JPH07244185A - 加圧水型原子炉の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 例えば制御棒を利用することにより、燃焼サ
イクル初期から末期に非均一に燃料を燃焼させて、末期
において中性子を有効に利用し、運転期間を延長させる
ことのできる加圧水型原子炉の運転方法を得る。 【構成】 燃焼度の軸方向分布に実質的に歪が生じるに
充分な挿入深さまで燃焼サイクル初期から末期に至るま
で炉心内部に中性子吸収能を有する部材を挿入し、サイ
クル末期には抜出すものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃焼サイクル初期から
末期に非均一に燃料を燃焼させることにより、末期にお
いて中性子を有効に利用し、運転期間の延長を目的とし
た加圧水型原子炉の運転方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、加圧水型原子炉（以下、ＰＷＲと
記す）炉心では、外筒のない、所謂キャンレス型の燃料
集合体を使用し、そして反応度制御機構としてクラスタ
形制御棒，ケミカルシムによる運転制御と、可燃性吸収
体の装荷を併用することを基本とする。これらを通じて
炉心の余剰反応度を極力抑え、出力分布の平坦化を図
り、且つ経済的な燃焼を行うことを目標とする。

【０００３】尚、図４はＰＷＲ用燃料集合体の構成を示
す説明図である。また、図５はＰＷＲ炉心のクラスタ形
制御棒の位置を示す説明図である。図４に示す通り、上
部ノズル(41)と下部ノズル(42)とが制御棒案内管(43)に
よって連結されている。この制御棒案内管(43)を取巻く
ように、グリッド(44)によって燃料棒(45)がバンドル状
にまとめられている。

【０００４】この燃料集合体(40)は図５に示す通り、Ｐ
ＷＲ炉心に装荷される。図５のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｓの位
置に対応する燃料集合体には各々対応する制御棒（Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄ；Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄバンク制御用制御棒、Ｓ；
停止用制御棒）が挿入される。

【０００５】具体的には、ＰＷＲ炉心では、本数の異な
る幾種類かのクラスタ形制御棒が、出力分布が極力平坦
化されるよう、適切に配置されている。また、ケミカル
シムでは、例えばボロンを冷却材中に溶解し、その濃度
を制御することによって、燃料の燃焼等に伴う長期的な
反応度の変化に対応して、適切な制御を行う。更に、可
燃性吸収体では、予め炉心内に装荷し、燃焼初期の過大
な潜在反応度を抑制する。これらを総合して、目標とす
るＰＷＲ炉心管理を達成する。

【０００６】更に具体的には、図５に示す通り、キャン
レス型の燃料集合体の約１／４強のものには、クラスタ
形制御棒が設けられており、制御グループ４バンク
（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）と停止グループ１バンクとに分かれ
ている。通常、運転時の出力制御が制御グループによっ
て行われる。

【０００７】即ち、プラントの出力変更にあたって、先
ず蒸気加減弁によりタービン蒸気流量を調整するが、こ
の時１次冷却材平均温度が所定の値を保つように制御棒
を自動操作する。一方、停止グループの制御棒クラスタ
は出力運転中の原子炉を高温停止する際に、制御グルー
プと共に一斉挿入される。

【０００８】また、各制御機構の特性も燃焼の進行等に
応じて変化していくが、運転状態の変更に対応した温度
変化、キセノンの蓄積、燃焼の進行等に各々起因する時
間的に比較的穏やかな反応度変化に対してはケミカルシ
ムで制御する。例えばケミカルシムのホウ素濃度は、サ
イクル初期は約４，０００ｐｐｍと高く、次第に減少
し、サイクル末期にはほぼ０となるように調製される。

【０００９】更に、ケミカルシムにおいて、核燃焼サイ
クルの初期に必要なホウ素濃度が過度に高くなると、減
速材温度係数が正になる可能性が出てくるが、可燃性吸
収体を使用すればこの問題を避けることができ、同時に
出力分布平坦化の上からも効果があるため、最近では可
燃性吸収体が活用されている。

【００１０】これはホウケイ酸ガラスを材料とし、ホウ
素中の¹⁰Ｂが中性子の吸収に伴って減少すること（燃
焼）により吸収能率が低下することを利用している。形
はステンレス被覆の付いた棒をクラスタ状に束ねたもの
で、燃料集合体へは着脱できる構造となっている。通
常、１１５万ｋＷｅ級炉心の例では、棒の数にして１５
００本が使用される。

【００１１】このようなＰＷＲ炉心において、燃料は、
軸方向についてほぼ均一に燃焼させており、また、制御
棒は運転中殆ど炉心外にあり、このため平坦な出力分布
が得やすい。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、ＰＷＲ
炉心の運転制御は、ケミカルシムと制御棒との制御で行
っている。尚、可燃性吸収体は予め燃料集合体の一部と
して装荷させ、運転制御の補助を行う。このＰＷＲ炉心
の運転制御として、ホウ素は運転初期には多くのホウ素
が水に溶かされていて、これを徐々に希釈していきなが
ら臨界を保持している。

【００１３】一方、制御棒は運転中には殆ど動かすこと
なく、ほぼ一定である。例えば、図５にしめされたよう
に、挿入されている制御棒はバンクグループ中のＤバン
クだけであり、挿入量も浅くてほぼ引抜き状態に近く、
燃料は軸方向でほぼ均一に燃焼する。

【００１４】本発明は、例えば制御棒を利用することに
より、燃焼サイクル初期から末期に非均一に燃料を燃焼
させて、末期において中性子を有効に利用し、運転期間
を延長することのできるＰＷＲの運転方法を得ることを
目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本請求項１に記載の発明
に係るＰＷＲの運転方法では、反応度制御機構として、
クラスタ形制御棒及びケミカルシムによる運転制御を行
うＰＷＲの運転方法において、燃焼度の軸方向に実質的
に歪が生じる充分な挿入深さまで燃焼サイクル初期から
末期に至るまで炉心内部に中性子吸収能を有する部材を
挿入し、サイクル末期には抜出すものである。

【００１６】本請求項２に記載の発明に係るＰＷＲの運
転方法では、請求項１に記載の中性子吸収能を有する部
材として、前記制御棒の少くとも一部を使用するもので
ある。

【００１７】本請求項３に記載の発明に係るＰＷＲの運
転方法では、請求項１に記載の燃焼サイクル初期から末
期に至るまで前記中性子吸収能を有する部材を炉心内の
有効高さ範囲の中央領域内に挿入し、サイクル末期には
有効高さ範囲外に抜出すものである。

【００１８】本請求項４に記載の発明に係るＰＷＲの運
転方法では、請求項３に記載の中性子吸収能を有する部
材として、クラスタ形制御棒の少なくと下方部分として
置換配置された中性子吸収棒を使用するものである。

【００１９】

【作用】一般に、出力を一様にしようとする（出力の平
坦化）と、燃料燃焼度が低くなる。従って、本発明にお
いては、燃焼度の軸方向に実質的に歪が生じる充分な挿
入深さまで燃焼サイクル初期から末期に至るまで炉心内
部に中性子吸収能を有する部材を挿入し、サイクル末期
には抜出すものであるため、燃焼サイクル初期から末期
にかけては、中性子吸収能を有する部材が挿入されてい
るので、燃焼度が軸方向に歪み、燃焼度が向上する。

【００２０】また、サイクル末期にはこの中性子吸収能
を有する部材を抜出すため、例えば炉心上部に残存して
いる核燃料やＰｕ等の核分裂性生成物を効率よく燃焼さ
せることができ、結果的に、運転期間を延長することが
できる。

【００２１】この場合、効率が高くなる理由は、集合体
平均の燃焼度が同じでも、燃焼度の低い部分は、増倍率
が高く、出力が高くなるため、燃焼度の歪みが大きい程
集合体平均の増倍率が高くなるためである。

【００２２】燃焼サイクル初期から末期に至るまで炉心
内部に挿入され、末期には炉心内部から抜出される中性
子吸収能を有する部材としては、具体的に制御棒の少く
とも一部が使用できる。この場合のサイクル末期とは、
具体的には炉心計算を実施した場合に臨界ホウ素濃度が
１０ppm になるサイクル燃焼度の時点であり、稼動中の
炉心においては原子炉を停止するときのサイクル燃焼度
のことを指す。前述の図５に示されるように、制御棒は
制御グループ４バンクと停止グループ１バンクとに分か
れているが、この内制御グループのＤバンクだけは、挿
入量が浅くほぼ引抜き状態に近いが、運転中炉内に挿入
されている。

【００２３】例えばこのＤバンクの制御棒を通常の運転
よりも深く挿入することにより、挿入された部分は、通
常の運転よりも燃焼が抑えられ、燃焼度の歪みが大きく
なる。このため、通常の燃料集合体，炉心等自体に何の
設計的な変更を行わずに、例えば制御グループのＤバン
クの挿入量を変更するだけで、通常の運転よりも効率よ
く燃焼させることができる。

【００２４】尚、現状のＰＷＲに対して、何の設計的又
は規則的な変更も行わずに、本発明の方法を適用するに
は、現在の運転規定では、運転中に常時挿入が許されて
いるのは、Ｄバンク制御棒だけであり、また挿入限界も
決められているため、最大でも３１％までが挿入可能で
ある。

【００２５】当然、もし規則的な変更が認められて原子
炉の運転に差支えないならば、燃焼サイクル初期から末
期に至るまで炉心内部に挿入され、末期には炉心内部か
ら抜出される制御棒は、Ｄバンクの制御棒だけでなく、
どの制御棒を用いても、燃料の熱的制約から炉心全体の
出力が低下しない限り、また、炉心停止余裕を低下させ
ない限り、最大の効果をもたらす中性子吸収素材，挿入
位置，及び挿入量を選択して行えばよい。

【００２６】また、現状のＰＷＲの制御グループ及び停
止グループの制御棒を利用せずに、炉心の設計を変更し
て、燃焼サイクル初期から末期に至るまで前記中性子吸
収能を有する部材を炉心内の有効高さ範囲の中央領域内
に挿入し、サイクル末期には有効高さ範囲外に抜出すよ
うにしてもよい。

【００２７】例えばＧｄ，Ｂ，Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金等
の中性子吸収能を有する部材を燃焼サイクル初期から末
期に至るまで、現在認可されている制御棒の挿入限界量
である炉心高さの３０％から、軸方向燃焼度の歪量が有
効に作用する限界量である７０％までの軸方向中央部に
挿入し、サイクル末期に炉心内の有効高さ範囲外に抜出
すようにしても勿論よい。この場合、中性子吸収能を有
する部材を軸方向中央部にまで挿入しているため、上記
効果に加えて、軸方向中性子漏洩量を減少させることが
でき、更に運転末期を延長できる。

【００２８】この場合の具体例としては、クラスタ形制
御棒の少なくと下方部分として置換配置された中性子吸
収棒を使用する。前述の中性子吸収能を有する部材をク
ラスタ形制御棒と同様の装置形状にして、運転制御及び
運転停止グループとは別系統として、燃焼サイクル初期
から末期に至るまで軸方向中央部に挿入し、末期に引抜
くように操作する。

【００２９】

【実施例】図１は本発明の一実施例の構成を説明する説
明図であり、ａ図は本発明の運転中のＤバンクの制御棒
の挿入位置に対するサイクル燃焼度の関係を示す線図で
あり、ｂ図は通常の運転中のＤバンクの制御棒の挿入位
置に対するサイクル燃焼度の関係を示す線図である。図
１のａ，ｂ図において、縦軸はＤバンクの制御棒の挿入
位置（ステップ）、横軸はサイクル燃焼度（ＭＷｄ／
ｔ）である。図２は具体的な燃料集合体のグリッド，燃
料棒，制御棒位置を示す説明図である。

【００３０】本実施例では、図１に示す通り、ＰＷＲ炉
心において、Ｄバンクの制御棒をサイクル初期から１５
６ステップとし、サイクル末期で２１０ステップとし
た。その結果、２１０ステップ一定で運転した場合と比
較してサイクル末期の臨界ホウ素濃度を約２０ｐｐｍ増
やすことができることが確認された。

【００３１】尚、制御棒の挿入位置（ステップ）は図２
に示す通りである。ここで、２１０ステップの挿入量
は、 （２２５−２１０）×１．６＝２４ｃｍ（∴６．７％挿
入） 制御棒全体の６．７％であり、１５０ステップの挿入量
は、 （２２５−１５６）×１．６＝１１０．４ｃｍ（∴３１
％挿入） 制御棒全体の３１％である。

【００３２】また、臨界ホウ素濃度の約２０ｐｐｍの増
加とは、一般に１０ｐｐｍの増加によって約１００ＭＷ
ｄ／ｔの燃焼度上昇が認められることから、約２００Ｍ
Ｗｄ／ｔの燃焼度上昇となる。従って、１３０００ＭＷ
ｄ／ｔのサイクル長では、 ２００／１３０００×１００＝１．５％ となり、１．５％の延長が達成されることとなる。

【００３３】尚、サイクル初期臨界ホウ素濃度は、２１
０ステップ及び１５６ステップ各々において、次の通り
である。 ２１０ステップ挿入の時…１０５６ｐｐｍ １５６ステップ挿入の時…１０２０ｐｐｍ

【００３４】以上のように、燃焼サイクル初期から末期
に至るまで炉心内に制御棒を可能な限り挿入し、末期に
はこれを炉心内部から抜出すことにより、サイクル末期
の臨界ホウ素濃度を増やすことができ、運転期間が延長
できる。

【００３５】また、本実施例は、Ｄバンクの制御棒を現
状の設計を変更せず、また現状の規則で許容される最大
の挿入量でＤバンクの制御棒を炉心内に挿入して運転し
たものである。もし、設計的な変更又は規則的な変更が
認められて原子炉の運転に差支えないならば、燃焼サイ
クル初期から末期に至るまで炉心内部に挿入され、末期
には炉心内部から抜出される中性子吸収能を有する部材
は、Ｄバンクの制御棒以外の制御棒や新たな中性子吸収
棒をクラスタ形に設けたものを用いてもよい。この場
合、燃料の熱的制約から炉心全体の出力が低下しない限
り、また、炉心停止余裕を低下させない限り、最大の効
果をもたらす挿入位置及び挿入量を実施すればよい。

【００３６】具体的には、図３は新たなクラスタ形中性
子吸収棒の構成を示す説明図であり、図ａは側面図，図
ｂは平面図である。図に示す通り、クラスタ形制御棒(3
1)のスパイダー(32)で互いに連結された少なくとも下方
部分が中性子吸収材(34)として置換配置された中性子吸
収棒(33)を使用する。

【００３７】即ち、前述の中性子吸収能を有する中性子
吸収材(34)として、クラスタ形制御棒(31)と同様の装置
形状に中性子吸収棒(33)を配置し、運転制御及び運転停
止グループの起動，停止，負荷変化などに伴う比較的急
速な反応度変化を制御する既存制御棒とは別系統とし
て、制御棒クラスタ状の中性子吸収部材とその駆動装置
を設け、燃焼サイクル初期から末期に至るまで軸方向中
央部に挿入し、末期に引抜くように操作する。この場
合、既存の制御棒と同様に、原子炉容器上蓋に取付けた
磁気ジャック式制御棒駆動装置により駆動される。

【００３８】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり、燃焼度の
軸方向に実質的に歪が生じる充分な挿入深さまで燃焼サ
イクル初期から末期に至るまで炉心内部に中性子吸収能
を有する部材を挿入し、サイクル末期には抜出すもので
あるため、燃焼サイクル初期から末期にかけては、中性
子吸収能を有する部材が挿入されているので、燃焼度が
軸方向に歪み、燃焼度が向上する。また、サイクル末期
にはこの中性子吸収能を有する部材を抜出すため、例え
ば炉心上部に残存している核燃料やＰｕ等の核分裂性生
成物を効率よく燃焼させることができ、結果的に、運転
期間を延長することができる。

【００３９】燃焼サイクル初期から末期に至るまで炉心
内部に挿入され、末期には炉心内部から抜出される中性
子吸収能を有する部材としては、具体的に制御棒の少く
とも一部が使用できる。このため、燃料集合体自体に何
の設計的な変更を行わずに、通常の運転よりも効率よく
燃焼させることができる。

【００４０】また、現状のＰＷＲの制御グループ及び停
止グループの制御棒を利用せずに、炉心の設計を変更し
て、燃焼サイクル初期から末期に至るまで前記中性子吸
収能を有する部材を炉心内の有効高さ範囲の中央領域内
に挿入し、サイクル末期には有効高さ範囲外に抜出すよ
うにしても勿論よい。

【００４１】具体的には、クラスタ形制御棒の少なくと
下方部分として置換配置された中性子吸収棒を使用す
る。前述の中性子吸収能を有する部材をクラスタ形制御
棒と同様の装置形状にして、運転制御及び運転停止グル
ープとは別系統として、燃焼サイクル初期から末期に至
るまで軸方向中央部に挿入し、末期に引抜くように操作
する。この場合、中性子吸収能を有する部材を軸方向中
央部にまで挿入しているため、上記効果に加えて、軸方
向中性子漏洩量も減らすことができ、運転末期を延長で
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す説明図であり、
ａ図は本発明の運転中のＤバンクの制御棒の挿入位置に
対する燃焼度の関係を示す線図であり、ｂ図は通常の運
転中のＤバンクの制御棒の挿入位置に対する燃焼度の関
係を示す線図である。

【図２】具体的な燃料集合体のグリッド，燃料棒，制御
棒位置を示す説明図である。

【図３】新たなクラスタ形中性子吸収棒の構成を示す説
明図であり、図ａは側面図，図ｂは平面図である。

【図４】図４はＰＷＲ用燃料集合体の構成を示す説明図
である。

【図５】図５はＰＷＲ炉心の制御棒の位置を示す説明図
である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 反応度制御機構として、クラスタ形制御
   棒及びケミカルシムによる運転制御を行う加圧水型原子
   炉の運転方法において、 燃焼度の軸方向分布に実質的に歪が生じるに充分な挿入
   深さまで燃焼サイクル初期から末期に至るまで炉心内部
   に中性子吸収能を有する部材を挿入し、サイクル末期に
   は抜出すことを特徴とする加圧水型原子炉の運転方法。
2. 【請求項２】 前記中性子吸収能を有する部材として、
   前記制御棒の少くとも一部を使用することを特徴とする
   請求項１に記載の加圧水型原子炉の運転方法。
3. 【請求項３】 前記燃焼サイクル初期から末期に至るま
   で前記中性子吸収能を有する部材を炉心内の有効高さ範
   囲の中央領域内に挿入し、サイクル末期には有効高さ範
   囲外に抜出すことを特徴とする請求項１に記載の加圧水
   型原子炉の運転方法。
4. 【請求項４】 前記中性子吸収能を有する部材として、
   クラスタ形制御棒の少なくと下方部分として置換配置さ
   れた中性子吸収棒を使用することを特徴とする請求項３
   に記載の加圧水型原子炉の運転方法。