JPH08201562A - 制御棒集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】Ｎａ等の冷却材流量低下時に負の反応度が自動
的に投入されることにより炉心の安全性を向上すること
ができる制御棒集合体を提供する。 【構成】上部に中性子吸収領域を、下部に管状体からな
るフォロアーを有する制御棒集合体１において、フォロ
アー内部にボイド室４を設け、このボイド室から上方に
延びるボイド室細管５を中性子吸収領域近傍まで延設
し、ボイド室細管の上部に設けたガス流出入穴６を介し
てフォロアー内部とボイド室内部とを空間的に連通す
る。ボイド室の軸方向長さは炉心高さの５０〜８０％を
占め、制御棒集合体が炉心から全引抜された状態でボイ
ド室が炉心の軸方向中央部に位置するよう構成する。炉
心内の冷却材流量が定格値の状態ではフォロアー内部の
冷却材液位が炉心上端より高いレベルに位置し、冷却材
流量が零となった状態ではフォロアー内部の冷却材液位
が炉心下端より低いレベルに位置するようにボイド室お
よびフォロアーの形状が決定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はナトリウム等の溶融金属
を冷却材とする原子炉の制御棒集合体に係わり、さらに
詳しくは、冷却材流量低下時に負の反応度が自動的に投
入されることにより炉心の安全性を向上することができ
る新規かつ改良された制御棒集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】ナトリウム等の溶融金属を冷却材とする
原子炉、例えば高速増殖炉の炉心は、六角形状水平断面
のラッパ管の内部に複数の燃料棒を束ねて構成される燃
料集合体を三角格子ピッチで円筒状に配置し、その内部
に燃料集合体１０体に１体程度の本数割合で制御棒集合
体をほぼ均一に配置した構成である。

【０００３】従来より高速増殖炉で用いられている制御
棒集合体を図４に示す。この制御棒集合体１の上部には
中性子吸収物質を内部に充填した複数本の中性子吸収棒
２を束ねて構成した中性子吸収領域が配置されており、
その下部にはＳＵＳ等で製造された管状体３の構造物で
あるフォロアーが装備されている。このフォロアーは、
制御棒集合体１を炉心内に挿入した際に、上部の中性子
吸収領域が、隣接する燃料集合体の炉心燃料ペレットが
充填されている発熱部分（以下“炉心部”という）の軸
方向高さに位置するように維持する機能を受け持ってい
る。フォロアーの下端３ａは冷却材が自由に出入できる
ようにされており、フォロアー内には冷却材がその下部
から上部に流れており、上部の中性子吸収領域への冷却
材流路を兼ねているのが普通である。

【０００４】高速増殖炉において発生の確率が極めて低
く、起こり得るとは考えられないため設計基準外事象と
して分類される事象の中で、炉心の特性に依存し炉心の
損傷に至る可能性のある事象として、流量低下型スクラ
ム失敗事象（ＵＬＯＦ）が考えられている。この事象
は、ポンプが停止し冷却材流量が低下した状態で制御棒
挿入による炉停止（スクラム）に失敗すると、発熱量と
除熱量のバランスがくずれ、炉心部の温度が上昇して短
時間で冷却材が沸騰し、大規模な燃料破損を引き起こす
と想定されているものである。

【０００５】この事象に対する対策の一つとして、図５
に示すようなガス膨脹機構（ＧＥＭ：Gas Expansion Mo
dule）の炉心周辺部への設置が考えられている。このＧ
ＥＭ４０は、上端を閉じた管４１内にアルゴンガス等の
不活性ガス４２を封入し、管の下端４１ａを炉心入口と
同じ高圧プレナム（図示せず）に開放する構造である。
その作動原理は、定格出力運転時（冷却材流量：１００
％）には炉心入口圧力によってＧＥＭ内の不活性ガス４
２が圧縮されＧＥＭ内は隣接する燃料集合体３０の炉心
部３１上端以上の高さまで冷却材１０で満たされるが
（図５Ａ）、ＦＬＯＦ時（冷却材流量：０％）にポンプ
トリップ等によって炉心入口圧力が低下するとＧＥＭ内
で圧縮されていた不活性ガス４２が膨脹して冷却材１０
液位が低下し、ＧＥＭ内は不活性ガス４２で満たされる
こととなる（図５Ｂ）。ＧＥＭ内が冷却材で満たされて
いる時には、冷却材による中性子反射効果により炉心か
らの中性子漏洩が抑えられているが、ポンプトリップ等
が生じるとＧＥＭ内の冷却材が不活性ガスに置き換わっ
てボイド化し、この部分の中性子反射効果が失われ炉心
からの中性子漏洩量が増加し、炉心の反応度が減少する
こととなる。

【０００６】このような作動原理から、ＧＥＭはＵＬＯ
Ｆ時等の流量低下型事象に対して負の反応度効果があ
り、米国で開発中の小型モジュール炉ＰＲＩＳＭ（電気
出力１５万ｋＷ、炉心等価直径：約１．４ｍ、３体のＧ
ＥＭを設置）の安全解析によれば、炉心の冷却材の沸騰
を防止できるとの評価結果が得られている。また、米国
実験炉ＦＦＴＦ（炉心等価直径：約１．２ｍ）では、９
体のＧＥＭを設置し、約５０％出力状態からのＵＬＯＦ
模擬実験を行い、約０．７＄の負の反応度が投入でき、
炉心の冷却材が沸騰することなく事象を収束できること
が実証されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したＰＲＩＳＭの
ような小型炉では、炉心周辺部における中性子漏洩量が
大きいのでＧＥＭ１体あたりの負の反応度効果が大き
く、また、ボイド反応度特性によりＵＬＯＦ時に必要と
する負の反応度投入量も小さくてすむので、ＧＥＭを３
体程度設置すればＵＬＯＦ事象に対応出来る。しかし、
将来の高速増殖炉実用化時期に建設される見込みの電気
出力１００万ｋＷを越える大型炉では、炉心サイズが大
きくなって炉心外周部からの中性子漏洩量が減ってＧＥ
Ｍ１体当りの負の反応度効果が減るとともに、必要な負
の反応度投入量も増大するので、ＵＬＯＦ事象を回避す
るためには炉心外周部の一層以上（７０体以上）の領域
にＧＥＭを設置することが必要となる。そのために、炉
容器サイズが増大しプラント建設費が増大するなどのデ
メリットが生じる。

【０００８】ＧＥＭの装荷体数を減らすためには、炉心
の軸方向中央部に対応する部分にＳＵＳ等を充填して冷
却材のボイド化を防止し、炉心上部および下部に対応す
る部分のみがボイド化するように構造を変更したＧＥＭ
を、反応速度の大きい炉心内部に装荷するやり方、すな
わち炉心内配置ＧＥＭが考えられる。しかし、この場合
には、当該位置の燃料集合体を中性子インポータンスの
高い炉心内部から中性子インポータンスの低い炉心周辺
部に移動させることになり、燃料装荷体数の増大による
燃料コストの増大などのデメリットが生じる。また、炉
心内部にＧＥＭを装荷すると、出力ミスマッチなどによ
り炉心制御性、運転性なども悪化する。

【０００９】そこで本発明は、将来の高速増殖炉実用化
時期に建設される見込みの電気出力１００万ｋＷを越え
る大型炉に対して、炉容器サイズや燃料装荷体数の増大
によるプラント建設費や燃料コストの増大などのデメリ
ットを生じることなく、ＵＬＯＦ事象を回避できる新規
かつ改良された制御棒集合体を提供することを目的とし
てなされたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、炉心内部に配
置されている制御棒集合体の下部に設置されているフォ
ロアーに前述したＧＥＭの機能を付与することにより、
上記の課題を解決している。すなわち本発明による制御
棒集合体は、図１の実施例に示した参照番号を引用して
説明すると、上部に中性子吸収棒２を複数本束ねて構成
した中性子吸収領域を有し、下部に管状体３から構成し
たフォロアーを有する制御棒集合体１において、前記フ
ォロアー内部にボイド室４を設け、このボイド室から上
方に延びるボイド室細管５を前記中性子吸収領域近傍ま
たは中性子吸収領域内まで延設し、前記ボイド室細管の
上部に設けたガス流出入穴６を介してフォロアー内部と
ボイド室内部とを空間的に連通した構造を備えている。
前記ボイド室４の軸方向長さは炉心高さ、すなわち隣接
する燃料集合体３０の炉心部３１（炉心燃料ペレットが
充填された領域）の高さの５０〜８０％を占めており、
制御棒集合体１が炉心から全引抜された状態（図１に図
示の状態）で前記ボイド室４が炉心の軸方向中央部に位
置するよう構成されており、炉心内の冷却材流量が定格
値の状態すなわち定格出力運転時には、前記フォロアー
内部の冷却材１０液位が炉心上端より高いレベルに位置
し（図１Ａ）、冷却材流量が零となった状態すなわちＵ
ＬＯＦ時には、前記フォロアー内部の冷却材液位が炉心
下端より低いレベルに位置するように（図１Ｂ）、前記
ボイド室および前記フォロアーの形状が決定されてい
る。

【００１１】

【作用】ナトリウム冷却高速増殖炉の炉心のボイド反応
度は、正及び負の反応度効果を持つ各種の物理要因の相
殺により決定される物理量であり、ボイドの生じる炉心
内の位置に応じて符号が異なることが良く知られてい
る。即ち、制御棒集合体が配置されている炉心内部領域
では、軸方向の上端および下端の近傍（それぞれ、炉心
高さの１０〜２５％の領域）では、中性子漏洩割合が大
きいので冷却材の反射体としての寄与が支配的であり、
冷却材のボイド化により負の反応度が投入される。他
方、炉心中央部（炉心高さの５０〜８０％の領域）で
は、中性子漏洩割合が小さいので冷却材の中性子吸収材
としての寄与が支配的であり、冷却材のボイド化により
正の反応度が投入される。

【００１２】本発明による制御棒集合体が炉心から全引
抜された状態では、下部のフォロアーがちょうど炉心部
に挿入された状態であり、ボイド室が炉心中央部（炉心
高さの５０〜８０％の領域）に位置するように構成され
ており、ＳＵＳや冷却材で構成されている従来の制御棒
集合体と比べれば、上記の理由により、正の反応度が投
入される。電気出力１００万ｋＷクラスの炉心に対して
評価した結果では、この効果は約５０¢（約０．２％△
ｋ／ｋｋ’）に相当し、運転期間の長期化や制御棒ボロ
ン使用量の低減に活用できる。

【００１３】本発明による制御棒集合体では、定格出力
運転中はフォロアー中の冷却材が炉心の上部および下部
（それぞれ、炉心高さの１０〜２５％の領域）において
中性子反射体としての役割を果たすように構成されてい
るが、ＵＬＯＦ事象等で冷却竿流量が零となった場合に
は、上記の理由により、負の反応度が投入されることに
なる。本発明による制御棒集合体は、中性子インポータ
ンスの大きい炉心部に配置されるので、投入される負の
反応度効果は中性子インポータンスの小さい炉心周辺部
に配置される従来型ＧＥＭに比べるとはるかに大きくな
り、電気出力１００万ｋＷクラスの炉心に対して評価し
た結果では、８倍程度の値が得られている。従って、本
発明による制御棒集合体を１０体程度使用すれば、炉心
外周部１層分の従来型ＧＥＭで得られる反応度と等しく
なる。通常３０本以上の制御棒集合体を有する電気出力
１００万ｋＷクラスの炉心においては、原子炉の起動時
に引抜かれて定格出力運転時には全引抜き状態にあるの
は後備炉停止棒６本および起動棒６本程度であり、これ
らの制御棒集合体として本発明による制御棒集合体を使
用すれば、炉心外周部１層分の従来型ＧＥＭを削除でき
ることになる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図１ないし図３を参照して
説明する。図１は、本発明による制御棒集合体の一例を
示す垂直断面図であり、燃料集合体３０に隣接した炉心
の所定位置に制御棒案内管２０に案内されて挿入・引抜
きが行われる。この制御棒集合体１は、上部に中性子吸
収棒２を複数本束ねて構成した中性子吸収領域を、下部
に管状体３から構成したフォロアーを有する点は図４に
示した従来の制御棒集合体と同じである。本発明の制御
棒集合体においては、上下が密閉された筒体４ａからな
るボイド室４をフォロアー内部に配設し、この筒体４ａ
頂壁からボイド室細管５を上方に延設し、ボイド室細管
５上端を中性子吸収領域の下部支持体７に固着すること
によりボイド室４をフォロアー内に吊り下げ、ボイド室
細管５の上部に穿設したガス流出入穴６を介してフォロ
アー内部とボイド室４内部とを空間的に連通した構造と
した点で従来の制御棒集合体と相違する。

【００１５】図１は制御棒案内管２０の中を中性子吸収
材領域が燃料集合体３０の炉心部３１の位置から完全に
引抜かれ、下部のフォロアーがちょうど炉心部３２に隣
接する位置に置かれた状態を示している。図１からわか
るように、この状態においてはボイド室４の軸方向長さ
は炉心部３１の高さの５０〜８０％を占め、かつボイド
室４が炉心部３１の軸方向中央部に位置している。図１
Ａに示すように、定格出力運転時においては炉心入口圧
力により冷却材１０がフォロアー内に流入してフォロア
ー内部の冷却材液位が炉心部３１上端またはそれより高
いレベルまで上昇する。一方、図１Ｂに示すように、Ｕ
ＬＯＦ時に冷却材流量が零となったときには、フォロア
ー内部の冷却材液位が炉心部３１下端より低いレベルま
で下降する。これらの状態における制御棒集合体１の作
用については上記で説明した通りである。

【００１６】図２は本発明による制御棒集合体の他の実
施例を示したものであり、制御棒案内管は図示されてい
ない。なお、図１で説明した部材と同じ部材には、図１
と同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。図２
の実施例においては、ボイド室４は中央に中空部４ｂを
備えた環体４ｃからなり、この環体４ｃの外周壁として
フォロアー管状体３の管壁を共用する構造とし、環体４
ｃ底壁をフォロアー管状体３の管壁に例えば溶接８等に
より固着することによりボイド室４をフォロアー内に固
定している。また、中性子吸収領域の外周に位置する中
性子吸収棒２ａを短尺化して、ボイド室細管５を短尺化
した中性子吸収棒２ａの下部まで延長して、ガス流出入
穴６を高い位置に設けている。ガス流出入穴６を高い位
置に設けることにより、何らかの原因で冷却材１０液位
が変動した場合でも、定格出力運転時の冷却材液位を炉
心部上端より十分高い位置に保つとともに、冷却材液位
とガス流出入穴６との間に十分な距離を維持してボイド
室４内部への冷却材の流入を防止できる。

【００１７】図３は本発明による制御棒集合体のさらに
別の実施例を示したものであり、図２の実施例と同様
に、ボイド室４は中央に中空部４ｂを備えた環体４ｃか
らなり、この環体４ｃの外周壁としてフォロアー管状体
３の管壁を共用する構造としている。図３の実施例で
は、中性子吸収領域の中央部に位置する中性子吸収棒を
削除して上端を密閉した中空管９を設置し、この中空管
９の内部ににボイド室細管５を延長して挿入してある。
かような構造による効果は、図２の実施例の場合と同じ
く、ガス流出入穴６を高い位置に設けることにより、定
格出力運転時の冷却材液位を炉心上端より十分高い位置
に保つとともに、冷却材液位が変動した場合のボイド室
４の内部への冷却材の流入を防止できることである。

【００１８】

【発明の効果】以上本発明によれば、制御棒集合体の下
部フォロアー内部に簡単な形状のボイド室を設けること
により、ＵＬＯＦ事象が生じた場合でもフォロアー内部
の冷却材が自動的に除去されて炉心に負の反応度が投入
されるので、炉心の安全性を向上することができる。

【００１９】さらに、中性子インポータンスの高い炉心
内側領域に配置された制御棒集合体の下部スペースを有
効利用できるので、炉心内部に配置する従来型ＧＥＭと
比べると、燃料集合体装荷体数の増大抑制等による燃料
コストの低減が可能となる。また、炉心外周部に配置す
る従来型ＧＥＭと比べると、炉容器サイズの増大抑制等
によるプラント建設費の低減が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による制御棒集合体の実施例を示す垂直
断面および作動原理の説明図。

【図２】本発明による制御棒集合体の他の実施例を示す
垂直断面図。

【図３】本発明による制御棒集合体のさらに別の実施例
を示す垂直断面図。

【図４】従来の制御棒集合体の垂直断面図。

【図５】従来型ＧＥＭの垂直断面および作動原理図

【符号の説明】 １…制御棒集合体 ２…中性子吸収棒 ３…管状体（フォロアー） ４…ボイド室 ４ａ…筒体 ４ｂ…中空部 ４ｃ…環体 ５…ボイド室細管 ６…ガス流出入穴 １０…冷却材 ３０…燃料集合体 ３１…炉心部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部に中性子吸収棒を複数本束ねて構成
   した中性子吸収領域を有し、下部に管状体から構成した
   フォロアーを有する制御棒集合体において、前記フォロ
   アー内部にボイド室を設け、このボイド室から上方に延
   びるボイド室細管を前記中性子吸収領域近傍または中性
   子吸収領域内まで延設し、前記ボイド室細管の上部に設
   けたガス流出入穴を介してフォロアー内部とボイド室内
   部とを空間的に連通し、前記ボイド室の軸方向長さは炉
   心高さの５０〜８０％を占めており、制御棒集合体が炉
   心から全引抜された状態で前記ボイド室が炉心の軸方向
   中央部に位置するよう構成されており、炉心内の冷却材
   流量が定格値の状態では前記フォロアー内部の冷却材液
   位が炉心上端より高いレベルに位置し、冷却材流量が零
   となった状態では前記フォロアー内部の冷却材液位が炉
   心下端より低いレベルに位置するように前記ボイド室お
   よび前記フォロアーの形状が決定されていることを特徴
   とする制御棒集合体。
2. 【請求項２】 前記ボイド室は上下が密閉された筒体か
   らなり、この筒体頂壁から上方に延設した前記ボイド室
   細管の上端を前記中性子吸収領域の下部支持体に固着し
   てボイド室をボイド室細管により吊り下げる構造とした
   ことを特徴とする請求項１記載の制御棒集合体。
3. 【請求項３】 前記ボイド室は中央に中空部を備えた環
   体からなり、この環体の外周壁として前記フォロアー管
   状体の管壁を共用する構造として前記環体底壁を前記フ
   ォロアー管状体の管壁に固着し、前記中性子吸収領域の
   外周に位置する中性子吸収棒を短尺化して前記ボイド室
   細管を短尺化した中性子吸収棒の下部まで延長したこと
   を特徴とする請求項１記載の制御棒集合体。
4. 【請求項４】 前記ボイド室は中央に中空部を備えた環
   体からなり、前記環体の外周壁として前記フォロアー管
   状体の管壁を共用する構造として前記環体底壁を前記フ
   ォロアー管状体の管壁に固着し、前記中性子吸収領域の
   中央部に位置する中性子吸収棒を削除して中空管を設置
   し、この中空管の内部に前記ボイド室細管を延長して挿
   入したことを特徴とする制御棒集合体。