JPH09145878A - 原子炉用炉心、原子炉および原子炉の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】原子炉の停止時における未臨界性を十分に確保
し、特に小型原子炉に最適な原子炉用炉心、原子炉及び
原子炉の運転方法を提供する。 【解決手段】原子炉は、４つの炉心４…４及び水素含有
率が水よりも低い材料を充填して成る水排除棒２３を備
える。炉心４…４に複数の燃料集合体２８…２８を設
け、この複数の燃料集合体２８…２８を原子炉運転開始
時の低温状態における原子炉臨界性に関する設定値が臨
界未満の状態となるように形成する。水排除棒２３を複
数の炉心間の軸方向に沿って挿入及び引抜き可能に配置
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、原子炉用炉心、
原子炉および原子炉の運転方法に係り、とくに原子炉臨
界性に基づく炉心構造及びその運用に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、減速材および冷却材として水を使
用する軽水型原子炉の内の沸騰水型原子炉の一例を図８
〜図１０に示す。

【０００３】図８に示す沸騰水型原子炉には、原子炉圧
力容器１の中心部に円筒形のシュラウド２が配設されて
おり、このシュラウド２の内側に炉心支持板３で支持さ
れた炉心４が装備され、炉心４の上側には上部格子板５
が配置されている。

【０００４】この原子炉においては、冷却水がシュラウ
ド２の外側にあるダウンカマ６を下降し、炉心支持板３
の下側の下部プレナム７に至ると共に、その下部プレナ
ム７から上昇して炉心４を通過し、この通過中に沸騰し
て気液二相流となり、そのまま上部格子板５の上側にあ
る上部プレナム８を経て気水分離器９に達し、ここで水
と水蒸気とに分離する。そこで、水蒸気が蒸気乾燥器１
０で乾燥された後に蒸気出口からタービン（図示しな
い）に供給される一方、水が上記と同じ経路でダウンカ
マ６を経て再び炉心４に導入される。

【０００５】炉心４は、図９に示す電気出力５２万ｋＷ
の原子炉の場合では、円柱形のシュラウド２内に高さが
３７０（cm）、一辺の長さが１５（cm）の大きさを有す
る多数の燃料集合体１１…１１を一定間隔で規則正しく
配列して成るもので、隣接する４体の燃料集合体１１…
１１に１本の割合で制御棒１２…１２が炉心４の下部か
ら上部に向けて挿抜自在に配設されている。

【０００６】燃料集合体１１…１１は、図１０に示すよ
うに、チャンネルボックス１３内に一定間隔で規則正し
く配列された多数本の燃料棒１４…１４と、冷却水流路
用のウォータロッド１７とを収容した構造となってい
る。燃料棒１４…１４は、被覆管１５内に二酸化ウラン
の燃料ペレット１６を充填して成るもので、この燃料棒
１４…１４の間を流れる冷却水が沸騰して上記の気液二
相流となる。これに対し、チャンネルボックス１３の外
側及びウォータロッド１７内を流れる冷却水は、沸騰し
ない。

【０００７】制御棒１２…１２は、図１０に示すよう
に、十字状支持部１８内に固設されるＵ字状のシース１
９…１９と、このシース１９…１９内に配列されるＢ₄
Ｃの粉末を充填して成る多数本の中性子吸収棒２０…２
０とを備えたもので、運転停止中には全てが炉心４内に
挿入され、出力運転時には数本又は十数本を除く大部分
が炉心４外に引き抜かれる（図８中の点線部分参照）。

【０００８】ここで、沸騰水型原子炉の臨界性を図１１
に基づき説明する。

【０００９】図１１は、制御棒１２…１２が引抜位置に
ある場合の燃料集合体１１…１１の無限増倍率の変化を
説明するもので、具体的には縦軸に無限増倍率をとり、
横軸に原子炉の運転状態を表す、中性子減速材である水
素原子数とウラン原子数との比（水素原子数／ウラン原
子数）をとって、曲線２１で代表される出力運転中の状
態における無限増倍率の変化と、曲線２２で代表される
出力運転前の状態における無限増倍率の変化とを比較検
討するものである。

【００１０】同図において、出力運転中では、曲線２１
に示すように、中性子減速材の密度減少に伴って、即ち
炉心４の下端部（ボイド率０％）、炉心平均部（ボイド
率４０％）、上端部（ボイド率７０％）に至るボイド率
増加に伴って無限増倍率が減少し、負の減速材密度係数
をもつ。これに対し、出力運転前（停止状態付近）の低
温時では、曲線２２に示すように、原子炉の温度変化に
伴って減速材密度が変化し、正の減速材密度係数をも
つ。ここで、曲線２１と曲線２２との無限増加率の違い
は、出力運転時に核分裂生成物であるＸｅが出力に比例
して蓄積し、中性子吸収量が増加すること、および燃料
棒１４…１４の温度上昇に伴うドップラー効果により中
性子吸収量が増加することに起因するものである。

【００１１】上記のように出力運転中では、例えばボイ
ド率の増加による減速材密度の減少に伴って無限増倍率
が減少するのに対し、出力運転前の低温時には、そのま
まの状態で運転を開始すると、減速材温度が上昇して無
限増倍率が上昇してしまう。そこで、実際には、停止中
には炉心４内に制御棒１２…１２を挿入することで、図
１１に示す正の減速材密度係数による無限増倍率の変化
とは異なり、出力運転時と同様に負の減速材密度係数で
無限増倍率を変化させる。

【００１２】一般に、原子炉の炉心は、出力運転時には
数本又は十数本を除く大部分の制御棒１２…１２を炉心
４から引き抜くことで臨界状態を維持し、出力停止時に
は全ての制御棒１２…１２を挿入することで臨界未満の
状態となる。このような原子炉の臨界性は、通常、「実
効増倍率」の値で判断されている。

【００１３】つまり、この「実効増倍率」をｋ_eff と
し、中性子の漏れを考慮しない増倍率、即ち「無限増倍
率」をｋ_∞とし、「中性子移動面積」をＭ² とし、「バ
ックリング」をＢ² としたとき、実効増倍率ｋ_eff を、

【数７】 の式で求め、その結果により、ｋ_eff ＝１．０のときを
臨界状態、ｋ_eff ＜１．０のときを臨界未満の状態とす
る。ここで、上記［数７］式中の右辺分母（１＋Ｍ² ・
Ｂ² ）は、炉心からの中性子漏れによる増倍率低下分を
表す。

【００１４】「無限増倍率ｋ_∞」は運転時と停止時とで
異なり、運転時よりも低温で水の密度が大きい停止時の
方が０．０５程度大きい。「中性子移動面積Ｍ² 」も、
運転時と停止時とで異なり、通常、運転時ではＭ² ＝７
０〜８０（cm² ）、停止時ではＭ² ＝３０〜４０（c
m² ）である。

【００１５】これに対し、「バックリングＢ² 」は、炉
心形状にのみ依存するもので、運転時と停止時とで変化
せず一定である。ここで、円柱形の炉心（例えば図９中
の炉心４の形状参照）を例に上げると、この炉心の半径
をＲ（cm）とし、その高さをＨ（cm）としたとき、バッ
クリングＢ² （cm^-2）は、

【数８】 の式で求めることができる。

【００１６】例えば、電気出力５２万ｋＷの大型の原子
炉を例に上げて説明すると、この原子炉の炉心は、Ｒ＝
１７０（cm）、Ｈ＝３７０（cm）であるため、これらの
値を上記［数８］式に代入してバックリングＢ² を求め
ると、Ｂ² ＝２．７×１０^-4（cm^-2）となる。このバッ
クリングＢ² の値と、上記の中性子移動面積Ｍ² の運転
時及び停止時の値を上記［数７］式中に代入して中性子
漏れによる増倍率低下分を示す分母（１＋Ｍ² ・Ｂ² ）
の値を求めると、運転時では１．０２、停止時では１．
０１となる。また、無限増倍率ｋ_∞は、運転時でｋ_∞＝
１．０４とすると停止時ではｋ_∞＝１．０８となること
から、両者の値と上記で求めた分母の値とを上記［数
７］式に代入して実効増倍率ｋ_eff を求めると、運転時
ではｋ_eff＝１．０２、停止時ではｋ_eff ＝１．０８と
なる。

【００１７】従って、無限増倍率ｋ_∞及び中性子の漏れ
のいずれの側面においても、運転時よりも停止時の方が
実効増倍率を高める傾向にある。そこで、実際には、停
止時には全ての制御棒１２…１２を炉心４に挿入するこ
とで、無限増倍率ｋ_∞を０．９５程度とし、実効増倍率
ｋ_eff が０．９４程度となる十分な未臨界状態を達成し
ている。なお、この場合に、運転時ではｋ_eff ＝１．０
２となり、臨界状態のｋ_eff ＝１．０よりも大きくなる
ため、実際の原子炉では全ての制御棒１２…１２を炉心
４から引き抜くのではなく、数本又は数十本の制御棒１
２…１２の挿入状態をそのまま維持させることで実効増
倍率ｋ_eff を０．０１〜０．０２程小さくし、ｋ_eff ＝
１．０の臨界状態で運転している。

【００１８】ところで一方、特に多くの発展途上国にお
いては人口増加に伴いエネルギー需要が急増している
が、このようなエネルギー需要を満たすと共に、化石エ
ネルギーの燃焼による地球温暖化を抑制する必要から、
これらの国々では原子力発電が有望視されている。しか
し、これらの国々では国土が広い又は島が多い等の理由
で発電網の整備が不十分又は困難な状況となっている。
そこで、これらの国々では上記の如く大型の原子炉を少
数基、設置するよりも、出力の比較的小さい小型の原子
炉を多数基、分散して設置する方が望ましいとされてい
る。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の原子炉の炉心構造をそのままの状態で小型の原
子炉に採用する場合には、原子炉の臨界特性に関して、
大型原子炉にはない小型炉原子炉に特有の新たな問題が
生じることが判明した。

【００２０】例えば、電気出力２．３万ｋＷの原子炉を
例に上げて説明する。まず、この原子炉の炉心の半径
Ｒ、高さＨをＲ＝６２（cm）、Ｈ＝１１５（cm）に設定
した。これは、中性子の漏れを最小とするため上記［数
２］式で求まるバックリングＢ² が最小となり、かつ、
原子炉出力、即ち体積が一定の場合に望ましいとされて
いる関係式（Ｒ＝０．５４Ｈ）を満足させるためであ
る。

【００２１】この炉心の半径Ｒ及び高さＨの値を前記
［数８］式に代入してバックリングＢ² の値を求める
と、Ｂ² ＝２．２×１０^-3（cm^-2）となる。このバック
リングＢ² の値を前記［数７］式に代入して中性子漏れ
を表す実効増倍率ｋ_eff の分母値を計算すると、運転時
では１．１７、停止時では１．０８となった。

【００２２】従って、小型原子炉では中性子漏れが増大
するため、これを防止して運転時の臨界性を十分確保す
る観点から、燃料のウラン濃縮度を高めて運転時の無限
増倍率ｋ_∞を１．１９程度としなければならない。しか
し、この場合には、制御棒が挿入されている停止時の無
限増倍率ｋ_∞が１．０９となるため、実効増倍率ｋ_eff
は、運転時でｋ_eff ＝１．０２、停止時でｋ_eff ＝１．
０１（＞１．０）となって、停止時における未臨界性を
十分確保できないことが判明した。

【００２３】この問題は、電気出力２．３万ｋＷの原子
炉の場合であったが、一般に、２０万ｋＷ以下の場合で
も該当することが確認された。これは、図１２に示すよ
うに、電気出力を変えて上記と同様に求めた停止時と運
転時との実効増倍率の差（制御棒引抜時）が原子炉の小
型化に伴って増加し、特に２０万ｋＷ前後で急激に増加
するためである（以下、特に断らない限り、「小型原子
炉」とは２０万ｋＷ以下の原子炉をいう）。

【００２４】一方、上記のような小型原子炉の発電プラ
ントを多数基建設することは、その基数分、燃料交換の
手間がかかることを意味するが、この労力を極力回避す
るためには、燃料の燃焼効率を高めて燃料交換頻度を極
力低減することが重要となる。しかしながら、従来の小
型原子炉においては、これを特に意識したものとはなっ
ていない。

【００２５】この発明は、上述した従来の問題を考慮し
てなされたもので、原子炉の停止時における未臨界性を
十分に確保し、特に小型原子炉に最適な原子炉用炉心、
原子炉及び原子炉の運転方法を提供することを、第１の
目的とする。

【００２６】また、この発明は、小型原子炉等の原子炉
の燃料交換頻度を低減できる原子炉用炉心、原子炉及び
原子炉の運転方法を提供することを、第２の目的とす
る。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１記載の発明に係る原子炉用炉心は、複数の
燃料集合体を備え、この複数の燃料集合体を原子炉運転
開始時の低温状態における原子炉臨界性に関する設定値
が臨界未満の状態となるように形成している。

【００２８】請求項２記載の発明では、前記原子炉臨界
性に関する設定値は炉心形状に基づくバックリングを含
む設定値であると共に、前記低温状態における無限増倍
率及び中性子移動面積をｋ_∞及びＭ² とし、実効増倍率
をｋ_eff とし、上記バックリングをＢ² としたとき、

【数９】 の式で求まる実効増倍率ｋ_eff の値が１未満の状態とな
る未臨界条件を満たすように前記複数の燃料集合体を形
成している。

【００２９】請求項３記載の発明では、請求項２記載の
原子炉用炉心は円柱状体で成り、この円柱状体の高さ及
びその半径をＨ及びＲとしたとき、

【数１０】 の式で求まる前記バックリングＢ² が前記未臨界条件を
満たすように上記円柱状体の高さＨ及びその半径Ｒを設
定している。

【００３０】上記請求項１〜３記載の発明に係る原子炉
用炉心において、「原子炉運転開始時の低温状態」と
は、制御棒の存在を前提とした場合（後述のように制御
棒は本発明の必須要件ではない）には当該制御棒を複数
の挿入する前の原子炉停止状態付近の温度（室温で約２
０℃）をいう。この低温状態における実効増倍率は、前
述のように小型原子炉の場合には、一般に大型の原子炉
と比べて大きくなる傾向を示すが、本発明によると原子
炉臨界性に関する設定値が臨界未満の状態、例えば実効
増倍率が１よりも十分小さくなるようにバックリングを
十分大きくし、これに合わせて炉心を小さく設定したた
め、原子炉停止時において炉心を確実に臨界未満の状態
とすることができる。

【００３１】請求項４記載の発明では、請求項１〜３の
内のいずれか１項記載の原子炉用炉心において、前記複
数の燃料集合体は、全ての運転状態において減速材密度
係数が負の状態となるように形成している。ここで、
「全ての運転状態」とは、停止時を含む原子炉の運転状
態をいう。

【００３２】例えば、前述の図１１で説明したように、
従来技術の燃料集合体は、制御棒挿入前の低温時には減
速材密度係数が正の状態であるため、運転開始と共に徐
々に減速材温度が上昇し、実効増倍率が更に増加してし
まう。これに対し、上記請求項４記載の発明では、起動
途中に炉心部の温度が上昇してくると実効増倍率が低下
するため、これに合わせて複数の燃料集合体間（後述の
複数の原子炉用炉心の場合には各炉心間）の間隙の水量
を減少させることで、実効増倍率を適宜な状態に制御で
きる。

【００３３】請求項５記載の発明では、請求項４記載の
原子炉用炉心において、前記複数の燃料集合体を含む炉
心構造体を中性子吸収材から成る制御棒の非存在下で形
成している。これは、従来の中性子吸収材から成る制御
棒を含まない新規な炉心構造を構築することを意味す
る。つまり、上記請求項４記載の発明において全ての運
転状態において減速材密度係数が負の状態となるように
燃料集合体を構成したため、燃料集合体の自己制御作用
（後述の複数の原子炉用炉心の場合には各炉心間の水量
調整による制御作用を含む）により、制御棒を使用しな
くても、原子炉停止を含めて、実効増倍率を制御できる
ためである。

【００３４】請求項６記載の発明に係る原子炉は、請求
項１〜５の内のいずれか１項記載の原子炉用炉心と、こ
の原子炉用炉心を収納する原子炉圧力容器とを備えてい
る。

【００３５】請求項７記載の発明では、請求項６記載の
原子炉において、１つの前記原子炉圧力容器内に複数の
前記原子炉用炉心を収容している。原子炉運転時におい
て複数の原子炉用炉心を互いに結合させて１つの大きな
原子炉用炉心とすることで、中性子漏れが減少して実効
増倍率が増大し、原子炉を確実に臨界状態にすることが
できるためである。

【００３６】請求項８記載の発明では、請求項７記載の
原子炉において、原子炉運転時における中性子輸送方程
式の解を前記複数の原子炉用炉心が個別に存在すると想
定した第１の体系と、前記１つの原子炉圧力容器に収納
した全ての原子炉用炉心を含めた第２の体系とで個別に
算出したときの上記第１の体系で求まる上記解が臨界未
満の状態となり且つ上記第２の体系で求めた上記解が臨
界の状態となるように上記複数の原子炉用炉心を形成し
ている。

【００３７】請求項９記載の発明では、請求項８記載の
原子炉において、前記中性子輸送方程式は、原子炉運転
時及びその停止時の中性子移動面積をＭ_h ² 及びＭ_c ²
とし、原子炉運転時の無限増倍率をｋ_h とし、原子炉運
転時及びその停止時の無限増倍率の差をΔｋとし、原子
炉運転時及びその停止時のバックリングをＢ_h ² 及びＢ
_c ² としたとき、

【数１１】 の式又はこの式から上記Δｋを消去して求まる、

【数１２】 の式で定めた原子炉臨界性に関する第１の条件と、前記
１つの原子炉圧力容器内に収納する前記複数の原子炉用
炉心の個数をｎとし、当該原子炉用炉心の高さ及びその
実効半径をＨ及びＲとし、ｎ個の原子炉用炉心の軸方向
に直交する横断面積の合計と等しい面積を有する仮想円
の半径をＲ´としたとき、

【数１３】 の式で求まる上記バックリングＢ_h ² 及びＢ_c ² に関す
る第２の条件とを同時に満足させる、

【数１４】 の中性子輸送モデルに基づく条件式であり、この条件式
を満たすように上記複数の原子炉用炉心を形成してい
る。

【００３８】上記請求項８及び９記載の発明に係る原子
炉では、中性子輸送方程式に基づいて複数の原子炉用炉
心を設定したため、運転時に臨界状態とし、停止時に臨
界未満の状態とすることができる。ここで、実効増倍率
から原子炉の臨界状態を正確に知るため、請求項８記載
の発明では詳細な計算コード等に基づく中性子輸送方程
式を採用している。実際には、比較的簡易な計算コード
に基づく中性子輸送モデルによる簡易式でも殆ど支障は
ないため、好適な態様の１つとして請求項９記載の発明
では簡易式を使用している。

【００３９】例えば、原子炉用炉心の実効半径Ｒ、高さ
Ｈ、原子炉圧力容器に収納した原子炉用炉心の個数ｎを
上記［数１４］式を満足するように選定し、無限増倍率
ｋ_hを燃料集合体の濃縮度調整などで適宜値に設定する
ことで上記［数１１］又は［数１２］式を満足させるこ
とができる。

【００４０】ここで、上記［数１４］式を満足する実効
半径Ｒの上限値は、高さＨに比例するため、Ｈが十分に
大きい場合、例えばｎ＝４（個）、Δｋ＝０．０５、Ｍ
_h ²＝７５（cm² ）、Ｍ_c ² ＝３５（cm² ）としたと
き、Ｒ＜４３（cm）となる。

【００４１】また、実効半径Ｒに求められる値は、複数
の原子炉用炉心の各断面形状により異なり、同じ体積
（同じ断面積）をもつ任意形状の原子炉用炉心を考える
と、中性子の漏れは任意形状の内の円柱形の場合が最も
最小となるため、円柱形を除く任意形状の炉心の場合に
あっても上記の如くＲを設定しておけば、原子炉停止時
の未臨界性を十分に確保できる。また、原子炉運転時に
は実際にほぼ円柱形をした１つの原子炉用炉心を形成す
ると想定できるため、上記Ｒの設定条件で任意形状の全
ての炉心を臨界状態とすることができる。

【００４２】請求項１０記載の発明では、請求項７〜９
の内のいずれか１項記載の原子炉において、前記複数の
原子炉用炉心は少なくとも３つである。

【００４３】ここで、炉心の実効半径Ｒを満足すべき値
は、上記炉心形状だけでなく、１つの原子炉圧力容器内
に収容する原子炉用炉心の数によっても異なるため、原
子炉停止時の未臨界性を十分に確保する、即ち実効増倍
率を低下させるためには、より小さい原子炉用炉心を多
数設けることが望ましい。

【００４４】「少なくとも３つ」と数値限定した理由
は、例えば上記［数１４］式を満足させるためには、同
式中の右辺の平方根内の分子が正の状態となる必要があ
り、上記例と同様に実際的な数値としてＭ_h ² ＝７５
（cm² ）、Ｍ_c ² ＝３５（cm² ）としたとき、ｎ＞２．
２（個）となるためである。これにより、上記［数１
４］を成立させることができ、上記［数１１］又は［数
１２］式を満足するため、原子炉停止時の未臨界性を十
分に確保できる。

【００４５】請求項１１記載の発明では、請求項７〜１
０の内のいずれか１項記載の原子炉において、前記複数
の原子炉用炉心の内の互いに隣接する２つの原子炉用炉
心間の間隙長を１５ｃｍ以上に設定している。

【００４６】「１５ｃｍ以上」に数値限定した理由は、
上記例と同様に低温時の中性子移動面積の実際的な数値
であるＭ_c ² ＝３０〜４０（cm² ）を、中性子が核分裂
反応により生成してから燃料中に吸収されるまでの直線
移動距離の平均値を求める式、即ち（６Ｍ_c ² ）^1/2 に
代入して求まる最大値（約１５ｃｍ）を炉心間の間隙長
の下限値とすることで、原子炉用炉心から漏れ出した中
性子を隣接する他の原子炉用炉心に到達する前に十分に
吸収できるからである。従って、原子炉停止時には、複
数の原子炉用炉心を互いに独立した小さな炉心として作
用させることができ、実効増倍率を十分に低下させて未
臨界性を十分に確保できる。

【００４７】請求項１２記載の発明では、請求項７〜１
１の内のいずれか１項記載の原子炉において、前記複数
の原子炉用炉心の内の隣接する２つの原子炉用炉心の互
いに対向する外側表面の少なくとも一部を凹凸状に形成
している。

【００４８】「凹凸状」にしたことで、各原子炉用炉心
の表面積が増大するため、原子炉停止時には中性子漏れ
が多くなり、実効増倍率を低下させて未臨界性の効果を
更に高めることができる。また、原子炉運転時には凹凸
状の表面から飛び出した中性子の多くが隣接する他の原
子炉用炉心に飛び込むため、中性子漏れを抑え、実効増
倍率の低下を抑制して臨界状態を十分に維持させること
ができる。

【００４９】請求項１３記載の発明では、請求項７〜１
２の内のいずれか１項記載の原子炉において、前記複数
の原子炉用炉心間の中性子減速材量を、原子炉運転時よ
りも原子炉停止時の方が大きくなるように調整可能な制
御体を更に備えている。ここで、中性子減速材として
は、例えば水が望ましい。

【００５０】中性子減速材は、適量の場合には核分裂で
生成する中性子のエネルギーを低下させて核分裂反応断
面積を増大させるため、実効増倍率を増大させるが、過
剰な量の場合には中性子を吸収する効果を発揮して逆に
実効増倍率を低下させる作用がある。このため、原子炉
停止時に、隣接する原子炉用炉心間の間隙にある中性子
減速材の量を、上記中性子吸収効果を発揮させるのに必
要な量となるように原子炉運転時よりも大きくすること
で、大量の中性子減速材を中性子吸収材として作用させ
ることができる。従って、原子炉停止時には炉心から漏
れ出した中性子が中性子減速材で十分に吸収されるた
め、各炉心の実効増倍率が低下して未臨界性の効果をよ
り一層高めることができる。

【００５１】請求項１４記載の発明では、請求項１３記
載の原子炉において、前記制御体は、水素含有率が水よ
りも低い材料を充填して成る水排除棒を備え、この水排
除棒を前記複数の原子炉用炉心間の軸方向に沿って挿入
及び引抜き可能に配置している。

【００５２】「水排除棒」の動作により、各炉心間の間
隙中の水量を調整して各炉心間の結合状態を制御できる
ため、運転時と停止時の実効増倍率を確実に制御でき
る。

【００５３】請求項１５記載の発明では、請求項１４記
載の原子炉において、前記水排除棒は少なくとも２つの
棒状体から成り、この棒状体を前記複数の原子炉用炉心
間の軸方向に沿って個別に移動させる駆動機構を更に備
えている。

【００５４】例えば、原子炉停止中に完全に引き抜かれ
ている水排除棒が誤動作、誤操作等の理由により各炉心
間に挿入される事態を想定した場合、一部の棒状体が誤
まって挿入され、その部分の水が排除されたとしても、
他の棒状体はそのまま引抜状態にあり、その部分の炉心
間はそのまま水で充満されているため、全体としては実
効増倍率の増大を抑制し、未臨界性の信頼度を高めるこ
とができる。

【００５５】請求項１６記載の発明では、請求項１４又
は１５記載の原子炉において、前記水排除棒は、前記原
子炉用炉心の軸方向の高さよりも短い軸長を有してい
る。

【００５６】原子炉運転時には、上下に長い炉心の内の
水排除棒が挿入されている一部分だけが臨界状態とな
る。この部分は運転時間に比例して燃焼が進み、核燃料
物質が減損するため、やがて臨界を維持できなくなる。
従って、水排除棒を未だ燃焼させていない上下部位に移
動させることで、燃料全体の寿命を長くし、原子炉運転
の継続時間を長期化させ、燃料交換頻度を減少させるこ
とができる。

【００５７】請求項１７記載の発明では、請求項１４〜
１６の内のいずれか１項記載の原子炉において、前記水
排除棒を、原子炉停止時に原子炉用炉心の軸方向の下方
位置の移動させると共に、原子炉運転時に上記軸方向の
上方位置に向けて移動させる手段を備えている。

【００５８】例えば、原子炉運転中に外乱等の理由で水
排除棒が重力落下する場合を想定した場合、水排除棒が
炉心部から引き抜かれることはあっても、挿入される事
態は生じないため、このような場合が生じても原子炉用
炉心の実効増倍率が必ず低下し、原子炉の安全性をより
一層高めることができる。

【００５９】請求項１８記載の発明に係る原子炉の運転
方法は、請求項１６記載の原子炉の運転方法であって、
原子炉停止時に前記原子炉用炉心の軸方向の下方位置で
停止している前記水排除棒を、原子炉運転に伴って上記
原子炉用炉心の軸方向の上方位置に向けて挿入移動させ
ていくようになっている。

【００６０】原子炉運転時に、燃料減損により臨界が維
持できなくなるまで水排除棒を固定しておくと、燃料集
合体の内の水排除棒の上下端部に相当する部位は十分に
燃焼しないまま次の部位の燃焼を行うことになる。従っ
て、運転に伴って水排除棒を移動させる方法を採用する
ことで、原子炉用炉心に装荷されている燃料集合体のよ
り多くの部位を殆ど均等に燃焼させることができ、燃料
の燃焼効率を高めることができる。

【００６１】請求項１９記載の発明に係る原子炉は、請
求項１３記載の原子炉において、前記制御体は、前記複
数の原子炉用炉心間に隔離配置された制御領域を備え、
この制御領域内の水位を軸方向に沿って調整可能に形成
している。機械的な駆動機構を必要としない分、点検の
必要性や故障の心配が殆どなく、原子炉運転の維持負担
を大幅に軽減できる。

【００６２】請求項２０記載の発明では、前記制御領域
は、少なくとも２つに隔離分割された領域から成ってい
る。例えば、原子炉停止中に制御領域部内の一部の水量
が減少したとしても、水の減少を局所的に抑えることが
でき、全体として実効増倍率の増大を抑制できる。

【００６３】請求項２１記載の発明に係る原子炉の運転
方法は、請求項１９又は２０記載の原子炉の運転方法で
あって、原子炉停止時に前記原子炉用炉心の上端よりも
上位にある前記制御領域内の水位を、原子炉運転に伴っ
て下降させていくようになっている。請求項１８記載の
発明と同様に、原子炉用炉心に装荷されている燃料集合
体のより多くの部位を殆ど均等に燃焼させることがで
き、燃料の燃焼効率を高めることができる。

【００６４】なお、炉心と炉心との間隙の水量を調整す
ることで実効増倍率を制御する方法は、既に従来公知
（例えば、特開昭５７−１２８８８５号公報）である
が、この従来例は、そもそも本発明の主要な課題、即ち
小型原子炉の停止時の未臨界性を確保するといった観点
で成されたものではない。従って、この従来例では、原
子炉停止は制御棒挿入で行い、炉心間の間隙長も５〜１
０（cm）と明記されており、本発明の課題達成手段の要
部、例えば炉心の大きさ、炉心の数、炉心間の間隙長な
どが開示又は示唆されていない。例えば、本発明では原
子炉停止を含めて水量調整だけで実効増倍率を制御可能
な構成としたため、前述のように制御棒は必須の構成要
素でない。

【００６５】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）以下、この発明の第１実施形態を図１
に基づいて説明する。この第１実施形態は、電気出力
２．３万ｋＷの沸騰水型原子炉に適用したものである。
ここで、従来の原子炉と実質的に同一又は同等の構成要
素については、同一又は同等の符号を付してその説明を
簡略又は省略する。

【００６６】図１の概観図に示す原子炉は、請求項６〜
１１記載の複数の原子炉用炉心を要部に備えた構成で、
図示しない１つの原子炉圧力容器内に収納された１つの
シュラウド内に４つの原子炉用炉心（以下、「炉心」）
４…４を配設している。従って、この炉心４…４は、前
記［１４］式で定まる臨界及び未臨界条件と、前述の配
置個数要件（少なくとも３つ）および各炉心間の間隙長
要件（１５ｃｍ以上）とを満足するように設定されてい
る。また、この原子炉は、請求項１３、１４、及び１７
記載の制御体の要部を成す水排除棒を備え、この水排除
棒２３を４つの炉心間に挿入及び引抜き自在に配置して
いる。

【００６７】炉心４…４の夫々は、請求項１〜５記載の
複数の燃料集合体を要部に備えた構成で、炉心毎に１３
個の燃料集合体２８…２８を配設している。従って、こ
の燃料集合体２８…２８は、原子炉運転開始時の低温状
態における実行増倍率が１よりも十分小さくなる未臨界
条件と、全ての運動状態において減速材密度係数が負の
状態となる条件とを満足するように設定されている。こ
のため、この炉心は、従来の中性子吸収材から成る制御
棒を備えていない。

【００６８】燃料集合体２８…２８は、従来と同様に図
示しないチャンネルボックス内に複数の燃料棒及びウォ
ータロッドを備えたもので、全ての運転状態で減速材密
度係数が負の状態となるように、非沸騰水が流れるチャ
ンネルボックスの外側領域の大きさが従来の約３／５、
即ち燃料集合体の境界をチャンネルボックスとしたとき
の炉心内における配置間隔が従来の約半分に設定されて
いる。ここで、減速材密度係数を負の状態にする別の方
法としては、燃料集合体内のウォータロッドが占める領
域を小さくする方法や複数の燃料棒の配列を変える方法
等がある。

【００６９】図１１は、この燃料集合体２８…２８の減
速材密度係数を説明するもので、同図中の曲線２９は運
転中の状態を示し、曲線３０は低温時の状態を示す。つ
まり、減速材密度係数は、低温時の状態から運転状態に
至る全ての状態において負の状態となっている。

【００７０】水排除棒２３は、例えばジルコニウム合金
から成る断面十字形で幅２０ｃｍ程の薄板を有し、この
薄板内に炉心部とほぼ同程度の圧力を維持するためのヘ
リウムガス等の不活性ガス（水よりも水素含有量が低い
物質）を封入して成るもので、水圧を利用した機構（従
来の沸騰水型炉で採用されている水圧駆動）又は電動モ
ータを用いた機構（最近の沸騰水型炉で採用されている
電動モータ式）等の駆動機構（図示しない）により、軸
方向に配置された複数の支持材２４…２４で支持された
状態で複数の駆動棒２６…２６に沿って上下動する。

【００７１】つまり、この水排除棒２３は、駆動機構に
より停止時に炉心の軸方向の下方位置に移動し、運転時
に軸方向の上方位置に移動する（図中の二点鎖線矢印ａ
及び符号２７の水排除棒引抜き位置参照）。例えば、運
転起動時には炉心部の温度が上昇すると、前述の如く燃
料集合体の減速材密度係数が負の状態であることから、
実効増倍率が低下してしまう。この実効増倍率低下分を
補償するため、水排除棒２３を挿入して各炉心４…４の
間隙の水を排除し、水量を減少させることで、実効増倍
率を臨界状態の適宜値に制御するようになっている。

【００７２】この水排除棒２３には、軸方向に直交する
断面の４つの端部に軸方向に沿って酸化ベリリウム等か
ら成る中性子反射用の反射体２５…２５が配設されてい
る。反射体２５…２５は、酸化ベリリウムのほか、軽
水、重水、炭素、水素化ジルコニウム等で形成してもよ
い。反射体２５…２５の設置箇所は、水排除棒の軸方向
の側面のほか、水排除棒２３の上下面でもよい。さら
に、燃料集合体２８…２８のチャンネルボックスの外側
を流れる非沸騰水等を中性子反射用として兼用すれば、
必ずしも反射体２５…２５を設ける必要はない。

【００７３】次に、この実施形態に係る原子炉の作用を
説明する。

【００７４】まず、原子炉停止時を考えると、この原子
炉停止に際し、水排除棒２３は駆動機構により各炉心４
…４の外側に引き抜かれた状態にある（図１中の符号２
７参照）。この状態では、各炉心４の間隙に水が充満し
ているため、炉心４…４から間隙に漏れ出していく中性
子は、水に吸収され、隣接する他の炉心に到達困難とな
る。従って、４つの炉心４…４は互いに独立した小さな
炉心として作用するため、中性子漏れが増加して実効増
倍率が低下し、原子炉は臨界未満の状態を維持する。

【００７５】次いで、原子炉を未臨界の停止状態から起
動させたとする。この原子炉起動に際し、炉心の外側に
ある水排除棒２３を駆動機構により各炉心４…４の間隙
に挿入していく。このとき、原子炉は、炉心４…４に対
する水排除棒の所定の挿入深度（例えばＨ＝５０（c
m））において低温のまま臨界状態に達し、水排除棒２
３を更に深く挿入していくと、臨界超過の状態に移行す
る。しかしながら、水排除棒２３の挿入深度に比例して
水温も同時に上昇していくため、実効増倍率が低下し、
原子炉は再び臨界状態に戻る。このように水排除棒挿入
による実効増倍率増加分と水温上昇による実効増倍率低
下分とのバランスを取って臨界状態を維持しながら、所
定の挿入深度において圧力で定まる飽和温度（図１１中
では２８６℃が７０気圧の飽和温度）に達する。その
後、更に水排除棒２３を挿入すると水が沸騰し、炉心平
均で４０％のボイド率で運転を開始する。

【００７６】次いで、このように水排除棒２３が炉心部
に挿入されて運転を開始した原子炉の運転中の状態を考
える。この状態では、炉心４…４から飛び出した中性子
が水排除棒２３を貫通して隣接する炉心４…４に飛び込
むため、あたかも１つの大きな炉心として作用する。こ
のとき、水排除棒２３を伝わって横方向の端部へ漏れ出
していく中性子が、その端部にある反射体２５…２５に
より反射され、再び中央に戻る。従って、このような運
転時における中性子漏れに起因する実効倍増率の低下現
象は殆ど生じず、臨界性が十分に維持される。

【００７７】また、原子炉運転時に炉心部に挿入されて
いた水排除棒２３が誤操作や誤動作等により重力落下し
たしても、各炉心４…４の間隙は水で満たされて実効増
倍率が低下するため、原子炉運転が確実に停止し、不都
合な事態は回避される。

【００７８】次に、この原子炉の有効性を調べる目的
で、検証実験（シミュレーション）を行った。

【００７９】この検証実験では、前記［数１４］式の条
件を満足させるため、例えば炉心の個数ｎ、高さＨ、及
び半径Ｒを、ｎ＝４（個）、Ｈ＝２３０（cm）、Ｒ＝３
１（cm）とし、使用した燃料集合体２８…２８の運転時
及び停止時における中性子移動面積Ｍ_h ² 及びＭ_c ² 、
無限増倍率の差Δｋを、Ｍ_h ² ＝７５（cm² ）、Ｍ_c ²
＝３５（cm² ）、Δｋ＝０．０８として、各炉心４…４
を円柱形として近似しない詳細な方法でシミュレートし
た。

【００８０】ここで、実験条件の設定にあたり、負の減
速材密度係数に起因した運転時と停止時の無限増倍率の
差Δｋの増加分を回避し、Δｋを小さくする目的で、出
力密度を従来の同規模の原子炉に比べて約半分に抑制
し、運転時のＸｅによる中性子吸収量を減少させ、運転
時の無限増倍率を増加させた。また、出力密度を従来の
約半分に減少させたたため、この状態における原子炉出
力を十分に維持する目的で、炉心４…４の高さＨを従来
よりも高めに設定し（Ｈ＝２３０（cm））、半径Ｒも前
記［数１４］式を許容する範囲内で大きめに設定した
（Ｒ＝３１（cm））。

【００８１】この実験結果によると、運転時及び停止時
の実効増倍率は、１．００及び０．９６であった。従っ
て、従来の制御棒を全く使用しない制御棒非存在下にお
ける炉心構造で水排除棒の移動操作を行うことにより、
原子炉の臨界性を確実に制御でき、原子炉停止を含めた
出力運転を実行できることが確認された。

【００８２】（第２実施形態）次に、この発明の第２実
施形態を図２に基づき説明する。この第２実施形態は、
上記第１実施形態の反射体の代わりに燃料集合体を配置
したものである。ここで、上記第１実施形態と同一又は
同等の構成要素について、同一又は同等の符号を付して
その説明を簡略又は省略する。

【００８３】図２の横断面図に示す原子炉は、前記と比
べ水排除棒３１の断面方向の長さを短く設定し、その先
端部に中性子反射用としての燃料集合体２８ａ…２８ａ
を装荷している。燃料集合体２８ａ…２８ａは、隣接す
る２つの炉心４、４間に１個の割合で配設されている。

【００８４】この原子炉では、運転時に水排除棒３１を
介して横方向に漏れ出していく中性子を燃料集合体２８
ａ…２８ａで再び中央に戻し、臨界状態を維持すると共
に、停止時に１体の燃料集合体２８ａだけでは隣接する
２つの炉心４、４間を結合する作用が殆ど働かないた
め、実効増倍率が低下し、臨界未満の状態となる。

【００８５】従って、この実施形態では、上記第１実施
形態と実質的に同等の効果に加え、同一の原子炉圧力容
器内に多数の燃料集合体を配置できるため、原子炉出力
を更に高める利点がある。

【００８６】（第３実施形態）次に、この発明の第３実
施形態を図３に基づき説明する。この第３実施形態は、
上記第１実施形態の水排除棒の構造を変更し、制御棒を
補助的に追加したものである。ここで、上記第１実施形
態と同一又は同等の構成要素について、同一又は同等の
符号を付してその説明を簡略又は省略する。

【００８７】図３の横断面図に示す原子炉は、請求項１
５記載の水排除棒の要部を備えた構成で、４つの炉心４
…４間に挿入及び引抜き可能な水排除棒３２を互いに独
立しした４つの棒状体３２ａ…３２ａで形成している。
また、この原子炉の各炉心４…４には、１３個の燃料集
合体１１…１１間に複数の制御棒１２…１２が配設され
ている。

【００８８】棒状体３２ａ…３２ａには、個別に駆動機
構（図示しない）が取り付けられている。この駆動機構
により、棒状体３２ａ…３２ａは、通常時には同時に稼
働するようになっている。また、誤動作等により、原子
炉の停止中に炉心部の外側にある水排除棒３２が炉心部
に誤挿入される事態を想定すると、誤挿入されるのは全
ての棒状体３２ａ…３２ａではなく、その一部の棒状体
３２ａに抑えることができるため、このような誤挿入の
事態が生じても各炉心間の結合が小さく、実効増倍率の
増加を抑制できる。

【００８９】制御棒１２…１２は、従来と同様の制御棒
から成るもので、１つの炉心に３本配置されている。こ
の制御棒１２…１２は、原子炉停止機構としては補助的
に使用される。即ち、通常時は水排除棒３２の動作だけ
で原子炉の運転及び停止を行い、例えば緊急時に原子炉
の運転を急速停止したり、何れかの理由で特定の炉心だ
けを制御する必要がある場合にのみ使用される。また、
運転開始の際に使用すると、低温状態における燃料集合
体の減速材密度係数を負の状態に制御できるため、原子
炉起動をスムーズに行うことができる。

【００９０】従って、この実施形態では、上記第１実施
形態と実質的に同等の効果に加え、原子炉停止時におけ
る水排除棒の誤挿入に起因して生じる不都合な事態を極
力回避できる利点がある。

【００９１】（第４実施形態）次に、この発明の第４実
施形態を図４に基づき説明する。この第４実施形態は、
上記第４実施形態の炉心及び水排除棒の形状を工夫した
ものである。ここで、上記第１実施形態と同一又は同等
の構成要素について、同一又は同等の符号を付してその
説明を簡略又は省略する。

【００９２】図４の横断面図に示す原子炉は、請求項１
２記載の複数の原子炉用炉心の要部を備えた構成で、前
述よりも１体多い１４体の燃料集合体２８…２８を装荷
して出力を高めた４つの炉心４…４と、５つの棒状体３
３ａ…３３ａから成る水排除棒３３とを収容している。

【００９３】炉心４…４は、互いに対向する側の外側表
面（内表面）の横断面形状が前述のように直線状でな
く、燃料集合体２８…１８の外側形状に規制される凹凸
状（例えば、略Ｔ字状）に設定されている。また、この
炉心形状に合わせて、水排除棒３３の横断面形状も十字
型ではなく、凹凸状に設定されている。

【００９４】従って、原子炉停止時には、水排除棒３３
が引き抜かれて各炉心４…４が分離したときに隣接する
炉心４…４間の対向側の内表面が凹凸状になり、外側に
向かって凹状になる部分をもたない同一体積の炉心に比
べてその表面積が大きくなっているため、中性子の漏れ
が増加する。即ち、実効増倍率が低下するため、原子炉
を確実に臨界未満の状態とすることができる。

【００９５】また、原子炉運転時には、内表面から飛び
出した中性子は隣接する炉心４…４に容易に飛び込むた
め、実効増倍率が殆ど低下せず、原子炉の臨界状態を確
実に維持させることができる。

【００９６】従って、この実施形態では、上記第１実施
形態と実質的に同等の効果に加え、各炉心の互いに対向
する側の表面積を増加させたため、原子炉臨界性の信頼
度をより一層高める利点がある。

【００９７】（第５実施形態）次に、この発明の第５実
施形態を図５に基づき説明する。この第５実施形態は、
上記第４実施形態の炉心及び水排除棒の形状を変更して
実施したものである。ここで、上記第１実施形態と同一
又は同等の構成要素について、同一又は同等の符号を付
してその説明を簡略又は省略する。

【００９８】図５の横断面図に示す原子炉は、２つの炉
心３４、３５及び水排除棒３６を軸方向に直交する同一
円の異なる円周方向に層状に配置している。即ち、この
原子炉では、中央部に円柱状の炉心３４、その外側円周
部に４つの円弧状体に分割された独立稼働可能な棒状体
３６ａ…３６ａから成る略円管状の水排除棒３６、その
外側円周部に略円管状の炉心３６を備えている。２つの
炉心３４、３５間の対向する側の表面積は、上記第４実
施形態と同様に大きくなっている。

【００９９】従って、この実施形態でも、炉心の対向側
の表面積増加に起因した上記第４実施形態と同等の効果
を発揮させることができる。

【０１００】（第６実施形態）次に、この発明の第６実
施形態を図６に基づき説明する。この第６実施形態は、
上記第１実施形態の水排除棒に対する燃料集合体の高さ
を変更して実施したものである。ここで、上記第１実施
形態と同一又は同等の構成要素について、同一又は同等
の符号を付してその説明を簡略又は省略する。

【０１０１】図５の概観図に示す原子炉は、請求項１６
記載の水排除棒の要部を備えた構成で、４つの炉心４…
４及び十字状の水排除棒２３を有し、第１実施形態（図
１参照）と比べると、水排除棒２３の高さＨ１が同じで
燃料集合体３７…３７の高さ（炉心の高さ）Ｈ２が２倍
となっている。即ち、水排除棒２３の高さは、燃焼集合
体２８…２８の約半分と短い。

【０１０２】ここで、この原子炉の運転方法（請求項１
８記載の要部を成す）を説明する。

【０１０３】まず、原子炉起動に際し、停止時に炉心部
よりも下方に引き抜かれている水排除棒２３を徐々に上
昇させる。そこで、原子炉が運転状態になると、運転中
においても少しずつ上方に向けて移動させていく。

【０１０４】つまり、炉心４…４の下部の核燃料物質が
減損しても水排除棒２３が挿入されていない上部では未
だ不燃焼であるため、この部分に徐々に水排除棒２３を
押し上げることにより、新たな不燃焼部分を下部から上
部に向けて順次、臨界状態に移行させ、全体として原子
炉運転を長期にわたり継続させることができる。従っ
て、燃料の交換寿命を大幅に延長できる利点がある。

【０１０５】また、上下方向の任意位置に水排除棒２３
が挿入されている状態で、誤操作又は誤動作等により水
排除棒２３が重力落下したとしても、燃料集合体３７…
３７の下部は既に燃焼済みで核燃料物質が減損している
ため、各炉心４…４間が結合して実効増倍率が高まり、
臨界状態となる不都合な事態を殆ど回避できる。従っ
て、水排除棒２３の重力落下に対する安全性をより一層
高める利点がある。

【０１０６】なお、燃料集合体３７…３７の高さを水排
除棒２３の２倍としたが、これに限定されるものでな
く、３倍又はそれ以上に設定してもよい。要するに、水
排除棒の軸長が燃料集合体よりも短い構成であればよ
い。

【０１０７】（第７実施形態）次に、この発明の第７実
施形態を図７に基づき説明する。この第７実施形態は、
上記第１〜６実施形態の水排除棒の代わりに制御領域シ
ステムを配置して実施したものである。ここで、上記第
１実施形態と同一又は同等の構成要素について、同一又
は同等の符号を付してその説明を簡略又は省略する。

【０１０８】図７の縦断面図に示す原子炉は、前述の水
排除棒の代わりに請求項１９及び２０記載の制御領域を
搭載した制御領域システムを備える。この制御領域シス
テムは、公知の制御領域及びその駆動機構（例えば、特
開平４−１０２０９３号公報）を適用したものである。

【０１０９】制御領域システムは、炉心支持板３の下部
から複数の炉心４…４間の間隙を挿通し、その上方にあ
る上部格子板５、上部プレナム８、気水分離器９に至る
軸方向にシリンダ状に閉塞して延びた制御領域３８と、
この制御領域３８の底部に給水管４１及びそのバルブ４
６を介して通流可能に連結される注水タンク４０と、制
御領域３８の頂部に給気管４４及びそのバルブ４３を介
して通気可能に連結される加圧器４２とを要部に備え
る。この内、注水タンク４０及び加圧器４２は、例えば
原子炉圧力容器１の外部に配設されている。

【０１１０】制御領域３８は、その外側がシリンダ状の
仕切体４５で形成されており、この仕切板４５により各
炉心４…４との間の水の往来を回避している。この制御
領域３８は、注水タンク４０からの水４５を給水管４１
を介して底部から受け入れると共に、加圧器４２からの
窒素等のガスを給気管４４を介して頂部から受け入れ
る。

【０１１１】次に、この原子炉の運転方法（請求項２１
記載の要部を成す）を説明する。

【０１１２】まず、原子炉停止中には、注水タンク４０
のバルブ４６を操作して制御領域３８内に水４５が供給
され、制御領域３８内の水位が上部格子板５よりも上位
に維持されている。この状態で原子炉の運転を開始す
る。

【０１１３】この運転開始に際し、注水タンク４０のバ
ルブ４６を開けた状態で加圧器４２のバルブ４３を開
け、制御領域３８内にガスを送り込む。この導入ガスに
より制御領域３８内の水位が徐々に低下し始め、ガスの
占める領域が制御領域３８内の頂部から中央付近に達す
ると、原子炉は臨界状態となる。この臨界状態で一定の
期間運転を行って燃料集合体（図示しない）の上部の核
燃料物質が減損すると、ガスを更に送り込み、制御領域
３８内の水位を更に低下させる。

【０１１４】従って、未だ不燃焼で燃料が減損していな
い燃料集合体の下部を利用して再び臨界状態を維持する
ことができるため、上記第６実施形態と実質的に同等の
効果を発揮させることができる。

【０１１５】なお、この実施形態の構成に制御棒を加え
てもよい。この場合には、実効増倍率の制御に要する時
間を更に短縮できる利点がある。

【０１１６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜５記載
の発明に係る原子炉用炉心及び請求項６〜１７、１９及
び２０記載の原子炉によると、小型原子炉においても原
子炉停止時における未臨界性を十分に確保できるため、
例えば発展途上国等における小型原子炉の設置要求を十
分に満足させることができる。また、制御棒の操作を必
ずしも必要としない炉心構造で原子炉の運転及び停止を
実行できるため、原子炉運転が容易になるだけでなく、
炉心構造を比較的簡素に構築でき、例えば制御棒の非存
在下での炉心構造を採用した場合には、２次的な効果と
して建設コストを大幅に節約できる。

【０１１７】また、請求項１８及び２１記載の原子炉の
運転方法によると、燃料集合体の燃焼効率が高まって燃
料寿命が長期化されるため、燃料の交換頻度を大幅に削
減し、これにより、例えば発展途上国等における小型原
子炉の多数基設置要求に伴う燃料交換の手間を大幅に低
減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る原子炉用炉心及び
原子炉の要部構成を示す概略の概観図。

【図２】本発明の第２実施形態に係る原子炉用炉心及び
原子炉の要部構成を示す概略の横断面図。

【図３】本発明の第３実施形態に係る原子炉用炉心及び
原子炉の要部構成を示す概略の横断面図。

【図４】本発明の第４実施形態に係る原子炉用炉心及び
原子炉の要部構成を示す概略の横断面図。

【図５】本発明の第５実施形態に係る原子炉用炉心及び
原子炉の要部構成を示す概略の横断面図。

【図６】本発明の第６実施形態に係る原子炉用炉心及び
原子炉の要部構成を示す概略の概観図。

【図７】本発明の第５実施形態に係る原子炉用炉心及び
原子炉の要部構成を示す概略の縦断面図。

【図８】従来の大型の沸騰水型原子炉の要部構成を示す
概略の縦断面図。

【図９】従来の大型の沸騰水型原子炉の要部構成を示す
概略の横断面図。

【図１０】従来の燃料集合体及び制御棒の要部構成を示
す概略の横断面図

【図１１】水素原子数／ウラン原子数に対する無限増倍
率の変化を説明するグラフ。

【図１２】電気出力に対する停止時と運転時との実効増
倍率差の変化を説明するグラフ。

【符号の説明】

１ 原子炉圧力容器 ２ シュラウド ３ 炉心支持板 ４、３５、３６ 炉心 ５ 上部格子板 ６ ダウンカマ ７ 下部プレナム ８ 上部プレナム ９ 気水分離器 １０ 蒸気乾燥器 １１、２８、３７ 燃料集合体 １２ 制御棒 １３ チャンネルボックス １４ 燃料棒 １５ 被覆管 １６ 燃料ペレット １７ ウォータロッド １８ 十字状支持部 １９ シース ２０ 中性子吸収棒 ２３、３１、３２、３３、３４ 水排除棒 ３２ａ、３３ａ、３６ａ 棒状体 ２４ 支持材 ２５ 反射体 ２６ 駆動棒 ２７ 水排除棒の引抜き位置 ３８ 制御領域 ３９ 仕切板 ４０ 注水タンク ４１ 給水管 ４２ 加圧器 ４３、４６ バルブ ４４ 給気管 ４５ 水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ２１Ｃ 7/24 ＧＤＢ Ｇ２１Ｃ 7/10 ＧＤＢＣ 17/06 ＧＤＢ ＧＤＢＪ Ｇ２１Ｄ 3/08 ＧＤＢ 17/06 ＧＤＢＥ ＧＤＢＦ

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の燃料集合体を備え、この複数の燃
   料集合体を原子炉運転開始時の低温状態における原子炉
   臨界性に関する設定値が臨界未満の状態となるように形
   成したことを特徴とする原子炉用炉心。
2. 【請求項２】 前記原子炉臨界性に関する設定値は炉心
   形状に基づくバックリングを含む設定値であると共に、
   前記低温状態における無限増倍率及び中性子移動面積を
   ｋ_∞及びＭ² とし、実効増倍率をｋ_eff とし、上記バッ
   クリングをＢ² としたとき、 【数１】 の式で求まる実効増倍率ｋ_eff の値が１未満の状態とな
   る未臨界条件を満たすように前記複数の燃料集合体を形
   成した請求項１記載の原子炉用炉心。
3. 【請求項３】 請求項２記載の原子炉用炉心は円柱状体
   で成り、この円柱状体の高さ及びその半径をＨ及びＲと
   したとき、 【数２】 の式で求まる前記バックリングＢ² が前記未臨界条件を
   満たすように上記円柱状体の高さＨ及びその半径Ｒを設
   定した請求項２記載の原子炉用炉心。
4. 【請求項４】 前記複数の燃料集合体は、全ての運転状
   態において減速材密度係数が負の状態となるように形成
   した請求項１〜３の内のいずれか１項記載の原子炉用炉
   心。
5. 【請求項５】 前記複数の燃料集合体を含む炉心構造体
   を中性子吸収材から成る制御棒の非存在下で形成した請
   求項４記載の原子炉用炉心。
6. 【請求項６】 請求項１〜５の内のいずれか１項記載の
   原子炉用炉心と、この原子炉用炉心を収納する原子炉圧
   力容器とを備えたことを特徴とする原子炉。
7. 【請求項７】 １つの前記原子炉圧力容器内に複数の前
   記原子炉用炉心を収容した請求項６記載の原子炉。
8. 【請求項８】 原子炉運転時における中性子輸送方程式
   の解を前記複数の原子炉用炉心が個別に存在すると想定
   した第１の体系と、前記１つの原子炉圧力容器に収納し
   た全ての原子炉用炉心を含めた第２の体系とで個別に算
   出したときの上記第１の体系で求まる上記解が臨界未満
   の状態となり且つ上記第２の体系で求めた上記解が臨界
   の状態となるように上記複数の原子炉用炉心を形成した
   請求項７記載の原子炉。
9. 【請求項９】 前記中性子輸送方程式は、原子炉運転時
   及びその停止時の中性子移動面積をＭ_h ² 及びＭ_c ² と
   し、原子炉運転時の無限増倍率をｋ_h とし、原子炉運転
   時及びその停止時の無限増倍率の差をΔｋとし、原子炉
   運転時及びその停止時のバックリングをＢ_h ² 及びＢ_c
   ² としたとき、 【数３】 の式又はこの式から上記Δｋを消去して求まる、 【数４】 の式で定めた原子炉臨界性に関する第１の条件と、 前記１つの原子炉圧力容器内に収納する前記複数の原子
   炉用炉心の個数をｎとし、当該原子炉用炉心の高さ及び
   その実効半径をＨ及びＲとし、ｎ個の原子炉用炉心の軸
   方向に直交する横断面積の合計と等しい面積を有する仮
   想円の半径をＲ´としたとき、 【数５】 の式で求まる上記バックリングＢ_h ² 及びＢ_c ² に関す
   る第２の条件とを同時に満足させる、 【数６】 の中性子輸送モデルに基づく条件式であり、この条件式
   を満たすように上記複数の原子炉用炉心を形成した請求
   項８記載の原子炉。
10. 【請求項１０】 前記複数の原子炉用炉心は少なくとも
    ３つである請求項７〜９の内のいずれか１項記載の原子
    炉。
11. 【請求項１１】 前記複数の原子炉用炉心の内の互いに
    隣接する２つの原子炉用炉心間の間隙長を１５ｃｍ以上
    に設定した請求項７〜１０の内のいずれか１項記載の原
    子炉。
12. 【請求項１２】 前記複数の原子炉用炉心の内の隣接す
    る２つの原子炉用炉心の互いに対向する外側表面の少な
    くとも一部を凹凸状に形成した請求項７〜１１の内のい
    ずれか１項記載の原子炉。
13. 【請求項１３】 前記複数の原子炉用炉心間の中性子減
    速材量を、原子炉運転時よりも原子炉停止時の方が大き
    くなるように調整可能な制御体を更に備えた請求項７〜
    １２の内のいずれか１項記載の原子炉。
14. 【請求項１４】 前記制御体は、水素含有率が水よりも
    低い材料を充填して成る水排除棒を備え、この水排除棒
    を前記複数の原子炉用炉心間の軸方向に沿って挿入及び
    引抜き可能に配置した請求項１３記載の原子炉。
15. 【請求項１５】 前記水排除棒は少なくとも２つの棒状
    体から成り、この棒状体を前記複数の原子炉用炉心間の
    軸方向に沿って個別に移動させる駆動機構を更に備えた
    請求項１４記載の原子炉。
16. 【請求項１６】 前記水排除棒は、前記原子炉用炉心の
    軸方向の高さよりも短い軸長を有する請求項１４又は１
    ５記載の原子炉。
17. 【請求項１７】 前記水排除棒を、原子炉停止時に原子
    炉用炉心の軸方向の下方位置の移動させると共に、原子
    炉運転時に上記軸方向の上方位置に向けて移動させる手
    段を備えた請求項１４〜１６の内のいずれか１項記載の
    原子炉。
18. 【請求項１８】 請求項１６記載の原子炉の運転方法で
    あって、原子炉停止時に前記原子炉用炉心の軸方向の下
    方位置で停止している前記水排除棒を、原子炉運転に伴
    って上記原子炉用炉心の軸方向の上方位置に向けて挿入
    移動させていくことを特徴とする原子炉の運転方法。
19. 【請求項１９】 前記制御体は、前記複数の原子炉用炉
    心間に隔離配置された制御領域を備え、この制御領域内
    の水位を軸方向に沿って調整可能に形成した請求項１３
    記載の原子炉。
20. 【請求項２０】 前記制御領域は、少なくとも２つに隔
    離分割された領域から成る請求項１９記載の原子炉。
21. 【請求項２１】 請求項１９又は２０記載の原子炉の運
    転方法であって、原子炉停止時に前記原子炉用炉心の上
    端よりも上位にある前記制御領域内の水位を、原子炉運
    転に伴って下降させていくことを特徴とする原子炉の運
    転方法。