JPH10274687A - 沸騰水型原子炉炉心及びその運転方法 - Google Patents

沸騰水型原子炉炉心及びその運転方法

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JPH10274687A
JPH10274687A JP9079555A JP7955597A JPH10274687A JP H10274687 A JPH10274687 A JP H10274687A JP 9079555 A JP9079555 A JP 9079555A JP 7955597 A JP7955597 A JP 7955597A JP H10274687 A JPH10274687 A JP H10274687A
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淳一 山下
Kimiaki Moriya
公三明 守屋
Katsumasa Haikawa
勝正 配川
Yasuhiro Masuhara
康博 増原
Taichi Takii
太一 滝井
Akihiro Yamanaka
章広 山中
Takao Kondo
貴夫 近藤
Tadao Aoyama
肇男 青山
Masao Chagi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、大幅な設備の変更がなく且つ
製造コストを高価にすることなく、十分な制御棒価値を
確保できる制御棒を備えた沸騰水型原子炉炉心及びその
運転方法を提供することにある。 【解決手段】４体のチャンネルボックス１に囲まれた燃
料集合体２で構成される正方バンドル領域の対角上のチ
ャンネルボックス間に、それぞれ四方向に延びる制御棒
翼を有する長翼制御棒６を配置し、さらに、正方バンド
ル領域の中央のチャンネルボックス間に制御棒翼の長さ
が燃料集合体２の幅と同程度の短翼制御棒７を配置す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は発電用沸騰水型原子
炉の炉心及び制御棒システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】発電用に使用される沸騰水型原子炉のう
ち、最新のものである改良型沸騰水型原子炉（以下、Ａ
ＢＷＲと呼ぶ）の炉心は、図８に示すように、正方格子
状に配列された燃料集合体２とその燃料集合体２の間に
設置される制御棒４より構成されている。燃料集合体は
複数の燃料棒とチャンネルボックス１より構成され、制
御棒は、運転時の反応制御，緊急停止（スクラム）、及
び炉停止を目的に使用され、原子炉圧力容器下部に設置
されている駆動機構により、前記燃料集合体の外壁とな
るチャンネルボックス間に挿入される。
【０００３】図９，図１０に制御棒の構造を示す。制御
棒４は、中性子吸収材８が内部に設置されている制御棒
翼３とその本体より構成され、制御棒翼を炉心内に挿入
し、余剰となる中性子を吸収することにより、余剰反応
度を制御する。
【０００４】特開平6−174874 号公報には、熱的余裕及
び炉停止余裕を確保しつつ、燃料集合体を大型化するこ
とにより、炉心に装荷される燃料集合体を大型化して体
数を低減し、燃料取替の省力化を図る技術が記載されて
いる。
【０００５】図１１に示すように、大型燃料集合体炉心
では、制御棒４の位置は従来格子炉心と同一であるが、
４５度回転させ、その制御棒内に大型燃料集合体を設置
した構造となる。そのため、大型燃料集合体は従来の燃
料集合体の２体分に対応する。また、炉停止余裕を確保
する観点より、制御棒の翼３は大型化し、集合体の対角
上のチャンネルボックス１間に配置してある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術には、以下の課題が存在する。
【０００７】すなわち、燃料集合体の大型化により集合
体体数は低減するが、制御棒の本数は従来プラントと同
程度であり、大型集合体の停止余裕を十分に確保するた
め、制御棒の翼長は増大し、制御棒単体の単価が上が
り、プラント全体で見れば、コスト高となる。
【０００８】さらに、高燃焼度化，省ウラン化を進める
ためには、燃料装荷量とＧｄ燃料棒が増え、炉停止余裕
が低減するという課題があった。
【０００９】本発明の目的は、大幅な設備の変更がなく
且つ製造コストを高価にすることなく、十分な制御棒価
値を確保できる制御棒を備えた沸騰水型原子炉炉心及び
その運転方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、チャンネルボックスに囲まれた燃料集
合体を複数装荷し、前記チャンネルボックスとの間に制
御棒翼を有する制御棒を複数配置する沸騰水型原子炉炉
心において、複数の燃料集合体より構成される正方バン
ドル領域の対角上のチャンネルボックス間にそれぞれ四
方向に延びる制御棒翼を有する長翼制御棒を配置し、前
記正方バンドル領域の中央のチャンネルボックス間に制
御棒翼長が前記燃料集合体幅と同程度となる短翼制御棒
を配置する。
【００１１】本発明によれば、長翼制御棒では、翼長を
増加した分だけ燃料集合体をカバーする範囲が増加し、
単体として制御棒価値が増加する。しかしながら、制御
棒自体が大きくなるので、制御棒一体が挿入できない場
合の炉停止余裕の確保が問題となる。
【００１２】そこで、長翼制御棒を一体引き抜いた時の
反応度変化を解析的に求めた。図３に、制御棒を１体引
き抜いた時に制御できない燃料集合体の範囲を従来の格
子と比較して示す。
【００１３】本発明で着目する大型格子燃料集合体は従
来の燃料集合体４体分相当の大きさとなるため、大型格
子燃料集合体を４つのブロック(以下、ミニバンドルと
呼ぶ)にわけ、そのミニバンドル上に、制御棒で制御で
きない領域をハーフトーンで示した。
【００１４】従来の格子では、制御できない領域は制御
棒を含む菱形の領域となるが、本発明では、前記の菱形
の領域以外に四つの小さな菱形の領域（網掛けで表示）
となり、停止余裕が低減しているように見える。しか
し、この小さな菱形の領域は近接する短翼制御棒７と長
翼制御棒６に囲まれているため、影響を受け、その領域
での効果は小さいことが予想される。解析結果による
と、従来格子と比べ、本発明での炉停止余裕の低下は１
％Δｋ以下となり、炉停止余裕は従来格子とほとんど変
わらなく、炉停止余裕は確保できることがわかる。
【００１５】したがって、長翼制御棒を使用することに
より、単体としての制御棒価値が増加できるため、その
増加分、制御棒の本数ならびに制御棒駆動機台数が大幅
に低減できるため、コストを低減できる。さらに、制御
棒本数，制御棒駆動機台数の低減により、制御棒系シス
テムが簡素化できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照しつつ説明する。
【００１７】図１に本発明による実施例を示す。本実施
例では、チャンネルボックス１に囲まれた燃料集合体２
を複数（図中例では４体）装荷し、前記チャンネルボッ
クス１との間に制御棒翼を有する制御棒を複数配置する
沸騰水型原子炉において、複数体の燃料集合体２より構
成される正方バンドル領域の対角上のチャンネルボック
ス間に、それぞれ四方向に延びる制御棒翼を有する長翼
制御棒６を配置し、さらに、正方バンドル領域の中央の
チャンネルボックス間に制御棒翼の長さが前記燃料集合
体幅と同程度となる短翼制御棒７を配置した構造にして
いる。
【００１８】このような構造を備えることにより、前述
したように、対角上のチャンネルボックス間に設置した
長翼制御棒６では、単体としての制御棒価値が増加して
いるため、その増加分、制御棒の本数ならびに制御棒駆
動機台数が大幅に低減できるため、コストを低減でき
る。定量的には従来格子に比べ制御棒を２５％低減でき
る。
【００１９】図２に炉心全体での制御棒の配置例を示
す。○印が長翼制御棒６であり、●印が短翼制御棒７を
示す。従来に比べて、大幅に、制御棒本数，制御棒駆動
機構台数の低減ができ、制御棒系システムを簡素化でき
ることがわかる。また、作用の項で説明したように、炉
停止余裕が容易に確保でき、制御棒の員数が低減する。
その結果、炉停止確保のためのＧｄ残留，低インベント
リ燃料装荷がなくなり、経済性が大幅に向上する。
【００２０】また、本実施例において、対角上の長翼制
御棒を炉停止用に、中央の短翼制御棒を運転時及びスク
ラム時の反応度制御用に、役割分担をすることにより、
さらに、システムが合理化・単純化でき、プラント全体
のコストを低減できる。
【００２１】さらに、上記反応度制御用の短翼制御棒に
おいて、中性子吸収材として反応度効果の大きい材料
（Ｂ10）を使用することにより、短翼制御棒の制御棒価
値が増え、スクラム特性，反応度制御特性を向上でき
る。
【００２２】また、対角上の長翼制御棒はスクラム用で
なくなるので、高速スクラム等の制御系が削除でき、安
価な水圧式駆動系の使用が可能となり、大幅にコストが
低減する。
【００２３】また、上記実施例において、対角上の長翼
制御棒６を運転時の反応度制御と炉停止用に、中央の短
翼制御棒７をスクラム用に、役割分担することも可能で
ある。その場合には、上記同様、システムが合理化・簡
素化されるため、コストの低減が期待できる。
【００２４】また、図１の実施例において、制御棒内で
使用する中性子吸収材に関して、上部領域で反応度価値
を向上させる別の実施例を以下に示す。本実施例では、
特に、正方バンドル領域の中央部に設置する短翼制御棒
でのＢ10の濃度を相対的に上部で大きくする構造にした
ところにある。
【００２５】一般に、沸騰水型原子炉では、運転時に、
炉心上部でボイド率が高いため、中性子スペクトルが硬
化し、中性子吸収によるＰｕ239 の生成が促進される。
そのため、炉心上部の核分裂物質の濃度が高くなり、そ
の領域の炉停止余裕が相対的に低減する。
【００２６】本実施例では、炉停止余裕が相対的に低下
する炉心上部領域に対して、制御棒の上部領域でＢ10の
濃度の増加により制御棒価値が増え、炉停止余裕を向上
できる（図４参照）。さらに、使用するＢ10の量を低減
できるので、製造コストの低減を図ることができる。し
たがって、トータルとして、プラント全体のコストを低
減できる。
【００２７】図５，図６に、燃料棒格子構造が８×８，
９×９、および１０×１０の燃料集合体に適用した実施
例を示す。前記実施例と同様に、制御棒４の数の低減に
より、プラントコストを大幅に低減できる。また、制御
棒の役割分担により制御棒系システムが簡素化・単純化
でき、プラント全体として大幅なコスト低減ができる。
【００２８】図７は、本発明の他の実施例を示したもの
である。本実施例は、図１の実施例において、正方バン
ドル領域を構成する燃料集合体２が９本の水ロッド１１
を備え、水ロッド１１が上昇流路１２及び下降流路１３
を有し、上昇流路１２及び下降流路１３がそれぞれ水ロ
ッド１１の流入孔１４及び流出孔１５と連結し、流入孔
１４が流出孔１５より下方に位置する構成としたもので
ある。
【００２９】本実施例における水ロッド内の水の密度
は、燃料集合体を通過する流量により大幅に変化する。
すなわち、炉心流量が少ない状態では、水ロッド内で発
生する蒸気量が流入する流量より多くなるため、水ロッ
ド内は蒸気で充満する。流量が増加すると、水ロッド内
で発生する蒸気量を流入量が上まわるので、水ロッド内
は水状態となる。そのため、燃焼初期の低流量運転時に
は水ロッド内は蒸気で充満し、燃料集合体内平均密度が
低減するため、中性子スペクトルが硬化し、Ｐｕ239 の
生産が促進される。
【００３０】一方、燃焼末期の高流量運転時には水ロッ
ド内が水状態となり、燃料集合体内の平均密度が増加す
るため、中性子スペクトルが軟化し、低流量運転で生産
されたＰｕ239 を効率的に燃やすことができ、燃料経済
性を向上できる効果がある。すなわち、燃焼初期の余剰
中性子をＰｕ239 の生産に振り向けることができるた
め、運転時の余剰中性子吸収による反応度制御の低下
分、短翼制御棒の員数を低減できるので、さらにコスト
低減が実現する。さらに、燃料集合体の大型化により、
この水ロッドを多数配置できるため、さらにＰｕ239 の
有効利用効果が増大し、燃料経済性を大幅に向上でき
る。
【００３１】本発明では、図１に示すように大型格子燃
料集合体となるため、燃料経済性向上の観点より、燃料
棒数本分相当の横断面積を有する水ロッドを内部に設け
ることも有効である。さらに、制御棒翼内に設置されて
いる中性子吸収材として、前記燃料集合体２の中央側面
部に面する部分に制御棒価値が高くなる材料を使用する
ことにより炉停止余裕を向上できる。
【００３２】
【発明の効果】本発明によれば、制御棒価値を低減する
ことなく制御棒本数を大幅に低減でき、また、制御棒の
役割を分担化できるので、制御システムを簡素化・合理
化できるので、プラントコストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す図。
【図２】本発明による制御棒の配置を示す図。
【図３】炉停止余裕に関する本発明と従来例との比較を
示す図。
【図４】Ｂ10濃度と炉停止余裕の関係を示す図。
【図５】本発明の別の実施例を示す図。
【図６】本発明の別の実施例を示す図。
【図７】本発明の別の実施例を示す図。
【図８】従来例を示す図。
【図９】制御棒の構造を示す図。
【図１０】制御棒の断面図を示す図。
【図１１】従来の大型格子燃料と従来格子燃料の比較を
示す図。
【符号の説明】
１…チャンネルボックス、２…燃料集合体、３…制御棒
翼、４…制御棒、５…水ギャップ、６…長翼制御棒、７
…短翼制御棒、８…中性子吸収材、９…反応度制御系、
１０…スクラム制御系、１１…水ロッド、１２…上昇流
路、１３…下降流路、１４…流入孔、１５…流出孔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 増原 康博 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 滝井 太一 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 山中 章広 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 近藤 貴夫 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 青山 肇男 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内 (72)発明者 茶木 雅夫 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発本部内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】チャンネルボックスに囲まれた燃料集合体
    を複数装荷し、前記チャンネルボックスとの間に制御棒
    翼を有する制御棒を複数配置する沸騰水型原子炉炉心に
    おいて、 複数の燃料集合体より構成される正方バンドル領域の対
    角上のチャンネルボックス間にそれぞれ四方向に延びる
    制御棒翼を有する長翼制御棒を配置し、前記正方バンド
    ル領域の中央のチャンネルボックス間に制御棒翼長が前
    記燃料集合体幅と同程度となる短翼制御棒を配置したこ
    とを特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記燃料集合体で構成
    される正方バンドル領域が燃料集合体４体より構成さ
    れ、前記正方バンドル領域の対角上に設置される長翼制
    御棒の翼長が前記燃料集合体幅の２倍程度となることを
    特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
  3. 【請求項３】請求項１又は２において、前記短翼制御棒
    内に反応度効果の高い中性子吸収材を使用して制御棒価
    値を高めたことを特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
  4. 【請求項４】請求項３において、前記短翼制御棒は、制
    御棒上部領域での中性子吸収材の濃度を相対的に大きく
    したことを特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
  5. 【請求項５】請求項１又は２において、前記燃料集合体
    内の燃料棒に使用するＧｄの濃度を下げたことを特徴と
    する沸騰水型原子炉炉心。
  6. 【請求項６】請求項１又は２において、燃料棒格子構造
    が８×８，９×９あるいは１０×１０からなる燃料集合
    体４体より構成される正方バンドル領域の対角上のチャ
    ンネルボックス間に、前記長翼制御棒を配置したことを
    特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
  7. 【請求項７】請求項１において、燃料棒格子構造が８×
    ８，９×９あるいは１０×１０からなる燃料集合体１６
    体より構成される正方バンドル領域の対角上のチャンネ
    ルボックス間に前記長翼制御棒を配置し、前記正方バン
    ドル領域の中央に短翼制御棒を配置し、前記長翼制御棒
    の翼長が燃料集合体幅の４倍程度で、前記短翼制御棒の
    翼長が燃料集合体幅の２倍程度であることを特徴とする
    沸騰水型原子炉炉心。
  8. 【請求項８】請求項１又は２において、前記正方バンド
    ル領域を構成する燃料集合体は水ロッドを備え、前記水
    ロッド内に上昇流路及び下降流路を有し、各流路が水ロ
    ッドの流入孔及び流出孔と連結し、前記流入孔が前記流
    出孔より下方に位置することを特徴とする沸騰水型原子
    炉炉心。
  9. 【請求項９】請求項１又は２において、前記正方バンド
    ル領域を構成する燃料集合体は、燃料棒数本分の横断面
    積に相当する横断面積の水ロッドを内部に設けたことを
    特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
  10. 【請求項１０】請求項１又は２において、前記制御棒翼
    内に設置される中性子吸収材として、前記燃料集合体の
    中央側面部に面する部分に制御棒価値が高くなる材料を
    使用したことを特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
  11. 【請求項１１】請求項１又は２において、前記長翼制御
    棒の駆動を水圧駆動としたことを特徴とする沸騰水型原
    子炉炉心。
  12. 【請求項１２】請求項１又は２の沸騰水型原子炉炉心の
    運転方法において、前記正方バンドル領域の中央のチャ
    ンネルボックス間に設置した短翼制御棒を用いて、運転
    時とスクラム時の反応度制御を行うことを特徴とする沸
    騰水型原子炉炉心の運転方法。
  13. 【請求項１３】請求項１又は２の沸騰水型原子炉炉心の
    運転方法において、前記正方バンドル領域の対角上のチ
    ャンネルボックス間に設置した長翼制御棒を用いて、炉
    停止の反応度制御を行うことを特徴とする沸騰水型原子
    炉炉心の運転方法。
  14. 【請求項１４】請求項１又は２の沸騰水型原子炉炉心の
    運転方法において、前記正方バンドル領域の対角上のチ
    ャンネルボックス間に設置した長翼制御棒を用いて、通
    常運転時の反応度制御を行うことを特徴とする沸騰水型
    原子炉炉心の運転方法。
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