JPS58147686A - 沸騰水形原子炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、燃料集合体内に燃料棒と共に中空管【組込ん
だ沸騰水形原子炉と、その運転方法に関する。

〔発明の技術的背景〕

沸騰水形原子炉は、第１図に示す如く原子炉圧力容器１
の中心部に多数の燃料集合体２・・・【装荷して炉心３
？構成している。ま次圧力容器１の内部には冷却水４が
炉心３の上方まで収容されている。ま＾圧力容器１内の
上部には気水分離器５及び蒸気乾燥器６が収容されてい
る０さらに圧力容器１の周壁土部には主蒸気出口ノズル
７、その下方には給水ノズル８が設けられている。

前記燃料集合体２は、１ｇ２図及び第３図に示す如く多
数の燃料棒９・・・と、第３図にΦとして示す１〜２本
のウォータロッド１０とを混在させてマトリックス状（
通常８×８本）に配列して燃料束とし、この燃料束を角
筒状のテヤンネル１１内に収納して構成されている。な
お、チャンネル１１の上下端には前記燃料棒９・・・及
びクォータロッド１０の上下端？支持する上部タイプレ
ートＪ２及び下部タイプレート１３がそれぞれ取着され
、この上下タイプレート１２゜１３聞Ｑ複数箇所におい
て前記クォータロッド１０にスペ−ｆｚ４・・・【保持
させて、それらのスペーサにより燃料棒９・・・相互の
間隔【一定に保つように構成されている。

１ｔＪＩａ図に示す如く４体の燃料集合体２・・【−組
として単位格子１５’ｌｌ構成し、それら４体の燃料集
合体２・・・間に断面十字形ｔなす制御棒Ｊｕｗｃ配置
して、この制飢棒１６【挿入又は引抜操作することによ
り炉心反応度を制御するように構成されている。

一方、各燃料棒９は、第４図に示す如く被覆管１２の内
部に多数の燃料ベレット１８・・・を積重ね、それらの
燃料ベレット１８・・・倉上方よりばね１夕で押え、被
覆管１７の上下端ｔそれぞれ上部栓体２０及び下部栓体
２１で封止した構燃料ベレット１８は、酸化つ２ン（Ｕ
Ｏ＊　）の粉末を焼結して円柱形状に形成したものであ
るが、各燃料集合体２中の数本（例えばｊＩａ図に０と
して示す４本）の燃料棒９Ｇｄ・：・には、酸化ウラン
中に可燃性の中性子吸収材としてガドリニア（ＧｄｚＯ
ｓ）’を混入し九〇〇、　−Ｇｄ、Ｏ，ペレットが封入
されている。

以上の如く構成され次沸騰水形原子炉にあっては、運転
を開始すると、炉心３におけるクラン燃料の被分裂によ
り圧力容器１内の冷却水４が沸騰し、これによって発生
した蒸気は気水分離器５及び蒸気乾燥器６を通して主蒸
気出口ノズル７ぶり発電所のタービ／駆動用として取出
される。またタービン（図示せず）を通過した蒸気は復
水器（図示せず）で冷却液化され、冷却水４として再び
給水ノズル８より圧力容器１内へ供給される。

ここで炉心３の無限増倍率にヮは、仮に前記ガドリニア
入りの燃料棒９Ｇｄ・・・がないとするならば、ｌｌ１
５図中に仮想線で示す如く、運転時間の経過と共に直線
的に低下する０シ次がって所定の運転期間【通じて無限
増倍率Ｋ。０が大きく変動しないようにするために、ガ
ドリニア入り０＠料棒ｔＧｄ・・・を使用しているので
ある。すなわち、ガドリニアＣａａｔｏｓ）は中性子吸
収材であるためこれ【炉心３に配置することに１って、
特に運転開始時は無限増倍率Ｋ（至）を低く抑える効果
が大である０ところがガドリニアは可熱性でもある九め
、運転時間の経過と共に燃焼し、無限増倍率Ｋｔｓａｋ
抑える効果が次第に消失するので、総合的にみると、Ｊ
Ｉ５図中に実線で示す如く、最初の運転期間工【通じて
無限増倍率に一０変動は大幅に減少することになるので
ある。ここで、最初の運転期間！とは、最初の運転■始
時から、いっ＾ん運転を停止して２回目の運転【再開す
るまでの期間をいうものとする。

〔背景技術の問題点〕

以上の如く構成された従来の沸騰水形原子炉には次Ｏよ
うな問題があり九〇 すなわち一部の燃料棒９Ｇｄ・・・に封入されるＵＯ□
−Ｇｄ、Ｏ，ベレットは、いったん被覆管１１内に封入
した後は取圧すことができないｏしたがって原子炉の運
転状況に応じてガドリニアの量ｔａ１１節することは不
可能である〇一方、ガドリニアの濃度は、通常、新たな
燃料【装荷した後、１ナイクルの運転期間で燃焼するよ
うに決定されている。ところがガドリニアは中性子吸収
断面の大きいＧ　ｄ１５５　、　（、ｄ１６？　　等が
まず燃焼し、Ｇ　ａ１％　、　ＧＩ５１１等の偶数番号
の元素は１チイクルの運転期間が終了した後も残る０そ
してこれら偶数番号の元素は、もはや無限増倍率に＠’
を抑える必要がなくなっているにも拘らず、なおも僅か
ながら中性子吸収を行ない、無限増倍率Ｎｅｏ　ｙｔ低
下させてしまうので、燃料経済性を低下させることにな
るのである０ 〔発明の目的〕 本発明はこのような事情にもとづいてなされたもので、
その目的は、運転状況に応じて炉心の反応度を容易に調
節することができ、燃料経錆性Ｏ向上を図ることができ
る沸騰水形原子炉とそＯ運転方法を提供することにある
。

〔発明の概要〕

本発明ＦＣ９にる沸騰水形原子炉は、燃料集合体内に、
冷却水が流通可能な中空管を組込んで、その中空管に対
して中性子吸収材を備えた中性子吸収棒【挿入、引抜可
能とし次構成のものである０このようにすると、中性子
吸収棒を中空管に対して挿入、引抜操作することにエリ
炉心の反応度を調節することができ、燃料経済性ケ高め
ることができる。

を尺、本発明に係る沸騰水形原子炉の運転方法は、燃料
集合体内に燃料棒と共に組込まれた中空管に中性子吸収
棒【挿入して最初の原子炉運転を行ない、いつ次ん運転
を停止し九後の２回目以ＷＩＩ＃Ｏ運転は前記中性子吸
収棒【中空管より引抜操作して行なうものである。この
方法によると、無限増倍率Ｋａｅ　ｋ最も抑えねばなら
ない最初の運転期間で、は中性子吸収棒による中性子吸
収能力を最大限に発揮させ、無限増倍率Ｋｍ　ｋ抑える
必要がなくなる２回目以降の運転では中性子吸収能力が
減少あるいは除去されるので、燃料経済性を高めること
ができるのである０ 〔発明の実施例〕 まず第６図ないし第１０図に示す実施例について説明す
る。

第６因は沸騰水形原子炉の概略構成を示すもので、原子
炉圧力容器１０１の中心部には多数の燃料集合体１゛０
２・・・を装荷して炉心１０３が構成され、また圧力容
器１０１の内部には冷却水１０４が炉心１０３の上方ま
で収容されている。さらに圧力容器１０１内の上部には
気水分離器１０５及び蒸気乾燥器１０６が収容され、圧
力容器１０１の周壁土部には主蒸気出口ノズル１０１、
その下方には給水ノズル１０８がそれぞれ設けられてい
る。

前記燃料集合体１０２は、第７図及び第８図に示す如く
多数の燃料棒１０９・・・と第８図に◎で示す２本の円
形中空管１１０，１１０とｔ混在させてマトリックス状
（８ｘ８本）に配列して束ねた燃料束【構成し、この燃
料束１１１を角筒状のチャンネル１１２内に収納し次も
のである０なお、チャンネル１１２の上下端には前記燃
料棒ｉｏｓ・パ及び中空管１１０，１１０の上下端【支
持Ｔる上部タイプレートＪＪ３及び下部タイプレートｌ
１４がそれぞれ取着され、この上下タイプレート１１３
，１１４間の複数箇所において前記２本の中空管１１０
にスペーサ１１５・・・を保持させて、それらのスペー
サ１１５・・・に↓り燃料棒１０９・・・及び中空管１
１０゜１１０の相互間隔を一定に保つように構成されて
いる。

を尺、＊Ｓａの如く４体の燃料集合体１０２・・・【−
組として単位格子１１６を構成し、それら４体Ｏ燃料集
合体１０２・・・間に断面十字形ｔなす制御棒１１７を
配置して、この制御棒１０７【挿入又紘引抜操作するこ
とにより炉心反応度を制御するように構成されている。

一方、前記燃料棒１０９は第９因に示す如く被覆管１１
８の内部に、酸化り２ンＵＯ！の粉末を焼結して円柱形
状に形成された多数の燃料ペレット１１９・・・を積重
ね、それらの燃料ベレット１１９・・・を上方エリばね
１２０で押え、被覆管１１８の上下端ｔそれぞれ上部栓
体１２１及び下部栓体１２２で封止して構成されている
。

なお各燃料集合体１０２は、通常運転時には若干、減速
不足状態となるように設計されている〇ま九、前記２本
の中空管１１０，１１０は各燃料集合体１０２の中心部
に配置されている。

各中空管１１０は、第１０図の如く上端が開口し、下端
は閉塞されて周壁下部に冷却水流入口１２３が設けられ
、この流入口１２３より中空管１１０の内部を通して上
端開口部へ冷却水が流通可能となっている。

一方、各中空管１１０の内部には中性子吸収材であるガ
ドリニアＧｄｘＯｓｋ”アルミナＡｔｔＯｓに混入して
形成された中性子吸収棒１２４’ｌｆ、上端開口部エリ
挿入させている０またこの中性子吸収棒１２４の上端に
は環状の吊止金具１２５が設けられている。なお、この
中性子吸収棒１１１に混入されるガドリニアの濃度は、
従来のガドリニア入り燃料棒９Ｇｄ　　に封入されてい
次ガドリニアと同様、新たな燃料を装荷し友後、１ｆイ
クルの運転期間で燃焼するように決定される。ｔｅ中性
子吸収棒１２４の上下方向のガドリニア濃度分布は、原
子炉の運転期間、炉心Ｊ　＃　Ｉｔ）反応度分布等を考
慮して決定される。

以上の如く構成され友沸騰水形原子炉ｒ運転するにあた
っては、まず最初の運転は中性子吸収棒１２４【各中空
管１１０に挿入し次状態で開始される。このとき最初の
ナイクルの運転期間！が短かいときは１本のみ挿入し、
あるいは挿入量【夕なくしておき、逆に運転期間Ｉが長
いときは２本共挿入、あるいは全挿入とする。

そして全挿入の場合は中性子吸収棒１２４の下端Ｔ’！
”！！管１１０の底壁に当接させることにより、吸収棒
１２４の落下を防止できる。

そこで、炉−心２６３におけるウラン燃料の核分表によ
り圧力容器１０１内の冷却水１０４が沸騰し、これによ
って発生した蒸気が気水分離器１０５及び蒸気乾燥器１
０６ｙｋ通して主蒸気出口ノズル１０７より発電所のタ
ービン駆動用として取出される。またタービン（図示せ
ず）を通過した蒸気は復水器（図示せず）で冷却液化さ
れ、冷却水１０４として再び給水ノズル１０Ｂエリ圧力
容器１０１内へ供給される。

ここで、炉心１０３の無限増倍率に■は、第１１図に示
すように中性子吸収棒１２４中のガドリニアの影響を受
けて最初の運転期間’ＩＩ通じて変動＃！？低く抑えら
れる。ことになる。なお、絽１１図中（イ）は中性子吸
収棒１２４とを挿入しなかった場合の無限増倍率Ｋｏｏ
の経時的変化を示し、（ロ）は中性子吸収棒１２４ｒ挿
入し次場合の無限増倍率に＠の経時的変化を示している
。

この第１１図（イ）、（ロ）より明らかなように、中性
子吸収棒１２４を挿入しないときは無限増倍率に＠は運
転期間の経過と共に直線的に低下するが、中性子吸収棒
１２４を挿入すると、無限増倍率Ｋ。はガドリニアの中
性子吸収能力に工つで低く抑えられる。特に運転開始時
にはガドリニアの中性子吸収によって無限増倍率Ｋ。が
低く抑えられるが、ガドリニアは運転時間の経過と共に
燃焼して中性子吸収能力が減退する。

そこで無限増倍率Ｋ。ｋ抑える効果も次第に消失し、総
合的には無限増倍率Ｋｏ＠の変動幅が小さく抑えられる
ことになるのである。

そこで、最初の運転期間■では無限増倍率に−はｇｉｉ
ｇの曲線（ロ）に沿って変化する。

次に、原子炉の運転をいったん停止し几後、２回目の運
転ｔｌ＠始するときは、その運転開始に先だって中性子
吸収棒１２４ｆ１本又は２本共中空管１１０より引抜い
ておく０そうすると、２回１０這転期間璽を通じて無限
増倍＊Ｋｏｏは第１１５１＞−纏り）に沿って変化する
ことになる０ま次中性子敷収棒１２４【引抜い九後Ｑ中
空管１１０は、クオータロンドとしての機能を発揮する
ので、減速作用が付加されて水／ｆ）５；／比に対する
無限増倍率に＃の特性は第１２図のＡ点より１点へ移行
し、無限増倍率に＠が増加することになる０ よって、上記実施例エリ次の効果が得られる０まず、最
初の原子炉運転は中性子吸収棒１２４を中空管１１０内
に挿入し次状態で行なわれるので、中性子吸収材により
無限増倍率Ｋｗが低く抑えられ、ま九運転時間の経過と
共に中性子の吸収材が燃焼するので中性子吸収効果が次
第に消失し、運転期間１４通じて無限増倍率Ｋ１１１１
の変動幅を小さく抑えることができる０ま次２回目の運
転は中性子吸収棒１２４を引抜い次状態で行なわれるの
で、中性子吸収棒１２４中に残留しているＧ　ｄ＋ｓａ
　’Ｉ　Ｇ　ｄ１１１８　　等の偶数番号の元素によっ
て不必要に無限増倍率に匈が低下すること？防止でき、
２回目の運転期間Ｉｔ通じて第１１図に斜線で示す分だ
け、中性子吸収棒１２４’ｃ引抜かない場合よりも無限
増倍率Ｋｍ　ｋ増加させることができ、燃料経済性を高
めることができる。ま九中性子吸収棒１２４の引抜き量
、引′抜き本数を変えることによって、炉心１０３の反
応度を容易に調節できる効果もあゐ・ なお上記実施例では中性子吸収材としてガドリニアを用
いるものとしたが、チフリウム、カドンクム、ボロン等
も使用可能である。そして複数８１１１０中性子吸収材
を同時に用いてもよい。

ｔＸ中空管１１０の位置、本数、形状なども適宜、変更
可能である。そして従来用いられていたガドリニア入り
燃料棒を併用することも可能であゐＯ１次２回目の運転
は中性子吸収棒１２４【途中まで引抜い良状態で行ない
、３回目、４回目と回を重ねる毎にその引抜き量を段階
的に増加していくようにしてもよい。また最初の運転時
に中性子吸収棒を全挿入とせず、途中まで挿入した状態
で行なうようにしてもよい。さらに１ナイタルの運転終
了後、中性子吸収棒１１０を交１ａＴるようにしてもよ
い。

次＃ｃｇｉ　３ｇｏｕ＊偶について説明する。

こＯＸ膣例は中性子吸収棒２０１ｔ）下端部のみを可ａ
性中性子吸駅材２０２とし友もので−ある・なお、中性
子吸収棒２０１（１）上端には前記実施例と同様の環状
の吊上金具２０３が設けられ、中空管１１０も前記実施
例と同様のものとする。

このような構成では、中性子吸収棒２０ノ【全挿入し九
場合、特に炉心１０３下部の反応度を抑える効果がある
。

ま次第１４図の実施例のように、中性子吸収棒７０７の
全長に亘って中性子吸収材で形成し１特に下端部３０２
５太くシ、それ以外の部分３０３【細くすることによっ
ても、炉心１０３の下端部の反応ｉｔ−抑える効果が得
られる。図中３０４は吊上金具である。

次に第１５図に示す実施例には、第１３図の実施例とは
逆に中性子吸収棒４０１０上端部の−Ｖｔ可燃性中性子
吸収材４０２としたものであって、特に炉心１０３上端
部の反応度【抑える効果が得られる。図中４０３は吊上
金臭である◎なお、中空管１１０の内部にストッパを設
けて中性子吸収棒４０２の落下を防止するようにしても
よい。

ま艮％Ｊ１１６図の実施例のように、中性子吸収棒１ｏ
ｉｏ全長を中性子吸収材で形成し、特に下端部Ｊ＃２【
太くシ、それ以外の部分５０３を麟くすることによって
も、炉心１０３の上端ｌｌ０ｚ　ｔＪ＊ｒ抑える効果が
得られる。図中１０４は吊上金＾である。

以上、ｊｌ１３５！１なイＬ、　＄１１６　Ｅ　Ｃ’実
施例は炉心の上下方崗の反応度が運転サイクルに１って
偏るような鳩舎に特に有効である。

なお、本発明抹以上の実施例に必ずしも限定さ＃ゐ′も
Ｏではなく、九とえばガドリウム入り千２１ 燃料棒１＃＃Ｑ　　傭　、位置の変更に棲嗜鴫も可能で
ある。

〔麹明ｏｓｈ果〕

以上評遮し几ように、本発明に係る沸騰水形原子炉は、
燃料集合体ｔ）チャンネル内に、冷却水が滝過可能な中
空管ｔｍ料棒と共に組込んで、七〇中空管に対して、中
性子吸収材【備え次中健子ａ収伸を挿入、引抜可能とし
次構威Ｏものであ１劇ら、中性子１収棒を中空管に対し
て挿入、引抜操作することにぶり炉心の反応度【容易に
調節することができ、反応度【抑える必要がないときは
中性子吸収棒を引抜操作することにより燃料経済性？高
めることができる〇ま九、本発明に係る沸騰水形原子ｐ
ｖ這運転法は、燃料集合体のチャンネル内に燃料棒と共
に組込まれ次中空管に中性子吸収棒を挿入して最初の原
子炉運転【行ない、いつ皮ん運転を停止し次後０２回目
以降の運転は前記中性子吸収棒【中空管より引抜操作し
て行なうものであるから、炉心０ＩＩＡ＠増倍率Ｋｏｏ
　を最も抑えねばならない最初の運転期間では中性子吸
収棒による中性子吸収能力【最大限に発揮させ、２回目
以蜂の運転ではその中性子吸収能力【抑えることができ
、燃料経済性【高めることができゐ。

【図面の簡単な説明】

ｊｌｌＥｌは沸騰水形原子炉の概略図、ｇ２１は燃料集
合体Ｃ斜視図、菖３図は燃料集音体Ｏ横断面区、第４図
は燃料棒【一部切欠して示す側ｌｌｌｉ図、菖５図は無
限増倍率の経峙的変化【示す図、ＪＩ６Ｅｌないし第１
１図は本発明の第１実施例を示すもので、第６図は沸騰
水形原子炉の櫃略閣、第７図は燃料集合体の斜視図、第
８図は燃料集合体の横断ｍ図、１ｓ９図は燃料棒上一部
匍久して示す側面図、第１０図は中空管及びこれに挿入
され艮中性子吸収棒【示す断面因、第１ｕｍｌは無限増
倍率の経時的変化【示す図、第１２１１は原子炉運転時
における水／ウラン比と無限増倍率との関係を示す特性
図、第１３図ないし３１１６ＷＡはそれぞれ第２．第３
．第４．第５実施例における中空管と中性子吸収棒との
関係會示す断面園である０ １＃１・・・原子炉圧力容器、１０２・・・燃料集合体
、１０１・・・炉心、１０４・・・冷却水、１０９・・
・燃料棒、１１＃・・・中空管、１１２・・・デャンネ
ル、１１４．２０１．３＃１．４０１．１０１・・中性
子１収棒０ 出願人代理人　弁理士　　鈴　江　武　彦第１図 第２図 第３１ 第４図 第６図 第９図 第１１図 第１２図 う鳴、がし　→ 第１３図　　　　　第１４図 第１５図　　　　　第１６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　燃料棒と共に燃料集合体に組込まれ冷却水が
   流通可能な中空管と、この中空管に対し挿入、引抜可能
   に設けられ中性子吸収材？備え次中性子敷収棒とｔ具備
   したことを特徴とする沸騰水形原子炉。
2. （２）燃料棒と共に燃料集合体に組込まれ友、冷却水が
   流通可能な中空管に、中性子吸収材？備え九中性子吸収
   棒【挿入して最初の原子炉運転を行ない、いつ九ん運転
   【停止した後の２回目以降の運転は前記中性子吸収棒を
   中空管より引抜操作して行なうことｔ特徴とする沸騰水
   形原子炉の運転方法。
3. （３）運転【停止する度に前記中性子吸収棒【段階的に
   引抜いて２回目以降の運転【行なうようにした特許請求
   の範囲第（２）項記載の沸騰水形原子炉の運転方法。