JPS59797B2 - 原子炉出力の上昇方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉に装荷されている燃料要素を装荷状態
のま５で、燃料ペレットと被覆材との相互作用による被
覆損傷をひきおこす限界変形量を与えることなく、さら
に、できるだけ早く所定の出力レベルに到達させる原子
炉出力の上昇方法に関する。

燃料要素の破損の一つ（こ、燃料ペレットと被覆管が相
互作用をおこすことによって生ずるものがある。

被覆管が破損するのは、出力増加時に過度の変形量が加
わることによる。

過度の変形量とは、被覆管を大きく塑性変形させること
であって、出力上昇のたびに被覆管に大きな塑性変形を
与えることにより蓄積される塑性変形量が増加し遂には
破損に至る。

このような破損を防ぐために、高出力領域（すなわち燃
料ペレットと被覆材が相互作用をおこす出力領域）内に
おいて、燃料の局所出力。

をある臨界出力上昇速度以下で系統的に高める方法が特
開昭５０−１４３９９９号公報（以下公報と略記する。

）に記載されている。しかし上記公報に示される方法は
、設定される臨界出力上昇速度が遅いため、所定の出力
レベルに達するまでに長い日数を要し、原子炉の稼動率
が低くなる。

被覆管にあたえる変形量からみれば、出力上昇速度を小
さくすればするほど変形量を小さくできる。

たゾしこの場合には、出力上昇に要する時間が長くなる
ため稼動率を低くすること０こなる。

出力上昇に際して考慮すべき事は、被覆管の変形量をな
るべく小さくするとともに、出力上昇速度を出来るだけ
早くすることである。

従来の方法例えば上記公報は、被覆管の変形量を小さく
することについては極めて良く考慮されているが、臨界
出力上昇速度Ｏこついては極めて低くおさえておりまた
、出力保持についての考慮が十分なされていない。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、燃料ペレ
ットと被覆材との相互作用（こよる被覆損傷をひきおこ
す限界変形量以上の変形量を与えることなく、さらに、
できるだけ早く所定の出力レベルに到達することを目的
とする原子炉出力の上昇方法である。

以下図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。

第１図は沸騰水形原子炉システム図を示す。原子炉１内
部の炉心２は冷却材１Ａで冠水されている。

制御棒３は制御棒選択制御装置５による制御棒駆動装置
４によって駆動され、炉心２に挿入したり、炉心２より
引抜いたりする。

原子炉１内部の冷却材１Ａは再循環ループ（強制循環装
置）のポンプ６／Ｉこよって循環させ、炉心２内部の流
量を変化させている。

原子炉１内部に発生する蒸気１Ｂはタービン７を駆動し
、直結の発電機８で発電している。

タービン７の復水は給水ポンプ９による原子炉１へ給水
に供されている。

原子炉１の出力は、炉心２より制御棒３を引抜いたり、
挿入したり、制御棒３の位置Ｑこよって制御される。

さらに、原子炉１の出力は再循環ループのポンプ６によ
って、炉心２内部の流量を変化させることＱこよって制
御される。

炉心２には、第２図に示す多数の燃料要素２０が装荷さ
れている。

これら燃料要素２０は円筒状の被覆管２１内部に多数の
燃料ペレット２２を収納している。

これらペレット２２の上部には発生ガスを貯留させるプ
レナム２３を設けている。

このプレナム２３を貫通してはね２３を設け、ペレット
２２を押えている。

被覆管２１の上端は上端プラグ２５で、下端は下端プラ
グ２６で密封されている。

第３図に燃料要素２０の断面図を示す。

原子炉冷態時のペレット２２の半径寸法はｒで、被覆管
２１とペレット２２との間隙寸法ｄをもたせである。

従って、制御棒３を駆動したり、再循環ポンプ６による
炉心流量を変えることによって、原子炉１出力を上昇さ
せていく場合、すなわち、燃料要素２０の出力密度を上
昇させると、第４図に示すように、ペレット２２の一方
が被覆管２１より熱膨張による径の増加が太きい。

ペレット２２と被覆管２１との相互作用をおこす出力密
度Ｐ。

をこえると、ペレット２２は被覆管２１を押し拡けるよ
うにして熱膨張を行う。

そのため、出力密度Ｐ。以上の出力密度に急激に上昇さ
せると、第５図に示すように、被覆管２１は拡管され損
傷５０をおこす。

従って、出力密度Ｐ。

以上ではペレット２２の熱上昇を緩慢にして、被覆管２
１をゆっくりと押し拡げていくことが必要である。

次Ｏこ、原所炉出力の上昇方法について説明する。

第６図と第７図に示すように、出力を大幅ステップ６０
状に上昇すると、ペレット２２の変形量は被覆管破損限
界を大幅に超えた変形量７１（こなり、当然被覆管２１
は破損する。

従って、被覆管２１の変形量を弾性変形または小さな塑
性変形以内の小幅なステップ６１状に出力を上昇し、一
定時間その出力を保持６２する。

この方法によって、第７図に第６図と時間を対応させて
示すように、ペレット２２は変形量７２となった後、一
定時間保持６２によって、クリープし時間とともに変形
量は小さくなる。

この操作を第６図Ｏこ示すように繰返すことによって、
被覆管２１の変形量を弾性変形または小さな塑性変形以
内におさえたま５、出力をステップ状に上昇していくこ
とができる。

一方、ペレット２２のクリープを出力上昇時にも行わせ
るために、第８図と第９図に示すように、変形量を弾性
変形または小さな栓性変形以内におさえながら出力上昇
８０を行わせると、ペレット２２は被覆管破損限界以下
の変形量９０となる。

その後、一定時間保持８１すると、ペレット２２がクリ
ープし変形量９０は時間とともに減少９１する。

他方、出力上昇をさらにゆるやかな出力上昇８２で行わ
せると、ペレット２２は被覆管破損限界以下の変形量９
２となる。

以上の関係は次のように表すことができる。

燃料ペレット２２と被覆管２１が相互作用を生じた後の
被覆管の直径の時間変化は、出力上昇時には（３）式で
、その後の出力保持には、（４）式であられされる。

ここで Ｓ ペレットと被覆管が相互作用をおこしてか
らの被覆管の直径増加量 ａ 出力上昇に伴なう被覆管のクリー プを考慮しない直径増加速度 ｂ 燃料ペレットのクリープ速度 Ｃ被覆管のクリープ速度 ｎ 応力指数 ｐ 出力 燃料被覆管２１に破損が生ずるのは、被覆材に大きな塑
性歪を与えることによるので、常に被覆管の変形量を弾
性変形範囲内か、もしくは極めて小さい塑性変形内に抑
えておけば破損は生じない。

この破損をおこさない変形量を限界変形量という。

限界変形量は以下に示す（５）式によって与えられる。

すなわち被覆管に破損が生ずるのは、被覆管Ｑこ大きな
塑性歪を与える事による。

よって常に被覆管の変形量を弾性範囲内か、極めて小さ
い塑性変形内に抑えておけば故障は生じない。

弾性歪εｅは０．２％耐力とヤング率′Ｅによッテεｅ
−Ｙ−８（０，２）／Ｅと与えられる。

一方、被覆管の破損に至る最小の変形量である限界変形
量ＤＬは、被覆管の円周方向型がε８になったときであ
るので、ペレットの直径をＤＰとすれば、ＤＬ／ＤＰ＝
６０で与えられる。

従って限界変形量ＤＬは こトで ＤＬ 限界変形量 Ｅ ヤング率 Ｙ−８（０，２）０．２％耐力 ＤＰ ペレット直径 となる。

出力保持の効果は次の２点である。

第１点は、出力をステップで上昇させるとき、それ０こ
引続く出力保持によって被覆管の変形量を減少させるこ
とである。

第１０図にその効果を示す。第１０図において、各時間
ステップとその時の変形量は下表のようになる。

出力保持をしない場合の変形量は、（Ｓｌ−１−８２＋
、、。

・・・＋５ｎ−１＋Ｓｎ）となるから、出力保持をする
ことにより被覆管の変形量は、 だけ小さくすることができる。

この（６）式を利用して、プロセス計算機により出力上
昇時の被覆管変形量を監視し、又被覆管に破損を生じな
い範囲内での出力上昇幅を求めることができる。

即ち、出力上昇幅と変形量との換算計数と燃料ペレット
のクリープ速度すを与え、一方被覆管とペレットが相互
作用を生じてからのちの各出力ステップの出力上昇幅と
、その後の保持時間を入力することにより次の出力ステ
ップ時点での被覆管の変形量を求めることができる。

従って、前記の限界変形量もしくはそれ以下の適当な値
を入力することにより出力上昇幅を求めることができる
。

本計算を原子炉内の三次元各ノードについて行なえば原
子炉内での如何なる点の被覆管についても、その変形量
を監視し適切な出力上昇幅を与えることができる。

本計算においては、すべてのステップ点のデータをメモ
リする必要はなく、今ｎ時点のステップ上昇を行なうと
すれば、 Ｓｎｂ ＋、−＋Ｓ１ｂ”ｂ（”−””斗”トｔｎ
ｂｔｎ がメモリされていればよい。

第２点は第８図、第９図で示すようｌと、ある速度での
出力上昇後、出力保持をすることにより、被覆管の弾性
変形を回復することである。

出力保持時間については、以上の説明で判るようにその
制限はなく、ステップ状の出力上昇の場合には、前回の
ステップ状の出力上昇後の被覆管変形量と今回要求され
る出力上昇幅を考慮して定めればよい。

実施例 １ 前記（５）式について ＤＰ＝０．４９インチ（１２，４５ｆｉｉ）Ｅ−１１，
５Ｘ１０ｐｓｔ ＹＳ （０，２） ＝ １．６ Ｘ １０４ｐｓ ｉト
スレバ、ＤＬ ＝ ０．６８２ｘ １０− ”イアｆ
（０，０１７３ｍのとなる。

ペレットと被覆管とが相互作用を生じたのちの被覆管の
出力に対する直径増加は、概略０．０１３８ｍｖｔ７玉
Ｗ／ｆｔであるからＤＬは１．２５ＫＷ／ｆｔのステッ
プでの出力上昇に相当する。

（３′）、（４）式においてｃ＝ｏｎ＝１として解くと
それぞれ（７） 、 （８）式となる。

但し Ｓ。

はｔｌにおける直径ｔｌは出力保持に入ったときの時間 すについては温度（出力）によって変るが、軽水炉の使
用温度での照射データから約０．１５である。

ａについて１０ＫＷ／７ｔの出力上昇を８０時間で直線
的Ｑこ達成するとして、被覆管の直径変化は０．０１１
５ｍｍである。

一方、６０時間で１０ＫＷ／ｆ ｔの出力上昇をし、そ
の後２時間の出力保持をする場合の被覆管の直径変化も
０．０１１５ ｍｒｎであり、保持前の直径の最大値も
０．０１５３ ｍｍで、前記の限界直径０．０１７３闘
より小さく、被覆管に損傷のおこることなく、しかも、
時間は８０時間で上昇させ、保持時間をとらない場合よ
りも同一の最終直径増加量を得るのに１８時間も短縮で
きる。

実施例 ２ 燃料に故障をおこさないステップでの出力上昇幅は、従
来直径０．４９インチ（１２，４５ｍｍ）のペレットに
ついて約０．１ ＫＷ／ｆ ｔとされているが、前述の
ように直径１２．４Ｆ１７Ｂのペレットで弾性変形内の
最大出力上昇幅は約１．２５ＫＷ／ｆ１であり、約０、
ＩＫＷ／ｆｔから約１．２５ＫＷ／ｆｔの間でのステッ
プによる出力上昇でも被覆管に破損は出しない。

実施例 ３ 被覆管に破損をおこさない臨界速度は、従来直径０．４
９インチ（１２，４５ｍｍ）のペレットにライて約０．
１２５ＫＷ／ｊｔとされているが、実施例１でのデータ
をもとにすると直径１２．４Ｅ１ｍで約０．１８ＫＷ／
ｆｔ／ｈｒ以下であれば被覆管に故障を生じない。

斯して、本発明の原子炉出力の上昇方法は、（イ）被覆
管の破損限界を一義的に与えることにより実際上の適用
が容易である。

（ロ）被覆管に破損を与えない範囲で、ステップでの出
力上昇幅または出力上昇速度を任意（こ選ぶことができ
、さらにそれと出力保持を組合せることにより、出力保
持を組合せない場合よりも短時間で被覆管を破損させる
ことなく、更に被覆管の変形量を出力保持しない場合よ
りも小さく抑えて所定の出力レベルに到達できる。

以上、沸騰水形原子炉の出力上昇方法について述べてい
るが、本発明はこれに限定されるものでないものである
。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水形原子炉システム図、第２図は代表的な
燃料要素の部分断面図、第３図は第２図に示す燃料要素
を■−■で切断する断面図、第４図は被覆管内径とペレ
ットとの出力密度に対する熱膨張による径の増加を示す
特性側図、第５図はペレットの燃膨張により被覆管がそ
の応力に耐えられず亀裂を生じて損傷する状態図、第６
図は従来の方法における大幅なステップ状に出力上昇を
行うときと、本発明ζこよる小幅なステップ状に出力上
昇を行うときの出力線図、第７図は第６図に対応して大
幅なステップ状の出力上昇を行うときの変形量と小幅な
ステップ状の出力上昇を行うときの変形量との関係を示
す特性線図、第８図は本発明ｌこよる被覆管破損ｌこ至
らない程度の出力上昇とその後一定の保持時間を組合わ
せた場合と、さらにゆるやかな出力上昇を行う場合の出
力特性線図、第９図は第８図に対応して被覆管破損に至
らない程度の出力上昇とその後一定の保持時間を組合わ
せた場合の変形量の方がさらにゆるやかな出力上昇を行
う場合の変形量より小さくなる場合の特性線図、第１０
図は本発明０こよるステップ状に出力上昇後、一定の出
力保持をすることによって、被覆管の変形量を小さくす
る場合の特性線図である。 ２０・・・・・・燃料要素、２１・・・・・・被覆管、
２２・・・・・・ペレット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ペレットを被覆管内に内蔵してなる燃料要素を具備
   してなる原子炉において、原子炉の出力をペレットと被
   覆管とが相互作用をやこす出力レベルから所定の出力レ
   ベルまで、前記ペレットと被覆管との相互作用による被
   覆管破損をひきおこす下記の（１）式により決められる
   限界変形量ＤＬ以下で、しかも下記の（２Ａ）式により
   決められる出力上昇速度ＰＬ以上（２Ｂ）式により決め
   られる出力上昇速度ＰＵ以下で出力を増加させる手順を
   有することを特徴とする原子炉出力の上昇方法。 ただし ＹＳ（０，２）： 被覆管の０．２％耐力Ｅ
   ： 被覆管のヤング率 ＤＰ： ペレットの直径 ただし Ｔ ： 被覆管の肉厚 ２ ペレットを被覆管内に内蔵してなる燃料要素を具備
   してなる原子炉において、原子炉の出力をペレットと被
   覆管とが相互作用をおこす出力レベルから所定の出力レ
   ベルまで階段状に上昇させ、前記ペレットと被覆管との
   相互作用Ｏこよる被覆管破損をひきおこす下記の（１）
   式により決められる限界変形量ＤＬ以下で、しかも上記
   階段状の出力上昇幅は０．５ ＫＷ／ ｆ を以上１．
   ２５ＫＷ／ｆｔ以下である手順を有することを特徴とす
   る原子炉出力の上昇方法。 ただし ＹＳ（０，２）： 被覆管の０．２％耐力Ｅ
   ： 被覆管のヤング率 ＤＰ ＝ ペレットの直径