JPS60131487A

JPS60131487A - 沸騰水形原子炉

Info

Publication number: JPS60131487A
Application number: JP58241366A
Authority: JP
Inventors: 厚治蛭川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1983-12-21
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1985-07-13

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〕本発明は燃料の経済性を向上した沸騰水形原子炉に関す
る。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に沸騰水形原子炉は第１図ないし第４図に示す如く
構成されている。すなわち、図中１は原子炉圧力容器で
あって、この原子炉圧力容器１内に゛は炉心２が収容さ
れて□いる。そして、この原子□炉圧力容器１内の冷゛
却材はジェットポンプ３・・・によって炉心２の下方に
送られ、下方よりこの炉心２内に流入する。この冷却材
□は炉心２内で加熱され、水と蒸気と□の二相流“とな
り、この炉心２の上□面から上方゛に流れる。そして、
この二相流は気水□分離器４によらて水と蒸気°□とに
分離され、分離された蒸気は蒸気乾燥器５によって湿分
を除去された′のち主蒸□気ノズル６・・・からタービ
ン（図示せず）に送られるように構成□されている。ま
た、７・・・はＶ！御棒駆動機構であって、これら制御
棒駆動機構７・・・によ□って制御−が炉心２内に挿入
、引抜きされ、こめ炉心の反応度を調整するように構成
されている。

□　そして、上１記の炉心２は電２図ないし第４図に示
す如く構成されている。すなわち、第２図の１□２□は
制御棒であ−））で、この制御棒１２の周囲には４体の
燃料集゛合体１１・・・が装荷され、単位格子１０を構
成している。そして、この単位格子１０はさらに複数個
が格子状に配列され、第２図に示す如き炉心２が構成さ
れる。なおこの第４図は炉心２を模式的に示すもので、
ひとつのます目が燃料集合体１１・・・を示し、また丸
は制御棒１２を示し、この丸内にＣを記入したものは調
整棒であることを示す。また、上記の燃料集合体１１・
・・は燃料支持金具１３・・・に支持されている。これ
ら燃料支持金具１３・・・は前記の制御棒駆動機構７・
・・の上端部に接続された制御棒案内管１７・・・の上
端部に嵌合して支持され、またこれら制御棒案内管１７
・・・は炉心２の下部に設けられた炉心支持板１６に嵌
合して水平方向の支持がなされている。この燃料支持金
具１７の中央部には断面十字形の制御棒通路１４が形成
され、制御棒１２は前記制御棒駆動機構７・・・によっ
てこの制御棒通路１４を通して上記の炉心２内に挿入さ
れるように構成されている。

また、この燃料支持金具１３には４個の冷却材通路１５
・・・が形成され、これら冷却材通路１５・・・はそれ
ぞれ燃料支持金具１３の外周面に開口しており、また上
記制御棒案内管１７の上端部にはこれら冷却材通路１５
・・・の開口にそれぞれ対応して流通孔１９・・・が形
成されている。そして、これら冷却材通路１５・・・の
開口部にはそれぞれオリフィス１８・・・が設けられて
いる。したがって、前記のジェットポンプ３・・・によ
って炉心２の下方に送られた冷却材はこれらオリフィス
１８・・・によって流量を調整され、各冷却材通路１５
・・・を通って各燃料集合体１１・・・に供給されるよ
うに構成されている。

ところで、このような沸騰水形原子炉では１年毎の燃料
交換の際に全燃料集合体１１・・・の１／３ないし１／
４の燃料集合体１１・・・が新燃料集合体と交換され、
各燃料集合体１１・・・は３ないし４年腓１なわち３な
いし４サイクルの間燃焼される。

これら燃料集合体１１・・・は燃焼の進行とともに反応
度が低下してゆくので、燃料交換の際にこれら燃料集合
体１１・・・の移動すなわちシャラフリングがおこなわ
れ、炉心２の出力分布を均一化し、また燃料を効率的に
燃焼させるような配慮がなされる。また、この原子炉の
運転時には上記の燃料集合体１１・・・ができるだけ、
効率的に燃焼されるような運転方法が採用される。そし
て、従来から燃料を効率的に燃焼させるため、いくつか
の燃料集合体の装荷方法、原子炉の運転方法が採用ある
いは提案されている。

すなわち、燃料集合体１１・・・を装荷する場合には最
も燃焼度が大きく反応度が低下した燃料集合体１１・・
・を炉心２の最外周すなわち第４図の燃料集合体１１・
・・を示すます日中に斜線を付した位置に装荷し、これ
ら燃料集１！！！７体１１・・・に中性子５を酸敗させ
て炉心２からの中性子の漏洩を減少させ、燃焼効率の向
上を図っている。なお、これら最外周、の燃料集合体１
１・・・はその発熱量が少な（ＩＸので、これら燃料集
合体１１・・・に対応したオリフィスの口径を小さくし
、供給される冷却材の流量が少なくなるように構成され
ている。

また、原子炉を運転する場合には一部の制御棒をいわゆ
る調整棒として１、炉心内に挿入し、この炉心の反応度
を調整する。この場合、これら調整棒の挿入量を出来る
だけ少なくし、また、炉心流量を少なくして炉心内のボ
イド率を大きくするような運転方法が提案されている。

このような方法によればボイド率が大きくなることによ
って中性子の減速作用が小さくなり、炉心の余剰反応度
を抑制できるとともに中性子の減速作用の減少によって
高速中性子の量が増加し、この高速中性子によって燃料
中のウラン２３８がプルトニウム２３９に変換され、こ
のプルトニウム２３９の蓄積量が増加する。そして、燃
焼後期にはこのプルトニウム２３９が核反応するので反
応度の低下が少なくなり、燃料をより効率的に利用する
ことができるものである。しかし、このようにすると調
整棒による反応度の調ＩＩ量が、、小さくなるので、こ
の分だけ炉心流量の調整幅を大きくしなければならない
。

このため、ジェットポンプその他の再循環ポンプの容量
を大きくしなければならず、設備のコストが高くなり、
また既存の原子炉ではこの再循環ポンプの改修をしなけ
ればならない等の不具合があった。

また、燃焼の初期、中期において各調整棒の挿入量を大
きくＵ１燃料集合体の下部の下部の燃焼を進める運転方
法もある。このようにすると燃焼の初期、中期において
燃料集合体の下部の燃焼が先に進むため、燃焼の後期で
は軸方向の出力分布が上方に偏る。このため、燃焼の後
期においてはボイド発生領域が上方に偏り、炉心全体の
ボイド率が小さくなり、中性子の減速作用が増大して燃
料の反応度低下を補償して燃料の燃焼期間が延長され、
燃料の燃焼効率が向上される。しかし、このようにする
と各調整棒の挿入量が大きくなるので、この調整棒とし
て選択される制御棒の本数が少なくなる。このため、均
一な燃焼をなすにはこの調整棒の制御棒パターンを頻繁
に変更する必要があり、制御棒操作が複雑となる不具合
があった。

また、頻繁に制御棒パターンを変更するため原子炉の稼
働率が低下する不具合もあった。

〔発明の目的〕

本発明は以上の事情にもとづいてなされたもので、その
目的は燃料の燃焼効率を向上させることができる沸騰水
形原子炉を提供することにある。

〔発明の概要〕

すなわち本発明は、炉心内に装荷された複数の燃料集合
体と、これら燃料集合体にそれぞれ対応して設けられた
流量調整用のオリフィスとを備えたものにおいて、最外
周を除く燃料集合体装荷領域を第１領域および第２領域
に区画し、この第１領域の上記オリフィスの孔径を上記
第２領域の上記オリフィスの孔径より小径に形成し、上
記第１領域には燃焼初期の燃料集合体を装荷し、また上
記第２領域には燃焼の進んだ燃料集合体を装荷したもの
である。したがって、燃焼初期の反応度の高い燃料集合
体はこの第１領域に装荷され、この第１領域のオリフィ
スはその口径が小さいので供給される冷却材の流量は少
なく、この第１領域に装荷された燃料集合体内のボイド
率は大きくなり、中性子の減速作用は小さくなる。この
ため、この第１領域に装荷された燃料集合体は余剰の反
応度が抑制されるとともに、高速中性子の量が多いので
この第１領域に装荷された燃料集合体内ではプルトニウ
ム２３９が多く蓄積される。そして、燃焼が進行すると
この第１領域に装荷されていた燃料集合体は第２領域に
装荷される。この第２領域のオリフィスはその口径が大
きいので供給される冷却材の流量が大きく、ボイド率が
小さいので中性子の減速作用が大きい。したがって、こ
の燃料集合体の反応度の低下が補償され、効率的な燃焼
がなされるとともにこの燃料集合体は第１領域に装荷さ
れていた期間にプルトニウム２３９が多く蓄積されてい
るので、このプルトニウム２３９が核反応し、燃料の燃
焼効率をより向上することができる。また、このものは
オリフィスの口径を変えることによって冷却材の流量を
配分して燃焼効率の改善をなすものであるから、再楯環
ポンプの容量を大きくする必要はなく、また調整棒の挿
入量も制限されることはないので、制御棒パターンの変
更の頻度が増すこともなく原子炉の稼働率の低下を招く
こともないものである。

〔発明の実施例〕

以下、第５図ないし第１１図を参照して本発明の第１実
施例を説明する。すなわち、図中１０１は原子炉圧力容
器であって、この原子炉圧力容器１０１内には炉心１０
２が収容されている。そして、この原子炉圧力容器１０
１内の冷却材はジェットポンプ１０３・・・によって炉
心１０２の下方に送られ、下方よりこの炉心１０２内に
流入する。

この冷却材は炉心１０２内で加熱され、水と蒸気との二
相流となり、この炉心１０２の上面から上方に流れる。

そして、この二相流は気水分離器１０４によって水と蒸
気とに分離され、分離された蒸気は蒸気乾燥器１０５に
よって湿分を除去されたのち主蒸気ノズル１０６・・・
からタービン（図示せず）に送られるように構成されて
いる。また、１０７・・・は制御棒駆動機構であって、
これら制御棒駆動機構１０７・・・によって制御棒が炉
心１０２内に挿入、引抜きされ、この炉心の反応度を調
整するように構成されている。

そして、上記の炉心１０２は第６図ないし第８図に示す
如く構成されている。すなわち、第６図の１１２は制御
棒であって、この制御棒１１２の周囲には４体の燃料集
合体１１１・・・が装荷され、単位格子１１０を構成し
ている。そして、この、単位格子１１０はさらに複数個
が格子状に配列され、第７図に示す如き炉心１０２が構
成される。なお、この第８図は炉心１０２を模式的に示
すもので、ひとつのます目が燃料集合体１１１・・・を
示し、また丸は制御棒１１２を示し、この欠肉に記号Ｃ
が記入されているもかは調整棒であることを示す。

また、上記の燃料集合体１１１・・・は燃料支持金具１
１３・・・に支持されている。これら燃料支持金具１１
３・・・は前記の制御棒駆動機構１０７・・・の上端部
に接続された制御棒案内管１１７・・・の上端部に嵌合
して支持され、またこれら制−棒案内管１１７・・・は
炉心１０２の下部に設けられた炉心支持板１１６に嵌合
して水平方向の支持がなされている。

この燃料支持金具１１７の中央部には断−十字形の制御
棒通路１１４が形成され、制御棒１１２は前記制御棒駆
動機構１０７・・・によってこの制御棒通路１１４を通
して上記の炉心１０２内に挿入されるように構成されて
いる。また、この燃料支持金具１１３には４個の冷却材
通路１１５・・・が形成され、これら冷却材通路１１５
・・・はそれぞれ燃料支持金具１１３の外周面に開口し
ており、また上記制御棒案内管１１７の上端部にはこれ
ら冷却材通路１１５・・・の開口にそれぞれ対応して流
通孔１１９・・・が形成されている。そして、−これら
冷却材通路１１５・・・の開口部にはそれぞれオリフィ
ス１１８・・・が設けられている。したがって、前記の
ジェットポンプ１０３・・・によって炉心１０２の下方
に送られた冷却材はこれらオリフィス１１８・・・によ
って流層を調整され、各冷却材通路１１５・・・を通っ
て各燃料集合体１１１・・・に供給されるように構成さ
れている。

また、この炉心１０２の燃料集合体装荷領域は最外周の
周辺領域、第１領域、第２領域に区画されている。第８
図にはこれら領域の配置を示す。

上記周辺領域は炉心１０２の最外周に位置し一１第８図
では燃料集合体１１１・・・を示すます図中に斜線を付
して示す。また、上記周辺領域を除く領域は上述の如く
第１領域と第２領域に区画され、第８図中第２領域は燃
料集合体１１１・・・を示すます図中にハツチングを付
して示し、また斜線あるいはハツチングが付されていな
す、部材は第１領域であることを示す。上記第２！域は
上記周辺領域、の内側および炉心１０２の中心部に配置
されている。

なお、これら各領域は炉、心１０２の中心に対し、てす
べで回転対称に形成されている。そして、上記周辺領域
に配置されている前記のオリフィス１１８・・・はその
口径が最も小さく形成されている。、また、上記第２領
域に配置されているオリフィス１１８・・・の口径は最
も大きく、また第１領域に配置されているオリフィス１
１８・・・の口径は第２領域のオリフィス１１８・・・
の口径より小さく形成されている。したがって、これら
オリフィス１１８、・・・を介して各燃料集合体１１１
・・・に供給杢れる。冷却材の流量は第２領域、第１領
壌１．周辺領譚の順）に小さくなる。なお、これらオリ
フィ、ス１１８・・・によ、る冷却材、の流量配分は全
燃料集合体１１１−・・・についての燃料集合体１体当
りの、５平均値を１．０とすれば、１１０万ＫＷ級の原
子炉（総燃料集合体数７６４体）で燃料交換、毎に全燃
−料、、集合体の１／３ずつを新燃料集合体に交換する
場合には第１領域　約０．９８第２１域　約１．２８周辺領域−□約０．６Ｃに設定されて（ζる。

また、′燃料器ｍ　Ｍ士全燃料集合体数の１／４ずづを
新燃料集合体に交換する場合には第１領域　約０゛、”９３第２領域　約１．２２周辺領域　約０．６０　′ に設定されているりそして、燃祠−合体盲１１・・・を装荷する場合には、
周辺領域には龜も燃焼の進んだ最も反応□度の低い燃料
集合体１１１・・・を装荷する。また、第１領域には燃
焼′”初期の反□応度の高い燃料集１体１゛１１・・□
・たとえば第１サイクルおよび第２サイクルの燃料集合
体１１１′・・・を装荷する。また、第２領域には燃焼
が進んで反応度が低下した燃料集合体１１１・・・たｉ
えば第３サイ′クル以降の燃料集合体１１１・・・を装
荷す８゜次に上記第１実施例の作用を説明する。炉心１Ｏ２の周
辺領域には従来と同様に最も反応度の低い燃料集合体１
１１・・・が装荷されるのでこの燃料集合体１１１・・
・は炉心１０２の中心部からの中性子を吸収し、炉心１
０２外への中性子の漏洩量を減少させて燃焼の効率化を
図る。また、第１領域には燃焼初期の反応度の高い燃料
集合体１１１・・・が装荷されるが、この第１領域では
供給される冷却材の流量が少ないのでこの第１領域の燃
料集合体１１１・・・内のボイド率は大きくなる。した
がって、この第１領域では中性子の減速作用が小さく、
これら反応度の高い燃料集合体１１１・・・の余剰反応
度が抑制され、また高速中性子の量が多くなってプルト
ニウム２３９の蓄積量が増大する。また、燃料集合体の
軸方向の出力分布は第１０図の曲線ａに示す如くボイド
率が大きくなると下方に偏る特性があり、このためこの
第１領域では燃料集合体１１１・・・の下部の燃焼が速
く進行する。なお、この第１０図中の曲線すは従来の場
合の出力分布曲線である。

そして、燃焼が進行してこの第１領域に装荷された燃料
集合体１１１・・・の反応度が低下すると（例えば第３
サイクル以降）、この燃料集合体１１１・・・は第２領
域に装荷される。この第２領域ではオリフィス１１８・
・・の口径が大きく、供給される冷却材の流量が多く、
よってボイド率が小さくなり、中性子の減速作用が大き
くなる。したがって、この燃料集合体１１１・・・の反
応度の低下が補償され、効率的な燃焼がなされる。また
、これら燃料集合体１１１・・・は第１領域に装荷され
ていた期間にプルトニウム２３９が多く蓄積されており
、このプルトニウム２３９が核反応するためより一層燃
焼効率が向上する。さらに、これら燃料集合体１１１・
・・は第１領域に装荷されている間に下部の燃焼が先に
進行しているため上部の燃焼はあまり進行しておらず、
この上部の反応度が高くなっている。このため、この第
２領域では軸方向の出力分布が第１１図の曲線ａに示す
如く上方に偏る。

このため、ボイド発生領域が上方に移行し、燃料集合体
１１１・・・内のボイド率がより小さくなり、燃焼がよ
り一層促進される。なお、第１１図の曲線すは従来の場
合の出力分布特性を示す。

なり、上記の作用を第９図に示す。すなわち、燃料集合
体１１１・・・が第１領域に装興されている期間は反応
度が低く押えられており、この期間では燃焼の進行が抑
制される。そして、この燃料集合体１１１・・・が第２
領域に装荷寄れると反応度が高められ、燃焼が促進され
る。したがって、この燃料集合体１１１・・・の反応度
が取出し値Ｐまで低下する期間が延長され、この、燃料
集合体１１１・・・のサイクル期間が長くなり、燃焼効
率が向上する。

なお、第９図の曲線すは従来の場合の特性實示す。

また・燃料中′−＋１焼初期９余剰図応度ｉ抑制するた
めガドリニア等の可燃性竺物が混入仝れており、この可
燃性毒物は第１サイクルでほぼ燃焼され、この時点で反
応度が最大と〒す、これ以降は燃焼度が低下してゆく。

しり旭し、この可燃性毒物は第２サイクル以降も多少残
存するため、この残存した可燃性毒物によって第２サイ
クル以降の反応度の低下が大きくなる。しかし、この第
１実施例のものは第９図から明らかなよう燃焼初期にお
いて反吟度が低く押えられるので、反応度の最大値が低
下する。よって、この最大値の低下分だけ可郷性毒物の
混入量を少なくすることができ、残存する可燃性毒物の
量も減少するためより燃焼効率を向上させることができ
る。

また、上記の燃料集合体１１１・・・内でボイドが発生
することによってこの出力が一定に維持されるものであ
るが、外乱によってこのボイド率の変化と出力の変化が
交互に繰返され、いわゆるチャンネル不安定性が生じる
ことがある。こチャンネル不安定性は反応度の高い燃料
集合体で大きく現われる。このチャンネル不安定性を改
善するには、冷却材がオリフィスを通過する際の圧力損
失を大きくし、ボイじ、の発生による圧力損失いわゆる
二相圧損と上記オリフィスを通過する際の圧力損失いわ
ゆる単相圧損との比を大きくすることによって改善され
る。そ、して、この第１実施例のものは反応度の高い燃
料集合体１１１・・・が装荷される第１領域においてオ
リフィス１１８・・・の口径が小さく形成されているの
で、反応度の高い燃料集合体１１１・・・での二相圧損
と単相圧損との比が大きくなり、チャンネル不安定性が
改善される。

なお、本発明は上記の第１実施例には限定されない。た
とえば第１２図には本発明の第２実施例を示す。この第
２実施例は中央部の第２領域の中心部に第１領域を形成
し、この第２領域を環状としたものである。この第２実
施例のものは反応度の低い燃料集合体１１１・・・が装
荷される第２領域が、ボイド率が高くしたがって中性子
が拡散しやすい第１領域に挟まれているので、この第１
領域から多くの中性子がこの第２領域の燃料集合体１１
１・・・に照射され、炉心１０２の出力分布が平均化す
る。また、一般に調整棒は炉心１０２の中心から少し離
れた位置にある互いに回転対称の位置から選択されるの
で、これら調整棒は環状に配置される。そして、この第
２実施例のものは第２領域が環状であるから調整棒はこ
の第２領域から選択されることになる。この調整棒は原
子炉の運転中に炉心１０２内に挿入され、かつ挿入量が
変更されるのでこれら調整棒の周囲の燃料集合体１１１
・・・の熱的条件は厳しい。しかし、この第２実施例の
ものは反応度の低い燃料集合体１１１・・・が装荷され
ている第２領域から調整棒が選択されるので、これら調
整棒の周囲の燃料集合体１１１・・・の熱的条件は緩和
されるものである。

〔発明の効果〕

上述の如く本発明は、炉心内に装荷された複数の燃料集
合体と、これら燃料集合体にそれぞれ対応して設けられ
た流量調整用のオリフィスとを備えたものにおいて、最
外周を除く燃料集合体装荷領域を第１領域および第２領
域に区画し、この第１領域の上記オリフィスの孔径を上
記第２領域の上記オリフィスの孔径より小径に形成し、
上記第１領域には燃焼初期の燃料集合体を装荷し、また
上記第２領域には燃焼の進んだ燃料集合体を装荷したも
のである。したがって、燃焼初期の反応度の高い燃料集
合体はこの第１領域に装荷され、この第１領域のオリフ
ィスはその口径が小さいので供給される冷却材の流量は
少なく、この第１領域に装荷された燃料集合体内のボイ
ド率は大きくなり、中性子の減速作用は小さくなる。こ
のため、この第１領域に装荷された燃料集合体は余剰の
反応度が抑制されるとともに、高速中性子の量が多いの
でこの第１領域に装荷された燃料集合体内ではプルトニ
ウム２３９が多く蓄積される。そして、燃焼が進行する
とこの第１憤域に装荷されていた燃料集合体は第２領域
に装荷される。この第２領域のオリフィスはその口径が
大きいので供給される冷却材の流量が大きく、ボイド率
が小さいので中性子の減速作用が大きい。したがって、
この燃料集合体の反応度の低下が補償され、効率的な燃
焼がなされるとともにこの燃料集合体は第１領域に装荷
されていた期間にプルトニウム２３９が多く蓄積されて
いるので、このプルトニウム２３９が核反応し、燃料の
燃焼効率をより向上することができる。また、このもの
はオリフィスの口径を変えることによって冷却材の流量
を配分して燃焼効率の改善をなすものであるから、再循
環ポンプの容量を大きくする必要はなく、また調整棒の
挿ンの変更の頻度がｉすこともなく原子炉の稼働率の低
下を招くこともない等その効果は大である。

“竺でニ茸二±＝１□。−３□５１，１゜１゜縦断面図
、第２図は単位格子の平面図、第３図は燃料支持金具の
縦断−図、第４図は炉心の模式的な平面図である。第５
図ないし第１１図は本発明の第１実施例を示し、第５図
は縦断面図、−６図は単位格子の平面図、第７図は燃料
支持金具の縦は燃焼特性を示す縮図、第１０図および第
１１図は軸方向の出力分布を示す線図である。第１２図
は本発明の第２実施例を示す炉心の模式的な平面図であ
る。

１・・・燃料集合体、１１２・・・制御棒、１１３・・
・燃料支持金具、１１５・・・冷却材通路、１１８・・
・オリフィス。

出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第１　図第２図１第５図第６図１１

Claims

【特許請求の範囲】

炉心内に装荷された複数の燃料集合体と、これら燃料集
合体にそれぞれ対応して設けられた流量調整用のオリフ
ィスとを備えたものにおいて、最外周を除く燃料集合体
装荷領域を第１領域および第２領域に区画し、この第１
領域の上記オリフィスの孔径を上記第２領域の上記オリ
フィスの孔径より小径に形成し、上記第１領域には燃焼
初期の燃料集合体を装荷し、また上記第２領域には燃焼
め進んだ燃料集合体を装荷したとｔを特徴とする沸騰水
形原子炉。