JPS6150093A - スペクトルシフト型軽水原子炉 - 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】 本発明は軽水原子炉に関し、より詳しくは中性子の異な
るエネルギースペクトルで運転するような原子炉を運転
する方法に関する。

軽水原子炉は代表的に、並んで位置決めされた垂直の燃
料組立体で構成されている炉心を収容する圧力収納容器
を有し、各燃料組立体は規則正し網状構造のノードに分
布された燃料要素を有し、各燃料要素は核分裂性物質と
あるいは燃料親形物質とを含んでいる。燃料要素は網状
構造の一部のノードのところで、制御用クラスタの可動
な棒を摺動自在に受け入れられている案内管に取り換え
られる。燃料組立体は、原子炉の各燃焼サイクルの後、
少なくとも一部が他の燃料組立体で取り換られる。

各燃料組立体には、燃料要素が冷却し減速するための水
を流す間隙によって分離されている。減速率ＶＭ／ＶＵ
は炉心内の核分裂性物質の容積ＶＵと減速材モジュール
ＶＭとの比として定義される。

現在運転中の在来の軽水原子炉は中性子のエネルギース
ペクトルが熱的であるような減速率を存している。軽水
原子炉を改善し、燃料物質をより良好に使用するために
２つの方針が探られている。

両方の方針は減速率を少なくとも一時的に減少させるこ
とを意味する。

第１の解決法は燃料がサイクル中燃焼するときに中性子
のエネルギースペクトルを換えることである。天然ウラ
ンの消費■と最初の濃縮度とを所定の燃焼速度に対して
減少させることができる。

特に重要であると思われるスペクトルシフト型原子炉は
仏国特許出願第８２１８０１１号（Ｆ　Ｒ−Ａ−２，５
３５，５０９）に記載されている。°この原子炉は構造
上、在来のＰＷＲｓに匹敵するが、例えば天然酸化ウラ
ン或いは劣化した酸化ウランのような燃料親形物質ぞ含
む棒のクラスタからなる、中性子のスペクトルシフト用
の機械的゛な装置を有している。クラスタは、原子炉の
運転中炉心の中へ挿入したり或いは炉心から取り出した
りするよう移動できる。燃料親形棒を組立体の案内管の
中に導入するときに、棒は水を案内管から押し出し、炉
心の減速材の容積を減少させる。その結果炉心の運転サ
イクル中、中性子のエネルギースペクトルをシフトさせ
ることができる。第１のサイクルの部分中、燃料紐形捧
のクラスタが炉心の中に維持されている。これらのクラ
スタはエネルギースペクトルを高いエネルギーの方にシ
フトして核分裂物質（プルトニウム）への燃料親形物質
（ウラ７２３８）の変換速度を高める。サイクルの第２
の部分中、スペクトルシフトに貢献したクラスタを次第
に取除く。次いでサイクルの第１の部分中に形成された
核分裂性物質を一部燃焼させる。変換速度は在来の熱中
性子ＰＷＲに対して約１０％だけ増加する。

他の解決法は原子炉を常に低減速させることからなる。

このとき、天然ウランと、約１の増殖率をもつプルトニ
ウムとからなるＹ昆合燃料を用いることができる。しか
しながら、減速率Ｖ　Ｍ　／　Ｖ　Ｕを必要なだけ減少
させるには、燃料要素を燃料組立体内に正方形の配列で
なく三角形の配列で位置決めすることが必要である。

大部分の低減連形原子炉は、２つの型式の燃料組立体を
有している。あるものは核分裂性組立体と称され、主に
核分裂性物質を含んでおり、池のものは燃料紐形組立体
と称され、中性子の衝撃の作用の下で核分裂性物質に変
換することのできる物質を含んでいる。燃料紐形組立体
は一般的に炉心の周辺に配置され核分裂性の組立体によ
って生成された中性子を集める。

スペクトルシフト型の利点（特にウラン消費量の増大）
と低減速形の利点（おそらく１よりも大きなプルトニウ
ムの増殖率、劣下ウランの可能な用途、サイクル期間の
増加）とを組合わせるＷ＆がなされている。仏国特許出
願第８３１５５９１号は六角形の炉心をもつ原子炉を開
示しており、該原子炉では低減連形原子炉に用いられる
のに適した型式の組立体とスペクトルシフト型原子炉用
の燃料組立体とが在来の熱中性子ＰＷＲｓの燃料組立体
内で以前に生成されたプルトニウムを最適に利用するよ
う関係している。このプルトニウムは浪費された燃料組
立体の再処理中回収される。

しかしながらこの解決法は複数の原子力発電プラントを
もつ公益事業体が少なくとも１つの発電プラントを回収
されたプルトニウムの用途に当てなければならないこと
を要求している。

考慮すべき第１の問題は、低減連形原子炉に必要とされ
るこの型式の燃料組立体は原子炉の内部および制御装置
に関連して熱中性子で運転するのに用いられないから困
難を克服することができないことを示唆している。

本発明の目的は、スペクトルシフト型の原子炉の改良さ
れた運転方法を提供することである。より詳しい目的は
、夫々が特定の設計の異なる型式の？Ｕ　Ｇの原子炉の
運転を必要とすることからなる欠点を克服することであ
る。

さらに本発明の他の目的は、全てが同じ形状をもつ燃料
要素からなる炉心をもつＰＷＨの柔軟性のある運転工程
を提供することである。

この目的のために、原子炉の内部が、高増殖率でかつ低
減速形に運転するような第１の型式の燃料組立体を受け
入れることのできるよう或いは熱的範囲から中間の範囲
までのスペクトルシフトの可能な案内管をもつ第２の型
式の燃料組立体をも受け入れることのできるように設計
されている軽水原子炉の運転方法を提供する。

もし、低減連形運転用の組立体がまたスペクトルシフト
することができるように設計されていて燃料紐形棒用の
案内管があらゆる燃料組立体の同じ場所に位置決めされ
ているならば、原子炉の上方内部とクラスタの制御機構
とを何ら変更することなく原子炉を熱中性子原子炉から
プルトニウムを生成する低減連形原子炉までの非常に広
い減速Ｔ・ｎ回内で連続した運転サイクルによって運転
させることができる。

必要とされる異なる燃料組立体の一致性を達成するため
に、全ての燃料組立体は、代表的に三角形の同一の配列
に従って分布された燃料要素を存している。原子炉を第
１のサイクル中規則正しいスペクトルシフトで運転する
。燃料組立体は核分裂性物質としてＵ２３５の富化され
たウランを含んでいる。低減速形で作動する第２のサイ
クル中核分裂性物質は酸化物ＵＯ□−ＰＵＯ２のような
天然ウラン或いはプルトニウムを含む劣化ウランになろ
う。

単なる例示として、減速率の範囲を以下のようにするこ
とができる。

ＳＳＲＵＭＲ ＶＭ／ＶＵ　　持上げられた燃料税形クラスタ２１，４
挿入された燃料粗形クラスタ　ｉ、ｓ　　ｉ、ｉ略語Ｓ
ＳとＵＭは夫々スペクトルシフト形での運転と低減速形
での運転に対応している。現在のＰＷＲｓは一般的に約
１．９の減速率で運転する。

本発明を実施するために、代表的には、圧力容器に各燃
料組立体位置用の制御棒作動機構を備えることが必要と
なろう。該機構の約２７３はスペクトルシフト用である
（燃料粗形クラスタ）一方、機構の１７３は通常の制御
微調整のため安全のためにある（吸収クラスタ）。運転
機構は在来のものである。吸収クラスタは代表的にはラ
チェット型の電磁機構と関連している一方、燃料粗形ク
ラスタは流体機構と関連している。

本発明の他の観点によれば、隣接した垂直の燃料組立体
からなる炉心を圧力収納容器の中に有し、各燃料組立体
が三角形の配列のノードに分布された燃料要素と案内管
とからなる原子炉を提供する。

容器は制御クラスタを垂直方向に移動させるための機構
を備えている。容器の上方内部はクラスタを案内するた
めに用いられる。クラスタの一部は、サイクル中中性子
のスペクトルをシフトするための燃料紐形捧からなる。

他の制御クラスタは吸収物質を含んでいる。原子炉は各
燃料組立体の位置の上方に運転機構を有しており、各組
立体内の燃料要素の配列は、全てのノードが棒或いは燃
料要素によって占めらるときに炉心が低減速されるよう
になっている。組立体の少なくともいくつかは編状構造
の一部のノードのところに水で満たされた管を有してい
る。このような管の個数および分布はこれらの管が原子
炉の低減速形の運転を可能にするようなものである。

本発明は単なる例示としてなされた一つの実施例の以下
の説明から良く理解されよう。

第１ａ図および第１ｂ図を参照すると、炉心１は、原子
炉の圧力収納容器（図示せず）内に受け入れられた囲い
２内に燃料組立体を有している。

燃料組立体は六角形の断面をもつ角柱形状をしている。

これらは垂直方向に立っており、互いに隣接した位置に
ある。中性子の重反射体３が燃料組立体と炉心の囲い２
との間に位置決めされている。

この反射体は、一般的に六角形状の炉心と円形形状の囲
い２との間の移行部を作るような形状のステンレス鋼の
ブロックからなっている。反射体はまた燃料組立体の周
りのじゃま板をなし、炉心の囲い２に取付けられている
。

第１ａ図および第１ｂ図の炉心は、低減速形で運転する
ようになっている。燃料組立体自体の構造成いは燃料組
立体と協働するクラネタの構造に応じて、燃料組立体を
３つのグループに分類することができる。

燃料組立体４は核分裂性の燃料組立体である。

これらの燃料要素は、Ｕ２３５の富化された酸化ウラン
或いはＰＵの富化された酸化ウランを含んでいる。燃料
組立体は、これらの案内管が劣化した酸化ウランのクラ
スタを受け入れるように位置決めされている。棒が実際
に炉心の中にあるときに、棒は炉心内の減速体の容積を
減らし、原子炉を仏国特許出願第８４０２３２９号に記
載されているように運転させる。

組立体５はまた核分裂性の燃料組立体であり、これらの
案内管は、慣用的に原子炉の出力を調節することのでき
る吸収棒のクラスタを受け入れている。このような棒は
、中性子の大きな捕獲断面積をもつ物質を含んでいる。

組立体６は、天然ウランを含む要素によって形成された
燃料紐形組立体であり、核分裂性物質の生成を可能にす
る。

第１ｂ図を参照すると、核分裂性の組立体４は酸化ウラ
ンと酸化プルトニウムの混合物によって形成されたベレ
ットの支柱を収容する一連の核分裂性要素７からなり、
核分裂性要素７の核分裂性物質は主にウラン２３５とプ
ルトニウム２３９からなる。

核分裂性要素７は正三角形の格子に配置されている。六
角形の断面をもつ組立体４の各々は炉心の中央部におい
て６つの他の核分裂性燃料組立体４又は５によって囲ま
れている。周辺では核分裂性燃料組立体は３つの核分裂
性燃料組立体４又は５と３つの燃料紐形組立体６とに隣
接している。

組立体の燃料要素の組は炉心の断面において三角形格子
の規則正−゛月状構造を形成している。各燃料要素１は
、その各端部分に、軸線方向のブランケットを形成する
天然酸化ウランのベレットの支柱を有しており、ブラン
ケットは、重反射体３と同じ仕方で原子炉設備に向かう
中性子の漏れを制限している。

組立体４を形成する燃料要素７の網状構造では、格子の
４０個のノードが燃料要素７と同じ直径の案内管８によ
って占められる。

仏国特許出願第８４０２３２９号に記載されているよう
に、案内管８は要素７間のスペースを増やし、かくして
案内管８が水で満たされるときに減速率を高める。案内
管８の存在によって、燃料組立体の機械的な強度の要求
と熱流体的な振舞いの要求との両立を保証している。

減速率の増加を阻止し、かつ低減速形の作動を可能にす
るために、案内管８は燃料粗形要素のクラスタを受け入
れるように配置され、燃料粗形要素のクラスタはこれら
が挿入されるときにこのように装着された炉心の減速材
の容積を減少させ、かくして燃料粗形要素のクラスタと
核分裂性燃料要素とに含まれているウラン２３８のプル
トニウム２３９への高い転換率を可能にしている。

燃料組立体５の案内管８は原子炉を制御するための吸収
要素のクラスタを受け入れるように配置されている。

第２ａ図を参照すると、本発明に従って前述した炉心の
組立体４．５および６と同じ仕方で炉心の囲い２に固定
された重反射体３内に位置決めされている燃料組立体で
形成された原子炉の炉心９の構造が示されている。

組立体４．５および６と同じ寸法で六角形の断面をもつ
角柱形状の２つの型式の組立体だけがしゃま仮の内側に
配置されている。

組立体１０．１１の各々には、前述した実施例における
ように、燃料要素１２の格子（要素７の　。

格子と同じである）の同じ位置のところで組立体ｌｌ用
の燃料粗形要素のクラスタを或いは組立体１０用の吸収
要素のクラスタを受け入れるための案内管１３が備わっ
ている。

燃料粗形要素のクラスタを組立体１１の案内管１３の中
へ４人することによって、炉心内の減速材の容積を減少
させかくして仏国特許出願第８１１８０１１号（ＦＲ−
Ａ−２，５３５，５０９）に記載されているものと同じ
原子炉の運転を可能にしかくして中性子のスペクトルの
部分的な゛硬化”を生じさせる。

第２ｂ図を参照すると、このような部分的な硬化は、組
立体１１が熱中性子のスペクトルで用いられるようにな
っているから燃料粗形要素のクラスタが案内管１３から
取り除かれるときに必要とされる。

本発明によれば、減速率が熱中性子のスペクトルの在来
の運転モードに適合するために、組立体１０．１１は、
燃料要素の網状構造の格子において核分裂性要素１２を
欠いた位置工４を有しており、このような位置は均質に
分布している。

このように核分裂性要素を省くことによって燃料組立体
１０．１１は前述した構造の組立体４．５および６と同
じ寸法で形成されるが、燃料組立体１０．１１の減速率
は高められかくして核分裂反応を熱中性子のエネルギー
スペクトルで生じさせる。

しかしながら、核分裂性要素を、欠いた位置１４には水
を収容する燃料要素１２の燃料被覆と同一の燃料被覆即
ち管が設けられ、その結果組立体１１内の水の総量は組
立体４内の水量と等しく、２つの型式の組立体は、これ
らを流れる冷却水の１員失水頭に関する限り、結果的に
同一である。

同様に端部にクロージュアプラグを有していないが冷却
水を満たずことのできる開放管の形をしている、水で満
たされた燃料被覆を設けることができる。

第３図を参照すると、本発明を、在来のＰＷＲｓの構造
と同様の一般的な構造をもつ原子炉に適用することがで
きる。カバー１６をもつ圧力容器１５は炉心の囲い２を
収容している。重反射体３は、囲いの内側に位置決めさ
れ、隣接した燃料組立体からなる炉心を収容している。

吸収棒のクラスタを受け入れるための燃料組立体１７と
、燃料紐形棒のクラスタを受け入れるための燃料組立体
１日とだけが示されている。原子炉の上方内部は、各燃
料組立体位置の上方にクラスタガイド１８を有している
。運転機構２０がこのような各位置の上方に位置決めさ
れている。運転機構は、完全に在来の既存しているもの
であるからここでは説明しない。概して、油圧作動機構
が燃料粗形要素のクラスタに用いられ、電磁作動機構が
吸収棒のクラスタに用いられよう。

第４図を参照すると、燃料紐形棒のクラスタは吸収棒の
クラスタ（ハツチングで示す）の約２倍の個数である。

同じ原子炉を複数の運転モードのいずれかによって運転
させることのできることが認められよう。

例えば、低減連形原子炉の第１の装填物に必要とされる
プルトニウム量を減らすために、在来のスペクトルシフ
ト型炉心を用いて１つ或いはそれ以上の運転サイクルを
行なうことができる。在来のスペクトルシフト型炉心は
、スペクトルシフト用の燃料紐形りラスタ即ち一部のサ
イクル中中性子流れを部分的に硬化させるための燃料紐
形クラスタを備えている。かくして、例として本発明の
方法は作業者が原子炉の作業順序を選択することを可能
にして、炉心を形成する要素は、以下の工程を行なうこ
とによって寸法に関して同一であるか或いは適合してい
る。

燃料組立体１０．１１で形成された炉心９を装填する。

容器の蓋を閉じた後、燃料紐形クラスタと吸収棒のクラ
スタとを案内管１３の中へ完全に挿入する。次いで吸収
棒のクラスタを引き出ずことによって核分裂反応を開始
させる。

次いで８ケ月の期間中、原子炉を部分的に硬化されるス
ペクトルで作動する。クラスタ並びに核分裂性要素１２
内に含まれた燃料親形物質を核分裂性物質に変換する。

燃料紐形クラスタをこの期間の終了時に取り除いて２ケ
月の期間、生成された核分裂性物質の一部を用いて原子
炉を熱中性子のエネルギースペクトルで運転する。

このサイクルの終了時に原子炉を運転停止した後、組立
体１０．１１の一部を新しい組立体１０１１で取り換え
ることによって同じサイクルを再び行なっても良いし或
いは異なる運転モードを選んでも良い。

かくして、核分裂性物質の生成を増すために或いは核分
裂性物質の富化された燃料組立体を使用するために、或
いは最終的にウランによって形成された原料のサイクル
を節約するために、組立体１０．１１の全部を或いはこ
れらの一部を組立体４．５および６で置き換えて炉心を
装填し、容器を閉じて核分裂反応を開始した後、高い転
換率で運転させる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は、スペクトルシフトとプルトニウムの高い増
殖率とをもつ低減速形の運転のために設計された原子炉
の炉心の一部を示す概略水平断面図である。 第１ｂ図は第１ａ図の炉心の燃料組立体の水平断面図で
ある。 第２ａ図は、第１ａ図に示したものと同じ原子炉である
が、熱的範囲までのスペクトルシフトで運転するような
原子炉の炉心の一部の概略水平断面図である。 第２ｂ図は第２ａ図のに示した炉心の燃料組立体の水平
断面図である。 第３図は、第１ａ図又は第２ｂ図に示した炉心を受け入
れるための原子炉の一部の概略垂直断面図である。 第４図は、クラスタの可能な分布を示す、第３図の原子
炉のフレナムの高さのところでの概略平面図である。 １．９・・・炉心、２・・・囲い、３・・・重反射体、
４．５．６．１０．１１・・燃料組立体、手　続　１）
１１　　正　占（方式） 特許庁長官　宇　賀　道　部　殴 １、事件の表示　　　昭和６０年特許願第１１７６６５
号２、発明の名称　　　スペクトルシフト型軽水原子炉
３、補正をする者 事件との関係　　出願人 名称　　　フラマトーム　エ　コムパニ−４、代理人 ５、補正命令の日付　　昭和６０年８月２７日（円台に
政叉ｌまし）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）加圧軽水減速冷却原子炉を運転する方法において
   、規則正しい配列のノードに分布された複数の燃料要素
   をもつ第１の燃料組立体を設ける工程を有し、本発明要
   素で占められていない配列のノードは案内管で占められ
   、前記燃料要素の大きさおよびスペースは低減速を行な
   うように選択されており、さらに前記第１の燃料組立体
   と同じ大きさをもちかつ第１の燃料組立体の配列と同一
   の規則正しい配列のノードに分布された燃料要素からな
   る第２の燃料組立体を設ける工程を有し、前記第２の燃
   料要素の配列は案内管と燃料要素とを欠いたノードを有
   しており、さらに２つの連続したサイクル中、前記第１
   の燃料組立体と前記第２の燃料組立体との異なる組合せ
   からなる炉心で前記原子炉を作動する一方、各サイクル
   中前記案内管の燃料親形物質の棒の位置を変更する工程
   を有し、これによって核分裂性物質を生成するような高
   い転換率をもつか或いは核燃料の消費量を減少させるよ
   うなスペクトル変化をもつ原子炉を随意に用いることの
   できることを特徴とする加圧軽水原子炉の運転方法。
2. （２）原子炉の内部は、高い増殖率で低減速形の運転を
   するような第１の型式の燃料組立体をも、或いは熱的範
   囲から中間範囲までのスペクトルシフトを可能にする案
   内管をもつ第２の型式の燃料組立体をも受け入れること
   ができるように設計されており、一方の型式の組立体の
   少なくとも一部は炉心の運転サイクルの後、他の型式の
   組立体で取り換えられることを特徴とする加圧軽水原子
   炉の運転方法。
3. （３）高い増殖率での運転は、規則正しい配列の所定の
   ノードが案内管で占められ、他のノードの全てが燃料要
   素で占められている第１の燃料組立体で形成された炉心
   で達成され、炉心内の減速用の水の容積を減らすために
   燃料親形要素のクラスタを可変量だけ前記案内管の中に
   挿入する工程を有していることを特徴とする特許請求の
   範囲第（２）項に記載の方法。
4. （４）熱エネルギー範囲までのスペクトルシフトでの運
   転は、第１の燃料組立体と同じ方法でかつ同じ配列であ
   って配列の一部のノードが燃料要素と案内管とを欠いて
   いる第２の燃料組立体で形成された炉心を与えることに
   よって達成され、スペクトルシフトは、棒を収容してい
   る燃料親形物質のクラスタを前記第２の燃料組立体の案
   内管から次第に取り除くことによって達成されることを
   特徴とする特許請求の範囲第（３）項に記載の方法。
5. （５）前記第２の燃料組立体は、前記第１の燃料組立体
   の案内管と同じ位置に案内管を有し、燃料親形要素のク
   ラスタは、サイクルの最初の部分中、中性子のエネルギ
   ースペクトルの部分的な硬化の程度を調節することので
   きるよう前記案内管内で調節されることを特徴とする特
   許請求の範囲第（４）項に記載の方法。
6. （６）圧力収納容器の中で、各々が三角形配列のノード
   に分布された燃料要素および案内管の隣接した垂直の燃
   料組立体からなる炉心と、前記容器によって支持され制
   御用クラスタを前記案内管に沿って垂直方向に移動させ
   るための機構とからなり、前記クラスタの一部はサイク
   ル中中性子のスペクトルをシフトするための燃料親形棒
   からなり、他の前記クラスタは中性子吸収物質からなり
   、前記機構の一つは各燃料組立体位置の上方に設けられ
   、各組立体内の燃料要素の配列は、全てのノードが棒又
   は燃料要素で占められるときに炉心が低減速されるよう
   になっていることを特徴とする加圧水原子炉。
7. （７）前記追加のノードは、炉心の全体にわたる熱流体
   過程に関与するために、前記燃料要素と同じ断面形状を
   もち水を収容する中空の要素で占められることを特徴と
   する特許請求の範囲第（６）項に記載の原子炉。