JPS6258193A - 原子炉用運転制御棒 - 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、沸騰水型原子炉（以下、ＢｌｒＶＲと略す）
等に使用される原子炉用運転制御棒に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

ＢＷＲにおいては、定められた期間運転を行なうため、
予め多量の核分裂性物質である燃料を炉心に装荷する。

したがって、運転初期には炉の余剰反応度を抑えるため
に、中性子を吸収する５式のパーナブルポイズンまたは
１ｉｌＪ　ｆｉｔ棒を使用することになる。換言ずれば
、核分裂反応によって生じる余剰の中性子をバーナプル
ポイズンまたは制御棒に無駄に吸収させているわけであ
り、これはウランの有効利用上好ましくない。

ウランの有効利用上からは、余剰の中性子は燃料棒中の
核燃料親物質（例えばＵ−２３８等）にできるだけ吸収
させ、核分裂物質（Ｐｕ−２３９）の生成量を増加する
ようにするのがよい。

上記の核分裂性物質の生成を増加させる方法として、い
わゆる中性子スペクトラムシフト法がある。この方法に
おいては、燃焼サイクルのサイクル初期、中期では、炉
心内の減速材ｍを減少させることによって炉の余剰反応
度を抑えると共１、中性子スペクトル硬化により、核燃
料親物質への中性子吸収分を増加させて核分裂性物質の
生成♂を増加させる。しかして、燃焼サイクル末期の臨
界が維持できなくなる時点で減速材伍をゆるやかにもと
に戻し、サイクル初期、中期で生成した核分裂性物質の
燃焼を促進させ、取替燃料の量を少なくすることができ
る。

減速材の伍を調整する具体的な手段としては、炉心再循
環流量または給水温度の制御により、炉内のボイド率す
なわら減速材の量を調整するようにしているが、熱水力
学的安定性から見てその調整中には限界があり、燃料経
済性の上で得られる利ｑには制限がある。

また、中性子吸収断面積の小さい水排除用制御棒を炉心
に挿入、引き抜きすることによりスペクトラムシフトを
行なうことも提案されている。しかし、通常の制御棒と
は別に水排除用制御棒を放置することは水排除用制御棒
を駆動させるための制御棒駆動装置を必要とし、炉内構
造物が複雑化するばかりでなく、故障の確率も高くなる
。

（発明の目的〕 本発明は上記の事情に基いてなされたもので、炉心内の
構造を複雑化することなく、故障の確率が低く、しかも
燃料経斉性上の利得が大きく、スペクトラムシフト運転
を行なうことができる原子炉用運転制御棒を提供するこ
とを目的としている。

〔発明の概要〕

本発明の原子炉用運転制御棒は、炉心を上下方向に貫通
して上下方向に駆動する運転制御棒において、この制御
棒の駆動方向の上部から下部に順次強膜収部、減速部お
よび弱減速部に区画され、各区画部の前記制御棒の駆動
方向の長さがそれぞれ炉心有効高さ以上であることを特
徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基いて説明する。

第１図は本発明に係る沸騰水型原子炉等の原子炉用運転
制御棒の配置状態を示す概略的構成図である。炉心に挿
入される運転制御棒およびその駆動機構は多数配置され
ているが、ここでは１つだけ書いである。運転制御棒１
は原゛子炉圧力容器２内に装荷される炉心３を上下方向
に貫通しており、運転制御棒１の下部は支持部１ａを介
してｉＩＩＪｗＩ棒駆動磯構４に接続されている。運転
制御棒１は第２図に示すように駆動方向の上部から下部
に順次強膜収部１Ａ、減速部１Ｂおよび弱減速部１Ｃに
区画されている。第２図において、強膜収部１Ａ。

減速部１Ｂおよび弱減速部１Ｃのそれぞれの駆動方向の
長さは等しくなっており、各区画部のそれぞれの軸方向
の長さは炉心２の有効高さ以上でなっている。

また運転制御棒１は、第３図に示すように断面十字状の
構造からなり、４枚のブレードを形成するＵ字状シース
をタイロッド６で結合したもので、各ブレードのＵ字状
シース５内に多数本のポイズンチューブ８内が収納され
ている。これらのポイズンチューブ８内は、その軸方向
に３つの仕切られ、上部はボロンカーバイト（８４Ｃ）
ベレット等の中性子吸収物質が充填されて炉停止用の強
膜収部１Ａを構成している。ポイズンチューブ８の中間
部は非沸騰水である冷却材流路となり、この中間部には
下端部から上端部に減速材（水）が流入し、流れるよう
になっており、減速部１Ｂを構成している。ポイズンチ
ューブ８の下部は減速材（水）よりも減速能力が低く中
性子吸収の少ない物質、例えばジルコニウム（Ｚｒ）が
充填され、弱減速部１Ｃを構成している。なお、強膜収
部１Ａにはホウ素、カドミウム、ガドリニウム、ハフニ
ウムの少なくとも１種類の中性子吸収物質を充填するこ
とができる。

運転制御棒１は第４図および第５図に示すように、４体
１組の燃料集合体７，７間に挿入される。

具体的には、第５図に示すように燃料集合体７゜７の４
体１組のチャンネルボックス９．９により形成される十
字状間隙１１内に上下方向に昇降自在に配設される。各
チャンネルボックス９内にはペレット状の核燃料物質を
充填した多数の燃料棒１０が収容される。この運転制御
棒１の配置状態は沸騰水型原子炉の炉心部に配設される
従来の制御棒と同じ配置構造である。

しかして、制御棒駆動機構４を駆動し、運転制御棒１を
炉心２の上方向に最大限持ち上げると、炉心２の有効長
に亘って弱減速部１Ｃが位置される。弱減速部１Ｃはジ
ルコニウム（Ｚｒ）が充填され、運転制御棒１内に減速
材（水）がない状態であるので、水排せきギャップを構
成し、その分だけ減速材が減少することになる。

これにより、中性子スペクトラムシフトが生じ、炉の余
剰反応度は抑えられ、中性子の燃料親物質への吸収が増
大し、核分裂性物質の生成量が増大する。

この状態を第６図（Ａ）、（Ｂ）につぎ説明する。第６
図（Ａ）は従来のＢＷＲのサイクル増分、燃焼度と余剰
反応度との関係を示すグラフ、（Ｂ）は同一炉心で上記
の如くしてスペクトラムシフト運転を行なった際の同様
のグラフである。

一般に、動力炉にあってはある期間に亘って運転を可能
とするため、余剰反応度）（ｅｘが必要である。サイク
ル初期、中期にあっては、余剰の中性子をバーナプルポ
イズン、制御棒等に吸収させて臨界を維持する。第６図
（Ａ）はその状態を示す。直線Ｃ１は余剰反応度が燃焼
度の増加に連れ直゛線的に低下りることを示しており、
曲線Ｃ２はバーナプルポイズンにより余剰反応度が抑え
られた状態を示している。このバーナプルポイズンによ
り抑えられた状ｆｌに制御棒の効果が加わり、臨界が維
持される。サイクル末期では、バーナプルポイズンは消
滅し、制御棒は全引抜きとなる。

第６図（Ｂ）の曲線Ｃ３はＢＷＲの余剰反応度）（ｅｘ
を示す。この余剰反応度はバーナプルポイズンに抑えら
れ、曲線Ｃ４の如くなる。すなわち、運転制御棒１の弱
減速部１Ｃにより曲線Ｃ４の余　　　゛剰反応度を抑え
て臨界を維持している。したがって、第６図（Ｂ）中に
破線で示した曲線Ｃ１と比較すればわかるように、従来
のそれよりもサイクル長が長くなっている。これは、同
一サイクル長運転するとした場合、燃料の取替回数が少
なくなることを意味する。

バーナプルポイズン、制御棒が中性子吸収材であるのに
対し、弱減速部１Ｃは減速材より中性子吸収断面積が小
さいので、水ギヤツプ内の減速能力を減少させる作用を
する。本発明ではサイクル初期から中期にかけて、弱減
速部１Ｃによる水ギャップの減速材排除により、中性子
スペクトラムシフト運転がなされるため、バーナプルポ
イズンによる熱中性子の吸収面が減少する。一方では核
分裂親物質による中性子吸収分が増加し、核分裂物質の
生成量は増加する。その結果、第６図（Ａ）、（Ｂ）の
曲線Ｃ、Ｃ３が示すように、８ＷＲの余剰反応度は増加
し、その分燃料の取替回数は減少し、燃料ウランの有効
利用がなされる。

上記のようにしてサイクル初期、中期の運転を経過しサ
イクル末期に至ると、生成した核分裂性物質はかなりの
最蓄積される。

核燃料物質の蓄積は特に炉心３の上部で多い。

この場合、第７図に示すように多数本の運転制御棒１の
弱減速部１Ｃを全て炉心に挿入すると、減速部１Ｂを全
挿入した場合に対して減速材が一割程度減り、かつ炉心
上部での減速材の減少は、核分裂性物質の蓄積に大きく
寄与する。

そこで、サイクル中期から末期にかけて運転制御棒１を
１本または数本ずつ降下させ、炉心２の上部から運転制
御棒１の減速部１Ｂが挿入されるようにする。運転制御
棒１の減速部１Ｂが炉心３に挿入されると、第７図に実
線Ａで示すように弱減速部１Ｃを炉心３に挿入した破線
Ｂで示される場□合に比べて減速材対燃料実効体積比が
大きくなる。さらに、第８図に示すように炉心３の高さ
Ｓｌまで減速部１Ｂが炉心２に挿入されると、水分布は
Ｈｌとなり、図中矢印で示した分だけ減速材（水）が増
加し、蓄積された核分裂性物質が燃焼して反応度が上り
、炉心３の臨界が維持される。

この状態で炉心の臨界が維持できなくなったときに、運
転制御棒１の減速部１Ｂを降下させ、Ｓ２の位置まで減
速部１Ｂを挿入すると、炉心３の臨界が維持される。同
様に減速部１Ｂの８２の位置における炉心の臨界が維持
できなくなったときに運転制御棒１の減速部１Ｂを８３
の位置まで挿入する。減速部１Ｂが炉心３の全長に亘っ
て挿入された状態で炉心の臨界が維持できなくなったと
きがサイクル終了時であり、燃料の交換が必要となる。

上記した減速部１Ｂの炉心挿入位置Ｓ１゜ｓ２．ｓ３は
それぞれ任意的なもので特に制約されない。また、減速
部の挿入段階も３回に限るものではない。

第９図は、従来から使用されている燃料バンドルの無限
増倍率ＫｅＸとバンドル燃焼度との関係を示す、バンド
ル平均ウラン濃縮度は３Ｗ１０、平均ボイド率は４０％
である。曲線Ｃ６は従来のＢＷＲにおいて燃焼を進めた
場合を示し、曲線Ｃ７は本発明の運転制御棒１を用いた
ＢＷＲにおいて、サイクル初期から中期までを炉心内に
弱減速部１Ｃを挿入してスペクトラムシフト運転を行な
い、サイクル末期近くで炉心内に減速部１Ｂを挿入した
場合を示している。ただし、ここに示したのは燃料バン
ドルは３年内（または３サイクル）に亘って炉心に装荷
されている。この図において、ｒ、ｍ、ｍはそれぞれ１
年目、２年目、３年目に燃焼度が進む範囲を示し、この
例では炉心には新規、１年経過、２年経過の燃焼度の異
なる種の燃料が１／３づつ配装前されている。

この図から、サイクル初、中期にスペクトラムシフト運
転を行ない、サイクル末期で炉心内の運転制御棒１を弱
減速部１Ｃから減速部１Ｂとしたときの燃料バンドルの
無限増倍率１（ｅｘが、従来の方法で燃焼させたときの
それよりも大きくなっていることがわかる。

サイクル末期での無限増倍率１（ｅｘを３サイクル分の
燃料について相加平均し、従来のそれと比較すると、曲
線Ｃ７で示された本発明の場合の反応度利得は、約１％
△Ｋｅｘとなる。これにより、従来のＢＷＲで燃料取替
割合が３０％あるのに対し、本発明ＢＷＲでは２７％と
なる。

第１０図は、ｐｕ−２３９の蓄積量（相対値）とバンド
ル燃焼度との関係を示す。曲線Ｃ９は従来のＢＷＲ，Ｃ
８は本発明の運転制御棒を用いたＢＷＲでの場合をそれ
ぞれ示す。この図から本発明の運転制御棒を用いたＢＷ
Ｒは従来のそれよりも核分裂プルトニウムの生成量が多
いことがわかる。

運転制御棒１の上部の強膜収部１Ａは、主ニ炉停止時に
炉心３に挿入される領域であり、スクラム時に重力の作
用により強膜収部１Ａを全て炉内に速やかに挿入するこ
とができる。

第１１図は本発明に係る運転制御棒の他の実施例を示し
ている。第１１図において、六方格子系の燃料集合体１
５ではフィンガータイプの運転制御棒１６が配置されて
いる。この運転制御棒１６において、特に図示していな
いが、ポイズンチューブ内は上部から下部に順次強吸収
部、減速部および弱減速部の３領域に区画されている。

第１図に示す実施例では運転制御棒の駆動機構部は炉心
下部に設置されているが、駆動機構部は炉心上部でもよ
い。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明の運転制御棒は、炉心の上下方向
に駆動され、その駆動方向の上部から下部に順次強吸収
部、減速部および弱減速部の３つの領域に区画され、各
区画部の運転制御棒の駆動方向長さがそれぞれ炉心有効
高さ以上であるので中性子スペクトラムシフト運転にお
いて、炉心内に運転制御棒の各区画部を適宜位置させる
ことができ、このため運転制御棒の本数を増加させるこ
となく、中性子スペクトラムシフト運転を行ない、燃料
経済性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の運転制御棒の配置状態を示す縦断面模
式図、第２図は第１図の運転制御棒の各区画部を示す模
式図、第３図は本発明の運転制御棒の一例を示す拡大詳
細斜視図、第４図は炉心横断面の１／４部分で示す模式
図、第５図は運転制御棒の配置状態を示す横断面図、第
６図（Ａ）。 （Ｂ）はそれぞれ従来例、本発明一実施例のサイクル増
分燃焼度と炉余剰反応戊との関係を示すグラフ、第７図
は減速部挿入時と弱減速部炉心挿入時の軸方向の炉心減
速材対燃料実効体積比、第８−図は減速部と弱減速部の
境界を炉心は中途挿入したときの減速材対燃料実効体積
比の軸方向分布、第９図は燃料バンドル平均燃焼度と無
限増倍率との関係を従来のＢＷＲと本発明の運転ルリ御
棒を用いたＢＷＲと比較して示すグラフ、第１０図はバ
ンドル燃焼度とｐｕ−２３９生成おとの関係を従来のＢ
ＷＲと本発明の運転制御棒を用いたＢＷＲとを比較して
示すグラフ、第１１図は本発明の運転制御棒の他の例を
示す横断面図である。 １・・・運転制御棒、１ａ・・・支持部、１Ａ・・・強
膜収部、１Ｂ・・・ｙ連部、１Ｃ・・・弱減連部、３・
・・炉心、４・・・制御棒駆動機構、５・・・Ｕ字状シ
ース、６・・・タイロッド、７．１５・・・燃料集合体
、８・・・ポイズンチューブ、９・・・チャンネルボッ
クス、１０・・・燃料棒、１６・・・運転制御棒。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久羊　ｆ　回　　
　　　羊２　図 嘉３　口 弔４　図 藁　５　図 ′す′イクル槽分雇Ｖ ＣＡ） ジｒイクル増イトブス！＜ｔＪ （ノヲ） 第　６　図 第　９　図 バソドル肩χし炙（６Ｗｄ／ｌ） 蔓ｆＯ督 裁迂宥Ｕ寸ぷりけ尖効匂く噴出 早　６　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炉心を上下方向に貫通して上下方向に駆動される原
   子炉用運転制御棒において、この制御棒の駆動方向の上
   部から下部に順次強吸収部、減速部および弱減速部に区
   画され、各区画部の前記制御棒の駆動方向の長さがそれ
   ぞれ炉心有効高さ以上であることを特徴とする原子炉用
   運転制御棒。 ２、前記強吸収部は、ホウ素、カドミウム、ガドリウム
   、ハフニウムのうち、少なくとも１種類の中性子吸収物
   質を含む特許請求の範囲第１項記載の原子炉用運転制御
   棒。