JPS63175797A - 沸騰水型原子炉用制御棒とそれを用いた沸騰水型原子炉の運転方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉等において出力分布制御・反
応度制御に用いられる制御棒及び上記制御棒を用いた原
子炉の運転方法に関する。

〔従来の技術〕

原子炉の核特性は、原子炉中の減速材の量と２３５Ｕや
２３８Ｕのような燃料物質の量との比、すなわち減速材
対燃料比によって大きな影響を受ける。

第２図は、重要な核特性パラメータである中性子無限増
倍率と、減速材対燃料比の関係を示したものである。こ
こで減速材対燃料比は水素対燃料原子（２３５Ｕ　＋　
２５８０　）の比として定義される。

一般に、中性子無限増倍率は、減速材対燃料比が大きく
彦ると増加するが、減速材対燃料比がさらに増加すると
逆に減少するという特性をもっている。

減速材対燃料比は、水や燃料の密度、燃料棒直径や燃料
棒ピッチ等の格子パラメータの関数である。中性子無限
増倍率を最大にするには、第２図の値鳳に減速材対燃料
原子数比を設定すればよいが、実用の沸騰水型原子炉で
は、出力制御および安全性の点から、値ａよりも小さな
値、例えば第２図のｂ点に設定される。

沸騰水型原子炉の出力状態における減速材対燃料比を高
める技術としては、正方格子状に配列された燃料棒の一
部を、内部に飽和水が流れる水ロッドに置き換える方法
や、複数の燃料棒を１本の太径水ロッドで置き換える方
法（特開昭４８−８０９８８）、燃料棒被覆管と核燃料
物質ペレットの間に固体減速材物質を設置する方法（特
開昭６ｌ−１２９５９４）が示されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

これらの従来技術において、水ロッドを使用する方法は
、水素原子数の増加分が水の密度によって決定される念
め、十分な減速材対燃料比を得るには水ロッドで置換さ
れる燃料棒が多くなシ、燃料集合体の燃料装荷量が低下
するという問題がある。一方、固体減速材物質を、燃料
棒被覆管と核燃料物質ベレット間に設置する方法では、
第３図に示すように、燃料の燃焼度が遅れる炉心上部に
おいて、冷温状態で中性子無限増倍率が高くなり、大き
な出力ピークが生じて出力分布の歪みは犬きくなシ、炉
停止余裕が少くなる。この傾向は濃縮度が増加すると、
それに伴って中性子の平均エネルギーが上昇するため、
ゲイト係数（絶対値）が増大するので、さらに強くなる
。

本発明の目的は、燃料装荷量を減らさず反応度を高め、
冷温時の炉心上部の出力ピークを小さくし、炉停止余裕
を改善することである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、冷却材の流れの下流側から制御棒が挿入さ
れるタイプの沸騰水型原子炉において、中性子吸収材領
域よりも先端部に中性子減速能の大きい減速材領域を設
けた制御棒を用い、この制御棒の減速材領域を沸騰水型
原子炉の運転時に炉心上部に挿入し、冷温時（炉停止時
）には、上記制御棒の中性子吸収材領域を炉心内に全挿
入することにより達成される。

上野減速材物質としては、第一に単位体積当りの水素含
有量が大きいこと、第二に熱中性子吸収断面積が低いこ
とが要求される。このような条件を満足する好適な例と
しては金属水素化物がある。

特にジルコニウムハイドライド（ＺｒＨｚ　）は、中性
子吸収断面積も小さく、また１２当シの水素原子ａ　モ
ア、　２５　Ｘ　１０”／６Ｒ’　テｈ　Ｆ）、通常ｏ
沸騰水型原子炉の運転状態である７０気圧での飽和水中
の水素原子数５Ｘ１０／ｃＩｎｓよりも多い。さらに、
中性子減速能（６８ｍ　［１／ＣＭ］　）は、軽水１．
３６に対してＺ　ｒＨ２は１．４７である。

〔作用〕

本発明による制御棒は、中性子吸収材領域よりも先端に
設置した減速材物質領域を、沸騰水型炉心上部に挿入し
て運転することによシ、炉心上部の反応度を高める。沸
騰水型原子炉では一般に炉心下部の反応度が高いので、
上記のように炉心上部の反応度を高めることにより出力
分布の均一化を図ることができ、また炉心上部の燃焼度
が進むので冷温時の炉心上部の出力ピークを抑えること
ができる。

ジルコニウムハイドライドを、本発明になる制御棒の減
速材物質として用い、運転中に沸騰水型原子炉の炉心上
部に挿入すると、第６図に示すように、制御棒の減速材
領域挿入部の中性子無限増倍率が高くなる。この結果、
炉心上部での燃焼が進み、第３図に示すような冷温時の
制御棒全挿入時に発生する炉心上部での出力ピークを小
さくできる。また、運転時には、第７図に示すように、
炉心上部の出力が上昇し、相対的に炉心下部の出力ピー
クが減少する。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例を用いて説明する。第１図は、本
発明の一実施例になる十字型制御棒３の斜視図である。

この制御棒は、制御棒を上から挿入するタイプの沸騰水
型原子炉に用いるものである。ｌは中性子吸収材領域で
あり、内部にはぎロンカーパイ）　（Ｂ４Ｃ）が充填さ
れている。２は上記領域１よりも先端側に設けられた中
性子減速材領域であシ、内部には中性子減速材物質、例
えばゾルコニウムハイドライド（ＺｒＨｚ　）が充填さ
れている。中性子吸収材領域１は炉心有効長と同じ長さ
であシ、中性子減速材領域２は炉心有効長の凭よりも長
い。

第４図（Ａ）ｔ　（Ｂ）は上記の十字型制御棒を用いた
沸騰水型原子炉の圧力容器内構造の縦断面図および炉心
横断面図である。本炉心は出力３００ｙＷｔ規模の小型
軽水炉を想定している。小型軽水炉は、冷却材の駆動力
として自然循環を利用しておシ、液面において水と蒸気
は分離するので、通常の沸騰水型軽水炉のように炉心上
部に気水分離器・ドライヤーが設置されておらず、制御
棒は炉心上方から下方へ挿入される構造となっている。

炉心は、燃料サポート９と上部支持板１０との間に配置
された多数本の燃料集合体６で構成され、炉心シーラウ
ド８で覆われている。制御棒３は水圧による制御棒駆動
機構５によって駆動され、上部支持板１０と案内管上部
支持板１１間に支持された制御棒案内管４を通シ炉心内
に挿入される。

本実施例では第４図（Ｂ）で示すように、運転中は全て
の制御棒先端の中性子減速材領域２が、炉心内の上部捧
の範囲に挿入されている。また炉を停止するときには、
制御棒３の中性子吸収材領域１ｔ−炉心に全挿入する。

第５図（Ａ）ｔ（Ｂ）は本発明の他の実施例になるクラ
スター型制御棒の平面図および側面図である。１は中性
子吸収材領域であシ、内部にはゾロンカーバイド（Ｂ４
Ｃ）が充填されている。２は中性子減速材領域でアシ、
内部には中性子減速材、例えばジルコニウムハイドライ
ド（ＺｒＨ２）が充填されている。中性子吸収材領域１
は炉心有効長と同じ長さであシ、中性子減速材領域２は
炉心有効長のＡよりも長い。

このクラスター型制御棒は、燃料棒が稠密に配置される
高転換型沸騰水型軽水炉において使用され得る。以下、
高転換型沸騰水型軽水炉、特に、炉心が半径方向に、燃
料棒が稠密に配列された高転換領域（内側）と、該高転
換領域で使用された後に再組立して作シか見られた燃料
棒が挿入されているバーナー領域（外側）という複数の
領域からなｐ、炉心上方から制御棒を挿入するように構
成された一種の沸騰水型原子炉である。高転換バーナー
炉（特開昭６１−１２９５９４参照）に、本発明になる
第５図に示すり２スター型制御棒を用いた実施例につい
て説明する。

高転換バーナー炉は、例えば？４１０図に示すように、
燃料棒が稠密格子状に配列され、減速材である水素原子
数と燃料であるウラン原子数との比（）ｔ／Ｕ比）が３
，０以下であり、主に２３８Ｕからプルトニウムを作る
高転換領域燃料集合体Ａ′ｔ−配置した高転換領域と、
その外側にあって該燃料集合体Ａの燃料棒を再組立して
作られ、ル勺比が５．０に近いバーナー領域燃料集合体
Ｂを配置したバーナー領域とから構成される。燃料ペレ
ット内のウラン濃縮度６　ｖｌｏ　、冷却材の炉心平均
ゲイト率４０チにおけるルτ比が２．１７である上記高
転換領域集合体の１２本の制御棒案内管に、運転中、本
発明になる前記クラスター制御棒の、ジルコニウムハイ
ドライド（ＺｒＨ２）を封入した減速材領域２を上方か
ら挿入し念ときのボイド７０％における反ズ廖の憎匍宙
１１仝Ｈ−１７只≦Ｊｋ、〆し〒ネ、今一との結果に基
づき、運転状態において高転換領域集合体の炉心上部の
腫の範囲に本発明になる前記クラスター型制御棒の減速
材領域を挿入したときの、炉心高さ方向の中性子無限増
倍率の変化は第６図のようである。冷却材？イド率の大
きな炉心上端に近づく程、反応度の増加は大きい。第７
図は、このときの炉心高さ方向の出力分布の変化を示し
たものである。この図よシ、炉心上部の、上記制御棒挿
入領域で出力が上昇し、相対的に炉心下部の出力が低下
していることがわかる。出力ピークの低下率は７％であ
る。また本発明になる制御棒を用いない場合、上記高転
換バーナー炉の運転サイクルは１２ケ月、サイクル燃焼
度増分はｅ　ＣｌＶｔを想定しているが、運転サイクル
末期に上記制御棒を上記の如く挿入すると、余剰反応度
が０．２０チΔに／に増加し、第８図に示すように、運
転月数増加０．４６ケ月（燃焼度増加０．３４　ＧＷｄ
／ｌ　）　７５を見込まれる。

なお、炉を停止するときは上記制御棒の中性子吸収材領
域１を炉心に全挿入する。

以下、高転換バーナー炉に、本発明に基づくクラスター
型制御棒を挿入する方法について幾つかの実施例を述べ
る。

本発明を高転換バーナー炉に適用した第１の実施例を第
９図に示す、高転換バーナー炉において、第５図に示し
たクラスター型制御棒の駆動装置は燃料集合体３体に１
体設置される。ところで、高転換バーナー炉の高転換領
域燃料集合体においては、転換比を高め、プル）ニウム
を作ることを主な目的としている。一方、本発明の制御
棒の減速材領域は、中性子スペクトルを軟かくシ、転換
比を下げる効果をもっている。従って、図示の如く、本
実施例では、高転換領域燃料集合体Ａ。ｌ　Ａ、のうち
Ａ。で示した７組（２１体）の燃料集合体については、
減速材を設置しない従来の反応度制御用のクラスター型
制御棒を出し入れし、残シの人。

で示した高転換領域燃料集合体にのみ、その上方部に本
発明に基づく第５図に示したクラスター型制御棒の減速
材領域２を挿入して炉心を運転する。

他方、バーナー領域燃料集合体においては、熱中性子を
有効利用し、高転換領域で作られたゲルトニウムを燃や
しきることを主な目的としているので、図示の如く、本
発明に基づく制御棒の減速材領域２（この場合、炉心有
効長と同じ長さ）をｔ挿入し、反応度を高めて運転する
。なお、Ｆ　ｏ沖止するときには、これら制御棒の中性
子吸収材領域１を炉心に全挿入する。

沸騰水型原子炉では、運転状態で炉心高さ方向にディト
分布が生じ、燃料下端ではボイド率０チであるが、上端
では約７０１となる。このディト分布によって、燃料上
下の水素対ウラン原子数比（Ｈ４Ｆ比）に差が生じ、従
って中性子無限増倍率にも差が生じるので燃料下部の出
力が高くなる。

Ｖ比が３．０である高転換領域の稠密格子燃料集合体に
おいては、ルτ比は５，０に近く、従来の軽水炉の燃料
集合体とｆ比がほぼ同じであるバーナー領域集合体と比
べ、第２図かられかるようにルτ比の変化に伴う中性子
無限増倍率の変化が大きく、メイド分布による出力ピー
クも高くなる。

ところで、本実施例によると、？イド率が高く、Ｈ／’
Ｕ比が小さな炉心上部のルτ比及び中性子減速効果が大
きくなシ、従って反応度が高くなるので、稠密格子燃料
集合体下部に発生する出力ピークを相対的に小さくでき
る。このように、本発明を用いると、燃料集合体の高さ
方向にウラン濃縮度分布をつけるなどの特別の対策を施
さずとも、出力分布の平坦化が図られる。

第１０図は、本発明を高転換バーナー炉に適用した第２
の実施例を示したものである。原子炉の運転中、本実施
例では図示の如く高転換領域のすべての燃料集合体の炉
心上部に、本発明に基づく第５図のクラスター型制御棒
の減速材領域２を挿入し、バーナー領域には減速材領域
２（この場合、炉心有効長と同じ長さ）を全挿入する。

本実施例は、主に、燃料の燃焼が進んだ運転サイクル末
期に有効である。すなわち、この状態では、余剰反応度
が小さいので、制御棒の中性子吸収材領域を挿入する必
要がなく、高転換領域の炉心高さ方向の出力分布の平坦
化を図ればよいからである。さらに、本実施例によシ、
前述したように、燃焼度、すなわち燃料の寿命が長くな
る。

なお、炉を停止するときにはこれら制御棒の中性子吸収
材領域１’ｉ炉心に全挿入する。

第１１図は、本発明を高転換バーナー炉に適用した第３
の実施例である。第９，１０図で説明した実施例は、高
転換領域とバーナー領域を併置した結合型の高転換バー
ナー炉に対するものであるが、本実施例は、結合をにお
ける高転換領域を独立した炉心とし九分離型の高転換バ
ーナー炉に対するものである。第１１図における１３は
高転換炉心を、１４はバーナー炉心である。高転換炉心
においては、結合型高転換バーナー炉の高転換領域集合
体と同様、炉心下部に出力ピークが発生する。これを抑
えるために本実施例では、高転換炉心の炉心上部に、本
発明になる制御棒の減速材物質領域２を挿入する。バー
ナー炉心においては、高転換炉心のように大きな出力ピ
ークが発生し表いので、反応度を高めるために、上記制
御棒の減速材領域を全挿入する。従って、本実施例の、
バナー炉心で用いる制御棒の減速材領域２は、炉心有効
長と同じ長さをもっている。

本実施例が対象としている分離型の高転換バーナー炉に
おいては、結合型炉心の高転換領域側において発生する
、領域間の出力バランスによる半径方向出力ピークが存
在しない。その結果、高転換炉心燃料の炉心下部に発生
する出力ピーク値も、結合型における出力ピーク値より
小さくなるので、上記制御棒減速材領域の炉心内挿入深
さを、結合型の場合よシ小さくしても、結合型の場合と
同様の効果が得られる。なお、減速材領域の炉心内挿入
深さを小さくすることによシ、結合型の場合ようも転換
比は高くなる。

第１２図は、本発明を高転換バーナー炉に適用した第４
の実施例を示したものである。この例は、１５で示すＹ
字型制御棒を、ギャップ水領域１６に挿入する高転換バ
ーナー炉心を対象としている。

本実施例においては、Ｙ字型制御棒の中性子吸収材領域
より先端側に減速材領域を設け、これを高転換領域集合
体に挿入して原子炉を運転する。

以上の実施例は全て、冷却材が炉心下部より上部へ流れ
る沸騰水型炉心を、適用対象としてきたが、本発明は、
水平方向に冷却材が流れる沸騰水型炉心においても、冷
却材出口側から挿入される制御棒に適用可能である。

本発明の制御棒先端に、設置する減速材物質としてジル
コニウムハイドライドのような固体減速材を用いる場合
、減速材物質に濃縮度分布をつけることもできる。例え
ば、第３図に示した、冷温時に炉心上部に発生する出力
ピークを効果的に抑えるには、ピークの最も高い領域に
相当する部分の固体減速材濃度を高くすればよい。また
、稠密格子燃料を用いる場合には、運転中に炉心下部に
発生する出力ピークを抑えるためには、ボイド分布に対
応して、制御棒案内管、減速材の濃縮度を高くすれば、
それによる炉心上部の反応度増加量が大きくなシ、相対
的に炉心下部の出方ピークを大きく低減できる。

〔発明の効果〕

（１）冷温時の炉心高さ方向の出方ピークを小さくする
ことができ、炉停止余裕が改善される（２）１サイクル
運転後、本発明になる制御棒を沸騰水型炉心上部に挿入
することによシ、燃焼が遅れた炉心上部の燃焼度を増加
させ、燃料寿命を伸ばす （３）沸騰水型炉心上部の反応度を高めることによシ、
炉心高さ方向出力分布を平坦化できる

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる制御棒の一実施例である十字型制
御棒を示す図、第２図はウラン燃料における中性子無限
増倍率と減速材対燃料原子数比の関係を図す図、第３図
は従来の沸騰水型炉心の運転状態及び冷温状態における
炉心高さ方向出力分布を示す図、第４図（Ａ）は、本発
明になる原子炉運転方法を用い九沸騰水型小型炉の圧力
容器内構造物の縦断面図、第４図（Ｂ）は上記炉心の横
断面図、第５図（Ａ）　？　（Ｂ）は本発明になる制御
棒の他の実施例であるクラスター型制御棒の平面図及び
側面図、第６図は高転換バーナー炉の高転換領域集合体
の炉心上部の捧の範囲に本発明になる制御Ｓを桶１１４
　Ｌ番Ｌ４１！礪１＾し舊＾１虹俸箭ｌ！セ、μる炉心
高さ方向の中性子無限増倍率分布を示す図、第７図は第
６図に対応する炉心高さ方向の出力分布を示す図、第８
図は上記高転換バーナー炉の運転サイクル末期に本発明
になる制御棒を挿入したときの運転月数あるいはサイク
ル燃焼度の増加量を示す図、第９図は本発明を高転換バ
ーナー炉に適用した第１の実施例を示す図、第１０図は
本発明を高転換バーナー炉に適用した第２の実施例を示
す図、第１１図は０本発明全分離型の高転換バーナー炉
に適用した第３の実施例を示す図、第１２図は本発明を
、高転換バーナー炉に適用した第４の実施例を示す図で
ある。 符号の説明 ｌ・・・中性子吸収材領域、２・・・中性子減速材領域
、３・・・制御棒、　　　　　　４・・・制御棒案内管
、５・・・制御棒駆動機構、　６・・・燃料集合体７・
・・圧力容器、　　　　　８・・・炉心シェラウド９・
・・燃料サポート、　　　１０・・・上部支持板、１１
・・・案内管上部支持板、 １ｚ・・ｉ燃料棒、　　　　１３・・・高転換炉心、１
４・・・バーナー炉心、　１５・・・制御棒、１６・・
・ギャップ水領域、 Ａ・・・高転換領域燃料集合体、 Ｂ・・・バーナー領域燃料集合体、 Ａ１・・・制御棒の減速材領域を挿入する高転換領域燃
料集合体、 Ａｏ・・・制御棒の中性子吸収材領域を全挿入する高転
換領域燃料集合体。 第２図 減速材対燃料原子数比 第４図 （Ａ） ３十字型制折捧　　　６か集合体　　　９燃料サポート
＋１！１ｆ８ＰｓＩ内管７　圧力＠５　　　　１０　ｆ
！支持板５制御刊１艮動肴魁勇　８丈戸心シュラウド　
　１１案内嘘上部支弁４艮第５図 （Ａ） （Ｂ） 第８図 運転サイタル増８惰焼度（ω／ｄ／ｌ）運転月数（月） 第９図 第１０図 第１１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、冷却材の流れの下流側から制御棒が挿入される沸騰
   水型原子炉に用いられる制御棒であって、中性子吸収材
   領域と、該中性子吸収材領域よりも先端側に設けられ内
   部に中性子減速能の大きい中性子減速材物質を封入した
   中性子減速材領域とを具備することを特徴とする沸騰水
   型原子炉用制御棒。 ２、中性子吸収材領域と、該中性子吸収材領域よりも先
   端側に設けられ内部に中性子減速能の大きい中性子減速
   材物質を封入した中性子減速材領域とを具備した制御棒
   の該中性子減速材領域を原子炉運転中に炉心に挿入し、
   原子炉停止時には上記中性子吸収材領域を炉心に挿入す
   ることを特徴とする、冷却材の流れの下流側から制御棒
   が挿入される沸騰水型原子炉の運転方法。