JPH01123194A - 軽水炉の炉心 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は軽水炉の炉心、特に運転サイクルが長く、高停
止余裕型炉心として炉心内にその軸と直角方向に介在領
域を形成し、そのような炉心に好適な制御棒を配置した
軽水炉の炉心に関する。

（従来の技術） 沸騰水型原子炉の炉心は、通常１体の十字型制御棒とそ
れを取り囲む４体の燃料集合体から構成されたセルが規
則正しく配置されている。すなわら各燃料集合体および
制御棒は、それらの軸が垂直で互いに平行になるように
配列され、減速材としての機能を有する冷却水は炉心の
下方から上方に向って流れるように構成されている。炉
心有効部下端部ら発熱部の下端付近では気泡は発生しな
いが、炉心の中央部から上端部にかけては大量の気泡が
発生し、この発生した気泡は炉心上方に流れる。気泡の
占める体積割合即ちボイド割合が高くなると、中性子の
減速特性が低下するため熱中性子束が低下し、出力が低
下する。これを避けるため、ボイド割合の高い部位では
核分裂核種濃度即ち濃縮度を高めたり、或いはボイド割
合の低い部位の出力上昇を抑えるべく可燃性毒物を入れ
るなどして対処してぎた。

したがって、沸騰水型原子炉では炉心上部の燃焼カ遅れ
易く、これによってＵ　−２３５ｍ度が相対的に他の部
分より高くなり、また、ボイドによりｐ　ｕ−２３９な
どの核分裂性核種が生成されるため、炉心上部では原子
炉の停止余裕がきびしくなり易い事はよく知られている
。ざらに、経済性向上を主目的として、運転サイクルの
長期化や燃料の燃焼度向上のための努力が続けられてい
る。この場合も燃料の′ｔｉ縮度は必然的に高められる
ので、原子炉の停止余裕は一段ときびしくなる。

次に、沸騰水型原子炉に用いられた従来の燃料集合体及
び近い将来用いられると期待される燃料燃料集合体の斜
視図および燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦断面図
である。

第８図（哀）において、燃料集合体は水棒（図示せず）
と燃料棒２を上部タイブレート４．スペーサ５．下部タ
イプレート６により固定し、その外覆管７内に燃料ペレ
ット８を配設し、その上部のガスプレナムにスプリング
９を設け、上端に上部端栓１０を、下端に下部端栓１１
を設けている。

第９図は第８図に示す従来の燃料集合体の横断面図であ
る。チャンネルボックス１内には６２本の燃料棒２と２
本の水棒３が配列されて燃料集合体を構成している。水
棒３は集合体内部で減速材である水が不足するのを抑制
しているが、この水棒３は軸方向に一様であるため炉心
下方では水過剰、上方では水不足になるという問題点が
ある。

第１０図に示す燃料集合体は前記燃料集合体の特性を改
良するために開発されたものであり、集合体内部に１本
の太水棒５を配置して非沸騰水を導入している。しかし
ながら、この例でも炉心下方では水過剰、上方では水不
足になるという問題点がおる。

第１１図に示す燃料集合体も第９図の燃料集合体の改良
であり、４つの小チャンネルボックス１３を設け、小チ
ャンネルボックス１３内には沸騰冷却水を、また小チャ
ンネルボックス１３相互間の十字状間隙１４には非沸騰
減速材水領域とすることにより、水平方向出力分布の平
坦化を図ったものであるが、このタイプの燃料集合体も
炉心下方では水過剰、上方では水不足になるという問題
点がある。

第１２図に示す燃料集合体は、第１１図の燃料集合体の
改良型として開発されたものである。この燃料集合体は
９ケのサブアセンブリ１′５で構成されており、各サブ
アセンブリ１５はそれぞれ９本の燃料棒２で構成されて
いる。サブアセンブリ１５の間にはやや広い間隙１６が
設けられている。この燃料集合体の場合も炉心上下部の
水の過不足問題は解決されていない。

（発明が解決しようとする問題点） 上述したように、沸騰水型原子炉（８ＷＲ＞の発熱部で
ある燃料集合体の最下端では気泡は発生しないものの、
その他の部分ではどこででも発生し、しかも発生した気
泡は炉心上方（下流）へ流れていく。従ってＢＷＲの気
泡割合（ボイド割合）は炉心上方はど高くなる。その結
果、中性子の減速特性が低下するので、核分裂割合が低
下することになる。すなわち、燃焼は炉心下方で進み、
炉心上方で遅れることになる。そこで、炉心上方の出力
の低下を抑制するために、炉心上方の核分裂核種濃度を
高くすることが提案されている。

ところが、炉心上方でのボイド割合の上昇と核分裂核種
濃度を高くすることは、原子炉停止時の炉心上部での未
臨界度を浅くすることになる。−方、運転ザイクルを長
期化して経済性を向上するためには燃−料の濃縮度を更
に高めなければならないが、このことは炉心上部での未
臨界度をますます浅くすることになり、終には原子炉を
停止できなくなる場合も考えられる。すなわち、この点
がネックとなって、従来の原子炉炉心では運転サイクル
の長期化が出来ないという問題点があった。

本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、
その目的は、燃料の濃縮度を高くしても原子炉停止を可
能とし、この原子炉停止を可能とする新規な手段を好適
に配置することによって、炉心軸方向の停止余裕がきび
しくなる。いわゆる停止領域（シャットダウンゾーン）
を、制御棒挿入側ヘシフトさせ、それに対応して制御棒
を好適に構成して長寿命化と高反応度価値化を図り、原
子炉緊急停止速度を早くすることができる軽水炉の炉心
構成を提供することにある。

［発明の構成コ （問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は多数の燃料棒から
なる燃料集合体の軸がそれぞれ垂直で互に平行になるよ
うに規則的に配置された炉心と、この炉心の下方から上
方に向って冷却材を流し、沸騰水型原子炉にあっては、
この冷却材の流れの下流で少くとも気泡が発生する軽水
型原子炉の炉心において、前記炉心の発熱部分の上端か
ら一定以上の距離で、冷却材の通過する空間に占める気
泡の体積の割合が相対的に高く、また原子炉停止時に原
子炉の局所的な未臨界度が浅くなる部分に、厚さ一定の
高さ幅を炉心の水平方向に一定以上の範囲にわたって実
質的に核分裂性核種濃度を著しく低下させる介在領域を
少なくとも１領１ｔＪ、設けるとともに、前記介在領域
を未臨界度が浅くなる部分に好適に配置することによっ
て、新たに未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿入側ヘシ
フトさせ、それに対応して制御棒を好適に構成し、それ
によって制御棒の長寿命化と高反応度価値化を同時に達
成し、原子炉の緊急停止速度を早くすることができるこ
とを特徴とするものである。

（作　用） 上記したように、本発明の炉心構成によると、核分裂性
物質濃度の低い領域（介在領域）を挟んで上下の燃料領
域の中性子相互作用（結合効果）が減少し、その結果停
止中の炉の未臨界度をより大きく（深く）することがで
き、また原子炉運転中の不要な過剰反応度が抑制され、
サイクル末期で過剰反応度がなくなり結合効果がよくな
り、その結果運転サイクルを延長することができる等に
より燃料の健全性が保たれるとともに、前記介在領域を
未臨界度が浅くなる部分に好適に配置することによって
、新たに未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿入側ヘシフ
トさせ、それに対応して制御棒を好適に構成し、それに
よって制御棒の長寿命化と高反応度価値化を同時に達成
し、原子炉の緊急停止速度を早くすることができる。

次に、本発明で導入する介在領域の作用原理について説
明する。

炉心の実効増倍率をｋ。ｆｆとする。（ここでは簡素化
のためｋで表わし“’ｅｆｆ”を省略する）そうすると
、修正１群モデル（軽水炉のｋに関する記述として簡単
で信頼性が高い）では下記のように表わせる。

ここで、ｋ■・・・無限増倍率 Ｍ２・・・中性子移動面積 Ｂ２・・・バックリング（ｃｍ−２単位）ｋ■は炉心設
計では、通常、便宜的に各点（又は一定の体積点）にお
ける核分裂による中性子放出率と中性子吸収率との比と
して取扱われる。

Ｍ２は　Ｍ２　＝τ十Ｌ２で表わされる。τはフェルミ
年齢で、炉心設計では高速中性子の移動面積と呼ばれる
。

なお、τ＝τＦ＋τＥ　（又はτ１＋τ２）でおり、τ
はこのように更に高速（ｆａｓｔ）中性子と熱外（ｅｐ
ｉｔｈｅｒｍａｌ）中性子に分けることもあるが、本発
明ではここまで分けて説明する必要は殆どない。

Ｌ２は熱中性子移動面積（熱中性子拡散係数と吸収断面
積の比で与えられる＞、Ｍ＝ＩＦｉは中性子移動距離、
し＝、ｌ”’Ｕは熱中性子移動距離、またＢ２はバック
リング（ｃｍ−２単位）であり、３２　、、＝３，２　
＋８２２で表わぜる。３．２は半径方向バックリング　
１３Ｚ２は軸方向バックリングである。

ところで、ｋの値は中性子炉物理学としては臨界近傍で
は体系全体で定義されるが、本発明では、ＫＣＤに空間
依存性を取り入れる炉心設計の立場に立つので、ｋ値も
上式を用い、空間依存性を取り入れたものとして取扱う
ことにする。

また動力用原子炉では、Ｍ２　Ｂ２は０．０３〜０．０
５程度、Ｂ２は０．０００１〜０．０００２　（Ｃｍ−
２＞程度、軸方向は通常平板状であり、炉心の高さをｌ
、軸方向反射体節約（軸方向外端距離ということもある
）をδ−ミδ。＋δ−（上側士下側の意）とすれば、Ｂ
　′＝（π　）２ ２＋δ で与えられる。

（未臨界体系を取扱う為に反応度の定義で符号を変えた
もの） ？の値は中性子炉物理学における臨界近傍では体系全体
で定義されるが、本発明ではに■に空間依存性を取り入
れる炉心設計の立場に立つので、（ｋｏ→に→？）？値
にも空間依存性を取り入れたちのとして取扱う。

従って、本発明における未臨界度は上記した理由で空間
依存の未臨界度を論じている。炉心体系内でこのような
未臨界度が小さい（臨界に近い）場所があると、そこが
臨界になり易いことを示す指標となる。

次に、本発明の作用を第２図を参照して説明する。同図
（８）に示すように直方形断面を有する２つの燃料領域
工、Ｉｆがおり、その間に幅Ｗの水ギャップが存在する
ものとする。このときの水ギャツブＷと中性子増倍率ｋ
。ｆｆの関係は同図（！ｙ）に示すとおりである。実線
は冷態時（原子炉停止時のように原子炉はほとんど発熱
していない状態）のｋｅｆｆの水ギャップＷの広さ依存
性を、また破線は高温時でボイド割合が高い場合のｋｅ
ｆｆの水ギャップの広さ依存性を示している。比較し易
いようにＷ＝Ｏで両面線が一致するように規格化してい
る。燃料集合体は最適減速即ち臨界質ｍが最小になる近
傍でやや減速不足の状態に設計されることが多いので、
水ギャップＷがＯかられずかに大きくなると、ｋｅｆｆ
値はほぼ一定か微かに（＋）になることがおるが、Ｗを
更に大きくするとｋ。ｆｆ値はぐんぐん小さくなる。す
なわち、燃料領域（１）と（ＩＩ）の中性子結合作用が
目立って小ざくなってくる。その一つの目安として、熱
中性子拡散距離（２０℃の水中で〜２．５Ｃｍ　）が参
考になる。

次に、体系が高温でボイド割合が高い場合、例えばＢＷ
Ｒ炉心の上部では約２８６℃（水の密度的０．７４＞で
、ボイド割合が６０％を越える場合がある。

この場合の実効的な水の密度は２０℃の場合に比べて〜
０．７４Ｘ（１−０，６）　＝０．３程度となる。熱中
性子の拡散距離は定義式から容易に理解できるごとく、
はぼ密度の変化（１→０．３）の逆数に比例する。従っ
て、この場合熱中性子拡散距離は８ｃｍ程度となる。

水ギャップがこの程度広い場合には、高温でボイド割合
が高い場合でもｋｅｆｆ値は最大値よりやや小さくなる
。その半分程度、即ち４〜５ｃｍ程度の場合にｋｅｆｆ
値は最大となる。破線に極大値が現われるのは、高温高
ボイド状態では減速材不足となっているからでおる。即
ち減速材不足の状態（ｕｎｄｅｒ−ｍｏｄｅｒａｔｅ状
態）になっており、別に水を導入することによってｋｅ
ｆｆを大きくすることができる。この状態は２つの燃料
領域Ｉ、ＩＩが最適の状態にあることを示している。

本発明は上記した特性を巧みに応用したものである。す
なわち、燃料が殆ど存在しない領域は凡そ水ギャップの
幅（Ｗ＞に対応し、原子炉が出力を出していない状態で
はギャップによって原子炉のｋｅｆｆが明らかに低下し
く結合域の弱まっている状態）、高温高ボイド時はｋ。

ｆｆ値がギャップ導入によって逆に増大するか、殆ど減
少しない範囲の特性を利用するものでおる。そして、高
温高ボイド時に水不足であった部分に水を導入するので
、中性子減速特性が改善され、これにより出力が改善さ
れることになる。

次に、第３図（脅）に示すように、炉心を軸方向１に３
分割し、２個の介在層が存在する場合について説明する
。同図において、各炉心片の未臨界度ＰＩ　、Ｐ２．５
’３を求めると下記のようになる。

Ｐ＋＝−Ｌ−−１ に１ Ｂ１２＝８　２十Ｂｚ１２ Ｂ　２２　＝３　、２　＋　８７２２ Ｂ３２＝８　２＋Ｂｚ３２ ここで、δｉは上下隣接炉心片の影響を収り入れた反射
体節約、（３，２は各炉心片とも共通とする。炉心の温
度が上昇すると、減速材の温度が上リポイドが発生する
。すると、ｋ■１　は僅かに変化しく軽水炉では平均的
には減少する）、Ｍｉ２は増加し、δｉの増加によりＢ
１１２は減少する。

介在層の厚さｄｌ、ｄｌを適切に選ぶと、δｉが著しく
増大する。そして、各炉心片は一体的に結合し、軸方向
バックリングは一体化し、となる。逆に炉心温度が下る
と、介在層により各炉心片が分割されたような特徴が現
れてくる。これは、炉心湿度が下ると水の密度が上昇し
、介在層の水が炉心を上下に分割遮蔽する働きが現れて
くるためである。

本発明では、この介在層により冷態時（炉停止時）は炉
心片を上下に分離する握鮨が増大し、高温時は分離する
機能が弱まる（水の密度が低下するため、実質的にｄｌ
　、　ｄｌが小さくなる効果が現れる。これは結合効果
といえる。）特性を利用する。ｄｌ　、　ｄｌの値を適
切に選定すると、高温時の水（減速材）不足の効果を補
う効果も現われて、介在層が存在しない（ｄｌ、ｄｌ部
も燃料あり）場合よりｋ。ｆｆｌ１ＩＩを多少増大させ
ることざえ可能となる。

介在層の厚さは、冷態時（炉停止時）の熱中性子の移動
距離より大きく、高温時（ＢＷＲでは更にボイド発生時
）のそれと同程度かやや小さい程度とするのが最適であ
る。具体的な値として好ましい範囲は３〜ａｃｍ程度で
ある。２Ｃｍ未満では冷態時に分離機能が発生往ず、１
０ｃｍ以上では高温時の分割機能は弱まるものの、介在
層が存在しない時に比べて炉心の実効増倍率が減少し、
運転サイクルの低減を招くため不利である。ＢＷＲでは
介在物の厚さは３〜８ｃｍが好適であり、ＰＷＲでは介
在物の厚さは３〜５ｃｍが好適である。それはＢＷＲで
はコールド（冷態）からホット（高温）になると水の密
度は１／３になるので、中性子移動距離は３倍となるが
、ＰＷＲではコールド（冷態）からホット（高温）にな
っても水の密度は０．６５程度にしか減少せず、したが
って中性子移動距離も２倍以内にしか増大しない。この
ように介在物の厚さが異なる理由の一つは、上記したよ
うに介在層が存在する近傍の減速材密度、減速材対燃料
体積比、燃料の中の核分裂性核種濃度等によって分離・
結合効果が影響を受けるためである。

しかして、介在層か分離効果を発揮する冷態時では、Ｂ
７１２が急増するため各炉心片のに、が減少し、Ｐ、（
未臨界度）が増大する。介在層が結合効果を発揮する高
温運転時では、Ｂ７１２の値は急減し、好適状態ではほ
ぼ介在層がない状態と等しくなり、ｋ、は急増する（ｋ
ｔ　は介在層なしの時とほぼ等しいかやや大にすること
ができる）。

次に、介在層が分離効果および結合効果を発揮する具体
的計算例を示す。

ＢＷＲにおいて、初期平均濃縮度３．７％、燃焼度２８
ＧＷｄ／ｌの体系で制御棒は部分挿入されていないもの
とする。

このようなりＷＲでは、炉心上端から１／４長付近で炉
停止中に未臨界度が最も小さくなるので、その部分に介
在層を全炉心に厘って水平に配置し、介在層の厚さを変
えて計算した。計算体系は冷態時（２０℃）と高温運転
時（２８６°Ｃ，ボイド分布あり）の２種類とし、また
画体系それぞれに対して、介在層の厚さをゼロとしたと
きの炉心の実効増倍ことが分る。

■　冷態時上おいては、〜５ｃｍ（これが分離効果が顕
著に増加する範囲となる）まで急に減少、それから飽和
状態に向かう。この漸近値は炉心切片（本例では炉心下
方３７４部）のｋ。ｆｆ値になる。

■　高温時においては、≦１０Ｃｍまではｋｅｆｆ値は
介在層によって殆ど減少しない。これが結合効果による
もので、待に、３〜６ｃｍ付近ではかえってｋ。ｆｆが
増大している。これは高温ボイド時の減速材不足による
熱中性子束不足を介在層から補給する作用が有効に作用
するためでおる。

（実施例） 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明をＢＷＲに適用した場合であり、同図（
Ａ）は本発明の一実施例の概略縦断面図、同図（Ｂ）は
本発明炉心に用いる制御棒の軸方向構成図、同図（Ｃ）
は炉停止中の未臨界度分布を示した図である。

第１図（Ａ）は燃料集合体く炉心）２０の上半部に３段
の介在領域２１．２２．２３を挿入した例である。

その結果未臨界度（炉停止余裕）は同図（Ｃ）の曲線イ
から曲線口のように大幅に改善される。曲線イのピーク
（未臨界度が特に浅い）部分は炉心下端（ＢＡＦ　）か
ら２／３１〜５７６■付近に生じるが、介在領域の停止
余裕改良作用により、曲線口のように大幅に停止余裕（
未臨界度）が改良され、もはやピークは曲線口では炉心
高さ中央付近ヘシフトしており、しかも未臨界度は深い
。

そして、同図（８）に示すような構成の制御棒すなわち
挿入先端から挿入末端に向かって長寿命型領域、高反応
度型領域、従来型領域で構成された制御棒２４を炉心に
挿入することによって、曲線ハのようにほぼ平坦となる
から、全体的には深い未臨界度が達成されている。この
ような炉心構成において、燃料の濃縮度を上げたり）Ｉ
ＯＸ燃料を用いて高燃焼度型の炉心を構成すると、未臨
界度は軸方向にほぼ一定の状態で浅い方向（曲線ハ）へ
シフＩ〜する。そして、炉心構成（濃縮度の大きざなど
）に対応して無駄のない効率的な未臨界度曲線が得られ
る。すなわち、未臨界度を確保した高燃焼度型炉心とい
える。（従来型ＢＷＲで未臨界度が曲線イで表されてい
る状態で濃縮度を上げると、炉心上半部で未臨界度曲線
のピークが上ヘシフトし、臨界となってしまうので、炉
が止められなくなる。） また、制御棒挿入前の未臨界度の浅い部分が制御棒挿入
側ヘシフトするので、スクラム時の炉停止速度が早くな
り、炉心の安全停止性が向上する。

以上は、従来型ＢＷＲに介在領域を配置した場合につい
て説明したが、以下では他の例として加圧水型炉ＰＷＲ
について簡単に説明する。

棒状の中性子吸収棒（燃料棒程度ないしその２倍程度の
直径を有する）を複数本−括して操作するクラスタ制御
棒が、炉心上方から炉心下方に向って挿入される。この
場合には、介在＠域を主として炉心下方に偏在する如く
配置して停止余裕がきびしくなる部分を炉心上半ヘシフ
トさせる。

一方、中性子吸収棒は挿入先端側（下方側）で長Ｒ命吸
収材を配置し、中央部から上方に向って高反応度価値の
吸収材＜　１０６　ｙＢ縮Ｂ４　Ｃペレットなど）を配
置する。この構成によって本発明の炉心が構成される。

制御棒を上方から挿恢するその他の原子炉として中小型
原子炉、自然循環型原子炉および高転換型原子炉などが
ある。これ等の炉型は未だ研究開発の段階にあるが、本
発明を適用する場合には上記ＰＷＲの場合と同様な構成
となる。

次に、第４図と第５図を用いて、原子炉停止中の未臨界
度が炉心の軸方向にどのようになっているか、本発明を
実施することによってそれを如何に変化させるのか、そ
の結果、如何なる制御棒が好適でおり、その結果如何に
良好な結果が期待できるのかについて説明する。

第４図は本発明の炉心と従来の炉心の炉心軸方向未臨界
度分布を示したものである。

同図（Ａ）は従来例の炉心の場合でおり、炉心有効部下
端から４／６〜５／６Ｈの範囲ハで特に未臨界度Ｐが浅
くなる。すなわち、炉心有効部下端付近イでは中性子の
もれにより未臨界度？が深い。それに続く部分口ではボ
イド割合が低いためＰｕ生成酎耐低く燃焼が進むのでＵ
２３５残存が少なく未臨界度？が深い。次の炉心有効部
下端から４／６〜５／６［１の範囲ハでは、ボイドｖｊ
合が高いためＰｕ生成母が多く燃焼遅れでＵ−２３５残
存が多くもれも少ないので、未臨界度？は浅い。炉心有
効部下端付近二では中性子のもれにより未臨界度？が深
まる。

同図（Ｂ）は１段の介在領域を炉心有効部下端から３／
ｄＮよりやや上側に配置した場合である。図に示すよう
に未臨界度？は介在領域によって大幅に改良（増大）し
ている。しかし、この例では未臨界度Ｐが浅くなる部分
の下方へのシフトは小幅に止まっている。

同図（Ｃ）は２段の介在領域を図のように配置した場合
である。炉心有効部上部の未臨界度？は同図（８）より
ざらに大幅に増大して（深まって）いる。そして、未臨
界度？が浅くなる部分は炉心のほぼ中央部までシフトし
ている。

第５図は第４図（Ｃ）に対応するものであり、炉心の未
臨界度を軸方向にみてほぼ一定となるように構成した場
合の制御棒反応度価値？。ｇの分布図である。

従来のＢＷＲでは炉心上部、特に下端から３／４］１〜
４／４Ｈに大きな反応度価値を保有ざぜるのが効果的に
制−細棒反応度価値を高め、その結果、炉停止余裕を効
果的に改良する考え方でめった。

このように、本発明における原子炉においては、従来の
考えはもはや通用せず、制御棒反応度価値は、全挿入時
、制御棒のほぼ中央部（炉心の中央高さに対応）におい
て、最大となるのが好適であることを第５図の実線は示
している。このことは制御棒の機能を分離することでお
る。すなわち、先端部は長寿命第１で反応度が第２．中
央部は反応度優先、下部は適当な大ぎざの反応度が有れ
ばよい。このような構成の制御棒を採用すると、炉の緊
急停止が早いので炉の安全性が向上する。

ｑたがって、第５図に対応して炉心下端がら上傾に向っ
て挿入されるＢＷＲ制御俸は以下のような構成とする。

すなわち、炉心全長を約３等分し、下端から１７３長ま
では、天然ボロンを用いた８４Ｃ（Ｎ８４　Ｇと記す）
、１７３〜２／３長部は濃縮ボロンを用いた８４　Ｃ（
”８４　Ｃと記す）、２７３〜３／３長部は長寿命型の
例えばＨｆを用いて構成する。

つまり、制御棒挿入先端部（先端部から全長の１７４な
いし１／３長部）は、本発明においても中性子照射量が
高く、従来の制御棒と何ら変わらない。

従って、最も好適なＨｆを用いるのがよい。Ｈｆを好適
に用いると、従来の制御棒（Ｎ８４　Ｇ使用）とほぼ同
じ反応度価値を持たせることができ、しかも寿命は大幅
に増大させることができる。

先端部から全長の１７３〜２／３長部（１０８４Ｇを用
いる部分）では、中性子照射量は上記挿入先端部に比べ
ると大幅（例えば２７３以下）に低いので長寿命化への
要求は殆どなく、反応度価値が大きいことが最も重要と
なる。中性子吸収材としてボロン−１０（”Ｂ　）より
反応度価値の高いものは皆無であるといってもよく、従
って、１０Ｂを用いた１０８４　Ｃが好適でおる。

挿入末端部すなわち、全挿入時炉心下部（下端から１７
３長程度）では、中性子照射量が低く、高い反応度価値
も必要ないため、従来から用いられているＮ８４　Ｃを
用いることができる（制御棒が軸方向に機能分離された
形ともいえる）。

以上説明したように、本発明の炉心構成では、未臨界度
が浅くなる部分は炉心の上部から中央部へ、すなわら制
御棒挿入側へシフトしている。従って制御棒を仝引仇運
転中で緊急挿入した場合を想定すると、従来に比べてよ
り早く未臨界度が浅くなる部分へ制御棒が到達するので
、より早く原子炉を緊急停止することができる。すなわ
ち、原子炉の安全性が向上する。

第６図は従来のＢＷＲに用いられている制御棒と本願発
明に係る制御棒とを比較したものでおる。

すなわち、同図（Ａ）は従来の制御棒の斜視図、同図（
Ｂ）の左半分は同図（Ａ）で示す従来の制御棒の横断面
図、同図（Ｂ）の右半分は本願発明に係る制御棒の横断
面図でおる。

第６図において、深い１字状に形成されたＳＵＳ製シー
ス３１はその開口部で十字型のタイロッド３２に固着さ
れ、十字形制御棒３０が構成されている。

上端（挿入光＠）はハンドル付きの先端構造材３３、下
部はスピードリミッタと一体構成された末端構造材３４
となっている。シース３１内には８４　Ｃ粉末（粒）を
ＳＵＳ管に充填して構成された棒状の中性子吸収材３５
が制御棒の軸と平行方向に並べられている（米国方式）
。なお、ウィング部ではシース内に吸収材を並べる方式
でなく約８馴厚のＳｕＳ板に、ウィング外側端から制御
棒中心軸方向に向って挿抜方向と直角方向の約６Ｍの穴
を形成し、その中に８４　Ｃ粉末を充填密封する方式が
スエーデンによって開発されている。この方式は前記米
国方式の制御棒に比べてより多くの８４０を充填できる
ので、反応度価値を（外形が同一の場合）約１０％高め
ることができる。この１０％は原子炉停止余裕（通常１
〜３％Δに／ｋ　）を約１％（従って２〜４％Δに／ｋ
　）に向上させることが可能である。

８４　Ｃを用いる為、大幅な長寿命化に適していないの
は米国式と大同小異である。

第６図（Ｃ）は従来型制御棒の２つの実例を左半部と右
半部に分けて示している。すなわち、左半部は軸方向に
一様なものでおり、従来型制御棒の代表例である。その
反応度価値は同図（Ｄ）の実線に示すように一様である
。一方、右半部は本発明者らが従来型ＢＷＲ用に近年開
発した長寿命型制御棒であり、同図ＣＤ）の点線で示す
ように、有効部先端（炉心挿入先端）から末端に向って
４段階３６、３７．３８．３９に反応度価値が低下する
設計となっている。中性子吸収材としてｔ−ｂ板を用い
、２枚のＨｆ板間に水を導き、密度の大きいＨｆ材を減
■して反応度価値の低下を抑制している。従来型ＢＷＲ
では、先端部の反応度価値を大きくし、かつ長寿命化す
る必要がおったため、このような構成が極めて好適であ
った（特願昭６１−７８７４６号等を参照）。。

ところで、本発明の原子炉では、原子炉内に介在領域を
導入した結果、挿入先端部の反応度価値を大ぎくする必
要がなくなった。ただし、制御棒はＢＷＲでは炉心下方
から挿抜され、先端部では多聞の中性子照射を受ける点
では従来のＢＷＲと変りない。このにうな特性は、ＢＷ
Ｒに限らず、ＰＷＲその他の炉型でも同様である。

第７図は本発明の原子炉に必要な制御棒特性と、それを
具体化した例を示している。すなわち、第７図（Ａ）は
第５図に対応する制御棒に必要な特性曲線図、同図（Ｂ
）は同図（Ａ）に基づいてディスクリート化して実施し
た本発明に係る制御棒の特性曲線図、同図（Ｃ）は同図
（Ｂ）に基づいて具体化した２つの実施例を図の左半部
と右半部で図示したものである。一つの実施例は同図（
Ｃ）の左半分に示すように、制御棒４０は軸方向に人民
３等分されている。すなわち、炉心挿入末端部分は通常
領域４３（天然Ｂ、８４　Ｇ横穴充填）、中央高さの部
分が高反応度価値領域４２　（１０Ｂ濃縮８４　Ｇ横穴
充＊＞、炉心挿入先端部分は高中性子照射領域４１（１
−１ｆ板、トラップ状）で構成されている。なお、炉心
挿入末端部分および炉心挿入先端部分には中央部に縦方
向の空隙部４４．４５が設けられている。他の実施例は
同図（Ｃ）の右半分に示すように、制御棒４０は軸方向
に人民３等分されている。すなわち、炉心挿入末端部分
は通常領域４６（ＳＯ３管にＢ４　Ｃ粉を充１眞し、そ
れをシース内に並べたもので、古くから用いられている
従来型に対応したもの）、中央高さの部分が高反応度価
値領域４２（ＳＵＳ板に横穴をあけ８４　Ｇ粉を充填）
、炉心挿入末端部分は高中性子照射領域４１（Ｈｆ板は
トラップ状でＳＵＳシース内に挿入）で構成されている
。この例では炉心挿入末端部分の中央部だけに縦方向の
空隙部４４が設けられている。

本発明者らは長い間ＢＷＲ用制御棒の開発研究を行なっ
て来たが、外形を同一とした場合、前記スエーデンで開
発されたＳｕＳ板に横穴をあけてＢ４Ｃを充填する方式
が最も高反応度価値領域を実現するのに適している。中
性子吸収材についても各種の実験的研究を行ってきたが
、１０ｓを濃縮した８４　ＣまたはＥｔｌ、Ｂ６が高反
応度化に好適であφ・ 従って、第７図（Ｃ）では横穴充填方式を基本とし、中
性子吸収材にＢ４Ｃ粉末を、必要な場合には１ＯＢを濃
縮したＢ４　Ｃを用いることとしている。

挿入の先端約１１′３部分は中性子照射量が高いので、
長野傘型の中性子吸収材を用いる。長野傘型吸収材とし
てはＨｆ、ＥｔＬその他が考えられるが、ｔ−ｂが最も
現実性がある。１−ｆｆはメタルであり、中性子照射特
性や腐食特性が極めて優れており、被面材なしで使える
。欠点としては密度が大きく、反応度価値が低下し易い
点がめげられる。

本発明者等が近年開発した（特願昭６１−７８７４６号
）Ｈｖ板トラップ型、すなわち、２枚のＨｆ板間に水を
導入する方式を用いれば上記の欠点を解消した長寿命制
御棒が実現できる。本実施例では、このような観点から
Ｈｆ板をトラップ状に構成することとした。

ざらに、本発明では反応度価値はやや低くしてよいため
、（介在領域により炉停止余裕が向上するため、制御棒
により確保すべき停止余裕の分担が減少する）タイロッ
ド近傍ではｆ−ｂを排除し、空隙としている。これによ
って、タイロッド近傍の中性子束の大幅な低下が緩和さ
れ、その結果、この部分に対応する燃料の出力の大幅な
低下が緩和される。これにより、制御棒挿入時でもこの
部分の燃料の燃焼が進行し、制御棒挿入時の異常な出力
上昇が抑制され、燃料の健全性向上に寄与する。

なお、長寿命対策としては本発明者等は他にも既に多く
の具体案を開示している。挿入末端約１７３長は２つの
実施例を示している。

左半部は横穴方式である。この部分は反応度価値を下げ
てよいため、タイロッド側面を空隙４４（→水）とし、
吸収材充填部の横方向幅を低減させた例を示している。

この水により上述のように燃料健全性が向上する。

右半部はＳＵＳ管にＢ４　Ｃを充填して構成した吸収材
をシース内に並べる従来型の方式を示している。横穴方
式より反応度価値が小さくなりやすいため、この例では
タイロッド側面には特に空隙（ｉ水）は設けていない。

本発明では未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿入側へシ
フトさせ、それにおわせて制御棒の構成を好適にした新
規な軽水炉の炉心構成について説明したが、原理的には
高速炉等にも適用できることは勿論である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば以下に記載したよ
うな効果を奏する。

（１）介在領域の導入によって高濃縮度燃料（ＭＯＸを
含む）を用いた炉心でも停止余裕が確保される。

（２）介在領域を好適に配置して、停止余裕がきびしく
なる領域（シャットダウンゾーン）をシフトさせ、スク
ラム時の炉停止までの時間を短縮できる。すなわち、よ
り安全な炉の停止ができる。

（３）軸方向に機能を分離した上記（２）に好適な制御
棒を提供できる。すなわち、挿入先端部は照射最大であ
るから長野臼、挿入中間部は高反応度吸収材であるから
、介在領域と協調して高停止余裕、挿入末端部は重要性
が低いので従来型を使用している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明をＢＷＲに適用した場合であり、同図（
八）は本発明の一実施例の概略縦断面図、同図（Ｂ）は
本発明炉心に用いる制御棒の軸方向溝酸（Ａ）〜（Ｃ）
は本発明の炉心と従来の炉心の炉心軸方向未臨界度分布
を示した図、第５図は第４図（Ｃ）に対応するものであ
り、炉心の未臨界度を軸方向にみてほぼ一定となるよう
に構成した場合の制御棒反応度価値分布図、第６図（八
）は従来の制御棒の斜視図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の
横断面図。 同図（Ｃ）の左半分は従来の制御棒の横断面図、同図（
Ｃ）の右半分は他の従来の制御棒の横断面図。 同図（［））は同図（Ｃ）の反応度価値を示した図、第
７図（Ａ）は第５図に対応する制御棒に必要な特性曲線
図、同図（Ｂ）は同図（Ａ）に基づいてディスクリτト
化して実施した本発明に係る制御棒の特性曲線図、同図
（Ｃ）は同図（Ｂ）に基づいて具体化した２つの実施例
を図の左半部と右半部で示した図、第８図（Ａ）および
同図（Ｂ）は、それぞれ従来の燃料集合体の斜視図およ
び燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦断面図、第９図
は第８図に示す従来の燃料集合体の横断面図、第１０図
〜第Ｈ図はいずれも従来の燃料集合体の横断面図である
。 ２０・・・燃料集合体 ２１、２２．２３・・・介在領域 ２４、３０．４０・・・制御棒 ３１・・・シース ３２・・・タイロッド ３３・・・先端構造材 ３４・・・末端構造材 ３５・・・中性子吸収材 （８７３３）代理人　弁理士　猪　股　祥　晃（ばか　
１名） （Ａ） ノ４ （Ｃ） 第１図 門 （Ａン 水ギマツブ偽Ｑ７　　（ｖ、ｐ　） ＣＢ） 第２図 （Ａ） （Ｂ）　　　　　　　　（Ｃ）　　　　　（Ｄ）第６図 （Ａ）　　　　　　　　　　　　　ＣＢ）　　　　　　
　　　　　　　　　（Ｃン第７図 第　９　図 第　ｆ（）　因 第１！図 第１２図

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）多数の燃料棒を規則正しく束ねた燃料集合体を、
   その軸がそれぞれ垂直で互に平行になるように配置され
   、前記燃料集合体の内部または隣接する燃料集合体相互
   間の間隙で制御棒を挿抜可能に配置された炉心と、前記
   各燃料棒間にその燃料棒の下方から上方に向って冷却材
   である軽水が流れるように構成された軽水炉の炉心にお
   いて、前記炉心の一部分または全体を上下方向に少なく
   とも２ケの炉心切片に分割するごとく所定幅の核分裂性
   核種濃度を大幅に低下させた介在領域を配置し、前記介
   在領域はその幅が軽水炉出力運転中における熱中性子拡
   散距離ないしその２倍の距離以内であり、軽水炉の常温
   停止時における熱中性子拡散距離ないしそれより大きく
   することによつて、常温停止中に未臨界度が浅くなる部
   分を制御棒挿抜側に移行させたことを特徴とする軽水炉
   の炉心。
2. （２）常温停止時に未臨界度が浅くなる部分を炉心下方
   に向って移行させ、制御棒挿抜を炉心下方から行なう沸
   騰水型原子炉であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の軽水炉の炉心。
3. （３）常温停止時に未臨界度が浅くなる部分を炉心上方
   に向つて移行させ、制御棒挿抜を炉心上方から行なう加
   圧水型原子炉であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の軽水炉の炉心。
4. （４）常温停止時に未臨界度が浅くなる部分を炉心上方
   に向つて移行させ、制御棒挿抜を炉心上方から行なう中
   小型原子炉、自然循環型原子炉または高転換型原子炉で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の軽水
   炉の炉心。
5. （５）炉心挿入時の制御棒は、未臨界度が浅くなる部分
   を中性子吸収特性の強い強中性子吸収構成とし、その他
   の部分は中性子吸収特性をそれよりやや小さい吸収構成
   としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の軽
   水炉の炉心。
6. （６）中性子吸収特性の強い強中性子吸収構成はＳＵＳ
   板に横穴をあけてＢ＿４Ｃ粉を充填したものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の軽水炉の炉心
   。
7. （７）中性子吸収特性の強い強中性子吸収物質はボロン
   １０の濃度を高めた濃縮ボロンを主たる中性子吸収物質
   としたことを特徴とする特許請求の範囲第５項または第
   ６項記載の軽水炉の炉心。
8. （８）原子炉の出力を制御する出力制御用の制御棒は、
   少なくともその先端部分がハフニウムなどの長寿命型の
   中性子吸収材で構成されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載の軽水炉の炉心。