JPH03105285A - 圧力管型原子炉 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，重水を中性子減速材として利用する圧力管型
原子炉に関するものであり、特にその原子炉の運転制御
」二重要なる反応度係数の改善技術に係るものである。

〔従来の技術〕

従来、重水を中性子減速材として利用する圧力管型原子
炉は、重水が入れられているカランドリタンクに複数の
カランドリア管を上下に通し，各カランドリア管に圧力
管が通されている．この圧力管内には被覆された核燃料
が納められており、圧力管内を通る冷却材に核燃料によ
る核反応熱が与えられて、高温高圧蒸気を発生させるよ
うになっている．圧力管型原子炉の圧力管は例えば特開
昭５５−９４１９０号公報に記載のようにカランドリア
タンク内に正方格子状に配列されている．このような原
子炉の炉心の制御性を向上させるために，■特開昭５８
　−　３４３８６号公報に記載のように、圧力管の正方
格子状の配列を基本にし，炉心内に入れられる制御捧や
計装案内管を配置していない圧力管格子配置の相互間隔
を狭くするか、■特開昭４９−１０３０９１号公報に記
載のように、カランドリアタンク内の重水減速材中に炭
素捧を配置するか、■特開昭６１−　２６８９１号公報
に記載のように圧力管と重水管とを交互に配列する構造
とするか，■特開昭５２−６１６９７号公報に記載のよ
うに圧力管内に水封入捧を挿入するか、■特開昭５２−
１０００７３号公報に記載のようにカランドリア管の外
径を炉心中央部で他よりも大きくする構造が提案されて
いた．〔発明が解決しようとする課題〕 圧力管を正方格子状に配列した従来の圧力管型原子炉は
、圧力管やカランドリア管がカランドリアタンクを貫通
している関係上、圧力管の配列格子間隔を狭めると、そ
のカランドリアタンクに設けた貫通穴のピッチも狭くな
り、カランドリアタンクの強度が低下する。このために
圧力管を正方格子状に配列した従来の圧力管型原子炉は
、圧力管の配列格子間隔を狭めにくい．このために核燃
料に対する重水の割合が多くなる傾向に有る。このよう
な傾向のものは、ボイド反応度が正の大きな値を示しや
すくて，原子炉の自己制御性が低く成りがちとなる。

この点を解消するのに、上記■〜■のものが提案されて
いる．しかし，■では、圧力管の配置ピッチが複雑にな
るので炉心性能評価や運転管理が悪く，且つ部分的に圧
力管配置ピッチを狭めることから圧力管が貫通するカラ
ンドリアタンクの強度が部分的に低下しやすく、これを
クリアするにはカランドリアタンクが大型化する傾向に
有る．■の手段では、炭素捧を一部重水と置き換えるの
であるが炭素捧自体が比較的大きな中性子吸収体である
から中性子経済性が悪く且つ圧力管同志の間に炭素棒を
単に圧力管と並行にして据付るからカランドリアタンク
が大きくなる傾向がある。■の手段では，■の手段と同
様に重水管が単に圧力管と並行に設置されることにより
据付るからカランドリアタンクが大きくなる傾向がある
。■の手段では，圧力管内に水封入捧を圧力管内の一部
燃料棒と入れ替えるものであるから燃料が減ることに成
り、これをカバーするためには燃料をいれるスペースを
確保するのに圧力管とその圧力管を収納するカランドリ
アタンクが大きくなる傾向に有る．■の手段では、カラ
ンドリア管の途中の直径を他よりも太くしたものである
からそのカランドリア管をカランドリアタンクに差し込
んで組立るに際し、カランドリア管を差し入れるために
カランドリアタンクに開けられた穴の直径が大きくせざ
る得す、おのずと強度を確保するためにその穴の間隔も
広げざる得す、カランドリアタンクが大きくなる． このようにカランドリアタンクが大きくなるとその中に
入る重水の量も大きくなりがちか，あるいは重水量減少
効果が少ない。このため，重水対燃料体積比を小さくし
て原子炉の自己制御性能を向上するという改善効果が少
ないし、カランドリアタンクも大きくなることが想定さ
れる．本発明の目的は、カランドリアタンクを大きくす
ることなく原子炉の制御性能を向上させることに有る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的を達成するための，第１の手段は、核燃料
が納められており冷却材が通る圧力管をカランドリア管
内に納め，そのカランドリア管が重水を納めたカランド
リアタンク内に配列された重水減速圧力管型原子炉にお
いて，前記圧力管を正三角形格子状に配列したことを特
徴とした圧力管型原子炉であり、第２の手段は、核燃料
が納められており冷却材が通る圧力管をカランドリア管
内に納め，そのカランドリア管が重水を納めたカランド
リアタンク内に配列されている重水減速圧力管型原子炉
において、前記カランドリア管の外周囲にその外周囲近
傍の前記重水と置換された前記カランドリア管とは別に
中性子吸収の少ない置換物が配置されていることを特徴
とした圧力管型原子炉であり、第３の手段は，カランド
リアタンクの構成部材に前記カランドリアタンクに通し
たカランドリア管を液密に取付けて重水の保有領域を作
る圧力管型原子炉において、前記カランドリアタンクの
構成部材に前記カランドリア管を固定してから中性子吸
収の少ない材質から或り複数に分割された筒を前記カラ
ンドリア管外周囲に搬入して前記複数に分割された筒を
前記カランドリア管の外周囲を覆う形状に組立ることを
特徴とした圧力管型原子炉の組立方法であり、第４の手
段は，カランドリアタンクの構成部材に前記カランドリ
アタンクに通したカランドリア管を液密に取付けて重水
の保有領域を作る圧力管型原子炉において、中性子吸収
の少ない材質から成る筒状部材を前記重水の一保有領域
に搬入し、次に前記カランドリアタンクの構成部材に前
記カランドリア管を挿通する際に前記搬入済の筒状部材
にも前記力ランドリア管を挿通し，その後に前記カラン
ドリアタンクの構成部材に前記カランドリア管を取付け
ることを特徴とした圧力管型原子炉の組立方法であり、
第５の手段は、圧力管型原子炉のカランドリア管の外周
囲に配置される部材であって、前記部材は中性子吸収の
少ない材質から成り，組立形状が前記カランドリア管が
挿通できる大きさの筒状部材であることを特徴とした圧
力管型原子炉の重水減速材の置換物を利用することであ
り，第６の手段は，第ｌまたは２の手段において、重水
対燃料体積比が９．０　以下に成る密度にて前記圧力管
を正三角形格子状に配列したことを特徴とした圧力管型
原子炉であり、第７の手段は，第６の手段において、前
記圧力管のいくつかに代えて当該配列位置に原子炉の制
御棒案内管または中性子計装案内管またはボイズン管を
配置したことを特徴とした圧力管型原子炉であり，第８
の手段は，第ｌまたは２または６の手段において、前記
圧力管のいくつかの内部の冷却材中に燃料フォロア付き
制御棒を配置したことを特徴とした圧力管型原子炉であ
り、第９の手段は、第１．２，６，７．８のいずれかー
の手段において、重水の置換物として前記カランドリア
管の外周囲を包囲する様に中性子吸収の少ない材質から
成る金属が前記カランドリア管とは別に配置されている
ことを特徴とした圧力管型原子炉であり、第１０の手段
は、第９の手段において、前記金属は組立形状が前記カ
ランドリア管の外周囲を包四する筒を成していることを
特徴とした圧力管型原子炉であり、第１１の手段は、第
１０の手段において、前記筒は前記筒の壁自体が中空で
あることを特徴とした圧力管型原子炉であり、第工２の
手段は、第９．１０．１１のいずれかーの手段において
、前記筒は周方向または軸方向の少なくとも一方向に分
割された複数の部品から成ることを特徴とした圧力管型
原子炉であり、第１３の手段は、第２，９のいずれかー
の手段において、前記置換物の材質はジルコニウム合金
またはアルミニュウムまたはアルミニュウム合金である
ことを特徴とした圧力管型原子炉であり、第工４の手段
は、第２．９，１０，１１，１２，１３のいずれかーの
手段において、前記カランドリア管は正三角形状に配列
されていることを特徴とした圧力管型原子炉であり，第
１５の手段は、第９．１０，１１，１２．１３のいずれ
かーの手段において、前記筒は前記カランドリアタンク
内の比較的出力密度の高い領域に配置されていることを
特徴とした圧力管型原子炉であり、第ｌ６の手段は、第
１５の手段において，前記筒は出力密度に比例して厚さ
を厚くされていることを特徴とした圧力管型原子炉であ
る。

〔作用〕

第１の手段では、圧力管の配列を三角形格子状に配列す
ることにより、圧力管同志の間隔を小さくすることなく
重水の燃料に対する体積割合を少なくすることができる
．その原理は次ぎのとおりである。

即ち、圧力管一本当たりに割り当てられる重水量は，第
１１図の断面図で考えると，斜線を施した面積Ｓｓで表
され，次式で求められる。

ｓｔ＝　Ｊ丁（１１２−πＲ工２）／２　　　　　・・
・（１）ただし、１１＝格子間隔 Ｒｌ＝カランドリア管外半径 一方、正方形格子状に配列した圧力管１本当たりに割り
当てられる重水量は，第１２図の断面図で考えると、斜
線を施した面積Ｓ２で表され、次式で求められる。

Ｓｚ”ｌｇ”−πＲ２２　　　　　　　　　　　・・・
（２）ただし、１ｚ＝格子間隔 Ｒｚ＝カランドリア管外半径 ここで、三角形格子と正方形格子について、格子間隔及
びカランドリア管径がそれぞれ等しい場合を考え，　　
ｌｘ　＝　ｌｘ　＝　１　，　Ｒｔ　＝Ｒｚ　＝Ｒとお
くと，正三角形格子状配列と正方形格子状配列とを比較
したときとの圧力管１本当たりに割り当てられる重水体
積の減少割合ΔＭは、次式で求められる。

ΔＭ　＝　（Ｓ　２　−　８　１）／　Ｓ　２＝（１−
　Ｆ／２）Ｘ　（１−π（Ｒ／１）２）−１・・・（３
） ここで、具体的に．１＝２４ａｍ，Ｒ＝８ｃｎの場今を
考え，（３）式に代入すると、減少割合ΔＭ＝０．２１
　となる． また、カランドリアタンクの大きさを左右する炉心部直
径の減少割合ΔＬは、次式で求められる．ΔＬ＝（ム］
一　月ゴ）／Ｅ几 ＝１−（バ／２）０・５ま０．０　７　　　　・・・（
４）即ち、格子間隔が同じ場合，重水量を大幅に（上記
の例では約２１％）削減でき、炉心直径を７％縮小でき
る。

したがって、正三角形格子状配列によれば、圧力管同志
の間隔を少なくすることなく重水体積を削減し、同じ燃
料に対する重水の体積比を小さくでき、また、カランド
リアタンクを小さく出来るので運転性能が良くなり、経
済性の点でも有利と成る。

第２の手段によれば，カランドリア管の外周囲に置換物
を配置して一部重水の代わりに存在しているからカラン
ドリア管廻りの重水量が減り，同じ燃料に対する重水対
燃料体積比を小さくでき，また、置換物は圧力管の外周
囲に置かれるから圧力管から置換物を離してカランドリ
ア管同志の間に置くよりもカランドリアタンクを小さく
出来る。

重水対燃料体積比（Ｄ／Ｆ）は、厚さｔの置換物を圧力
管の外周囲に連続して置いた状態（置換物が円筒状）の
場合，次式で求められる。

Ｄ／　Ｆ　＝　（　１”　−　π（Ｒ＋　ｔ）”）／　
ｎ　７Ｃ　ｒ”　−（５）ただし，１＝格子間隔 Ｒ＝カランドリア管外半径 ｎ＝燃料集合体当たりの燃料棒本数 ｒ＝燃料ペレット半径 重水対燃料体積比Ｄ／Ｆの改善幅ΔＤ／Ｆは、（５）式
から，次式で求められる． ΔＤ／　Ｆ　＝　　（　ｙｃ　（Ｒ　十ｔ　）”−ｔｃ
　Ｒ２）÷ｎｚｒ２・・・（６） 第３の手段によれば、一部の重水と置き代わる置換物が
分割されてカランドリア管の外周囲に搬入されてその外
周囲に組付けられるから置換物の据付作業スペースも圧
力管同志の間隔も大きくせずに済、カランドリアタンク
を大きくせずに重水対燃料体積比を改善できる炉心が構
築できる。

第４の手段によれば、カランドリアタンクにカランドリ
ア管を差し込むに際して、先に筒状部材をカランドリア
タンク内に搬入しておき、カランドリアタンクにカラン
ドリア管を差し込むと同時にカランドリア管を筒状部材
内に差し込んで、カランドリアタンク内に大きな作業空
間無しにカランドリア管の外周囲に重水の置換物として
筒状部材を配置することができる。

第５の手段によれば，カランドリア管の外周囲を覆う筒
状の重水の置換物が得られるから，これをカランドリア
管の外周囲を覆うように利用してカランドリア管の外周
囲の重水をその置換物に置き換えて重水対燃料体積比を
改善するように利用される。

第６の手段によれば，第１または第２の手段による作用
に加えて．前記圧力管を正三角形格子状に配列するに際
して，重水対燃料体積比が９．０以下に成る密度にて配
列したから，圧力管内の冷却材ボイド反応度係数が確実
に零近傍ないしは負の領域になり、原子炉炉心の自己制
御性能がより一層向上する。

第７の手段によれば、第６の手段による作用に加えて、
圧力管のほかに原子炉の制御捧案内管または中性子計装
案内管またはボイズン管を含んで全部の管の配置が重水
量が削減できる三角形格子状配置と成り、重水量が削減
されやすくなる。

第８の手段は、第１または２または６の手段による作用
に加えて、前記圧力管のいくつかの内部の冷却材中に挿
入された燃料フォロア付き制御棒はその圧力管内を流れ
る冷却材にて冷却される作用が得られる。

第９の手段によれば、第１．２，６，７．８のいずれか
ーの手段による作用に加えて、カランドリア管を包囲し
ている重水の置換物が中性子吸収能力が少ないから、中
性子経済が悪化することなく良好に維持される。

第１０の手段によれば、第９の手段による作用に加えて
、カランドリア管の外周囲は筒で包囲されているから，
カランドリア管の外周囲から均等に重水が筒に置換され
て、燃料に影響する中性子の強さが周囲均等に或りやす
い。

第Ｌ｛の手段によれば、第１０の手段による作用に加え
て、前記筒は前記筒の檗自体が中空であるから、中性子
経済はより一層良く成り、中空の体積分も重水が置換さ
れるから、多くの重水を軽量な構造にて置換する作用が
得られる．第１２の手段によれば、第９．１０．１１の
いずれかーの手段による作用に加えて、筒の分割された
複数の部品は，部品のままカランドリアタンク内に搬入
され、その後に全体に組立られるから、組立が小スペー
スで行える作用が得られる。

第１３の手段によれば，第２，９のいずれか一の手段に
よる作用に加えて，置換物の材質はジルコニウム合金ま
たはアルミニュウムまたはアルミニュウム合金であるか
ら、これらの材質が中性子を吸収しにくく、中性子経済
が良くなる。

第１４の手段によれば、第２，９．１０，１１，１２，
１３のいずれかーの手段による作用に加えて、カランド
リア管を正三角形状に配列することと置換物による重水
との置換との両方により重水対燃料体積比を改善し，配
列ないしは置換物の利用のいずれか一方では重水対燃料
体積比を調整しにくい場合には他方をも併用して調整し
やすくなるという作用が得られる． 第１５の手段によれば、第９．１０，１１，１２．１３
のいずれかーの手段による作用に加えて，前記筒は前記
カランドリアタンク内の比較的出力密度の高い領域に配
置されているから出力密度が低い領域との出力のバラン
スが取り易くなり、その領域を原子炉炉心の軸方向ない
しは径方向ないしはその両方向に分けることにより分け
た方向における出力分布の平坦化が行えるという作用が
得られる． 第１６の手段によれば、第１５の手段による作用に加え
て、前記筒は出力密度に比例して厚さを厚くされている
から出力密度の高い領域において出力密度が高くなるに
したがい重水との置換量が多く知り、出力密度の高い領
域において更に重水対燃料体積比が出力密度に比例して
調整されるという作用が得られる。

〔実施例〕

本発明により正三角形格子状に配列した圧力管型原子炉
の一実施例を第工図および第２図により説明する。

第ｌ図は，本発明によるカランドリアタンク内のカラン
ドリア管等の配列を示す図である．図において，カラン
ドリアタンク２内には、原子炉の定格出力を得るのに必
要な数のカランドリア管１が正三角形格子状に配列され
、これらの格子点の間には制御および計測に必要な数の
制御捧案内管４や中性子計装管５が配置されている。こ
れらのカランドリア管１，制御捧案内管４，中性子計装
ｆＲ５は、第２図に示すように、カランドリアタンク２
内に重水を保有できるように，上部管板６および下部管
板７と密封接合されている．このようなカランドリア管
１の正三角形格子状の配列によれば，第１４図および第
１５図の示す従来の正方形格子状の配列と比べて、既に
説明したように，重水の体積を削減できる効果がある． ただし、本発明においては、制御棒案内管４を設置する
に際して、以下の点に注意しなければならない．第３図
に示すように、制御棒案内管４，中性子計装管５，ボイ
ズン管等の制御および計装用配管を三角形格子の中央部
に配置する場合、これらの配管およびカランドリア管１
と上部管板６との接合部（通例はロールジョイント）の
機械的強度を確保するため，これらの配管の内で最大口
径のもの（通常は制御棒案内管４）とカランドリア管１
との最小間隙８を確保しなければならず，この条件から
これらの管の許容最大口径が決まる．正三角形格子は正
方形格子と比較して、この許容最大寸法が小さくなるの
で、太い制御捧案内管４を用いる必要がある場合は、三
角形格子をなすいくつかの圧力管１の位置に制御捧案内
管４を配置することになる．この場合は、圧力管なので
、十分な冷却が可能であり、燃料フォロア付き制御棒を
用いることができる。

まず、正三角形格子でのより具体的な実施例を示す．制
御捧案内管４を圧力管工の位置に設ける場合、格子寸法
を２５備とし、５４本燃料集合体を採用した大型炉で．
重水対燃料体積比を８．０に設計した場合の主要寸法を
以下に示す．格子間隔１：２５．Ｏ■ 圧力管内径：１２ａａ 配列：正三角形格子状配列 燃料集合体中の燃料捧本数：５４本 燃料ペレット直径：　１．ＯＣ！１ カランドリア管炉心部外径＝１６国 で重水対燃料体積比８．０　が達或される．次に、第５
図および第６図を参照して、正方形格子状配列の圧力管
の外周に円筒を配置する実施例を説明する。第５図は本
発明のカランドリアタンク２内部の単位となる４本の正
方形格子状配列のカランドリア管１について，カランド
リア管１の外周に円筒９を取り付けた構造の一実施例を
示す同である。円筒９は、ジルカロイ−２，ジルコニウ
ム一二オブ合金，アルミニウム合金等の中性子吸収が少
なく、機械的強度を持つ金属等の材質からなる．円筒９
は，取り付けが容易なように、周方向に２または３分割
でき，止め具１１を第１２図のように止め具差し込み方
向１２へ動かして第１０図のように組立る。また，必要
により円筒９は軸方向にも短＜　（５０ａ＋＋〜２００
■）分割してあり，第６図に示すように，カランドリア
管１をカランドリアタンク２の上部管板６および下部管
板７に接続した後に，カランドリアタンク２内に搬入し
、容易に取り付けできる構造となっている。

すべての円筒９の取り付け後、減速材としての重水１０
をカランドリアタンク２内に満たす。

第７図に示すように、制御棒案内管４がカランドリアタ
ンク２の上部管板６を貫通する部分では，カランドリア
管１および制御棒案内管４と上部管板６との接合部の機
械的強度を確保するため、カランドリア管ｌと制御棒案
内管４との最小間隙８の必要寸法を確保しなければなら
ない．通常，上部管板６のカランドリア管径を大きくす
ることが困難なので，従来は，第６図に示すように，カ
ランドリアタンク２内炉心部のカランドリア管１の径を
上部よりも大きくする構造を採用している． しかし、カランドリア管の拡管または絞り部分の形状に
は、製作上および機械的構造上限界があるので、カラン
ドリアタンク内のカランドリア管径を極端に大きくする
ことは困難である．そこで、本発明では，円筒９をカラ
ンドリア管１の外周に配置し，この不足分を改善する構
造を提案するものである． 原子炉出力の制御および計測に必要な本数の制御捧案内
管４および中性子径装管５は、第７図に示すように、カ
ランドリア管配列の間隙に適宜配置される． 次に，円筒９の効果を定量的に示すより具体的な実施例
を説明する。配列は，第８図に示すように、正方形格子
状の配列とする． 格子間隔１　：　２４．５０ カランドリア管外半径Ｒ：８ａｍ 燃料集合体の燃料棒本数ｎ：５４ 燃料ペレット半径ｒ　：　０．５ａｍ 円筒の厚さｔ　：　１．Ｏｃｍ を適用すると，重水対燃料体積比を９．４　から８．１
　に改善できる。

さらに、経済性を発揮させるため，第１３図にしめすよ
うに、円筒の壁自体を中空構造とした円筒を用いること
も可能である。中空円筒の外板１３および内板１４はジ
ルカロイ−２またはアルミニウム合金（１　１　０　０
）で，必要な場合はスペーサｌ６により中空部の間隙を
維持し、分割端１５を止め具１１または溶接で固定する
。この分割端１５には溶接個所１８により外板１３と内
板１４の周方向端部が液密に溶接され、その対面しあう
各分割端１５が止め具１１により連結されている．そし
て、その中空円筒の軸方向各端部は液密に塞がれて中空
部ｌ７が形或されている。中空円筒の有効厚さは，外板
ｌ３の外面から内板１４の内面までである。有効厚さｔ
＝１．２ｃｎの中空円筒を 格子間隔１　：　２４（！Ｉ１ カランドリア管外半径Ｒ：８（！１ 燃料集合体中の燃料捧本数ｎ：４８ 燃料ペレット半径ｒ　：　０．５ａｎ の正方形格子の商用炉に適用した場合，重水対燃料体積
比を１０から８．２　に改善可能である。

次に，制御捧案内管４を三角形格子の中央部に設け、さ
らに、重水対燃料体積比を十分に改善するために、カラ
ンドリア管の外周に円筒を配置した実施例を説明する。

例えば， 圧力管内径：１２ｄｌ 配列：正三角形格子状配列 格子ピツチ：２５．５Ｃ！Ｉ１ 燃料集合体中の燃料捧本数＝５４本 燃料ペレット直径：　１．０ａｍ カランドリア管炉心部外径：１６ａａ カランドリア管上部管外径：１５（２ｍ制御捧案内管外
径＝５口 上部管板部の最小間隙：　４．７ａｍ 円ｗＪ壁実効厚さ：　０．５ｃｎ 重水対燃料体積比：７．９ となる． 以上述べた４つの実施例によれば、重水対燃料体積比を
適切に設計できることが明らかとなった。

ボイド係数は、使用する燃料の種類（プルトニウム混合
酸化物燃料，２酸化ウラン燃料）、組或，濃縮度等によ
り変わるが，本発明によれば、重水対燃料体積比を最適
に設計できるので，第６図に示すように、ボイド係数を
１０−’Δｋ／ｋ／％のボイドのオーダＯ近傍の値にで
き、良好な運転性能が得られる。

さらに、炉心直径を縮小し，重水の量を削減できるので
，経済的な面でも有利である。

円筒９のカランドリア管１廻りへの取付けはカランドリ
ア管１をカランドリアタンク２に取付ける前に完成済み
の円筒９を下部管板７上に置き、下部管板７にカランド
リア管１を挿通子る際に同時にカランドリア管１内にも
カランドリア管ｌを挿入してカランドリア管１の外周囲
に重水の置換物として円筒９を存在させる製作方法が取
られる。

この方法によれば、狭い場所でカランドリア管１廻りで
の円ｇＪ９の組立作業をせずにすむし、作業スペースを
確保するためにカランドリア管１ｆｆｌりに広い間隔を
用意する必要も少なくなる。円筒９は、スペーサを介し
て上千両管板７，８の間にはさみこまれるように設置さ
れる。

カランドリア管１を三角形格子状に炉心内に配列したも
のによれば、重水対燃料体積比を適切に設定でき，冷却
材ボイド係数等の反応度係数をより負側の値にして，Ｊ
ＪＸ子炉固有に自己制御性能を向上できる．格子間隔を
従来と同じにした場合，重水量を約２０％、炉心直径を
約７％削減できるので，経済的に有利となる。

また、カランドリア管１の外周囲に重水の置換物として
円筒を取り付けると，ボイド係数等の反応度係数をより
負側の値にすることができるので、自己制御性と運転制
御性とが向上する。加えて，カランドリア管の機械的強
度が増す効果も有る。

さらに、三角形格子状配列と円筒とを併用すると、運転
性および経済性を高めるための設計の自由度が大幅に向
上する。

本発明の次ぎの実施例は，上述の各実施例が解決した課
題に加えて，圧力管型原子炉の出力分布を極力均等にす
ることを解決課題として有している． その実施例は，次ぎのとおりである。

通例，重水を減速材とする原子炉の設計範囲では、第４
図に示すように重水対燃料体積比が小さくなると、冷却
材ボイド反応度係数は小さくなる（自己制御性が向上す
る。）傾向が有る．また、第１４図に示すように、重水
減速材体積／燃料体積の比が小さくなると、中性子増倍
係数は小さくなる傾向が有る。

一般に、同一燃料では、中性子増倍係数が大きいほど燃
料の燃焼度を大きく取れる（燃料経済性が良い）利点が
有る。

このために、自己制御性と燃料経済性との兼ね合いから
、適切な重水対燃料体積比が選択される。

また，炉心内の周縁部では炉心内の中心部に比較して中
性子が漏れるので中性子増倍係数が小さくなり、出力密
度も小さく，出力分布の平坦化に悪影響が出る． したがって、以下の実施例では、自己制御性の向上と，
出力分布の平坦化を同時に達成できるようにしたもので
ある。

第１７図は、カランドリアタンク２内のカランドリア管
１や中性子計装管や制御捧案内管の平面配置を炉心の４
分の１の領域につき示したもので、カランドリア管１内
には，第１９図のように冷却材２２の通る圧力管３が内
蔵され，その圧力管３内にペレット状の核燃料を内蔵し
た燃料棒２１が内蔵している。重水１０が入れられたカ
ランドリアタンク２内には，圧力管型原子炉の定格出力
を得るに必要な数のカランドリア管ｌが正方形格子状に
配列され、これらの格子の間には所々に炉心の制御や計
装に必要な制御棒案内管４や中性子計装管５が配置され
ている．また、必要により，炉心の出力を制御するため
にポイズンを炉心の重水に注入する為のボイズン管も配
置される．これらの各管は，カランドリアタンク２内へ
挿通されており、且つカランドリアタンク２内に重水が
保有出来るように各管とカランドリアタンク２の上部管
板６及び下部管板７とに密封接合されている．第工７図
，第１８図，第ｌ９図の様に、カランドリアタンク２内
にある炉心中央部のカランドリア管工の外周囲に円筒９
が配置される。この円筒９は、カランドリア管１に支持
させるように取付けても，スペーサをはかして下部管板
７に支持させるようにしても良い。

円筒９の材質としては，ジルコニュウム合金（ジノレカ
ロイ−２，ジノレカロイ−４，ジルコニュウム・ニオブ
合金など）またはアルミニュウムまたはアルミニュウム
合金が中性子吸収の少ない金属として利用される。

円筒９は重水との置換体積を大きくするために，第工７
図のように円筒９の壁自体が中空部１７になっており、
その中空部１７内はヘリウムやアルゴンなどの化学的に
安定な気体が満たされている。

先の実施例においても円筒９を中空にするものにおいて
はその中空部１７にヘリウムやアルゴンなどの化学的に
安定な気体が満たされることが好ましい．この気体が逃
げないように中空部１７は先の実施例のように密封され
ている。この円筒９は、先の実施例と同様に据付を考慮
して分割されていても良く，分割した際にはその分割端
は先の実施例のように止め具で連結できるように構成さ
れる．冷却材が流れている圧力管に内蔵している燃料捧
は、６０本を燃料集合体として，その燃料集合体が圧力
管内に内蔵される． 以下に、重水の置換物として壁自体が中空な円筒９をカ
ランドリア管１の外周囲に配備した例を定量的に説明す
る． 本例では，重水を減速材とし，軽水を冷却とする電気帛
力が１，ＯＯＯＭＷの圧力管型原子炉に本発明を採用し
た例である．その設計例を以下に示す．電気出力：　１
，ＯＯＯＭＷ 圧力管本数：６８８本 燃料集合体の燃料捧本数ｎ：６０本 炉心部有効高さ：　３．７ｍ 炉心部半径：　７．８ｍ 燃料ペレット半径ｒ　：　０．４　７　５ａｍ圧力管内
径：１２．３ｃｍ 圧力管格子間隔１　：　２４．５（１ｍカランドリア管
外半径Ｒ：８．２５ａｍ制御捧案内管外径：９．５０ 中空円筒の有効厚さｔ　：　１．８（！ｍ中空円筒を設
置するカランドリア管１本数：３４４本 中空円筒を設置する軸方向長さ．：２．２２ｍ上部管板
部の最小間隙：　４．３ａ＋＋（カランドリア管１と制
御捧案内管４との間隔）この設計例で、筒を取付けない
部分の重水対燃料体積比は９．１　であり、筒を取付け
た部分（炉心中央部）のそれは６．７である．このよう
に，炉心中央部の重水対燃料体積比を周辺部より小さく
すると、第１６図からわかるように、炉心中央部の中性
子増倍係数が，周辺部に比べ，より小さくなる。このた
めに、中央部の中性子発生数が減少し，周辺部の中性子
漏れによる周辺部の出力低下と相俟って、第２０図のよ
うに、出力ビーキング係数を示す曲線が点線曲線より実
線曲線の様に変り，炉心軸方向（上下方向）の出力分布
が平坦化する．このようなことは、炉心径方向において
も同じことがいえるから、炉心の軸方向と径方向の出力
分布を平坦化できる。

上述の設計例で，炉心の総合した（実効的な）重水対燃
料体積比は８近傍と成り、第４図に示すように、ボイド
係数を１０−”ΔＫ／ｋ／％ボイドのオーダで０近傍の
値に出来、良好な運転性能が得られるとともに中性子経
済を極力損ねることなく出力分布を約２０％改善できる
ので、経済的な面でも有利である．このように、この実
施例によれば、重水対燃料棒体積比を適切に設定出来，
冷却材ボイド係数をより負側の値にし、原子炉固有の自
己制御性能を向上できる。加えて、出力密度の高い部分
に部分的に円筒９を配備して炉内の出力分布を平坦化で
きるから、その平坦化の為の制御棒の本数を削減できる
とともに，炉心性能管理が容易と成るなど，Ｍ転性能上
及び経済上の大きなメリットがある。

円筒９は，炉心の径方向中心に近い位置に配置される円
筒９ほど厚くされていると、径方向の出力平坦化がより
良くなされる．それに加えて、軸方向中心に行くほど筒
９のＪｇみを厚くすると軸方向の出力平坦化もより良く
なされる。

さらに，カランドリア管の配列を三角形格子状配列にす
ると，この配列によっても重水対燃料体積比の調整がカ
ランドリアタンクを大きくすることなく行えるから、そ
の調整や設計の自由度が広がる。

いずれの実施例であっても、カランドリア管と筒との間
に重水が流れる若干の隙間が設定されることが好ましい
． 〔発明の効果〕 請求項ｌの発明によれば、カランドリア管の配置を正三
角形格子状配置にてカランドリアタンク内に配列したか
ら、カランドリア管一本当たりの重水量が減り、自己制
御性能が良くなる為の重水対燃料捧比の改善を行え、そ
の際にその重水を保有するカランドリタタンクも大型化
しない。

請求項２の発明によれば、カランドリア管の外周囲に中
性子経済を損なわないように重水との置換物として中性
子吸収の少ない置換物を配備するから，置換物による重
水対燃料棒体積比の改善が、中性子経済良く行え、皿つ
置換物はカランドリア管とは別にカランドリア管の外周
囲に近接させて配置するからカランドリアタンクの大型
化を伴わないで制御性能を経済的に向上できる。

請求項３の発明によれば、請求項２と同様な効果を得る
ことの出来る炉心構成を、カランドリア管設定後に分割
された筒状の構造物を置換物として搬入し置換物をカラ
ンドリア管廻りに筒状に組み上げるようにしたから、筒
状置換物の搬入組立が狭いところでも容易に帛来、容易
に作れる．請求項４の発明によれば，請求項２と同様な
効果を得ることの出来る炉心構成を、カランドリア管設
定時に同時にカランドリア管を筒状置換物に挿入して，
容易に作れる。

請求項５の発明によれば、重水対燃料捧体積比を自己制
御性が向上する方向へ改善させ、その際にカランドリア
タンクの大型化をまねかないのに役立つ重水の置換物が
提供できる。

請求項６の発明によれば、請求項１または２にの発明に
よる効果に加えて、重水対燃料捧体積比を９．０以下に
して，確実にボイド係数を零近傍ないしは負の領域にし
、自己制御性能を確実に向上する． 請求項７の発明によれば、請求項６の発明による効果に
加えて、カランドリア管以外の炉心内の管をも含む全体
の管について重水対燃料捧体積比を自己制御性能の良い
方向へ改警するための配置が行いやすい。

請求項８の発明によれば、請求項１，２．６のいずれか
の発明による効果に加えて、制御捧が圧力管内の冷却材
で冷却できるから，制御捧として燃料フォロア付き制御
棒が利用できるようになる。

請求項９の発明によれば、請求項１，２，６，７，８，
９のいずれかの発明による効果に加えて、中性子吸収の
少ない金属が置換物としてカランドリア管の外周囲を包
囲するから中性子経済性が良くて且つ燃料に対する中性
子の影響が均等にえられる。

請求項１０の発明によれば、請求項９の効果を得る際に
置換物として，プレスや引抜き加工で得やすい筒状或い
は分割された筒状にして得ることが出来る．請求項１１
の発明によれば、請求項１０の発明による効果に加えて
、筒が中空であるから軽量な割には重水との置換量が大
きく，且つ厚みが厚い割には中空で中性子吸収が少ない
から，より経済的に重水対燃料体積比の改善が威される
．請求項１２の発明によれば、請求項９または１０また
は１１の発明による効果に加えて、筒が分割されている
から、炉心内への搬入組立が狭くても容易に或せる。

請求項１３の発明によれば、請求項２または９の発明に
よる効果に加えて、置換物の材質をジルコニュウム合金
あるいはアルミニュウムあるいはアルミニュウム合金と
することで中性子吸収の少ない性質はもちろんのこと耐
腐食及び強度も十分に太られる実用的なる構造が得られ
る．請求項ｌ４の発明によれば、請求項２，９，１０，
１１，１２，１３のいずれかの発明による効果に加えて
，カランドリア管の配列の工夫によつても重水対燃料体
積比をカランドリアタンクを大きくすることなく或せる
から、設計の自由度が広がる。

請求項１５の発明によれば，請求項９，１０，１１，１
２．１３のいずれかの発明による効果に加えて、炉心の
中でも比較的出力密度の高い領域のカランドリア管に筒
が採用されて，他には採用しないから，中性子経済が良
く、出力分布の平坦化が成せる。

請求項１６の発明によれば、請求項１５の発明による効
果に加えて、炉心内の各出力密度領域ごとに筒の厚みを
変更して、あるいは筒の厚みが軸方向において異ならし
て、あるいはその両方を利用して、出力密度に比例して
筒の厚みを変えてあるから，出力分布の平坦化がよりよ
く行える。

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明による圧力管型原子炉の一実施例におけ
るカランドリア管の配列を示すカランドリアタンク内部
の平断面図、第２図は第１図の原子炉炉心部の構造を示
すカランドリアタンクの側断面図，第３図は第工図の実
施例の制御捧案内管または中性子計装管が含まれる部位
の単位となる圧力管の配列を示す拡大図，第４図は圧力
管型原子炉のボイド反応度係数と重水対燃料体積比との
関係を示すグラフ口、第５図は本発明による圧力管型原
子炉のカランドリアタンク内のカランドリア管の外側に
円筒を取り付けた実施例を示す平断面図、第６図は第５
図の実施例のカランドリア管部の縦断面図、第７図は第
６図の実施例の上部管板の管の貫通状態を示す平図、第
８図は第５図の実施例のカランドリアタンク内部の管の
全体の配列を示す断面図、第９図は本発明の図であり，
止め具による円筒の取り付け状況を示す斜視図、第１０
図は本発明の図であり、止め具による円筒の取り付け状
況を示す平断面の部分図、第１１図は本発明の図であり
管の正三角形状の配列の配置図，第１２図は管の正方格
子状の配列の配置図、第１３図は本発明の図であり、中
空構造の円筒の一部を示す平断而図，第１４図は従来の
カランドリア管の配列のーを示す図、第１５図は第１４
図の従来例の単位となる圧力管の配列を示す配置図、第
１６図は圧力管型原子炉の中性子増倍係数と重水対燃料
体積比との関係を示すグラフ図、第１７図は、本発明の
図であり、圧力管型原子炉の炉心の４分の１の領域の平
断面図、第１８図は本発明の図であり、第ｌ７図の炉心
の２分の１の領域の縦断面図、第ｌ９図は本発明の図で
あり、カランドリア管内の４分のｌの領域の平断面図、
第２０図は本発明の図であり、炉心の軸方向における出
カピーキング係数を示したグラフ図である。 １・・・カランドリア管、２・・・カランドリアタンク
，３・・・圧力管，４・・・制御棒案内管、５・・・中
性子計装管，６・・・上部管板、７・・・下部管板、８
・・・最小間隙，９・・・円筒、１０・・・重水、１１
・・・止め具、１２・・・止め具差込み方向，１３・・
・中空円筒の外板、１４・・・中空円筒の内板、１５・
・・中空円筒の分割端、１６第 １ 図 第 ２ 図 第 ６ 図 ６ ９ ｌ２ 重水減速材体積／燃料体積 第 ５ 図 第 ７ 図 第 ８ 図 第 ９ 図 「　　差込み方向 第 １１ 図 第 １２ 図 第 １６ 図 ６　　　　９　　　　１２ 重水減速材体積／′燃料体積 第 １７ 図 第 ｌ３ 図 第 １４ 図 第 １５ 図 第 ｌ８ 図 第 １９ 図 第２０図 手続補正書（自発） 平　戊　２　年６　月　６日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核燃料が納められており冷却材が通る圧力管をカラ
   ンドリア管内に納め、そのカランドリア管が重水を納め
   たカランドリアタンク内に配列された重水減速圧力管型
   原子炉において、前記カランドリア管を正三角形格子状
   に配列したことを特徴とした圧力管型原子炉。 ２、核燃料が納められており冷却材が通る圧力管をカラ
   ンドリア管内に納め、そのカランドリア管が重水を納め
   たカランドリアタンク内に配列されている重水減速圧力
   管型原子炉において、前記カランドリア管の外周囲にそ
   の外周近傍の前記重水と置換された前記カランドリア管
   とは別に中性子吸収の少ない置換物が配置されているこ
   とを特徴とした圧力管型原子炉。 ３、カランドリアタンクの構成部材に前記カランドリア
   タンクに通したカランドリア管を液密に取付けて重水の
   保有領域を作る圧力管型原子炉において、前記カランド
   リアタンクの構成部材に前記カランドリア管を固定して
   から中性子吸収の少ない材質から成り複数に分割された
   筒を前記カランドリア管外周囲に搬入して前記複数に分
   割された筒を前記カランドリア管の外周囲を覆う形状に
   組立ることを特徴とした圧力管型原子炉の組立方法。 ４、カランドリアタンクの構成部材に前記カランドリア
   タンクに通したカランドリア管を液密に取付けて重水の
   保有領域を作る圧力管型原子炉において、中性子吸収の
   少ない材質から成る筒状部材を前記重水の保有領域に搬
   入し、次ぎに前記カランドリアタンクの構成部材に前記
   カランドリア管を挿通する際に前記搬入済の筒状部材に
   も前記カランドリア管を挿通し、その後に前記カランド
   リアタンクの構成部材に前記カランドリア管を取付ける
   ことを特徴とした圧力管型原子炉の組立方法。 ５、圧力管型原子炉のカランドリア管の外周囲に配置さ
   れる部材であつて、前記部材は中性子吸収の少ない材質
   から成り、組立形状が前記カランドリア管が挿通できる
   大きさの筒状部材であることを特徴とした圧力管型原子
   炉の重水減速材の置換物。 ６、請求項１または２において、重水対燃料体積比が９
   ．０以下に成る密度にて前記圧力管を正三角形格子状に
   配列したことを特徴とした圧力管型原子炉。 ７、請求項６において、前記圧力管のいくつかに代えて
   当該配列位置に原子炉の制御棒案内管または中性子計装
   案内管またはポイズン管を配置したことを特徴とした圧
   力管型原子炉。 ８、請求項１、２、６のいずれか一項において、前記圧
   力管のいくつかの内部の冷却材中に燃料フォロア付き制
   御棒を配置したことを特徴とした圧力管型原子炉。 ９、請求項１、２、６、７、８のいずれか一項において
   、重水の置換物として前記カランドリア管の外周囲を包
   囲する様に中性子吸収の少ない材質から成る金属が前記
   カランドリア管とは別に配置されていることを特徴とし
   た圧力管型原子炉。 １０、請求項９において、前記金属は組立形状が前記カ
   ランドリア管の外周囲を包囲する筒を成していることを
   特徴とした圧力管型原子炉。 １１、請求項１０において、前記筒は前記筒の壁自体が
   中空であることを特徴とした圧力管型原子炉。 １２、請求項９、１０、１１のいずれか一項において、
   前記筒は周方向または軸方向の少なくとも一方向に分割
   された複数の部品から成ることを特徴とした圧力管型原
   子炉。 １３、請求項２、９のいずれか一項において、前記置換
   物の材質はジルコニウム合金またはアルミニュウムまた
   はアルミニュウム合金であることを特徴とした圧力管型
   原子炉。 １４、請求項２、９、１０、１１、１２、１３のいずれ
   か一項において、前記カランドリア管は正三角形状に配
   列されていることを特徴とした圧力管型原子炉。 １５、請求項９、１０、１１、１２、１３のいずれか一
   項において、前記筒は前記カランドリアタンク内の比較
   的出力密度の高い領域に配置されていることを特徴とし
   た圧力管型原子炉。 １６、請求項１５において、前記筒は出力密度に比例し
   て厚さを厚くされていることを特徴とした圧力管型原子
   炉。