JPH03264893A

JPH03264893A - 原子炉の炉心

Info

Publication number: JPH03264893A
Application number: JP2062782A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Hida; 和毅肥田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-03-15
Filing date: 1990-03-15
Publication date: 1991-11-26

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）本発明は多数体の燃料集合体と、これらの燃料集合体の
間に挿入・引抜き可能に設けられた多数の制御棒とを備
えた沸騰水型原子炉の炉心に係り、特に経済性および安
全性を向上させるようにした原子炉の炉心に関する。

（従来の技術）従来の原子炉の炉心の例として、電気出力５２万ｋＷの
沸騰水型原子炉の横断面図を第５Ｆ１！Ｊに示す。

炉心は円筒形をした鋼鉄製のシュラウド１内に、高さ３
．７ｍの燃料集合体２をほぼ円形（半径１゜７ｍ）にな
るように多数体規則正しく等間隔で配列して構成され、
冷却水が炉心下部から上方へ向って流れるようになって
いる。これらの燃料集合体２は４体で１つのセルを構成
し、この１つのセルに１本の割合で制御棒３が炉心下部
から挿抜自在に設けられる。シュラウド１の外側はダウ
ンカマ部と呼ばれ、炉心を循環した冷却水が上部から下
方に向って流れるようになっている。

燃料集合体２は、第６図に示すように、チャンネルボッ
クス４内に多数本の燃料棒５が規則正しく配列されて収
容されている。燃料棒５はジルコニウム合金製の被覆管
６内に二酸化ウランを焼結した燃料ペレット７が充填さ
れて構成される。多数本の燃料棒５のうち一部の燃料棒
は、その中を冷却水が流れるウォータロッド８に置き代
っている。冷却水はチャンネルボックス４の下部からチ
ャンネルボックス４内に流入し、各燃料棒５の間を通っ
て上方へ流れる。各燃料棒５の間を流れる冷却水は、燃
料棒５からの熱を受けて沸騰し、気液二相流となってチ
ャンネルボックス４の上方からさらに昇流する。チャン
ネルボックス４の外側およびウォータロッド８内を流れ
る冷却水は沸騰しない。

制御棒３は断面十字状の支持部９の各突出脚にステンレ
ス製の断面Ｕ字形状のシース１０が溶接固定され、各シ
ース１０内にＢ４Ｃの粉末を充填した多数本の中性子吸
収棒１１が収容されている。

すなわち、制御棒３は支持部９から十字形状に延びる４
枚の（第６図では２枚のみ示す）ウィング１２を有する
形状に形成される。Ｂ４Ｃ中のＢ（ボロン）は、中性子
吸収断面積が大きいので、制御棒３を炉心に挿入するこ
とによって炉心の反応度か抑えられる。出力運転中は通
常１０本程度の制御棒３が炉心に挿入され、その挿入本
数や挿入進度によって原子炉の出力調整を行なっている
。

残りの大多数の制御棒は引き抜かれている。制御棒３の
もう１つの重要な役割は、原子炉内で何らかの異常が発
生した場合に、全ての制御棒３を速かに炉内に挿入して
、原子炉を迅速に停止すること（スクラム）である。

（発明が解決しようとする課題）制御棒３内のボロンは中性子を吸収すると中性子吸収断
面積の小さいＬｉ（リチウム）とＨｅ（ヘリウム）に変
わるので、炉内に挿入されて中性子の照射を受けた制御
棒３は、反応度制御能力が徐々に劣化する。このため、
定期検査時に制御棒３のうち中性子吸収能力の劣化が著
しいものは、劣化の小さいものと場所を入れ換えたり、
全く新しい制御棒３と交換したりしており、多大な手間
と多大な費用が必要となっている。

また、沸騰水型原子炉では、炉心上部に気水分離器や蒸
気乾燥器を備えているため、制御棒３は炉心下部から出
し入れされるようになっており、異常時に原子炉を緊急
停止する際には炉心下部から水圧で挿入される。このよ
うな緊急停止方法は、例えば炉心上部から制御棒３を出
し入れするようになっており、緊急時には重力による自
由落下によって炉心に挿入する停止方法に比べれば、後
者の方がより安全性が高いと言える。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、定期検
査時に制御棒を入れ換えたり交換したりする必要がなく
手間が省けると共に経済性が高く、また重力による自由
落下を利用することにより、緊急停止時における原子炉
の安全性を向上させることができる原子炉の炉心を提供
することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するため、本発明はチャンネルボック
スに多数本の燃料棒を収容してなる燃料集合体を多数体
規則正しく配列して構成し、これらの燃料集合体と燃料
集合体の間に挿入あるいは引抜きすることにより炉心の
反応度および出力を調整する多数の制御棒を備えた原子
炉の炉心において、上記多数の制御棒のうち少なくとも
一部を、内部に中性子吸収材を含まない中空制御棒とし
た。

（作用）一般に、炉心内を循環する冷却水は、中性子との相互作
用を通じて次のような２つの形で反応度に影響を与える
。

まず、核分裂反応によって生まれた高エネルギ中性子は
、核分裂を起こし易い低エネルギにまで減速する必要が
あるが、中性子は冷却水の中の水素原子と衝突を繰り返
すことによってエネルギを失う。すなわち、冷却水は減
速材として反応度を高める作用をする。この意味では、
冷却水の量が多い程反応度は高まる。

ところか一方、中性子は冷却水の中の水素原子と衝突し
た場合、ある確率で水素の原子核に吸収されて重水素と
なり、核分裂を起こさない。すなわち、冷却水のもう１
つの作用は、中性子吸収材として反応度を低下させるこ
とである。したがって、ある一定の燃料に対して、冷却
材の量はある程度までは増えると反応度が高まるが、増
え過ぎると第２の効果によって逆に反応度は低下してし
まう。

本発明による中空制御棒を用いれば、制御棒が炉心に挿
入された状態では、燃料で発生し制御棒内に流入してき
た中性子は、制御棒内て何も反応を起こさずに反対側の
燃料に吸収されて次の核分裂を起こすので、制御棒は炉
心の反応度に殆ど影響しない。ところが、制御棒を炉心
から引き抜くと、制御棒が挿入されていた領域は冷却水
で満たされるので、燃料で発生し制御棒が挿入されてい
た領域に流入してきた中性子は、反対側の燃料に到達す
る前に水に吸収されてしまい、炉心の反応度が低下する
。すなわち、炉心の反応度は、中空制御棒が挿入された
状態の方が引き抜かれた状態よりも高いので、大部分の
中空制御棒を挿入した状態で原子炉を運転し、全ての中
空制御棒を炉心から引き抜いて原子炉を停止することが
できる。

したがって、本発明によれば、運転中に炉内に挿入され
る中空制御棒は、中性子吸収材であるものを使用してい
ないのでその反応度制御能力の劣化かなく、制御棒を入
れ換えたり交換したりする必要がなく、手間が省けると
同時にコストの面でも大幅な改善となる。また、緊急時
に原子炉を停止させる場合には、炉内に挿入されている
制御棒を引き抜けばよいから、重力による自由落下を利
用することができ、緊急停止時における安全性を向上さ
せることができる。

（実施例）以下、本発明に係る原子炉の炉心の第１実施例について
添付図面を参照して説明する。

原子炉の炉心の全体構成については、第５図に示す場合
と同様であるため、重複説明を省略する。

また、第１図における燃料集合体２は第６図に示す燃料
集合体２と同一であるため同一の符号を付して重複説明
を省略する。

原子炉の炉心には第１図に示すように、中空制御棒１３
が備えられる。中空制御棒１３は中性子吸収の少ないジ
ルコニウム合金製のシース１４と、断面十字状の支持部
１５とから構成されている。

支持部１５はジルコニウムあるいはステンレスから成り
、４つの突出脚が形成される。これらの各突出脚には断
面Ｕ字形状のシース１４が一体または一体的に接合され
る。各シース１４は支持部１５の周りに４枚の（第１図
においては２枚のみ図示する）ウィング１６を形成して
いる。各シース１４内には中空状の空間１７が形成され
る。空間１７内には中性子吸収材は充填されず、中性子
吸収能力を有しない高圧の気体が充填される。各ウィン
グ１６の厚さ１は例えば４ｃｍ程度に形成される。−点
鎖線Ｂは１つの燃料集合体２が占める領域を示しており
、ウィング１６の幅Ｗはこの領域の１辺の長さに等しく
形成されている。炉心の高さは第５図に示す場合と同様
であり、約３．７ｍであるが、１つの燃料集合体２が占
める領域Ｂの１辺の長さが長くなるため、炉心半径は２
．１ｍと大きくなる。

本実施例における中空制御棒１３の反応度制御能力を、
従来の８４Ｃ制御棒３と比較して第１表に示す。

この表において、本実施例については、中空制御棒１３
を挿入して運転中（燃料および冷却水は高温状態）の無
限増倍率を基準として、中空制御棒１３を引き抜いた直
後の反応度変化と、暫く時間が経過して燃料および冷却
水の温度が室温まで低下したときの反応度変化とを示し
である。一方、従来例については、Ｂ４Ｃ制御棒３を引
き抜いて運転中の無限増倍率を基準として、制御棒３を
挿入した直後の反応度変化と、暫く時間が経過して室温
まで低下したときの反応度変化とを示しである。

本実施例では、制御棒操作直後の反応度変化は従来例に
比べて小さいが、この程度の反応度変化があれば原子炉
を確実に停止するのに十分てあり、制御棒操作後の反応
度の時間変化も従来例とほぼ等しい。さらに、室温まで
低下した後の反応度変化は従来例と等しいので、原子炉
が停止した後は従来例と全く同じ特性を有している。

第１表第２図は水素／ウラン（Ｈ／Ｕ）比と、反応度（無限増
倍率ｋ　）との関係を示す特性図である。

水素／ウラン比は第１図における一点鎖線で囲んだ領域
における比率を示す。この特性図において、○印は引抜
時、×印は挿入時を示す。また、点線２０　ａ、　　２
０　ｂ、　　２１　ａ、　　２　ｌ　ｂは従来のＢ４Ｃ
制御棒３の場合、破線２２　ａ、　　２２　ｂ、　　２
５　ａ。

２５ｂは厚さ４ｃｍの中空制御棒１３の場合、−点鎖線
２３　ａ、　　２３　ｂ、　　２６　ａ、　　２６　ｂ
は厚さ３ｃｍの中空制御棒１３の場合、実線２４ａ、２
４ｂ。

２７ａ、２７ｂは厚さ２ｃｍの中空制御棒１３の場合を
示す。そして、サフィックスａは冷却水中の蒸気の割合
を変化させた場合、サフィックスｂは冷却水の温度を変
化させた場合を示している。また、２０ａ、２０ｂ、２
２ａ、２２ｂ、２３ａ。

２３ｂ、２４ａ、２４ｂは停止時、２↑ａ、２１ｂ、２
５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ。

２７ｂは運転時を示している。

まず、Ｂ４Ｃ制御棒３の場合は、運転時は引抜かれ、停
止時は挿入される。停止時においてはＢ４Ｃにより中性
子が吸収されるため、運転時に比較して反応度が大幅に
低くなっている。

一方、中空制御棒１３の場合は、運転時は挿入され、停
止時は引抜かれる。停止時においては、冷却水の中性子
吸収作用により運転時に比較して反応度が低くなってい
る。この場合、中空制御棒１３のウィング１６の厚さ（
が厚い程反応度の低下は著しくなる。

第３図は第１実施例において中空制御棒１３のウィング
１６の厚さ１を変えたときの制御棒操作による反応度変
化量（定義は第１表と同じ）であり、曲線３０が制御棒
操作直後、曲線３１が室温まで低下した後を表している
。ここでは、中空制御棒挿入時における冷却材料が各ケ
ース間で等しくとってあり、したがって、運転中の無限
増倍率も各ケース間でほぼ等しい。ところが、中空制御
棒１３を引き抜いた後の冷却材料はウィング１６の厚さ
ｌが厚い程多くなるので、前述した冷却水の中性子吸収
作用により、ウィング１６の厚さ１が厚い程引抜き後の
無限増倍率は小さくなる。その結果、制御棒操作による
反応度制御量はいずれの曲線もウィング１６の厚さ１が
厚くなる程大きくなっている。冷却水中の水の密度は低
温程大きいので、室温まで低下した後の曲線３１の方が
反応度変化量は大きい。

但し、ウィング１６の厚さ１が厚過ぎると、領域Ｂの１
辺の長さが長くなり、炉心サイズが大きくなって原子炉
の製造コストを増大させるため、適当な厚さ１を選定す
る必要がある。上記第１実施例では、室温まで低下した
後の反応度変化量が従来のＢ４Ｃ制御棒３と等しくなる
ように約４ｃｍとしたものである。但し、反応度変化量
は燃料集合体２を構成する種々の因子（大きさ、燃料棒
の配列、燃料棒の太さ、燃料の濃縮度等）によって左右
されるので、使用する燃料集合体に応じて領域Ｂの１辺
の長さや中空制御棒１３のウィング１６の幅Ｗ等を適宜
決定する。

第１実施例では、全ての制御棒を中空制御棒１３として
おり、実際の運転中には全ての制御棒を挿入するのでは
なく、何本かの制御棒は炉心を丁度臨界にするために引
き抜かれている（そのような状態で丁度臨界になるよう
に燃料が設計されている）。

これに対して、一部の制御棒のみを中空制御棒１３とし
て、残りを従来のＢ４Ｃ制御棒３としてもよい。−例と
して、運転中にはＢ４Ｃ制御棒３の場合１０本程度の制
御棒が挿入されるが、全制御棒のうち３０本程度を中空
制御棒１３として運転中は引き抜いておき、残りのＢ４
Ｃ制御棒を運転中はやはり引き抜いておく。この場合、
原子炉を停止させるにはＢ４Ｃ制御棒３のみを炉心内に
挿入する。こうしておけば、Ｂ４Ｃ制御棒３は運転中は
炉心に挿入されず、中性子の照射を受けないから、反応
度制御能力の劣化は問題とならない。

さらにこの場合、第１図では領域Ｂの１辺の長さが第６
図における領域Ａの１辺の長さに比べて長くなっている
ため、これらをｌっの炉心内に共存させるためには、中
空制御棒１３の周囲に配置される燃料集合体２をやや小
さくし、領域Ｂの１辺の長さと領域Ａの１辺の長さとを
等しくする必要がある。

本発明の第２実施例を第４図に示す。本実施例では、燃
料集合体２に対して対角線上に２本の中空制御棒１３が
挿入される。中空制御棒１３は第１図の中空制御棒１３
と同し構造であるが、ウィング１６の厚さｌが２ａｎで
あり、中空制御棒１３を挿入した状態での冷却水の量が
従来例および第１実施例のものとほぼ等しくなるように
設定されている。本実施例における制御棒操作による反
応度変化は、制御棒引抜き直後では第１実施例よりもや
や小さいが、室温まで低下した後ではほぼ等しくなって
いる。また、本実施例に関しても、第１実施例の場合と
同様の考えで、第４図における２本の制御棒のうち一方
を中空制御棒１３、他方をＢ４Ｃ制御棒３としてもよい
。

第１および第２実施例では、制御棒の軸方向長さは燃料
集合体２の長さとほぼ等しく約３．７ｍとしていたが、
第３の実施例として、制御棒の軸方向長さを燃料集合体
２の長さの約２倍とし、上半分と下半分とでウィング１
６の厚さｌを異ならせた中空制御棒１３を設ける場合が
考えられる。

本実施例では上半分は第１図に示した第１実施例と同一
の横断面を有し、下半分は上半分よりも厚いウィング１
６を有している。本実施例では運転サイクル初期から末
期以前では中空制御棒の下半分を挿入して運転し、上半
分を挿入した状態で運転サイクル末期を迎え、最終的に
は全部引き抜いて原子炉を停止する。このような運転を
実施すれば、中空制御棒１３の下半分を挿入した運転サ
イクル初期から末期以前では冷却材が不足した状態とな
るため、中性子の減速が不充分となり、中性子スペクト
ルが硬くなるので、プルトニウムを多く蓄積することが
できる。一方、上半分のみが挿入された運転サイクル末
期では丁度よい冷却水の量となるので、蓄積したプルト
ニウムを効率的に燃焼させることができる。

以上の実施例において、中空制御棒１３の内部を高圧の
気体で満たす方法としては幾つか考えられる。第１の例
として、加圧装置を設置し、原子炉内の圧力（中空制御
棒３に対する外圧として作用する）に一致するように、
例えばヘリウムガス等を用いて中空制御棒１３の内部を
加圧する。第２の例としては、中空制御棒１３の上端を
密閉、下端を開放した構造とする。このような中空制御
棒１３を原子炉の炉心上部からゆっくりと原子炉内の冷
却水に浸していくと、中空制御棒３の内部は開放されて
いるその下端で面している液面（水面）と等しくなる。

したがって、原子炉の運転に伴って冷却水の温度が上昇
し、原子炉内部の圧力が上昇すると、中空制御棒１３の
内圧も上昇する。

また、第３の方法としては常温常圧の状態で適量の水を
封入した後、中空制御棒１３を上部下端とも密閉する。

この場合、炉心内での温度上昇と共に中空制御棒１３内
の水は蒸気となり、温度上昇と共に圧力が上昇する。第
４の例としては、中空制御棒１３内に補強材を入れれば
、特に中空制御棒１３内を高圧にしなくても外圧に耐え
ることができる。

上記第１〜第４実施例によれば、多数の制御棒のうち少
なくとも一部を内部に中性子吸収材を含まない中空制御
棒１３としたから、運転中に炉内に挿入される中空制御
棒１３は、中性子吸収材であるボロンを使用しておらず
、その反応度制御能力の劣化が生じない。したかって、
中空制御棒１３を入れ換えたり交換したりする必要がな
く、手間が省けると同時に経済性を大幅に向上させるこ
とができる。また、制御棒操作直後の反応度変化が従来
に比較して小さいことは、運転中に制御棒の操作によっ
て原子炉の出力を調整する場合に、局所的な出力分布の
変化が小さいことを意味しており、燃料の健全性上望ま
しい。

さらに、中空制御棒１３は炉心下部から炉心内に挿入さ
れるようになっており、緊急時に原子炉を停止させる場
合には、炉心に挿入されている中空制御棒１３を引き抜
けばよいから、重力にょる自由落下を利用することがて
き、緊急停止時における安全性を向上させることができ
る。なお、万一中空制御棒１３が破損した場合において
も、中性制御棒１３内に冷却水が侵入し、中空制御棒１
３を引き抜いた場合と同様に反応が減少するため、安全
側に作用する。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は多数の制御棒のうち少な
くとも一部を、内部に中性子吸収材を含まない中性子制
御棒としたから、反応度制御能力の劣化がなく、制御棒
を入れ換えたり交換したりする手間が省けると共に、大
幅に経済性を向上させることができる。また、中空制御
棒は炉心下部から炉心内に挿入されているため、緊急停
止時には炉心に挿入されている中空制御棒を引き抜けば
よく、重力による自由落下を利用することができること
から、緊急停止時における安全性を大幅に向上させるこ
とができる。

第１図は本発明に係る原子炉の炉心の燃料集合体と中空
制御棒を示す横断面図、第２図は上記実施例における中
空制御棒と従来のＢ４Ｃを用いた場合における水素／ウ
ラン比と反応度との関係を示す特性図、第３図は上記実
施例におけるウィングの厚さと反応度変化量との関係を
示す特性図、第４図は本発明の第２実施例を示す燃料集
合体と中空制御棒とを示す横断面図、第５図は沸騰水型
原子炉の炉心を示す横断面図、第６図は従来の原子炉の
炉心の燃料集合体と制御棒を示す横断面図である。

１・・・シュラウド、２・・・燃料集合体、４・・・チ
ャンネルボックス、５・・・燃料棒、８・・・ウォータ
ロッド、１３・・・中空制御棒、１４・・・シース、１
５・・・支持部、１６・・・ウィング、１７・・・空間
。

Claims

【特許請求の範囲】

チャンネルボックスに多数本の燃料棒を収容してなる燃
料集合体を多数体規則正しく配列して構成し、これらの
燃料集合体と燃料集合体の間に挿入あるいは引抜きする
ことにより炉心の反応度および出力を調整する多数の制
御棒を備えた原子炉の炉心において、上記多数の制御棒
のうち少なくとも一部を、内部に中性子吸収材を含まな
い中空制御棒としたことを特徴とする原子炉の炉心。