JPH0631762B2

JPH0631762B2 - 軽水炉の炉心

Info

Publication number: JPH0631762B2
Application number: JP62280312A
Authority: JP
Inventors: 精植田
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-11-07
Filing date: 1987-11-07
Publication date: 1994-04-27
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: JPH01123194A

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、そのような炉心を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。すなわち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
心有効部下端即ち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きた。

したがって、沸騰水型原子炉では炉心上部の燃焼が遅れ
易く、これによってＵ−235濃度が相対的に他の部分よ
り高くなり、また、ボイドによりPu-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。さらに、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
も燃料の濃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集合体の代表例
を図面を参照して説明する。

第８図(A)および動図(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
面図である。

第８図(A)において、燃料集合体は水棒（図示せず）と
燃料棒２を上部タイプレート４，スペーサ５，下部タイ
プレート６により固定し、その外側をチャンネルボック
ス１で取囲むように構成されている。燃料棒２は同図
(B)に示すように、被覆管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ある。

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15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（ＢＷＲ）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）は炉心上方ほど高くなる。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。一方、運転サイクルを長
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、制御棒挿入側へシフトさせ、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］（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、多数の燃焼棒を
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
分割しかつ未臨界度の浅くなるとともに核分裂性核種濃
度を上下の燃料より大幅に低下させた位置に介在領域を
配置し、前記介在領域はその幅が軽水炉停止時の熱中性
子の移動距離より大きくかつ軽水炉出力運転時の熱中性
子の移動距離より小さくして、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るとともに、制
御棒はその機能を軸方向に三領域に形成され、中部領域
の中性子吸収特性を下部領域より高くし、上部領域の中
性子吸収寿命を下部領域より長くして成ることを特徴と
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る際の結合効果がよ
くなり、その結果、過剰反応度が回復して運転サイクル
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へシフトさせ、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_eff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Ｍ^２…中性子移動面積Ｂ^２…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。

Ｍ^２はＭ^２＝τ＋Ｌ^２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＝τ_Ｆ＋τ_Ｅ（又はτ_１＋τ_２）であり、τは
このように更に高速(fast)中性子と熱外(epithermal)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。Ｌ^２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）、は中性子移動距離、は熱中性子移動距離、またＢ^２はバックリング（cm^-2単
位）であり、Ｂ^２＝Ｂ_ｒ ^２＋Ｂ_Ｚ ^２で表わせる。Ｂ_ｒ ^２
は半径方向バックリング，Ｂ_Ｚ ^２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、Ｋ∞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、Ｍ^２Ｂ^２は0.03〜0.05程度、Ｂ
^２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Ｚ，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≡δ_＋＋δ₋（上側＋下
側の意）とすれば、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） ρ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Ｋ∞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∞→Ｋ→ρ）ρ値
にも空間依存性を取り入れたものとして取扱う。

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
(A)に示すように直方形断面を有する２つの燃料領域
Ｉ，IIがあり、その間に幅Ｗの水ギャップが存在するも
のとする。このときの水ギャップＷと中性子増倍率K_eff
の関係は同図(B)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K_eff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K_eff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
両曲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量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
からわずかに大きくなると、K_eff値はほぼ一定か徴かに
（＋）になることがあるが、Ｗを更に大きくするとK_eff
値はぐんぐん小さくなる。すなわち、燃料領域（Ｉ）と
(II)の中性子結合作用が目立って小さくなってくる。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℃（水の密度約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〜0.74×(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、ほぼ密度の変化(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K_eff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K_eff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ある。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K_eff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（結
合域の弱まっている状態）、高温高ボイド時はK_eff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ある。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(A)に示すように、炉心を軸方向に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ρ_１、ρ_２、ρ_３を求
めると下記のようになる。

ここで、δ_ｉは上下隣接炉心片の影響を取り入れた反射
体節約、Ｂ_ｒ ^２は各炉心片とも共通とする。炉心の温度
が上昇すると、減速材の温度が上りボイドが発生する。
すると、Ｋ∞ｉは僅かに変化し（軽水炉では平均的には
減少する）、Ｍｉ^２は増加し、δ_ｉの増加によりＢ_Ｚｉ
^２は減少する。介在層の厚さｄ_１，ｄ_２を適切に選ぶ
と、δ_ｉ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、炉心温
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、この介在層により軽水炉停止時は炉心片を
上下に分離する機能が増大し、軽水炉出力運転時は分離
する機能が弱まる（水の密度が低下するため、実質的に
ｄ_１，ｄ_２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。ｄ_１，ｄ_２の値を適切に
選定すると、軽水炉出力運転時の水（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（ｄ_１，
ｄ_２部も燃料あり）場合よりKeff値を多少増大させるこ
とさえ可能となる。

介在層の厚さは、軽水炉停止時の熱中性子の移動距離よ
り大きく、軽水炉出力運転時（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３〜８cm程度
である。２cm未満では冷態時に分離機能が発生せず、10
cm以上では軽水炉出力運転時の分割機能は弱まるもの
の、介在層が介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。Ｂ
ＷＲ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ＢＷ
Ｒでは軽水炉停止時（冷態）から軽水炉出力運転時（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では加圧炉停止時（冷態）ら
加圧炉出力運転時（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、介在層が分離効果を発揮する軽水炉停止時で
は、Ｂ_ｚｉ ^２が急増するため各炉心片のＫ_ｉが減少し、
ρ_ｉ（未臨界度）が増大する。介在層が結合効果を発揮
する軽水炉運転時では、Ｂ_ｚｉ ^２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_ｉは急増
する（Ｋ_ｉ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28GWd/t
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ＢＷＲ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
層を全炉心に亙って水平に配置し、介在層の厚さを変え
て計算した。計算体系は軽水炉停止時(20℃）と軽水炉
出力運転時（286℃，ボイド分布あり）の２種類とし、
また両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率K_effを基準とした。この計算
例を示したのが、第３図(B)のグラフである。このグラ
フから次のことが分る。

軽水炉停止時においては、〜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3/4部）のK_eff値になる。

軽水炉出力運転時においては、≦10cmまではK_eff値は
介在層によって殆ど減少しない。これが結合結果による
もので、特に、３〜６cm付近ではかえってK_eff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
めである。

（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（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)の曲線イから曲線ロのように
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2/3H〜5/6H付近に生じ
るが、介在領域の停止余裕改良作用により、曲線ロのよ
うに大幅に停止余裕（未臨界度）が改良され、もはやピ
ークは曲線ロでは炉心高さ中央付近へシフトしており、
しかも未臨界度は深い。

そして、同図(B)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MOX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）へシフト
する。そして、炉心構成（濃縮度の大きさなど）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
クが上へシフトし、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
側へシフトするので、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）を複数本一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、介在領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へシフ
トさせる。

一方、中性子吸収棒は挿入先端側（下方側）で長寿命吸
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（¹⁰B濃縮Ｂ_４Ｃ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抜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あり、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あり、炉心有効部下端
から4/6〜5/6Hの範囲ハで特に未臨界部ρ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ρが深い。それに続く部分ロではボイド割合
が低いためPu生成量が低く燃焼が進むのでＵ235残存が
少なく未臨界度ρが深い。次の炉心有効部下端から4/6
〜5/6Hの範囲ハでは、ボイド割合が高いためPu生成量が
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ρは浅い。炉心有効部上端付近ニでは中性子の
もれにより未臨界度ρ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3/4Hよ
りやや上側に配置した場合てある。図に示すように未臨
界度ρ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ρ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ρは同図(B)よりさら
に大幅に増大して（深まって）いる。そして、未臨界度
ρ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ρ_ＣＲの分布図である。

従来のＢＷＲでは炉心上部、特に下端から3/4H〜4/4Hに
大きな反応度価値を保有させるのが効果的に制御棒反応
度価値を高め、その結果、炉停止余裕を効果的に改良す
る考え方であった。

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（炉心の中央高さに反応）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
ある。すなわち、先端部は長寿命が第１で反応度は第２
（長寿命領域），中央部は反応度優先（高反応度価値領
域），下部は適当な大きさの反応度があればよい（通過
領域）。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。

したがって、第５図に対応して炉心下端から上端に向っ
て挿入されるＢＷＲ制御棒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1/3長まで
は、天然ボロンを用いたＢ_４Ｃ（^ＮＢ_４Ｃと記す）、1/
3〜2/3長部は濃縮ボロンを用いたＢ_４Ｃ（^１０Ｂ_４Ｃと
記す）、2/3〜3/3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1/4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（^ＮＢ_４Ｃ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1/3〜2/3長部（^１０Ｂ_４Ｃ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2/3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（¹⁰B）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¹⁰B₄Ｃが好適である。

挿入末端部すなわち、全挿入時炉心下部（下端から1/3
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^ＮＢ_４Ｃ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、すなわち制
御棒挿入側へシフトしている。従って制御棒を全引抜運
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ある。すなわち、同
図(A)は従来の制御棒の斜視図、同図(B)は同図(A)で示
す従来の制御棒の横断面図、同図(C)の左半分は従来の
制御棒の縦断面図，同図(C)の右半分は本願発明に係る
制御棒の縦断面図である。

第６図において、深い字状に形成されたSUS製シース3
1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（挿入先端）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Ｂ_４Ｃ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、ウイング部ではシース内に
吸収材を並べる方式でなく約８mm厚のSUS板に、ウイン
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６mmの穴を形成し、その中にＢ_４Ｃ粉末を充填
密封する方式がスェ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Ｂ_４
Ｃ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％△K/K）を約１％（従って２〜４％
△K/K）に向上させることが可能である。Ｂ_４Ｃ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
様なものであり、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(D)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に反応度価値を低下する設計となってい
る。中性子吸収材としてＨｆ板を用い、２枚のＨｆ板間
に水を導き、密度の大きいＨｆ材を減量して反応度価値
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あったた
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きくする必
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、先端部では多量の中性子照射を受ける点で
は従来のＢＷＲと変りない。このような特性は、ＢＷＲ
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は軸方向に大凡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，Ｂ_４Ｃ横穴充填）、中央高さの部分が高反応度価値
領域42(¹⁰B濃縮Ｂ_４Ｃ横穴充填）、炉心挿入先端部分は
高中性子照射領域41（Ｈｆ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は軸方向に大凡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(SUS管にＢ_４Ｃ粉を充填し、
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Ｂ_４Ｃ粉を充填）、炉心
挿入先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
は炉心挿入先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、前記スェーデンで開
発されたSUS板に横穴をあけてＢ_４Ｃ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、
¹⁰Bを濃縮したＢ_４ＣまたはＥｕＢ_６が高反応度化に好
適である。

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Ｂ_４Ｃ粉末を、必要な場合には10Ｂを濃縮し
たＢ_４Ｃを用いることとしている。挿入の先端約1/3部
分は中性子照射量が高いので、長寿命型の中性子吸収材
を用いる。長寿命型吸収材としてはＨｆ，Ｅｕその他が
考えられるが、Ｈｆが最も現実性がある。Ｈｆ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、被覆材なしで使える。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あげられる。

本発明者等が近年開発した（特願昭６１−７８７４６
号）Ｈｆ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板とトラップ状に構成することとした。

さらに、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Ｈｆ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、制御棒引抜時の異常な出力
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1/3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Ｂ_４Ｃ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（→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、それにあ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。

また、本発明では水ギャップの場合について説明した
が、天然ウラン劣化ウランを使用しても水ギャップの場
合と同等の効果を奏す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)制御棒はその機能を軸方向に三領域に形成され、中
部領域の中性子吸収特性を下部領域より高くし、上部領
域の中性子吸収寿命を下部領域より長くしているので、
上記(2)に好適な制御棒を提供できる。

【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
(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、第２図(A)および(B)は
本発明の作用を説明するための図、第３図(A)および(B)
は本発明に係わる炉心の特性を説明するための図、第４
図(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(A)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縦断面
図，同図(C)は右半分は本願発明に係る制御棒の縦断面
図，同図(D)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12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…先端構造材 34…末端構造材 35…中性子吸収材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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しかつ未臨界度の浅
くなるとともに核分裂性核種濃度を上下の燃料より大幅
に低下させた位置に介在領域を配置し、前記介在領域は
その幅が軽水炉停止時の熱中性子の移動距離より大きく
かつ軽水炉出力運転時の熱中性子の移動距離より小さく
して、常温停止中に未臨界度が浅くなる部分を制御棒挿
抜側に移行させるとともに、制御棒はその機能を軸方向
に三領域に形成され、中部領域の中性子吸収特性を下部
領域より高くし、上部領域の中性子吸収寿命を下部領域
より長くして成ることを特徴とする軽水炉の炉心。
【請求項２】軽水炉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。
【請求項３】軽水炉停止時に未臨界度が浅くなる部分を
炉心上方に向って移行させ、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。
【請求項４】軽水炉停止時に未臨界度が浅くなる部分を
炉心上方に向って移行させ、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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。