JPH07128489A - 沸騰水型原子炉の運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】ＣＢＨ（制御棒履歴）効果による線出力密度の
上昇を小さくしながらスペクトル・シフト運転を行い、
反応度の向上をはかる。 【構成】サイクル前期からサイクル中期までは反応度の
変化に対する補償をほとんど原子炉出力を下げることな
く制御棒の微調整により行い、炉心流量は下限近傍で運
転する。その後、サイクル後期において制御棒の微調整
が負荷降下なしでは行うことができない場合、制御棒を
少なくとも１本炉心の5/6 以上引き抜く分だけ、炉心流
量が増えるまで待ち、負荷降下を行って制御棒を炉心の
5/6 以上引き抜く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉の運転方
法に係り、特にＣＢＨ（制御棒履歴）効果による燃料棒
の破損を回避しながら、炉心流量を低く保ち、プルトニ
ウム（Ｐｕ）の蓄積を促進し反応度の向上を行う沸騰水
型原子炉の運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉の運転方法につい
て図６から図13を参照しながら説明する。図６は沸騰水
型原子炉を概略的に示し、図７は図６における炉心を示
し、図８は図７における燃料集合体の横断面を示し、図
９は炉心の余剰反応度の推移を示し、図10は従来の沸騰
水型原子炉の運転方法における制御棒パターンを示し、
図11は図９における炉心流量の推移を示し、図12はボイ
ド率の大小による無限増倍率の推移を示し、図13は制御
棒引抜きによる軸方向の出力分布変化をそれぞれ示して
いる。

【０００３】図（６）中符号１は原子炉圧力容器を示
し、この原子炉圧力容器１内には炉心２および冷却材３
が収容されている。炉心２は複数の燃料集合体４および
図７に示す制御棒５等から構成されている。冷却材３は
炉心２の下方から上方に向かって流通し、その際炉心２
の核反応熱により昇温して水と蒸気の二層流状態となっ
た冷却材３は炉心２の上方に設置された気水分離器６内
に流入して水と蒸気に分離される。

【０００４】分離された蒸気は蒸気乾燥器７で乾燥さ
れ、主蒸気出口ノズル８からタービン（図示せず）へ送
られる。原子炉圧力容器１と同心上に設置されたシュラ
ウド９内に炉心２は収容されており、また、シュラウド
９と原子炉圧力容器１との間のダウンカマ部10にはジェ
ットポンプ11が等間隔に複数台設置されている。

【０００５】このジェットポンプ11は再循環系入口ノズ
ル12および再循環系出口ノズル13を介して配設される図
示しない再循環配管、およびこの再循環配管に介挿され
る図示しない再循環ポンプとで再循環系を構成してお
り、冷却材３を炉心２に強制循環させている。なお、図
中符号14は給水ノズルを示し、15は炉心スプレイスパー
ジャを示し、16は制御棒５を炉心内に挿入、引抜きする
制御棒駆動機構を示す。

【０００６】炉心２は図７に示すように構成されてい
る。図７は炉心２の一部平面図である。すなわち、炉心
２は４体の燃料集合体４を断面が十字型の制御棒５の周
囲に配置して単位格子21をさらに格子状に配列した構成
である。

【０００７】燃料集合体４は図８に示すような構成とな
っており、チャンネルボックス20の内部に燃料棒17とウ
ォータロッド18を含８×８行配列している。なお、符号
19をコーナーロッドといい、特に制御棒５側のコーナー
ロッド19をＷ−Ｗコーナーロッドという。

【０００８】このような沸騰水型原子炉は約１年間定格
出力で運転し、原子炉停止後、燃焼の進んだ燃料を取り
出し、それと同体数の新燃料を装荷して再び定格出力で
運転する。これを１サイクルと呼ぶ。このサイクルの
間、一般に炉心の反応度は可燃性毒物のＧｄの燃焼に伴
ってサイクル前期から中期にかけて上昇し、中期から後
期にかけて、下降する（図９参照）。

【０００９】なお、図９は余剰反応度と燃焼度との関係
を示している。そのため、炉心流量と制御棒操作によっ
て、反応度調査を行い定格出力を維持する必要がある。
一般に制御棒操作を行う場合には、局所的な出力分布変
化による燃料棒17の急激な出力上昇が生じるので、燃料
棒17の安全性を確保するために、原子炉の負荷を下げる
必要がある。

【００１０】従って、原子炉の稼働率を高くするために
は、制御棒の操作回数は少ない方が良い。そこで運転中
に使用する制御棒の位置はサイクル中固定し、可能なか
ぎり反応度調整を炉心流量により行い、炉心流量が運転
範囲の上限または下限に達した時、制御棒５による反応
度調整を行う。図９および図10にサイクル中の制御棒パ
ターンと炉心流量の推移の例を示す。

【００１１】ここで、制御棒位置は制御棒５が炉心内に
ある範囲を48に分け、全挿入を０ポジション、全引抜き
を48ポジションとして示している。１ノッチとは２ポジ
ション分制御棒５を動かすことである。また図11のａ〜
ｆの期間において、制御棒パターンは図10の（ａ）〜
（ｆ）に対応する。図11中符号22，23はそれぞれ炉心流
量の上限，下限を示し、通常その範囲内で原子炉を運転
する。

【００１２】燃料棒17の被覆管の内側を純ジルカロイド
により内張したＺｒライナ燃料や燃料棒本数を増した燃
料の炉心では、ＰＣＩＯＭＲ（燃料ならし運転）が撤廃
もしくは大幅緩和できるため、燃料に伴う炉心の反応度
調査を制御棒操作によって原子炉出力を下げることなく
行う。

【００１３】炉心流量はサイクル前期から末期手前まで
低流量を維持し、ボイド率を大きくし、Ｐｕの蓄積を促
進し、サイクル末期において、低流量では定格出力を維
持できなくなった時点から炉心流量を増すことにより、
反応度向上を図るいわゆるスペクトル・シフト運転を行
うことが可能である。

【００１４】図12はボイド率の違いによる無限増倍率の
推移を示している。図12から明らかなようにボイド率を
大きくして運転すると低い燃焼度では無限増倍率は低い
が、燃焼が進むと、無限増倍率はボイド率を小さくして
運転した場合より無限増倍率は大きくなる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記スペクトル・シフ
ト運転では長時間、制御棒５が炉心２に挿入されていた
後にそれらを少しずつ引抜くため、ＣＢＨ（Control Bl
ade History 制御棒履歴) 効果によって、制御棒引抜き
時に燃料棒17の破損を起こす可能性があった。

【００１６】ここで、ＣＢＨ効果とは制御棒５が長期間
挿入されることにより、燃料集合体４内で制御棒５に近
い燃料棒17において、燃料の燃焼が進まないことと、熱
中性子が制御棒５に吸収されて熱中性子が減少するため
にプルトニウムが多く蓄積することにより、制御棒５を
引き抜いた後、特にＷ−ＷコーナーロッドのＬＰＦ（ロ
ーカルピーキングファクター）が上昇することである。

【００１７】また、ＣＢＨ効果はボイド率が高い方が顕
著であるので、サイクルのほとんどを低流量で運転す
る。従来のスペクトル・シフト運転では、サイクル末期
においてもノッチ引抜きを行うため、制御棒５が中間ポ
ジションにあるとき、制御棒５の入っているセルの軸方
向の出力分布はノッチ引抜きにより図13のａからｂのよ
うになる。

【００１８】この時、ｃ点において大きな出力増大があ
る。そのため、ＣＢＨ効果によるＷ−Ｗコーナーロッド
のＬＰＦの増大との相乗効果によって、Ｗ−Ｗコーナー
ロッドの線出力密度が大きくなる。

【００１９】また被覆管の周方向応力は高燃焼度で、線
出力密度が高く、出力変化幅が大きく、低い出力を長く
経験した燃料棒17が特に厳しいので、特定のセルに長時
間制御棒５を挿入していた場合に制御棒５を引抜くと、
被覆管の周方向応力がＰＣＩ破損確率の生じるしきい値
を超える恐れがある。

【００２０】このように従来のスペクトル・シフトを行
うと燃料棒17の破損の可能性や、線出力密度が上記しき
い値以下であっても、パターン調整時の負荷降下の増大
による原子炉の稼働率の低下を招く課題がある。

【００２１】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、その目的とするところはＣＢＨ効果による線
出力密度の上昇をできるだけ小さくしながら、スペクト
ル・シフト運転を行い、反応度向上をはかることのでき
る沸騰水型原子炉の運転方法を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明は（１）沸騰水型
原子炉の運転方法において、サイクル前期からサイクル
中期までは、制御棒の微小操作による反応度調整をほと
んど負荷を下げずに行い、炉心流量を定格出力運転にお
ける運転範囲の下限近傍で運転し、サイクル後期には、
負荷を下げずに制御棒操作を行うと燃料棒の破損を起こ
す可能性が予測される場合には、負荷降下を行い、制御
棒を少なくとも一本を炉心のほぼ全引き抜きを行い、そ
の制御棒操作までの反応度調整は炉心流量を下限から上
限の範囲で変化させることを特徴とする。

【００２３】また、本発明は（２）上記（１）の沸騰水
型原子炉の運転方法において、前記サイクル前期からサ
イクル中期までは反応度の変化に対する補償として対称
性のある制御棒グループのノッチ操作を行い、炉心流量
は下限近傍で運転し、サイクル後期において負荷降下を
ともなう制御棒操作を行う場合には、一つの制御棒グル
ープのほぼ全引き抜き分だけ流量が増えた場合、負荷降
下を行い、一つの制御棒グループ全引き抜き、またはほ
ぼ全引抜きすることを特徴とする。

【００２４】さらに、本発明は（３）上記（２）の沸騰
水型原子炉の運転方法において、前記サイクル後期で負
荷降下をともなう制御棒操作を行う場合には、炉心流量
が上限に達した時に負荷降下を行い、制御棒をグループ
単位で全引抜き、またはほぼ全引抜きとし、炉心流量が
下限となるように、余分な反応度の分だけ外周部、もし
くは中央の他の制御棒を挿入することを特徴とする。

【００２５】また、本発明は（４）上記（３）の沸騰水
型原子炉の運転方法において、前記サイクル後期で余分
な反応度の調整のために挿入された制御棒を、ほとんど
負荷降下することなく引き抜くことを特徴とする。

【００２６】

【作用】

（１）、原子炉の運転方法においてサイクル前期からサ
イクル中期までは、反応度の変化に対する補償を、ほと
んど原子炉出力を下げることなく制御棒の微調整により
行い、炉心流量は下限近傍で運転する。

【００２７】その後、サイクル後期において制御棒の微
調整が負荷降下なしでは行えなくなった場合、制御棒を
１本もしくはそれ以上、炉心の5/6 以上引き抜く分だ
け、炉心流量が増えるまで待ち、負荷降下を行って制御
棒を炉心の5/6 以上引き抜く。

【００２８】ここで、微調整とは制御棒駆動機構によ
り、動かせる最も細かい動きによる調整を表し、現在の
原子炉では１ノッチを最小単位としている。１ノッチと
は制御棒５が炉心内にある範囲の2/48分だけ動くことを
指す。

【００２９】（２）、上記（１）において、サイクル前
期から中期にかけての反応度調整は対称性のある制御棒
グループを、ノッチで操作することで行い、サイクル後
期にノッチ引抜きができなくなった場合、炉心流量が制
御棒１グループ、炉心の5/6以上引抜き分だけ上昇した
時点で、負荷降下を伴う制御棒操作を行い、その制御棒
グループを炉心の5/6 以上引抜く。

【００３０】ここで、１グループとは中心制御棒を含め
対称性を保つ制御棒グループのことであり、最も反応度
が小さいか、その後の運転期間を通しての制御棒計画に
おいて、引き抜くべき制御棒５とする。

【００３１】（３）、上記（２）において、サイクル後
期に負荷降下をともなう制御棒引抜きをする時に、炉心
流量が運転範囲の上限に達するまで待ち、２グループ以
上の制御棒を炉心の5/6 以上引抜く。この時、余分な反
応度は外周部、もしくは中央部の別の制御棒を挿入する
ことにより、炉心流量が下限になるように調整する。

【００３２】（４）、上記（３）において、サイクル後
期に余分な反応度の調整のために挿入された外周部、も
しくは中央部の制御棒５を引抜く時に、負荷降下をほと
んど行わずに制御棒操作を行う。

【００３３】

【実施例】本発明に係る沸騰水型原子炉の運転方法の第
１の実施例を図１から図３により説明する。図１（ａ）
から（ｆ）は第１の実施例における運転での制御パター
ンの推移を示し、図２はそのときの炉心流量の推移を示
し、図３は制御棒の中間引抜きと全引抜きを比較した線
出力密度分布図である。

【００３４】図１，図２は本実施例により原子炉を運転
した場合の、制御棒計画と炉心流量の推移で、図10，図
11と対応している。すなわち、サイクル前期において余
剰反応度が漸増している場合、（図２および図９のａの
期間）は制御棒５を図１（ａ）から図１（ｂ），（ｃ）
のように、微調整する。この制御棒パターン調整の時期
は炉心流量が下限に達したときである（図２参照）。

【００３５】こうして制御棒パターンが図１の（ｄ）の
ようになって、余剰反応度の上昇が終り、サイクル中期
から後期にかけて、余剰反応度が下降する時期（図２お
よび図９のｂの期間）には、制御棒パターンを図１
（ｄ）から図１（ｃ），（ｅ）のように微調整を繰り返
していく。

【００３６】この制御棒パターン調整の時期は、引き抜
こうとしている１グループの制御棒５、例えば図１
（ｃ）から（ｅ）に制御棒パターンを変更する場合な
ら、図１（ｃ）のＡによる反応度分だけ炉心流量が上昇
した時とする（図２ｃ）。また、制御棒５を微調整する
場合は、負荷降下をほとんど行わない。

【００３７】これを繰り返していき、引き抜くべき制御
棒５、図１（ｅ）のＢが中間ポジションに到達し（図１
（ｅ））、オンラインによる予備計算によって、負荷降
下を行わずに制御棒操作を行うと線出力密度が高くな
り、ＰＣＩＯＭＲ（Pre Conditioning Interim Operati
on Management Recomendation)を守れない場合、制御棒
１グループ（図１（ｅ）のＢ）全引抜き分だけ、炉心流
量が上昇するのを待ち（図２の（ｄ））、負荷降下を行
って、その制御棒を全引抜きする（図１（ｆ））。な
お、この時の負荷降下量や制御棒引抜き手順などはあら
かじめ予備計算を行って、設定する必要がある。

【００３８】次に上記第１の実施例の作用効果について
説明する。まず、第１に運転期間の大半は低い炉心流量
を維持し、スペクトル・シフト運転を行っているので、
Ｐｕの蓄積による反応度向上を図ることができる。第２
にＣＢＨ効果による線出力密度の上昇を抑えることがで
きる。第３に対称位置の制御棒を同時に操作し、対称位
置の燃料の燃焼度を等しくすることにより、炉心管理を
容易にすることができる。

【００３９】ＣＢＨ効果は、長期間深く（０〜12pos.）
挿入されていた制御棒５を中間ポジション（14〜30po
s.) にすると、軸方向出力分布の歪と相俟って強調さ
れ、Ｗ−Ｗコーナーロッドの大きな線出力密度の増加を
起こす。

【００４０】しかし、この第１の実施例では制御棒５を
全引抜きにするので、ＣＢＨ効果によりＬＰＦの上昇し
ている軸方向位置における出力が、制御棒を中間ポジシ
ョンにした場合より低く、Ｗ−Ｗコーナーロッドの線出
力密度の大きな増加は無くなる。そのため、燃料棒17の
破損を回避でき、さらに、制御棒操作時の燃料棒の健全
性を確保するための負荷降下による負荷損失も低減でき
る。

【００４１】図３に長期間深挿入制御棒５の入っていた
燃料集合体４において、制御棒５を中間ポジションまで
引抜いたものと、全引抜きした時の、軸方向の線出力密
度分布の一例を示した。図３において、Ａは制御棒５を
20ポジションまで引抜いた時、Ｂは全引抜きした時の線
出力密度を示している。

【００４２】つぎに、図４および図５を参照して本発明
に係る沸騰水型原子炉の第２の実施例を説明する。図
４，図５は本発明の第２の実施例により原子炉を運転し
た場合の、制御棒計画と炉心流量の推移である。サイク
ル初期において余剰反応度が暫増している時（図５のａ
の期間）は、制御棒５を第１の実施例と同様にして、図
４（ａ）から図４（ｂ）へ、微調整を繰り返していく。
この制御棒のパターン調整は炉心流量が下限に達した時
である。

【００４３】こうして制御棒パターンが図４（ｂ）のよ
うになって、余剰反応度の上昇が終り、サイクル中期か
ら後期にかけて、余剰反応度が下降する時期（図５のｂ
の期間）には、制御棒パターン調整を図４（ｂ）から図
４（ｃ）のように微調整する。また、制御棒５を微調整
する場合は、負荷降下をほとんど行わない。

【００４４】これを繰り返していき、引き抜こうとして
いる制御棒（図４のＡ）が中間ポジションに到達し（図
４の（ｃ））、オフラインによる予備計算によって、負
荷降下を行わずに制御棒操作を行うと線出力密度が高く
なり、ＰＣＩＯＭＲを守れなくなった場合、炉心流量が
上限まで上昇するのを待ち（図５のｃ）、負荷降下を行
って、制御棒２グループ（図４のＡ，Ｂ）を全引き抜き
し、反応度調整のために最外周の制御棒５（図４のＣ）
を挿入する（図４の（ｄ））。

【００４５】なお、この時の負荷降下量や制御棒引き抜
き手順などはあらかじめ予備計算を行って、設定する必
要がある。この後、この最外周の制御棒は炉心流量の増
加に伴って、負荷降下を行わずに引き抜き、炉心流量を
下限近傍にする。（図５のｄ）次に本発明の第２の実施
例の作用効果について説明する。前述した第１の実施例
の作用効果に加えて、負荷降下をともなう制御棒パター
ン調整の回数を減らすことにより、負荷損失をより低減
することができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、従来と同程度の、スペ
クトル・シフト運転による反応度向上効果が得られ、サ
イクル後期の制御棒引抜き時には燃料棒の健全性を維持
しつつ、負荷損失を最小限に抑えることができ、燃料棒
健全性向上と経済性向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）から（ｆ）は本発明に係る沸騰水型原子
炉の運転方法の第１の実施例における運転での制御棒パ
ターンの推移をそれぞれ示す炉心の平面図。

【図２】図１における運転時の炉心流量の推移を示す波
形図。

【図３】制御棒を中間位置まで引き抜いた場合と全引き
抜きした場合の線出力密度を比較して示す曲線図。

【図４】（ａ）から（ｄ）は本発明に係る沸騰水型原子
炉の運転方法の第２の実施例における運転での制御棒パ
ターンの推移をそれぞれ示す炉心の平面図。

【図５】図４における運転時の炉心流量の推移を示す波
形図。

【図６】沸騰水型原子炉を概略的に示す構成図。

【図７】図６における炉心を示す横断面図。

【図８】図７における燃料集合体を示す横断面図。

【図９】炉心の余剰反応度と燃焼度との関係を示す曲線
図。

【図１０】（ａ）から（ｆ）は従来の沸騰水型原子炉の
運転方法における制御棒パターンの推移をそれぞれ示す
炉心の平面図。

【図１１】図10における運転時の炉心流量の推移を示す
波形図。

【図１２】ボイド率の大小による無限増倍率の相違を示
す曲線図。

【図１３】制御棒の引き抜きによる軸方向出力分布を示
す曲線図。

【符号の説明】

１…原子炉圧力容器、２…炉心、３…冷却材、４…燃料
集合体、５…制御棒、６…気水分離器、７…蒸気乾燥
器、８…主蒸気出口ノズル、９…シュラウド、10…ダウ
ンカマ部、11…ジェットポンプ、12…再循環系入口ノズ
ル、13…再循環系出口ノズル、14…給水ノズル、15…炉
心スプレイスパージャ、16…制御棒駆動機構、17…燃料
棒、18…ウォータロッド、19…コーナーロッド、20…チ
ャンネルボックス、21…単位格子、22…炉心流量上限、
23…炉心流量下限。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石塚 久雄 神奈川県川崎市幸区堀川町66番２ 東芝エ ンジニアリング株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 沸騰水型原子炉の運転方法において、サ
   イクル前期からサイクル中期までは、制御棒の微小操作
   による反応度調整をほとんど負荷を下げずに行い、炉心
   流量を定格出力運転における運転範囲の下限近傍で運転
   し、サイクル後期には、負荷を下げずに制御棒操作を行
   うと燃料棒の破損を起こす可能性が予測される場合に
   は、負荷降下を行い、制御棒を少なくとも一本を炉心の
   ほぼ全引き抜きを行い、その制御棒操作までの反応度調
   整は炉心流量を下限から上限の範囲で変化させることを
   特徴とする沸騰水型原子炉の運転方法。
2. 【請求項２】 前記サイクル前期からサイクル中期まで
   は反応度の変化に対する補償として対称性のある制御棒
   グループのノッチ操作を行い、炉心流量は下限近傍で運
   転し、サイクル後期において負荷降下をともなう制御棒
   操作を行う場合には、一つの制御棒グループのほぼ全引
   き抜き分だけ流量が増えた場合、負荷降下を行い、一つ
   の制御棒グループ全引き抜き、またはほぼ全引抜きする
   ことを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉の運転
   方法。
3. 【請求項３】 前記サイクル後期で負荷降下をともなう
   制御棒操作を行う場合には、炉心流量が上限に達した時
   に負荷降下を行い、制御棒をグループ単位で全引抜き、
   またはほぼ全引抜きとし、炉心流量が下限となるよう
   に、余分な反応度の分だけ外周部、もしくは中央の他の
   制御棒を挿入することを特徴とする請求項２記載の沸騰
   水型原子炉の運転方法。
4. 【請求項４】 前記サイクル後期で余分な反応度の調整
   のために挿入された制御棒を、ほとんど負荷降下するこ
   となく引き抜くことを特徴とする請求項３記載の沸騰水
   型原子炉の運転方法。