JPH087270B2

JPH087270B2 - 圧力管型原子炉

Info

Publication number: JPH087270B2
Application number: JP1242050A
Authority: JP
Inventors: 英正加藤; 龍三升岡; 俊一岸; 賢一鈴木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: CA2025713A1; CA2025713C; JPH03105285A

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
御上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
ようになつている。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58−3438
6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棒や計装案内管を配
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棒を配置するか、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棒を挿入するか、
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ツチも狭く
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、圧力管の配置ピツチが複雑に
なるので炉心性能評価や運転管理が悪く、且つ部分的に
圧力管配置ピツ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、炭素棒を一部重水と置き換える
のであるが炭素棒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、圧力管内に水封入棒を圧力管内の一
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
ざる得ず、おのずと強度を確保するためにその穴の間隔
も広げざる得ず、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、前記カランドリア管を重水対燃料体積比が9.0以
下に成る密度にて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であり、第６の手段は、第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１の
手段又は第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であり、第８の手段は、第１の手
段，第２の手段，第６の手段のいずれか一手段におい
て、前記圧力管のいくつかの内部の冷却材中に燃料フオ
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のいずれか一
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、前記重水の置換物としての前記金
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であ
り、第11の手段は、第10の手段において、前記重水の置
換物としての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12の手段は、第
10,11のいずれか一手段において、前記重水の置換物と
しての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手段は、第2,9のいずれか一手
段において、前記重水の置換物の材質はジルコニウム合
金またはアルミニウムまたはアルミニウム合金であるこ
とを特徴とした圧力管型原子炉であり、第14の手段は、
第2,9,10,11,12,13のいずれか一手段において、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9,10,1
1,12,13のいずれか一手段において、前記重水の置換物
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16の手段は、第15の手段において、前記重水の
置換物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9.0以下に小さくする
ことができ、炉心の大型化を伴わずに冷却材ボイド反応
度係数を低下させ、炉心の大型化を伴わずに制御性能を
向上する作用が得られる。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S₁で表さ
れ、次式で求められる。

ただし、l₁＝格子間隔 R₁＝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。

S₂＝l₂ ²−πR₂ ² …（２）ただし、l₂＝格子間隔 R₂＝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、l₁
＝l₂＝ｌ格子間隔,R₁＝R₂＝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。

ここで、具体的に、ｌ＝24cm格子間隔,R＝8cmの場合
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。

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。

したがつて、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＝｛l²−π（Ｒ＋ｔ）^２｝/nπr² …（５）ただし、ｌ＝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＝燃料ペレツ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＝−｛π（Ｒ＋ｔ）^２−πR²｝÷ｎπr² …（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１または第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棒案内管また
は中性子計装案内管またはポ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
挿入された燃料フオ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のいずれか一の手
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成り
やすい。

第11の手段によれば、第10の手段により作用に加え
て、前記筒は前記筒の壁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10,11のいずれか一の手段に
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
はアルミニウムまたはアルミニユ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
一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のいずれか一
の手段による作用に加えて、前記置換物は前記カランド
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、前記置換物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なり、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１図および第２図により説明する。

第１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
の制御棒案内管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,制御棒案内管4,中性子計装管
５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,ポイズ
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（通例はロールジヨイント）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、太い制御棒案内管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
の位置に制御棒案内管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
オ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。
制御棒案内管４を圧力管１の位置に設ける場合、格子寸
法を25cm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l:25.0cm 圧力管内径:12cm 配列：正三角形格子状配列燃料集合体の燃料棒本数:54本燃料ペレツト直径:1.0cm カランドリア管炉心部外径:16cm で重水対燃料体積比8.0が達成される。

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図である。円筒９は、ジルカロイ−
2,ジルコニウム−ニオブ合金，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は軸方向にも短く（50cm〜200cm）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つている。

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１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棒案
内管４および中性子計装置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l:24.5cm カランドリア管外半径R:8cm 燃料集合体の燃料棒本数n:54 燃料ペレツト半径r:0.5cm 円筒の厚さt:1.0cm 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（1100）で、必要な場
合はスペーサ16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、その対面しある各分割端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17が形成されている。中空円筒の
有効厚さは、外板13の外面から内板14の内面までであ
る。有効厚さｔ＝1.2cmの中空円筒を格子間隔l:24cm カランドリア管外半径R:8cm 燃料集合体中の燃料棒本数n:48 燃料ペレツト半径r:0.5cm 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、制御棒案内管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:12cm 配列：正三角形格子状配列格子ピツチ:25.5cm 燃料集合体中の燃料棒本数:54本燃料ペレツト直径:1.0cm カランドリア管炉心部外径:16cm カランドリア管上部管外径:15cm 制御棒案内管外径:5cm 上部管板部の最小間隙:4.7cm 円筒壁実効厚さ:0.5cm 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つた。

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）、組成，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^-5Δk/k/％ボイドのオーダで０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を挿通する際に同時にカランドリア管１内に
もカランドリア管１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廻りでの円筒９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なカランドリア管１廻りに広い間
隔を用意する必要も少なくなる。円筒９は、スペーサを
介して上下両管板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、
原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16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。

したがつて、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棒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内にペレツ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１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ポイズン管も配置さ
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17図，第18図，第19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１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、ジルコニウム合金（ジルカロ
イ−2,ジルカロイ−4,ジルコニユウム・ニオブ合金な
ど）またはアルミニウムまたはアルミニウム合金が中性
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17
図のように円筒９の壁自体が中空部17になつており、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棒は、
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
出力が1,000MW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:1,000MW 圧力管本数:688本燃料集合体の燃料棒本数n:60本炉心部有効高さ:3.7m 炉心部半径:7.8m 燃料ペレツト半径r:0.475cm 圧力管内径:12.3cm 圧力管格子間隔l:24.5cm カランドリア管外半径R:8.25cm 制御棒案内管外径:9.5cm 中空円筒の有効厚さt:1.8cm 中空円筒を設置するカランドリア管１の本数:344本中空円筒を設置する軸方向長さ:2.22m 上部管板部の最小隙間（カランドリア管１と制御棒案内
管４との間隔）:4.3cm 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
相俟つて、第20図のように、出力ピ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^-5ΔK/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、運転性能上及び経
済上の大きなメリツトがある。

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の厚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、この配列によつ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つても、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１の発明によれば、カランドリア管の配置を正
三角形格子状にして重水対燃料体積比を9.0以下となる
密度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棒比の改善を行え、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
周囲に近傍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出来、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、重水対燃料棒体積比を自己
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２の発明による効果
に加えて、重水対燃料棒体積比を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／または請求項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棒体積比を自
己制御性能の良い方向へ改善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、制御棒が圧力管内の冷却材で
冷却できるから、制御棒として燃料フオロア付き制御棒
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の発明による効果
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、より経済的に重水体燃料体積比の改善が成さ
れる。

請求項12の発明によれば、請求項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成せる。

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ユウム合金
あるいはアルミニユウムあるいはアルミニユウム合金と
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えられる実用的なる構造が得られ
る。

請求項14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成せるから、設計の自由度
が広がる。

請求項15の発明によれば、請求項9,10,11,12,13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に重水の置換物が採用されて、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重水の置換物
の厚みを変更して、あるいはその置換物の厚みが軸方向
において異ならして、あるいはその両方を利用して、出
力密度に比例してその置換物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１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１図の実
施例の制御棒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
関係を示すグラフ図、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面図、
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面図、第14図は従来のカラン
ドリア管の配列の一を示す図、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17図の炉心の２分の１の領域の縦
断面図、第19図は本発明の図であり、カランドリア管内
の４分の１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力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……スペーサ、
17……中空部、18……溶接個所。

フロントページの続き (72)発明者鈴木賢一茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開平２−243996（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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重水対
燃料体積比が9.0以下に成る密度にて正三角形格子状に
配列したことを特徴とした圧力管型原子炉。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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原子炉の組立方法。
【請求項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。
【請求項６】請求項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。
【請求項７】請求項１または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
または中性子計装置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。
【請求項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オロア付
き制御棒を配置したことを特徴とした圧力管原子炉。
【請求項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。
【請求項１０】請求項９において、前記重水の置換物と
しての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。
【請求項１１】請求項10において、前記重水の置換物と
しての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。
【請求項１２】請求項10,11のいずれか一項において、
前記重水の置換物としての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。
【請求項１３】請求項2,9のいずれか一項において、前
記重水の置換物の材質はジルコニウム合金またはアルミ
ニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とした
圧力管型原子炉。
【請求項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。
【請求項１５】請求項9,10,11,12,13のいずれか一項に
おいて、前記重水の置換物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。
【請求項１６】請求項15において、前記重水の置換物は
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。