JPS5833519B2 - 原子炉炉心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子炉の制御棒を持つ役割を分割し、それぞ
れの役割に応じた制御棒を設け、原子炉炉心内にこれら
制御棒を配置し、原子炉の安全性と性能向上とを計る原
子炉炉心に関する。

一般に原子炉では通常百数十本の制御棒が等間隔に原子
炉内に配置されている。

次に原子炉の制御棒の役割を以下の（イ）からに）に列
記する。

（イ）原子炉停止の状態から温態待期状態までの原子炉
の反応度調整。

（ロ）温態待期状態から定格出力発生状態までの原子炉
発生全出力レベルの調整。

←→ 出力発生状態での原子炉内出力分布調整および出
力分布の積算値である原子炉内燃焼度分布調整。

に）負の反応度急速挿入による原子炉緊急停止。

従来、原子炉で使用している制御棒は、前記制御棒の役
割を炉心内の全制御棒が等しく担えるよう、全く同じ制
御棒構造と制御棒駆動機構をそなえている。

前述の制御棒の役割を検討すると非常に広範囲のもので
、同一の制御棒構造、制御棒駆動機構を持つ制御棒では
、それらの役割は適切な対応がむずかしい。

以下にその問題点を述べる。（４）制御棒駆動機構に関
して述べる。

従来のものは１ノツチ１５２ｍｍ（６インチ）駆動、連
続駆動と緊急停止時の制御棒急速挿入の３種類で、すべ
て水圧により駆動している。

■ノツチ駆動および連続駆動時の制御棒移動速度は約７
６關（３インチ）７秒で、緊急停止のための制御棒急速
挿入は原子炉底部より９０％挿入までの所要時間は約３
．５秒である。

高出力発生時、制御棒を１ノツチ駆動するときに問題が
ある。

原子炉の燃料の被覆管にはジルカロイ−２が使用されて
いるが、この熱膨張係数が燃料ペレットの熱膨張係数よ
りも小さく、しかも燃料ペレットの温度が高いため、燃
料ペレットが被覆管が接触し燃料ペレットの出力が急激
に上昇する場合には、被覆管を損傷する（これを通常Ｐ
ｅ１ｌｅｔ −Ｃｌａｄ ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＩ ｎ
ｔｅｒａｃｔｉｏｎ −ＰＣＭＩ と称している）こ
とが判明している。

そのため、各燃料ペレットの出力上昇を徐々に行い、被
覆管を十分燃料ペレットからの圧力になじませるという
運転方法が必要になっている。

制御棒は原子炉全体の出力レベルにも大きく関係するが
、その制御棒に隣接する燃料棒の出力レベル変化に大き
く影響を与える。

特に制御棒引抜時に今まで制御棒に隣接している燃料棒
の出力上昇が大きく、これがＰＣＭＩ上大きな問題とな
り、高出力発生時の制御棒移動には厳しい制約を設けて
いる。

この事は、従来の制御棒の負の反応度が大きい事と、移
動速度が速く、また１ノツチの間隔が大きい事にその原
因がある。

次に緊急停止時の制御棒挿入速度については、近年の原
子炉の高性能化、高出力密度化と高燃料燃焼度を目標と
しているため、炉心軸方向の燃焼度分布、反応度分布が
緊急停止時の制御棒特性（スクラム特性）の悪化をうな
がし限界に達している。

このためには、緊急停止時の制御棒急速挿入速度を従来
より速くすることが望まれている。

（Ｂ） 制御棒構造について述べる。

緊急停止時の制御棒急速挿木時は、制御棒の持つ負の反
応度、特に制御棒先端部の反応度が大きい方がスクラム
特性上望ましい。

一方晶出力発生時は、制御棒移動に伴い、それに隣接す
る燃料棒の出力変化を小さくするためには制御棒の持つ
負の反応度が小さい方が望ましい。

特に高出力発生時における制御棒の移動は通常１ノツチ
の移動であるので制御棒先端部の反応度のみが小さくて
も大きな効果が期待できる。

上述のような２つの相反する要求を満足することは現在
の制御棒ではむずかしい。

制御棒の機能は吸収管内に充填されている中性子吸収の
大きいＢ４Ｃ粉末にある。

吸収管内のＢ４Ｃ粉末充填率は現設計では理論密度の７
０±５％と決められている。

この下限値は、吸収管内のＢ４Ｃ粉末の沈積による制御
棒、特にその先端部の反応度減少を避けるために設けら
れたもので、上限値は制御棒の機械的寿命から設定され
ている。

即ちＢ４Ｃ粉末中のボロンは中性子吸収によりヘリウム
ガスとなるが、制御棒燃焼に伴い、吸収管内のヘリウム
ガス圧が上昇し、ついには吸収管が損傷する事になる。

この為Ｂ４Ｃ粉末の充填率に上限を設はヘリウムガス圧
の吸収を計っている。

Ｂ、Ｃ粉末の沈積による制御棒先端の反応度の減少はＰ
ＣＭＩ上からは望ましい傾向であるが、原子炉の安全上
からみると予期出来ない制御棒の持つ負の反応度の減少
は好ましくない。

（Ｃ） 安全保護系について述べる。

制御棒は原子炉を停止するために通常使用されるもので
あるため、制御棒の安全保護系は完全なものが要求され
ている。

ところが制御棒の役割を原子炉内金ての制御棒に同等に
分担させているため、その機構が非常に複雑で、安全保
護系に要求されている冗長性及び独立二系統の確保が困
難である。

ばかりでなく、運転操作上も好ましくない。

その理由は、以下に示す（イ）（ロ）である。

（イ）原子炉内に装荷されている全燃料集合体の燃焼を
出来るだけ一様として、燃料集合体間の出力差を小さく
して定格出力発生を容易とする。

（ロ）制御棒の機械的寿命を延長させるため原子炉に装
荷されている全制御棒の中性子吸収量の均一化を計る。

これらの理由のため、各燃料サイクルで原子炉内の全燃
料集合体、全制御棒が出来るだけ一様に燃焼するような
運転方法を採用している。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、制御棒の役割を２分し、それぞれの役
割に最適な構造、駆動機構、安全保護系を持つ制御棒を
原子炉内に適切に配置することによって原子炉の安全性
と性能向上を目的とする原子炉炉心を得ることにある。

すなわち、（イ）高出力運転時に制御棒の移動による燃
料へのインパクトを減じる運転を可能にする。

（ロ）緊急停止時の制御棒挿入効果を大きくし、原子炉
の安全性を高める。

ことである。

以下図面を参照して本発明の一実施例を説明する。

第１図は沸騰水形原子炉の制御棒である。制御棒１には
粗調整制御棒と微調整制御棒との二種類ありこれら両者
とも中央構造物２にブレード３を十字形に構成させてい
る。

制御棒上の下端部には結合ンケット５を有し、図には示
していないが制御棒駆動機構に連続される。

制御棒１の頂部には把手６を設け、上部よりの取扱いも
可能にしている。

前記の中央構造物２とブレード３０間隙に多数本の細管
状の中性子吸収管４・・・・・・を収納している。

この中性子吸収管４Ａ、４Ｂは第２図と第３図に示すよ
うに円筒状の吸収管被覆管１０は上部に上部端栓１１と
下部に下部端栓１２とで密封されている。

吸収管被覆管１０の内部にはＢ４Ｃ粉末１４を装填し、
途中位置にはセパレータボール１５を設け、Ｂ４Ｃ粉末
１４を分離支えている。

吸収管被覆管１０には、セパレータボール１５を固定す
るため、セパレータボール位置くぼみ１６を設けている
。

これらセパレータボール１５間の間隔寸法Ｂは約４０６
ｍｍ（１６インチ）である。

粗調整制御棒の中性子吸収管４Ａは第２図に示すように
、中性子吸収用Ｂ４Ｃ粉末を全長に渡って均一に充填し
ている。

この粗調整制御棒の中性子吸収管４Ａの全長寸法Ａは原
子炉の炉心長によって決定され本実施例の場合約３６５
８ｍｍ（１４４☆☆インチ）である。

微調整制御棒の中性子吸収管４Ｂは第３図に示すように
、上端よりの寸法Ｃの約１５２ｉｍ（６インチ）には中
性子吸収用Ｂ４Ｃ粉末を充填しないガスプレナム部３１
を設けている。

従って、このガスプレナム部３１には中性子吸収機能が
ない。

さらに、本実施例の場合このガスプレナム部３１０寸法
Ｃは原子炉の反応度調整時、制御棒の引抜最小駆動寸法
に合わせている。

前記のように、このガスプレナム部３１に中性子吸収機
能を持せてない理由は、制御棒引抜時の原子炉出力密度
の上昇を緩和させるように作用させるためである。

次に原子炉炉心における制御棒１の配置を説明する。

第４図はｓ ｏ ｏＭ！Ｎ級の沸騰水形原子炉の従来の
制御棒区分てｉｌＪ御棒を表に示すように、各制御棒状
態ａ１．ａ２．ｂ１．ｂ２にもとづく制御棒パターンＡ
Ｉ、Ｂｌ、Ａ２．Ｂ２により、原子炉内の全燃料集合体
の燃焼の均一化を計っている。

上述の運転方法は新燃料あるいは燃焼の進んだ燃料にか
かわりなく、原則的に同じ大きさの出力変化インパクト
を燃料被覆管に与える運転方法となっている。

すなわち−担炉内に装荷されれば新燃料、旧燃料に関係
なく全く同じ取扱いとなっていて燃料の健全性確保上不
都合がある。

第５図に、本発明の原子炉炉心における制御棒１の配置
を８００ＭＷ級の沸騰水形原子炉の炉心内配置を示す。

粗調整制御棒と微調整制御棒とを第５図に示すように、
炉心最外周を除いてチェッカーボード状に配置して原子
炉の最適運転を行うものである。

この粗調整制御棒は原子炉停止の状態から温態待期また
は低出力発生時までの原子炉の反応度調整と原子炉緊急
停止時の負の反応度の急速挿入を行う。

この粗調整制御棒の駆動は原子炉緊急停止時を除いて、
原則的には微調整制御棒全挿入時にのみ許容される。

この粗調整制御棒を１ノツチ相当引抜を行うときの発生
出力レベルの変化は第６図の曲線６０に示すように大き
く変化するため、出力運転中に引抜出力調整するのには
不向きである。

この粗調整制御棒は第７図のスクラム特性曲線の斜線部
で示す特性をもつため、原子炉緊急停止時の負の反応度
の急速挿入に適している。

微調整制御棒は温態待期または低出力発生時から定格出
力発生時までの原子炉発生全出力レベル調整と、原子炉
内出力分布および燃焼度分布調整を行う。

なお、微調枠の駆動は原則的には粗調棒金引抜時にのみ
行うものである。

この微調整制御棒を１ノツチ相当引抜を行うときの発生
出力レベルの変化は第６図の曲線６１に示すように小さ
い。

従って、この微調整制御棒を原子炉全出力レベル調整に
使用する場合、燃料被覆管に与える出力変化インパクト
を著しく軽減できるものである。

次に原子炉制御棒１の作用について説明する。

中性子吸収管４Ａを収納する粗調整制御棒は高出力発生
時には原則的に全引抜の状態にあるので、中性子の吸収
は非常にすくない。

よって粗調整制御棒の吸収管内のヘリウムガス圧の増加
もわずかで、その機械的寿命は延長する。

またヘリウムガス圧の増加がわずかなので、吸収管内の
Ｂ４Ｃ粉末１４を従来以上の充填とし、粗調整制御棒の
持つ負の反応度を大きくする事ができる。

また緊急停止時のスクラム特性を第７図に示すようによ
くすることが可能となる。

このように粗調整制御棒は緊急停止時に作動する事を主
にするため、緊急時の安全保護系をこの粗調整制御棒だ
けに設置すればよく、機構の簡素化または全保護系に要
求されている冗長性、独立二系統の確保も容易に行える
。

中性子吸収管４Ｂを収納する微調整制御棒は高出力発生
時１ノツチ駆動が主となるので、その移動速度を遅く、
またｌノツチの間隔も短かくして燃料への出力上昇イン
パクトを減じ燃料の健全性を向上させることが可能であ
る。

そのため、微調整制御棒の駆動を電動式とし移動速度を
極端に遅くする事が出来る。

このように微調整制御棒の駆動を電動式とする場合、緊
急停止時のスクラム特性悪化が考えられる。

しかし前述のように粗調整制御棒と微調整制御棒とをチ
ェッカボード状に配置している事、粗調整制御棒の挿入
速度が速い事、粗調整制御棒全挿入、微調整制御棒全引
抜の状態で原子炉を温態待期以下にするだけの十分な反
応度を微調整制御棒が持っている事、また緊急停止信号
によりゆっくりではあるが微調整制御棒も全挿入すれば
原子炉を停止状態とすることができる事から、微調整制
御棒は電動式で駆動するのが可能である。

またこれらのことにより、駆動機構の簡単化が行え機器
の必要スペースの減少が計れる。

微調整制御棒は高出力運転時、原子炉に常に挿入されて
いるため、ボロンの中性子吸収によるヘリウムガス圧吸
収用のガスプレナムを設けている。

微調整制御棒はその移動による燃料棒への出力変化イン
パクトを小さくするため前述のように制御棒先端部の負
の反応度を小さくさせている。

また第５図に示すように、粗調整制御棒と微調整制御棒
とをチェッカーボード状に配置する事により制御棒パタ
ーン交換に必要な時間が著しく短縮でき原子炉の稼動率
をも向上できる。

すなわち、従来は前記衣に示すように４つのパターンＡ
Ｉ、ＢＩＡ２ 、Ｂ２を用いていたのに対し、たとえば
パターンＡ２のみ、あるいはパターンＡ２．ＡＩのみで
原子炉を運転するため、制御棒パターンの交換回数が減
少する。

斯して本発明の原子炉炉心は、粗調整制御棒と微調整制
御棒の２種類の異なる機能を持つ制御棒を有し、原子炉
炉心内にチェッカーボード状に適切に配置することによ
って、原子炉の安全性と性能向上が可能となる。

さらに、高出力運転時の制御棒の移動による燃料へのイ
ンパクトを減じる運転も可能であり、緊急停止時の制御
棒挿入効果を太きくし、原子炉の安全性を高めることが
できる。

また原子炉燃料取替時及び新燃料と残余の燃焼可能な旧
燃料との適正装荷により燃料の燃焼効率を高めるととも
に、炉心燃料の取替を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸騰水形原子炉の制御棒全体図、第２図は粗調
整制御棒に収納する中性子吸収管の断面図、第３図は微
調整制御棒に収納する中性子吸収管の断面図、第４図は
炉心の制御棒配置図、第５図は炉心の粗調整制御棒と微
調整制御棒との配置図、第６図は粗調整制御棒と微調整
制御棒を各々に、１ノツチ相当引抜するときに、これら
制御棒に隣接する燃料棒の発生出力レベル変化特性図、
第７図は粗調整制御棒による緊急時のスクラム特性図で
ある。 １・・・・・・制御棒、４・・・・・・中性子吸収管、
１３・・・・・・アイアンウール、１４・・・・・・Ｂ
４Ｃ粉末、３１・・・・・・ガスプレナム部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 粗調整制御棒と微調整制御棒とを有する沸騰水型原
   子炉の原子炉炉心において、微調整制御棒より緊急停止
   時の挿入速度が早く、微調整制御棒より負の反応度が大
   きく、高出力運転時に原則的に全引抜状態である粗調整
   制御棒と、粗調整制御棒より駆動速度が遅く調整可能で
   、その先端部は負の反応度が小さく構成され、高出力運
   転時の反応度調整と出力分布調整に使用し、原則的に粗
   調整制御棒引払抜引抜きする微調整制御棒と、これら粗
   調整制御棒と微調整制御棒とを最外周を除く炉心にチェ
   ッカーボード状に配置し、最外周は粗調整制御棒を配置
   して構成されることを特徴とする原子炉炉心。 ２ 微調整制御棒は電動機で駆動されてなることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の原子炉炉心。