JPS5922196B2 - 原子炉の出力制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高い負荷変動速度をもつたとえば船舶駆動用の
軽水炉に適用される原子炉の出力制御方式に関する。

一般に原子炉の出力制御は、中性子吸収材料を有しかつ
一定の方式で規則的に炉心の中に挿入又は引き抜かれる
制御棒によって行われる。

原子炉ハイかなる運転状態においてもこの制御棒にヨッ
て急速にかつ確実に停止できなければならないと同時に
、制御棒を駆動する際に中性子束あるいは温度が許容で
きない程高い値にならないようにすること、および原子
炉炉心がすべての領域においてできるだけ均一な核燃料
の燃焼度を達成することが要求される。

尖頭温度ないし尖頭中性子束の発生は、材料の許容応力
のため原子炉の総出力を制限するので避けなければなら
ない。

均一に燃焼させることは、他の燃料要素がまだ十分に燃
焼されていない間に、一部の燃焼された燃料要素を交換
する必要がなくなるので、経済的な観点から望まれる。

多数の中性子吸収棒をもった原子炉において、これらの
吸収棒が制御信号に関連して所定の順序で個々にあるい
はグループで順次動かされるようにして中性子増倍率を
制御する方法は、西ドイツ特許出願公告第１，２４４，
３０７号公報で知られている。

この場合、構造的に一様に形成された吸収棒を制御信号
の大きさに関連して種々の頻度で個個にあるいは多数な
いし少数のグループで段階的に周期的順序で駆動するこ
とが提案されている。

特に制御棒を挿入する際一定の反応度変化が得られるよ
うな方法が述べられている。

西ドイツ特許第２，００７，５６４号は、制御棒の挿入
方向においても中性子束をできるだけ均一にすることを
課題としている。

この場合出力制御に大きな経費を必要としないことおよ
び半径方向（炉心の横断面に亘る）の中性子束分布が許
容できない程にゆがめられないことが条件とされている
。

そこで提案されている方法は、加圧水膨原子炉の出力を
２つのグループで別々に調節できる多数の制御棒で制御
するものであり、一方のグループは負荷変動時にのみ他
方のグループと共に駆動されるが炉心高さの約８〜２０
％の挿入深さを有するのに対し、他方のグループは負荷
変動時に生ずる燃料温度の反応度に対する作用を補償す
るために前記の挿入深さと炉心高さの１００％との間で
調節されることを特徴としている。

上述の２つの解決策はいずれも制御技術的に比較的大き
な経費を必要とする。

本発明の目的は、低降な費用で実施することができると
ともに、小さな負荷変動速度ないし大きな制御技術上の
費用で制御する原子炉の場合よりも出力ビーキング係数
が大きく々らずかつ最小限界熱流束比（ＭＣＨＦＲ）が
小さくならず、同時に大きな負荷変動速度がほぼ線形の
制御特性曲線によって実現できるような大きな負荷変動
速度をもつ原子炉の出力制御方式を提供することにある
。

上述の問題を解決するため、すなわち制御棒の挿入の際
の出力ビーキング係数の制限およびできるだけ一定の反
応度変化を達成するため、本発明によれば、燃料要素か
ら達成される炉心が非均−に分布された可燃性中性子毒
物の固定系と原子炉炉心に一方の側から挿入される可調
整制御棒をもった軸方向に可動な吸収棒系とを有する原
子炉において、中性子毒物が原子炉炉心の軸方向におい
て制御棒の挿入側とは反対側に集中され、出力調整用の
すべての制御棒が共通操作のためにまとめられ、出力運
転時にすべての制御棒位置における出力ビーキング係数
が、可動吸収棒系と可燃性中性子毒物の固定系との組み
合せによって、可燃性中性子毒物を用いない場合よりも
全体として小さくなるようにすることを提案する。

本発明の基本的な実施例においては、有毒化されていな
い炉心の中に可燃性毒物の固定系が配置され、この可燃
性毒物系の長さは核分裂領域の活性長さに比して一方の
側、たとえば炉心の上から制御棒が挿入される場合には
炉心の上側で短かくされ、従って炉心の上側領域におい
ては中性子の吸収が行われないようにされる。

この炉心に可動制御棒が上から挿入される。

制御棒が部分的にたとえば半分あるいは３分の２だけ挿
入される場合、かかる炉心は軸方向に３つの領域に犬ざ
つばに分けることができる。

すなわち制御棒による吸収だけが作用する上側領域と、
可燃性毒物による吸収だけが作用する下側領域と、制御
棒系と可燃性毒物系がその吸収作用において重畳する中
間領域とに分けることができる。

この場合制御棒あるいは可燃性毒物はその設置個所で直
接中性子束に影響を与えるだけでなく、中性子を吸収し
中性子束を減少するための共通の空間的領域をもつよう
にする必要がある。

本発明による２つの系の組合せによる相乗吸収作用は、
制御棒が部分的に挿入される場合、経験的に高い軸方向
のピーキング係数をもつ中間領域において正に生じるの
で、下側領域および上側領域においてそれぞれ減少され
た中性子吸収により比較的低いピーキング係数の上昇が
生ずると共に、中間領域においては本発明により出力ビ
ーキング係数の減少が生ずる。

この方法の場合、出力運転時制御棒を挿入しない炉心お
よび完全に挿入された制御棒をもった炉心に対しては、
本発明方法を適用しない場合よりも大きな軸方向ピーキ
ング係数が生じるのは止むを得ない。

しかし適当な最適化を施こせば、本発明の方法は制御棒
と可燃性毒物との相乗作用によって、出力運転時すべて
の制御棒位置に対してほぼ一定の出力ビーキング係数を
生じることを可能にする。

この場合この出力ビーキング係数は、本発明の方法を採
用せずに同じ周辺条件の下で生ずる最大値よりも小さい
ので、このような本発明による原子炉はより高い総出力
で運転することができる。

更に制御棒の位置および軸方向の出力最大個所に応じた
ピーキング係数を、膜沸騰に関連して軸方向に変化する
冷却材条件に合わせることができるので、制御棒の位置
に関係なしに一定した限界熱流束比（ＣＨＦＲ）が得ら
れる。

この限界熱流束比は燃料棒の被覆管の伝熱表面の実際の
負荷と伝熱表面の限界負荷との比に関係し、この場合伝
熱表面の限界負荷は、膜沸騰の開始のしるしである熱伝
達係数の突然の降下によって決められる。

膜沸騰は熱伝達を悪くするために被覆管の焼損を生ずる
。

上述したように可燃性毒物の長さを核分裂領域の活性長
さに比較して炉心上方で短かくすることによって、制御
棒を炉心の上から挿入する場合にほぼ一定の反応度変化
を得ることができる。

すなわち炉心の反応度が制御棒の位置に対応すると線形
の制御特性曲線を得ることができる。

本発明によるような毒物の減少を行なわない従来技術で
炉心を設計する場合には、制御棒の挿入の際に炉心の最
上側領域には比較的小さな反応度変化が生ずる。

これに対し本発明の場合には上側の毒物のない炉心領域
に大きな局所的な反応度と比較的大きな束密度をもつ領
域が生じるので、制御棒の挿入時の反応度変化はこの領
域で高まり、全体としてほぼ一定の反応度の変化が生じ
る。

この方法の場合炉心の最下側領域に制御棒を挿入する場
合にだけ小さな反応度変化が生ずる。

しかし制御棒をこの領域に挿入することは実際には問題
にならないことが多い。

本発明による出力制御方式は次のような利点を有する。

１、上述のように、出力運転中制御棒の位置が変化して
もほぼ一定の出力ビーキング係数を生ずる。

これは特に、キセノン濃度の変化から生ずる比較的大き
な反応度の偏差を制御棒系によって補正したい場合に有
意義である。

場合によっては深く挿入された制御棒位置が問題となる
ことも多い。

本発明による方式は、この制御棒位置に対しても軸方向
のピーキング係数を比較的小さな値に制限することがで
きる。

２、制御棒グループのすべての挿入領域において、制御
技術的理由から（たとえば負荷変動速度を考慮して）大
きな反応度変化を得たいことも多い。

しかし安全技術上最大反応度変化には上限がある。

制御特性曲線を線形化して制御棒の全挿入範囲において
ほぼ一定の反応度変化を生ずるようにした本発明方式に
よって、制御技術上重要な最小反応度変化が安全技術上
重要な最大反応度変化にかなり近づけられるので、この
場合に高められた最小反応度変化によって総じて制御技
術上の観点において改善が図れる。

３、更にほぼ一定の反応度変化は簡明さから制御技術を
単純化する。

４、本発明による制御方式は、２つあるいは多数の制御
棒グループを一つの制御棒グループにまとめることを可
能にする。

そのようにまとめられた一つの制御棒グループを炉心に
挿入する場合、分割グループの挿入の場合よりも一般に
大きな軸方向ピーキング係数が生ずる。

しかしこの大きなピーキング係数は本発明による制御方
式によって同様に解消される。

制御棒グループを一つにまとめることは次のような利点
を生ずる。

４−１．単純化された制御技術で比較的簡単な制御棒挿
入プログラムを用いることができる。

４−２１機械的な制御棒挿入速度に上限がある場合、制
御棒グループをまとめることによって、時間あたりに大
きな反応度変化を生じることができる。

４−３１本発明方式により制御特性曲線の線形化が生じ
た場合でも、制御棒グループが異なればなお種々の反応
度変化を生じることがある。

そのような種々の制御棒グループを一つのグループにま
とめることによってこの難点は避けられ、上記２．に述
べた利点をもつ最小反応度変化と最大反応度変化との間
の調整を生ずる。

西ドイツ特許第１，９０９，１０９号および第１．２７
９，２３０号明細書と西ドイツの技術雑誌［Ａｔｏ−ｍ
ｋｅｒｎｅｎｅｒｇｉｅ Ｊ １９６７年１２月号第２
８５頁〜第２８６頁には、次のような目的で可燃性毒物
の寸法を変化することが示されている。

すなわち炉心の長期的な燃焼特性を、 （１）最適反応度（たとえば時間的に一定の炉心の過剰
反応度）に関して、 （１１）燃焼周期に亘って不変の、すなわち時間的にた
とえば一年間に亘って一定の出力分布を得るため、 （曲 毒物の平均燃焼度を得るために 調整する目的で、上記のような可燃性毒物の寸法を変化
することが示されている。

しかしながら上述の文献においては、制御棒系は特に部
分的に挿入された制御棒について考慮されてない。

本発明の方法は、出力運転において問題となるすべての
制御棒位置に対して制御棒系と共働してほぼ一定の出力
ビーキング係数を得るために、位置固定された可燃性中
性子毒物の長さを変化することを図っている。

この場合制御棒位置は時間的に秒、分あるいは時間の単
位で著しく変動する、すなわち非定常的な出力分布をも
って変化する。

この場合上述したようにピーキング係数だけがほぼ一定
のままである。

ここに要約すれば本発明の方式は可燃性毒物、制御棒、
および変化する制御棒位置の共働作用が特徴であると言
える。

西ドイツ特許第２，００７，５６４号および第１．２４
４，３０７号明細書には、制御棒の挿入の際の軸方向出
力ビーキング係数を制限しかつ一定の反応度変化を得る
目的で、制御棒を制御棒グループに細かく分割すること
および複雑な制御棒挿入プログラムが述べられている。

本発明はこの問題を制御棒と可燃性毒物との組み合わせ
によって解決できるので、簡単な制御棒挿入プログラム
で済ませることができる。

次に熱出力２２０ＭＷの船舶駆動用の加圧水膨原子炉の
炉心設計における本発明の詳細な説明する。

第１図は２４個の正方形燃料要素から構成された炉心の
横断面図を示している。

各々の燃料要素は、燃料棒、毒物棒、およびその中に軸
方向に動きうるフィンガー形吸収棒が挿入される案内管
に対して、２１Ｘ２１個のポジションを有している。

その都度上から燃料要素の中に挿入されるフィンガー形
吸収棒は一つのフィンガー形吸収要素、すなわち一つの
共通の可動制御棒になるように機械的に結合されている
。

１台の共通の駆動機（共通に制御される多数の駆動機も
考えられる）で一緒に動かされる幾つかの制御棒グルー
プに個々の制御棒をまとめることは、文字記号Ａ−Ｄ３
で示されている。

すなわちＡは第１グループ、Ｂ１．Ｂ２は第２グループ
、Ｃは第３グループ、Ｄ１Ｄ２゜Ｂ３は第４グループを
示している。

出力反応度およびキセノン反応度の制御のために、等測
的な制御棒グループＢあるいはＣが選択的に挿入され、
これらの制御棒グループはそれぞれその挿入深さに亘っ
て約７％の反応度変化を惹起する。

制御棒Ａ、Ｄ１．Ｄ２．Ｄ３は通常運転中原子炉炉心の
外側にある原子炉停止用制御棒である。

停止用制御棒としては、その時間帯において出力制御用
に挿入されていない制御棒グループＢあるいはＣに属す
る制御棒を用いることもできる。

第１図において文字記号のついていない燃料要素には制
御棒は挿入されない。

以下に制御棒グループＢだけを注目し、他のすべての制
御棒は完全に引き抜かれているものとする。

中性子毒物としてＧｄ２Ｏ３の形のガドリウムが用いら
れる。

第２図に示すように燃料要素の中に特殊棒の形で配置さ
れたこの中性子毒物の全毒作用（負の反応度）は、原子
炉運転の起動時で約１１％である。

この反応度はたとえば原子炉炉心の下側部分に亘って均
一に分布され、上方に向って段階的に零まで均等に減少
する。

炉心は第２図に示すような毒物長さ分布をもっている。

すなわち全長１７５０ｍｍの核燃料領域に対して上から
少くともその７分の１だけ短縮されたこれらの毒物棒は
、図面に斜線を施した部分が１５００１１Ｅ２Ｈの毒物
長さ、残りの部分がそれぞれ１２８１關と１５００ｍｍ
の毒物長さを半分づつ有している。

かかる長さ分布により、グループＢの可動吸収棒系と共
働して次のような作用が得られる。

（ａ） 制御棒グループＢが完全に引き抜かれた炉心
は第３図の曲線■のような軸方向出力分布を示し、この
出力分布は上述の毒物の短縮のない場合の出力分布（第
３図の曲線■）に比して局部的な大きなピークを示す。

（ｂ） 制御棒グループＢが半分挿入された炉心は上
述の毒物の短縮により、毒物の短縮のない場合（第４図
の曲線■）よりも明らかに小さな局部的なピーク（第４
図の曲線■）をもった軸方向出力分布を示す。

（ｃ） 制御棒グループＢが核燃料領域の上部４分の
１の領域に挿入された炉心は上述の毒物の短縮化によっ
て、そのような毒物の短縮化がなくかつ制御棒を挿入し
ない炉心が示すように（第３図の曲線■）、はぼコサイ
ン状の軸方向出力分布（第５図の曲線■）を示す。

これに対し毒物の短縮化のない場合の出力分布は第５図
における曲線［Ｆ］で示され、この曲線［Ｆ］は局部的
に大きな軸方向ピークを示す。

しかしこの実施例の炉心の場合、全出力およびキセノン
バランスの際にグループＢの吸収棒はほぼ上述のような
挿入深さを有しているので、毒物の短縮とグループＢの
可動吸収棒との相乗効果によって、一般の加圧水膨原子
炉の設計における制御棒を挿入しない炉心が示すもの（
第３図の曲線■）と同様の軸方向出力分布が得られるの
である（第５図の曲線■）。

（ｄ） 制御棒グループＢが完全に挿入された炉心は
、上述の毒物の短縮化によって、制御棒が完全に引き抜
かれた炉心（第３図の曲線■）と同じような軸方向出力
分布（第６図の曲線■）を示し、上述の毒物の短縮なし
では第３図の曲線■で示されたような軸方向出力分布（
第６図の曲線０）を示す。

（ｅ） 毒物さ吸収棒とを上述のように組み合わせる
ことによって同時に、制御棒グループＢを上から挿入す
る場合挿入行程の最初からほぼ線形の反応度変化が得ら
れる（第７図の曲線■）。

この反応度変化はほぼ挿入行程の最後まで保たれる。

この制御特性は、上述の毒物と可動吸収棒との組み合わ
せのない炉心がもつ特性（第７図の曲線■）と全く異な
っている。

後者の制御特性は、挿入行程に応じて最大反応度変化と
最小反応度変化との間に上述のような欠点をもつ大きな
差が生ずるような２回の典型的なＳ字状経過（曲線■、
部分Ｂ１ないしＢ２）を示す。

２回のＳ字状経過は、局所的な出力過上昇を望ましくな
いほど大きくならないようにするために必要とされるグ
ループＢの２個の分割グループＢ１．Ｂ２（第１図の炉
心横断面参照）への分割によって惹起される。

上述のような毒物と可動吸収棒との組み合わせは、分割
グループＢ１．Ｂ２の一つのグループＢへのまとめ並び
に制御特性の線形経過（第７図の曲線■）を可能にする
。

それによって出力制御のために一定の挿入速度をもった
グループを用いることができる。

グループＢは、分割グループＢ１．Ｂ２の場合とフィン
ガー形吸収要素の同一の挿入速度の場合、問題となる制
御領域において分割グループＢ１ないしＢ２よりも挿入
行程あたり大きな反応度の変化を示す。

分割グループＢ１ないしＢ２は全挿入行程に対する反応
度上昇においても大きく異なる（第７図曲線■、部分Ｂ
１ないしＢ２）。

それによって上述の組み合わせによる制御特性によれば
、フィンガー形吸収要素と同じ挿入速度の場合、組み合
わせのないものよりも非常に大きな負荷変動速度を得る
ことができる。

第８図は第２図の１−１線に沿う炉心の垂直縦断面概略
図である。

第１図において既に述べたように、原子炉炉心は２４個
の正方形の燃料要素から構成されている。

第８図にはそのうち４個の燃料要素８１が示されている
。

この燃料要素８１はそれぞれ燃料棒、毒物棒および案内
管に対する２１Ｘ２１のポジションを正方形の形で有し
ている。

図面を簡単化するために、それぞれ数本の毒物棒８２の
みが示され、これは燃料要素の全高さに亘って伸び、黒
く示された領域に原子炉毒物を有している。

燃料棒は図を見易くするために省略されている。

すべての燃料要素において上側領域８３は全く可燃性毒
物を持たず、一方その下側の領域において毒物棒８２は
原子炉の一部では残る全長に亘って原子炉毒物を有し、
原子炉の他の部分ではそれぞれ第２の毒物棒が短かい毒
物長さを有している。

第８図の中央の２つの燃料要素において、原子炉中心に
近い方の毒物棒が同じ燃料要素内ではあるがその中心の
外側に配置された毒物棒よりも高い活性毒物長さを有し
ている。

原子炉炉心の上部には完全に引き抜かれた状態における
多数の吸収棒８４が示されており、これらの吸収棒８４
はそれぞれ燃料要素に対して、共通の吸収棒巻き上げ機
８５および棒駆動機８６によって軸方向に一緒に動かさ
れる。

種々の燃料要素の棒駆動機８６はグループ毎にまとめら
れかつ電気的な方式で結合して一緒に駆動される。

【図面の簡単な説明】

第１図は制御棒の配置を示す原子炉炉心の概略平面図、
第２図は長さの異なる可燃性中性子毒物棒の分布を示す
原子炉炉心の概略平面図、第３図乃至第６図はそれぞれ
異なった制御棒挿入深さにおける炉心高さと軸方向出力
との関係を示す線図、第７図は炉心高さと反応度変化の
関係を示す線図、第８図は第２図におけるＩ−１線に沿
う炉心の概略縦断面図である。 ８１・・・・・・燃料要素、８２・・・・・・毒物棒、
８３・・・・・・毒物棒の毒物のない領域、８４・・・
・・・制御棒。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃料要素から構成される炉心が非均−に分布された
   可燃性中性子毒物の固定系と原子炉炉心に一方の側から
   挿入される可調整制御棒をもった軸方向に可動な吸収棒
   系とを有する原子炉において、中性子毒物が原子炉炉心
   の軸方向において制御棒の挿入側とは反対側に集中され
   、出力調整用のすべての制御棒が共通操作のためにまと
   められ、出力運転時にすべての制御棒位置における出力
   ビーキング係数が、可動吸収棒系と可燃性中性子毒物の
   固定系との組み合せによって、可燃性中性子毒物を用い
   ない場合よりも全体として小さくなるようにすることを
   特徴とする原子炉の出力制御方式。