JPS6186676A - 中空制御棒原子炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉に係り、特に出力分布調整及
び燃料経済性向上に好適な構造の制御棒を備えた原子炉
に関する。

〔発明の背景〕

沸騰水型原子炉では、第２図に曲線１で示す如く軸方向
にボイド分布を保つため、同図曲線２で表わされる出力
分布にスキュウイング（ｓｋｅｗ　ｉｎｇ　）が発生す
る。冷却器の入口になっている炉心下部では、冷却材は
サブクール状態にあり、冷却材が炉心を上昇するに従っ
て、サブクール沸騰、飽オロ沸騰の領域に入り、冷却材
の出口でろる炉心上部では、ボ・イド体積率は７０％前
後に達している。

そのため、炉心上部よりも炉心下部の方が中性子の熱化
が進み、沸騰水型原子炉では、出力ピークの位置が炉心
下部にスキュウイングする。この特性を改善するため、
従来の沸騰水型原子炉では下記の対策を施してきた。

１、　シャロー制御棒の使用（第３図）炉心下方から１
／４前後の出力ピークの位置に浅く挿入した制御棒３（
シャロー制御棒）を使用する。このシャロー制御棒３に
よる出力分布平坦化の方法は、炉心下部を局所的に制御
し、出力分布を平坦化している。第３図に示すように、
制御棒の入っているまわりの燃料集合体においては、上
部に比べて出力が大幅に抑えられ、燃焼度の進みが大き
く遅れることになる。従って一定期間燃焼の後、次の制
御棒パターン変更等でシャロー制御棒が引抜かれると、
そこに出力ピークが集中する。この出力ピークを抑える
ため、また他のシャロー制供棒を必要とするという悪循
環が生じ易くなる。このように、シャロー制御棒による
出力分布制御方法は少数の燃料集合体に強い下部ピーク
を生ずる傾向がある。

２、、軸方向反応度差燃料の使用（第４図）燃料集合体
を軸方向に複数領域（一般には、炉心中央高さ付近で分
割した２領域）に分割し、同じ温度及びボイド率の下で
、上部の中性子無限増倍率を、下部の無限増倍率よりも
高くした燃料４を使用する。このような対策を講じて、
軸方向にボイド分布があるため生じる炉心下部への出力
分布のスキュウイングを緩和し、平坦な出力分布を得る
ことができる。軸方向上下に反応度差をつける代表的方
法としては、燃料集合体の軸に垂直な平面でのウラン平
均濃縮度を果合体の上部と下部で変える方法がある。上
下ウラン濃縮度分布は、ウラン２３５の上下含有量の差
をオリ用するため、燃焼しても上下反応度制御効果を持
続可能である。

以上のように、沸騰水型原子炉に固有のボイド分布に起
因する出力分布のスキュウイングを是正するための対策
が講じられてさたが、一方において、このボイド分布を
利用して下記のような燃料経済性向上策もまた出呼じら
れてきた。

３、流量制御スペクトルシフト運転（第５図、第６図） 沸騰水型原子炉では、ボイド率が高くなると中性子のエ
ネルギスペクトルが悪化し、プルトニウムの生成量が増
える。これは、ウランの同位体の内、ウラン２３８がエ
ネルギーの高い高速中性子を吸収して、中性子捕獲反応
によりプルトニウムに変捜されるためである。これに対
して、ウラン２３５や上の反応で生成したプルトニウム
２３９け、エネルギーの低い熱中性子により効率的に核
分裂を起こす。

炉心流量を減少させると炉心のボイド量が増加す、乙。

従って、運転Ｗ期から中期にかけて炉心流量を低くして
プルトニウムを蓄え、連転末期に炉心流量を増してボイ
ドをつぶし、中性子スペクトルを軟化させ、蓄積したプ
ルトニウムを燃焼させると、取出燃焼度を増加できる、 しかしながら、流量制御によるスペクトルシフトでは、
流ｈ１低下時に除熱能力が下がり、熱的限界値に対する
余裕がなくなることから、流量制御に制約があり、ボイ
ドの変化量は限られている。

この種の技術に関連するものには、特開昭５３−１７８
９１及び特開昭５３−１７８９３がある。

これらの技術は、強中性子吸収体の燃料への熱的影響を
緩和すること、及び制御棒寿命を長くするためにガスプ
レナム部を設けることを提案しているが、出力分布制御
１反応度制御、スペクトルシフト制御を積極的かつ満足
に実行できるまでには至っていない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記の欠点を解消することでめシ、よ
シ具体的には、出力分布平坦化及び燃料経済性向上に効
果的な構造の制御棒を備えた原子炉を提供することであ
る。

〔発明の概要〕 本発明の原理的特徴は、沸騰水型原子炉の制御における
主要な４つの要素、 人、余剰反応度制御 Ｂ、軸方向出力分布制御 Ｃ１径方向出力分布制呻 Ｄ１スペクトルシフト運転 の全てを効果的に行うために、中空制御棒を用いること
である。中空制御棒は、制御棒の内部を中空にした、す
なわち、減速材中のボイドと同じ状態した制御棒である
。

Ａの余剰反応度の制御は、従来、強い中性子吸収物質で
あるボロンを封入した制御棒及び同様に強い中性子吸収
物質である可燃性毒物のガドリニアを添加した燃料棒を
使用し、運転サイクルを持続するに足る反応度増倍率を
サイクル初期から末期近くまで制御している。

これに対して、本発明では、炉心に中空制御棒を挿入す
ることにより、炉心の中性子エネルギスペクトルを硬く
し、核分裂反応の発生数を減らして、反応度を抑制する
と共にその余剰中性子をプルトニウムの生成に役立たせ
る方法を採っている。

Ｂの＋１１１方向出力分布制御は、ボイドの軸方向分布
に１起因する炉心下部での出力ビーキングを、従来は、
シャロー制御棒により抑制したり、燃料自身の持つ濃縮
度等の反応度分布によシ制御しているっ これに対し、本発明では、軸方向出力分布がスキュウイ
ングする本来の原因であるボイドの軸方向分布を一様に
するようにしである。すなわち、中空制御棒を炉心下部
から挿入し、中空部をボイドとして用いて実効的に炉心
下部にボイドを発生させ、軸方向のボイド分布（減速材
密度）を一様にする（第１図）、。

Ｃの径方向出力分布制御は、従来、出力の高い集合体に
隣接した位置にボロン入り制１１１１捧を挿入する方法
を採っている。この方法では、制御棒の隣接する集合体
出力が低くなり過ぎて燃焼が遅れ、いわゆる出力あるい
は燃焼度ミスマツチが大きくなる。このため、制御棒パ
ターンあるいは燃料装荷パターンは、燃料が一様に燃焼
するように計画する必要があった。

本発明では、各燃刺集合体毎に隣接している中空制御棒
を操作し、炉心の局所的な中性子のエネルギスペクトル
を制御可能である。従って、出力の高い集合体の周辺で
はスペクトルを硬くして出力を落とし、反対に、出力の
低い集合体の周辺ではスペクトルを軟化して出力を高め
ることができ炉心全体にわたって均一な出力分布の運転
が可能である。

Ｄのスペクトルシフト運転は、従来、サイクル？ｌＪＪ
υＪから中期にかけて冷却材流量を下げ、ボイド率を大
きくして中性子のエネルギスペクトルを硬くシ、プルト
ニウムの蓄積を図っている。サイクル末期では、冷却材
流量を上げ、ボイド率を小さくしてエネルギスペクトル
を軟化させ、反応度を増大させる。

本発明では、中空制御棒によシ炉心のボイド率を大幅に
変化させることができる、この時、中空制御棒により実
効的ボイド率が変わるだけでチャンネルボックス内のボ
イド状態の変化が大きくないため、燃料の伝熱特性は、
殆んど変化しない。

サイクル末期では、この中空制御棒を引抜き、蓄積した
プルトニウムの反応度を有効に利用し、大きな反応度利
得を得ることができる。

本発明の原理的特徴ｔま、次のようにまとめられる、。

（１）　　熱中性子炉の核特性である［中性子のエネル
ギスペクトルが１訳かい時に核分裂が多く発生し、炉心
の反応度が上がり、また反対にスペクトルが硬い時に核
分裂の発生が少くなり、炉心の反応度が下がると共に、
ウラン２３８の中性子吸収によるプルトニウムが蓄積す
る」という原理を利用する、いわゆるスペクトルシフト
運転を最も効果的に利用している。

従来、スペクトルシフト運転は、流量制御によボイド率
を変化させていたが、この方法では熱的特性への影響が
あるため、ボイド率の変動幅は限られる。

スペクトルシフト運転において、本発明の中空制御棒を
用いることにより、チャンネルボックス内の熱的特性に
与える影響がないため炉心のボイド率を大幅に変動させ
、中性子のエネルギスペクトルを大きく変化させること
ができる。このため、スペクトルシフトによる反応度の
利得を非常に犬きくできる。

（２）原子炉の余■］反応度あるいは出力分布の制御に
、従来、強い中性子吸収・物質であるボロンを封大した
制御棒を用いている。これは過剰の中性子を、いわゆる
毒物に吸収させ消滅させてしまう考え方である。

本発明では、これらの余剰反応度あるいは出力分布を制
御すると同時に新しい燃料（プルトニウム）をｊ、Ｊ造
する考え方を持っており、（１）のスペクトルシフト運
転を最大限に適用したものである。

（３）原子炉内の軸方向ボイド分布により、軸方向出力
分布がスキュウイングするため、これを平坦化する目的
で、従来、シャロー制御棒や軸方向反応度分布燃料を使
用してきた。

本発明では、この出力分布のスキュウイングの原因であ
る軸方向ボイド分布そのものを平坦化させる考え方を採
っている。

〔発明の実施例〕

以上、本発明を実施例によって詳しく説明する。

第１実施例は、中空部（財）憚と従来型のボロン入り１
（山１１４１枠を併用し、それぞれを炉心内に交互に配
置した実施例である。

第７図は、本実施例の制−棒の配列を炉心水平ト析面で
示したものである。図において、６はチャンネルボック
スに収納した燃料果合体、７はボロン入り十字形制御棒
、８は本発明の十字形中空制御棒の位置をそれぞれ表す
。

第２図は、本実施例の制と９棒の運用法を示す。

すなわち、通常ｊ１転中は、中空制御棒の挿入割合によ
り、炉心の余剰反応匹、軸方向出力分布、径方向出力分
布の制御を行うと同時にプルトニウムの蓄積を図る。ボ
ロン入９制御棒を従来と同様に残しである理由は、緊急
停止（スクラム）時に所要の反応特性を得るためである
。

第　７図は、スクラム終了状態を示しており、ボロン入
り制御棒が全挿入されると共に、中空制御棒が全引抜さ
れている。中空制御棒によシ、１〜２チΔにの余剰反応
度が制御できるため、従来同様、ガドリニアと組み合わ
せると、中空制御棒を用いて、余剰反応度の制御は十分
可能である。

これによる反応度ゲインは、約３チΔに、燃焼度にして
３０００　Ｍｗｄ／を程度の利得がある。

この場合、燃料との組み合せとして、次のものが可能で
ある。

（１）中空制御棒部分挿入＋上下一様燃料（１１）中空
制御棒全挿入＋上下２領域燃料前者では、出力分布を平
坦にすると同時にスペクトルシフト効果を得ているが、
後者では、出力分布制御には軸方向反応度分布燃料を用
いている。

後者は、炉心上部のスペクトルシフト効果をも期待して
いる方式であり、サイクル末期で中空制御棒を引抜いた
際に炉心上部のプルトニウム蓄積を有効に活用する観点
から、より好ましい方法である。

次に第１Ｏ図、第１１図、第１２図を用いて本発明のも
うひとつの実施例を説明する。本実施例は、従来型ボロ
ン入り制御棒の上端に中空制御棒ｆｆｉ’１１；いだ１
ｔｉｌｌ　１ｎｌｌ　４：’ｎ　９の配列を炉心水平断
面で示してふ・す、配列としては従来と同様のものであ
る。

第１１図は、本実ｂ１！ｉ例の制御却棒の運用法を示す
。

通常運転中は、制御棒９の中空部のみが炉心に挿入され
る。この場合、更に反応度制御の必要があれば、制御１
拳９のボロン部も挿入されることは勿論である。

第１２図は、スクラム状態を示している。制御棒９の中
空部は炉心上部に突き出ており、炉心内にはボロン部が
全挿入される。

本実施例において、中空制御棒により、余剰反応度、出
力分布、及びスペクトル：／７トを有効に制御するには
、沸騰水型原子炉の軸方向ボイド分布に起因する出力分
布の下方へのスキュウイングが充分制御できるように、
制御棒中の中空領域は制御棒上端部において、制御棒有
効長の約１／４以上必要である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、沸騰水型原子炉において、制御棒の内
部を中空にすることにより、制御棒挿入部の中性子のエ
ネルギスペクトルを硬くシ、反応度を低下させる制御方
式を採用して余剰反応度と出力分布の制御を行うと同時
にプルトニウムの蓄積を図り、充分なスペクトルシフト
反応度ゲインを得ることができる。

また、沸騰水型原子炉に固有の軸方向のボイド分布を炉
心下部から挿入した中空制御棒により平坦化させ、炉心
状態を均質化して、軸方向及び径方向出力分布の平坦化
が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による中空洞（２）棒の一部を挿入した
ときのボイドと出力の分布を示す図、第２図は従来の原
子炉におけるボイドと出力の分布を示す図、第３図は／
ヤロー制岬俸挿入時のボイドと出力の分布を示す図、第
４図は上下２領域燃料筺用時のボイドと出力の分布を示
す図、第５図は低流量時のボイドと出力の分布を示す図
、第６図は高流量時のボイドと出力の分布を示す図、第
７図は本発明による中空制御棒を従来の制御棒と併用す
る場合の制Ｏ１ｌ］梓の配列を示す図、第８図は第７図
実施例の通常運転時を表す図、第９図は第７図実施例の
スクラム時を表す図、第１Ｏ図は本発明による部分的中
空側＃棒を用いる場合の制御棒の配列を示す図、第１１
図は第１θ図実施例の通常運転時を表す図、第１２図は
第１Ｏ図実施例のスクラム時を表す図である。 ｌ・・・ボイド分布の曲線、２・・・出力分布の曲線、
３・・ボロン入り制御棒、４・・・上下２領域燃料、５
・・・中空制御棒、６・・・燃料集合体、７・・・ボロ
ン入り制御棒位置、８・・・中空制御棒位置、９・・・
上端に中空部を設けた制御棒。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炉心の下方から挿入・引抜きされる十字形制御棒を
   備えた沸騰水型原子炉において、十字形制御棒の内部が
   中空であることを特徴とする中空制御棒原子炉。 ２、特許請求の範囲第１項において、強中性子吸収体を
   含む制御棒の上端部に中空部を設けたことを特徴とする
   中空制御棒原子炉。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項において、中空
   制御棒と強中性子吸収体を含む制御棒とを炉心の径方向
   に交互に配置したことを特徴とする中空制御棒原子炉。 ４、上記特許請求の範囲のいずれか一項において、中空
   制御棒を軸方向に一様の濃縮度の燃料集合体と組み合せ
   たことを特徴とする中空制御棒原子炉。 ５、特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか一項にお
   いて、中空制御棒を軸方向に分布した濃縮度の燃料集合
   体と組み合せたことを特徴とする中空制御棒原子炉。 ６、特許請求の範囲第１項または第２項において、中空
   部分が制御棒有効長の約１／４以上あることを特徴とす
   る中空制御棒原子炉。