JPS6329295A - 原子炉炉心 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子炉の炉心に係り、特に減速能の異なる複数
の中性子減速材を用いることにより、炉心の出力分布を
平坦化する上で好適な原子炉炉心に関する。

〔従来の技術〕

熱中性子による核分裂を主として利用する熱中性子炉で
は、核分裂によって発生する高速中性子をエネルギーの
低い熱中性子まで減速する必要が水等が用いられてきた
。軽水を減速材として用いるものは軽水炉であり、沸騰
軽水炉、加圧軽水炉が実用化されている。この実用他炉
では軽水は減速材と共に冷却材として用いられている。

また重水を減速材として用いるものは重水炉であり、日
本の新型転換炉、カナダのＣＡＮＤＵ　（キャンデユー
）炉が実用化されている。重水炉の特徴は圧力管とカラ
ンドリア管により重水減速材が分離さく３） れている点にある。また軽水炉、重水炉共に複数の燃料
集合体は炉心構成を単純化し成立を容易にするため一定
の間隔で炉心の中に正方格子状に配置されており、その
周囲に減速材が一定の体積で配置されている。この結果
、個々の燃料集合体当りに一定の適当な減速材が配置さ
れ、熱中性子利用炉として成立している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

熱中性子利用炉としては、実開昭４９−１１１６９７号
公報や特開昭５２−６１６９７号公報や特開昭６０−２
６３６１３号公報に示されているものがある。

原子炉の減速材の利用技術として実開昭４９−１１１６
９７号公報や特開昭５２−６１６９７号公報に示されて
いるものにあっては、両者は燃料集合体中に燃料棒の代
わりに減速材を配置する発明であり燃料集合体内出力分
布の平坦化を意図したものである。

しかし前記の利用技術は燃料棒を減少させ、減速材部を
配置する案であるため、燃料棒の数が減少することにな
り、個々の燃料棒平均の出力が増大するという欠点は克
服できなかった。

また他の減速材に関する利用技術で特開昭６０−２６３
６１３号公報がある。この発明は、中性子エネルギーが
高くなると非核分裂性のウラン２３８を核分裂性のＰｕ
２３９に変換し易くなる特性に着目し、十分な余剰反応
度のある運転サイクル初期から中期には重水中に中性子
吸収の小さい物質を配置し、炉心の転換化を増すと共に
運転サイクル末期には重水中の物体を炉心外へ移動させ
燃料を有効に燃焼させようとするものである。前記発明
は燃料の有効利用の面で効果があるが、重水中の中性子
吸取の小さい物質を炉心外に移動させる装置を必要とし
ていた。

一方、近年、原子炉の運転はより多くの電力量を生み出
すために２ケ月から１５ケ月運転というようなより長期
の運転サイクル期間に移行しつつある。これを実現する
ために燃料の濃縮度はしだいに増大している。この結果
、軽水炉、重水炉等の燃料部と減速材部がはっきり分離
された炉では燃料集合体の径方向での熱中性子の歪みが
増大し、これに原因する燃料集合体中の出力分布の歪み
を補正するため、燃料集合体径方向中央部では高濃度の
燃料を、径方向周辺部では低濃度の燃料を用いるがこの
比率が増大してきている。場合によっては径方向中央の
燃料は周辺燃料よりも２から３倍もの濃度になることが
ある。しかし径方向中央部は常に熱中性子束が低く、燃
焼上不利な場所であるため、径方向中央に高濃度の燃料
を配置することは燃料の燃焼効率を低下させる原因にな
っている。この熱中性子束の歪みは減速材によって十分
にエネルギーを低下させた結果生じている問題でもある
。

本発明の目的は燃料集合体中に減速材を配置する場合、
燃料棒本数が減少する問題、さらには減速材の体積を調
整するが燃焼度の損失をさけるためにサイクル末期に減
速材を調整するための物体を炉心外へ移動させる複雑な
問題を回避し、複数の種類の減速材を用いてより単純な
減速材量の調整により出力分布を平坦化し、かつ燃焼度
の損失を生じない原子炉を得ると共に冷却材ボイド反応
度を任意に調節できる原子炉心を得ることにある。

ｃ問題点を解決するための手段〕 本発明の基本的構成は、複数の燃料集合体を有すると共
に、中性子減速材を有する原子炉の炉心において、中性
子減速能の異なる複数の種類の減速材を用い、炉心の中
で中性子束の高い領域では、複数の減速材を組み合わせ
、体積率を調整することにより、中性子束の低い領域よ
りも平均の中性子減速能を小さくすることを特徴とする
原子炉炉心である。

〔作用〕

原子炉炉心であって、長期運転サイクルのための比較的
高濃度の核燃料炉心において、例えば炉心の径方向、軸
方向の出力が高いと共に熱中性子束の高い領域では、減
速効果のすぐれた主減速材以外にやや減速効果の小さい
補助減速材を配置して中性子エネルギーを示す中性子の
速度を相対的に減速させないようにし、燃料集合体径方
向の中央と周辺の核分裂物質量の比を従来より低下させ
ても出力ピークを発生させないように作用する。

また、逆に熱中性子束の低い、炉心の径方向周辺及び軸
方向上部、下部では減速効果のすぐれた主減速材のみを
用いることで、十分に熱化した中性子を発生させる作用
を生じて出力を増大させる作用が得られる。

この結果、燃料棒数は減少させずに、また減速材の量を
時間的に変更させるような装置なしで燃焼度を損失しな
いで出力分布を平坦化できる減速材配置の原子炉を得る
ことができる。また中性子束の高い領域の中性子減速を
低減させるため中性子スペクトルはより硬化し、冷却材
ボイド反応度をより負側に移行させ原子炉の運転制御を
容易にすることができる。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例を第１図から第７図を用いて説明
する。

第１図は圧力管型原子炉における本発明の実施例である
。第１図は圧力管型原子炉炉心の一格子の径方向断面図
であり、炉心の一格子は３６本の燃料棒１から成る燃料
集合体とその熱を除熱する冷却材２、およびその冷却材
２の高圧を保持するだめの圧力管３、さらに圧力管３の
外側のカランドリア４Ｗ４を配置し、カランドリア管４
の外側には本発明の特徴である二種類の減速材、すなわ
ち補助減速材としての炭素減速材５と主減速材としての
重水減速材６を配置している。圧力管３の内側は約７０
気圧であり、冷却材２としての軽水の温度は約２８０℃
である。またカランドリア管４の外側は大気圧であり、
炭素減速材５及び重水減速材６の温度は約７０’Ｃであ
る。圧力管３とカランドリア管４の間の空間は上記温度
差を保持するための断熱層であり、炭酸ガス等の気体を
配置する。圧力管３の内径は約１２０ｍｍで肉厚は約４
ｍｍである。またカランドリア管の外径は約１６０ｍｍ
で肉厚は約１＋＋ｖ＋である。補助減速材としての炭素
減速材５は本実施例では具体的には炭素とケイ素の化合
物である炭化ケイ素を用いている。炭素減速材５の内径
は約１６０ｍｍであり外径は約１８０ｍｌ１１である。

炭素減速材５の外側には主減速材である重水減速材６を
配置し、圧力管３のピッチは約２５０＋ａｍである。第
１図の圧力管型原子炉の一格子の軸方向断面を第２図に
示す。第２図に示すように燃料棒１は上部の上部タイプ
レート７と下部の下部タイプレート８により固定されて
いる。また燃料棒１の中に装荷された酸化物燃料の炉心
有効長は約３．８ｍである。カランドリア管４の外側に
炉心有効長の下部から１ｍの位置から３．２ｍの位置ま
で約２．２ｍの長さで円筒型の炭化ケイ素製の炭素減速
材５を配置している。炭化ケイ素の厚みは約１０ｍｍで
あり上下部ではややうすくしている。炭素減速材５は円
筒状であり、その円筒は炉心上部及び炉心下部よりジル
カロイ合金製のうす肉円管の支持管９により固定されて
いる。

ジルカロイ合金の支持管９は中性子のむが吸収をなくす
ため、穴が数多くあけられている。第１図。

第２図の実施例では炭素減速材５のかわりに炭化はう素
を用いているが、他に黒鉛、炭化はう素、等の炭素系の
減速材、その他ベリリウム等の固体減速材を用いること
も可能である。また第１図。

第２図ではカランドリア管の周囲に補助減速材を巻く構
成となっているが、カランドリア管の間の重水の中央に
補助減速材の棒を軸方向中央部に配置する方法でも良い
。また軸方向全体に補助減速材を配置する場合も考えら
れる。

以下、第１図、第２図の本発明の実施例の効果を第３図
から第５図を用いて説明する。

第３図は第１図、第２図の本発明の実施例の燃料集合体
内局所出力分布を従来炉心における結果と比較した結果
である。従来炉心とは第１図の実施例において減速材に
重水のみを用いた場合に相当する。第３図の本発明の実
施例と従来例は同−覧、の燃料濃縮度の燃料を用いた場
合であり、３６本燃料集合体を用い、内層、中間層の燃
料は核分裂性物質濃度３％、外層は１．８％である。

第３図に示すように本発明の実施例では従来炉心と同一
燃料でありながら、外層の局所出力ビーキング係数は約
３ＯＡ低減されている。

次に軸方向出力分布の平坦化の効果について説明する。

第４図は、第２図の本発明の実施例の軸方向出力分布を
従来炉心と比較した結果である。従来炉心とは第２図の
軸方向中央の重水以外の補助減速材を用いずに重水のみ
にした場合である。なお第４図では第３図と同一の燃料
を用いた場合である。

第４図に示すように、従来炉心における軸方向出力ビー
キング係数が約１．２３　であるに対し、本発明の実施
例の炉心では同一の燃料を用いているためにもかかわら
ず、軸方向出力ビーキング係数は約１．１８であり、約
５％低減されている。

これは軸方向中央部に重水を排除する補助減速材を配置
したため軸方向中央部と軸方向上下部で燃料反応度に差
が生じ出力分布の平坦化が行なわれ入ためである。

すなわち従来軸方向出力分布を平坦化する場合は軸方向
の燃料濃度に差をつけるか、軸方向の可燃性毒物の濃度
に差をつける方式が一般的であったが本発明によれば軸
方向燃料濃度を変えるというような複雑な方法を用いな
くとも上記性能を向上させることが可能である。

次に本発明の実施例における冷却材ボイド反応度の改善
効果について説明する。

第５図は第１図、第２図の本発明の実施例の冷却材ボイ
ド反応度を従来炉心と比較して示したものである。第５
図に示すように本発明の実施例で（よ従来炉心に比較し
、冷却材ボイド反応度を負側に移行することができる。

従来炉心では冷却材ボイドの増加と共に正の反応度が入
るに対し、本発明の実施例炉心では冷却材ボイド率が低
ボイド領域から高ボイド領域まですべての領域で負の反
応度が入ることがわかる。なお、通常運転中は約４０％
ボイドまでであり、本発明の実施例炉心によれば運転中
の冷却材ボイド反応度係数を従来炉心より負にできるこ
とがわかる。なお原子炉の運転においては燃料の温度反
応度係数は常に負であり、原子炉の運転制御を容易にす
る上では冷却材ボイド反応度係数を大幅に負にするより
はむしろ零近傍にすることが望ましい。第５図は第１図
の実施例における冷却材ボイド反応度を中性子多群輸送
計算コードを用いて詳細に計算した結果であるが、同時
に第１図、第２図の炭素系の補助減速材の肉厚を厚くす
れば冷却材ボイド反応度をより負側に移行できることを
見い出している。すなわち本発明によれば冷却材ボイド
反応度を任意に調整することが可能であり、原子炉の運
転制御上、望ましい冷却材ボイド反応度の炉心を形成す
ることができる特徴を有している。また第５図の実施例
では前記したように出力分布の平坦化を実現しているが
、出力分布の平坦化を計らないで従来炉心の出力ビーキ
ング係数と同等になるまで燃料集合体の燃料濃縮度を変
更した場合はさらにボイド係数は負側に移行することが
可能となる。また他の応用として出力ビーキング係数も
変えないで、さらに冷却材ボイド反応度も従来と変えな
いとする場合は、本発明により圧力管の間隔である格子
ピッチを広げることが可能となり、原子炉炉心の組み立
て、すえつけ、及びメインテナンスが容易になるという
別の効果を生み出すことができる。

第５図に示すように本発明で冷却材ボイド係数を負側に
移行させることができるのは第１，２図の炭素系の補助
減速材により、重水体積を減少させ、格子平均の減速効
果を出力の高い領域で低減させたため、出力の高い領域
の中性子スペクトルが硬化し、冷却材ボイド発生時の燃
料集合体中の熱中性子束の変化が減少したためである。

このような冷却材ボイド係数の負側への移行は格子ピッ
チをせばめて重水を減らすことでも同様な結果となる。

しかし格子ピッチの減少は配管配置が不可能になると共
にメンテナンスが困難となる等の問題が発生し、格子ピ
ッチをできるだけ広げながら、冷却材ボイド反応度を低
減させる必要があった。

本発明は上記要請からは最適な解決策を与えたものとい
える。

すなわち第１．第２図の実施域では燃料集合体内局所出
力分布、燃料集合体軸方向出力分布の両者の出力分布を
平坦化し炉心の熱特性を改善できると共に冷却材ボイド
反応度を負側へ移行させ、核特性をも改善できるという
効果を有している。

次に第６図を用いて圧力管型原子炉炉心の本発明の他の
実施例について説明する。

第６図（ａ）、（ｂ）は本発明の実施例炉心の径方向断
面図である。第６図（ａ）、（ｂ）の特徴は第１図、第
２図と異なり、重水以外の補助減速材の厚みを炉心径方
向中央で厚くし、径方向周辺に向かうにつれてうずくし
ていく点にある。この結果、中性子の減速効果は炉心の
中央部ではやや小さくして、炉心の径方向周辺に向かう
に従いしだいに大きくすることができる。この結果とし
て第６図（ａ）、（ｂ）の実施例では第１．第２図の実
施例効果以外に炉心径方向の出力分布を平坦化できる効
果が得られる。この方法により径方向出力分布を平坦化
できる効果は約３〜５％である。

さらに第７図（ａ）、（ｂ）を用いて、沸騰軽水冷却型
原子炉炉心への本発明の適用例について説明する。

第７図（ａ）、（ｂ）は沸騰軽水冷却型原子炉における
本発明の実施例の炉心部分図である。第７図（ａ）、（
ｂ）は制御棒１０を中心にした４体の燃料集合体を表わ
している。燃料集合体の中には８×８の正方格子状に燃
料棒１が配置されている。燃料棒１の回りはチャンネル
ボックス１１が囲む構成となっており、さらに本実施例
の特徴である炭素系の補助減速板１２が制御棒の接しな
いチャンネルボックスの外側で、かつ第７図（ｂ）の如
く炉心の下部領域にのみ配置されている。

この結果、炉心上部よりも炉心下部の方が減速効果が減
少することになり、軸方向ボイド発生により下ぶくれの
出力分布となる現象を抑え、軸方向出力分布の平坦化が
可能となる。また第７図（ａ）、（ｂ）には示していな
いが、第７図（ａ）。

（ｂ）の補助減速板は炉心径方向中央部のチャンネルボ
ックスにのみ取りつけるものとすれば炉心径方向の出力
分布平坦化も可能となる。

第７図（ａ）、（ｂ）の補助減速材としては黒鉛、炭素
化合物等の炭素系の減速材を用いているが他のベリリウ
ムを用いることもできる。

〔発明の効果〕 本発明によれば、炉心内の中性子束の大きさに応じて中
性子減速効果を調節できるため、燃料濃縮度の変化手段
や炉心内外への物体の移動手段を用いなくとも燃料集合
体内、出力分布平坦化を計ることかできると共に本発明
によれば冷却材ボイド反応度をより負側に移行させるこ
とが可能であると共に、その変化幅を任意に選択でき、
炉心の運転制御上望しい冷却材ボイド反応度係数を得る
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の炉心−格子の径方向断面図
、第２図は第１図の実施例の軸方向断面図、第３図は第
１図の実施例の燃料集合体内局所出力分布図、第４図は
第１図の実施例の軸方向出力分布図、第５図は第１図の
実施例のボイド反応度解析結果を示すグラフ図、第６図
（、）は本発明の他の実施例の炉心径方向断面、第６図
（ｂ）は第６図（、）のＡ−Ａ矢視図、第７図（ａ）は
本発明のさらに他の実施例の炉心内燃料集合体の平断面
の模式図、第７図（ｂ）は第７図（ａ）のＢ−Ｂ矢視図
である。 １・・・燃料棒、２・・・冷却材、３・・・圧力管、４
・・・カランドリア管、５・・・炭素減速材、６・・・
重水減速材。 ７・・・上部タイプレート、８・・・下部タイプレート
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中性子減速材の内側に複数の燃料集合体を配した原
   子炉の炉心において、前記炉心の中で中性子束の高い領
   域に前記中性子減速材よりも中性子減速能が低い補助中
   性子減速材を配置したことを特徴とした原子炉炉心。 ２、特許請求の範囲第１項の原子炉炉心において、圧力
   管型原子炉の炉心を対象とし、中性子減速能の異なる複
   数の種類の減速材として重水減速材と炭素減速材を用い
   、炉心中で中性子の高い径方向、軸方向中央領域では、
   中性子減速能の大きい重水減速材と共に、中性子減速能
   のやや小さい炭素減速材を用い、中央領域の外側の中性
   子の低い領域では重水減速材を配したことを特徴とする
   原子炉炉心。 ３、特許請求の範囲第２項の原子炉炉 心において、炉心の径方向中央部で圧力管の外側に断熱
   のために配置するカランドリア管の外側に円管状の黒鉛
   、あるいは炭素化合物を炉心軸方向中央部に配置し重水
   の体積を減少させ、炉心の径方向周辺部では炭素系の減
   速材を用いずに、重水減速材を用いることを特徴とする
   原子炉炉心。 ４、特許請求の範囲第１項の原子炉炉心において、沸騰
   軽水型原子炉の炉心を対象とし、中性子減速能の異なる
   複数の種類の減速材として、燃料冷却にも用いる軽水減
   速材と炭素減速材を用い、炉心の径方向中央部の燃料チ
   ャンネルボックス間の軽水層の軸方向下部寄りの部分に
   黒鉛あるいは炭素化合物の板を配置することを特徴とす
   る原子炉炉心。 ５、特許請求の範囲第１項の原子炉炉心において、加圧
   軽水型原子炉の炉心を対象とし、中性子減速能の異なる
   複数の種類の減速材として、燃料冷却にも用いる軽水減
   速材と炭素減速材を用い、燃料棒に並行した軸方向中央
   部に黒鉛あるいは炭素化合物の減速材棒を配置すること
   を特徴とする原子炉炉心。