(57)【要約】【課題】制御棒の操作をより速く行うことができ、この操作によって格子流路間に圧力の不均一が生じた場合でも短時間にその圧力を均一化することができる自然循環式沸騰水型原子炉を提供する。【解決手段】自然循環式沸騰水型原子炉は、多数の格子流路１３を形成する流路隔壁１２を有したチムニを、炉心シュラウドの上端部に設置している。流路隔壁１３の下端は、上部格子板１４の上面よりも上方に位置している。炉心内に装荷された燃料集合体４のチャンネルボックス９の上端の高さＬ２は流路隔壁１２の下端の高さＬ１よりも高くなっている。格子流路１３内では、流路隔壁１２と燃料集合体４のチャンネルボックス９の間に間隙１７が形成され、隣り合う燃料集合体４の間に間隙２７が形成される。燃料集合体４の相互間で上部格子板１４と流路隔壁１２の下端の間に、均圧領域１６が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内に設置され、複数の燃料集合体を装荷した炉心を取り囲む炉心シュラウドと、前記炉心シュラウドに設置されて前記燃料集合体の上部を保持する上部格子部材と、前記炉心シュラウドに取り付けられて前記上部格子部材よりも上方に配置され、鉛直方向に伸びる複数の冷却材流路を形成する流路隔壁を内部に設けたチムニとを備え、
前記燃料集合体のチャンネルボックスの上端が、前記流路隔壁の下端よりも下方で前記流路隔壁の下端付近、または前記流路隔壁の下端またはこの下端よりも高い位置に配置されており、それぞれの前記冷却材流路に連絡されている連通領域が前記上部格子部材と前記流路隔壁の下端との間に形成されていることを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項２】
前記チャンネルボックスの上端部が前記冷却材流路内に挿入されている請求項１に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項３】
原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内に設置され、複数の燃料集合体を装荷した炉心を取り囲む炉心シュラウドと、前記炉心シュラウドに設置されて前記燃料集合体の上部を保持する上部格子部材と、前記炉心シュラウドに取り付けられて前記上部格子部材よりも上方に配置され、鉛直方向に伸びる複数の冷却材流路を形成する流路隔壁を内部に設けたチムニとを備え、
前記燃料集合体のチャンネルボックスの上端が、前記流路隔壁の下端より下方に４．３ｍｍ下がった位置から前記流路隔壁の下端より上方に１０ｍｍ上がった位置の間に配置されることを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項４】
原子炉圧力容器と、前記原子炉圧力容器内に設置され、複数の燃料集合体を装荷した炉心を取り囲む炉心シュラウドと、前記炉心シュラウドに設置されて前記燃料集合体の上部を保持する上部格子部材と、前記炉心シュラウドに取り付けられて前記上部格子部材よりも上方に配置され、鉛直方向に伸びる複数の冷却材流路を形成する流路隔壁を内部に設けたチムニとを備え、
前記上部格子部材が、互いに直交して配置される複数の第１格子材で構成される第１格子部材、及び互いに直交して配置されて前記第１格子材よりも高さが低い複数の第２格子材で構成される第２格子部材を有し、複数の前記第２格子材が隣り合う前記第１格子材の間に配置され、
前記上部格子部材のそれぞれの升目内に挿入された前記燃料集合体のチャンネルボックスの上端が、前記第２格子材の上端よりも上方で前記流路隔壁の下端よりも下方に配置されており、
水平方向の開口部が前記第１格子材に形成されていることを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。  
【請求項５】
前記流路隔壁が前記第１格子部材の真上に配置され、前記流路隔壁の下端と前記第１格子材の上端が、前記流路隔壁の下端より下方で前記流路隔壁の下端より下方に４．３ｍｍ下がった位置よりも上方に配置されている請求項４に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然循環式沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然循環式沸騰水型原子炉は、原子炉圧力容器、原子炉圧力容器内に配置されて炉心を取り囲む炉心シュラウド、炉心の上方に配置された気水分離器、及び炉心と気水分離器の間に配置された円筒状のチムニを備えている。核燃料物質を有する複数の燃料集合体が炉心に装荷される。冷却水は、炉心及びチムニによって形成される上昇流路、及び炉心シュラウド及びチムニと原子炉圧力容器の間に形成されるダウンカマ（下降流路）を通って原子炉圧力容器内を循環している。
【０００３】
下方より炉心内に供給された冷却水は、核燃料物質の核分裂によって発生した熱により加熱され、一部が蒸気になる。炉心からは蒸気と冷却水の気液二相流が排出される。この気液二相流は、チムニ内を上昇し、気水分離器に供給される。気液二相流は、気水分離器内で蒸気と冷却水に分離される。分離された冷却水は、ダウンカマ内に戻され、原子炉圧力容器内に供給された給水と混合される。この冷却水はダウンカマ内を下降して炉心に供給される。気水分離器で分離された蒸気は、原子炉圧力容器内の蒸気乾燥器に供給され、含まれている水分がさらに除去される。蒸気乾燥器から排出された蒸気は、原子炉圧力容器から吐出され、タービンに供給される。
【０００４】
ダウンカマ内を下降する冷却水は、単相であり、炉心及びチムニ内を上昇する気液二相流よりも密度が大きくなっている。このため、これらの密度差に基づいて、ダウンカマ内の冷却水が下降し、炉心及びチムニ内の気液二相流が上昇する自然循環流が発生する。ダウンカマを下降して下部プレナム内に達した冷却水は炉心に供給される。このように、自然循環式沸騰水型原子炉では、ポンプを用いることなく、冷却水が原子炉圧力容器内を循環する（例えば、特開平８−９４７９３号公報、特公平７−２７０５１号公報、特開２００７−２３２４２３号公報参照）。自然循環式沸騰水型原子炉は、冷却水をポンプで強制循環させる強制循環式沸騰水型原子炉と比べて、冷却水を循環させるための系統及び機器が削除または簡略化されている。
【０００５】
特公平７−２７０５１号公報に記載された自然循環式沸騰水型原子炉は、冷却水を効率良く自然循環させるために、流路隔壁によって形成された複数の格子流路をチムニ内に設けている。特開２００７−２３２４２３号公報に記載された自然循環式沸騰水型原子炉は、炉心シュラウドの横断面内の圧力を炉心出口で均一化するために、チムニと炉心の間に均圧領域を形成している。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−９４７９３号公報
【特許文献２】特公平７−２７０５１号公報
【特許文献３】特開２００７−２３２４２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
チムニ内に複数の格子流路を形成した従来の自然循環式沸騰水型原子炉（特開２００７−２３２４２３号公報）では、特開２００７−２３２４２３号公報の図１に示すように、格子流路を形成する流路隔壁の下端と、気液二相流の実質的な出口である燃料集合体の上端（炉心出口）の間に均圧領域を設けている。均圧領域は炉心出口での炉心シュラウドの横断面における圧力分布を均一化する機能を有する。しかしながら、その均圧領域において、炉心から流出した気液二相流の一部が水平方向に流れる横流れが生ずる。
【０００８】
炉心上方に位置する流路隔壁によって形成される格子流路を有する自然循環式沸騰水型原子炉の冷却水の自然循環流量は、全格子流路内の平均的なボイド率（蒸気の容積割合）の影響を受ける。自然循環式沸騰水型原子炉の定格運転時等のように原子炉の熱出力が時間的に変化せず、かつ炉心半径方向の熱出力が連続的に分布している場合には、炉心から流出する蒸気の流量、及び圧力の均一化に伴う横流れ量も時間的に変化しない。このため、炉心上方に形成されている各格子流路内を通過する蒸気流量も時間的に一定となり、全格子流路内の平均的なボイド率も時間的に変化しないので安定した自然循環が維持される。
【０００９】
一方、運転条件の変更等のために制御棒を操作して炉心全体の熱出力及び炉心内の熱出力分布を変更した場合には、炉心から流出する蒸気の全流量及びその流量分布が変化する。この結果、全格子流路内の平均的なボイド率も変化し、対応して冷却水の自然循環流量も変化する。その自然循環流量の変化過程において、周囲の格子流路と比べて極端に内部のボイド率が高い格子流路が発生し得る。これは、蒸気がより流速の速い格子流路に集まる特性があることに加えて、蒸気が集まることによって格子流路内の流速がさらに速くなってしまうことが原因である。そして、流路隔壁下端と炉心に装荷された燃料集合体のチャンネルボックス上端との間に形成された均圧領域の高さが高ければ、燃料集合体から排出された蒸気は、均圧領域内で容易に水平方向へ移動でき、流速の速い格子流路へと集まってしまう。このように、蒸気が特定の格子流路に集中して流動している状態では、蒸気が集中している格子流路内のボイド率は上昇するが、それら以外の格子流路内のボイド率は低下する。このため、蒸気が集中する格子流路の分布及び数によっては、全格子流路平均のボイド率が低下し、自然循環流量も減少する可能性がある。ただし、上記のような格子流路間での極端なボイド率差の発生、及びそれに伴って発生する可能性のある自然循環流量の低下は一時的な現象である。時間の経過と共に蒸気の横流れ量も減少して格子流路間のボイド率差等は緩和され、やがて安定した自然循環状態が形成される。しかしながら、その緩和には時間を要するため、原子炉の運転条件の変更に伴う操作がこの緩和時間を見込む必要から複雑化し、その操作が長時間化する場合がある。
【００１０】
本発明の目的は、制御棒の操作をより速く行うことができ、この操作によってチムニ内の冷却材流路間に圧力の不均一が生じた場合でも短時間にその圧力を均一化することができる自然循環式沸騰水型原子炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成する本発明の特徴は、燃料集合体のチャンネルボックスの上端が、チムニに設けられて鉛直方向に伸びる複数の冷却材流路を形成する流路隔壁の下端よりも下方で流路隔壁の下端付近、または流路隔壁の下端またはこの下端よりも高い位置に配置されており、それぞれの冷却材通路に連絡されている連通領域が上部格子部材と流路隔壁の下端との間に形成されていることにある。
【００１２】
自然循環式沸騰水型原子炉の通常の状態、すなわち、定格出力での運転のように原子炉の熱出力が変化しない状態では、流路隔壁で画定された冷却材流路内にチャンネルボックスから排出された冷却水が連通領域内に流入してその内部で水平方向に流れることにより、各冷却材通路内の圧力が均一化される。このとき、チャンネルボックスから冷却材流路内に排出された蒸気は、浮力の作用により冷却材流路内を上昇するので、連通領域には実質的には流入しない。制御棒の操作時において、連通領域内での冷却水の水平方向の流れによって各冷却材通路内の圧力の均一化が成されない場合には、チャンネルボックスから冷却材通路内に排出された蒸気が連通領域内に流入してその内部で水平方向に流れることによって各冷却材通路内の圧力が均一化される。
【００１３】
通常状態では、実質的に蒸気ではなく、冷却水の連通領域内での水平方向の流れによって各冷却材流路内の圧力の均一化を行っているので、制御棒の操作をより速く行うことができる。制御棒操作時において、連通領域内での冷却水の水平方向の流れによって各冷却材流路内の圧力の均一化が行われない場合には、連通領域内での蒸気の水平方向の流れによって、より短時間に、各冷却材流路内の圧力を均一化することができる。
【００１４】
上記の目的は、燃料集合体のチャンネルボックスの上端が、流路隔壁の下端より下方に４．３ｍｍ下がった位置から流路隔壁の下端より上方に１０ｍｍ上がった位置の間に配置されることによっても達成できる。
【００１５】
上記の目的は、上部格子部材が、互いに直交して配置される複数の第１格子材で構成される第１格子部材、及び互いに直交して配置されて第１格子材よりも高さが低い複数の第２格子材で構成される第２格子部材を有し、複数の第２格子材が隣り合う第１格子材の間に配置され、上部格子部材のそれぞれの升目内に挿入された燃料集合体のチャンネルボックスの上端が、第２格子材の上端よりも上方で、上部格子部材の上方に配置される、チムニの流路隔壁の下端よりも下方に配置されており、水平方向の開口部が第１格子材に形成されていることによっても達成される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、制御棒の操作をより速く行うことができ、この操作によってチムニ内の冷却材流路間に圧力の不均一が生じた場合でも短時間にその圧力を均一化することができる。このため、自然循環式沸騰水型原子炉の運転制御性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明における好適な一実施例である実施例１の自然循環式沸騰水型原子炉を、図１及び図２を用いて説明する。本実施例の自然循環式沸騰水型原子炉１は、原子炉圧力容器２、及び原子炉圧力容器２内に設けられた炉心３、炉心シュラウド１０及びチムニ１１を備えている。複数の燃料集合体４が炉心３内に装荷され、炉心シュラウド１０が炉心３を取り囲んでいる。各燃料集合体４の下端部が炉心支持板１５に支持され、各燃料集合体４の上端部が上部格子板（上部格子部材）１４に保持される。炉心支持板１５及び上部格子板１４は、炉心シュラウド１０内に配置され、炉心シュラウド１０に設置されている。内部に流路隔壁１２を有するチムニ１１が炉心シュラウド１０の上端に設置される。流路隔壁１２は格子部材であり、格子流路（冷却材流路）１３が流路隔壁１２の相互間に形成される。流路隔壁１２を被うシュラウドヘッド２８がチムニ１１の上端に取り付けられる。気水分離器１９が、シュラウドヘッド２８に取り付けられて上方に向かって伸びている。蒸気乾燥器２０は気水分離器１９の上方に配置される。シュラウドヘッド２８、気水分離器１９及び蒸気乾燥器２０は、原子炉圧力容器２内に配置されている。炉心シュラウド１０及びチムニ１１と原子炉圧力容器２の間に、環状の冷却水通路であるダウンカマ２２が形成されている。主蒸気配管２４及び給水配管２５が原子炉圧力容器２に接続される。
【００１９】
燃料集合体４は、上部タイプレート７、下部タイプレート（図示せず）、複数の燃料棒５、複数の水ロッド６及びチャンネルボックス９を有する。核燃料物質がそれぞれの燃料棒５内に充填されている。各燃料棒５の下端部は下部タイプレートに保持され、各燃料棒５の上端部は上部タイプレート７に保持される。各水ロッド６の下端部も下部タイプレートに保持され、各水ロッド６５の上端部も上部タイプレート７に保持される。燃料集合体４の軸方向の複数箇所に燃料スペーサ８が配置され、燃料棒５の相互間及び水ロッド６と燃料棒５の相互間が、燃料スペーサ８によって所定間隔に保持される。横断面が正方形状をした角筒であるチャンネルボックス９が、上部タイプレート７に取り付けられ、下部タイプレートの周囲まで伸びている。このチャンネルボックス９は、燃料スペーサ８で保持された燃料棒５の束を取り囲んでいる。
【００２０】
チャンネルボックス９の上端は、チムニ１１の流路隔壁１２の下端よりも上方に位置しており、格子流路１３内に挿入されている。すなわち、チャンネルボックス９の上端の高さＬ２が、流路隔壁１２の下端の高さＬ１よりも高くなっている。１つの格子流路１３には、例えば、１６体の燃料集合体４の各チャンネルボックス９の上端部が挿入されている。チャンネルボックス９と流路隔壁１２の間に間隙１７が形成される。上部格子板１４は流路隔壁１２の下端よりも下方に位置している。均圧領域（連通領域）１６が、上部格子板１４と流路隔壁１２の下端の間で隣接する燃料集合体４の相互間に形成される。均圧領域１６は、間隙１７、及び１つの格子流路１３内に挿入されて隣接する燃料集合体４のチャンネルボックス９の相互間に形成される間隙２７によって、それぞれの格子流路１３に連絡されている。間隙２７は、流路隔壁１２の下端より上方に形成される。
【００２１】
ダウンカマ２２内を下降した冷却水は、下部プレナム２３から各燃料集合体４内に供給される。この冷却水は、燃料集合体４内、すなわち、チャンネルボックス９内を上昇する間に、燃料棒５内の核燃料物質の核分裂で発生する熱で加熱され、一部が蒸気になる。下部プレナム２３に導かれた冷却水の大部分は燃料集合体４内に供給されるが、一部の冷却水は燃料集合体４相互間に形成される間隙（水ギャップ）２９内を上昇して均圧領域１６に達する。間隙２９は炉心支持板１５と上部格子板１４の間に存在する。燃料集合体４内で生じる冷却水及び蒸気を含む気液二相流がチャンネルボックス９の上端から格子流路１３内に排出される。気液二相流は、格子流路１３内を上昇し、流路隔壁１２の上端とシュラウドヘッド２８の間に形成される上部プレナム１８内に達する。気液二相流は、さらに、気水分離器１９内に導かれ、水が除去される。この水（冷却水）は、ダウンカマ２２内を下降し、給水配管２５から供給される給水と混合されて下部プレナム２３に達する。
【００２２】
気水分離器１９は、水を分離して蒸気を排出する。蒸気乾燥器１９は、その蒸気に含まれている水分をさらに除去する。蒸気乾燥器１９から排出された蒸気は、主蒸気配管２４を通ってタービン（図示せず）に導かれ、タービンを回転させる。タービンに連結された発電機（図示せず）が回転されて発電が行われる。タービンから排出された蒸気は、復水器（図示せず）で凝縮される。この水は、凝縮水として、給水配管２５より原子炉圧力容器２内のダウンカマ２２に供給される。
【００２３】
本実施例では、自然循環式沸騰水型原子炉１の通常運転において、燃料集合体４の相互間の間隙２９を下部プレナム２３から上昇してきた冷却水、及び圧力の高い格子流路１３内に挿入されているチャンネルボックス９の上端から排出されてその格子流路１３から間隙１７，２７を通って逆流した冷却水（チャンネルボックス９から排出された冷却水の一部）が、均圧領域１６内に流入する。これらの冷却水は、均圧領域１６での横流れ（水平方向の流れ）によって、圧力の低い格子流路１３を中心とした該当する各格子流路１３に再配分される。これによって、各格子流路１３内の圧力が均一化される。また、チャンネルボックス９の上端より格子流路１３内に流出した蒸気は、浮力の作用により、間隙１７，２７内を逆流せず、このチャンネルボックス９の上端が挿入されている格子流路１３内をほぼそのまま上昇する。以上に述べた均圧領域１６内での冷却水の横流れによって、各格子流路１３内の圧力が均一化され、炉心３内を通る冷却水の自然循環流量が安定化される。
【００２４】
自然循環式沸騰水型原子炉１の運転時において、制御棒の操作によって均圧領域１６内での冷却水の横流れによっても各格子流路１３内の圧力の均一化が達成できない過渡的な炉心出口冷却水流量分布が発生した場合には、以下のようにして各格子流路１３内の圧力の均一化が達成される。均圧領域１６内に発生した圧力勾配の大小に合わせて、圧力が高い格子流路１３にチャンネルボックス９から排出された蒸気の一部が間隙１７，２７を通って均圧領域１６内に逆流し、均圧領域１６内を水平方向に流れた（横流れした）その蒸気が圧力の低い格子流路１３内に供給される。これにより、各格子流路１３内の圧力が均一化される。このように、均圧領域１６での冷却水の横流れによって各格子流路１３での圧力の均一化が達成できない場合には、圧力が高い一部の格子流路１３から逆流した蒸気の均圧領域１６での横流れによって各格子流路１３の圧力をより短時間に均一化させることができる。この蒸気の横流れは冷却水も含んでいる。
【００２５】
本実施例は、前述したように、定常出力運転時には、燃料集合体４から排出された二相流に含まれる冷却水及び間隙２９を通して導かれた冷却水が均圧領域１６内で横流れすることによって、均圧領域１６内の水平断面内圧力或いは各格子流路１３下端近傍の圧力を均一化している。本実施例は、この圧力の均一化過程において、燃料集合体４から排出された蒸気の横流れは意図的に生じにくくしている。
【００２６】
流路隔壁の下端とこの流路隔壁の下端よりも下方に位置するチャンネルボックスの上端の間に均圧空間（均圧領域）を形成した特開２００７−２３２４２３号公報の図１に記載された自然循環式沸騰水型原子炉では、燃料集合体から排出された蒸気の一部または大部分が、横流れによって、排出された燃料集合体の真上に位置する格子流路ではなく、それに隣接した格子流路内に流入することによる圧力均一化は、冷却水のみの横流れによる場合よりも短時間に達成される。短時間に圧力の均一化が達成される理由は、例えば、蒸気が多量に流れ込んだり、逆に蒸気が流れ込まなくなることによって各格子流路のボイド率が変化するが、各格子流路内の圧力損失の９０％以上が水頭によるものであるため、各格子流路下端近傍の圧力が格子流路内のボイド率によって容易に変化するためである。したがって、定常出力運転時においては、蒸気を同伴した冷却水の定常的な横流れの発生は、むしろ望ましい場合もある。しかしその反面、各格子流路のボイド率の変化に対して均圧領域内の水平断面内での圧力分布或いは各格子流路下端近傍の圧力分布変化の感度が大きくなる点には注意が必要である。また、均圧領域内の蒸気及び冷却材の横流れ挙動の変化に対して、格子流路内の圧力損失は格子流路内を上昇していく蒸気の通過時間（１〜２秒程度）相当の遅れを伴って追従する点についても注意が必要である。
【００２７】
特開２００７−２３２４２３号公報の図１に記載された自然循環式沸騰水型原子炉では、均圧空間内で容易に蒸気の横流れが発生し得るため、各格子流路内の圧力損失が制御棒操作による局所的な炉心出力変更に対して極めて敏感である。このため、急速な局所炉心出力変更を行った際に、変更直後にまず過剰な蒸気の横流れが発生し、各格子流路内のボイド率の増減にオーバーシュートが引き起こされる場合がある。すなわち、出力変化後にボイド率が増減すべき格子流路内のボイド率はしかるべく一旦増減するが、その変化幅が出力変化後の安定した状態に比べて大きすぎる状態が一時的に生ずる。このような格子流路間のボイド率の関係が不安定である状態は、均圧領域内の蒸気及び冷却材の横流れの向き及び横流れの量の時間的な変化によって出力変化後の安定した状態に近づいていく。しかしながら、安定化には上述した格子流路内の蒸気の通過時間と同等以上の時間が必要となる。特に、均圧領域内の横流れ変化挙動が振動的となった場合には、振動幅の減衰に依存して格子流路内の蒸気の通過時間の数倍或いは数十倍の時間が安定化までに必要となる。このような不安定な状態でも更なる制御棒操作は可能だが、新たな制御棒操作に伴う均圧領域内の蒸気及び冷却材の横流れの向き及びその横流れの量の時間的な変化の正確な予測は困難であり、制御棒操作自体も複雑なものとなる。このため、特開２００７−２３２４２３号公報の図１に記載された自然循環式沸騰水型原子炉で制御棒操作により炉心出力制御を行う場合、各格子流路内のボイド率の増減にオーバーシュートが発生しない範囲に制御棒移動速度を制限するか、上記のオーバーシュート発生を許容するが制御棒を操作しない待機時間を設ける必要がある。これら制御棒操作に関する制限の主因は、均圧領域内の蒸気の横流れの向き及びその横流れの量の変化に対して格子流路内のボイド率、ひいては局所及び炉心全体の冷却材流量の変化の感度が大きいにもかかわらず、均圧領域内で蒸気の横流れの向きや量が容易に変化できることにある。
【００２８】
これに対し、本実施例では、均圧領域１６内での蒸気を伴う冷却水の横流れの発生を許容しているが、燃料集合体４から流出した蒸気の一部による均圧領域１６内での蒸気の横流れの量を、燃料集合体４のチャンネルボックス８の上端を流路隔壁１２の下端よりも上方に配置することによって抑制している。このため、本実施例は、特開２００７−２３２４２３号公報の図１に記載された自然循環式沸騰水型原子炉において制御棒操作による急速な局所炉心出力の変更が生じた場合であっても、各格子流路１３内のボイド率の増減のオーバーシュートを抑制することができる。したがって、本実施例は、特開２００７−２３２４２３号公報の図１に記載された自然循環式沸騰水型原子炉よりも制御棒操作を速く行うことができる。さらに、本実施例は、制御棒操作時において格子流路１３間にボイド率の差に起因した圧力の不均一が生じ、均圧領域１６内に生じる冷却水の横流れだけで格子流路１３間で均圧化が達成できない場合には、燃料集合体４から排出された蒸気が冷却水とともに均圧領域１６内で横流れとなる。このように、蒸気の横流れが、均圧領域１６内で生じるため、制御棒操作による格子流路１３間での圧力の均一化が短時間に行われる。
【００２９】
なお、流路隔壁１２とチャンネルボックス９との間の間隙１７内に気泡が常時存在することは望ましくない。これは、例えば、複数の気泡が間隙１７内に存在する場合には、間隙１７内のみで冷却水の循環流が発生し易くなる。この結果、冷却水及び蒸気の間隙１７の通過が阻害され易くなる。間隙１７に気泡が流入しても容易に流出できるようにするためには、間隙１７の高さを気泡の直径相当以下にすれば良い。したがって、高さＬ１を基準にした高さＬ２の相対的な高さを、自然循環式沸騰水型原子炉１の定格運転時の圧力（７．２ＭＰａ）での代表的な気泡直径である約１０ｍｍ以下で０ｍｍ以上にすれば、間隙１７内に気泡が常に存在することを避けることができる。すなわち、高さＬ２は、高さＬ１に０〜１０ｍｍを加えた値になる。
【実施例２】
【００３０】
本発明の他の実施例である実施例２の自然循環式沸騰水型原子炉を、図３を用いて説明する。図３は、本実施例における自然循環式沸騰水型原子炉１Ａの流路隔壁下端付近の構造を示している。自然循環式沸騰水型原子炉１Ａは、実施例１の自然循環式沸騰水型原子炉１とは異なり、チャンネルボックス９の上端（高さＬ２）がチムニ１１の流路隔壁１２の下端（高さＬ１）よりも下方に位置する。自然循環式沸騰水型原子炉１Ａは、チャンネルボックス９の上端及び流路隔壁１２の下端の位置が異なっている以外は、実施例１の自然循環式沸騰水型原子炉１と同じ構成を有する。ただし、実施例１と同様な効果を得るために、流路隔壁１２下端の高さＬ１とチャンネルボックス９上端の高さＬ２との差ΔＬ（＝Ｌ１−Ｌ２）を所定値以下にする必要がある。
【００３１】
燃料集合体４のチャンネルボックス９上端から流出した気液二相流は、高さＬ２における炉心半径方向の圧力勾配によって水平方向に流れようとする。したがって、差ΔＬ（ｍ）を大きくすれば、チャンネルボックス９から流出した気液二相流が、均圧領域１６内で水平方向に移動できる距離が伸びるため、そのチャンネルボックス９の上方に位置する格子流路１３だけでなく、これに隣接する他の格子流路１３にも容易に流入してしまう。そこで、例えば、自然循環式沸騰水型原子炉の定格運転時に想定される炉心半径方向の圧力勾配において、あるチャンネルボックス９から排出された気液二相流が他の格子流路１３に流入するまでの均圧領域１６における水平方向への移動距離と、チャンネルボックス９上端でのチャンネルボックス９内の流路と、このチャンネルボックス９の真上に位置する格子流路１３に隣接した格子流路１３との間での水平方向の最短距離とが同じくなるように差ΔＬを選ぶ。
【００３２】
チャンネルボックス９から均圧領域１６に排出された気液二相流が均圧領域１６内の圧力勾配によって横向き（水平方向）に受ける加速度をａ（ｍ／ｓ2）、炉心半径方向の圧力勾配をｄｐ／ｄｒ（Ｐａ／ｍ）、気液二相流の密度をρｍ（ｋｇ／ｍ3）、蒸気及び水の密度をそれぞれρｇ（ｋｇ／ｍ3）とρｌ（ｋｇ／ｍ3）、及び気液二相流のボイド率をα（−）とすると、近似的に（１）式及び（２）式の関係が成立する。
【００３３】
ρｍ・ａ＝ｄｐ／ｄｒ                          ……（１）
ρｍ＝α・ρｇ＋（１−α）・ρｌ               ……（２）
また、チャンネルボックス９から排出され均圧領域１６内において水平方向への一定の加速度ａを受ける気液二相流が、チャンネルボックス９上端が位置する面の流出流路内部とそのチャンネルボックス９の直上に位置する格子流路１３に隣接した他の格子流路１３内部との間の水平方向における最短距離Ｗmin（ｍ）を移動するために要する時間ｔ（ｓ）は、（３）式で表される。
【００３４】
ｔ＝（２Ｗmin／ａ）0.5                        ……（３）
したがって、チャンネルボックス９の上端から流出する蒸気の平均上昇速度をＵ（ｍ／ｓ）としたとき、（４）式の関係を満たすΔＬを選ぶことによって、実施例１で生じる各効果を得ることができる。
【００３５】
ΔＬ≦Ｕ・ｔ                                 ……（４）
ここで、炉心３の中央に配置された燃料集合体４の真上に位置する格子流路１３の定格運転時でのボイド率がαｃ（−）、炉心の半径がｒ（ｍ）、及び格子流路１３または流路隔壁１２の高さがｈ（ｍ）である自然循環式沸騰水型原子炉１Ａを考える。簡単化のために、格子流路１３の直ぐ上流の位置（流路隔壁下端より下方でチャンネルボックス９上端よりも上方の位置）での均圧領域１６内の炉心半径方向における圧力勾配が一定、及び炉心３の最外周領域に位置する燃料集合体４の真上に位置する格子流路１３のボイド率が実質的に０であると仮定し、さらに、格子流路１３の炉心軸方向での圧力損失が水頭損失のみで近似的に与えられると仮定する。このとき、ｇを重力加速度（ｍ／ｓ2）とすると、炉心半径方向の圧力勾配ｄｐ／ｄｒは（５）式で与えられる。
【００３６】
ｄｐ／ｄｒ＝[ρｌ・g・h−{αｃ・ρｇ＋（１−αｃ）・ρｌ}・g・h]／r  …（５）
例えば、炉心３の中央に配置された燃料集合体４の真上に位置する格子流路１３の定格運転時でのボイド率αｃを７０％、炉心３の半径ｒを３ｍ、格子流路１３（または流路隔壁）の高さｈを６ｍ、チャンネルボックス９上端でのチャンネルボックス９内の流路と、このチャンネルボックス９の真上に位置する格子流路１３に隣接した格子流路１３との間での水平方向の最短距離Ｗminを０．０２ｍ、気液相の密度を沸騰水型原子炉の定格運転圧力にほぼ相当する７．２ＭＰａでの飽和条件での値、及び炉心中央の燃料集合体４のチャンネルボックス９上端から流出される蒸気の平均上昇速度Ｕを５．０ｍ／ｓとし、これらを（１）〜（５）式に代入することにより、差ΔＬを４．３ｍｍ以下にすれば良いことが分かる。
【００３７】
一方、燃料集合体４内のボイド率がほぼ０である炉心３の最外周領域の場合は、例えば燃料集合体４内のボイド率１％での蒸気の上昇速度である１．１ｍ／ｓをＵとして用いれば、ΔＬを３．１ｍｍ以下とすれば良いことが分かる。したがって、高さＬ２と高さＬ１との差ΔＬ（ｍ）を３．１ｍｍ以下にすれば、自然循環式沸騰水型原子炉１Ａの定格運転条件での安定した運転時には炉心半径方向の全ての範囲で蒸気の横移動を制限して全ての格子流路１３での急激なボイド率変動を抑制することができる。しかしながら、制御棒の操作による、自然循環式沸騰水型原子炉１Ａの運転条件の変更等に伴って一時的或いは局所的に格子流路１３毎にボイド率を変更する必要が生じた場合には、格子流路１２の直ぐ上流の位置での炉心半径方向における圧力勾配の上昇によって必要なタイミング（または必要な場所）でのみ、均圧領域１６内での蒸気の水平方向の流れを自動的に発生させることができる。また、差ΔＬが炉心３の中央部で４．３ｍｍ以下、炉心３の外周部で３．１ｍｍ以下となるように流路隔壁１２下端の高さＬ１を炉心の半径方向で変えることによって、炉心の半径方向の各位置において最適な差ΔＬを与えることができる。
【００３８】
本実施例は、流路隔壁１２の下端とチャンネルボックス９の上端の間の寸法を上記のように制限しているので、チャンネルボックス９から排出されて流路隔壁１２の下端とチャンネルボックス９の上端の間を通って均圧領域１６に達する冷却水の横流れによって各格子流路１３内の圧力の均一化がなされないときに、チャンネルボックス９から排出された蒸気が均圧領域１６内に流入して均圧領域１６内で生じるこの蒸気の横流れによって、各格子流路１３内の圧力の均一化を達成できる。このため、本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３９】
本発明の他の実施例である実施例３の自然循環式沸騰水型原子炉を、図４及び図５を用いて説明する。図４は、本実施例における自然循環式沸騰水型原子炉１Ｂの流路隔壁下端付近の構造を示している。自然循環式沸騰水型原子炉１Ｂは、チャンネルボックス９の上端（高さＬ２）がチムニ１１の流路隔壁１２の下端（高さＬ１）よりも下方に位置しており、上部格子板１４に替えて上部格子板１４Ａを備えている。自然循環式沸騰水型原子炉１Ｂでは、上記した以外の構成は実施例１の自然循環式沸騰水型原子炉１と同じになっている。
【００４０】
上部格子板１４Ａの上端（高さＬ４）は、燃料集合体４のチャンネルボックス９の上端（高さＬ２）よりも上方に位置しており、流路隔壁１２の下端（高さＬ１）よりも下方に位置している。上部格子板１４Ａは二種類の格子板３１，３２を有する。格子板３１の高さは格子板３２のそれよりも高くなっており、格子板３１には水平方向に複数の開口部３３が形成されている。上部格子板１４Ａは、複数の格子板（第１格子材）３１を直交させて組み合せた第１の格子（第１格子部材）３４、及び複数の格子板（第２格子材）３２を直交させて組み合せた第２の格子（第２格子部材）３５を有している。第１の格子３４のそれぞれの升目内に第２の格子３５が配置されている。すなわち、ある方向に複数の格子板３１を平行に並べ、隣り合う格子板３１の間に、それぞれ複数の格子板３２が平行に並べられている。上記のある方向と直交する他の方向にも、複数の格子板３１を平行に並べ、隣り合う格子板３１の間に、それぞれ複数の格子板３２が平行に並べられている。図５では、隣り合う格子板３１間に３枚の格子板３２が配置されている。それらの方向に配置された各格子板３１が互いに直交して第１の格子３４を形成している。各方向に並べられた各格子板３２も互いに直交して第２の格子３５を形成している。第１の格子３４を形成する各格子板３１は、第２の格子３５を形成する各格子板３２と互いに直交して組み合わされている。
【００４１】
各格子板３１及び各格子板３２の下端は、同じ高さになっている。格子板３１の上端（高さＬ４）は格子板３２の上端よりも上方に位置している。第１の格子３４を形成する各格子板３１の上端は、格子に組み合された流路隔壁１２の下端と向き合っている。各格子板３２で形成される第２の格子３５の各升目内に、各燃料集合体４の上端部が挿入されている。このため、第１の格子３４の１つの升目には、１６体の燃料集合体４が配置される。各開口部３３は、各格子板３２の上端よりも上方に位置しており、格子板３１に面して配置された各燃料集合体４のチャンネルボックス９に向かい合っている。開口部３３の上端の高さＬ５は、燃料集合体４のチャンネルボックス９の上端の高さＬ２よりも低くする。
【００４２】
第１の格子３４の各格子板３１で囲まれたそれぞれの升目内で格子板３２の上端よりも上方に領域３６が形成される。ある１つの領域（便宜的に、第１の領域という）３６内に上端部が挿入されてかつ第１の領域３６を形成する格子板３１（便宜的に、格子板Ａという）の第１側面に面して配置された各燃料集合体４のチャンネルボックス９とこの格子板Ａの第１側面との間に、間隙３７が形成される（図６参照）。格子板Ａの反対側の面（第２側面）は、第１の領域３６に隣接している他の領域（便宜的に、第２の領域という）３６の壁面を形成している。第２の領域３６内に上端部が挿入されてかつ格子板Ａの第２側面に面して配置された各燃料集合体４のチャンネルボックス９と格子板Ａの第２側面との間に、間隙３８が形成される（図６参照）。
【００４３】
隣り合う各領域３６は、間隙３７、開口部及び間隙３８によって連絡され、さらに、上部格子板１４の上端、すなわち、格子板３１の上端と流路隔壁１２の下端の間に形成される間隙によっても連絡される。このように、互いに連絡された各領域３６は、均圧領域１６を形成する
上部格子板１４Ａの上端、すなわち、格子板３１の上端の高さＬ４と流路隔壁１２の下端の高さＬ１との差ΔＬ１（＝Ｌ１−Ｌ４）は、実施例２と同様に、炉心３の中央部で４．３ｍｍ以下、炉心３の外周部で３．１ｍｍ以下になっている。差ΔＬが炉心３の中央部で４．３ｍｍ以下、炉心３の外周部で３．１ｍｍ以下となるように、上部格子板１４Ａの格子板３１の上端の高さＬ２を炉心半径方向で変化させれば、その半径方向の各位置において最適な差ΔＬを与えることができる。
【００４４】
自然循環式沸騰水型原子炉１Ｂが、ある制御棒パターンで運転されているとき、燃料集合体４から排出された気液二相流は、チャンネルボックス９の上端より第１の格子３４内の領域３６に排出される。燃料集合体４の相互間に形成された間隙２９内を上昇する冷却水は、領域３６内に流入し、その気液二相流に混合される。気液二相流に含まれた冷却水の大部分、及び蒸気は、領域３６の真上に位置する格子流路１３内に流入し、この格子流路１３内を上昇する。
【００４５】
その制御棒パターンで原子炉が運転されているときに、隣り合う格子流路１３内の圧力に差が生じたと仮定する。ある領域３６（例えば、第１の領域３６）に排出された冷却水の一部は、間隙３７、開口部３３及び間隙３８を通過して、第１の領域３６に隣接している他の領域３６（例えば、第２の領域３６）に流入する。このため、第１の領域３６の真上に位置する格子流路１３内の圧力と第２の領域３６の真上に位置する他の格子流路１３内の圧力が均一化される。開口部３３は、ある領域３６内の冷却水を隣の領域３６内に導く冷却水の横流れ（ある領域３６から他の領域３６への冷却水の流れ）を生じさせるために形成されている。燃料集合体４から領域３６内に排出された気液二相流に含まれている蒸気は、浮力の作用によりその領域３６の真上に位置する格子流路１３内に流入する。この蒸気は、浮力の作用により、隣の領域３６内に流入することはない。
【００４６】
しかしながら、制御棒の操作によって自然循環式沸騰水型原子炉の運転条件が変わり、燃料集合体４から排出された冷却水の横流れだけでは各格子流路１３内の圧力の均一化ができない場合には、蒸気の横流れが生じてその均一化を達成する。すなわち、そのような運転条件の変更が生じたとき、燃料集合体４のチャンネルボックス９から第１の領域３６に排出された蒸気は、格子板３１の上端と流路隔壁１２の下端の間を通って隣の第２領域に流入する。このような蒸気の横流れが生じることによって、各格子流路１３内の圧力を均一化することができる。蒸気の横流れは、その均一化を短時間で達成することができる。
【００４７】
本実施例も、実施例１で生じる各効果を得ることができる。
【００４８】
格子板３１の上端を流路隔壁１２の下端に接触させることも可能である。格子板３１の上端が流路隔壁１２の下端に接触した構造は、格子板３１の上端を流路隔壁１２の下端に間隙が生じることによって得られる効果を除いて、実施例３で生じる各効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図２に示すチムニの流路隔壁の下方部分の詳細構成図である。
【図２】本発明の好適な一実施例である実施例１の自然循環式沸騰水型原子炉の縦断面図である。
【図３】本発明の他の実施例である実施例２の自然循環式沸騰水型原子炉におけるチムニの流路隔壁の下方部分の詳細構成図である。
【図４】本発明の他の実施例である実施例３の自然循環式沸騰水型原子炉におけるチムニの流路隔壁の下方部分の詳細構成図である。
【図５】図４に示す上部格子板の局部の斜視図である。
【図６】図４に示す第１の格子を形成する格子板付近の拡大縦断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１，１Ａ，１Ｂ…自然循環式沸騰水型原子炉、２…原子炉圧力容器、３…炉心、４…燃料集合体、９…チャンネルボックス、１０…炉心シュラウド、１１…チムニ、１２…流路隔壁、１３…格子流路、１４，１４Ａ…上部格子板、１５…炉心支持板、１６…均圧領域、１７，２７，２９，３７，３８…間隙、３１，３２…格子板、３３…開口部、３４…第１の格子、３５…第２の格子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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