(57)【要約】【課題】  全制御棒の全引抜き状態で定格熱出力運転可能な原子炉および運転方法を提供する。【解決手段】    定格熱出力運転時に冷却材流量を上限値と下限値の間で調整可能な沸騰水型原子炉において、  定格熱出力運転サイクル中において炉心が最大反応度に達した時点における余剰反応度が、全制御棒の全引抜き状態かつ冷却材流量は前記下限値によって定格熱出力が達成される余剰反応度以下であり、  定格熱出力運転サイクル中において炉心が最小反応度に達した時点における余剰反応度が、全制御棒の全引抜き状態かつ冷却材流量は前記上限値によって定格熱出力が達成される余剰反応度以上である沸騰水型原子炉。【選択図】  図１
2006064429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定格熱出力運転時に冷却材流量を上限値と下限値の間で調整可能な沸騰水型原子炉において、
定格熱出力運転サイクル中において炉心が最大反応度に達した時点における余剰反応度が、全制御棒の全引抜き状態かつ冷却材流量は前記下限値によって定格熱出力が達成される余剰反応度以下であり、
定格熱出力運転サイクル中において炉心が最小反応度に達した時点における余剰反応度が、全制御棒の全引抜き状態かつ冷却材流量は前記上限値によって定格熱出力が達成される余剰反応度以上である沸騰水型原子炉。
【請求項２】
定格熱出力運転時に冷却材流量を上限値と下限値の間で調整可能な沸騰水型原子炉において、
前記冷却材流量の上限値は、定格熱出力運転サイクル中において炉心が最小反応度に達した時点において、全制御棒の全引抜き状態で定格熱出力を達成するために必要な冷却材流量以上であり、
前記冷却材流量の下限値は、定格熱出力運転サイクル中において炉心が最大反応度に達した時点において、全制御棒の全引抜き状態で定格熱出力を達成するために必要な冷却材流量以下である沸騰水型原子炉。
【請求項３】
前記請求項１または２のいずれかに記載した沸騰水型原子炉の運転方法であって、運転サイクルを通じて、定格出力運転時には、全制御棒を全引抜き状態とし、燃焼に伴う炉心の反応度変化を冷却材の流量のみで制御する原子炉運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子炉および原子炉の運転方法に関するものであり、特に、全制御棒の全引抜き状態を維持したまま長期間の定格出力運転が可能な原子炉および運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電プラントは、原子炉系、原子炉保護系、タービン発電機系、工学的安全施設系、補助系等々多くの系統設備から構成されており、原子力発電プラントの運転制御はこれら相互に関連した系統を総合的に調整することによって行なわれる。沸騰水型軽水炉（以後「ＢＷＲ」と称す」）を例にとれば、通常の定格出力運転時は、冷却材の圧力を一定に保つように制御棒位置及び冷却材の炉心流量を調整して原子炉の熱出力を一定に維持することが行われている。
【０００３】
一方、ウラン資源の有効利用、使用済み燃料発生量の低減および燃料サイクル費の節約等を目的として、燃料の高燃焼度化が研究されており、その際、原子炉を高効率に、しかも安全に運転するための中心的な技術課題として、高燃焼度化に対応した炉心の健全性確保が挙げられている。
【０００４】
高燃焼度化によって厳しくなる炉心の核熱水力学的設計条件に対応して、炉心・チャンネル安定性余裕の拡大、構成要素の機械的強度の向上、あるいは炉心の熱的余裕の向上を達成するための改良が行われている。これらの改良を前提とすれば、定格熱出力を達成し得る冷却材炉心流量の範囲、いわゆるフローウィンドは、従来、定格流量前後の２０％程度であったものが、２５％あるいは３０％より広くすることも可能になっている。
【０００５】
また、高燃焼度化に伴う高濃縮燃料の使用は、燃料の装荷初期に於いて最大である反応度が一層増大することを意味する。核燃料の反応度は燃料の装荷初期において最大であり、燃焼度の増加（時間の経過）と共に減少する。装荷初期の反応度を制御するためにはガドリニウム等、中性子吸収断面積の大きな物質を可燃性毒物として使用して、初期の反応度のピークを低減することが行われる。したがって、少量の可燃性毒物によって効率よくピークを低減することが高燃焼度化にとって必要である。
【０００６】
そのために、燃料集合体に含まれる可燃性毒物の適正配置と濃度調節によって運転サイクルを通じた無限増倍率Ｋ∞の変化を平坦化する試みが行われており、特開昭６２-１５６５９３号公報は、可燃性毒物（Ｇｄ２Ｏ３）を含有する燃料棒を格子配列の四隅の特定の位置に配置することで、Ｋ∞のピークを効率的に低減する発明を開示している。これによって、可燃性毒物の濃度を高くせずにピーク形状の緩やかなＫ∞燃焼度変化曲線を有する集合体が実現でき、運転サイクルの長期化に対応できるようになることが述べられている。これらの技術によって、例えば特開昭６０-１６５５８３号公報等によればサイクルを通じた炉心の余剰反応度のピークを１％Δｋ程度に抑制することが可能であることが知られている。
【０００７】
以上述べたように、近年、燃料集合体の設計は高燃焼度の達成を目的として種々の改良が重ねられ、燃料集合体の熱水力的安定性と熱的余裕が向上した結果、前記冷却材流量の下限を低減してフローウィンドを拡大することが可能になっている。また、燃料集合体に含まれる可燃性毒物の配置と濃度の調整によって、無限増倍率のピークをある程度平坦化することが可能になっており、この点もまた高燃焼度化に寄与すると認識されている。
【特許文献１】特開平６-８８８９１号公報
【特許文献２】特開平８-３２０３９０号公報
【特許文献３】特開平８-２７１６７２号公報
【特許文献４】特開昭６２-１５６５９３号公報
【特許文献５】特開昭６０-１６５５８３号公報
【０００８】
ところで、図５は、横軸に冷却材の炉心流量、縦軸に原子炉熱出力をとって、ＢＷＲの運転特性（ただし、何れも定格値に対する比率）の概念を示すものである。図５において閉じた略多角形で示される運転領域のうち、原子炉熱出力１００％に相当する水平の直線部分が定格運転に相当し、その際の炉心流量が、前記フローウィンドである。定格出力時においては、商業用ＢＷＲの炉心冷却材流量は、一般に定格炉心流量の８５％〜１０５％の範囲内で調整される。つまり、冷却材流量の調節範囲は定格流量を含む２０程度の範囲である（ただし、原子炉の形式によってこの範囲は若干異なる）。炉心冷却材を循環させるためのジェットポンプを備えたＢＷＲおよび冷却材を循環させるためのインターナルポンプを備えたＢＲＷの燃料一体あたりの定格熱出力、定格冷却材流量は、それぞれ凡そ、４．２〜４．６ＭＷ、５９〜６４ｔ／ｈである。
【０００９】
定格運転時における冷却材流量の上限（定格流量の１０５％）は、ポンプの吐出能力によって規定される一方、定格運転時における冷却材流量の下限（定格流量の８５％）は、主として燃料の核熱水力学条件から定められる設計流量制御曲線によって規定されている。
【００１０】
原子炉の運転サイクル中においては、燃料の燃焼に伴ない反応度が変化（可燃性毒物による中性子吸収を考慮した反応度変化）することを前提として、さらに制御棒及び冷却材流量によって反応度を調整し、結果的に熱出力あるいは発電機出力を一定に維持することが行われている。可燃性毒物は運転サイクルの初期において最大の効果（中性子吸収）を有し、燃焼度の増大と共にその効果は低下し、通常は燃料交換サイクルの終盤には実質的にゼロになる。制御棒は、全制御棒の全挿入位置において最大の効果を有し、挿入量に応じて反応度を調整する。制御棒もまた燃焼度の増大と共にその効果は減少するが、運転サイクルの最後においても裕度をもって炉心の反応を停止させることができるように設計されている。また、冷却材の流量増大は炉心の熱出力を増大させ、冷却材の流量低下は炉心の熱出力を低下させるように作用する。
【００１１】
図６は、１１００ＭＷｅ級の定格出力での運転パターンを例示したものである。図６（ａ）は、原子炉の余剰反応度を示しており、定格熱出力、定格冷却材流量において、全制御棒が全引き抜き状態にあるときの、実行増倍率１．０からの超過分の反応度を意味する。定格熱出力における運転では、制御棒の挿入及び原子炉冷却材流量の調整によりこの超過分の反応度を補償して、実効増倍率が１．０となる状態が維持される。図６（ｂ）は、冷却材流量の推移を示したものであり、図６（ｃ）は、炉心に挿入されている制御の位置を炉心の１／４の領域について示したものである。図中、０は制御棒の全挿入、４８は全引き抜きを示す。
【００１２】
図６（ａ）〜６（ｃ）に示すように、サイクル初期の余剰反応度は１％Δｋ程度であり、１３〜１７本の制御棒が挿入された状態である。サイクル前半では燃焼に伴い燃料に含まれる可燃性毒物が減少する影響で余剰反応度が次第に増加し、これに伴って冷却材流量は減少させる方向の制御が行われる。冷却材流量がフローウィンドの下限に近づいたら、制御棒の挿入量を多くすると共に冷却材流量を上限近くにまで大きくする操作を行う。その後、余剰反応度が引き続き増大すれば、冷却材流量を再度次第に低下させ、冷却材流量が再度下限に近づいたら、再度制御棒の挿入量を多くすると共に冷却材流量を上限近くにまで大きくする。運転サイクルの前半は、この操作を繰り返し行う。
【００１３】
一方、運転サイクル後半では、可燃性毒物の効果は消失しているが、燃料そのものの余剰反応度が減少してくるために、冷却材流量を次第に増加させ、冷却材流量が上限に近づいたら制御棒の挿入量を少なくすると共に冷却材流量を下限近くにまで小さくする操作を行う。余剰反応度のさらなる減少に伴って冷却材流量を次第に増加させ、冷却材流量が上限に近づいたら制御棒の挿入量を少なくして冷却材流量を小さくする操作を再度行う。この操作はサイクル前半といわば逆の操作であるが、繰り返し行われる点については同じである。
【００１４】
サイクルの終了近傍では、全制御棒が全引き抜き状態になり、原子炉冷却材流量がフローウィンドの上限で定格熱出力が維持できない場合は、原子炉の反応度変化に従って、原子炉熱出力が徐々に低下していくコースとダウン運転が採用される場合もある。可燃性毒物であるガドリニアの濃度およびそれを含む燃料棒の配置等に関する最近の研究によれば（例えば特開昭６０-１６５５８３等）、サイクルを通じた炉心の余剰反応度のピークを１％Δｋ程度に抑制することが可能であることが知られている。
【００１５】
挿入された制御棒周辺に於いて燃焼中の燃料集合体の中性子束分布についてみると、制御棒の近傍では中性子束が小さく、したがって反応度が低く、制御棒から離れた領域では中性子束が大きく反応度が高い。一定期間挿入されていた制御棒が引き抜かれると、制御棒の近傍であった領域では急激な出力上昇が生じる（制御棒履歴効果と称する）。その際の燃料棒の出力変化が過大であると燃料被覆管に機械的損傷を与える可能性があるので、安全性確保の観点から、制御棒に隣接する燃料集合体には炉心内の燃焼期間の長い燃料集合体や濃縮度を低くした燃料集合体等、無限増倍率が低い燃料集合体を使用して、制御棒の引抜きの際の出力変化を抑制することが行われている。また、制御棒の引抜きの前には、炉心の熱出力全体を低下させるなどによって、制御棒の引抜きに伴う、一部燃料の急激な出力上昇に対しても十分な熱的裕度を確保することが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述した従来の運転方法によれば、図６に示されているように、運転サイクル中のほとんどの期間において制御棒が挿入されており、制御棒の操作と冷却材流量の操作とが頻繁に繰り返される。同操作は運転及び管理の負担を増大させるだけでなく、制御棒引き抜き後の熱出力が過大にならないよう、制御棒の引き抜きは熱出力を十分に低下させた状態で行うなど特別な配慮が必要であり、定格出力の維持の観点からも改善すべき点があった。運転サイクルを通じて原子炉の定格出力を維持して高い稼働率を維持することは、経済性の観点から特に重要な要素である。
【００１７】
また、炉心に挿入されている制御棒の中性子照射量の増加により、制御棒価値が低下するために、中性子吸収材としてボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）を用いた制御棒の場合は１サイクル程度、ハフニウムを用いた長寿命型の制御棒の場合でも４〜５サイクル程度で交換する必要があった。中性子吸収材は高価なので、中性子吸収材を消耗することは、それ自体経済的に不利益である。
【００１８】
さらに、制御棒による中性子吸収は、炉心内中性子の有効利用を阻害するので、中性子経済の観点からは制御棒の使用は極力低減することが望ましい。また、制御棒の使用によって制御棒近傍の中性子束が低下するなど炉心内の出力分布が影響を受け、結果的に達成可能な燃焼度が制約されることにもなる。したがって、制御棒を使用せず、かつ、制御棒による出力調整を前提とせずに炉心設計を行うことができれば、燃焼度を高める観点からも望ましい。
【００１９】
炉心の出力制御を行うために、制御棒は必然的に中性子束の高い炉心近傍に配置されることになる。上述のように、制御棒の存在自体が炉心内中性子の有効利用を阻害していることに加えて、制御棒履歴効果等を考慮して制御棒の周囲に配置される無限増倍率の低い燃料もまた高燃焼度化を阻害するものである。したがって、この意味からも制御棒と制御棒の周囲に配置される無限増倍率の低い燃料を通常の燃料によって置き換えることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本出願の発明者らは、上述の問題が、全制御棒を全引抜き状態で長期間にわたって定格熱出力を維持することができる原子炉および運転方法を実現することによって解決可能であることを発見した。
【００２１】
本発明は、高燃焼度を実現することを目的として開発された前述のような燃料集合体の核熱水力学的改良と、無限増倍率のピークの低減を目的として開発された核的炉心設計の改良とを前提として、運転サイクルを通じて全制御棒の全引抜き状態を維持し、炉心の反応度変化に対して冷却材の流量を調整するだけで定格出力を維持することができる原子炉が実現可能であるとの発見に立脚するものである。
【００２２】
本出願の発明者らは、また、運転サイクルを通じて全制御棒を全引抜き状態として、炉心の反応度変化に対しては冷却材の流量を調整するだけで定格出力を維持する原子炉の運転方法を創出した。
【００２３】
さらに、定格出力時に制御棒を全引抜き状態とすることが可能になったことから、前記制御棒履歴効果を考慮して制御棒の近傍領域に無限増倍率の小さな燃料を配置する必要が無く、当該領域にも高濃縮燃料を配置することができることを発見した。さらに、定格運転を維持するために制御棒の引抜き操作が不要となったために、制御棒の引抜き時に行っていた出力制限が不要であることを見出した。
【００２４】
本発明の１つの実施形態によれば、発明者らは、定格熱出力運転時に冷却材流量を上限値と下限値の間で調整可能な沸騰水型原子炉において、
定格熱出力運転サイクル中において炉心が最大反応度に達した時点における余剰反応度が、全制御棒の全引抜き状態かつ冷却材流量は前記下限値によって定格熱出力が達成される余剰反応度以下であり、
定格熱出力運転サイクル中において炉心が最小反応度に達した時点における余剰反応度が、全制御棒の全引抜き状態かつ冷却材流量は前記上限値によって定格熱出力が達成される余剰反応度以上である沸騰水型原子炉によって上記の課題を解決する。
【００２５】
発明者らは、また同様に、定格熱出力運転時に冷却材流量を上限値と下限値の間で調整可能な沸騰水型原子炉において、
前記冷却材流量の上限値は、定格熱出力運転サイクル中において炉心が最小反応度に達した時点において、全制御棒の全引抜き状態で定格熱出力を達成するために必要な冷却材流量以上であり、
前記冷却材流量の下限値は、定格熱出力運転サイクル中において炉心が最大反応度に達した時点において、全制御棒の全引抜き状態で定格熱出力を達成するために必要な冷却材流量以下である沸騰水型原子炉によっても上記の課題を解決することができることを提示する。
【００２６】
さらに、上述のいずれかの沸騰水型原子炉の運転方法であって、運転サイクルを通じて、定格出力運転時には、全制御棒を全引抜き状態とし、燃焼に伴う炉心の反応度変化を冷却材の流量のみで制御する原子炉運転方法もまた上記の課題を解決する方法である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、定格出力運転時に制御棒の挿入量が一切不要となり、運転サイクルを通じて原子炉冷却材流量による反応度制御のみで運転が可能となる。
【００２８】
定格熱出力運転時の制御棒パターン調整の必要が無く、また定期検査時に於ける制御棒の取り替え頻度を低減することができる。このため、運転が簡素化され、またプラント稼働率の向上に寄与し経済性を高めることが可能になる。制御棒が受ける中性子照射が大幅に低減されるために制御棒の使用寿命が延長される。さらに、制御棒の周辺領域に無限増倍率の小さい低濃縮燃料や燃焼の進んだ燃料を配置する必要がないので、炉心の高燃焼度化に資する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の構成を図１〜４を参照して説明する。
図１は、本発明に係るＢＷＲの運転方法に於ける運転領域を示す図であり、同図に示した実施例では、定格熱出力に於けるフローウィンドは定格流量の７０％〜１１０％である。なお、点線は従来の運転領域を示している。図２（ａ）は、原子炉の余剰反応度の推移、図２（ｂ）は原子炉冷却材の流量の推移を示している。図に示した実施形態によれば、図２（ｃ）に示すとおり、サイクルを通じて全制御棒は全引抜き状態で運転される。
【００３０】
本発明の構成は、運転サイクル中の余剰反応度の最大を、原子炉の全制御棒が全引抜き状態で定格熱出力が発生できる原子炉冷却材流量がフローウィンド下限以上となる余剰反応度以下とし、運転サイクル中の余剰反応度最小を、原子炉の全制御棒が全引抜き状態で定格熱出力が発生できる原子炉冷却材流量がフローウィンド上限以下となる余剰反応度以上とし、運転サイクルを通じて原子炉の全制御棒を全引抜きの状態として、定格出力運転を通じて冷却材流量の調整のみで反応度制御を行うものである。
【００３１】
つまり、サイクルの開始から一定期間可燃性毒物の燃焼と共に余剰反応度が増大するが、当該余剰反応度の変化に対して全制御棒を全引抜き状態として原子炉冷却材流量を漸減することによって原子炉の熱出力は一定に保たれる。余剰反応度は、ある時点でピークを迎えそれを過ぎると次第に減少するが、当該変化に対しては、全制御棒を全引抜き状態で原子炉冷却材流量を漸増することによって原子炉熱出力は一定に保たれる。
【００３２】
図３は、原子炉冷却材流量と原子炉冷却材流量による反応度の調整範囲を、７０％定格流量を基準に示した例である。一般にＢＷＲの場合に於ける原子炉冷却材流量の変化に対する反応度の変化は、定格流量近傍で１％定格流量あたり０．０２〜０．０４％Δｋ程度である。このため、フローウィンドが定格流量の２５％の範囲であれば、原子炉冷却材流量の調整のみで０．５〜１．０％Δｋ程度の反応度を制御することができる。
【００３３】
一方、原子炉のサイクル中における余剰反応度の最大値と最小値の差は、余剰反応度が大きい炉心で２％Δｋ程度である。したがって、以下に述べる余剰反応度の平坦化技術を用いれば炉心冷却材流量の調節だけで定格出力維持が可能になる。
【００３４】
サイクル中に於ける余剰反応度の変化は、可燃性毒物であるガドリニアの濃度およびそれを含む燃料棒の本数、装荷割合および配置に依存する。図４（ａ）は、４サイクルまでについて、燃料の燃焼度と無限増倍率の関係に与える、可燃性毒物であるガドリニアを含む燃料棒本数とガドリニア濃度の影響を示したものであり、図４（ｂ）は、１サイクルについて、燃料の燃焼度と炉心の余剰反応度の関係に与える、可燃性毒物であるガドリニアを含む燃料棒本数とガドリニア濃度の影響を示したものである。
【００３５】
図４（ａ）においては、ＡよりもＢの方がガドリニアを含む燃料棒の本数が多く、かつ濃度が高い例である。一般にガドリニアを含む燃料棒本数が多いと、可燃性毒物を含む燃料棒の表面積が増加するため、燃料ペレット表面のガドリニアが多く中性子を吸収するので燃焼初期での無限増倍率は低く推移する。またガドリニアの濃度が高いと、ガドリニアが燃え尽きるまでの時間が長くなり、無限増倍率のピークは低くなる。ガドリニアが燃え尽きた後の無限増倍率はＡ、Ｂとも燃料の濃縮度が同一のために、ほぼ同じ値になる。
【００３６】
図４（ｂ）は、１サイクル内に於ける炉心の余剰反応度の変化を示したものである。通常、原子炉は定期検査時に、全体の１／４程度の割合に当たる、燃焼の進んだ反応度の低い燃料が取り出され、その分、新燃料が装荷されて次の運転サイクルと迎える。図４（ｂ）のＡは、新燃料として、図４（ａ）のＡに対応する燃料を装荷した場合を示し、図４（ｂ）のＢは、新燃料として図４（ａ）のＢに対応する燃料を装荷した場合を示す。新燃料として装荷される燃料の無限増倍率が図４（ａ）のＡ、Ｂで示されるように異なっているために、炉心の余剰反応度の変化が異なる。図４（ａ）のＢに対応する燃料を新燃料とした場合は、ガドリニアを含む燃料棒本数が多いことにより、図４（ｂ）でＢで示すようにサイクル初期の余剰反応度は低く抑えられる。さらに図４（ａ）においてＢで示したように無限増倍率の上昇が低いことにより、炉心の余剰反応度は図４（ｂ）でＢで示すようにサイクルを通して低く平坦になる。２サイクル目以降の燃料の無限増倍率はＡ、Ｂ共ほぼ同じである。この特性を利用することにより、サイクル中の余剰反応度の最大と最小の差を小さくすることが可能であることがわかる。
【００３７】
本実施例の場合は、炉心の余剰反応度のピークは、図２（ａ）に示したように、１％Δｋ程度である。したがって、上述のように２５％程度のフローウィンドによって、全制御棒の全引抜き状態で定格出力運転が可能になる。図２（ｂ）に示したように、フローウィンドが原子炉冷却材の流量を定格流量の７０％〜１１０％程度の範囲であれば、１．５％Δｋ以上の余剰反応度ピークに対しても、全制御棒を全引抜き状態のまま原子炉冷却材の流量調節だけで定格熱出力が可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明による原子炉の運転領域を示す図
【図２】本発明によるサイクル中の原子炉の余剰反応度、原子炉冷却材流量および制御棒パターンの推移を示す図
【図３】原子炉冷却材流量と反応度調整範囲の関係を示す図
【図４】燃料の無限増倍率と炉心の余剰反応度の関係を示す図
【図５】従来の原子炉の運転領域を示す図
【図６】従来の運転方法によるサイクル中の原子炉の余剰反応度、原子炉冷却材流量および制御棒パターンの推移を示す図
【図１】
2006064429.tif 000003
【図２】
2006064429.tif 000004
【図３】
2006064429.tif 000005
【図４】
2006064429.tif 000006
【図５】
2006064429.tif 000007
【図６】
2006064429.tif 000008