(57)【要約】【課題】  建設費等の開発費用や運転コストを抑えつつ、且つ出力を増加することができる沸騰水型原子力発電所の原子炉構造を提供する。【解決手段】  この沸騰水型原子力発電所の原子炉構造は、燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとし、２行２列４本の燃料集合体の４隅に４本の制御棒を配置し、炉心支持板の制御棒案内管取り合い穴ピッチを314mm〜404mmにしている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料集合体ピッチを157mm以上、202mm以下とし、制御棒案内管断面形状を円筒型としたことを特徴とする沸騰水型原子力発電所の原子炉構造。
【請求項２】
燃料集合体ピッチを157mm以上、202mm以下とし、２行２列４本の燃料集合体の４隅に４本の制御棒を配置したことを特徴とする沸騰水型原子力発電所の原子炉構造。
【請求項３】
燃料集合体ピッチを157mm以上、202mm以下とし、炉心支持板の制御棒案内管取り合い穴ピッチを314mm以上、404mm以下にしたことを特徴とする沸騰水型原子力発電所の原子炉構造。
【請求項４】
炉心支持板補強ビームをシングル化したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子力発電所の原子炉構造。
【請求項５】
燃料集合体ピッチを157mm以上、202mm以下とし、燃料支持金具の燃料集合体着座穴ピッチを157mm以上、202mm以下としたことを特徴とする沸騰水型原子力発電所の原子炉構造。
【請求項６】
前記燃料支持金具に形成されたオリフィスにデブリフィルタを設置したことを特徴とする請求項５に記載の沸騰水型原子力発電所の原子炉構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設、運転コストを低減することができるとともに高いパフォーマンスを有する沸騰水型原子力発電所の原子炉構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子力発電所は、海外も含めて数多くが営業運転を行なっており、ある程度成熟した技術が確立されている。その一方で、建設や運転コストを抑えるべく、合理化設計検討は盛んに行なわれ、炉内構造物の設計変更による原子炉圧力容器長の短尺化（例えば、特許文献１参照。）及び原子炉建屋下部構造の簡素化（例えば、特許文献２参照。）が検討されている。
【０００３】
この特許に開示された構造案は合理化設計であるが、原子炉や原子炉建屋の構造が従来設計と大幅変更となるため、設計検証のための開発費用は大幅に増加する。
上述のような大幅な設計変更は他の分野でも数多く検討されているが、問題は開発費用である。昨今では、効率的な原子力発電所の建設が要望されているが、建設時にかかる費用は極力抑えることも合わせて要求されている。
【０００４】
効率的な原子力発電所の要望の一つとして、出力増加が挙げられる。出力増加を検討する場合、単純に検討すると燃料集合体数を増加させ、炉心範囲を径方向に大きくする設計が考えられる。最新型式であるＡＢＷＲ（改良型沸騰水型原子力発電所）の次世代原子炉を設計検討しているが、この場合においても燃料集合体数をそのまま増加させれば、当然出力は増加する。しかし、燃料集合体数が増加する分、制御棒、制御棒案内管、燃料支持金具、制御棒駆動機構ハウジング、制御棒駆動機構及びその系統設備等のドライブライン設備数も増加するため、費用増加は避けられない。
【０００５】
一方、燃料集合体そのものを大型化（燃料集合体ピッチを大きくする）しても、出力増加は可能である。実際、燃料集合体ピッチをＡＢＷＲの約1.5倍である233mmとした炉心が設計検討されている。この炉心設計の場合、営業運転されている従来ＢＷＲと比較すると、制御棒を多く配置しなければならないという問題点がある。図６（ａ）は従来ＢＷＲの炉心における制御棒配置を示し、図６（ｂ）は、燃料集合体ピッチを233mmとした炉心における制御棒配置を示す。図６（ａ）に示すように、従来ＢＷＲにあっては、２列２行４本の燃料集合体１１の外周を４本の制御棒１３で取り囲めばよいが、燃料集合体ピッチを233mmとした炉心では、図６（ｂ）に示すように、１つの燃料集合体１５の４辺全てを制御棒１７で囲む必要がある。このため、制御棒の数が増加し上述したドライブライン設備数も増加してしまう。
【０００６】
また、燃料集合体が大型化すると燃料集合体を囲む制御棒の翼幅も大きくする必要があり、制御棒をガイドする制御棒案内管の径も大きくする必要がある。制御棒案内管径が大きくなると、制御棒案内管の形状は従来設計の円筒型では互いに干渉してしまうため、制御棒に沿った十字形状とする必要が生じる。図７（ａ）は、従来ＢＷＲの円筒型制御棒案内管１９を示し、図７（ｂ）は、燃料集合体ピッチを233mmとした炉心における十字型制御棒案内管２１を示す。この図からも解るように、十字型制御棒案内管とすると複雑な形状となってしまう。
【０００７】
さらに、制御棒数の増加、制御棒翼幅の増加に伴い、制御棒案内管が取り合う炉心支持板も設計変更を余儀なくされ、炉心支持板の制御棒案内管取り合い穴を十字形状としないと成立しない。図８（ａ）は、従来ＢＷＲの炉心支持板２３を示し、この炉心支持板には円形の制御棒案内管取り合い穴２５が形成されている。これに対して、図８（ｂ）は燃料集合体ピッチを233mmとした場合の炉心支持板２７を示していおり、円形の制御棒案内管取り合い穴２９の隙間に十字形の制御棒案内管取り合い穴３１が形成されている。なお、これら図において、符号３３は周辺燃料支持金具を示す。こららの図から明らかなように、燃料集合体ピッチを233mmとした場合は、炉心支持板２７に多くの穴が開けられ、強度上の余裕が少なくなってしまう。
【０００８】
このように、燃料集合体ピッチ233mmとした炉心は十字形状の複雑な機器設計が避けられないこととなる。
【０００９】
このような原子炉構造では、検討必須課題としていくつかの問題点が挙げられている。ここで、燃料集合体ピッチを233mmとした原子炉構造の問題点を列挙する。
【００１０】
（１）制御棒数が増加するため、制御棒の他に制御棒案内管、燃料支持金具、制御棒駆動機構ハウジング、制御棒駆動機構及びその系統設備等のドライブライン設備数が増加する。
【００１１】
（２）制御棒案内管は十字形状となり、従来の円筒型と比較して構造が複雑となる。製造方法にもよるが、溶接で製造する場合は溶接線が増加し信頼性が減少する。また、機器単体としての構造設計検証費用が発生する。
【００１２】
（３）制御棒数増加に伴い、炉心支持板の制御棒案内管取り合い穴数も増加するため、強度上の裕度が少なくなり、設計を簡素化する合理化設計が適用できない。
【００１３】
（４）燃料支持金具、制御棒案内管の取扱治具は、機器の設計が従来ＢＷＲから変更となることから、新規で開発する必要がある。
【００１４】
（５）制御棒と制御棒駆動機構の結合／解除操作は、制御棒を45°回転する必要がある。制御棒案内管が十字形状であると制御棒の回転ができないことから、回転させずに結合／解除する機構を開発しなければならず、構造設計検証費用が発生する。
【００１５】
（６）上部格子板の格子板直下に制御棒が配置されるため、定期検査時に制御棒を炉内から取り出す場合、格子直下の制御棒を水平方向に移動させて、上部格子板の格子間から取り出す必要があり、作業工数が増加する。
【００１６】
（７）十字型制御棒案内管の炉内流動による振動挙動や応力評価は評価されつつあるが、従来の円筒型制御棒案内管では生じなかった事象が起こりうる可能性があり、その場合は対策を講じる必要がある。
【００１７】
（８）燃料集合体ピッチを233mmとした炉心で円筒型制御棒案内管を適用したとしても、制御棒案内管と炉心支持板補強ビームが近接するため、オリフィス穴から適量な冷却水を燃料集合体へ流す設計が難しく、長期間の開発期間が必要となる。
【特許文献１】特開平2-59697
【特許文献２】特開平5-232272
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
必要なことは、出力増加を達成し、かつ開発コストを抑えることである。燃料集合体の大型化（燃料集合体ピッチ233mm）を採用すると、上述のような問題が生じてしまう。これを解決する手段として、ある範囲で燃料集合体を大きくする（燃料集合体ピッチを大きくする）ことでメリットのある原子炉構造が得られる。具体的には燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとした原子炉構造である。（157mmは従来ＢＷＲ（ＡＢＷＲ含む）の燃料集合体ピッチの最大値である）
この炉心設計の考え方について説明する。
【００１９】
原子炉燃料の設計条件の一つに、運転サイクルを通じて炉停止余裕を1.0%Δｋ以上確保するという条件がある。この炉停止余裕とは、冷温停止時に最も反応度制御効果の大きい制御棒１本が引き抜かれ、他の制御棒がすべて挿入された状態における未臨界度を表すもので、原子炉安全性のために炉停止余裕は確保されなければならない。
【００２０】
一例として、ＡＢＷＲでは燃料集合体ピッチは155mmである。燃料集合体ピッチを大きくしてチャンネルボックスを大きくしていく（燃料集合体の大型化）と、燃料集合体断面積あたりの制御棒翼幅が小さくなり制御棒による反応度抑制効果が低下するため、一般に炉停止余裕が悪化する。
【００２１】
炉停止余裕を改善するための方策としては、燃料集合体中のウォータロッドを増加する、という方法がある。すなわち、一般に、減速材と燃料の比（Ｈ／Ｕ比：水素原子数対ウラン原子数比）が大きくなるとボイド反応度係数が小さくなり、運転時から冷温停止時に移行してボイドが消滅したときの反応度上昇量が低下するため炉停止余裕が改善する。ただしＨ／Ｕを過大に大きくすると、ボイド反応度係数が正になるという問題が生じ、また燃料集合体中に装荷される核燃料物質量が減少するため、燃料経済性上好ましくない。ボイド反応度係数が正にならない範囲でＨ／Ｕを大きくするとすれば、燃料集合体ピッチとしては、最大でも従来のABWRの1.3倍(15.5×1.3＝202mm)程度と考えられる。
【００２２】
この燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとした炉心と、開発済みである炉内構造物設計を組み合わせることで、開発費用を抑えつつ、且つ出力増加という要望がかなえられる原子炉構造が成立する。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとし、制御棒案内管断面形状を円筒型としたことを特徴としている。
【００２４】
また、本発明は、燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとし、２行２列４本の燃料集合体の４隅に４本の制御棒を配置したことを特徴としている。
【００２５】
さらに、本発明は、燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとし、炉心支持板の制御棒案内管取り合い穴ピッチを314mm〜404mmにしたことを特徴としている。
【００２６】
また、本発明は、炉心支持板補強ビームをシングル化したことを特徴としている。
【００２７】
また、本発明は、燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとし、燃料支持金具の燃料集合体着座穴ピッチを157mm〜202mmとしたことを特徴としている。
【００２８】
さらに。本発明は、燃料支持金具オリフィスにデブリフィルタを設置したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２９】
本発明にあっては、沸騰水型原子力発電所において、燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとし、制御棒案内管断面形状を円筒型としているから、建設費等の開発費用や運転コストを抑えつつ、且つ出力を増加することができる沸騰水型原子力発電所の原子炉構造を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、図１ないし図５を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００３１】
第１の実施の形態
本発明の第１の実施の形態について、図１及び図２を参照して説明する。
【００３２】
図１は、燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとした炉心５１を示す。この図において、符号５３は燃料集合体を示し、符号５５は制御棒を示す。この図に示すように、制御棒５５は、従来のＢＷＲ同様、２行２列４本の燃料棒５３の四隅に設けられている。
【００３３】
図２中（ａ）は、この炉心５１の要部を示す図であって、符号５７は炉心支持板を示す。この炉心支持板５７には制御棒５５が設けられており、その下部には制御棒案内管５９が設けられている。この制御棒案内管５９は円筒型になされており、従来のＢＷＲの設計をｌ踏襲することができる。この制御棒案内管５９が配置されるピッチは炉心支持板制御棒取り合いピッチと同寸法となり、314mm〜404mmである。この制御棒案内管５９の下部には、制御棒駆動機構ハウジング６１が設けられており、この制御棒駆動機構ハウジング６１は、原子炉圧力容器６３に設けられたスタブチューブ６５に固定されている。
【００３４】
一方、制御棒５５の傍らには、図２中（ｃ）にも示すように、燃料支持金具６７に支持された燃料集合体５３が配設されており、この燃料集合体５３の上部は図２中（ｂ）に示すように上部格子板６９の格子に挿入されている。
【００３５】
このように、燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとすることによって、現状の出力増加設計で問題となっていた開発／製造費用増加が解決され、下記に列挙する効果が期待できる。
【００３６】
(1) 制御棒案内管は従来で実績のある単純形状の円筒型となるため、十字型制御棒案内管形状に必須であった製造開発費や設計構造検証費用が削減できる。
【００３７】
(2) (1)に伴い、炉心支持板の制御棒案内管取り合い穴面積が、ピッチを233mmとした場合に比して減少し、強度上の裕度が増す。強度上の裕度が増すことにより、炉心支持板に設計を簡素化した合理化設計が適用可能となる。（この合理化設計については、第３の実施形態で述べる）。
【００３８】
(3) 制御棒、燃料支持金具、制御棒案内管、制御棒駆動機構ハウジング、制御棒駆動機構、制御棒駆動機構系統機器のドライブライン設備数を、ピッチを233mmとした場合に比して減少させることができ、製造コストを削減できる。
【００３９】
(4) (3)に伴い、機器数の減少により、原子力発電所の営業運転開始後の定期検査において、機器の取り替えや点検に要する工数をの削減することができる。
【００４０】
(5) 燃料支持金具、制御棒案内管の取扱治具は、実績のある従来設計を適用できる。
【００４１】
(6) 制御棒と制御棒駆動機構の結合／結合解除時は、従来設計と同じく制御棒を制御棒案内管内で回転可能となることから、実績のある従来設計を適用できる。
【００４２】
(7) 上部格子板の格子板直下に制御棒が配置されないため、定期検査時に制御棒を炉内から取り出す場合の作業工数を従来ＢＷＲと同等にすることができる。
【００４３】
(8) 円筒型制御棒案内管は国内外含めて多くのプラントで実績があり、炉内流動による振動挙動や応力評価についても従来の知見を適用することができる。
【００４４】
(9) 炉心支持板補強ビームの間隙に、適切な冷却水を燃料集合体へ流すオリフィスを設置することが可能となり、実績及び信頼性のある従来設計を適用できる。
【００４５】
第２の実施の形態
図１ないし図３を参照して説明する。図３は、図２における炉心支持板５７の構造詳細の一例を示している。この炉心支持板５７の下方には、この支持板を支えるクロスビーム７１が設けられており、炉心支持板５７には、制御棒案内管用穴７３が形成されている。この炉心支持板５７においては、燃料集合体ピッチが157mm〜202mmであるため、制御棒案内管取り合い穴ピッチは314mm〜404mmとなる。したがって、穴ピッチは従来ＢＷＲより増加するが、穴数は燃料集合体ピッチ233mm炉心と比較して大幅に削減され、強度上の余裕が増加する。なお、符号７５は周辺燃料支持金具である。
【００４６】
第３の実施の形態
第２の実施の形態において、炉心支持板５７の強度上の余裕が増加することによって、以下のような設計も可能となる。すなわち、クロスビーム７１に替えて、図４に示すように、平行して配設されたシングルビーム７７をビームタイバ７９で連結したシングルビーム構造８１を採用することができる。これによって、構造の簡素化から製造費用を削減することができる。
【００４７】
第４の実施の形態
図１、図２、図５を参照して説明する。図５中（ａ）は、図２に示す燃料支持金具６７を示している。この燃料支持金具６７において、燃料集合体が着座する着座穴８３のピッチは157mm〜202mmになされており、燃料集合体ピッチと同寸法になる。また、この燃料支持金具６７は、筒状に形成されており、その内部へ冷却材を適切に流すために、オリフィス８５が形成されている。燃料集合体ピッチを157mm〜202mmとしたので、制御棒案内管と炉心支持板補強ビームとを離間させることができ、従ってオリフィス８５から適量な冷却水を燃料集合体へ流すことができる。
【００４８】
第５の実施の形態
図１、図２、図５を参照して説明する。図５中（ｂ）は燃料支持金具８７を示したもので、（ａ）に示したオリフィスにデブリフィルタ８９を設置したものである。このようにすることによって、デブリ（炉内に浮遊するゴミ）を補足し、デブリによる燃料破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態である沸騰水型原子力発電所の原子炉構造の炉心を示す概略平面図。
【図２】本発明の実施の形態である沸騰水型原子力発電所の原子炉構造を示す斜視図であって、（ａ）はその要部を示す一部切り欠き斜視図、（ｂ）は上部格子板を示す平面図、（ｃ）は燃料支持金具から原子炉圧力容器にかけての部分を示す縦断面図。
【図３】本発明の実施の形態である沸騰水型原子力発電所の原子炉構造のクロスビーム型炉心支持板を示す斜視図。
【図４】本発明の実施の形態である沸騰水型原子力発電所の原子炉構造のシングルビーム型炉心支持板を示す斜視図。
【図５】発明の実施の形態である沸騰水型原子力発電所の原子炉構造の燃料支持金具を示す斜視図であって、（ａ）はオリフィスが設けられているものを示す図、（ｂ）はさらにデブリフィルタが設けられているものを示す図。
【図６】従来の炉心の制御棒配置を示す概略平面図であって、（ａ）はＢＷＲの炉心を示し、（ｂ）は燃料集合体ピッチ２３３ｍｍ炉心を示す。
【図７】従来の制御棒案内管を示す斜視図であって、（ａ）はＢＷＲの炉心の円形制御棒案内管を示し、（ｂ）は燃料集合体ピッチ２３３ｍｍの十字型制御棒案内管を示す。
【図８】従来の炉心支持板形状を示す平面図であって、（ａ）はＢＷＲの炉心の炉心支持板を示し、（ｂ）は燃料集合体ピッチ２３３ｍｍ炉心の炉心支持板を示す。
【符号の説明】
【００５０】
５３  燃料集合体
５５  制御棒
５７  炉心支持板
５９  制御棒案内管
６７  燃料支持金具
７３  制御棒案内管用穴
８１  シングルビーム構造
８３  着座穴
８５  オリフィス
８７  燃料支持金具
８９  デブリフィルタ
【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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【図７】
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【図８】
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