(57)【要約】【課題】炉心流量を制御するためのポンプをなくして圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することと、スペクトルシフト運転を良好に行うこととを両立させる。【解決手段】沸騰水型軽水炉１００は、燃料が充填された燃料棒が装荷される炉心２と、中性子と燃料との反応度を制御する制御棒５と、炉心の上方に配置されており、かつ、炉心の上方から炉心に対する制御棒の引き抜き及び制御棒の挿入を行う制御棒駆動機構７と、を有している。制御棒は、内部に中性子吸収材が充填された反応度制御部５Ａと、内部に中性子吸収材よりも中性子吸収性能の低い材料が充填されたフォロア部５Ｂと、を備えている。反応度制御部及びフォロア部は、それぞれ、炉心の高さと同程度の長さに形成されている。フォロア部は、反応度制御部の下方に配置されている。【選択図】図１
2019082406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料が充填された燃料棒が装荷される炉心と、
中性子と前記燃料との反応度を制御する制御棒と、
前記炉心の上方に配置されており、かつ、前記炉心の上方から前記炉心に対する前記制御棒の引き抜き及び前記制御棒の挿入を行う制御棒駆動機構と、を有し、
前記制御棒は、
内部に中性子吸収材が充填された反応度制御部と、
内部に前記中性子吸収材よりも中性子吸収性能の低い材料が充填されたフォロア部と、を備え、
前記反応度制御部及び前記フォロア部は、それぞれ、前記炉心の高さと同程度の長さに形成されており、
前記フォロア部は、前記反応度制御部の下方に配置されている
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項２】
請求項１に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記制御棒は、上面視形状が十字の形状を呈した十字型制御棒として構成されており、
さらに、少なくとも前記炉心の上方で前記十字型制御棒の側面を支持する制御棒ガイドを有し、
前記制御棒ガイドは、前記炉心の上端から上方に突出するように配置されており、
前記制御棒ガイドの軸方向長さは、前記十字型制御棒の前記反応度制御部の軸方向長さよりも長い
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項３】
請求項２に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記制御棒ガイドは、複数の前記燃料棒が正方格子状に配列されて束ねられた正方形燃料集合体の径方向の外周を覆うチャンネルボックスを有しており、
前記チャンネルボックスは、前記十字型制御棒の前記反応度制御部の軸方向長さよりも長い長尺チャンネルボックスとして構成されている
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項４】
請求項２に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記制御棒ガイドは、
前記十字型制御棒の側面を支持するように正方格子状に配置された複数の制御棒支持筒と、
前記制御棒支持筒を上から支持するように正方格子状に設置された支持筒位置決めビームと、を有している
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記制御棒ガイドの軸方向長さは、前記炉心の軸方向長さより長く、かつ、前記十字型制御棒の軸方向長さよりも短い
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項６】
請求項１に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記制御棒は、上面視形状が十字の形状を呈した十字型制御棒として構成されており、
前記炉心の下方には、前記十字型制御棒の前記フォロア部の側面を支持するフォロアガイドが配置されている
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項７】
請求項６に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記フォロアガイドは、
前記炉心の下方で前記十字型制御棒の前記フォロア部の側面を支持する制御棒案内管と、
前記制御棒案内管を下から支持する制御棒案内管支持部と、を有する
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項８】
請求項２乃至請求項７のいずれか一項に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記炉心の径方向の外側には、円筒形状のシュラウドが配置されており、
前記シュラウドは、前記炉心の上端から上方に、前記十字型制御棒の前記反応度制御部の軸方向長さよりも大きな値で突出するとともに、前記炉心の下端から下方に、前記十字型制御棒の前記フォロア部の軸方向長さよりも大きな値で突出している
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項９】
請求項３に記載の沸騰水型軽水炉において、
隣接する前記チャンネルボックスと前記チャンネルボックスとの間のチャンネルボックス間距離は、前記十字型制御棒が挿入される側の領域よりも、挿入されない側の領域の方が小さい
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項１０】
請求項２乃至請求項９のいずれか一項に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記十字型制御棒は、上面視で中心部から四方に突出する４つのブレードシースを有しており、
それぞれの前記ブレードシースの内部には、複数本の管が直列に並べて配置されており、
それぞれの前記管の内部には、前記十字型制御棒の前記反応度制御部では前記中性子吸収材が充填されているとともに、前記十字型制御棒の前記フォロア部では前記中性子吸収材よりも中性子吸収性能の低い材料が充填されている
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項１１】
請求項２乃至請求項９のいずれか一項に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記十字型制御棒は、上面視で中心部から四方に突出する４つのブレードシースを有しており、
それぞれの前記ブレードシースの内部には、前記十字型制御棒の前記反応度制御部では、複数本の管が直列に並べて配置されているとともに、それぞれの前記管の内部に前記中性子吸収材が充填されており、一方、前記十字型制御棒の前記フォロア部では、前記中性子吸収材よりも中性子吸収性能の低い材料が充填されている
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の沸騰水型軽水炉において、
前記フォロア部に充填された前記中性子吸収材よりも中性子吸収性能の低い材料として、酸化銅が用いられている
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉。
【請求項１３】
内部に中性子吸収材が充填された反応度制御部と、
内部に前記中性子吸収材よりも中性子吸収性能の低い材料が充填されたフォロア部と、を備え、
前記反応度制御部及び前記フォロア部は、それぞれ、同程度の長さに形成されており、
前記フォロア部は、前記反応度制御部の下方に配置されている
ことを特徴とする沸騰水型軽水炉に用いる制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自然循環方式の沸騰水型軽水炉、及び、当該沸騰水型軽水炉に用いる制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、沸騰水型軽水炉として、ポンプ（再循環ポンプ）を用いる沸騰水型軽水炉と、ポンプを用いない自然循環方式の沸騰水型軽水炉とがある。ポンプを用いる沸騰水型軽水炉は、インターナルポンプやジェットポンプ等のポンプで圧力容器内の冷却材（冷却水）を流動させることにより、圧力容器内の冷却材を再循環させて、冷却材を炉心に送り込む構造になっている。これに対して、自然循環方式の沸騰水型軽水炉は、ポンプを用いずに、炉心の内部の冷却材と外部の冷却材との密度差を冷却材の自然循環駆動力として利用して冷却材を流動させることにより、冷却材を炉心に送り込む構造になっている（例えば、特許文献１参照）。なお、炉心の内部の冷却材と外部の冷却材との密度差は、炉心で発生する核反応熱によって炉心の内部の冷却材が加熱・沸騰することによって発生する。
【０００３】
ポンプを用いる沸騰水型軽水炉は、ポンプの回転部の回転速度を調整すること等により、冷却材の炉心流量を調整して、中性子と燃料との反応度を効率よく調整することができる。このようなポンプを用いる沸騰水型軽水炉は、後記するスペクトルシフト運転を容易に行うことができる。しかしながら、ポンプを用いる沸騰水型軽水炉は、圧力容器の近傍に再循環ポンプや配管等を設置したり、又は、原子炉内蔵型の再循環ポンプ（インターナルポンプ）を圧力容器内（炉心近傍）に設置したりする必要があるため、圧力容器周りや炉心近傍の構造が複雑になる傾向がある。
【０００４】
一方、自然循環方式の沸騰水型軽水炉は、上記のようなポンプや配管が不要なため、圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することができる。しかしながら、自然循環方式の沸騰水型軽水炉は、冷却材を再循環させるポンプが設置されておらず、ポンプで冷却材を積極的に流動させることができないため、冷却材の炉心流量を調整して、中性子と燃料との反応度を効率よく調整することができず、その結果、後記するスペクトルシフト運転を行うことができなかった。
【０００５】
ここで、「スペクトルシフト運転」とは、炉心に装荷された燃料集合体の周囲を流動する冷却材（冷却水）に含まれるボイド（気泡）の量を制御して燃料経済性を向上させる運転を意味している。ボイドは、冷却材（冷却水）が沸騰することで発生する。ボイドの量が増えると、高速中性子の速度を減速して熱中性子とする減速材（すなわち、冷却材（冷却水））の量がボイドの分だけ減って、燃料の燃焼が抑制される。
【０００６】
「スペクトルシフト運転」では、運転サイクル初期と、運転サイクル末期とで、以下のような運転が行われる。すなわち、運転サイクル初期において、沸騰水型軽水炉は、インターナルポンプやジェットポンプ等のポンプによる冷却材の流量を少量に抑制することでボイドの量を多くし、炉心内の中性子スペクトルを硬くして（つまり、低エネルギー中性子（熱中性子）の増加を抑制した状態にして）、炉心に装荷された燃料集合体に含まれているウラン２３５の反応度を下げながらウラン２３５を燃焼させるとともに、高速中性子をウラン２３８に吸収させて、ウラン２３８をプルトニウム２３９に転換し、プルトニウム２３９を生成して蓄積する。その後、運転サイクル末期において、沸騰水型軽水炉は、ポンプによる冷却材の流量を増加することでボイドの量を少なくし、炉内の中性子スペクトルを軟らかくして（つまり、低エネルギー中性子（熱中性子）の増加を促進して）、燃え残っているウラン２３５と生成したプルトニウム２３９とを燃焼させる。このような「スペクトルシフト運転」は、燃えないウラン２３８をプルトニウム２３９に転換して燃焼させるため、燃料経済性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１２２６８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の沸騰水型軽水炉は、炉心流量を制御するためのポンプをなくして圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することと、スペクトルシフト運転を良好に行うこととを両立させることができない、という課題があった。
【０００９】
例えば、従来の自然循環方式の沸騰水型軽水炉は、前記のように、炉心流量を制御するためのポンプをなくして圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することができる。しかしながら、従来の自然循環方式の沸騰水型軽水炉は、ポンプが設置されていないことから、冷却材を積極的に流動させることができないため、スペクトルシフト運転を行うことができなかった。
【００１０】
本発明は、前記した課題を解決するためになされたものであり、炉心流量を制御するためのポンプをなくして圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することと、スペクトルシフト運転を良好に行うこととを両立させた沸騰水型軽水炉、及び、当該沸騰水型軽水炉に用いる制御棒を提供することを主な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明は、沸騰水型軽水炉であって、燃料が充填された燃料棒が装荷される炉心と、中性子と前記燃料との反応度を制御する制御棒と、前記炉心の上方に配置されており、かつ、前記炉心の上方から前記炉心に対する前記制御棒の引き抜き及び前記制御棒の挿入を行う制御棒駆動機構と、を有し、前記制御棒は、内部に中性子吸収材が充填された反応度制御部と、内部に前記中性子吸収材よりも中性子吸収性能の低い材料が充填されたフォロア部と、を備え、前記反応度制御部及び前記フォロア部は、それぞれ、前記炉心の高さと同程度の長さに形成されており、前記フォロア部は、前記反応度制御部の下方に配置されている構成とする。
その他の手段は、後記する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、炉心流量を制御するためのポンプをなくして圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することと、スペクトルシフト運転を良好に行うこととを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態１に係る沸騰水型軽水炉の全体構成図である。
【図２Ａ】実施形態１に係る沸騰水型軽水炉の炉心付近の構成図（１）である。
【図２Ｂ】実施形態１に係る沸騰水型軽水炉の炉心付近の構成図（２）である。
【図２Ｃ】実施形態１に係る沸騰水型軽水炉の炉心付近の構成図（３）である。
【図２Ｄ】実施形態１に係る沸騰水型軽水炉の炉心付近の構成図（４）である。
【図３】実施形態１に係る沸騰水型軽水炉の制御棒ガイドの上端付近の構成図である。
【図４Ａ】実施形態１で用いる十字型制御棒の構成図（１）である。
【図４Ｂ】実施形態１で用いる十字型制御棒の構成図（２）である。
【図４Ｃ】実施形態１で用いる十字型制御棒の構成図（３）である。
【図４Ｄ】実施形態１で用いる十字型制御棒の構成図（４）である。
【図４Ｅ】実施形態１で用いる十字型制御棒の構成図（５）である。
【図５】実施形態２に係る沸騰水型軽水炉の炉心付近の構成図である。
【図６】実施形態２に係る沸騰水型軽水炉の制御棒ガイドの上端付近の構成図である。
【図７Ａ】実施形態３に係る沸騰水型軽水炉の炉心付近の構成図である。
【図７Ｂ】実施形態３の変形例に係る沸騰水型軽水炉の炉心付近の構成図である。
【図８】実施形態４に係る沸騰水型軽水炉の十字型制御棒の構成図である。
【図９】実施形態５に係る沸騰水型軽水炉の全体構成図である。
【図１０】比較例に係る沸騰水型軽水炉の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態（以下、「本実施形態」と称する）につき詳細に説明する。なお、各図は、本発明を十分に理解できる程度に、概略的に示してあるに過ぎない。よって、本発明は、図示例のみに限定されるものではない。また、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
【００１５】
［実施形態１］
本実施形態１は、スペクトルシフト運転を行うことが可能な自然循環方式の沸騰水型軽水炉１００、及び、当該沸騰水型軽水炉を提供することを意図している。
【００１６】
＜沸騰水型軽水炉の全体構成＞
以下、図１を参照して、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００の全体構成につき説明する。図１は、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００の全体構成図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００は、原子炉圧力容器１に内包された炉心２と、炉心２の径方向の外側を囲むシュラウド４と、中性子と燃料との反応度を調整するための十字型制御棒５と、炉心２に対して十字型制御棒５の引き抜き及び挿入を行うための制御棒駆動機構７と、湿り蒸気から微小液滴を分離して乾き蒸気に変える環状ドライヤ１４と、蒸気をタービン（図示せず）に導く主蒸気管１５と、原子炉圧力容器１内に給水する給水配管（図示せず）と、を有している。炉心２には、後記する正方形燃料集合体１６（図２Ａ参照）が装荷されている。
【００１８】
本実施形態１では、十字型制御棒５は、制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとの２つの領域を有している。制御材充填部５Ａは、内部に中性子吸収材が充填された領域である。制御材充填部５Ａは、中性子を吸収することで、中性子と燃料との反応度を制御する反応度制御部として機能する。フォロア部５Ｂは、内部にフォロア材が充填された領域である。フォロア材は、中性子吸収材よりも中性子吸収性能の低い材料（中性子との反応断面積が小さい材料）であり、かつ、中性子を減速させる能力が水よりも低い材料であり、ボイド（気泡）と同様の役割を果たす。フォロア部５Ｂは、炉心２に挿入されたときに炉心２の内部（後記する十字型制御棒案内管２２の内部）から外部に冷却材（冷却水）を排除する。すなわち、フォロア部５Ｂの部分では中性子が吸収も減速もされないため、フォロア部５Ｂが炉心２に位置するときは、フォロア部５Ｂがボイドの役割を果たして、見掛け上、炉心２にボイドが増えたときと同じ状態になる。制御材充填部５Ａ及びフォロア部５Ｂは、それぞれ、炉心２の高さと同程度の長さに形成されている。フォロア部５Ｂは、制御材充填部５Ａの下方に配置されている。
【００１９】
十字型制御棒５は、前記のように、制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとの２つの領域を有することにより、一般に標準的に用いられている通常長さの十字型制御棒（例えば、図１０に示す十字型制御棒５Ｚ）よりも長さが倍程度長い長尺な制御棒として構成されている。なお、図１０は、従来技術に相当する比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００の構成を示している。比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００については、後記する。
【００２０】
十字型制御棒５は、制御棒駆動軸６を介して制御棒駆動機構７と接続されている。沸騰水型軽水炉１００は、炉心２に対して十字型制御棒５の引き抜き及び挿入を制御棒駆動機構７で行うことにより、中性子と燃料との反応度を調整する。
【００２１】
例えば、沸騰水型軽水炉１００は、炉心２から十字型制御棒５を引き抜くことで、中性子と冷却材との衝突による中性子エネルギー（速度）の減少を促進させて、熱中性子を増加させる。これにより、沸騰水型軽水炉１００は、中性子と燃料との反応を促進させて、出力を上昇させる。
【００２２】
また、沸騰水型軽水炉１００は、炉心２に十字型制御棒５の制御材充填部５Ａを挿入することで、中性子を吸収する。これにより、沸騰水型軽水炉１００は、中性子と燃料との反応を抑制して、出力レベルを調整することができる。また、沸騰水型軽水炉１００は、全ての十字型制御棒５を炉心に挿入することで、中性子と燃料との反応を停止させることも可能である。
【００２３】
また、本実施形態では、十字型制御棒５は、ボイドの役割を果たすフォロア部５Ｂを有しており、フォロア部５Ｂが炉心２に挿入されると、中性子と冷却材との衝突による中性子エネルギーの減少を抑制して（即ち中性子スペクトルを硬くして）、中性子と燃料との反応を抑制する。ちなみに、ポンプを備える場合は、ポンプによって炉心２を通過する冷却材の流量を減らすことでボイドの量を多くして、中性子のスペクトルを硬くすることが可能であったが、ポンプを備えない自然循環式の場合は、このような調整はできなかった。
【００２４】
すなわち、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、従来とは異なり、原子力発電プラントの運転状態に応じて、十字型制御棒５を位置２９，３０，３１のいずれかの位置に配置する。
【００２５】
（１）例えば、図１で模式的に３本並べて図示されている十字型制御棒５の内の、左側の位置２９の十字型制御棒５のように、原子力発電プラントの運転停止時において、沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５の中性子を吸収する役割を果たす制御材充填部５Ａが炉心２に挿入されるとともに、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂが炉心２の下方に出るように、十字型制御棒５を位置２９に配置する。以下、位置２９を「炉停止時位置２９」と称する場合がある。
【００２６】
（２）また、例えば、図１で模式的に３本並べて図示されている十字型制御棒５の内の、中央の位置３０の十字型制御棒５のように、原子力発電プラントの運転サイクル初期において、沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５のボイドの役割を果たすフォロア部５Ｂが炉心２に挿入されるとともに、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａが炉心２の上方に出るように、十字型制御棒５を位置３０に配置する。以下、位置３０を「運転サイクル初期時位置３０」と称する場合がある。ただし、沸騰水型軽水炉１００は、運転サイクル初期における燃料の余剰反応度を制御する場合に、一部の十字型制御棒５を、炉停止時位置２９と運転サイクル初期時位置３０との中間の位置に配置した状態（部分挿入状態）にする。
【００２７】
（３）また、例えば、図１で模式的に３本並べて図示されている十字型制御棒５の内の、右側の位置３１の十字型制御棒５のように、原子力発電プラントの運転サイクル末期において、沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５の全部分が炉心２の上方に出るように、換言すると、十字型制御棒５があった部分が冷却材（減速材でもある水）で満たされるように、十字型制御棒５を位置３１に配置する。以下、位置３１を「運転サイクル末期時位置３１」と称する場合がある。
【００２８】
沸騰水型軽水炉１００は、原子力発電プラント運転時において、炉心２で発生する核反応熱によって冷却材（冷却水）を沸騰させて、炉心２の内部で蒸気−飽和水の気液二相流を発生させる。つまり、炉心２の内側では、冷却材（冷却水）が沸騰して蒸気（ボイド）が発生することで、冷却材（冷却水）が単相水状態から蒸気−飽和水の気液二相の状態に変化する。原子炉圧力容器１の内部では、原子炉圧力容器内水位３よりも上方の重力気水分離空間１３で、比較的大きい液滴が自重によって水面に落下する。これにより、飽和水が湿り蒸気中から分離されて、気液二相流が湿り蒸気（水蒸気及び水蒸気に随伴される微小液滴）と飽和水とに分離される。
【００２９】
重力気水分離空間１３で分離された飽和水は、原子炉圧力容器１とシュラウド４との間の間隙（ダウンカマ領域１１）を流下し、給水配管（図示せず）を介して原子炉圧力容器１の外部から供給される給水と混合された後、炉心２の下方空間（下部プレナム１０）を経由して炉心２の下方から炉心２の内部に流入する。
【００３０】
一方、重力気水分離空間１３で分離された微小液滴を伴う湿り蒸気は、環状ドライヤ１４でほぼ全ての微小液滴が除去されて、乾き蒸気に変化する。乾き蒸気は、主蒸気管１５を介してタービン（図示せず）に導かれ、発電に使用される。
【００３１】
冷却材の密度は、炉心２の内側で冷却材（冷却水）が沸騰して蒸気が発生することで、炉心２の内側と外側とで大きく変化する。つまり、炉心２の内側（具体的には、シュラウド４の内側の炉心領域）では、冷却材（冷却水）は、単相水状態よりも密度の低い蒸気−飽和水の気液二相状態になっている。これに対して、炉心２の外側（具体的には、シュラウド４の外側のダウンカマ領域１１）では、冷却材（冷却水）は、単相水状態になっている。そのため、冷却材の密度は、炉心２（シュラウド４）の内側の方が外側よりも低くなっている。このため、圧力容器１の内部では、炉心２の内部を上昇し、ダウンカマ領域１１を下降する冷却材の自然対流が生じる。すなわち、沸騰水型軽水炉１００は、冷却材を流動させる駆動力として炉心２（シュラウド４）の内側と外側との冷却材の密度差を利用することにより、冷却材を炉心２に効率よく供給して炉心２を冷却することができる。
【００３２】
このような沸騰水型軽水炉１００は、炉心で冷却材（水）が沸騰して蒸気が発生することで冷却材の平均密度が大きく変化するため、水が沸騰しない加圧水型軽水炉に比べて、自然循環方式を容易に採用することができる。このため、本実施形態では、沸騰水型軽水炉１００がインターナルポンプやジェットポンプ等を採用しない自然循環方式の軽水炉となっている。
【００３３】
沸騰水型軽水炉１００は、炉心２の上方に、十字型制御棒５をガイドする制御棒ガイド８を有している。制御棒ガイド８は、炉心２の上端から上方に突出するように配置されている。制御棒ガイド８は、上下方向に延びる長尺でかつ中空な構造になっている。制御棒ガイド８の軸方向長さは、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの軸方向長さよりも長くなっている。これにより、沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａを十分にガイドすることができる。
【００３４】
沸騰水型軽水炉１００は、上下方向に延びる長尺な部材として制御棒ガイド８を炉心２の上方に配置することにより、制御棒ガイド８をチムニとして機能させることができる。チムニの内側の冷却材は、原子力発電プラント運転時において、沸騰しており、多量のボイド（気泡）を含んでいるため、チムニの外側の冷却材よりも密度が低くなっている。したがって、沸騰水型軽水炉１００は、チムニ内外の冷却材量差を増加させることにより、冷却材の自然循環駆動力を増大させることができる。沸騰水型軽水炉１００は、チムニの長さ（高さ）を長く（高く）すること、即ちチムニ領域の体積を増やすことでチムニ内外の冷却材量差を増加させることができ、その結果、炉心２での冷却材の自然循環流量を増加させることができる。つまり、沸騰水型軽水炉１００は、チムニの長さ（高さ）を長く（高く）することにより、チムニ機能を向上（増大）させることができる。
【００３５】
なお、チムニ部は、仕切りの無い大口径空間ではなく、ある程度の領域で仕切り板を設ける必要がある。仮に、制御棒ガイド８の領域が空間的に分割されていない構成になっていたとする。つまり、シュラウド４の内部の空間が仕切りのない大空間になっていたとする。この構成の場合に、炉心２で発生した蒸気は、大空間の径方向中央にドリフト（漂流）して、大気泡に成長する。この場合に、気泡の上昇速度が増加することにより、シュラウド４の内部のボイド率が低下する。その結果、シュラウド４の内側と外側との冷却材の密度差が低下するため、炉心２での冷却材の自然循環駆動力が低下する。
【００３６】
したがって、炉心２での冷却材の自然循環駆動力の低下を抑制するためには、炉心２の上方に設けられた制御棒ガイド８の領域をある程度の幅の流路に分割して、蒸気泡のドリフトを防止することが好ましい。つまり、炉心２での冷却材の自然循環駆動力の低下を抑制するためには、制御棒ガイド８の領域が空間的に分割された構成になっており、シュラウド４の内部の空間が制御棒ガイド８で複数の小空間に仕切られた構成になっていることが好ましい。換言すると、制御棒ガイド８がシュラウド４の内部の空間を複数の小空間に仕切る分割チムニとして機能させる構成にすることが好ましい。
【００３７】
本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、一般的な沸騰水型軽水炉で採用されている制御棒下部挿入方式ではなく、加圧水型軽水炉と同様に制御棒上部挿入方式を採用している。
【００３８】
このような本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、制御棒上部挿入方式を採用することにより、十字型制御棒５の自重を駆動力として利用する、緊急時の制御棒スクラムを実現することができる。また、沸騰水型軽水炉１００は、制御棒上部挿入方式を採用することにより、制御棒駆動機構７及び十字型制御棒５の引き抜き代を炉心２の下方空間（下部プレナム１０）内や原子炉圧力容器１の下方に確保しなくてもよいため、原子炉圧力容器１内における炉心２の設置高さを下げることができる。このような沸騰水型軽水炉１００は、仮に、炉心２が溶融して、その溶融物が下部プレナム１０に堆積するような事故が発生した場合であっても、比較的少ない水量で原子炉圧力容器１や炉心２を水漬けにすることができる。そのため、沸騰水型軽水炉１００は、事故を収束させ易くすることができる。
【００３９】
また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００では、十字型制御棒５が制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとの２つの領域を有する長尺な制御棒として構成されている。そのため、炉心２から十字型制御棒５を引き抜いたときに、制御棒ガイド８の上下方向の長さに対して、制御棒ガイド８の上端よりも上方に突き出した十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの突出量（突出部分の長さ）が、チムニの長さとして加わる。つまり、沸騰水型軽水炉１００は、上下方向に延びる長尺な部材として制御棒ガイド８に加えて十字型制御棒５も炉心２の上方に配置することができる。そのため、十字型制御棒５が運転サイクル末期時位置３１に配置された場合に、制御棒ガイド８の領域に加えて、制御棒ガイド８の上端よりも上方に突き出した十字型制御棒５の制御材充填部５Ａによって形成される流路が新たなチムニ領域として機能する。このような沸騰水型軽水炉１００は、さらにチムニ機能を向上させることができる。したがって、このような沸騰水型軽水炉１００は、炉心２での冷却材の自然循環流量を増加させることができる。
【００４０】
なお、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５の完全引き抜き時に（つまり、十字型制御棒５を運転サイクル末期時位置３１に配置したときに）、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａが水面の上に露出しない高さに、原子炉圧力容器内水位３を設定している。沸騰水型軽水炉１００は、後記する従来技術に相当する比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００（図１０参照）と比較すると、原子炉圧力容器内水位３から炉心２の上端までの距離（深さ）が大きく（深く）なっている。このように水位を設定することにより、十字型制御棒５の完全引き抜き時においても、冷却水の自然循環流路が途切れることなく、炉心冷却を維持できる。
【００４１】
また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、炉心２の下方に、フォロアガイド９を有している。フォロアガイド９は、十字型制御棒５の完全挿入時に（つまり、十字型制御棒５を炉停止時位置２９に配置したときに）、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂの側面を支持する部材である。
【００４２】
また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、炉心２の径方向の外側に、円筒形状のシュラウド４を有している。本実施形態のシュラウド４の上端は、制御棒ガイド８の上端と同等の高さ位置に配置されている。また、シュラウド４の下端は、フォロアガイド９の下端よりも下方の高さ位置に配置されている。したがって、シュラウド４の上下方向長さ（高さ）は、制御棒ガイド８の上端と同等の高さ位置からフォロアガイド９の下端よりも下方の高さ位置までの長さになっている。本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、シュラウド４をこのような上下方向長さ（高さ）に構成にすることにより、シュラウド４の上下方向長さの分だけダウンカマ領域１１の上下方向長さを延長している。
【００４３】
炉心２よりも下方の領域（フォロアガイド９が設けられた領域）は、発熱体である燃料がなく、また、冷却材の密度がシュラウド４の内側と外側とで同じである。そのため、炉心２よりも下方の領域は、冷却材の自然循環流量の増加に寄与しない。したがって、原子炉圧力容器１の内部において、冷却材の自然循環流量の増加に寄与する領域は、炉心２が設置された領域と制御棒ガイド８と設置された領域との２つの領域となる。
【００４４】
以上に述べたように、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、制御棒ガイド８をチムニとして機能させることができるため、制御棒ガイド８の長さ分だけ、シュラウド４の内側の冷却材の水頭とシュラウド４の外側のダウンカマ領域１１の冷却材の水頭との差を増大させることができ、その結果、冷却材の自然循環駆動力を増加させて、燃料（後記する正方形燃料集合体１６（図２Ａ参照））を冷却するための十分な冷却材の炉心流量を確保することができる。
【００４５】
＜沸騰水型軽水炉の細部の構成＞
以下、図２Ａ乃至図２Ｄを参照して、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００の炉心２付近の構成につき説明する。また、図３を参照して、制御棒ガイド８の上端付近の構成につき説明する。また、図４Ａ乃至図４Ｅを参照して、十字型制御棒５の構成につき説明する。図２Ａ乃至図２Ｄは、それぞれ、炉心２付近の構成図である。また、図３は、制御棒ガイド８の上端付近の構成図である。また、図４Ａ乃至図４Ｅは、それぞれ、十字型制御棒５の構成図である。
【００４６】
図２Ａは、原子力発電プラントの運転停止時（すなわち、十字型制御棒５が炉停止時位置２９（図１参照）に配置されたとき）の炉心２内の状態を示している。図２Ａに示すように、炉心２には、複数本の正方形燃料集合体１６が装荷されている。正方形燃料集合体１６は、複数の燃料棒３３が正方格子状に配列されて束ねられた正方格子配列燃料棒群である。正方形燃料集合体１６は、複数本の燃料棒３３を正方格子状に配置して束ね、径方向の外周を略四角形のチャンネルボックス３２Ａで覆うことで構成されている。十字型制御棒５は、複数のチャンネルボックス３２Ａ（図２Ａ参照）の間隙に、設置される。なお、本実施形態の図では６行６列の燃料棒配列として図示されているが、これはあくまでも一例であり、現行の沸騰水型軽水炉で用いられている９行９列格子燃料や、将来装荷される可能性のある１０行１０列格子燃料に対しても、同様に適用可能である。
【００４７】
なお、「チャンネルボックス」とは、燃料集合体の内部スペースを規定する部材である。本実施形態１では、一般に標準的に用いられている通常長さのチャンネルボックスではなく、通常長さのチャンネルボックスよりも長尺化されたチャンネルボックス３２Ａが用いられるものとして説明する。以下、チャンネルボックス３２Ａを「長尺チャンネルボックス３２Ａ」と称する場合がある。
【００４８】
チャンネルボックス３２Ａは、内部に複数体の燃料棒３３が充填された燃料充填部１３２Ａと、中空なガイド部１３２Ｂと、を有している。ガイド部１３２Ｂは、制御棒ガイド８として機能する部材であり、燃料充填部１３２Ａから上方に延びるように形成されている。沸騰水型軽水炉１００は、制御棒ガイド８として機能するガイド部１３２Ｂをチャンネルボックス３２Ａに有することにより、チムニ機能を得ることができ、その結果、炉心２での冷却材の自然循環流量を増加させることができる。
【００４９】
図２Ａは、十字型制御棒５が炉停止時位置２９（図１参照）に配置されたときの炉心２内の状態を示している。そのため、図２Ａに示す例では、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａがチャンネルボックス３２Ａの燃料充填部１３２Ａに隣接する位置に配置されており、また、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂが炉心２の下方に配置されている。
【００５０】
沸騰水型軽水炉１００は、炉心２の下部を構成する炉心下部支持板（図示省略）の上方に、正方形燃料集合体１６を有している。また、沸騰水型軽水炉１００は、炉心下部支持板（図示省略）の下方に、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂをガイドするフォロアガイド９を有している。フォロアガイド９は、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂの上下方向の移動を案内する十字型制御棒案内管２２と、正方形燃料集合体１６、炉心下部支持板（図示省略）、及び十字型制御棒案内管２２の荷重を支える制御棒案内管支持部２３と、を有している。十字型制御棒案内管２２は、制御棒案内管支持部２３を介して原子炉圧力容器１の下部ヘッドに固定されている。
【００５１】
十字型制御棒案内管２２は、有底構造になっている。そのため、沸騰水型軽水炉１００は、フォロア部５Ｂの下端が十字型制御棒案内管２２の底部に突き当たる位置までしか、十字型制御棒５を下方に可動することができない。このような沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５を挿入し過ぎることにより、十字型制御棒５が炉心２を突き抜けて、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａが原子炉圧力容器１の底に落下する事故の発生を防止することができる。また、沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒案内管２２（フォロアガイド９）が存在することにより、炉心２を上昇する冷却材（冷却水）の流れによって十字型燃料棒５が振動するのを防止することができる。
【００５２】
なお、本実施形態１では、フォロアガイド９は、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを支持することができればよく、図２Ａに示した構造に限定されるものではない。また、沸騰水型軽水炉１００は、以下のような構造にすることで、フォロアガイド９を削除することもできる。例えば、沸騰水型軽水炉１００は、長尺チャンネルボックス３２Ａをさらに下方に延長して、長尺チャンネルボックス３２Ａをフォロアガイド９と同様に機能させることにより、フォロアガイド９を削除することができる。
【００５３】
図２Ｂは、図２Ａに示すＸ１−Ｘ１線に沿ってチャンネルボックス３２Ａのガイド部１３２Ｂを切断して得られる正方形燃料集合体１６と制御棒駆動軸６の概略的な断面形状を示している。図２Ｂに示すように、チャンネルボックス３２Ａの上部領域であるガイド部１３２Ｂは、内部に燃料棒３３が配置されていない空洞領域となっている。
【００５４】
図２Ｃは、図２Ａに示すＸ２−Ｘ２線に沿ってチャンネルボックス３２Ａの燃料充填部１３２Ａを切断して得られる正方形燃料集合体１６と十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの概略的な断面形状を示している。図２Ｃに示すように、チャンネルボックス３２Ａの下部領域である燃料充填部１３２Ａは、内部に燃料棒３３が配置された領域となっている。
【００５５】
図２Ｄは、図２Ａに示すＸ３−Ｘ３線に沿って十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを切断して得られる十字型制御棒５のフォロア部５Ｂの概略的な断面形状を示している。図２Ｄに示すように、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂは、十字型制御棒案内管２２によって周方向を支持されているため、流動振動やデブリ接触等に起因する破損を防止することができる。
【００５６】
図３は、制御棒ガイド８として機能するチャンネルボックス３２Ａのガイド部１３２Ｂの上端付近の具体的な形状を示している。図３は、シュラウド４が含まれるように、図２Ｂに示す構成を径方向に拡大して示している。図３に示すように、シュラウド４の内部には、チャンネルボックス３２Ａのガイド部１３２Ｂの上端付近の側面を支持するための上部格子１７が設置される。十字型制御棒５は、隣接する他の制御棒と併せて、４本で４体の正方形燃料集合体１６を囲む１つの大口径流路を形成している。
【００５７】
図３では、複数の正方形燃料集合体１６が縦−横方向に等間隔で配置されている。そのため、各正方形燃料集合体１６において、制御棒挿入側の集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）と制御棒が無い側の集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）とは同じである。
【００５８】
チャンネルボックス３２Ａの壁は、十字型制御棒５の側面をガイドするガイド機能を有する。また、チャンネルボックス３２Ａの壁は、制御棒ガイド８の領域の流路を分割する役割も果たす。これにより、沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５のガイド機能とチムニ機能との両方を同時に実現することができる。
【００５９】
なお、本実施形態１では、上部格子１７が上下方向に長い（高い）単体のシュラウド４（以下、「長尺シュラウド４」と称する）に溶接固定されているものとして説明する。しかしながら、以下のような複数の部材を用いることにより、同様の構成を実現することができる。例えば、長尺シュラウド４を炉心２の上端位置で上下２領域に分割する。下部の円筒をシュラウド、上部の円筒をチムニ円筒１８と呼ぶ。チムニ円筒１８には上部格子１７を溶接する。このチムニ円筒１８をシュラウドの上に積み重ねて、ボルト等でシュラウドとチムニ円筒１８を固定することによって、同様の構成を実現することができる。
【００６０】
図４Ａ乃至図４Ｅは、十字型制御棒５の構成を示している。図４Ａは、正面から見た十字型制御棒５の構成を示している。また、図４Ｂは、図４Ａに示すＸ４−Ｘ４線に沿って十字型制御棒５の制御材充填部５Ａを切断して得られる概略的な断面形状を示している。また、図４Ｃは、図４Ｂに示す制御材充填部５Ａの領域Ｒ１１の内部構造を拡大して示している。また、図４Ｄは、図４Ａに示すＸ５−Ｘ５線に沿って十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを切断して得られる概略的な断面形状を示している。また、図４Ｅは、図４Ｄに示すフォロア部５Ｂの領域Ｒ１２の内部構造を拡大して示している。
【００６１】
図４Ａに示すように、十字型制御棒５は、制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとの２つの領域を有している。十字型制御棒５は、御棒駆動軸６を介して制御棒駆動機構７（図１参照）に接続されている。
【００６２】
図４Ｂと図４Ｄに示すように、十字型制御棒５は、上面視で十字状の形状を呈している。つまり、十字型制御棒５は、上面視で中心部から四方に突出する翼部分を有する形状になっている。
【００６３】
図４Ｃ及び図４Ｅに示すように、十字型制御棒５は、各翼部分に複数本の充填管２６が直列に（例えば１列に）並べられて配置されており、また、各翼部分でそれら複数本の充填管２６の周囲がブレードシース２５で覆われた構成になっている。なお、冷却材は、ブレードシース２５と充填管２６との間を流れるが、充填管２６の内部は流れない。
【００６４】
図４Ｃに示すように、制御材充填部５Ａでは、中性子吸収材２７が充填管２６の中に充填されている。一方、図４Ｅに示すように、フォロア部５Ｂでは、フォロア材２８が充填管２６の中に充填されている。
【００６５】
十字型制御棒５は、制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとで、充填管２６に充填する物質が異なるだけで、同様の構造になっている。
【００６６】
このように、本実施形態１は、製作時において、充填管２６に充填する２種類の物質を使い分けることで、制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとの２つの領域を有する十字型制御棒５を比較的容易に実現することができる。
【００６７】
なお、フォロア部５Ｂに充填するフォロア材２８としては、例えばグラファイトを用いることができる。
【００６８】
ただし、フォロア材２８としては、グラファイトの代わりに、酸化銅（ＣｕＯ）を用いることも可能である。フォロア材２８として酸化銅を用いた場合に、銅は水素よりもイオン化傾向が小さい。そのため、酸化銅と水素とが反応すると、酸化銅が銅に還元されると同時に、水素が酸化されて水に戻る。したがって、フォロア材２８として酸化銅を用いた場合は、過酷事故時に発生する水素の量を低減する効果を得ることができる。また、酸化銅の密度は、グラファイトよりも大きい。そのため、フォロア材２８として酸化銅を用いた場合に、十字型制御棒５の重量が増加する。これにより、沸騰水型軽水炉１００は、緊急時の制御棒スクラムにおいて、十字型制御棒５の落下速度を上昇させることができ、十字型制御棒５を短時間で炉心２に挿入することができる。そのため、沸騰水型軽水炉１００は、安全性を向上させることもできる。
【００６９】
なお、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００は、制御棒ガイド８付近の構成を以下のような構成にすることにより、制御棒ガイド８の領域をある程度の幅の流路に分割している。
【００７０】
具体的には、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、正方形燃料集合体１６の内部スペースを定義するチャンネルボックスとして、一般に標準的に使用されている通常長さのチャンネルボックスではなく、通常長さのチャンネルボックスよりも長尺化されたチャンネルボックス３２Ａを用いるものとする。そして、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、図２Ｃに示すように、長尺チャンネルボックス３２Ａの下部領域に、燃料棒３３が充填された燃料充填部１３２Ａを配置するとともに、図２Ｂに示すように、長尺チャンネルボックス３２Ａの上部領域に、燃料棒３３の無い空洞領域（正方形燃料集合体１６のガイド部１３２Ｂ）を配置した構成になっている。
【００７１】
沸騰水型軽水炉１００は、制御棒ガイド８付近の構成をこのような構成とすることで、炉心２の上方の大空間を長尺チャンネルボックス３２Ａの壁で分割している。このような沸騰水型軽水炉１００は、蒸気泡のドリフトを防止して、制御棒ガイド８のチムニとしての機能を増大させる効果を確保することができる。同時に、沸騰水型軽水炉１００は、長尺チャンネルボックス３２Ａの壁で十字型制御棒５をガイドすることができる。
【００７２】
また、沸騰水型軽水炉１００は、長尺チャンネルボックス３２Ａの壁で十字型制御棒５をガイドすることができるため、沸騰水型軽水炉１００を停止して燃料を交換する際に、チムニとして機能する制御棒ガイド８を取り外す必要がなく、燃料交換作業を効率よく行うことができる。
【００７３】
＜十字型制御棒が２つの領域を有することによる利点＞
ここで、十字型制御棒５が制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとの２つの領域を有することによる利点を説明する。ここでは、十字型制御棒５が２つの領域を有することによる利点を分かり易く説明するために、比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００（図１０参照）の構成と、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００（図１参照）の構成とを比較して説明する。
【００７４】
図１０は、従来技術に相当する比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００の構成図である。図１０に示すように、比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００は、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００（図１参照）と比較すると、十字型制御棒５の代わりに、十字型制御棒５Ｚを有している点で相違している。十字型制御棒５Ｚは、制御材充填部５Ａ（つまり、内部に中性子吸収材が充填された領域）しか有していない制御棒である。十字型制御棒５Ｚは、制御材充填部５Ａしか有していないため、その長さが十字型制御棒５よりも短くなっている。
【００７５】
比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００は、炉心２に対して本実施形態の十字型制御棒５よりも長さの短い十字型制御棒５Ｚの引き抜き及び挿入を行う。そのため、比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００では、炉心２から十字型制御棒５Ｚを引き抜いたときに、炉心２の上端よりも上方に突き出した十字型制御棒５Ｚの突出量は、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００の十字型制御棒５の突出量よりも小さくなっている。したがって、比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００は、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００よりも小さなチムニ効果しか得ることができない。換言すると、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００は、比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００よりも大きなチムニ効果を得ることができる。
【００７６】
また、比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００の十字型制御棒５Ｚは、制御材充填部５Ａしか有していない。そのため、比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００は、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００が十字型制御棒５を引き抜いたときと異なり、十字型制御棒５Ｚを引き抜いたときに、炉心２のチャンネルボックス間の冷却材をフォロア部５Ｂで排除することができない。換言すると、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５Ｚを引き抜いたときに、炉心２のチャンネルボックス間の冷却材をフォロア部５Ｂで排除することができる。
【００７７】
＜沸騰水型軽水炉の動作＞
係る構成において、沸騰水型軽水炉１００は、以下のようにしてスペクトルシフト運転を良好に行うことができる。その結果、沸騰水型軽水炉１００は、良好なスペクトルシフト効果を得ることができる。なお、「スペクトルシフト効果」とは、運転サイクル初期で中性子スペクトルを硬くしてウラン２３５の反応度を下げると共にウラン２３８をプルトニウム２３９に転換して燃料を蓄積し、ウラン２３５が燃焼して反応度が低下する運転サイクル末期において中性子スペクトルを軟らかくすることで燃え残っているウラン２３５と生成したプルトニウム２３９とを燃焼させることで、燃料の経済性を向上させる効果を意味している。
【００７８】
（１）原子力発電プラントの運転停止時において、沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５を炉停止時位置２９（図１参照）に配置した状態になっている。このとき、制御材充填部５Ａは、チャンネルボックス３２Ａ（図２Ａ参照）によって支持されるとともに、フォロア部５Ｂは、フォロアガイド９の十字型制御棒案内管２２（図２Ａ参照）によって支持される。また、このとき、全ての制御材充填部５Ａが炉心２に挿入されているため、炉心２は未臨界状態になる。
【００７９】
（２）原子力発電プラントの運転サイクル初期において、沸騰水型軽水炉１００は、起動する際に、十字型制御棒５を炉心２から引き抜いていき、多くの十字型制御棒５を炉停止時位置２９（図１参照）から運転サイクル初期時位置３０（図１参照）に移動させる。ただし、沸騰水型軽水炉１００は、運転サイクル初期における燃料の余剰反応度を制御するために、一部の十字型制御棒５を、炉停止時位置２９と運転サイクル初期時位置３０との中間の位置に配置した状態（部分挿入状態）にする。
【００８０】
したがって、運転サイクル初期では、多くの十字型制御棒５は、フォロア部５Ｂが炉心２のチャンネルボックス３２Ａ（図２Ａ参照）によって支持されるとともに、制御材充填部５Ａが制御棒ガイド８によって支持された状態になっている。また、部分挿入状態になっている一部の十字型制御棒５は、フォロアガイド９の上端領域の一部、チャンネルボックス３２Ａ（図２Ａ参照）、及び制御棒ガイド８の下端領域の一部によって支持される。このとき、多くの十字型制御棒５のフォロア部５Ｂが炉心２に挿入された状態になっているため、チャンネルボックス３２Ａ（図２Ａ参照）間の冷却材がフォロア部５Ｂによって排除される。
【００８１】
一般的に、沸騰水型軽水炉では、冷却材／燃料体積比が大きければ大きいほど、中性子スペクトルが軟化し、中性子と燃料との反応度が増加する傾向にある。沸騰水型軽水炉では、運転サイクル末期で燃料が燃え尽きるように、ウラン２３５を余分に装荷しており、運転サイクル初期に余分なウラン２３５分の反応度（余剰反応度）を調整して臨界を維持する必要がある。
【００８２】
従来技術に相当する比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００（図１０参照）は、運転サイクル初期において、十字型制御棒５の中性子吸収材充填部５Ａで吸収することでしか余分なウラン２３５分の反応度（余剰反応度）を調整することができない。このような比較例に係る沸騰水型軽水炉１０００（図１０参照）は、スペクトルシフト運転を行うことができない。
【００８３】
これに対して、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００は、運転サイクル初期において、十字型制御棒５のボイドの役割を果たすフォロア部５Ｂを炉心２に挿入することで、冷却材／燃料体積比を減少させて、中性子スペクトルを硬化させる。これにより、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、中性子と冷却材（水分子）との衝突による中性子エネルギーの減少を抑制することができ、熱中性子の量を減らし、その結果、中性子とウラン２３５との反応度を抑制して、燃料の余剰反応度をある程度まで調整することができる。なお、残りの余剰反応度は、十字型制御棒５の制御材充填部（中性子吸収材充填部）５Ａで調整する。このように、十字型燃料棒５の下部にボイドの役割を果たすフォロワ部５Ｂを有する本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、図１０に示されるような比較例の沸騰水型軽水炉に比較して、良好にスペクトルシフト運転を行うことができる。また、同時に高速中性子とウラン２３８の反応によって燃料物質であるプルトニウム２３９を生成することもできる。
【００８４】
（３）原子力発電プラントの運転サイクル初期から運転サイクル末期に亘って、沸騰水型軽水炉１００は、部分挿入状態となっている一部の十字型制御棒５を徐々に引き抜いていく。これにより、沸騰水型軽水炉１００は、ウラン２３５が燃焼して失われた分の反応度を補填し、一定の出力レベルで運転を継続することができる。
【００８５】
（４）原子力発電プラントの運転サイクル末期において、沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５をさらに引き抜いて、全ての十字型制御棒５を運転サイクル初期時位置３０から運転サイクル末期時位置３１に移動させる。
【００８６】
このとき、沸騰水型軽水炉１００は、以下の２つの効果が得られる。
１つ目の効果は、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを炉心２から引き抜くことで、炉心２の冷却材／燃料体積比を増加させて、燃え残っているウラン２３５及び蓄積されたプルトニウム２３９を効率よく燃焼させることで、反応度を向上させることができる、という効果である。
【００８７】
２つ目の効果は、チムニとして機能する制御棒ガイド８の長さを増加させることによって、炉心２での冷却材の自然循環流量を増加させることができる、という効果である。
【００８８】
２つ目の効果は、以下のようにして得られる。すなわち、例えば、図１に示すように、十字型制御棒５が運転サイクル末期時位置３１に配置された場合に、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａが制御棒ガイド８の上方に突き出した状態となる。
【００８９】
図３に示すように、十字型制御棒５は、隣接する制御棒と併せて、４本で４体の正方形燃料集合体１６を囲む１つの大口径流路を形成している。十字型制御棒５が運転サイクル末期時位置３１に配置された場合に、制御棒ガイド８の領域に加えて、制御棒ガイド８の上端よりも上方に突き出した十字型制御棒５の制御材充填部５Ａによって形成される流路が新たなチムニ領域として機能する。
【００９０】
運転サイクル初期から運転サイクル末期までは、原子炉圧力容器１の内部における冷却材の自然循環駆動力を確保するための軸方向の領域は、炉心２の領域と制御棒ガイド８の領域との２つの領域だけである。これに対して、運転サイクル末期時位置３１では、制御棒ガイド８の上下方向の長さに加え、制御棒ガイド８の上端よりも上方に突き出した十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの突出量（突出部分の長さ）が、チムニの長さとして加わる。このような沸騰水型軽水炉１００は、実効的なチムニ長さを十字型制御棒５の制御材重点部５Ａの突出部によって増加させることができるため、チムニ機能を向上させることができる。したがって、このような沸騰水型軽水炉１００は、ポンプを用いることなく、炉心２での冷却材の自然循環流量を増加させることができる。
【００９１】
前記したように、沸騰水型軽水炉１００では、炉心２で蒸気が発生し、気液二相流状態となっている。以下、単位体積当たりの蒸気体積割合を「ボイド率」と称する。一般に、ボイド率は、冷却材の炉心流量が増加すると低下する。そのため、チャンネルボックス３２Ａ（図２Ａ参照）の内側の冷却材領域における冷却材／燃料体積比が増加する。これにより、沸騰水型軽水炉１００は、前記した１つ目の効果である十字型制御棒５のフォロア部５Ｂの引き抜きによるチャンネルボックス３２Ａ（図２Ａ参照）の外側の冷却材／燃料体積比の増加に加えて、前記した２つ目の効果であるチャンネルボックス３２Ａ（図２Ａ参照）の内側の冷却材／燃料体積比の増加を実現することができる。
【００９２】
以上の２つの効果によって、スペクトルシフト効果がさらに向上して燃料経済性が向上する。特に、２つ目の効果は、従来技術に相当する比較例に係る自然循環方式の沸騰水型軽水炉１０００（図１０参照）では、冷却材の炉心流量を増加（変化）させることができない（困難である）、という課題があったが、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００では、これを解決することができる。
【００９３】
すなわち、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、以下のような利点を有する。
（１）沸騰水型軽水炉１００は、チムニとして機能する制御棒ガイド８の長さを増加させることによって、炉心２での冷却材の自然循環流量を増加させることができる。また、沸騰水型軽水炉１００は、原子力発電プラントの運転サイクル末期において、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを炉心２から引き抜くことで、炉心２の冷却材／燃料体積比を増加させて、燃え残っているウラン２３５及び蓄積されたプルトニウム２３９を効率よく燃焼させることで、反応度を向上させることができる。これらの要因により、沸騰水型軽水炉１００は、自然循環方式の軽水炉でありながら、良好なスペクトルシフト効果（燃料経済性の向上効果）を得ることができる。
（２）沸騰水型軽水炉１００は、充填管２６に充填する材料を変更するだけで、２つの領域からなる十字型制御棒５を比較的容易に製造することができる。
（３）沸騰水型軽水炉１００は、燃料の交換を容易に行うことができる。
（４）沸騰水型軽水炉１００は、制御棒の過剰挿入事故を物理的に防止することができる。
【００９４】
＜実施形態１に係る沸騰水型軽水炉の主な特徴＞
（１）図１に示すように、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００では、十字型制御棒５は、内部に中性子吸収材が充填された制御材充填部（反応度制御部）５Ａと、内部にフォロア材が充填されたフォロア部５Ｂと、を備えている。制御材充填部５Ａ及びフォロア部５Ｂは、それぞれ、炉心２の高さと同程度の長さに形成されている。フォロア部５Ｂは、制御材充填部５Ａの下方に配置されている。フォロア材は、ボイド（気泡）と同様の役割を果たす。
【００９５】
本実施形態の沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５が引き抜かれると、制御材充填部５Ａが制御棒ガイド８の上方に突き出した状態になる。これにより、沸騰水型軽水炉１００は、チムニ機能を増大させる効果を確保することができる。このような沸騰水型軽水炉１００は、冷却材の炉心流量や炉心２での中性子スペクトルを変化させることができ、スペクトルシフト運転を効率よく行うことができる。そのため、沸騰水型軽水炉１００は、スペクトルシフト効果を向上させることができる。また、沸騰水型軽水炉１００は、圧力容器の近傍に再循環ポンプや配管等を設置したり、又は、原子炉内蔵型の再循環ポンプ（インターナルポンプ）を圧力容器内（炉心近傍）に設置したりする必要がないため、圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することができる。
【００９６】
（２）図１に示すように、沸騰水型軽水炉１００は、少なくとも炉心２の上方で十字型制御棒５の側面を支持する制御棒ガイド８を有している。制御棒ガイド８は、炉心２の上端から上方に突出するように配置されている。制御棒ガイド８の軸方向長さは、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの軸方向長さよりも長くなっている。
【００９７】
このような沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａを十分にガイドすることができるとともに、チムニ効果を向上させて、炉心２の内部の冷却材を上方に誘導し易くすることができる。
【００９８】
（３）図２Ａに示すように、制御棒ガイド８は、複数の燃料棒が正方格子状に配列されて束ねられた正方形燃料集合体の径方向の外周を覆うチャンネルボックスを有している。チャンネルボックスは、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの軸方向長さよりも長い長尺チャンネルボックス３２Ａとして構成されている。このような沸騰水型軽水炉１００は、チムニ効果を向上させて、炉心２の内部の冷却材を上方に誘導し易くすることができる。
【００９９】
（４）図２Ａに示すように、フォロアガイド９は、炉心２の下方で十字型制御棒５のフォロア部５Ｂの側面を支持する十字型制御棒案内管２２と、十字型制御棒案内管２２を下から支持する制御棒案内管支持部２３と、を有している。沸騰水型軽水炉１００は、フォロア部５Ｂの下端が十字型制御棒案内管２２の底部に突き当たる位置までしか、十字型制御棒５を下方に可動することができないように、十字型制御棒５の移動範囲を規定することができる。このような沸騰水型軽水炉１００は、十字型制御棒５を挿入し過ぎることにより、十字型制御棒５が炉心２を突き抜けて、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａが原子炉圧力容器１の底に落下する事故の発生を防止することができる。
【０１００】
（５）図４Ｃ及び図４Ｅに示すように、十字型制御棒５は、上面視で中心部から四方に突出する４つのブレードシース２５を有している。それぞれのブレードシース２５の内部には、複数本の充填管２６が直列に並べて配置されている。それぞれの充填管２６の内部には、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａでは中性子吸収材が充填されているとともに、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂではフォロア材が充填されている。このような沸騰水型軽水炉１００は、製作時において、充填管２６に充填する２種類の物質を使い分けることで、制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとの２つの領域を有する十字型制御棒５を比較的容易に実現することができる。
【０１０１】
以上の通り、本実施形態１に係る沸騰水型軽水炉１００によれば、炉心流量を制御するためのポンプをなくして圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することと、スペクトルシフト運転を良好に行うこととを両立させることができる。
【０１０２】
［実施形態２］
本実施形態２では、制御棒ガイド８の構造を変更した沸騰水型軽水炉１００Ａを提供する。以下、図５及び図６を参照して、本実施形態２に係る沸騰水型軽水炉１００Ａの構成につき説明する。図５は、本実施形態２に係る沸騰水型軽水炉１００Ａの炉心２付近の構成図である。図６は、沸騰水型軽水炉１００Ａの制御棒ガイド８付近の構成図である。
【０１０３】
図５に示すように、本実施形態２に係る沸騰水型軽水炉１００Ａは、実施形態１の沸騰水型軽水炉１００（図２Ａ参照）と比較すると、制御棒ガイド８付近の構成要素として、長尺チャンネルボックス３２Ａの代わりに、一般に標準的に用いられている通常長さのチャンネルボックス３２を用いるとともに、炉心２の上方に複数個の制御棒支持筒１９を設けている点で相違している。
【０１０４】
図６に示すように、沸騰水型軽水炉１００Ａは、炉心２から上方に引き抜かれた状態の十字型制御棒５を支持することができるように、制御棒ガイド８として、複数の制御棒支持筒１９と、制御棒支持筒１９を支持する複数の支持筒位置決めビーム２０と、これらの周囲を覆うチムニ円筒１８と、を有する構造になっている。沸騰水型軽水炉１００Ａは、制御棒支持筒１９にチムニ機能と制御棒支持機能とを持たせている。
【０１０５】
図５に示すように、制御棒支持筒１９は、チャンネルボックス３２の上端から正方形燃料集合体１６の約２倍の高さまでをカバーする筒である。制御棒支持筒１９は、チャンネルボックス３２の上方に配置されている。制御棒支持筒１９は、チムニ円筒１８の内部に、十字型制御棒５の側面を支持するように正方格子状に配置されている。
【０１０６】
支持筒位置決めビーム２０は、チムニ円筒１８の内部に設置された梁部材である。支持筒位置決めビーム２０は、正方格子状に設置されており、制御棒支持筒１９の少なくとも上下端を支持するように複数個所に設置される。
【０１０７】
支持筒位置決めビーム２０の端部は、チムニ円筒１８の内壁に溶接されている。これにより、支持筒位置決めビーム２０は、チムニ円筒１８の内部における位置が固定されている。このような支持筒位置決めビーム２０は、制御棒支持筒１９を安定して支持することができる。
【０１０８】
各支持筒位置決めビーム２０は、他の支持筒位置決めビーム２０と交差するように配置されている。支持筒位置決めビーム２０同士の交差部分は、嵌め合い構造になっており、溶接されている。各支持筒位置決めビーム２０は、十字型制御棒５を安定して支持するために、例えば、制御棒支持筒１９の中ほどの高さの位置に配置されている。
【０１０９】
沸騰水型軽水炉１００Ａは、このような支持筒位置決めビーム２０を有することにより、制御棒支持筒１９間の距離を適切に保持することができる。そして、沸騰水型軽水炉１００Ａは、炉心２から上方に引き抜かれた十字型制御棒５を、制御棒支持筒１９の間隙で支持することができる。
【０１１０】
沸騰水型軽水炉１００Ａでは、運転時に炉心２の内部で発生した気液二相流の大部分は、制御棒支持筒１９の内部を通って重力気水分離空間１３（図１参照）に到達するように、流れる。
【０１１１】
なお、本実施形態２では、炉心２に装荷されている正方形燃料集合体１６の交換は、制御棒ガイド８（制御棒支持筒１９、支持筒位置決めビーム２０、及びチムニ円筒１８）を取り外してから行われる。
【０１１２】
このような本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ａは、実施形態１の沸騰水型軽水炉１００（図２Ａ参照）と同様のチムニ機能を得ることができる。例えば、沸騰水型軽水炉１００Ａは、４メートルの通常長さのチャンネルボックス３２を用いることにより、その倍の８メートルの長さの長尺チャンネルボックス３２Ａを用いなくても良好なチムニ機能を得ることができる。
【０１１３】
また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ａは、一般に標準的に用いられている通常長さのチャンネルボックス３２を用いるため、部品の共通化を図ることができ、製造の容易性を向上させることができる。その結果、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ａは、実施形態１の沸騰水型軽水炉１００（図２Ａ参照）よりも製造コストを低減することができる。
【０１１４】
また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ａは、複数（例えば４つ）のチャンネルボックス３２の上に制御棒支持筒１９を配置することで、チムニ効果と制御棒支持効果とを得ることができる。本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ａは、チャンネルボックス３２の約２倍の大きさの辺長を有する大型の制御棒支持筒１９を用いることにより、制御棒支持効果を得るために必要な鋼材の物量を低減することができる。
【０１１５】
また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ａは、圧力容器の近傍に再循環ポンプや配管等を設置したり、又は、原子炉内蔵型の再循環ポンプ（インターナルポンプ）を圧力容器内（炉心近傍）に設置したりする必要がないため、圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化するができる。また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ａは、十字型制御棒５が制御材充填部５Ａとフォロア部５Ｂとの２つの領域を有しているため、スペクトルシフト運転を良好に行うことができる。したがって、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ａは、実施形態１の沸騰水型軽水炉１００（図２Ａ参照）と同様に、炉心流量を制御するためのポンプをなくして圧力容器周りや炉心近傍の構造を単純化することと、スペクトルシフト運転を良好に行うこととを両立させることができる。
【０１１６】
［実施形態３］
本実施形態３では、実施形態１及び実施形態２の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａに対して、集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）が変更された沸騰水型軽水炉１００Ｂを提供する。以下、図７Ａを参照して、本実施形態３に係る沸騰水型軽水炉１００Ｂの構成につき説明する。図７Ａは、本実施形態３に係る沸騰水型軽水炉１００Ｂの炉心２付近の構成図である。
【０１１７】
図７Ａに示すように、本実施形態３に係る沸騰水型軽水炉１００Ｂは、実施形態１の沸騰水型軽水炉１００（図３参照）と比較すると、制御棒が無い側の集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）２４Ｂが制御棒挿入側の集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）２４Ａよりも狭く（小さく）なっている点で相違している。なお、図７Ａに示すチャンネルボックス間ギャップ構成を有する燃料格子はＤ格子と呼ばれる。
【０１１８】
このような本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｂは、以下の効果を得ることができ、その結果、実施形態１及び実施形態２の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａ以上のスペクトルシフト効果を得ることができる。
【０１１９】
ところで、実施形態１及び実施形態２の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａは、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを炉心２に挿入することで、炉心２の冷却材／燃料体積比を減少させて、燃料の反応度を下げるとともに、ウラン２３８をプルトニウム２３９に転換して燃料経済性を向上させている。
【０１２０】
また、実施形態１及び実施形態２の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａでは、制御棒ガイド８の上下方向の長さに対して、制御棒ガイド８の上端よりも上方に突き出した十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの突出量（突出部分の長さ）がチムニの長さとして加わる。これにより、実施形態１及び実施形態２の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａは、冷却材の自然循環流量を増加させて、チャンネルボックス３２Ａ（又は３２）の内部のボイド率を減少させることで、チャンネルボックス３２Ａ（又は３２）の内部の冷却材量を増加させている。
【０１２１】
また、実施形態１及び実施形態２の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａは、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを挿抜することにより、チャンネルボックス３２Ａ（又は３２）の内部の冷却材量を増加させるように、制御棒挿入側の集合体間ギャップ２４Ａのギャップ水量を制御することができる。しかしながら、制御棒が挿入されない側の集合体間ギャップ２４Ｂの冷却材は、蒸気を含まない未飽和水であるため、ボイド率を変えることができない。したがって、実施形態１及び実施形態２の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａは、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを挿抜するだけでは、制御棒が挿入されない側の集合体間ギャップ２４Ｂのギャップ水量を制御することができない。
【０１２２】
これに対して、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｂは、制御棒が無い側の集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）２４Ｂが制御棒挿入側の集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）２４Ａよりも狭く（小さく）なっているため、制御棒が挿入されない側の集合体間ギャップ２４Ｂのギャップ水量を減少させることができる。このような沸騰水型軽水炉１００Ｂは、制御することができない領域の冷却材量を減少させることができる。
【０１２３】
このことは、例えば、制御することができる領域の冷却材量を「Ｍｃ」とし、制御することができない領域の冷却材量を「Ｍｎｃ」とし、冷却材の全体量（Ｍｃ＋Ｍｎｃ）に占める制御することができる領域の冷却材量の関係が（Ｍｃ／（Ｍｃ＋Ｍｎｃ））の関係にある場合において、分母の「Ｍｎｃ」を低減することで、分母に占める分子の「Ｍｃ」の割合を相対的に増大させることを意味する。
【０１２４】
このような本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｂは、炉心２の中性子スペクトルの制御範囲を増加させることができる。そのため、沸騰水型軽水炉１００Ｂは、実施形態１及び実施形態２の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａよりも、スペクトルシフト効果を増加させることができ、さらに燃料経済性を向上させることができる。
【０１２５】
なお、本実施形態のＤ格子と同程度のスペクトルシフト効果を得る別の方法として、沸騰水型軽水炉１００Ｂは、図７Ｂに示すような炉心構成を用いることもできる。図７Ｂは、変形例に係る沸騰水型軽水炉１００Ｂの炉心２付近の構成図である。図７Ｂに示すチャンネルボックスは、それぞれの正方形燃料集合体１６に対して、４本の十字型制御棒５で全ての側面を覆う形状になっており、制御できない領域の冷却材（Ｍｎｃ）が存在しない。なお、図７Ｂに示すチャンネルボックス間ギャップ構成を有する燃料格子はＫ格子と呼ばれる。
【０１２６】
［実施形態４］
本実施形態４では、他の実施形態１乃至実施形態３の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａ，１００Ｂに対して、十字型制御棒５の構成を変更した沸騰水型軽水炉１００Ｃを提供する。以下、図８を参照して、本実施形態４に係る沸騰水型軽水炉１００Ｃの構成につき説明する。図８は、本実施形態４に係る沸騰水型軽水炉１００Ｃの十字型制御棒５の構成図である。
【０１２７】
図８に示すように、本実施形態４に係る沸騰水型軽水炉１００Ｃは、他の実施形態の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａ，１００Ｂと比較すると、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂの内部構造が異なっている点で相違している。
【０１２８】
図４Ｅに示すように、他の実施形態の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａ，１００Ｂでは、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂは、ブレードシース２５の内部に充填管２６が設けられており、その充填管２６の内部にフォロア材２８が充填された構成になっている。
【０１２９】
これに対して、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃでは、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂは、ブレードシース２５の内部に充填管２６が設けられておらず、ブレードシース２５の内部にフォロア材２８が充填された構成になっている。
【０１３０】
なお、本実施形態において、沸騰水型軽水炉１００Ｃの制御材充填部５Ａの内部構造は、図４Ｃに示すものと同じである。したがって、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃの制御材充填部５Ａは、ブレードシース２５の内部に充填管２６が設けられており、その充填管２６の内部に中性子吸収材２７が充填された構成になっている。
【０１３１】
中性子吸収材２７は、中性子を吸収すると発熱する。そのため、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、制御材充填部５Ａでは、ブレードシース２５の内部（ブレードシース２５と充填管２６との間隙）に冷却材を流すことで、制御材充填部５Ａに充填された中性子吸収材２７を冷却する。
【０１３２】
これに対して、フォロア材２８は、中性子吸収材２７よりも中性子吸収性能の低い材料（中性子との反応断面積が小さい材料）である。このようなフォロア材２８の発生熱量は、中性子吸収材２７の発生熱量よりも小さい。そのため、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、フォロア部５Ｂでは、ブレードシース２５の内部に冷却材を流さなくても、ブレードシース２５の外側を流れる冷却材で、フォロア部５Ｂに充填されたフォロア材２８を十分に冷却することができる。
【０１３３】
そこで、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、フォロア部５Ｂのブレードシース２５の内部にフォロア材２８を隙間なく充填する構造になっている。本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、フォロア部５Ｂのブレードシース２５の内部にフォロア材２８が隙間なく充填されるため、他の実施形態の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａ，１００Ｂと比較すると、ブレードシース２５と充填管２６との間隙を流れる冷却材を排除することができる。このような本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、他の実施形態の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａ，１００Ｂよりも冷却材／燃料体積比をさらに減少させることができ、その結果、より大きなスペクトルシフト効果を得ることができる。
【０１３４】
このような本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、例えば、過酷事故時の水素を吸収する能力を有する酸化銅（ＣｕＯ）をフォロア材２８として用いた場合に、ＣｕＯ装荷量を増加させることで水素処理能力を高めることができる。また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、フォロア部５Ｂのブレードシース２５の内部にフォロア材２８が隙間なく充填されるため、十字型制御棒５の重量を増加させることができる。これにより、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、緊急時の制御棒スクラムにおいて、十字型制御棒５の落下速度を上昇させることができ、十字型制御棒５を効率よく炉心２に挿入することができる。そのため、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｃは、他の実施形態の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａ，１００Ｂよりも安全性を向上させることができる。
【０１３５】
［実施形態５］
本実施形態５では、他の実施形態１乃至実施形態４の沸騰水型軽水炉１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃよりもシュラウド４と燃料棒ガイド８の上下方向長さ（高さ）を長く（高く）した沸騰水型軽水炉１００Ｄを提供する。以下、図９を参照して、本実施形態５に係る沸騰水型軽水炉１００Ｄの構成につき説明する。図９は、本実施形態５に係る沸騰水型軽水炉１００Ｄの全体構成図である。
【０１３６】
図９に示すように、本実施形態に係る沸騰水型軽水炉１００Ｄでは、炉心２の径方向の外側に、円筒形状のシュラウド４が配置されている。本実施形態では、シュラウド４は、炉心２の上端から上方に、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの軸方向長さよりも大きな値で突出するとともに、炉心２の下端から下方に、十字型制御棒５のフォロア部５Ｂの軸方向長さよりも大きな値で突出している。
【０１３７】
また、本実施形態に係る沸騰水型軽水炉１００Ｄでは、燃料棒ガイド８（例えば、チャンネルボックス３２Ａのガイド部１３２Ｂ（図２Ａ参照））は、炉心２の上端から上方に、十字型制御棒５の制御材充填部５Ａの軸方向長さよりも大きな値で突出している。
【０１３８】
図９に示す例では、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｄでは、炉心２の上端よりも上方に突き出したシュラウド４の突出量は、炉心２の軸方向長さの約１．５倍の長さになっている。また、炉心２の上端よりも上方に突き出した燃料棒ガイド８の突出量は、炉心２の軸方向長さの約１．５倍の長さになっている。なお、シュラウド４と燃料棒ガイド８の突出量は、約１．５倍の長さに限定されるものではなく、例えば、炉心２の軸方向長さの約１．０〜２．０倍の長さであってもよい。
【０１３９】
本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｄは、実施形態１の沸騰水型軽水炉１００と同様に、十字型制御棒５を運転サイクル末期時位置３１に配置して、炉心２から十字型制御棒５のフォロア部５Ｂを完全に引き抜くことで、チャンネルボックス３２Ａ間の冷却材量を増加させることができる。
【０１４０】
また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｄは、十字型制御棒５を炉停止時位置２９から運転サイクル末期時位置３１まで引き抜いていくことで、制御棒ガイド８の領域に加えて、制御棒ガイド８の上端よりも上方に突き出した十字型制御棒５の制御材充填部５Ａによって形成される流路が新たなチムニ領域として機能する。そのため、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｄは、冷却材の自然循環流量を増加させて、炉心２のボイド率を減少させることができる。これにより、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｄは、運転サイクル末期の冷却材／燃料体積比を増加させて、良好なスペクトルシフト効果を得ることができる。ただし、冷却材量増加効果はシュラウド４と燃料棒ガイド８の長さが炉心２の軸方向長さの２倍に近づくほど低減する。
【０１４１】
また、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｄは、制御棒ガイド８の長さ（高さ）が炉心２の高さより長いことにより、制御棒ガイド８の上端よりも上方に突き出した十字型制御棒５の突出量を実施形態１の沸騰水型軽水炉１００よりも小さくすることができる。このような本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｄは、制御棒ガイド８によって実施形態１の沸騰水型軽水炉１００よりも広い面積で十字型制御棒５を支持することができる。そのため、本実施形態の沸騰水型軽水炉１００Ｄは、シュラウド４の内部を流れる気液二相流による流動振動から十字型制御棒５を保護することができ、十字型制御棒５の破損リスクを低減することができる。
【０１４２】
本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は、本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【０１４３】
１    原子炉圧力容器
２    炉心
３    原子炉圧力容器内水位
４    シュラウド
５    十字型制御棒
５Ａ    制御材充填部（反応度制御部）
５Ｂ    フォロア部
６    制御棒駆動軸
７    制御棒駆動機構
８    制御棒ガイド
９    フォロアガイド
１０    下部プレナム
１１    ダウンカマ領域
１３    重力気水分離空間
１４    環状ドライヤ
１５    主蒸気ライン
１６    正方形燃料集合体（正方格子配列燃料棒群）
１７    上部格子
１８    チムニ円筒
１９    制御棒支持筒
２０    支持筒位置決めビーム
２２    十字型制御棒案内管
２３    制御棒案内管支持部
２４Ａ    制御棒挿入側の集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）
２４Ｂ    制御棒が無い側の集合体間ギャップ（チャンネルボックス間距離）
２５    ブレードシース
２６    充填管
２７    中性子吸収材
２８    フォロア材
２９    位置（炉停止時位置）
３０    位置（運転サイクル初期時位置）
３１    位置（運転サイクル末期時位置）
３２    チャンネルボックス
３２Ａ    チャンネルボックス（長尺チャンネルボックス）
３３    燃料棒
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ    沸騰水型軽水炉
１３２Ａ    燃料充填部
１３２Ｂ    ガイド部
【図１】
2019082406.tif 000003
【図２Ａ】
2019082406.tif 000004
【図２Ｂ】
2019082406.tif 000005
【図２Ｃ】
2019082406.tif 000006
【図２Ｄ】
2019082406.tif 000007
【図３】
2019082406.tif 000008
【図４Ａ】
2019082406.tif 000009
【図４Ｂ】
2019082406.tif 000010
【図４Ｃ】
2019082406.tif 000011
【図４Ｄ】
2019082406.tif 000012
【図４Ｅ】
2019082406.tif 000013
【図５】
2019082406.tif 000014
【図６】
2019082406.tif 000015
【図７Ａ】
2019082406.tif 000016
【図７Ｂ】
2019082406.tif 000017
【図８】
2019082406.tif 000018
【図９】
2019082406.tif 000019
【図１０】
2019082406.tif 000020