(57)【要約】      （修正有）【課題】沸騰水型原子沸騰水型原子力発電プラントの運転を少ないコントロールセルで適切に実施することにより、燃料の高濃縮度化及び運転期間の長期化に対応できる沸騰水型原子炉炉心及びその構成方法を提供する。【解決手段】コントロールセル構成燃料を反応度、炉内装荷位置及び炉内滞在期間により候補１燃料乃至候補３燃料に分類するステップと、候補１燃料でコントロールセルの構成が可能か否かを判断するステップと、制御棒挿入期間が一定期間以上か否かを判断するステップと、前記候補１燃料でコントロールセルの構成が可能か否かを判断するステップで不可能と判断された場合又は前記制御棒挿入期間が一定期間以上か否かを判断するステップで一定期間以上と判断された場合に余剰反応度パターンに応じて前記候補１燃料乃至候補３燃料からコントロールセルを構成するステップと、により沸騰水型原子炉炉心を構成する。【選択図】図１
2008145286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コントロールセル構成燃料を反応度、炉内装荷位置及び炉内滞在期間により候補１燃料乃至候補３燃料に分類するステップと、候補１燃料でコントロールセルの構成が可能か否かを判断するステップと、制御棒挿入期間が一定期間以上か否かを判断するステップと、前記候補１燃料でコントロールセルの構成が可能か否かを判断するステップで不可能と判断された場合又は前記制御棒挿入期間が一定期間以上か否かを判断するステップで一定期間以上と判断された場合に余剰反応度パターンに応じて前記候補１燃料乃至候補３燃料からコントロールセルを構成するステップと、からなることを特徴とする沸騰水型原子炉炉心の構成方法。
【請求項２】
前記候補１燃料は、反応度が低く今回サイクルの制御棒引き抜き時に炉内滞在月数が規定月数以内で前回サイクル運転時に高出力位置に装荷された燃料であり、前記候補２燃料は、反応度が低く今回サイクルの制御棒引き抜き時に炉内滞在月数が規定月数以内で前回サイクル運転時に低出力位置に装荷された燃料であり、前記候補３燃料は前回サイクル時で新燃料であって今回サイクルの運転初期に反応度は高いが中期以降反応度が低くなる燃料であるとともに今回サイクルの制御棒引き抜き時に炉内滞在月数が規定月数以内の燃料であることを特徴とする請求項１記載の沸騰水型原子炉炉心の構成方法。
【請求項３】
沸騰水型原子炉炉心のコントロールセルの構成燃料を前記請求項１に記載の沸騰水型原子炉炉心の構成方法により構成したことを特徴とする沸騰水型原子炉炉心。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は沸騰水型原子炉炉心及びその構成方法にかかり、特に、燃料の高濃縮度化及び運転期間の長期化に対応できる沸騰水型原子炉炉心及びその構成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子力発電プラントは、制御棒の挿入割合の操作、及び炉心流量の調整により反応度を制御している。ここで制御棒挿入割合の調整は反応度変化に対して段階的に実施され、ある制御棒挿入割合で制御棒が挿入されている間は、炉心流量調整により一定の反応度に維持し運転される。
【０００３】
炉心の熱出力、及び流量が定格状態で制御棒が引抜かれた状態での運転期間に対する反応度変化を余剰反応度と言うが、これは原子炉内に装荷されている燃料により決定される。  原子炉内に装荷されている燃料は、約１年の運転の後に１／４程度の燃料が取替えられるが、取替えた新しい燃料には燃焼性（期間がたつと無くなる）中性子吸収剤が添加されているため、使用開始後、燃焼性中性子吸収材が燃焼するにつれて反応度が増加傾向となり、燃焼性中性子吸収材が無くなると反応度が低下する方向となる。一方、新しい燃料以外は燃焼性中性子吸収材が無くなっており反応度が下がる方向となる。これらの燃料を組み合わせることにより運転期間中の余剰反応度を平坦にすることが可能となるが、約一年間の運転の後半に入ると余剰反応度は減少に転じる。更に燃料のウラン２３５濃縮度が高くなるとこの余剰反応度の絶対値も高くなる。
【０００４】
また、沸騰水型原子力発電プラントで同一位置の制御棒を長期間（約３ヶ月以上）挿入すると、その制御棒廻りの燃料４体からなる単位格子セルの制御棒側の燃料棒が燃え残ること、及び中性子が減速されにくくなりプルトニウムが蓄積しやすくなることから、制御棒を引抜いた時に局所的に出力が上昇する傾向（制御棒履歴効果）となるために燃料の健全性確保のために、一旦、原子炉の出力を低下させ、徐々に出力を上昇していく必要があり発電の損失を招いていた。
【０００５】
このため、従来の技術では、制御棒の挿入位置、すなわち制御棒挿入割合を約３ヶ月に１度入れ替える操作を実施していた。
【０００６】
また、従来の技術では、運転中に主に操作・挿入される制御棒が配置された単位格子セル（コントロールセル）に、炉心に装荷して３〜４サイクル目の燃焼が進んだ燃料を配置している。したがって、制御棒の操作により、局所的に出力が上昇してもコントロールセルの燃料の反応度が低いため、絶対値としての同一燃料長さあたりの燃料棒別に見た出力の最大値（線出力密度）が抑えられる。
【０００７】
このように原子炉の炉心を設計し制御棒操作時の原子炉出力低下量を極力小さくするようにしている。この方法により、約１年のサイクルの運転をコントロールセル位置の制御棒を使用することにより運転効率を向上させている。なお、サイクルとは沸騰水型原子力発電プラントが定期検査を終了し運転を開始してから、次の定期検査に入るために運転を停止するまでの期間をいう。
【０００８】
さらに、コントロールセルを構成する燃料としては、燃料が長期間炉内に滞在すると燃料の材質が劣化するために、前回の運転で出力が比較的高い位置にあり、しかも炉内滞在月数が、当該サイクルにおいて制御棒が引抜かれる時点で、ある規定月数以内である必要があるのに加えて反応度が低下している燃料である必要がある。
【０００９】
一方、最近では、沸騰水型原子力発電所の経済性向上のため、燃料のウラン２３５濃縮度を高めて一回の燃料交換で使用する新燃料の数（バッチ体数）を少なくしたり、または運転期間を長くし設備利用率を高める方向が顕著となってきている。
【００１０】
しかしながら、運転期間が同一な場合、燃料のウラン２３５濃縮度を高めるとバッチ体数が少なくなるのに加えて余剰反応度が高くなり、運転で使用する制御棒の本数も増えることから、コントロールセルに必要な燃料が足りなくなる状況となる。
【００１１】
また、現在の約１年の運転期間を約１年半から２年の長期にすると、制御棒履歴効果による線出力密度の上昇量が大きくなり燃料の健全性を損なう結果となる。
【００１２】
先行技術文献である特許文献１には、沸騰水型原子炉においてコントロールセルに低反応度の燃料集合体を配置した原子炉炉心が示されているが、運転期間の長期化及び高濃縮度燃料を採用した炉心に適用することができないものである。
【特許文献１】特開平７−２０９４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述したように、近年、運転効率の向上のために燃料の高濃縮度化及び運転期間の長期化が求められているが、従来の沸騰水型原子炉炉心の構成では、コントロールセルに配置する燃料の運用が困難であるとともに制御棒履歴効果による局所的出力向上に対処するのが困難なため、燃料の高濃縮度化及び運転期間の長期化に対応できなかった。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、コントロールセルに配置する燃料を適切に運用することにより、燃料の高濃縮度化及び運転期間の長期化に対応できる沸騰水型原子炉炉心及びその構成方法を提供することを目的とする。
【００１５】
また、本発明の他の目的は、沸騰水型原子力発電プラントの運転条件、炉心構成燃料の種別に応じてコントロールセル構成方法を機械的に決定する沸騰水型原子炉炉心及びその構成方法を提供するものである。。
【００１６】
本発明の他の目的は、沸騰水型原子力発電プラントの基本的な反応度である余剰反応度のパターンに応じてコントロールセルを使用した沸騰水型原子炉炉心及びその構成方法を提供するものである。
【００１７】
本発明の他の目的は、前回運転で出力が比較的低い位置に装荷されていた燃料もコントロールセルとして使用できる沸騰水型原子炉炉心及びその構成方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明に係る沸騰水型原子炉炉心の構成方法は、コントロールセル構成燃料を反応度、炉内装荷位置及び炉内滞在期間により候補１燃料乃至候補３燃料に分類するステップと、候補１燃料でコントロールセルの構成が可能か否かを判断するステップと、制御棒挿入期間が一定期間以上か否かを判断するステップと、前記候補１燃料でコントロールセルの構成が可能か否かを判断するステップで不可能と判断された場合又は前記制御棒挿入期間が一定期間以上か否かを判断するステップで一定期間以上と判断された場合に余剰反応度パターンに応じて前記候補１燃料乃至候補３燃料からコントロールセルを構成するステップと、からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明は上記特徴的な構成により、燃料のウラン２３５の高濃縮度化、運転期間長期化に対しても効率の良い運転が可能な沸騰水型原子炉炉心及びその運転方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。  
図１は沸騰水型原子力発電所の原子炉炉心に配置される燃料を装荷サイクル別に記号にして上から見た図である。制御棒を中心に４体の燃料が組み合わさったものを単位格子セル（以下、単に「セル」という。）といい、炉心には複数のセルが配置されている。特に、定格出力運転中に原子炉内に挿入される制御棒があるセルをコントロールセルと呼んでいる。
【００２１】
制御棒が挿入されると燃料集合体の制御棒側の燃料棒が燃え残る事から制御棒を引抜いた時に線出力密度が上昇する。これを抑える為にコントロールセルに装荷される燃料、すなわちコントロールセル燃料は反応度が低下した燃料を使用するが、燃料の材質の関係から、制御棒引抜き時点の炉内滞在月数には約４年以下という制限がある。また、図１の円周状の破線の外側にある燃料は出力が比較的低い位置に装荷されているが、コントロールセル燃料として、前サイクル時にこの出力の低い位置に装荷されている燃料を使用すると、当該燃料はと高い出力を経験していないため、コントロールセル燃料としてはふさわしくない。
【００２２】
以上の考察の下に、今後の沸騰水型原子力発電所における燃料の高濃縮度化及び運転期間の長期化に対応したコントロールセルの構成手順を図２を用いて説明する。
【００２３】
ステップ（１）では、運転開始に先立ち、図１に示すような燃料配置を決定するための取替炉心設計を開始する。この設計でコントロールセル燃料の構成が決定される。
【００２４】
ステップ（２）ではコントロールセルを構成できる燃料の選定を実施し候補を３つに分けている。
【００２５】
候補１燃料は、反応度が低く今回サイクルにおける制御棒引抜き時に炉内滞在期間が規定月数以内で、前回サイクルで高出力位置に、すなわち図１に示す破線の内側に装荷されていた燃料であり、コントロールセルとして最適な燃料である。
【００２６】
候補２燃料は、反応度が低く今回サイクルにおける制御棒引抜き時に炉内滞在月数が規定月数以内だが、前回サイクルで低出力位置に、すなわち図１に示す破線の外側に装荷されていた燃料で高い出力を経験していない燃料である。
【００２７】
候補３燃料は、前回サイクルでは新燃料で、今回サイクルにおける運転の前半では反応度が高いが運転の後半になると反応度が低下し、しかも今回サイクルにおける制御棒引抜き時に規定炉内滞在月数以内の燃料である。
【００２８】
このように燃料を分類する事により、後のコントロールセル設定時に目的に応じたコントロールセル燃料を選択することが可能となる。
【００２９】
ステップ（３）では、運転開始から運転終了までに挿入される制御棒の本数を確認し設定する。これによりコントロールセルが幾つ必要なのかを予め把握する。
【００３０】
ステップ（４）で候補１燃料で制御棒挿入位置のコントロールセルを構成できしかもステップ（５）で運転が約１年（以下、「通常運転」という。）で終了するようであれば従来の技術でコントロールセルを構成可能となり、本発明の適用外となる。
【００３１】
ステップ（４）で候補１燃料でコントロールセル燃料を構成出来ない場合には、ステップ（６）の余剰反応度に応じたコントロールセル燃料構成手順を適用する。
【００３２】
これは原子炉の基本的な反応度である制御棒を挿入しない状態で炉心熱出力及び炉心流量を定格値としたと時の反応度の運転期間に伴う変化である余剰反応度の変化のパターンに応じてコントロールセル燃料の構成を決める手順である。
【００３３】
図３に余剰反応度の変化のパターンが示されている。余剰反応度パターン１は実線で示されるように、運転開始初期から中期にかけて反応度が上昇し末期にかけて低下するパターンである。
【００３４】
余剰反応度パターン２は破線で示されるように運転初期から末期にかけて反応度が単調に低下していくパターンである。
【００３５】
余剰反応度パターン３は一点鎖線で示されるように運転初期から中期にかけてほぼ反応度が一定でその後末期にかけて反応度が低下するパターンである。この余剰反応度パターンは炉心を構成する燃料の種類、及び燃料の滞在期間により変化する
図４は、通常運転時で余剰反応度がパターン１の時のコントロールセル構成図であり、図４（ａ）は、１／４炉心で表した６通りの制御棒パターン図（ＣＲ−１〜ＣＲ−６）、図４（ｂ）は各制御棒パターンの挿入期間を表す運転パターン図、及び図４（ｃ）はコントロールセルを構成する候補燃料の番号が付された炉心構成図である。なお、以下に説明する図５〜図９においても、各（ａ）〜（ｃ）は図４のものと同じなので、詳細な説明は省略する。
【００３６】
図４に示すように、余剰反応度パターン１の時には、運転の初期から末期まで挿入される制御棒位置のコントロールセルを候補１の燃料で構成し、余剰反応度が上昇し追加して挿入する制御棒の位置を候補２の燃料で構成する。これにより候補２燃料は制御棒が挿入される前に制御棒が引抜かれた状態で運転を経験することから高い出力を経験することになり、運転中に候補１の燃料と同一条件となり、コントロールセル構成燃料として最適化することが可能となる。
【００３７】
余剰反応度パターン２の時には、図５に示すように運転の初期から末期まで挿入される制御棒位置のコントロールセルを候補１の燃料で構成し、サイクル初期３ヶ月以内に挿入される制御棒位置のコントロールセルに候補２の燃料を使用する。制御棒挿入期間が３ヶ月以内の場合制御棒履歴効果は小さく、前回運転で高い出力を経験しない燃料であっても燃料の健全性は確保される。
【００３８】
余剰反応度パターン３の時には、図６に示すように運転の初期から末期まで挿入される制御棒位置のコントロールセルを候補１の燃料で構成し、それでもコントロールセルが足りない場合には運転の後半で早い時期に引抜かれる位置のコントロールセルを候補２の燃料で構成するが、この位置のコントロールセルは運転初期１ヶ月は制御棒を挿入せずコントロールセル以外で出力が比較的低い位置の制御棒を挿入する。１ヶ月程度制御棒が入らない状態で候補２燃料に高い出力を経験させることにより、候補２燃料は、候補１燃料と同一条件となり使用可能となることから、運転開始から一ヵ月後にコントロールセル以外の制御棒を引抜き候補２燃料位置のコントロールセル位置に制御棒を挿入し運転をする。  候補２燃料を使用しても制御棒が足りない場合には、合わせて出力が低い位置の制御棒を３ヶ月間隔で交換しながら挿入することにより、燃料の健全性を確保しつつ効率の良い運転が可能となる。
【００３９】
以上から、通常運転期間の運転であれば、上記の余剰反応度変化に応じたコントロールセル設定手順により効率の良い運転が可能である。
【００４０】
上記手順を要約すると次のとおりである。  
まず、沸騰水型原子力発電プラントの炉心構成設計段階でコントロールセル燃料としてに使用可能な反応度が低下していて、制御棒引抜き時に炉内滞在月数を満足している燃料を選択する。その中で前回サイクルで出力が比較的高い位置に装荷されていた燃料を第一候補、出力が低い位置の燃料を第２候補に、運転初期の段階では反応度が高いが中期以降反応度が低下する燃料を第３候補に分類することにより、次の段階のコントロールセル構成の準備を実施する。
【００４１】
次に運転に必要となる制御棒挿入本数を設計段階で確認し、運転期間が通常運転期間でしかもコントロールセル燃料候補１でコントロールセルを構成できるようであれば、その段階でコントロールセル構成を完了する。
【００４２】
コントロールセルを構成出来ない場合には、本発明の手順を使用して、まず余剰反応度を確認しパターンの分類を実施する。運転初期に反応度が増加し末期に低下するパターン１、運転初期から末期にかけて反応度が低下するパターン２、運転初期から中期にかけて反応度がほぼ一定で末期にかけて低下するパターン３の、３つに分類されたパターンから、コントロールセル構成方法を機械的に切り替える。
【００４３】
次にコントロールセル候補１の燃料を使用して出力が高く運転初期から末期にかけて約１年間制御棒が挿入される位置のコントロールセルを構成する。
【００４４】
その次に事前に確認した余剰反応度のパターンに応じて候補２の燃料を使用して足りない分のコントロールセルを制御棒挿入条件を設定し燃料の健全性を確保できる条件で構成する。
【００４５】
更に、コントロールセルの数が足りない場合には、コントロールセル以外のセルで制御棒操作時に原子炉の出力を低下させなくても良い比較的出力が低い位置に挿入期間３ヶ月をめどに制御棒を挿入する。
【００４６】
一方、図２のステップ（５）において、運転期間が例えば１年半から２年と長期の場合（以下、「長期運転」という。）には、制御棒履歴効果の関係から制御棒挿入期間が１年程度に限定される事を考慮してコントロールセル燃料を構成する必要がある。この場合、ステップ（７）で運転期間が長期運転期間の時のコントロールセル燃料構成手順を適用する。
この場合も図３の余剰反応度変化のパターンに応じて設定手順を変更する。
【００４７】
余剰反応度パターン１の時には、図７に示すようにサイクル初期から（運転期間―１年）／２の期間の後に１年間挿入する制御棒位置のコントロールセルを候補１燃料で構成する。この期間の後に挿入する制御棒の位置のコントロールセルを候補２または候補３或いは候補２と３を組み合わせた燃料で構成する。サイクル初期から（運転期間―１年）／２の期間については、コントロールセル以外の制御棒を３ヶ月毎に入替えて使用する。候補３の燃料は本来次回の運転で候補１となる燃料であるが後半の余剰反応度が低下した次期に使用することから、数が少なくて済むと同時に、同一コントロールセルで挿入可能な期間も満足され、運転の効率もサイクル初期に若干損失があるだけで運転をすることが可能となる。
【００４８】
余剰反応度パターン２の時には、図８に示すようにサイクル初期から約１年間挿入される制御棒位置のコントロールセルを候補１の燃料で構成し、後半に挿入される位置のコントロールセルを候補２または候補３或いは候補２と３を組み合わせた燃料で構成する。これにより余剰反応度パターン１と同様な効果が得られる。
【００４９】
余剰反応度パターン３の時には、図９に示すように、サイクル初期から約１年間挿入される制御棒位置のコントロールセルを候補１の燃料を使用して構成する。この期間に候補１の燃料のコントロールセルにおいて、制御棒本数が足りない場合には運転開始から１ヶ月はコントロールセル以外の出力が低い位置の制御棒を使用しその後使用するコントロールセル位置に候補２の燃料を使用してコントロールセルを構成する。それでも制御棒挿入本数が足りない場合にはコントロールセル以外の出力が低い位置の制御棒を３ヶ月毎に挿入位置を変えながら使用する。その後の運転で使用する位置のコントロールセルは候補２または候補３或いは候補２と３を組み合わせた燃料で構成することにより、同様に余剰反応度パターン１と同様な効果が得られる。
【００５０】
以上説明したように、上記コントロールセル構成手順で炉心を構成することにより、沸騰水型原子力発電所の経済性を高めることができ、その結果、燃料のウラン２３５の高濃縮度化、運転期間長期化に対しても効率の良い運転が可能な沸騰水型原子炉炉心及びその構成方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の係る沸騰水型原子炉炉心を示す図。
【図２】本発明に係る沸騰水型原子炉炉心の構成方法を示すフロー図。
【図３】余剰反応度パターン図。
【図４】図４は原子炉運転が通常運転時で余剰反応度パターン１のコントロールセル構成方法を示す図で、（ａ）は制御棒パターン図、（ｂ）は運転パターン図、（ｃ）はコントロールセルを構成する候補燃料の番号が付された炉心構成図。
【図５】図５は原子炉運転が通常運転時で余剰反応度パターン２のコントロールセル構成方法を示す図で、（ａ）は制御棒パターン図、（ｂ）は運転パターン図、（ｃ）はコントロールセルを構成する候補燃料の番号が付された炉心構成図。
【図６】図６は原子炉運転が通常運転時で余剰反応度パターン３のコントロールセル構成方法を示す図で、（ａ）は制御棒パターン図、（ｂ）は運転パターン図、（ｃ）はコントロールセルを構成する候補燃料の番号が付された炉心構成図。
【図７】図７は原子炉運転が長期運転時で余剰反応度パターン１のコントロールセル構成方法を示す図で、（ａ）は制御棒パターン図、（ｂ）は運転パターン図、（ｃ）はコントロールセルを構成する候補燃料の番号が付された炉心構成図。
【図８】図８は原子炉運転が長期運転時で余剰反応度パターン２のコントロールセル構成方法を示す図で、（ａ）は制御棒パターン図、（ｂ）は運転パターン図、（ｃ）はコントロールセルを構成する候補燃料の番号が付された炉心構成図。
【図９】図９は原子炉運転が長期運転時で余剰反応度パターン３のコントロールセル構成方法を示す図で、（ａ）は制御棒パターン図、（ｂ）は運転パターン図、（ｃ）はコントロールセルを構成する候補燃料の番号が付された炉心構成図。
【符号の説明】
【００５２】
１…沸騰水型原子炉炉心、２…コントロールセル。
【図１】
2008145286.tif 000003
【図２】
2008145286.tif 000004
【図３】
2008145286.tif 000005
【図４】
2008145286.tif 000006
【図５】
2008145286.tif 000007
【図６】
2008145286.tif 000008
【図７】
2008145286.tif 000009
【図８】
2008145286.tif 000010
【図９】
2008145286.tif 000011