(57)【要約】【課題】原子炉の炉心出口冷却材エンタルピを平坦化できるようにする。【解決手段】原子炉は、複数の燃料棒１を収容して内部を冷却材が通過するように筒状に構成され互いに平行に格子状に配列された燃料チャンネルボックス２と、燃料チャンネルボックス２の入口側に軸方向に並べられて燃料チャンネルボックス２の冷却材入口部に接続され内部に流動抵抗調節可能な流動抵抗板４を備えて内部を冷却材が通過するように構成された流動抵抗スタック５と、２行２列に配列された４個の燃料チャンネルボックス２にはさまれた空間および４個の流動抵抗スタック５にはさまれた空間に軸方向に移動可能に配置された制御棒６と、を有する炉心ユニットが複数個平行に配列されている。【選択図】図１
2005091292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料棒を収容して内部を冷却材が通過するように筒状に構成され、互いに平行に格子状に配列された複数の燃料チャンネルボックスと、
前記燃料チャンネルボックスそれぞれの入口側に軸方向に並べられて前記燃料チャンネルボックスの冷却材入口部に接続され、内部に流動抵抗調節可能な流動抵抗板を備えて内部を冷却材が通過するように構成された複数の流動抵抗スタックと、
２行２列に配列された４個の前記燃料チャンネルボックスにはさまれた空間および前記４個のチャンネルボックスに接続された４個の前記流動抵抗スタックにはさまれた空間に軸方向に移動可能に配置された制御棒と、
を有する炉心ユニットが複数個平行に配列されていること、を特徴とする原子炉。
【請求項２】
複数の燃料棒を収容して内部を冷却材が通過するように筒状に構成され、互いに平行に格子状に配列された複数の燃料チャンネルボックスと、前記燃料チャンネルボックスそれぞれの入口側に軸方向に並べられて前記燃料チャンネルボックスの冷却材入口部に接続され、内部に流動抵抗板を備えて内部を冷却材が通過するように構成された複数の流動抵抗スタックと、を有する原子炉の運転方法において、
前記燃料チャンネルボックスごとの出力に応じて前記流動抵抗板の枚数および流路面積のうちの少なくとも一方を調整すること、を特徴とする原子炉の運転方法。
【請求項３】
請求項１に記載の原子炉において、前記流動抵抗スタックの流動抵抗を該原子炉の運転中に調整可能なオンライン流動抵抗調整機構をさらに有すること、を特徴とする原子炉。
【請求項４】
複数の燃料棒が平行に配列された燃料集合体を複数体平行に配置した原子炉において、前記燃料集合体に、多段階伸縮可能で内部に減速材を有する減速材ロッドが配置されていること、を特徴とする原子炉。
【請求項５】
請求項１に記載の原子炉において、前記燃料集合体に、多段階伸縮可能で内部に減速材を有する減速材ロッドが配置されていること、を特徴とする原子炉。
【請求項６】
請求項４または５に記載の原子炉の運転方法であって、原子炉停止時に、前記減速材ロッドの長さを燃料集合体ごとに調整すること、を特徴とする原子炉の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の平行な燃料チャンネルを収容する原子炉およびその運転方法に関し、特に、炉心出口での冷却材のエンタルピが平坦化された原子炉およびその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）や超臨界圧水冷却炉（ＳＣＰＲ）（特許文献１参照）に代表される複数の燃料冷却チャンネルを用いた原子炉において、その炉心出口冷却材エンタルピ分布を平坦化することが望まれている。平坦化により、ある最高エンタルピ制約下において、炉心出口エンタルピの平均値が高まり、原子炉の熱力学的性能が高まるためである。炉心出口エンタルピの平坦化を、ピーキング緩和と表現する場合も多い。なお、ＢＷＲの場合は飽和温度運転なので、炉心出口エンタルピは炉心出口クオリティで表現される。ＳＣＰＲの場合は、炉心出口温度で表現される。以降、分かりやすくするため、これらの表現を用いる。
【０００３】
ＳＣＰＲの場合は、ＢＷＲで用いられている方法では不充分であり、かかる要望を実現するための手段は知られていない。  
従来のＢＷＲ炉心では、制御棒案内管の上端が燃料支持金具に接続され、燃料支持金具の上端には４体のチャンネルボックス２の下端が接続される。燃料支持金具は炉心支持板で支持されているが、側面もしくは底面にオリフィスと呼ばれる流路口が具備されている。燃料集合体は、複数の燃料棒と水ロッドなどとそれらの側面を取り囲むチャンネルボックスなどから構成されている。水ロッドは中性子減速能を高めるために用いられている。十字型制御棒は、制御棒案内管内と４体の燃料集合体で囲まれる隙間の間を往復する。すなわち、十字型制御棒は、引抜き時は制御棒案内管の内表面でガイドされ、挿入時には燃料集合体チャンネルボックスの外表面でガイドされる。
【０００４】
このように構成されたＢＷＲ炉心においては、冷却材である水が燃料支持金具のオリフィスから各燃料集合体下端に流れ、チャンネルボックス内を通って、燃料棒を冷却しながら、チャンネルボックスの上端から流れ出ていく。このオリフィスからチャンネルボックス上端までを燃料冷却チャンネルと呼び、その上流側空間を下部プレナム、下流側空間を上部プレナムと呼ぶ。
【０００５】
このような燃料冷却チャンネルでは、各チャンネル出入口の圧損が等しくなるように、チャンネル流量が分配される。燃料集合体の出力は、主に中性子の洩れがないため原子炉中央部ほど高いので、ＢＷＲの場合は、中央部のチャンネル出口部のエンタルピが高く、つまり、クオリティが高くなりがちである。クオリティが高いと流動抵抗も高くなるので、中央部のチャンネル流量は低くなりがちである。チャンネル流量が低くなると、チャンネル出口部のクオリティはより高くなる。結果的に、集合体出力の高い冷却チャンネルの流量は低くて出口クオリティは高く、出力の低いチャンネルの流量は高くて出口クオリティは低い。こうして、チャンネル出口クオリティは平坦ではなく分布を持つ。
【０００６】
このような出口クオリティの不均一を抑えるために、ＢＷＲでは、燃料支持金具に具備されたオリフィスの口径などを数種類用意することで、冷却チャンネルの流動抵抗を調整している。すなわち、出力の低い燃料集合体のある冷却チャンネルでは、オリフィスを絞ることで、その部分の流動抵抗を高める。すると、そのチャンネルの圧損が高くならないようにチャンネル流量が減る。相対的に、出力の高い燃料集合体のある冷却チャンネルの流量が増加する。
【０００７】
さらに、燃料集合体の出力を平坦化させるために、ＢＷＲでは燃料シャッフリングなどの方策が用いられている。すなわち、基本的に新しい燃料集合体ほど炉心周辺部に配置し、燃焼の進んだ燃料集合体ほど中央部に移動させている。同じ条件ならば、新しい燃料ほど、核分裂反応が起こりやすいので出力が高く、燃焼の進んだ燃料ほど出力が低いためである。
【特許文献１】特開２００２−３１６９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の従来のＢＷＲにおいては、燃料支持金具のオリフィス口径などの調整により炉心出口冷却材エンタルピ平坦化を行なっているが、空間的に調整幅が限定され、さらなる平坦化の上で制約となる場合がある。また、１体の燃料支持金具には４体の燃料集合体が接続されているので、燃料集合体１体ごとの炉心出口冷却材エンタルピ平坦化のきめ細かさの点で不利である。また、原子炉では運転中に集合体出力分布が変化するので、運転初期に平坦化しても、運転中に悪化する場合があり、時間的な面で不利である。
【０００９】
ＳＣＰＲの場合は、ＢＷＲで用いられている方法では不充分であり、かかる要望を実現するための手段は知られていない。  
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、炉心出口冷却材エンタルピを平坦化できる原子炉およびその運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、複数の燃料棒を収容して内部を冷却材が通過するように筒状に構成され、互いに平行に格子状に配列された複数の燃料チャンネルボックスと、前記燃料チャンネルボックスそれぞれの入口側に軸方向に並べられて前記燃料チャンネルボックスの冷却材入口部に接続され、内部に流動抵抗調節可能な流動抵抗板を備えて内部を冷却材が通過するように構成された複数の流動抵抗スタックと、２行２列に配列された４個の前記燃料チャンネルボックスにはさまれた空間および前記４個のチャンネルボックスに接続された４個の前記流動抵抗スタックにはさまれた空間に軸方向に移動可能に配置された制御棒と、を有する炉心ユニットが複数個平行に配列されていること、を特徴とする原子炉である。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、複数の燃料棒を収容して内部を冷却材が通過するように筒状に構成され、互いに平行に格子状に配列された複数の燃料チャンネルボックスと、前記燃料チャンネルボックスそれぞれの入口側に軸方向に並べられて前記燃料チャンネルボックスの冷却材入口部に接続され、内部に流動抵抗板を備えて内部を冷却材が通過するように構成された複数の流動抵抗スタックと、を有する原子炉の運転方法において、前記燃料チャンネルボックスごとの出力に応じて前記流動抵抗板の枚数および流路面積のうちの少なくとも一方を調整すること、を特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、複数の燃料棒が平行に配列された燃料集合体を複数体平行に配置した原子炉において、前記燃料集合体に、多段階伸縮可能で内部に減速材を有する減速材ロッドが配置されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、流動抵抗スタックにより燃料冷却チャンネルの流動抵抗を調整でき、炉心出口エンタルピを平坦化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る原子炉およびその運転方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここに示す原子炉は、複数の燃料冷却チャンネルを有し、超臨界圧水が冷却材として燃料冷却チャンネルを上から下に流れ、水ロッド内の超臨界圧水が減速材として機能するタイプのものである。また、４体のチャンネルボックスで囲まれる空間を、十字型制御棒が往復する。
【００１５】
まず、図１において第１の実施の形態を説明する。本実施の形態は、燃料棒１などを含有する複数の燃料チャンネルボックス２と、その冷却材入口部３で、燃料チャンネルボックス２と１対１に接続され、内部に流動抵抗板４を備えた流動抵抗スタック５とから構成される。また、２行２列に配置した４体のチャンネルボックス２と対応する４体の流動抵抗スタック５とからなる炉心ユニットの中央部に形成される空間に、制御棒６が上下方向に往復する。
【００１６】
チャンネルボックス２の冷却材入口端と流動抵抗スタック５の出口端は、水平断面形状を合わせて、冷却水が漏れ出ない構造を持つ。あるいは、流路アダプター７により接続されている。流動抵抗スタック５の内側には、流路面積９を絞った流動抵抗板４が単段、もしくは複数段配置される。流動スタック５の長さは、燃料集合体長と同等である十字型制御棒長なみで、多くの場合、数メートルである。
【００１７】
このような構成においては、流動抵抗スタック５内の冷却材には、伝熱がないので温度変化しないので冷却材物性値もほぼ一定である。したがって、物性値の変化を考慮する必要がないので、所定の流動抵抗を得るように設計する上で有利であり、かつ空間余裕が大きいので段数を工夫でき、設計できる流動抵抗範囲が広い。  
また、流動抵抗スタック５は燃料チャンネルボックス２に１対１に接続されるので、冷却チャンネルの流動抵抗の調整のきめが細かくなる。
【００１８】
また、流動抵抗スタック５は数メートルもあるので、図１に示されるように空間的にその内部に流動抵抗板４を複数段設けるのが容易である。よって、この流動抵抗が、チャンネルボックス２内の流動抵抗より大きく、燃料冷却チャンネル圧損の主因子となるようにするなど、所定の流動抵抗を得るように設計しやすい。したがって、所定の流動抵抗を得るように設計する上で有利であり、設計できる流動抵抗範囲が広い。
【００１９】
なお、図１の例では流動抵抗スタック５に２段の流動抵抗板４を配置した場合の例を示しており、図２の例では、流動抵抗スタック５に３段の流動抵抗板４を配置した場合の例を示している。
【００２０】
流動スタック５の長さは、燃料集合体長と同等である十字型制御棒長なみなので、その外表面が十字型制御棒６の案内機能を果たすことができる。  
炉心出口エンタルピを平坦化するために、各流動抵抗スタック５内の流動抵抗板４で形成される流路面積と段数を調整することができる。従来ＢＷＲにおいて燃料支持金具のオリフィスで行なっていた平坦化方法に替わる方法である。
【００２１】
背景技術の説明で述べたように、複数の燃料冷却チャンネル２から構成される原子炉炉心の場合、燃料集合体の出力が分布を持つ。冷却材出口エンタルピを平坦化するためには、高出力チャンネルには流量を多くし、低出力のチャンネルには流量を少なく配分する必要がある。そのためには、高出力チャンネルの流動抵抗を小さくし、低出力チャンネルの流動抵抗を高める必要がある。
【００２２】
そこで、流動抵抗スタック５の流動抵抗を調整するのが望ましい。すなわち、高出力チャンネルでは流動抵抗スタックの流動抵抗を低くし、低出力チャンネルでは流動抵抗スタックの流動抵抗を高める。  
このような構成によれば、冷却材チャンネル出口のエンタルピ分布の平坦化の度合いを高めることができ、きめ細かく調整できる。
【００２３】
図３において第２の実施の形態を説明する。本実施の形態では、流動抵抗スタック５内にオンライン流動抵抗調整機構２０を設ける。このオンライン流動抵抗調整機構２０は、主に駆動軸１０と支持板１１と多段の流動抵抗板４と駆動系統１２で構成されている。駆動軸１０が貫通しているかどうかにより、各流動抵抗板４の流路面積が異なる。よって、駆動軸１０が流路を狭めている流動抵抗板４の流動抵抗は高くなり、その流動抵抗板４の段数により流動抵抗スタック５の総流動抵抗が調整される。駆動系１２は原子炉容器の外側もしくは内側に設置され、電気もしくは水圧により駆動軸１０を上下に動かす。例えば、通常のＢＷＲで用いられている制御棒駆動機構と同様な機構も考えられる。
【００２４】
このようなオンライン流動抵抗調整機構２０を用いれば、原子炉運転中でも流動抵抗スタック５の流動抵抗を調整することができる。燃料集合体の出力分布は運転中に変化するので、その変化に合わせて流動抵抗も調整できるので、時間的にもより細かく、冷却材出口エンタルピの平坦化が可能になる。
【００２５】
図４において第３の実施の形態を説明する。本実施の形態は、燃料集合体の中に多段階伸縮可能減速材ロッド１３を用いた原子炉である。多段階伸縮可能減速材ロッド１３は、水を減速材として用いる場合には、図４に示すような、同軸上の複数の筒からなり、筒内側は水で満たされる。図４では水平断面がほぼ正方形の円筒の例を示しているが、形状は原子炉設計にしたがって、円筒など、種々の筒形状がありうる。各筒は、上下端部にジョイント構造を持ち、重なり合う筒同士の軸方向の位置を決める。このような構造としては、ラジオのロッドアンテナが知られている。
【００２６】
このような構成の原子炉においては、燃料集合体ごとに、減速材の効果（減速能）を調整することが可能である。すなわち、多段階伸縮可能減速材ロッド１３を短くした燃料集合体では、実効的な減速材の体積が小さくなるので、減速能が低い。逆に、多段階伸縮可能減速材ロッド１３を長くした燃料集合体では減速能が高い。また、燃料シャッフリングの結果、燃料集合体の炉心での位置が変更された場合に、多段階伸縮可能減速材ロッド１３の長さを変えることで、異なる条件でも減速能を好適なものにすることができる。
【００２７】
なお、ＳＣＰＲのよう炉心冷却材下降流タイプの原子炉では特に、多段階伸縮可能減速材ロッド１３による減速能調整効果が高い。減速能は、ほぼ水の密度に比例するが、燃料集合体の冷却材出口側に近づくほど、冷却水の温度が上がり、密度が低くなるので減速能が落ちる。ＳＣＰＲの場合は、それが炉心下部なので、短い水ロッドでも水密度の回復に効果がある。反対に、炉心冷却材上昇流の場合は、炉心下部は低温領域なので、もともと冷却水の密度が高い。よって、短い水ロッドを用いた場合に、水密度の回復の効果が少ない。
【００２８】
図５は、図４の多段階伸縮可能減速材ロッド１３を燃料集合体に配置した例を示す。燃料集合体ごとに多段階伸縮可能減速材ロッド１３の長さを変えることで、炉心出口冷却材エンタルピの平坦化を行なうことができる。
【００２９】
この方法を用いると、多段階伸縮可能減速材ロッド１３を短くした燃料集合体では減速能が低いので、核分裂が起こりにくくなり、出力が下がる。長くした燃料集合体では出力が上がる。よって、炉心中央部のように出力が高くなりがちな燃料集合体では多段階伸縮可能減速材ロッドを短くし、周辺部では長くすることで、燃料集合体の出力分布を平坦化できる。その結果、炉心出口冷却材エンタルピも平坦化される。
【００３０】
さらに、燃料シャッフリング時において、例えば、今まで周辺部で用いていた燃料集合体を炉心中央部で用いる際には、多段階伸縮可能減速材ロッド１３の長さを変えることで、シャッフリング後も炉心出口冷却材エンタルピを平坦化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る原子炉の第１の実施の形態の燃料チャンネルボックスおよび流動抵抗スタック付近を模式的に示す斜視図。
【図２】本発明に係る原子炉の第１の実施の形態の流動抵抗スタックの変形例を模式的に示す斜視図。
【図３】本発明に係る原子炉の第２の実施の形態の流動抵抗スタック付近を模式的に示す斜視図。
【図４】本発明に係る原子炉の第３の実施の形態の多段階伸縮可能減速材ロッドを模式的に示す斜視図。
【図５】図４の多段階伸縮可能減速材ロッドを用いた炉心を模式的に示す斜視図であって、（ａ）は低出力チャンネルを示す図、（ｂ）は高出力チャンネルを示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１…燃料棒、２…チャンネルボックス、３…冷却材入口部、４…流動抵抗板、５…流動抵抗スタック、６…制御棒、７…流路アダプター、８…制御棒駆動軸、９…流動抵抗板の流路、１０…駆動軸、１１…支持板、１２…駆動系統、１３…多段階伸縮可能減速材ロッド、２０…オンライン流動抵抗調整機構。
【図１】
2005091292.tif 000003
【図２】
2005091292.tif 000004
【図３】
2005091292.tif 000005
【図４】
2005091292.tif 000006
【図５】
2005091292.tif 000007