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発明の名称 超臨界圧水冷却原子炉および超臨界圧水冷却燃料集合体
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−198997(P2007−198997A)
公開日 平成19年8月9日(2007.8.9)
出願番号 特願2006−20146(P2006−20146)
出願日 平成18年1月30日(2006.1.30)
代理人 【識別番号】100103333
【弁理士】
【氏名又は名称】菊池 治
発明者 大川 雅弘 / 師岡 慎一 / 桜井 俊吾
要約 課題
炉心出口での蒸気温度の低下を起こさずに、熱中性子型の超臨界圧水冷却炉の炉心に必要な減速能を確保する。

解決手段
水ロッド6および複数の燃料棒3と、それらの側面を囲むチャンネルボックス1とを備えた燃料集合体30を複数体配列し、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、チャンネルボックス1の外側と、チャンネルボックス1の内側で水ロッド6の外側の領域に上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却原子炉である。燃料棒3の上部高さ位置でチャンネルボックス1の外側から水ロッド6内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路16が設けられ、燃料棒2の下部高さ位置で水ロッド6内の冷却材をチャンネルボックス1内で水ロッド6外に流出させるように水ロッド6の壁に減速材流出孔13が設けられ、水ロッド6内の減速材が下向きに流れる。
特許請求の範囲
【請求項1】
ほぼ鉛直方向に互いに平行に延びる少なくとも1本の水ロッドおよび複数の燃料棒と、それらの水ロッドおよび複数の燃料棒の側面を囲むチャンネルボックスとを備えた燃料集合体を複数体配列し、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、前記チャンネルボックスの外側のバイパス領域と、前記チャンネルボックスの内側で前記水ロッドの外側の領域とに上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却原子炉において、
前記燃料棒の上方の高さ位置で前記チャンネルボックスの外側から前記水ロッド内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路が設けられ、
前記燃料棒の下部高さ位置で前記水ロッド内の減速材を前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外の領域に流出させるように前記水ロッドの壁に減速材流出孔が設けられ、
前記水ロッド内の減速材が下向きに流れるように構成されていること、
を特徴とする超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項2】
前記減速材流出孔は、前記複数の燃料棒の間の位置に対向するように配置されていることを特徴とする請求項1に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項3】
前記減速材流出孔は、前記チャンネルボックス内で水ロッド外の領域の冷却材に旋回流を生じさせるように配置されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項4】
前記水ロッド減速材供給路は、前記水ロッドに向かって下がるように傾斜していることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項5】
前記水ロッド減速材供給路は前記水ロッドの上端の内側につながっており、前記水ロッドの上端の内面が前記水ロッドの中央に向かって下がるように傾斜していることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項6】
前記水ロッド減速材供給路および前記水ロッドの上部の内面の少なくとも一部に断熱材が配置されていることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項7】
前記水ロッドは、内管とこの内管の外側に配置された外管とを有し、前記内管と外管の間に環状の真空空間が形成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項8】
前記燃料集合体は、オリフィスを具備する燃料支持金具で支持され、このオリフィスを通過した冷却材の少なくとも一部が前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外の領域の下部に流入するように構成されていること、を特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の超臨界圧水冷却原子炉。
【請求項9】
ほぼ鉛直方向に互いに平行に延びる少なくとも1本の水ロッドおよび複数の燃料棒と、それらの水ロッドおよび複数の燃料棒の側面を囲むチャンネルボックスとを備えた燃料集合体であって、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、前記チャンネルボックスの外側のバイパス領域と、前記チャンネルボックスの内側で前記水ロッドの外側の領域とに上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却燃料集合体において、
前記燃料棒の上方の高さ位置で前記チャンネルボックスの外側から前記水ロッド内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路が設けられ、
前記燃料棒の下部高さ位置で前記水ロッド内の減速材を前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外に流出させるように前記水ロッドの壁に減速材流出孔が設けられ、
前記水ロッド内の減速材が下向きに流れるように構成されていること、
を特徴とする超臨界圧水冷却燃料集合体。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
この発明は、超臨界圧水を冷却材および減速材として利用する原子炉(超臨界圧水冷却炉)および、この原子炉内に装荷される燃料集合体に関する。
【背景技術】
【0002】
超臨界圧水冷却炉は、超臨界圧の蒸気を用いてタービンを駆動する原子炉である(特許文献1、2参照)。水は臨界圧(22.1MPa)を越えると水と蒸気の区別がなくなり、温度の上昇によって水の特徴を持った流体から、蒸気の特徴を持った流体(ここでは、蒸気と呼ぶ)へと連続的に変化する。図9は、24MPa(超臨界圧)における水の密度、および定圧比熱の変化を示している。定圧比熱がピークを持つ温度を擬臨界温度と呼ぶ。密度はこの温度を境に急激に変化する。このような超臨界圧水の特徴を生かし、超臨界圧水冷却炉では、貫流型直接サイクルのプラント構成を実現できる。すなわち、給水ポンプによって原子炉に供給された超臨界圧水は炉心の燃料によって加熱され、水と蒸気の区別がないためその全量が蒸気へと変化する。この蒸気はタービンへと導かれ、タービンを駆動し、発電機を回して発電を行なう。高温高圧の超臨界圧水を用いるため、従来の軽水炉と比べて熱効率を向上させることができる。たとえば、従来軽水炉の熱効率35%程度が、45%程度へ向上することが期待される。
【特許文献1】特開2005−91291号公報
【特許文献2】特開2003−139881号公報
【特許文献3】特開平8−285978号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
従来考えられている超臨界圧水冷却炉では以下の課題がある。すなわち、熱中性子炉として設計した場合の減速能力の確保である。
【0004】
単純な燃料集合体を用いた超臨界圧水冷却炉では、冷却材は、炉心支持金具の下部に設けられた炉心入口オリフィスを通って燃料集合体下部へ導かれ、下部タイプレートに設けられた冷却材流入孔を通り、燃料棒を冷却しながら次第に全量が蒸気へと変化して、上部タイプレートに設けられた冷却材流出孔から流出する。
【0005】
図10にABWR(改良型沸騰水型原子炉)と単純な燃料集合体を用いた超臨界圧水冷却炉における炉心入口、炉心中央、炉心出口の水の平均密度の変化を示す。ABWRでは、炉心出口は水と蒸気の二相流となっているため、水密度の低下は少なく、十分な減速能を確保できる。これに対して超臨界圧水冷却炉では、冷却材の全量が蒸気へと変化するため、炉心出口では水密度は著しく低下し、必要な減速能を確保することが困難になる。
【0006】
この課題に対応するため、たとえばBWR(沸騰水型原子炉)で採用されている水ロッドを用いることが考えられる。この場合、燃料集合体中央に水ロッドが配置されている。水ロッドの下部に設けられた減速材流入孔から水が水ロッド内部に入り、水ロッド内を水の状態のまま通り抜け、上部に設けられた減速材流出孔から流出する。水ロッドの中の水が減速能を補い、十分な減速能を確保することができる。
【0007】
この構造では、水ロッドから流出した温度の低い水が燃料集合体上部で蒸気と混合し、蒸気のエンタルピを低下させる。飽和蒸気を用いるBWRでは蒸気の一部が凝縮し水(液体)に戻るが、気水分離器および蒸気乾燥機によって気体と液体が分離され、気体のみが蒸気タービンへ送られる。
【0008】
ところが、気液の区別のない水を用いる超臨界圧冷却炉では、このような構造の水ロッドを採用した場合は蒸気の温度が下がり、超臨界圧水冷却炉の特徴である熱効率の向上が抑制されてしまう。また、燃料の発熱量を増加することで蒸気温度を高め、水ロッドから流出した水と混合させても所望の熱効率を得るようにするという考えもあるが、蒸気の温度上昇は燃料棒の表面温度の上昇をもたらし、燃料棒健全性に対する熱的な余裕を減少させる。
【0009】
なお、BWRやABWRでは、チャンネルボックスの外側のバイパス領域には液体の水が流れている(特許文献3参照)。
【0010】
以上の課題を踏まえて、本発明の目的は、炉心出口での蒸気温度の低下を起こさずに熱中性子型の超臨界圧水冷却炉の炉心に必要な減速能を確保することが可能な超臨界圧水冷却炉燃料および炉心を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記課題を解決するために、本発明に係る超臨界圧水冷却原子炉は、ほぼ鉛直方向に互いに平行に延びる少なくとも1本の水ロッドおよび複数の燃料棒と、それらの水ロッドおよび複数の燃料棒の側面を囲むチャンネルボックスとを備えた燃料集合体を複数体配列し、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、前記チャンネルボックスの外側のバイパス領域と、前記チャンネルボックスの内側で前記水ロッドの外側の領域とに上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却原子炉において、前記燃料棒の上方の高さ位置で前記チャンネルボックスの外側から前記水ロッド内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路が設けられ、前記燃料棒の下部高さ位置で前記水ロッド内の減速材を前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外の領域に流出させるように前記水ロッドの壁に減速材流出孔が設けられ、前記水ロッド内の減速材が下向きに流れるように構成されていること、を特徴とする。
【0012】
また、本発明に係る超臨界圧水冷却燃料集合体は、ほぼ鉛直方向に互いに平行に延びる少なくとも1本の水ロッドおよび複数の燃料棒と、それらの水ロッドおよび複数の燃料棒の側面を囲むチャンネルボックスとを備えた燃料集合体であって、超臨界圧水を減速材および冷却材として使用し、前記チャンネルボックスの外側のバイパス領域と、前記チャンネルボックスの内側で前記水ロッドの外側の領域とに上向きに冷却材が流れるように構成された超臨界圧水冷却燃料集合体において、前記燃料棒の上方の高さ位置で前記チャンネルボックスの外側から前記水ロッド内に減速材を供給する水ロッド減速材供給路が設けられ、前記燃料棒の下部高さ位置で前記水ロッド内の減速材を前記チャンネルボックス内で前記水ロッド外に流出させるように前記水ロッドの壁に減速材流出孔が設けられ、前記水ロッド内の減速材が下向きに流れるように構成されていること、を特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明によれば、炉心出口での蒸気温度の低下を起こさずに、熱中性子型の超臨界圧水冷却炉の炉心に必要な減速能を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0014】
以下に、本発明の実施の形態を図1から図8を参照して説明する。
【0015】
[第1の実施形態]
図1は本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第1の実施形態の燃料集合体付近を示す縦断面図、図2は図1のA−A線水平断面図、図3は図1のB−B線水平断面図、図4は図1の燃料集合体の上端付近を示す斜視図である。
【0016】
この超臨界圧水冷却炉には多数の燃料集合体30が水平方向に配列されているが、図1ではこのうちの2体を示している。燃料集合体30は、たとえば4体ずつが燃料支持金具7に支持されている。燃料支持金具7は多数あって、これらは水平方向に延びる炉心支持板8を貫通して炉心支持板8に支持されている。燃料支持金具7の下方には制御棒案内管9が配置され、図示しない制御棒が、制御棒案内管9内を上下方向に駆動され、さらに、互いに隣接する燃料集合体30の間のバイパス領域31を上下方向に駆動されるようになっている。
【0017】
燃料集合体30では、上下に延びる多数の燃料棒2が正方格子状に配列され、これらの燃料棒2に囲まれた中央に水ロッド6が配置されている。水ロッド6は図示の例では断面がほぼ正方形の角筒状であるが、円筒状など、他の形状であってもよい。燃料棒2および水ロッド6は上端付近で上部タイプレート4によって結合され、下端では下部タイプレート5によって結合されている。さらに、上部タイプレート4と下部タイプレート5の間にスペーサー3が配置されている。燃料棒2の配列の側部を囲むようにたとえば角筒状のチャンネルボックス1が配置されている。下部タイプレート5には、燃料棒2の周囲に冷却材を導入するための多数の冷却材流入孔12が設けられている。また、上部タイプレート4には、燃料棒2の周囲を通った冷却材を取り出すための多数の冷却材流出孔14が設けられている。
【0018】
炉心支持金具7の下部にはオリフィス10が設けられている。冷却材は、オリフィス10を通じて下部タイプレート5の下部に導入され、さらに、冷却材流入孔12を通じて燃料棒2周辺に送られるように構成されている。
【0019】
炉心支持板8には炉心支持板冷却材通過孔15が設けられ、ここを通じて冷却材が燃料集合体30の外側のバイパス領域31を上昇できるように構成されている。
【0020】
チャンネルボックス1の上端は上部タイプレート4よりも上方に延びており、上部タイプレート4よりも上方に減速材流入孔11が形成されている。水ロッド6は上部タイプレート4よりも上方にまで延びており、その上端は閉じており、その上端の側面で、水ロッド減速材供給配管(水ロッド減速材供給路)16を通じて減速材流入孔11に連絡している。
【0021】
水ロッド6の下端は閉じており、その側面には、下部タイプレート5の上方で燃料棒2の配列に向かって開口する減速材流出孔13が設けられている。減速材流出孔13は、好ましくは、互いに隣接する燃料棒2同士の間の位置に向かうように設けられている。
【0022】
上記構成において、冷却材であり減速材でもある水は、炉心支持金具7の下部に設けられた炉心入口オリフィス10と炉心支持板冷却材通過孔15に分かれて流れる。炉心入口オリフィス10を通った水は、燃料集合体30の下部へ導かれ、下部タイプレート5に設けられた冷却材流入孔12を通って燃料棒2を直接冷却する流れとなる。
【0023】
一方、炉心支持板冷却材通過孔15を通った水は、燃料集合体30の上部に設けられた減速材流入孔11から入って、水ロッド減速材供給配管16を経由して水ロッド6へと流入する。水ロッド6に流入した水は下向きに流れ、減速材流出孔13から流れ出て、燃料棒2の下部で冷却材流入孔12を通った水と混合して、燃料棒2の冷却に寄与する。水ロッド6を通過した水が燃料棒2の下部で、残りの水と混合するため、蒸気の温度が低下することはなく、必要な減速能を確保することができる。
【0024】
減速材流出孔13が、互いに隣接する燃料棒2同士の間の位置に向かうように設けられている場合は、燃料棒2間の冷却材チャンネルへの冷却材の供給をスムースに行なうことができる。
【0025】
[第2の実施形態]
図5は、本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第2の実施形態の燃料集合体の下部を示す水平断面図である。ここで、第1の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【0026】
減速材流出孔13の存在する横断面(水平断面)において、減速材流出孔13の位置および/または向きを、中心線(対称な位置および/または向き)からずれた位置および/または向きとする。これにより、減速材流出孔13を出た水の流れと冷却材流入孔12から流入する水とで燃料集合体内に旋回流を生じさせ、燃料棒2の冷却を促進させることができる。
【0027】
[第3の実施形態]
図6は、本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第3の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図である。ここで、第1の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【0028】
この実施形態では、水ロッド減速材供給配管16が、水ロッド6に向かうにつれ下向きになるような傾斜を持っている。これにより、水ロッド6の内部に溜まった水素などの非凝縮性ガスをベントすることができる。
【0029】
[第4の実施形態]
図7は、本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第4の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図である。この実施形態は第3の実施形態(図6)の変形例である。ここで、第3の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【0030】
この実施形態では、水ロッド6の上面内側に、中央が下方に向かって突出した整流板17を設ける。これにより、水ロッド6内部の水の流れをスムースに下方に向け、流路の圧損の変動を抑制することができる。
【0031】
[第5の実施形態]
図8は、本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第5の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図である。この実施形態は第3の実施形態(図6)または第4の実施形態(図7)の変形例である。ここで、第3または第4の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。
【0032】
この実施形態では、水ロッド6と水ロッド減速材供給配管16の上面と側面および下面に断熱材18を配置させる。これにより、水ロッド6の上部近傍に存在する蒸気と水ロッド6および水ロッド減速材供給配管16の中の水とが熱交換をする量を極力低減し、比較的温度の低い、すなわち密度の大きな水を水ロッド6に供給することができる。
【0033】
[第6の実施形態]
第6の実施形態では、上記実施形態のいずれかにおいて、水ロッド6を、内管と、内管を囲む外管とからなる2重構造とし、内管と外管の間の環状空間を真空に保つ。これにより、水ロッド6内の水と水ロッド6外の水と間の熱交換量を極力低減させることができる。これにより、比較的温度の低い、すなわち密度の大きな水を、水ロッド6に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第1の実施形態の燃料集合体付近を示す縦断面図。
【図2】図1のA−A線水平断面図。
【図3】図1のB−B線水平断面図。
【図4】図1の燃料集合体の上端付近を示す斜視図。
【図5】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第2の実施形態の燃料集合体の下部を示す水平断面図。
【図6】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第3の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図。
【図7】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第4の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図。
【図8】本発明に係る超臨界圧水冷却炉の第5の実施形態の燃料集合体の上部の水ロッド減速材流路を模式的に示す縦断面図。
【図9】超臨界圧水の物性値変化を示すグラフ。
【図10】ABWRおよび超臨界圧水冷却炉の冷却材密度の縦方向分布を示すグラフ。
【符号の説明】
【0035】
1…チャンネルボックス
2…燃料棒
3…スペーサー
4…上部タイプレート
5…下部タイプレート
6…水ロッド
7…燃料支持金具
8…炉心支持板
9…制御棒案内管
10…炉心入口オリフィス
11…減速材流入孔
12…冷却材流入孔
13…減速材流出孔
14…冷却材流出孔
15…炉心支持板冷却材通過孔
16…水ロッド減速材供給配管(水ロッド減速材供給路)
17…整流板
18…断熱材




 

 


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