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発明の名称 自然循環式沸騰水型原子炉
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2007−232505(P2007−232505A)
公開日 平成19年9月13日(2007.9.13)
出願番号 特願2006−53088(P2006−53088)
出願日 平成18年2月28日(2006.2.28)
代理人 【識別番号】100064414
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造
発明者 石井 一弥 / 青山 肇男 / 日野 哲士
要約 課題
炉心出力分布の平坦化を図るとともに、熱的余裕を増大することが可能な自然循環式沸騰水型原子炉を提供する。

解決手段
炉心7の最も外側1層を最外層領域61、最外層領域61の内側に設けられた2〜3層を外側領域62、その他の内側領域63、の3領域に分割したとき、最外層領域61への燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量が最も少なく、外側領域62への燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量が最も多くなるように、最外層領域61のオリフィス圧損係数を最大に、外側領域62のオリフィス圧損係数を最小に設定したことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
特許請求の範囲
【請求項1】
炉心に複数の燃料集合体を格子状に装荷し、
前記燃料集合体が載置され、冷却材が前記燃料集合体に流入するための流路を有する燃料支持金具に、
前記流路の冷却材の流量を調整するオリフィス、を備えた自然循環式沸騰水型原子炉であって、
前記炉心の炉心平面における前記燃料集合体の配置を、最外層の第01領域と、前記第01領域の内側に設けられた第02領域と、前記第02領域の内側に設けられた第03領域と、に略同心円状に分割し、
前記第02領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第03領域の前記オリフィスの圧損係数よりも小さく設定し、かつ、前記第01領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第02領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項2】
前記第01領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第03領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする請求項1に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項3】
前記燃料支持金具は、装荷される前記複数の燃料集合体と同数であり、前記オリフィスは、前記燃料支持金具に設けられていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項4】
炉心に複数の燃料集合体を格子状に装荷し、
前記燃料集合体が載置され、冷却材が前記燃料集合体に流入するための流路を有する燃料支持金具に、
前記流路の冷却材の流量を調整するオリフィス、を備えた自然循環式沸騰水型原子炉であって、
前記炉心の炉心平面における前記燃料集合体の配置を、最外層の第11領域と、前記第11領域の内側に設けられた第12領域と、に略同心円状に分割しかつ、前記第12領域に装荷される前記燃料集合体の中で、前記炉心内への滞在時間の長い前記燃料集合体から構成される第13領域と、に分割し、
前記第13領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第12領域の前記オリフィスの圧損係数よりも小さく設定し、かつ、前記第11領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第13領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項5】
前記第11領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第12領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする請求項4に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項6】
前記燃料支持金具は、装荷される前記複数の燃料集合体と同数であり、前記オリフィスは、前記燃料支持金具に設けられていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項7】
炉心に複数の燃料集合体を格子状に装荷し、
前記燃料集合体が載置され、冷却材が前記燃料集合体に流入するための流路を有する燃料支持金具に、
前記流路の冷却材の流量を調整するオリフィスを備え、原子炉の運転中に長期間制御棒を挿入するコントロールセルを用いる自然循環式沸騰水型原子炉であって、
前記炉心の炉心平面における前記燃料集合体の配置を、最外層の第21領域と、前記第21領域の内側に設けられた第22領域と、に略同心円状に分割しかつ、前記第22領域に装荷される前記燃料集合体の中で、前記コントロールセルが設定された前記燃料集合体から構成される第23領域の3領域と、に分割し、
前記第23領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第22領域の前記オリフィスの圧損係数よりも小さく設定し、かつ、前記第21領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第23領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項8】
前記第21領域の前記オリフィスの圧損係数を、前記第22領域の前記オリフィスの圧損係数よりも大きく設定したことを特徴とする請求項7に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
【請求項9】
前記燃料支持金具は、装荷される前記複数の燃料集合体と同数であり、前記オリフィスは、前記燃料支持金具に設けられていることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の自然循環式沸騰水型原子炉。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、自然循環式沸騰水型原子炉に関するものである。
【背景技術】
【0002】
強制循環式沸騰水型原子炉では、炉心に装荷される燃料集合体を冷却する冷却材の炉心流量はポンプの出力によって決まり、各燃料集合体への流量配分は、各燃料集合体に対応して設けられたオリフィスのオリフィス圧損係数によって設定される。これらの各燃料集合体のオリフィス圧損係数の設定に関しては、例えば、燃料集合体のオリフィス圧損係数を、炉心中心部に近い内側領域より炉心の最外層領域で大きくする設定により、各燃料集合体へ冷却材の流量配分が最外層領域で少なく、内側領域で多くなるように最適化することで、熱的余裕を増大する技術が公開されている(特許文献1参照)。
【0003】
一方、自然循環式沸騰水型原子炉では、冷却材の炉心流量は個々の燃料集合体の自然循環流動による流量の総和として決定される。つまり、個々の燃料集合体の冷却材の流量は他の燃料集合体の冷却材の流量に影響を与えない。このことより、強制循環式沸騰水型原子炉のように、最外層領域の冷却材の流量を少なくするようなオリフィス口径の設定をしても、内側領域の冷却材の流量は一定のままで増加することはなく、熱的余裕の増大には効果が無い。そこで、自然循環式沸騰水型原子炉に関しては、燃料集合体の出力特性に重点をおいて着目し、燃料集合体のオリフィス圧損係数を内側領域より最外層領域で小さくする設定により、最外層領域への冷却材の流量を多くして、最外層領域の出力を高めるという技術が公開されている(特許文献2参照)。
【特許文献1】特開平7−181280号公報
【特許文献2】特開平1−176991号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、自然循環式沸騰水型原子炉に関する従来技術によると最外層領域への冷却材の流量を多くすることで、最外層領域部の燃料集合体の出力を増大し、内側領域との出力分布の平坦化が図れるという効果の反面、炉心を再循環する冷却材の温度の上昇により炉心内部の熱的余裕が減少し、また、炉心の反応度が減少するという問題がある。
【0005】
そこで、本発明は、炉心径方向の出力分布の平坦化を図るとともに、熱的余裕を増大することが可能な自然循環式沸騰水型原子炉を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記課題を解決するため、本発明は、炉心に装荷された燃料集合体の炉心平面における配置を複数の領域に分割して、炉心平面の外周に近い領域で炉心の反応度への影響が大きい領域への冷却材の流量を多く、炉心の反応度への影響が小さい領域への冷却材の流量を少なく設定する自然循環式沸騰水型原子炉とした。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、炉心に装荷される燃料集合体への冷却材の流量配分が最適化され、炉心径方向の出力分布の平坦化を図るとともに、熱的余裕を増大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】
【0008】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、適宜図を用いて詳細に説明する。
【0009】
図1は、本発明の実施形態に係る自然循環式沸騰水型原子炉(以下、原子炉という)を示す概略図である。原子炉1を構成する原子炉圧力容器6内には、複数の燃料集合体21が装荷されている炉心7と、炉心7の外周を囲う筒状の炉心シュラウド8と、炉心7の上部を構成している上部格子板23と、上部格子板23上に立設してある筒状のチムニ11と、チムニ11上に装備されてチムニ11の上端を覆うスタンドパイプ付きの気水分離器12と、気水分離器12を下部のスカート部で囲うように気水分離器12の上方に装備された蒸気乾燥器13とが炉内構造物として内蔵されている。さらに、原子炉圧力容器6には蒸気出口ノズル15と給水入口ノズル17とが装備されている。
【0010】
炉心7には、炉心支持板22と上部格子板23の間に複数の燃料集合体21が等間隔で装荷されている。また、燃料集合体21の4本に1の割合で、制御棒(図示せず)が摺動可能に挿設され、該制御棒は、原子炉圧力容器6下部に原子炉圧力容器6外部から制御棒案内管25を通り、操作可能に挿設される複数の制御棒駆動機構26によって上下方向に操作され、炉心7の出力を制御する。
【0011】
さらに、原子炉圧力容器6内には、冷却材Wとして軽水が気水分離器12の途中の高さにまで入れられている。その冷却材Wは、原子炉1が運転されることにより、炉心7内で、燃料集合体21に格納されている核燃料(図示せず)による核反応で生じる熱を受ける。その熱によって加熱された冷却材Wは、蒸気と水の気液二相流となって比重が軽くなるので、自然に上昇する。
【0012】
そして、気液二相流状態になった冷却材Wはチムニ11内を上昇しその後、上部の気水分離器12を通過する際に、気液二相状態の冷却材Wは飽和水と蒸気に分離され、分離された飽和水は、炉心シュラウド8やチムニ11と原子炉圧力容器6内の壁面との間の垂直な流路であるダウンカマ9へと導かれて流下する。
【0013】
その一方、気水分離器12で分離された蒸気は、更に湿分を除去するため蒸気乾燥器13へと導かれ、蒸気乾燥器13で充分に湿分が分離された後に上方へ抜け出て、蒸気出口ノズル15を通り、蒸気を駆動エネルギーとするタービン2へと送られる。なお、気水分離器12を設けずに、蒸気乾燥器13のみで湿分分離を実施する場合もある。
【0014】
タービン2を駆動した後の蒸気は、復水器3で凝縮されて水に戻された後、給水ポンプ4により給水加熱器5を経て、給水入口ノズル17を通り原子炉圧力容器6内に給水として流入する。そこで、給水は飽和水と混合して再度冷却材Wとなる。
【0015】
ここで、給水は飽和水より温度が低いため、冷却材Wの炉心流量における給水の割合が高いほうが冷却材Wの温度が低く、熱的余裕の増大に有効である。しかしながら、給水は原子炉の出力によって決まり、冷却材Wの炉心流量によらず一定量であるため、冷却材Wの炉心流量が増加すると、冷却材Wに占める飽和水の割合が高くなり、冷却材Wの温度が高くなるという現象が発生する。したがって、冷却材Wの炉心流量を設定する際には、冷却材Wの流量と温度のかねあいを考慮する必要がある。
【0016】
図2の(a)は、燃料集合体の縦断面図であり、図2の(b)は燃料集合体を上部から見た図である。燃料集合体21は下部タイプレート27と上部タイプレート30の間で、複数の燃料棒28(図2は、8×8=64本の態様を示す)を固定し、その周囲をチャンネルボックス29が囲んでいる略角柱形状となっている。そして、炉心支持板22に、制御棒案内管25の上端に挿入される形で固設される燃料支持金具36(図3参照)に下部タイプレート27が嵌合して、炉心7に設置される。
【0017】
図3は、炉心支持板への燃料集合体および燃料支持金具と制御棒案内管の設置方法を示す概略図である。なお、炉心の最外層領域とその他内側領域とで燃料支持金具36の固定方法に違いがあるため、図3の(a)に内側領域の固定方法、図3の(b)に最外層領域の固定方法を示す。
【0018】
燃料支持金具36は、中心部が中空で冷却材Wの流路35を形成し、上端部には、上部貫通孔33が形成されており、上部貫通孔33に燃料集合体21の下部タイプレート27が嵌合される。また、燃料支持金具36の下部には冷却材流入口32が設けられ、冷却材Wは冷却材流入口32から燃料支持金具36の流路35に流入し、さらに燃料集合体21に取り入れられる。
【0019】
図3の(a)に示すように、内側領域では、炉心支持板22に制御棒案内管25が固定され、内側領域の燃料支持金具36aは制御棒案内管25の上部に固定される。制御棒案内管25には、内側領域の燃料支持金具36aを固定したときに、その冷却材流入口32と一致する位置に貫通孔34を設けてあり、冷却材流入口32の前面にオリフィス31が設置されている。
【0020】
冷却材Wは、貫通孔34からオリフィス31、冷却材流入口32を経て内側領域の燃料支持金具36aの流路35を通って燃料集合体21に取り込まれるが、オリフィス31のオリフィス圧損係数によって、内側領域の燃料支持金具36aに取り込まれる冷却材Wの流量が設定されることになる。
【0021】
すなわち、オリフィス31の開口口径を大きくすると、オリフィス前後の圧力損失が小さくなるため、オリフィス31を通過する冷却材Wの流量は増え、開口口径を小さくすると、オリフィス前後の圧力損失が大きくなるため、オリフィス31を通過する冷却材Wの流量は減る。したがって、内側領域の燃料支持金具36aへの冷却材Wの流量を多くする場合は、オリフィス31の開口口径を大きくする、すなわち圧損係数を小さく設定し、内側領域の燃料支持金具36aへの冷却材Wの流量を少なくする場合は、オリフィス31の開口口径を小さくする、すなわち圧損係数を大きく設定することになる。
【0022】
図3の(b)に示すように、最外層領域には、制御棒(図示せず)が配置されないため、炉心支持板22に最外層領域の燃料支持金具36bが直接固定される。さらに、オリフィス31は最外層領域の燃料支持金具36bの底面の冷却材流入口32に直接備わる形態となる。そして、冷却材Wは、オリフィス31を経由して最外層領域の燃料支持金具36bの流路35を通り、燃料集合体21に取り込まれるが、オリフィス31のオリフィス圧損係数によって、最外層領域の燃料支持金具36bに取り込まれる冷却材Wの流量が設定されるのは、内側領域と同じ構成である。
【0023】
図4は、図1におけるX−X矢視断面図であり、燃料集合体の装荷形態を示している。なお、図4の格子の1マスが1の燃料集合体21を示す。図示のとおり、燃料集合体21は、炉心平面中心40を中心に略円筒形状に装荷されている。
【0024】
《第1の実施形態》
以下、本発明の第1の実施形態について説明する。図5は、炉心に装荷される燃料集合体を、図4の左上1/4に該当する領域のみ示した概略図である。図5で図示されない領域は、図5の図示領域を、炉心平面中心40を中心として時計回りに90°、180°、270°回転した図形として考えればよいので、簡略化のため1/4の図で説明する。
【0025】
第1の実施形態においては、図5に示すように炉心7を3領域に分割する。すなわち、炉心7の最も外側1層を、請求項に記載するところの第01領域として最外層領域51、最外層領域51の内側に設けられた2〜3層を、請求項に記載するところの第02領域として外側領域52、その他の領域を、請求項に記載するところの第03領域として内側領域53、の3領域に分割する。なお、第1の実施形態においては、最外層領域51として最も外側の1層、外側領域52として最外層領域51の内側に設けられた2〜3層、としたが、各領域の層数はこれらに限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。
【0026】
そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Wの炉内流量と冷却材Wの温度の関係および、炉内の反応度への影響度を考慮して、最外層領域51、外側領域52および、内側領域53のオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。
【0027】
まず、外側領域52について燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を設定する。一般に外側領域52の燃料集合体21の出力は、内側領域53の燃料集合体21の出力に比べて低くなっているが、炉心7全体に対する反応度への影響は最外層領域51よりは大きい。したがって、外側領域52については燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を多くして燃料集合体21の出力を増大させることが有効である。そこで、外側領域52については、オリフィス圧損係数を内側領域53より小さく設定して、外側領域52への燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量の増加を図ることが好ましい。
【0028】
次いで、最外層領域51について燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を設定する。この領域は、外側領域52と同様に燃料集合体21の出力は内側領域53の燃料集合体21の出力に比べて低くなっているが、燃焼が進んだ燃料集合体21が装荷される領域であり、また中性子の炉外への漏洩もあることから、炉心7全体に対する反応度への影響が内側領域53に比べて小さい。したがって、最外層領域51に関しては、燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を少なくして、冷却材Wの炉心流量を減少することが有効である。そこで、最外層領域51については、オリフィス圧損係数を外側領域52より大きく設定して、燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量の減少を図ることが好ましい。
【0029】
すなわち、第1の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
外側領域52 < 最外層領域51
外側領域52 < 内側領域53
なお、第1の実施形態においては、最外層領域51と内側領域53のオリフィス圧損係数に関しては、その大小関係を問わない。
【0030】
前記第1の実施形態において、前記したオリフィス圧損係数の設定に基づいて、最外層領域51のオリフィス圧損係数を、内側領域53と等しく、外側領域52のオリフィス圧損係数を、内側領域53の約0.05倍に設定した。その結果、出力ピーキングが約2%の減少、さらに熱的余裕が約3%の増大、サイクル末期での反応度が約0.1%の増大という効果が確認できた。前記数値は、炉心出力分布が平坦化され、熱的余裕と反応度が改善されていることを示している。
【0031】
《第2の実施形態》
以下、本発明の第2の実施形態について説明する。図6は、炉心に装荷される燃料集合体を、図4の左上1/4に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第1の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。
【0032】
第2の実施形態においては、図6に示すように炉心7を3領域に分割する。すなわち、炉心7の最も外側1層を、請求項に記載するところの第01領域として最外層領域61、最外層領域61の内側に設けられた2〜3層を、請求項に記載するところの第02領域として外側領域62、その他領域を、請求項に記載するところの第03領域として内側領域63、の3領域に分割する。なお、第1の実施形態と同様、各領域の層数は図示された層数に限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。
【0033】
そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Wの炉内流量と冷却材Wの温度の関係および、炉内反応度の関係を考慮して、最外層領域61、外側領域62および、内側領域63のオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。
【0034】
まず、外側領域62について燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を設定するが、第1の実施形態と同じ理由で、外側領域62については、オリフィス圧損係数を内側領域63より小さく設定して、外側領域62への燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量の増加を図ることが好ましい。
【0035】
次いで、最外層領域61について燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を設定するが、この領域に関しても第1の実施形態と同じ理由で、オリフィス圧損係数を外側領域62より大きく設定して、最外層領域61の燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量の減少を図ることが好ましい。
【0036】
さらに、第2の実施形態では最外層領域61と、内側領域63の関係についても考慮することを特徴とする。
【0037】
すなわち、前記のとおり最外層領域61の炉心の反応度への影響は小さいと考えられることから、冷却材Wの炉心流量を少なくして熱的余裕をより増大するために、最外層領域61の流量が少なくなるように設定する。そこで、最外層領域61については、オリフィス圧損係数を内側領域63よりも大きく設定して、燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を減少することが好ましい。
【0038】
すなわち、第2の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
外側領域62 < 内側領域63 < 最外層領域61
【0039】
前記第2の実施形態において、前記したオリフィス圧損係数の設定に基づいて、最外層領域61のオリフィス圧損係数を、内側領域63の約6倍、外側領域62のオリフィス圧損係数を、内側領域63の約0.05倍に設定すると、炉心出力分布の平坦化と熱的余裕の改善に関して、第1の実施形態と同等以上の良好な結果が得られることがわかった。
【0040】
《第3の実施形態》
以下、本発明の第3の実施形態について説明する。図7は、炉心に装荷される燃料集合体を、図4の左上1/4に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第1の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。
【0041】
第3の実施形態においては、図7に示すように炉心7を一旦3領域に分割する。すなわち、炉心7の最も外側1層を、請求項に記載するところの第01領域として最外層領域71、最外層領域71の内側に設けられた2〜3層を、請求項に記載するところの第02領域として外側領域72、その他の領域を、請求項に記載するところの第03領域として内側領域73、の3領域に分割する。なお、第1の実施形態と同様、各領域の層数は図示された層数に限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。
【0042】
さらに、第3の実施形態においては図7に示すように、外側領域72を外側領域内の外側領域72aと、外側領域内の内側領域72bの2領域に分割することを特徴とする。すなわち、第3の実施形態においては、炉心7を4領域に分割する。
【0043】
なお、図7では、2層の外側領域72のうち、外側の1層を外側領域内の外側領域72a、残りの1〜2層を外側領域内の内側領域72bとしたが、各領域の層数は図示された層数に限定されるものではなく、外側領域72の層数に応じて、必要に応じた層数を設定してもよい。
【0044】
そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Wの炉内流量と冷却材Wの温度の関係および、炉内反応度の関係を考慮して、最外層領域71、外側領域内の外側領域72a、外側領域内の内側領域72bおよび、内側領域73のオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。
【0045】
まず、外側領域72について燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を設定するが、第1の実施形態と同じ理由で、燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量が内側領域73より多くなるような設定にすることが好ましい。
【0046】
ここで、本実施形態によると外側領域72には、外側領域内の外側領域72aと外側領域内の内側領域72bがあるので、それらの領域の燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を別々に設定する。外側領域内の外側領域72aと外側領域内の内側領域72bはともに、外側領域72内の領域であるから、内側領域73よりは燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を多くする。また、外側領域内の外側領域72aと外側領域内の内側領域72bの位置関係では、外側領域内の外側領域72aの方がより外側に位置するので、外側領域内の内側領域72bより高い燃料集合体21の出力を求められる。したがって、外側領域内の外側領域72aには、より多くの燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量が必要となる。このような冷却材Wの流量配分を実現するために、外側領域内の外側領域72aのオリフィス圧損係数を外側領域内の内側領域72bのオリフィス圧損係数より小さく設定する。
【0047】
次いで、最外層領域71について燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を設定する。この領域は、第2の実施形態と同じ理由で、オリフィス圧損係数を内側領域73より大きく設定して、最外層領域71の燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を減少することが好ましい。
【0048】
すなわち、第3の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
外側領域内の外側領域72a < 外側領域内の内側領域72b <
内側領域73 < 最外層領域71
【0049】
《第4の実施形態》
以下、炉心7での燃料集合体21の滞在時間を考慮した、本発明の第4の実施形態について説明する。図8は、炉心に装荷される燃料集合体を、図4の左上1/4に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第1の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。
【0050】
第4の実施形態においては、図8に示すように炉心7を一旦2領域に分割する。すなわち、炉心7の最も外側1層を、請求項に記載するところの第11領域として最外層領域81、その他の領域を、請求項に記載するところの第12領域として内側領域82、の2領域に略同心円状に分割する。なお、第4の実施形態においては、最外層領域81として最も外側の1層、としたが、この層数は限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。
【0051】
さらに、第4の実施形態においては、内側領域82に装荷された燃料集合体21のなかで炉心滞在期間の長い燃料集合体21aを集めて形成した領域(以下、長期滞在領域Aと称する)を請求項に記載するところの第13領域とすることを特徴とする。すなわち、第4の実施形態においては、炉心7を3領域に分割する。
【0052】
ここで、第4の実施形態においては、燃料集合体21の炉心滞在期間を滞在期間の短い方から滞在サイクル1(図8中、1で表記)、滞在サイクル2(図8中、2で表記)、滞在サイクル3(図8中、3で表記)の3段階に分類して、滞在サイクル3の燃料集合体21を、炉心滞在期間の長い燃料集合体21aと定義する。なお、第4の実施形態においては、滞在サイクルを3段階に分類したが、必要に応じてもっと詳細な分類にしてもよい。また、滞在サイクル3の燃料集合体21を炉心滞在期間の長い燃料集合体21aと定義したが、これも限定されるものではなく、必要に応じて任意の滞在サイクルの燃料集合体21を、炉心滞在期間の長い燃料集合体21aと定義できる。
【0053】
そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Wの炉内流量と冷却材Wの温度の関係および、炉内反応度への影響度を考慮して、最外層領域81、内側領域82および、長期滞在領域Aのオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。
【0054】
まず、長期滞在領域Aについて燃料集合体21a一体あたりの冷却材Wの流量を設定する。長期滞在領域Aは炉心滞在期間の長い燃料集合体21aを集めた領域であるから、燃焼が進んだ燃料集合体21であり、燃料集合体21aの出力は小さい。したがって、長期滞在領域Aについては燃料集合体21a一体あたりの冷却材Wの流量を多くして出力を増量させることが好ましい。そこで、長期滞在領域Aについては、オリフィス圧損係数を最外層領域81、内側領域82より小さく設定して、炉心滞在期間の長い燃料集合体21a一体あたりの冷却材Wの流量の増加を図ることが好ましい。
【0055】
すなわち、第4の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
長期滞在領域A < 最外層領域81
長期滞在領域A < 内側領域82
なお、第4の実施形態においては、最外層領域81と内側領域82のオリフィス圧損係数に関しては、その大小関係を問わない。
【0056】
《第5の実施形態》
以下、炉心7での燃料集合体21の滞在時間を考慮した、本発明の第5の実施形態について説明する。図9は、炉心に装荷される燃料集合体を、図4の左上1/4に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第1の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。
【0057】
第5の実施形態においては、図9に示すように炉心7を一旦2領域に分割する。すなわち、炉心7の最も外側1層を、請求項に記載するところの第11領域として最外層領域91、その他領域を、請求項に記載するところの第12領域として内側領域92、の2領域に略同心円状に分割とする。なお、第5の実施形態においては、最外層領域91として最も外側の1層、としたが、この層数はこれらに限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。
【0058】
さらに、第5の実施形態においては、内側領域92に装荷された燃料集合体21のなかで炉心滞在期間の長い燃料集合体21aを集めて形成した領域(以下、長期滞在領域Bと称する)を請求項に記載するところの第13領域とすることを特徴とする。すなわち、第5の実施形態においては、炉心7を3領域に分割する。
【0059】
ここで、第5の実施形態における燃料集合体21の炉心滞在期間の分類および、炉心滞在期間の長い燃料集合体21aの定義については、第4の実施形態と同等とするためここでの説明は省略する。
【0060】
そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Wの炉内流量と冷却材Wの温度の関係および、炉内反応度への影響度を考慮して、最外層領域91、内側領域92および、長期滞在領域Bのオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。
【0061】
まず、長期滞在領域Bについては、第4の実施形態と同じ理由で、オリフィス圧損係数を最外層領域91、内側領域92より小さく設定して、炉心滞在期間の長い燃料集合体21a一体あたりの冷却材Wの流量の増加を図ることが好ましい。
【0062】
次いで、最外層領域91について燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を設定する。この領域は、図9に示すとおり、滞在サイクル3の燃料集合体21が装荷されており、かつ、最外層ということで中性子の炉外への漏洩の影響もあることから、炉心7全体に対する反応度への影響が少ない。したがって、最外層領域91については燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を少なくして、冷却材Wの炉心流量の減少を図ることが好ましい。そこで、最外層領域91については、オリフィス圧損係数を内側領域92より大きく設定して、燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量の減少を図ることが好ましい。
【0063】
すなわち、第5の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
長期滞在領域B < 内側領域92 < 最外層領域91
【0064】
《第6の実施形態》
以下、コントロールセルを用いた、本発明の第6の実施形態について説明する。原子炉1ではサイクル運転中、特定の位置の制御棒(図示せず)を用いて、余剰反応度および、炉心内出力分布の制御を行う。この特定の位置の制御棒の周囲に配置される4体の燃料集合体21をコントロールセルと称する。図10は、炉心に装荷される燃料集合体を、図4の左上1/4に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第1の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。
【0065】
第6の実施形態は、コントロールセルを用いた炉心7に対応するものである。まず、図10に示すように炉心7を一旦2領域に分割する。すなわち、炉心7の最も外側1層を、請求項に記載するところの第21領域として最外層領域101、その他の領域を、請求項に記載するところの第22領域として内側領域102、の2領域に略同心円状に分割する。なお、第6の実施形態においては、最外層領域101として最も外側の1層、としたが、この層数は限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。
【0066】
さらに、第6の実施形態においては、内側領域102に装荷された燃料集合体21のなかでコントロールセルの燃料集合体21bを集めて形成した領域(以下、コントロール領域Aと称する)を請求項に記載するところの第23領域とすることを特徴とする。すなわち、第6の実施形態においては、炉心7を3領域に分割する。
【0067】
そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Wの炉内流量と冷却材Wの温度の関係および、炉内反応度への影響度を考慮して、最外層領域101、内側領域102および、コントロール領域Aのオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。
【0068】
まず、コントロール領域Aについて燃料集合体21b一体あたりの冷却材Wの流量を設定する。コントロール領域Aはコントロールセルの燃料集合体21bであるが、コントロールセルには燃焼の進んだ燃料集合体21を装荷することから、コントロール領域Aの燃料集合体21bの出力は小さい。したがって、コントロール領域Aについては燃料集合体21b一体あたりの冷却材Wの流量を多くして出力を増量させることが好ましい。そこで、コントロール領域Aについては、オリフィス圧損係数を最外層領域101、内側領域102より小さく設定して、コントロールセルの燃料集合体21b一体あたりの冷却材Wの流量の増加を図ることが好ましい。
【0069】
すなわち、第6の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
コントロール領域A < 最外層領域101
コントロール領域A < 内側領域102
なお、第6の実施形態においては、最外層領域101と内側領域102のオリフィス圧損係数に関しては、その大小関係を問わない。
【0070】
《第7の実施形態》
以下、コントロールセルを用いた、本発明の第7の実施形態について説明する。図11は、炉心に装荷される燃料集合体を、図4の左上1/4に該当する領域のみ示した概略図である。なお、図の見方については、第1の実施形態の場合と同等なので、ここでは省略する。
【0071】
第7の実施形態も第6の実施形態同様、コントロールセルを用いた炉心7に対応するものである。まず、図11に示すように炉心7を一旦2領域に分割する。すなわち、炉心7の最も外側1層を、請求項に記載するところの第21領域として最外層領域111、その他の領域を、請求項に記載するところの第22領域として内側領域112、の2領域に略同心円状に分割する。なお、第7の実施形態においては、最も外側の1層を最外層領域111としたが、この層数は限定されるものではなく、必要に応じた層数を設定してもよい。
【0072】
さらに、第7の実施形態においては、内側領域112に装荷された燃料集合体21のなかでコントロールセルの燃料集合体21bを集めて形成した領域(以下、コントロール領域Bと称する)を請求項に記載するところの第23領域とすることを特徴とする。すなわち、第7の実施形態においては、炉心7を3領域に分割する。
【0073】
そして、同一領域のオリフィス圧損係数は全て等しくなるように設定する。
さらに、冷却材Wの炉内流量と冷却材Wの温度の関係および、炉内反応度への影響度を考慮して、最外層領域111、内側領域112および、コントロール領域Bのオリフィス圧損係数をそれぞれ設定する。
【0074】
まず、コントロール領域Bについては、第6の実施形態と同じ理由で、オリフィス圧損係数を最外層領域111、内側領域112より小さく設定して、コントロールセルの燃料集合体21b一体あたりの冷却材Wの流量の増加を図ることが好ましい。
【0075】
次いで、最外層領域111について燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を設定する。この領域の燃料集合体21の出力は内側領域112の燃料集合体21の出力に比べて低くなっているが、前記のとおり燃焼が進んだ燃料集合体21が装荷され、また中性子の炉外への漏洩もあることから、炉心7全体に対する反応度への影響が内側領域112に比べて小さい。したがって、最外層領域111に関しては、燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量を少なくして冷却材Wの炉心流量を減少することが有効である。そこで、最外層領域111については、オリフィス圧損係数を内側領域112より大きく設定して、燃料集合体21一体あたりの冷却材Wの流量の減少を図ることが好ましい。
【0076】
すなわち、第7の実施形態の各領域のオリフィス圧損係数の大小関係を模式的に表すと、次のようになる。
オリフィス圧損係数
コントロール領域B < 内側領域112 < 最外層領域111
【0077】
《その他の実施形態》
以上、第1の実施形態から第7の実施形態まで説明したが、本発明の実施は前記記載内容に限定されるものではなく、他の形態による実施も考えられる。
【0078】
例えば、第2の実施形態と第4の実施形態を組み合わせてもよい。この場合、最外層領域の第1領域、外側領域の第2領域、内側領域の第3領域に加えて、内側領域の中に装荷されている炉心滞在期間の長い燃料集合体を集めた領域を第4領域として、4つの領域でオリフィス圧損係数を設定することになる。第4領域のオリフィス圧損係数は、他領域の設定と同じでもよいし、異なった設定でもよく、好適な熱的余裕を得るための最適な設定にすればよい。
【0079】
そのほか、第2の実施形態と第6の実施形態の組み合わせ、第3の実施形態と第4の実施形態の組み合わせなど、適宜応用可能である。
【0080】
さらには、各実施形態における内側領域を同心円状にさらに細分化し、多数の領域に分類して、各領域についてオリフィス圧損係数を細かに設定することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【0081】
【図1】自然循環式沸騰水型原子炉を示す概略図である。
【図2】燃料集合体の構造図である。
【図3】燃料支持金具の構造および、炉心支持板への燃料集合体と燃料支持金具の設置方法を示す概略図である。
【図4】炉心を上部から見た時の燃料集合体の装荷形態を示す図である。
【図5】第1の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。
【図6】第2の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。
【図7】第3の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。
【図8】第4の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。
【図9】第5の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。
【図10】第6の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。
【図11】第7の実施形態における炉心の領域分割を示す図である。
【符号の説明】
【0082】
1 自然循環式沸騰水型原子炉(原子炉)
7 炉心
21 燃料集合体
31 オリフィス
35 流路
36 燃料支持金具
51、61、71、81、91、101、111 最外層領域
52、62、72 外側領域
72a 外側領域内の外側領域
72b 外側領域内の内側領域
53、63、73、82、92、102、112 内側領域
W 冷却材




 

 


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