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技術 補助付クオータ制御棒配置BWR炉心

出願人 白川利久
発明者 白川利久
出願日 2006年10月16日 (14年1ヶ月経過) 出願番号 2006-280916
公開日 2008年4月24日 (12年6ヶ月経過) 公開番号 2008-096366
状態 特許登録済
技術分野 原子炉、減速部及び炉心部の構造 原子炉燃料及び部品の製造
主要キーワード 調節度合 敷設体 漏洩水 運転開始直前 原子力安全 酸化ディスプロシウム 低減速 点検時間
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この項目の情報は公開日時点(2008年4月24日)のものです。
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図面 (11)

課題

制御棒数低減、定期検査容易によりコスト低減ができる。

解決手段

従来の制御棒配置から1体置きに除き、残した制御棒をクオータ制御棒101とする。削除制御棒の代わりに未燃焼十字型可燃性毒物棒201 、1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒202、2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒203を装荷する。さらにMOX稠密核燃料集合体を装荷し、MOX稠密核燃料集合体と十字型可燃性毒物棒を組み合わせて、制御棒及び制御棒駆動装置を削減する。

概要

背景

図1は沸騰水型原子炉炉心構造図である(非特許文献1)。核燃料物質を内包している核燃料集合体(30)の下端炉心支持板(1)に装着されている着脱可能な核燃料支持金具(2)により支持され、上端チャンネルボックス(35)を介して上部格子板(3)にもたれかけさせている。上部格子板(3)の格子の間の4体の核燃料集合体(30)の中央には上下に操作できる制御棒(100)があり原子炉を制御する。制御棒駆動装置(非特許文献2)を図2に示す。制御棒駆動装置は原子炉圧力容器底部の下にある。
図3は、炉心高さ中央部の従来型の核燃料集合体(30)を配置せる運転開始直前炉心平面図である。1印の位置には未燃焼従来型の核燃料集合体(11)、2印の位置には1サイクル燃焼従来型の核燃料集合体(12)、3印の位置には2サイクル燃焼従来型の核燃料集合体(13)、4印の位置には3サイクル燃焼従来型の核燃料集合体(14)が装荷されている。十字点線は従来の制御棒(100)の配置を示す。通常、原子炉運転時には大部分の制御棒(100)は炉心の下に引き抜かれている。
従来型の核燃料集合体(30)と制御棒(100)を配置せる炉心平面拡大図を図4に示した。原子炉では、核燃料集合体(30)は制御棒側漏洩水通路(51)と制御棒と反対側漏洩水通路(52)を挟んで格子状に配列されている。核燃料棒(31)の間は冷却水通路(49)となっている。核燃料棒(31)のうち数本は可燃性毒物としてガドリニウム(Gd)の酸化物が添加された可燃性毒物添加核燃料棒(32)である。また、数本の核燃料棒(31)の代わりに水棒(36)を配する場合がある。
原子力安全研究協会(編)、1998年「軽水炉燃料のふるまい」。
:原子力安全研究協会(編)、平成4年「軽水炉発電所のあらまし」。

概要

制御棒数低減、定期検査容易によりコスト低減ができる。従来の制御棒配置から1体置きに除き、残した制御棒をクオータ制御棒101とする。削除制御棒の代わりに未燃焼十字型可燃性毒物棒201 、1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒202、2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒203を装荷する。さらにMOX稠密核燃料集合体を装荷し、MOX稠密核燃料集合体と十字型可燃性毒物棒を組み合わせて、制御棒及び制御棒駆動装置を削減する。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

炉心中央の従来の制御棒(100)から1体置きに残しクオータ制御棒(101)とし、他の制御棒(100)とこれに付随する駆動装置を除外し、代わりに未燃焼十字型可燃性毒物棒(201) 、1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)、2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)を装荷する。クオータ制御棒(101)の周りのN印の位置に4体の未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)を装荷する。N印の位置で未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)が1サイクル燃えて1サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(131)になったものをE印の位置に配置換えし、E印中央に未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)を新規に装荷する。E印の位置での1サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(131)とその中央での未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)が1サイクル燃えて2サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(132)及び1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)となったものをF印の位置及びその中央に配置換えする。F印の位置での2サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(132) とその中央での1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)が1サイクル燃えて3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)と2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)となったものをG印の位置及びその中央に配置換えする。G印の位置で3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)が1サイクル燃えて4サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(134)となったものを炉心外周のZ印の位置に配置換えする。3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(134) の大部分と十字型可燃性毒物棒(203)と4サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(135) が1サイクル燃えたものは炉心外に取出す。上記炉心構成と運転計画を特徴とする補助付クオータ制御棒配置BWR炉心。

請求項2

カドミウム(Cd)またはホウ素(B)またはエルビウム(Er)またはディスプロシウム(Dy)といった可燃性毒物または酸化カドミウム(CdO)または酸化エルビウム(Er2O3)または酸化ディスプロシウム(Dy2O3)または炭化ホウ素(B4C)またはホウ化ジルコニウム(B12Zr)のような化合物を添加したジルコニウム合金製の十字型板からなる未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)。

技術分野

0001

本発明は、沸騰水型原子炉(BWR)の炉心に関する。

背景技術

0002

図1は沸騰水型原子炉の炉心構造図である(非特許文献1)。核燃料物質を内包している核燃料集合体(30)の下端炉心支持板(1)に装着されている着脱可能な核燃料支持金具(2)により支持され、上端チャンネルボックス(35)を介して上部格子板(3)にもたれかけさせている。上部格子板(3)の格子の間の4体の核燃料集合体(30)の中央には上下に操作できる制御棒(100)があり原子炉を制御する。制御棒駆動装置(非特許文献2)を図2に示す。制御棒駆動装置は原子炉圧力容器底部の下にある。
図3は、炉心高さ中央部の従来型の核燃料集合体(30)を配置せる運転開始直前炉心平面図である。1印の位置には未燃焼従来型の核燃料集合体(11)、2印の位置には1サイクル燃焼従来型の核燃料集合体(12)、3印の位置には2サイクル燃焼従来型の核燃料集合体(13)、4印の位置には3サイクル燃焼従来型の核燃料集合体(14)が装荷されている。十字点線は従来の制御棒(100)の配置を示す。通常、原子炉運転時には大部分の制御棒(100)は炉心の下に引き抜かれている。
従来型の核燃料集合体(30)と制御棒(100)を配置せる炉心平面拡大図を図4に示した。原子炉では、核燃料集合体(30)は制御棒側漏洩水通路(51)と制御棒と反対側漏洩水通路(52)を挟んで格子状に配列されている。核燃料棒(31)の間は冷却水通路(49)となっている。核燃料棒(31)のうち数本は可燃性毒物としてガドリニウム(Gd)の酸化物が添加された可燃性毒物添加核燃料棒(32)である。また、数本の核燃料棒(31)の代わりに水棒(36)を配する場合がある。
原子力安全研究協会(編)、1998年「軽水炉燃料のふるまい」。
:原子力安全研究協会(編)、平成4年「軽水炉発電所のあらまし」。

発明が解決しようとする課題

0003

近年、電力料金の低減が求められている。その一貫としてBWRによる発電コストの低減が求められている。
図5は加圧水型原子炉(PWR)の炉心配置図である(非特許文献3)。燃料集合体(BWRの核燃料集合体(30)相当)の内、千鳥格子状の位置の燃料集合体にのみ制御棒クラスタ(BWRの制御棒(100)同様に中性子を吸収して原子炉を制御する)が挿入できるようになっている。PWRの反応度制御は制御棒クラスタの他にホウ酸水冷却材の中に混入させることにより達成している。運転末期においてもホウ酸水は冷却水の中に含有されている。
一方、BWRでは図3に見るようにどの核燃料集合体も2面が制御棒(100)に面している。BWRの制御棒はPWRの制御棒に比べて過剰に装荷されていると考えられる。建設コストがその分高くなると考えられる。
コロナ社、1975年、著者原子動力」。

課題を解決するための手段

0004

現行BWRの核燃料集合体(30)に装荷されている可燃性毒物添加核燃料棒(32)に添加されている天然のGdには中性子を強く吸収する同位元素ドリ155(Gd155)やガドリ157(Gd157)と、中性子吸収作用の小さい同位元素ガドリ156(Gd156)やガドリ158(Gd158)が含まれている。核分裂性物質が多く含まれている燃焼初期でもGdが添加されていれば無限増倍係数(k∞)を小さくできるため原子炉停止余裕満足しつつ核分裂性物質を多く含有させることができるため長期間燃焼させることができる。Gd155やGd157は中性子を吸収すると中性子吸収作用の小さいGd156やGd158になるため燃焼が進み核分裂性物質が少なくなった運転末期でもk∞を抑制することはない。
可燃性毒物をうまく利用すれば制御棒(100)の敷設体数を現行の約1/4に減らすことができる。

発明の効果

0005

原子炉停止余裕を満たしつつ、御棒(100)の体数を現行の約1/4に減らすことにより制御棒駆動装置が減ったことと定期検査が容易になったこととによりコスト低減ができる。

発明を実施するための最良の形態

0006

建設コストが安くその結果、発電コストの安いBWR炉心が提供できた。

0007

図6は未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)の断面図である。ウラン(U)とプルトニウム(Pu)の混合酸化物であるMOXを核燃料とするMOX核燃料棒(231)を稠密に配列することにより水による中性子減速作用を抑制しPuを効率良く燃焼させる。MOX核燃料棒(231)を稠密に配列した核燃料集合体は、燃焼が進展してもPuが効率よく燃焼するためk∞の減少は緩やかである。低減速炉ではこの特徴を生かしてMOX稠密核燃料集合体が考えられている(非特許文献4)。更に、運転中での高温水での低密度から運転停止して低温水での高密度に変化しても水の占有割合が低いため水の変化量が小さいが故に中性子減速作用の変化量が小さくk∞の変動幅も小さい。したがって、制御棒の反応度調節度合いは小さくて済む。制御棒の本数を減らせる可能性が高い。
図7は、運転開始直前本発明の補助クオータ制御棒配置BWR炉心の概観図である。炉心中央の従来の制御棒(100)から1体置きに残しクオータ制御棒(101)とし、他の制御棒(100)とこれに付随する駆動装置を除外し、代わりに未燃焼十字型可燃性毒物棒(201) 、1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)、2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)を装荷する。
クオータ制御棒(101)の周りのN印の位置に4体の未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)を装荷する。N印の位置で未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)が1サイクル燃えて1サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(131)になったものをE印の位置に配置換えし、そのE印中央に未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)を新規に装荷する。E印の位置での1サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(131)とその中央での未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)が1サイクル燃えて2サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(132)及び1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)となったものをF印の位置及びその中央に配置換えする。F印の位置での2サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(132) とその中央での1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)が1サイクル燃えて3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)と2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)となったものをG印の位置及びその中央に配置換えする。G印の位置で3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)が1サイクル燃えて4サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(134)となったものを炉心外周のZ印の位置に配置換えする。3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(134) の大部分と十字型可燃性毒物棒(203)と4サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(135) が1サイクル燃えたものは炉心外に取出す。本発明の補助付クオータ制御棒配置BWR炉心は上記炉心構成と運転計画を特徴とする。なお、3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)にはU235がかなり少なくなっているため2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)は装荷せずに済ませることもできる。なお、F印またはG印の位置及びその中央では2サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(132) と1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)が1サイクル燃えた後は、配置換えせずに3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)と2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)とすることもできる。
上記炉心構成と運転計画により、制御棒および駆動装置は約1/4になる。未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)は、カドミウム(Cd)またはホウ素(B)またはエルビウム(Er)またはディスプロシウム(Dy)といった可燃性毒物または酸化カドミウム(CdO)または酸化エルビウム(Er2O3)または酸化ディスプロシウム(Dy2O3)または炭化ホウ素(B4C)またはホウ化ジルコニウム(B12Zr)のような化合物を添加したジルコニウム合金製の十字型板である。未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)には前記可燃性毒物を運転末期でも燃え残っているように多く添加する。1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)にも前記可燃性毒物が運転末期でも若干燃え残っているようにする。CdやBはGdほどには熱中性子吸収断面積が大きくはないため消耗速度が遅く運転末期でも燃え残る。
図8は本発明の炉心の作用を示す図である。原子炉運転時の冷却水温度は高いため密度が小さい。したがって、高速中性子減速させる作用が小さい。その結果、運転時の熱中性子束は小さい。一方、可燃性毒物は熱中性子吸収断面積は大きいがそれに比べて高速中性子吸収断面積は非常に小さい。したがって、中性子吸収断面積中性子束の積にほぼ比例する反応度抑制効果は、運転時に小さく停止時に大きい。運転時に可燃性毒物が残っていても反応度抑制効果が小さいため出力低下への悪影響は小さい。一方、停止時に可燃性毒物が残っていれば反応度抑制効果が大きいためキセノン消滅蒸気ボイドの消滅や燃料温度の低下による反応度増加を相殺してくれる。
図9は未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)〜3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)とクオータ制御棒(101)と未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)〜2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)の平面配置関係を拡大した図である。左上方のクオータ制御棒(101)の周りには4体の未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)を装荷する。右下方には未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)を装荷しその周りには4体の1サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(131)を装荷する。右上方には1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(202)を装荷しその周りには4体の2サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(132)を装荷する。左下方には2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)を装荷しその周りには4体の3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)を装荷する。
更に定期検査等の長期間原子炉停止時に停止余裕を増すためには、PWRで実績のあるホウ酸水を冷却水の中に注入することもできる。PWRでは蒸気発生器チューブが破損しても原子炉の運転はある程度続行されると考えられる。その間ホウ酸を含む水はタービンにも行く。したがって、BWRの冷却水中にホウ酸水が混入していても原子炉やタービンへの悪影響は少なく運転は可能である。ホウ酸水濃度を薄めるためには使用済み燃料貯蔵庫にホウ酸水を移し、代わりに純水を原子炉の炉心に注入すればよい。五硼酸ナトリウム水溶液を冷却水の中に注入することによっても停止余裕を上げることができる。
制御棒の体数が大幅に減少できるため、制御棒駆動装置を原子炉圧力容器の上に敷設することが可能になる。その結果、制御棒駆動装置の点検がし易くなり点検時間費用を通しても発電コスト低減になる。
:日本原子力学会誌,2006年,Vol48,大久保努他「低減速炉の技術開発進捗および課題」。

0008

図10は運転開始直前本発明の配置組み換え不要補助付クオータ制御棒配置BWR炉心の概観図である。クオータ制御棒(101)の周りのN印の位置に未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)、E印の位置に1サイクル燃焼MOX稠密子核燃料集合体(131)、F印の位置に2サイクル燃焼MOX稠密燃料集合体(132)、G印の位置に3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)とする。クオータ制御棒(101)は炉心中央の制御棒(100)を中心にして千鳥格子状に配置し、他の制御棒(100)は除外しこれに付随する制御棒駆動装置も除外し、代わりに未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)を装荷した。未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)の周りに未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)、1サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(131)、2サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(132)、3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)を装荷する。
1サイクル分の運転が終了すると、3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)は4サイクル燃焼しているから使用済み核燃料集合体として炉心から取出し、代わりに新規の未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)をこの位置に装荷できるため、核燃料集合体の組み換えが不要となり、炉心構成のための時間が短縮されて原子力発電所稼働率が向上し、強いては発電コストの低減になる。
なお、未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)の周りに装荷する未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)には別途可燃性毒物を添加するかまたはプルトニウムの割合を減らすことにより、原子炉停止余裕を大きくすることができる。

0009

近年、炭酸ガスによる地球温暖化抑止と石油高騰の抑止対策として原子力が注目されだしている。中でも、MOX核燃料棒を稠密に配列した核燃料集合体で構成されるBWRは高転換炉となり得るため、本発明のBWRの炉心は現行炉心にすぐにもバックフィットされる。

図面の簡単な説明

0010

従来の沸騰水型原子炉の炉心構造の概観図。
制御棒駆動装置。
炉心高さ中央部の従来型の核燃料集合体(30)を配置せる運転開始直前炉心平面図。
従来型の核燃料集合体(30)と制御棒(100)を配置せる炉心平面図。
加圧水型原子炉(PWR)の炉心配置図。
未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)の断面図。
運転開始直前本発明の補助付クオータ制御棒配置BWR炉心の概観図。
本発明の炉心の作用を示す図。
未燃焼MOX稠密核燃料集合体(130)〜3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体(133)とクオータ制御棒(101)と未燃焼十字型可燃性毒物棒(201)〜2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒(203)の平面配置関係を拡大した図。
運転開始直前本発明の配置組み換え不要補助付クオータ制御棒配置BWR炉心の概観図。

符号の説明

0011

1は炉心支持板。
2は核燃料支持金具。
3は上部格子板。
11は未燃焼従来型の核燃料集合体。
12は1サイクル燃焼従来型の核燃料集合体。
13は2サイクル燃焼従来型の核燃料集合体。
14は3サイクル燃焼従来型の核燃料集合体。
30は従来型の核燃料集合体。
31は核燃料棒。
32は可燃性毒物添加核燃料棒。
35はチャンネルボックス。
36は水棒。
49は冷却水通路。
51は制御棒側漏洩水通路。
52は制御棒と反対側漏洩水通路。
100は制御棒。
101はクオータ制御棒。
130は未燃焼MOX稠密核燃料集合体。
131は1サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体。
132は2サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体。
133は3サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体。
134は4サイクル燃焼MOX稠密核燃料集合体。
201は未燃焼十字型可燃性毒物棒。
202は1サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒。
203は2サイクル燃焼十字型可燃性毒物棒。
231はMOX核燃料棒。

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