最適化された燃料支持体及びこれを用いた原子炉心を作製する方法
【課題】適切な流れ損失係数を有する燃料支持体を提供する。
【解決手段】燃料支持体１４８は、核燃料バンドルを受けるような形状にされた開口と入口オリフィス１９５ａ、１９５ｂとによって前記燃料支持体１４８を通る流体流路が定められ、該流体流路が前記原子炉の炉心内の内側周辺バンドル位置における流体流れ特性用に構成される。燃料支持体１４８が２つの入口オリフィス１９５ａ、１９５ｂを備え、該２つの入口オリフィス１９５ａ、１９５ｂの各々が、互いに異なる構成及び関連流体流れ特性を有する。また入口オリフィス１９５ａ、１９５ｂは各々、互いに異なる直径を有する。
【解決手段】燃料支持体１４８は、核燃料バンドルを受けるような形状にされた開口と入口オリフィス１９５ａ、１９５ｂとによって前記燃料支持体１４８を通る流体流路が定められ、該流体流路が前記原子炉の炉心内の内側周辺バンドル位置における流体流れ特性用に構成される。燃料支持体１４８が２つの入口オリフィス１９５ａ、１９５ｂを備え、該２つの入口オリフィス１９５ａ、１９５ｂの各々が、互いに異なる構成及び関連流体流れ特性を有する。また入口オリフィス１９５ａ、１９５ｂは各々、互いに異なる直径を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、最適化された燃料支持体及びこれを用いた原子炉心を作製する方法に関する
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）などの従来の原子炉は、ほぼ円筒形の原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１２を含むことができる。ＲＰＶ１２は、ボトムヘッド２８により下端部に及び取り外し可能なトップヘッド２９により上端部にて閉鎖することができる。円筒形状の炉心シュラウド３４は原子炉心３６を囲むことができ、該原子炉心は、核分裂を通じて出力を発生する複数の核燃料要素又は集合体を含み、本明細書ではバンドルと呼ばれる。シュラウド３４は、一方端において、シュラウド支持体３８により支持することができ、他方端には、取り外し可能なシュラウドヘッド３９及びセパレータ管組立体を含むことができる。１つ又はそれ以上の制御ブレード２０が炉心３６内に上向きに延びて、炉心３６の燃料要素内の核分裂連鎖反応を制御するようにすることができる。加えて、１つ又はそれ以上の計装管５０が、ＲＰＶ１２の外部から底部ヘッド２８を通過することなどにより原子炉心３６内部に延びて、中性子モニタ及び熱電対などの計測器を外部の位置から炉心３６内に挿入し且つその内部に密閉可能にすることができる。
【０００３】
燃料バンドルは、炉心３６のベースにて炉心プレート４９上に配置される燃料支持体４８により整列及び支持することができる。燃料支持体４８は、個々の燃料バンドル又はバンドルのグループを受け取り、ここを通る冷却材の流れを可能にすることができる。燃料支持体４８は更に、計測管５０、制御ブレード２０、及び／又は他の構成要素が燃料支持体４８を通過して又はその間で炉心３６内に入ることを可能にすることができる。軽水又は重水などの流体は、炉心３６及び炉心プレート４８を通って上方に循環され、ＢＷＲでは、燃料要素の核分裂によって発生する熱により少なくとも部分的に蒸気に転換される。蒸気は、セパレータ管組立体及び蒸気乾燥器構造体１５において分離及び乾燥され、ＲＰＶ１２の上部付近の主蒸気ノズル３を通ってＲＰＶ１２から流出する。相変化に関わりなく、他の原子炉設計においては他の流体冷却材／減速材を用いることもできる。
【０００４】
図２Ａ及び２Ｂは、例えば、最大４つの個々の燃料バンドルを受け取り且つ支持することができる、図１の原子炉プラントで使用可能な従来技術の燃料支持体４８の詳細図である。図２Ａ及び２Ｂに示すように、燃料支持体４８は、燃料バンドルの下端部を受け入れ、燃料支持体４８内に収められる燃料バンドルを支持し整列させるような形状にされた開口９０を含む。開口９０は開放され、冷却材流が燃料支持体４８を通ってそこに支持された燃料バンドル内に流入するのを可能にする。開口９０は、入口又は下側オリフィス９５から燃料支持体４８を通る流体流を受け入れ、冷却材／減速材が燃料支持体４８を流れるのを可能にする。十字形又はその他の開口２１は、制御ブレード２０が燃料支持体４８によって支持されるバンドル間を通過するのを可能にすることができる。しかしながら、制御ブレード２０は、可能な全ての炉心位置に存在することはできず、その結果、開口２１が無充填となるか、又は存在しないこともある点は理解される。
【０００５】
図３は、従来の原子炉心３６の四分円を示す、従来炉心マップの例図である。図３における各グリッド位置は、各燃料バンドルが燃料支持体の関連する開口内に収められた状態にある、炉心３６内の燃料バンドル位置を表している。図３における各グリッド位置は、従来の原子炉心３６内の燃料支持入口オリフィス構成を示す数字で識別される。すなわち、従来のオリフィス９５（図２Ａ及び２Ｂ）は、炉心を通る２つの異なる流量を実現するために２つの異なるサイズ又は直径を有する。炉心３６において「１」で表記されるグリッド位置は、中央燃料バンドルのサイズにされたオリフィスを有する位置に相当する。位置「１」における中央燃料バンドルのオリフィスが多数になるほど、関連の位置において燃料支持体及び燃料バンドルを通過する冷却材及び減速材の流れをより増大させることができる。位置「２」における周辺燃料バンドルのオリフィスがより少数になるほど、周辺でのバンドルに流入する冷却材及び減速材の流れをより少なくすることができる。このようにして、図３に示すように、従来の炉心３６は、炉心内の燃料バンドルの最外リング又は周辺において生じる流体流をより低レベルにした状態で、中央燃料バンドルを通る流体流を標準とし、すなわちより多くすることができる。
【発明の概要】
【０００６】
例示的な実施形態は、燃料支持体並びに該燃料支持体を含む原子炉心に関する。例示的な実施形態の燃料支持体は、冷却材／減速材が燃料支持体を通って該支持体内に収められた関連の燃料バンドルに流れることを可能にする入口オリフィスを含み、入口オリフィスは、関連の燃料バンドルを通る冷却材／減速材の流量などの所望の流体流れ特性を達成するよう特別に設計されている。所望の流体流れ特性は、原子炉の炉心内の入口オリフィスと関連するバンドルの一部に基づいて決定することができる。関連の異なる流体流れ特性を有するあらゆる数の異なるように構成された入口オリフィスを炉心全体及び個々の支持体内で用いることができる。例示的な実施形態の燃料支持体構成は、例えば、既知の条件下での所望の流れ損失係数又は流量を達成するため、異なる入口オリフィス直径、又はフィルタ、ベンチェリ、チョークプレート、その他などの流れ閉塞物の使用を含むことができる。例示的な実施形態の燃料支持体は、原子炉の炉心プレート内に位置付けることができ、冷却材／減速材及び場合によっては制御ブレード及び計装管が、燃料支持体を通る又はその間を通過することが可能になる。複数の例示的な実施形態の燃料支持体は、原子炉心のベースに配置することができ、各支持体は、関連の燃料バンドル位置において所望の流れ特性を得るための物理的構成を有する。例えば、外側炉心周辺、内側炉心周辺、及び炉心の中央部において、３つの異なる構成を用いることができる。外側周辺における構成は、各側部上の燃料バンドルによって囲まれない炉心の縁部にある位置であり、最大流れ損失係数を有し、少ない減速及び熱伝達が要求される周辺バンドルへの冷却材／減速材の流れを制限することができる。外側周辺の直ぐ内側の２つ又は３つのバンドル位置として定義される内側周辺の構成は、中間の流れ損失係数を有することができ、中央部分においける構成は、最低の流れ損失係数を有することができ、最大出力レベルにおいて中央バンドルへの最も高いレベルの冷却材／減速材の流れを提供する。
【０００７】
例示的な方法は、原子炉心における燃料支持体の流路特性を構成する。例示的な方法は、特定のバンドル位置において流れ損失係数を修正し、修正流れ損失係数を用いて炉心性能をシミュレートし、シミュレートした炉心性能を分析し、及び／又は修正した流れ損失係数を達成するよう少なくとも１つの燃料支持体を構成することを含むことができる。分析は、所望の性能特性に対してシミュレートした炉心性能を比較し、或いは、シミュレートした炉心性能を異なる流れ損失係数を有する前回シミュレートした炉心性能と比較し、これを繰り返すことによって実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の核燃料原子炉の例図。
【図２Ａ】従来の燃料支持体の図。
【図２Ｂ】従来の燃料支持体の別の図。
【図３】従来の原子炉心の炉心マップの例図。
【図４】例示的な実施形態の燃料支持体の例図。
【図５】例示的な実施形態の原子炉心の炉心マップの例図。
【図６】従来の燃料支持体に対して例示的な実施形態を用いた実験結果のグラフ。
【図７】例示的な方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下において、添付図面を参照しながら例示的な実施形態を詳細に説明する。しかしながら、本明細書で開示される特定の構造及び機能の詳細事項は、単に例示的な実施形態を説明する目的で表しているに過ぎない。例えば、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に関連した例示的な実施形態及び方法を説明しているが、例示的な実施形態及び方法は、ＰＷＲ、ＥＳＢＷＲ、重水炉、増殖炉、その他を含む、全て冷却材／減速材を用いた幾つかの他の原子炉タイプで使用可能である点は理解される。例示的な実施形態は、多くの代替形態で具現化することができ、本明細書で記載される例示的な実施形態にのみ限定されるものと解釈すべきではない。
【００１０】
第１、第２、その他の用語は、本明細書で様々な要素を説明するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきでないことは理解されるであろう。これらの用語は、単に、ある要素を別の要素と区別するのに使用される。例えば、例示的な実施形態の技術的範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、また同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で用いる場合に「及び／又は」という用語は、関連する記載項目の１つ又はそれ以上のいずれか及び全ての組合せを含む。
【００１１】
ある要素が別の要素と「接続」、「結合」、「嵌合」、「取り付け」、又は「固定」されていると言及される場合、ある要素は他方の要素に直接接続又は結合することができ、或いは、介在する要素が存在できる点は理解される。これとは対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続」又は「直接結合」されていると言及される場合には、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するのに使用される他の用語も同様に解釈すべきである（例えば、「〜間」と「〜間に直接」、「隣接」と「直近」、その他）。
【００１２】
本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
【００１３】
幾つかの代替の実施においては、記載された機能／動作は、図に記載された順序又は本明細書において説明した順序とは異なる順序で行うことができる点に留意されたい。例えば、連続して示した２つの図は、含まれる機能／動作に応じてほぼ同時に実施することができ、又は逆の順序で実施することもできる。
【００１４】
（例示的な実施形態）
図４は、最適化された流体流れ特性を有する入口オリフィス１９５を含む例示的な実施形態の燃料支持体１４８の図である。例示的な実施形態の燃料支持体は、支持体内に収められる燃料バンドルに対して整列、支持、及び冷却材／減速材流を提供するよう、図２Ａ及び２Ｂに示す従来の燃料支持体４８と同様に図示され、或いはこれと置き換えて用いることができ、例えば、最適制御ブレード開口１２１及び／又は４つの燃料バンドル開口１９０は、従来の燃料支持特性に一致するよう例示的な実施形態の燃料支持体１４８内に存在することができる。しかしながら、例示的な実施形態の燃料支持体は、従来の燃料支持体４８（図２Ａ及び２Ｂ）及び図４に示す例示的な実施形態の燃料支持体１４８とは異なる幾つかの特徴及び構成（物理的形状、開口の数、制御ブレードへの適応、その他）を有することができる点は理解される。例示的な実施形態の燃料支持体１４８は、原子炉心内の位置に基づいて、関連の燃料バンドルを通る流体流量を最適化するよう特別なサイズにされ又は構成された１つ又はそれ以上の入口オリフィス１９５を含む。個々の入口オリフィス１９５ａ、ｂは各々、独自に構成されて互いとは異なることができ、或いは、実質的に同じであってもよい。炉心内の異なる例示的な実施形態の燃料支持体１４８の入口オリフィス１９５は、全てオリフィス１９５の位置での所望の流れ特性に基づいて、他の燃料支持体の他の何れかの入口オリフィスと同じように構成することができ、或いは、完全に独自に構成することができる。すなわち、例示的な実施形態の燃料支持体１４８は、それぞれの異なる直径ｄa及びｄbを有する２つの入口オリフィス１９５ａ及び１９５ｂを備えて図示されているが、例示的な実施形態の燃料支持体１４８における全ての入口オリフィスは、同じ直径と他の態様を有することができると共に、図４に示していないコア内の他の場所に位置付けられた他の例示的な実施形態の燃料支持体においては他の入口オリフィスとは異なることができる点は理解される。例示的な実施形態の燃料支持体のオリフィス構成及び関連の流体流れ特性を決定する例示的な方法について、以下の例示的な実施形態を下記にて検討する。
【００１５】
例示的な実施形態の燃料支持体１４８の入口オリフィス１９５は、プラント運転中に関連のバンドルを通る所望の流れレベルの冷却材／減速材を提供するよう物理的に構成される。この構成は、幾つかの方法で達成することができる。例えば、入口オリフィス１９５ａの直径ｄaは、そこを貫通する所望のレベルの冷却材流れ１８０ａを可能にするよう、燃料支持体１４８の製造中に設定することができる。同様に、直径ｄａは、製造後に例えば機械加工又は再成形により達成又は調整することができる。或いは、例えば、入口オリフィス１９５ｂの直径ｄbは、環状チョークプレートのような、そこを通す所望の低流量１８０ｂを達成するため直径ｄbを低減するインサートを付加することによって達成又は調整することができる。加えて、例示的な実施形態の燃料支持体１４８において入口オリフィス１９５の何れかの側部上にインサート、バッフル、フィルタ、及び／又は他の何れかの構造体を用いて、プラント運転中に所与の入口オリフィス１９５の流体流れ損失係数及び該入口オリフィス１９５を通る結果として得られる流体流れの量を所望の量にまで影響を与えることができる。例えば、流れ制限器又は閉塞物を流路内の開口１９０の前又は内部に配置し、関連の入口オリフィス１９５内に流れ、最終的には関連の開口１９０内に収められる燃料バンドルを通過する冷却材／減速材の量を調整することができる。
【００１６】
例示的な実施形態の燃料支持体１４８における入口オリフィス１９５の種々の直径及び／又は他の構成によって許容される冷却材／減速材のレベルは、あらゆる所望のレベルに設定することができる。所与の流体に対してこれらの構成により生じる局所流れ損失係数は、運転中の原子炉プラントにおいて個々の入口オリフィス１９５の機能性を比較する共通の評価基準を提供することができる。共通の入口圧力及び流体において、より大きな損失係数は、オリフィス及び関連する燃料バンドルを通るより少ない流体減速材／冷却材流と相関され、結果として減速及び燃料使用量が少なくなり、他のバンドルに多くの流れが配向されることになる。より大きな損失係数は、例示的な実施形態の燃料支持体１４８において、上述のように、入口オリフィス１９５の直径を減少させ及び／又は入口オリフィス１９５又は燃料支持体１４８内に流れ遮断構造を設けることによって達成することができる。同じ共通の入口圧力及び冷却材／減速材流体の下では、より低い損失係数は、オリフィス及び関連の燃料バンドルを通るより大きな流体減速材／冷却材流と相関され、結果としてより大きな減速及び核分裂エネルギーが生成されると共に、他のバンドルが利用可能な流れが減少することになる。より低い損失係数は、例示的な実施形態の燃料支持体１４８において、入口オリフィス１９５の直径を増大させ及び／又は例示的な実施形態の燃料支持体１４８内の流れ遮断構造を取り除くことによって達成することができる。当該オリフィスの望ましい流量特性に基づいて、複数の異なるタイプのオリフィス構成を同じ燃料支持体１４８上で、或いは同じ入口オリフィス１９５上でも一緒に用いることができる。
【００１７】
図５は、例示的な実施形態の炉心２３６の四分円が例示的な実施形態の燃料支持体１４８（１４８）をどのように実装できるかを示す炉心マップの例図である。図５における各グリッド位置は、バンドル内に冷却材／減速材流１８０を提供する燃料バンドル位置及び関連の入口オリフィス１９５（図４）に相当する。従って、例示的な実施形態の燃料支持体１４８（図４）は、オリフィスの数及び例示的な実施形態の燃料支持体の形状に応じて、図５の１つ又はそれ以上のグリッド位置にわたることができる点は理解される。例示的な実施形態の炉心２３６は、四分円において１９×１９の半径方向燃料バンドルで図示されているが、ＢＷＲ、ＥＳＢＷＲ、ＡＢＷＲ、ＰＷＲ、非ＬＷＲ設計、及び／又はオリフィスを備えた燃料支持体が使用可能な他のあらゆるタイプの原子炉設計を含む、例示的な実施形態及び方法に対して他の数の燃料バンドル及び炉心形状も使用可能である点は理解される。
【００１８】
図５に示すように、各グリッド位置は、数字「１」、「２」、「３」、「４」のグリッド位置で表示される固有のオリフィス構成と関連付けられる。図５の凡例において図示されるように、位置「１」の入口オリフィスは中央構成を有し、最低の損失係数が、例えば、最大オリフィス直径及び／又は最少流れ障害物により達成される。位置「２」の入口オリフィスは外側周辺構成を有し、最大損失係数及び最小オリフィス直径／最多の流れ障害物を有する。具体的な一実施例として、中央位置「１」の例示的な実施形態の燃料支持体におけるオリフィスの損失係数は、周辺位置「２」のオリフィスの損失係数の約２０〜２５％（例えば、２１％）であり、すなわち、位置「２」においてより大きな流れ損失及びより少ない流れが生じる可能性がある。外側周辺の直ぐ内側の２つ又は３つのバンドル位置として本明細書で定義される内側周辺位置「３」及び「４」のオリフィスは、中央位置「１」と周辺位置「２」のオリフィスの損失係数の間の中間損失係数を有する。例えば、位置「３」のオリフィスは、周辺位置「２」のオリフィスの損失係数の約７７〜８３％（例えば、８０％）を有することができ、位置「４」のオリフィスは、周辺位置「２」のオリフィスの損失係数の約３７〜４３％（例えば、４０％）を有することができる。燃料支持体における異なるオリフィスのこれらの固有の損失係数は、オリフィス直径の変更、流れ障害物の追加／除去、その他を含む、上記で検討した流れパラメータを変更するため上述の異なる構成技術によって達成することができる。
【００１９】
このようにして、例示的な実施形態の炉心２３６は、最大損失係数の外側周辺オリフィスから最低損失係数の中央オリフィスまでの間の中間の損失係数の変動値を備えた複数のタイプのオリフィスを有する例示的な実施形態の燃料支持体を含む。図５に示す四分円を３つの軸線を中心として鏡映させ、これら３つの軸線に関して対称なオリフィスレイアウトの全体の例示的な実施形態の炉心２３６を生成することができる。
【００２０】
例示的な実施形態の炉心２３６内の周辺及び中間位置「２」、「３」及び「４」におけるバンドルは、より低い燃料濃縮度（経年又は初期濃縮）を有し、炉心境界の大きな中性子損失を生じやすい可能性があり、結果としてより低い核分裂エネルギーを生成することになる。周辺及び内側周辺位置のより低い出力レベルに起因して、これらの位置においては、動作温度及び最大出力生成時にバンドルを維持するために必要となる減速材／冷却材がより少なくなる可能性がある。例示的な実施形態の炉心２３６は、中間すなわち内側周辺位置の同じバンドルに対して完全に中央オリフィスを提供する図３に示す炉心のような従来の炉心と比較して、位置「３」及び「４」のオリフィスを有する中間バンドルを通る流体減速材／冷却材に対してより高い損失係数、従って少ない流れを提供する。このようにして、例示的な実施形態の炉心２３６は、図３に示すもののような従来の炉心と比べて、中央位置「１」においてバンドルに多くの減速材／冷却材を配向し、中間周辺位置「３」又は「４」においてバンドルに少ない減速材／冷却材を配向することができる。中央の位置「１」におけるバンドルは、中間又は周辺の位置「２」、「３」又は「４」に比べてより高い濃縮度及び出力率を有することができる。従って、中央の位置「１」におけるバンドルは、例示的な実施形態の炉心２３６において冷却材／減速材からの増大した中性子減速及び流体エネルギー移動による恩恵を受けることができる。
【００２１】
更に、運転サイクルの終了付近では、所与の炉心のバンドルは、核分裂可能な材料がより減損しており、例示的な実施形態の炉心２３６における周辺及び中間位置「２」、「３」及び「４」のバンドルは、経年及び低初期濃縮度に起因して特に低い燃料濃縮度を有することができる。サイクル条件の終了時のオペレータは、合計炉心流量を増大させ、減損バンドルに追加の減速材を提供し、通常の又は定格の炉心流が持続できるレベルから更に数日の間核分裂連鎖反応を維持するようにすることができる。しかしながら、周辺及び内側周辺位置での低濃縮度及び中性子損失による低出力レベルに起因して、サイクル条件の終了時の増大した減速材／冷却材は、周辺及び内側周辺位置上では利用されず、これらの位置を通じて炉心を通過する高い湿分キャリーオーバを有する湿潤減速材をもたらす可能性がある。例示的な実施形態の炉心２３６は、増大した炉心流量に対して高い損失係数を提供し、すなわち、従来の炉心と比較して、位置「３」及び「４」のオリフィスを有する中間バンドルを通る流体減速材／冷却材に対して増大した炉心流量を用いてサイクル条件の終了時に更に少ない流れを提供する。このようにして、例示的な実施形態の炉心２３６は更に、増大した炉心流量で運転しているプラントにおいて、湿分キャリーオーバを低減し、蒸気品質及びプラント効率を高め、サイクル寿命を延ばすことができる。
【００２２】
他の例示的な実施形態の炉心構成は、例示的な実施形態の燃料支持体及び個別化されたオリフィスにより達成することができる。例えば、図６の以下の事象１から３に示すように、例示的な実施形態の炉心２３６の内側周辺位置「３」及び「４」の両方で単一タイプの中間オリフィスだけが使用され、燃料支持体の標準化を改善し、又は他の炉心流量特性を達成することができる。或いは、例えば、より高い損失係数を有する入口オリフィスを制御される位置にて用いることができ、これら制御位置は、通常は少ない減速材及び冷却材を必要とする制御ブレードに直接隣接するバンドル位置である。制御位置にて例示的な実施形態の燃料支持体を用いて冷却材／減速材流を制限すると、湿分キャリーオーバが更に減少し、及び／又はより高エネルギーの燃料バンドルに追加の流れを提供してプラント効率を高めることができる。例示的な実施形態の燃料支持体により提供される柔軟性に起因して、適正な燃料バンドル構成によりほぼあらゆる所望の流量特性が達成され、結果として、所望の冷却材流特性、すなわちエネルギー生成又は安全余裕に適合する特性を有する例示的な実施形態の炉心構成を得ることができる。
【００２３】
発明者らは、２つよりも多い異なる入口オリフィスひいてはバンドル流量特性を有する例示的な実施形態の燃料支持体及び炉心と、２つのみの中央及び周辺入口オリフィス流量特性を有する従来の炉心とを比較した。図６は、例示的な実施形態の炉心の中央位置にて例示的な実施形態の燃料支持体を通る冷却材／減速材流と、従来の炉心の中央位置における従来の燃料支持体オリフィスを通る冷却材／減速材流とのパーセント差分の結果を示すグラフである。図６は更に、同じ事象（ライン及び点）間での最小限界出力比（ＭＣＰＲ、単一の燃料バンドルにおける限界沸騰遷移を生じる出力レベルと運転出力レベルとの比）の値の変化を示している。
【００２４】
図６の結果を得るために、公知のＰＡＮＡＣＥＡ（ＴＲＡＣＧ０４／ＰＡＮＡＣ１１）炉心熱力学コードを用いて、同じ全炉心流量７７Ｍｌｂ／ｈｒ及び１００％定格出力に対するエネルギー密度５４ｋｗ／ｌを有する５つのＥＳＢＷＲ炉心をシミュレートした。各炉心は、図５に示す例示的な実施形態の炉心２３６のレイアウトのような、関連位置において１１３２個のバンドルを収容していた。例示的な実施形態の炉心に関して行われたように、異なる炉心位置において異なる損失計数及び流量を達成するために、シミュレーションにいて変化する唯一のパラメータは、特定の位置における燃料支持体構成であった。例外は事象５であり、事象４のパラメータと同じパラメータを用いているが、運転サイクル長が異なり、最適化された燃料設計と組み合わせた低い再装荷燃料要件を有する。表１は、図６に示す事象１から５のパラメータの変化を要約している。
【００２５】
【表１】
事象１から５のシミュレートチャンネル流及びＭＣＰＲ値は、対照事象のシミュレートチャンネル流及びＭＣＰＲ値の結果と比較し、パーセント変化又は値差分を図６にグラフで示した。図６に示すように、２つよりも多い異なるタイプのオリフィスを用いた各例示的な実施形態の炉心は、チャンネル流及びＭＣＰＲにおいて有意な改善を示した（少なくとも３％の増大、及び少なくとも０．０２の改善）。現行のウランコストでは、運転中の商用軽水炉において０．０１のＭＣＰＲの改善ごとに、およそ４００，０００．００ドルの燃料コスト低減をもたらすことになる。従って、オリフィス及び関連のバンドルの炉心位置に基づいて可変のオリフィス特性及び流量を備えた例示的な実施形態の燃料支持体は、原子炉効率を高めるために例示的な実施形態の原子炉心にて用いることができる。
【００２６】
（例示的な方法）
例示的な方法は、炉心内の複数の異なる所望のレベルの冷却材／減速材流を達成するためにカスタマイズされた燃料支持体を有する原子炉心構成をもたらす。図７に示すように、Ｓ１００において、最適化のための燃料特性、バンドル位置、炉心運転パラメータ、その他を含む既知の炉心構成を識別する。例えば、Ｓ１００において、プログラムが複数の原子炉運転特性に関する入力を受け取ることができる。Ｓ１１０において、１つ又はそれ以上の損失係数は、既知の炉心構成における１つ又はそれ以上の関連のバンドル位置について提案され又は修正される。例えば、Ｓ１１０において、ユーザがバンドル位置の流れ損失係数を入力又は変更することができ、或いは、コンピュータプロセッサが、許容可能な範囲内で全ての可能性のある流れ損失係数を周期的に繰り返すことができる。Ｓ１２０において、結果として各バンドル位置に対して修正された炉心流量係数を有する炉心が、熱力学炉心モデル化コードでシミュレーションされる。Ｓ１３０において、中央バンドル流量及びＭＣＰＲなどの変数を含む結果は、シミュレータにより判定され、分析又は比較が出力される。例えば、Ｓ３１０において、ユーザ又はコンピュータプログラムは、結果として得られた炉心運転パラメータが最小性能閾値を超えたかどうかを判定し、又は運転結果を異なる流量の損失係数に関する前回の反復からの前回の結果と比較することができる。任意選択的に、動作Ｓ１００、Ｓ１１０、Ｓ１２０、及び／又はＳ１３０は、特定の炉心についての許容可能な又は最良の流れ損失係数マップが求められるまで任意の反復回数で繰り返すことができる。Ｓ１４０において、各炉心位置において受け入れられた流れ損失係数を有する燃料支持体構成を識別することにより、受け入れられた流れ損失係数マップが得られる。次いで、Ｓ１４０において、例示的な実施形態の燃料支持体は、各炉心位置における識別された流れ損失係数を得るように作製又は他の方法で構成することができる。
【００２７】
Ｓ１００からＳ１４０を含む例示的な方法は、炉心内の各バンドル位置について、又は対象のバンドル位置のサブセットについて実行することができる。或いは、例示的な方法は、例えば、炉心運転特性を最適化するため、又は、特定のバンドル位置に関する限定的な問題を解決するために、特定のバンドルに対してのみ実行することができる。同様に、例示的な方法は、炉心設計の不可欠な部分として、或いは、他の既知の炉心設計方法と交互に及び／又は反復的に実施される別個のステップとして用いることができる。例えば、既知の炉心設計プログラムは、燃料バンドル特性を用いた炉心マップ及び同形のオリフィス構成及び関連の流れ損失係数を用いた炉心パラメータを出力することができる。次に、Ｓ１００からＳ１４０を含む例示的な方法は、流れ損失係数を含む運転特性が変化した、一部又は全ての燃料バンドル位置について実施することができる。次に、炉心設計プログラムは、修正した特性に関して再実行することができ、実施例及び他の最適化方法を伴うこの炉心構成は、これ以上最適化が実施可能ではないか、必要ではなくなるまで継続することができる。或いは、例示的な方法は、他の既知の炉心設計方法の不可欠な部分として用いることができ、炉心設計プロセスの追加の変数としてオリフィス構成により影響を受ける流れ損失係数パラメータを処理する。また、１つ又はそれ以上の動作Ｓ１００からＳ１４０は、燃料サービス及びライセンス状況において異なるプログラム又は当事者が実行してもよい点は理解される。
【００２８】
以上、例示的な実施形態及び方法を説明してきたが、当該例示的な実施形態は、これ以上の発明的活動もなく日常的な経験を介して例示的な実施形態を変更できることは、当業者には理解されるであろう。例えば、上記の開示事項を読むと、記載された特定の例示的な実施形態とは別の炉心構成及び燃料支持体形状及び能力を達成できることは容易に理解される。種々の変形形態は、例示的な実施形態の技術的思想及び範囲から逸脱するものとみなすべきではなく、当業者には明らかであるこのような全ての修正は、以下の請求項の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２９】
３ 主蒸気ノズル
１２ 原子炉圧力容器（ＲＰＶ）
１５ 蒸気乾燥器構造体
２０ 制御ブレード
２１ 開口
２８ ボトムヘッド
２９ トップヘッド
３４ シュラウド
３６ 原子炉心、炉心
３８ シュラウド支持体
４８ 燃料支持体
４９ 炉心プレート
５０ 計装管
８０ 冷却材流れ
９０ 開口
９５ 下側オリフィス
１２１ 制御ブレード開口
１４８ 燃料支持体
１８０ 冷却材流れ
１９０ 燃料バンドル開口
１９５ 入口オリフィス
１９５ａ 入口オリフィス
１９５ｂ 入口オリフィス
２３６ 炉心
Ｓ１００ 識別ステップ
Ｓ１１０ 修正ステップ
Ｓ１２０ シミュレートステップ
Ｓ１３０ 分析ステップ
Ｓ１４０ 構成ステップ
【技術分野】
【０００１】
本願は、最適化された燃料支持体及びこれを用いた原子炉心を作製する方法に関する
【背景技術】
【０００２】
図１に示すように、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）などの従来の原子炉は、ほぼ円筒形の原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１２を含むことができる。ＲＰＶ１２は、ボトムヘッド２８により下端部に及び取り外し可能なトップヘッド２９により上端部にて閉鎖することができる。円筒形状の炉心シュラウド３４は原子炉心３６を囲むことができ、該原子炉心は、核分裂を通じて出力を発生する複数の核燃料要素又は集合体を含み、本明細書ではバンドルと呼ばれる。シュラウド３４は、一方端において、シュラウド支持体３８により支持することができ、他方端には、取り外し可能なシュラウドヘッド３９及びセパレータ管組立体を含むことができる。１つ又はそれ以上の制御ブレード２０が炉心３６内に上向きに延びて、炉心３６の燃料要素内の核分裂連鎖反応を制御するようにすることができる。加えて、１つ又はそれ以上の計装管５０が、ＲＰＶ１２の外部から底部ヘッド２８を通過することなどにより原子炉心３６内部に延びて、中性子モニタ及び熱電対などの計測器を外部の位置から炉心３６内に挿入し且つその内部に密閉可能にすることができる。
【０００３】
燃料バンドルは、炉心３６のベースにて炉心プレート４９上に配置される燃料支持体４８により整列及び支持することができる。燃料支持体４８は、個々の燃料バンドル又はバンドルのグループを受け取り、ここを通る冷却材の流れを可能にすることができる。燃料支持体４８は更に、計測管５０、制御ブレード２０、及び／又は他の構成要素が燃料支持体４８を通過して又はその間で炉心３６内に入ることを可能にすることができる。軽水又は重水などの流体は、炉心３６及び炉心プレート４８を通って上方に循環され、ＢＷＲでは、燃料要素の核分裂によって発生する熱により少なくとも部分的に蒸気に転換される。蒸気は、セパレータ管組立体及び蒸気乾燥器構造体１５において分離及び乾燥され、ＲＰＶ１２の上部付近の主蒸気ノズル３を通ってＲＰＶ１２から流出する。相変化に関わりなく、他の原子炉設計においては他の流体冷却材／減速材を用いることもできる。
【０００４】
図２Ａ及び２Ｂは、例えば、最大４つの個々の燃料バンドルを受け取り且つ支持することができる、図１の原子炉プラントで使用可能な従来技術の燃料支持体４８の詳細図である。図２Ａ及び２Ｂに示すように、燃料支持体４８は、燃料バンドルの下端部を受け入れ、燃料支持体４８内に収められる燃料バンドルを支持し整列させるような形状にされた開口９０を含む。開口９０は開放され、冷却材流が燃料支持体４８を通ってそこに支持された燃料バンドル内に流入するのを可能にする。開口９０は、入口又は下側オリフィス９５から燃料支持体４８を通る流体流を受け入れ、冷却材／減速材が燃料支持体４８を流れるのを可能にする。十字形又はその他の開口２１は、制御ブレード２０が燃料支持体４８によって支持されるバンドル間を通過するのを可能にすることができる。しかしながら、制御ブレード２０は、可能な全ての炉心位置に存在することはできず、その結果、開口２１が無充填となるか、又は存在しないこともある点は理解される。
【０００５】
図３は、従来の原子炉心３６の四分円を示す、従来炉心マップの例図である。図３における各グリッド位置は、各燃料バンドルが燃料支持体の関連する開口内に収められた状態にある、炉心３６内の燃料バンドル位置を表している。図３における各グリッド位置は、従来の原子炉心３６内の燃料支持入口オリフィス構成を示す数字で識別される。すなわち、従来のオリフィス９５（図２Ａ及び２Ｂ）は、炉心を通る２つの異なる流量を実現するために２つの異なるサイズ又は直径を有する。炉心３６において「１」で表記されるグリッド位置は、中央燃料バンドルのサイズにされたオリフィスを有する位置に相当する。位置「１」における中央燃料バンドルのオリフィスが多数になるほど、関連の位置において燃料支持体及び燃料バンドルを通過する冷却材及び減速材の流れをより増大させることができる。位置「２」における周辺燃料バンドルのオリフィスがより少数になるほど、周辺でのバンドルに流入する冷却材及び減速材の流れをより少なくすることができる。このようにして、図３に示すように、従来の炉心３６は、炉心内の燃料バンドルの最外リング又は周辺において生じる流体流をより低レベルにした状態で、中央燃料バンドルを通る流体流を標準とし、すなわちより多くすることができる。
【発明の概要】
【０００６】
例示的な実施形態は、燃料支持体並びに該燃料支持体を含む原子炉心に関する。例示的な実施形態の燃料支持体は、冷却材／減速材が燃料支持体を通って該支持体内に収められた関連の燃料バンドルに流れることを可能にする入口オリフィスを含み、入口オリフィスは、関連の燃料バンドルを通る冷却材／減速材の流量などの所望の流体流れ特性を達成するよう特別に設計されている。所望の流体流れ特性は、原子炉の炉心内の入口オリフィスと関連するバンドルの一部に基づいて決定することができる。関連の異なる流体流れ特性を有するあらゆる数の異なるように構成された入口オリフィスを炉心全体及び個々の支持体内で用いることができる。例示的な実施形態の燃料支持体構成は、例えば、既知の条件下での所望の流れ損失係数又は流量を達成するため、異なる入口オリフィス直径、又はフィルタ、ベンチェリ、チョークプレート、その他などの流れ閉塞物の使用を含むことができる。例示的な実施形態の燃料支持体は、原子炉の炉心プレート内に位置付けることができ、冷却材／減速材及び場合によっては制御ブレード及び計装管が、燃料支持体を通る又はその間を通過することが可能になる。複数の例示的な実施形態の燃料支持体は、原子炉心のベースに配置することができ、各支持体は、関連の燃料バンドル位置において所望の流れ特性を得るための物理的構成を有する。例えば、外側炉心周辺、内側炉心周辺、及び炉心の中央部において、３つの異なる構成を用いることができる。外側周辺における構成は、各側部上の燃料バンドルによって囲まれない炉心の縁部にある位置であり、最大流れ損失係数を有し、少ない減速及び熱伝達が要求される周辺バンドルへの冷却材／減速材の流れを制限することができる。外側周辺の直ぐ内側の２つ又は３つのバンドル位置として定義される内側周辺の構成は、中間の流れ損失係数を有することができ、中央部分においける構成は、最低の流れ損失係数を有することができ、最大出力レベルにおいて中央バンドルへの最も高いレベルの冷却材／減速材の流れを提供する。
【０００７】
例示的な方法は、原子炉心における燃料支持体の流路特性を構成する。例示的な方法は、特定のバンドル位置において流れ損失係数を修正し、修正流れ損失係数を用いて炉心性能をシミュレートし、シミュレートした炉心性能を分析し、及び／又は修正した流れ損失係数を達成するよう少なくとも１つの燃料支持体を構成することを含むことができる。分析は、所望の性能特性に対してシミュレートした炉心性能を比較し、或いは、シミュレートした炉心性能を異なる流れ損失係数を有する前回シミュレートした炉心性能と比較し、これを繰り返すことによって実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来の核燃料原子炉の例図。
【図２Ａ】従来の燃料支持体の図。
【図２Ｂ】従来の燃料支持体の別の図。
【図３】従来の原子炉心の炉心マップの例図。
【図４】例示的な実施形態の燃料支持体の例図。
【図５】例示的な実施形態の原子炉心の炉心マップの例図。
【図６】従来の燃料支持体に対して例示的な実施形態を用いた実験結果のグラフ。
【図７】例示的な方法を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下において、添付図面を参照しながら例示的な実施形態を詳細に説明する。しかしながら、本明細書で開示される特定の構造及び機能の詳細事項は、単に例示的な実施形態を説明する目的で表しているに過ぎない。例えば、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に関連した例示的な実施形態及び方法を説明しているが、例示的な実施形態及び方法は、ＰＷＲ、ＥＳＢＷＲ、重水炉、増殖炉、その他を含む、全て冷却材／減速材を用いた幾つかの他の原子炉タイプで使用可能である点は理解される。例示的な実施形態は、多くの代替形態で具現化することができ、本明細書で記載される例示的な実施形態にのみ限定されるものと解釈すべきではない。
【００１０】
第１、第２、その他の用語は、本明細書で様々な要素を説明するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきでないことは理解されるであろう。これらの用語は、単に、ある要素を別の要素と区別するのに使用される。例えば、例示的な実施形態の技術的範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、また同様に第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で用いる場合に「及び／又は」という用語は、関連する記載項目の１つ又はそれ以上のいずれか及び全ての組合せを含む。
【００１１】
ある要素が別の要素と「接続」、「結合」、「嵌合」、「取り付け」、又は「固定」されていると言及される場合、ある要素は他方の要素に直接接続又は結合することができ、或いは、介在する要素が存在できる点は理解される。これとは対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続」又は「直接結合」されていると言及される場合には、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するのに使用される他の用語も同様に解釈すべきである（例えば、「〜間」と「〜間に直接」、「隣接」と「直近」、その他）。
【００１２】
本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。更に、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。
【００１３】
幾つかの代替の実施においては、記載された機能／動作は、図に記載された順序又は本明細書において説明した順序とは異なる順序で行うことができる点に留意されたい。例えば、連続して示した２つの図は、含まれる機能／動作に応じてほぼ同時に実施することができ、又は逆の順序で実施することもできる。
【００１４】
（例示的な実施形態）
図４は、最適化された流体流れ特性を有する入口オリフィス１９５を含む例示的な実施形態の燃料支持体１４８の図である。例示的な実施形態の燃料支持体は、支持体内に収められる燃料バンドルに対して整列、支持、及び冷却材／減速材流を提供するよう、図２Ａ及び２Ｂに示す従来の燃料支持体４８と同様に図示され、或いはこれと置き換えて用いることができ、例えば、最適制御ブレード開口１２１及び／又は４つの燃料バンドル開口１９０は、従来の燃料支持特性に一致するよう例示的な実施形態の燃料支持体１４８内に存在することができる。しかしながら、例示的な実施形態の燃料支持体は、従来の燃料支持体４８（図２Ａ及び２Ｂ）及び図４に示す例示的な実施形態の燃料支持体１４８とは異なる幾つかの特徴及び構成（物理的形状、開口の数、制御ブレードへの適応、その他）を有することができる点は理解される。例示的な実施形態の燃料支持体１４８は、原子炉心内の位置に基づいて、関連の燃料バンドルを通る流体流量を最適化するよう特別なサイズにされ又は構成された１つ又はそれ以上の入口オリフィス１９５を含む。個々の入口オリフィス１９５ａ、ｂは各々、独自に構成されて互いとは異なることができ、或いは、実質的に同じであってもよい。炉心内の異なる例示的な実施形態の燃料支持体１４８の入口オリフィス１９５は、全てオリフィス１９５の位置での所望の流れ特性に基づいて、他の燃料支持体の他の何れかの入口オリフィスと同じように構成することができ、或いは、完全に独自に構成することができる。すなわち、例示的な実施形態の燃料支持体１４８は、それぞれの異なる直径ｄa及びｄbを有する２つの入口オリフィス１９５ａ及び１９５ｂを備えて図示されているが、例示的な実施形態の燃料支持体１４８における全ての入口オリフィスは、同じ直径と他の態様を有することができると共に、図４に示していないコア内の他の場所に位置付けられた他の例示的な実施形態の燃料支持体においては他の入口オリフィスとは異なることができる点は理解される。例示的な実施形態の燃料支持体のオリフィス構成及び関連の流体流れ特性を決定する例示的な方法について、以下の例示的な実施形態を下記にて検討する。
【００１５】
例示的な実施形態の燃料支持体１４８の入口オリフィス１９５は、プラント運転中に関連のバンドルを通る所望の流れレベルの冷却材／減速材を提供するよう物理的に構成される。この構成は、幾つかの方法で達成することができる。例えば、入口オリフィス１９５ａの直径ｄaは、そこを貫通する所望のレベルの冷却材流れ１８０ａを可能にするよう、燃料支持体１４８の製造中に設定することができる。同様に、直径ｄａは、製造後に例えば機械加工又は再成形により達成又は調整することができる。或いは、例えば、入口オリフィス１９５ｂの直径ｄbは、環状チョークプレートのような、そこを通す所望の低流量１８０ｂを達成するため直径ｄbを低減するインサートを付加することによって達成又は調整することができる。加えて、例示的な実施形態の燃料支持体１４８において入口オリフィス１９５の何れかの側部上にインサート、バッフル、フィルタ、及び／又は他の何れかの構造体を用いて、プラント運転中に所与の入口オリフィス１９５の流体流れ損失係数及び該入口オリフィス１９５を通る結果として得られる流体流れの量を所望の量にまで影響を与えることができる。例えば、流れ制限器又は閉塞物を流路内の開口１９０の前又は内部に配置し、関連の入口オリフィス１９５内に流れ、最終的には関連の開口１９０内に収められる燃料バンドルを通過する冷却材／減速材の量を調整することができる。
【００１６】
例示的な実施形態の燃料支持体１４８における入口オリフィス１９５の種々の直径及び／又は他の構成によって許容される冷却材／減速材のレベルは、あらゆる所望のレベルに設定することができる。所与の流体に対してこれらの構成により生じる局所流れ損失係数は、運転中の原子炉プラントにおいて個々の入口オリフィス１９５の機能性を比較する共通の評価基準を提供することができる。共通の入口圧力及び流体において、より大きな損失係数は、オリフィス及び関連する燃料バンドルを通るより少ない流体減速材／冷却材流と相関され、結果として減速及び燃料使用量が少なくなり、他のバンドルに多くの流れが配向されることになる。より大きな損失係数は、例示的な実施形態の燃料支持体１４８において、上述のように、入口オリフィス１９５の直径を減少させ及び／又は入口オリフィス１９５又は燃料支持体１４８内に流れ遮断構造を設けることによって達成することができる。同じ共通の入口圧力及び冷却材／減速材流体の下では、より低い損失係数は、オリフィス及び関連の燃料バンドルを通るより大きな流体減速材／冷却材流と相関され、結果としてより大きな減速及び核分裂エネルギーが生成されると共に、他のバンドルが利用可能な流れが減少することになる。より低い損失係数は、例示的な実施形態の燃料支持体１４８において、入口オリフィス１９５の直径を増大させ及び／又は例示的な実施形態の燃料支持体１４８内の流れ遮断構造を取り除くことによって達成することができる。当該オリフィスの望ましい流量特性に基づいて、複数の異なるタイプのオリフィス構成を同じ燃料支持体１４８上で、或いは同じ入口オリフィス１９５上でも一緒に用いることができる。
【００１７】
図５は、例示的な実施形態の炉心２３６の四分円が例示的な実施形態の燃料支持体１４８（１４８）をどのように実装できるかを示す炉心マップの例図である。図５における各グリッド位置は、バンドル内に冷却材／減速材流１８０を提供する燃料バンドル位置及び関連の入口オリフィス１９５（図４）に相当する。従って、例示的な実施形態の燃料支持体１４８（図４）は、オリフィスの数及び例示的な実施形態の燃料支持体の形状に応じて、図５の１つ又はそれ以上のグリッド位置にわたることができる点は理解される。例示的な実施形態の炉心２３６は、四分円において１９×１９の半径方向燃料バンドルで図示されているが、ＢＷＲ、ＥＳＢＷＲ、ＡＢＷＲ、ＰＷＲ、非ＬＷＲ設計、及び／又はオリフィスを備えた燃料支持体が使用可能な他のあらゆるタイプの原子炉設計を含む、例示的な実施形態及び方法に対して他の数の燃料バンドル及び炉心形状も使用可能である点は理解される。
【００１８】
図５に示すように、各グリッド位置は、数字「１」、「２」、「３」、「４」のグリッド位置で表示される固有のオリフィス構成と関連付けられる。図５の凡例において図示されるように、位置「１」の入口オリフィスは中央構成を有し、最低の損失係数が、例えば、最大オリフィス直径及び／又は最少流れ障害物により達成される。位置「２」の入口オリフィスは外側周辺構成を有し、最大損失係数及び最小オリフィス直径／最多の流れ障害物を有する。具体的な一実施例として、中央位置「１」の例示的な実施形態の燃料支持体におけるオリフィスの損失係数は、周辺位置「２」のオリフィスの損失係数の約２０〜２５％（例えば、２１％）であり、すなわち、位置「２」においてより大きな流れ損失及びより少ない流れが生じる可能性がある。外側周辺の直ぐ内側の２つ又は３つのバンドル位置として本明細書で定義される内側周辺位置「３」及び「４」のオリフィスは、中央位置「１」と周辺位置「２」のオリフィスの損失係数の間の中間損失係数を有する。例えば、位置「３」のオリフィスは、周辺位置「２」のオリフィスの損失係数の約７７〜８３％（例えば、８０％）を有することができ、位置「４」のオリフィスは、周辺位置「２」のオリフィスの損失係数の約３７〜４３％（例えば、４０％）を有することができる。燃料支持体における異なるオリフィスのこれらの固有の損失係数は、オリフィス直径の変更、流れ障害物の追加／除去、その他を含む、上記で検討した流れパラメータを変更するため上述の異なる構成技術によって達成することができる。
【００１９】
このようにして、例示的な実施形態の炉心２３６は、最大損失係数の外側周辺オリフィスから最低損失係数の中央オリフィスまでの間の中間の損失係数の変動値を備えた複数のタイプのオリフィスを有する例示的な実施形態の燃料支持体を含む。図５に示す四分円を３つの軸線を中心として鏡映させ、これら３つの軸線に関して対称なオリフィスレイアウトの全体の例示的な実施形態の炉心２３６を生成することができる。
【００２０】
例示的な実施形態の炉心２３６内の周辺及び中間位置「２」、「３」及び「４」におけるバンドルは、より低い燃料濃縮度（経年又は初期濃縮）を有し、炉心境界の大きな中性子損失を生じやすい可能性があり、結果としてより低い核分裂エネルギーを生成することになる。周辺及び内側周辺位置のより低い出力レベルに起因して、これらの位置においては、動作温度及び最大出力生成時にバンドルを維持するために必要となる減速材／冷却材がより少なくなる可能性がある。例示的な実施形態の炉心２３６は、中間すなわち内側周辺位置の同じバンドルに対して完全に中央オリフィスを提供する図３に示す炉心のような従来の炉心と比較して、位置「３」及び「４」のオリフィスを有する中間バンドルを通る流体減速材／冷却材に対してより高い損失係数、従って少ない流れを提供する。このようにして、例示的な実施形態の炉心２３６は、図３に示すもののような従来の炉心と比べて、中央位置「１」においてバンドルに多くの減速材／冷却材を配向し、中間周辺位置「３」又は「４」においてバンドルに少ない減速材／冷却材を配向することができる。中央の位置「１」におけるバンドルは、中間又は周辺の位置「２」、「３」又は「４」に比べてより高い濃縮度及び出力率を有することができる。従って、中央の位置「１」におけるバンドルは、例示的な実施形態の炉心２３６において冷却材／減速材からの増大した中性子減速及び流体エネルギー移動による恩恵を受けることができる。
【００２１】
更に、運転サイクルの終了付近では、所与の炉心のバンドルは、核分裂可能な材料がより減損しており、例示的な実施形態の炉心２３６における周辺及び中間位置「２」、「３」及び「４」のバンドルは、経年及び低初期濃縮度に起因して特に低い燃料濃縮度を有することができる。サイクル条件の終了時のオペレータは、合計炉心流量を増大させ、減損バンドルに追加の減速材を提供し、通常の又は定格の炉心流が持続できるレベルから更に数日の間核分裂連鎖反応を維持するようにすることができる。しかしながら、周辺及び内側周辺位置での低濃縮度及び中性子損失による低出力レベルに起因して、サイクル条件の終了時の増大した減速材／冷却材は、周辺及び内側周辺位置上では利用されず、これらの位置を通じて炉心を通過する高い湿分キャリーオーバを有する湿潤減速材をもたらす可能性がある。例示的な実施形態の炉心２３６は、増大した炉心流量に対して高い損失係数を提供し、すなわち、従来の炉心と比較して、位置「３」及び「４」のオリフィスを有する中間バンドルを通る流体減速材／冷却材に対して増大した炉心流量を用いてサイクル条件の終了時に更に少ない流れを提供する。このようにして、例示的な実施形態の炉心２３６は更に、増大した炉心流量で運転しているプラントにおいて、湿分キャリーオーバを低減し、蒸気品質及びプラント効率を高め、サイクル寿命を延ばすことができる。
【００２２】
他の例示的な実施形態の炉心構成は、例示的な実施形態の燃料支持体及び個別化されたオリフィスにより達成することができる。例えば、図６の以下の事象１から３に示すように、例示的な実施形態の炉心２３６の内側周辺位置「３」及び「４」の両方で単一タイプの中間オリフィスだけが使用され、燃料支持体の標準化を改善し、又は他の炉心流量特性を達成することができる。或いは、例えば、より高い損失係数を有する入口オリフィスを制御される位置にて用いることができ、これら制御位置は、通常は少ない減速材及び冷却材を必要とする制御ブレードに直接隣接するバンドル位置である。制御位置にて例示的な実施形態の燃料支持体を用いて冷却材／減速材流を制限すると、湿分キャリーオーバが更に減少し、及び／又はより高エネルギーの燃料バンドルに追加の流れを提供してプラント効率を高めることができる。例示的な実施形態の燃料支持体により提供される柔軟性に起因して、適正な燃料バンドル構成によりほぼあらゆる所望の流量特性が達成され、結果として、所望の冷却材流特性、すなわちエネルギー生成又は安全余裕に適合する特性を有する例示的な実施形態の炉心構成を得ることができる。
【００２３】
発明者らは、２つよりも多い異なる入口オリフィスひいてはバンドル流量特性を有する例示的な実施形態の燃料支持体及び炉心と、２つのみの中央及び周辺入口オリフィス流量特性を有する従来の炉心とを比較した。図６は、例示的な実施形態の炉心の中央位置にて例示的な実施形態の燃料支持体を通る冷却材／減速材流と、従来の炉心の中央位置における従来の燃料支持体オリフィスを通る冷却材／減速材流とのパーセント差分の結果を示すグラフである。図６は更に、同じ事象（ライン及び点）間での最小限界出力比（ＭＣＰＲ、単一の燃料バンドルにおける限界沸騰遷移を生じる出力レベルと運転出力レベルとの比）の値の変化を示している。
【００２４】
図６の結果を得るために、公知のＰＡＮＡＣＥＡ（ＴＲＡＣＧ０４／ＰＡＮＡＣ１１）炉心熱力学コードを用いて、同じ全炉心流量７７Ｍｌｂ／ｈｒ及び１００％定格出力に対するエネルギー密度５４ｋｗ／ｌを有する５つのＥＳＢＷＲ炉心をシミュレートした。各炉心は、図５に示す例示的な実施形態の炉心２３６のレイアウトのような、関連位置において１１３２個のバンドルを収容していた。例示的な実施形態の炉心に関して行われたように、異なる炉心位置において異なる損失計数及び流量を達成するために、シミュレーションにいて変化する唯一のパラメータは、特定の位置における燃料支持体構成であった。例外は事象５であり、事象４のパラメータと同じパラメータを用いているが、運転サイクル長が異なり、最適化された燃料設計と組み合わせた低い再装荷燃料要件を有する。表１は、図６に示す事象１から５のパラメータの変化を要約している。
【００２５】
【表１】
事象１から５のシミュレートチャンネル流及びＭＣＰＲ値は、対照事象のシミュレートチャンネル流及びＭＣＰＲ値の結果と比較し、パーセント変化又は値差分を図６にグラフで示した。図６に示すように、２つよりも多い異なるタイプのオリフィスを用いた各例示的な実施形態の炉心は、チャンネル流及びＭＣＰＲにおいて有意な改善を示した（少なくとも３％の増大、及び少なくとも０．０２の改善）。現行のウランコストでは、運転中の商用軽水炉において０．０１のＭＣＰＲの改善ごとに、およそ４００，０００．００ドルの燃料コスト低減をもたらすことになる。従って、オリフィス及び関連のバンドルの炉心位置に基づいて可変のオリフィス特性及び流量を備えた例示的な実施形態の燃料支持体は、原子炉効率を高めるために例示的な実施形態の原子炉心にて用いることができる。
【００２６】
（例示的な方法）
例示的な方法は、炉心内の複数の異なる所望のレベルの冷却材／減速材流を達成するためにカスタマイズされた燃料支持体を有する原子炉心構成をもたらす。図７に示すように、Ｓ１００において、最適化のための燃料特性、バンドル位置、炉心運転パラメータ、その他を含む既知の炉心構成を識別する。例えば、Ｓ１００において、プログラムが複数の原子炉運転特性に関する入力を受け取ることができる。Ｓ１１０において、１つ又はそれ以上の損失係数は、既知の炉心構成における１つ又はそれ以上の関連のバンドル位置について提案され又は修正される。例えば、Ｓ１１０において、ユーザがバンドル位置の流れ損失係数を入力又は変更することができ、或いは、コンピュータプロセッサが、許容可能な範囲内で全ての可能性のある流れ損失係数を周期的に繰り返すことができる。Ｓ１２０において、結果として各バンドル位置に対して修正された炉心流量係数を有する炉心が、熱力学炉心モデル化コードでシミュレーションされる。Ｓ１３０において、中央バンドル流量及びＭＣＰＲなどの変数を含む結果は、シミュレータにより判定され、分析又は比較が出力される。例えば、Ｓ３１０において、ユーザ又はコンピュータプログラムは、結果として得られた炉心運転パラメータが最小性能閾値を超えたかどうかを判定し、又は運転結果を異なる流量の損失係数に関する前回の反復からの前回の結果と比較することができる。任意選択的に、動作Ｓ１００、Ｓ１１０、Ｓ１２０、及び／又はＳ１３０は、特定の炉心についての許容可能な又は最良の流れ損失係数マップが求められるまで任意の反復回数で繰り返すことができる。Ｓ１４０において、各炉心位置において受け入れられた流れ損失係数を有する燃料支持体構成を識別することにより、受け入れられた流れ損失係数マップが得られる。次いで、Ｓ１４０において、例示的な実施形態の燃料支持体は、各炉心位置における識別された流れ損失係数を得るように作製又は他の方法で構成することができる。
【００２７】
Ｓ１００からＳ１４０を含む例示的な方法は、炉心内の各バンドル位置について、又は対象のバンドル位置のサブセットについて実行することができる。或いは、例示的な方法は、例えば、炉心運転特性を最適化するため、又は、特定のバンドル位置に関する限定的な問題を解決するために、特定のバンドルに対してのみ実行することができる。同様に、例示的な方法は、炉心設計の不可欠な部分として、或いは、他の既知の炉心設計方法と交互に及び／又は反復的に実施される別個のステップとして用いることができる。例えば、既知の炉心設計プログラムは、燃料バンドル特性を用いた炉心マップ及び同形のオリフィス構成及び関連の流れ損失係数を用いた炉心パラメータを出力することができる。次に、Ｓ１００からＳ１４０を含む例示的な方法は、流れ損失係数を含む運転特性が変化した、一部又は全ての燃料バンドル位置について実施することができる。次に、炉心設計プログラムは、修正した特性に関して再実行することができ、実施例及び他の最適化方法を伴うこの炉心構成は、これ以上最適化が実施可能ではないか、必要ではなくなるまで継続することができる。或いは、例示的な方法は、他の既知の炉心設計方法の不可欠な部分として用いることができ、炉心設計プロセスの追加の変数としてオリフィス構成により影響を受ける流れ損失係数パラメータを処理する。また、１つ又はそれ以上の動作Ｓ１００からＳ１４０は、燃料サービス及びライセンス状況において異なるプログラム又は当事者が実行してもよい点は理解される。
【００２８】
以上、例示的な実施形態及び方法を説明してきたが、当該例示的な実施形態は、これ以上の発明的活動もなく日常的な経験を介して例示的な実施形態を変更できることは、当業者には理解されるであろう。例えば、上記の開示事項を読むと、記載された特定の例示的な実施形態とは別の炉心構成及び燃料支持体形状及び能力を達成できることは容易に理解される。種々の変形形態は、例示的な実施形態の技術的思想及び範囲から逸脱するものとみなすべきではなく、当業者には明らかであるこのような全ての修正は、以下の請求項の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００２９】
３ 主蒸気ノズル
１２ 原子炉圧力容器（ＲＰＶ）
１５ 蒸気乾燥器構造体
２０ 制御ブレード
２１ 開口
２８ ボトムヘッド
２９ トップヘッド
３４ シュラウド
３６ 原子炉心、炉心
３８ シュラウド支持体
４８ 燃料支持体
４９ 炉心プレート
５０ 計装管
８０ 冷却材流れ
９０ 開口
９５ 下側オリフィス
１２１ 制御ブレード開口
１４８ 燃料支持体
１８０ 冷却材流れ
１９０ 燃料バンドル開口
１９５ 入口オリフィス
１９５ａ 入口オリフィス
１９５ｂ 入口オリフィス
２３６ 炉心
Ｓ１００ 識別ステップ
Ｓ１１０ 修正ステップ
Ｓ１２０ シミュレートステップ
Ｓ１３０ 分析ステップ
Ｓ１４０ 構成ステップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉で使用するための燃料支持体（１４８）であって、核燃料バンドルを受けるような形状にされた開口（２１）と入口オリフィス（１９５）とによって前記支持体（１４８）を通る流体流路が定められ、該流体流路が前記原子炉の炉心内の内側周辺バンドル位置における流体流れ特性用に構成されている、燃料支持体（１４８）。
【請求項２】
前記燃料支持体（１４８）が２つの入口オリフィス（１９５）を定め、該２つの入口オリフィス（１９５）の各々が、互いに異なる構成及び関連流体流れ特性を有する、請求項１に記載の燃料支持体（１４８）。
【請求項３】
前記２つの入口オリフィス（１９５）が各々、互いに異なる直径を有する、請求項２に記載の燃料支持体（１４８）。
【請求項４】
前記燃料支持体（１４８）が前記原子炉内の炉心プレートに接続され、該燃料支持体（１４８）が更に制御ブレード用の開口を定める、請求項１に記載の燃料支持体（１４８）。
【請求項５】
前記流路が、前記入口オリフィス（１９５）及び前記流路内の閉塞物のうちの少なくとも１つにより前記流体流れ特性用に構成される、請求項１に記載の燃料支持体（１４８）。
【請求項６】
原子炉用の原子炉心（２３６）であって、
前記炉心（２３６）のベースに配列される複数の燃料支持体（１４８）を備え、
前記燃料支持体（１４８）の各々が前記支持体を通る流体流路（８０）を定め且つ燃料バンドルを受けるように構成され、前記定められた流体流路（８０）のうちの少なくとも３つが互いに異なる流れ損失係数を有し、
前記燃料支持体（１４８）が更に、
前記燃料支持体（１４８）のうちの対応する支持体内に各々が収められる複数の燃料バンドルを備える、原子炉心（２３６）。
【請求項７】
前記３つの流体流路（８０）の第１の流路が前記炉心（２３６）の外側周辺に配置され、前記３つの流体流路（８０）の第２の流路が前記炉心（２３６）の内側周辺に配置され、前記３つの流体流路（８０）の第３の流路が前記炉心（２３６）の中央部に配置される、請求項６に記載の原子炉心（２３６）。
【請求項８】
前記第１の流路（８０）が燃料支持体（１４８）の第１の入口オリフィス（１９５）から始まり、前記第２の流路（８０）が燃料支持体（１４８）の第２の入口オリフィス（１９５）から始まり、前記第３の流路（８０）が燃料支持体（１４８）の第３の入口オリフィス（１９５）から始まる、請求項７に記載の原子炉心（２３６）。
【請求項９】
前記燃料支持体（１４８）の第１のサブセットが前記炉心（２３６）の外側周辺の周りに延び、前記燃料支持体（１４８）の第２のサブセットが前記燃料支持体（１４８）の第１のサブセットに隣接する前記炉心（２３６）の内側周辺の周りに延び、前記燃料支持体（１４８）の第３のサブセットが前記燃料支持体（１４８）の第２のサブセット内の前記炉心（２３６）の中央部分を通って延び、前記燃料支持体（１４８）の第１のサブセットが、第１の流れ損失係数を有する前記３つの流体流路（８０）のうちの第１の流路（８０）を定め、前記燃料支持体（１４８）の第２のサブセットが、第２の流れ損失係数を有する前記３つの流体流路（８０）のうちの第２の流路（８０）を定め、前記燃料支持体（１４８）の第３のサブセットが、第３の流れ損失係数を有する前記３つの流体流路（８０）のうちの第３の流路（８０）を定め、前記第１、第２、及び第３の流れ損失係数が各々互いに異なっており、前記第３の流れ損失係数が前記第１の流れ損失係数の約２０から２５％であり、前記第２の流れ損失係数が前記第１の流れ損失係数の約４０から８０％である、請求項６に記載の原子炉心（２３６）。
【請求項１０】
原子炉心（２３６）において燃料支持体（１４８）を構成する方法であって、
前記原子炉心（２３６）の構成において少なくとも１つのバンドル位置に対して流れ損失係数を修正するステップ（Ｓ１１０）と、
前記修正された流れ損失係数を用いて炉心性能をシミュレートするステップ（Ｓ１２０）と、
前記シミュレートした炉心性能を分析するステップ（Ｓ１３０）と、
前記シミュレートされた炉心性能が良好であることを前記分析が示す場合には、前記少なくとも１つのバンドル位置にて前記修正された流れ損失係数を達成するよう前記少なくとも１つの燃料支持体（１４８）を構成するステップ（Ｓ１４０）と、
を含む、方法。
【請求項１】
原子炉で使用するための燃料支持体（１４８）であって、核燃料バンドルを受けるような形状にされた開口（２１）と入口オリフィス（１９５）とによって前記支持体（１４８）を通る流体流路が定められ、該流体流路が前記原子炉の炉心内の内側周辺バンドル位置における流体流れ特性用に構成されている、燃料支持体（１４８）。
【請求項２】
前記燃料支持体（１４８）が２つの入口オリフィス（１９５）を定め、該２つの入口オリフィス（１９５）の各々が、互いに異なる構成及び関連流体流れ特性を有する、請求項１に記載の燃料支持体（１４８）。
【請求項３】
前記２つの入口オリフィス（１９５）が各々、互いに異なる直径を有する、請求項２に記載の燃料支持体（１４８）。
【請求項４】
前記燃料支持体（１４８）が前記原子炉内の炉心プレートに接続され、該燃料支持体（１４８）が更に制御ブレード用の開口を定める、請求項１に記載の燃料支持体（１４８）。
【請求項５】
前記流路が、前記入口オリフィス（１９５）及び前記流路内の閉塞物のうちの少なくとも１つにより前記流体流れ特性用に構成される、請求項１に記載の燃料支持体（１４８）。
【請求項６】
原子炉用の原子炉心（２３６）であって、
前記炉心（２３６）のベースに配列される複数の燃料支持体（１４８）を備え、
前記燃料支持体（１４８）の各々が前記支持体を通る流体流路（８０）を定め且つ燃料バンドルを受けるように構成され、前記定められた流体流路（８０）のうちの少なくとも３つが互いに異なる流れ損失係数を有し、
前記燃料支持体（１４８）が更に、
前記燃料支持体（１４８）のうちの対応する支持体内に各々が収められる複数の燃料バンドルを備える、原子炉心（２３６）。
【請求項７】
前記３つの流体流路（８０）の第１の流路が前記炉心（２３６）の外側周辺に配置され、前記３つの流体流路（８０）の第２の流路が前記炉心（２３６）の内側周辺に配置され、前記３つの流体流路（８０）の第３の流路が前記炉心（２３６）の中央部に配置される、請求項６に記載の原子炉心（２３６）。
【請求項８】
前記第１の流路（８０）が燃料支持体（１４８）の第１の入口オリフィス（１９５）から始まり、前記第２の流路（８０）が燃料支持体（１４８）の第２の入口オリフィス（１９５）から始まり、前記第３の流路（８０）が燃料支持体（１４８）の第３の入口オリフィス（１９５）から始まる、請求項７に記載の原子炉心（２３６）。
【請求項９】
前記燃料支持体（１４８）の第１のサブセットが前記炉心（２３６）の外側周辺の周りに延び、前記燃料支持体（１４８）の第２のサブセットが前記燃料支持体（１４８）の第１のサブセットに隣接する前記炉心（２３６）の内側周辺の周りに延び、前記燃料支持体（１４８）の第３のサブセットが前記燃料支持体（１４８）の第２のサブセット内の前記炉心（２３６）の中央部分を通って延び、前記燃料支持体（１４８）の第１のサブセットが、第１の流れ損失係数を有する前記３つの流体流路（８０）のうちの第１の流路（８０）を定め、前記燃料支持体（１４８）の第２のサブセットが、第２の流れ損失係数を有する前記３つの流体流路（８０）のうちの第２の流路（８０）を定め、前記燃料支持体（１４８）の第３のサブセットが、第３の流れ損失係数を有する前記３つの流体流路（８０）のうちの第３の流路（８０）を定め、前記第１、第２、及び第３の流れ損失係数が各々互いに異なっており、前記第３の流れ損失係数が前記第１の流れ損失係数の約２０から２５％であり、前記第２の流れ損失係数が前記第１の流れ損失係数の約４０から８０％である、請求項６に記載の原子炉心（２３６）。
【請求項１０】
原子炉心（２３６）において燃料支持体（１４８）を構成する方法であって、
前記原子炉心（２３６）の構成において少なくとも１つのバンドル位置に対して流れ損失係数を修正するステップ（Ｓ１１０）と、
前記修正された流れ損失係数を用いて炉心性能をシミュレートするステップ（Ｓ１２０）と、
前記シミュレートした炉心性能を分析するステップ（Ｓ１３０）と、
前記シミュレートされた炉心性能が良好であることを前記分析が示す場合には、前記少なくとも１つのバンドル位置にて前記修正された流れ損失係数を達成するよう前記少なくとも１つの燃料支持体（１４８）を構成するステップ（Ｓ１４０）と、
を含む、方法。
【図２Ｂ】
【図１】
【図２Ａ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１】
【図２Ａ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１４１３０２（Ｐ２０１２−１４１３０２Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２８１１３３（Ｐ２０１１−２８１１３３）
【出願日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【出願人】（３０１０６８３１０）グローバル・ニュークリア・フュエル・アメリカズ・エルエルシー (56)
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８１１３３（Ｐ２０１１−２８１１３３）
【出願日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【出願人】（３０１０６８３１０）グローバル・ニュークリア・フュエル・アメリカズ・エルエルシー (56)
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