沸騰水型原子炉およびその運転方法
【課題】冷却材のボイド率制御を用いて良好な反応度制御を可能とすることで、燃焼初期にて余剰反応度を抑えつつプルトニウムを効率的に生成・蓄積し且つ燃焼後期にてプルトニウムを効率的に燃焼させること。
【解決手段】本発明では、燃料集合体５を支持すると共に制御棒ガイド路１３を形成する燃料支持金具６を有し、燃料集合体５内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流から分岐し、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流が形成される沸騰水型原子炉において、制御棒１０は、制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて配置され且つ燃料支持金具６の制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す複数の凸条部１４を備えるようにした。
【解決手段】本発明では、燃料集合体５を支持すると共に制御棒ガイド路１３を形成する燃料支持金具６を有し、燃料集合体５内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流から分岐し、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流が形成される沸騰水型原子炉において、制御棒１０は、制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて配置され且つ燃料支持金具６の制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す複数の凸条部１４を備えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核燃料の高燃焼度化を目指した沸騰水型原子炉およびその運転方法に係り、特に、炉心を循環する冷却材のボイド率制御によって高燃焼度化を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電の経済性向上や使用済核燃料低減の観点から、核燃料の高燃焼度化を目指した開発が進められている。
【０００３】
沸騰水型原子炉（特許文献１参照）の高燃焼度化にあっては、燃焼初期に高ボイド率運転にて中性子スペクトルを硬化させてプルトニウムを生成・蓄積しておき、燃焼後期に低ボイド率運転にて中性子スペクトルを軟化させて蓄積したプルトニウムを効率的に燃焼させる反応度制御が有効とある。
【０００４】
このような反応制御の方法として、燃料集合体内部のインチャンネルを対象として、燃焼初期に冷却材流量を減少させることによりボイド率を上昇させ、燃焼後期に冷却材流量を増加させることによりボイド率を降下させて行う流量スペクトルシフト運転が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
図１１は流量スペクトルシフト運転の説明図である。図１１において、沸騰水型原子炉の４体１組の燃料集合体の配置間スペース（アウトチャンネル）におけるボイド率を一定（４０％）にした定常流量運転のシミュレーション結果を破線で示し、燃焼初期に高ボイド率（５０％）で運転して途中で低ボイド率（３０％）に切り替えた流量スペクトルシフト運転のシミュレーション結果を実線で示している。流量スペクトルシフト運転によると、余剰反応度を燃焼初期に抑制することができ且つ燃焼後期に一定以上に得ることができる。
【０００６】
すなわち、冷却材のボイド率制御を通じて中性子の減速制御が可能となることから、燃焼初期に中性子スペクトルを硬化させ燃焼後期に中性子スベクトルを軟化させることが可能になる。ゆえに、この流量スペクトルシフト運転によれば、燃焼初期の余剰反応度を抑制しつつ、燃焼初期にプルトニウムを生成・蓄積すると共に燃焼後期にプルトニウムを効率的に燃焼することが可能なように思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１１０８１号公報
【特許文献２】特開平７−１２８４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２で説明される流量スペクトルシフト運転では、燃料集合体内部のインチャンネル流のボイド率を制御できるに留まり、定格流量の７０％〜１１５％の流量変化幅を設定した場合でも平均ボイド率は最大４７％、最小３４％であった。また、この流量スペクトルシフト運転では、定格流量の７０％に対応するインチャンネル出口のボイド率は８０％以上になると予想され、ボイド率の上限値は炉心の熱的余裕との関係においても制限を受けることになる。つまり、従来の流量スペクトルシフト運転では、ボイド率すなわち、余剰反応度の可変幅が限定されるため、沸騰水型原子炉のさらなる高燃焼度化を図るためには余剰反応度可変幅の拡大のための新たな技術が求められている。
【０００９】
なお、高燃焼度化については、核燃料物質をより多く炉心に装荷することが１つの有効策となるが、燃焼初期の余剰反応度が必然的に大きくなり、臨界安全性の点で好ましいものではない。なお、燃焼初期の余剰反応度を抑える方法として、ガドリニアなどの可燃性毒物を一部の燃料棒に混入するものが知られているが、可燃性毒物は核分裂により発生した中性子を吸収するため反応度経済を悪化させるものであり、また、高濃縮度可燃性毒物は新たな技術課題であり、燃料製造コストが増大するという問題がある。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、幅広い範囲で冷却材のボイド率を制御でき、燃焼初期にて余剰反応度を抑えつつプルトニウムを効率的に生成・蓄積し且つ燃焼後期にてプルトニウムを効率的に燃焼できる沸騰水型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】
【００１１】
上述した目的を達成するため、本発明に係る沸騰水型原子炉では、燃料集合体を支持すると共に制御棒ガイド路を形成する燃料支持金具を有し、炉心を循環する冷却材が燃料集合体内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流と、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流に分岐する沸騰水型原子炉において、制御棒挿入方向に沿って間隔を置いて配置され且つ燃料支持金具の制御棒ガイド路内壁に向かって張り出す複数の凸条部を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る沸騰水型原子炉の運転方法では、燃料集合体を支持すると共に制御棒ガイド路を形成する燃料支持金具を有し、炉心を循環する冷却材が燃料集合体内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流と、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流に分岐する沸騰水型原子炉において、前記制御棒の一部の領域を対象とし、燃料支持金具の制御棒ガイド路の流動抵抗をコントロールするように張り出す複数の凸条部を制御棒挿入方向に沿って間隔を置いて設けておき、前記制御棒ガイド路に対する制御棒の挿入量を調節することにより、制御棒ガイド路の流路抵抗を調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、幅広い範囲で冷却材のボイド率を制御でき、燃焼初期にて余剰反応度を抑えつつプルトニウムを効率的に生成・蓄積し且つ燃焼後期にてプルトニウムを効率的に燃焼できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉の第１実施形態を示す図。
【図２】図１の沸騰水型原子炉の要部説明図であり、（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＰ部拡大図。
【図３】図１の沸騰水型原子炉の作用説明図。
【図４】図２の沸騰水型原子炉における凸条部の形状特性を示す図。
【図５】図２の沸騰水型原子炉における凸条部の段数特性を示す図。
【図６】図１の制御棒を用いたボイド率制御の説明図であり、（ａ）は高ボイド率時の制御棒駆動例を示す図、（ｂ）は中間ボイド率時の制御棒駆動例を示す図、（ｃ）は低ボイド率制御時の制御棒駆動例を示す図。
【図７】図１の制御棒の駆動によるボイド率制御の実例説明図。
【図８】図１の沸騰水型原子炉の作用説明図であり、（ａ）は燃焼度と無限増倍率の関係に関わる従来例との比較図、（ｂ）は燃焼度と径方向出力ピーキング係数の関係に関わる従来例との比較図。
【図９】本発明に係る沸騰水型原子炉の第２実施形態を示す要部図。
【図１０】本発明に係る沸騰水型原子炉の第３実施形態を示す要部図。
【図１１】流量スペクトルシフト運転の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る沸騰水型原子炉およびその運転方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る沸騰水型原子炉の第１実施形態を示す図である。
【００１７】
沸騰水型原子炉Ｕは、原子炉圧力容器１の内部に設けられる炉心部２において上部格子板３と炉心支持板４とで燃料集合体５を支持する。燃料集合体５はウラン２３５を主な燃料核種とした複数の燃料棒を束ねて構成され、その下端は炉心支持板４に取り付けられた燃料支持金具６に４体１組で嵌め込まれる。
【００１８】
炉心支持板４下方の下部プレナム７には、制御棒駆動機構（図示省略）を収容する制御棒駆動機構ハウジング８が設けられ、その上部延長線に制御棒案内管９が設けられる。制御棒１０は、制御棒駆動機構の制御を受けて昇降駆動され、横断面十字状に設定された４翼の制御棒有効部が４体１組の燃料集合体５の隙間を縫って炉心部２に挿入され或いは引き抜かれる。
【００１９】
図２は沸騰水型原子炉Ｕの要部説明図であり、（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＰ部拡大図である。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、沸騰水型原子炉Ｕの下部プレナム７では再循環系のジェットポンプ（図示省略）の作用により冷却材が循環しており、冷却材の主流１１は燃料支持金具６の内側を通って燃料集合体５の内部に案内されるインチャンネル流となる。一方、インチャンネル流となる冷却材の主流１１から分岐した支流１２（以下、バイパス流１２）は、制御棒ガイド路１３を通って炉心部２に配置される燃料集合体５の配置間スペース（アウトチャンネル）へと案内され、アウトチャンネル流となる。なお、インチャンネル流およびアウトチャンネル流となった冷却材は、炉心部２で核分裂エネルギーを奪って沸騰して蒸気となり、タービン駆動力として利用される。
【００２１】
沸騰水型原子炉Ｕの制御棒１０は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、例えば４つの凸条部１４を備える。各凸条部１４は、横断面十字状に構成される制御棒１０の４翼それぞれにおいて、制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて設けられ、燃料支持金具６に形成される制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出すように構成される。また、各凸条部１４は、制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す突設方向の寸法をＨとし、隣り合う凸条部１４との離間距離をＬとしたとき、Ｈ／Ｌ＝０．２〜０．３の条件を満たすように構成される。さらに、各凸条部１４は、制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて設けられ且つ制御棒１０の外周に沿って連続的に設けられる（図１参照）。
【００２２】
次に、沸騰水型原子炉の作用を説明する。
【００２３】
沸騰水型原子炉Ｕの核設計においては、アウトチャンネルのボイド率をゼロと仮定し、インチャンネルのボイド率を一様と仮定した中性子計算モデルが用いられる。しかし、アウトチャンンルはインチャンネルよりも冷却材流路断面積が大きくなるように設計されているのが一般的である。したがって、アウトチャンネルを流れる冷却材のボイド率制御を通じて、炉心全体のボイド率制御を行うことは十分可能である。
【００２４】
ここで、アウトチャンネルの冷却材は、エンタルピhoutch.が飽和エンタルピhsatを越えれば沸騰する。したがって、式（１）に従い、アウトチャンネルを流れる冷却材の発熱量Qoutch.を増加させ或いは流量Woutch.を減少させ、アウトチャンネルを流れる冷却材のエンタルピhoutch.が飽和エンタルピを超えるようにすれば、アウトチャンネルを流れる冷却材のボイド率を高めることができる。また、発熱量Qoutch.を減少させ或いは流量Woutch.を増加させれば、アウトチャンネルを流れる冷却材のボイド率を減少させることができる。
【数１】
【００２５】
図３は沸騰水型原子炉Ｕの作用説明図である。
【００２６】
沸騰水型原子炉Ｕの制御棒１０には、燃料支持金具６の制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す複数の凸条部１４が設けられ、各凸条部１４は制御棒挿入方向Ｄに沿って設けられる。下部プレナム７から炉心部２に向かう冷却材の流路のうち、制御棒ガイド路１３に向かうバイパス流１２は、制御棒１０に設けられた複数の凸条部１４を順次通過することとなる。
【００２７】
バイパス流１２の冷却材は、制御棒ガイド路１３に形成される冷却材の流路（以下、バイパス流路）１６を初め縮流１８となり、後に拡流となって、バイパス流路１６の拡大部１７に流入する。拡大部１７に流入した冷却材は、凸条部１４に突き当たって反転し、渦流１９形成する。拡大部１７の渦流１９は、バイパス流路１６の流路抵抗を増大させるように働く。渦流１９によってバイパス流路１６の流路抵抗が増大すると、アウトチャンネル流となる冷却材のバイパス流１２が減少する。逆に、バイパス流路１６の流路抵抗が減少すると、アウトチャンネル流となる冷却材の支流１２が増加する。渦流１９に基づくバイパス流路１６の流路抵抗は、凸条部１４の寸法のうち、制御棒ガイド路内壁１５に張り出す突設方向の寸法Ｈと隣り合う凸条部１４との離間距離Ｌとの比（Ｈ／Ｌ）を適切に設定することで所望の大きさに設定できる。
【００２８】
図４は制御棒１０に設けられる凸条部１４の形状特性を示す図であり、Ｈ／Ｌと吹き抜け流量との相関図である。「吹き抜け流量」は、最終段の凸条部１４を通過して炉心部２に流入する冷却材のバイパス流に関する流量である。図４に示すＨ／Ｌと吹き抜け流量との相関は、「‘管路・ダクトの流体抵抗’，（社）日本機械学会 技術資料，ｐ１５４（図９・５９），昭和５４年１月２０日」で説明される実験結果を、沸騰水型原子炉Ｕに適用するために行なった特性実験の結果により裏付けられている。
【００２９】
図４に示すように、Ｈ／Ｌの吹き抜け流量に対する感度は大きい。Ｈ／Ｌがゼロに近い状態、すなわち、凸条部１４が設けられない状態から次第にＨ／Ｌを大きくしていくと、吹き抜け流量が急激に減少していく。吹き抜け流量は、Ｈ／Ｌが０．２〜０．３の当たりで最小となり、その後、やや増大した後に略一定となる特性がある。したがって、凸条部１４の形状としては、流動抵抗の効率的な発生の観点から、Ｈ／Ｌ＝０．２〜０．３となる条件が満たされるものであることが好ましい。
【００３０】
図５は制御棒１０に設けられる凸条部１４の段数（個数）特性を示す図であり、凸条部１４の段数と吹き抜け流量との相関図（実験結果）である。図５に示すように、バイパス流路１６における吹き抜け流量は、凸条部１４の段数を「n」とすると、√nに比例して減少する特性を示す。したがって、バイパス流路１６の流路抵抗は、隣り合う凸条部１４の段数を調節することによっても可能となる。一般に、流路の圧力損失係数Ｋと流量Ｗは、次式（２）の関係を満たす。例えば、凸条部１４の段数を２段から４段に変更すると圧力損失係数が１／２となるとき、凸条部１４の段数を２段から４段に変更することで、吹き出し流量を約０．７倍に変更できる（Ｗn=2/Ｗn=4＝√０．５≒０．７）。
【数２】
【００３１】
このように、制御棒１０の一部の領域に凸条部１４を設け、凸条部１４の形状（Ｈ／Ｌ）やその段数を調節することにより、バイパス流路１６の流路抵抗を調節でき、アウトチャンネルに至る冷却材の主流１１とインチャンネルに至る冷却材のバイパス流１２との比率を調節できる。つまり、制御棒１０の凸条部１４によって、アウトチャンネルにおけるボイド率を制御できるようになる。
【００３２】
アウトチャンネルにおけるボイド率制御は、制御棒ガイド路１３における制御棒１０の挿入量の調節によって可能となる。図６は制御棒１０を用いたボイド率制御の説明図であり、（ａ）は高ボイド率時の制御棒駆動例を示す図、（ｂ）は中間ボイド率時の制御棒駆動例を示す図、（ｃ）は低ボイド率制御時の制御棒駆動例を示す図である。
【００３３】
図６（ａ）に示す制御棒駆動例は、バイパス流路１６の領域に最大数の凸条部１４が位置するように制御棒１０を駆動させたものである。この場合、バイパス流路１６において渦流１９が形成される拡大部１７（図４参照）が最大数となることから、吹き出し流量が最小となり、アウトチャンネルにおけるボイド率が最大となる。
【００３４】
図６（ｃ）に示す制御棒駆動例は、バイパス流路１６の領域に最小数の凸条部１４が位置するように制御棒１０を駆動させたものである。この場合、バイパス流１２において渦流１９が形成される拡大部１７が最小数となることから、吹き出し流量が最大となり、アウトチャンネルにおけるボイド率は最小となる。凸条部１４は、制御棒１０の制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて複数設けられているため、アウトチャンネルのボイド率は幅広い範囲で制御可能となる。
【００３５】
図７は制御棒１０の駆動によるボイド率制御の実例説明図である。
【００３６】
従来の沸騰水型原子炉では、原子炉運転サイクル途中のアウトチャンネル流量を直接に制御することはなされていなかった。これに対し、本実施形態の沸騰水型原子炉Ｕでは、制御棒１０の駆動（図６参照）を通じて、図７に示すように、燃料の燃焼初期にアウトチャンネルの流量が定格の３０％或いはそれ以下となるように運転し（図７の実線）、燃焼後期ないし末期にアウトチャンネル流量を定格値（１００％）に戻して運転することができる（図７の破線）。
【００３７】
アウトチャンネルの流量を定格値の３０％にする流量制御は、図６（ａ）の制御棒駆動例に近い状態で制御棒１０を駆動させ、また、アウトチャンネルの流量を３０％から定格値にする流量上昇制御は、図６（ｃ）の制御棒駆動例に近い状態で制御棒１０を駆動させることで実現できる。
【００３８】
本発明では、沸騰水型原子炉Ｕの制御棒１０によって、その制御棒１０に設けられた凸条部１４によってアウトチャンネルを対象としたボイド率制御が可能となる。そのため、インチャンネルのみを対象とした従来のボイド率制御で問題となっていた燃料集合体５の熱的余裕に基づくボイド率の可変幅の制限が解消される。例えば、本実施形態の沸騰水型原子炉Ｕでは、インチャンネルにおけるボイド率を４０％とし且つアウトチャンネルにおけるボイド率を２０％とすることで、炉心部２全体としての平均ボイド率をインチャンネルにおけるボイド率に換算して５０％相当以上にできることが確認された。その結果、運転サイクル途中で、無限増倍率の変更が可能となる。
【００３９】
図８は沸騰水型原子炉Ｕの作用説明図であり、（ａ）は燃焼度と無限増倍率の関係に関わる従来例との比較図、(ｂ)は燃焼度と径方向出力ピーキング係数の関係に関わる従来例との比較図である。図８（ａ）および（ｂ）において、破線は従来の沸騰水型原子炉の運転方法に関わる実績データであり、実線は本実施形態の沸騰水型原子炉Ｕの運転方法に関わる実験データである。
【００４０】
制御棒１０の駆動（図６参照）により、燃焼初期にアウトチャンネルの流量を定格の３０％とし、燃焼後期（例えば、約２２ＧＷｄ／ｔ時点）にアウトチャンネルの流量を定格値に戻すことにより、図８（ａ)に示すよう、従来の沸騰水型原子炉の運転方法と比較して、燃焼初期には余剰反応度を抑えることができ、燃焼後期には一定以上の余剰反応度を確保することができる。つまり、従来の沸騰水型原子炉と比較して、中性子スペクトルを燃焼初期に硬化させることができ、燃焼後期に軟化させることができる。
【００４１】
また、この制御棒１０を用いると、燃料集合体断面内の径方向出力ピーキングに対して次のような影響が生じる。図８(ｂ)に示すように、燃焼初期には従来の沸騰水型原子炉の運転方法と比較して外周の中性子束が抑えられるため、径方向出力ピーキング係数を小さい値に抑えることができる。このため、例えば、核燃料の初期装荷量を増やしても、アウトチャンネルのボイド率制御を通じて過剰な反応度を抑えておくことができる。
【００４２】
次に、沸騰水型原子炉Ｕの効果を説明する。
【００４３】
（１）沸騰水型原子炉Ｕの制御棒１０は、制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて配置され且つ燃料支持金具６の制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す複数の凸条部１４を備える。このため、バイパス流路１６の流動抵抗調節を通じたアウトチャンネルにおけるボイド率制御をも行えるようになる。つまり、従来の沸騰水型原子炉と比較して幅広い範囲で炉心内のボイド率を制御できるため、燃焼初期には中性子スペクトルを大きく硬化させ、燃焼後期には中性子スベクトルを大きく軟化させることができる。よって、燃焼初期にて余剰反応度を抑えつつプルトニウムを効率的に生成・蓄積し且つ燃焼後期にてプルトニウムを効率的に燃焼できる。また、ボイド率制御を担う凸条部１４は制御棒１０に設けられるため、燃料支持金具６の設計仕様、特に制御棒ガイド路１３の開口幅を変更することなく、上記効果を得ることができる。
【００４４】
（２）制御棒１０の凸条部１４は、制御棒１０の外周に沿って連続的に設けられる。このため、アウトチャンネルのボイド率を増大させることができ、（１）の効果が高められる。
【００４５】
（３）制御棒１０の凸条部１４は、制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す突設方向の寸法をＨとし、隣り合う凸条部との距離をＬとしたとき、Ｈ／Ｌ＝０．２〜０．３の条件を満たすように構成される。このため、アウトチャンネルのボイド率を効率よく増大させることができ、（１）の効果が高められる。
【００４６】
（第２実施形態）
図９は本発明に係る沸騰水型原子炉の第２実施形態を示す要部図である。本実施形態は、第１実施形態の沸騰水型原子炉Ｕにおける制御棒１０の凸条部１４を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号に「Ａ」を付して説明する。
【００４７】
本実施形態の制御棒１０Ａの凸条部１４Ａは、図９に示すように、制御棒挿入方向Ｄに向かって倒れるように傾斜角θ（鈍角）が設定される。最近の研究成果（“最適歯角を有するラビリンスシール内流れに関する数値的研究”，第１８回数値流体力学シンポジウムＥ１−５，（社）日本流体力学学会，２００４）を沸騰水型原子炉における制御棒に反映させたものである。
【００４８】
このように、凸条部１４Ａの傾斜角θを鈍角設定することにより、傾斜角θとして９０℃以下の鋭角設定の場合と比較して渦流のエネルギー損失が大きくなることが、上記研究成果から期待できる。このため、渦流の滞留によりバイパス流路１６の流路抵抗が大きくなり、第１実施形態の（１）の効果を高めることができる。
【００４９】
（第３実施形態）
図１０は本発明に係る沸騰水型原子炉の第３実施形態を示す要部図である。本実施形態は、第１実施形態の沸騰水型原子炉Ｕにおける制御棒１０の凸条部１４を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号に「Ｂ」を付して説明する。
【００５０】
本実施形態の制御棒１０Ｂの凸条部１４Ｂは、図１０に示すように、少なくとも上面が制御棒挿入方向Ｄと逆の方向に向かって下る傾斜角φ（鈍角）が設定され、全体として縦断面視片刃状ないし三角形状に構成される。なお、制御棒挿入方向Ｄに向かってカウントして最終段の凸条部１４Ｂについては第実施形態の凸条部１４と同様である。
【００５１】
このように、凸条部１４Ｂの形状として、制御棒挿入方向Ｄと逆方向に向かって下る傾斜角φを設定し且つ縦断面視片刃状ないし三角形状とすることにより、渦流を効率よく発生させることができ、もってバイパス流路１６の流路抵抗を大きくできる。したがって、第１実施形態の（１）の効果を高めることができる。
【００５２】
以上、本発明に係る沸騰水型原子炉およびその運転方法を第１実施形態〜第３実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の要旨を逸脱しない限り設計の変更や追加等は許容される。
【００５３】
例えば、ボイド率制御を担う制御棒の凸条部は、Ｂ４Ｃ或いはハフニウム等の中性子吸収材が充填される制御棒有効部のほか、制御棒上部のエンドプラグ等に設けることができる。また、凸条部の段数は、特に制限されず、ボイド率の制御能を考慮して適宜設定できる。なお、凸条部を有する制御棒は、インターナルポンプを備えた改良型沸騰水型原子炉など、沸騰水型の原子炉であれば適用できる。
【符号の説明】
【００５４】
Ｕ……沸騰水型原子炉， Ｄ……制御棒挿入方向， １……原子炉圧力容器， ２……炉心部， ３……上部格子板， ４……炉心支持板， ５……燃料集合体， ６……燃料支持金具， ７……下部プレナム， ８……制御棒駆動機構ハウジング， ９……制御棒案内管， １０……制御棒， １１……冷却材の主流， １２……冷却材の支流（バイパス流）， １３……制御棒ガイド路， １４……凸条部， １５…制御棒ガイド路内壁， １６……バイパス流路， １７……制御棒挿通路の拡大部， １８……縮流， １９……渦流。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核燃料の高燃焼度化を目指した沸騰水型原子炉およびその運転方法に係り、特に、炉心を循環する冷却材のボイド率制御によって高燃焼度化を図る技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電の経済性向上や使用済核燃料低減の観点から、核燃料の高燃焼度化を目指した開発が進められている。
【０００３】
沸騰水型原子炉（特許文献１参照）の高燃焼度化にあっては、燃焼初期に高ボイド率運転にて中性子スペクトルを硬化させてプルトニウムを生成・蓄積しておき、燃焼後期に低ボイド率運転にて中性子スペクトルを軟化させて蓄積したプルトニウムを効率的に燃焼させる反応度制御が有効とある。
【０００４】
このような反応制御の方法として、燃料集合体内部のインチャンネルを対象として、燃焼初期に冷却材流量を減少させることによりボイド率を上昇させ、燃焼後期に冷却材流量を増加させることによりボイド率を降下させて行う流量スペクトルシフト運転が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
図１１は流量スペクトルシフト運転の説明図である。図１１において、沸騰水型原子炉の４体１組の燃料集合体の配置間スペース（アウトチャンネル）におけるボイド率を一定（４０％）にした定常流量運転のシミュレーション結果を破線で示し、燃焼初期に高ボイド率（５０％）で運転して途中で低ボイド率（３０％）に切り替えた流量スペクトルシフト運転のシミュレーション結果を実線で示している。流量スペクトルシフト運転によると、余剰反応度を燃焼初期に抑制することができ且つ燃焼後期に一定以上に得ることができる。
【０００６】
すなわち、冷却材のボイド率制御を通じて中性子の減速制御が可能となることから、燃焼初期に中性子スペクトルを硬化させ燃焼後期に中性子スベクトルを軟化させることが可能になる。ゆえに、この流量スペクトルシフト運転によれば、燃焼初期の余剰反応度を抑制しつつ、燃焼初期にプルトニウムを生成・蓄積すると共に燃焼後期にプルトニウムを効率的に燃焼することが可能なように思われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１１０８１号公報
【特許文献２】特開平７−１２８４８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２で説明される流量スペクトルシフト運転では、燃料集合体内部のインチャンネル流のボイド率を制御できるに留まり、定格流量の７０％〜１１５％の流量変化幅を設定した場合でも平均ボイド率は最大４７％、最小３４％であった。また、この流量スペクトルシフト運転では、定格流量の７０％に対応するインチャンネル出口のボイド率は８０％以上になると予想され、ボイド率の上限値は炉心の熱的余裕との関係においても制限を受けることになる。つまり、従来の流量スペクトルシフト運転では、ボイド率すなわち、余剰反応度の可変幅が限定されるため、沸騰水型原子炉のさらなる高燃焼度化を図るためには余剰反応度可変幅の拡大のための新たな技術が求められている。
【０００９】
なお、高燃焼度化については、核燃料物質をより多く炉心に装荷することが１つの有効策となるが、燃焼初期の余剰反応度が必然的に大きくなり、臨界安全性の点で好ましいものではない。なお、燃焼初期の余剰反応度を抑える方法として、ガドリニアなどの可燃性毒物を一部の燃料棒に混入するものが知られているが、可燃性毒物は核分裂により発生した中性子を吸収するため反応度経済を悪化させるものであり、また、高濃縮度可燃性毒物は新たな技術課題であり、燃料製造コストが増大するという問題がある。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、幅広い範囲で冷却材のボイド率を制御でき、燃焼初期にて余剰反応度を抑えつつプルトニウムを効率的に生成・蓄積し且つ燃焼後期にてプルトニウムを効率的に燃焼できる沸騰水型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】
【００１１】
上述した目的を達成するため、本発明に係る沸騰水型原子炉では、燃料集合体を支持すると共に制御棒ガイド路を形成する燃料支持金具を有し、炉心を循環する冷却材が燃料集合体内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流と、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流に分岐する沸騰水型原子炉において、制御棒挿入方向に沿って間隔を置いて配置され且つ燃料支持金具の制御棒ガイド路内壁に向かって張り出す複数の凸条部を備えることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る沸騰水型原子炉の運転方法では、燃料集合体を支持すると共に制御棒ガイド路を形成する燃料支持金具を有し、炉心を循環する冷却材が燃料集合体内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流と、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流に分岐する沸騰水型原子炉において、前記制御棒の一部の領域を対象とし、燃料支持金具の制御棒ガイド路の流動抵抗をコントロールするように張り出す複数の凸条部を制御棒挿入方向に沿って間隔を置いて設けておき、前記制御棒ガイド路に対する制御棒の挿入量を調節することにより、制御棒ガイド路の流路抵抗を調節することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、幅広い範囲で冷却材のボイド率を制御でき、燃焼初期にて余剰反応度を抑えつつプルトニウムを効率的に生成・蓄積し且つ燃焼後期にてプルトニウムを効率的に燃焼できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る沸騰水型原子炉の第１実施形態を示す図。
【図２】図１の沸騰水型原子炉の要部説明図であり、（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＰ部拡大図。
【図３】図１の沸騰水型原子炉の作用説明図。
【図４】図２の沸騰水型原子炉における凸条部の形状特性を示す図。
【図５】図２の沸騰水型原子炉における凸条部の段数特性を示す図。
【図６】図１の制御棒を用いたボイド率制御の説明図であり、（ａ）は高ボイド率時の制御棒駆動例を示す図、（ｂ）は中間ボイド率時の制御棒駆動例を示す図、（ｃ）は低ボイド率制御時の制御棒駆動例を示す図。
【図７】図１の制御棒の駆動によるボイド率制御の実例説明図。
【図８】図１の沸騰水型原子炉の作用説明図であり、（ａ）は燃焼度と無限増倍率の関係に関わる従来例との比較図、（ｂ）は燃焼度と径方向出力ピーキング係数の関係に関わる従来例との比較図。
【図９】本発明に係る沸騰水型原子炉の第２実施形態を示す要部図。
【図１０】本発明に係る沸騰水型原子炉の第３実施形態を示す要部図。
【図１１】流量スペクトルシフト運転の説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明に係る沸騰水型原子炉およびその運転方法の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は本発明に係る沸騰水型原子炉の第１実施形態を示す図である。
【００１７】
沸騰水型原子炉Ｕは、原子炉圧力容器１の内部に設けられる炉心部２において上部格子板３と炉心支持板４とで燃料集合体５を支持する。燃料集合体５はウラン２３５を主な燃料核種とした複数の燃料棒を束ねて構成され、その下端は炉心支持板４に取り付けられた燃料支持金具６に４体１組で嵌め込まれる。
【００１８】
炉心支持板４下方の下部プレナム７には、制御棒駆動機構（図示省略）を収容する制御棒駆動機構ハウジング８が設けられ、その上部延長線に制御棒案内管９が設けられる。制御棒１０は、制御棒駆動機構の制御を受けて昇降駆動され、横断面十字状に設定された４翼の制御棒有効部が４体１組の燃料集合体５の隙間を縫って炉心部２に挿入され或いは引き抜かれる。
【００１９】
図２は沸騰水型原子炉Ｕの要部説明図であり、（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図、（ｂ）は図２（ａ）のＰ部拡大図である。
【００２０】
図２（ａ）に示すように、沸騰水型原子炉Ｕの下部プレナム７では再循環系のジェットポンプ（図示省略）の作用により冷却材が循環しており、冷却材の主流１１は燃料支持金具６の内側を通って燃料集合体５の内部に案内されるインチャンネル流となる。一方、インチャンネル流となる冷却材の主流１１から分岐した支流１２（以下、バイパス流１２）は、制御棒ガイド路１３を通って炉心部２に配置される燃料集合体５の配置間スペース（アウトチャンネル）へと案内され、アウトチャンネル流となる。なお、インチャンネル流およびアウトチャンネル流となった冷却材は、炉心部２で核分裂エネルギーを奪って沸騰して蒸気となり、タービン駆動力として利用される。
【００２１】
沸騰水型原子炉Ｕの制御棒１０は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、例えば４つの凸条部１４を備える。各凸条部１４は、横断面十字状に構成される制御棒１０の４翼それぞれにおいて、制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて設けられ、燃料支持金具６に形成される制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出すように構成される。また、各凸条部１４は、制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す突設方向の寸法をＨとし、隣り合う凸条部１４との離間距離をＬとしたとき、Ｈ／Ｌ＝０．２〜０．３の条件を満たすように構成される。さらに、各凸条部１４は、制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて設けられ且つ制御棒１０の外周に沿って連続的に設けられる（図１参照）。
【００２２】
次に、沸騰水型原子炉の作用を説明する。
【００２３】
沸騰水型原子炉Ｕの核設計においては、アウトチャンネルのボイド率をゼロと仮定し、インチャンネルのボイド率を一様と仮定した中性子計算モデルが用いられる。しかし、アウトチャンンルはインチャンネルよりも冷却材流路断面積が大きくなるように設計されているのが一般的である。したがって、アウトチャンネルを流れる冷却材のボイド率制御を通じて、炉心全体のボイド率制御を行うことは十分可能である。
【００２４】
ここで、アウトチャンネルの冷却材は、エンタルピhoutch.が飽和エンタルピhsatを越えれば沸騰する。したがって、式（１）に従い、アウトチャンネルを流れる冷却材の発熱量Qoutch.を増加させ或いは流量Woutch.を減少させ、アウトチャンネルを流れる冷却材のエンタルピhoutch.が飽和エンタルピを超えるようにすれば、アウトチャンネルを流れる冷却材のボイド率を高めることができる。また、発熱量Qoutch.を減少させ或いは流量Woutch.を増加させれば、アウトチャンネルを流れる冷却材のボイド率を減少させることができる。
【数１】
【００２５】
図３は沸騰水型原子炉Ｕの作用説明図である。
【００２６】
沸騰水型原子炉Ｕの制御棒１０には、燃料支持金具６の制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す複数の凸条部１４が設けられ、各凸条部１４は制御棒挿入方向Ｄに沿って設けられる。下部プレナム７から炉心部２に向かう冷却材の流路のうち、制御棒ガイド路１３に向かうバイパス流１２は、制御棒１０に設けられた複数の凸条部１４を順次通過することとなる。
【００２７】
バイパス流１２の冷却材は、制御棒ガイド路１３に形成される冷却材の流路（以下、バイパス流路）１６を初め縮流１８となり、後に拡流となって、バイパス流路１６の拡大部１７に流入する。拡大部１７に流入した冷却材は、凸条部１４に突き当たって反転し、渦流１９形成する。拡大部１７の渦流１９は、バイパス流路１６の流路抵抗を増大させるように働く。渦流１９によってバイパス流路１６の流路抵抗が増大すると、アウトチャンネル流となる冷却材のバイパス流１２が減少する。逆に、バイパス流路１６の流路抵抗が減少すると、アウトチャンネル流となる冷却材の支流１２が増加する。渦流１９に基づくバイパス流路１６の流路抵抗は、凸条部１４の寸法のうち、制御棒ガイド路内壁１５に張り出す突設方向の寸法Ｈと隣り合う凸条部１４との離間距離Ｌとの比（Ｈ／Ｌ）を適切に設定することで所望の大きさに設定できる。
【００２８】
図４は制御棒１０に設けられる凸条部１４の形状特性を示す図であり、Ｈ／Ｌと吹き抜け流量との相関図である。「吹き抜け流量」は、最終段の凸条部１４を通過して炉心部２に流入する冷却材のバイパス流に関する流量である。図４に示すＨ／Ｌと吹き抜け流量との相関は、「‘管路・ダクトの流体抵抗’，（社）日本機械学会 技術資料，ｐ１５４（図９・５９），昭和５４年１月２０日」で説明される実験結果を、沸騰水型原子炉Ｕに適用するために行なった特性実験の結果により裏付けられている。
【００２９】
図４に示すように、Ｈ／Ｌの吹き抜け流量に対する感度は大きい。Ｈ／Ｌがゼロに近い状態、すなわち、凸条部１４が設けられない状態から次第にＨ／Ｌを大きくしていくと、吹き抜け流量が急激に減少していく。吹き抜け流量は、Ｈ／Ｌが０．２〜０．３の当たりで最小となり、その後、やや増大した後に略一定となる特性がある。したがって、凸条部１４の形状としては、流動抵抗の効率的な発生の観点から、Ｈ／Ｌ＝０．２〜０．３となる条件が満たされるものであることが好ましい。
【００３０】
図５は制御棒１０に設けられる凸条部１４の段数（個数）特性を示す図であり、凸条部１４の段数と吹き抜け流量との相関図（実験結果）である。図５に示すように、バイパス流路１６における吹き抜け流量は、凸条部１４の段数を「n」とすると、√nに比例して減少する特性を示す。したがって、バイパス流路１６の流路抵抗は、隣り合う凸条部１４の段数を調節することによっても可能となる。一般に、流路の圧力損失係数Ｋと流量Ｗは、次式（２）の関係を満たす。例えば、凸条部１４の段数を２段から４段に変更すると圧力損失係数が１／２となるとき、凸条部１４の段数を２段から４段に変更することで、吹き出し流量を約０．７倍に変更できる（Ｗn=2/Ｗn=4＝√０．５≒０．７）。
【数２】
【００３１】
このように、制御棒１０の一部の領域に凸条部１４を設け、凸条部１４の形状（Ｈ／Ｌ）やその段数を調節することにより、バイパス流路１６の流路抵抗を調節でき、アウトチャンネルに至る冷却材の主流１１とインチャンネルに至る冷却材のバイパス流１２との比率を調節できる。つまり、制御棒１０の凸条部１４によって、アウトチャンネルにおけるボイド率を制御できるようになる。
【００３２】
アウトチャンネルにおけるボイド率制御は、制御棒ガイド路１３における制御棒１０の挿入量の調節によって可能となる。図６は制御棒１０を用いたボイド率制御の説明図であり、（ａ）は高ボイド率時の制御棒駆動例を示す図、（ｂ）は中間ボイド率時の制御棒駆動例を示す図、（ｃ）は低ボイド率制御時の制御棒駆動例を示す図である。
【００３３】
図６（ａ）に示す制御棒駆動例は、バイパス流路１６の領域に最大数の凸条部１４が位置するように制御棒１０を駆動させたものである。この場合、バイパス流路１６において渦流１９が形成される拡大部１７（図４参照）が最大数となることから、吹き出し流量が最小となり、アウトチャンネルにおけるボイド率が最大となる。
【００３４】
図６（ｃ）に示す制御棒駆動例は、バイパス流路１６の領域に最小数の凸条部１４が位置するように制御棒１０を駆動させたものである。この場合、バイパス流１２において渦流１９が形成される拡大部１７が最小数となることから、吹き出し流量が最大となり、アウトチャンネルにおけるボイド率は最小となる。凸条部１４は、制御棒１０の制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて複数設けられているため、アウトチャンネルのボイド率は幅広い範囲で制御可能となる。
【００３５】
図７は制御棒１０の駆動によるボイド率制御の実例説明図である。
【００３６】
従来の沸騰水型原子炉では、原子炉運転サイクル途中のアウトチャンネル流量を直接に制御することはなされていなかった。これに対し、本実施形態の沸騰水型原子炉Ｕでは、制御棒１０の駆動（図６参照）を通じて、図７に示すように、燃料の燃焼初期にアウトチャンネルの流量が定格の３０％或いはそれ以下となるように運転し（図７の実線）、燃焼後期ないし末期にアウトチャンネル流量を定格値（１００％）に戻して運転することができる（図７の破線）。
【００３７】
アウトチャンネルの流量を定格値の３０％にする流量制御は、図６（ａ）の制御棒駆動例に近い状態で制御棒１０を駆動させ、また、アウトチャンネルの流量を３０％から定格値にする流量上昇制御は、図６（ｃ）の制御棒駆動例に近い状態で制御棒１０を駆動させることで実現できる。
【００３８】
本発明では、沸騰水型原子炉Ｕの制御棒１０によって、その制御棒１０に設けられた凸条部１４によってアウトチャンネルを対象としたボイド率制御が可能となる。そのため、インチャンネルのみを対象とした従来のボイド率制御で問題となっていた燃料集合体５の熱的余裕に基づくボイド率の可変幅の制限が解消される。例えば、本実施形態の沸騰水型原子炉Ｕでは、インチャンネルにおけるボイド率を４０％とし且つアウトチャンネルにおけるボイド率を２０％とすることで、炉心部２全体としての平均ボイド率をインチャンネルにおけるボイド率に換算して５０％相当以上にできることが確認された。その結果、運転サイクル途中で、無限増倍率の変更が可能となる。
【００３９】
図８は沸騰水型原子炉Ｕの作用説明図であり、（ａ）は燃焼度と無限増倍率の関係に関わる従来例との比較図、(ｂ)は燃焼度と径方向出力ピーキング係数の関係に関わる従来例との比較図である。図８（ａ）および（ｂ）において、破線は従来の沸騰水型原子炉の運転方法に関わる実績データであり、実線は本実施形態の沸騰水型原子炉Ｕの運転方法に関わる実験データである。
【００４０】
制御棒１０の駆動（図６参照）により、燃焼初期にアウトチャンネルの流量を定格の３０％とし、燃焼後期（例えば、約２２ＧＷｄ／ｔ時点）にアウトチャンネルの流量を定格値に戻すことにより、図８（ａ)に示すよう、従来の沸騰水型原子炉の運転方法と比較して、燃焼初期には余剰反応度を抑えることができ、燃焼後期には一定以上の余剰反応度を確保することができる。つまり、従来の沸騰水型原子炉と比較して、中性子スペクトルを燃焼初期に硬化させることができ、燃焼後期に軟化させることができる。
【００４１】
また、この制御棒１０を用いると、燃料集合体断面内の径方向出力ピーキングに対して次のような影響が生じる。図８(ｂ)に示すように、燃焼初期には従来の沸騰水型原子炉の運転方法と比較して外周の中性子束が抑えられるため、径方向出力ピーキング係数を小さい値に抑えることができる。このため、例えば、核燃料の初期装荷量を増やしても、アウトチャンネルのボイド率制御を通じて過剰な反応度を抑えておくことができる。
【００４２】
次に、沸騰水型原子炉Ｕの効果を説明する。
【００４３】
（１）沸騰水型原子炉Ｕの制御棒１０は、制御棒挿入方向Ｄに沿って間隔を置いて配置され且つ燃料支持金具６の制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す複数の凸条部１４を備える。このため、バイパス流路１６の流動抵抗調節を通じたアウトチャンネルにおけるボイド率制御をも行えるようになる。つまり、従来の沸騰水型原子炉と比較して幅広い範囲で炉心内のボイド率を制御できるため、燃焼初期には中性子スペクトルを大きく硬化させ、燃焼後期には中性子スベクトルを大きく軟化させることができる。よって、燃焼初期にて余剰反応度を抑えつつプルトニウムを効率的に生成・蓄積し且つ燃焼後期にてプルトニウムを効率的に燃焼できる。また、ボイド率制御を担う凸条部１４は制御棒１０に設けられるため、燃料支持金具６の設計仕様、特に制御棒ガイド路１３の開口幅を変更することなく、上記効果を得ることができる。
【００４４】
（２）制御棒１０の凸条部１４は、制御棒１０の外周に沿って連続的に設けられる。このため、アウトチャンネルのボイド率を増大させることができ、（１）の効果が高められる。
【００４５】
（３）制御棒１０の凸条部１４は、制御棒ガイド路内壁１５に向かって張り出す突設方向の寸法をＨとし、隣り合う凸条部との距離をＬとしたとき、Ｈ／Ｌ＝０．２〜０．３の条件を満たすように構成される。このため、アウトチャンネルのボイド率を効率よく増大させることができ、（１）の効果が高められる。
【００４６】
（第２実施形態）
図９は本発明に係る沸騰水型原子炉の第２実施形態を示す要部図である。本実施形態は、第１実施形態の沸騰水型原子炉Ｕにおける制御棒１０の凸条部１４を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号に「Ａ」を付して説明する。
【００４７】
本実施形態の制御棒１０Ａの凸条部１４Ａは、図９に示すように、制御棒挿入方向Ｄに向かって倒れるように傾斜角θ（鈍角）が設定される。最近の研究成果（“最適歯角を有するラビリンスシール内流れに関する数値的研究”，第１８回数値流体力学シンポジウムＥ１−５，（社）日本流体力学学会，２００４）を沸騰水型原子炉における制御棒に反映させたものである。
【００４８】
このように、凸条部１４Ａの傾斜角θを鈍角設定することにより、傾斜角θとして９０℃以下の鋭角設定の場合と比較して渦流のエネルギー損失が大きくなることが、上記研究成果から期待できる。このため、渦流の滞留によりバイパス流路１６の流路抵抗が大きくなり、第１実施形態の（１）の効果を高めることができる。
【００４９】
（第３実施形態）
図１０は本発明に係る沸騰水型原子炉の第３実施形態を示す要部図である。本実施形態は、第１実施形態の沸騰水型原子炉Ｕにおける制御棒１０の凸条部１４を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号に「Ｂ」を付して説明する。
【００５０】
本実施形態の制御棒１０Ｂの凸条部１４Ｂは、図１０に示すように、少なくとも上面が制御棒挿入方向Ｄと逆の方向に向かって下る傾斜角φ（鈍角）が設定され、全体として縦断面視片刃状ないし三角形状に構成される。なお、制御棒挿入方向Ｄに向かってカウントして最終段の凸条部１４Ｂについては第実施形態の凸条部１４と同様である。
【００５１】
このように、凸条部１４Ｂの形状として、制御棒挿入方向Ｄと逆方向に向かって下る傾斜角φを設定し且つ縦断面視片刃状ないし三角形状とすることにより、渦流を効率よく発生させることができ、もってバイパス流路１６の流路抵抗を大きくできる。したがって、第１実施形態の（１）の効果を高めることができる。
【００５２】
以上、本発明に係る沸騰水型原子炉およびその運転方法を第１実施形態〜第３実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の要旨を逸脱しない限り設計の変更や追加等は許容される。
【００５３】
例えば、ボイド率制御を担う制御棒の凸条部は、Ｂ４Ｃ或いはハフニウム等の中性子吸収材が充填される制御棒有効部のほか、制御棒上部のエンドプラグ等に設けることができる。また、凸条部の段数は、特に制限されず、ボイド率の制御能を考慮して適宜設定できる。なお、凸条部を有する制御棒は、インターナルポンプを備えた改良型沸騰水型原子炉など、沸騰水型の原子炉であれば適用できる。
【符号の説明】
【００５４】
Ｕ……沸騰水型原子炉， Ｄ……制御棒挿入方向， １……原子炉圧力容器， ２……炉心部， ３……上部格子板， ４……炉心支持板， ５……燃料集合体， ６……燃料支持金具， ７……下部プレナム， ８……制御棒駆動機構ハウジング， ９……制御棒案内管， １０……制御棒， １１……冷却材の主流， １２……冷却材の支流（バイパス流）， １３……制御棒ガイド路， １４……凸条部， １５…制御棒ガイド路内壁， １６……バイパス流路， １７……制御棒挿通路の拡大部， １８……縮流， １９……渦流。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料集合体を支持すると共に制御棒ガイド路を形成する燃料支持金具を有し、炉心を循環する冷却材が燃料集合体内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流と、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流に分岐する沸騰水型原子炉において、
前記制御棒は、制御棒挿入方向に沿って間隔を置いて配置され且つ燃料支持金具の制御棒ガイド路内壁に向かって張り出す複数の凸条部を備えることを特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項２】
前記制御棒の凸条部は、制御棒の外周に沿って連続的に設けられることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項３】
前記制御棒の凸条部は、制御棒ガイド路内壁に向かって張り出す突設方向の寸法をＨとし、隣り合う凸条部との距離をＬとしたとき、Ｈ／Ｌ＝０．２〜０．３の条件を満たすように構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項４】
前記制御棒の凸条部は、制御棒挿入方向に倒れるように傾斜が設定されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項５】
前記制御棒の凸条部は、制御棒挿入方向と逆方向に向かって下る傾斜が設定された縦断面片刃状に構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項６】
前記制御棒の凸条部は、制御棒駆動を通じて、その全てが制御棒ガイド路から炉心部へと抜け出す状態、その全てが制御棒ガイド路に収まる状態、一部が制御棒ガイド路から炉心部へと抜け出し且つ他が制御棒ガイド路に収まる状態の各状態が形成されるように設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉の運転方法。
【請求項７】
燃料集合体を支持すると共に制御棒ガイド路を形成する燃料支持金具を有し、炉心を循環する冷却材が燃料集合体内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流と、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流に分岐する沸騰水型原子炉の運転方法において、
前記制御棒の一部の領域を対象とし、燃料支持金具の制御棒ガイド路の流動抵抗をコントロールするように張り出す複数の凸条部を制御棒挿入方向に沿って間隔を置いて設けておき、
前記制御棒ガイド路に対する制御棒の挿入量を調節することにより、制御棒ガイド路の流動抵抗を調節することを特徴とする沸騰水型原子炉の運転方法。
【請求項８】
沸騰水型原子炉の運転サイクル前半では、その後半と比較して、制御棒ガイド路の流路抵抗が大きくなるように制御棒の挿入量を調節することを特徴とする請求項７に記載の沸騰水型原子炉の運転方法。
【請求項９】
全ての凸条部が制御棒ガイド路に収まるように制御棒を駆動させる高ボイド率運転と、全ての凸条部が制御棒ガイド路から炉心部へと抜け出すように制御棒を駆動させる低ボイド率運転と、一部の凸条部が制御棒ガイド路から抜け出し且つ残りの凸条部が制御棒ガイド路に収まるように制御棒を駆動させる中ボイド率運転とを、燃料の燃焼度に応じて切り替えて行うことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の沸騰水型原子炉の運転方法。
【請求項１】
燃料集合体を支持すると共に制御棒ガイド路を形成する燃料支持金具を有し、炉心を循環する冷却材が燃料集合体内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流と、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流に分岐する沸騰水型原子炉において、
前記制御棒は、制御棒挿入方向に沿って間隔を置いて配置され且つ燃料支持金具の制御棒ガイド路内壁に向かって張り出す複数の凸条部を備えることを特徴とする沸騰水型原子炉。
【請求項２】
前記制御棒の凸条部は、制御棒の外周に沿って連続的に設けられることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項３】
前記制御棒の凸条部は、制御棒ガイド路内壁に向かって張り出す突設方向の寸法をＨとし、隣り合う凸条部との距離をＬとしたとき、Ｈ／Ｌ＝０．２〜０．３の条件を満たすように構成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項４】
前記制御棒の凸条部は、制御棒挿入方向に倒れるように傾斜が設定されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項５】
前記制御棒の凸条部は、制御棒挿入方向と逆方向に向かって下る傾斜が設定された縦断面片刃状に構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉。
【請求項６】
前記制御棒の凸条部は、制御棒駆動を通じて、その全てが制御棒ガイド路から炉心部へと抜け出す状態、その全てが制御棒ガイド路に収まる状態、一部が制御棒ガイド路から炉心部へと抜け出し且つ他が制御棒ガイド路に収まる状態の各状態が形成されるように設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の沸騰水型原子炉の運転方法。
【請求項７】
燃料集合体を支持すると共に制御棒ガイド路を形成する燃料支持金具を有し、炉心を循環する冷却材が燃料集合体内部に案内されインチャンネル流となる冷却材の主流と、制御棒ガイド路を通って燃料集合体間に案内される冷却材のアウトチャンネル流に分岐する沸騰水型原子炉の運転方法において、
前記制御棒の一部の領域を対象とし、燃料支持金具の制御棒ガイド路の流動抵抗をコントロールするように張り出す複数の凸条部を制御棒挿入方向に沿って間隔を置いて設けておき、
前記制御棒ガイド路に対する制御棒の挿入量を調節することにより、制御棒ガイド路の流動抵抗を調節することを特徴とする沸騰水型原子炉の運転方法。
【請求項８】
沸騰水型原子炉の運転サイクル前半では、その後半と比較して、制御棒ガイド路の流路抵抗が大きくなるように制御棒の挿入量を調節することを特徴とする請求項７に記載の沸騰水型原子炉の運転方法。
【請求項９】
全ての凸条部が制御棒ガイド路に収まるように制御棒を駆動させる高ボイド率運転と、全ての凸条部が制御棒ガイド路から炉心部へと抜け出すように制御棒を駆動させる低ボイド率運転と、一部の凸条部が制御棒ガイド路から抜け出し且つ残りの凸条部が制御棒ガイド路に収まるように制御棒を駆動させる中ボイド率運転とを、燃料の燃焼度に応じて切り替えて行うことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の沸騰水型原子炉の運転方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−２３０５４０（Ｐ２０１０−２３０５４０Ａ）
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７９２９８（Ｐ２００９−７９２９８）
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成２２年１０月１４日（２０１０．１０．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２７日（２００９．３．２７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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