| 【発明の名称】 |
原子炉の炉心構成 |
| 【発明者】 |
【氏名】ロイ・クリフォード・チャルバーグ
【氏名】ラリー・エドガー・フェンネルン
【氏名】ラッセル・モーガン・フォーセット
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| 【要約】 |
【課題】原子炉の燃料バンドル及び制御棒の構成。
【解決手段】本発明の実施形態において、原子炉の炉心は、複数の燃料セルと複数の大型制御棒を含む。各大型制御棒は、従来の制御棒の約２倍の幅があり、中央部分から半径方向に延び、かつ互いに直角に配列された４つの制御棒ブレードを含む。ブレードは、４つの燃料バンドル受入れチャンネルを形成する。炉心は、制御棒が各受入れチャンネル中に４つの燃料バンドルを備える複数の千鳥配列に配置されるように構成される。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 複数の燃料バンドルと、各々が中央部分から半径方向に延びかつ互いに直角に配列された４つの制御棒ブレードを含み、該ブレードが４つの燃料バンドル受入れチャンネルを形成する複数の大型制御棒とを含み、該制御棒は、各前記受入れチャンネル中に複数の燃料バンドルを備える複数の千鳥配列に配置されることを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項２】 前記大型制御棒及び前記複数の燃料バンドルは、複数の燃料セルを形成し、各前記燃料セルは、前記大型制御棒の各前記受入れチャンネル中に１つの大型制御棒及び４つの燃料バンドルを含み、前記複数の燃料セルは、前記制御棒が前記燃料セルの各前記受入れチャンネルの各側面が前記制御棒ブレードに隣接しかつそれにほぼ平行になるような、千鳥配列パターンに配置されるよう配列されることを特徴とする請求項１に記載の炉心。
【請求項３】 各前記受入れチャンネルは４つの燃料バンドルを収納することを特徴とする請求項１に記載の炉心。
【請求項４】 複数の開口を形成するように構成された複数の上部ガイドビームを有する上部ガイドをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の炉心。
【請求項５】 前記上部ガイドから間隔を置いて配置された炉心板をさらに含み、前記燃料バンドルは、前記上部ガイド及び前記炉心板の間に延びることを特徴とする請求項４に記載の炉心。
【請求項６】 複数の燃料セルを含む原子炉の炉心であって、各前記燃料セルは、中央部分から半径方向に延びかつ互いに直角に配列された４つの制御棒ブレードを含み、該ブレードは前記燃料セルの４つの四分区画を形成し、各前記四分区画は複数の燃料バンドルを含む、大型制御棒を含み、前記複数の燃料セルは、前記制御棒が、前記燃料セルの各前記四分区画の各側面が前記制御棒ブレードに隣接する千鳥配列パターンになるように配列される、ことを特徴とする原子炉の炉心。
【請求項７】 各前記燃料セル四分区画は、４つの燃料バンドルを含むことを特徴とする請求項６に記載の炉心。
【請求項８】 複数の開口を形成するように構成された複数の上部ガイドビームを有する上部ガイドをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の炉心。
【請求項９】 前記上部ガイドから間隔を置いて配置された炉心板をさらに含み、前記燃料バンドルは前記上部ガイド及び前記炉心板の間に延びることを特徴とする請求項８に記載の炉心。
【請求項１０】 複数の燃料バンドルと、各々が中央部分から半径方向に延びかつ互いに直角に配列された４つの制御棒ブレードを含み、該ブレードが４つの燃料バンドル受入れチャンネルを形成する、複数の大型制御棒とを含む、原子炉炉心構成であって、前記複数の大型制御棒は、千鳥配列パターンに配置され、前記燃料バンドルは、各前記受入れチャンネル中に複数の燃料バンドルを備えて配列される、ことを特徴とする原子炉炉心構成。
【請求項１１】 各前記受入れチャンネルは４つの燃料バンドルを収納することを特徴とする請求項１０に記載の原子炉炉心構成。
【請求項１２】 前記炉心は、複数の開口を形成するように構成された複数の上部ガイドビームを有する上部ガイドをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の原子炉炉心構成。
【請求項１３】 前記上部ガイドから間隔を置いて配置された炉心板をさらに含み、前記燃料バンドルは前記上部ガイド及び前記炉心板の間に延びることを特徴とする請求項１２に記載の原子炉炉心構成。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に原子炉に関し、より具体的には、原子炉の燃料バンドル及び制御棒の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の原子炉圧力容器（ＲＰＶ）は、一般に、全体として円筒形の形状を有し、例えばボトムヘッド及び着脱可能のトップヘッドにより両端が閉じられる。上部ガイドは、一般にＲＰＶの内部で炉心板の上方に間隔を置いて配置される。炉心シュラウド、またはシュラウドは、一般に炉心板を囲繞し、シュラウド支持構造体により支持される。具体的に言えば、シュラウドは、全体として円筒形の形状を有し、炉心板及び上部ガイドの両方を囲繞する。上部ガイドは、幾つかの開口を含み、燃料バンドルはその開口を通して挿入され、炉心板により支持される。
【０００３】制御棒駆動装置組立体のような構成要素が、ＲＰＶの内側に延びることができるように、複数の開口がボトムヘッドドームに形成される。一例を挙げれば、制御棒駆動装置組立体の場合、制御棒駆動装置ハウジング、例えば管が、ボトムヘッドドーム開口を貫通して挿入され、また制御棒駆動装置がその制御棒駆動装置ハウジングを通して挿入される。制御棒駆動装置は、制御棒に結合されて炉心の内部に制御棒を位置決めする。
【０００４】原子炉炉心は、炉心の運転計画に影響を及ぼす異なる特性を有する個別の燃料組立体を含む。例えば、原子炉炉心は、多くの、例えば数百の異なる特性を有する個別の燃料バンドルを有する。かかるバンドルは、燃料バンドルの間の相互作用が、政府及び顧客指定の制約条件を含む全ての規制及び原子炉設計上の制約条件を満たすように、原子炉炉心の内部に配置されるのが好ましい。設計上の制約条件を満たすことに加えて、炉心装填配置が、サイクルエネルギー、つまり、炉心が新しい燃料要素に取り替えられることが必要となる前に原子炉炉心が発生するエネルギーの量を決定するので、炉心装填配置は炉心サイクルエネルギーを最適化するようにされることが好ましい。
【０００５】要求されるエネルギー出力を供給するために、原子炉炉心は新たな燃料バンドルと定期的に交換される。炉心サイクルエネルギーを最適化するために、より高い反応度のバンドルを内方の炉心位置に設置することができる。しかしながら、一部の設計上の制約条件を満たすために、より高い反応度のバンドルは通常外方の炉心位置に設置される。最も枯渇したバンドル、つまり、残存エネルギーの含量が最も少ないバンドルは、原子炉から除去される。燃料交換の間隔は、運転サイクルと呼ばれる。
【０００６】運転サイクルの過程の間、炉心のエネルギー容量を規定する過剰反応度は、２つの方法で制御される。具体的に言えば、可燃性毒物、例えば、ガドリニアが新しい燃料に混ぜ合わされる。最初に混合される可燃性毒物の量は、一般に公益事業及び原子力規制委員会（ＮＲＣ）により設定される設計上の制約条件により決定される。可燃性毒物は、過剰反応度の全てではないが大部分を制御する。
【０００７】制御棒もまた、過剰反応度を制御する。特に、原子炉炉心は、安全な停止を保証し、かつ最大出力ピーキング係数を制御するための主要な機構を提供する制御棒を含む。利用できる制御棒の総数は、炉心の大きさや形状寸法によって異なるが、一般的に５０から２６９の間である。制御棒の位置、つまり、完全に挿入されるか、完全に引き出されるか、またはその中間のどの位置にするかは、過剰反応度を制御し、最大炉心出力ピーキング係数のような他の運転制約条件を満たす必要性に基づく。
【０００８】１つの既知の制御棒は、４つの半径方向に延びるブレードを有する中央部分を含む。ブレードは４つの燃料バンドルチャンネルを形成し、制御棒を炉心に挿入する場合には、制御棒は、１つの燃料バンドルが各チャンネルの内側に位置するように、位置決めされる。従って、例えば、おおよそ１００の制御棒が４００の燃料バンドルを有する原子炉中に含まれる。
【０００９】効率的な運転に必要な制御棒の数を減らすために、１つの既知の原子炉は、Ｋ格子構成で配置された燃料バンドルを含む。かかる原子炉中の各燃料バンドルは、従来の大きさの燃料バンドルよりも実質的に大きく、従来のＢＷＲ燃料構成の２倍のピッチに相当する。そのより大きい燃料バンドルは、ＢＷＲ炉心のピーキング係数の増大を促進する。具体的に言えば、最大チャンネル総合出力、つまり、最高放射ピーキング係数は、従来の大きさの燃料バンドルが装填された炉心の場合よりも、かかる大型の２倍ピッチのＫ格子燃料バンドル炉心の場合の方がより大きい。例えば、この大型の２倍ピッチのバンドル炉心の場合の最大チャンネルピーキング係数は、おおよそ１．７であり、一方、従来の炉心の場合の最大チャンネルピーキング係数は、一般的におおよそ約１．４あるいは１．５である。
【００１０】また、かかるより大型燃料バンドルは制御棒駆動装置の数を減らすことを助長し、従って原子炉の資本コストを削減する。詳しく言えば、かかる２倍ピッチのバンドルを含む燃料組立体は、従来の燃料組立体のおおよそ４倍の大きさである。従って、標準の大きさのバンドルと比べて原子炉中に設置される２倍ピッチのバンドルの数を少なくできる。従って、標準の大きさの燃料バンドルに比べて、より少ない数の２倍ピッチのバンドルの間の反応度を制御するのに必要とされる制御棒の数が少なくなる。標準の大きさの燃料バンドルに比べて、より少ない数の２倍ピッチの燃料バンドルで出力が発生される。その上、燃料交換時間が、燃料バンドルの数が減るために減少する。
【００１１】２倍ピッチのバンドルは、従来の燃料バンドルを用いる従来の原子炉と比べて、制御棒駆動装置の数が減少し、資本コストが実質的に削減された原子炉を提供する。しかしながら、かかるより大きなバンドルはまた、一般的に燃料組立体の実質的な再設計（例えば、２倍ピッチのバンドル設計では、燃料組立体は従来の燃料組立体の大きさのおおよそ４倍になる）を必要とする。同様に、より大きいバンドルは、一般的に炉心中により多くの寄生物質を持つことになるので、湾曲したり膨れたりよりし易くなる。その上に、部分バンドルを再配置することを実施する能力、つまり、個別の燃料バンドルを炉心の内部で再配置するかまたは個別の燃料バンドルを炉心から除去する能力が、より大きな燃料バンドルの場合は実質的に損なわれる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】燃料組立体を実質的に設計し直す必要がなく、制御棒駆動装置の数を減らすことが望ましい。部分バンドルの再配置を実施する能力を実質的に損なうことなく、制御棒駆動装置の数を減少させることもまた望ましい。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明の実施形態において、原子炉の炉心は、複数の燃料バンドルと複数の大型制御棒とを含む。各大型制御棒は、従来の制御棒の約２倍の幅があり、中央部分から半径方向に延び、かつ互いに直角に配列される４つの制御棒ブレードを含む。ブレードは、４つの燃料バンドル受入れチャンネルを形成する。炉心は、制御棒が各受入れチャンネル中に４つの燃料バンドルを備える複数の千鳥配列に配列されるように構成される。この構成は、Ｆ格子構成として定義される。
【００１４】このＦ格子構成においては、燃料セルは１つの大型制御棒及び１６個の燃料バンドルにより形成される。制御棒の４つのブレードは、燃料セルを４つの均等な四分区画に分割する。燃料バンドルは、燃料セルの各四分区画中に４つの燃料バンドルが存在するように制御棒の周りに配列される。炉心は複数の燃料セルから形成される。千鳥配列に配置される大型制御棒を備えるＦ格子構成において、燃料セルの各端縁は制御棒のブレードに隣接し、かつそれにほぼ平行である。
【００１５】Ｆ格子構成は、炉心の制御に必要とされる制御棒の数を結果として減らす。例えば、２６９の制御棒が原子炉炉心設計において用いられる場合に、Ｆ格子構成はその制御棒の数を１３７に減らすことができる。このことは、原子炉に必要とされる制御棒駆動装置の数の減少により、経費低減をもたらす。
【００１６】Ｆ格子構成はまた、燃料バンドル組立体を設計し直す必要なしに、標準の大きさの燃料バンドルを用いることを可能にする。その上に、大型制御棒の千鳥配列構成は、大型制御棒の毒物の相対的価値を増大させる。
【００１７】
【発明の実施の形態】図１は、沸騰水型原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１０の部分破断断面図である。ＲＰＶ１０は全体として円筒形の形状を有し、１端でボトムヘッド１２により、またその他端で着脱可能なトップヘッド１４により閉じられる。側壁１６がボトムヘッド１２からトップヘッド１４まで延びる。円筒形形状の炉心シュラウド２０は、原子炉炉心２２を囲繞する。シュラウド２０は１端でシュラウド支持体２４により支持されて、他端に着脱可能なシュラウドヘッド２６を含む。環状空間２８がシュラウド２０及び側壁１６の間に形成される。
【００１８】核分裂性物質の燃料バンドル３６を含む炉心２２の内部で、熱が発生される。炉心２２を通して循環して上ってくる水が、少なくとも部分的に水蒸気に変換される。気水分離器３８が、循環される水から蒸気を分離する。残留水が、蒸気乾燥器４０により蒸気から除去される。蒸気は、容器トップヘッド１４の近傍の蒸気出口４２を通してＲＰＶ１０を出る。
【００１９】炉心２２で発生される熱量は、例えば、ハフニウムのような中性子吸収物質の制御棒４４を挿入したり引き出したりすることにより調節される。制御棒４４が燃料バンドル３６中に挿入される程度に応じて、制御棒４４は、さもなければ炉心２２に熱を発生させる連鎖反応を促進するのに利用されるはずの中性子を吸収する。制御棒ガイド管４６が、挿入及び引き出しの間の制御棒４４の垂直方向の動きを維持する。制御棒駆動装置４８が、制御棒４４の挿入及び引き出しを行なう。制御棒駆動装置４８はボトムヘッド１２を貫通して延びる。
【００２０】燃料バンドル３６は、炉心２２の基部に設置された炉心板５０により位置合わせされる。上部ガイド５２は、燃料バンドル３６が炉心２２中に下げられるとき、それらを位置合わせする。炉心板５０及び上部ガイド５２は、炉心シュラウド２０により支持される。燃料バンドル３６は全体として正方形の断面を有する。別の実施形態において、燃料バンドルは、断面が長方形または他の多角形にすることができる。
【００２１】図２は、原子炉１０の炉心２２の制御棒４４及び燃料バンドル３６の従来の構成５４の概略上面図である。制御棒４４は、中央部分５８から半径方向に延び、かつ互いに直角に配置された４つの制御棒ブレード５６を含む。ブレード５６は、制御棒４４の周りに４つの燃料バンドル受入れチャンネル６０を形成する。各受入れチャンネル６０は、１つの燃料バンドル３６を受入れる寸法に作られる。従来の構成５４は、燃料バンドル３６の間で規則正しい列６２に配置された制御棒４４を有する。この配置は正方ピッチとして知られている。配列５４は、各燃料バンドル３６が燃料バンドル受入れチャンネル６０中に設置された状態で、各制御棒４４を囲繞する４つの燃料バンドル３６を含む。
【００２２】制御棒４４及び４つの囲繞する燃料バンドル３６が、燃料セル６４を形成する。制御棒ブレード５６が、セル６４を４つの四分区画６６、６８、７０及び７２に分割するように設置される。セル６４の各四分区画６６、６８、７０及び７２は、１つの燃料バンドル３６を収納する。
【００２３】図３は原子炉１０の炉心２２のＫ格子構成の概略上面図である。Ｋ格子構成７４は、各大型制御棒７６を囲繞する４つの大型燃料バンドル８０を備える千鳥配列７８になった大型の制御棒７６を有する。大型制御棒７６は、中央部分８４から半径方向に延び、かつ互いに直角に配列される４つの制御棒ブレード８２を含む。ブレード８２は、制御棒７６の周りに４つの燃料バンドル受入れチャンネル８６を形成する。各大型燃料バンドル８０は、各受入れチャンネル８６が１つの大型燃料バンドル８０を含むように、燃料バンドル受入れチャンネル８６中に設置される。
【００２４】大型制御棒７６は、図２に示す従来の制御棒４４の幅の約１．５倍ないし２．０倍である。大型燃料バンドル８０は、図２に示す従来の燃料バンドル３６の幅の１．５倍ないし２．０倍である。大型制御棒７６及び大型燃料バンドル８０により、炉心２２中で使用される制御棒の数を少なくすることが可能になる。
【００２５】Ｋ格子構成７４において、大型制御棒７６及び４つの囲繞する大型燃料バンドル８０が、燃料セル８８を形成する。燃料セル８８は、上述の燃料セル６４と類似である。しかしながら、千鳥配列７８で大型制御棒７６を配置するので、大型制御棒ブレード８２は、セル８８の各側面９０に隣接しかつそれに平行である。具体的に言えば、Ｋ格子構成７４において、大型制御棒ブレード８２は、セル８８中の各大型燃料バンドル８０の各側面９２に隣接しかつそれに平行である。図２に示すように、各燃料セル６４は、燃料セル６４の側面に隣接しかつそれに平行な制御棒ブレードを有しない。
【００２６】上述のように、最大チャンネル総合出力（つまり、最高の放射ピーキング係数）は、大型燃料バンドル８０を用いることにより、従来の大きさの燃料バンドル３６を装填された炉心の場合よりも大きくなる。この増大したピッチは望ましいが、大型燃料バンドル８０は、往々にして望ましい部分バンドルの再配置を実施するのを著しく妨げる。さらに、大型燃料バンドル８０は、標準の大きさの燃料バンドル３６より大きいバンドルチャンネルを必要とし、かかるより大型のバンドルチャンネルは高価で、炉心領域により多くの寄生物質を添加し、放射線にさらされた場合に、曲がり及び湾曲に絡む問題を生じる可能性がある。
【００２７】図４を参照して、本発明の１つの実施形態に従い、また上記で確認された大型燃料バンドル８０に関連する問題に苦慮することなく、制御棒及び制御棒駆動装置を減少させる利点を得るために、実質的に標準の大きさの燃料バンドル３６及び大型制御棒７６が炉心２２で用いられる。具体的に言えば、原子炉炉心２２は、大型制御棒７６及び従来の大きさの燃料バンドル３６を含む。各大型制御棒７６は、１６個の従来の大きさの燃料バンドル３６に対して毒物質制御を施すような寸法に作られる。従来の大きさの燃料集合体３６及び大型制御棒７６は、Ｆ格子構成９４に配置されて、制御棒駆動装置及び制御棒の数を極力少なくするのを助ける。Ｆ格子構成９４は、各大型制御棒７６を囲繞する１６個の従来の燃料バンドル３６を備える千鳥配列９６になった大型の制御棒７６を有する。
【００２８】図５も参照して、Ｆ格子構成９４において、大型制御棒７６及び１６個の囲繞する従来の燃料バンドル３６が、燃料セル９８を形成する。制御棒ブレード８２が、セル９８を４つの四分区画１００、１０２、１０４及び１０６に分割するように設置される。各四分区画１００、１０２、１０４及び１０６は、４つの従来の燃料バンドル３６を収納する。燃料セル９８は全体として正方形の断面を有する。しかしながら、他の実施形態においては、燃料セル９８は長方形または他の多角形の形状の断面を有することが可能であり、その場合多角形は４から１２の面を有する。上述のように、大型制御棒ブレード８２は、大型制御棒７６の周りに４つの燃料バンドル受入れチャンネル８６を形成する。各受入れチャンネルは、４つの燃料バンドル３６を収納する。別の実施形態において、Ｆ格子構成は、各燃料バンドル受入れチャンネル８６中に４つの燃料バンドル３６より少ないかまたはそれより多い燃料バンドルを備えることができる。
【００２９】図５は、１つの大型制御棒７６を囲繞する１６個の標準サイズの燃料バンドル３６を有する１つの燃料セル９８の概略ではあるが、より詳細な、上面図である。各燃料バンドル３６は、その上端１１０から延びるハンドル１０８を含む。燃料バンドル３６は、４つのグループ１１２、１１４、１１６及び１１８に構成され、各グループ１１２、１１４、１１６及び１１８は、２行２列の燃料バンドル３６を含む。各グループ１１２、１１４、１１６及び１１８はまた、それぞれの燃料バンドル受入れチャンネル８６の内側に設置される。隣接する大型制御棒７６からの制御棒ブレード８２は、セル９８の外側面に隣接しかつそれにほぼ平行に位置する。このＦ格子配置９４において、各受入れチャンネル８６は、セル９８の内側に設置される制御棒７６からの２つのブレード８２及び隣接する大型制御棒７６からの２つのブレード８２により形成される。
【００３０】各グループ１１２、１１４、１１６及び１１８に関しては、チャンネルスペーサ１２０が、各燃料バンドル３６に結合されて、隣接する燃料バンドル３６から実質的に各燃料バンドル３６を隔てる。その上に、ばね付き保護組立体１２２が、燃料バンドル３６に結合されて、バンドル受入れチャンネル８６の内側に燃料バンドル３６を支持するのを助ける。例えば、また燃料バンドル３６のグループ１１２のみについて言うと、４つのばね付き保護組立体１２２が、グループ１１２の内側において実質的に中心に設置されて、それぞれ燃料バンドル３６の隣接する隅１２４に結合される。
【００３１】Ｆ格子構成９４は、結果として炉心２２の制御に必要とされる制御棒の数を減少させることになる。例えば、２６９の制御棒が原子炉炉心設計に用いられる場合に、Ｆ格子構成７６は、制御棒の数を１３７に減らすことができる。これは、原子炉に必要とされる制御棒駆動装置の数を減らすことになるために、結果として経費低減になる。
【００３２】Ｆ格子構成９４によりまた、燃料バンドル集合体を再設計する必要なしに、標準の大きさの燃料バンドル３６の使用が可能になる。その上に、大型制御棒７６の千鳥配列構成９６が、大型制御棒７６の毒物質の相対的価値を増大させる。
【００３３】本発明を様々な特定の実施形態に関して述べてきたが、当業者には、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変形形態で実施することが可能であることが分るであろう。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９００４１５４２
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
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| 【出願日】 |
平成１３年６月１９日（２００１．６．１９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９３９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 研一
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| 【公開番号】 |
特開２００２−９０４８８（Ｐ２００２−９０４８８Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年３月２７日（２００２．３．２７） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−１８４１７３（Ｐ２００１−１８４１７３） |
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