JP2006506649A

JP2006506649A - 原子炉心冷却材の流量分布を最適化するための装置及び方法

Info

Publication number: JP2006506649A
Application number: JP2004553874A
Authority: JP
Inventors: チェ，ホワン; カシージャス，ホセ・エル; ウォルフ，シグ; コルビー，マーク・ジョセフ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2006-02-23
Also published as: TW200518112A; EP1565916A1; MXPA04006922A; WO2004047119A1; US20040096026A1

Abstract

本発明は、複数の燃料アセンブリ（８０）を含む原子炉心（２２）を提供する。例示的な実施形態では、各燃料アセンブリは、入口（９０）を有する主冷却材流路（８８）を含む。複数の燃料アセンブリは、炉心内部で少なくとも３つの領域（７０、７４、７６）内に配列される。流路は、特定の領域内に設置された燃料アセンブリの主冷却材流路を通る冷却材流量が実質的に同一になりかつ各領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量が各他領域内の燃料アセンブリを過る冷却材流量とは異なるように構成される。

Description

本発明は、総括的には原子炉に関し、より具体的には原子炉心冷却材の流量分布を最適化することに関す。

公知の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の原子炉圧力容器（ＲＰＶ）は、ほぼ円筒形状を有し、その両端が例えば底部ヘッド及び取外し可能な上部ヘッドによって閉鎖される。上部ガイドは、ＲＰＶ内部で炉心プレートの上方に間隔をおいて配置される。炉心シュラウド又はシュラウドは、炉心プレートを囲み、シュラウド支持構造体によって支持される。具体的には、シュラウドは一般的に、円筒形状を有し、炉心プレート及び上部ガイドの両方を囲む。上部ガイドは、幾つかの開口を含み、燃料バンドルは開口を通して挿入されかつ炉心プレートによって支持される。炉心プレートは、複数のビームによって支持されたフラットプレートを含む。

原子炉心は、炉心運転の戦略に影響を与える異なった特性を有する個々の燃料アセンブリを含む。例えば、原子炉心は、異なった特性を有する多数の、例えば数百の個別の燃料バンドルを有する。そのような燃料バンドルは、該燃料バンドル間の相互作用が政府指定及び顧客指定の制約を含む全ての規制上及び原子炉設計上の制約を満たすようにして、原子炉心内に配列される。設計上の制約を満たすことに加えて、炉心装填配列によってサイクルエネルギー、すなわち原子炉心を新しい燃料要素で再生させることが必要となる前に原子炉心が発生するエネルギー量が決まるので、炉心装填配列によって炉心サイクルエネルギーを最適化するのが好ましい。

必要なエネルギー出力を供給するために、原子炉心は、周期的に新規燃料バンドルで燃料補給される。炉心サイクルエネルギーを最適化するために、高反応性バンドルは、内部側の炉心位置に配置されることになる。しかしながら、幾つかの設計上の制約を満たすために、高反応性バンドルは一般的に、炉心の中心部から或る距離の位置であるが炉心の周辺部には隣接しない位置に配置される。最も減損した燃料バンドル、すなわち残存エネルギー含有量が殆どない燃料バンドルは、原子炉から除去される。燃料補給間の間隔は、運転サイクルと呼ばれる。

運転サイクル過程中、炉心のエネルギー能力を定める過剰反応度は、２つの方法で制御される。具体的には、可燃性毒物、例えばガドリニアが、新規燃料内に組み込まれる。可燃性毒物の初期量は、典型的には公共性及びＮＲＣによって設定された設計上の制約により決まる。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。

制御棒によっても、過剰反応度が制御される。具体的には、原子炉心は、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機構を構成する制御棒を含む。使用可能な制御棒の総数は、炉心寸法及びジオメトリによって変化し、典型的には５０〜２６９本である。制御棒の位置、すなわち完全挿入位置、完全引き出し位置又はその間の何れかの位置は、過剰反応度を制御する必要性及び例えば最大炉心出力ピーキング係数のような他の運転上の制約を満たす必要性に基づいている。

燃料アセンブリに流入する正常冷却材流は、単相でありかつ僅かにサブクール状態になっている。流れは、垂直上方に流れて燃料支持体に到達し、次いで流れは燃料支持体への入口に流入するので水平方向に方向転換する。次に流れは、圧力降下を与えて燃料バンドルに対する冷却材の分布を助けるオリフィスを通過する。次に流れは、再び垂直方向に方向転換し、燃料アセンブリの下部タイプレートに流入して、個々の燃料ピンの周りに分布した状態になる。

公知のＢＷＲは、通常、周辺領域及び中心領域と呼ばれる２つのオリフィス領域を含む。周辺領域は、炉心の周辺部周りの全ての燃料位置を含み、中心領域は、残りの位置を含む。入口オリフィスの設計では、周辺領域の燃料要素当たりの流量を中心領域の燃料要素当たりの流量の約半分に制限する。周辺部流量をこの大きさに制限することによって、極めて低出力の周辺部燃料要素は冷却材流量が飽和した状態になることが可能になるが、出口蒸気質量率（ｅｘｉｔｑｕａｌｉｔｙ）及び平均空間率（ａｖｅｒａｇｅｖｏｉｄ）は、依然として他の高出力領域におけるよりも大幅に低いままである。この不均一な出口蒸気質量率及び平均空間率により、非効率な蒸気分離及び核減速が生じるおそれがある。
特開平０６−２８９１７８号公報

１つの態様では、複数の燃料アセンブリを含む原子炉心を提供する。各燃料アセンブリは、入口を有する主冷却材流路を含む。複数の燃料アセンブリは、炉心内部で少なくとも３つの領域内に配列される。流路は、特定の領域内に設置された燃料アセンブリの主冷却材流路を通る冷却材流量が実質的に同一になりかつ各領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量が各他領域内の燃料アセンブリを過る冷却材流量とは異なるように構成される。

別の態様では、複数の燃料アセンブリと複数の冷却材オリフィスとを含む原子炉心を提供する。各燃料アセンブリは、入口を有する主冷却材流路を含み、各冷却材オリフィスは、冷却流路の入口内に設置される。複数の燃料アセンブリは、炉心内部で少なくとも３つの領域内に配列される。冷却材オリフィスは、特定の領域内に設置された燃料アセンブリの主冷却材流路を通る冷却材流量が実質的に同一になりかつ各領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量が各他領域内の燃料アセンブリを過る冷却材流量とは異なるような寸法にされる。

さらに別の態様では、複数の燃料アセンブリを含む原子炉心を提供する。各燃料アセンブリは、下部タイプレートと入口を備えた主冷却材流路とを含む。原子炉心はさらに、複数の冷却材オリフィス及び複数の流量絞り装置の少なくとも１つを含む。各冷却材オリフィスは、直径を含み、冷却材流路の入口内に設置される。各流量絞り装置は、下部タイプレートの下端部に着脱可能に結合される。複数の燃料アセンブリは、炉心内部で少なくとも３つの領域内に配列される。特定の領域内に設置された冷却材オリフィスの直径は実質的に同一であり、また各領域の冷却材オリフィスの直径は各他領域内の冷却材オリフィスの直径とは異なる。特定の領域内に設置された流量絞り装置は、同一であるような大きさにされ、また各領域の流量絞り装置の大きさは、各他領域内の流量絞り装置の大きさとは異なる。

さらに別の態様では、原子炉心冷却材の流量分布を最適化する方法を提供する。原子炉心は、炉心内部で少なくとも３つの領域内に配列された複数の燃料アセンブリを含む。本方法は、特定の領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量を同一になるように調整する段階と、燃料アセンブリを通る冷却材流量を、各領域内の燃料アセンブリを通る流量が各他領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量とは異なるように調整する段階とを含む。

原子炉心冷却材の流量分布を最適化する方法を以下に詳細に説明する。流量分布は、炉心内の出力分布に合致するように改善されて、それにより、蒸気分離システムの効率とＢＷＲプラントの全体効率とを高める。本方法は、炉心冷却材の出口蒸気質量率と炉心内での燃料減速との両方を最適化する。

図面を参照すると、図１は、沸騰水型原子炉圧力容器（ＲＰＶ）１０の一部を切除した断面図である。ＲＰＶ１０は、ほぼ円筒形の形状を有し、一端が底部ヘッド１２によって閉鎖され、また他端が取外し可能な上部ヘッド１４によって閉鎖される。側壁１６が、底部ヘッド１２から上部ヘッド１４まで延びる。側壁１６は、上部フランジ１８を含む。上部ヘッド１４は、上部フランジ１８に取付けられる。円筒形状の炉心シュラウド２０が、炉心２２を囲む。シュラウド２０は、一端においてシュラウド支持体２４によって支持され、また他端に取外し可能なシュラウドヘッド２６を含む。アニュラス２８が、シュラウド２０と側壁１６との間に形成される。リング形状をしたポンプデッキ３０が、シュラウド支持体２４とＲＰＶ側壁１６との間で延びる。ポンプデッキ３０は、複数の円形の開口３２を含み、各開口はジェットポンプ３４を収納する。ジェットポンプ３４は、炉心シュラウド２０の周りで円周方向に分散配置される。入口昇水管３６が、遷移組立体３８により２つのジェットポンプ３４に結合される。各ジェットポンプ３４は、入口ミキサ４０とディフューザ４２とを含む。入口ライザ３６及び２つの結合ジェットポンプ３４は、ジェットポンプ組立体４４を形成する。

核分裂性物質の燃料バンドル４６を含む炉心２２の内部で、熱出力を発生させる。炉心２２を通って上方に循環する水は、少なくとも１部が蒸気に変換される。汽水分離器４８が、水から蒸気を分離し、その水は再循環される。残留水が、蒸気乾燥器５０によって蒸気からを除去される。蒸気は、容器上部ヘッド１４付近の蒸気出口５２を通してＲＰＶ１０から流出する。

炉心２２内で発生する熱出力の量は、例えば炭化ホウ素のような中性子吸収材料の制御棒５４を挿入及び引き出すことによって調整される。制御棒５４が燃料バンドル４６間の炉心２２内に挿入される程度に応じて、制御棒５４は、そうでなければ炉心２２内で熱出力を発生する連鎖反応を促進するのに利用できる筈であった中性子を吸収する。制御棒ガイドチューブ５６は、挿入及び引き出しの間に制御棒５４の垂直方向の運動を維持する。制御棒駆動装置５８は、制御棒５４の挿入及び引き出しを実行する。制御棒駆動装置５８は、底部ヘッド１２を貫通して延びる。

燃料バンドル４６は、炉心２２の底部に設置された炉心プレート６０によって整列される。上部ガイド６２は、燃料バンドル４６を炉心２２内に下ろす際に燃料バンドル４６を整列させる。炉心プレート６０及び上部ガイド６２は、炉心シュラウド２０によって支持される。

図２は、炉心２２、炉心シュラウド２０及びＲＰＶ側壁１６を示す、ＲＰＶ１０のＲＰＶ方位角０度からＲＰＶ方位角９０度までの四分円部位の概略平面図である。シュラウド２０とＲＰＶ側壁１６との間に設置されたアニュラス２８も示している。ジェットポンプ３４及び入口昇水管３６は、アニュラス２８内に設置される。炉心２２は、３つの領域、すなわち炉心２２の外端縁７２の周りに円周方向に設置された端縁領域７０と、端縁領域７０に隣接して設置された中間領域７４と、炉心２２の中心部に設置された中心領域７６とに分割される。中間領域７４は、端縁領域７０と中心領域７６との間に設置される。炉心２２の領域の各々内に設置された燃料バンドル４６の出力は異なる。具体的には、端縁領域７０は、最も低い出力を発生する燃料バンドル４６を含む。中間領域７４内に設置された燃料バンドル４６は、端縁領域７０内に設置された燃料バンドル４６よりも高い出力を発生し、中心領域７６内に設置された燃料バンドル４６は、中間領域７４内に設置された燃料バンドル４６よりも高い出力を発生する。

図３は、本発明の実施形態による原子炉心２２の概略断面図である。１つの例示的な実施形態では、原子炉心２２は、燃料アセンブリ８０を含み、該燃料アセンブリは燃料バンドル４６と、下部タイプレート８２と、炉心プレート６０及び制御棒ガイドチューブ５６によって支持された燃料支持体８４とを含む。下部タイプレート８２の第１の端８６（底部）は、燃料支持体８４に結合され、下部タイプレート８２の第２の端８７（上部）は、燃料バンドル４６を受けかつ支持するような寸法及び形状にされる。主冷却材流路８８は、燃料支持体８４の冷却材入口９０から燃料支持体８４及び下部タイプレート８２を通って燃料バンドル４６まで延び、冷却材が燃料バンドル４６内に含まれた燃料棒９２の周りで燃料バンドル４６を通って上方に流れるのを可能にする。冷却材オリフィス９４は、燃料支持体８４の入口９０内に設置される。オリフィス９４の直径Ｄの大きさにより、主冷却材流路８８を通って燃料バンドル４６内に入る冷却材流量が制御される。オリフィス９４は、炉心２２の領域内に設置された各燃料バンドル４６を通る冷却材流量がほぼ同一になるような寸法にされる。具体的には、端縁領域７０（図２に示す）内に設置された燃料アセンブリ８０のオリフィス９４の直径Ｄは、ほぼ同一であり、このことにより端縁領域７０内に設置された各燃料アセンブリ８０を通る冷却材流量はほぼ同一になる。中間領域７４内に設置された燃料アセンブリ８０のオリフィス９４の直径Ｄはほぼ同一であるが、端縁領域７０内に設置された燃料アセンブリのオリフィス９４の直径Ｄ及び中心領域７６内に設置された燃料アセンブリのオリフィス９４の直径Ｄとは異なる。さらに、中心領域７６内に設置された燃料アセンブリのオリフィス９４の直径Ｄは、ほぼ同一であるが、端縁領域７０内に設置された燃料アセンブリのオリフィス９４の直径Ｄ及び中間領域７４内に設置された燃料アセンブリのオリフィス９４の直径Ｄとは異なる。炉心２２の各領域内での異なる直径のオリフィス９４の結果として、炉心２２の各領域内での冷却材流量は、異なることになる。

流量絞り装置９６は、下部タイプレート８２の第１の端部８６に着脱可能に結合される。複数の開口９８が、流量絞り装置９６を貫通して延びる。開口９８の大きさ及び数により、主冷却材流路８８を通って燃料バンドル４６内に入る冷却材流量が制御される。流量絞り装置９６は、炉心２２の領域内に設置された各燃料バンドル４６を通る冷却材流量がほぼ同一になるような寸法にされる。具体的には、端縁領域７０（図２に示す）内に設置された燃料アセンブリ８０の流量絞り装置９６内の開口９８の大きさ及び数は、ほぼ同一であり、このことにより端縁領域７０内に設置された各燃料アセンブリ８０を通る冷却材流量がほぼ同一になる。中間領域７４内に設置された燃料アセンブリ８０の流量絞り装置９６内の開口９８の大きさ及び数は、この領域内では同一であるが、端縁領域７０内に設置された燃料アセンブリの流量絞り装置９６内の開口９８の大きさ及び数並びに中心領域７６内に設置された燃料アセンブリ８０の流量絞り装置９６内の開口９８の大きさ及び数とは異なる。さらに、中心領域７６内に設置された燃料アセンブリの流量絞り装置９６内の開口９８の大きさ及び数は、この領域内では同一であるが、端縁領域７０内に設置された燃料アセンブリ８０の流量絞り装置９６内の開口９８の大きさ及び数並びに中間領域７４内に設置された燃料アセンブリ８０の流量絞り装置９６内の開口９８の大きさ及び数とは異なる。炉心２２の各領域内での流量絞り装置９６内の開口９８の大きさ及び数の結果として、炉心２２の各領域内での冷却材流量は、異なることになる。図３に示す例示的な実施形態は、燃料アセンブリ８０内に冷却材オリフィス９４と流量絞り装置９６との両方を含む。他の実施形態では、冷却材流量は、流量絞り装置９６を使用せずに冷却材オリフィス９４によって調整可能であり、或いは冷却材流量は、冷却材オリフィス９４を使用せずに流量絞り装置９６によって調整可能であり、或いは冷却材流量は、幾つかの燃料アセンブリ８０内の冷却材オリフィス９４及び他の燃料アセンブリ８０内の流量絞り装置９６で調整可能であることを理解されたい。

別の実施形態では、原子炉心２２は、各領域が異なる出力を持つ燃料アセンブリを有する状態で、３つ以上の領域に分割され、燃料アセンブリを通る冷却材流量が、領域内の燃料アセンブリの出力に基づいて調整される。領域内の燃料アセンブリの出力が高ければ高いほど、その領域を通る冷却材流量も大きくなる。

図４は、炉心２２を通る冷却材流量のグラフ表示である。冷却材流量は、各領域内に設置された燃料バンドル４６の出力に基づいて炉心２２の各領域内で調整される。具体的には、端縁領域７０すなわち炉心２２の最も低い出力領域内に設置された燃料アセンブリ８０を通る冷却材流量は、中間領域７４すなわち炉心２２の２番目に高い出力領域内に設置された燃料アセンブリ８０を通る冷却材流量よりも小さい。さらに、中間領域７４内に設置された燃料アセンブリ８０を通る冷却材流量は、中心領域７６すなわち炉心２２の最も高い出力領域内に設置された燃料アセンブリ８０を通る冷却材流量よりも小さい。

炉心２２の領域を通る冷却材流量を上記に説明したように調整することによって、原子炉の蒸気分離システムの性能が改善され、ＢＷＲの核減速特性が強化され、より高い中性子効率が達成される。

図５は、周辺オリフィス領域１００と中心オリフィス領域１０２とを含む公知の原子炉を通る冷却材流量のグラフ表示である。周辺領域１００は、原子炉心の周辺部の周りでの全ての燃料位置を含み、中心領域１０２は、残りの燃料位置を含む。入口オリフィス設計では、周辺領域１００内の燃料要素当たりの流量を中心領域１０２内の燃料要素当たりの流量の約半分に制限する。周辺部流量をこの大きさにすることによって、極めて低出力の周辺部燃料要素は少量の蒸気しか発生しなくなる。従って、周辺領域１００からの冷却材の出口蒸気質量率及び平均空間率は、中心領域１０２におけるよりも極めて低い。この不均一な出口蒸気質量率及び平均空間率により、蒸気分離不足及び非効率的核減速を生じることになる。

本発明を種々の特定の実施形態に関して説明してきたが、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更で実施可能であることは当業者には明らかであろう。

沸騰水型原子炉圧力容器の一部を切除した断面図。図１に示す原子炉圧力容器の四分円部位の概略平面図。図１に示す原子炉心の概略断面図。本発明の実施形態による炉心流量のグラフ表示。公知の原子炉における炉心流量のグラフ表示。

符号の説明

１０沸騰水型原子炉圧力容器（ＲＰＶ）
１６ＲＰＶ側壁
２０シュラウド
２２原子炉心
２８アニュラス
３４ジェットポンプ
３６入口昇水管
７０端縁領域
７２外端縁
７４中間領域
７６中心領域
８０燃料アセンブリ
８２下部タイプレート
８８主冷却材流路
９４冷却材オリフィス
９６流量絞り装置

Claims

原子炉心（２２）であって、
複数の燃料アセンブリ（８０）を含み、前記燃料アセンブリの各々が、下部タイプレート（８２）と入口を備えた主冷却材流路（８８）とを含み、
前記複数の燃料アセンブリが、該炉心内部で少なくとも３つの領域（７０、７４、７６）内に配列され、
前記流路が、特定の領域内に設置された燃料アセンブリの主冷却材流路を通る冷却材流量が実質的に同一でありかつ各該領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量が各他領域内の燃料アセンブリを過る冷却材流量とは異なるように構成されている、
原子炉心（２２）。
複数の冷却材オリフィス（９４）をさらに含み、前記冷却材オリフィスの各々が前記冷却流路（８８）の入口内に設置されている、請求項１記載の原子炉心（２２）。
前記特定の領域（７０、７４、７６）内に設置された燃料アセンブリ（８０）の冷却材オリフィス（９４）が、該特定の領域内に設置された燃料アセンブリの主冷却材流路（８８）を通る冷却材流量が実質的に同一になるような寸法にされている、請求項２記載の原子炉心（２２）。
前記燃料アセンブリ（８０）の冷却材オリフィス（９４）が、各前記領域（７０、７４、７６）内の燃料アセンブリを通る冷却材流量が各他領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量とは異なるような寸法にされている、
請求項３に記載の原子炉心（２２）。
該炉心が、ほぼ円形の断面を含み、前記燃料アセンブリ（８０）が、前記炉心の外端縁（７２）の周りに円周方向に位置する端縁領域（７０）と、前記端縁領域に隣接して位置する中間領域（７４）と、該炉心の中心部に位置する中心領域（７６）と内に配列されており、前記中間領域が前記端縁領域と前記中心領域との間に位置している、請求項１記載の原子炉心（２２）。
前記端縁領域（７０）内に設置された燃料アセンブリ（８０）を通る冷却材流量が、前記中間領域（７４）内に設置された燃料アセンブリを通る冷却材流量よりも小さい、請求項５記載の原子炉心（２２）。
前記中間領域（７４）内に設置された燃料アセンブリ（８０）を通る冷却材流量が、前記中心領域（７６）内に設置された燃料アセンブリを通る冷却材流量よりも小さい、請求項６記載の原子炉心（２２）。
複数の流量絞り装置（９６）をさらに含み、前記流量絞り装置の各々が前記下部タイプレート（８２）の下端部（８６）に着脱可能に結合されている、請求項１記載の原子炉心（２２）。
前記特定の領域内に設置された燃料アセンブリ（８０）の流量絞り装置（９６）が、該特定の領域（７０、７４、７６）内に設置された燃料アセンブリの主冷却材流路（８８）を通る冷却材流量が実質的に同一になるような寸法にされている、請求項８記載の原子炉心（２２）。
前記燃料アセンブリ（８０）の流量絞り装置（９６）が、各前記領域（７０、７４、７６）内の燃料アセンブリを通る冷却材流量が各他領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量とは異なるような寸法にされている、請求項９記載の原子炉心（２２）。
複数の流量絞り装置（９６）をさらに含み、前記流量絞り装置の各々が前記下部タイプレート（８２）の下端部（８６）に着脱可能に結合され、前記特定の領域内に設置された燃料アセンブリの流量絞り装置が、該特定の領域内に設置された燃料アセンブリの主冷却材流路（８８）を通る冷却材流量が実質的に同一になるような寸法にされている、請求項２記載の原子炉心（２２）。
前記燃料アセンブリ（８０）の流量絞り装置（９６）が、各前記領域（７０、７４、７６）内の燃料アセンブリを通る冷却材流量が各他領域内の燃料アセンブリを通る冷却材流量とは異なるような寸法にされている、請求項１１記載の原子炉心（２２）。