TMI-2炉の概要（事故前）

図１　事故前のTMI-2原子炉圧力容器の断面 [1]

　図１に、事故前のTMI-2炉の断面模式図を示す[1]。原子炉圧力容器（RPV: Reactor Pressure vessel）内は、およそ３つの領域に分かれている。上部には、円筒形の上部プレナム構造物が装荷されており、その内部に制御棒案内管（CRGT: Control Rod Guite Tube）が取り付けられている。制御棒アッセンブリ（Control Rod Assembly）がCRGTを経由して上下に作動し、制御棒スパイダーを燃料集合体内部に挿入あるいは引き上げる構造となっている。制御棒アッセンブリは、RPV上部を貫通している制御棒駆動機構（CRDM: Control Rod Drive Mechanism）で駆動される。図１にでは、中央にある制御棒アッセンブリ１本が代表的なものとして示されている。実際には燃料集合体ごとに１本ずつ取り付けられている。上部プレナム構造物の底部には、上部格子板が取り付けられ、燃料集合体の上部を固定する役割を担っている。冷却水は、インレットノズルからRPV内に供給され、炉心容器槽外側のダウンカマーを通じていったん下部プレナムに流入し、そこから、炉心部に供給される。炉心部を通過して加熱された冷却水はアウトレットノズルを通じて蒸気発生器に供給される。

図２　TMI-2炉の燃料集合体模式図 [1]

　炉心部には、全長約4mからなる燃料集合体が装荷されている。炉心の周囲は、長方形プレート状のバッフル板を組み合わせて覆われており、その外側はコアフォーマ領域と呼ばれる。コアフォーマ領域には８層の円環状のコアフォーマプレートが取り付けられている。コアフォーマ領域の外側には炉心容器槽が配置され、さらに熱遮蔽体が装荷されている。その外側には、RPVとの間に円環状の隙間（ダウンカマー）が存在している。図中には、炉心中央の燃料集合体のみ図示されている。バッフル板、コアフォーマ領域、炉心容器槽、熱遮蔽などは上部炉心支持構造物（UCSA: Upper Core Support Assembly）と呼ばれる。図２に、燃料集合体の模式図を示す[1]。炉心部に、燃料集合体が177体装荷されている。一体あたり208本の燃料棒、16本の制御棒案内管、１本の計装案内管が装荷されている。制御棒案内管内には、炉心の位置によって、制御棒や可燃性毒物棒など種類の異なる炉心物質が装荷される。燃料集合体の上下には上下端栓が取り付けられ、それぞれ上下格子板にはめ込まれ、固定される構造となっている。燃料集合体の途中には、燃料棒を固定するためのインコネル製のスペーサーグリッドが取り付けられている。UO₂燃料ペレットの重量は93.1トンであった。UO₂ペレットはZry-4製の被覆管に装荷され、上下をZry製の端栓で封入されていた。UO₂ペレット密度は92.5%であった。制御棒案内管はZry-4製で、制御棒や可燃性毒物棒の被覆管はSS製であった。制御材にはAg-In-Cd合金ロッドが使用され、可燃性毒物にはAl₂O₃-B₄Cのペレットが使用された。RPV外側には、ソースレンジモニターがとりつけられていた。

図３　TMI-2炉の下部プレナム断面模式図 [1]

　RPV下部は、下部プレナム領域と呼ばれる。図３に、下部プレナムの模式図を示す[1]。５層構造の下部炉心支持構造物（LCSA: Lower Core Support Assembly）が装荷され、上から、炉心下部格子（Lower Grid）、流量配分プレート（Flow Distributor Plate）、Grid Forging、インコアモニター支持プレート（Instrument Support Plate）、半球状の流量配分プレート（EFD: Elliptical Flow Distributor Plate）で構成されている。それぞれのプレートに、冷却水が通過する開口部と、インコアモニターが装荷される案内管が取り付けられている。図中に、代表的なインコアモニター１本が示されている。実際には、52本のインコアモニターが装荷されている。インコアモニター中には、炉心部での高さ位置７レベルに対応した自己出力型中性子検出器（SPND: Self-Powered Neutron Detector）、１個のγ線検出器、１個のK熱電対、がそれぞれ取り付けられている。燃料集合体は、炉心下部格子で固定され、その中に流量配分プレートで流量を均等化された冷却水が供給される。Grid Forgingは炉心の重量を均等配分して支える構造物である。インコアモニター支持プレートには、インコアモニター案内管が取り付けられ、ここを経由して、各種計装ラインが燃料集合体内に挿入される構造となっている。EFDは、ダウンカマーから供給される冷却水を流量均等化しつつLCSA内に供給する役割を持っている。インコアモニターは、溶接されたインコネル製のノズルを通じてRPV下部ヘッドを貫通し、炉心部に装荷されている。また、A533B鋼製のRPV容器の内面（厚さ約14cm）には、SS製のライナー層（厚さ約5mm）が溶接されている。

図４　TMI-2炉の炉心断面模式図 [1]

　図４に、炉心部の径方向断面図を示す[1]。燃料集合体のうち何体かには、制御棒スパイダーやインコアモニターが装荷される構造となっている。ここには示されていないが、別の何体かの燃料集合体には、可燃性毒物棒、あるいは、軸方向出力調整棒（APSR: Axial Power-Shaping Rod）が装荷される構造になっている。APSRの構成は、制御棒とほぼ同様であるが、やや短尺となっている。図４で、燃料集合体やバッフル板の配置、コアフォーマプレートの形状（冷却水通過用の開口部）が確認できる。

　TMI-2炉は、燃料集合体ごとの平均燃焼度55,000MWd/t-Uで設計されていた。事故発生時は、稼働開始からあまり日数がたっておらず、燃焼度は、約900～6,000MWd/t-Uの範囲であった。炉心中央、中間、外周の３領域で、それぞれ異なったU-235濃縮度の燃料が装荷されていた。

図５　TMI-2炉の一次系概略図 [1]

　図５に、冷却水一次系（RCS: Reactor Coolant System）の模式図を示す[1]。RCS系は、RPV、蒸気発生器２器、冷却水ポンプ４基、加圧器１器、配管類で構成されている。２系統の冷却水フロー（A系統、B系統）があり、それぞれポンプ２基、蒸気発生器１器で構成されている。冷却水中にはホウ酸が溶解されており、その濃度によりおよそ出力制御できるシステムになっている。

　参考文献[1]に、主要な炉心物質（炉心部と下部プレナム）の材質がまとめられている。表１にまとめる[1]。

表１　TMI-2炉の主要な炉心物質の材質 [1]

炉心構成物質	構成要素	材質	備考
燃料棒	燃料	UO2焼結ペレット（92.5%密度）	燃料集合体あたり、208本
	燃料棒被覆管	Zry-4
	セラミックスペーサー	ZrO2
燃料集合体部材	制御材	Ag-In-Cdロッド	燃料集合体、合計177体
	制御棒被覆管	SS-304
	制御棒案内管	Zry-4（16本/集合体あたり）
	計装案内管	Zry-4（1本/集合体あたり）
	上下端栓	SSキャスティング材（上下各1個/集合体あたり）
	スペーサーグリッド	Inconel-718（8個/集合体あたり）
	スペーサースリーブ	Zry-4（7個/集合体あたり）
	可燃性毒物材	Al2O3-B4C焼結ペレット
	可燃性毒物棒被覆管	Zry-4
	軸方向出力平坦化棒	Ag-In-Cdロッド
	同上被覆管	SS-304
原子炉圧力容器	圧力容器	SA533B材（低炭素鋼）	下部ヘッド
	ライナー材	SS or Ni基合金
	下部ヘッドノズル	Inconel-600（52本）
	計装案内管	SS-304（52本）

#備考：上部プレナム構造物、制御棒や可燃性毒物棒のスパイダー、CRDM、UCSA、LCSA、熱遮蔽、炉心容器槽、等の物量は示されていない。

参考文献

[1] J.R. Wolf et al., TMI-2 Vessel Investigation Project Integration Report, NUREG/CR-6197, 1994.