JP2010014493A - 沸騰水型原子炉および制御棒 - Google Patents

Abstract

【課題】一辺の長さが１５ｃｍ以上の大型燃料集合体が装荷される沸騰水型原子炉で、ブレードヒストリー効果を抑制する。
【解決手段】燃料集合体９１を２行２列に配列した複数のセルに挿抜可能に設けられる制御棒のうち、運転サイクルを通じて主として反応度の制御に用いられる制御セル用制御棒１５には、中性子を吸収する中性子吸収棒５および中性子をあまり吸収しない非吸収棒６が複数配列されている。少なくとも有効部の上端から所定の長さの上部領域に、外側領域と、この外側領域よりもタイクロス２３に近い内側領域とが形成されている。内側領域には、非吸収棒６が外側領域に比べて多く配列され、水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さくなっている。燃料集合体９１の外周あるいは２層目の横断面中央付近に、細径ウォータロッド８７を配置して非沸騰水領域を形成してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、大型の燃料集合体が装荷される沸騰水型原子炉およびそれに用いる制御棒に関する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の炉心は、一般に、大部分が燃料体セルを水中に配列して形成される。燃料体セルは、４体の燃料集合体を横断面が十字形の制御棒の１本を取り囲むように配列されて形成される。燃料集合体は、それぞれ横断面がほぼ正方形の金属製角管（チャンネルボックス）の中にウォータロッドあるいはウォータチャンネルなどの水棒と多数の燃料棒を規則的に配置して形成される。実用化されているＢＷＲの燃料体セルは、ＢＷＲ導入初期を除き、その１辺が１２インチ（３０．４８ｃｍ）で金属製角管の１辺の長さは１４ｃｍ程度である。また、近年、セル寸法を１２インチ（３０．４８ｃｍ）よりも少し拡大した燃料体セルで形成された炉心を備えたＢＷＲも実用化されている。

原子力発電の総合的な経済性を向上させるため、燃料体セルを大きくするとともに、各燃料集合体の大きさを大きくする研究が進められている。たとえば１２インチ（３０．４８ｃｍ）よりも少し拡大した燃料体セルに対して、セル寸法を１．２倍、１．４倍および２倍とした燃料体セルが研究されている。これらの燃料体セルの寸法に対応する燃料集合体の１辺の寸法は、１７ｃｍ、２０ｃｍおよび３０ｃｍ程度である。特許文献１には、燃料体セルの寸法を微小拡大セルの１．２倍とした場合の燃料集合体設計例が示されている。この燃料集合体設計例では、燃料棒配列を１２行１２列とし、中央に太い水棒を配置している。
特開２００５−２６５６９６号公報 特開昭６２−２３５５９５号公報

制御棒を挿入した状態においては、制御棒の中心軸に近い燃料棒の近傍ほど中性子束が低くなる。このため、特に制御棒の中心軸に近い燃料棒の燃焼は、他の燃料棒に比べて遅れる傾向にある。したがって、制御棒が挿入された状態である程度の時間が経過した後、その制御棒が引き抜かれると、特に制御棒の中心軸に近い燃料棒は、他の位置の燃料棒に比べて出力の上昇幅が大きくなる傾向にある。この上昇幅が著しいと、燃料の健全性を損なうおそれがある。

このような燃料健全性への脅威を低減するため、制御棒の中心軸に近い位置の燃料棒に装填されるウランの濃縮度は、大幅に抑制せざるを得ない。その結果、燃料集合体の内部での濃縮度分布などの燃料設計が複雑になり、燃料経済性の低下につながる。

このような問題は、制御棒の中心軸の近傍のみに生じるのではなく、制御棒の中心軸から離れると程度は緩和されるものの、広い範囲で生じる。また、制御棒の水平方向の端部からの距離が大きくなるほど、制御棒の中心軸の近傍での中性子束の低下は大きい。このため、燃料集合体を大型化すると、このような問題に対する対策の必要性が大きくなる。

また、原子炉の出力運転中に大部分の制御棒は炉心から引き抜かれている。しかし、一部の制御棒は、炉心の出力分布と反応度を制御するため、運転サイクルの大部分の期間において炉心に挿入されている場合がある。これらの制御棒は、必要に応じて挿抜される。制御棒が引き抜かれると、上述のように大きな出力上昇が生じ、これに伴う燃料健全性が問題となる場合がある。このような問題は、ブレードヒストリー問題と呼ばれる場合がある。この問題は、燃料集合体が大きくなるにつれて、より一段と厳しいものになる。

出力運転中に炉心に挿入されている制御棒は、制御セル用制御棒と呼ばれる場合がある。制御セル用制御棒は、非常に高い中性子照射を受けるため、長寿命型制御棒が用いられる。長寿命型制御棒に用いられる代表的な中性子吸収材は、ハフニウムである。ユーロピウム、サマリウム、ディスプロシウムなどの希土類元素を中性子吸収材として用いる研究もされている。銀インジウムカドミウム合金は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の制御棒に広く用いられている。

ハフニウムを用いたＢＷＲ用の制御棒は、たとえば特許文献２に開示されている。この制御棒は、２枚のハフニウム板の間に炉水を導き、この水でも中性子を減速して中性子吸収率を高めたいわゆる中性子束トラップ型制御棒である。しかし、このような制御棒であっても、燃料集合体が大型化した場合には改良が必要となる。また、このような従来の制御棒ではシースを構成する金属と中性子吸収材とが異種金属であるため、長寿命化時腐食による健全性劣化の問題も内在している。

そこで、本発明は、一辺の長さが１５ｃｍ以上でほぼ正方形の横断面を持つ大型燃料集合体が装荷される沸騰水型原子炉で、ブレードヒストリー効果を抑制することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明は、鉛直方向に延びる中心軸を持つ円柱状に形成された炉心を備えた沸騰水型原子炉において、水平方向の長さが１５ｃｍ以上でほぼ正方形の燃料棒配置領域内に鉛直方向に延びる複数の燃料棒を正方格子状に束ねた燃料集合体を２行２列に配列した複数のセルと、前記セルの水平方向の中央部に鉛直方向に延びる軸心から隣り合う前記燃料集合体の間に延びる４枚のウィングを備えて前記炉心に挿抜可能に設けられた制御棒と、を有し、前記制御棒は、少なくとも有効部の上端から所定の長さ下方までの上部領域に、外側領域と、この外側領域よりも前記軸心に近くこの外側領域に比べて水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さい内側領域とが形成された制御セル用制御棒を含む、ことを特徴とする。

また、本発明は、水平方向の長さが１５ｃｍ以上でほぼ正方形の燃料棒配置領域内に鉛直方向に延びる複数の燃料棒を正方格子状に束ねた燃料集合体を２行２列に配列した複数のセルを配列して鉛直方向に延びる中心軸を持つ円柱状に形成された炉心を備えた沸騰水型原子炉の前記セルの水平方向の中央部に鉛直方向に延びる軸心から隣り合う前記燃料集合体の間に延びる４枚のウィングを備えて前記炉心に挿抜可能に設けられた制御棒において、少なくとも有効部の上端から所定の長さ下方までの上部領域に、外側領域と、この外側領域よりも前記軸心に近くこの外側領域に比べて水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さい内側領域とが形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、一辺の長さが１５ｃｍ以上でほぼ正方形の横断面を持つ大型燃料集合体が装荷される沸騰水型原子炉で、ブレードヒストリー効果を抑制できる。

本発明に係る原子炉の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施の形態］
図２は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１の実施の形態における炉心の一部拡大横断面図である。

本実施の形態における沸騰水型原子炉は、ほぼ円柱状に形成された炉心を有している。この炉心の内部には、炉心の軸方向に延びる角筒状の燃料集合体９１が正方格子状に配列されている。炉心には、冷却水が下から上に流れる。

燃料集合体９１の間の水領域には、制御棒１５，１６が挿抜可能に設けられる。制御棒１５，１６は、横断面が十字型になるように形成されていて、４体の燃料集合体９１に囲まれるように配置されている。２行２列に配列されて１本の制御棒１５，１６を取り囲む合計４体の燃料集合体９１は、セル１７，１８と呼ばれる。セル１７，１８には、制御セル１７と非制御セル１８がある。制御セル１７に挿抜される制御棒は、制御セル用制御棒１５と呼ばれる。非制御セル１８に挿抜される制御棒は、非制御セル用制御棒１６と呼ばれる。また、制御セル１７をコントロールセルまたはＣＣと呼ぶ場合もある。また、非制御セル１８を、ｎｏｎ−ＣＣと呼ぶ場合もある。

図１は、本実施の形態における制御セルの一部拡大横断面図である。図１は、図２の二点鎖線１９の部分を拡大したものである。

本実施の形態の燃料集合体９１は、標準燃料棒８４、短尺燃料棒８５、ウォータチャンネル８６および細径ウォータロッド８７を、角筒状のチャンネルボックス９５の内部に配列したものである。チャンネルボックス９５の外幅は、たとえば約１７ｃｍである。つまり、チャンネルボックス９５の内部は、水平方向の長さが１５ｃｍ以上でほぼ正方形の燃料棒配置領域となっている。また、隣り合う燃料集合体９１の中心間の距離は約１９ｃｍで、隣り合うチャンネルボックス９５の間の間隙は、約２ｃｍである。

標準燃料棒８４は、１２行１２列の正方格子の格子位置のうち１１２か所に配置されている。短尺燃料棒８５は、１２行１２列の正方格子の４つのコーナー部および最外周から３層目の対角線と交わる位置に、合計８本配置されている。

標準燃料棒８４および短尺燃料棒８５は、ジルカロイ製の円筒状の被覆管に、ウランなどの核燃料物質を円柱状に焼き固めたペレットを収め、その両端部を端栓で封じたものである。短尺燃料棒８５では、核燃料物質を収めた燃料有効部の下端は標準燃料棒８４と同じであるが、上端は標準燃料棒８４よりも低い位置にある。

短尺燃料棒８５は、炉心の上部、すなわち冷却材流れの下流側の所定の範囲で、燃料棒がなくなっている。この部分は、バニッシングロッドと呼ばれており、冷却材が占める空間となっている。短尺燃料棒８５の導入により、冷却材の圧力損失が低下し、軸方向出力分布の平坦化効果が生じ、炉停止時には未臨界度を大きくすることができる。

ウォータチャンネル８６は、１２行１２列の正方格子の中央の１６の格子位置を占める角筒である。細径ウォータロッド８７は、１２行１２列の正方格子の最外周から２層目の辺の中央にそれぞれ２本ずつ配置されている。ウォータチャンネル８６および細径ウォータロッド８７の内部には、冷却水が流れるようになっている。細径ウォータロッド８７は、本数およびその配置は制御棒設計によって適宜変更してもよいが、燃料集合体９１の最外周またはそのすぐ内側の層のほぼ中央部にも配置する。

制御棒１５，１６は、４枚のウィング２４を備えている。ウィング２４は、炉心の軸方向に延びる中心軸から横方向に延びていて、隣り合うウィング２４は９０度の角度をなしている。また、制御棒１５，１６の中心軸には、十字型の結合部材であるタイクロス２３が軸方向に間隔を置いて複数配置されている。タイクロス２３は、ウィング２４の軸心に最も近い位置に鉛直方向に延びる内側結合バー４０に結合されている。軸心から約２ｃｍまでタイクロス２３は水平方向に延びている。軸心からウィング２４の側端部までの距離は、約１５ｃｍである。

それぞれのウィング２４は、ジルカロイの板をタイクロス２３と反対側で折り返した形状のジルカロイシース４と、そのジルカロイシース４の内部に配置された中性子吸収棒５および非吸収棒６とを備えている。中性子吸収棒５および非吸収棒６は、いずれも炉心の軸方向に延びている。ウィング２４の厚さは、１ｃｍ弱である。

中性子吸収棒５は、ハフニウム金属棒であり、必要に応じてジルカロイコーティングや表面研磨を施すことなどにより耐腐食性能が改良されている。非吸収棒６は、ジルカロイ製棒、あるいは、炉水を導入したジルカロイ管である。つまり、中性子吸収棒５は、中性子を多く吸収し、非吸収棒６は中性子吸収棒５に比べて中性子をあまり吸収しない。

制御セル用制御棒１５は、ウィング２４の水平方向の外側と内側の領域が形成されている。制御セル用制御棒１５の外側領域、すなわち、ウィング２４のタイクロス２３から遠い方では、中性子吸収棒５のみが配置されており、非吸収棒６は配置されていない。一方、制御セル用制御棒１５の内側領域、すなわち、ウィング２４内のタイクロス２３に近い方では、中性子吸収棒５は、非吸収棒６と交互に配置されている。つまり、内側領域は、外側領域よりも軸心に近く、外側領域に比べて水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の量が小さい。

一般的に、原子炉が出力運転される運転サイクルの全期間に亘って、非制御セル用制御棒１６は炉心から引き抜かれている。一方、大部分の制御セル用制御棒１５は、運転サイクルの長期間、炉心の中に、しかも全長の大部分の長さが、挿入されている。

このため、ほとんどの場合、制御セル用制御棒１５は、制御棒有効部全長のうち挿入側から１／２の部分は非常に大量の中性子照射を受ける。したがって、制御セル用制御棒１５の中性子吸収材には、本実施の形態のようにハフニウムに代表される長寿命の中性子吸収材を配置するのが好適である。

また、制御セル１７において、制御セル用制御棒１５の中性子照射が進む部分に隣接する標準燃料棒８４あるいは短尺燃料棒８５の燃焼も速い。したがって、制御セル１７において、制御セル用制御棒１５の近傍で中性子束分布に大きな傾きがある場合には、運転サイクルにおけるサイクル燃焼度が大きくなるにつれて、標準燃料棒８４あるいは短尺燃料棒８５の燃焼が速い部分と、遅い部分での燃焼度の差が大きくなる。

燃焼が遅く燃焼度が小さい標準燃料棒８４あるいは短尺燃料棒８５は、燃焼が速く燃焼度が大きい標準燃料棒８４あるいは短尺燃料棒８５に比べて核分裂性物質の量が多いことになる。このため、制御セル用制御棒１５を引き抜いて燃料集合体９１の横断面方向の中性子束分布が比較的平坦になると、燃焼が遅い標準燃料棒８４あるいは短尺燃料棒８５には大きな出力変動が生じるという、ブレードヒストリー効果が現れる。ブレードヒストリー効果が大きすぎると、燃料の健全性に支障がある場合もある。

そこで、原子炉で制御セル１７の燃料集合体９１のブレードヒストリー効果を低減するのに好適な制御セル用制御棒１５の構成を検討するために、臨界実験を行った。

図３は、臨界実験体系の平面図である。図４は、臨界実験体系の一部拡大平面図である。図４は、図３の二点鎖線２の部分を拡大したものである。図５は、臨界実験の結果得られた表面放射化率分布を制御棒とともに示す図であって、（Ａ）は臨界実験に用いた制御棒のウィングの横断面図、（Ｂ）は制御棒中心からの距離に対する制御棒表面での放射化率の分布を示すグラフ、（Ｃ）は制御棒中心からの距離に対する制御棒表面の銅箔の放射化率の分布を示すグラフである。

臨界実験では、臨界実験装置ＮＣＡの炉心タンクの中央に十字型の制御棒１を配置し、それを取り囲むように４体の燃料集合体１０を配置した炉心３を形成した。さらに、炉心３が臨界になるまで、外周に対称かつ炉心横断面が正方形になるように燃料棒２０を装荷した。使用した燃料棒２０には、全て濃縮度２重量％のウランが装填されている。なお、燃料集合体１０には、チャンネルボックスは装着していない。

制御棒１は、タイロッド７から十字型に延びる厚さ約１．５ｍｍのステンレス鋼製のシース３７の内部に、中性子吸収棒５、非吸収棒６またはハフニウム棒８を配置した４種類について実験を行った。４種類の制御棒１１，１２，１３，１４は、図５（Ａ）に（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）として示すとおり、タイロッド７が存在する一般的な構成（ｄ）、制御棒１の各翼ごとにタイロッド７の側面から３本の中性子吸収棒５を非吸収棒６と置換した構成（ａ）、非吸収棒６とハフニウム棒８をタイロッド７側から交互に翼幅の２／３まで配置した構成（ｂ）、およびタイロッド７を取り外し、水が占めるようにした構成（ｃ）である。

より具体的には、図５（Ａ）の（ａ）に示す制御棒１１は、タイロッド７に近い方に３本の非吸収棒６を配置し、その外側に中性子吸収棒５を１７本配置したものである。図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２は、タイロッド７に近い方からハフニウム棒８と非吸収棒６を交互にそれぞれ７本配置し、その外側に中性子吸収棒５を配置したものである。図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３は、タイロッド７を削除し中心側にアクリルスペーサ９を設けてその外側に中性子吸収棒５を２０本配置したものである。また、図５（Ａ）の（ｄ）に示す制御棒１４は、タイロッド７に接する位置から中性子吸収棒５を２０本配置したものである。

中性子吸収棒５は、外径約５ｍｍのステンレス鋼管にボロンカーバイド（Ｂ_４Ｃ）粉末を約７０％の理論密度で充填したものである。ハフニウム棒８は、中性子吸収棒５と外径が同じで反応度価値もほとんど等しい。非吸収棒６は、中性子吸収棒５と同じステンレス鋼管に水を満たした水管である。

この実験では、これらの４種の制御棒１を用いて、制御棒１の表面の中性子束分布を銅箔放射化率として測定した。より具体的には、まず、制御棒１のシース３７の表面に密着するように銅箔をストリップ状に配置した。その後、炉心タンクに給水して炉心を臨界にして中性子照射を行う。中性子照射の後、炉心から銅箔を取り出して切断し、それぞれの誘導放射能のベータ線を計測した。

図５（Ｃ）の制御棒表面銅箔放射化率分布は、このようにして得られた放射能強度分布である。この制御棒表面銅箔放射化率分布は、制御棒構成の変化の影響をあまり受けない制御棒１の外側近傍の点（図５（Ｃ）中の規格化点）の放射化率で規格化したものである。また、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に示す制御棒１１，１２，１３での結果を図５（Ａ）の（ｄ）に示す制御棒１４の結果に対する比として示したものである。

銅の放射化反応は、熱エネルギー程度の低エネルギーを持った中性子によって引き起こされる。このためこの実験結果は、熱中性子束の分布と見なすことができる。いずれの制御棒１でも、翼の外側端部１５ｍｍ程度の範囲で急激に中性子束が高くなっている。また、図５（Ａ）の（ｄ）に示す制御棒１４では、タイロッド７の近傍で中性子束が若干高くなっている。図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３では、タイロッド７の場所を水が占めているため、その近傍で中性子束が非常に高くなっている。図５（Ａ）の（ａ）に示す制御棒１１では、側面の燃料棒のうち制御棒１の中心軸に近いものの近傍で中性子束が大幅に高くなる。図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２では、広い範囲で中性子束が盛り上がっている。

制御棒１の近傍の燃料棒３の出力は、これらの表面中性子束分布ほど急激な変化は生じないが、類似の分布を示す。ブレードヒストリーの影響を低減させるためには、制御棒による反応度低下の程度（制御棒価値）を余り低下させないで、中性子束を広い範囲で高めることが望ましい。この観点で好適な中性子束分布が得られた図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２の場合、制御棒価値は、４種類の制御棒１１，１２，１３，１４の中で最も低下したが、その低下率は約８％であり、許容範囲である。また、図５（Ａ）の（ａ）に示す制御棒１１では、制御棒価値の低下率は約３．５％であった。図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３では、中性子束分布が特に高くなる翼の制御棒軸心側で中性子吸収が増大するため、制御棒価値はかえって増大した。

しかし、制御棒１の軸方向の全長に亘って制御棒価値が８％低下することは望ましくないので、必要な場所に限って、このような制御棒１の構成を採用するもことが好ましい。なお、通常の制御棒設計では制御棒全体の反応度価値の低下が１０％を越えると許容できないとされている。

また、本実験結果は、中性子束分布が特に高くなる翼の側端では、中性子吸収材をなるべく多くすることによって制御棒寿命と反応度価値を高めることを示している。また、実機制御棒では翼のうち配列された吸収材の両端部で中性子照射量が高くなるため、長寿命型の制御棒を設計する場合には長寿命型中性子吸収材を配置すべきこと、反応度の高い制御棒を設計する場合には中性子吸収効果の高い吸収材を配置すべきことを示している。逆に、翼の中央部分では、吸収材の選択条件は比較的緩いことを示している。

そこで、本実施の形態の制御セル用制御棒１５では、これらの実験結果に基づいて、好適な制御棒構成としている。

図５（Ａ）の（ｄ）に示す制御棒１４を用いた試験結果からわかるように、ウィング２４の全体に中性子吸収棒５を配置した制御棒１を用いた場合には、制御棒１のタイロッド７の近傍から外側に向かって、中性子束は大きくなる。このため、制御棒１のウィング２４が横方向に長くなるほど、制御棒１のタイロッド７の近傍の中性子束と外側の端部との中性子束の差が大きくなることがわかる。つまり、ブレードヒストリー効果の大きさは、特に、燃料集合体が大きい、すなわち制御棒１のウィング２４が横方向に長い、大型バンドルを用いた原子炉で顕著になる。

しかし、本実施の形態の沸騰水型原子炉では、図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２と同様に、軸方向の中心に近い位置には中性子吸収棒５および非吸収棒６を交互に配置し、その外側では中性子吸収棒５のみを配置した制御セル用制御棒１５を用いている。このため、図５（Ｃ）に示すように、制御セル用制御棒１５のジルカロイシース４が延びる方向の中性子束分布は平坦に近くなり、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

また、本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、軸方向に間隔を置いて設けられたタイクロス２３を用いて、軸心部分に非沸騰水領域を設けている。このため、図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３と同様に、制御セル用制御棒１５の軸心に近い位置の燃料棒８４，８５の出力を高めることにより、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

さらに、本実施の形態の燃料集合体９１は、最外周またはそのすぐ内側の層のほぼ中央部に細径ウォータロッド８７が配置されている。つまり、制御セル用制御棒１５のジルカロイシース４が延びる方向の中央部近傍に減速材である水の量が増えることになる。図５（Ｃ）に示すように、この部分では中性子束が小さくなる傾向があるが、細径ウォータロッド８７を配置することにより、中性子の減速が促進されて中性子束が増加し、燃料集合体９１の全体での中性子束分布が平坦化する。したがって、燃料集合体９１の標準燃料棒８４あるいは短尺燃料棒８５の燃焼の進み方が平均化し、ブレードヒストリー効果が抑制される。

この抑制効果を確認するため、シミュレーション計算を行った。このシミュレーション計算は、本実施の形態の燃料集合体９１を２サイクル燃焼させた場合の計算である。燃料集合体の初期ウラン濃縮度を７．４重量％とし、サイクル燃焼度を２０ＧＷｄ／ｔとした。１サイクル目は制御棒引き抜き状態とし、２サイクル目のサイクル中は制御棒を挿入した状態で燃焼させ２サイクル目の末期に制御棒を引き抜いた。なお、制御棒は、シース内部にすべて吸収棒が配置されているとした。つまり、非吸収棒は用いていない。燃料集合体内部のウラン濃縮度分布は最外層の内側の水棒がない状態に対して、おおよそ最適化されている。冷却材ボイド率は、代表値として４０％を仮定した。

燃料集合体の出力分布は、厳密には、制御棒の有無により全領域で変化するが、制御棒の中心軸に対して反対側のコーナに位置する燃料棒の出力変化は非常に小さい。そこで、近似的に制御棒有無による出力分布の変化をこのコーナ位置で規格化して比較した。

最外周の内側の層の２本の水棒がある場合と無い場合の燃料棒の出力を比較すると、水棒の外側の層、すなわち制御棒を挿抜する水ギャップに面する燃料棒の出力は、制御棒挿入時において相対出力の最大値が０．７から０．８へ上昇した。つまり、制御棒挿入時の燃料集合体の内部での出力分布が平坦化した。

外周位置の燃料棒８４，８５は、制御棒の挿抜に伴う出力の変動が大きくなる傾向がある。また、燃料集合体９１の水平方向中央部では、燃料集合体９１のコーナー部近傍の燃料集合体９１の間の比較的大きな非沸騰水領域からの距離が遠い。このため、燃料集合体９１の水平方向中央部では、燃料集合体９１の水平方向中央部の外周位置の非沸騰水領域で減速された熱中性子が入射することにより、制御棒挿入時でも出力が比較的高くなり、制御棒の挿抜に伴う出力の変動を抑制することができる。

つまり、制御セル１７の燃料集合体９１は、燃料棒８４，８５が配置される正方格子のうちチャンネルボックス９５の水平方向中央部と面する外周位置の近傍に、細径ウォータロッド８７などを配置して非沸騰水領域を形成することにより、制御棒の挿抜に伴う出力の変動を小さくできる。このため、燃料集合体９１にこのような非沸騰水領域を形成することにより、ブレードヒストリー効果を低減することができる。

さらに、このような非沸騰水領域は、外周位置から２層目に設けた方が、外周位置に設けた場合に比べて、ブレードヒストリー効果をより低減することができる。これは、制御棒の挿抜に伴う出力の変動が大きい外周位置の燃料棒８４，８５に対して、制御棒側に加えて燃料集合体９１の内側の非沸騰水領域で減速された熱中性子が入射することになるからである。

大型の燃料集合体９１では、横断面方向の出力分布を平坦化するため、一般的に横断面中央部付近にウォータチャンネル８６を配置することなどにより非沸騰水領域を設ける。燃料集合体９１の水平方向中央部の外周あるいは外周から２層目に設けた非沸騰水領域の効果は、横断面中央部付近の非沸騰水領域との距離が小さくなると、相対的に小さくなる。このため、燃料集合体９１に配列される燃料棒８４，８５が配列される正方格子は、１２行１２列以上の場合に特に効果が大きい。

また、制御棒を挿抜する水ギャップに面する燃料棒の出力は、制御棒引抜時も同様に上昇する。そこで、初期濃縮度を若干低下させ、その分を制御棒中心軸に最近接する（１，１）短尺燃料棒８５などのウラン濃縮度を若干高めるなどの対策を施してもよい。最外周の内側の水棒は、本実施の形態では２本だが、最外周の層のあるいはその一層内側の中央付近に１ないし４本を、隣接してあるいは離間して配置してもよい。これによって、出力分布を平坦化することができる。水棒の導入と、制御棒内の非吸収棒の導入の具体的な配置は設計計算などによって決定される。

［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第２の実施の形態における制御セルの一部拡大横断面図である。

本実施の形態は、第１の実施の形態と燃料集合体が異なる。本実施の形態の燃料集合体９２は、ウォータクロス８８を有している。ウォータクロス８８は、チャンネルボックス９５の内部に、その横断面中央にチャンネルボックス９５に対して４５度傾いて配置される正方形とその正方形の頂点からチャンネルボックス９５に向かって延びる非沸騰の水領域４５を形成する。

ウォータクロス８８で仕切られたチャンネルボックス９５の内部の４つの領域には、６行６列の正方格子位置に、チャンネルボックス９５の横断面中央に最も近い１か所を除き、標準燃料棒８４、短尺燃料棒８５および細径ウォータロッド８７のいずれかが配置されている。これらの４つの領域にそれぞれ束ねられた標準燃料棒８４、短尺燃料棒８５および細径ウォータロッド８７の集合体をサブバンドルと呼ぶ。チャンネルボックス９５から２層目の中央付近には、細径ウォータロッド８７が配置されている。隣り合うサブバンドルに設けられた細径ウォータロッド８７は、ウォータクロス８８を挟むように配置されている。

本実施の形態でも、第１の実施の形態と同じ制御セル用制御棒１５を用いているため、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。また、燃料集合体９２の最外周のすぐ内側の層のほぼ中央部に細径ウォータロッド８７を配置しているため、制御セル用制御棒１５の挿入時の燃料集合体９２の内部の出力分布が平坦化される。このため、ブレードヒストリー効果が抑制される。

［第３の実施の形態］
図７は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第３の実施の形態における制御セルの一部拡大横断面図である。

本実施の形態は、第１の実施の形態と燃料集合体が異なる。本実施の形態の燃料集合体９３は、それぞれ横断面がほぼ正方形の４体のサブバンドル９４を、２行２列に配列して、一体的に結合したものである。それぞれのサブバンドル９４は、チャンネルボックス９５の内部に８行８列に標準燃料棒８４を束ねて、横断面中央部に太径ウォータロッド９０を配置したものである。また、それぞれのサブバンドル９４の制御セル用制御棒１５と向かい合う面には、たとえば最外周の内側の層にそれぞれ２本の細径ウォータロッド８７を配置している。細径ウォータロッド８７は、チャンネルボックス９５からチャンネルボックス９５の幅の１／４程度以内の距離に配置する。

すなわち、本実施の形態の燃料集合体９３は、従来の燃料集合体とほぼ同等の４体のサブバンドル９４を結合した２倍寸法集合体である。また、本実施の形態の燃料集合体９３は、第２の実施の形態の燃料集合体９２（図６参照）のサブバンドルを大型化したものと考えることもできる。各サブバンドル９４の間にはサブバンドル間スペーサ８９がそれぞれ設けられていて、各サブバンドル９４の間の間隔は一定に保持されている。

また、燃料集合体９３の対角に位置するコーナを中心に、２本の制御棒１が燃料集合体９３を挟み込むように配置されている。このような炉心は、Ｋ格子と呼ばれる場合がある。しかし、１本の制御棒１に着目すると、４体の燃料集合体９３が制御棒１を取り囲んでいる。このため、本実施の形態でも、燃料集合体９３を挟み込む制御棒のどちらかを第１の実施の形態と同じ制御セル用制御棒１５（図１参照）とし、制御セル１７（図１参照）を形成すると、第１の実施の形態と同様にブレードヒストリー効果を抑制することができる。

燃料集合体９３と各サブバンドル９４の中央には、それぞれ大きな水領域４５が配置され、さらに各サブバンドル９４の最外周の中央付近で制御棒１に面する最外層の内側の層にも水領域が配置されている。また、各サブバンドル９４の間には非沸騰の水領域４５が十字形に形成されている。各サブバンドル９４の十字形の非沸騰の水領域４５の各先端部、すなわち制御棒１に近い部分では、水の量が比較的多くなるので、この部分には細径ウォータロッド８７は配置していない。一方、サブバンドル９４の最外周の内側の層で、減速材である水が不足しがちな中央部に細径ウォータロッド８７を配置している。このため、制御棒１の挿入時の燃料集合体９３の内部の出力分布が平坦化される。このため、ブレードヒストリー効果が抑制される。

また、本実施の形態の燃料集合体９３には、中央の十字型の非沸騰水領域に取り外し可能な水排除板９６が挿入されている。この水排除板９６を導入することにより、運転サイクルごとに燃料集合体９３の内部での減速材の量を変化させることができる。このため、燃料集合体９３の内部の特に中央付近での燃焼の進み方を制御することもできる。

たとえば、原子炉初装荷炉心では水排除板９６を挿入しておき、１サイクル運転後に取り除くと、１サイクル目には減速材から遠い中央部分の燃焼が抑制され、２サイクル目以降に燃焼が促進されるようになる。これにより、燃料バンドルの濃縮度分布設計を最適化することに寄与できる。また、水排除板９６は、炉心下半分の部分にのみ挿入してもよい。これにより、軸方向の出力分布を平坦化することもできる。

このように大きな燃料集合体９３は、燃料取扱いや、制御棒本数削減などの面で有利であるが、燃料集合体に対する制御棒の比率が低下する傾向にある。このため、原子炉の制御や停止余裕確保の面で不利になりがちである。このため、本実施の形態の燃料集合体９３よりも大きい燃料集合体を用いたＢＷＲは、現実的には成立させることが困難であろう。

［第４の実施の形態］
図８は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第４の実施の形態における制御セル用制御棒の側面図である。図９は、本実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大一部切欠き側面図であって、図１０のIX−IX矢視図である。図１０は、本実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図であって、図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、横断面が十字形に形成された先端構造材２１および末端構造材２２を有している。先端構造材２１および末端構造材２２は、鉛直方向に延びる中心軸を中心として間隔を置いて配置される。先端構造材２１には、制御セル用制御棒１５の挿抜の際に、チャンネルボックス９５（図１参照）との摩擦を小さくするためにガイドローラ２９が取り付けられている。

また、中心軸から広がる４枚のウィング２４が先端構造材２１および末端構造材２２の間に延びている。さらに、横断面が十字形に形成されたタイクロス２３が中心軸に沿って間隔を置いて配置されている。

それぞれのウィング２４は、平管状ジルカロイシース２５とその内部に収められたハフニウム棒２６および細径ハフニウム棒２７を備えている。平管状ジルカロイシース２５は、ジルカロイ製である。また、平管状ジルカロイシース２５の内部の最も中心軸側には、ジルカロイ製補強材８２が中心軸に沿って延びている。ジルカロイ製補強材８２は、タイクロス２３と一体として形成されていて、補強材として機能している。また、平管状ジルカロイシース２５の内部のタイクロス２３よりも外側では、ハフニウム棒２６と細径ハフニウム棒２７が交互に２本ずつ配置されている。また、その外側には、ハフニウム棒２６が９本配置されている。

図１１は、本実施の形態における細径ハフニウム棒の一部拡大縦断面図である。

細径ハフニウム棒２７は、ハフニウム棒２６よりも外径が小さい円柱状のハフニウムの棒を軸方向に並べて、通常のハフニウム棒２６と外径が同じスペーサ兼コネクタ２８によりネジ止めなどで結合されている。このため、細径ハフニウム棒２７は、ハフニウム棒２６とともに、平管状ジルカロイシース２５の内部に、規則的に整列配置される。

制御セル用制御棒１５は、その構造材が基本的にジルカロイ製である。また、制御セル用制御棒１５の構造材には、ハフニウムの含有を許容する。中性子吸収材であるハフニウム棒２６および細径ハフニウム棒２７はハフニウム金属製である。また、部分的には、中性子非吸収材として、ジルカロイを用いている。ハフニウム棒２６および細径ハフニウム棒２７は、必要に応じてジルカロイでコーティングしたり、研磨することにより耐食性の向上が図られている。

細径ハフニウム棒２７を用いてハフニウム棒２６の間のハフニウムが存在する位置に水を導入し、中性子吸収材を部分的に排除している。したがって、細径ハフニウム棒２７が配置されたウィング２４の軸心に近い内側領域は、その外側の領域よりも水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さい。つまり、本実施の形態の制御セル用制御棒１５では、中性子吸収材の配置が図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２と類似しており、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

さらに、タイクロス２３は軸方向に離間して配置されるため、制御セル用制御棒１５の中心軸に沿って離間した非沸騰の水領域４５が形成されている。このため、図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３を用いた場合と同様に、制御セル用制御棒１５の中心軸近傍の中性子束を高めることができ、燃料集合体９３の内部での中性子束分布を平坦化できる。したがって、ブレードヒストリー効果をより抑制することができる。

［第５の実施の形態］
図１２は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第５の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。なお、図１２は図１０に相当する鉛直方向位置における横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第４の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、平管状ジルカロイシース２５の内部のタイクロス２３よりも外側では、ハフニウム棒２６と細径ハフニウム棒２７が交互に４本ずつ配置されている。また、その外側には、ハフニウム棒２６が５本配置されている。

このような制御棒であっても、第４の実施の形態と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。ハフニウム棒２６と細径ハフニウム棒２７の本数は、炉心設計、あるいは、燃料集合体設計などに応じて適宜変更できる。また、一つの原子炉の内部に、異なる制御棒を混在させてもよい。

［第６の実施の形態］
図１３は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第６の実施の形態における制御セル用制御棒の一部切欠き側面図である。図１４は、本実施の形態における制御セル用制御棒の中性子吸収材を一部取り除いた状態の一部拡大縦断面図である。図１５は、図１４のXV−XV矢視横断面図である。図１６は、図１４のXVI−XVI矢視横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、ジルカロイシース４の内部に収められた中性子吸収材が、有効部の挿入先端側と挿入末端側で異なる構造を有している。ここで、制御棒の有効部とは、中性子吸収材が配置された領域をいい、その軸方向の長さをＬとする。挿入先端側の軸方向の長さは、たとえば（３／８）Ｌである。ジルカロイシース４には通水孔３９が形成されている。

制御セル用制御棒１５の中心軸には、下方からタイロッド７が軸方向に長さが（３／８）Ｌだけ延びていて、その上方にはタイクロス２３が間隔を置いて設けられている。タイクロス２３は、いずれもウィング２４内で軸方向に延びる内側結合バー４０で支持されている。

挿入先端側では、中性子吸収材として、ウィング２４の横方向の長さの半分程度の幅を持ち軸方向に延びる上部外側ハフニウム板３１および上部内側ハフニウム板３２が横方向に配列されている。挿入末端側の最も上部には、中性子吸収材として、中央ハフニウム板３３が設けられている。また中央ハフニウム板３３の下方には、中性子吸収材として、複数の下部ハフニウム板３４が軸方向に配列されている。

上部外側ハフニウム板３１、上部内側ハフニウム板３２、中央ハフニウム板３３および下部ハフニウム板３４は、いずれもウィング２４の厚さ方向にそれぞれ２枚が設けられ、それぞれ対向して組をなしている。図１３は、上部外側ハフニウム板３１および上部内側ハフニウム板３２の対のうち、一方を取り外した状態を示している。

先端構造材２１の下部には、円板を長方形板で本体に結合した形状の吸収材吊下用舌３０が設けられている。上部外側ハフニウム板３１および上部内側ハフニウム板３２には、それぞれ吸収材吊下用舌３０と係合するように切欠かれた係合部８３が形成されている。この係合部８３を吸収材吊下用舌３０に係合させて、上部外側ハフニウム板３１および上部内側ハフニウム板３２は先端構造材２１に保持されている。また、上部外側ハフニウム板３１および上部内側ハフニウム板３２は、それぞれ対向する上部外側ハフニウム板３１および上部内側ハフニウム板３２と図示しないスペーサによってウィング２４の厚さ方向の間隔が保持されている。

また、上部内側ハフニウム板３２には、複数の吸収材排除孔３５が形成されていて、ウィング２４の水平方向の外側の領域よりも、単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が少なくなっている。このようにして中性子吸収材を削減することによって、図５における（Ｂ）の制御棒１と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

また、吸収材排除孔３５を形成する代わりに、上部内側ハフニウム板３２の板厚を上部外側ハフニウム板３１より小さくしても、同様の効果が得られる。上部内側ハフニウム板３２のウィング２４の横方向の幅は、許容できる反応度低減の範囲で上部外側ハフニウム板３１より広く、たとえば全幅の３／４程度まで広げても良い。

さらに、上部外側ハフニウム板３１および上部内側ハフニウム板３２が配置されている範囲では、第４の実施の形態と同様のタイクロス２３および内側結合バー４０が配置されていて、軸方向に隣り合うタイクロス２３の間は水領域が形成されている。このようにして中央軸心部分の構造材を排除することによって、図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

大量の中性子照射を受けると、制御棒の照射損傷、照射成長、電気化学的な腐食などの問題が顕在化する場合もある。たとえば、制御セル用制御棒１５の照射が進むと、特に挿入先端側では照射脆化により先端構造材２１などが脆くなる場合がある。一方、照射がそれほど進まない部分では、これらの問題は、大幅に緩和される。

しかし、本実施の形態では、先端構造材２１に係合するハフニウム板３１，３２の長さを（３／８）Ｌと短くすることにより、たとえば先端構造材２１に係合するハフニウム板の長さを（１／２）Ｌとする場合に比べて、吸収材吊下用舌３０にかかる衝撃荷重を低減することができる。

また、中央ハフニウム板３３の対は、タイロッド７に固着されたステイ３６によってタイロッド７に係合されている。下部ハフニウム板３４は、中性子照射量が比較的少なく、吸収要素が軽いため、コマスペーサ３８によってジルカロイシース４に係合保持されている。コマスペーサ３８の代わりに、荷重支持棒を用いてもよい。

［第７の実施の形態］
図１７は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第７の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大縦断面図である。図１８は、図１７のXVIII−XVIII矢視横断面図である。図１９は、図１７のXIX−XIX矢視横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、先端構造材２１と末端構造材２２の間に延びる平管状ジルカロイシース２５を有している。また、軸方向に間隔を置いてタイクロス２３が設けられている。

平管状ジルカロイシース２５の内部には、上部外側ハフニウム平管４２、上部内側ハフニウム平管４３および下部ハフニウム平管４４が設けられている。上部外側ハフニウム平管４２、上部内側ハフニウム平管４３および下部ハフニウム平管４４の内部には、炉水を通す空間が形成されている。この部分は、中性子を効果的に減速させるトラップ間隙４６となっている。

上部内側ハフニウム平管４３には吸収材排除孔３５が形成されている。また、上部外側ハフニウム平管４２および上部内側ハフニウム平管４３には、それぞれ先端構造材２１の吸収材吊下用舌３０と係合するように切欠かれた係合部８３が形成されている。上部外側ハフニウム平管４２および上部内側ハフニウム平管４３の軸方向の長さは、制御棒の有効部の長さをＬとすると（３／８）Ｌないし（４／８）Ｌである。

このように、上部内側ハフニウム平管４３には、複数の吸収材排除孔３５が形成されていて、ウィング２４の水平方向の外側の領域よりも、単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が少なくなっている。このように中性子吸収材を削減することによって、図５における（Ｂ）の制御棒１と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

上部外側ハフニウム平管４２は、上部内側ハフニウム平管４３よりもウィング２４の横方向の外側に配置されている。下部ハフニウム平管４４は、上部ハフニウム平管４２，４３と比べてウィング２４ごとに２つずつウィング２４の外側方向に配列されて設けられている。また、下部ハフニウム平管４４は、平管状ジルカロイシース２５の内部にウィング２４の横方に延びる平管保持棒９７によって、軸方向にはスライド可能で、ウイング２４の幅方向には位置ずれが生じないように支持されている。また、軸に近い方の下部ハフニウム平管４４の側面は、上部内側ハフニウム平管４３の軸に近い方の側面よりもウィング２４の横方向の外側に位置している。

上部外側ハフニウム平管４２と上部内側ハフニウム平管４３との間には、たとえば３〜６ｍｍ程度の間隙が設けられている。この間隙によって中性子束が増大し、ブレードヒストリー効果を抑制する。また、重くて高価なハフニウム材料を削減しながら制御棒価値の低下を抑制することができる。なお、この間隔が１ｃｍ程度以上となると、制御棒価値が比較的大幅に低下して、十分な制御棒価値が得られない可能性があるため注意が必要である。

また、軸心側には比較的広い中性子吸収材の存在しない空間、すなわち炉水空間が設けられているが、これによる反応度価値の低下は比較的少なく、中性子束の大幅な回復によってブレードヒストリー効果が大幅に抑制される。

［第８の実施の形態］
図２０は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第８の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大縦断面図である。図２１は、図２０のXXI−XXI矢視縦断面図である。図２２は、図２０のXXII−XXII矢視横断面図である。図２３は、図２０のXXIII−XXIII矢視横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５のそれぞれのウィング２４は、上部ハフニウム板４７、下部ハフニウム板４８および上下結合棒４９を有している。上部ハフニウム板４７および下部ハフニウム板４８は、ウィング２４の厚さ方向にそれぞれ２枚ずつが向かい合って対をなしている。上部ハフニウム板４７および下部ハフニウム板４８は、上下に配列され、水平方向に延びる上下結合棒４９で結合されている。

上部ハフニウム板４７および下部ハフニウム板４８は、ウィング２４の横方向の両側端を曲げて溶接などにより固着されている。２枚の上部ハフニウム板４７の間、および、２枚の下部ハフニウム板４８の間は、炉水を通すトラップ間隙４６となっている。上部ハフニウム板４７は先端構造材２１とタイクロス２３に、下部ハフニウム板４８は末端構造材２２とタイクロス２３に固着されている。また、それぞれのウィング２４はシースを用いずに形成されているが、上部ハフニウム板４７および下部ハフニウム板４８の表面を研磨するなどして実効的な表面積を減らし、腐食の抑制を図っている。

上部ハフニウム板４７のタイクロス２３に近い方の領域には、吸収材排除孔３５が形成されている。さらに、上部ハフニウム板４７の板厚はたとえば２ｍｍ程度であるのに対して、下部ハフニウム板４８の板厚をたとえば半分程度の薄肉とすることにより軽量化を図っている。また、このような構成であるため、熱膨張や照射成長による軸方向伸び縮み時に発生する応力は抑制される。

このように、上部ハフニウム板４７のタイクロス２３に近い方の領域には、複数の吸収材排除孔３５が形成されていて、ウィング２４の水平方向の外側の領域よりも、単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が少なくなっている。このようにして中性子吸収材を削減することによって、図５における（Ｂ）の制御棒１と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

［第９の実施の形態］
図２４は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第９の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。図２５は、本実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第８の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５では、上部ハフニウム板４７および下部ハフニウム板４８の外側表面に、ジルカロイ被覆又はコーティング層（以下、ジルカロイコーティング層という）５０が形成されている。それぞれのウィング２４はシースを用いずに形成されているが、ジルカロイコーティング層５０を設けることによりハフニウムの腐食を抑制している。

このような原子炉であっても、第８の実施の形態と同様にブレードヒストリー効果が抑制される。

［第１０の実施の形態］
図２６は、本発明に係る炉心の第１０の実施の形態における制御セル用制御棒の側面図である。図２７は、図２６のXXVII−XXVII矢視横断面図である。図２８は、図２６のXXVIII−XXVIII矢視横断面図である。図２９は、図２６のXXIX−XXIX矢視縦断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。

本実施の形態の制御セル用制御棒１５において、ウィング２４の軸方向の上部には、２枚の上部複合吸収材板５６が対向して配置されている。ウィング２４の軸方向の下部には、２枚の下部複合吸収材板５７が対向して配置されている。上部複合吸収材板５６および下部複合吸収材板５７は、ハフニウム板５８にジルカロイ板５９を結合させたものである。上部複合吸収材板５６および下部複合吸収材板５７は、軸方向の中央付近で溶接などにより一体化されている。

ウィング２４の外側には、外側ハフニウム棒９８が固着されて、ハフニウム板の間にトラップ間隙４６を形成している。外側ハフニウム棒９８は、ハフニウム板に外側ハフニウム棒固定ピン５１で固着されている。また、上部複合吸収材板５６および下部複合吸収材板５７は、軸心に近い部分に薄板部５３が形成されている。また、向かい合う上部複合吸収材板５６および下部複合吸収材板５７は、それぞれピン５２で互いに結合されている。

また、それぞれのウィング２４の２枚の上部複合吸収材板５６の間および２枚の下部複合吸収材板５７の間には、先端構造材２１と末端構造材２２とに結合された翼内結合棒５５が軸方向に延びている。このため、上部複合吸収材板５６および下部複合吸収材板５７は、照射成長や熱膨張によりスライド可能である。

組成が同じでもハフニウムやジルコニウムは、金属結晶が非等方であるため製造過程の違いにより照射成長が異なる。このため、翼内結合棒５５と中性子吸収要素とは伸縮に差異が生じる可能性がある。伸縮の差異によって生じる問題を回避するため、外側ハフニウム棒９８は短尺化されている。

上部複合吸収材板５６の軸心に近い領域には、吸収材排除孔３５が形成されている。また、挿入末端側では、軸心の周りに挿入先端側に比べて広い炉水空間が形成されている。このため、ウィング２４の軸心に近い内側領域は、その外側の領域よりも水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さくなる。よって制御セル用制御棒１５を軽量化するとともに、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

下部複合吸収材板５７のハフニウム板５８は、ジルカロイでハフニウムを希釈したハフニウム希釈合金板でもよい。この場合、若干の制御棒価値低下を生じるが、大きな軽量化効果とコスト低減効果が得られる。

［第１１の実施の形態］
図３０は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１１の実施の形態における制御セル用制御棒の上面図である。図３１は、図３０のXXXI−XXXI矢視側面図である。図３２は、本実施の形態における複合吸収材板の展開側面図である。図３３は、図３１のXXXIII−XXXIII矢視横断面図である。図３４は、図３１のXXXIV−XXXIV矢視横断面図である。図３５は、図３１のXXXV−XXXV矢視横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。

本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、軸方向に延びる複合吸収材板１００を有している。複合吸収材板１００には、下端側および上端側においてそれぞれ軸心Ａｘから切り込み６２ａ，６２ｂ，６２ｃが形成されている。４枚の複合吸収材板１００で４つのウィング２４を形成している。それぞれの複合吸収材板１００は軸に沿って折り曲げられ、隣り合う複合吸収材板１００とウィング２４の側端部の溶接部６０で溶接されている。また、複合吸収材板１００は、先端構造材２１および末端構造材２２に固着されている。

それぞれのウィング２４において向かい合う複合吸収材板１００の間には、トラップ間隙４６が形成されている。複合吸収材板１００は、ハフニウム板５８の両方の面にジルカロイコーティング層５０を形成したものである。ジルカロイコーティング層５０が厚くなると内部のトラップ間隙４６が狭くなるので、コーティングは可能な限り薄いことが望ましい。

また、複合吸収材板１００には、軸方向中央付近で軸心に近い領域には吸収材排除孔３５が形成されている。吸収材排除孔３５は、制御セル用制御棒１５の有効部の長さをＬとすると、有効部の下端からの高さが２／４ないし３／４の領域に形成されている。

ウィング２４の内部には、それぞれ２本の翼内スライド棒９９が軸方向に延びている。翼内スライド棒９９は、先端構造材２１に固着されている。また、翼内スライド棒９９の下端は、末端構造材２２に設けられた凹部６３に嵌合されている。翼内スライド棒９９は、ウィング２４の内部をスライドしつつ、制御セル用制御棒１５の強度を高めている。

中性子吸収要素である複合吸収材板１００の板厚は、軸方向にほぼ一様で、制御棒の挿入による反応度の低下に対する寄与率が非常に小さい先端部では、軸心部に大きな切り込み６２ａが形成されている。すなわち、この部分には水領域が形成されている。ここで、先端部の切り込み６２ａが形成されている長さは、制御棒の有効部の長さＬの１／２４、すなわち１５ｃｍ程度である。

一方、先端部の切り込み６２ａが形成されている領域よりも下方では、制御棒の挿入による反応度の低下、すなわち、制御棒価値が最も必要とされるため、複合吸収材板１００は、ウィング２４の側端部から軸心部分まで広がっている。また、さらにその下方では、制御棒価値を若干低下させてもよいため、軸心部分にある程度水領域を形成し、吸収材排除孔３５を形成している。このため、ウィング２４の軸心に近い内側領域は、その外側の領域よりも水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さい。よって、ブレードヒストリー効果が抑制される。

さらに、制御棒の有効部の中央部から末端までの領域では制御棒価値を低減できるため、炉水を軸心側に大幅に導入して軽量化を図っている。また、これによりブレードヒストリー効果を抑制することができる。

また、軸心側の翼内スライド棒９９は、ジルカロイを用いてトラップ間隙４６の水を排除することにより、制御棒価値を抑制してブレードヒストリー効果を抑制することもできる。ウィング２４の側端部に近い方の翼内スライド棒９９は、ハフニウムまたはハフニウム希釈棒を用いることによって、制御棒価値を向上させ、長寿命化に寄与させることが好ましい。

［第１２の実施の形態］
図３６は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１２の実施の形態における制御セル用制御棒の側面図である。図３７は、図３６のXXXVII−XXXVII矢視横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。

本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、先端構造材２１と末端構造材２２との間に延びる方形管７３を有している。方形管７３は、それぞれ円筒に４つの角（つの）を設けた形状をしている。方形管７３をスクエアチューブと呼ぶ場合もある。

それぞれのウィング２４は、たとえば１４本の方形管７３を配列し、隣接する円管を溶接により固着して形成されている。また、ウィング２４は、タイクロス２３、先端構造材２１および末端構造材２２によって保持されて十字形に保たれている。タイクロス２３は、軸方向に間隔を置いて設けられているため、軸心部には炉水が占める空間が形成される。

一部の方形管７３の中には、ハフニウムなどの中性子吸収材６４が充填される。また、本実施の形態では、軸心に最も近い位置から２番目、４番目および６番目の方形管７３の内部には中性子吸収材６４は充填されず、炉水が流れ込む水領域４５となっている。このように、本実施の形態の制御セル用制御棒１５では、軸心側に１つ置きに方形管７３の内部に炉水を導入する水棒を配置しているため、図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２および図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

また、燃料体セルが大型化すると、地震時の水平方向の応力が問題となる可能性がある。この場合、１つのウィング２４を形成する横方向に配列された方形管７３の連結を一部廃止して、横まげに対してしなやかにしてもよい。

［第１３の実施の形態］
図３８は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１３の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１２の実施の形態と制御セル用制御棒の水棒の配置が異なる。本実施の形態では、軸心に最も近い位置から２番目、４番目、６番目および８番目の方形管７３の内部には中性子吸収材６４は充填されず、炉水が流れ込む水領域４５となっている。このように、水棒を増加させることにより、制御棒価値は若干低下するが、ブレードヒストリー効果の抑制という観点では、より好適となる。このため、ウィング２４の軸心に近い内側領域は、その外側の領域よりも水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さく、ブレードヒストリー効果が抑制される。水棒の本数は、制御セル用制御棒１５に要求される制御棒価値に応じて適宜変化させてもよい。

また、方形管７３の内部に形成する水領域４５は、制御棒の軸方向全体にわたって形成してもよいし、先端側または末端側のみとしてもよい。さらに、方形管７３の中には、挿入先端側には、ハフニウム棒を挿入し、末端側では軽くて安価なボロンカーバイドを用いてもよい。

本実施の形態では、中性子吸収材は炉水に接していないので、異種金属間に生じる電気化学的な腐食問題は生じない。方形管７３は、たとえばステンレス鋼により製作される。しかし、ステンレス鋼は非常に大量の中性子照射を受けると脆化が進む。そこで、方形管７３を、ジルカロイまたはジルカロイで希釈したハフニウム希釈合金を用いて製作してもよい。これにより、ジルカロイやハフニウム系を用いると、製造コストは増大する可能性があるが、長寿命化には好適である。

［第１４の実施の形態］
図３９は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１４の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１３の実施の形態と制御セル用制御棒の水棒の配置が異なる。本実施の形態では、軸心に最も近い位置から１番目、３番目、５番目、７番目および９番目の方形管７３の内部には中性子吸収材６４は充填されず、炉水が流れ込む水領域４５となっている。このように、水棒を増加させることにより、制御棒価値は若干低下するが、ブレードヒストリー効果の抑制という観点では、より好適となる。このため、ウィング２４の軸心に近い内側領域は、その外側の領域よりも水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さく、ブレードヒストリー効果が抑制される。水棒の本数は、制御セル用制御棒１５に要求される制御棒価値に応じて適宜変化させてもよい。

［第１５の実施の形態］
図４０は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１５の実施の形態における制御セル用制御棒の側面図である。図４１は、本実施の形態におけるウィングの中性子吸収材を取り除いた状態の横断面図である。図４２は、図４１のXLII−XLII矢視縦断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、厚さ７〜８ｍｍのステンレス鋼の板に直径５〜６ｍｍ程度の水平方向に延びた収容穴６５が形成されたウィング２４を有している。収容穴６５には中性子吸収材が収容される。それぞれのウィング２４は、タイクロス２３、先端構造材２１および末端構造材２２によって支持される。

制御セル用制御棒１５の先端構造材２１に近い、たとえば１５ｃｍ程度の領域では、収容穴６５にはハフニウム６６が収容される。その下方の領域では、収容穴６５にはＢ_４Ｃ粉６８が充填される。また、収容穴６５の軸心に近い方には、金属ウール６７を充填してガスプレナムが形成されている。金属ウール６７の代わりにスプリングを用いる設計も可能である。

このような制御セル用制御棒１５では、軸心に近い領域に中性子吸収材が少ない領域が形成され、また、軸心部分に水領域が形成されているため、図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２および図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

［第１６の実施の形態］
図４３は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１６の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大縦断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１５の実施の形態と制御セル用制御棒の収容穴に収容されるものが異なる。本実施の形態において、Ｂ_４Ｃ粉６８が充填された収容穴６５には、さらに、軸心側およびウィング２４の側端に近い部分に、長さが１ｃｍ程度のプラグ状に形成されたハフニウム６６が挿入されている。このため、ウィング２４の軸心に近い内側領域は、その外側の領域よりも水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さく、ブレードヒストリー効果が抑制される。

ウィング２４の外側と軸心側では中性子束が高くなるので、それらの部分に中性子吸収材としてハフニウムを用いることにより、長寿命化を図ることができる。また、収容穴６５に封入される中性子吸収材は炉水と接触しないので、中性子吸収材について腐食を考慮する必要がない。また、本実施の形態では、異種金属間の電気化学的な腐食問題は、生じない。

［第１７の実施の形態］
図４４は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１７の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大縦断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１５の実施の形態と制御セル用制御棒の収容穴の深さが異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５において、収容穴６５は、ウィング２４の横方向の長さの半分程度までしか形成されない。また、収容穴６５には、ハフニウム６６が収容される。

このような制御セル用制御棒１５を用いても、軸心部分に水領域を設け、軸心に近い部分の中性子吸収材の量を少なくすることにより、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。また、制御棒価値が不足する場合には、ウィング２４は、ジルカロイにハフニウムを３０重量％程度混入したハフニウム希釈合金を用いる。このような合金の密度は、ステンレス鋼と同程度であり、また、ハフニウムの中性子吸収効果が大きく寄与するため、制御棒価値を確保することができる。さらに、ハフニウムを用いることにより、制御セル用制御棒１５の長寿命化が図れる。

［第１８の実施の形態］
図４５は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１８の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大斜視図であって、図４６および図４７のXLV−XLV矢視図である。図４６は、図４５のXLVI−XLVI矢視横断面図である。図４７は、図４５のXLVII−XLVII矢視横断面図である。図４８は、本実施の形態における制御セル用制御棒の内部の中性子吸収物質の配置を模式的に示す縦断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、ウィング２４の軸心に最も近い位置、横方向の中央部、および、側端部に軸方向に延びる穴付き角棒６９を有している。穴付き角棒６９には、ウィング２４の横方向に配列して軸方向に延びた円形の２つの収容穴６５が形成されている。

また、それぞれの穴付き角棒６９の間には、軸方向に延びる円管７０が４本ずつ配列されている。このように、ウィング２４は、穴付き角棒６９および円管７０によって、全体として平板状に形成されている。また、それぞれのウィング２４はタイクロス２３（図１参照）に結合されている。

ウィング２４の横方向の中央部の穴付き角棒６９から、両側の円管７０を取り囲むように断面がＵ字形のバンド７２が溶接部６０で固着されている。また、ウィング２４の横方向の両端の穴付き角棒６９にも、同様のバンド７２が溶接部６０で固着され、円管７０を保持している。バンド７２と円管７０との間には、必要に応じてディンプル７７を設けるなどして、炉水の滞留を防止する。

制御棒に水平方向の力がかかった場合、バンド７２は薄いため溶接固着が破損しやすくなる傾向にあるが、本実施の形態では円管７０の間の微小な間隙と円管のしなりによって固着部への応力がほとんど発生しない。このための溶接部６０の健全性を確保することができる。

一部を除く円管７０の中には、中性子吸収材であるハフニウム６６が挿入される。円管７０のうち、軸心に最も近い位置および３番目の位置には中性子吸収材は挿入されず、その円管７０には通水孔３９が設けられて、水棒となる。

円管７０の中には、軸心側から一つ置きに水棒が配置される。水棒を形成する円管７０には通水孔３９が形成される。これらの水棒に隣接する位置では、円管７０の内部にハフニウム６６の棒が封入される。

ウィング２４の横方向の中央部の穴付き角棒６９と、ウィング２４の側端部の穴付き角棒６９との間には、より反応度を低下させるＢ_４Ｃ粉６８が充填されている。また、Ｂ_４Ｃ粉６８の間には、金属ウール６７を離間して配置する。金属ウール６７が配置された部分は、発生するガスを溜めるプレナムとなる。ただし、中性子照射量が特に高い先端部のたとえば１５ｃｍ程度には、ハフニウム棒２６が装填される。

また、穴付き角棒６９の収容穴６５には、中性子吸収材であるハフニウム６６が挿入される。なお、穴付き角棒６９の代わりに、中性子吸収材のハフニウムまたはハフニウム希釈合金で製作した角棒を用いてもよい。この場合には、収容穴６５を設ける必要はない。なお、角棒の内部に縦穴を非常に長く精度良く開けるのは容易でないため、穴付き角棒６９は制御棒の軸方向の長さを複数に分割して短尺化したものを用いる。この短尺化された穴付き角棒６９の内部にハフニウム棒を挿入し、その部分を密封結合部７１で密封し、軸方向の上下の穴付き角棒６９を結合する。

このような制御セル用制御棒１５では、軸心に近い領域で水棒を離間配置していることから、図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。また、軸方向に離間したタイクロスを用いるので、図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３と同様に、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

また、この制御セル用制御棒１５においても、炉水に接するのは一種類の金属だけであり、異種金属間の電気化学的な腐食問題が生じない。

［第１９の実施の形態］
図４９は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第１９の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大斜視図であって、図５０および図５１のXLIX−XLIX矢視図である。図５０は、図４９のＬ−Ｌ矢視横断面図である。図５１は、図４９のLI−LI矢視横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１８の実施の形態における制御セル用制御棒の円管の代わりにハフニウム棒２６を用い、穴付き角棒６９の代わりにジルカロイ角棒７４およびハフニウム角棒７５を用いたものである。ウィング２４の軸心に最も近い位置および横方向の中央部には軸方向に延びるジルカロイ角棒７４を配置し、ウィング２４の側端部には軸方向に延びるハフニウム角棒７５を配置している。ハフニウム角棒７５は、反応度の低減効果および核的寿命を考慮したものである。ハフニウム角棒７５の代わりに、ハフニウム希釈合金を用いてもよい。

バンド７２は、ジルカロイ製である。ジルカロイとハフニウムは溶接可能である。

ハフニウム棒２６は、バンド７２を装着する場所に、かなり深く削り込んだ細径部７６が形成されている。このため、厚くて丈夫なバンド７２を用いることができる。

このような制御セル用制御棒１５は、第１８の実施の形態よりも、長寿命かつ制御棒価値が大きい設計に向いている。また、軸心に近い位置に配置されたジルカロイ角棒７４および軸方向に離間して配置したタイクロス２３を設けている。これにより、図５（Ａ）の（ｂ）に示す制御棒１２および図５（Ａ）の（ｃ）に示す制御棒１３と同様に、ウィング２４の軸心に近い領域に中性子吸収が小さい部分を設け、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

［第２０の実施の形態］
図５２は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第２０の実施の形態における制御棒の一部拡大斜視図であって、図５３および図５４のLII−LII矢視図である。図５３は、図５２のLIII−LIII矢視横断面図である。図５４は、図５２のLIV−LIV矢視横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１９の実施の形態の制御セル用制御棒のハフニウム棒２６の一部をジルカロイ円柱７８に代えたものである。ジルカロイ円柱７８は、ウィング２４の横方向の中央部に位置するジルカロイ角棒７４に隣接するハフニウム棒２６の隣に配置されている。

このような制御セル用制御棒１５であっても、ウィング２４の軸心に近い領域に中性子吸収が小さい部分を設けることができるため、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

［第２１の実施の形態］
図５５は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第２１の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大斜視図であって、図５６および図５７のLV−LV矢視図である。図５６は、図５５のLVI−LVI矢視横断面図である。図５７は、図５５のLVII−LVII矢視横断面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第２０の実施の形態の制御セル用制御棒のジルカロイ円柱７８の代わりに、水棒７９を配置したものである。水棒７９は、通水孔３９が形成された外形が異なる２種類のジルカロイ管を、バンド７２の上下でプラグ型スペーサ８１によって結合したものである。バンド７２の近傍には、水棒細径部８０を設けることによりバンドの肉厚を確保し、バンドの強度を向上させている。

このような制御セル用制御棒１５であっても、ウィング２４の軸心に近い領域に中性子吸収が小さい部分を設けることができるため、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

［第２２の実施の形態］
図５８は、本発明に係る沸騰水型原子炉の第２２の実施の形態における制御セル用制御棒の一部を拡大した図５９のLVIII−LVIII矢視側面図である。図５９は、図５８のLIX−LIX矢視横断面図である。図６０は、図５９のLX−LX矢視縦断面図である。図６１は、本実施の形態における制御セル用制御棒のハフニウム板を取り外した状態の側面図である。図６２は、図６１の一部を拡大した側面図である。

本実施の形態の沸騰水型原子炉は、第１の実施の形態と制御セル用制御棒が異なる。本実施の形態の制御セル用制御棒１５は、角棒の間に炉水を導入するトラップ方式のハフニウム板１０１の対を備えたものである。

ウィング２４の横方向の軸心側および中央部にはジルカロイ角棒７４、ウィング２４の側端部にはハフニウム角棒７５が配置されている。ジルカロイ角棒７４およびハフニウム角棒７５は、先端構造材２１から末端構造材２２に延びている。

また、隣り合うジルカロイ角棒７４の間、および、ジルカロイ角棒７４とハフニウム角棒７５との間には、それぞれ４つのハフニウム板固定板１０３が延びている。隣り合うハフニウム固定板１０３の間、および、ハフニウム板固定板１０３と先端構造材２１または末端構造材２２の間には、隣り合うジルカロイ角棒７４またはハフニウム角棒７５に向かって突出した板状のガイドフィン１０２が複数配置されている。

ハフニウム板１０１は、ハフニウム板固定板１０３およびガイドフィン１０２を挟んで対をなし、その対はピン５２によってハフニウム板固定板１０３に固定されている。また、ハフニウム板１０１の対は、板対間保持スペーサ１０４によって間隔が保持されている。

また、制御セル用制御棒１５の有効部の長さは約３．６ｍである。４つのハフニウム板１０１の対は、有効部を４分割して鉛直方向に配列されている。つまり、それぞれのハフニウム板１０１は、有効部の上端から約０．９ｍまでの間、約０．９ｍから約１．８ｍまでの間、約１．８ｍから約２．７ｍまでの間、および、約２．７ｍから下端までの間に延びている。

角棒とハフニウム板とは一般に金属結晶の並び方が同一でないため、照射成長率が異なる。そこで、本実施の形態では、ハフニウム板１０１の対はハフニウム板固定板１０３で一方の端部を固定し、他の部分はガイドフィン１０２に沿って相対的に伸縮可能としている。つまり、ハフニウム板１０１の対が伸縮したとしても、ウィング２４の厚さ方向の位置は、ガイドフィン１０２によって案内されるので、厚さ方向の位置ずれは生じない。

ウィング２４の軸心側に位置する２本のジルカロイ角棒７４の間に延びるハフニウム板固定板１０３は、軸方向の中央付近に設けられているため、軸方向中央部で特に強度が大きくなる。一方、ウィング２４の外側に位置するハフニウム角棒７５とジルカロイ角棒７４との間に延びるハフニウム板固定板１０３は、軸方向の上下端部近傍に設けられている。すなわち、ハフニウム角棒７５とジルカロイ角棒７４との結合が中央部を避ける構造となっているため、軸方向の中央付近では横方向の力に対して比較的しなやかに変形できる。このため、大型の燃料集合体が装荷される炉心に挿抜されるウィング２４の幅が広い制御棒において地震時などの水平方向の力に対しても破損を抑制することができる。

このような制御セル用制御棒１５であっても、軸心に最も近いジルカロイ角棒７４およびタイクロス２３の間に形成される水領域によって、ウィング２４の軸心に近い内側領域は、その外側の領域よりも水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さくなる。このため、ブレードヒストリー効果を抑制することができる。

［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。

本発明に係る沸騰水型原子炉の第１の実施の形態の形態における制御セルの一部拡大横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１の実施の形態における炉心の一部拡大横断面図である。 臨界実験体系の平面図である。 臨界実験体系の一部拡大平面図である。 臨界実験の結果得られた表面放射化率分布を制御棒とともに示す図でああって、（Ａ）は臨界実験に用いた制御棒のウィングの横断面図、（Ｂ）は制御棒中心からの距離に対する制御棒表面での放射化率の分布を示すグラフ、（Ｃ）は制御棒中心からの距離に対する制御棒表面の銅箔の放射化率の分布を示すグラフである。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第２の実施の形態における制御セルの一部拡大横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第３の実施の形態における制御セルの一部拡大横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第４の実施の形態における制御セル用制御棒の側面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第４の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大一部切欠き側面図であって、図１０のIX−IX矢視図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第４の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図であって、図９のＸ−Ｘ矢視断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第４の実施の形態における細径ハフニウム棒の一部拡大縦断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第５の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第６の実施の形態における制御セル用制御棒の一部切欠き側面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第６の実施の形態における制御セル用制御棒の中性子吸収材を一部取り除いた状態の一部拡大縦断面図である。 図１４のXV−XV矢視横断面図である。 図１４のXVI−XVI矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第７の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大縦断面図である。 図１７のXVIII−XVIII矢視横断面図である。 図１７のXIX−XIX矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第８の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大縦断面図である。 図２０のXXI−XXI矢視縦断面図である。 図２０のXXII−XXII矢視横断面図である。 図２０のXXIII−XXIII矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第９の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第９の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。 本発明に係る炉心の第１０の実施の形態における制御セル用制御棒の側面図である。 図２６のXXVII−XXVII矢視横断面図である。 図２６のXXVIII−XXVIII矢視横断面図である。 図２６のXXIX−XXIX矢視縦断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１１の実施の形態における制御セル用制御棒の上面図である。 図３０のXXXI−XXXI矢視側面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１１の実施の形態における複合吸収材板の展開側面図である。 図３１のXXXIII−XXXIII矢視横断面図である。 図３１のXXXIV−XXXIV矢視横断面図である。 図３１のXXXV−XXXV矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１２の実施の形態における制御セル用制御棒の側面図である。 図３６のXXXVII−XXXVII矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１３の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１４の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１５の実施の形態における制御セル用制御棒の側面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１５の実施の形態におけるウィングの中性子吸収材を取り除いた状態の横断面図である。 図４１のXLII−XLII矢視縦断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１６の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大縦断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１７の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大縦断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１８の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大斜視図であって、図４６および図４７のXLV−XLV矢視図である。 図４５のXLVI−XLVI矢視横断面図である。 図４５のXLVII−XLVII矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１８の実施の形態における制御セル用制御棒の内部の中性子吸収物質の配置を模式的に示す縦断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第１９の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大斜視図であって、図５０および図５１のXLIX−XLIX矢視図である。 図４９のＬ−Ｌ矢視横断面図である。 図４９のLI−LI矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第２０の実施の形態における制御棒の一部拡大斜視図であって、図５３および図５４のLII−LII矢視図である。 図５２のLIII−LIII矢視横断面図である。 図５２のLIV−LIV矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第２１の実施の形態における制御セル用制御棒の一部拡大斜視図であって、図５６および図５７のLV−LV矢視図である。 図５５のLVI−LVI矢視横断面図である。 図５５のLVII−LVII矢視横断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第２２の実施の形態における制御セル用制御棒の一部を拡大した図５９のLVIII−LVIII矢視側面図である。 図５８のLIX−LIX矢視横断面図である。 図５９のLX−LX矢視縦断面図である。 本発明に係る沸騰水型原子炉の第２２の実施の形態における制御セル用制御棒のハフニウム板を取り外した状態の側面図である。 図６１の一部を拡大した側面図である。

符号の説明

１…制御棒、３…炉心、４…ジルカロイシース、５…中性子吸収棒、６…非吸収棒、７…タイロッド、８…ハフニウム棒、９…アクリルスペーサ、１０…燃料集合体、１１…制御棒、１２…制御棒、１３…制御棒、１４…制御棒、１５…制御セル用制御棒、１６…非制御セル用制御棒、１７…制御セル、１８…非制御セル、２０…燃料棒、２１…先端構造材、２２…末端構造材、２３…タイクロス、２４…ウィング、２５…平管状ジルカロイシース、２６…ハフニウム棒、２７…細径ハフニウム棒、２８…スペーサ兼コネクタ、２９…ガイドローラ、３０…吸収材吊下用舌、３１…上部外側ハフニウム板、３２…上部内側ハフニウム板、３３…中央ハフニウム板、３４…下部ハフニウム板、３５…吸収材排除孔、３６…ステイ、３７…シース、３８…コマスペーサ、３９…通水孔、４０…内側結合バー、４２…上部外側ハフニウム平管、４３…上部内側ハフニウム平管、４４…下部ハフニウム平管、４５…水領域、４６…トラップ間隙、４７…上部ハフニウム板、４８…下部ハフニウム板、４９…上下結合棒、５０…ジルカロイコーティング層、５１…外側ハフニウム棒固定ピン、５２…ピン、５３…薄板部、５５…翼内結合棒、５６…上部複合吸収材板、５７…下部複合吸収材板、５８…ハフニウム板、５９…ジルカロイ板、６０…溶接部、６２…切り込み、６３…凹部、６４…中性子吸収材、６５…収容穴、６６…ハフニウム、６７…金属ウール、６８…Ｂ_４Ｃ粉、６９…穴付き角棒、７０…円管、７１…密封結合部、７２…バンド、７３…方形管、７４…ジルカロイ角棒、７５…ハフニウム角棒、７６…細径部、７７…ディンプル、７８…ジルカロイ円柱、７９…水棒、８０…水棒細径部、８１…プラグ型スペーサ、８２…ジルカロイ製補強材、８３…係合部、８４…標準燃料棒、８５…短尺燃料棒、８６…ウォータチャンネル、８７…細径ウォータロッド、８８…ウォータクロス、８９…サブバンドル間スペーサ、９０…太径ウォータロッド、９１…燃料集合体、９２…燃料集合体、９３…燃料集合体、９４…サブバンドル、９５…チャンネルボックス、９６…水排除板、９８…外側ハフニウム棒、９９…翼内スライド棒、１００…複合吸収材板、１０１…ハフニウム板、１０２…ガイドフィン、１０３…ハフニウム板固定板、１０４…板対間保持スペーサ

Claims (20)

1. 鉛直方向に延びる中心軸を持つ円柱状に形成された炉心を備えた沸騰水型原子炉において、
   水平方向の長さが１５ｃｍ以上でほぼ正方形の燃料棒配置領域内に鉛直方向に延びる複数の燃料棒を正方格子状に束ねた燃料集合体を２行２列に配列した複数のセルと、
   前記セルの水平方向の中央部に鉛直方向に延びる軸心から隣り合う前記燃料集合体の間に延びる４枚のウィングを備えて前記炉心に挿抜可能に設けられた制御棒と、
   を有し、
   前記制御棒は、少なくとも有効部の上端から所定の長さ下方までの上部領域に、外側領域と、この外側領域よりも前記軸心に近くこの外側領域に比べて水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さい内側領域とが形成された制御セル用制御棒を含む、
   ことを特徴とする沸騰水型原子炉。
2. 前記制御セル用制御棒が挿抜される前記セルの前記燃料集合体は、前記燃料棒が配置される正方格子のうち前記燃料棒配置領域の水平方向中央部の外周位置およびこの外周位置から２層目のいずれかに非沸騰水領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉。
3. 前記非沸騰水領域は、鉛直方向に延びる円管の内部に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の沸騰水型原子炉。
4. 前記燃料集合体は、前記燃料棒配置領域を囲むチャンネルボックスと、そのチャンネルボックスを４つのサブバンドルに分割して内部に水が流れるウォータクロスと、を備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の沸騰水型原子炉。
5. 前記燃料集合体は、前記燃料棒配置領域内に２行２列に配列されて鉛直方向に延びるチャンネルボックスと、隣り合う前記チャンネルボックスの間に水が流れるように水平方向の間隔を保持するスペーサと、を備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の沸騰水型原子炉。
6. 前記制御セル用制御棒は、軸心部に間隔を置いて配置され４枚の前記ウィングに結合されたタイクロスを有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
7. 前記所定の長さは、前記有効部の長さの１／４以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
8. 前記内側領域は、前記ウィングの水平方向の長さの３／４以内に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
9. 前記ウィングは鉛直方向に延びて中性子吸収材を収めた中性子吸収棒と鉛直方向に延びて前記中性子吸収棒よりも中性子を吸収しない非吸収棒とを備え、前記内側領域は前記外側領域に比べて前記非吸収棒の本数の前記中性子吸収棒に対する割合が大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
10. 前記ウィングは鉛直方向に延びて中性子吸収材を収めた中性子吸収棒と鉛直方向に延びて前記中性子吸収棒よりも外径が細い細径中性子吸収棒とを備え、前記内側領域は前記外側領域に比べて前記細径中性子吸収棒の本数の前記中性子吸収棒に対する割合が大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
11. 前記ウィングは、前記内側領域に吸収材排除孔が形成された中性子吸収材板を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
12. 前記中性子吸収材板の表面の少なくとも一部にジルカロイコーティング層が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の沸騰水型原子炉。
13. 前記中性子吸収材板は、前記ウィングの厚さ方向の水が流れるトラップ間隙を形成していることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の沸騰水型原子炉。
14. 前記制御セル用制御棒は、先端構造材と、前記先端構造材の下方に設けられた末端構造材と、前記先端構造材と前記末端構造材とに結合する翼内結合棒と、を備え、前記中性子吸収材板は前記翼内結合棒に沿ってスライド可能に設けられていることを特徴とする請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
15. 前記制御セル用制御棒は、先端構造材と、前記先端構造材の下方に設けられた末端構造材と、前記先端構造材および前記末端構造材のいずれかに結合されて鉛直方向に延びる翼内スライド棒と、を備え、前記中性子吸収材板は前記翼内スライド棒を挟むように設けられることを特徴とする請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
16. 前記制御セル用制御棒は、先端構造材と、前記先端構造材の下方に設けられた末端構造材と、前記先端構造材と前記末端構造材とに結合する複数の角棒と、隣り合う前記角棒の間に水平方向に延びる固定板と、を備え、前記中性子吸収材板は鉛直方向の１か所で前記固定板に固定されていることを特徴とする請求項１１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
17. 前記制御セル用制御棒は、先端構造材と、前記先端構造材の下方に設けられた末端構造材と、を備え、前記ウィングは円管の外周に４つの角が形成されて前記先端構造材と前記末端構造材との間に延びる複数のスクエアチューブを互いに接するように水平方向に配列して形成され、前記内側領域に位置する前記スクエアチューブの一部には通水孔が設けられ、前記通水孔が設けられていない前記スクエアチューブには中性子吸収材が挿入されていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
18. 前記ウィングは、水平方向に延びて中性子吸収材を収容する収容穴が鉛直方向に配列して形成された金属板を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
19. 前記制御セル用制御棒は、先端構造材と、前記先端構造材の下方に設けられた末端構造材と、を備え、前記ウィングは水平方向に配列されて前記先端構造材と前記末端構造材との間に延びる３本の金属棒と、それらの金属棒の間に配列された円柱状の中性子吸収要素と、これらの中性子吸収要素を束ねて前記金属棒に固定されたバンドと、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉。
20. 水平方向の長さが１５ｃｍ以上でほぼ正方形の燃料棒配置領域内に鉛直方向に延びる複数の燃料棒を正方格子状に束ねた燃料集合体を２行２列に配列した複数のセルを配列して鉛直方向に延びる中心軸を持つ円柱状に形成された炉心を備えた沸騰水型原子炉の前記セルの水平方向の中央部に鉛直方向に延びる軸心から隣り合う前記燃料集合体の間に延びる４枚のウィングを備えて前記炉心に挿抜可能に設けられた制御棒において、
    少なくとも有効部の上端から所定の長さ下方までの上部領域に、外側領域と、この外側領域よりも前記軸心に近くこの外側領域に比べて水平方向の単位長さ当たりの中性子吸収材の平均量が小さい内側領域とが形成されている、
    ことを特徴とする制御棒。

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