JPH01148998A - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、沸騰水型原子炉等の軽水炉の炉出力を制御す
る原子炉用制御棒に係り、特に制御棒の反応度価値を高
めて原子炉停止余裕を向上させ、長寿命化を図った高反
応度長寿命型の原子炉用制御棒に関する。

（従来の技術） 従来の沸騰水型原子炉用制御棒は、中央タイロッドに細
長いＵ字状シースを固着して横断面十字状のウィングを
形成し、各ウィング内に多数の中性子吸収棒を装填して
構成される。中性子吸収棒は例えばステンレス鋼製被覆
管内に中性子吸収材としてボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）
粉末を充填して調製される。

この原子炉用制御棒を沸騰水型原子炉等の炉心部に挿入
すると、シース内に充填した中性子吸収材は中性子の照
射を受け、中性子吸収能力を次第に失うため、原子炉用
制御棒は寿命に達し、所定期間の運転に供した後に定期
的に交換される。

（発明が解決しようとする問題点） 原子炉の炉心部に出し入れされる制御棒は、各ウィング
の全面に亘って一様に中性子照射を受けるものではなく
、例えば各ウィングの挿入先端領域および外側縁領域は
、強度の中性子照射を受ける。そのため、その領域に充
填された中性子吸収材は多量の中性子を吸収してウィン
グの他領域より早く消耗し、早期に核的寿命を終える。

したがって、ウィングの他領域に充填された中性子吸収
材がまだ十分核的寿命を残しているにも拘らず、原子炉
用制御棒全体を放射性廃棄物として廃棄しなければなら
ない不経済性があった。一方、原子炉ｉ、ＩＪ御棒の交
換頻度が高いと交換作業を行なう作業員の被曝線量も増
大する問題点も考えられる。

そのような問題を解決するために強度の中性子照射を受
ける制御棒の領域に核的寿命が長い、例えばハフニウム
のような長寿命型中性子吸収材を部分的に配置した原子
炉用制御棒を本発明者は開発した。この原子炉用制御棒
は、特開昭５３−７４６９７号公報に開示されている通
り、強い中性子照射を受けるウィングの先端部および外
側端部に長寿命型吸収材を配置したハイブリッド溝道を
有する。このハイブリッド型の原子炉用制御棒は通常型
制御棒の２倍程度の寿命を得るに至った。

一方、従来の原子炉用制御棒は、ウィングの全領域に亘
って中性子吸収材を均一な密度で充填しており、軸方向
の各領域における中性子吸収能力すなわち反応度が等し
く調製されているが、中性子照射量の不均一によって経
時的に反応度にばらつきを生じ、原子炉の運転サイクル
末期においては部分的に原子炉停止余裕が低下する可能
性がある。

すなわち、上記の原子炉用制御棒を使用して原子炉を所
定期間運転した場合における原子炉停止余裕（未臨界度
）の炉心軸方向分布は、燃料集合体の設計仕様または原
子炉の運転方法によって若干の相違を生じるが、基本的
には第４図＜Ａ＞に示す分布となる。すなわち、原子炉
停止余裕は炉心の上端および下端において大きくなる一
方、上端より若干下った位置において最小の値をとる。

この原因としては、次のことが考えられる。

原子炉炉心の軸方向有効長さをＬとした場合、下端から
３／４Ｌの位置から上端にかけての上端領域においては
、運転時の気泡率（ボイド率）が高く、炉の出力密度が
相対的に低下するため、核分裂性物質である質量数２３
５のウラン（Ｕ−２３５）の残存量が比較的多い。また
発生する気泡（ボイド）によって中性子スペクトルの硬
化現象を生じる。その結果、プル］・ニウム生成反応（
中性子吸収反応）が促進されるため、原子炉の運転後に
おいて炉心上部の核分裂性物質の濃度が鳥くなり、その
領域の原子炉停止余裕が値下する原因となっている。

一方、今後の原子炉は運転経済性の向上に対する要請か
ら核燃料の高燃焼度化および運転サイクルの長期化への
移行は必至の情勢である。その具体的な対応として濃縮
度の高い核燃料の採用が進み、それに伴って寿命が長く
、かつ原子炉停止余裕が大きな原子炉用制御棒が強く求
められる。

ところが、従来の原子炉用制御棒を高濃縮度の核燃料を
装荷した原子炉に採用すると原子炉停止余裕が相対的に
低下し、短い運転サイクル毎に原子炉用制御棒を頻繁に
交換しなければならない。

原子炉用制御棒の交換作業時には、原子炉を停止し、さ
らに交換すべき制御棒の周囲に配設された多数の燃料集
合体を炉心から予め排除する煩雑な作業が必要とされる
。したがって、制御棒の交換のための原子炉停止が頻発
し、また停止期間が長期化することにより原子炉の運転
効率、経済性が著しく低下する一方、管理労力が著しく
増大する可能性がある。

本発明は上述した事情を考慮してなされたちので、Ｕ字
状のシースに長寿命型中性子吸収材を用いて核的寿命の
長期化を図り、反応度効果の高い部位に中性子吸収材を
多く配置して制御棒の反応度価値を高めて原子炉停止余
裕を増大させた高反応度長寿命型の原子炉用制御棒を提
供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る原子炉用制御棒は、上述した目的を達成す
るために、先端構造材と末端構造材とをタイロッドで結
合し、上記タイロッド、先端構造材および末端構造材に
Ｕ字状のシースを固定して複数のウィングを構成した原
子炉用制御棒において、前記ウィングのシースをハフニ
ウム金属あるいハフニウムを主成分とする合金からなる
長寿命型中性子吸収材で形成するとともに、前記ウィン
グの挿入先端領域に隣接する挿入末端側の領域は、その
長手方向に中性子吸収材の総量が挿入末端側に向って漸
次減少するように構成したものである。

（作用） この原子炉用制御棒は、ウィングを構成するＵ字状シー
スをハフニウム金属あるいはハフニウムを主成分とする
合金からなる長寿命型中性子吸収材で形成したので核的
寿命が長く、長寿命化を図ることができる一方、長寿命
型中性子吸収材をシースとして使用するため、シース内
部に減速材である水が導入され、この水によって中性子
が減速され、吸収され易いエネルギの中性子となるため
、中性子吸収効果、すなわち制御棒の反応度効果が増大
する。

さらに、原子炉用制御棒の全挿入時に原子炉炉心の軸方
向の未臨界度が浅くなる中性子吸収材を積極的かつ効果
的に配置するので、−段と大きな反応度価値が得られ、
原子炉停止余裕が増大する。

（実施例） 以下、本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例について
添付図面を参照して説明する。

沸騰水型原子炉等の軽水炉の炉出力制御を行なう原子炉
用制御棒は、第１図ないし第３図に示すように構成され
る。原子炉用制御棒１０は先端構造材１１と末端構造材
１２とが横断面十字状をなすステンレス鋼製の中央タイ
ロッド１３で結合され、このタイロッド１３の各突出部
に横断面が深いＵ字状のシース１５が固定されて複数の
ウィング１６が構成される。シース１５はハフニウム金
属あるいはハフニウムを主成分とする合金からなる長寿
命型中性子吸収材で形成される。ウィング１６の挿入先
端および挿入末端側は、シース１５が先端構造材１１お
よび末端構造材１２に固定される。先端構造材１１には
操作ハンドル１８が設けられるとともに、原子炉の炉心
部に出し入れされる制御棒１０を案内するガイドローラ
１９が設けられる。

一方、ウィング１６は挿入先端側の挿入先端領域とこの
挿入先端領域に隣接し、挿入末端側に延びる領域とに区
画され、ウィング１６の挿入先端領域は挿入先端から挿
入末端側に例えば５〜３２ｃｍ程度、通常は１５〜１６
ｃｍ延びて終端する長さを有する。この挿入先端領域は
原子炉の炉停止余裕への寄与が小さく、高反応度にする
必要はないが、炉心部から強い中性子照射を受けるので
、この部分はウィング１６の肉厚方向に、全厚さ分中実
あるいは実質的に中実なハフニウム板等の長寿命型中性
子吸収板２０が設けられる。この長寿命型中性子吸収板
２０はウィング幅方向に延びる突出部２０ａが先端構造
材１１の凹溝２１に係合して固定される。

また、ウィング１６の挿入先端領域に隣接する挿入末端
側の領域には、ウィング１６外側縁部が強い中性子照射
を受けので、この部分にはハフニウム金属またはハフニ
ウムを主成分とする長寿命型中性子吸収材としてのハフ
ニウム材２２が第２図に示すように設けられる。このハ
フニウム材１３はウィング１６の外側縁部を構成し、シ
ース１５の外側端部を形成している。

他方、シース１５と中央タイロッド１３とは異種金属で
形成され、直接溶接することができないので、第１図に
示すようにハフニウム金属やハフニウムを主成分とする
Ｌ字状断面の４枚のハフニウム薄板１５ａ、１５ｂ、１
５Ｃ，１５ｄを、それらの隅角部を十字状断面の中央タ
イロッド１３の凹角部に対向して配設し、上記各ハフニ
ウム薄板１５ａ〜１５ｄの対向する先端部に、ハフニウ
ム材２２が挿入され、溶接にて固着される。ハフニウム
材２２を固定させることにより、横断面が深い０字状を
なすシース１５が各ウィング１６毎に構成される。

シース１５の中央タイロッド１３側には矩形断面を有す
るハフニウム棒２４がウィング１６の長手方向に介装さ
れ、シース１５に溶着等で固定される。このハフニウム
棒２４はシース１５のウィング幅方向内側の間隔を保持
し、その機械的強度を保証している。ウィング１６のシ
ース１５間は減速材としての水を案内する流路２５が形
成される。

また、原子炉用制御棒１０のウィング長手方向中間部に
は、シース１５内にウィング幅方向に延びるステンレス
鋼製の補強棒２６が、第１図に示すように、上下のハフ
ニウム捧２７ａ、２７ｂ問に介装される。上記補強棒２
６は中央タイロッド１３の突出部に溶接にて固定され、
ウィング１６の中間部の変形を抑制している。ウィング
１６の上下端部およびその中間部には通水用開口２８や
孔（図示せず）が形成される。

さらに、ウィング１６の挿入末端領域はその挿入先端領
域と同様なハフニウム板３０が末端構造材１２のウィン
グ幅方向に延びる凹溝３１に挿入されて固定される。

ところで、ウィング１６の挿入先端領域に隣接する区域
には、シース１５の両内側にハフニウム金属あるいはハ
フニウムを主成分とする合金からなるハフニウム板３３
が第３図に示すように内張すされる。このハフニウム板
３３はウィング１６の挿入先端領域から挿入末端側に向
って延び、その途中で終端している。

シース１５の内側にハフニウム板３３を内張すすること
により、ウィング１６は挿入先端領域に隣接する挿入末
端側の領域で、長寿命型中性子吸収材の借を挿入末端側
に向って段階的（連続的でもよい。）に漸次減少させる
ことができ、未臨界度が浅くなり易い部分、ひいては反
応度効果の高い部位により多くの中性子吸収材を配置す
ることができる。このため、原子炉用制御棒の反応度価
値を高めて原子炉停止余裕を増大させ、高反応度と長寿
命化を同時に達成することができる。

次に、原子炉用制御棒の製造手順の一例を説明する。

Ｌ字形ハフニウム薄板１５ａ〜１５ｄの所要個所にハフ
ニウム板３３を内張すするとともに、４枚のハフニウム
薄板１５ａ〜１５ｄの隅角部が突き合さるように配設し
、各ハフニウム薄板１５ａ〜１５ｄにより形成される間
隙内にウィング長手方向に矩形のハフニウム棒２４を介
装して固定さ゛せるとともに、ウィング１６の幅方向に
上下に対をなすハフニウム棒２７ａ、２７ｂを挿入して
固定し、上記ハフニウム棒２７ａ、２７ｂ間に補強棒２
６を挿入する。続いて、４枚のハフニウム薄板１５ａ〜
１５ｄの外側縁部にハフニウム材２２をウィング長手方
向に挿入し、固定させ、横断面十字状に形成する。これ
により、深いＵ字状をなすシース１５が長寿命型中性子
吸収材で形成される。

一方、末端構造材１２に中央タイロッド１３を溶接等に
て結合させ、この末端構造材１２の各凹溝３１内にハフ
ニウム板３０を挿入させる一方、中央タイロッド１３を
横断面十字状に組み立てられたハフニウム薄板１５〜１
５ｄ内に挿通させ、ハフニウム薄板１５ａ〜１５ｄの下
端部をハフニウム板３０に固着させる。

次に、ハフニウム薄板１５８〜１５ｄの上端部にハフニ
ウム板２０を固着し、各ハフニウム板２０を先端構造材
１１の凹溝２１内に案内させるとともに、先端構造材１
１を中央タイロッド１３に溶接にて固着する。

最後に、ウィング１６の長手方向中間部に介装された１
個以上の補強棒２６を中央タイロッド１３の突出部に溶
接にて固定してウィング１６の機械的強度を向上させ、
ウィング中間部の変形を防止している。このようにして
、原子炉用制御棒１Ｏが組み立てられる。

この原子炉用制御棒１０は、ウィング１６を構成するＵ
字状シース１５が長寿命型中性子吸収材で形成されるの
で、核的寿命が長く、制御棒１０の長寿命化を図ること
ができるとともに、上記制御棒１０はウィング１６の挿
入先端領域に隣接する挿入末端側の領域は、内部に減速
材である水を案内する流路２５が形成されるので、この
流路２５内を案内される水によって中性子が減速され、
中性子吸収材に収容され易いエネルギの中性子となるた
め、中性子吸収効果、ひいては制御棒の反応度効果が増
大する。

また、ウィング１６の挿入先端領域に隣接する挿入末端
側の区域に、ハフニウム板３３をシース１５の内側に内
張すしたので、原子炉用制御棒１０の全挿入時に炉心軸
方向の未臨界度が浅くなる部位に、中性子吸収材を積極
的に配置したので、−段と大きな反応度価値（中性子吸
収特性）が第４図（Ｂ）で示すように得られ、第４図（
Ｃ）に示ずように、破線で示す従来の制御棒に較べ原子
炉停止余裕が増大する。

次に、本発明に係る原子炉用制御棒の他の実施例につい
て説明する。

第５図はこの原子炉用制御棒の第２実施例を示すもので
ある。この実施例に示された原子炉用制御棒１０Ａは、
ウィング１６の挿入先端領域に隣接する挿入末端側の領
域のシース１５内に多段構造のハフニウム板３５を内張
すしたものである。

このハフニウム板３５はハフニウム金属あるいはハフニ
ウムを主成分とした合金の長寿命型中性子吸収材で形成
され、ウィング１６の挿入先端側から挿入末端側に向っ
て途中で肉厚が段階的に減少するように構成される。こ
のハフニウム板３５はシース１５の内側にスペーサ３６
を介して固定される。他の構成は第１図ないし第３図に
示される原子炉用制御棒１０と実質的に等しいので説明
を省略する。

第６図および第７図は原子炉用制御棒の第３実施例を示
すものであり、この実施例に示された制御棒１０Ａはウ
ィング１６の挿入先端領域に隣接する挿入末端側の領域
のシース１５内中央部に多段構造、例えば２段構造のハ
フニウム板３８を配置し、このハフニウム板３８をシー
ス１５とワッシャ状スペーサ３９により間隔保持し、固
定ピン等の固定部材４０で保持したものである。

また、原子炉用制御棒１０Ｃは、第８図に示すようにハ
フニウム板４３として波板状プレートをシース１５内に
配置し、このシース１５にスペーサ４４により固定して
も、さらに第９図に示すように、ウィング１６のシース
１５内にハフニウム金属あるいはハフニウムを主成分と
する合金からなる短尺のハフニウム管４５をウィング幅
方向に列状に配列してもよい。この場合、ハフニウム管
４５内に減速材としての水が案内されるとともに、ハフ
ニウム管４５は上側および下側で支持部材（図示せず）
を介してシース１５に固定される。

このハフニウム管４５はウィング１６の挿入先端側に原
子炉用制御棒１０Ｄの有効長の１／３〜１／４の長さ（
ウィングの長手方向長さ）に亘って挿入される。ハフニ
ウム管４５は楕円形や長円形断面を有するように形成し
てもよい。

いずれの場合にも、第１図ないし第３図に示される原子
炉用制御棒１０と同等の作用効果を奏する。

また、原子炉用制御棒１０Ｅは、ウィング１６の挿入先
端領域に隣接する挿入末端側の領域を、第１０図および
第１１図に示すように構成し、シース１５内に中性子吸
収棒４７を配置し、下部を支持部材４８で支持してもよ
い。支持部材４８はハフニウム金属やハフニウムを主成
分とする合金の中性子吸収材で形成され、シース１５間
の間隔を保持し、ウィング１６の機械的強度を高めてい
る。

一方、中性子吸収棒４７はハフニウム金属あるいはハフ
ニウムを主成分とする合金の被覆管４９内に天然ボロン
（８４Ｃ）やボロン−１０を濃縮したボロンカーバイド
、Ｅｕ　　Ｏ−Ｈｆ０２等の中性子吸収物質５０が充填
される。中性子吸収物質５０がボロンカーバイドである
場合には、中性子反応によりＨｅガスを発生させるので
、金属ウール等を充填してガスプレナム５１を形成する
必要がある。

さらに中性子吸収棒５２の被覆管５３を第１２図に示す
ように、矩形断面とし、内部に充填される中性子吸収物
質５０の母を増大させてもよい。

第１０図ないし第１２図に示される原子炉用制御棒の場
合にも、第１図ないし第３図に示される原子炉用制御棒
と同様な作用効果を奏する。

なお、本発明の一実施例ではＬ字形ハフニウム薄板の隅
角部を中央タイロッドの凹角部に係合させ、対向するハ
フニウム薄板の先端縁部にハフニウム材を挿入・固着し
て深いＵ字状シースを形成した例を示したが、このシー
スはハフニウム金属あるいはハフニウムを主成分とした
合金の長寿命型中性子吸収材から結果としてＵ字状に構
成したものであればよく、シースを構成する前の素材の
形状は問わない。

また、一実施例では、ウィングの挿入先端領域に隣接す
る挿入末端側の領域において、シースの内側にハフニウ
ム板や中性子吸収棒を配置し、中性子吸収材の総量がウ
ィングの挿入先端領域から挿入末端側に向って段階的に
漸次減少する例を示したが、例えばハフニウム板の肉厚
が連続的に変化するように形成し、このハフニウム板を
シース内に配置し、中性子吸収材の総量がウィングの挿
入先端領域から挿入末端側に向って連続的に変化するよ
うにしてもよい。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係る原子炉用制御棒におい
ては、ウィングのシースをハフニウム金属あるいはハフ
ニウムを主成分とする合金からなる長寿命型中性子吸収
材で形成したから、制御棒の核的寿命を延ばし、長寿命
化を図ることができる。

また、長寿命型中性子吸収材をシースとして用いるため
、シース内部に減速材である水を導入でき、導入された
水により、高速中性子は減速され、吸収され易いエネル
ギの中性子となるため、中性子吸収効果、すなわち制御
棒の反応度効果を増大させることができる一方、反応度
効果が高い部位に中性子吸収材を積極的に配置したので
、−段と大きな反応度価値が得られ、原子炉停止余裕が
増大し、高反応度で長寿命型原子炉用制御棒を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例を示す
図、第２図は第１図の■−■線に沿う平断面図、第３図
は第１図の■−■線に沿う縦断面図、第４図（Ａ＞は従
来の原子炉用制御棒を使用して原子炉を所定期間運転し
た場合の原子炉停止余裕の軸方向分布を示すグラフ、第
４図（Ｂ）は本発明に係る原子炉用制御棒における中性
子吸収特性の軸方向分布を示すグラフ、第４図（Ｃ）は
本発明に係る原子炉用制御棒を使用して原子炉を所定期
間運転した場合の原子炉停止余裕の軸方向分布を従来例
と比較して示すグラフ、第５図および第６図は本発明に
係る原子炉用制御棒の第２実施例および第３実施例をそ
れぞれ示す図、第７図は第６図を部分的に拡大して示す
図、第８図および第９図は第７図に示される原子炉用制
御棒の各変形例を示す図、第１０図は本発明に係る原子
炉用制御棒のさらに他の実施例を示す縦断面図、第１１
図は第１０図に示された原子炉用制御棒の部分的拡大図
、第１２図は第１１図に示された原子炉用制御棒の変形
例を示す図である。 １０．１０Ａ〜ＩＯＥ・・・原子炉用制御棒、１１・・
・先端構造材、１２・・・末端構造材、１３・・・中央
タイロッド、１５・・・シース、１５ａ〜１５ｄ・・・
ハフニウム薄板、１６・・・ウィング、２０．３０・・
・ハフニウム板、２２・・・ハフニウム材、２４・・・
ハフニウム棒、２５・・・流路、２６・・・補強棒、２
７ａ、２７ｂ・・・ハフニウム棒、３３，３５．３８・
・・ハフニウム板、３６・・・スペーサ、３９・・・ワ
ッシャ状スペーサ、４０・・・固定部材、４３・・・ハ
フニウム板、４５・・・ハフニウム管、４７・・・中性
子吸収棒、４９・・・被覆管、５０・・・中性子吸収物
質。 第２図 第５図　第 １６図　第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端構造材と末端構造材とをタイロッドで結合し、
   上記タイロッド、先端構造材および末端構造材にＵ字状
   のシースを固定して複数のウィングを構成した原子炉用
   制御棒において、前記ウィングのシースをハフニウム金
   属あるいハフニウムを主成分とする合金からなる長寿命
   型中性子吸収材で形成するとともに、前記ウィングの挿
   入先端領域に隣接する挿入末端側の領域は、その長手方
   向に中性子吸収材の総量が挿入末端側に向って漸次減少
   するように構成したことを特徴とする原子炉用制御棒。 ２、Ｕ字状シースの内側にハフニウム金属またはハフニ
   ウムを主成分とする合金からなるプレート状の中性子吸
   収材を固定し、ウィングの挿入先端領域に隣接する挿入
   末端側の領域は、ウィング肉厚方向の中性子吸収材の実
   質的肉厚が挿入末端側に向つて段階的または連続的に減
   少された特許請求の範囲第１項に記載の原子炉用制御棒
   。 ３、ウィングの挿入先端領域はウィングの挿入先端から
   挿入末端側に向って５〜３２ｃｍの長さである特許請求
   の範囲第１項に記載の原子炉用制御棒。 ４、Ｕ字状シースの内側にハフニウム金属またはハフニ
   ウムを主成分とする合金からなる中性子吸収材を配置し
   、この中性子吸収材は平板状、波板状、円形、長円形ま
   たは矩形断面に成形されるとともに、ウィング肉厚方向
   の中性子吸収材の実質的厚さが、挿入先端領域を除いて
   挿入先端側から挿入末端側に向って段階的または連続的
   に減少された特許請求の範囲第１項に記載の原子炉用制
   御棒。 ５、中性子吸収材はハフニウム金属またはハフニウムを
   主成分とする長寿命型中性子吸収材と、被覆材を用いた
   被覆型中性子吸収材とからなり、被覆型中性子吸収材は
   Ｕ字状シース内に配置された特許請求の範囲第１項に記
   載の原子炉用制御棒。 ６、被覆型中性子吸収材の被覆材はハフニウム金属また
   はハフニウムを主成分とする合金で構成された特許請求
   の範囲第１項に記載の原子炉用制御棒。