JPH01287499A - 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） 本発明は原子炉の炉出力を調節、制御する原子炉用制御
棒に関する。

（従来の技術） 原子炉用制御棒は、十字状断面の中央タイロッドの各突
出脚に深いＵ字状断面のシースを取り付けて形成した４
箇のウィング内に多数の中性子吸収棒を装填して構成さ
れている。中性子吸収棒はＳＵＳ製被覆被覆管内ロンカ
ーバイド（８４Ｃ）　粉末を充填して構成されている。

前記被覆管内には粉末移動防止用の仕切縁が一定間隔で
配置されている。

中性子吸収棒内に充填されたＢ、Ｃ粉末は中性子を吸収
して中性子吸収能力が次第に低下するとともに、その間
にボロン−１０（”Ｂ）が中性子と反応してＨａガスを
発生させ、被覆管内の圧力を上昇させる。上記の中性子
吸収能力によって定められる寿命を核的寿命と言い、被
覆管内のガス圧によって定められる寿命を機械的寿命と
言っている。

ところで、原子炉の炉心に対して挿抜される制御棒は中
性子の照射を一様に受けるものではなく。

例えば各ウィングの側縁や上端部は強い中性子照射を受
ける。このため、制御棒の側縁部や上端部近傍にある中
性子吸収体は多量の中性子を吸収し。

他部の吸収体よりも早期に核的寿命に達する。従って、
他部の中性子吸収体は十分核的寿命を残存させているに
も拘らず、制御棒を放射性廃棄物として廃棄しなければ
ならなかった。このように使用可能な部分があるにも拘
らず、放射性廃棄物として処分することは不経済である
だけでなく、放射性廃棄物の量を徒に増大させ好ましく
ない。

上記の開運を解決するため制御棒の強い中性子照射を受
ける部分に、核的寿命の長い長寿命型の中性子吸収材を
配置した原子炉用制御棒が開発されている（特開昭５３
−７４６９７号）。

ところが、この形式の原子炉用制御棒にあってはその寿
命は通常型の２倍程度に延長されるに過ぎず、原子炉用
制御棒の長寿命化を図る上で必ずしも十分ではなかった
。

特開昭５３−７４９６７号開示の原子炉用制御棒の前記
の問題を解決するものとして、さらに長寿命を示し得る
特開昭５８−５５８８７号開示の原子炉用制御棒が開発
された。この原子炉用制御棒は、制御棒各ウィング内に
長寿命型中性子吸収材からなる中実の中性子吸収板を装
填してなるものである。この中性子吸収板は炉停止余裕
の軸方向分布の小さい部位では小量の板材削りを行い、
逆にそれが大きい部位では多量の板材削り取りとなるよ
う透孔または凹陥部を、その大きさや分布を考慮して設
けている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、特開昭５３−７４９６７号開示の原子炉用制
御棒に使用されている中性子吸収材は、高価で比重の大
きな板状ハフニウム（ｌｌｆ）金属であるため、制御棒
が高価で非常に重量の大きいものとなる欠点があった。

重量が大きくなると、この制御棒を取り扱う制御棒駆動
機構は耐重量的な設計変更が必要となり。

従来の制御棒駆動機構をそのまま使用することはできな
かった。

また、ハフニウム金属板を制御棒の中性子吸収材として
使用する場合に、ハフニウム金属板と制御棒の構造材で
あるステンレス鋼とが大きな面積で接触することになり
易く、その結果大きな面積で幅の狭い間隙が形成される
おそれがあり、耐食性の点から好ましくない。

本出願人は上記の問題を解決するものとして、さらに新
規な長寿命型原子炉用制御棒を開示した。

この制御棒は中性子吸収体をウィング軸方向、幅方向に
分割して各分割区分のハフニウム金属板の厚さを各区分
における中性子照射量に応じて定めたもので、これによ
り制御棒全体にわたり中性子吸収体の核的寿命を均一化
している。

ところが、上記開示の制御棒では中性子吸収要素はウィ
ング幅方向に複数筒に分割して構成され、各分割区分の
ハフニウム金属板は、それ等をシー入内面から浮かせて
支持する溝と、対向するハフニウム金属板間の間隔を保
持する突起とを備えたスペーサにより支持され、２枚の
ハフニウム金属板間の空間およびハフニウム金属板とシ
ース内面間には減速材流路が形成されている。而して、
各分割区分のハフニウム金属板の厚さはその区分の中性
子照射量分布に応じて設定する。つまり、ウィングの側
縁近傍にあるハフニウム金属板の厚さを他部にあるそれ
の厚さよりも大とすればよい。

なお、この制御棒においてはハフニウム金属板はシース
の内面から浮かして支持され、それ等が大きな面積で直
接に接触することはないから、腐食等の問題を生じるこ
とはない。

ところが、前記溝、突起付のスペーサがハフニウム金属
板を確実に支持するとは限らず、ハフニウム金属板がシ
ース内面と接触するおそれがあった。

本発明は上記の事情に基づきなされたもので、ハフニウ
ム金属板とシース内面とが接触する畏れがなく、シかも
比較的軽量且つ安価で従来の制御棒駆動機構をそのまま
使用することができる原子炉用制御棒を提供することを
目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の原子炉用制御棒は、先端構造材および末端構造
材を連結する断面十字状の中央タイロッドと、この中央
タイロッドの各突出脚に深いＵ字状のシースをその開口
部において取り付けて構成したウィングと、各ウィング
内に装填した長寿命型中性子吸収体とを有し、前記長寿
命型中性子吸収体を制御棒軸方向およびウィング幅方向
に複数の区分に分割し、各区分内の中性子吸収要素の中
性子吸収特性をその区分における中性子照射量に応じて
定めたものにおいて、前記各区分の中性子吸収要素を構
成する対向するハフニウム金属板を、十字状断面で対向
する脚片を前記シースに貫通させたスポットスペーサに
より間隔を保持させ、それ等ハフニウム金属板と前記シ
ース内面とは前記脚片に装着したリングスペーサにより
離間し、スポットスペーサおよびリングスペーサには十
分な溝を導入することにより、スポットスペーサとハフ
ニウム金属板、リングスペーサと、シース、リングスペ
ーサとハフニウム金属板の間にも十分な間隔を保持させ
ていることを特徴とする。

（作用） 上記構成の本発明原子炉用制御棒においては。

中性子吸収体を構成するハフニウム金属板をスポットス
ペーサにより間隔を保持して対向させ、しかもそれ等の
金属板とシー入内面との間隔をリングスペーサによって
保持させているから、ハフニウム金属板同士の接触また
はハフニウム金属板とシース内面との接触等を生じるこ
とはなく、減速材流路の確保は勿論良好になされ、また
狭い間隙、広い面積でのハフニウム金属板とシース内面
との接触も防止されるのでこれ等両者の腐食を生じるこ
ともない、またスポットスペーサとリングスペーサに十
分な溝を導入しであるため、スポットスペーサやリング
スペーサとシースやハフニウム金属板とが完全な間隙に
なることが防止されるので、スポットスペーサ部および
リングスペーサ部で、これ等とシースの腐食を生じるこ
ともない。

さらに、制御棒をその軸方向、幅方向に分割し各分割区
分毎に中性子照射量に対応する中性子吸収特性の中性子
吸収要素を装填しであるから、各区分の中性子吸収要素
はほぼ同時にその核的寿命に到達し、核的寿命の残存す
る制御棒を廃棄物として処理する無駄を生じることがな
い。

（実施例） 第１図は本発明一実施例全体を示す斜視図、第２図はそ
の内部に配置された中性子吸収体の配置図である。第１
図において、原子炉用制御棒１０はハンドル１１を備え
た先端構造材１２と、末端構造材１３と、前記両種造材
を一体的に結合した横断面十字状の中央タイロッド１４
とを有する。中央タイロッド１４の各突出脚には、深い
Ｕ字状断面の高純度ステンレス鋼製のシース１５がその
関口部において固着され、４箇のウィング１６が形成さ
れている。

上記のシース１５内にはハフニウム（Ｈｆ）金属板から
なる長寿命型中性子吸収体１７が挿入されている。

中性子吸収体１７は第２図の左半に示すように、中央タ
イロッド１４の軸方向に複数筒の中性子吸収要素１７ａ
”１７ｄに分割されている。なお、第２図の左半は中性
子吸収要素が装填されていない状態を示す、中性子吸収
要素の中、最下端にある１７ｄを除いた１７ａ”１７ｃ
は、中央タイロッド１４の各突出脚に適宜間隔をおいて
設置した中性子吸収要素支持片１８に支持され、中性子
吸収要素１７ａ〜１７ｃはその軸方向移動を防止されて
いる。上記の各中性子吸収要素支持片１δはそれぞれ中
央タイロッド１４に必要な間隔をおいて突設されている
。なお、最下段の中性子吸収要素１７ｄは末端構造材１
３に支持されている。前記各段の中性子吸収要素１７ａ
〜１７ｄは。

上段から下段に向けて中性子吸収特性が順に低下するよ
うにされている。具体的に言えば、上部から中性子吸収
要素１７ａ〜１７ｄの肉厚を段階的に小さくしである。

この結果、制御棒の反応度効果すなわち中性子吸収特性
が第３図に示すように制御棒上端から下端に向け０段階
的に低下させられることとなる。

また、先端構造材１２に隣接する第１段の中性子吸収要
素１７ａは、その上端から例えば３５肩以内の領域を、
制御棒の設計、その使用態様によっては中性子吸収特性
を大きくしてスクラム特性を改善したり、逆に小さくし
て制御棒引抜に伴う炉出力の変動幅を減少させるように
したりすることができる。また、少なくとも前記第１段
の中性子吸収材１１７ａの中央タイロッド１４側の側縁
部およびその近傍の部位は、他部よりも中性子吸収特性
を大きくしておく。

ところで、長寿命型原子炉用制御棒１０においては先端
構造材１２は非常に多量の中性子照射を受け。

これによる脆性化のおそれがあるので、先端構造材を高
純度のステンレス鋼により構成し、脆性化の問題を緩和
するようにしている。また、先端構造材１２．末端構造
材１３およびこの末端構造材に取り付けられたスピード
リミッタ１９はできるだけ薄肉として軽量化しておく、
さらに、先端構造材１２の下部には補助ハンドルとして
使用される空隙２０が設けられている。この空隙を設け
た部位は制御棒の中性子吸収性能上、中性子吸収材を殆
ど必要としない部位であるから、中性子吸収特性を低下
させることなく制御棒の重量を軽減することができる。

一方、空隙２０上方部分の高速中性子照射量はハンドル
１１上部のそれの１７５〜１／３程度またはそれ以下で
あることが実験的に確かめられている。従って、高速中
性子照射による空隙２０上方部分の脆性化はハンドル１
１のそれの１７５〜１７３程度あるいはそれ以下とみて
よく、万一ハンドル１１が脆性化した場合には空隙２０
がバックアップの補助ハンドルとして有効に作用するこ
とができる。

また、シース１５内に装填される中性子吸収要素１７ａ
〜１７ｄは、第４図に中性子吸収要素１７ａにつき示す
ように、ウィング１６の幅方向に分割した分割片２１ａ
を、十字状断面で対向する２つの脚片をシース１５に貫
通させた複数のスポットスペーサ２２により支持させて
、シース１５の側壁内面と相補形状の対向する１組のハ
フニウム金属板２１　、２１を形成させる。なお、前記
シース１５を貫通する脚片にはリングスペーサ２２ａが
装着され、各ハフニウム金属板２１はシース１５内面か
ら浮かせて支持させられている。

スポットスペーサ２２は詳細を第５図のとおり。

スポットスペーサ２２がハフニウム金属板２１と接触し
ても、外部と減速材が連絡するような溝２２ｂが導入さ
れている。

一方、リングスペーサ２２ａは、詳細を第６図のとおり
リングスペーサ２２ａがハフニウム金属板２１または、
シース１５に接触しても、外部と減速材が連絡するよう
な溝２２ａｂが導入されている。

以上から、スポットスペーサ２２およびリングスペーサ
２２ａは、全面にねたリハフニウム金属板２１またはシ
ース１５に接触することはない。

また、２枚のハフニウム金属板２１の側縁先端間は僅か
に離間されている。前記スポットスペーサ２２は、中性
子吸収要素１７ａ内に減速材流路となる偏平な空間２３
を形成するとともに、中性子吸収要素１７ａの機械的強
度を向上させている。さらに、ハフニウム金属板２１と
シース内面との間には減速材流路となる偏平な空間２４
が形成されている。なお、ハフニウム金属板２１は０．
５■〜２．０園厚さの薄板とされている。

第７図は前記実施例の他の位置での横断面を示す図であ
る。この図において、スポットスペーサ２２がない位置
にはシース１５を貫通して、前記偏平な空間２４に連通
ずる減速材流入口２５が設けられている。なお、これ等
の減速材流入口２５は、原則としてウィング１６の両側
のものが対向するように設けられている。而して、減速
材は減速材流入口２５から偏平な空間２４に入り、ここ
からハフニウム金属板２１間の同じく偏平な空間２３内
に流れ込んで制御棒ウィング内を流通する。

以下、原子炉用制御棒の一般的な作用および前記本発明
原子炉用制御棒の作用につき説明する。

沸騰水型原子炉において、燃焼がある程度進んだ原子炉
炉心の軸方向核分裂性核種濃度分布は。

第８図に示す曲線Ａのようになる。而して１Ｍ子炉炉心
の燃焼管理は炉心を軸方向に４等分してなされるのが一
般であり、原子炉用制御棒ｌＯも軸方向に４等分するの
が好都合である。

すなわち、第８図の曲線Ａは次のようなことを示してい
る。まず、原子炉炉心軸長をＬとして、原子炉炉心の下
端（１７４以下）では燃焼時の燃焼の進行が遅れるため
、核分裂性核種の分布が大きくなっている。さらに、中
央部（２／４Ｌ）から上端にかけては１発生するボイド
によって中性子スペクトルの硬化現象が生じ、これによ
りプルトニウム生成反応が促進されるため、多くのボイ
ドが発生して熱中性子束が低下されるので、燃焼遅れが
生じ核分裂性核種の濃度分布が大きくなっている。

原子炉炉心に第８図の曲線Ａに示す核分裂性核種濃度分
布が存在する場合において、原子炉停止時の中性子増倍
率分布は第９図の曲線Ｂに示すようになる。中性子増倍
率が大きくなる程原子炉の停止余裕が小さく、未臨界度
が浅くなるものである。第９図の曲線Ｂにおいて、炉心
上端、下端で中性子増倍率が低下しているのは、中性子
の炉心上下端からの漏洩に基づくものである。

第１０図の曲ｍｃは本発明の原子炉用制御棒１０を使用
した場合の制御棒軸方向の中性子照射量分布を示す、こ
の図から原子炉用制御棒のごく限られた領域（通常先端
から約３０３程度）で中性子照射量が急激に上昇し、他
の部分では制御棒下端に向は中性子照射量が連続的且つ
滑らかに減少していることがわかる。

本発明の原子炉用制御棒１０は、第９図に示された中性
子増倍率分布、第１０図に示された中性子照射量分布に
対応して満足な制御効果が得られるように構成されてい
る。すなわち、ＪＪＫ子炉用制御制御Ｏの先端部（１／
牝の長さ、例えば９０〜９５ｃｍ程度）では、中性子増
倍率の上昇（炉停止余裕の低下）や、中性子照射量増大
により炉停止余裕が低下し易いことに対処するため、中
性子吸収要１１７ａを構成するハフニウム金属板２１の
厚さを他の中性子吸収要１１１７ｂ〜１７ｄのそれより
も大きくしである。

なお、中性子吸収要素１７ｂ〜１７ｄを構成するハフニ
ウム金属板の厚さも順次小さくなるようにしであること
は前記した通りである。特に、原子炉用制御棒１０の下
端（末端構造材１３上端）から１／４Ｌまでの下部領域
の中性子吸収特性は、その上方に隣接する１７牝から２
／４の領域より僅かに小さくされている。これは、中性
子照射量が第１０図の曲線Ｃに示すように前記下部領域
（下端から１７牝）において隣接する次位の領域（下端
から１７４〜ら２　／４Ｌ）よりかなり小さくなるもの
の、中性子増倍率は第９図の曲線Ｂに示すように比較的
大きくなることに対処するためである。

第１１図の曲線りは原子炉用制御棒のウィング幅方向の
中性子照射量分布を示す、この曲線りから中性子照射量
はウィング１６の外側すなわち側線において急激に高く
なり、内側すなわち中央タイロッド１４側では僅かに高
くなっていることがわかる。

これに対処するためには第１２図に示す曲線Ｅのように
制御棒の反応度効果のウィング幅方向分布を設定すれば
よい。

而して、各分割区分のハフニウム金属板２１の厚さはそ
の区分の中性子照射量分布に応じて設定する。つまり、
第１２図の曲線Ｅに示した反応度効果を持たせるとすれ
ば、ウィング１６の側縁近傍にあるハフニウム金属板２
１の厚さを他部にあるそれの厚さよりも大とすればよい
、なお、この実施例においてはハフニウム金属板２１は
シース１５の内面から浮かして支持され、それ等が大き
な面積で直接に接触することはないから、腐食等の問題
を生じることはない、また浮かして支持するためのスポ
ットスペーサ２２およびリングスペーサ２２ａには溝２
２ｂが十分に導入されており、これらスペーサが全面に
ねたリハフニウム金属板２１またはシース１５と接触せ
ず、これらの部位でも腐食等の問題を生じることはない
。

中性子吸収体を制御棒軸方向に複数の中性子吸収要素に
分割し、各中性子吸収要素を構成する中性子吸収材の板
の厚さを、その分割区分における中性子照射量に応じて
定めであるだけでなく、幅方向にも分割して各幅方向分
割区分の板厚を分割区分毎の中性子照射量に応じて定め
であるから。

各中性子吸収要素の核的寿命をほぼ等しくすることがで
き、放射性廃棄物の量を徒に増大させるおそれはない。

また、上記のように中性子吸収材の板の厚さを定めてい
るので、制御棒の重量を一層軽減することができ、通常
の制御棒用に設計された制御棒駆動機構をそのまま使用
することができる。

さらに、中性子吸収要素を構成する２枚の対向した中性
子吸収材の板の間を冷却材流路としであるため、反応度
が向上されている。この面からも中性子吸収材の量を低
減させることができ、制御棒重量の削減が図られる。

〔発明の効果〕

上記から明らかなように本発明の原子炉用制御棒におい
ては、中性子吸収体を構成するハフニウム金属板をスポ
ットスペーサにより間隔を保持して対向させ、しかもそ
れ等の金属板とシース内面との間隔をリングスペーサに
よって保持させているから、ハフニウム金属板同士の接
触またはハフニウム金属板とシース内面との接触等を生
じることなく、減速材流路の確保は勿論良好になされ。

また狭い間隙、広い面積でのハフニウム金属板とシース
内面との接触も完全に防止されるのでこれ等両者の腐食
を生じることもない。

更に上記スポットスペーサとリングスペーサは十分な溝
が導入され、溝の中は減速材が外部と連絡しているため
減速材流路となっており、これらスペーサとハフニウム
金属板あるいはシースの部分接触部でも腐食の防止がな
される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の斜視図、第２図は第１図の内
部を模式的に示す正面図、第３図は本発明にかかり軸方
向反応度分布を示す線図、第４図は本発明にかかり第１
図ＩＶ−ＩＶ線における断面図。 第５図は本発明にかかるスポットスペーサの斜視図、第
６図は本発明にかかるリングスペーサの斜視図、第７図
は本発明にかかり第１図ｖ−■線における断面図、第８
図は本発明にかかる原子炉炉心の炉心軸方向核分裂性核
種濃度分布を示す線図、第９図は本発明にかかる炉心軸
方向中性子増倍率分布を示す線図、第１０図は本発明に
かかる炉心軸方向中性子照射量分布を示す線図、第１１
図は本発明にかかる制御棒ウィング幅方向中性子照射量
分布を示す線図、第１２図は本発明にかかるウィング幅
方向中性子照射量分布に対処するために必要なウィング
の幅方向反応度分布を示す線図である。 １０・・・原子炉用制御棒　　１１・・・ハンドル１２
・・・先端構造材　　１３・・・末端構造材１４・・・
中央タイロッド　　１５・・・シース１６・・・ウィン
グ　　１７・・・長寿命型中性子吸収体１７ａ〜１７ｄ
・・・中性子吸収要素 １８・・・中性子吸収要素支持片 １９・・・スピードリミッタ　　２０・・・空隙２１・
・・ハフニウム金属板　　２１ａ・・・分割片２２・・
・スポットスペーサ　２２ａ・・・リングスペーサ２２
ｂ・・・溝　　　２３，２４・・・空間（流速材流路）
２５・・・減速材流入口 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 第２図　　　　第３２ 第６図 第８図 第９図 □　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　−一一−ウィング内側
　　　　　　　　　　　　　　　　ウィング外側−ｍ−
−一−１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 先端構造材および末端構造材を連結する断面十字状の中
   央タイロッドと、この中央タイロッドの各突出脚に深い
   Ｕ字状のシースをその開口部において取り付けて構成し
   たウィングと、各ウィング内に装填した長寿命型中性子
   吸収体とを有し、前記長寿命型中性子吸収体を制御棒軸
   方向およびウィング幅方向に複数の区分に分割し、各区
   分内の中性子吸収要素の中性子吸収特性をその区分にお
   ける中性子照射量に応じて定めたものにおいて、前記各
   区分の中性子吸収要素を構成する対向するハフニウム金
   属板を、十字状断面で対向する脚片を前記シースに貫通
   させたスポットスペーサにより間隔を保持させ、ハフニ
   ウム金属板と前記シース内面とは前記脚片に装着したリ
   ングスペーサにより離間し、かつスポットスペーサとリ
   ングスペーサに溝を導入することにより、全体に耐食性
   を向上させたことを特徴とする原子炉用制御棒。