JPH02201292A - 加圧水型原子炉用制御棒 - 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】 ［ａ業上の利用分野］ この発明は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の制御棒に係り、
更に詳細には、中性子吸収体の構造を改良し、中性子吸
収体のスウェリングによる被覆管の割れを防止するＰＷ
Ｒ用制御棒に関するものである。

［従来の技術］ 第４図には、従来から知られるＰＷＲ用制御棒クラスタ
（ＲＣＣ）の概略構成が示されている。

図において、全体を符号３０で示されるＲＣＣは、１６
〜２４本の制御棒２０をスパイダー継手３１に取付けて
一体的に構成したものである。ここで、スパイダー継手
３１と制御棒２０との取付けは、図の如くスパイダー継
手３１のベーン３２に備わるフィンガー３３に、制御棒
２０の上部端栓２１を取付けることにより行なわれる。

また各制御棒２０は第５図に示される如く、ステンレス
鋼からなる被覆管２２に、銀−インジウム−カドミウム
合金（通常は銀（Ａｇ）：８０％、インジウム（Ｉｎ）
：１５％、カドミウム（Ｃｄ）：５％）からなる中実の
棒状の中性子吸収体２３を装填してなるものである。こ
の中実の吸収体２３の設計例としては、吸収体半径４．
２７ｍｍ、吸収体軸方向全要約３．７ｍのものが知られ
ている。

なお、第５図中、２４は下部端栓、２５はブレナムスプ
リングである。

上記のように構成されたＲＣＣ３０は、通常運転時には
炉心上方へ引抜かれ、一部のＲＣＣ３０の制御棒２０の
先端部のみが炉心に挿入された状態にある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記のように構成されたＲＣＣ３０において、中性子吸
収体２３をなすＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金は、その主目的た
る中性子吸収により体積膨張いわゆるスウェリングを起
す。

一方、ステンレス鋼からなる被覆管２２は、ＰＷＨの一
次系冷却材の圧力（約１５７Ｋｇ／ｃｍ２Ｇ）と被覆管
内圧力との圧力差によるクリープダウン及び中性子照射
により外径が徐々に小さくなる。

この結果、ＲＣＣ３０を長期間使用すると制御棒２０の
被覆管２２内壁と吸収体２３外周とが接触し、被覆管２
２に周方向引張歪を生じる。しかも被覆管２２をなすス
テンレス鋼は、中性子照射により延性が低下しているた
め、しばしば被覆管２２に割れを生じる場合があった。

特に従来の制御棒２０は、吸収体２３が軸方向の全長に
亘って中実となっている点が上記の割れの要因となって
いる。すなわち、吸収体２３が中実であると、被覆管２
２内壁と吸収体２３外周との接触後は、吸収体スウェリ
ング量を吸収する部分が存在しないことになる。そのた
め接触圧は〜３００　Ｋ　ｇ　／　ｃｍ２程度の高い値
となってしまう。

この発明は上記従来技術の有する問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、吸収体のスウ
ェリングによる被覆管周方向引張歪を低減して、被覆管
の割れを防止することが可能なＰＷＲ用制御棒を提供す
ることである。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る加圧水型原子
炉用制御棒は、ステンレス鋼の被覆管内に、銀−インジ
ウム−カドミウム合金の棒状の中性子吸収体を装填して
なる制御棒において、前記中性子吸収体の軸方向の一部
または全部を、中空の筒状体に形成したものである。

この場合、好ましくは、前記棒状の中性子吸収体を、制
御棒の軸方向上部側にあっては中実、軸方向下部側にあ
っては中空とするとよい。

［作用］ Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金のスウェリングは主としてＡｇ及
びＩｎの中性子吸収による組成変化により引き起こされ
る。

なお、一般に金属が高速中性子により照射された場合は
格子欠陥を生じるが、ここで問題とするＡｇ−Ｉｎ−Ｃ
ｄ合金においては、 （１）ＰＷＲの運転温度（炉心入口温度約２９００　、
出口温度的３２０Ｃ”）がＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金の再結
晶温度（約２７５Ｃ”）より高い。

（２）Ａｇ、ｒ　ｎ、ｃｄの高速中性子吸収断面積が小
さい。

の二点により、スウェリングは主に熱中性子照射量に依
存すると考えられる。そこで以下の説明においては、高
速中性子照射については考慮しないものとする。

第２図のグラフには、ＰＷＲにおける吸収体半径方向の
熱中性子束分布の計算結果の一例が示されている。この
グラフの横軸は吸収体表面から吸収体中心へ向った距離
であり、０が表面、１が中心である（燃料集合体は１７
Ｘ１７型、吸収体半径４．２７ｍｍ）、縦軸は冷却材中
の熱中性子束を１とした場合の各半径位置における熱中
性子束の相対値である。

このグラフから明らかなように、熱中性子束は吸収体自
身の遮蔽により吸収体内部ではかなり小さくなっている
。この点に着目すると、吸収体形状を中実に代えて中空
の筒状とすることにより、制御能力に大きな影響を与え
ることなく、吸収体のスウェリングによる体積増加を吸
収できる、すなわち吸収体の被覆管への接触圧を低減で
きることが解る。

なお、吸収体は必ずしも軸方向の全長に亘って中空に形
成する必要はなく、炉心に挿入される時間が長い、すな
わち中性子の積算照射量が比較的高くスウェリングを生
じ易い先端部のみを中空に形成するようにしてもよい。

この場合、中空部分は掻く一部であるから、中空化に伴
うＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金の容量不足による弊害も防止で
きる。

本発明の特徴と利点を一層明確にするために、好ましい
実施例について添付図面とともに説明すれば以下の通り
である。

［実施例］ 第１図には本発明の一実施例に係る制御棒２０の構成例
が示されている。なお、上記従来技術と同様の符号を付
したものは同様の構成要素を示し、その説明は省略する
。

全体を符号１０で示される制御棒２０において、Ａｇ−
Ｉｎ−Ｃｄ合金からなる棒状の中性子吸収体は、その軸
方向全要約３．７ｍのうち軸方向下部的２５ｃｍの領域
を占める下部吸収体（中空吸収体）１１ａと、他の領域
を占める上部吸収体１１ｂ（中実吸収体）とから構成さ
れている。

ここで中実吸収体ｔｔｂは従来の吸収体２３と同様に半
径４．２７ｍｍで中実であるが、中空吸収体１１ａは図
示の如く内部に空＠ｓを有しており、外半径４．２７ｍ
ｍ、内半径２．５６ｍｍの中空の筒状体に形成されてい
る。

次に、この中空吸収体１１ａのスウェリングに伴う被覆
管２２への接触圧について説明する。なお、以下の説明
で引用する文献については、本欄の末尾にまとめて示す
。

文献１に示された米国における照射後試験結果によれば
、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金の体積スウェリング率（すなわ
ち体積増加率△Ｖ／Ｖ　（％））は、２．６Ｘ１０”個
／　ｃ　ｍ　２の中性子照射量に対して、０．７〜１．
２％と報告されている。

これによりＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金の体積スウェリング率
は、積算照射量φ１に対して、△Ｖ／Ｖ＝３．　ｏｘ　
１０−”　φｔ　　　　（１，１）（但し、中性子のエ
ネルギーＥ＜１．８５ｅＶ）となり、ＰＷＲの標準的熱
中性子束に対しては、△Ｖ／Ｖ＝５．８７Ｘ１０−’ｈ
ｒ−”　　（１，２）となる。これを直径変化率に換算
すると、△ｒ／ｒ＝１．９６Ｘ１０−’ｈｒ−’　　（
１，３）を得る。

また、文献２によれば、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金のクリー
プ率とクリープストレスの関係は第３図に示すようにな
っており、クリープストレス〜ｉ　Ｋｓ　ｉ　（０ニア
Ｋｇ／ｍｍ”　）程度では、クリープ率は少なくとも ２Ｘ１０−’ｈｒ−冨 以上であることが解る。なお、第３図は縦軸がクリープ
ストレスで、横軸がクリープ率である。

一方、外圧を受ける円筒のクリープは、σ、＝０ （２，４） 但し、 Ｐ：接触圧 ｒＱ、ｒｌ：円筒の外径、内径 ’　ｒ　＊　Ｏｅ　＊　０２　：径方向１周方向、軸方
向るＯ　：応力 癒、二周方向歪速度 εｇ：相当歪速度 ａｌ：相当応力 で与えられる。

ここで、ｒＯ＋ｒｌに中空吸収体１１ａの値を代入する
と、 ｒ、＝２．５６Ｘ２ ＝５．１２ ＝　（４，２７Ｘ２）Ｘｏ、６ ＝０．　６　ｒｏ　　　　　　　　　　　（２，６）を
得る。これを（２，２）　、　（２，３）式に代入し、
（２，１）。

（２，５）式より周方向歪速度ｔｏ、相当応力σ、を求
めると、 乙、＝０．９９　　癒、 （２，７） σ、＝１　・　６２　ｐ　　　　　　　　　　　　　　
（２，８）を得る６ 従って、周方向歪速度４Ｇが、（１，３）式よりとθ＝
△ｒ／ｒ ＝１．９６Ｘ１０−’ｈｒ−’ の時、相当歪速度ｔヨは（２，７）式より、ｔ、＝２Ｘ
　１０−’ｈ　ｒ−’ である。この相当歪速度癒、をもたらす相当応力ａ５は
、上記文献２のデータ（第３図）により、σ、≦１ｋｓ
ｉ となる、この時の接触圧Ｐは（２，８）式より、Ｐ、＜
６１６ｐｓ　ｉ　（〜ｏ、２Ｋｇ／ｍｍ２）（２，９） となり、ＰＷＨの一次系冷却材の圧力よりも低くなる。

従って、中空の中空吸収体１１ａは被覆管２２に起因す
る外圧クリープには勝てず、結果的に被覆管２２にも周
方向引張応力は生じない。

なお、上記実施例における中空吸収体１１ａを形成する
領域は、スウェリングによる体積増加を生じ易い先端部
約２５ｃｍの領域としたが、本発明はこれに限定される
ものではない。

狙Ｕ献 文献１−　　・−ＩＲＲＡＤＩＡＴＩ（ＩＮ　ＩＩＥ）
ＩＡＶＩＯＲ０ＦＰＲＥＳＳＵＲＩＺＥＤ　　ＲＥＡＣ
ＴＯＲＣ０ＮＴＯＲＯＬ　　ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ”Ｎｕ
ｃｌｅａｒ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ＶＯＬ、８２　
　Ｊｕｌｙ　　１９８３）文献２−　・−−・ＥＰＲＩ
（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈＩ
ｎｓｔｉｔｕｔｅ　；米国電力研究所）ＮＰ−１９７２
：”　　Ｃｏｎｔａｒｏｌ　　Ｒｏｄ　　Ｍａｔｅｒｊ
ａｌｓ　　ａｎｄ　　８ｕｒｎａｂｌｅＰｏｉｓｏｎｓ
　　　　、　　　Ａｎ　　Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　　ｏ
ｆ　　ｔｈｅ　　５ｔａｔｅ　　ｏｆｔｈｅ　　Ａｒｔ
　　ａｎｄ　　Ｎｅｅｄ　　ｆｏｒ　　Ｔｅｃｈｎｏｌ
ｏｇｙ　　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ。

ＪｕｌＶ　　１９８０） ［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係るＰＷＲ用制御棒によれ
ば、中空の筒状の中性子吸収体を採用したことにより、
吸収体のスウェリングによる被覆管周方向引張応力を低
減または圧縮応力にすることができる。従って、被覆管
の割れを防止できるという効果がある。

なお、各図中、同一符号は同一または相当部を示す。

代　理　人　弁理士　佐　藤　正　年

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のＰＷＲ用制御棒の構造を示す縦断面図
、３４２図はＰＷＲにおける吸収体半径方向の熱中性子
束分布の計算結果の一例を示す線図、第３図はＡｇ−Ｉ
ｎ−Ｃｄ合金のクリープ率とクリープストレスとの関係
を示す線図、第４図はＲＣＣの概略構成図、第５図は従
来のＰＷＲ用制御棒の構造を示す縦断面図である。 １０　・ １ａ １ｂ ２２　・ ［主要部の符号の説明］ ・制御棒 ・・・中空中性子吸収体 ・・・中実中性子吸収体 ・被覆管 第 図 １１ａ；中空中性子吸収体 １１ｂ、中実中性子吸収体 クリープストレス １０００）　、　ｐｓｉ 第 図 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ステンレス鋼の被覆管内に、銀−インジウム−カ
   ドミウム合金の棒状の中性子吸収体を装填してなる制御
   棒において、 前記中性子吸収体の軸方向の一部または全部を、中空の
   筒状体に形成してなることを特徴とする加圧水型原子炉
   用制御棒。
2. （２）前記棒状の中性子吸収体が、制御棒の軸方向上部
   側にあっては中実、軸方向下部側にあつては中空とされ
   ていることを特徴とする請求項１記載の加圧水型原子炉
   用制御棒。