JPH02236198A - 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》 この発明は、板状の長寿命型中性子吸収体を間隙を設け
て対向配置させて構成された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、中央タイロッドの各
端部に、このタイロッドの長手方向に延びる断面Ｕ字状
シースを固着し、このシース内に多数の中性子吸収棒を
装填して構成されている。

中央タイロッドの各端部に固着されたシースによってウ
ィングが構成される。また、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ざれる。充填された
Ｂ４Ｃは原子炉内において中性子を吸収して中性子吸収
能力が次第に失われる。

ところで、原子炉の炉心に挿入または抜出される制御棒
はその全領域に亘って一様な中性子照射を受けるもので
はなく、例えばウィングの側縁領域または上端領域が強
度の中性子線を受ける。このため、各ウィングの側縁お
よび上端領域に配設した中性子吸収棒は、多聞の中性子
を吸収し、他領域の中性子吸収棒より早期に核的寿命を
終える。

したがって、他の領域に配設された中性子吸収棒が核的
寿命を残しているにも拘らずｆｉｌ＋御棒を廃棄しなけ
ればならない不経済性があった。

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体を部分的に配置した原
子炉用制御棒が本出願人によって開発され、特開昭５３
−７４６９７号公報に間示されている。この原子炉用制
御棒は、通常型の制御棒に較べ２倍程度の寿命が確保さ
れる。

その後、原子炉の高燃焼度運転、長ｍ連続運転への移行
が希求され、制御捧の長寿命化に対する要請も一段と高
まったことに応えて、本出願人は特願昭６１−７８７４
６号明ｍ古に記載したように飛躍的に寿命を延伸できる
長寿命タイプの原子炉用制御棒を開発した。

この原子炉用制御棒は中性子吸収材としてＢ４Ｃを使用
せず、長寿命を有するハフニウム金属板等の金属中性子
吸収板をシース内に対向して配設した構造を有している
。具体的な構成は第７図および第８図に示す。すなわち
、末端構造材１とハンドル２を備えた先端構造材３とが
、横断面十字状の中央タイロツド５によって長手方向に
一体的に接合される。中央タイロツド５の各突出部には
Ｕ字状横断面を有するステンレス鋼製のシース６が長手
方向に対し垂直に固設されてウィング７が形成される。

上記シース６内にはハフニウム（Ｈｆ）金属板等を代表
とする板状の長寿命型中性子吸収休８が収容される。

この中性子吸収体８は、中央タイロツド５の軸方向に配
置された複数の中性子吸収要素８ａから成る。各中性子
吸収要素８ａは第８図に示すように例えば２枚の中性子
吸収板８ｂで構成される。

これらの中性子吸収板８ｂはウィング７の肉厚方向に対
向して配設され、複数のスペーサ９を介して一体的に接
合される。

２枚の中性子吸収板８ｂの間には、減速材（例えば炉水
）が流通するための間隙１０が形成される。

また、シース６には、炉水をシース６内に流出入させる
ための通水孔１１が多数穿設される。

このハフニウム板トラップ型の原子炉用制御棒において
、上記間１１０を形成するのは次の理由による。つまり
、ハフニウムは中性子吸収能力がＢ４Ｃと比較してやや
劣り、また比重が大きいため、従来の制御棒と同等の中
性子吸収機能を確保するためには、厚いハフニウム板を
装着する必要がある。そのため、制御棒の重量が大幅に
増加し、荷重設計の変更を必要とする。そこで、シース
６内に対向して配設されるハフニウム製の中性子吸収板
８ｂの間に減速材である水を流通せしめる間隙１０を形
成し、減速材による中性子減速効果を利用して制御棒の
反応度価値を向上させ、ハフニウム板の厚さを低減する
ためである。

このため、ハフニウム板］・ラップ型制御棒の総重吊を
抑制でき、この制御棒を従来の！１１御棒駆動機構に採
用することが可能となる。

ちなみに、この原子炉用Ｉ１御棒の実物大模型（モツク
アップ）を組み込んだ臨界実験装置を使用して、反応度
価値を確認した結果、間隙１０の幅が広いほどυ１御棒
の反応度価値が上昇することが実証された。すなわち、
間隙１０の幅を拡大する程、ハフニウム板の板厚を低減
することができ、制御棒の全重２を低減できる。

ところで、上述のようなハフニウム板トラップ型の原子
炉用制御棒は、原子炉運転中に原子炉炉心に全長の大部
分を挿入して原子炉の出力分布および反応度を制御する
運転中制御と、原子炉停止中に充分大きな反応度価値を
有し、原子炉を充分未臨界に保持する機能とが課せられ
ている。原子炉停止中に大きな反応度価値を有すれば、
原子炉運転中にも大きな反応度価値を有し、その結果、
原子炉運転中に制御棒周りの燃料物の中性子束が大幅に
低下する。

（発明が解決しようとする問題点） 上述のように原子炉運転中に制御棒周りの燃料部の中性
子束が大幅に低下すると、制御棒から離れた燃料部に較
べ、燃料の燃焼が遅れることになる。その結宋、ｆＪＩ
　ｔｉｌｌ棒周りの燃料部において、残留核分裂性物質
の濃度が他の部分に較べて相対的に高くなる。このため
、制御棒を引抜くと、この制御棒周りの燃料部において
大きな出力ビーキングが発生し、燃料の健全性上不利と
なる。このような現象は“制御棒ヒストリー”あるいは
“ブレードヒストリー”と呼ばれており、原子炉運転に
際し大きな制限条件の１つとなっている。

この発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり
、原子炉停止中には充分大きな反応度価値を有して原子
炉の未臨界を確保し、原子炉運転中には反応度価値を低
減して燃料のブレードヒストリー現像を緩和できる原子
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） この発明は、先端構造材と末端構造材とを用いて複数の
ウィングが一体に結合され、各ウィングに板状の中性子
吸収材が間隙を設けて対向配置された原子炉用制御棒に
おいて、上記中性子吸収材の少なくとも一部が長寿命型
中性子吸収材で構成され、この長寿命型中性子吸収材に
は、原子炉運転中に上記問隙内で発生した気泡を充分排
出し得ない大きさの微小通気孔が穿設されたことを特徴
とするものである。

（作用） したがって、この発明に係る原子炉用制御棒によれば、
原子炉停止中には上記間隙内が炉水で満され、原子炉制
御棒の反応度価値は充分大きくなる。

一方、原子炉運転中に原子炉用制御棒が炉心に深くある
いは浅く挿入された場合には、長寿命型中性子吸収材が
中性子吸収およびガンマ線吸収によって発熱し、この熱
により間隙内に気泡が発生する。この気泡は微小通気孔
から充分排出し得ないことから、間隙の所定範囲が気泡
で満され、間隙内の炉水が大部分排除される。この結果
、この所定範囲において原子炉用制御棒の反応度価値が
低下し、この原子炉用制御棒周りの燃料部における中性
子束の過度の低下を抑制でき、この原子炉用制御棒引抜
き時におけるブレードヒストリー現象を緩和し、回避で
きる。

（実施例） 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図（Ａ）はこの発明に係る原子炉用制御棒の第１実
施例のウィングにおける第１図（Ｂ），（Ｃ）のＩＡ−
ＩＡ線に沿う縦断面図、第１図（Ｂ），（Ｃ）は第１図
（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線、ＩＣ−ＩＣ線にそれぞれ沿う横
断面図である。この第１実施例において、前記第７図お
よび第８図に示す従来例と同様部分は、同一の符号を付
すことにより説明を省略する。

各中性子吸収板８ｂはハフニウム金属板あるいはハフニ
ウム合金（ハフニウムとジルコニウム（Ｚｒ）との合金
またはハフニウムとチタン（Ｔ）との合金）板から構成
される。これらの中性子吸収板８ｂは、挿入先端側つま
り先端栴造拐３側に配置されるもの稈厚肉に形成されて
、原子炉用−り御棒の長寿命化および反応度価値の向上
が確保される。

中性子吸収要素８ａの配設された制御棒有効部においで
、挿入端からこの有効部の約１／４長部分に仕切り１２
が設置される。この仕切り１２は、中性子吸収板８ｂに
おいてタイ０ツド５例の半領域に固着される。また、こ
の仕切り１２は、ハフニウムあるいはハフニウム合金で
構成され、断面コ字形状を有する。したがって、この仕
切り１２により、制御棒有効部の挿入先端部タイロツド
５側に、略箱形形状の空間１３が形成される。

この空間１３に対応する中性子吸収板８ｂの上部に微小
通気孔１４が形成される。中性子吸収板８ｂには、通水
孔１１に対応する位置に通水孔１５が多数形成される。

この通水孔１５は、空間１３に対応する中性子吸収板８
ｂの下部にも形成される。これら通水孔１５は、開口面
積が微小通気孔１４に較べて極めて大きく、中性子吸収
板８ｂの外方から間隙１０の内部へ炉水が容易に流出入
可能となるよう設けられる。一方、微小通気孔１４は、
原子炉運転中に上記空間１３内に発生した気泡が充分排
除し得ない大きさに形成される。

次に、これら空間１３および微小通気孔１４の機能を説
明する。

原子炉の高出力運転中に、原子炉用制御棒の空間１３形
成部分が原子炉の炉心に挿入されている場合を述べる。

中性子吸収板８ｂおよび仕切り１２は中性子やガンマ線
を吸収して発熱するので、間隙１０および空間１３内の
炉水が加熱され、気泡も活発に発生する。このうち、空
間１３内で発生した気泡は、微小通気孔１４の開口面積
が小さく、気泡を充分排出し得ないので、空間１３内は
やがて気泡で満される。空間１３内が気泡で充満される
と、空間１３内における中性子減速効果が低下し、中性
子の吸収が殆ど無くなるので、原子炉用制御棒における
空間１３対応部分の反応度価値が低下する。この結果、
原子炉用制御棒を取り囲む燃料部において中性子束が過
度に低下せず、したがって、この原子炉用制御棒を炉心
に入れたまま原子炉を高出力で運転しても、ブレードヒ
ストリー現象を緩和することができる。

一般に、沸騰水型原子炉の４本の燃料集合体に取り囲ま
れた原子炉用制御棒では、タイロツドの近傍で中性子束
が特に低下する傾向にある。したがって、中性子吸収板
８ｂのタイロツド側に仕切り１２を設置して空間１３を
形成することにより、原子炉運転中に、原子炉用制御棒
の挿入端部でタイロット５側部分の反応度価値が低下し
、中性子束の低下を抑制できるので、効果的にブレード
ヒストリーを緩和できる。

一方、原子炉停止中には、中性子束レベルやガンマ線レ
ベルが原子炉運転中に較べ著しく低下するので、中性子
吸収板８ｂおよび仕切り１２は遅発ガンマ線により僅か
に発熱する程度である。したがって、間隙１０および空
間１３内に気泡が発生することがない。特に、空間１３
内においては、残存の気泡が微小通気孔１４から排出さ
れ、水も空間１３内を緩やかに流れる。したがって、空
間１３内は水で満され、この空間１３および間隙１０内
の水によって、中性子吸収板８ｂおよび仕切り１２は間
隙１０および空間１３側からも中性子を吸収できるよう
になり、反応度価値が向上する。

この結果、原子炉停止中に原子炉の未臨界度を確保でき
る。

ここで、反応度価値と空間１３内の気泡充填率との関係
を第２図に示す。

一般に、沸騰水型原子炉の原子炉用ＩＪ　Ｉｌｌ棒では
、構造上ウィング７の厚さが１０ｍ以内に設定される。

したがって、この範囲内では、空間１３内における水素
原子の密度の低下によって、反応度価値の相対値（Δρ
／ρ）が直線的に減少する。なお、ρは反応度価値を、
Δρは水素原子の密度の低下による反応度価値の変化量
をそれぞれ示す。

また、沸騰水型原子炉における原子炉用制御棒の軸方向
の反応度価値は、第３図（Ａ＞に示すように、原子炉停
止中にはａｉｌＪ御棒有効部の挿入端側を大きくして（
破線）、炉心上部における未臨界度を確保し、原子炉運
転中には制御棒有効部の軸方向において均一にして（実
線）、ブレードヒストリーを軽減する必要がある。

上記第１実施例によれば、制御棒有効部の挿入端側でυ
１１１ｌ棒有効部分の約１７４において、原子炉停止時
に反応度価値が大きくなり（第３図（Ｂ）の破線》、原
子炉運転中に反応度価値が低下している（第３図（８）
の実線）。これらによって、原子炉運転中には原子炉用
制御棒周りの燃料部の中性子束を過度に減少させること
がなく、ブレードヒストリーを緩和できる。また、原子
炉停止中には、原子炉用制御棒の反応度価値が向上し、
原子炉の未臨界度を確保できる。

第１実施例では、上記効果の他に次の各効果も有する。

つまり、中性子吸収板８ｂおよび仕切り１２がハフニウ
ムあるいはハフニウム合金で構成されたので、原子炉用
制御棒の長寿命化を図ることができる。また、中性子吸
収板８ｂを板状とし、これらを間隙１０を設けて対向配
置し、間隙１０内に炉水を導くようにしたので、反応度
価値の低下を防止しつつ軽固化を達成でき、その結果、
従来の既設の制御棒駆動機構を使用できる。　第４図（
Ａ）はこの発明に係る原子炉用制御棒の第２実施例を示
す正面図、第４図（Ｂ）．（Ｃ）は第４図（Ａ）のＩＶ
Ｂ−ＩＶＢ線、第４図（Ｂ）の■Ｃ−ＩＶＣ線に沿う断
面図である。

この原子炉用制御棒では、断面十字形状の先端構造材２
１および末端構造材２２の対応する端部間が、２枚の細
長い中性子吸収板２３によって接合されて各ウィング２
４が構成される。この２枚の中性子吸収板２３は対向配
置される。したがって、これらの中性子吸収板２３によ
り、長手方向に延びる間隙２５が形成される。各ウィン
グ２４の両側縁には、中性子吸収板２３と同程度の長さ
を有する閉塞材２６．２７がそれぞれ固着される。

上記中性子吸収板２３および閉塞材２６．２７は、ハフ
ニウムあるいはハフニウム合金から構成される。このう
ち、閉塞材２６は断面積が大きく、大量の中性子照射聞
に対処し得るよう設けられる。

また、先端構造材２１はハフニウムを若干含むジルコニ
ウム材により構成され、この先端構造材２１に中性子吸
収板２３が溶接により接合される。

また、原子炉用制御棒の中心部側には、長手方向に複数
個の結合部材２８が配置される。この結合部材２８によ
って、各ウィングが制御棒の中心部側において互いに固
定される。したがって、各結合部材２８間は水の流路２
９とされる。この流路２９内の炉水により、原子炉用制
御棒の中心部においても中性子が減速されて熱中性子が
発生し、ブレードヒストリー現象が緩和される。

また、各ウィング２４を構成する中性子吸収板２３には
、制御棒有効部３０全長の約１／３〜１／４の部分（挿
入端側部分）を除いて、通水孔３１が多数開口される。

この通水孔３１は直径約１０Ｍであり、間隙２５内に炉
水を流出入させるものである。また、中性子吸収板２３
において通水孔３１が形成されない挿入端側には、その
最上部に微小通気孔３２が穿設される。この微小通気孔
３２は、原子炉運転中に挿入先端側間隙２５内で発生し
た気泡を充分排除し得ない大きさに設定される。

したがって、原子炉運転中にこの原子炉用制御棒を炉心
に挿入していると、間ａＩ２５内に気泡が発生する。こ
のうち、挿入端側の間隙２５では、発生した気泡の殆ど
が微小通気孔３２から排出されないので、気泡で満され
る。このため、制御棒挿入先端における反応度価値が低
下し、ブレードヒストリーを回避できる。

一方、原子炉用制御棒の挿入先ｔａ側を除く他の部分で
は、比較的大きな通水孔から炉水および発生した気泡が
流出入するので、常に炉水で満されることになる。した
がって、この部分では反応度価値が低下しない。

一方、原子炉停止中には、間隙２５内で気泡の発生量が
極めて少ないので、間隙２５の全領域が炉水となり、原
子炉用ｉＩ１１ｍ棒の反応度価値を充分大きくできる。

これらのことから、この第２実施例においても、第１実
施例と同様の効果を奏する。

第５図は前記第１実施例の変形例を示す断面図である。

この変形例において、第１実施例と同様な部分は同一の
符号を付す。この変形例では、中性子吸収板８ｂが先端
構造材３１に懸架された構造である。

第６図は第２実施例の変形例を示す。この変形例におい
て、前記第２実施例と同様な部分は同一の符号を付す。

この変形例では、ｔＩＩＩ　ＩＩＩ棒有効部３０におい
て挿入先端側から有効部３０全長の約１７２〜１／４を
残し、他を大反応度型中性子吸収体４１としている。こ
の大反応度型中性子吸収体４１は、板状の長寿命型中性
子吸収板（ハフニウムおよびジルコニウム合金）の内部
にボロンカーバイド４２を充填して構成される。この変
形例においても、中性子吸収板２３に微小通気孔３２が
形成されるため、原子炉運転中に間隙２５内が気泡で満
され、反応度価値が低下する。また、原子炉停止中には
微小通気孔３２から気泡が抜けるので、間隙２５内が炉
水で満され、反応度価値が大きくなる。

また、この変形例では先端構造材２４がジルコニウム製
であるが、ハフニウムとジルコニウムは全率固溶型の合
金を作る特質を有しているので、中性子吸収板２３とこ
の先端構造材とを溶接により固着できる。

なお、第６図の構成のウィング２４をそのままシースで
覆って、シースを備えたウィングとしてもよい。また、
上記各実施例および各変形例では、原子炉用制御棒が十
字形状の場合を述べたが、クラスタ型の原子炉用制御棒
にも適用できる。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明に係る原子炉用制御棒によれば
、間隙を設けて対向配置された中性子吸収材の少なくと
も一部が長寿命型中性子吸収材で構成され、この長寿命
型中性子吸収材には、原子炉運転中に上記間隙内で発生
した気泡を充分排除し得ない大きさの微小通気孔が穿設
されたことから、原子炉停止中には充分大きな反応度価
値を有して原子炉の未臨界度を確保でき、原子炉運転中
には反応度価値を低減して燃料のブレードヒストリー現
象を緩和できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）はこの発明に係る原子炉用制御棒の第１実
施例のウィングにおける第１図（Ｂ），（Ｃ）のＩＡ−
ＩＡ線に沿う縦断面図、第１図（Ｂ）．（Ｃ）は第１図
（Ａ）のＩＢ−ＩＢ線、ＩＣ−ＩＣ線にそれぞれ沿う横
断面図、第２図は第１実施例において反応度価値と空間
内の気泡充填率との関係を示すグラフ、第３図（Ａ＞お
よび（Ｂ）は制御棒有効部の軸方向における必要な反応
度価値と実際の反応度価値とをそれぞれ示すグラフ、第
４図（Ａ）はこの発明に係る原子炉用制御棒の第２実施
例を示す正面図、第４図（Ｂ），（Ｃ）は第４図（Ａ）
のｒＶＢ−ＩＶＢ線、第４図（Ｂ）のＩＶＣ−ＩＶＣ線
にそれぞれ沿う断面図、第５図は上記第１実施例の変形
例を示す断面図、第６図は上記第２実施例の変形例を示
す断面図、第７図は従来の原子炉用制御棒を示す斜視図
、第８図は第７図の■−■線に沿う断面図である。 １・・・末端構造材、３・・・先端構造材、７・・・ウ
ィング、８・・・長寿命型中性子吸収材、８ａ・・・中
性子吸収要素、８ｂ・・・中性子吸収板、１０・・・間
隙、１２・・・仕切り、１３・・・空間、１４・・・微
小通気孔。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久聞収側９壇（霧
荻壇） （Ｃ） 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 先端構造材と末端構造材とを用いて複数のウィングが一
   体に結合され、各ウィングに板状の中性子吸収材が間隙
   を設けて対向配置された原子炉用制御棒において、上記
   中性子吸収材の少なくとも一部が長寿命型中性子吸収材
   で構成され、この長寿命型中性子吸収材には、原子炉運
   転中に上記間隙内で発生した気泡を充分排出し得ない大
   きさの微小通気孔が穿設されたことを特徴とする原子炉
   用制御棒。