JPH022984A - 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） 本発明は原子炉用制御棒に係り、特に沸騰水型原子炉等
の軽水炉の炉出力を制御する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
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（Ｂ、Ｃ）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））π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課題） 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
１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、原子炉制御棒の交換頻度が
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消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構造を
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〃ｘ子炉停止余裕が低下する可
能性がある。

すなねち、上記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、具本的に
は第７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／牝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２３５
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、プルトニウム生成反応（中性子吸収反応）が
促進されるため、原子炉の運転機において炉心上部の核
分裂性物質の濃度が高くなり、その領域の原子炉停止余
裕が低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もので、十字
形状のウィング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［１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〕

（課題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、十字状構造に形成されたウィングからなる原
子炉用制御棒において、前記ウィングをハフニウム金属
またはハフニウムを主成分とする合金からなる長方命中
性子吸収材で箱型に形成するとともに、前記ウィングの
中性子吸収材の総量が挿入先端側から挿入末端側に向っ
て漸次減少するように形成したことを特徴とする。

（作　用） ウィングをハフニウム金属またはハフニラ１１を主成分
とする合金からなる長寿命型中性子吸収材で箱型に形成
すると核的寿命が長く、長寿命化を図ることができる。

また、ウィング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第１の実施例につ
いて添付図面を参照して説明する。

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
斜視図で第２図は第１図の■−■矢視方向に切断した横
断面図である。

十字状ウィング１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製作された翼端材２、プレート３及
び捧４をそれぞれ溶接することによって形成されている
。ウィング１の中にはプレート３を補強するためにステ
イフナ−１５が設けられ、プレート３に溶接されている
。原子炉用制御棒の中心に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製のタイロッド５が配置され
、その横断面は十字形をしており、その４個の突出部に
それぞれウィング１が溶接される。タイロッド５は原子
炉用制御棒の軸線方向に断続されている。

このことによりタイロッド５の重量が軽減されろ。

原子炉用制御棒には第１図に示すように上端にステンレ
ス鋼製のハンドル６を、また下端にステンレス鋼製のス
ピードリミッタ７が設けられている。

第４図は本発明の原子炉用制御棒の縦断面図である。ウ
ィング１の上端及び下端に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からなる端末材９　＋　９ａ
、　！ｌｌｂが溶接されている。

ハフニウムとステンレス鋼は溶接できないため、ハンド
ル６とスピードリミッタ７は次の方法でウィング１に接
続される。

端末材９はハンドル６及びスピードリミッタ７に設けら
れた溝に差し込まれている。又、端末材９、ハンドル６
、スピードリミッタ７には穴があけられており、その穴
にステンレス鋼製のピン１７が差し込まれてそれぞれの
部材を結合している。

ピン１７はハンドル６及びスピードリミッタ７に溶接さ
れている。

ウィング１の挿入先端側の内部には中性子吸収棒１０が
配置され、下部を支持部材１１で支持している。支持部
材１１はハフニウム金属又はハフニウムを主成分とする
合金からできており、プレート３に溶接されている。

中性子吸収棒１０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１３内に天然ボロン（８４
Ｃ）やボロン−１０を濃縮したボロンカーバイド、Ｅｕ
２０３−ｔｌｆｏ□等の中性子吸収物質１４が充填され
る。中性子吸収物質１４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を形成する必要があ
る。

又、第３図に示すように、一部の中性子吸収棒１０のか
わりに板状ステイフナ−１２が設けられている。板状ス
テイフナ−１２はハフニウム金属あるいはハフニウムを
主成分とする合金製であり、プレート３に溶接されるこ
とにより、プレート３の補強を行っている。

この原子炉用制御棒は、ウィング１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、制御棒の長寿
命化を図ることができるとともに、上記制御棒は第１図
の全体図に示すように、ウィング１に冷却孔８があけら
れているので、ウィング１の内部は減速材である水によ
り満たされ、この水により中性子が減速され、中性子吸
収材に吸収されやす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１の挿入先端側内部に中性子吸収棒１０
が配置されているので、原子炉用制御棒の全挿入時に炉
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７図（８）で示すように得られ、第７
図（Ｃ）に示す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１本発明に係る原子炉用制御棒の第２の実施例につ
いて説明する。

第５図はこの原子炉制御棒の第２の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は、ウィン
グ１の挿入先端側内側に多段構造の中性子吸収板１６を
内張すしたものである。この中性子吸収板１６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１の挿入先端側
から挿入末端側に向かって途中で肉厚が段階的に減少す
るように構成される。

この中性子吸収板１６はウィング１の内側にステイフナ
１５を介して固定される。本実施例の原子炉用制御棒に
おいても、第４図に示される原子炉用制御棒と同様な作
用効果を持つ。

なお、本発明の一実施例では対向するプレートの両端に
翼端材および棒を溶接してウィングを形成した例を示し
たが、このウィング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良い、第８図はウ
ィングをハフニウム金属又はハフニウムを主成分とする
合金から製造されたＵ字状のチューブ１６をウィングと
して使用した第３の実施例である。第９図は第４の実施
例を示したもので、ハフニウム金属又はハフニウムを主
成分とする合金製の板を折り曲げてＵ字状板１８に形成
し、ウィングとして使用した第４の実施例である。

このＵ字状板１８をタイロッド５に挿着して制御棒を構
成したものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ウィングを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長寿命型中性子吸収
材で形成したことから、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第１の実施例を
示す斜視図、第２図は第１図の■−■線に沿う横断面図
、第３図は第１図の要部を拡大して示す断面図、第４図
は第１図の■−■線に沿う縦断面図、第５図は本発明に
係る原子炉用制御棒の第２の実施例を示す縦断面図、第
６図はステイフナ−の全体を示す斜視図、第７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
図、第７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図、第７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図、第８図および第９図
は本発明に係る原子炉用制御棒の第３および第４の実施
例を示す横断面図である。 １・・・ウィング、 ３・・・プレート、 ５・・・タイロッド、 ７・・・スピードリミッタ、 ９ａ、　９ｂ・・・端末材、 １１・・・支持部材、 １３・・・被覆管、 １５ａ、　１５ｂ−ステイフナ−１ １７・・・ピン。 ２・・・翼端材、 ４・・・棒、 ６・・・ハンドル、 ８・・・冷却孔、 １０・・・中性子吸収棒、 １２・・・板状ステイフナ− １４・・・中性子吸収物質、 １６ａ、　１６ｂ・・・中性子吸収板、１８・・・Ｕ字
状板。 （８７３３）代理人弁理士　猪 股　祥　晃（ほか１名） 第３ 図 第 図 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）十字状構造に形成されたウィングからなる原子炉
   用制御棒において、前記ウィングを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長寿命中性子
   吸収材で箱型に形成するとともに、前記ウィングの中性
   子吸収材の総量が挿入先端側から挿入末端側に向って漸
   次減少するように形成したことを特徴とする原子炉用制
   御棒。
2. （２）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
   はウィングの中に配置された請求項１記載の原子炉用制
   御棒。
3. （３）ハフニウム金属またはハフニウムを主成分とする
   合金からなるウィング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板を固
   定し、その中性子吸収板の肉厚が挿入先端側から末端側
   に向かって段階的または連続的に減少された請求項１記
   載の原子炉用制御棒。