JPH0634058B2 - 制御棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）において使用され
る原子炉制御棒に関するものである。更に詳しく言えば
本発明は、正方形に横断面を有する管状部材を溶接する
ことにより所要の十字形構造に形成した、高い中性子吸
収価値および長い実用寿命を有する新規な制御棒に関す
る。

先行技術の説明 原子炉内には、中性子を吸収して核反応の停止または調
節を行うための毒物質を含んだ制御棒が存在している。
沸騰水型原子炉において通例使用される制御棒は十字形
を成していて、燃料チャネル間に形成された相補的な十
字形の空隙内に挿入される。従来の制御棒には、主とし
て２種の構造のものがある。

第１の構造を有する制御棒においては、複数の密閉され
た中空管が十字形制御棒の中心軸に沿って互いに並列し
た状態で配置されている。それらの管は鉛直方向に伸
び、その両端はプラグによって封鎖され、かつ内部には
炭化ホウ素のごとき中性子吸収物質が封入されている。
かかる管全体が金属製の外被の内部に収容されている。
すなわち、この外被が管の外側を完全に包囲する。中心
の連結棒を介して外被と上部および下部の支持構造物と
を接合することにより、上記の管は互いに並列した状態
で閉込められる。このように、上部および下部の支持構
造物と外被との協力によって並列状態の管に所要の十字
形が付与されるのが通例である。

このような従来の構造に関して注意すべき点は、中性子
吸収物質を収容した管は制御棒の構造強度に全く寄与し
ないことである。それどころか、組立後の制御棒を一緒
に保持するために、中心連結棒を含めた独立の比較的重
い構造部材が必要とされる。

もう１つの従来構造においては、孔あけを施したソリッ
ドのステンレス鋼部材が使用される。かかるステンレス
鋼部材は、上記のごとき外被と同じ長さおよび幅を有し
ている。かかるステンレス鋼部材には、制御棒の側端か
ら十字形の中心に向かって伸びる複数の水平孔が正確に
設けられる。これらの水平孔はガンドリルを用いて孔あ
けによって形成され、その結果として中性子吸収物質を
収容するための正確に整列した円柱状空間が規定され
る。このような水平孔を設けた制御棒は、管と外被とか
ら成る制御棒よりもやや多量の中性子吸収物質を収容す
ることができる。

いずれの制御棒構造においても、中性子吸収物質の量を
できるだけ多くすること、制御棒に所要の構造的剛性を
付与すること、かつまた通常の制御棒駆動機構によって
急速に移動させ得る程度に重量を制限することが試みら
れてきた。更にまた、全ての制御棒は炭化ホウ素、ハフ
ニウムおよびその他の中性子吸収物質のごとき毒物質を
閉込める必要があり、これは毒物質の損失や原子炉の汚
染を防止するためである。かかる閉込めを達成するため
に、制御棒は実用寿命の初期においてはシステムの外圧
に耐えると共に、実用寿命の終期においては原子崩壊に
よって生じる内圧に耐えるものでなければならない。

原子崩壊によって生じる内圧に関して述べれば、原子炉
用毒物質の多くが元素変換を受ける。たとえば、炭化ホ
ウ素が中性子を吸収すると、最終的にヘリウムが生成す
る。かかるヘリウムの蓄積は高い圧力を生じる。それと
同時に、炭化ホウ素は膨張および焼結を示す。このよう
なガス発生および焼結の結果として、局在するポケット
内には極めて高い圧力下でガスが捕捉されることにな
る。

最新の原子炉内に使用される制御棒には、大別して２種
のものがある。第１のものは原子炉を停止させるための
制御棒であって、これらは比較的高い中性子吸収価値を
有するように設計されるのが通例である。かかる制御棒
は、長期間にわたって大きい中性子フルエンス（fluenc
e ）に耐えるようには設計されていない。

第２のものは制御セル位置に配置するための制御棒であ
って、これらは原子炉の中性子束分布を調節し整形する
目的をもって設計されたものである。これらの制御棒
は、大きい中性子フルエンスの下で長い実用寿命を有す
るものでなければならない。

制御棒の構造は、これら２種の制御棒のいずれにも対応
し得ることが必要である。

発明の説明 本発明に従えば、複数個好ましくは４個の平面状部材を
含む十字形の構造を有する原子炉用制御棒およびその製
造方法が提供される。各々の平面状部材は、正方形横断
面の管状部材の集合体から成っている。各々の正方形横
断面の管状部材は一定の側壁厚さを有する金属製の管お
よびその内部に規定された円柱状空間を有しており、管
は中性子吸収物質を収容する円筒形の圧力容器を構成す
る。かかる円筒形圧力容器を構成する一定側壁厚さの管
には４個のかど部分が設けられており、それによって正
方形の横断面形状が付与されている。これらの４個のか
ど部分は、管の側壁厚さを部分的に増大させるためにも
役立っている。正方形の横断面には適当な面取りおよび
丸みつけが施されているが、これは応力除去のために役
立つと同時に、互いに隣接した正方形横断面の管状部材
間に自動溶接のための案内手段を提供するためにも役立
つ。溶接によって接合された場合、正方形横断面の管状
部材は制御棒の長手方向または軸方向に沿って伸び、そ
して制御棒の移動方向および冷却材の流れ方向に沿って
配置される。正方形横断面の管状部材内には中性子吸収
物質が装填され、その両端にプラグが設置され、そして
互いに並列した状態で溶接により接合されて平面状の制
御棒部材を形成する。互いに並列した状態で溶接するこ
とによって合体された正方形横断面の管状部材は制御棒
の長手方向支持構造物の一体部分を成し、そして制御棒
上部のハンドルと制御棒下部の速度制限器とを相互に連
結するために使用される。上部および下部にそれぞれハ
ンドルおよび速度制限器を接合することは、中性子吸収
物質を収容する管状部材の封鎖用プラグに対して二次的
または補助的な封止部を形成するために役立つ。寿命延
長のために必要であれば、制御棒上部のハンドルに隣接
した矩形断面管内にハフニウム板を配置することも可能
であって、このハフニウム板の長さは制御棒に対する要
求条件に応じて変えることができる。このように、正方
形横断面の管状部材は毒物質収容のための改良された円
柱状空間を規定し、それによって核反応の減速および停
止のために使用するに際して制御棒価値の向上および実
用寿命の延長をもたらす。その結果、本発明の制御棒は
通常の制御棒として使用し得るばかりでなく、制御セル
位置に配置するように設計された制御棒としても使用す
ることができる。

発明の目的および利点 本発明の目的の１つは、十字形の制御棒を製造するため
に役立つ正方形横断面の管状部材を提供することにあ
る。かかる管状部材は内部に円柱状空間を規定してい
る。かかる円柱状空間は、一定の側壁厚さを有する管に
よって包囲されている。このような一定側壁厚さの管
は、正方形の横断面形状を有するように変形されてい
る。すなわち、４箇所において管の側壁厚さが増大して
いる。その結果、４つのかど部分が形成され、それによ
って正方形の横断面が付与されるのである。こうして得
られた正方形横断面の寸法は管の直径よりも僅かに大き
くなっている。管とかど部分との接合部には、応力除去
のために適当な面取りおよび丸みつけが施されている。

本発明に基づくこのような正方形横断面の管状部材の利
点の１つは、それが優れた圧力容器を構成することであ
る。それは、中性子吸収物質の崩壊および焼結に由来し
たいかなる予想圧力にも耐えることが可能である。

もう１つの利点として、本発明の正方形横断面管状部材
は従来の制御棒に比べて単位重量当りの毒物質収容容積
が比較的大きいことが挙げられる。その結果、各々の管
状部材内にはより多量の中性子吸収物質を保持すること
ができる。それにより、１０％を越える総合制御棒価値
の増加を示す制御棒を得ることができる。また、かかる
正方形横断面管状部材が本質的に軽量である結果、中性
子吸収物質であるハフニウムをより多量に使用すること
ができ、それによって寿命の長い制御棒を製造すること
が可能となる。

本発明の正方形横断面管状部材の更にもう１つの利点
は、毒物質収容空間の数および毒物質の内部組成を変更
し得ることである。すなわち、制御棒を使用する位置お
よび目的に応じてこのような変更を行うことができる。
たとえば、制御セル内に配置される制御棒に関しては、
実用寿命の延長を得るために比較的多量のハフニウムを
使用することができる。逆に、原子炉を停止させるため
だけに使用される制御棒に関しては、高い制御棒価値が
得られるように多量の炭化ホウ素を制御棒内に配置する
ことができる。

本発明の管状部材の更にもう１つの利点は、それの強度
対重量比が大きいことである。その結果、複数のかかる
管状部材を互いに並列した状態で接合して成る制御棒
は、予測可能なあらゆる静的および動的荷重に耐えるこ
とができる。

更にもう１つの利点は、本発明の管状部材が標準的な管
製造技術によって製造し得ることである。その結果、管
を包囲するための外被は不要となる。その上、高い精度
を得るためのガンドリルの使用も不要となる。本発明の
正方形横断面管状部材によれば、正確に整列しながら鉛
直方向に伸びる円柱状空間が規定される。

本発明の制御棒構造の更にもう１つの利点は、各々の管
状部材が中性子吸収物質を収容するための互いに独立し
た内室を規定することである。その結果、割れ、摩耗ま
たは構造欠陥のために１個の構造部材に漏れが生じて
も、それは欠陥のある特定の管状部材のみに局限され
る。隣接する管状部材は必ずしも影響を受けない。

本発明のもう１つの目的は、複合制御棒を提供すること
にある。本発明のかかる側面に従って述べれば、複数の
管状部材が互いに並列した状態に配置される。かかる並
列状態においては、面取りおよび丸みつけを施されたか
ど部分が溶接金属を導入するために好都合な溝を形成す
る。それらの管状部材を互いに並列した状態で溶接すれ
ば、十字形の制御棒を構成する平面状部材が形成され
る。

かかる複合制御棒の利点の１つは、自動溶接技術を用い
てそれを製造し得ることである。本発明の構造は、自動
レーザ溶接技術に対して特に良く適合している。その結
果、本発明の構造は製造上の観点から見て高度の融通性
を有している。

更にまた、管状部材のかど部分の厚さが増大しているた
め、溶込んだ溶接金属が一定側壁厚さの管の構造強度が
損なうことは決してない。

本発明の更にもう１つの利点は、複合構造の管状部材が
改善された耐摩耗性を有することである。すなわち、か
ど部分は管の外壁を僅かに越える位置にまで広がってい
る。その結果、制御棒が隣接する燃料チャネルと摩擦を
生じる場合、燃料チャネルに接触するのはかど部分であ
る。そのため、一定側壁厚さの管の摩耗は回避される。

本発明の制御棒構造の更にもう１つの利点は、互いに並
列した状態に配置された正方形横断面の管状部材が制御
棒の移動方向に沿って伸びていることである。その結
果、制御棒の移動方向および冷却材の流れ方向に沿って
見た場合、制御棒中に形成された溝はいずれも連続性を
示している。それ故、所要の制御棒移動に際して燃料チ
ャネルとの間に機械的干渉が起こる可能性は最少限に抑
えられる。

本発明の更にもう１つの目的は、上記のごとき正方形横
断面の管状部材から製造された複合制御棒を提供するこ
とにある。本発明のかかる側面に従って述べれば、正方
形横断面の管状部材を互いに並列した状態で溶接するこ
とにより、制御棒を構成する平面状部材が形成される。
その後、互いに整列した円柱状空間内に中性子吸収物質
が配置され、そして管状部材の両端にプラグが設置され
る。こうして形成された一次封止部により、中性子吸収
物質は各々の円柱状空間内に閉込められる。このように
プラグを設置した後、管状部材の両端に機械加工を施
し、そして両端を上部のハンドルおよび下部の速度制限
器に接合することにより、複合制御棒が得られる。この
ようにハンドルおよび速度制限器に対して接合すること
は、収容された中性子吸収物質に対する二次的または補
助的な封止部を形成するために役立つ。

本発明の制御棒構造の主たる利点の１つは、中性子吸収
物質を収容するための内室の数を変化させ得ることであ
る。たとえば、比較的小さい中性子フルエンスに暴露さ
れる位置においては、中心部に存在する管状部材を省く
ことができる。それに対し、中性子フルエンスが比較的
大きい原子炉内の位置においては、中性子吸収物質を装
填した管状部材を制御棒の全幅にわたって使用すること
ができる。

本発明の制御棒構造のもう１つの利点は、正方形横断面
の管状部材が長手方向に伸びる制御棒の構造部材を構成
することである。このように長手方向に伸びる構造部材
の使用により、制御棒を合体状態に保つため鉛直方向に
伸びる連結棒を使用する必要性は排除される。その結
果、重量は減少し、かつ構造は簡略化されることにな
る。

本発明の制御棒構造の更にもう１つの利点は、制御棒全
体に所要の柱剛性を付与するために制御棒の平面状部材
同士を部分的に連結しさえすれば事足りることである。
すなわち、向かい合った平面状部材同士を間欠的に連結
しさえすれば、挿入時に予想される座屈力に耐えるだけ
の剛性が得られるのである。たとえば、最悪の場合の設
計基準として、地震発生に際して原子炉の緊急停止のた
めに制御棒を挿入するような条件が想定される。そのよ
うな条件の下でも、制御棒の平面状部材同士を間欠的に
連結することにより、動的に弓状に変形する燃料チャネ
ル間への挿入を可能にする程度の柱剛性を保持しなが
ら、燃料チャネル間を通過し得る程度のたわみ性を制御
棒に付与することができる。

本発明の制御棒構造の更にもう１つの利点は、制御棒の
単位重量について見た場合、より多量の中性子吸収物質
を制御棒内に収容し得ることである。その結果、現行の
制御棒駆動機構によって操作し得る重量を有しながらも
優れた制御棒価値を有する制御棒が得られることにな
る。それにより、低温停止マージンの向上が得られる。

本発明によって達成される高い制御棒価値がもたらす追
加の利点は、原子炉の装入燃料に対するガドリニウムの
添加量を低減させ得ることである。すなわち、制御棒価
値の向上は原子炉制御能力の増大をもたらし、従って装
入燃料の濃縮度の上昇を可能にする。

本発明の制御棒構造の更にもう１つの利点は、管状部材
の上端および下端をハンドルおよび速度制限器に接合す
ることにより、管状部材の末端に設置されたプラグによ
る封止部を補足する二次的な封止部が形成されることで
ある。

本発明の更にもう１つの目的は、上端部の近くに中性子
吸収物質（好ましくはハフニウム）の板を配置した制御
棒を提供することにある。本発明のかかる側面に従って
述べれば、管状部材列の上端に配置すべき矩形断面管が
用意される。この矩形断面管の内部には、中性子吸収物
質（好ましくはハフニウムの板）が配置される。その
後、矩形断面管に制御棒ハンドルを接合することによっ
て矩形断面管の上端が封止される。同様に、矩形断面管
の下端は制御棒の平面状部材に接合される。これらの接
合により、管状部材の円柱状空間内に収容された中性子
吸収物質に対する二次的な封止部が形成される。

中性子吸収物質を収容した矩形断面管がもたらすもう１
つの利点は、それがハンドルを制御棒の残部に連結する
所要の構造部材を成すことである。

本発明の制御棒構造の更にもう１つの利点は、記載の制
御棒構造に基づいてほとんど全ての種類の制御棒を製造
し得ることである。すなわち、炭化ホウ素とハフニウム
板とを併用することにより、原子炉の停止またはスクラ
ムのために役立つ高い中性子吸収価値を持った制御棒を
製造することができる。同様に、高い比強度を有する制
御棒の側端部および末端部に多量のハフニウムを配置す
ることにより、制御セル位置において見られる大きい中
性子フルエンスに耐え得るような制御棒を製造すること
もできる。

本発明のその他の目的、特徴および利点は、添付の図面
を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって自
ら明らかとなろう。

発明の具体的説明 先ず第１図を見ると、本発明の複合制御棒の実際の一断
面が示されている。通常、本発明自体は寸法に依存しな
いものと解されるが、原子炉の構造との関連から見れば
本発明における寸法は重要であることを指摘しておきた
い。

本発明の制御棒としては、様々な寸法を持ったものを製
造することができる。たとえば、０．２６０インチの横
断面寸法を有しかつ直径０．１９０インチの円柱状空間
を含む正方形横断面の管状部材が使用される。あるいは
また、０．３１２インチの横断面寸法を有しかつ直径
０．２４０インチの円柱状空間を含む正方形横断面の管
状部材も使用される。いずれの寸法の場合にも、側壁の
厚さは０．０３０インチである。上記の寸法からわかる
通り、管状部材の横断面寸法は管の直径を僅かに越えて
いる。勿論、その他の寸法も使用することができる。

ここで、第３図を参照しながら沸騰水型原子炉について
簡単に説明しておこう。すなわち、原子炉内には燃料棒
１６を含んだ燃料チャネル１４が配置されている。燃料
棒１６の内部には、核分裂連鎖反応を起こす核燃料ペレ
ットが収容されている。沸騰水型原子炉では、制御棒は
下方から上方に向かって導入される。第３図には、かか
る制御棒Ｒが燃料チャネル１４間を上昇しつつあるとこ
ろが示されている。

ここで幾つかの寸法を述べておくことは有益であろう。
通例、制御棒の長さは１７４インチである。また、原子
炉内に挿入される燃料棒の長さは１４４〜１５０インチ
の範囲内にある。通例、隣接する燃料チャネル間の空隙
は０．５インチ程度である。

制御棒を移動させる機構は公知であって、それを交換す
るには高い費用がかかる。それ故、新しい制御棒は制御
棒駆動装置、燃料および炉心支持機構の実質的な変更を
必要としないような寸法および重量を有することが肝要
である。

通例、制御棒Ｒは制御棒駆動装置によって精密に移動さ
せられ、それによって原子炉の燃焼状態を調節するため
の部分的挿入位置を占める。更にまた、原子炉の緊急停
止（スクラム）のため、制御棒は任意の現在位置から急
速に移動して原子炉内に完全に挿入された状態に達する
ことも必要である。ある種の原子炉においては、全長１
２フィートの制御棒を１．６秒で燃料チャネル１４間の
空隙内に挿入することができなければならない。従っ
て、制御棒の設計に際しては加速力および減速力も考慮
に入れるべきである。その上、制御棒は予想される地震
荷重に耐えるだけの剛性も有していなければならない。

地震に関しては、設計に際して想定される「最悪の場
合」のシナリオ中に２つの条件を同時に考慮することが
必要である。第一に、原子炉に加わる地震荷重の最も重
要な成分は水平方向の動的な成分であるから、地震に際
しては個々の燃料チャネルが弓状に変形することが予想
される。第二に、地震に際しては原子炉の緊急停止が所
望されることになる。それ故、制御棒は座屈を回避する
のに十分な柱強度を有すると共に、燃料チャネル間の空
隙を通過するのに十分なだけのたわみ性を有していなけ
ればならない。

以上、本発明が適用される環境を説明したので、本発明
の制御棒の構造は比較的簡単に理解されるはずである。

再び第１図を見ると、正方形横断面の管状部材２０Ａ，
２０Ｂ，２０Ｃおよび２０Ｄが互いに並列した状態で示
されている。管状部材２０Ｃを例に取って説明すれば、
正方形横断面の管状部材の基本的な構造を容易に理解す
ることができよう。

通例、各々の管状部材は一定側壁厚さの管３０を含んで
いる。更にまた、かかる管には４個のかど部分が付加さ
れている。これらのかど部分は３１，３２，３３および
３４として表わされている。

かど部分３１，３２，３３および３４の各々と一定側壁
厚さの管３０との間には破線が引いてある。この破線
は、管３０がその内部に規定される円柱状空間の全周に
わたって一定の側壁厚さ３６を有することを示してい
る。このような一定の側壁厚さ３６が確保されることに
より、制御棒の構造に関して要求される閉込め用の耐圧
容器が得られることになる。

かど部分３１，３２，３３および３４はまた、少なくと
も２つの追加目的のためにも役立つ。

第一に、かど部分は本発明の管状部材に所要の正方形横
断面を付与するために役立つ。それ故、複数の管状部材
同士を互いに並列した状態で溶接することができるので
ある。

第二に、かど部分は摩耗点を構成する。燃料チャネルと
制御棒の側面との間に接触が起こる場合、先ず最初に接
触するのはそれぞれのかど部分３１，３２，３３および
３４である。従って、管状部材中の管は損傷や摩耗を全
く受けることがない。

更にまた、後記に説明されるごとく、かど部分が厚くな
っているために溶接が管の構造強度を損なうことは防止
される。

金属製の圧力容器においては、鋭く交わる表面は回避す
べきことが知られている。それ故、各々のかど部分には
フィレット５１および５２が設けられている。これらの
フィレットは、それぞれのかど部分と管の側面との間の
移行部を規定する。同様に、かど部分の区域５３には面
取りおよび丸みつけが施されている。このように、かど
部分が鋭利でないため、本発明の管状部材はたとえば引
抜きをはじめとする管製造技術に適合するものと言え
る。

第１図、とりわけ管状部材２０Ｂおよび２０Ｃ間の区域
６０を見ると、溶接金属を設置した状態が示されてい
る。管状部材２０Ｂおよび２０Ｃの間には、面取りおよ
び丸みつけを施されたかど部分同士が互いに隣接するこ
とにより、溶接金属導入のために好都合な空隙が形成さ
れることがわかる。図示のごとく、溶接金属は斜線を施
したくさび形の区域６０を成して溶込んでいる。

このようなくさび形の溶接金属区域に関しては、それが
かど部分のみに溶込んでいることが認められよう。すな
わち、それは円柱状空間４０の周囲に必要とされる一定
側壁厚さの管に対しては溶込みや干渉を示さないのであ
る。

更にまた、管状部材２０Ｂおよび２０Ｃの間には概して
Ｖ字形の溝が形成されることも理解されよう。このよう
なＶ字形の溝は自動溶接装置によるトラッキングのため
には理想的である。その結果、本発明の制御棒は自動溶
接技術（好ましくはレーザ溶接技術）によって直接に製
造することができるのである。

以上、個々の管状部材の構造および接合方法を説明した
ので、次に本発明に従って製造される十字形の複合制御
棒について説明しよう。すなわち、第２Ａ図を見ると、
１５個の管状部材Ｔが互いに並列した状態で溶接されて
いる。これらの管状部材Ｔは中心部に間欠的に配置され
た十字形の連結部材７０から伸びている。このように組
合わされた正方形横断面の管状部材は全体として制御棒
の平面状部材Ｓを形成する。自明の通り、中心部に間欠
的に配置された連結部材７０には４個の平面状部材Ｓが
接合され、それによって制御棒は所要の十字形横断面を
有することになる。

本発明の制御棒構造は、中性子吸収物質を収容するため
に使用される円柱状空間の数および位置に関して融通性
を有している。第２Ｂ図には、各々の平面状部材Ｓが１
２個の管状部材Ｔから成るような制御棒が示されている
が、これは中性子フルエンスの少ない原子炉内の位置に
配置するためのものである。これから明らかなように、
制御棒中に使用される管状部材の数を変化させることが
できると共に、個々の制御棒パラメータも変化させるこ
とができる。

次に第３図を見ると、完成した制御棒Ｒが示されてい
る。それは、互いに隣接した４個の燃料チャネル１４間
の空隙内に配置されている。完成した制御棒Ｒは核反応
を調節するための位置に配置されるが、図示の位置は完
全な挿入状態に近いものである。

第３図に核反応調節環境内に置かれた制御棒を例示した
が、次に制御棒の詳細について説明しよう。先ず、第４
図を参照して制御棒の全体的な構造を説明し、次に第
５，６および７図を参照して各種の制御棒部材を説明す
る。管状部材末端へのプラグの設置については第９図を
参照して説明する。最後に、制御棒上端部へのハフニウ
ム板の導入については第８図を参照して説明する。

第４図を見ると、完成した制御棒が示されている。この
制御棒は下部に速度制限器Ｖを含み、上部にハンドルＨ
を含み、かつそれらの間に４個の平面状部板Ｓ１，Ｓ
２，Ｓ３およびＳ４を含んでいる。従来の制御棒と異な
り、本発明の制御棒は所定の間隔で配置されて平面状部
材Ｓ１〜Ｓ４同士を結合する十字形の連結部材５０を含
んでいる。本発明の制御棒においては、連結部材５０は
長手方向に沿って連続したものではなく、間欠的に配置
されている。

かかる連結部材の数に関する制限因子は、予想される地
震条件下で制御棒が有するべきたわみ性と柱強度との組
合せから成る。すなわち連結部材５０は、地震に際して
動的に弓状に変形する燃料チャネル間の空隙を制御棒が
通過し得る程度のたわみ性を制御棒に付与するような間
隔で配置される。それと同時に連結部材５０は、地震時
の挿入に際して座屈が起こることを防止するのに十分な
柱強度を制御棒に付与し得るような間隔で配置される。

このような制御棒構造は、第５〜７図に示すような３種
の制御棒横断面を与える。

第５図には、十字形の連結部材５０の位置における制御
棒の横断面が示されている。すなわち、平面状部材Ｓ１
〜Ｓ４はいずれも十字形の連結部材５０に接合されてい
る。

第６図には、連結部材５０の存在しない中間位置におけ
る制御棒の横断面が示されている。この位置において
は、平面状部板Ｓ１〜Ｓ４は連結されていないことがわ
かる。このように、従来の連続した連結棒は全く省かれ
ている。

既に指摘した通り、本発明の制御棒構造においては管状
部材Ｔが構造部材として役立っている。それにより、連
続した連結棒を排除して間欠的な連結部材５０を使用す
ることが可能となるのである。

なお、ここに記載した十字形の連結部材５０が絶対に必
要というわけではないことを理解すべきである。たとえ
ば、間欠的に配置された板を使用することもできる。こ
のような板は向かい合った平面状部材同士を交互に結合
することが好ましい（すなわち、先ずＳ１とＳ４とを結
合し、次いでＳ２とＳ３とを結合するようにして設置す
ることが好ましい）。

第４図中の線７−７に沿った断面図である第７図を見る
と、制御棒の速度制限器側端部もハンドルＨおよび平面
状部材Ｓ１〜Ｓ４と同様に十字形の形状を有することが
わかる。第７図には、速度制限器の平面状部分Ｖ１〜Ｖ
４が示されている。

第９図には、代表的な管状部材Ｔが示されている。管状
部材Ｔの円柱状空間４０内にはプラグＰが挿入される。
プラグＰは管状部材Ｔの両端に設置され、それによって
中性子吸収物質は管状部材の内部に閉込められる。

自明のことながら、円柱状空間４０内に配置される中性
子吸収物質は、通例炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）のみに限られ
る。とは言え、かかる制御棒内に公知の各種中性子吸収
物質中の任意のものを装填し得ることは容易に理解され
よう。たとえば、管状部材Ｔの内部にハフニウム棒を全
体的または部分的に配置することができる。また、ハフ
ニウム棒と炭化ホウ素とを併用することもできる。同様
に、その他の公知中性子吸収物質（たとえば、ユーロピ
ウムやジスプロシウム）を使用することもできる。

管状部材Ｔの末端にプラグＰを設置して円柱状空間を封
鎖した後、プラグＰの外周と円柱状空間の内壁との間の
空隙は溶接されるのが通例である。通例、プラグＰの設
置は管状部材Ｔを互いに並列した状態に配置した後に行
われる。

プラグＰを設置して溶接した後、管状部材Ｔおよびプラ
グＰの端部は（たとえばフライス削りにより）機械加工
されるのが通例である。それにより、第９図中に破線で
示された加工面６０が得られる。以上の結果、それぞれ
の平面状部材Ｓ１〜Ｓ４は速度制限器Ｖおよびハンドル
Ｈに接合する準備が整ったことになる。

このような接合の結果として、正方形横断面の管状部材
Ｔのそれぞれの末端には二次的な封止部が形成されるこ
とが容易に理解されよう。

第４図に示されるごとく、速度制限器Ｖの平面状部分Ｖ
１が平面状部材Ｓ１の端部に突合せ接触させられる。次
いで、常法に従い、平面状部材Ｓ１と速度制限器の平面
状部分Ｖ１との界面およびその周囲に溶接が施される。
このような溶接により、速度制限器の平面状部分Ｖ１は
平面状部材Ｓ１に機械的に固定される。ところで、この
ような溶接は二次的な効果をも有している。すなわち、
かかる溶接の結果として、接合された管状部材Ｔの下端
に位置するプラグＰの周囲には二次的または補助的な封
止部が形成される。このように、本発明の制御棒構造は
封止状態の向上をももたらす。

次に第８図を参照しながら、ハンドルＨの構造を説明す
る。ハンドルＨの本体７１は従来通りのものであって、
通例は連続したステンレス鋼板から成っている。かかる
ステンレス鋼板には、それぞれの燃料チャネル１４の表
面上をころがる制御棒ガイド７２が常法に従って取付け
られている。

平面状部材Ｓ１の端部とハンドルＨの本体７１の端部と
の間には、矩形断面管８０が配置されている。この矩形
断面管の内部には、矩形のハフニウム板８２を収容する
矩形の空間が規定されている。

ハフニウム板８２は、任意所望の長さを有するように形
成することができる。たとえば、制御セル位置において
使用する場合、ハフニウム板８２は６インチ程度の比較
的大きい長さを有するのが通例である。

通常の制御棒位置において使用する場合、ハフニウム板
８２および矩形断面管８０は３インチ程度の比較的小さ
い長さを有すればよい。この場合のハフニウム板は、通
常は引抜かれている制御棒の炉心側端部が受ける程度の
中性子フルエンスに耐え得るだけの長さを有していれば
よい。

自明のことながら、矩形断面管８０は平面状部材Ｓ１の
周囲に沿って連続的に溶接されている。同様に、矩形断
面管８０はハンドル本体７１に対しても連続的に溶接さ
れている。これらの連続溶接は、ハフニウム板の閉込め
を可能にするばかりでなく、平面状部材Ｓを構成する管
状部材Ｔの末端に対する二次的な封止部を形成するため
にも役立つ。

本発明の制御棒内には、より多量の中性子吸収物質を収
容し得ることが判明した。その結果、１０％以上も高い
制御棒価値を有する制御棒を製造することができる。

更にまた、本発明の管状部材においては中心部に円柱状
空間が規定され、かつそれらの管状部材は押出しによっ
て製造されるため、公知のごとき制御棒破損現象に対し
ては理想的な抵抗性が得られる。

本発明の管状部材を製造するためには標準的な管製造技
術を使用し得ることが容易に理解されよう。その結果、
内部に規定される円柱状空間４０は孔あけなどの方法に
よって形成する必要がない。

更にまた、本発明の管状部材を接合するためには、レー
ザ溶接、電子ビーム溶接およびプラズマアーク溶接など
の理想的な自動溶接技術を使用することができる。

中性子吸収物質の量の増加は、自己遮蔽性の向上をもた
らすことが理解されよう。簡単に述べれば、炭化ホウ素
のごとき中性子吸収物質は最も外側の円筒形区域におい
て中性子を吸収する傾向がある。最も外側の円筒形区域
において中性子吸収特性の喪失が生じると、次の円筒形
区域が中性子を吸収するようになるわけで、このような
過程が繰返される。直径のより大きい円柱体を使用すれ
ば、より長い期間にわたって制御棒価値が維持されるこ
とになる。すなわち、より多量の毒物質または中性子吸
収物質から成る円柱体を使用すれば、中性子吸収のため
に利用し得る表面積の減少速度が小さくなる。

上記のごとく、本発明の正方形横断面管状部材は制御棒
環境内において発揮される特異な性能を有することが理
解されよう。このような性能としては、正方形横断面の
管状部材が複合的な構造を有すること、およびそれらの
管状部材を互いに並列した状態に接合し得ることが挙げ
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に基づく制御棒の一部分の水平断面図で
あって、互いに並列した状態に接合された数個の正方形
横断面管状部材を示す。第２Ａ図は第１図と同様な断面
図であって、１５個の正方形横断面管状部材を互いに並
列した状態に接合して成る平面状部材を有する本発明の
十字形制御棒の部分構造を示す。第２Ｂ図は第２Ａ図と
同様な断面図であって、１２個の正方形横断面管状部材
を互いに並列した状態に接合して成る平面状部材を示
す。第３図は中性子を吸収して核反応を制御するため４
つの燃料チャネル間の空隙内に下方から挿入される制御
棒を示す斜視図である。第４図は燃料チャネルを省いて
第３図の制御棒を示す部分切欠き斜視図である。第５、
６および７図は第４図の制御棒の３種の断面図である。
第８図は本発明に基づく制御棒の一端部の詳細図であっ
て、実用寿命の長い制御棒を得るために制御棒内にハフ
ニウム板を封入したところを示す斜視図である。第９図
は正方形横断面管状部材の一端に位置するプラグの詳細
図であって、管状部材の円柱状空間内に中性子吸収物質
を閉込めるために管状部材の端部にプラグを設置すると
ころを示す斜視図である。 図中、１４は燃料チャネル、１６は燃料棒、２０Ａ〜２
０Ｄは正方形横断面の管状部材、３０は一定側壁厚さの
管、３１〜３４はかど部分、４０は円柱状空間、５０は
連結部材、５１および５２はフィレット、５３は面とり
を施した区域、６０は溶接金属の溶込んだ区域、７１は
ハンドル本体、７１は制御棒ガイド、８０は矩形断面
管、８２はハフニウム板、Ｈはハンドル、Ｐはプラグ、
Ｓ（Ｓ１〜Ｓ４）は平面状部材、Ｔは管状部材、そして
Ｖ１〜Ｖ４は速度制限器の平面状部分を表わす。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドウィン・ダグラス・セイレ アメリカ合衆国、カリフォルニア州、ロ ス・ガトス、ブルック・アクレス・ドライ ブ、218番 (72)発明者 ジェラルド・マイロン・ゴードン アメリカ合衆国、カリフォルニア州、ソク ウェル、マレッタ・ドライブ、5358番 (56)参考文献 特開 平２−122299（ＪＰ，Ａ)

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）中性子吸収用毒物質を収容するため
   の円柱状空間を内部に規定するのに十分な一定の側壁厚
   さを有すると共に、前記中性子吸収用毒物質の崩壊に由
   来したいかなる予想圧力の下でも前記中性子吸収用毒物
   質を保持するのに十分な側壁厚さを有するような管と、
   （ｂ）一定側壁厚さの前記管の側壁上に９０゜の間隔を
   もって設けられて前記管に厚さの増大した区域を付与す
   るために役立つ４個のかど部分とで構成され、中性子吸
   収用毒物質を収容するための前記円柱状空間が一定側壁
   厚さの前記管によって完全に包囲されている、制御棒製
   造用の管状部材。
2. 【請求項２】前記かど部分の各々が一定側壁厚さの前記
   管の外側に広がる平面を規定し、これにより前記管状部
   材が表面に接触する際には先ず最初に前記かど部分が前
   記平面において該表面に接触するようにした請求項１記
   載の管状部材。
3. 【請求項３】前記かど部分には面取りおよび丸みつけが
   施されている請求項１記載の管状部材。
4. 【請求項４】（Ａ）各々が（ａ）中性子吸収用毒物質を
   収容するための円柱状空間を内部に規定するのに十分な
   一定の側壁厚さを有する管と、（ｂ）一定側壁厚さの前
   記管の側壁上に９０゜の間隔をもって設けられて一定側
   壁厚さの前記管に厚さの増大した区域を付与するために
   役立つ４個のかど部分とで構成されていて、それぞれ内
   部に円柱状空間を規定すると共に正方形の横断面形状を
   有する複数の管状部材、および（Ｂ）前記管状部材を互
   いに並列した状態で接合して平面状の構造物を形成する
   ための接合手段を含んでいる、制御棒の一部分を構成す
   る平面状部材。
5. 【請求項５】前記管状部材の各々に設けられた４個の前
   記かど部分が協力して一定側壁厚さの前記管の外側に広
   がる平面を規定し、これにより前記平面状部材が実質的
   に平坦な表面に接触する際には先ず最初に前記かど部分
   が前記の実質的に平坦な表面に接触するようにした請求
   項４記載の平面状部材。
6. 【請求項６】前記かど部分の面取りおよび丸みつけが施
   されており、これにより、互いに並列した前記管状部材
   の間には、溶接金属を導入するために役立ちかつ自動溶
   接時の案内手段としても役立つ溝が規定されている請求
   項４記載の平面状部材。
7. 【請求項７】複数個の平面状部材を含み、各平面状部材
   が制御棒の軸方向に沿って互いに並列した状態に配置さ
   れた複数個の正方形横断面の管状部材を有し、各管状部
   材が（ａ）中性子吸収用毒物質を収容するための円柱状
   空間を内部に規定するのに十分な一定の側壁厚さを有す
   る管と、（ｂ）前記管の側壁上に９０゜の間隔をもって
   設けられて一定側壁厚さの前記管に厚さの増大した区域
   を付与するために役立つ４個のかど部分とで構成され、
   中性子吸収用毒物質を収容するための前記円柱状空間が
   一定側壁厚さの前記管によって完全に包囲されている、
   燃料バンドル間の空隙に軸方向に沿って出し入れするた
   めに使用される十字形横断面の制御棒。
8. 【請求項８】４個の前記平面状部材を接合することによ
   って十字形横断面の制御棒が形成されている請求項７記
   載の制御棒。
9. 【請求項９】前記円柱状空間を有する前記管状部材の各
   端に設置されたプラグによって一次的な封止部が形成さ
   れ、かつ前記管状部材を制御棒末端部材に接合すること
   によって二次的な封止部が形成されている請求項７記載
   の制御棒。
10. 【請求項１０】前記制御棒末端部材が下方移行部、速度
    制限器および制御棒ハンドルを含む請求項９記載の制御
    棒。
11. 【請求項１１】前記制御棒ハンドル側の前記制御棒末端
    部材が矩形断面管を含んでいて、前記矩形断面管は一端
    において前記平面状制御棒部材に接合されかつ他端にお
    いて前記制御棒ハンドルに接合されていると共に、前記
    矩形断面管内には中性子吸収物質が収容されている請求
    項１０記載の制御棒。
12. 【請求項１２】前記矩形断面管内にハフニウム板が収容
    されている請求項１１記載の制御棒。
13. 【請求項１３】（ａ）一定の側壁厚さを有する管と、前
    記管に正方形の横断面を付与するため９０゜の間隔をも
    って設けられた４個のかど部分とから成る正方形横断面
    の管状部材を用意し、（ｂ）複数の前記管状部材を互い
    に並列した状態に配置し、（ｃ）前記管状部材同士を互
    いに並列した状態で接合し、（ｄ）前記管状部材内に中
    性子吸収物質を装填し、次いで（ｅ）前記管状部材の両
    端にプラグを設置して前記中性子吸収物質を前記管状部
    材内に閉込める諸工程を有することを特徴とする、平面
    状制御棒部材の製造方法。
14. 【請求項１４】プラグ設置済みの前記管状部材をそれの
    外周に沿ってそれぞれの制御棒末端部材に接合すること
    によって前記管状部材に対する二次的な封止部を形成す
    る工程を含む請求項１３記載の方法。
15. 【請求項１５】前記接合工程が溶接による接合から成る
    請求項１３記載の方法。
16. 【請求項１６】プラグ設置済みの前記管状部材の一端に
    おける前記接合工程が、（ａ）前記一端における前記管
    状部材の横断面と相補的な横断面を持った矩形断面管を
    用意し、（ｂ）前記矩形断面管内に中性子吸収物質を配
    置し、（ｃ）前記矩形断面管の一端を前記管状部材に接
    合し、次いで（ｄ）前記矩形断面管の他端を制御棒ハン
    ドルに接合して、前記中性子吸収物質を前記矩形断面管
    内に閉込めると共に、前記管状部材内に設置された前記
    プラグに対する二次的な封止部を形成することからなる
    請求項１４記載の方法。