JPH068872B2

JPH068872B2 - 原子炉用制御棒

Info

Publication number: JPH068872B2
Application number: JP60019857A
Authority: JP
Inventors: 精植田
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-02-06
Filing date: 1985-02-06
Publication date: 1994-02-02
Anticipated expiration: 2009-02-02
Also published as: JPS61180186A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は沸騰水型原子炉等の原子炉の炉心部に挿入され
る原子炉用制御棒に関する。

〔発明と技術的背景とその問題点〕

原子炉用制御棒には原子炉の出力分布および出力レベル
調整用の制御棒（以下、出力調整用制御棒という。）と
原子炉の安全停止用制御棒とがあり、これらは現在同じ
構成の制御棒が使用されている。しかし、原子炉の運転
法改良に関する研究が積極的に進められる中で最近は出
力調整用制御棒と安全停止用制御棒とが機能分担して使
用されるようになってきた。

一般に、沸騰水型原子炉では、制御棒は炉心下部から原
子炉内に挿入される。このうち、出力調整用制御棒は、
原子炉を高出力運転させる時でも多くの場合、炉心内に
挿入されており、多量の中性子照射を受ける。したがっ
て、炉出力調整用制御棒は、多量の中性子照射を受けて
も、核的特性があまり劣化しない、いわゆる長寿命型の
ものを使用することが好ましい。

一方、原子炉の安全停止用制御棒は、原子炉の高出力運
転時には炉心から引き抜かれているため、引抜状態でも
多量の中性子照射を受ける先端部を除き、殆ど中性子照
射を受けることがない。

また、炉出力調整用制御棒は原子炉の高出力運転時に炉
出力分布および出力レベルの調整用に使用されるもので
あるから、安全停止用制御棒よりもやや小さな反応度価
値のものでよく、安全停止用制御棒は原子炉を安全に停
止させ得るように、従来の制御棒より大きな反応度価値
を有することが必要である。反応度価値を増大させるた
めには、横断面十字状をなす制御棒のウィング内に中性
子吸収材である例えばＢ_４Ｃ（ボロンカーバイド）を多
量に充填すればよい。

ところで、従来の制御棒は、第９図（Ａ）および（Ｂ）
に示すように、十字状横断面を有するタイロッド１の各
突脚に、深いＵ字状断面のシース２を取付けてウィング
３を形成し、各ウィング３内に複数の中性子吸収棒４を
列状に装填することにより構成される。中性子吸収棒４
は被覆管５内にＢ_４Ｃの中性子吸収材６を充填したもの
である。なお符号７はハンドル８を取付けた先端構造材
であり、この先端構造材７にはガイドローラ９が設けら
れている。

しかし、従来の制御棒は、第９図（Ａ）および（Ｂ）に
示すように構成されているため、シース２の寸法構造を
変更しない限り、ウィング３内に現在以上の中性子吸収
材６を充填することは困難である。しかも、１つの原子
炉内に寸法の異なる制御棒を使用することは炉構成上不
可能である。このため、第９図（Ａ）および（Ｂ）に示
す従来の制御棒においては、制御棒の寸法を変えないで
反応度価値の大きな制御棒を得ることが困難で、反応度
価値の大きな安全停止用制御棒を得ることができなかっ
た。

〔発明の目的〕

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、充填
される中性子吸収材の形状、充填量、種類および組成比
を変えることによって、反応度価値が大きく、長寿命型
の安定停止用制御棒に適した原子炉用制御棒を提供する
ことを目的とする。

本発明の他の目的は反応度価値を大きくしても比較的軽
量で安価に製造することができる原子炉用制御棒を提供
することである。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために、本発明に係る原子炉用
制御棒は、先端構造材と下端構造材を結合したタイロッ
ドに、深いＵ字状断面のシースを取付けてウィングを構
成し、全体として十字状横断面を有する原子炉用制御棒
において、前記先端構造材に隣接するウィングの内部空
間に金属製長寿命型中性子吸収材を配設し、残りのウィ
ング内部空間に平板状の中性子吸収要素を複数個列状に
配列し、上記中性子吸収要素のうち、前記先端構造材側
の複数の中性子吸収要素の少なくとも側周を金属製周辺
中性子吸収材で取り囲み、この中性子吸収材をウィング
の内部空間内に収容したことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明に係る原子炉用制御棒の好ましい実施例に
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を示すもので、特
に安全停止用の制御棒に適する原子炉用制御棒である。
この原子炉制御棒はタイロッド１０を有し、このタイロ
ッド１０に先端構造材１１および図示しない下端構造材
が結合されて一体化される。先端構造材１１は原子炉用
制御棒の挿入を案内するガイドローラ１２を備えるとと
もに、操作用ハンドル１３が設けられる。

一方、タイロッド１０は十字状横断面を有し、その突脚
に深いＵ字状断面のシース１４が取付けられ、ウィング
１５が構成される。ウィング１５内には偏平な内部空間
が形成され、先端構造材１１に隣接するウィング１５の
内部空間には金属製長寿命型中性子吸収板１６が配設さ
れる。この中性子吸収板１６はハフニウム（Ｈｆ）ある
いはＨｆ−Ｚｒ合金で形成され、内部空間に係合する偏
平形状に構成される。例えばハフニウムは中性子吸収能
力が優れた金属材で、ボロンカーバイド（Ｂ_４Ｃ）の３
〜６倍の寿命を有する。

長寿命型中性子吸収板１６は、制御棒を炉心から引き抜
いた時でも中性子に照射されるので、ハフニウムを主成
分とした寿命の大きな金属製の中性子吸収板が用いら
れ、その長さｌは５cm〜１５cm程度である。長寿命型中
性子吸収板１６の下端は外端側に向って下り傾斜してい
る。

また、前記中性子吸収板１６に隣接するウィング１５の
内部空間には第１群および第２群の平板状の中性子吸収
要素１７，１８が複数個列状に密接して配列される。中
性子吸収要素１７，１８は第２図に示すように、ステン
レス製の平板状平缶１９内にボロンカーバイド（Ｂ
_４Ｃ）の粉末や、ユーロッピア（Ｅｕ_２Ｏ_３）、ガドリ
ニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）、サマリニア（Ｓｍ_２Ｏ_３）、ディ
スプロシァ（Ｄｙ_２Ｏ_３）等の希土類元素酸化物とハフ
ニア（ＨｆＯ_２）との混合粉末あるいは粒状吸収材２０
を充填させたものである。

前述の各種中性子吸収材はそれぞれ単独もしくは複数の
希土類元素酸化物のみの混合物として使用することもで
きる。

中性子吸収要素１７は全体として偏平な平行四辺形状に
形成され、その上端面および下端面はウィング１５の外
側端に向って下り傾斜され、中性子吸収要素１７の平缶
１９内には溶接可能な金属スペーサ２１を分散的に配設
し、中性子吸収要素１７の対向する金属板間の間隔を一
定の範囲に保持している。

さらに、中性子吸収要素１７は内側の上端面側に吸収材
充填口２２が上方に突出して形成され、この充填口２２
から粉末あるいは粒状吸収材２０が充填され、その充填
後にプラグ２３で閉塞される。このとき、充填口２２は
プラグ２３で溶着されるが、この溶着時に熱が吸収材に
直接伝達されるのを防ぐため、充填口部には金属ウール
２４が介装される。しかして、中性子吸収要素１７に隣
接する上方の中性子吸収要素17には、吸収材充填口２２
に対応する係合段部２５が形成され、この係合段部によ
り複数の中性子吸収要素１７，１８の密接配列が可能に
なる。

中性子吸収要素１７，１８の平板状平缶１９内に例えば
粉末吸収材２０を充填させた場合、吸収材２０は原子炉
の運転に伴う各種振動により沈積が若干生じ、金属ウー
ム２４の下方に空隙が発生する。しかし、中性子吸収要
素１７，１８平缶１９の上端面および下端面は外側端面
に向って下り傾斜しているため、中性子吸収要素１７内
に発生する空隙はウィング１５の外側端まで発生するこ
とはない。反応度効果の観点からみると、ウィング１５
の内側端近傍はウィング外側端近傍に較べて制御棒の反
応度への寄与率が小さい。したがって、ウィング内側端
部に発生した空隙による制御棒反応との損失割合は外側
端部に発生した場合より小さい。すなわち、原子炉にお
ける反応度の損失を有効的に抑制することができる。

また、原子炉用制御棒は先端構造材１１から制御棒全長
の約１／３程度の長さまでの間に収容される第１群の中
性子吸収要素１７の側周には、ハフニウムを主成分とす
る金属製周辺中性子吸収材２６で取り囲まれる。この中
性子吸収材２６は柱状に構成され、具体的には、第２図
に示すように、タイロッド１０側に配設された内側部中
性子吸収材２６ａとウィング１５の外側端側に配設され
た外側端中性子吸収材２６ｂと、各中性子吸収要素１
７，１７間に介装される吸収要素間中性子吸収材２６ｃ
とから構成される。

このように、第１群の中性子吸収要素１７の外周を取り
囲むように金属製周辺中性子吸収材２６を設けることに
より、第５図（Ａ）に示すように中性子吸収能力の有効
幅Ｗ_１を拡張することができ、第５図（Ｂ）に示すよう
に金属製中性子吸収材を備えない中性子吸収要素１８の
ように中性子吸収能力の有効幅Ｗ_２が狭いという問題が
解消される。

なお、先端構造材１１から制御棒の全長の約１／３以上
離れたウィング１５の内部空間に配設される第２群の中
性子吸収要素１８には、金属製周辺中性子吸収材２６は
配設されない。

ところで、沸騰水型原子炉では、原子炉停止時に炉心高
さ全長のうち、上方から約１／３までの部分で未臨界度
が特に浅くなる。本発明の原子炉用制御棒はこの点に着
目し、制御棒の上方部分の反応度を大きくし、さらに、
先端部分は制御棒引抜時にも中性子照射されることか
ら、長寿命型中性子吸収板１６を配設したものである。

次に、作用を説明する。

本発明に係る原子炉用制御棒は、原子炉の高出力運転
時、炉心内に残って多量の中性子照射を受ける先端部は
長寿命型中性子吸収板１６が装填されているので、多量
の中性子照射を受けても、その寿命を他部と同等以上と
することができる。

また、制御棒のウィング内部空間に配列される中性子吸
収要素１７，１８は平板状平缶内に粉末または粒状吸収
材が充填されるので、中性子吸収棒を並列配置した従来
の制御棒に較べ、多量の中性子吸収材をウィング内に配
置することができるとともに、制御棒の先端から約１／
３程度の領域内に配設される第１群の中性子吸収要素１
７の少なくとも側周にハフニウムを主成分とする金属製
周辺中性子吸収材２６が設けられるので、反応度価値を
従来の制御棒より大きくすることができる。したがっ
て、中性子吸収要素１７に充填される吸収材の充填度や
金属製周辺中性子吸収材２６の配設量、その他の緒元
を、炉出力調整用制御棒の反応度価値に見合って選定す
れば、原子炉を安全かつスムーズに停止させることがで
きる。

さらに、第１群の中性子吸収要素１７Ａの平板状平缶を
ＳＵＳのステンレス鋼製とした場合にも、第６図および
第７図に示すように、平缶１９ａの表面をハフニウムを
主成分とする金属製薄板２８で両側から覆い、この金属
製薄板２８をウィング１５Ａの内部空間内に介装させて
もよい。金属製薄板２８は好ましくは平缶１９ａに取り
付けられる。この金属製薄板２８を平缶１９ａに設けた
場合には、中性子吸収要素の平板状平缶をハフニウムを
主成分とする金属製平缶で製造した場合と、同等の効果
を奏する。

次に、原子炉用制御棒の他の実施例を第８図を参照して
説明する。

この実施例に示された原子炉用制御棒はウィング１５Ｂ
の内部空間に列状に配設される中性子吸収要素１７Ｂ，
１８Ｂの構造が一実施例で示したものと基本的に相違
し、他の部材は実質的に異ならないので同じ符号を付
し、説明を省略する。

中性子吸収要素１７Ｂ，１８Ｂは矩形の平板状平缶１９
Ｂ内に、焼結された吸収材２０Ｂを充填させたものであ
る。すなわち、平板状平缶を１９Ｂ内に、ボロンカーバ
イド（Ｂ_４Ｃ）の焼結体や、ユーロッピア（Ｅｕ
_２Ｏ_３）、ガドリニア（Ｇｄ_２Ｏ_３）、サマリニア（Ｓ
ｍ_２Ｏ_３）、ディスプロシァ（Ｄｙ_２Ｏ_３）等の希土類
酸化物焼結体、または、ハフニア（ＨｆＯ_２）の焼結体
あるいは前記希土類元素酸化物とＨｆＯ_２との混合焼結
体を充填したものである。このように平缶１９Ｂ内に焼
結された吸収材を充填させるため、中性子吸収要素１７
Ｂ，１８Ｂの上端面や下端面、金属製長寿命型中性子吸
収板１６の下端部をウィング１５Ｂの外側端側に向って
下り傾斜させる必要はない。したがって、第１群の中性
子吸収要素１７Ｂ，１８Ｂ間に配設される吸収要素間中
性子吸収材２６ｃを斜めに配設する必要はない。

しかして、原子炉用制御棒の先端から１／３までの長さ
のウィング１５Ｂの内部空間に配設される第１群の中性
子吸収要素１７Ｂに、ハウニウムを主成分とする金属製
周辺中性子吸収材２６を設けることにより、中性子吸収
要素間に構造材導入に伴う反応度の低下や、タイロッド
側およびウィング外側端に構造材導入に伴う反応度の低
下を抑えることができ、かつ中性子吸収要素１７Ｂの側
周に設けられた金属製周辺中性子吸収材２６により、中
性子吸収用の有効幅を拡大して、反応度を上昇させるこ
とができる。したがって、原子炉の停止時に未臨界度が
浅くなる炉心部分の反応度価値を大きくすることがで
き、炉停止部の未臨界度をより深くし、炉停止を安全か
つ確実に行なうことができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係る原子炉用制御棒におい
ては、先端構造材に隣接するウィングの内部空間に金属
製長寿命型中性子吸収材を配設し、残りのウィング内部
空間に平板状の中性子吸収要素を複数個列状に配列し、
上記中性子吸収要素のうち、先端構造材側の複数の中性
子吸収要素の少なくとも側周を金属製中性子吸収材で取
り囲み、この中性子吸収材をウィング内部空間に収容し
たから、平板状中性子吸収要素を用いることによって、
中性子吸収材の充填量が従来の制御棒に比べて増大し、
また中性子吸収要素に充填される中性子吸収材の種類や
組成比を適宜選択することにより、反応度価値が大き
く、長寿命型の安全停止用制御棒を提供することができ
る。

また、この原子炉用制御棒は金属製長寿命型中性子吸収
板やハフニウムを主成分とする金属製周辺中性子吸収材
を適所に配設しただけであり、全長にわたって高価で重
量のある金属製中性子吸収材を配置する必要がないの
で、比較的軽量で安価な制御棒とすることができる。

【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一実施例を示す
図、第２図は第１図に示した原子炉用制御棒を部分的に
拡大して示す部分断面図、第３図は第１図のIII−III線
に沿う平断面図、第４図は第３図のIV−IV線に沿う断面
図、第５図（Ａ）および（Ｂ）は本発明に係る原子炉用
制御棒に組み込まれる中性子吸収要素と従来の中性子吸
収要素をそれぞれ示す平断面図、第６図は原子炉用制御
棒の第３図に対応する変形例を示す平断面図、第７図は
第６図のVII−VII線に沿う断面図、第８図は本発明に係
る原子炉用制御棒の他の実施例を示す図、第９図（Ａ）
は従来の原子炉用制御棒を示す図、第９図（Ｂ）は第９
図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う平断面図である。１０…タイロッド、１１…先端構造材、１４…シース、
１５…ウィング、１６…金属製長寿命型中性子吸収材、
１７，１７Ａ，１７Ｂ，１８，１８Ａ，１８Ｂ…中性子
吸収要素、１９…平缶、２０…吸収材、２１…金属スペ
ーサ、２６…金属製中性子吸収材、２６ａ…内側部中性
子吸収材、２６ｂ…外側端中性子吸収材、２６ｃ…吸収
要素間中性子吸収材、２８…金属製薄板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】先端構造材と下端構造材とを結合したタイ
ロッドに、深いＵ字状断面のシースを取付けてウィング
を構成し、全体として十字状横断面を有する原子炉用制
御棒において、前記先端構造材に隣接するウィングの内
部空間に金属製長寿命型中性子吸収材を配設し、残りの
ウィング内部空間に平板状の中性子吸収要素を複数個列
状に配列し、上記中性子吸収要素のうち、前記先端構造
材側の複数の中性子吸収要素の少なくとも側周を金属製
周辺中性子吸収材で取り囲み、この中性子吸収材をウィ
ングの内部空間内に収容したことを特徴とする原子炉用
制御棒。
【請求項２】長寿命型中性子吸収材は、ハフニウムある
いはＨｆ−Ｚｒ合金で形成され、中性子吸収要素は、平
板状の平缶内にボロンカーバイド、あるいはユーロッピ
ア、ガドリニア、サマリニア、ディスプロシャ等の少な
くとも１種類の希土類酸化物とハフニアとの粉末もしく
は粒状吸収材、またはこれらの焼結体などが充填されて
構成された特許請求の範囲第１項に記載の原子炉用制御
棒。
【請求項３】中性子吸収要素の平板状平缶はステンレス
鋼製またはハフニウムを主成分とする金属製である特許
請求の範囲第２項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項４】ウィングの内部空間に収容される中性子吸
収要素のうち、先端構造材から制御棒全長の１／３程度
までの複数の中性子吸収要素の側周にハフニウムを主成
分とする金属製周辺中性子吸収材を設けた特許請求の範
囲第１項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項５】側周が金属製周辺中性子吸収材で取り囲ま
れた中性子吸収要素の表面はハフニウムを主成分とする
金属製薄板で覆われ、この薄板はウィングの内部空間に
介装された特許請求の範囲第１項に記載の原子炉用制御
棒。
【請求項６】ウィングの内部空間には、金属製長寿命型
中性子吸収板に隣接して、ウィング内部空間の全長の約
１／３の長さに、ハフニウムを主成分とする平板状金属
製平缶内にハフニア、ガドリニア、サマリニア、ディス
プロシャ、ユーロッピア等の酸化物混合焼結体を充填し
た第１群の中性子吸収要素を配置するとともに、この第
１群中性子吸収要素に隣接する下端構造材側には、ステ
ンレス製平板状平缶内にボロンカーバイド焼結体を充填
した第２群の中性子吸収要素を配置した特許請求の範囲
第１項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項７】中性子吸収要素の平板状平缶内には溶接可
能な金属スペーサを分散的に配設し、中性子吸収要素の
対向する金属板間の間隔を一定の範囲に保持した特許請
求の範囲第１項に記載の原子炉用制御棒。