JPS5819594A - 原子炉用制御棒要素 - 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】 本発明は原子炉制御棒要素に関し、特に軽水冷却型ある
いは重水冷却型の原子炉に好適な原子炉制御棒要素に関
するものである。

以下、沸騰水型原子炉の制御棒を例くとって説明する。

沸騰水型原子炉には炉心周辺部を除いて、４体の燃料集
合体に１体の割で制御棒が設置され、出力分布を制御し
ている。第１図に４体の燃料集合体と１体の制御棒の水
平断面図を示す。第１図において、１は多数の燃料棒束
と燃料棒束を囲むチャネルボックスから成る燃料集合体
、２は制御棒要素３を束ねるための十字型制御棒ブレー
ドである。

第２図に制御棒要素の縦方向断面図を示す。制御棒要素
は、ステンレス鋼製のアブソーバ管３１に、炭化ホウ素
（Ｂ、Ｃ）粉末を振動光てんして封入して構成される。

アブソーバ管３１の下部には、Ｂ、Ｃが原子炉内に滞在
するとき発生するヘリウムガスを蓄積するだめのプレナ
ム３３が設けられている。Ｂ４Ｃ粉末の密度は理論密度
の約７０％である。

このように構成した制御棒を原子炉で使用すると、Ｂ、
Ｃ中に約１５％含まれる１０Ｂ力（中性子照射により４
　Ｈ６と？　Ｌｉに分裂し、Ｂ、Ｃ中の１０　Ｂ濃度が
徐々に減少し、それに伴なって制御棒価値力；低下する
。第３図にｔｏＨの燃焼度に対する相対％ＩＩＪ御棒価
値低下を示す。通常制御棒価値力；約１０％低下すると
、その制御棒は核的観点ｉ−ら寿命であるとされる。

制御棒の使用寿命を決める要因として、上記以外に次の
要因が考えられる。上記の制御棒を長期間原子炉で使用
すると、Ｂ、Ｃ粉末は集密化し、次第にアブソーバ管内
面形状に合致した形のペレット状焼結体を形成していく
。ペレット状焼結体の形成過程は、もつとも大きな中性
子束に照射される制御棒要素の上部先端付近においても
つとも早く進行する。ＩＯＨの燃焼に伴なってＢ、Ｃは
スウェリングを起すが、スウェリング率はペレット状焼
結体形成後とくに大きくなる。第３図にＢ、Ｃの体積膨
張率とＩＯＢの燃焼度の関係を示す。Ｂ、Ｃのスウェリ
ングはアプソーノ（管にとっては好ましいものではない
。Ｂ、Ｃのスウェリングの一部は、アブソーバ管内の空
隙により吸収される。しかしながら、制御棒をさらに長
期間原子炉内に滞在させるとアブソーバ管内の空隙が埋
め尽された後は、アブソーバ管内にとじ込められたＢ、
Ｃのスウェリングによりアブソーバ管を内側から拡管し
ようとする圧力が発生し、アブソーバ管に歪が発生する
可能性が生じる。

したがって、通常は、Ｂ、Ｃのスウェリングによりアブ
ソーバ管に過大な歪が発生する以前に、制御棒を原子炉
から取出している。このため、制御棒使用期間は、核的
寿命の約半分となっていた。

Ｂ、Ｃのスウェリングによるアブソーノ（管の過大な歪
発生を防止する手段として、特願昭５４−１１０３８０
　号に、制御棒要素の軸方向の一部のＢ、Ｃ粉末内に中
空管を設け、Ｂ４Ｃ粉末のスウェリングを中空管の圧潰
により吸収することが述べられている。しかし、中空管
を設けてもＢ、Ｃ粉末のスウェリングの防止には殆んど
役立たず、また、Ｂ４Ｃ焼結体が形成された直後からア
ブソーバ管に大きな圧力が作用するのを防止することは
できない。さらに、Ｂ、Ｃ粉末内部の中空管の圧潰には
極めて大きなり４Ｃの圧力を必要とするため完全な圧潰
が生じる可能性は小さいと考えられる。したがって、中
空管のみを設ける手段では、アブソーバ管の機械的寿命
延長の効果は小さく、大幅な寿命延長は期待できない。

本発明の目的は、Ｂ４Ｃにスウェリングが発生してもア
ブソーバ管に過大な歪を発生させることなく、制御棒を
その核的寿命に到達するまで原子炉内で使用しつる制御
棒要素を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明では、（１）アブソ
ーバ管の内径より小さい外径を有する円柱形状の薄肉金
属容器に８４Ｃ粉末を封入し、該金属容器をアブソーバ
管に充てんする。薄肉金属容器とアブソーバ管の間には
、ギャップを設け、ギャップ幅をアブソーバ管の上部先
端に近いほど大きくなるように構成する、もしくは、（
２）外径の異なる円柱状または円筒状のＢ、Ｃ粉末の整
形体をアブソーバ管に、、充てんし、Ｂ４Ｃ焼結ペレッ
トとアブソーバ管の間にギャップを設け、ギャップ幅を
アブソーバ管の上部先端に近いほど大きくなるようにす
る、もしくは、（３）上記（１）と（２）の方法を組合
せる、ことにより目的を達成している。すなわち、上記
（１）の構成により、原子炉内での使用中にＢ、Ｃ粉末
が薄肉金属容器の内形状に合致するよう焼結整形され、
たの結果Ｂ、Ｃ焼結体とアブソーバ管の間にＢ、Ｃのス
ウェリングを吸収するための空隙が形成される。上記（
２）の構成により、Ｂ、Ｃの整形体とアブソーバ管の間
にＢ、Ｃのスウェリングを吸収しうる空間を最初から設
けられている。上記の如く構成した制御棒要素では、原
子炉で使用中にＢ４Ｃにスウェリングが発生しても、Ｂ
、Ｃ焼結体またはＢ、Ｃ整形体とアブソーバ管との間に
存在するまたは照射中に形成されるギャップによりＢ、
Ｃのスウェリングを吸収し、アブソーバ管に過大な歪を
発生することを防止でき、制御棒の核的寿命に到達する
まで制御棒を原子炉で使用することができる。

また、上記（１）の方法ではＢ、Ｃ粉末は薄肉金属容器
の内形状に合致するよう焼結整形され、上記（２）の方
法では予め円柱形状または円筒形状のＢ、Ｃ整形体を形
成するため、中性子の照射によってＢ、Ｃ焼結整形体に
形くずれが生じる恐れがなく、制御棒要素先端近傍での
制御棒価値の低下は生じない。

制御棒要素の軸方向燃焼度分布の例を第４図に示す。制
御棒要素の上部先端部の燃焼度が他の部分に比べて大き
く、先端部の局所燃焼度が使用寿命を支配している。

以下、本発明を第５図、第６図及び第７図に示した実施
例について詳細に説明する。第５図に示した実施例にお
いては、アブソーバ管３１内の上部にＢ、Ｃ粉末４２を
封入した薄肉金属容器４１を複数個封入し、その下部に
は従来と同様にＢ、Ｃ粉末３２を直接アブソーバ管に封
入する構成としている。薄肉金属容器４１Ｆｉ円柱形状
とし、たとえばステンレス鋼製とする。また薄肉金属容
器４１の内空間と外空間の間に通気性を持たせるための
微小気孔を設けている。薄肉金属容器４１の外径とアブ
ソーバ管内に設けられた自由体積との関係を第８図に示
す。第４図で見られるように、制御棒要素の上部先端に
近いほどＢ、Ｃの燃焼度が大きく、シたがってＢ、Ｃの
スウェリング率が大きいため、使用する薄肉金属容器の
外径は制御棒要素の上部先端に近いものほど小さくなる
ようにする。

その場合、金属容器の外径は、第８図に示したように、
６０Ｂの目標燃焼度に応じたＢ、Ｃのスウェリングを吸
収しうるギャップを設けることに留意する。たとえば、
第３図に示されたように、制御棒の核的寿命まで使用し
たときのＢ４Ｃのスウェリングを金属容器４１とアブソ
ーバ管３１の間に設けられたギャップで吸収するには、
アブソーバ管の上端から測って少なくとも３０．５ｃｍ
の長さの範囲ではアブソーバ管内径の約８５％の外径を
もち、アブソーバ管内径の約８０〜８３％の内径をもつ
薄肉金属容器を使用し、アブソーバ管の上端から測って
少なくとも３０．５ｃｒ１１以上でかつ少なくとも９１
．４ｍ以下の距離の部分ではアブソーバ管内径の約８９
％の外径をもち、約８４〜８７％の内径をもつ薄肉金属
容器を使用し、アブソーバ管の上端から測って少なくと
も９１．４ｍ以上でかつ少なくとも１８２．９ＣｒｒＩ
以下の距離の部分ではアブソーバ管内径の約９４％の外
径をもち、約８９〜９２％の内径をもつ薄肉金属容器を
使用する。制御棒要素の下部においては、第４図に示し
たように、その上部先端近傍に比べて中性子照射量が少
ないため、従来と同様にアブソーバ管に直接Ｂ、Ｃ粉末
を封入しておいても問題はない。上記の金属容器４１の
軸方向長さは、アブソーバ管の上部に封入したものでは
短尺にし、下部に位置するものほど長尺にする方が望ま
しい。なぜなら、照射によりＢ、Ｃの焼結体が形成され
る過程で、一時的に稠密化によりＢ、Ｃの体積が収縮す
る可能性があり、万一体積が一時的に縮小した場合、も
つとも中性子束が高くかつ制御棒価値を決める上で重要
である制御棒要素上部先端近傍において、Ｂ、Ｃの欠損
部が発生せず、Ｂ、Ｃが軸方向に一様に分布させておく
ことができるためである。

第６図に示した実施例においては、外径の異なる円柱形
状または円筒形状のＢ、Ｃ粉末の整形体４３をアブソー
バ管３１に封入する。Ｂ、Ｃ整形体の外径は、アブソー
バ管の上部に位置するものほど小さくシ、下部に位置す
るものほど大きくする。

但し、Ｂ４Ｃ整形体の外径は、′。Ｂの目標燃焼度に対
応したＢ４Ｃのスウェリングを吸収しうるギャプを設け
るように決定する。Ｂ４Ｃ整形体の外径とアブソーバ管
内の自由体積の関係を第９図に示す。

たとえば、アブソーバ管上端から測って少なくとも３０
．５ｃｒ１１の長さの範囲ではＢ、Ｃ整形体の外径をア
ブソーバ管内径の約８４％とし、アブソーバ管の上端か
ら少なくとも３０．５ｃｒｒ１以上で、かつ少なくとも
９１．４ｃｒｎ以下の距離の部分ではＢ４Ｃ整形体の外
径をアブソーバ管内径の約８８％とし、アブソーバ管の
上端から少なくとも９１．４ａｒ１以上で、かつ少なく
とも１８２．９１Ｍ１以下の距離の部分ではＢ、Ｃ整形
体の外径をアブソーバ管内径の約９３．５％とする。こ
のように構成することにより、制御棒要素の上端辺・傍
のＩＯＢの局所燃焼度が約８５％に達するまで、・即ち
、核的寿命に達するまで制御棒要素を原子炉で使用して
も、初期に設けたギャップによ、９　Ｂ、Ｃのスウェリ
ングを十分に吸収することができる。なお、Ｂ４Ｃ粉末
の整形体は、Ｂ、Ｃ粉末に例えばグラファイトを混ぜ合
せ高温下で焼結させることにより製作される。このよう
に製作したＢ、Ｃ整形体は、原子炉での使用時の温度に
おいては形くずれが生じず、もとの形状を保持すること
ができる。

第７図に示した実施例は、第４図あるいは第５図に示し
た実施例を改良したものである。第４図及び第５図に示
した実施例では、アプソーノく管の下部には直接Ｂ、Ｃ
粉末を封入するよう構成していた。第６図の実施例では
、アブソーバ管に直接Ｂ、Ｃ粉末を封入した部位に金属
製の薄肉中空管５１を設置し、その上部にＢ、Ｃ焼結ペ
レットを支えるための金属製受板５２を取付けている。

薄肉中空管５１及び受板５２はたとえばステンレス鋼製
とし、その上部に封入したＢ、Ｃ整形体４３もしくはＢ
、Ｃ粉末を封入した金属容器４１を十分支えることがで
きる程度の強度を有し、かつできる限り薄肉にしておく
。このように構成することにより、制御棒要素を原子炉
で使用した場合、万一下部に封入したＢ４Ｃ粉末の体積
が一時的に縮小しても、その上部に封入されたＢ４Ｃ整
形体もしくはＢ４Ｃ粉末封入金属容器が下方向に移動す
ることが防止できる。さら鈍、下部に封入したＢ、Ｃが
アブソーバ管３１と薄肉中空管５１により決められた形
状に焼結され、その後Ｂ４Ｃのスウェリングが増加して
も、薄肉中空管５１の圧潰によりＢ、　Ｃのスウェリン
グを吸収することができ、アブソーバ管に過大な歪が発
生するのを防止するという効果が期待される。

なお、上記の第５図、第６図及び第７図に示した実施例
において、原子炉で使用中にＢ、Ｃ内で発生す゛る熱を
除去する必要があるが、アブソーバ管と金属容器４１も
しくはＢ、Ｃ整形体４３の間のギャップ幅が大きいほど
熱伝達率は低下し、Ｂ、Ｃの温度が上昇する。しかし逐
がら、制御棒要素内にあらかじめヘリウム１気圧を封入
しておけば、ギャップ幅を設けたことによるＢ、Ｃ温度
の上昇は最大で高々２０〜３０Ｃ程度である。

制御棒要素の上部においてＢ、Ｃの外径が従来より約７
〜１５％小さくなったことにより制御棒価値が減少する
可能性がある。しかしながら、Ｂ、Ｃの整形体の密度を
理論密度の約８５％以上にすれば、１０Ｂの個数密度は
従来のものに比べて増加しており、長期間の使用中に生
じる制御棒価値低下の割合は従来のものより小さくする
ことができ、全使用期間にわたって制御棒価値の変動を
小さく抑えることができる。

第５図に示した実施例において長期間の使用中に生じる
制御棒価値低下の割合を小さくするには、外径の小さい
金属容器４１に封入したＢ、Ｃのホウ素の組成比を変更
し、従来用いられているものより約１５％以上１０　Ｂ
濃度を高くする。こうすることにより、長期間の使用中
に生じる制御棒価値低下の割合を従来の制御棒と同程度
またはより小さくすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、制御棒を原子炉
で核的寿命に到達するまで長期間使用しても、アブソー
バ管に過大な歪が発生することなく、かつ制御棒の使用
寿命を最大限に延長することができ、安全上及び経済上
の改善効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は沸・騰水型原子炉の燃料集合体及び制御棒ブレ
ードの水平断面図、第２図は′制御棒要素の縦断面図、
第３図は制御棒価値及びＢ　４　Ｃ体積膨張率と１０　
Ｂの燃焼度との関係図、第４図は制御棒要素の軸方向位
置と燃焼度の何区、第５図、６図、７゛図は本発明の制
御棒要素の縦断面図、第８図は薄肉金属容器外径とアブ
ソーバ管内の自由体積の関弐図、第９図はＢ、Ｃ整形体
の外径とアブソーバ管内の自由体積の関係図である。 １・・・燃料集合体、２・・・制御棒プレ、−ド、３・
・・制御棒要素、３１・・・アブソーバ管、３２，４２
・・・Ｂ、Ｃ粉末、３３・・・プレナム、４１・・・薄
肉金属容器、４３・・・Ｂ４Ｃ整形体、５１・・・薄肉
円筒管、５２・・・金ター【　ノ　ｔｉｌ −一＝Ｊ ＝＝＝＝＝） 第２１２１ ％　３　図 ＩＯδｎ　Ａら　ｔｆｒ　オτタスＬ崖　　（×）第　
４　図 ’ｌ１１５ｉｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、中性子吸収物質としてＢ、Ｃを金属製被覆管に密封
   して成る原子炉用制御棒要素において、Ｂ４Ｃ粉末を外
   径及び高さが異なりかつ内側気量と外側空間の間に通気
   孔を設けた円柱形状の薄肉金属容器に封入し、制御棒被
   覆管内の軸方向の・一部処その一端から他端に向ってＢ
   、Ｃを封入した該薄肉金属容器をその外径及び高さが小
   さいものから大きいものの順に配列するよう封入し、制
   御棒被覆管内の軸方向の他の部分にＢ、Ｃ粉末を直接封
   入したことを特徴とする原子炉用制御棒要素。 ２、特許請求の範囲第１項に記載した原子炉用制御棒要
   素において、Ｂ、Ｃを封入した薄肉金属容器の代りに、
   予め外径及び高さの異なる円柱形状または円筒形状に整
   形し形くずれしないＢ、Ｃ粉末の整形体を制御棒被覆管
   の一端側から他端に向つ七その外径及び高さが小さいも
   のから大きいものの順に配列するよう封入したことを特
   徴とする原子炉制御棒要素。 ３、特許請求の範囲第１項または第２項に記載した原子
   炉用制御棒要素において、Ｂ４Ｃ粉末を薄肉金属容器を
   介せず制御棒被覆管に直接封入した軸方向位置に、一端
   に円板状金属板を取付けた薄肉中空円筒状の金属管を配
   置し、Ｂ４Ｃ粉末を封入した薄肉金属容器またはＢ、Ｃ
   粉末の整形体を支持できる構造としたことを特徴とする
   原子炉制御棒要素。 ４、特許請求の範囲第１項、第２項または第３項に記載
   した原子炉用制御棒要素において、Ｂ、Ｃのホウ素の組
   成を、Ｂ４Ｃ粉末を封入した薄肉金属容器の内径または
   Ｂ、Ｃ粉末の整形体のホウ素の１０Ｂ濃度を８４Ｃ粉末
   のホウ素の１０Ｂ濃度より大きくしたことを特徴とする
   原子炉用制御棒要素。 ５、特許請求の範囲第１項、第３項または第４項に゛記
   載した原子炉用制御棒要素において、該薄肉金属容器の
   外径を、制御棒要素上部先端から測って少なくとも３０
   ．５ｃｍ以下の距離の位置ではアブソーバ誉内径の約８
   ５％とし、少なくとも３０．５ｍ以上で、かつ９１．４
   ｃｒｙ＋以下の距離の位置ではアブソーバ管内径の約８
   ９％とし、少なくとも９１．４備以上でかつ１８２．９
   ｃｍ以下の距離の位置ではアブソーバ管内径の約９４％
   としたことを特徴とする原子炉用制御棒要素。 ６、特許請求の範囲第２項、第３項または第４項に記載
   した原子炉用制御棒要素において、該Ｂ、Ｃ粉末の整形
   体の外径を、制御棒要素上部先端から測って少なくとも
   ３０．５ｃｒｒ１以下の距離の位置ではアブソーバ管内
   径の約８４％とし、少なくとも３０．５ｃｒｒ１以上で
   、かつ９１．４ｍ以下の距離の位置ではアブソーバ管内
   径の約８８％とし、少なくとも９１．４ｃＩｎ以上で１
   ８２．９ｃｒｎ以下の距離の位置ではアブソーバ管内径
   の約９３．５％としたことを特徴とする原子炉用制御棒
   要素。 ７、特許請求の範囲第１項、第３項、第４項または第５
   項に記載した原子炉用制御棒要素において、該薄肉金属
   容器の高さを制御棒要素上部先端はど小さくしたことを
   特徴とする原子炉用制御棒要素。