JPS5858037B2 - 原子炉制御棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は原子炉用制御棒に係るものであり、更に具体的
にいえば、中性子吸収のペレットの積重体を収容した円
筒形の制御棒に係るものである。

特に加圧水型原子炉で普通行なわれていることであるが
、制御棒を原子炉の頂部から燃料組立体の中へ挿入して
出力と炉心内の出力分布とを制御している。

これらの制御棒は、同じ形の中性子吸収毒物質、通常Ｂ
４Ｃのペレットの積重体を収容している中空の金属管か
ら戒るのが普通である。

炉心中では、制御棒は匍脚棒案内棒内管中を往復動する
。

これらの案内管は炉心内に障害物のない路を形成すると
共に燃料組立体を保持している。

案内管の内径は燃料組立体の格子構造が許容する最大値
に通常選ばれており、その中にできるだけ大きい直径の
制御棒を挿入できるようにしている。

この制御枠内のＢ４Ｃペレットの直径を最大とすること
は望ましいことである。

制御棒の吸収効果は特に熱中性子炉ではペレットの表面
積に非常に大きく依存しているからである。

そして熱伝達を促進するためＢ４Ｃペレットと制御棒の
被覆との間に、制御棒とそれの案内管との間の隙間を狭
くするのが普通である。

Ｂ４Ｃペレットと被覆との間には、炉心内でペレットが
照射されるときに生じるペレットの膨張を吸収するだけ
の隙間がなければならない。

非常に重大なことはこの膨張したペレットが被覆の壁を
強く押し過ぎないようにするということである。

被覆があまり変形すると制御棒が案内管の中でつかえて
しまうというようなことになるからである。

しかし、その隙間が太き過ぎると、制御棒の往復動の結
果としてＢ４Ｃペレットから剥落した剥落片（以下これ
をペレットチップまたは剥落チップと呼ぶ）が制御棒の
下方端の間隙にたまって、その下方端のペレットが膨張
すると被覆をすぐに変形させてしまう。

制御棒の全長にわたる平均累積被曝と制御棒の一点での
最大被曝とが制御棒の実効寿命を決定する。

平均被曝制限はＢ４Ｃ中のＢ−１０吸収アイソトープの
累積破壊に関係しており、この累積破壊が生じると制御
棒の全長を挿入しても原子炉を制御できなくなる。

最大放射線制限は被覆の局所歪みと制御棒がそれの案内
管内でつつかえる可能性とに関係している。

発電用原子炉に使用する制御棒の設計の大きな問題は、
制御棒の平均被曝制限到達前に炉心に一番近い制御棒の
端が最大被曝制限に到達してしまうという経済的に不都
合な事実である。

これは、全制御棒を炉心から出した引込め位置にしてい
ても制御棒の先端が高い放射能をうけるということによ
って生じるのである。

引込めた位置にしたとき制御棒の先端を炉心から遠く離
すようにするため原子炉容器を長くすると費用がかＳり
過ぎるということになる。

これまでの解決策の一つは、銀・インジウム・カドミウ
ム（Ａｇ・Ｉｎ−Ｃｄ）のスラグを制御棒の下端に詰め
込んで、Ｂ４Ｃの大きな膨張を生じさせないようにする
ということである。

しかしＡｇ・Ｉｎ−ｃｄはＢ４Ｃよりもはるかに高価で
あり、そして中性子吸収強度は僅かに小さい。

本発明の要約 本発明の目的は、放射線をうけて膨張する中性子吸収毒
物質ペレットの積重体を収容している制御棒の有効寿命
をのばし、そのために制御棒の製作費を高くしたり、中
性子吸収特性を減少せしめるということのないようにす
ることである。

本発明の別の目的は、炉心頂部に配置した制御棒の下方
端において最大放射線被曝をうけて制御棒の寿命を短縮
するという不経済な事態を緩和し、しかも制御棒の下方
端において十分な中性子吸収強度を維持するような仕方
で制御棒の下方端のＢ４Ｃペレットを利用していること
である。

更に別の目的は、制御棒の下方端のペレットとそれに隣
接する被覆との間にペレットの剥落チップが詰まらない
ようにすることである。

本発明によれば、制御棒の先端内のペレットの少なくと
も一つはその制御枠内のその他のペレットに比して僅か
に小さい半径を有するものとする。

この小径ペレットの周りにスリーブを嵌めてから制御棒
に挿入し、そして制御枠内に密閉する。

このスリーブの材料は圧縮して制御棒の寿命中ペレット
の被曝膨張を吸収することができる材料であって被覆の
歪みに対する設計限界を越える歪みを被覆につくるとい
うようなことはない。

本発明により制御棒の寿命は制御棒先端被曝以外の制約
によって決められることＳなる。

好ましい実施例では、スリーブの熱伝導は最小として、
制御棒の先端が炉心内の最大中性子束に曝される所にあ
ってもＢ４Ｃの融点以下にペレットの中心温度を維持す
るようにする。

満足すべきスリーブ材料の一つは、２２．５％の理論密
度の多孔金属の形態のタイプ３４７ステンレス鋼である
。

好ましい実施例の説明 第１図に示す制御棒１０の円筒形被覆１２にはＢ４Ｃ吸
収ペレット１４，１６が詰め込まれている。

典型的な原子炉においてはペレット１４は１２フィー１
−（３，７メートル）又はそれ以上にも積上げられるが
、本発明の実施例で重大とされているのは制御棒１０の
下方部分である。

制御棒１０の下方部分の約１０インチ（２５センチメー
トル）に収容されているＢ４Ｃペレット１６の半径は他
のペレット１４の半径よりも小さい。

原子炉の設計によることであるが、半径の小さい方のペ
レットは約１８インチ（４６センチメードル）までのび
ている。

ペレット１４とペレット１６とは被覆１２内に密封され
ており、下方のシールすなわち端部キャンプ２０は被覆
１２へ溶接されており、そして被覆の内径と同じ半径を
有するスペーサ１８により端部ペレット１６から端部キ
ャップ２０は端されている。

端部ペレット１６の周りを包んでいる金属のスリーブ２
２は、この好ましい実施例では、端部ペレット１６と被
覆１２との間の空間を埋めている。

第２図は制御棒１０内に挿入する前のスリーブ２２を示
す。

ペレット１６をスリーブ２２で包んで、一体としたもの
を被覆１２に挿入して、それから端部キャップ２０とス
ペーサ１８とを溶接する。

第１図に示すように、スリーブ２２の上方部分２４は一
番下のペレット１４の底面２６に衝合し、そしてそれに
よって正しい位置からずれないよう゛になっている。

制御棒１０が炉心（図示せず）に対して引上げられた位
置にあるとき、端部キャップ２０は燃料から数インチし
か離れておらず、従って制御棒１０の下端部をかなりの
中性子束が照射する。

中性子束は炉心から離れるにつれて急速に減少し、端部
キャップ２０から約１フイーｈ（３０センチメートル）
離れた制御棒１０の点では本発明でとり上げた問題は殆
んどなくなる。

中性子束に曝されるとＢ４Ｃペレットはその中で生じる
中性子吸収にはゾ比例した割合で膨張する。

制御棒を炉心より上に引上げていてさえも、中性子は下
端部のペレット１６にかなりの割合で吸収されつゾける
。

スリーブ２２が端部ペレット１６の膨張につれて圧縮さ
れていくことによりこの膨張をうけ入れ、それによりペ
レットの膨張力は被覆１２へ殆んど伝達されなくなる。

上に述べたように、被覆１２は殆んど膨張させてはなら
ない。

もし膨張すると被覆は制御棒の案内管（図示せず）内で
つまってしまうことがあるからである。

被覆の最大許容歪みは原子炉設置の認可に際して４毎に
決定される。

本発明によると制御棒１０の下方部分内の端部のペレッ
ト１６はその他の制御棒のペレット１４よりもかなり高
い累積被曝を経験しても制御棒の有効寿命を不当に縮め
るということはない。

制御棒１０の上方部分は、制御棒１０を炉心に挿入する
ときだけ多少被曝するか、下方部分はそれが炉心内にあ
るときばかりでなく、既に述べたように、制御棒１０が
炉心から引き出されているときにも被曝する。

原子炉内の制御棒は、急速に全長を挿入することにより
炉を急速停止させるばかりでなく、又炉心内の中性子束
の分布形状と出力とを調節するためにも使用される。

これらの制御棒は正常な炉操作の部分としてしばしば炉
心から出し入れする。

この操作によりペレット１４の積重体からＢ４Ｃの小さ
い剥落チップが制御棒１０の下方部分に徐々に落ちてい
き、そしてこれを阻止する有効な障壁がなければ、下方
のペレット１６と隣接の被覆１２との間の隙間の部分に
詰まってしまう。

中性子被曝後ペレットが膨張するとその詰まった剥落チ
ップの存在は被覆１２を直ちに変形させるか、又は被覆
１２にめり込んでしまう。

ところが第１図に示すように、スリーブ２２を設けると
これが有効な障壁として役立ち普通のペレット１４から
端部ペレット１６へ剥落チップのようなものは例も落ち
ていけないようになる。

出力を制御するのに用いる制御棒は、Ｂ４Ｃペレットが
最大許容の全出力中性子束をうけているときＢ４Ｃペレ
ット内に発生する熱に耐えられなければならない。

制御棒の端部領域はある場合には、炉心の最高中性子束
内にあり、そして端部ペレットの温度が設計限界値、典
型的にはＢ４Ｃの融点を越えることなく、端部ペレット
１６内に発生した熱を被覆１２を通って消散させること
のできる熱伝導特性をスリーブ２２は持っていなければ
ならない。

このため問題が生じる。スリーブ２２として望ましい圧
縮性を有する材料には望ましい熱伝導性がないのが通常
だからである。

本発明の好ましい実施例においては、理論密度２２．５
％のタイプ３４７のステンレス鋼からつくられたスリー
ブ材料は、最小限満足できる熱伝導性を有しており、そ
して満足すべき圧縮性を有していることが判った。

このステンレス鋼の被覆の内直径が０．７４５インチ（
１８，９ミリ）であり、そして被覆の厚みが０．０３６
インチ（０，９１ミＩＪ）である典型的な制御棒の設計
では、スリーブ厚みを０．０３２インチ（０，８１ミリ
）にし、そして端部ペレット直径を０．６７４インチ（
１７，１ミリ）にすると満足すべき結果が得られる。

被覆の応力の設計限界が６５，０００ポンド／平方イン
チ（４，５７ｏＫｐ／ｉ） （高温で照射されない状態
での降伏強度）であるとすると、この応力限界に到達す
るまでに中性子吸収によりＢＩＯ原子の６５％が消費さ
へその結果ペレットの直径が６．５％増大する。

すべてのＢｌ Ｇ原子が消費されるとペレット半径は約
１０％増大する。

新しい制御棒を炉心に挿入してその端部領域が平方セン
チメートル当り毎秒３．０Ｘ１０ 個の中性子（定常
状態での熱中性子炉の全中性子束）をうけたとすると、
Ｂ４Ｃペレットの中心線上の温度は２，２００’Ｆ（１
２１０℃）であり、これはＢ４Ｃの融点２，５００’Ｆ
（１３７０℃）よりも低い。

２２，５％の理論密度のタイプ３４７ステンレス鋼のス
リーブ２２の圧縮性は、５０００−６０００ポンド／平
方インチ（３５０に７／ｉ−４２０Ｋｙ／ｉ ）の応力
を印加すると約５０パーセントその厚さが減する。

この材料は３．５ＢＴＵ／時間／平方フィート／′Ｐ（
１４，７ＫｃａＡ／ｙｌ・時・°Ｃ）の最小熱伝導率を
有している。

第１図の実施例では、少なくとも３，０００ＢＴＵ／時
間／平方フィート／下（１４，７Ｋｃａ、ｆｆ／ｍ′・
時・℃）の熱伝導率とｉ、ｏｏｏポンド／平方インチ（
７０Ｋ９／ｆｆｌ ）当り１．０パーセントの最小線形
圧縮率（定荷重を印加した時の厚さの減少率）とを有す
るスリーブ材料を使用すれば制御棒の寿命がのびること
は期待できる。

１５％と３０饅との間の理論密度を有するタイプ３４７
のステア１／ス鋼は大抵の加圧水型原子炉に使用して満
足すべきものであることが確認されている。

純粋な繊維状のニッケルからも満足すべきスリーブをつ
くることができる。

多孔性のタイプ３４７ステンレス鋼は、例えばプランス
ヴイツクコーポレーションのテクネテイツクス部から入
手できる。

特定の原子炉で必要とされる圧縮性と熱伝導性とは、炉
心内と炉心境界との中性子束、制御棒の所望の寿命、制
御枠内で必要とされる反応率そして制御御の寸法により
異なる。

最適スリーブを選択するためこれらの要因の調和をとる
ことは当業者が通常実施していることである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例である制御棒の下端部
の縦断面図、第２図は制御棒の端部ペレットを入れる前
のスリーブの側面図である。 １０・・・・・・制御棒、１２・・・・・・円筒形被覆
、１４゜１６・・・・・・ペレット、１８・・・・・・
スペーサ、２０・・・・・・端部キャップ、２２・・・
・・・スリーブ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内径Ｒ１の密封円筒被覆内にＲ１にはゾ等しい外径
   Ｒ２の多数の中性子吸収材ペレットを詰め込んだ原子炉
   制御棒において この制御棒の一端に詰めたＲ２よりも小さい半径Ｒ３を
   有する少なくとも一つのペレット及びこの端部に詰めた
   端部ペレットの周りを包むスリーブ を備え、このスリーブが、前記端部ペレットと前記被覆
   との間に前記ペレットの剥落チップが詰まらないように
   するだけの厚みと、前記被覆に過大な歪みをつくること
   なく前記端部ペレットの被曝による半径方向の膨張を吸
   収するだけの圧縮性とを有していることを特徴とする原
   子炉制御棒。 ２ 前記端部ペレットがＢ４Ｃからつくられている特許
   請求の範囲第１項に記載の原子炉制御棒。 ３ 前記スリーブの厚みがＲ２−Ｒ３に等しい特許請求
   の範囲第１項に記載の原子炉制御棒。 ４ 前記スリーブの最小熱伝導率が３．０ＢＴＵ／時間
   ／平方フィート／″Ｆ （１４，７ＫｃａＬ／ ｍ ・
   時・°Ｃ）である特許請求の範囲第１項に記載の原子炉
   制御棒。 ５ 前記スリーブが１０００ポンド／平方インチ（７０
   Ｋｙ／ｃｉｉ ）当り１．０％の線形圧縮率を有する特
   許請求の範囲第１項に記載の原子炉制御棒。 ６ 前記のスリーブの材料が理論値で１５％と３０％の
   間の密度を有するタイプ３４７ステンレス鋼である特許
   請求の範囲第１項に記載の原子炉制御棒。