JPS61194392A - 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押入さ
れる原子炉用制御棒に係り、特に長寿命型原子炉用制御
棒のハイブリッド構造に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

沸騰水型原子炉等に用いられる制御棒は、第３図および
第４図に示すように構成され、十字状断面を有するタイ
ロッド１の先端および末端に先端構造材２および末端構
造材３をそれぞれ結合させるとともに、上記タイロッド
１の各突出脚に細長いＵ字状断面のシース４を取付けて
横断面が十字形をなす４枚のウィング５が形成される。

各ウィング５内の偏平空間には、多数の長尺な中性子吸
収棒６が介装され、配列される。中性子吸収棒６はボロ
ンカーバイド（８４Ｃ）等の中性子吸収物質を金属被覆
管内に充填させたものである。

しかして、原子炉用制御棒が原子炉炉心に挿入され、中
性子の照射を受けると、中性子吸収棒内の中性子吸収物
質は中性子を吸収し、燃焼等による損耗を受け、核反応
生成物質であるヘリウムガス（４Ｈｅ）等のガスが発生
する。このため、制御棒は中性子照射時間の経過ととも
に中性子吸収能力が低下し、金属被覆管内のガス圧が上
昇する。

中性子吸収能力が予め定めた値まで低下するに要する中
性子照射時間を核的寿命といい、ガス圧が許容値まで上
昇するに必要な中性子照射時間を機械的寿命と呼んでい
る。

ところで、一本の制御棒に注目した場合、制御棒内に収
容される多数の長尺な中性子吸収棒が全て平等に中性子
照射を受けるわけではない。例えば、原子炉の炉心に制
御棒を部分的に挿入した場合、各ウィングの側縁近傍お
よび先端部分は特に強い中性子照射を受け、この部分の
中性子吸収能力の劣化が著しい。

したがって、全ての中性子吸収棒が一様に作られている
従来の原子炉用制御棒では、中性子吸収棒の上端部（先
端部）やウィング側縁に位置する中性子吸収棒が他部ま
たは他の中性子吸収棒より先に中性子吸収能力を失い、
ウィング側縁の中性子吸収棒は他の吸収棒より先に機械
的寿命が損われる。この結果、従来の原子炉用制御棒に
あっては、中性子吸収棒の大部分が使用に耐えるにも拘
らず、原子炉用制御棒を交換しなければならず、制御棒
を有効的に利用することができなかった。

この点から、本出願人は、強い中性子照射を受ける先端
部位に、中性子吸収によってもガスが発生しないハフニ
ウム等からなる長寿命型中性子吸収棒を配設した制御棒
を提案した（特開昭５３−７４６９７号および特開昭５
７−１７３７８８号公報参照）。このようにすれば、強
い中性子照射を受ける部分が長寿命化されるので、全体
として原子炉用制御棒の長寿命化を図ることができる。

ところが、原子炉用制御棒に例えば８４Ｃ粉末を充填し
た従来型の中性子吸収棒を使用した場合、使用中に粉末
の下詰まりが生じ、その上端近傍に粉末の存在しない部
分、すなわちボイドが発生する。一般に、８４Ｃ粉末を
充填した従来型の中性子吸収棒では、ＳＵＳ製金属被覆
管の先端をＳＵＳ製プラグで閉塞し、このプラグに隣接
して金属被覆管内に鉄ウールを長さ数Ｍ程度介装してい
る。

上記ウールやプラグはＢ４Ｃやハフニウム等の中性子吸
収物質に較べて中性子吸収能力が著しく小さいため、非
吸収材部を構成し、上記ウールの下側にボイドが発生す
る。

第５図（Ａ）は原子炉用制御棒に長寿命型中性子吸収材
（ハフニウム板あるいはハフニウム棒）７と従来型のＢ
４Ｃを充填した長尺の中性子吸収棒８とを使用したもの
で、両者の境界が一直線上に並び、かつ中性子吸収棒８
の頂部がプラグ９ａやウール９ｂの存在により中性子の
非吸収材部となっている例を示し、この場合の原子炉用
制御棒の中性子束分布は臨界実験データから第５図（Ｂ
）に実線で示すように推定される。破線はＢ４Ｃの中性
子吸収物質が存在する場合の中性子束分布を示す。符号
９Ｃはウール部分に形成されるボイド（空隙）を示す。

臨界実験によると、中性子吸収棒８の非吸収材部中央で
の中性子束の盛上りの大きさは、非吸収材部の長さによ
って変化するが、非吸収材部と８４Ｃとの境界における
中性子束は、非吸収材部が存在しない場合に比べて１．
５〜２倍になり、この中性子束の盛上りは境界の極く近
傍領域にだけ発生することが確認された。

そして、このような原子炉用制御棒にボロン−１０（”
Ｂ）が大幅に減耗されるまで多量の中性子を照射した場
合、非吸収材部に隣接した領域の８４Ｃは局所的に１．
５〜２倍の中性子照射を受け、この中性子照射により核
反応生成物である４Ｈ０，７１Ｈ等が発生し、Ｂ４Ｃ粉
末粒（ベレット）の膨張によるスエリングが起こる。こ
のため、非吸収材部との境界に近い極く限られた領域で
Ｂ４Ｃの膨張により金属被覆管８ａは局所的な臨界実験
では、中性子吸収棒８の非吸収材部の長さを２．５〜５
Ｑ１１の間で変えて制御棒表面の中性子束分布を測定し
た。非吸収材部中央での中性子束の盛上りの大きさは、
非吸収材部の長さによって変化するが、非吸収材部と８
４Ｃとの境界における中性子束は、非吸収材部が存在し
ない場合に比べて１．５〜２倍になる。しかも、この中
性子束の盛上りは境界の極く近傍領域にだけ発生するこ
とが確認された。

そして、このような原子炉用制御棒にボロン−１０（”
Ｂ）が大幅に減耗されるまで多聞の中性子を照射した場
合、非吸収材部に隣接した領域の８４Ｃは局所的に１．
５〜２倍の中性子照射を受け、この中性子照射により核
反応生成物である７　・ ’＠ｅ、　　　Ｌｌ等が生じ、Ｂ４Ｃ粉末粒（ペレット
）のスエリングが起こる。このため、非吸収材部との境
界に近い極く限られた領域で８４Ｃの膨張により、金属
被覆管８ａは局所的な応力を受けて膨出し、破損したり
する虞れがあった。

〔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、長尺
の中性子吸収材と長寿命型中性子吸収材との境界面を凹
凸状に噛合させて、長尺の中性子吸収材の非吸収材部を
中性子吸収物質で取り囲み、中性子束の局所的な盛上り
を抑制することにより、長尺の中性子吸収材の健全性や
信頼性を向上させ、制御棒の長寿命化を図ることができ
るようにした原子炉用制御棒を提供することを目的とす
る。

〔発明の概要〕

本発明は、上述した目的を達成するために、タイロッド
の各突出脚にＵ字状断面のシースを取付けて複数のウィ
ングを構成し、上記タイロッドの挿入先端部に先端構造
材を、また挿入末端部に末端構造材をそれぞれ配置し、
前記先端構造材に隣接する短尺の長寿命型中性子吸収材
とこの中性子吸収材に隣接する長尺の中性子吸収材とを
前記シース内で軸方向に並設した原子炉用制御棒におい
て、前記長尺の中性子吸収材は複数本の中性子吸収棒が
組をなし、各組の中性子吸収棒が長寿命型中性子吸収材
の凹部に係合し、前記長尺の中性子吸収材と長寿命型中
性子吸収材との境界面が凹凸状に噛合するように構成さ
れ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一実施例について
添付図面を参照して説明する。

第１図は、沸騰水型原子炉に用いられる本発明の原子炉
用制御棒１０を示すものである。制御棒１０は横断十字
形をなすタイロッド１１を有し、このタイロッド１１の
先端および末端側に先端構造材１２および図示しない末
端構造材が結合されて一体化される。先端構造材１２に
は原子炉用制御棒１０の挿入を案内するガイドローラ１
４が備えられるとともに、操作用ハンドル１５が設けら
れている。

一方、タイロッド１１の各突出脚には深いＵ字状断面を
有するシース１６が取付けられ、横断面が十字形をなす
４枚のウィング１７が構成される。

ウィング１７のシース１６内には偏平な内部空間が形成
される。先端構造材１２に隣接する内部空間には長寿命
型中性子吸収材１８が配設される。

この中性子吸収材１８はハフニウム（Ｈｆ）あるいは＠
ｆ−Ｚｎ合金等で棒状あるいはプレート状に構成される
。ハフニウムは中性子吸収能力の優れた金属材で、Ｂ４
Ｃの３〜６倍の寿命を有する。

また、長寿命型中性子吸収材１８は５〜２０ａｔｒ程度
の短尺の中性子吸収板（中性子吸収棒であってもよい。

）１８ａと３ｍ以上の軸方向長さの長尺の中性子吸収棒
（中性子吸収板でもよい。）１８ｂとを有し、これらの
長寿命型中性子吸収材１８は強い中性子照射を受ける各
ウィング１７の先端部および翼端部に配設される。この
うち、短尺の中性子吸収板１８ａは先端構造材１２に密
接して配置され、長尺の中性子吸収棒１８ｂは各ウィン
グ１７の翼端近傍、すなわちシース１６の外側端部に必
要に応じて配設される。

さらに、原子炉用制御棒１０の偏平空間には長寿命型中
性子吸収材１８に隣接して長尺な中性子吸収材１９が配
設される。この中性子吸収材１９は軸方向長さが異なる
２種類の中性子吸収棒１９ａ、　１９ｂを多数列状に密
接し゛Ｃ配設することにより構成される。各中性子吸収
棒１９ａ、１９ｂは、第２図に示すように金属被覆管２
０内にボロンカーバイド（８４Ｇ）の粉末やベレット等
の中性子吸収物質２１が充填され、その先端部に鉄ウー
ル等の金属ウール２３が介装され一１先端はプラグ２４
により気密に密封される。この金属ウール２３およびプ
ラグ２４は中性子吸収物質２１に較べて中性子吸収能力
が著しく劣り、中性子の非吸収材部２５が構成される。

このように、非吸収材部２５は各中性子吸収棒１９ａ、
１９ｂの先端部に形成される。

軸方向長さが異なる中性子吸収棒１９ａ、１９ｂのうち
、長さの等しい同一種類の中性子吸収棒が複数本、例え
ば２本づつ組をなし、各組の中性子吸収棒は軸方向長さ
が異なる粗角に交互に配設される。このうち、軸方向長
さが長い中性子吸収棒１９ａの組は、長寿命型中性子吸
収板１８ａの切欠凹部２６に頂部が挿入されて係合し、
これにより、長尺の中性子吸収材１９と長寿命型中性子
吸収材１８との境界面は凹凸状（ジクザグ状）に噛合し
ている。

しかして、ハフニウム板などの長寿命型中性子吸収板１
８ａの凹部に係合する各組の中性子吸収棒１９ａの頂部
は、周囲がハフニウム等の中性子吸収物質に取り囲まれ
ている。一方、中性子吸収棒１９ａ、１９ｂの頂部には
プラグ２４や金属ウール２３等からなる非吸収材部２５
が形成され、この非吸収材部２５の存在により中性子束
は盛り上がろうとする傾向があるが、上記非吸収材部２
５はハフニウム等長寿命型中性子吸収物質で取り囲まれ
ているため、中性子束の盛上り傾向が抑制される。長寿
命型中性子吸収板１８ａの凹部（切欠部）２６に係合し
ていない残りの中性子吸収棒１９ｂの頂部は、隣接する
組の中性子吸収棒１９ａに充填された８４Ｃによって囲
まれ、中性子束の盛上りが抑制される。この中性子吸収
棒１９ｂは少数本づつ組をなしても、あるいは一本であ
ってもよい。

なお、各組をなす中性子吸収棒１９ａ、１９ｂの本数が
多い場合には、それらの頂部非吸収材部２５の面積が大
きくなり、これらの非吸収材部２５を取り囲む他の中性
子吸収材による中性子抑制効果が低下するので、各組の
中性子吸収棒１９ａ。

１９ｂの本数は少ない方が望ましい。

次に、作用を説明する。

長寿命型中性子吸収材１８と長尺の中性子吸収材１９と
を組み合せたハイブリッド型原子炉用制御棒１０を原子
炉の炉心に挿入すると、制御棒１０は中性子の照射を受
ける。この中性子照射を受けた原子炉用制御棒表面の中
性子束２次元分布は、実験によると第１図の左半分に相
対値で示す等高線図で表される。この等高線図からも理
解されるように原子炉用制御棒１０は各ウィング１７の
先端部と翼端部において特に強い中性子照射を受ける。

しかし、この場合、原子炉用制御棒１０は強い中性子照
射を受ける各ウィング１７の先端部および翼端部に長寿
命型中性子吸収材１８を配設したので、中性子照射時間
における中性子吸収能力をほぼ均一化させることができ
、制御棒の長寿命化を図ることができる。

一般に、長寿命型中性子吸収材と長尺の中性子吸収材と
の境界面がジクザクでなく、直線的な場合には、第５図
（Ｂ）に示すような中性子束の盛上りが生じ、非吸収材
部２５に隣接する８４Ｃの極く限定された範囲でボロン
−１０の核分裂反応が進み、その結果、Ｂ４Ｃはスエリ
ングを起し、金属被覆管２０を局所的に膨出させ、破損
を生じさぼる虞れがある。しかし、本実施例においては
、長寿命型中性子吸収材１８と長尺の中性子吸収棒１９
ａ、１９ｂとの境界面はジクザク状（凹凸状）に噛合し
ており、長尺の中性子吸収棒１９ａ、１９ｂの頂部に形
成される各非吸収材部２５は交互に配置され、ハフニウ
ム等の長寿命型中性子吸収材１８や他の中性子吸収棒に
充填される８４Ｃ等の中性子吸収物質で取り囲まれてい
るので、その部分の中性子束の盛上りが抑制される。そ
の結果、長尺の中性子吸収棒１９ａ、１９ｂは頂部付近
のボロン−１０の核分裂反応が抑制されるので、金属被
服管２０の破損の虞れを解消させることができる。

なお、本発明の一実施例の説明においては、長寿命型中
性子吸収材として平板状のものを示したが、必ずしもこ
れに限定されず、多数に分割された角棒状あるいは丸棒
状であってもよい。

また、第１図および第２図に示された長尺の中性子吸収
材は２本の中性子吸収棒が組をなす場合について説明し
たが、中性子吸収棒の配設位置如何によって組を形成す
る中性子吸収棒の本数をウィングの幅方向に変化させて
もよい。タイロッドに隣接する部分では、２本が組をな
すより、一本だけの方が好ましい。

〔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、長尺の中性子吸収材は複数本の中性子吸収棒が
組をなし、各組の中性子吸収棒が長寿命型中性子吸収材
の四部に係合し、前記長尺の中性子吸収材と長寿命型中
性子吸収材との境界面が凹凸状に噛合するように構成さ
れたので、長尺の中性子吸収棒の頂部に形成される非吸
収材部を中性子吸収物質で取り囲み、中性子束の局所的
な盛上りを抑制することができる。したがって、中性子
吸収物質のスエリングを有効的に押え、中性子吸収棒の
部分的な膨張による破損を確実に防止でき、制御棒の健
全性や信頼性を向上させることができ、長寿命化を図る
ことができる。

また、長尺の中性子吸収材は複数本の中性子吸収棒が組
をなし、この中性子吸収棒の組が長寿命型中性子吸収材
の凹部に係合するので、長寿命型中性子吸収材が平板で
形成されている場合、凹部の形成個数が少なくなり、加
工が容易である。

【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
部分的縦゛所面図、第２図は上記原子炉用制御棒のウィ
ング内に組み込まれる長尺の中性子吸収棒と長寿命型中
性子吸収材との配置関係を拡大して示す部分図、第３図
は従来の原子炉用制御棒を示す斜視図、第４図は第３図
のＩＶ−ＩＶ線に沿う平断面図、第５図（Ａ）および（
Ｂ）は従来の原子炉用制御棒内に組み込まれる各中性子
吸収材の配置関係および中性子束分布のに関係をそれぞ
れ示す図である。 １０・・・原子炉用制御棒、１１・・・タイロッド、１
２・・・先端椛造材、１６・・・シース、１７・・・ウ
ィング、１８・・・長寿命型中性子吸収材、１９・・・
長尺の中性子吸収材、１９ａ、１９ｂ・・・中性子吸収
棒、２０・・・金属被覆管、２１・・・中性子吸収物質
、２１３・・・金属ウール、２４・・・プラグ、２５・
・・非吸収材部、２６・・・凹部。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 位置 手続補正書（自利 昭和６０年　９月２２日 事件の表示 昭和６０年特許願第３５４８９号 発明の名称 原子炉用制御棒 補正をする者 （ほか１名） ５゜ ６、補正の内容 （１）明細書中筒７頁第７行記載の「局所的な」の後に
「応力を受けて膨出し、破損したりする恐れがあった。 」を挿入する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、タイロッドの各突出脚にＵ字状断面のシースを取付
   けて複数のウィングを構成し、上記タイロッドの挿入先
   端部に先端構造材を、また挿入末端部に末端構造材をそ
   れぞれ配置し、前記先端構造材に隣接する短尺の長寿命
   型中性子吸収材とこの中性子吸収材に隣接する長尺の中
   性子吸収材とを前記シース内で軸方向に並設した原子炉
   用制御棒において、前記長尺の中性子吸収材は複数本の
   中性子吸収棒が組をなし、各組の中性子吸収棒が長寿命
   型中性子吸収材の凹部に係合し、前記長尺の中性子吸収
   材と長寿命型中性子吸収材との境界面が凹凸状に噛合す
   るように構成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。 ２、長尺の中性子吸収材は軸方向長さが異なる複数種類
   の中性子吸収棒を備え、シース内の偏平空間に列状に並
   設された特許請求の範囲第１項に記載の原子炉用制御棒
   。 ３、長尺の中性子吸収材は軸方向長さが異なる２種類の
   中性子吸収棒を備え、同一種の中性子吸収棒を２本づつ
   組をなして交互に並設した特許請求の範囲第１項に記載
   の原子炉用制御棒。 ４、中性子吸収棒の先端部にプラグや金属ウール等の中
   性子の非吸収材部が形成され、この非吸収材部は長寿命
   型中性子吸収材や隣接する中性子吸収棒内の中性子吸収
   物質で周りが取り囲まれた特許請求の範囲第２項または
   第３項に記載の原子炉用制御棒。