JPS6189581A - 核燃料集合体の固定式可燃性毒物棒 - 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】 本発明は一般に原子炉に係り、特に原子炉で用いられる
可溶性及び可燃註吸収材棒に関するものである。

典型的な原子炉においては、炉心は、多数の燃料集合体
を備えており、該燃料集合体の各々は上部および下部ノ
ズルを有している。さらに炉心は上記ノズル間に延在し
横方向に離間した複ａ　（ＶＪの４細長い案内シンプル
ならびに案内シンプルに沿い軸方向に離間した複数個の
横格子を備えている。各燃料集会体はさらに、横方向に
互いに離間し且つ案内シンプルから離間して上部および
下部ノズル間で洛子により支持されている複数個の細長
い燃料要素もしくは燃料−を備えている。燃料棒は、核
分裂性物質を収容しておシ、高い割合の核分裂を支持し
それにより熱の形態で大量のエネルギの放出を支持する
のに十分な中性子束を炉心内に発生するように、組織化
された配列で群別化し集合されている。

有用な仕事を発生するだめに炉心内に発生する熱を取出
すために、液体冷却材が炉心を直り上向きに圧送される
。

炉心内における熱発生率は核分裂割合に比例し、一方後
者は炉心内の中性子束によって決定されるので、原子炉
の運転開始、運転中及び停止時における熱発生の制御は
中性子束を変えることにより達成される。一般に、この
制御は、中性子吸収材を収容している制御棒を用いて過
剰中性子を吸収することによって行われる。案内シンブ
ルは燃料集合体の構造要素であることに加えて、原子炉
の炉心内に中性子吸収制御棒を挿入するための通路とし
ての働きをなす。中性子束のレベルしたがってまた炉心
の熱出力は、通常、案内シンブルに制御棒を出し入れす
ることによって調整される。

一般には、運転開始時に炉心に過剰の中性子束が与えら
れるように設計しておき、炉心の寿命期間に渡って中性
子束が減損するに伴い、長期間に渡って炉心の運転を維
持するのに十分な反応度が存在するようにするのが慣行
となっている。この見地から、幾つかの原子炉の用途に
おいては、可燃性毒物棒が幾つかの燃料集合体の案内シ
ンプル内に挿入されて、それにより他の燃料集合体の案
内シンプル内の制御棒が、寿命期間に渡シ炉心の中性子
束または反応度を比較的一定に維持するのを幇助する構
成が採用されている。可燃性毒物棒も、制御棒と同様に
中性子吸収材を収容している。但し、可燃性毒物棒は、
主として、炉心内における使用期間中、案内シンプル内
の固定位置に維持されるという点で制御卸棒とは異なる
。

炉心内の固定位置に設けられた可燃性毒物を用いること
によって得られる認合的な利点は、米国特許第３，５１
０，３９８号明細書に記述されている。従来、可燃性毒
物を格納し炉心内に固定的に配置されるよう企図されて
いる棒は、「固定」型のものであった。ここで、成る棒
を固定型であると称するのは、棒の任意の軸方向高さに
おける可燃性毒物の含量が、棒の製造中、該毒物の初期
装填によって固定的に定められてしまうことを意味する
。

上述の米国特許に開示されている可燃性毒物棒は固定型
の代表的な棒である。固定型の陣の主たる欠点は、棒内
の毒物が全て完全に燃！尭しないこともしくは均質に損
耗しない点にある。

固定型の棒の軸方向における損耗曲線もしくはプロフィ
ールの形状は、炉心寿命サイクルに渡シ平均化された軸
方向中性子束分布曲線と近似的に同じである。しかしな
がら、炉心運転の寿命サイクル−に渡シ炉心に生ずる中
性子束のビーりのうちの幾つかのピークと中性子束の平
均軸、方向分布との間には対応関係が存在しないので、
固定型の可燃性毒物棒の成る軸方向位置における毒物は
他の位置における毒物よシも迅速に損耗する。この結果
、上記他の位置には不完全な吸収材損耗が生じ、そのた
めサイクルの終期には相当な残留吸収材が存在するとい
う不利がある。

したがって、固定型の設計の可燃性毒物棒に対し、製造
費用と炉心サイクルの長さとの点で改良された燃料サイ
クルコスト上の利点を有する設計の可燃性毒物棒に対す
る要求が存在する。

本発明の主たる目的はこの要求を満足することにある。

したがって、本発明によれば、任意の軸方向位置におけ
る吸収材含量が製造時或いは爾後のどの時点においても
固定されない可溶性及び可燃性毒物もしくは中性子吸収
打棒が提案される。

本発明によれば、吸収物質は循環することができ、した
がって、（中性子束ピークに起因し）平均よりも速く損
耗する軸方向領域は、低１、！、１耗率を有する棒の他
の軸方向領域から吸収Ａ″’７１２を補給される。本発
明の概念は、固定的な形聾ではなく運動可能なように吸
収物質を設けるだけで、該吸収物質は、通常枠の高さに
沿・、−１存在する熱勾配により枠内で循環せしめられ
るという認識にある。この場合、外部実動源は要求され
ない。したがって、吸収物質は、成る局部的高さ位置で
より迅速に燃焼することはなく、損耗に際し棒の全高に
渡り一定の値を維持する１須向となる。棒の製造中は、
所要の吸収物質の量はピーク中性子束の位置について計
算で求められるので、固定型の吸収打棒は、本発明を具
現する循環型の中性子吸収材棒よりも、より多くの吸収
物質を必要とする。同定型の゛吸収材１乍を筒用した場
合、炉心サイクルの終期に相当量の吸収材が残存すると
いう不利点とは対暇的に、本発明による循環型の中性子
吸収打棒はその全長に渡って全体的に損耗し、したがっ
て−足梨の吸収相棒の場合のように相当量の吸収材が残
存するという欠点はない。要するに、公知の固定型の吸
収相棒と比較して、本発明による循環型の中性子吸収材
枠では、燃焼期間が伸長され、それにより炉心サイクル
長が増加する。さらに、製造費用も軽減されると考えら
れる。

梗概するに、本発明は、両端が気密に密閉された細長い
中空の管状部材であって液相で中性子吸収物質を収容し
ている改良された可燃性吸収材棒にある。該可燃性吸収
材棒は、さらに、管状部材の一端に配置された水素化物
シンク部を構成する手段及び管状部材の他端に配置され
た水素ゲッタを構成する手段を備えており、該水素化′
吻シンク部および水素ゲッタとして働く手段は、液体吸
収物質を収容し、ている管状部材の内部空間と連通関係
にある。

さらに具体的に述べると、管状部材は、薄壁溝造の管状
本体と、該本体の両端にそれぞれ固定されて該本体を気
密に密閉する一対の端栓から構成される。管状本体は、
棒の構造上の剛性および健全性を高揚するように設計さ
れた１つまたは２つ以上の補強摺曲部を形成されておシ
、それにより管状本体はそれに作用する高い内部圧力お
よび外部圧力に良好に耐えることができる。補強摺曲部
は、管状本体に形成された溝または凹部であって、管状
部材の両端間で該管状部材に沿い螺旋状に延在する形態
をとることができる。別法として、摺曲部は、管状部材
に沿いその端から端へ軸方向に離間して該管状部材を取
巻き円周方向に延在するように形成された一連のリング
状の円形溝としても良い。またこれら２つの形態の摺曲
部の組合せを用いることもできる。液相の中性子吸収物
質は、水中に溶解されたホウ素とするのが好ましく、こ
のホウ素は、天然ホウ素における含有号を上回る割合で
同位体Ｂ−１０が濃縮されているのが有利である。棒は
、運転中全炉心高に渡り中性子吸収物質を有するように
設計されるので、運転停止期間中の棒内の液体吸収物質
の液位は低くなって、成る大きさの蒸気空間が形成され
る。

以下、添付図面を参照し、単なる例として、本発明の好
ましい実施例について説明する。

以下の説明において、全図面を通し同じ参照数字は同じ
もしくは対応の部分を表わすものとし、そして「前方も
しくは前向き」、「後方」、「左」、「右」、「上向き
」、°「下向き」その他頌似の術語は、説明の便宜上の
表現として用いられているものであって、限定的な意味
に解釈されてはならない。

図面、特に第１図を参照するに、参照数字１゜で総括的
に示した図示の燃料集合体は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）
で用いられている型のものである。

基本的にこの燃料集合体１ｏは、原子炉（図示せずンの
炉心領域において下部炉心板（図示せず）上に燃料集合
体を支持するための下端講造物もしくは下部ノズル１２
と、該下部ノズル１２かも上向きに突出する複数個の案
内管もしくは案内ノンプル１４と、該案内シンプル１４
に沿い軸方向に離間した幾つかの横格子１６と、組２峨
化された配列で格子１６により横方向に離間し上支１１
され−こいる＋１川長い１然月１拳１８と、ｊ然トＦ集
合体１０の中心部に配設された計装管２ｏと、案内シン
プル１４の上端に取付けられた上端溝造物もしくは上部
ノズル２２とから構成される。

燃料集合体１０は、燃料集合体要素を損傷することなく
簡便に取扱うことができる一体のユニットを形成してい
る。

各燃料棒１８は核燃料ベレット２４を有しており、燃料
棒の両端はそれぞれ上部端栓２６および下部端栓２８に
よシ閉鎖されている。燃料ペレット２４は核分裂性物質
からなり、ＰＷＲ即ち加圧水型原子炉で発生される反応
出力の源である。有用な仕事を発生する目的で燃料集合
体から熱を取出すために、水またはホウ素含有水のよう
な液体減速材／冷却材が炉心の燃料集合体を介して上向
きにポンプ送りされる。

既に述べたように、ＰＷＨの運転においては、ウラン燃
料を良好に利用して燃料コストを低減するために、炉心
の寿命を可能な限り長くすることが望ましい。これを達
成するために、−役に、初期に炉心に過剰反応度を与え
るように設計しておき、そして炉心の寿命期間に亘シ反
応度を比較的一定に維持するための手段を設けることが
慣行となっている。

本発明は、第１図に示すように、案内シンプル１４０１
つに挿入されるように適応されている改良された可溶性
及び可燃性の毒物もしくは中性子吸収材の棒３０の形態
にある上記の手段に関するものである。中性子吸収柱枠
３０のうちの１本好ましくは幾本かは、スパイダ６２に
より原子炉（図示せず）内の燃料集合体のうちの幾つか
の燃料集合体の案内シンプル１４内に固定的に支持され
、それにより、他の燃料集合本の案内シンプル内の可動
制御棒が、炉心内にその運転ティクルを通じて実質的に
一定レベルの中性子束もしくは反応度を維持するのを幇
助する。

次に、第２図を参照するに、可燃性吸収材棒３０は、そ
の両端３６および３８間に画定された密閉室（内室）４
０を内部に有する細長い中空の管状部材６４から構成さ
れる。密閉室４０は、液相の中性子吸収物質４２を収容
しており、そして管状部材３４はその上端部に、該密閉
室と連通する水素ゲッタを構成する手段４４を有してお
り、反対側の端には、同様に密閉室４０と連通関係にあ
る水素化物ノンク部（沈降部もしくは吸収部）を構成す
る手段４６を有している。管状部材３４は、適当な材料
、好ましくはジルカロイ−４（Ｚｉｒｃａｌｏｙ−４）
のようなジルコニウム基合金から形成された管状本体４
８と一対の端栓５０．５２により構成されている。端栓
５０，５２は、ガース溶接５４．５６等により、管状本
体４８の両端に堅固に取付けられて、該管状本体を気密
に密閉する。

密閉室４０内の液体中性予成１欠物質４２は、水に溶解
されたホウ素（ホウ酸）とするのが好ましく、その場合
ホウ素は天然ホウ素に存在する割合を越える割合で同位
体Ｂ−１０で濃縮されている。このように本発明による
中性子吸収柱枠３０に濃縮ホウ素物質を使用することに
より、ホウ素の使用に関連する問題の１つ、即ち、室温
での水中溶解限度と言う問題が対処され解決される。こ
の溶解限度は、３７．８℃で約ｊ　５０００ｐｐｍであ
る（１６３°Ｃでは溶解限度は１２５０００ｐｐｍであ
る）。所望の機能を達成するためには、中性子吸収柱枠
６０は、１５０００ｐｐｍよシも相当に多いホウ素添加
を必要とするであろう。慣用の固定型の吸収打棒の場合
には、ホウ素添加量は約７９０００ｐｐｍである。しか
しながら、本発明による中性子吸収柱枠３０は約６４Ｑ
ＯＯｐｐｍの天然ホウ素（または１２８００ｐｐｍの同
位体Ｂ−１０，）Ｌか必要としない。しかしながら、こ
の添加量は低温溶解限度よりも依然として高い。

したがって、約２０％のＢ−１０（問題の同立体）を含
む天然ホウ素と比較して同位体Ｂ−１０で濃縮する必要
があろう。８５−の濃縮ホウ素を用いた場合のホウ素濃
度は、低い温度で溶液中に存在する約１５０００ｐｐｍ
の天然ホウ素（１２８００ｐｐｍのＢ−１０）に等価で
あろう。

炉心の通常の運転中、中性子吸収柱枠６０に沿い温度勾
配が形成され、棒３０の下側部分に沿い低い温度が支配
し、そして棒３０の上側部分に沿い高温度となる。この
温度勾配に起因して、液相の中性子吸収物質４２は密閉
室４０内で循環し、この循環によシ、密閉室４０の長さ
全体に亘り中性子吸収物質の損耗速度は自動的に等化す
る傾向となる。

棒６０の管状本体４８には、１つまたは２つ以上の補強
摺曲部が形成されており、該摺曲部は棒の構造上の剛性
及び健全性を高揚し棒に作用する内部圧力および外部圧
力に耐える能力？高める。補強摺曲部は、本体４８に形
成されて管状部材３４０両端間で螺旋状に延在する溝も
しくは凹部５８の形態とすることができる。別法として
、摺曲部は、本体４８を取巻き円面方向に形成されて管
状部材３４に沿い軸方向シ・こ：、１間された一連のリ
ング状の溝６０とすることができよう。またこのような
摺曲部の形態の′ユ合わせを用いることも可能である。

本体４つに形成された螺旋状および（または）円形の？
Ｓ曲部５８および６０を用いることによシ、棒３Ｑにホ
ウ素を使用することと関連する他の問題、即ち、中性子
とホウ素との相互作用から生ずる密閉室４０内における
ヘリウムガスの放出に対しどのように対処するかと言う
問題が解決される。

因みに、運転停止期間中は、液相中性子吸収物質、即ち
ホウ素Ｉ８液は、密閉室４０を完全に充填するのではな
く参照数字６２に示したレベルまでしか充填しない。こ
れは、温度の変化に伴なう溶液の比体積の変化を許容す
るためである。温度が３７．８°Ｃから６１５゜６℃に
増加すると、水の体積は約４５係増加する。棒３０は、
運転中炉心の全高に渡り中性子吸収物質を有するように
設計されているので、運転停止期間中（例えば燃料交換
等の期間中）は棒内の吸収物質レベルは減少することに
なる。したがって、蒸気空間６４が形成されるのである
。

次に、ヘリウムガスの放出に関する問題及び摺曲部を用
いてのその、解決と関連して、放出されるヘリウムは、
棒６０内における寿命終期（１・、を目・とち１ｌｌｊ
　ｆｉｌｌす、：））　１．）・ＩＩｘ力をＪ胃刀１１
す’（Ｊ　）、’、＜に？ＩＩＪすべきである。水が５
１５．６°Ｃの温度である時に。

密閉室４０内に存在する作用蒸気圧は、約１０５気圧（
ａｔｍ）である。ＥＯＬ時の内部圧力は、管状の本体（
即ち被覆）４８の外向きのクリープを回避するには、は
ぼ原子炉冷却材圧力（１５゜ａｔｍ　）に制限しなけれ
ばならないので、放出ヘリウムおよび予備加圧（バック
フィル：　ｂａｃｋ−ｆｉｌｌ）ガスの最終圧力は、内
部圧力を外部圧力と等しくするように約４８　ａｔｍと
すべきである。

したがって、寿命の始期（ＢＯＩＪとも略称する）時の
バックフィル圧力もしくは予備圧力は約２０気圧（ａｔ
ｍ）に減少しなければならない。このように、バックフ
ィル圧力を減少すると、ＢＯＬ時に管状本体４８に作用
する外部圧力は極めて高くなシ、棒３ｏのクリープ破壊
を惹起し得る。

このジレンマは、上述の摺曲部、即ち７旋状の溝５８お
よび（または）円形の溝６ｏを設けることにより解決さ
れる。この摺曲部によれば、ＢｏＬ時の外圧に対する管
状本体４８の破壊強さが増強される。円形の溝６０を用
いる場合には、これら溝は、棒６０上に約２５ｕ＋増分
で離間するのが好ましい。計算の示すところによれば、
１闘の深さの摺曲部で、０．６朋の壁厚で１２ｍｍの直
径を有する管の破壊圧力は２倍になる。また、１．５π
ｍの深さの摺曲部によれば破壊圧力は３倍になる。要す
るに、摺曲部５８および６０を設けることにより、ＢＯ
Ｌ時の外部圧力に充分耐える強度が管状本体４８の４壁
に付与されるのである。

管状部材３４の内部の腐蝕を軽減するために、その材料
はβ焼入れ（ｂｅｔａ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）される。

このようにすれば、酸化プロセスから生ずる遊雛水素に
起因する管状部材の水素化物の吸収も減少される。中実
の下部端栓５２は、水素化物のシンク部（降下もしくは
吸収部）を構成する手段４６としての働きをする。管状
部材３４の下端部であるこの端栓は低温であるので、水
素はこの下端部に向かって移動する傾向を示す。

上部端栓５０はスパイダ６２に棒３０を連結するための
取付は具としての働きをなし、該端枠５０に隣接して水
素ゲッタ手段４４が配置される。この水素ゲッタ手段４
４ば、管状部材６４の密閉室４０内の蒸気空間６４から
水素を除去するように適応されたジルカロイスポンジ６
６の形態にある。スポンジ６６ば、該スポンジへの水素
ガスの通流を許容するように中心間ロア０を有する環状
円板６８により支持される。

円板６８は、管状部材６４０本体４８の内部に形成され
ている円周方向の張出部７２によって支持される。

下部端栓５２は、スクラム動作中に制御棒を迅速に挿入
する際に衝撃吸収体として働くように案内シンプル１４
の底部に設けられたダッシュポット（図示せず）内に嵌
合される減径端部分７４を有している。下部端栓５２は
それを軸方向に慣通ずる充填通路７６を有しており、こ
の通路は、ヘリウムで棒６０を予備加圧するのに用いら
れ、然る後に溶接７８で密閉される。

【図面の簡単な説明】

第１！図は、図示を明瞭にするために部分的に切除し垂
直方向に短縮した形態で原子炉燃料集合体を一部断面で
示す立面図、第２図は本発明を具現する可燃性吸収材の
棒を垂直方向に短縮して示す拡大断面図である。 １ｏ、・燃料集合体、３ｏ・・中性子吸収物質、３４・
・管状部材、３６．３８・・棒の両端、４０・・密閉室
（内室）、４２・・中性子吸収物質、５０・・土部端栓
、５２・・下部端栓。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 気密に封止された両端を有すると共に、中性子吸収物質
   を収容する内室を画定する、細長い管状部材から構成さ
   れる、核燃料集合体で使用するための可溶性及び可燃性
   吸収材棒において、前記中性子吸収物質が液相であるこ
   とを特徴とする、核燃料集合体の可溶性及び可燃性吸収
   材棒。