JP2000046979A - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加圧水型原子炉用制御棒の被覆管のフレッテ
ィング摩耗損傷を防止し、更に摩耗損傷発生時の中性子
吸収材の溶出、漏洩を局所化して制御棒価値の低下を防
止する。 【解決手段】 加圧水型原子炉用制御棒３０は、内部に
炭化硼素ペレット４１を収容する短尺被覆管３５ａ〜３
５ｆと中間栓３７とから画成されるセルを複数個軸方向
に並べてタンデム配置構造となし、短尺被覆管３５ａの
上端部を上部端栓３１で封止し、短尺被覆管３５ｆの下
端部を下部端栓３３により封止して構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉の炉心内の
核反応を制御する制御棒の構造に関し、特に加圧水型原
子炉用の制御棒の構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】加圧水型原子炉の炉心を形成する燃料集
合体は、複数の細長い燃料棒と制御棒案内管（案内シン
ブルともいう。）が行及び列を成してアレイ状に配置さ
れて構成されている。このような燃料集合体は、例え
ば、社団法人機械学会編「機械工学便覧」のＢ６編第１
４７頁の図２９１に示されている。その複数の制御棒案
内管に個別に挿入される制御棒が図１５に示すような構
造に組み立てられ、制御棒集合体、即ち制御棒クラスタ
（ＲＣＣ）１を形成している。制御棒クラスタ１の構造
を更に説明すると、原子炉の制御棒駆動装置（図示しな
い。）に分離自在に連結されるスパイダ部材３があり、
その放射方向に延びる複数のアームに複数の制御棒５が
所定の配置になるように連結されている。制御棒５は内
部に中性子吸収物質乃至吸収材を有していて、制御棒駆
動装置により制御棒クラスタ１の炉心内への挿入度合い
が調整され、これにより炉心の反応度の制御が行われ
る。

【０００３】図１６に制御棒５の代表的な構造が示され
ている。図において、スパイダ部材３（図１５参照）に
連結される上部端栓７と最下位置にある下部端栓９に被
覆管１１の両端がそれぞれ密封溶接により接合されてい
る。このような被覆管１１は外面にクロムメッキが施さ
れ，更に図１７の断面図により明確に示すように内部に
銀−インジウム−カドミウム（Ag-In-Cd）合金棒１３を
中性子吸収材として受け入れているが、そのAg-In-Cd合
金棒１３はコイルばね１５によって押さえられている。
更には、図１８に示すようなハイブリッド構造の制御棒
１７も提案されている。この制御棒１７の構造を制御棒
５との差異を中心にして説明すると、被覆管１１の内側
の最下部に相対的に短いAg-In-Cd合金棒１９が収めら
れ、その上に炭化硼素（Ｂ_４Ｃ）ペレット２１が複数積
重され、更に上方からコイルばね２３によって押さえら
れている。そして、炭化硼素ペレット２１の硼素として
は、天然硼素又は硼素１０の含有成分比が高められた濃
縮硼素が用いられ、炭化硼素ペレット２１はAg-In-Cd合
金棒１９の中性子吸収能力より高い中性子吸収能力を持
つように設定されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のようなハイブリ
ッド構造の制御棒１７は、１本当たりの制御棒価値が大
きくされ、混合酸化物燃料所謂ＭＯＸ燃料を使用した燃
料集合体を大量に炉心に装荷した場合に必要な停止余裕
を確保でき、又は必要な制御棒の数を削減して原子炉一
基当たりに使用する制御棒全体の製作コストを低減でき
るという効果が期待できる。しかしながら、炭化硼素ペ
レット２１の炭化硼素は、中性子の照射を受けると水に
溶けやすくなるという性質を有する。そして、図１９に
示すように、炭化硼素ペレット２１を取り囲む被覆管１
１の外面にはクロムメッキ１１ａが施されているのであ
るが、この被覆管１１に摩耗損傷が発生して水が内部に
侵入すると、炭化硼素が溶出し、その溶出炭化硼素が被
覆管１１の外側に漏れ出して制御棒価値が低下、喪失す
るという虞れがある。制御棒１７を組み込んだ制御棒ク
ラスタは、通常の出力運転において、炉心の上方にある
制御棒クラスタ案内管２５（図２０参照）の中に引き上
げられて支持されているのであるが、個々の制御棒１７
は制御棒クラスタ案内管２５の水平案内板（カード部と
も称する。）２７により水平方向に支持されているた
め、その被支持部にフレッティング摩耗が生じて貫通損
傷が生じやすい。従って、本発明の課題は、摩耗による
被覆管の貫通損傷が生ぜず、或いは部分的にその貫通損
傷が生じても全部の中性子吸収物質が一時に被覆管の外
部に漏出しない原子炉用制御棒を堤供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】如上の課題を解決するた
め、本発明によれば、上部端栓、下部端栓及び両端がこ
れら端栓に密封溶接され、内部に中性子吸収材を有する
被覆管を有する原子炉用制御棒において、中間栓のよう
な中実円板部材を被支持部に対応する被覆管の位置に配
設することにより、被覆管内を複数のセグメント乃至セ
ルに分解し、所謂タンデム配置のセル構造として構成す
る。このようなセルにはそれぞれ炭化硼素ペレットのよ
うな中性子吸収材を適当数収納し、更に中性子照射によ
ってガスの発生が予測される場合にはその予測量に応じ
て各セルにガスプレナムが画成される。尚、前述の中実
円板部材は被覆管の被支持部の全てに対応して配置する
必要はなく、全体の構造からフレッティング摩耗の予測
量によっては部分的に設置を省略しても良い。又、この
ようなタンデム配置のセルを設ける場合、被覆管が一重
管のときは、被覆管全体は複数の短尺被覆管から形成す
ることとし、交互に配置された短尺被覆管と中間栓とは
密封溶接により接合する。他方、被覆管が内側被覆管と
外側被覆管の二重管のときは、外側被覆管は１本の完全
な形で使用する。そして内側被覆管は複数の短尺被覆管
から構成することとし、個別の短尺被覆管は両端が中間
栓で閉じられてカプセル構造体として構成される。この
カプセル構造体は内部のセルに中性子吸収部材を収容す
るが、外側被覆管の中にタンデム配置され、個々の中間
栓は制御棒被覆管の被支持部に対応して位置付けられ
る。尚、一重管、二重管共に、中間栓は制御棒クラスタ
案内管の水平案内板の位置に一致させず、上下の水平案
内板の間に位置させてもよい。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下添付の図面を参照して本発明
の実施形態を説明する。先ず図１を参照するに、本発明
による制御棒３０は、上部端栓３１，下部端栓３３，複
数の短尺被覆管３５ａ〜３５ｆ及び複数の中実円板部材
即ち中間栓３７を有している。上部端栓３１は上部に制
御棒クラスタのスパイダ部材への連結部３１ａを有し、
下部端栓３３は概して砲弾形の外形をしている。制御棒
３０は更に最下部のAg-In-Cd合金棒３９及び複数の炭化
硼素ペレット４１を有しているが、この部分は図２に拡
大して図示されている。そこで、図２を参照して説明す
ると、上部端栓３１と短尺被覆管３５ａは円周溶接４３
によって連結され、下部端栓３３と短尺被覆管３５ｆは
円周溶接４５によって連結されている。複数の短尺被覆
管３５ａ〜３５ｆは、それぞれ中間栓３７を挟んで順次
溶接接合されているが、それぞれの中間栓３７の位置
は、制御棒３０が構成する制御棒クラスタ（図示しな
い。）が図示しない制御棒クラスタ案内管内に保持され
たときに、その鉛直方向に間隔を置いた水平案内板に接
触して支持される位置即ち被支持位置にあるように設定
されている。上部端栓３１、下部端栓３３又は中間栓３
７によって両端が閉じられた短尺被覆管３５ａ〜３５ｆ
は、閉じられた空間即ちセルを画成するが、最下部のセ
ルを除いて適当数の炭化硼素ペレット４１が積重され
る。一方、最下部のセルには、Ag-In-Cd合金棒３９及び
適当数の炭化硼素ペレット４１が一緒に図示のように入
れられている。このようなセルにおいて、中性子吸収物
質が中性子照射を受けて、ガスを生成することがある。
このようなガスの蓄積による内圧の上昇が生じて不具合
を生じないために、ガスプレナム４７ａ〜４７ｆ（４７
ａ、４７ｂ，４７ｆのみ図示）が画成される。前述の発
生ガスの量は中性子吸収物質の中性子吸収量によって異
なるので、使用される原子炉の運転態様、例えばベース
ロード運転、負荷追従（ロードフォロー）運転など、及
びAg-In-Cd合金棒３９及び炭化硼素ペレット４１と短尺
被覆管３５ａ〜３５ｆとの間の隙間の許容範囲等を勘案
して適切な容積を確保するようにガスプレナム４７ａ〜
４７ｆの寸法即ち軸方向長さが設定される。

【０００７】以上のように構成された制御棒３０は、前
述のような制御棒クラスタとして組み立てられ、炉心内
の燃料集合体の制御棒案内管内に挿入され、中性子を吸
収し、炉心内の反応度を目標範囲に入るように制御す
る。又、原子炉炉心から上方に引き抜かれて制御棒クラ
スタ案内管内に保持されたときは、水平案内板によって
冷却材流動振動から保護されるが、それに際し中間栓３
７にフレッテング摩耗が生じても、中実円板部材である
ので外部の水がセル内に侵入することはない。又何らか
の原因により短尺被覆管の一つに貫通損傷が生じ、セル
内に水が入って炭化硼素ペレット４１の炭化硼素が溶出
しても、その不具合はそのセルだけに限定され、制御棒
３０全体の制御棒価値が一時に喪失されることはない。
尚、中間栓は水平案内板の位置に一致させず、上下の水
平案内板の間に位置させても、不具合はそのセル内だけ
に限定できる。これは以下に述べる二重管タイプ（カプ
セル型）にも適用できる。

【０００８】尚、前述の実施形態においては、Ag-In-Cd
合金棒３９を設けたセルのガスプレナム４７ｆを上側に
設けたが、図３に示すように下部端栓３３とAg-In-Cd合
金棒３９の間にコイルばね４９を装填し、ここをガスプ
レナム４７ｆ´としても良い。この場合は、最下部の中
間栓３７の上下の炭化硼素ペレット４１は近接している
から、軸方向の中性子吸収能力の歪みが低減される。更
に又、最下部のセルにはAg-In-Cd合金棒３９のみを配置
するような構造としても良い。更に又、中性子吸収材と
して、炭化硼素ペレットに代えて、HfやEu、Dy、Gyなど
の希土類、或いはそれらを含む化合物や混合物などの他
の中性子吸収物質を含む構成としても良い。いずれにし
ろ、制御棒の中性子吸収材の配置やガスプレナムの配置
は、要求される中性子吸収能力と健全性を満たすために
適宜選択されるが、その被覆管の摩耗損傷を防止する本
発明のコンセプトの構造は適切に組み入れられる。

【０００９】前述の実施形態においては、総じて被覆管
自体をタンデム配置とした複数の短尺被覆管から形成し
たが、図４及び図５に示す制御棒５０のように外側被覆
管５５を完全な形で用いても良い。これを図を参照して
詳しく説明すると、外側被覆管５５は上部端栓５１及び
下部端栓５３へ円周溶接６３，６５によってそれぞれ接
合され、炭化硼素ペレットは後述するカプセル構造体の
セル内に配置される。制御棒５０はハイブリッド型とし
て構成されており、外側被覆管５５の内部の最下部にAg
-In-Cd合金棒５９が配置され、最上部にはコイルばね６
９が配設されている。そして、Ag-In-Cd合金棒５９とコ
イルばね６９の間には、多数の内側短尺被覆管５６ａ〜
５６ｅと上側中間栓５７及び下側中間栓５８とからなる
カプセル構造体がタンデム配置される。この上側中間栓
５７及び下側中間栓５８の配置位置は、前述の実施形態
における中間栓３７と同様に制御棒クラスタ案内管の水
平案内板との接触部乃至被支持部に対応するものであ
る。従って、内側短尺被覆管５６ａ〜５６ｅのそれぞれ
の長さは、必ずしも等しいものではないことに留意すべ
きである。今、図５を特に参照し、内側短尺被覆管５６
ａを例にとって説明すれば、上側中間栓５７が上端部
に、下側中間栓５８が下端部にそれぞれ密封溶接により
接合されていて、内部に密閉されたセルを画成してい
る。そして、そのセル内に適当数の炭化硼素ペレット６
１が収容され、上部にガスプレナム６７ａが形成され
る。同様に内側短尺被覆管５６ｂ〜５６ｅにそれぞれ囲
まれた各セルにガスプレナム６７ｂ〜６７ｅ（但し部分
的に図示。）がそれぞれ画成される。尚、炭化硼素ペレ
ット６１の部分の横断面が図６に示されている。図６か
ら分かるように、炭化硼素ペレット６１と内側短尺被覆
管５６ａ〜５６ｅの間及び内側短尺被覆管５６ａ〜５６
ｅと外側被覆管５５の間には、熱膨張や熱伝達を考慮し
て適当な大きさの隙間が形成されている。

【００１０】以上のような構成の制御棒５０においても
中性子吸収による炉心の反応度制御は制御棒３０の場合
と同様の態様で行われ、更に上側中間栓５７及び／又は
下側中間栓５８のある部分の外側被覆管５５が横方向に
支持される。外側被覆管５５の外面には図示しないクロ
ムメッキが施されているが、フレッティング摩耗が進行
して貫通しても、次に接触するものは中実部材である上
側中間栓５７及び／又は下側中間栓５８であるので、更
に摩耗が進行してもセルの内部には水は侵入しない。
又、何らかの原因により、内側短尺被覆管５６ａ〜５６
ｅの一つに貫通損傷が発生しても、最初の実施形態と同
様に不具合は局限される。尚、ガスプレナム６７ａ〜６
７ｅの軸方向長さは、発生するガスの量、換言すればそ
のセル内にある炭化硼素ペレット６１の数、原子炉の運
転態様、例えばベースロード運転や負荷追従運転等、に
よる中性子照射量の差、前述の半径方向の隙間の許容範
囲などを考慮して適切に設定される。又、最下部の内側
短尺被覆管５６ｅの近傍のセル構造の改変は、制御棒３
０の場合と同様に適宜実施可能であることは当業者にと
って自明である。

【００１１】尚、前述の図５の実施形態においては、炭
化硼素ペレットを使用し、ガスプレナムを中間栓と炭化
硼素ペレットの間に形成したが、図７乃至図１０に示す
制御棒７０のように構成しても良い。以下制御棒５０と
制御棒７０との異なる部分を中心にして制御棒７０の構
造を説明する。尚、変わらない部分には同一の符号を付
している。図７の全体図からも了解されるように、上部
端栓５１、下部端栓５３、外側被覆管５５、Ag-In-Cd合
金棒５９及びコイルばね６９は、制御棒５０と同じであ
るが、内部の内側短尺被覆管７６ａ〜７６ｅの周りが図
８に示すように異なっている。内側短尺被覆管７６ａ〜
７６ｅがそれぞれ上側中間栓７７及び下側中間栓７８と
協働して形成するカプセル構造体は基本的には同じ構造
であるので、図８及び図９を参照して内側短尺被覆管７
６ａについて説明する。図示されるように、内側短尺被
覆管７６ａの上端は上側中間栓７７によって閉じられ、
その下端は下側中間栓７８によって閉じられている。そ
して、更に下側中間栓７８の上面には、スペーサ管７３
ａが据え込まれている。特に図９で明らかなように、ス
ペーサ管７３ａは内側短尺被覆管７６ａと同軸配置であ
り、両者の間に画成された環状のセル空間内に炭化硼素
粉７１が詰められている。このようにして、スペーサ管
７３は、内部にガスプレナム７５ａを画成しているが、
これは図１０に示すように、上側中間栓７７の下面とス
ペーサ管７３ａの上端面との間に形成された微小な隙間
８１を介して環状のセル空間に連通している。従って、
炭化硼素粉７１から発生したガスは、隙間８１を通って
ガスプレナム７５ａ内に流入して蓄えられる。このよう
な隙間８１の画成の仕方により、スペーサ管７３ａの長
さは、内側短尺被覆管７６ａの長さに依存しており、従
って内側短尺被覆管７６ａ〜７６ｅの長さ、換言すれば
炭化硼素粉７１の量に対応した容積のガスプレナム７５
ａ〜７５ｅが画成される。

【００１２】前述の隙間８１の大きさは、発生ガスを好
適にガスプレナム７５ａ〜７５ｅに導くが、炭化硼素粉
７１の粉末が通過しないような値にする必要がある。こ
のため図１１乃至図１４に示すように、上側中間栓８
７，９７の下面に、スペーサ管７３ａ〜７３ｅの上端が
入り込む穴を座ぐり加工し、軸方向隙間９１，９８及び
半径方向隙間９３，９９をそれぞれ通るガス通路を形成
しても良い。以上のような構成の制御棒７０も、制御棒
５０或いは制御棒３０と同等な作用効果を奏すること
は、当業者にとって自明であるので説明は省略するが、
上側中間栓に隣接して炭化硼素粉があるので、中性子吸
収能力の歪み低減の効果も期待できる。。尚又、制御棒
３０，５０，７０に代表される前述の実施形態において
は、すべてハイブリッド構造の制御棒を説明してきた
が、Ag-In-Cd合金棒や炭化硼素ペレット等の他の中性子
吸収材を単独で用いる制御棒に本発明が適用できること
も明らかであろう。

【００１３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
制御棒において中性子吸収材を収納する被覆管或いは内
側被覆管を、制御棒クラスタ案内管による被支持部に対
応して配置された中実円板部材によりタンデム配置のセ
ルを形成するように構成し、そのセル内に中性子吸収材
を収納したので、被支持部の摩耗損傷が進行しても、セ
ルが外部の水空間に連通する貫通損傷は効果的に防止さ
れる。更に、万一、貫通損傷が発生しても、中性子吸収
材を収納する空間は、完全に分離されたタンデム配置の
セルとして構成されているので、中性子吸収材の溶出、
漏出等の不具合は局所的に限定され、制御棒価値が一時
に大幅に低下し、或いは喪失する問題は完全に防止され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の全体構造を示す一部切除の
立断面図である。

【図２】図１の部分拡大断面図である。

【図３】前記実施形態の一部を改変した部分改変実施形
態を示す部分立断面図である。

【図４】本発明の別の実施形態の全体構造を示す一部切
除の立断面図である。

【図５】図４の部分拡大断面図である。

【図６】図４に示す実施形態の主要部横断面図である。

【図７】本発明の更に別の実施形態の全体構造を示す一
部切除の立断面図である。

【図８】図７の部分拡大断面図である。

【図９】図７に示す実施形態の主要部横断面図である。

【図１０】図８中のＸ部を拡大して示す部分拡大断面図
である。

【図１１】図７に示す実施形態の一部を改変した一部改
変実施形態を示す部分拡大図である。

【図１２】図１１中のＸII部を拡大して示す部分拡大断
面図である。

【図１３】図７に示す実施形態の一部を改変した別の一
部改変実施形態を示す部分拡大図である。

【図１４】図１３中の一部を拡大して示す部分拡大断面
図である。

【図１５】従来構造の制御棒を組み込んだ制御棒クラス
タの一部切欠きの短縮立面図である。

【図１６】従来構造の代表的制御棒の構造を示す一部切
欠き立断面図である。

【図１７】従来構造の制御棒の横断面図である。

【図１８】従来構造の他の制御棒の構造を示す一部切欠
き立断面図である。

【図１９】従来構造の他の制御棒の部分横断面図であ
る。

【図２０】制御棒クラスタを原子炉炉心上方で支持する
制御棒クラスタ案内管の立面図である。

【符号の説明】

３０ 制御棒 ３１ 上部端栓 ３３ 下部端栓 ３５ａ〜３５ｆ 短尺被覆管 ３７ 中間栓 ３９ Ag-In-Cd合金棒 ４１ 炭化硼素ペレット ４３，４５ 円周溶接 ４７ａ〜４７ｆ，４７ｆ’ ガスプレナム ４９ コイルばね ５０ 制御棒 ５１ 上部端栓 ５３ 下部端栓 ５５ 外側被覆管 ５６ａ〜５６ｅ 内側短尺被覆管 ５７ 上側中間栓 ５８ 下側中間栓 ５９ Ag-In-Cd合金棒 ６１ 炭化硼素ペレット ６３，６５ 円周溶接 ６７ａ〜６７ｅ ガスプレナム ６９ コイルばね ７０ 制御棒 ７１ 炭化硼素粉 ７３ａ〜７３ｅ スペーサ管 ７５ａ〜７５ｅ ガスプレナム ７６ａ〜７６ｅ 内側短尺被覆管 ７７ 上側中間栓 ７８ 下側中間栓 ８１ 隙間 ８７ 上側中間栓 ９１，９３ 隙間 ９７ 上側中間栓 ９８，９９ 隙間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に中性子吸収材を収容する短尺被覆
   管と中間栓を以てなるセグメントを複数個軸方向に並べ
   てタンデム配置構造となし、その両端部を上部端栓と下
   部端栓により封止してなる原子炉用制御棒。
2. 【請求項２】 相対的に径が小さい内側短尺被覆管の内
   部に中性子吸収材を収容し、該短尺被覆管の両端を上側
   中間栓と下側中間栓を以て封止してカプセル型セグメン
   トを構成し、該カプセル型セグメントを相対的に径が大
   きい外側長尺被覆管の内側に収容してその両端を上部端
   栓と下部端栓により封止してなる原子炉用制御棒。
3. 【請求項３】 前記中性子吸収材から放出されるガスを
   収容するガスプレナムを該中性子吸収材の収容領域に軸
   方向に沿って形成してなる請求項１乃至２記載の原子炉
   用制御棒。