JP2008164533A - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Abstract

【課題】先端構造部におけるハフニウム・ステンレス鋼のクレビス対策、フラットチューブ等の剛性漢和対策、地震時等におけるシー衝撃体対策に優れた機能を発揮できる、水化学的および力学的面からの安全性を高めることができる原子炉用制御棒を提供する。
【解決手段】先端構造材側に最も近い前記中性子吸収要素は、内部に炉水流動空間を有するとともに挿入先端側に前記先端構造材側との間で相互に連結可能な連結部を有し、この連結部は前記先端構造材と前記中性子吸収要素のいずれか一方の躯体を貫通して形成された貫通切込部と、他方に設けられて前記貫通切込部に挿入係止される挿入係止部とを有する構成とされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉に使用される原子炉用制御棒に係り、特にハフニウムを用いた長寿命型の原子炉用制御棒に関する。

沸騰水型原子炉に使用される原子炉用制御棒は、原子炉を安全に停止する目的で使用される停止用制御棒と運転中の出力分布や原子炉の反応度を制御し、かつ原子炉停止に際しては停止に有効な反応度価値を有する多機能の制御用制御棒とに分類することができる。停止用制御棒に主として用いられている中性子吸収材はボロンカーバイド（Ｂ_４Ｃ）であり、通常は運転開始とともに炉心から引き抜かれ、運転終了時には炉心に挿入される。

一方、制御用制御棒に用いられている中性子吸収材は、非常に大量の中性子照射を受けるため、中性子照射に伴う中性子吸収能力の減少割合が小さい長寿命型の中性子吸収材であり、ハフニウム板等が適用される。

制御用制御棒は運転中にも原子炉の中に挿入されている場合が多いため、大量の中性子照射を受ける。このような条件下では、中性子等の照射条件下で水化学的に厳しい環境に晒される。ハフニウム自体、ステンレス鋼自体、ハフニウムとステンレス鋼との水化学的あるいは電気化学的な共存性、および機械的な強度、地震時の健全性等多くの面で困難な問題を抱えている。

沸騰水型原子炉の制御棒は断面が十字形をなしており、その中央にタイロッドを有する構成のものと、制御棒挿抜方向（軸方向）に断片的にしか結合部材がない無タイロッド構成のものとがある。後者は中性子吸収材を収納するシースがない構造となっている。前者は深いＵ字状のシースがタイロッドに溶接せれ、内部に中性子吸収要素が収納される構造となっている。

ところで、制御用制御棒の中でタイロッドを有する構成のものは、既に実用化されている。この構成の制御棒は２枚のハフニウム板をコマと呼ばれる支持材を用い、２枚のハフニウム板の間に水間隙を設けた構成の中性子吸収要素とされるとともに、厚さの小さいシースによって保持されている。中性子吸収要素は制御棒挿抜方向（軸方向）に多数（例えば４〜１６）に分割されており、一般に制御棒挿入先端側から末端側に向ってハフニウム板の厚さは薄くなるように設計されている。

図２３は、従来実用化されているハフニウム制御棒を示している。この図に示すように従来の制御棒１は、ハンドル３を含む十字型の先端構造材４と、４枚の翼（ウイング）２と、末端構造材５とが、中央構造材（タイロッド）６に固着されて形成されている。末端構造材５には、結合部材異常分離時に制御棒が炉心から落下する際の速度を抑制する速度制限部材（スピードリミッタ）８が設けられている。

各ウイング２は、深いＵ字状の横断面を有するシース７の内部に２枚のハフニウム板１０を保持部材（コマ）で一体型とされた一体型中性子吸収要素が収納されて構成されている。シース７には規則的に通水孔が穿設されている。通常、通水孔は制御棒挿入方向（軸方向）と直角方向に２個ずつペアとなって軸方向に規則的に配列されている。なお、一部の通水孔はシース７とハフニウム板１０とを貫通する「重複孔」となっている。

ハフニウムとステンレス鋼とは熱膨張係数が大幅に異なるため、一体型中性子吸収要素は制御棒の挿抜方向に複数に分割され、コマの軸を通してシース７で保持されている。そして、コマのディスクによりハフニウム板の位置決めがなされ、ハフニウム板間に通水用のギャップが形成されている。

一方、この構成の変形として、例えば特許文献５のような構成の制御棒が開示され、実用されている。この制御棒では、中性子吸収要素は軸方向に略等しい長さで二分割され、上側（挿入先端側）は先端構造材に、下側（挿入末端側）は末端構造材にそれぞれ係合されている。このため薄いシースで直接中性子吸収要素の荷重を支持する必要はない。

しかしながら、中性子照射量が非常に高い。また、狭い範囲で支持しなければならず、良好な通水ルートを形成しながら満足な強度を確保することは容易でない。対向する２枚のハフニウム板はそれぞれ挿抜方向と直角方向の両端が内部に水隙間を構成するように曲げられているので、前述のコマは必要が無い。しかしながら、ハフニウムはその結晶構造から、曲げに敏感な特性を有しており、健全性確保の点では原子炉照射の十分な実績が必要である。

このように、ハフニウムを用いた制御用制御棒は、隣接する燃料集合体相互間の狭い水隙間で挿抜されるため、制御棒のウイングの厚さは通常８ｍｍ程度に限定され、翼はその外周が１ｍｍ厚前後の深いＵ字状に成形されたステンレス鋼製のシースの中に内部に炉水流動空間を有するハフニウム製の中性子吸収要素が収納されて構成されている。

また、ハフニウムは比重が非常に大きく（１３ｇ／ｃｃ）高価である。したがって、その使用量を抑制することが極めて重要である。このような背景から中性子吸収要素の内部に炉水流動空間が導入された。この炉水流動空間による水間隙は、非特許文献１，２等に開示されているように、広いほど制御棒の反応度価値が高まるため、ハフニウム材料の節約効果が大きい。

一方、ハフニウムの板厚が薄過ぎると反応度価値や核的な寿命が小さくなるため、過度に薄くすることはできない。制御用制御棒は通常、上半分（挿入方向から有効吸収材全長のほぼ半分）までは中性子照射量が非常に高く、下半分では比較的低い。この特徴に対して、大まかに制御棒を構成したものが特許文献５で示されている上下二分割型制御棒であり、より詳細に対処したものが特許文献１〜４で示されている多分割型制御棒である。

このような構成により、ハフニウムの量は最適化または準最適化されている。この点から、制御棒挿入先端側では限られた厚さの範囲でハフニウム板の厚さと水隙間（ＨＨ間隙）を確保しなければならないため、シースの厚さは可能な限り薄くし、かつシースとハフニウム板との間の間隙（ＳＨ間隙）も狭くする要望がある。しかも、この場合には、シースの強度やＳＨ間隙の水化学的な面から腐食、割れ等の問題が生じる可能性がある。

なお、上下二分割型制御棒ではシースに荷重をかけないメリットがある反面、先端構造材部分における水化学的な問題を生じ易いので、良好な通水特性の確保が重要となる。非特許文献３の例では、把手が付いている先端構造材と中性子吸収材とが、カギフック状に係合されているが、通水を示すような構成は開示されていない。

なお、特許文献５の例でも、基本的にカギフック状に係合されており、組立性に改良が加えられているが、通水性を向上させる構成については特に示唆されていない。

多分割型制御棒では基本的には軸方向に多数に分割された各中性子吸収要素の荷重がシースで保持されている（特許文献１〜４）。この構成では、ステンレス鋼からなるシースとハフニウム板との間のＳＨ間隙における通水の一様性確保が容易でなく、水化学的な面で問題が生じる可能性がある。
特開昭６２−２３５５９５号公報 特開昭６２−２５４０９８号公報 特開昭６３−２２１２８９号公報 特開平４−６４９３号公報 特開平２−１０２９９号公報 発明協会発行 １９８７年２月２０日発行 公開技報８７−２５６１号 日本原子力学会 「昭６２秋の大会」 Ｄ４６（Ｐ２３２）「フラックストラップ型ＢＷＲ用Ｈｆ制御棒の臨界実験」 Trans.Am.Nucl.Soc.,vol.55,p.616(1987),American Nuclear Society Winter Meeting,1987,Los Angels,M.Ueda,et al.:"Critical Experiment on a Flux-Trap-Type Hafnium Control Blade for BWR"

上述したように、上下二分割型制御棒においては、先端構造材部分における水化学的な問題を生じ易く、良好な通水特性の確保が重要となるのに対し、従来では先端構造材と中性子吸収材とにおいて、通水を向上させる構成は開示されていない。また、公知文献では、通水性を向上させる構成について、特に示唆されていない。従来技術においては、ステンレス鋼からなるシースとハフニウム板との間のＳＨ間隙における通水の一様性確保が容易でなく、水化学的な面で問題が生じる可能性が想定される。

特にフラットチューブ制御棒では、ハフニウムが挟み込んでいるステンレス鋼とハフニウムの間の間隙が、腐食生成物の蓄積の際に、ハフニウム板を外側へ広げ、シース折曲げるような応力を発生させる可能性が予想される。

また、制御棒の上半分の剛性が特に大きく、巨大地震の際に、場所によりシースに大きな応力がかかる可能性が予想される。さらに、巨大地震時の横揺れの際に、中性子吸収要素の上下の協会付近の狭い範囲でシースを内面から叩くような力が発生する可能性も予想される。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、先端構造部におけるハフニウム・ステンレス鋼のクレビス対策、フラットチューブ等の剛性漢和対策、地震時等におけるシー衝撃体対策に優れた機能を発揮できる、水化学的および力学的面からの安全性を高めることができる原子炉用制御棒を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明では、先端構造材と、末端構造材と、これらを連結する中央構造材であるタイロッドと、このタイロッドから放射状に突出し、外殻部が断面Ｕ字形のシースによって構成されたウイングと、前記シース内に設けられ前記タイロッドの軸心と平行に配置されるとともに制御棒軸方向で複数に分割されたハフニウムもしくはハフニウム合金製の中性子吸収要素とを備えた原子炉用制御棒であって、前記先端構造材側に最も近い前記中性子吸収要素は、内部に炉水流動空間を有するとともに挿入先端側に前記先端構造材側との間で相互に連結可能な連結部を有し、この連結部は前記先端構造材と前記中性子吸収要素のいずれか一方の躯体を貫通して形成された貫通切込部と、他方に設けられて前記貫通切込部に挿入係止される挿入係止部とを有する構成とされていることを特徴とする原子炉用制御棒を提供する。

また、本発明では、前記各中性子吸収要素の挿入先端から末端までのうち、略中間位置から末端側の範囲で、かつ前記各中性子吸収要素における前記タイロッド側から最も離れた前記シース側の端部位置に、中性子吸収材からなる棒状吸収材を前記中性子吸収要素の当該シース側に一部突出させて設けることにより、前記中性子吸収要素と前記シースとの間に、シース・吸収要素間通水間隙を形成した請求項１記載の原子炉用制御棒を提供する。

また、本発明では、棒状吸収材はその長さの略中央部の特定箇所において、中性子吸収要素に一体的に固着されている原子炉用制御棒を提供する。

また、本発明では、中性子吸収材要素を配置した挿入先端から末端までの範囲において、挿入先端側から約半分の長さで前記タイロッドから最も離れた翼端部に付加した前記棒状吸収材は、挿入先端側から略１／４までの範囲では前記棒状吸収材を挟むように配置された両側の板状の中性子吸収要素に一体的に固着し、略１／４から略１／２の範囲では、片方の板状の前記吸収要素に一体的に固着されている原子炉用制御棒を提供する。

また、本発明では、中性子吸収要素は、対向する２枚のハフニウム板対が両板の間に間隙を形成するように両側端部で曲げられて形成されて平箱型または平管型とされており、この中性子吸収要素を前記シース内に収納し、間隔保持部材を用いてシースと中性子吸収要素との間にシース・吸収要素間通水隙間を設けた原子炉用制御棒を提供する。

また、本発明では、ハフニウム板対が平箱型または平管型に形成され、前記中性子吸収要素の挿抜方向の中央付近において、挿抜方向に二分割された原子炉用制御棒であって、該境界から挿入方向と引抜き方向とにそれぞれ略５ｃｍないし２０ｃｍの範囲で、前記ハフニウム板対の間隔が外圧を印加した場合に狭めることができるように柔軟性を持たせた構成とされている原子炉用制御棒を提供する。

また、本発明では、中性子吸収要素を収納するシースのうち、挿抜方向と直角方向の断面に対する通水孔を横切る断面の比率を、前記中性子吸収要素の上下境界を中心として挿入方向と引抜き方向とにそれぞれ５ｃｍないし２０ｃｍの範囲で最小とした原子炉用制御棒を提供する。

また、本発明では、中性子吸収要素がシース翼内部の水平方向に複数に分割して配置され、隣接する前記中性子吸収要素の少なくとも１箇所の間隙に吸収要素管間隔保持部材を装着して、挿抜方向と直角方向の有効吸収要素幅を機械的および水化学的に許可可能な範囲で拡幅とした原子炉用制御棒を提供する。

また、本発明では、シース・吸収要素間通水間隙は略０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以内である原子炉用制御棒を提供する。

本発明によれば、先端構造部におけるハフニウム・ステンレス鋼のクレビス対策、フラットチューブ等の剛性漢和対策、地震時等におけるシー衝撃体対策に優れた機能を発揮できる、水化学的および力学的面からの安全性を高めることができる

以下、本発明に係る原子炉用制御棒について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１〜図８）］
図１は、本発明の第１実施形態による原子炉用制御棒の上部構成を一部断面で示す側面図である。図２は図１のＡ−Ａ線断面図であり、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。また、図４は先端部材を示す側面図であり、図５および図６は図２および図３の一部を軸断面方向にのみ拡大して示す拡大断面図である。図７および図８は作用説明図である。

図１〜図６に示すように、本実施形態の原子炉用制御棒１は、ウイング２、ハンドル３、先端構造材４、中央構造材であるタイロッド６、シース７、図示省略の末端構造材、速度リミッタ等を備える。タイロッド６には、先端構造材４と末端構造材５とが連結されている。ハフニウムもしくはハフニウム合金製の中性子吸収要素（ハフニウム板）１０は、タイロッド６から放射状に突出し、外殻部が断面Ｕ字形のシース７内に設けられ、タイロッド６の軸心と平行に配置されるとともに制御棒軸方向で複数に分割されている。

図１−図３には、先端構造材４側に最も近いハフニウム板１０が示されている。ハフニウム板１０は例えば平板状で、対向する１対一組のものが板幅方向に平行に配列されて２組設置され、それぞれ内部に炉水流動空間を有する構成となっている。

この構成のもとで、ハフニウム板１０の挿入先端側には、先端構造材４側との間で相互に連結可能な連結部が構成されている。この連結部は、先端構造材４とハフニウム板１０のいずれか一方の躯体を貫通して形成された貫通切込部と、他方に設けられて貫通切込部に挿入係止される挿入係止部とからなっている。

具体的には、先端構造材４の下面の板厚方向中心部から段差をもって小厚の垂下壁１３が設けられ、この垂下壁１３に下端開口かつ縊れ部をもって上側開口が傾斜上に拡がる１対の貫通切込部１５が互いに隣接して形成されている。そして、貫通切込部１５の下側に突出する縊れ部の両側部の壁がハフニウム板１０の支持部となっている。ハフニウム板１０の上端には、貫通切込部１５に対応する形状の挿入係止部１６が形成されている。この挿入係止部１６が貫通切込部１５に嵌合挿入され、ハフニウム板１０と先端構造材４とが表面方向を揃えた状態で貫通係止されている。

先端構造材４とハフニウム板１０との貫通係止部分には、連通する通水孔１７，１８が形成されている。また、シース７には、ハフニウム板１０からずれた位置に複数のシース通水孔１９が形成されている。また、ハフニウム板１０の上端近傍には間隙保持部材２０が設けられ、対向する１対毎のハフニウム板１０間の間隔が保持されている。

さらに、ハフニウム板１０には、挿入先端から末端までのうち、略中間位置から末端側の範囲で、かつ各ハフニウム板１０におけるタイロッド６側から最も離れたシース７側の端部位置に、中性子吸収材からなる棒状吸収材２１が、ハフニウム板１０のシース７側に一部突出させて設けられている。これにより、ハフニウム板１０とシース７との間に、シース・吸収要素間通水間隙が形成されている。この棒状吸収材２１は、その長さの略中央部の特定箇所において、溶接等によりハフニウム板１０に一体的に固着されている。

また、図１および図３に示すように、ハフニウム板１０の側縁部には、それぞれハフニウム板１０間の隙間を保持するための管間隙保持部材２２，２３，２４が設けられている。さらに、図５に示すように、ハフニウム板１０の頂部は先端構造材４の下端から垂下する薄肉部に溶接部を介して固着されている。

このように、本実施形態の制御棒１は、水間隙（炉水流動空間、トラップ、あるいはＨＨ間隙と呼ぶ）を挟んで対向するように２枚のハフニウム板を配置し、その水間隙を保持するように各種の間隙保持部材が固着されて構成された中性子吸収要素（吸収要素）１０が翼（ウイング）のスパン（幅）方向に２本配置されて構成されている。そして、それぞれの吸収要素はその挿入先端が先端構造材に係合されて保持されている。この種の制御棒では吸収要素の長さ（制御棒挿抜方向長さ）は軸方向に２分割され、挿入先端側（上部）は図示のように先端構造材に係合されている。挿入末端側も後出の他の実施形態と同様に係合されている。なお、その係合構造は通常同様であるが、多数に分割してシース７やタイロッド６で支持することもできる。

先端構造材４に係合するこの構成の顕著な特徴は、水間隙が非常に小さくなった場合でも吸収要素であるハフニウム板１０の厚さがシース７間に収まる限り、先端構造材４に係合できることである。現実の制御棒では、１枚のハフニウム板の厚さは２ｍｍ程度以下、シース間の厚さは５〜６ｍｍ程度であるため、上述の水間隙（炉水流動空間）は十分にとることができる。

従来の係合方法では、シース間の厚さの半分以下でないと実施できず、吸収要素内外の水間隙の確保も容易でない。翼外側（翼側端側）の吸収要素では、その翼端側に棒状の吸収材（棒状吸収材、外側角棒とも略称する）が固着されている。棒状吸収材は水間隙（以下、ＨＨ間隙という）を保持し、さらにシースとハフニウム板との間隙（以下、ＳＨ間隙という）を通水特性向上と反応度価値減少許容量を考慮して所定の値（０．２ないし０．６ｍｍ程度）に保持するように形成されている。

図６では吸収要素の厚さを“ｗ”で、ＳＨ間隙を“δ”で示した。翼端に塊となっている棒状吸収材を配置するのは、後述の図に示したように、この場所が特に中性子束が高く、中性子照射量が高く、反応度価値が高いため、最も効果的に中性子吸収材のハフニウムを活用するためである。ハフニウムは板と棒とで結晶の方向が異なるため、中性子照射による照射成長の割合が異なる。

したがって、棒状吸収材は例えば１０ｃｍ程度に短尺化され、かつその一部分（例えば中央付近）に限定してハフニウム板に固着される。対向する２枚のハフニウム板は基本的に同様の条件で製作されるため、照射成長の割合は殆ど等しい。しかし、必ずしも厳密に等しいとは言えない場合も考えられるため、長い吸収要素では照射成長に伴う微小の曲りの発生も予想される。このような場合でも曲りを抑制する方策が、後に図示するように、本発明では実施される。

翼端側の棒状吸収材２１の他には、ハフニウム板１０相互間のＨＨ間隙およびハフニウム板１０とシース７との間のＳＨ間隙を保持するための間隙保持部材が随所に配置されているが、２本の吸収要素の間には例えば２〜３ｍｍ程度の間隔を保持するため、吸収要素間間隙を保持する機能も備えた要素間間隙保持部材が少数配置されている。

これによって２本の吸収要素は機械的および電気・水化学的に許容できる範囲で、２本の吸収要素の両端間（幅）を大きくされている。このことにより、図８から理解できるように、中性子束、したがって反応度価値の低い場所の吸収材を実質的に反応度の高い場所へ移動させることができると共に、翼幅が広がるため、限られた吸収材の量で反応度価値を高めることができる。なお、必要に応じてハフニウムやシースには通水孔が適切に設けられている。

図７および図８は、軽水型の臨界実験装置（ＮＣＡ）を用いて得られた制御棒挿抜方向と直角方向の翼表面の銅箔放射化率分布である。銅の放射化分布は、ほぼ低速中性子束（主として熱中性子束）の分布に比例し、反応度価値の分布にもおおよそ比例する。実験炉心は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の８×８型燃料集合体を模擬した４体の燃料集合体相互間の中心に、長さ方向を適切に切断した実機の十字型制御棒を装荷したもので、炉心が臨界になるように外周に燃料棒を対称に配置している。

薄いアクリル板にテープ状の銅箔を貼り付け、制御棒表面に密着するように設定して炉心を臨界にして中性子照射を行い、照射後炉心から取り出して短く切断し、誘導放射能のベータ線をプラスティックシンチレータを用いて測定した。図８に示したように、制御棒翼の側端約１５ｍｍの範囲で急激な中性子束（したがって反応度価値）の盛り上がりが見られる。タイロッド近傍でも若干の盛り上がりが見られ、その他の場所では比較的平坦になっている。したがって、本実施例のように、翼側端にハフニウムをまとめて配置すると効果的に反応度価値が高まり、そして核的寿命を大きくすることができる。

［第２実施形態（図９〜図１２）］
図９は本発明の第２実施形態を一部断面で示す側面図である。図１０、図１１および図１２は、それぞれ図９のＣ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線およびＥ−Ｅ線断面図である。すなわち、これらの図には、先端構造材（または中性子吸収要素）貫通切込み吊下げ方式を用いた実施が示されている。なお、本実施形態では第１実施形態と同一構成部分に同一符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態が第１実施形態と異なる点は、図１０に横断面形状を示すように、中性子吸収要素が平坦箱状（Ｆｌａｔ−ｔｕｂｅ）である点である。すなわち、ハフニウム板１０を配置した挿入先端から末端までの範囲において、挿入先端側から約半分の長さでタイロッド６から最も離れた翼端部に付加した棒状吸収材１０ａは、挿入先端側（図１０の上方）から略１／４までの範囲では棒状吸収材を挟むように配置された両側の板状の中性子吸収要素に一体的に固着し、略１／４から略１／２の範囲では、片方の板状の吸収要素に一体的に固着されている。なお、図中において、２９は末端構造材を示し、３０は通水切込、３１はハフニウム板１０の両端３２を折曲して溶接接合した薄箱状の中性子吸収体である。

本実施形態では、対向する２枚のハフニウム板１０（１０ａ同士、１０ｂ同士）は挿抜方向と直角方向の両端で内部にＨＨ間隙を構成するように曲げられ、相互に溶接されている。したがって、ＨＨ間隙を保持する間隙保持部材は必要としない。この構成において、第１実施例のような棒状吸収材は配置されていない。本実施例では、先端構造材４側が突出し、中性子吸収要素の貫通切込み部に係合され、末端構造材側では第１実施形態と略同じ係合方式が示されている。

作用効果については第１実施形態と略同様である。また、本実施例では吸収要素であるハフニウム板１０と先端（または末端）構造材との係合部材は、先端側ではハフニウム板１０と一体的に、末端側では構造材内に一体的に構成されているが、実際には必ずしも一体的に構成する必要はない。ＳＨ間隙は図１２に示すような吸収要素間間隔保持部材ないし類似の部材を必要な場所に装着して保持される。

上側と下側に分割された吸収要素１０の長さ方向の端部３３は、その全長が３．６ｍ程度で、分割位置はほぼ中央の１．８ｍ付近である。反応度価値低減を抑制するため、上下のハフニウム板１０の境界は対向する２枚で段違いの構成となっている。この付近のシースは巨大地震の際に内側のハフニウムから集中的に応力を受ける可能性がある。このため、ハフニウム板１０はハースに面する側で面取りが施されている。但し、さらにハフニウム両側端の曲げによる平管化を止め、しなやかになるように境界付近が構成されている。

本実施形態では境界付近（±５〜２０ｃｍ）において実施される。図示していないが、シースも強度向上のため、シースの通水孔の面積を他の部分に比べて特に抑制されている。このような構成は、本実施形態では、では境界付近（±１０〜２０ｃｍ）において実施される。

［第３実施形態（図１３〜図１７）］
図１３は本発明の第３実施形態における挿抜方向全体の構成を横断面で示す説明図であり、図１４は部分拡大側面図、図１５は全体側面図、図１６および図１７は作用説明図である。なお、本実施形態でも第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

なお、図中、４０は窓部、４３はハフニウム板１０の右奥部、４４端右手前部を示している。また、４５は左奥板、４６は右奥板を示している。図１７の２５は溶接部を示している。

これらの図に吸収要素の挿入先端側は前記実施形態の場合とほぼ同じであるが、中性子吸収要素１０の横断面は第１実施例と類似している。但し、図１３、図１４等に明確に示すように、２本の吸収要素１０は両者の境界において、その隙間が段違いとなるように構成されている。これによって隙間による反応度価値の低下が抑制されるが構造がやや複雑になっている。

また、図１４における間隙保持部材も同様に、構成がやや複雑になっている。２本の吸収要素の境界部分に取り付けられた間隙保持部材はトラップ（ＨＨ間隙）用とＳＨ間隙用の部分で構成されている。この例ではハフニウム板に窓が形成され、通水窓となっている。なお、図示していないが、吸収要素相互間の間隙保持機能を持たせてもよい。

図１５、図１６および図１７に、特徴的な事項が示されている。すなわち、上側と下側（挿入先端側と末端側）に分割された吸収要素の全長は通常３．６ｍ程度で、分割位置はほぼ中央の１．８ｍ付近であり、図１４の場合と同じ思想から、上下のハフニウム板の境界は対向する２枚で段違いの構成となっている。この付近のシースは前述のように巨大地震の際に内側のハフニウムから集中的に応力を受ける可能性があるため、本実施形態ではこの境界付近（±１０〜２０ｃｍ程度）において翼外側の棒状吸収材を排除すると共に間隙保持部材を排除している。

さらに図１６に示すように、１．８ｍの半分の０．９ｍ付近から下方（上下境界側）では棒状吸収材は、吸収要素の照射成長による軸方向の僅かな曲りも抑制できるように、ハフニウム板に対しては特徴的な溶接が行われている。例えば上下に隣接する棒状吸収材が一方のハフニウム板に溶接されていれず、挟まれている当該棒状吸収材は他方のハフニウム板に溶接される（交互溶接）。棒状吸収材相互間は軸方向に間隙を設けてあるため、接触は生じない。したがって、ハフニウム板を曲げる力は発生しない。なお、境界から下側でも必要な範囲で前述のような交互溶接が実施される。

なお、ハフニウム板はシースに面する側で図２の場合と同様に面取りが施され、さらにハフニウム両側端の曲げによる平管化を止め、しなやかになるように構成されている。吸収要素がその軸方向境界でシースを叩くような場合でも、吸収要素のハフニウム板はしなやかに曲り、シースにかかる応力は著しく緩和される。シース自体も強度向上のため、シースの通水孔の面積を他の部分に比べて特に抑制されている。

［第４実施形態（図１８〜図２２）］
図１８は本発明の第４実施形態における第１例を示し、図１９は第２例を示している。図２０ないし図２２は第３例を示している。

なお、符号５０は軸、６０は曲げ線、６１はハフニウム板１０側端縁から３ｍｍの位置で、直径４ｍｍの孔を開け、外から切込むことにより、これらの部位からハフニウム板１０をしなやかに湾曲可能としたものである。

図１８に示した第１例は、前記第１実施形態における嵌合構造を円形状に変更し、軸５０により軸示する構成としたものである。

図１９に示した第２例は、嵌合構造を第１例と変更したものである。

図２０ないし図２２に示した第３例では、係合構成は前記実施形態と同様である。

本実施形態によれば、ハフニウム板１０をしなやかに湾曲可能とし、地震時等におけるシー衝撃体対策に優れた機能を発揮することができる。

本発明の第１実施形態による原子炉用制御棒の上部構成を一部断面で示す側面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 図１のＢ−Ｂ線断面図。 図１に示した先端部材を示す側面図。 図２および図３の一部を軸断面方向にのみ拡大して示す拡大断面図。 図２および図３の一部を軸断面方向にのみ拡大して示す拡大断面図。 本発明の第１実施形態作用説明図。 本発明の第１実施形態作用説明図。 本発明の第２実施形態を一部断面で示す側面図。 図９のＣ−Ｃ線断面図。 図９のＤ−Ｄ線断面図。 図９のＥ−Ｅ線断面図。 本発明の第３実施形態を示す説明図。 本発明の第３実施形態を示す部分拡大側面図。 本発明の第３実施形態を示す全体側面図。 本発明の第３実施形態を示す作用説明図。 本発明の第３実施形態を示す作用説明図。 本発明の第４実施形態における第１例を示す説明図。 本発明の第４実施形態における第２例を示す説明図。 本発明の第４実施形態における第３例を示す説明図。 本発明の第４実施形態における第３例を示す説明図。 本発明の第４実施形態における第３例を示す説明図。 従来例を示す斜視図。

符号の説明

１‥原子炉用制御棒１、２‥ウイング２、３‥ハンドル、４‥先端構造材、６‥タイロッド、７‥シース、１０‥中性子吸収要素（ハフニウム板）、１３‥垂下壁、１５‥貫通切込部、１６‥挿入係止部、１７，１８‥通水孔、１９‥シース通水孔、２０‥間隙保持部材、２１‥棒状吸収材、２２，２３，２４‥管間隙保持部材、２５‥溶接部、２９‥末端構造材、３０‥通水切込、４０‥窓部、４３‥ハフニウム板の右奥部、４４‥端右手前部、４５‥左奥板、４６‥右奥板。

Claims (9)

1. 先端構造材と、末端構造材と、これらを連結する中央構造材であるタイロッドと、このタイロッドから放射状に突出し、外殻部が断面Ｕ字形のシースによって構成されたウイングと、前記シース内に設けられ前記タイロッドの軸心と平行に配置されるとともに制御棒軸方向で複数に分割されたハフニウムもしくはハフニウム合金製の中性子吸収要素とを備えた原子炉用制御棒であって、前記先端構造材側に最も近い前記中性子吸収要素は、内部に炉水流動空間を有するとともに挿入先端側に前記先端構造材側との間で相互に連結可能な連結部を有し、この連結部は前記先端構造材と前記中性子吸収要素のいずれか一方の躯体を貫通して形成された貫通切込部と、他方に設けられて前記貫通切込部に挿入係止される挿入係止部とを有する構成とされていることを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 前記各中性子吸収要素の挿入先端から末端までのうち、略中間位置から末端側の範囲で、かつ前記各中性子吸収要素における前記タイロッド側から最も離れた前記シース側の端部位置に、中性子吸収材からなる棒状吸収材を前記中性子吸収要素の当該シース側に一部突出させて設けることにより、前記中性子吸収要素と前記シースとの間に、シース・吸収要素間通水間隙を形成した請求項１記載の原子炉用制御棒。
3. 前記棒状吸収材はその長さの略中央部の特定箇所において、中性子吸収要素に一体的に固着されている請求項２記載の原子炉用制御棒。
4. 前記中性子吸収材要素を配置した挿入先端から末端までの範囲において、挿入先端側から約半分の長さで前記タイロッドから最も離れた翼端部に付加した前記棒状吸収材は、挿入先端側から略１／４までの範囲では前記棒状吸収材を挟むように配置された両側の板状の中性子吸収要素に一体的に固着し、略１／４から略１／２の範囲では、片方の板状の前記吸収要素に一体的に固着されている請求項２記載の原子炉用制御棒。
5. 前記中性子吸収要素は、対向する２枚のハフニウム板対が両板の間に間隙を形成するように両側端部で曲げられて形成されて平箱型または平管型とされており、この中性子吸収要素を前記シース内に収納し、間隔保持部材を用いてシースと中性子吸収要素との間にシース・吸収要素間通水隙間を設けた請求項１ないし４記載の原子炉用制御棒。
6. 前記ハフニウム板対が平箱型または平管型に形成され、前記中性子吸収要素の挿抜方向の中央付近において、挿抜方向に二分割された原子炉用制御棒であって、該境界から挿入方向と引抜き方向とにそれぞれ略５ｃｍないし２０ｃｍの範囲で、前記ハフニウム板対の間隔が外圧を印加した場合に狭めることができるように柔軟性を持たせた構成とされている請求項１ないし５記載の原子炉用制御棒。
7. 前記中性子吸収要素を収納する前記シースのうち、挿抜方向と直角方向の断面に対する通水孔を横切る断面の比率を、前記中性子吸収要素の上下境界を中心として挿入方向と引抜き方向とにそれぞれ５ｃｍないし２０ｃｍの範囲で最小とした請求項１ないし６記載の原子炉用制御棒。
8. 中性子吸収要素が前記シース翼内部の水平方向に複数に分割して配置され、隣接する前記中性子吸収要素の少なくとも１箇所の間隙に吸収要素管間隔保持部材を装着して、挿抜方向と直角方向の有効吸収要素幅を機械的および水化学的に許可可能な範囲で拡幅とした請求項１ないし７記載の原子炉用制御棒。
9. 前記シース・吸収要素間通水間隙は略０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以内である請求項２ないし８記載の原子炉用制御棒。

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