JP2008256369A - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Abstract

【課題】沸騰水型原子炉に使用される原子炉用制御棒、特にハフニウムの所要量抑制および通水特性の向上等を図る。
【解決手段】中性子吸収要素を配置した挿入先端側から末端側までのうち、少なくとも挿入先端側から約半分の長さまでの領域に、タイロッド１４から最も離れた中性子吸収要素１７の端部側に中性子吸収材からなる端部側棒状スペーサ３０を付加して内部に炉水流動空間を形成するとともに、端部側棒状スペーサの厚さを中性子吸収要素の外面位置よりもシース１５側に向けて大きくすることにより、シースと中性子吸収要素との間にシース・吸収要素間通水間隙を形成する。
【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、特にハフニウムの所要量抑制および通水特性の向上等を図った原子炉用制御棒に関するものである。

沸騰水型原子炉の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」に用いられている中性子吸収材は通常ボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）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（核的に長寿命型の中性子吸収材）が用いられる。代表的な物質はハフニウム（Ｈｆ）金属である。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、前述のように非常に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電気・水化学的にも非常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、及び機械的な強度、地震時の健全性等多くの面で難問が待ち構えている。

沸騰水型原子炉の制御棒は断面が十字形をなしており、その中央に中央構造材（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され、内部に中性子吸収要素が収納される構造となっている。

「制御棒用制御棒」の中で中央構造材（タイロッド）を有する代表的な構成は、本願の発明者の開示になる［特許文献１、２、３、４］や、［非特許文献１、２］で詳細に説明されており、すで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通称「コマ」と呼ばれている支持材を用いて２枚のハフニウム板の間に水間隙を構成した構成の中性子吸収要素とされるとともに、厚さの薄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、多分割型制御棒と呼ばれており、一般に制御棒挿入先端側から末端側に向か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１８、図１９および図２０はこのように構成された従来の代表的な制御棒の構成を示している。図１８は、ハフニウム制御棒の要部構成図であり、図１９は制御棒の一部を拡大して示す図であり、図２０は図１９のＸＩＸ断面図である。

これらの図に示すように、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。下部構造材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図示省略の速度制限部材（スピードリミッタ）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８を保持部材（コマ）９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８とを貫通する「重複孔」となっている。

このように、従来の原子炉用制御棒では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ことに対応して、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９の軸９ａを通してシース７で保持されている。そして、コマ９のディスク９ｂによりハフニウム板８の位置決めがなされ、ハフニウム板８間に通水用のギャップ１０が形成されている。

ところで、ハフニウム金属を用いた前述の「制御用制御棒」は隣接する燃料集合体相互間の狭い水間隙（Ｗａｔｅｒ ｇａｐ）で挿抜されるため、制御棒の翼（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。ハフニウムは比重が非常に大きく（１３ｇ／ｃｃ）、かつ高価であり、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従来では、中性子吸収要素の内部に炉水流動空間が導入された。この水間隙は［非特許文献１、２］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す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。この特徴を詳細に考慮して対処したものが［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又は準最適化されている。

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間隙（以下「ＨＨ間隙」あるいは「トラップ」という。）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隙（以下「ＳＨ間隙」という。）も狭くすることが望まれる。このような場合、シースの強度やＳＨ間隙の電気・水化学的な面で問題が生じる可能性がある。

「多分割型制御棒」では基本的に、制御棒挿脱方向に多数に分割されたそれぞれの中性子吸収要素の荷重は［特許文献１〜４］で示されているようにシースで保持されている。この構成では、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がちであることが理解されるようになった。
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 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"

ハフニウム金属を用いた制御用制御棒は原子炉内で大量の中性子照射を受け、中性子等の照射条件下で電気・水化学的に厳しい環境に晒されるため、電気化学的または水化学的な共存性、機械的な強度、地震時の健全性等の面で解決すべき課題がある。また、ハフニウム金属は比重が大きく、かつ高価であり、使用量を抑制することが重要課題である。

一方、制御棒挿入先端側では限られた範囲でハフニウム板の厚さとＨＨ間隙とを確保しなければならず、シースの厚さを薄くすること、シースとハフニウム板とのＳＨ間隙を狭くすること等が望まれるが、この場合にはシースの強度やＳＨ間隙の電気・水化学的な面で問題が生じる可能性がある。

また、従来の多分割型制御棒では、制御棒挿脱方向に多数に分割された中性子吸収要素の荷重がシースにより保持されているが、この構成では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、この点からも水化学的な面で問題が生じる可能性もある。

本発明はこのような事情のもとで、制御用制御棒が受ける中性子照射量は挿入方向から有効吸収材全長のほぼ半分まで中性子照射量が非常に高い一方で、下半分では比較的低いことに着目してなされたものであり、第１の目的は多分割型制御棒においてシースに荷重をかけないでタイロッドで荷重支持を行い、かつコマを省略して良好な通水特性を確保することができる原子炉用制御棒を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、制御棒の翼先端側の反応度価値を確保しながらハフニウムの所要量を抑制することができる原子炉用制御棒を提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、中性子照射を受けてハフニウムが伸延（照射成長）した場合にも制御棒の健全性を確保することができる原子炉用制御棒を提供することにある。

前記の目的を達成するため、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、前記シース内に互いに対向する配置で１対ずつ配置され前記タイロッドの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、前記中性子吸収要素の荷重を前記タイロッドに設けられた支持腕を用いて支持するタイロッド支持方式の原子炉用制御棒であって、前記中性子吸収要素を配置した挿入先端側から末端側までのうち、少なくとも挿入先端側から約半分の長さまでの領域に、前記タイロッドから最も離れた前記中性子吸収要素の端部側に中性子吸収材からなる端部側棒状スペーサを付加して内部に炉水流動空間を形成するとともに、前記端部側棒状スペーサの厚さを前記中性子吸収要素の外面位置よりも前記シース側に向けて大きくすることにより、前記シースと前記中性子吸収要素との間にシース・吸収要素間通水間隙を形成した原子炉用制御棒を提供する。

また、互いに対向する中性子吸収要素のタイロッド側縁部にタイロッド側間隙保持部材を設け、このタイロッド側間隔保持部材の厚さを中性子吸収要素の外面位置よりもシース側に向けて大きくすることにより、シースと中性子吸収要素との間にシース・吸収要素間通水間隙を形成した原子炉用制御棒を提供する。

また、支持腕をタイロッドから各中性子吸収要素の制御棒挿脱方向略中間位置に向って突設し、この支持腕を吸収要素間に挿入してタイロッド側間隔保持部材に係合させることにより、中性子吸収要素の荷重をタイロッドに支持させる中性子吸収要素荷重支持手段を構成した原子炉用制御棒を提供する。

また、支持腕を制御棒挿抜方向と直交する方向に向けるとともに、この支持腕の先端部からタイロッド側間隙保持部材の位置よりも長い支持腕延長部を設けることにより、中性子吸収要素内部の破片その他の異物の移動を阻止する異物移動阻止手段を構成した原子炉用制御棒を提供する。

また、中性子吸収要素として、幅方向に分割した分割型中性子吸収要素を備え、隣接する中性子吸収要素の少なくとも１ケ所の間隙に吸収要素間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及び電気・水化学的に許容可能な範囲で拡幅した原子炉用制御棒を提供する。

また、中性子吸収材の肉厚が制御棒挿入先端側から末端側に向って次第に小厚に設定されている原子炉用制御棒を提供する。

また、端部側棒状スペーサを制御棒挿脱方向に沿って複数本配置するとともに、端部側棒状スペーサとシースの先端部との間に通水空間を形成し、各端部側棒状スペーサ間に、シース先端部の通水空間と、互いに対向する中性子吸収要素間の間隙とを連通する通水開口を形成した原子炉用制御棒を提供する。

また、支持腕がタイロッドから中性子吸収要素の制御棒挿脱方向略中央部側に向って１本または制御棒挿脱方向に間隔をあけて複数本突出し、支持腕とタイロッド側間隔保持部材とは１箇所または複数箇所で係合する構成とされている原子炉用制御棒を提供する。

本発明によれば、タイロッドに設けた支持腕によりタイロッド側間隔保持部材を介して中性子吸収要素を支持する構成であるため、シースに荷重をかけないでタイロッドで荷重支持を行ことができるとともに、この構成により対向する中性子吸収要素間の間隙保持を行え、従来設けられていたコマが不要となることから、良好な通水特性を確保することができる。

また、制御棒における燃料集合体側に近い部位、すなわちタイロッドから最も離れた中性子吸収要素の翼端部側に中性子吸収材製の端部側棒状スペーサを設けたことにより、制御棒の反応度価値を確保しながら、中性子吸収要素であるハフニウムの所要量を抑制することができる。

さらに、タイロッドに設けた支持腕により中性子吸収要素を支持する構成としたので、中性子照射を受けてハフニウムが伸延（照射成長）した場合にも制御棒の健全性を確保することができ、また電気・水化学的な腐食の可能性を十分抑制することができる。したがって、反応度価値を確保しつつハフニウムの所要量を抑制し、長期間使用した場合に生じる照射成長に対しても十分な健全性を確保することができる長寿命型の原子炉用制御棒が得られる。

さらにまた、上記構成により挿入先端側から末端側までのうち、少なくとも挿入先端側から約半分の長さまでの領域に、効果的な制御棒翼端に多くのハフニウム材が配置されることになり、ハフニウムの所要量を抑制しながら効果的な反応度価値が達成されるのみでなく、ハフニウム板とシース内面との間に積極的に通水間隙が形成されていることから、電気・水化学的特性が向上し、この点からも制御棒の健全性向上が図れる。また、中性子吸収要素の荷重はシースではなく中央構造材で支持されるため、通水間隙を積極的に確保するだけでなく、十分な強度及び万一の破損時でも、破損部品の異常移動が抑制され、制御棒の健全性を向上することができる。

以下、本発明に係る原子炉用制御棒の実施形態について図面を参照して説明する。

［第１実施形態（図１−図１１）］
図１は本発明の第１実施形態による原子炉用制御棒の全体構成を概略的に示す説明図である。図１に示すように、原子炉用制御棒１１は縦長棒状で全体が横断面十文字形をなしており、炉心への挿入先端側となる上端部に先端構造材１２を有し、挿入末端側となる下端部に末端構造材１３を有している。先端構造材１２と末端構造材１３との間には、これらを連結する中央構造材であるタイロッド１４が連結されている。タイロッド１４の軸直角方向に放射状に突出する各翼部には外殻部が横断面Ｕ字形をなすシース１５がそれぞれ接合されており、これにより横断面十文字型のウイング１６が構成されている。各シース１５内にはハフニウムもしくはハフニウム合金からなる複数の中性子吸収要素（以下、「ハフニウム板」という。）１７が収容されており、これらのハフニウム板１７は互いに対向する配置で１対ずつ、タイロッド１４の軸方向（図１の上下方向）に沿って複数組（例えば計８組）に分割配置されている。

この８組のハフニウム板１７のうち、先端構造材１２側から末端構造材１３までの制御棒挿脱方向長さの範囲における挿入側（上側）の４組のハフニウム板１７がタイロッド１４に支持腕１８およびタイロッド側間隔保持部材１９を介して荷重支持されている。一方、先端構造材１２側から末端構造材１３までの制御棒挿脱方向長さの範囲における下側の４組のハフニウム板１７、すなわち末端構造材１３側の約半分の範囲に配置された各ハフニウム板１７は、図１８ないし図２０に示した従来構造と同様に、シース１５にコマ９を介して支持された構成となっている。なお、本実施形態では図７にのみ通水孔を図示し、それ以外の図では通水孔の図示を省略している。

図２は、図１に示した原子炉用制御棒１１のうち、挿入側に配置されたハフニウム板１７を拡大して示す説明図である。

図２に示すように、ハフニウム板１７は縦長な長方形状をなしており、このハフニウム板１７がタイロッド１４の側縁側から突出する翼部先端縁側に対向配置されている。なお、図２においては対向する１対のハフニウム板１７のうち、手前側に配置される一方のハフニウム板を省略している。ハフニウム板１７には、これら１対のハフニウム板１７の対向面間に炉水流動空間（ＨＨ間隙）を形成する手段として、複数のタイロッド側間隔保持部材２０（２０ａ〜２０ｄ）と端部側棒状スペーサ３０（３０ａ〜３０ｄ）とが設けられている。

タイロッド側間隔保持部材２０はハフニウム金属からなる短寸の縦長棒状のものであり、ハフニウム板１７のタイロッド側縁部１７ａに上下間隔をあけて複数配置されている。図示の例では、タイロッド側間隔保持部材２０が４体配置されている。このうち、ハフニウム板１７の上，下端部近傍にそれぞれ配置された上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａおよび下端側タイロッド側間隔保持部材２０ｂは、ハフニウム板１７の上下端部からの離間距離がほぼ同等となる対称配置とされている。これら上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａおよび下端側タイロッド側間隔保持部材２０ｂは、同寸かつ同形のものとされ、縦方向長さおよび肉厚等が同等である。なお、これらの上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａおよび下端側タイロッド側間隔保持部材２０ｂの形状および取付け構成等については、図３−図９を参照して後に説明する。

また、ハフニウム板１７の制御棒挿脱方向に沿う略中央位置には上下方向に一定の間隔をあけて上下１対のタイロッド側間隔保持部材、すなわち中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃと中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄとが配置されている。これらの中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃおよび中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄは、上述した上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａおよび下端側タイロッド側間隔保持部材２０ｂよりも横方向厚さが大きい構成となっている。また、これらの中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃおよび中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄは相互に、同寸かつ同形のものとされ、縦方向長さおよび肉厚等が同等である。なお、これらの中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃおよび中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄの形状および取付け構成等についても、図３−図９を参照して後に説明する。

一方、端部側棒状スペーサ３０はハフニウム板１７のタイロッド側から最も離れた端部側（ハフニウム板１７の先端側縁部１７ｂ）に配置されている。端部側棒状スペーサ３０はハフニウム金属製であり、上記のタイロッド側間隔保持部材２０ａ〜２０ｄに比べて長尺な縦長棒状のものとして構成されている。本実施形態では、１対のハフニウム板１７に対して例えば４本の端部側棒状スペーサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄが縦方向に沿って相互に接近し、それぞれの端部間に狭い間隔を開けて上下１列に並んだ状態の配置構成とされている。これら端部側棒状スペーサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの形状および取付け構成等についても、図３−図９を参照して後に説明する。

さらに、タイロッド１４には、中性子吸収要素としてのハフニウム板１７の荷重をこのタイロッド１４により支持するための支持腕（ステイ）４０が設けられている。この支持腕４０はステンレス鋼により構成してあり、図２に示したように例えば縦長な柱状板部４０ａの一側縁部から３本の平行な横向きの腕部４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを上下に離間配置で一体に突設した、略Ｅ字形をなすものである。この支持腕４０は図１にも示したように、ハフニウム板１７を配置した挿入先端側から末端側までのうち、挿入先端側から約半分の長さまでの領域において、各ハフニウム板１７の挿脱方向中央位置に対応する配置で１体ずつ設けられている。

そして、支持腕４０の縦長な柱状板部４０ａが、タイロッド１４の翼端部に形成された縦長な溝４９内に嵌合されて溶接固定してあり、３本の腕部４０ｂ，４０ｃ，４０ｄのうち中央部の腕部４０ｃが上下幅寸法の大きい支持腕部として、上述した中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃと中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄとの間に微小間隙をあけて挿入されている。また、中央部の腕部４０ｃの上下に配置された腕部４０ｂ，４０ｄは中央部の腕部４０ｃよりも上下幅寸法が小さく設定してあり、これらの腕部４０ｂ，４０ｄはそれぞれ中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃの上面と中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄの下面とに隙間をあけて対向する配置となっている。これらの隙間は、上述の中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃおよび中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄとの間の間隙よりも広く設定されている。そして、これらの腕部４０ｂ，４０ｄの先端部には、それぞれ中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃおよび中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄの位置よりも長い支持腕延長部４０ｅ，４０ｆが一体に設けられている。

次に、図３〜図９も参照して、上述した上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａ、下端側タイロッド側間隔保持部材２０ｂ、中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃ、中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄ、端部側棒状スペーサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄおよび支持腕４０の形状および取付け構成等について詳細に説明する。

図３は図２のＡ−Ａ線に沿う拡大断面であり、図４は図２のＢ−Ｂ線に沿う拡大断面図であり、図５は図２のＣ−Ｃ線に沿う拡大断面図であり、図６は図２のＤ−Ｄ線に沿う拡大断面図である。図７（ａ）〜（ｃ）はハフニウム板１７の切欠部等を含む輪郭形状を示す説明図であり、図８および図９は寸法等を示す説明図である。

まず、図３により、タイロッド１４、シース１５、１対のハフニウム板１７、上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａおよび最上部の端部側棒状スペーサ３０ａの断面形状を説明する。図３に示すように、タイロッド１４の翼端部両側面には先細状の段部１４ａが形成されており、この段部１４ａの両外面にシース１５の平行な基端部がそれぞれ被着され、これらシース１５の基端部が溶接部２１によりタイロッド１４に固定されている。

シース１５内には１対のハフニウム板１７，１７が対向配置してあり、これらハフニウム板１７，１７のタイロッド側縁部１７ａには、中性子吸収材であるハフニウム金属からなる上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａの一部がハフニウム板１７，１７の間に挿入された状態で組立てられ、溶接部２１ｂにより固定されている。すなわち、上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａは図２および図３に示すように、厚肉部２２ａと薄肉部２２ｂとを有する一体構成部材となっており、この薄肉部２３ａがハフニウム板１７，１７間に挿入されている。これによりタイロッド側縁部１７ａのハフニウム板１７，１７間に水間隙２５が形成されている。

また、互いに対向するハフニウム板１７，１７間のタイロッド側縁部１７ａ形成された切欠部２３に、上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａの厚肉部２２ａが当接状態で設けられている（なお、切欠部２３の形状は図７（ａ）に示されている）。そして、この上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａの厚肉部２２ａの厚さをハフニウム板１７，１７の外面位置よりもシース１５側に向けて大きくすることにより、タイロッド側縁部１７ａにおけるシース１５とハフニウム板１７，１７との間にシース・吸収要素間通水間隙２４，２４が形成されている。

一方、タイロッド１４から最も離れたハフニウム板１７，１７の端部側（ハフニウム板１７の先端側縁部１７ｂ）には、中性子吸収材であるハフニウム金属からなる端部側棒状スペーサ３０ａが付加されている。この端部側棒状スペーサ３０ａも図２および図３に示すように、厚肉部３１ａと薄肉部３１ｂとを有する一体構成部材となっており、この薄肉部３１ｂがハフニウム板１７，１７間に挿入されている。これによりハフニウム板１７の先端側縁部１７ｂにおけるハフニウム板１７，１７間に内部に炉水流動空間としての水間隙２５が形成されている。

また、互いに対向するハフニウム板１７，１７間の先端側縁部１７ｂに、端部側棒状スペーサ３０ａの厚肉部３１ａが当接状態で設けられている。そして、この端部側棒状スペーサ３０ａの厚肉部３１ａの厚さをハフニウム板１７，１７の外面位置よりもシース１５側に向けて大きくすることにより、先端側縁部１７ｂにおけるシース１５とハフニウム板１７，１７との間にシース・吸収要素間通水間隙２４，２４が形成されている。さらに、端部側棒状スペーサとシース先端部との間に通水空間２６が形成されている。

次に、図４は図２のＣ−Ｃ線に沿う拡大断面図であり、この図４には上から２番目の端部側棒状スペーサ３０ｂおよび支持腕１８の上部横断面形状が示されている。この図４に示すように、支持腕１８の柱状板部４０ａは肉厚が大きい厚板状をなしており、この柱状板部４０ａがタイロッド１４の４９に挿入固定されている。柱状板部４０ａから一体に突出する上部の腕部４０ｂは、図３に示した上端側タイロッド側間隔保持部材２０ａの薄肉部２２ｂと同一肉厚であり、この腕部４０ｂがハフニウム板１７，１７間に挿入されている。これによりタイロッド側縁部１７ａのハフニウム板１７，１７間に水間隙２５が形成されている。

また、支持腕１８の腕部４０ｂの先端部からタイロッド側間隙保持部材２０の位置よりも長い支持腕延長部４０ｅが設けられている。この支持腕延長部４０ｅはハフニウム板１７，１７間の間隙より薄肉に形成され、水間隙２５を狭めた状態で配置されている。これにより、中性子吸収要素内部の破片その他の異物の移動を阻止する異物移動阻止手段が構成されている。

図５は図２のＣ−Ｃ線に沿う拡大断面図であり、支持腕１８の中央部の腕部４０ｃを示している。この腕部４０ｃは図４に示した上部の腕部４０ｂと同一肉厚を有している。ただし、図２に示したように、この腕部４０ｃは上下幅が広く、上下方向荷重に対する強度が大きい構成となっている。

また、この図５の右側部に示すシース１５のよく端部においては、図２にも示したように、上下配置の端部側棒状スペーサ３０の間隙部となっている。これにより、端部側棒状スペーサ３０とシース１５の先端部との間に通水開口２７が形成されている。したがって、各端部側棒状スペーサ３０間には、シース先端部の通水空間である水間隙２６と、互いに対向するハフニウム板１７間の間隙とを連通する通水開口２７とが形成され、炉水流動が確保できる構成となっている。

図６は図２のＤ−Ｄ線に沿う拡大断面図であり、中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄの横断面形状が示されている。この中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄは図２にも示したように、上部側タイロッド側間隔保持部材２０ａよりも制御棒挿脱方向と直交する方向（シース１５の長さ方向）に沿う肉厚が大きい。この点は中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃと同様である。すなわち、これら中央下部タイロッド側間隔保持部材２０ｄと中央上部タイロッド側間隔保持部材２０ｃとも、上下方向荷重に対する強度が大きい構成となっている。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、ハフニウム板１７の形状および支持腕１８の構成を具体的に示したものである。これらの図に示すように、ハフニウム板１７には、タイロッド側間隔保持部材２０ａ，２０ｃ，２０ｄ等が嵌合配置される部位に端部側から一段低い四角形状の切欠からなる複数の切欠部２３が形成されている。これにより、各タイロッド側間隔保持部材２０ａ，２０ｃ，２０ｄはそれぞれ各切欠部２３に嵌合状態で保持されることにより、上下方向への移動を阻止される。

図８には、支持腕１８の腕部４０ｂ，４０ｃ，４０ｄと、これらの間に配置される中央タイロッド側間隔保持部材２０ｃ，２０ｄとの間隙寸法を示している。支持腕１８の腕部４０ｃとこれを上下方向から挟む中央タイロッド側間隔保持部材２０ｃ，２０ｄとの間隙ｇ１は僅少となっており、支持腕１８の腕部４０ｂ，４０ｄに対する中央タイロッド側間隔保持部材２０ｃ，２０ｄとの間隙ｇ２は、ｇ１より大きくなっている。

したがって、原子炉運転時における中性子照射による膨張時には支持腕１８の腕部４０ｃとこれを上下方向から挟む中央タイロッド側間隔保持部材２０ｃ，２０ｄとが接近することになる。すなわち、支持腕１８をタイロッド１４から各ハフニウム板１７の制御棒挿脱方向略中間位置に向って突設していることにより、この支持腕１８を吸収要素間である各ハフニウム板１７に挿入してタイロッド側間隔保持部材に係合させることになる。そして、これによりハフニウム板１７の荷重をタイロッド１４に支持させることができる。

なお、吸収要素の翼端側には棒状の吸収材（棒状吸収材、外側角棒とも略称する）がその長さの中央付近においてハフニウム板に点溶接などで固着されている。棒状の吸収材の長さは制御棒の剛性、照射成長特性、通水特性などを考慮して決められるが、通常１０ｃｍ程度の長さ、かつ制御棒挿脱方向の棒間間隙は１０ｍｍ程度とする。棒状の吸収材の溶接位置は照射成長特性が棒状と板状で異なる点を配慮して決められて入る。棒状吸収材は水間隙（ＨＨ間隙）を保持し、更にシースとハフニウム板との間隙（ＳＨ間隙）を所定の値（０．２ないし０．６ｍｍ程度）に保持するように形成されている。この間隙が広いと反応度価値の低下が著しく、狭すぎると通水特性が悪化し、電気・水化学的に問題を生じる可能性が高いことから、このような値を設定する。

図９は照射膨張等に関する説明図である。図９では中性子吸収要素であるハフニウム板１７の厚さを「Ｗ」で示し、ＳＨ間隙を 「δ」 で示している。翼端に塊となっている棒状吸収材を配置する理由は、後述の図３から分かるように、この場所が特に中性子束が高く、中性子照射量が高く、反応度価値が高い位置であり、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。なお、ｄ部には衝撃荷重はかからないため溶接点に特別の配慮は必要無い。

また、翼内部の水平方向に複数に分割された中性子吸収要素が配置された制御棒において、隣接する中性子吸収要素の少なくとも１ケ所の間隙に『吸収要素間間隔保持部材』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及び電気・水化学的に許容可能な範囲で拡幅している。

この構成によれば、中性子吸収要素の挿抜方向と直角方向の有効幅が拡大されるので、制御棒の反応度価値がハフニウムの量を増加させること無く向上させることができる。即ち、反応度価値をハフニウム所要量を低減させても維持することができ、重量が大きく高価なハフニウムを節約することができる。この保持部材の翼厚さ方向寸法を中性子吸収要素の厚さより大きくすることによってシースと中性子吸収要素との間に通水間隙を確保するのは他の構成の場合と同様である。

図１０は本実施形態において適用される中性子吸収材、すなわちハフニウム板１７の厚さ変化を示す説明図である。すなわち、本実施形態では、ハフニウム板１７の肉厚が制御棒挿入先端側から末端側に向って次第に小厚に設定されている。一例として、最も挿入先端側（上２段）に配置されるハフニウム板１７ａ，１７ｂの肉厚が最大とされ、以下２段ごとに末端側（下側）に向って２段ずつのハフニウム板１７ｃ，１７ｄ、ハフニウム板１７ｅ，１７ｆおよびハフニウム板１７ｇ，１７ｈの肉厚が、次第に小厚となっている。

これにより、挿入先端側では中性子吸収材厚さが大であることから、反動度価値（中性子吸収能力）が高く、末端側では中性子吸収材厚さが小であることから、反動度価値が次第に低くなっている。

このように、中性子吸収材の厚さは挿入末端側で薄くなっており、しなやかに曲がりやすくなっている。そして、中性子照射量が少なく、電気・水化学的にも特に問題を起こす可能性も低いことが次第に明らかになってきている。このため、本実施例では挿入末端側は従来通りとして示した。

図１１、図１２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」を示している。 （ａ）は実験炉心の横断面における測定位置を説明した図、（ｂ）は得られた結果である。

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張り付け、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。この図から分かるように、制御棒翼の側端約１５ｍｍの範囲で急激な中性子束（従って反応度価値）の盛り上りがあり、タイロッド近傍でも若干の盛り上がりがあり、その他の場所では比較的平坦になっている。従って、第１実施例の場合のように、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ことが理解できる。

本実施形態によれば、タイロッド１４に設けた支持腕１８によりタイロッド側間隔保持部材を介して中性子吸収要素を支持する構成であるため、シース１３に荷重をかけないでタイロッド１４で荷重支持を行ことができるとともに、この構成により対向する中性子吸収要素間の間隙保持を行え、従来設けられていたコマが不要となることから、良好な通水特性を確保することができる。

また、制御棒における燃料集合体側に近い部位、すなわちタイロッド１４から最も離れた中性子吸収要素の翼端部側に中性子吸収材製の端部側棒状スペーサを設けたことにより、制御棒の反応度価値を確保しながら、中性子吸収要素であるハフニウムの所要量を抑制することができる。

さらに、タイロッド１４に設けた支持腕１８により中性子吸収要素を支持する構成としたので、中性子照射を受けてハフニウムが伸延（照射成長）した場合にも制御棒の健全性を確保することができ、また電気・水化学的な腐食の可能性を十分抑制することができる。したがって、反応度価値を確保しつつハフニウムの所要量を抑制し、長期間使用した場合に生じる照射成長に対しても十分な健全性を確保することができる長寿命型の原子炉用制御棒が得られる。

さらにまた、上記構成により挿入先端側から末端側までのうち、少なくとも挿入先端側から約半分の長さまでの領域に、効果的な制御棒翼端に多くのハフニウム材が配置されることになり、ハフニウムの所要量を抑制しながら効果的な反応度価値が達成されるのみでなく、ハフニウム板１７とシース１５内面との間に積極的に通水間隙が形成されていることから、電気・水化学的特性が向上し、この点からも制御棒の健全性向上が図れる。また、中性子吸収要素の荷重はシースではなく中央構造材で支持されるため、通水間隙を積極的に確保するだけでなく、十分な強度及び万一の破損時でも、破損部品の異常移動が抑制され、制御棒の健全性を向上することができる。

なお、本実施形態において、棒状の吸収材の長さは制御棒の剛性、照射成長特性、通水特性などを考慮して決められるが、通常１０ｃｍ程度の長さ、かつ制御棒挿脱方向の棒間間隙は１０ｍｍ程度として問題ない。棒状の吸収材の溶接位置は照射成長特性が棒状と板状で異なる点を配慮して決められて入る。棒状吸収材は水間隙（ＨＨ間隙）を保持し、更にシースとハフニウム板との間隙（ＳＨ間隙）を所定の値（０．２ないし０．６ｍｍ程度）に保持するように形成されている。この間隙が広いと反応度価値の低下が著しく、狭すぎると通水特性が悪化し、電気・水化学的に問題を生じる可能性が高いことから、このような値を設定する。

［第２実施形態（図１３）］
図１３（ａ），（ｂ）は本発明の第２実施形態による原子炉用制御棒の全体構成を概略的に示す説明図である。

この実施形態では、「中央構造材支持方式」を用いた本発明において、前記第１実施形態と異なる点は、中性子吸収要素であるハフニウム板が挿抜方向と直交方向（水平方向）に２分割されている（１７ａ，１７ｂ）．
そして、両ハフニウム板１７ａ，１７ｂの間に吸収要素間間隙保持部材が介在している。すなわち、中性子吸収要素として、幅方向に分割した分割型中性子吸収要素であるハフニウム板１７ａ，１７ｂを備え、隣接する中性子吸収要素の少なくとも１ケ所の間隙に吸収要素間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及び電気・水化学的に許容可能な範囲で拡幅した構成となっている。

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供えた要素間間隙保持部材が少数個配置されている。これによって２本の吸収要素は機械的及び電気・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。この事により図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とも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。

［他の実施形態（図１４−図１７）］
図１４には、他の実施形態として、支持腕１８がステイ２本（４０ｂ、４０ｄ）、間隔保持部材２０が１個の例を示している。

図１５には、ステイが１本（４０ｃ）、間隔保持部材２０が２個の例を示している。

図１６には、ステイが２本（４０ｂ、４０ｄ）、、間隔保持部材２０が２個の例を示している。

図１７には、ステイが１本（４０ｃ）、円形の間隔保持部材２０が２個の例を示している。

このように、本実施形態では種々の変更が可能である。

本発明の第１実施形態を示す全体図。 本発明の第１実施形態による要部構成を示す拡大図。 図２のＡ−Ａ断面図。 図２のＢ−Ｂ断面図。 図２のＣ−Ｃ断面図。 図２のＤ−Ｄ断面図。 （ａ），（ｂ）は第１実施形態による作用を示す説明図。 第１実施形態による荷重作用を示す説明図。 第１実施形態による照射作用等を示す説明図。 第１実施形態によるハフニウム厚さ示す説明図。 第１実施形態による照射作用等を示す説明図。 第１実施形態による中性子分布を示す説明図。 （ａ），（ｂ）は本発明の第１実施形態による要部構成を示す拡大図。 本発明の他の実施形態を示す説明図。 本発明の他の実施形態を示す説明図。 本発明の他の実施形態を示す説明図。 本発明の他の実施形態を示す説明図。 従来の制御棒構成を示す全体図。 従来の制御棒構成を示す要部説明図。 従来の制御棒構成を示す要部拡大断面図。

符号の説明

１１ 原子炉用制御棒
１２ 先端構造材
１３ 末端構造材
１４ タイロッド
１５ シース
１６ ウイング
１７ 中性子吸収要素（ハフニウム板）
１８ 支持腕
１９タイロッド側間隔保持部材
２０（２０ａ〜２０ｄ） タイロッド側間隔保持部材
３０（３０ａ〜３０ｄ） 端部側棒状スペーサ
４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ 腕部

Claims (8)

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、前記シース内に互いに対向する配置で１対ずつ配置され前記タイロッドの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、前記中性子吸収要素の荷重を前記タイロッドに設けられた支持腕を用いて支持するタイロッド支持方式の原子炉用制御棒であって、前記中性子吸収要素を配置した挿入先端側から末端側までのうち、少なくとも挿入先端側から約半分の長さまでの領域に、前記タイロッドから最も離れた前記中性子吸収要素の端部側に中性子吸収材からなる端部側棒状スペーサを付加して内部に炉水流動空間を形成するとともに、前記端部側棒状スペーサの厚さを前記中性子吸収要素の外面位置よりも前記シース側に向けて大きくすることにより、前記シースと前記中性子吸収要素との間にシース・吸収要素間通水間隙を形成したことを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 互いに対向する前記中性子吸収要素のタイロッド側縁部にタイロッド側間隙保持部材を設け、このタイロッド側間隔保持部材の厚さを前記中性子吸収要素の外面位置よりも前記シース側に向けて大きくすることにより、前記シースと前記中性子吸収要素との間にシース・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. 前記支持腕を前記タイロッドから前記各中性子吸収要素の制御棒挿脱方向略中間位置に向って突設し、この支持腕を前記吸収要素間に挿入して前記タイロッド側間隔保持部材に係合させることにより、前記中性子吸収要素の荷重を前記タイロッドに支持させる中性子吸収要素荷重支持手段を構成した請求項１記載の原子炉用制御棒。
4. 前記支持腕を制御棒挿抜方向と直交する方向に向けるとともに、この支持腕の先端部から前記タイロッド側間隙保持部材の位置よりも長い支持腕延長部を設けることにより、前記中性子吸収要素内部の破片その他の異物の移動を阻止する異物移動阻止手段を構成した請求項１記載の原子炉用制御棒。
5. 前記中性子吸収要素として、幅方向に分割した分割型中性子吸収要素を備え、隣接する中性子吸収要素の少なくとも１ケ所の間隙に吸収要素間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及び電気・水化学的に許容可能な範囲で拡幅した請求項１記載の原子炉用制御棒。
6. 前記中性子吸収材の肉厚は制御棒挿入先端側から末端側に向って次第に小厚に設定されている請求項１記載の原子炉用制御棒。
7. 前記端部側棒状スペーサを制御棒挿脱方向に沿って複数本配置するとともに、前記端部側棒状スペーサと前記シースの先端部との間に通水空間を形成し、前記各端部側棒状スペーサ間に、前記シース先端部の通水空間と、互いに対向する前記中性子吸収要素間の間隙とを連通する通水開口を形成した請求項１記載の原子炉用制御棒。
8. 前記支持腕は前記タイロッドから前記中性子吸収要素の制御棒挿脱方向略中央部側に向って１本または制御棒挿脱方向に間隔をあけて複数本突出し、前記支持腕と前記タイロッド側間隔保持部材とは１箇所または複数箇所で係合する構成とされている請求項１記載の原子炉用制御棒。

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