JP2009058447A - Control rod for reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、沸騰水型原子炉(BWR)に用いられる原子炉用制御棒に係り、特に、ハフニウムを主要な中性子吸収材とする長寿命型の原子炉用制御棒に関する。 The present invention relates to a reactor control rod used in a boiling water reactor (BWR), and more particularly to a long-life reactor control rod using hafnium as a main neutron absorber.
沸騰水型原子炉(BWR)には長寿命型の原子炉用制御棒を用いたものがあり、この原子炉用制御棒は、深いU字状断面のステンレス製シースを、断面十字形のタイロッドの突出部に装着し、制御棒先端では先端構造材に、また制御棒末端側を末端構造材にそれぞれ固着しており、さらに、前記U字状シース内に中性子吸収材として2枚(対)のハフニウム板を収納設置した4枚の翼(ウイング)によって構成される(特許文献1および非特許文献1参照)。 Some boiling water reactors (BWRs) use long-life reactor control rods, which have a deep U-shaped stainless steel sheath and a cross-shaped tie rod. The control rod tip is fixed to the tip structure material, and the control rod end side is fixed to the end structure material. Further, two neutron absorbers (pairs) are provided in the U-shaped sheath. It is comprised by the four wing | blade (wing) which accommodated and installed the hafnium plate (refer patent document 1 and nonpatent literature 1).
このような原子炉用制御棒では、対のハフニウム板間の間隙は、原子炉内において炉水で満たされ、その水によって炉心で発生した中性子が減速されるので、中性子はハフニウムに効果的に吸収される。この原子炉用制御棒は、「フラックストラップ型制御棒」と呼ばれる。対のハフニウム板間に間隙を形成したものは、間隙内の水の働きで重量が大きく、高価なハフニウム材料を節約することができる。 In such a reactor control rod, the gap between the pair of hafnium plates is filled with reactor water in the reactor, and the neutrons generated in the core are decelerated by the water, so that neutrons are effective for hafnium. Absorbed. This nuclear reactor control rod is called a “flux trap type control rod”. In the case where a gap is formed between the pair of hafnium plates, the weight of the hafnium material is large due to the action of water in the gap, and an expensive hafnium material can be saved.
また、原子炉用制御棒は炉心に出し入れされ、挿抜きされるので、制御棒の挿入末端側のハフニウム材料を節約できる。対のハフニウム板は、軸方向に多数に分割され、分割された対のハフニウム板は、U字状シース内にコマと呼ばれる複数の間隔保持兼荷重保持部材を介して保持される。 Further, since the nuclear reactor control rod is inserted into and removed from the core, hafnium material on the insertion end side of the control rod can be saved. The pair of hafnium plates are divided into a large number in the axial direction, and the paired hafnium plates are held in a U-shaped sheath via a plurality of spacing and load holding members called pieces.
一方、従来の原子炉用制御棒において、U字状シースと各コマとを溶接により固定すると、U字状シースは溶接変形によりハフニウム板の方に曲がり、両者の間に間隙が無くなったり、相互に拘束し合う可能性があった。この場合には、U字状シースとハフニウム板の間に形成される間隙が消滅するばかりでなく、U字状シースとハフニウム板との間の熱膨張差や照射成長差異による相対変位も許容しない構造となり、ハフニウム板より薄いU字状シースには過大な応力がかかる可能性が生じる。 On the other hand, in the conventional nuclear reactor control rod, when the U-shaped sheath and each piece are fixed by welding, the U-shaped sheath bends toward the hafnium plate due to welding deformation, and there is no gap between them. There was a possibility of restraining each other. In this case, not only the gap formed between the U-shaped sheath and the hafnium plate disappears, but also a structure that does not allow relative displacement due to a difference in thermal expansion or irradiation growth between the U-shaped sheath and the hafnium plate. The U-shaped sheath that is thinner than the hafnium plate may be subjected to excessive stress.
また、従来の原子炉用制御棒では、対のハフニウム板はU字状シース内に複数のコマを介して溶接により保持する構造となっており、この溶接部でスクラム時の荷重をはじめとする運転中の各種荷重を受ける。対のハフニウム板をU字状シース内にコマ溶接部で固定すると、溶接部近傍に各種の応力が生じるため、溶接部近傍のU字状シースに応力腐食割れが生じる可能性がある。U字状シースに応力腐食割れが生じると、原子炉用制御棒の健全性低下、ひいては寿命減少につながる可能性がある。しかし、従来の特許文献では、U字状シースの応力腐食割れに対する配慮は一切ない。 Further, in the conventional control rod for a nuclear reactor, the pair of hafnium plates are structured to be held by welding through a plurality of frames in a U-shaped sheath. Subject to various loads during operation. When the pair of hafnium plates are fixed in the U-shaped sheath by the top welded portion, various stresses are generated in the vicinity of the welded portion, and therefore stress corrosion cracking may occur in the U-shaped sheath in the vicinity of the welded portion. When stress corrosion cracking occurs in the U-shaped sheath, there is a possibility that the soundness of the nuclear reactor control rod is deteriorated and consequently the life is shortened. However, in the conventional patent document, there is no consideration for stress corrosion cracking of the U-shaped sheath.
ところで、U字状シースを構成するステンレス鋼と中性子吸収材のハフニウム金属とは異種金属であり、電気化学的に腐食し易い条件が形成され、腐食し易い原子炉環境下では腐食が促進されるクレビス問題が発生する虞がある。 By the way, the stainless steel constituting the U-shaped sheath and the hafnium metal of the neutron absorbing material are dissimilar metals, and conditions that are susceptible to electrochemical corrosion are formed, and corrosion is promoted in a corrosive reactor environment. A clevis problem may occur.
特許文献2では、U字状シースを用いないハフニウム制御棒が開示されている。この原子炉用制御棒は、ハフニウムとステンレス鋼とが溶接できない点に着目した構造であるが、タイロッドにステンレス鋼を用いるもので、タイロッドを用いない本発明の原子炉用制御棒とは基本的構造を異にする。さらに、特許文献2の原子炉用制御棒は、耐蝕性やブレードヒストリ問題対策の配慮がなされていない。
また、長寿命型の原子炉用制御棒は、制御棒軸方向長さの大部分の高出力運転中に挿入されているので、燃料集合体でその中性子吸収板に隣接する部分では中性子束レベルは大幅に低下しているが、燃焼が遅れ、残留する核分裂物質の濃度が比較的高い。原子炉用制御棒を引き抜くと、高い出力が発生し、燃料の健全性が脅かされる。燃料の健全性に悪影響を及ぼす問題は、ブレードヒストリ現象と呼ばれ、このブレードヒストリ現象は中性子束の低下を抑制すれば緩和されるが、通常制御棒反応度価値が低下し、反応度不足が生じる虞がある。
従来の原子炉用制御棒に長寿命型制御棒を用いたものが、沸騰水型原子炉の実用炉において満足な照射実績を重ねてきたものの、原子炉用制御棒は応力腐食割れが生じ易い構造となっており、電気化学的に活性化し、クレビス問題が発生する虞がある構成であることが明らかになった。 Although conventional long-life control rods used for nuclear reactor control rods have been successfully irradiated in boiling water reactors in practical use, nuclear reactor control rods are prone to stress corrosion cracking. It has become clear that the structure is electrochemically activated and may cause a clevis problem.
しかし、従来の原子炉用制御棒では、制御棒に格別な応力腐食割れ対策が施されておらず、また、電気化学的活性化を防止する対策も格別なものが講じられていない。 However, in conventional control rods for nuclear reactors, no special measures against stress corrosion cracking have been applied to the control rods, and no special measures have been taken to prevent electrochemical activation.
さらに、沸騰水型原子炉内で原子炉用制御棒を長期間使用する場合、原子炉用制御棒に隣接する燃料(燃料集合体)に対して、制御棒を引き抜いた際に大幅に出力が上昇するブレードヒストリ現象が生じ、燃料に急激な膨張が生じるために、燃料の健全性が損なわれる虞があった。 Furthermore, when reactor control rods are used in boiling water reactors for a long period of time, output is greatly increased when the control rods are pulled out of the fuel (fuel assembly) adjacent to the reactor control rods. Since the rising blade history phenomenon occurs and the fuel suddenly expands, the soundness of the fuel may be impaired.
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、応力腐食割れの発生を有効的に防止し、電気化学的な活性化を防ぐ対策を施して、ブレードヒストリ現象を緩和させる原子炉用制御棒を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and for reactors that effectively prevent the occurrence of stress corrosion cracking and take measures to prevent electrochemical activation, thereby reducing the blade history phenomenon. It aims to provide a control rod.
本発明の他の目的は、構造材に中性子吸収物質であるハフニウムやハフニウムとの共存性に優れたジルカロイを用いて、応力腐食割れや電気化学的活性度を大幅に緩和させた長寿命型の原子炉用制御棒を提供することにある。 Another object of the present invention is to use a long-life type material that significantly reduces stress corrosion cracking and electrochemical activity by using neutron-absorbing material hafnium and zircaloy excellent in coexistence with hafnium as a structural material. It is to provide a control rod for a nuclear reactor.
本発明の別の目的は、中性子吸収材の寸法、レイアウト構造、配置を工夫し、制御棒に隣接する燃料に対して、制御棒を引き抜いた際にも、大きな出力上昇が生じる現象(ブレードヒストリ現象が大きいという現象)を緩和し、燃料集合体の健全性を確保し、運転操作が簡単な長寿命型の原子炉用制御棒を提供することにある。 Another object of the present invention is to devise the dimensions, layout structure and arrangement of the neutron absorber, and a phenomenon in which a large increase in output occurs even when the control rod is pulled out of the fuel adjacent to the control rod (blade history). It is intended to provide a long-life nuclear reactor control rod that eases the phenomenon (the phenomenon that the phenomenon is large), ensures the soundness of the fuel assembly, and is easy to operate.
本発明に係る原子炉用制御棒は、応力腐食割れ、電気化学的活性度およびブレードヒストリを緩和する課題を解決するために、中性子吸収材を含有する4枚のウイングの挿入先端側および挿入末端側をそれぞれ横断面十字形の先端構造材と末端構造材にそれぞれ結合させた原子炉用制御棒において、制御棒中心軸側に軸方向に所定の間隔をおいて設けられた複数のタイクロスにより前記4枚のウイングを結合して横断面十字形に構成し、前記先端構造材とタイクロスは、ジルコニウム合金で構成され、前記ウイングの主要部を構成する中性子吸収材は、ハフニウムあるいはハフニウム合金で構成されたものである。 In order to solve the problems of mitigating stress corrosion cracking, electrochemical activity, and blade history, the control rod for a nuclear reactor according to the present invention has four wings containing neutron absorbers at the insertion tip side and the insertion end. In the control rod for a nuclear reactor whose sides are respectively connected to the cross-sectional tip structure material and the end structure material, a plurality of tie cloths provided at predetermined intervals in the axial direction on the control rod central axis side The four wings are combined to form a cross-shaped cross section, the tip structure material and tie cloth are made of a zirconium alloy, and the neutron absorber constituting the main part of the wing is made of hafnium or a hafnium alloy. It is configured.
また、本発明に係る原子炉用制御棒は、前記ウイングの内部に炉水が介在できる間隙が形成されている。そして、前記ハフニウムは外周部の大部分またはほぼ全面にジルカロイまたはハフニウムがジルコニウムで希釈されたハフニウム合金の層で覆われていることを特徴とする。また、前記中性子吸収材は、ハフニウムがジルコニウムで希釈したハフニウム合金を用いてもよい。 In the nuclear reactor control rod according to the present invention, a gap in which reactor water can be interposed is formed in the wing. The hafnium is covered with a hafnium alloy layer obtained by diluting zircaloy or hafnium with zirconium over most or almost the entire outer periphery. The neutron absorber may be a hafnium alloy in which hafnium is diluted with zirconium.
このように構成された原子炉用制御棒では、中性子吸収材であるハフニウムとの共存性が特に優れたジルカロイ(ジルコニウム合金)を構造材として用いているため、応力腐食割れや電気化学的な活性度が大幅に緩和される。そしてジルカロイはステンレス鋼より比重が小さいため、必要に応じてより多くのハフニウムを使用でき、中性子吸収効果を高めることが可能となる。 The reactor control rod constructed in this way uses zircaloy (zirconium alloy), which is particularly excellent in coexistence with hafnium, a neutron absorber, as a structural material, so stress corrosion cracking and electrochemical activity The degree is greatly eased. And since Zircaloy has a specific gravity smaller than stainless steel, more hafnium can be used as needed, and the neutron absorption effect can be enhanced.
本発明に係る原子炉用制御棒は、前記4枚の翼は、外周部がハフニウムの含有を許容するジルカロイ製シースで構成され、内部に中性子吸収材のハフニウムを収納して構成されていることを特徴とするものであり、前記ハフニウムは、挿入先端から挿入末端方向に向かう約半分の長さがシース内面に直接接する程度の太径の棒を列状に多数配置し、挿入末端側では細径の棒を間隙を介して列状に多数配置したことを特徴とするものであり、さらに、前記挿入先端側の多数のハフニウム棒は制御棒中心軸側から翼幅の約3/4以内の範囲において、太径と細径のハフニウム棒を1本または2本組みとして交互に配列したことを特徴とするものであり、また、前記ウイングのジルカロイ製シースの内部には、制御棒中心軸側から翼幅の約3/4以内の範囲において、太径ハフニウム棒と、ステンレス鋼管、ジルカロイ製中空金属管あるいは弱吸収材とを1本または2本組みとして交互に配列したことを特徴とするものであり、さらに、前記ステンレス鋼管または中空金属管は、炉水が内部に侵入するように構成されている。 In the control rod for a nuclear reactor according to the present invention, the four blades are constituted by a Zircaloy sheath whose outer peripheral portion allows the inclusion of hafnium, and contains hafnium which is a neutron absorber inside. In the hafnium, a large number of large-diameter rods having a length that is approximately half the length from the insertion tip toward the insertion end are in direct contact with the inner surface of the sheath, and are thin on the insertion end side. A large number of rods having a diameter are arranged in a row with a gap, and the plurality of hafnium rods on the insertion tip side are within about 3/4 of the blade width from the control rod central axis side. In the range, the hafnium rods having a large diameter and a small diameter are alternately arranged as one or two sets, and the zircaloy sheath of the wing is arranged inside the control rod central axis side. To about 3/4 of the wing span In this range, a large-diameter hafnium rod and a stainless steel tube, a zircaloy hollow metal tube or a weak absorbent material are alternately arranged in one or two sets, and the stainless steel tube or The hollow metal tube is configured such that the reactor water enters the inside.
このように構成された原子炉用制御棒では、シースと中性子吸収材とが一体的に結合されていないため、両者に熱膨張や照射成長特性に差異があった場合、相対位置が許容範囲で独立して変化できるため、過剰な応力の発生が免れる。また、原子炉用制御棒では挿入末端側に細径のハフニウム棒を用いているので、挿入末端側の不必要なハフニウムが削減されるとともに、制御棒挿入時でも、炉心下部での出力低下を緩和でき、制御棒引き抜きの際に生じる出力上昇を緩和することができる。また、この原子炉用制御棒では反応度低下の程度を抑制しながら、効果的に制御棒引き抜きの際に生じる出力上昇を緩和することができる。 In the reactor control rod configured in this way, the sheath and the neutron absorber are not integrally coupled, so if there is a difference in thermal expansion or irradiation growth characteristics between them, the relative position is within the allowable range. Since it can be changed independently, excessive stress is avoided. In addition, because the reactor control rod uses a thin hafnium rod on the insertion end side, unnecessary hafnium on the insertion end side is reduced, and even when the control rod is inserted, the output at the bottom of the core is reduced. It is possible to mitigate, and it is possible to mitigate the increase in output that occurs when the control rod is pulled out. Further, with this nuclear reactor control rod, it is possible to effectively mitigate the increase in power that occurs when the control rod is pulled out while suppressing the degree of decrease in reactivity.
さらに、原子炉用制御棒においては、前記ハフニウムは横断面を平板化したハフニウム平管が単数または複数配列されて構成されていることを特徴とし、また、前記ハフニウム平管(偏平管)は挿入先端から約半分の長さにおいて、挿入末端側よりハフニウムの肉厚が厚くなるように構成されていることを特徴とし、一方、ウイングの翼横断面内に複数のハフニウム平管を収納した構成では制御棒中心軸側ほどハフニウムの肉厚を薄くすることができ、さらに、前記ハフニウムは横断面を平板(偏平)化したハフニウム平管が制御棒挿抜方向と直交する水平方向に複数個配列されており、挿入末端から挿入先端側に向かう約半分の長さにおいて、少なくとも制御棒中心軸側のハフニウム平管の水平方向幅は挿入先端端側より狭くされ、水平方向に隣接する各平管の間に炉水が占める間隙を配置するように構成されていることを特徴とするものである。 Furthermore, in the control rod for a nuclear reactor, the hafnium is formed by arranging one or more hafnium flat tubes having a flat cross section, and the hafnium flat tube (flat tube) is inserted. About half the length from the tip, the hafnium is thicker than the insertion end side. On the other hand, in the configuration where multiple hafnium flat tubes are housed in the wing cross section The thickness of the hafnium can be made thinner toward the control rod central axis side. Furthermore, the hafnium has a plurality of flat hafnium tubes with a flat cross section (flattened) in the horizontal direction perpendicular to the control rod insertion / removal direction. The horizontal width of at least the hafnium flat tube on the control rod central axis side is narrower than the insertion tip end side in the half length from the insertion end to the insertion tip side. And it is characterized in that it is configured to position the gap occupied by the reactor water between each flat tube adjacent to.
このように構成された原子炉用制御棒は、反応度価値低下の程度を抑制しながら、効果的に制御棒引き抜きの際に生じる出力上昇を緩和することができる。 The nuclear reactor control rod configured as described above can effectively mitigate the increase in power generated when the control rod is pulled out while suppressing the degree of reduction in the reactivity value.
さらに、前記ハフニウム平管は挿入末端から約半分の長さにおいて、挿入先端側よりハフニウムの濃度が1/2程度となるようにジルカロイで希釈して肉厚を挿入先端側とほぼ等しくなるように構成されていることを特徴するものである。 Furthermore, the hafnium flat tube is approximately half the length from the insertion end, diluted with zircaloy so that the hafnium concentration is about ½ from the insertion tip side, so that the wall thickness becomes substantially equal to the insertion tip side. It is characterized by being configured.
このように構成された原子炉用制御棒でも、中性子吸収材領域の肉厚が制御棒の軸方向にほぼ一様であるため、機械的・物理的強度が軸方向に一様となり、応力集中が起きにくくなるという特徴がある。 Even in a reactor control rod constructed in this way, the thickness of the neutron absorber region is almost uniform in the axial direction of the control rod, so the mechanical and physical strength is uniform in the axial direction, and stress concentration There is a feature that makes it difficult to occur.
さらにまた、この原子炉用制御棒では、前記ハフニウム平管は挿入先端側では挿入先端構造材に、末端側では末端構造材に係合されていることを特徴とし、また、制御棒軸方向中央付近に挿入方向と直角方向に固着腕を設け、挿入先端側のハフニウム平管は先端側へ、挿入末端側のハフニウム平管は末端側へ伸縮可能とするように構成したことを特徴とするものである。 Furthermore, in this control rod for a nuclear reactor, the hafnium flat tube is engaged with the insertion tip structural member at the insertion tip side and with the terminal structure member at the distal end side, and the control rod axial center A fixing arm is provided near the insertion direction in a direction perpendicular to the insertion direction, and the hafnium flat tube on the insertion tip side can be expanded and contracted to the tip side, and the hafnium flat tube on the insertion end side can be expanded and contracted to the end side. It is.
この構成によれば、中性子照射に伴う『照射成長』特性のハフニウム部材依存性やハフニウムと構造材との照射成長の差異や温度変化依存性から生じる機械的応力の発生問題が解消される。 According to this configuration, the problem of generation of mechanical stress resulting from the dependency of the “irradiation growth” characteristic upon irradiation with neutrons on the hafnium member dependency, the irradiation growth difference between hafnium and the structural material, and the temperature change dependency is solved.
さらにまた、前記シースの内面及びシース内部に収納されるハフニウムは少なくともシース内面に面する表面を、表面研磨あるいはジルカロイ層を設けることによりハフニウムの耐蝕性を向上させたことを特徴とするものである。 Furthermore, the hafnium housed in the sheath and inside the sheath is characterized in that the corrosion resistance of hafnium is improved by providing surface polishing or a zircaloy layer on at least the surface facing the sheath inner surface. .
また、この原子炉用制御棒は、中性子吸収材のハフニウムは、全長を同じ厚さとし、挿入末端から先端に向かう約半分の長さにおいて、挿入先端側より横幅を狭くし、外側端を挿入先端側と同じ(スパン同一)に揃えたことを特徴とするものである。 This reactor control rod has the same overall thickness as hafnium, which is the neutron absorber, and has a width that is narrower than the insertion tip side, with the outer end at the insertion tip, in about half the length from the insertion end to the tip. It is characterized by being aligned to the same side (same span).
このように構成された原子炉用制御棒では、構造材として中性子吸収物質であるハフニウムとの共存性が特に優れたジルカロイを構造材として用いているため、応力腐食割れや電気化学的な活性度が大幅に緩和される。 The reactor control rod constructed in this way uses Zircaloy as a structural material, which is particularly excellent in coexistence with hafnium, a neutron absorbing material, as a structural material, so stress corrosion cracking and electrochemical activity Is greatly relaxed.
さらにまた、中性子吸収材の寸法・構造・配置の工夫により、原子炉内で長期間使用する場合、制御棒に隣接する燃料において制御棒を引き抜いた際に大きな出力上昇を生じる現象(ブレードヒストリが大きいと言う現象)が大幅に緩和され、燃料集合体の健全性が確保され、かつ運転操作が簡単化される。 Furthermore, due to the device size, structure, and arrangement of the neutron absorber, a phenomenon in which a large increase in output occurs when the control rod is pulled out of the fuel adjacent to the control rod when used in a nuclear reactor for a long time (blade history is The phenomenon of “large” is relieved greatly, the soundness of the fuel assembly is ensured, and the operation is simplified.
本発明に係る原子炉用制御棒では、炉出力の平坦化を図ることができ、応力腐食割れの生じ易さや電気化学的に活性化する構成が顕著に改良されて長寿命化を図ることができる。また、原子炉用制御棒を原子炉内で長期間使用する場合、制御棒に隣接する燃料において、制御棒を引き抜いた際に大きな炉出力上昇が生じるブレードヒストリ現象を、積極的に緩和することができる。 In the control rod for a nuclear reactor according to the present invention, the reactor power can be flattened, and the ease of occurrence of stress corrosion cracking and the electrochemically activated configuration can be remarkably improved to extend the life. it can. In addition, when using control rods for nuclear reactors for a long period of time in the reactor, the blade history phenomenon that causes a large increase in reactor power when the control rods are pulled out in the fuel adjacent to the control rods should be actively mitigated. Can do.
本発明に係る原子炉用制御棒の実施形態について、添付図面を参照して説明する。 An embodiment of a control rod for a nuclear reactor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、沸騰水型原子炉の炉心部(炉心クラック)に原子炉用制御棒を好適に配置した臨界実験体系の構成例を示す平面図である。図2は図1のA部の拡大図であり、燃料集合体間にはワイドギャップGWとナローギャップGNが交互に形成される。 FIG. 1 is a plan view showing a configuration example of a critical experiment system in which a reactor control rod is suitably arranged in a core portion (core crack) of a boiling water reactor. Figure 2 is an enlarged view of the A portion of Fig. 1, between the fuel assemblies wide gap G W and narrow gap G N are alternately formed.
臨界実験体系では、臨界実験装置の炉心タンクの中央に、実機の原子炉炉心の横断面と等しくした十字型原子炉用制御棒10を配置し、この制御棒10を取り囲むように4体一組の燃料集合体11を配置した例で示す。燃料集合体11は、実験においては全てチャンネルボックスのないタイプの燃料集合体11を示す。この臨界実験体の沸騰水型原子炉(BWR)では、原子炉炉心が臨界になるまで、炉心横断面が正方形かつ外周を対象となるように、燃料集合体11に例えば全て濃度度2wt%の燃料棒12を装架した。
In the critical experiment system, a cross-type nuclear
また、4体一組の燃料集合体11間に出し入れされる原子炉用制御棒10には、中性子吸収材に例えば外径4.8mmφ、内径3.5mmφのステンレス(SUS)鋼管にボロンカーバイド(B4C)粉末を約70%の理論密度で充填した中性子吸収棒、および外径が同じで反応度価値が殆ど等しい中性子吸収材であるハフニウム(Hf)棒を用いた。前記SUS管の中には、B4Cではなく、水を満たした水入りSUS管が部分的に用いられる。なお、中性子吸収棒の外側は、横断面が深いU字状のステンレス鋼製シースを用いた。
In addition, the nuclear
原子炉用制御棒10の中心軸付近には、従来タイプの制御棒では通常中央構造材(タイロッド)が存在するが、この臨界実験では、タイロッド14が存在する制御棒構成の他、
(a)制御棒の各翼(ウイング)15毎にタイロッド14側面から3本の中性子吸収棒を水入りSUS管12aとした構成、
(b)水入りSUS管12aとHf棒12bをタイロッド14側から翼幅の2/3付近まで交互に配置した構成、
(c)タイロッド14を取り外し、その部分に水が占めるようにした構成、
(d)タイロッド14が存在する通常の制御棒構成、
の4種の模擬制御棒を図3に用いて、制御棒表面の中性子束分布を銅箔放射化率として測定した。なお、図3(C)において、符号12cは水と等価のアクリル角棒である。
In the vicinity of the central axis of the
(A) A configuration in which three neutron absorber rods are provided from the side of the
(B) a configuration in which water-filled
(C) A configuration in which the
(D) a normal control rod configuration in which a
4 were used to measure the neutron flux distribution on the control rod surface as the copper foil activation rate. In FIG. 3C, reference numeral 12c is an acrylic square bar equivalent to water.
原子炉用制御棒10は、U字状シースの表面に銅箔が密着するようにストリップ状に配置し、かつ炉心タンクに給水して炉心を臨界にした。炉心を臨界して中性子照射を行ない、この中性子照射後、原子炉用制御棒を原子炉炉心から取り出して切断し、U字状シース表面の誘導放射能のβ線を計測した。
The
図4(A)は、制御棒表面の放射化率分布変化を示すもので、横軸は制御棒中心(水ギャップ中心)からの距離(cm)、縦軸は相対放射化率である。図4(B)は制御棒表面の銅箔放射化率分布を示し、縦軸は放射化率(任意単位)を示す。 FIG. 4A shows the change in the activation rate distribution on the surface of the control rod. The horizontal axis represents the distance (cm) from the control rod center (water gap center), and the vertical axis represents the relative activation rate. FIG. 4B shows the copper foil activation rate distribution on the surface of the control rod, and the vertical axis shows the activation rate (arbitrary unit).
図4(A)は、(a)〜(c)の制御棒構成と(d)の通常制御棒構成との分布比を示もので、図4(B)は、各制御棒構成(a)〜(d)のは放射能分布強度を示すものである。図4(B)では、制御棒構成(a)〜(d)の変化の影響を受けない点(規格化点)で規格化して示すものである。銅の放射化は低エネルギ、熱エネルギを持った中性子によって引き起こされるので、ほぼ『熱中性子束』の分布と見なすことができる。翼(ウイング)15の外側端部、例えば15mm程度の範囲で急激に中性子束分布が高くなっている。図3の制御棒構成(d)では、タイロッド14近傍で若干高くなっており、制御棒構成(c)ではタイロッドの場所を水で占めているため、非常に高くなっている。図示しないが、制御棒構成(a)では側面燃料棒のうち、制御棒中心軸に近いものの近傍で大幅に高くなっているのが確認されている。制御棒構成(b)では広い範囲で中性子束が盛り上がっている。制御棒近傍の燃料棒の出力はこれら表面中性子束分布ほど急激な変化は生じないが、類似の変化が生じる。
FIG. 4A shows a distribution ratio between the control rod configuration of (a) to (c) and the normal control rod configuration of (d). FIG. 4B shows each control rod configuration (a). (D) shows the intensity of radioactive distribution. In FIG. 4 (B), it is normalized and shown at a point (normalization point) that is not affected by changes in the control rod configurations (a) to (d). Since copper activation is caused by neutrons with low energy and thermal energy, it can be regarded as a distribution of almost "thermal neutron flux". The neutron flux distribution is rapidly increased in the outer end of the
本発明の原子炉用制御棒では、タイロッドを不要として炉出力の平坦化を図り、制御棒の反応度価値を余り低下させないで中性子束を広い範囲で高めることを対象としている。測定結果では好適な中性子束分布が得られた制御棒構成(b)の場合、反応度価値が最も低下したが低下率は約8%であり、許容範囲である。 The nuclear reactor control rod of the present invention is intended to flatten the reactor power without using a tie rod, and to increase the neutron flux over a wide range without significantly reducing the reactivity value of the control rod. In the case of the control rod configuration (b) in which a suitable neutron flux distribution was obtained from the measurement results, the reactivity value was the lowest, but the reduction rate was about 8%, which is an acceptable range.
しかし、原子炉用制御棒は、反応度価値が、制御棒全長もしくは全体にわたって8%の低下を起こさせるのは望ましくないので、必要なレイアウト場所に限ってこの制御棒構成を採用する。なお、通常の制御棒設計では制御棒全体の反応度価値の低下が10%を越えると許容できないとされている。制御棒構成(a)では反応度価値の低下率は約3.5%であった。また、制御棒構成(c)では反応度価値はかえって増大した。なお、中性子束分布が特に高くなる翼15の側端では中性子吸収材をなるべく多くすることによって制御棒寿命と反応度価値を高めることができる。
However, it is not desirable for the reactor control rods to have an 8% drop in reactivity value over the entire length or overall of the control rods, so this control rod configuration is employed only where necessary. It should be noted that in a normal control rod design, a decrease in the reactivity value of the entire control rod exceeds 10%, which is unacceptable. In the control rod configuration (a), the rate of decrease in reactivity value was about 3.5%. Also, the reactivity value increased in the control rod configuration (c). Note that the life of the control rod and the reactivity value can be increased by increasing the number of neutron absorbers as much as possible at the side edge of the
実機に用いられる原子炉用制御棒10では、翼15のうち配列された中性子吸収材の両端部で中性子照射量が高くなるため、長寿命型の原子炉用制御棒を設計する場合には長寿命型の中性子吸収材を配置すべきこと、反応度の高い原子炉用制御棒を設計する場合には中性子吸収効果の高い中性子吸収材を配置すべきことを示している。逆に、原子炉用制御棒の翼15の中央部分では局所的であれば中性子吸収材の選択条件は比較的緩いことを示している。
In the
本発明では、臨界実験体系に用いられる原子炉用制御棒の測定値を念頭におき、好適な長寿命型の原子炉用制御棒を開発したものである。 In the present invention, a long-life nuclear reactor control rod was developed with the measured values of the reactor control rod used in the critical experiment system in mind.
[第1の実施形態]
図5および図6は、本発明に係る原子炉用制御棒の第1実施形態を示す図である。
[First Embodiment]
5 and 6 are views showing a first embodiment of a control rod for a nuclear reactor according to the present invention.
図5は、4枚の翼(ウイング)で横断面十字状に構成される長寿命型の原子炉用制御棒10Aの1翼を示す縦断面図である。図6の(A)は図6のA−A横断面図、(B)は図5のB−B横断面図、(C)は図5のD−D縦断面図である。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing one blade of a long-life
この長寿命型の原子炉用制御棒10Aは、沸騰水型原子炉(BWR)の炉心部に装架される4体一組の燃料集合体(図示せず)間に出し入れ可能に設けられる。原子炉用制御棒10Aは、横断面十字状の形状に4枚の翼(ウイング)15で構成される。原子炉用制御棒10Aは、先端構造材16と末端構造材17との間に4枚の矩形ブレード状翼(ウイング)15が介装され、横断面十字状に構成される。原子炉用制御棒10Aは、中性子吸収材部をハフニウムで構成する制御棒有効部と、この制御棒有効部の挿入先端側に固着されるジルカロイ製の先端構造材16と、制御棒有効部の挿入末端側に固定される例えばステンレス鋼製の末端構造材が固定される。先端構造材16は制御棒有効部のウイング15に溶接などで固着され、末端構造材17は、ハフニウムピンやジルカロイピンを介してウイング15に固定される。
This long-life
原子炉用制御棒10Aの4枚のウイング15は、中央部が横断面十字状のブロック構造のタイクロス18で固着され、タイクロス18は翼局所結合部材を構成し、原子炉用制御棒10Aの中央部に軸方向に適宜離間して配置される。タイクロス18は、中央のクロス部から放射状(十字状)に突出するアーム部19を備え、各アーム部19にウイング15が溶着により固定される。ウイング15は翼内側でジルカロイ製のタイクロス18に固着され、横断面十字形の原子炉用制御棒10Aが構成される。先端構造材16やタイクロス18に用いられる構造材にジルカロイ(ジルコニウム合金)が用いられるが、このジルコニウムには本来Hfが含まれるので、中性子吸収特性を向上させることができる。
The four
原子炉用制御棒10Aの一翼を構成するウイング15は、中性子吸収材を構成する対のハフニウム板20a,20b:21a,21b同士を翼両端部側で互いに折曲させて接合し、接合部を溶着したもので、図6(A),(B)に示すように偏平管構造に構成され、内部に水を通す間隙(トラップ)22が形成される。ウイング15内に形成されるトラップ22には、炉水が侵入し、侵入してきた水は、ハフニウムを透過して浸入してきた中性子を減速させ、熱中性子として捕獲し、ハフニウムに内側(トラップ)から中性子を吸収させる機能を有する。トラップ22内の炉水は、通水孔23を通して出し入れされる。
The
原子炉用制御棒10Aのタイクロス18からジルカロイ製のアーム部19が放射状一体に配置され、各アーム部19にウイング15が溶着される。ウイング15の軸方向中央付近には、ジルカロイ(ジルコニウム合金)製のウイング固着腕25が翼幅方向に形成され、このウイング固着腕25を介して挿入先端側の厚いハフニウムの下端と、挿入末端側の薄いハフニウムの上端が溶接等で固着され、ウイング15は制御棒の長手方向に一体化される。ハフニウムとジルコニウムは共存性が良く、クレビス問題が大幅に緩和される。
Zircaloy-made
原子炉用制御棒10Aに備えられるタイクロス18自体は先端構造材16と末端構造材17の間で、4枚のウイング15を十字型に結合するための、軸方向に適宜間隔をおいて、散在する局所的なものである。軸方向に隣接するタイクロス18の間隔はタイクロス18の軸方向長さに比べて大幅に長く、BWRの中では炉水が占める空間である。この水によっても中性子が減速され、図4(B)から明らかなように高い熱中性子束が形成されるので、近傍の燃料棒の出力が回復し、原子炉用制御棒10Aの存在による燃焼の遅れがある程度緩和される。
The
また、原子炉用制御棒10Aを原子炉炉心部から引き抜くと、ブレードヒストリ現象が生じるが、原子炉用制御棒10Aにタイロッドが設けられておらず、タイロッドの代りに炉水が存在するので、炉出力の平坦化が図れ、制御棒引き抜きの際に大幅に炉出力が増大するブレードヒストリ現象が抑制され、燃料の急激な膨脹が緩和され、その結果燃料の健全性が向上する。タイクロス18の軸方向間隔は通常15〜30cm程度で、原子炉用制御棒10Aの適切な機械的・物理的強度保持の観点から決定される。タイクロス18の軸方向長さは、例えば25〜35mm程度である。ハフニウムには図示している先端部、中央部、末端部の通水孔23の他に多数の通水孔が設けられている。
Further, when the
一方、原子炉用制御棒10Aに用いられるハフニウムは高い耐蝕性を有しているが、高温水中で長期間使用すると表面に腐食生成物が発生し、何等かのきっかけで剥離することを知見した。剥離した腐食生成物は放射能を帯びている。核種は主にHf−181で半減期は43と比較的短く、比較的低いエネルギのガンマ線(482,346,および133keV)を放出する。なお半減期111日のTa−182も僅かに生成し、1.2MeVのガンマ線を放出する。
On the other hand, although hafnium used for the nuclear
BWRでは炉水の水質が初期に比べて著しく向上し、放射能レベルが著しく低下したため、弱いHf−181の放射能でも確認出来るようになった。半減期が比較的短い為外部環境への問題は考えられないが、原子炉建屋内部では今後放射能低減の目標になることが判ってきた。 In BWR, the water quality of the reactor water was significantly improved compared to the initial level, and the radioactivity level was remarkably lowered. Therefore, it became possible to confirm even the weak radioactivity of Hf-181. Although the half-life is relatively short, there are no problems with the external environment, but it has become clear that it will become a target for reducing radioactivity in the reactor building.
本実施形態では、原子炉用制御棒10Aのハフニウム表面の微細な凹凸をなるべく減らすように『表面仕上げ』を行っている。原子炉用制御棒10Aの外面は制御棒駆動に伴い、対面する燃料集合体のジルカロイ製チャンネルボックスと摩擦を起こし、腐食生成物が剥離する可能性が高いと考えられる。原子炉用制御棒10Aの外面は特に入念に表面仕上げすることによって腐食生成物の剥離の抑制効果が期待される。原子炉用制御棒10Aの内面の腐食生成物はスクラム時や地震時など何等かの振動によって剥離し、通水孔を通じて原子炉冷却水中へ混入する可能性が考えられるので、内面も表面仕上げが期待される。
In the present embodiment, “surface finishing” is performed so as to reduce the fine irregularities on the hafnium surface of the nuclear
なお、原子炉用制御棒10Aは、表面仕上げの代わりに少なくともハフニウムの外面をチャンネルボックスと同じジルカロイで覆うことによって前述の表面仕上げ以上の剥離抑制効果を達成することを狙っている。
The nuclear
[第2の実施形態]
図7は、本発明に係る原子炉用制御棒の第2実施形態を示す図である。
[Second Embodiment]
FIG. 7 is a view showing a second embodiment of the control rod for a nuclear reactor according to the present invention.
第2実施形態の原子炉用制御棒10Bを示す図7(A)および(B)は、図6(A)および(B)にそれぞれ対応する。第2実施形態の原子炉用制御棒10Bを説明するに当り、第1実施形態に示された原子炉用制御棒10Aと同じ構成には、同一符号を付して重複説明および重複図示を省略する。
FIGS. 7A and 7B showing the
図7に示された原子炉用制御棒10Bは、ウイング15のハフニウム外面、すなわち、外周部の大部分またはほぼ全周にジルカロイ層27を配置した構成が、第1実施形態の原子炉用制御棒10Aと異なる。原子炉用制御棒10Bのウイング15を構成する中性子吸収材としてのHf板20a,20b:21a,21bの外表面をジルカロイ層27で被覆される。ジルカロイ層27の採用で軽量化できるので、その分Hfを多用化できる。
The
ウイング15のHf板20a,20b:21a,21bの外面にジルカロイ層27を配置することによりハフニウム腐食生成物が外部に露出せず、腐食生成物の剥離は解消できる。腐食生成物の剥離は無くなるが、製造コストの上昇は避けられないし、反応度価値を第1実施形態の原子炉用制御棒10Aと同じくするには、ハフニウムの増量が必要となる。第2実施形態の原子炉用制御棒10Bではトラップ22が狭くなり、反応度価値を向上させる機能が低下するため、ハフニウムを増量させて反応度価値を向上させる必要がある。
By disposing the
なお、原子炉用制御棒10Bのウイング15を構成するHf板20a,20b:21a,21bの内表面も必要に応じてジルコロイ層を配置してもよい。Hf板の内表面へのジルカロイ層の配置は、腐食生成物剥離問題の解消と製造コスト上昇のトレードオフとなるのでコストを鑑みて配置される。
It should be noted that the inner surfaces of the
[第3実施形態]
図8は、本発明に係る原子炉用制御棒の第3実施形態を示すものである。
[Third Embodiment]
FIG. 8 shows a third embodiment of a reactor control rod according to the present invention.
この実施形態に示す原子炉用制御棒10Cは、図6(A),(B)に示された第1実施形態の原子炉用制御棒10Aに対応するので、原子炉用制御棒10Aと同じ構成には、同一符号を付して重複説明あるいは重複図示を省略する。
The reactor control rod 10C shown in this embodiment corresponds to the
図8(A),(B)に示される原子炉用制御棒10Cが第1実施形態の原子炉用制御棒10Aと異なる点は、翼構造の構成にある。原子炉用制御棒10Cの翼構造は、ウイング15を構成するハフニウム板20a,20b:21a,21bの外表面にジルカロイシート(28)を被覆材で装着したものである。ジルカロイシート28はウイング(翼)15のハフニウム板20a,20b:21a,21bに圧着等により密着させた後、ウイング15の形成のために、ハフニウム板20a,20b:21a,21bの端面を溶接し、円筒形を構成した後、円筒形のハフニウム板を平管状に潰してウイング15としたものである。他の構成および作用は、第2実施形態に示した原子炉用制御棒10と異ならないので、説明を省略する。
The nuclear reactor control rod 10C shown in FIGS. 8A and 8B is different from the nuclear
[第4の実施形態]
図9および図10は、本発明に係る原子炉用制御棒の第4実施形態を示すものである。
[Fourth Embodiment]
9 and 10 show a fourth embodiment of a nuclear reactor control rod according to the present invention.
この実施形態に示された原子炉用制御棒10Dは、図5および図6に示した原子炉用制御棒10Aに対応する。第1実施形態の原子炉用制御棒10Aと同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
The nuclear
第4実施形態の原子炉用制御棒10Dは、翼(ウイング)15の外表面にジルカロイ層29を配置した構成は、図7および図8に示した原子炉用制御棒10B,10Cと同様である。ジルカロイ層29はウイング15を構成するHf板20a,20b:21a,21bの外表面を被覆するように装着される。第1実施形態に示された原子炉用制御棒10Aと異なる点は、挿入末端側で反応度価値を低下させてよい場合、翼(ウイング)15の中性子吸収材(ハフニウム板20a,20b:21a,21b)の厚さ削減ではなく、翼(ウイング)15の水平方向幅を削減した点と、図8におけるタイクロス18側を解放した深いU字状形状のハフニウム板20a,20b:21a,21bとし、ハフニウム板20a,20b:21a,21bの解放端をタイクロス18のアーム部19aに挟持させて、固着させた点にある。
The nuclear
第4実施形態の原子炉用制御棒10Dは、ウイング15の挿入末端側の略半分が挿入先端側より広い範囲で中性子吸収材が排除され、炉水が占める空間が広く設けられる。ウイング15の挿入末端側の領域では、制御棒中心軸からウイング15の幅方向に中性子吸収材(ハフニウム板21a,21b)が存在しない水空間30を形成する。
In the nuclear
原子炉用制御棒10Dは、ウイング15の挿入末端側の約半分で、制御棒中心軸側に中性子吸収材を設けることなく、炉水が占める水空間(ギャップ)30を形成したので、原子炉用制御棒10Dの挿入時に炉出力低下が特に大きい制御棒中心側の出力低下を抑制することができ、側面に位置する燃料棒の出力が増大する。原子炉用制御棒10Dの挿入中でも、挿入末端側で燃料の燃焼をある程度進行させることができる。原子炉用制御棒10Dの引抜き時の炉出力上昇が緩和され、燃料の健全性が向上する。
The
[第5実施形態]
図11は、本発明に係る原子炉用制御棒の第5実施形態を示すものである。
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 shows a fifth embodiment of a control rod for a nuclear reactor according to the present invention.
図11に示す原子炉用制御棒10Eにおいて、(A)は原子炉用制御棒10Eの縦の側面図および縦断面図、(B)は図11(A)のB−B線に沿うウイング15の平断面図、(C)はウイング15内に備えられる1本の中性子吸収棒の軸方向断面図である。
In the nuclear
この原子炉用制御棒10Eは、制御棒挿入先端側の先端構造材16と挿入末端側の末端構造材17との間に、横断面十字状の4枚のウイング(翼)15が設けられる。横断面十字状の4枚のウイング15によるタイロッドが設けられておらず、各ウイング15の翼中央部側は、軸方向に適宜間隔をおいて離散的に設けられたジルコニウム製のタイクロス18により結合され、一体化される。
In this nuclear
また、ウイング15を構成するジルカロイ(ジルコニウム合金)製シース32はタイクロス18のアーム部19に溶接等が固定される。ジルカロイ製シース32は、ジルカロイ製プレートを円筒形に形成し、この円筒形状を平管状に押し潰してウイング15としたものである。
Further, a zircaloy (zirconium alloy)
原子炉用制御棒10Eの平管あるいは偏平管状のウイング15には、図11(B)に示すように、ハフニウム(Hf)製の棒状中性子吸収材(Hf中性子吸収棒)33が列状に配列されて収納される各Hf中性子吸収棒33は、全長の約半分の挿入先端側と挿入末端側で径の大きさを異にする。Hf中性子吸収棒33は、図11(C)に示すように挿入先端側の全長の約半分の長さの部分までは、シース32内面と接する大きさの直径を有するが、残りの挿入末端側では細径化されているシース32内に水を通すトラップ22が形成される。
As shown in FIG. 11B, rod-shaped neutron absorbers (Hf neutron absorber rods) 33 made of hafnium (Hf) are arranged in a row on the flat tube or
原子炉用制御棒10をウイング15内に収納されるHf中性子吸収棒33の細径部の配列を正しくするために、軸方向に適宜離間して図11(C)に示すナット形ハフニウムまたはジルカロイ製スペーサの位置決め部材34が取り付けられる。隣接するHf中性子吸収棒33では位置決め部材34の軸方向位置は同位置に設定されているので、大径部のHf中性子吸収棒33と同様、正しい位置決めができる。各Hf中性子吸収棒33の表面は研磨されて凹凸を減らすことで、実質的な表面積を減少させることができ、腐食生成物の発生量を抑制することができる。
In order to correct the arrangement of the small diameter portions of the Hf
原子炉用制御棒10Eの挿入末端側の約半分の長さを細径化しても、挿入末端側の反応度価値は低くしてもよく、中性子束が低いことを考慮して密度が大きく、高価なハフニウム材料の量的削減を図ることができる。
Even if the diameter of about half of the insertion end side of the
第5実施形態に示された原子炉用制御棒は、4枚のウイング15の翼中央部側にタイロッドを設けることを不要とし、ウイング15には従来のステンレス鋼製のシースの代りに、ジルカロイ製シース32を用いたものである。ジルカロイ製シース32はステンレス鋼製シースより軽量であるため、全体として中性子吸収材のHf量を増量させることが可能となって、長寿命化を図ることができる。
The nuclear reactor control rod shown in the fifth embodiment eliminates the need to provide a tie rod on the blade central portion side of the four
[第5実施形態の変形例]
図12(A)および(B)は、原子炉用制御棒の第5実施形態の変形例を示すものであり、この変形例に示された原子炉用制御棒10E1は、タイクロス18とウイング(翼)15との結合において機械的・物理的強度を向上させる一方、制御棒中心軸側の中性子吸収材に代えてジルカロイ製中性子補強材35を用い、中性子吸収材を排除することで、ブレードヒストリ効果の緩和を図っている。なお、反応度価値は、例えば2%程度若干低下する。
[Modification of Fifth Embodiment]
12 (A) and 12 (B) show a modification of the fifth embodiment of the reactor control rod, and the
図12(B)に示された原子炉用制御棒10E1は、図11(B)の原子炉用制御棒11Eに対応するウイング15が示されており、ウイング15内では、制御棒中心軸側にジルカロイ製の棒状中性子補強材35が配置され、この中性子補強材35のジルカロイロッドにタイクロス18のアーム部19が固着され、一体化される。
The
ジルカロイロッド35はシース32を構成するジルカロイと中性子照射に伴う照射成長が同じという保証がないため、通常軸方向に複数に分割され、中性子照射の照射成長に伴う曲りや破損が生じないように設計されている。
Since there is no guarantee that the irradiation growth accompanying neutron irradiation is the same as the
[第6実施形態]
図13は、本発明に係る原子炉用制御棒の第6実施形態を示すものである。
[Sixth Embodiment]
FIG. 13 shows a sixth embodiment of a reactor control rod according to the present invention.
第6実施形態に示された原子炉用制御棒10Fのウイング15には、スペーサ36内にHf製の細径の中性子吸収棒37をHf中性子吸収棒33と、ウイング15の内翼側に交互に収容し、「図3の構成(b)の概念」を挿入先端側に取り入れている。
In the
この原子炉用制御棒10Fのウイング15は、挿入先端側のシース32内にスペーサ36を介してHf製細径の中実中性子吸収棒(Hf吸収棒)37を収容し、この中性子吸収棒37の周りに水の空間38を確保し、制御棒の反応度価値を余り低下させないで中性子束を高めた中性子束分布が得られる。
The
第6実施形態の原子炉用制御棒10Fの他の構成は、図11に示された原子炉用制御棒10Eと異ならないので、同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。図13に示された原子炉用制御棒10Fは、「図3の構成(b)の概念」を挿入先端側に取り入れ、細径の中性子吸収棒37を飛び飛び交互に配置して中性子吸収率を交互に低下させているが、反応度価値の低下率が小さいため、実用化が容易である。また、挿入先端側の細径の中性子吸収棒37の構成は、図11(C)に示される挿入末端側と同様に構成される。
Since the other configuration of the nuclear
第6実施形態の原子炉用制御棒10Fにおいても、ウイング15の翼中央部側にタイクロス18を用いてタイロッドを設けることなく、ウイング15にはステンレス鋼製のシースに代えてジルカロイ製シースを採用した点に特徴を有する。
Also in the
[第6の実施形態の変形例]
図14は原子炉用制御棒の第6実施形態の変形例を示すものである。
[Modification of Sixth Embodiment]
FIG. 14 shows a modification of the sixth embodiment of the reactor control rod.
この変形例に示された原子炉用制御棒10F1は、タイクロス18とウイング15との結合において物理的・機械的強度を向上させ、かつ制御棒中心軸側にジルカロイ製ロッド状の補強材40を配置し、ブレードヒストリ効果の緩和を図ったものである。
The nuclear
他の構成は、図13に示す原子炉用制御棒10Fと異ならないので、同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
Since the other configuration is not different from the
[第7の実施形態]
図15は原子炉用制御棒の第7実施形態を示すものである。
[Seventh Embodiment]
FIG. 15 shows a seventh embodiment of a control rod for a nuclear reactor.
この実施形態に示された原子炉用制御棒10Gは、「図3の構成(b)の概念」を全体的に実施した例を示し、「図3の構成(b)の概念」を部分的に導入した第6実施形態の原子炉用制御棒10Fとは相違するが、他の構成は異ならないので、同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
The
第7実施形態に示された原子炉用制御棒10Gは、図13に示される細径のHf製中性子吸収棒37に代えて、複数の水入りステンレス鋼管43を制御棒中心軸側からウイング15の2/3付近の領域まで、Hf製中性子吸収棒33と交互に配置したものである。水入りステンレス鋼管43は、図15(B)に示すように、管内部に水の空間44を構成する一方、管壁(側面)に複数の導水孔45が形成される。水入りステンレス鋼管43の配列は、反応度価値の低下率が大きいので、連続的に配置することは好ましくない。原子炉炉心の設計条件に照らし合せて、水入りステンレス鋼管43の配列、Hf製中性子吸収棒33との配列組合せなどは調節設定される。
A nuclear
図15(A),(B)に示される原子炉用制御棒10Gは、ウイング15の制御棒中心軸側の所定の翼領域、例えば3/4領域に、水入りステンレス鋼管43をHf製中性子吸収棒33と交互に配置したので、反応度価値を余り低下させないで、ブレードヒストリ対策を施すことができる。水入りステンレス鋼管43の構成は、図15(B)に概念的に示しており、ステンレス鋼管43内を炉水が自由に流通可能になっている。ステンレス鋼管43は、スペーサ36内に安定のため保持されるが、ステンレス鋼管43の代わりに、中空管または弱吸収材、例えば中実のジルカロイ棒を用いてもよい。
A
第7実施形態の原子炉用制御棒10Gにおいても、制御棒中心軸側にタイロッドを用いることなく、またウイング15は従来のステンレス鋼製のU字状シースではなく、ジルカロイ製シース32を用いた構成に特徴を有する。タイロッドに代えてジルカロイ製のタイクロス18が用いられる。
Also in the
[第7の実施形態の変形例]
図16は、原子炉用制御棒の第7実施形態の変形例を示すものである。
[Modification of the seventh embodiment]
FIG. 16 shows a modification of the seventh embodiment of the control rod for a nuclear reactor.
この変形例に示された原子炉用制御棒10G1は、ウイング15とタイクロス18との結合強度を向上させるために、制御棒中心軸側の中性子吸収材、例えばHf中性子吸収棒の代りにロッド状補強材40を介装し、ブレードヒストリ効果の緩和を図っている。補強材40には、例えばジルカロイ製補強ロッドが用いられる。
他の構成および作用は、図15に示される原子炉用制御棒10Gと異ならないので、同じ構成には、同一符号を付して重複説明を省略する。
Since other configurations and operations are not different from the
[第8の実施形態]
図17および図18は本発明に係る原子炉用制御棒の第8実施形態を示すものである。
[Eighth Embodiment]
17 and 18 show an eighth embodiment of a nuclear reactor control rod according to the present invention.
この実施形態に示された原子炉用制御棒10Hを説明するに当り、第1実施形態および第4実施形態に示された原子炉用制御棒10A,10Dと同じ構成には、同一符号を付して重複説明を省略する。図17は原子炉用制御棒10Hのウイング(翼)15の一翼を示す縦断面図、図18(A)は図17のA−A線に沿うウイング15の平断面図、図18(B)は、図17のB−B線に沿うウイング15の平断面図である。
In describing the nuclear
第8実施形態に示された原子炉用制御棒10Hは、ウイング15を構成するジルカロイ製シース32の中にハフニウム管を平板状に潰した2本のハフニウム平管47,48を配置したものである。ハフニウム平管47,48は、ハフニウム管の「平管」あるいは「フラットチューブ」と呼ばれる。ハフニウム平管47,48は、腐食抑制のために、少なくとも外表面には表面仕上げが施される。
The
この原子炉用制御棒10Hは、ウイング15を構成するハフニウム平管47,48の水平方向幅が、図17および図18(A),(B)に示すように、挿入末端側が挿入先端側より狭くしてハフニウム材料の節約を図っている。また、この原子炉用制御棒10Hは、挿入末端側のハフニウム平管48の翼幅を狭くし、スペーサ49を介して挿入末端側のウイング15内に収納されて保持される。ウイング15の挿入末端側は、ハフニウム平管48の翼幅を小さくした場合、ウイング15内の水の空隙50が形成される一方、ハフニウム平管48内にもトラップ51が形成され、ウイング15内やハフニウム平管48内に炉水が自由に案内されるようになっている。
In this nuclear
また、ウイング15の挿入先端側に幅広のハフニウム平管47が2枚収容される。ハフニウム平管47は、先端構造材16の舌片52に凹凸係合して係止され、保持される一方、ハフニウム平管47内にもトラップ51が形成され、トラップ51内を炉水が自由に流れるようになっている。この実施形態ではウイング15内にハフニウム平管47,48を収納し、2枚のハフニウム平管47,48を翼幅方向に2分割した例を示したが、ハフニウム平管47,48は翼幅方向に複数枚で構成しても、1枚で構成してもよい。
Further, two wide hafnium
図17および図18(A),(B)に示された原子炉用制御棒は、挿入末端側でハフニウム平管48の水平方向幅が挿入先端側より狭くしてハフニウム材料の節約を行いながら水の間隙(トラップ51)を好適に設けてタイクロス18側の出力回復を計りつつ、両ハフニウム平管48の間にも間隙(ギャップ50)を設けることによって反応度価値の一部を回復するものである。両ハフニウム平管48の間に水間隙50が形成されることによって中性子束が上昇し、この水間隙50に隣接するハフニウム平管48の一部で中性子吸収率が上昇する。これによってブレードヒストリ効果も改良される。
The reactor control rod shown in FIG. 17 and FIGS. 18A and 18B saves hafnium material by reducing the horizontal width of the hafnium
また、両ハフニウム平管48の反対側間の距離、すなわち中性子吸収材部のスパンが広がり、反応度価値が回復する。本実施形態では挿入先端側のハフニウム平管47も挿入末端側のハフニウム平管48も横断面は制御棒中心軸側と外側とで同じとされているが、別に必然性は無く、異なってもよい。
Further, the distance between the opposite sides of the two hafnium
なお、挿入先端側のハフニウム平管47の先端部はジルカロイ製先端構造材16から挿入末端側に向かって延在する『舌状』の係合部52に係合され、挿入末端側ハフニウム平管48の末端は末端(下端)構造材17にハフニウムまたはジルカロイ製のピン(シースと溶接可能)を介して固着される。末端構造材自体は従来の実績から腐食問題は殆ど無いため、ステンレス鋼を用いることができるが、ジルカロイを用いることもできる。ジルカロイを用いた場合、シースもジルカロイ製であるため、末端構造材に直接溶接にて固着することもできる。
The distal end portion of the insertion end side hafnium
[第9の実施形態]
図19は、本発明に係る原子炉用制御棒の第9実施形態を示すものである。
[Ninth Embodiment]
FIG. 19 shows a ninth embodiment of a reactor control rod according to the present invention.
この実施形態に示された原子炉用制御棒10Iは、ウイング15の翼幅方向に複数、例えば3本のハフニウム平管55a,55b,55cを収納させたものであり、他の構成は図17,図18に示す原子炉用制御棒10Hと異ならないので、同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
The nuclear reactor control rod 10I shown in this embodiment has a plurality of, for example, three hafnium
原子炉用制御棒10Iのウイング15内に収容される3本のハフニウム平管55a〜55cは、制御棒中心軸側ほどハフニウム平管55aのハフニウムの板厚(管厚)が薄く、反対側ほど厚くなるように構成される。
The three hafnium
さらに、この原子炉用制御棒10Iは制御棒中心軸側のシース32内にロッド状補強材40、例えばジルカロイ製補強材を介装させて、タイクロス18とウイング15との結合強度を向上させる一方、制御棒中心軸側の中性子吸収材を一部排除してブレードヒストリ効果の緩和を図っている。また、原子炉用制御棒10Iの中性子照射は、ウイング15の翼外側で大きく、ウイング15の翼面全体に亘り、中性子照射に伴う照射成長の均一ではない。このため、ウイング15の翼方向に複数のハフニウム平管55a〜55cを肉厚を異にして収容させ、中性子照射の照射成長に伴う曲りや強度の発生を防止している。
Further, this nuclear reactor control rod 10I is provided with a rod-shaped reinforcing
[第10の実施形態]
図20および図21は本発明に係る原子炉用制御棒の第10実施形態を示すものである。
[Tenth embodiment]
20 and 21 show a tenth embodiment of a control rod for a nuclear reactor according to the present invention.
この実施形態に示された原子炉用制御棒10Jは、第1実施形態、第3実施形態および第4実施形態に示された原子炉用制御棒10A,10C,10Dと近似しており、この原子炉用制御棒10A,10C,10Dと同じ構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
The
第10実施形態に示された原子炉用制御棒10Jは、制御棒中心軸にタイロッドの代りにタイクロス18を設ける一方、先端構造材16をジルカロイ製で末端構造材17をステンレス鋼製で構成し、ウイング15内に収容するジルカロイ製補強材40を末端構造材17らジルコニウムあるいはハフニウム製ピン56でピン止めし、固定させる。
The nuclear
原子炉用制御棒10Jの横断面十字状ウイング15同士は、制御棒中心軸側でタイクロス18で結合し、この結合部補強のためにジルカロイ製の棒状補強材40を設ける。ウイング15はハフニウムと共存性に優れたジルカロイ製シース32を用い、このシース32内にHf板57を対向設置し、Hf板57内に水ギャップ(トラップ)22を構成する。Hf板57は2枚の板を対向設置しても、1枚の板を翼内側で折曲形成させてもよい。Hf板57は先端構造材16側が厚く、末端構造材17側が薄くなるように構成される。
The cross-shaped
また、原子炉用制御棒10Jの翼先端側に板状の細長いハフニウムバー58が配置され、翼先端側を補強する一方、強い中性子照射を受け、放射化率(熱中性子束と略比例)の高い部分に中性子吸収材を効率的に配置し板的寿命を高め、反応度価値を上昇させている。
Further, a plate-like
この原子炉用制御棒10Jにおいては、制御棒中心軸側のジルカロイバー40はウイング15の強度確保とタイクロス18結合強度の向上に利用されている。この部分には中性子吸収も減速効果も殆ど無いジルカロイを配置することによって、この結合部分における中性子吸収効果を若干低下させ、熱中性子束の若干の回復を図り、ブレードヒストリを若干改良させている。
In this nuclear
また、大きな中性子照射を受ける挿入先端側のハフニウム(ハフニウム板57)は厚く、挿入末端側は薄くされ、ウイング固着腕25である『中央付近固着腕』にそれらの一端が固着され、反対側には照射成長による相対的な伸縮が許容される構造となっている。
Further, the hafnium (hafnium plate 57) on the insertion tip side that receives large neutron irradiation is thick, the insertion end side is thinned, and one end thereof is fixed to the “
この原子炉用制御棒10Jは、翼側端のハフニウムバー58が強い中性子照射を受け、シース位置を構成している主吸収材のハフニウム板57部と中性子照射に伴う照射成長が同じという保証が無いため、通常軸方向に複数に分割されている。ハフニウムバー58に主吸収材のハフニウム板57部と同時に圧延した同じ厚さの部材を重ねて使用すると照射成長の差異は殆ど解消されるが、安全を期して本実施例ではハフニウムバー58を短尺化されている。ハフニウム板57の重ね合わせによって隙間に炉水が侵入するのを防ぐため、重ね合わせの側端部は溶接で密封することが望ましい。
In this nuclear
10,10A 原子炉用制御棒
11 燃料集合体
12 燃料棒
12a 水入りステンレス鋼管
12b Hf棒
12c アクリル角棒
15 ウイング(翼)
16 先端構造材
17 末端構造材
18 タイクロス
19 アーム部
20a,20b,21a,21b Hf板(中性子吸収材)
22 トラップ(間隙)
23 通水孔
25 ウイング固着腕(翼局所結合部材)
27,29 ジルカロイ層
28 ジルカロイシート
30 水空間
32 ジルカロイ製シース
33 棒状中性子吸収材(Hf中性子吸収棒)
34 位置決め部材
35 ジルカロイ製中性子補強材
36 スペーサ
37 細径のHf製中性子吸収棒
38 水の空間
40 ロッド状補強材
43 水入りステンレス鋼管
44 水の空間
45 導水孔
47,48 ハフニウム平管
49 スペーサ
50 水空隙
51 トラップ
52 舌片(係合部)
55a,55b,55c ハフニウム平管
56 ピン
57 Hf板
58 ハフニウムバー(ハフニウム棒)
10, 10A
16
22 Trap (gap)
23
27, 29
34 Positioning
55a, 55b, 55c Hafnium
Claims (18)
制御棒中心軸側に軸方向に所定の間隔をおいて設けられた複数のタイクロスにより前記4枚のウイングを結合して横断面十字形に構成し、
前記先端構造材とタイクロスは、ジルコニウム合金で構成され、
前記ウイングの主要部を構成する中性子吸収材は、ハフニウムあるいはハフニウム合金で構成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。 In a control rod for a reactor in which the insertion tip side and the insertion end side of four wings containing neutron absorbers are respectively connected to a tip structure material and a terminal structure material having a cross-section in cross section,
Combining the four wings with a plurality of tie cloths provided at predetermined intervals in the axial direction on the control rod central axis side to form a cross-shaped cross section,
The tip structural material and the tie cloth are made of a zirconium alloy,
A control rod for a nuclear reactor, wherein the neutron absorber constituting the main part of the wing is made of hafnium or a hafnium alloy.
挿入末端から挿入先端側に向かう約半分の長さでは、少なくとも制御棒中心軸側のハフニウム平管の水平方向幅は挿入先端端側より狭くされ、水平方向に隣接する各ハフニウム平管の間に炉水が占める間隙を配置するように構成された請求項10に記載の原子炉用制御棒。 A plurality of hafnium flat tubes having a flat cross section are arranged in the horizontal direction perpendicular to the control rod insertion / extraction direction,
At about half the length from the insertion end to the insertion tip side, the horizontal width of the hafnium flat tube at least on the control rod central axis side is narrower than that of the insertion tip end side, and between the adjacent hafnium flat tubes in the horizontal direction. The reactor control rod according to claim 10, wherein the control rod is configured to arrange a gap occupied by the reactor water.
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