JP2009270998A - 制御棒 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的寿命を長くすることができ、かつ、制御棒価値を高めることができる制御棒を提供する。
【解決手段】制御棒１はタイロッド３から四方に伸びる４枚のブレード２を備える。各ブレード２は、横断面がＵ字状をしているシース４の両端部をタイロッド３に接合し、Ｂ_４Ｃ粉末を充填した複数の中性子吸収棒９が一列にシース４内に配置して構成される。複数の中性子吸収棒９は、複数の中性子吸収棒９Ａ及び複数の中性子吸収棒９Ｂを含む。各ブレード２内の先端に１本の中性子吸収棒９Ｂが配置され、中性子吸収棒９の残りが中性子吸収棒９Ａである。中性子吸収棒９Ａ，９Ｂは、仕切り球で仕切られた被覆管内の各仕切り領域にＢ_４Ｃ粉末を充填している。中性子吸収棒９Ｂは最も下方に位置する仕切り球の下方に気体収容空間を有する。中性子吸収棒９Ｂの中性子吸収材充填領域の軸方向の長さは中性子吸収棒９Ａのそれよりも短い。
【選択図】図１

Description

本発明は、制御棒に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な制御棒に関する。

沸騰水型原子炉に用いられる制御棒は、原子炉圧力容器の下部に設置された制御棒駆動機構によって操作される。この制御棒は、原子炉圧力容器内に配置された炉心から引き抜かれ、及びこの炉心に挿入されることによって原子炉出力を制御する。

沸騰水型原子炉に設けられる制御棒は、軸心に配置されたタイロッドから四方の伸びる４枚のブレードを有している。各ブレードには横断面がＵ字状をしたシースが設けられ、このシース内に複数の中性子吸収棒が配置される。中性子吸収棒は、両端部が密封され、内部に中性子吸収材であるＢ_４Ｃの粉末を充填している。Ｂ_４Ｃ粉末は、中性子吸収棒内でステンレス鋼製の仕切り球によって仕切られた複数の領域内に存在する。

寿命が来た制御棒は、沸騰水型原子炉の定期検査の期間（原子炉の運転が停止）で原子炉から取り出され、新しい制御棒と交換される。制御棒の寿命には、核的寿命及び機械的寿命がある。核的寿命及び機械的寿命のいずれか早い方が制御棒の寿命を決定する。核的寿命は、制御棒の高さ方向の有効長を４等分したいずれかの区間で制御棒の相対価値が１０％減少した時点である。機械的寿命は、中性子吸収棒の内圧が許容限界圧力に達した時点である。Ｂ_４Ｃに含まれるの核種であるボロン１０と中性子との反応によりＨｅが発生する。このため、Ｂ_４Ｃを収納している中性子吸収棒内の圧力は中性子照射に伴って上昇し、中性子吸収棒の内圧が許容限界圧力に達した時点で機械的寿命となる。一般に、Ｂ_４Ｃを用いた制御棒では、核的寿命が機械的寿命より長く、核的寿命が制御棒の寿命となる。

沸騰水型原子炉の制御棒は、下方から炉心に挿入されるため、一般に、上部ほど中性子照射量が多くなる。従って、核的寿命は、一般に制御棒の上部に存在する中性子吸収材の量によって決まる。また、制御棒のブレード内で先端に位置する中性子吸収棒は、炉心内で冷却水に面する面積が大きいため、中性子照射量が多くなり、ボロンが中性子を吸収することによって発生するＨｅの量が増大する。これにより、制御棒のブレード内で先端に位置する中性子吸収棒の内圧が、他の中性子吸収棒のそれよりも高くなる。従って、制御棒の機械的寿命は、一般にブレード内で最も先端に位置する中性子吸収棒で決まる。

制御棒の核的寿命及び機械的寿命を増大させる制御棒の一例が、特開平１−１４８９９７号公報に記載されている。この制御棒は、中性子吸収材であるハフニウムをＢ_４Ｃと併用している。すなわち、特開平１−１４８９９７号公報に記載された制御棒は、ブレードの上端部（挿入端部）でシース内にハフニウム板を配置し、ハフニウム板より下方の領域ではブレード内の先端にＢ_４Ｃを含まないハフニウム棒を配置し、この先端以外でブレード内にはＢ_４Ｃ粉末を充填した中性子吸収棒を配置している。さらに、ブレード内で先端に配置されたハフニウム棒の真下には、軸方向の長さが短いＢ_４Ｃ粉末を充填した中性子吸収棒が配置されている。

特開平１−１４８９９７号公報

特開平１−１４８９９７号公報の制御棒は、制御棒の挿入端部にハフニウムを配置しているので核的寿命が長くなる。これはハフニウムが中性子を吸収したときに他の中性子吸収物質に変わるためである。天然に存在するハフニウム核種はＨｆ１７６，Ｈｆ１７７，Ｈｆ１７８，Ｈｆ１７９及びＨｆ１８０であり、制御棒に用いられるハフニウムにはこれらの核種が含まれる。これらのハフニウム核種は、中性子を吸収することによって、Ｈｆ１７６→Ｈｆ１７７→Ｈｆ１７８→Ｈｆ１７９→Ｈｆ１８０と変化する。これらの核種のうち、Ｈｆ１７６，Ｈｆ１７７，Ｈｆ１７８及びＨｆ１７９が中性子を吸収する。なお、ボロンは中性子を吸収することによって中性子を吸収しないＨｅ及びＬｉに変化する。さらに、その従来の制御棒は、ブレード内の先端で軸方向における大部分の領域にハフニウム（ハフニウム板及びハフニウム棒）を配置している。ハフニウムは中性子を吸収してもＨｅを発生しなく、沸騰水型原子炉では、ブレード内の先端においてハフニウム棒の下方に配置されたＢ_４Ｃ粉末を充填した中性子吸収棒は、炉心から早い段階で引き抜かれるために中性子照射量が少なく、内圧もあまり増大しない。したがって、特開平１−１４８９９７号公報の制御棒は、核的寿命及び機械的寿命とも長くなる。

しかしながら、ハフニウムの制御棒価値はＢ_４Ｃのそれよりも小さいという問題がある。すなわち、制御棒価値に影響を与える熱中性子吸収断面積は、Ｂ_４Ｃに含まれる中性子を吸収するボロン１０よりもハフニウムが小さくなっている。ボロン１０の熱中性子吸収断面積が３８３７ｂａｒｎで、Ｈｆ１７７の熱中性子吸収断面積が３７３．５ｂａｒｎである。このため、制御棒価値を高めるためには、中性子吸収材としてＢ_４Ｃを使用することが望ましい。Ｂ_４Ｃを充填した複数の中性子吸収棒を備えた制御棒の核的寿命を長くするためには、例えば、中性子吸収棒内のＢ_４Ｃ粉末の充填密度を高めるとよい。

Ｂ_４Ｃ粉末の充填密度の増大は、中性子吸収棒内でＢ_４Ｃ粉末の間に形成される気体収容空間の容積の減少、すなわち、中性子吸収棒の内圧上昇をもたらす。特に、ブレード内の先端に位置する中性子吸収棒の内圧上昇が大きくなる。Ｂ_４Ｃ粉末の充填密度の増大による制御棒の核的寿命の延長は、制御棒の機械的寿命を短縮させることになる。このような機械的寿命の短縮は好ましいことではない。

本発明の目的は、機械的寿命を延ばすことができ、かつ、制御棒価値を高めることができる制御棒を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、横断面がＵ字状であるシース内に配置されてＢ_４Ｃが充填された複数の中性子吸収棒が、複数の第１中性子吸収棒、及びＢ_４Ｃ充填領域の軸方向の長さが第１中性子吸収棒のＢ_４Ｃ充填領域のそれよりも短くなっており、かつ、内部の気体収容空間の容積が第１中性子吸収棒内のその容積よりも大きくなっている少なくとも１本の第２中性子吸収棒を含んでおり、
１本の第２中性子吸収棒が、シース内における最も先端の中性子吸収棒の位置に配置されることにある。

第１中性子吸収棒及び第２中性子吸収棒がＢ_４Ｃを充填しているので、ハフニウムを有する制御棒よりも制御棒価値を高めることができる。さらに、内部の気体収容空間の容積が第１中性子吸収棒内のその容積よりも大きくなっている１本の第２中性子吸収棒が、シース内における最も先端の中性子吸収棒の位置に配置されているので、この第２中性子吸収棒の内圧の上昇が抑制される。このため、制御棒の機械的寿命が延びる。

好ましくは、第２中性子吸収棒が気体収容空間をＢ_４Ｃ充填領域よりも制御棒の引き抜き端部側に形成されることが望ましい。制御棒の引き抜き端部側に気体収容空間を形成することによって、気体収容空間が制御棒価値に影響する度合いが小さい。なお、制御棒の引き抜き端部は、制御棒の炉心から最初に引き抜かれる端部である。制御棒の挿入端部とは、制御棒の炉心に最初に挿入される端部である。

本発明によれば、制御棒の機械的寿命を伸ばすことができ、かつ、制御棒価値を高めることができる。

以下、本発明の実施例である制御棒を以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である、沸騰水型原子炉に用いられる実施例１の制御棒を、図１から図４を用いて以下に説明する。本実施例の制御棒１は、４枚のブレード２を備えている。各ブレード２は、制御棒１の横断面において、タイロッド３から四方に伸びている。これらのブレード２は、横断面がＵ字状をしているシース４の両端部がタイロッド３に溶接にて接合され、中性子吸収材であるＢ_４Ｃの粉末を充填した複数の中性子吸収棒９が一列にシース４内に配置されて構成される。ハンドル５がタイロッド３の上端部、すなわち、挿入端部に溶接にて取り付けられ、下部支持部材６がタイロッド３の下端部、すなわち、引き抜き端部に溶接にて取り付けられる。各中性子吸収棒９がハンドル５と下部支持部材６の間に配置される。ボール８が、ハンドル５の四面にそれぞれ回転可能に取り付けられる。速度リミッタ７が下部支持部材６に設けられる。

複数の中性子吸収棒９は、複数の中性子吸収棒９Ａ及び複数の中性子吸収棒９Ｂを含んでいる。それぞれのブレード２では、ブレード２内の先端に１本の中性子吸収棒９Ｂが配置され、残りの中性子吸収棒９が中性子吸収棒９Ａとなっている。中性子吸収棒９Ａ，９Ｂは、いずれも内部にＢ_４Ｃ粉末を充填している。

中性子吸収棒９Ａは、図３に示すように、両端部が端栓１２Ａ，１２Ｂにより密封されたステンレス鋼管製の細長い被覆管１０内を、被覆管１０内に配置された複数の仕切り球１４によって軸方向に複数の仕切り領域を形成している。上記したＢ_４Ｃ粉末１３がこれらの仕切り領域内に充填されている。各仕切り球１４は、被覆管１０を内側に絞って形成された一対の突出部１１の間に配置されてこれらの突出部１１によって保持される。仕切り球１４の軸方向への移動は、仕切り球１４の上下に位置する一対の突出部１１によって阻止される。各仕切り球１４は、隣り合う仕切り領域間におけるＢ_４Ｃ粉末１３の移動を防止する。中性子吸収棒９Ａは、被覆管１０の両端部で被覆管１０内にスチールウール１６Ａ，１６Ｂを挿入している。スチールウール１６Ａは端栓１２ＡとＢ_４Ｃ粉末１３に接触している。スチールウール１６Ｂは端栓１２ＢとＢ_４Ｃ粉末１３に接触している。スチールウール１６Ａ，１６Ｂは、端栓１２Ａ，１２Ｂを被覆管１０に溶接する際に、被覆管１０内のＢ_４Ｃ粉末１３がそれらの溶接部に接触することを防止している。

中性子吸収棒９Ｂも、中性子吸収棒９Ａと同様に、両端部が端栓１２Ａ，１２Ｂにより密封されたステンレス鋼管製の細長い被覆管１０内の、複数の仕切り球１４によって仕切られた複数の仕切り領域内に、上記したＢ_４Ｃ粉末１３を充填して構成されている。各仕切り球１４は、被覆管１０に形成された突出部１１によって保持される。中性子吸収棒９Ｂは、最も下方に位置する仕切り球１４よりも下方で被覆管１０内に、Ｂ_４Ｃ粉末１３が充填されていない気体収容空間１５を形成している。中性子吸収棒９Ｂの中性子吸収材充填領域の軸方向の長さは、この気体収容空間１５の形成によって、中性子吸収棒９Ａにおける中性子吸収材充填領域のその長さよりも短くなっている。中性子吸収棒９Ａの中性子吸収材充填領域の軸方向の長さは約３．６ｍであり、中性子吸収棒９Ｂの中性子吸収材充填領域の軸方向の長さは約３．５ｍである。ちなみに、中性子吸収棒９Ｂ内に形成された気体収容空間１５の軸方向の長さは約１２ｃｍである。中性子吸収棒９Ｂも、被覆管１０の両端部にスチールウール１６Ａ，１６Ｂを挿入している。

中性子吸収棒９Ａ，９Ｂは、Ｂ_４Ｃ粉末１３の間に気体収容空間を形成している。中性子吸収棒９Ｂは、Ｂ_４Ｃ粉末１３の間に形成された気体収容空間以外に気体収容空間１５を形成している。このため、中性子吸収棒９Ｂ内に形成される気体収容空間の容積は、中性子吸収棒９Ａ内に形成されるその容積よりも大きい。

ハンドル５は、寿命になった制御棒１を炉心から取り出して原子炉圧力容器外に搬出するときに、燃料交換機によって把持される。

ある運転サイクルにおいて沸騰水型原子炉が起動されると、予め定められた制御棒シーケンスに基づいて炉心に挿入されている制御棒１が順次炉心から引き抜かれる。この制御棒の引き抜き操作によって、沸騰水型原子炉は、未臨界状態から臨界状態になり、核加熱を生じて昇温昇圧工程を経て原子炉出力が上昇される。沸騰水型原子炉が定格出力運転状態になったとき、炉心には半径方向の所定位置に存在する所定本の制御棒１が炉心に挿入されており、これらの制御棒１以外の残りの制御棒１は全て炉心から全引き抜きされている。定格出力運転状態において炉心に挿入されている制御棒１は、原子炉出力調整用の制御棒である。定格出力運転状態になったときに炉心から引き抜かれている制御棒１は原子炉停止用制御棒である。

制御棒１の挿入端部は、炉心内に最初に挿入される、制御棒１の端部であり、制御棒１の上端部、すなわち、ハンドル５側の端部である。制御棒１の引き抜き端部は、炉心内から最初に引き抜かれる、制御棒１の端部であり、制御棒１の下端部、すなわち、速度リミッタ７側の端部である。中性子吸収棒９Ａ内の気体収容空間１５は、制御棒１の引き抜き端部側に位置している。

炉心に挿入されている制御棒１、例えば、原子炉出力調整用制御棒では、中性子吸収棒９Ａ，９Ｂ内に存在するボロン（例えば、ボロン１０）は中性子を吸収することによってＨｅを発生する。特に、中性子照射量が多いブレード２の先端部に位置する中性子吸収棒９Ｂでは、発生したＨｅが、Ｂ_４Ｃ粉末１３の間に形成された気体収容空間、及び中性子吸収材充填領域の軸方向長さを短くすることによって形成された気体収容空間１５に収容される。このＨｅは、仕切り球１４によって区切られた仕切り領域間を移動して気体収容空間１５内に達する。制御棒１の機械的寿命に大きな影響を与える中性子吸収棒９ＢのＨｅによる内圧上昇は、気体収容空間１５の形成によって緩和される。このため、制御棒１の機械的寿命を延ばすことができる。なお、中性子吸収棒９Ａでは、内部で発生したＨｅが、Ｂ_４Ｃ粉末１３の間に形成された気体収容空間内に収容される。

沸騰水型原子炉では、運転時に炉心内で蒸気が発生するので、炉心の軸方向にボイド率分布が生じる。炉心におけるボイド率は、炉心上部で高くなり、炉心下部で低くなる。このため、炉心上部では、出力密度が相対的に低下し、Ｕ−２３５などの核分裂性核種が比較的多く残存する。さらに、炉心上部ではボイド率が高くて中性子スペクトルが硬くなるので、炉心に装荷された燃料集合体に含まれるウラン２３８の中性子吸収によるプルトニウムの生成が炉心上部で促進される。したがって、沸騰水型原子炉をある程度運転した後では、炉心上部の核分裂性核種の濃度が相対的に高くなる。このため、炉停止時における制御棒価値は、制御棒１の上部でほぼ決まり、制御棒１の下部の制御棒価値への寄与は小さい。さらに、制御棒１の引き抜き端部は炉心から早い時期に引き抜かれるので、気体収容空間１５が存在する制御棒１の引き抜き端部側の部分が制御棒価値に貢献する度合いは小さくなる。

本実施例は、中性子吸収棒９Ａ，９Ｂにハフニウムよりも中性子吸収断面積が大きいボロン１０を含むＢ_４Ｃ粉末１３を充填しているので、特開平１−１４８９９７号公報に記載された制御棒よりも炉停止時における制御棒価値が増大する。本実施例は、ブレード２の先端部に位置する中性子吸収棒９Ｂ内に気体収容空間１５を形成しているので、中性子吸収棒９Ｂの内圧の増大を抑制することができる。このため、制御棒１の機械的寿命を延ばすことができる。気体収容空間１５が制御棒１の引き抜き端部（下端部）側に形成されているので、気体収容空間１５は制御棒１の制御棒価値及び核的寿命にほとんど影響しない。さらに、本実施例は、最も下方に位置する仕切り球１４よりも下方に気体収容空間１５を形成するので、従来のＢ_４Ｃ粉末を充填した制御棒のハード構造を変更する必要もない。

本発明の他の実施例である実施例２の制御棒を、図５を用いて以下に説明する。本実施例の制御棒１Ａも、沸騰水型原子炉に適用される。制御棒１Ａも、実施例１の制御棒１と同様に、中性子吸収棒９Ａ，９Ｂを有している。制御棒１は１本の中性子吸収棒９Ｂを各ブレード２の最も先端に配置しているのに対し、本実施例の制御棒１Ａは３本の中性子吸収棒９Ｂを各ブレード２の先端部に配置している。制御棒１Ａの他の構造は制御棒１と同じである。

本実施例は、実施例１で生じる効果を得ることができる。さらに、本実施例は、各ブレード２内の先端に位置する中性子吸収棒９からタイロッド３に向って３本の中性子吸収棒９が中性子吸収棒９Ｂであるので、気体収容空間１５を有する、その先端から１本目及び２本目に配置されたそれぞれの中性子吸収棒９Ｂの内圧の上昇を抑制することができる。従って、制御棒１Ａは制御棒１よりも機械的寿命をさらに延ばすことができる。

本発明の他の実施例である実施例３の制御棒を、図６を用いて以下に説明する。本実施例の制御棒１Ｂは、制御棒１Ａにおいて各ブレード２内に配置された３本の中性子吸収棒９Ｂのうち１本を中性子吸収棒９Ｃに替えた構成を有する。この中性子吸収棒９Ｃは、各ブレード２内の中性子吸収棒９の配列のうちで最も先端に配置される。中性子吸収棒９Ｂは最も下方に位置する仕切り球１４の下方に気体収容空間１５を形成しているのに対して、中性子吸収棒９Ｃでは、下から二番目に位置する仕切り球１４よりも下方が気体収容空間１５となっている。中性子吸収棒９Ｃ内の気体収容空間１５の容積は、中性子吸収棒９Ｂ内の気体収容空間１５のそれよりも大きくなっている。中性子吸収棒９Ｃ内の気体収容空間１５の軸方向の長さは、約５０ｃｍである。中性子吸収棒９Ｃは、中性子吸収棒９Ａ，９Ｂと同様に、Ｂ_４Ｃ粉末１３を仕切り球１４で仕切られた被覆管１０内の各仕切り領域に充填している。

本実施例は、実施例２で生じる効果を得ることができる。さらに、本実施例は、容積の大きな気体収容空間１５を形成した中性子吸収棒９Ｃを各ブレード２内の先端に配置しているので、機械的寿命を制御棒１Ａよりも延ばすことができる。

図２のＩ−Ｉ断面図である。 本発明の好適な一実施例である実施例１の制御棒の斜視図である。 図１に示す中性子吸収棒９Ａの縦断面図である。 図１に示す中性子吸収棒９Ｂの縦断面図である。 本発明の他の実施例である実施例２の制御棒の横断面図である。 本発明の他の実施例である実施例３の制御棒の横断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ…制御棒、２…ブレード、３…タイロッド、４…シース、５…ハンドル、６…下部支持部材、９，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ…中性子吸収棒、１０…被覆管、１３…Ｂ_４Ｃ粉末、１４…仕切り球、１５…気体収容空間。

Claims (5)

1. タイロッドと、前記タイロッドの、挿入端部側の第１端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの、引き抜き端部側の第２端部に取り付けられた支持部材と、前記ハンドル、前記支持部材及び前記タイロッドに取り付けられて横断面がＵ字状であるシース、及び前記シース内に配置されてＢ_４Ｃが充填された複数の中性子吸収棒を有し、かつ前記タイロッドから四方にそれぞれ伸びる４つのブレードとを備え、
   前記複数の中性子吸収棒は、複数の第１中性子吸収棒、及びＢ_４Ｃ充填領域の軸方向の長さが前記第１中性子吸収棒のＢ_４Ｃ充填領域のそれよりも短くなっており、かつ、内部の気体収容空間の容積が前記第１中性子吸収棒内のその容積よりも大きくなっている少なくとも１本の第２中性子吸収棒を含んでおり、
   １本の前記第２中性子吸収棒が、前記シース内における最も先端の前記中性子吸収棒の位置に配置されることを特徴とする制御棒。
2. 前記第２中性子吸収棒は前記気体収容空間を前記Ｂ_４Ｃ充填領域よりも前記引き抜き端部側に形成している請求項１に記載の制御棒。
3. 前記第１中性子吸収棒及び第２中性子吸収棒は、他の気体収容空間を前記Ｂ_４Ｃの粉末の間に形成している請求項２に記載の制御棒。
4. 他の前記第２中性子吸収棒が、前記最も先端に位置する前記第２中性子吸収棒に、前記タイロッド側で隣接して配置される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の制御棒。
5. 前記最も先端に位置する前記第２中性子吸収棒内に形成される前記気体収容空間の容積は、前記他の第２中性子吸収棒内に形成されるそれの容積よりも大きくなっている請求項４に記載の制御棒。

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