JP2010243331A - 原子炉用制御棒 - Google Patents
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Abstract
【課題】長寿命化時の照射脆化条件下における衝撃荷重を緩和し、また、通水間隙の確保により電気水化学的特性改良し、さらに、ブレードヒストリー問題を緩和することにより長期間の使用に対しても機械的かつ電気水化学的に健全な長寿命型の原子炉用制御棒を提供する。
【解決手段】横断面がU字形をした金属製のシース7の内側にハフニウムを主体とする金属製又は合金製の中性子吸収材からなる中性子吸収要素10を収納した翼2を、中央構造材6を中心に十字形に4枚配置した原子炉用制御棒1において、前記中性子吸収要素10を制御棒の挿入先端側から軸方向に複数の中性子吸収要素10a〜10dに分割し、分割された各中性子吸収要素10a〜10dの厚みを制御棒1の挿入先端側から段階的に減少させるとともに、挿入先端側に最も近い中性子吸収要素10aを先端構造材4により吊り下げ保持し、前記挿入先端側に最も近い中性子吸収要素10aの下部に配置された中性子吸収要素10bを中央構造材6により保持することを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】横断面がU字形をした金属製のシース7の内側にハフニウムを主体とする金属製又は合金製の中性子吸収材からなる中性子吸収要素10を収納した翼2を、中央構造材6を中心に十字形に4枚配置した原子炉用制御棒1において、前記中性子吸収要素10を制御棒の挿入先端側から軸方向に複数の中性子吸収要素10a〜10dに分割し、分割された各中性子吸収要素10a〜10dの厚みを制御棒1の挿入先端側から段階的に減少させるとともに、挿入先端側に最も近い中性子吸収要素10aを先端構造材4により吊り下げ保持し、前記挿入先端側に最も近い中性子吸収要素10aの下部に配置された中性子吸収要素10bを中央構造材6により保持することを特徴とする。
【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関し、特に、ハフニウムを用いた長寿命型の制御棒に関する。
沸騰水型原子炉に使用されてい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必要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、制御用制御棒は運転中の大部分の期間にわたって炉心に挿入されているので、それ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。そのため制御用制御棒の材料として、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。その代表的な元素はハフニウム(Hf)である。
この制御用制御棒は、大量の中性子照射を受けると制御棒を構成する構造材は照射脆化により、衝撃等を受けた際に破損しやすくなり、また、中性子等の照射条件下で水化学的にも非常に厳しい環境に曝される。
最新の知見では、より長い長寿命化を目指した制御用制御棒は、その使用期間中、全長のうち挿入先端から有効部の1/2までの範囲、特に、1/4の範囲において健全性を脅かされることが分かってきた。
すなわち、このような環境下では、ハフニウムとステンレス鋼自体の機械的強度の問題、及び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の問題、並びに地震時の健全性の問題、等、多くの面で解決すべき課題があることが分かってきた。
一方、沸騰水型原子炉の制御棒は断面が十字形をなしているが、その構造によって2つの種類に分類される。一つは、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、もう一つは、制御棒挿抜方向(軸方向)に断片的にしか結合部材がない「タイロッドなし」の構成のもの(即ち、軸方向に分散された局所結合部材方式)である。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おり、前者は深いU字状のシースが中央構造材に溶接され、内部に中性子吸収要素が収納される構造となっている。
前者の全長に中央構造材を有する構成の代表的な制御棒は本発明者らの開示になる特許文献1〜4並びに非特許文献1及び2等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1は、図8(a)〜(c)に示すように、断面が十字形状をしており、中央構造材6に4枚の翼(ウイング)2が固着された構造となっている。各翼2は、厚さの薄い断面U字状のシース7と、同シース内に配置された2枚のハフニウム板からなる中性子吸収要素10と、その間に形成された炉水流動空間11と、通称コマと呼ばれている支持材12とから構成され、中性子吸収要素10は制御棒挿抜方向(軸方向)に、複数(例えば4〜16)に分割されている。中性子吸収要素10は、ハフニウム板孔13に挿通された保持部材12がシースに溶接部8で固着されることによりシース7に保持されている。
一方、この構成の変形例として、特許文献5のような構成の制御棒が提案され、実用化されている。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2分割され、上側(挿入先端側)は先端構造材4に、下側(挿入末端側)は末端構造材5に係合されている。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。
このように、ハフニウムを用いた上記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(ウォーターギャップ)で挿抜されるため、制御棒の翼2の厚さは通常8mm程度に限定され、翼2はその外周が1mm程度厚さの深いU字状に成形されたステンレス鋼製のシース7の中に、内部に炉水流動空間11を有するハフニウム製の中性子吸収要素10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)、また、非常に高価であり、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中性子吸収要素の内部に炉水流動空間11が導入された。この炉水流動空間11は非特許文献1又は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、あまり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という特徴を有する。この特徴に対処して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2分割型制御棒」であり、より詳細に対処して構成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。
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。
公開技報87−2561号
日本原子力学会誌「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」 植田他
上述したように、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炉水流動空間(以下、「HH間隙」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かぎり薄くし、かつシースとハフニウム板の間の間隙(以下、「SH間隙」という。)も狭くする必要があるが、シースの強度やSH間隙の水化学的な面で問題が生じる可能性がある。
特許文献5で示されている「上下2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かわりに、特に、先端構造材4における中性子照射脆化の問題や水化学的な問題を生じやすいので、構造材への重量的な負担の軽減や良好な通水特性の確保が重要である。
すなわち、上側(挿入先端側)の中性子吸収要素は、中性子照射量が非常に大きい位置にある先端構造材4で支持されているため、長寿命化に際して照射脆化問題に注意する必要がある。また、中性子吸収要素を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。
また、特許文献5では、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HH間隙を構成するように曲げられ平管状とされているので、前述の支持材12は必要ない。ハフニウム板を平管状とすることにより、曲げに対して非常に大きな強度が得られるが、平管は有効部の中央付近において上下に分割されているため、分割部付近において薄いシースに大きな応力を発生させる恐れがある。
また、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が、現段階では未だ十分な照射実績が得られていない状況である。
さらに、特許文献5に示された制御棒は、把手の付いている先端構造材4と中性子吸収材はカギフック状に係合されているが、通水問題は配慮されていない。
さらに、特許文献5に示された制御棒は、把手の付いている先端構造材4と中性子吸収材はカギフック状に係合されているが、通水問題は配慮されていない。
他方、「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それぞれの中性子吸収要素の荷重はシースで保持されている(特許文献1〜4参照)。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。
なお、制御棒は炉心内における軸方向照射量評価の観点から、有効部を軸方向に4等分して管理されているため、2の倍数に分割するのが好都合であり、2分割型は上下に2等分、多分割型では通常8等分されている。
さらに、従来の十字型制御棒では、制御棒挿入時、一般に軸心に近接する燃料棒において大幅な出力低下が生じることが知られている。このような場合、近接燃料棒における燃焼が大幅に遅れるため、燃料集合体内では燃焼に伴って相対的に濃縮度が高くなり、制御棒を引き抜いた時大幅な出力上昇が発生するので燃料健全性上好ましくない。制御棒が周囲の燃料棒に与えるこのような影響を一般にブレードヒストリーというが、このブレードヒストリーの観点からも、燃料健全性を良好に保つ必要がある。
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、長寿命化時の照射脆化条件下における衝撃荷重を緩和し、電気水化学的特性を改良し、さらに、ブレードヒストリー問題を緩和することによって、長期間の使用に対しても機械的かつ電気化学的に健全な長寿命型の原子炉用制御棒を提供することを目的とする。
本発明に係る原子炉用制御棒は、上記課題を解決するために、横断面がU字形をした金属製のシースの内側にハフニウムを主体とする金属製又は合金製の中性子吸収材からなる中性子吸収要素を収納した翼を、中央構造材を中心に十字形に4枚配置した原子炉用制御棒において、前記中性子吸収要素を制御棒の挿入先端側から軸方向に複数の中性子吸収要素に分割し、分割された各中性子吸収要素の厚みを制御棒の挿入先端側から段階的に減少させるとともに、挿入先端側に最も近い中性子吸収要素を先端構造材により吊り下げ保持し、前記挿入先端側に最も近い中性子吸収要素の下部に配置された中性子吸収要素を中央構造材により保持することを特徴とする。
上記構成を有する本発明の原子炉用制御棒によれば、中性子吸収要素を制御棒の挿入先端側から軸方向に複数の中性子吸収要素に分割し、重いHfを短尺化するので、照射脆化時の衝撃荷重が低減できる。
また、挿入先端側の中性子吸収要素は非常に大量の中性子照射を受けるため、重いハフニウムは厚肉とされている。また、先端構造材に掛かる荷重を低減するために、複数に分割された中性子吸収要素のうち、挿入先先端側の中性子吸収要素(本発明の実施形態では1/8〜3/8の範囲)を先端構造材に吊り下げ保持するものである。
また、上記範囲の中性子吸収要素に続く中性子吸収要素(本発明の実施形態では3/8〜4/8の範囲)については、その範囲の照射量は高いものの、薄いシースを除けば、機械的・電気水化学的な面における健全性は前者よりかなり高いことから、その範囲の中性子吸収要素を中央構造材を用いて支持するものである。
さらに、本発明によれば、内部に炉水流動空間を有する中性子吸収要素は切込部によって先端構造材4で支持されるため、通水特性に着目した設計を行うことができ、構造材の隙間(クレビス)腐食問題を大幅に緩和することができる。
なお、制御棒には厚型と薄型があり、薄型では通水特性が低下する可能性があるが、本発明の構成によれば、十分な通水特性が確保される。中性子球種要素の中央構造材への係合は延在した腕、又は吸収要素に設けた突出部で係合されるが、その際、通水特性は設計に留意すれば比較的容易に確保できる。
本発明の原子炉用制御棒によれば、長寿命化時の照射脆化条件下における衝撃荷重が緩和され、また、通水間隙の確保により電気水化学的特性が改良され、さらに、ブレードヒストリー問題が緩和され、これにより長期間の使用に対しても機械的かつ電気水化学的に健全な長寿命型の原子炉用制御棒を提供することができる。
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の実施形態]
本発明の第1の実施形態を図1〜図5を用いて説明する。
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態を図1〜図5を用いて説明する。
図1(a)、(b)は本発明の第1の実施形態に係る原子炉用制御棒1の基本構成を説明した縦断面図であり、図1(a)は手前側のシースを取り除いて中性子吸収要素10の制御棒挿抜軸方向配置を示すもので、図1(b)は中性子吸収要素10を構成する中性子吸収材(ハフニウム板)の軸方向厚さ分布、及び反応度価値分布(中性子吸収能力分布)を示す概念図である。
中性子吸収要素10は、従来から行われている制御棒の中性子照射量管理方法が利用できるように、通常軸方向に8等分されている。
一方、発明の第1の実施形態に係る原子炉用制御棒1は、中性子照射量の大きさ、通水特性、及び中性子吸収材(ハフニウム板)の形状、支持方法、等の観点から、中性子吸収要素10を軸方向に複数の領域に分割している。
一方、発明の第1の実施形態に係る原子炉用制御棒1は、中性子照射量の大きさ、通水特性、及び中性子吸収材(ハフニウム板)の形状、支持方法、等の観点から、中性子吸収要素10を軸方向に複数の領域に分割している。
すなわち、図1(a)に示すように、本第1の実施形態では、中性子吸収要素を軸方向に4つの領域に分割し、それぞれを制御棒1の挿入先端側から第1乃至第4の中性子吸収要素10a〜10dとしている。
以下、中性子吸収要素を4つの領域に分割した例について説明するが、分割数は4に限定されることはなく、また、それぞれの領域の軸方向長も適宜変更可能である。
図1(a)において、原子炉用制御棒1の上側半分の中性子吸収要素10a、10bのハフニウム板の厚さは厚く、下側半分の中性子吸収要素10c、10dは順次薄肉とされている。
また、中性子吸収要素の全長をLとすると、先端側から2/8Lまでの中性子吸収要素10aは、翼幅方向に2分割され、先端構造材4から下方に突出した舌状の支持部材20に吊下げられている。
また、中性子吸収要素の全長をLとすると、先端側から2/8Lまでの中性子吸収要素10aは、翼幅方向に2分割され、先端構造材4から下方に突出した舌状の支持部材20に吊下げられている。
中性子吸収要素10aを翼幅方向に2分割することにより、隣接する吸収要素の間に2〜4mm程度の間隙を形成し、その間隙に水を導入して中性子束をある程度回復させることができる。これによって隣接する燃料棒の燃焼の遅れが緩和されるので、制御棒引き抜きに伴う出力上昇の程度が緩和され、燃料集合体の健全性、すなわち、ブレードヒストリー問題が緩和される。
なお、この程度の間隙では制御棒の反応度価値はほとんど低下せず、かえって間隙を適切に設定することにより反応度価値を若干ながら向上させることもできる。間隙を形成することは中性子吸収材使用量の削減を意味するので、軽量化と低廉化に大きく寄与する。
また、翼幅方向の分割は、2分割に限定されず3分割以上でもよい。
また、翼幅方向の分割は、2分割に限定されず3分割以上でもよい。
先端から2/8L〜4/8Lの中性子吸収要素10bは軸方向に2分割され、中央構造材6から延在したE型の支持部材21に係合され、また、4/8L〜6/8Lの中性子吸収要素10cは、同様に軸方向に2分割され、荷重支持部材22及び保持部材23によりシースで支持され、さらに、6/8L〜8/8Lの中性子吸収要素10dも軸方向に2分割され、従来型のコマ型の支持材12によりシース7で支持されている。
本発明の第1の実施形態に係る原子炉用制御棒1を構成する構造材、すなわち、先端構造材、末端構造材、中央構造材、内側棒状構造材、及びシースはハフニウム(Hf)の含有を許容するジルカロイ材又はハフニウムをジルカロイで希釈したハフニウム希釈合金が用いられる。
ジルカロイをハフニウムに密着できるので、例えば2枚のハフニウム板を水間隙を挟んで対向させるトラップ型制御棒の場合、水間隙(トラップ間隙)を広くでき、その結果、反濃度価値を高めることができるので、ハフニウムの使用量を低減できる。
さらに、ジルカロイはステンレス鋼に比べて比重が小さいので、その分ハフニウムの量を増やすことができ、制御棒の反応度価値向上に活用することができる。また、ハフニウム希釈合金を用いると、さらに反応度価値を更に高めることができる。
次に、中性子吸収要素10a〜10dの構成及び支持構造について詳細に説明する。
(中性子吸収要素10a)
図2は、図1の原子炉用制御棒における先端側から2/8Lまでの中性子吸収要素10aの支持構造をより詳細に図示したもので、図2(a)は側面図、図2(b)は図2(a)のB−B横断面図、図2(c)は図2(a)の2点鎖線で示した丸印で囲まれた部分の拡大図、図2(d)は図2(c)のD−D縦断面図である。
(中性子吸収要素10a)
図2は、図1の原子炉用制御棒における先端側から2/8Lまでの中性子吸収要素10aの支持構造をより詳細に図示したもので、図2(a)は側面図、図2(b)は図2(a)のB−B横断面図、図2(c)は図2(a)の2点鎖線で示した丸印で囲まれた部分の拡大図、図2(d)は図2(c)のD−D縦断面図である。
図2(b)から明らかなように、2枚のハフニウム板が間隙を挟んで対向配置され、その間に炉水流動空間(HH間隙)11が形成され、原子炉の中では炉水で満たされている。
図2(b)において、中央構造材6側の中性子吸収要素10aは軸方向に離間したハフニウム製又はジルカロイ製の離間配置された局所スペーサ24によりHH間隙11が保持され、翼側端側の中性子吸収要素10aは、タイロッド側が同様に局所スペーサ24により、翼端側はやや長尺(例えば10cm程度)の外側バー25によりHH間隙11が保持されている。
図2(b)において、中央構造材6側の中性子吸収要素10aは軸方向に離間したハフニウム製又はジルカロイ製の離間配置された局所スペーサ24によりHH間隙11が保持され、翼側端側の中性子吸収要素10aは、タイロッド側が同様に局所スペーサ24により、翼端側はやや長尺(例えば10cm程度)の外側バー25によりHH間隙11が保持されている。
これらの局所スペーサ24や外側バー25は溶接又はピンなどにより中性子吸収要素10aに固着されている。ハフニウム板とハフニウム棒は、結晶に起因して照射成長に差異が発生するので、外側バー25と中性子吸収要素10aとは軸方向に狭い範囲(例えば外側バー25の中央付近のみ)で固着される。中性子吸収要素10aには通水孔9aが適切な位置に設けられている。
図2(c)と(d)には中性子吸収要素10a先端と先端構造材4の舌状部材20を用いた結合の状況が示されている。舌状部材20は例えば5mm程度の厚さで、中性子吸収要素10aは一対のハフニウム板から成り、それぞれ例えば 1.7mm程度の厚さであり、この場合、HH間隙11は1.6mm程度となる。
HH間隙11内の水は中性子吸収要素10aと舌状部材20との間隙などを通して中性子吸収要素10aとシース7との間へ流れ、適切に設けられたシース7の通水孔9bをへて制御棒1の外部へ流れることができる。流れはごくゆっくりでも電気水化学的な腐食問題は大幅に緩和される。
図3(a)〜(c)は、先端構造材4と中性子吸収要素10aとの結合方法について、代表的な3種の結合方法例を示したもので、図2(c)に図示の結合方法も含まれている。
図3(a)に図示の結合方法は、図2(c)と同一もので、中性子吸収要素10aに舌状部材20が係合する切込部20aが設けられ、図3(b)に図示の結合方法は、先端構造材4に切込部20aが設けられ、そこに中性子吸収要素10aに設けられた舌状部材20が挿入され結合される。
図3(a)に図示の結合方法は、図2(c)と同一もので、中性子吸収要素10aに舌状部材20が係合する切込部20aが設けられ、図3(b)に図示の結合方法は、先端構造材4に切込部20aが設けられ、そこに中性子吸収要素10aに設けられた舌状部材20が挿入され結合される。
図3(c)に図示の結合方法は、先端構造材4と中性子吸収要素10aそれぞれに切込部20aが設けられ、両方の切込部20aに別途準備された舌状部材20がはめ込まれて両者が結合されている。上記の結合方法によって結合された結合部は、翼2の厚さ方向に容易にスライドできるが、そのスライド幅はシース7を取り付けることによってわずかな範囲に制限されるので、結合が外れる恐れはない。
(中性子吸収要素10b)
次に、図4(a)〜(e)により、中性子吸収要素10bと中央構造体6との支持構造について説明する。
図4(a)は結合部の側面図、図4(b)は図4(c)のB−B横断面図、図4(c)は一対のハフニウム板を取り去った状態において中央構造材6(タイロッド)に取り付けられた支持部材21の拡大図、図4(d )、(e)は中性子吸収要素10bの外側バーの側面図及びその横断面図である。
次に、図4(a)〜(e)により、中性子吸収要素10bと中央構造体6との支持構造について説明する。
図4(a)は結合部の側面図、図4(b)は図4(c)のB−B横断面図、図4(c)は一対のハフニウム板を取り去った状態において中央構造材6(タイロッド)に取り付けられた支持部材21の拡大図、図4(d )、(e)は中性子吸収要素10bの外側バーの側面図及びその横断面図である。
中性子吸収要素10bは、翼の外側に取り付けられた外側バー25(実際にはハフニウム製の棒状中性子吸収材とされている)と、制御棒軸心側に局所的に配置された局所スペーサ24a、24bによってトラップ間隙11が保持されている。
中央構造材6にはステイ(支持腕S)21aと補助ステイ(Sa)21bからなるE型の支持部材21が一体的に固着され、局所スペーサ24bと支持部材21によって中性子吸収要素10bの上下移動を抑えている。
支持部材21は、この例では中性子吸収要素10bの軸方向中央部に設けられているので、ハフニウムはシース7に対してこの位置を基準として熱サイクルによって伸び縮みし、又この位置を基準として照射成長する。したがって、これらの現象を許容できるように、挿抜の軸方向端に適切な間隙が設けられる。
なお、補助ステイ21bは、ステイ21aに異常が発生しても中性子吸収要素を保持出来るように設けたものであるが、支持部材21をステイ21aのみで構成してもよい。
また、局所スペーサ24及び外側バー25は、シース7とハフニウム板との間に0.2〜0.6mm程度の微小な間隙(SH間隙)が形成できるように配慮されている。SH間隔を0.2〜0.6mm程度とする理由は次のとおりである。
すなわち、シース7にステンレス鋼を中性子吸収要素にハフニウムを用いる場合、異種金属が近接しているため電池作用が発生し、特にシースの健全性を劣化させることが知られている。そのため、SH間隔を少なくとも0.2mmとすることにより、両者の間に炉水が流れる間隙が確保されるので、シース7の健全性が向上する。
SH間隙は、反応度価値の面からは狭い方が望ましいが狭すぎると電気水化学的作用により腐食問題が顕在化し、一方、0.6mm以上になると反応度価値の減少が大きくなるため、ハフニウム量を増やさなければならず、制御棒重量が大きくなり、また、コストアップなどの問題が生じる。
(中性子吸収要素10c)
中性子吸収要素10c及び後述する中性子吸収要素10dは、挿入末端側約1/2の範囲に配置され、図1(b)に示すように、その中性子吸収材のハフニウムは先端側の半分程度しかないので薄く、したがって軽く、さらに照射量も低いため、従来例と同様にシースで支持しても支障ない。支持の方法としては、荷重支持部材22と貝柱状の保持部材23の併用、又は従来型のコマ型の支持材12による支持方式などがある。
ここでは、中性子吸収要素10cを荷重支持部材22及び保持部材23によって支持する支持構造について図5(a)〜(c)を用いて説明する。
中性子吸収要素10c及び後述する中性子吸収要素10dは、挿入末端側約1/2の範囲に配置され、図1(b)に示すように、その中性子吸収材のハフニウムは先端側の半分程度しかないので薄く、したがって軽く、さらに照射量も低いため、従来例と同様にシースで支持しても支障ない。支持の方法としては、荷重支持部材22と貝柱状の保持部材23の併用、又は従来型のコマ型の支持材12による支持方式などがある。
ここでは、中性子吸収要素10cを荷重支持部材22及び保持部材23によって支持する支持構造について図5(a)〜(c)を用いて説明する。
図5(a)の左側は中央構造材6の左側にシース7がある場合、図5(a)の右側はシース7を取外した場合の軸方向側面図である。また、図5(b)は中性子吸収要素10cをシース7で保持する荷重支持部材22を示す図で、図5(c)は一対のハフニウム板のHH間隙11及びシース7とハフニウム板との間隙(SH間隙)δを保持するハフニウム製の貝柱形の保持部材23を示す図である。
シース7及び中性子吸収要素10cのハフニウム板に設けられた通水孔9a、9bは上記の例と同様に適切な位置に設けられている。
荷重支持部材22は、本実施形態では棒状部材が用いられ、シース7がステンレス鋼の場合にはステンレス鋼、ジルカロイの場合にはジルカロイ、ハフニウム又はハフニウム希釈合金が用いられる。
荷重支持部材22は、本実施形態では棒状部材が用いられ、シース7がステンレス鋼の場合にはステンレス鋼、ジルカロイの場合にはジルカロイ、ハフニウム又はハフニウム希釈合金が用いられる。
荷重支持部材22は、中性子吸収要素10cの軸方向中央付近に5cm程度離間して2個設けられている。中性子照射が進むと一般に衝撃荷重に弱くなる特性があるため、シース7の通水孔9bの中心と荷重支持部材22の中心を軸方向に偏心するなどして制御棒挿入時に受ける衝撃と引き抜きに伴う衝撃を両者でそれぞれに受け持つように設計することによって薄いシース7の機械的健全性が高められている。
シース7がステンレス鋼の場合、ステンレス鋼は原子炉運転停止に伴う熱サイクルの中でハフニウムより伸縮率が大きいので荷重支持部材22をある程度近接して配置することにより、熱サイクルに伴う伸縮長さの差異を小さくできる。照射成長問題も同様である。ハフニウムの照射成長は中性子照射量が比較的小さいため小さいが、中央付近から上下方向に向かって成長する。
(中性子吸収要素10d)
制御棒挿入末端側の2段の中性子吸収要素10dはハフニウム板がさらに薄いことと中性子照射量がさらに小さいことから、従来例と同様にコマ型の支持材12が用いられている。
以上説明したように、本第1の実施形態に係る原子炉用制御棒によれば、中性子吸収要素を軸方向に複数の領域に分割し、それぞれの領域の中性子吸収材の厚みとその支持構造を異ならせたことにより、長寿命化時の照射脆化条件下における衝撃荷重が緩和され、また、炉水流動空間の確保により電気水化学的特性が改良され、さらに、ブレードヒストリー問題が緩和されるので、その結果、長期間に渡る使用に対しても機械的かつ電気水化学的に健全な長寿命型の原子炉用制御棒を得ることができる。
制御棒挿入末端側の2段の中性子吸収要素10dはハフニウム板がさらに薄いことと中性子照射量がさらに小さいことから、従来例と同様にコマ型の支持材12が用いられている。
以上説明したように、本第1の実施形態に係る原子炉用制御棒によれば、中性子吸収要素を軸方向に複数の領域に分割し、それぞれの領域の中性子吸収材の厚みとその支持構造を異ならせたことにより、長寿命化時の照射脆化条件下における衝撃荷重が緩和され、また、炉水流動空間の確保により電気水化学的特性が改良され、さらに、ブレードヒストリー問題が緩和されるので、その結果、長期間に渡る使用に対しても機械的かつ電気水化学的に健全な長寿命型の原子炉用制御棒を得ることができる。
[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る原子炉用制御棒を図6(a)、(b)を用いて説明する。
図6(a)、(b)は、第1の実施形態に係る図1(a)、(b)に対応するもので、図6(a)は手前側のシース7を取り除いて中性子吸収要素の軸方向配置を説明したもの、図6(b)は中性子吸収材(ハフニウム板)の軸方向厚さ分布、及び反応度価値分布(したがって中性子吸収能力分布)を示す概念図である。
本発明の第2の実施形態に係る原子炉用制御棒を図6(a)、(b)を用いて説明する。
図6(a)、(b)は、第1の実施形態に係る図1(a)、(b)に対応するもので、図6(a)は手前側のシース7を取り除いて中性子吸収要素の軸方向配置を説明したもの、図6(b)は中性子吸収材(ハフニウム板)の軸方向厚さ分布、及び反応度価値分布(したがって中性子吸収能力分布)を示す概念図である。
本第2の実施形態では、中性子吸収要素10について、制御棒1の先端部から3/8Lの中性子吸収要素10a、3/8〜4/8Lの中性子吸収要素10b、4/8〜6/8Lの中性子吸収要素10c、及び6/8〜8/8Lの中性子吸収要素10dに分割している。
第2の実施形態に係る原子炉用制御棒1が第1の実施形態のものと異なる点は、挿入先端の中性子吸収要素10aが2/8Lから 3/8Lに長くされている点、E型支持部材21により支持される中性子吸収要素10bが1段となっている点、及び中性子吸収要素10cを支持する棒状の荷重支持部材22が1本となっている点である。
本第2の実施形態に係る原子炉用制御棒1は、第1の実施形態の場合より予想される中性子照射量が若干少ない場合に使用するのが好適である。
本第2の実施形態に係る原子炉用制御棒1は、第1の実施形態の場合より予想される中性子照射量が若干少ない場合に使用するのが好適である。
本第2の実施形態に係る原子炉用制御棒によれば、中性子照射量が若干少ない炉心領域に配置される原子炉制御棒において、中性子吸収要素を軸方向に複数の領域に分割し、それぞれの領域の中性子吸収材の厚みとその支持構造を異ならせたことにより、長寿命化時の照射脆化条件下における衝撃荷重が緩和され、また、炉水流動空間の確保により電気水化学的特性が改良され、さらに、ブレードヒストリー問題が緩和されるので、その結果、長期間に渡る使用に対しても機械的かつ電気水化学的に健全な長寿命型の原子炉用制御棒を得ることができる。
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態に係る制御棒を図7(a)〜(d)を用いて説明する。
図7(a)は、第1の実施形態に係る図1(a)に対応する原子炉用制御棒の縦断面図であり、図7(b)は手前側のシースを取り除くと共に、中性子吸収要素も取り除いた状態を示す図で、図7(c)は図7(b)のC−C横断面図、図7(d)は同D−D横断面図である。なお、図7(d)は第1及び第2実施形態の場合と同じ構成となっている。
本発明の第3の実施形態に係る制御棒を図7(a)〜(d)を用いて説明する。
図7(a)は、第1の実施形態に係る図1(a)に対応する原子炉用制御棒の縦断面図であり、図7(b)は手前側のシースを取り除くと共に、中性子吸収要素も取り除いた状態を示す図で、図7(c)は図7(b)のC−C横断面図、図7(d)は同D−D横断面図である。なお、図7(d)は第1及び第2実施形態の場合と同じ構成となっている。
この第3の実施形態に係る原子炉用制御棒1は、上記第2の実施形態のものと類似しているが、中性子吸収要素10aに対応する挿入先端側から3/8Lの範囲の中央構造材6が変形されている。
すなわち、上記範囲の制御棒軸心近傍では第1及び第2の実施形態で採用されているような中央構造材6の代わりに、軸方向に離間して設けられた短尺結合部材26と内側バー27を用いている。この短尺結合部材26はシース7の制御棒軸心側軸方向に設けられた内側結合バー27と結合し、中性子吸収要素10aを支持する。
これにより、原子炉の中で炉水が占める空間を増大する。すなわち、制御用制御棒は運転期間の大部分において炉心に挿入され大量の中性子照射を受け、また、制御棒に近接する燃料棒は一般に制御棒により出力が大幅に抑えられ、燃焼が遅れがちであるが、制御棒軸心部に炉水が導入されているため熱中性子束がある程度回復し、近接した燃料棒の燃焼の大幅な遅れが緩和される。したがって燃料の燃焼が進んだ後で制御棒を引き抜いた場合の出力の上昇量が抑制されるので、燃料健全性が向上する。
また、本第3の実施形態では中性子吸収要素10aを先端構造材4で支持したことにより、制御棒1の挿入側先端領域において、翼幅方向に隣接する2本の中性子吸収要素の間に2〜4mm程度の間隙を設けることができる。これにより、この間隙を占める炉水により中性子束が上昇するので、近接する燃料棒の抑制されていた出力がある程度回復し、燃料の燃焼の進行が幾分回復し、燃料健全性の向上に寄与させることができる。
さらに、この程度の間隙であれば、上昇した中性子束により中性子吸収要素側端部での中性子吸収割合が上昇するため、反応度価値は殆ど低下しない。
制御棒の構造材としては従来と同様にステンレス鋼を用いることができるが、ジルカロイ又はハフニウム希釈合金を用いることもできる。また、原子炉構造材としての実績は少ないが、比重が小さいチタンを用いることも可能である。
本第3の実施形態に係る原子炉用制御棒によれば、挿入先端側に最も近い中性子吸収要素が収納されている部分において軸心部に炉水が導入され、さらに翼幅方向に隣接する2本の中性子吸収要素の間に2〜4mmの間隙が形成されて炉水が導入されるので、中性子束が上昇する。その結果、近接する燃料棒の抑制されていた出力が一定程度回復し、燃料の燃焼の進行が回復するので、燃料健全性に係るブレードヒストリー問題の緩和を図ることができる。
1…原子炉用制御棒、2…翼(ウイング)、3…ハンドル、4…先端構造材、5…末端構造材、6…中央構造材(タイロッド)、7…シース、8…コマ溶接部、9、9a、9b…通水孔、10、10a〜10d…中性子吸収材要素、11…炉水流動空間(HH間隙)、12…保持部材、13…ハフニウム板孔、20…舌状部材、20a…切込部、21…支持部材、21a…ステイ、21b…補助ステイ、22…荷重支持部材、23…保持部材、24、24a、24b…局所スペーサ、25…外側バー、26…短尺結合部材、27…内側結合バー。
Claims (10)
- 横断面がU字形をした金属製のシースの内側にハフニウムを主体とする金属製又は合金製の中性子吸収材からなる中性子吸収要素を収納した翼を、中央構造材を中心に十字形に4枚配置した原子炉用制御棒において、
前記中性子吸収要素を制御棒の挿入先端側から軸方向に複数の中性子吸収要素に分割し、分割された各中性子吸収要素の厚みを制御棒の挿入先端側から段階的に減少させるとともに、挿入先端側に最も近い中性子吸収要素を先端構造材により吊り下げ保持し、前記挿入先端側に最も近い中性子吸収要素の下部に配置された中性子吸収要素を中央構造材により保持することを特徴とする原子炉用制御棒。 - 前記中性子吸収材は、内部に炉水流動空間が形成される一対のハフニウムを主体とする金属製板又は合金製板からなることを特徴とする請求項1記載の原子炉用制御棒。
- 前記挿入先端側に最も近い中性子吸収要素を翼幅方向に複数に分割したことを特徴とする請求項1又は2記載の原子炉用制御棒。
- 前記分割された中性子吸収要素のうち、制御棒挿入末端側に配置された中性子吸収要素は、シースにより保持されることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項に記載の原子炉用制御棒。
- 前記分割された中性子吸収要素のうち、挿入先端側に最も近い中性子吸収要素の軸方向長さは、中性子吸収要素の全長をLとしたとき2/8〜3/8Lであることを特徴とする請求項1乃至4いずれか1項に記載の原子炉用制御棒。
- 前記シースの開口部を前記中央構造材に固着したことを特徴とする請求項1乃至5いずれか1項に記載の原子炉用制御棒。
- 前記制御棒の挿入先端側に最も近い中性子吸収要素が収納されているシースの開口部に内側結合バーを固着し、前記内側結合バーを短尺結合部材により相互に連結したことを特徴とする請求項1乃至5いずれか1項に記載の原子炉用制御棒。
- 前記中性子吸収要素の外面と前記シースとの間に0.2ないし0.6mmの間隙を設けたことを特徴とする請求項1乃至7いずれか1項に記載の原子炉用制御棒。
- 制御棒の構造材がジルカロイ材、ハフニウムを含有するジルカロイ材、又はハフニウムをジルカロイ材に希釈したハフニウム希釈合金であることを特徴とする請求項1乃至8いずれか1項に記載の原子炉用制御棒。
- 前記シースがステンレス鋼製であることを特徴とする請求項1乃至9いずれか1項に記載の原子炉用制御棒。
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2009
- 2009-04-06 JP JP2009092158A patent/JP2010243331A/ja active Pending
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