JP2010256094A - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Abstract

【課題】ブレードヒストリー問題の緩和、ハフニウムの使用量削減、溶接変形或いは力学的アンバランスによる非健全性ならびに製造非容易性などを解消しつつ、寿命期間平均の反応度価値を停止用制御棒の反応度価値と同等にできる出力調整用制御棒を提供すること。
【解決手段】本発明では、少なくとも１／４区分の肉厚が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍのＨｆ板１２を保持する翼片１０が一対対峙して成る翼１と、原子炉用制御棒ＣＲの軸心に沿って間隔を置いて配置され、４枚の翼１を横断面十字状に保持するタイクロス４と、翼片１０の対峙間スペースに設けられて炉水が充填されるトラップ１３と、翼片１０の少なくとも１／４区分に設けられ、部分的なハフニウム欠損部を成す水窓３と、タイクロス４の配置間スペースに設けられ、制御棒有効部の少なくとも１／４区分で軸心水幅ＣＷとして１０ｍｍ〜４０ｍｍを有する軸心水領域５とを備えるようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の出力制御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。

沸騰水型原子炉に用いられる原子炉用制御棒は、原子炉運転サイクルの略全期間に至って炉心に挿入された状態となる出力調整用制御棒と、原子炉運転サイクル中は炉心から引き抜かれ原子炉停止に際して炉心に挿入される停止用制御棒とに分類できる。出力調整用制御棒は全制御棒の略７０％を占めることとも相俟って、その核的寿命を全うして交換に至るまで停止用制御棒と同等の反応度価値を維持することが望ましい。

原子炉用制御棒の核的寿命を「反応度価値が初期値から１０％低下した時点」と定義する従来からの慣例に従えば、出力調整用制御棒の反応度価値は、停止用制御棒と比較して寿命期間（耐用期間）初期にて５％高くなり且つ寿命期間末期に５％低くなるのが理想的モデルとされる。

一般的に、ボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）を主要な中性子吸収材とする従来の制御棒にあっては、反応度価値を高めることが容易ではないことから、上述の理想モデルは実現困難である。加えて、出力調整用制御棒は、原子炉運転サイクル中は炉心に挿入された状態となり大量の中性子照射を受けることから長寿命化が求められていた。

そのため、中性子吸収材として、Ｂ４Ｃ系の停止用制御棒と比較して反応度価値の大幅増大が期待できると共に中性子照射に伴う経時的な中性子吸収能力の低下が抑えられるハフニウム（Ｈｆ）の適用が考えられた。しかしながら、ハフニウムは比重が著しく大きく（１３ｇ／ｃｍ^３）且つ高価である。比重が大きいと、制御棒駆動機構に対する負荷が大きくなり、制御棒のスクラム特性が悪化して緊急時の原子炉停止に支障を来たすことになる。

このような事情を勘案し、横断面十字状に配置されて成る４翼一体の出力調整用制御棒を対象として、深い横断面Ｕ字状を呈するステンレス製シース内にハフニウム板（Ｈｆ板）を中性子吸収材として内装して各翼片を構成し、各翼片にて向き合うＨｆ板間に減速材（軽水）が浸入可能なトラップを形成したＨｆ系の出力調整用制御棒が提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。この出力調整用制御棒では、Ｈｆ板間の浸入減速材により中性子が減速されることから、ハフニウム板の中性子吸収能力が高められ、もって比重が高く且つ高価なハフニウムの必要量が削減できるようになる。

ところが、Ｈｆ系の出力調整用制御棒には、次のような問題が浮上した。一般に出力調整用制御棒は、中性子束分布の関係上、上半分（制御棒有効部の挿入先端から挿入末端にかけて半分までの範囲）がその下半分よりも中性子照射量が多くなる。このため、上半分が核的寿命に達し交換される時点で下半分のハフニウムが未だ使用可能な状態で廃棄処分されることとなり、高価なハフニウムの無駄が生じるという経済面の問題である。

そのため、炉心内での中性子束分布に伴う照射量分布を考慮して挿入先端から挿入末端にかけてハフニウム板の厚みを段階的に変化させた多分割型の出力調整用制御棒が種々提案されている（特許文献２〜６参照）。なお、シースを用いないで、Ｈｆ板と異種金属間の電気化学的な腐食ないしこれに起因する機械的強度低下の回避を図った出力調整用制御棒も提案されている（特許文献７参照）。

特開昭６３−００８５９４号公報 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０２−０１０２９９号公報 特開平０４−００６４９３号公報 特開昭５８−１４７６８７号公報

M. Ueda T. Tanzawa, R. Yoshioka: "Critical Experiment on a Flux-Trap-Type Hafnium Control Rod for BWRs", Transactions of the American Nuclear Society, Vol.55, p.616(1987).

従来のＨｆ系の出力調整用制御棒では、トラップの厚み（翼厚み方向のサイズ）を大きく設定するほど、中性子減速効果が高められてＨｆ板に中性子が効率よく吸収されるようになり、比重が大きく且つ高価なハフニウムをより削減できるようになる。しかしながら、原子炉用制御棒は、４体１組の燃料集合体相互間に設けられる間隙が狭いことから、その翼（ウイング）の厚みは通常８ｍｍ（一部の原子炉では６〜７ｍｍ）程度に制限される。

かかる制限上、ステンレス製シースの厚みを薄くしたり、シースとＨｆ板との間の間隙（ＳＨ間隙と称され、主として異種金属間の電気化学的な腐食反応を回避するために設けた間隙）を狭くしたくなる。しかしながら、出力調整用制御棒は、高温高圧且つ大量の中性子照射を受ける過酷な環境に長期間晒されることから、このような措置を採ると、出力調整用制御棒を構成するＨｆ板とステンレス鋼との異種金属の近接対峙構造にて電気・水化学的な腐食反応に基づいた機械的強度の低下が大となる。最近の研究により、出力調整用制御棒の全長のうち制御棒有効部の挿入先端から挿入末端にかけて１／２の範囲特に１／４の範囲においてその機械的強度低下が比較的大きくなることも判っている。なお、シースを用いない出力調整用制御棒では、ステンレス製のタイクロスを用いるとＨｆ板との間で同様のメカニズムに基づいた機械的強度の低下が問題となる。

また、多分割型の出力調整用制御棒における厚みの異なる各々のＨｆ板は、コマと称される複数のトラップ間隙保持兼荷重保持部材を用いてシースに溶接されると共にこのコマもシースに溶接され、これにより構造安定性が確保される。しかしながら、溶接領域近傍では、溶接変形により薄いシースがＨｆ板に向かって湾曲してＳＨ間隙の領域縮小を招きやすい。このＳＨ間隙の領域縮小は、シースの構成金属などを起源とする腐食生成物を保持可能な領域縮小となるほか、シースやＨｆ板の熱膨張および照射成長に基づく相対変位も許容しない構造の拘束状態を形成することになり、過大な応力に基づくシースやＨｆ板の応力腐食割れの可能性を高めることにもなる。

また、厚みの異なる多様なＨｆ板が用いられるが故に、Ｈｆ板の成形加工等に伴う製造コストが上昇すると共に挿入末端に向かうほどＨｆ板の厚みが薄くなることによる力学的脆弱面も残っている。さらに、多分割型の出力調整用制御棒では、構造の電気化学的腐食ないし応力腐食割れ防止に重要な役割を担うＳＨ間隙を一様に維持することも容易ではない。

ところで、ハフニウムを主要な中性子吸収材とする長寿命型の出力調整用制御棒は、その大部分の領域が原子炉運転サイクル中に炉心挿入状態となる。そのため、燃料集合体のうち出力調整用制御棒の軸心に近い領域ほど中性子フラックス低下に基づく燃焼遅延すなわち燃料核種の残留濃度が高い状態が形成されやすい。この状態で出力調整用制御棒を炉心から引き抜いたとき、制御棒挿入時にて軸心に近接していた燃料集合体の領域出力密度が高くなり燃料健全性を損なうおそれがある。いわゆるブレードヒストリー問題である。

このようなブレードヒストリー問題を緩和するには、出力調整用制御棒のハフニウム量を少なくして反応度価値を小さくすれば良いが、必要な反応度価値が得られず或いは上述した反応度価値増大の要求と逆行するという不都合が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、原子炉用制御棒一般に問題とされるブレードヒストリー問題を緩和すると共に、中性子吸収板の分割方式を採用することによる不都合、すなわち、中性子束分布に伴う照射量分布に起因するハフニウムの資源的或いは経済的な無駄使用を解消する際に伴う構造の溶接変形或いは力学的アンバランスによる非健全性ならびに製造非容易性などを解消しつつ、寿命期間平均の反応度価値を停止用制御棒の反応度価値と同等にできる出力調整用制御棒（以下、原子炉用制御棒）を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る原子炉用制御棒では、ハフニウムを主要な中性子吸収材とし、沸騰水型原子炉の出力調整に用いられる長寿命型の原子炉用制御棒において、制御棒有効部を略４等分し、制御棒有効部の挿入先端から挿入末端に向かって１／４区分、２／４区分、３／４区分および４／４区分としたとき、少なくとも１／４区分の肉厚が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍのハフニウム板を保持する翼片が一対対峙して成る翼と、制御棒中心軸に沿って間隔を置いて設けられ、４枚の翼を横断面十字状に保持するタイクロスと、前記翼片の対峙間スペースに設けられ、炉水が充填されるトラップと、前記翼片の少なくとも１／４区分に設けられ、部分的なハフニウム欠損部を成す水窓と、前記タイクロスの配置間スペースに設けられ、制御棒有効部の少なくとも１／４区分で軸心水幅１０ｍｍ〜４０ｍｍを有する軸心水領域とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、原子炉用制御棒一般に問題とされるブレードヒストリー問題を緩和すると共に、中性子吸収板の分割方式を採用することによる不都合、すなわち、中性子束分布に伴う照射量分布に起因するハフニウムの資源的或いは経済的な無駄使用を解消する際に伴う構造の溶接変形或いは力学的アンバランスによる非健全性ならびに製造非容易性などを解消しつつ、寿命期間平均の反応度価値を停止用制御棒の反応度価値と同等にできる。

なお、前記翼のハフニウム板は、その表面がジルカロイの圧着により被覆され或いはその表面が被覆されることなく露呈して設けられる構成を採用すれば、ステンレス製シースを用いることで生じる応力腐食割れを解消できる。

本発明に係る原子炉用制御棒の第１実施形態を示す側面要部透視図。 図１のI−I断面拡大図。 図１のII−II断面拡大図。 図１の原子炉用制御棒に設けた軸心領域と反応度価値の相関評価の計算条件を示す図であり、（Ａ）は図１の原子炉用制御棒の模擬体系を示す図、（Ｂ）は停止用制御棒の模擬体系（比較用）を示す図。 図１の原子炉用制御棒の軸心水領域と反応度価値の相関評価の結果を示す図。 図１の原子炉用制御棒におけるＨｆ板の厚みと反応度価値の相関評価の結果を示す図。 図１の原子炉用制御棒に設けた水窓と反応度価値の相関評価の計算条件を示す図。 図１の原子炉用制御棒に設けた水窓と反応度価値の相関評価の結果を示す図。 運転サイクル終了時点で交換される原子炉用制御棒の反応度価値設定方法の説明図。 図１の原子炉用制御棒における水窓および軸心水領域と燃料集合体における出力分布の相関評価の計算条件を示す図。 図１の原子炉用制御棒における水窓および軸心水領域と燃料集合体における出力分布の相関評価の結果を示す図であり、（Ａ）は出力分布を示す図、（Ｂ）は軸心水領域と出力分布の相関強調図、（Ｃ）は水窓と出力分布の相関強調図。 図１の原子炉用制御棒におけるＨｆ板の厚みと核的寿命の相関評価の結果を示す図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第２実施形態を示す側面要部透視図。 図１３のI−I線断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第３実施形態を示すI−I線（図１３）断面図。 原子炉用制御棒の第４実施形態を示すII−II線（図１）断面図。 原子炉用制御棒の第４実施形態を示すII−II線（図１）断面図。

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。

（第１実施形態）
図１は本発明に係る原子炉用制御棒の第１実施形態を示す側面要部透視図である。図２は図１のI−I線断面拡大図である。図３は図１のII−II線断面拡大図である。

本実施形態の原子炉用制御棒ＣＲは、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の炉心部に装荷される４体一組の燃料集合体内の配列間隙（図示省略）を通って挿抜可能に設けられ、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である。この原子炉用制御棒は、図１〜図３に示すように、翼１、間隔保持棒２、水窓３、タイクロス４、軸心水領域５、先端構造材６ならびに末端構造材７を主要構成とする。

[翼]
図２および図３に示すように、原子炉用制御棒ＣＲの翼１は、所定の間隔を置いて向かい合うように対峙して成り制御棒有効部を担う一対の翼片１０により構成され、厚み（翼１の表面間距離）は、６．５ｍｍ〜８．５ｍｍに設定される。この翼片１０の対峙間スペースには、炉水（軽水）が浸入し、翼片１０を透過してきた中性子を減速させることでＨｆ板１２による中性子吸収効率を高めるトラップ１３が形成される。

一対の翼片１０は、ジルカロイ被覆層（Ｚｒ被覆層）１１により無分割且つ一様厚のハフニウム板（Ｈｆ板）１２の両面がサンドイッチ構造にて挟み込まれて構成される。このＺｒ被覆層１１は、Ｈｆ板１２の表層面と隙間を形成しないようＨｆ板１２に圧着される。Ｈｆ板１２の厚みは、Ｈｆ板１２の挿入先端から挿入末端にかけて１／４以上に至る範囲（少なくとも１／４区分）では１．５ｍｍ〜２．５ｍｍに設定され、その他の範囲では核特性および機械的強度を考慮して適宜設定される。

「間隔保持棒」
原子炉用制御棒ＣＲの間隔保持棒２は、図２に示すように、翼片１０の対峙間スペースのうち翼片１０の挿入先端から挿入末端にかけて１／４以上に至る範囲（少なくとも１／４区分）に且つ翼幅方向Ｗの中央よりも外側の位置に介挿され、翼片の対峙間スペースを維持する。

この間隔保持棒２は、翼１と比較して大幅に短尺化されたハフニウム片により構成され、翼片１０の挿入先端から挿入末端にかけて１／４以上に至る範囲（少なくとも１／４区分）においては、その挿入先端側から挿入末端側に向かって次第に短くなるように寸法設定される。

また、間隔保持棒２は、図２に示すように、一対の翼片１０の内側に形成されたアリ溝に勘合され且つＨｆ板１２に対してピン１４を用いて留められる。Ｈｆ板１２に設けられるピン孔（図示省略）の径は、ピン１４の径よりも若干大きく設定され、そのピン孔径の寸法設定によるピン留め緩みを補うようにピン頭がＨｆ板１２に溶着される。なお、ピン１４は、ハフニウム、ジルカロイ或いはハフニウム−ジルカロイ合金により構成される。

[水窓]
原子炉用制御棒ＣＲの水窓３は、翼片１０の挿入先端から少なくとも１／４以上に至る範囲（少なくとも１／４区分）に設けられ、翼片幅方向Ｗに幅３ｍｍ〜１０ｍｍを有して部分的なハフニウム欠損部を成す。この水窓３は、翼片１０の挿入方向に長軸を有する長孔状に刳り貫かれることにより構成され、一対の翼片１０で形成されるトラップ１３と連通する。

また、水窓３は、向かい合う翼片１０に設けられる水窓３が互いに重ならないよう段違いに配置される。そして、燃料集合体が縦横に燃料棒８本×８本、９本×９本或いは１０本×１０本などを有して成る場合にあっては、一側の翼片１０に設けられる水窓３の中心が３本目或いは４本目に位置し、且つ、他側の翼片１０に設けられる水窓３の中心が同基準で数えてし４本目ないし６本目に位置するように設けられる。

[タイクロス]
原子炉用制御棒ＣＲのタイクロス４は、４枚の翼１を横断面十字状に保持して４翼一体型の原子炉制御棒ＣＲを形成する。このタイクロス４は、少なくともその表面がジルカロイにより構成され、図１に示すように、原子炉用制御棒ＣＲの中心軸上に所定の間隔を置いて断続的に設けられる。また、タイクロス４は、互いに直交する方向に延びる４本のアーム４１を有して横断面十字状を呈し、各アーム４１はその先端側に翼保持部４２を有する。

翼１を成す２枚の翼片１０がタイクロス４の翼保持部４２を挟み込んだ状態で、翼片１０と翼保持部４２とがピン１４により接合されると共にこのピンがＨｆ板１２に溶着される。Ｈｆ板１２に設けられるピン孔（図示省略）の径は、ピン１４の径よりも若干大きく設定され、そのピン孔径の寸法設定によるピン留め緩みを補うようにピン頭がＨｆ板１２に溶着される。また、このピン１４は、ハフニウム、ジルカロイ或いはハフニウム−ジルカロイ合金により構成される。なお、このタイクロス４の翼保持部４２は、間隔保持棒２と同様、翼片１０の対峙間スペースを維持する機能も有する。

[軸心水領域]
原子炉用制御棒ＣＲの軸心水領域５は、タイクロス４の配置間スペースにて減速材が充填される領域である。したがって、軸心水領域５は、図１に示すように、原子炉用制御棒ＣＲの軸心に沿って所定の間隔を置いて設けられる。

この軸心水領域５は、上半分すなわち翼片１０の挿入先端から挿入末端にかけて１／２以内の範囲（１／４区分および２／４区分）では、原子炉用制御棒ＣＲの軸心Ｃから翼片１０までの最短距離（軸心水幅ＣＷ；図３参照）として１０ｍｍ〜４０ｍｍを有する。また、下半分すなわち翼片１０の挿入先端から挿入末端にかけて１／２以上の範囲（３／４区分および４／４区分）では、軸心水幅ＣＷとして３０ｍｍ〜５０ｍｍを有する。そして、軸心水幅ＣＷは、上半分よりも下半分の方が広く設定され、且つ、５０ｍｍを超えない範囲で翼片１０の挿入先端から挿入末端に向かうほど拡大される。

[先端構造材および末端構造材]
原子炉用制御棒ＣＲの先端構造材６および末端構造材７は、図１に示すように、原子炉用制御棒ＣＲの構造支持ならびに挿抜ガイドなどを担う。この先端構造材６および末端構造材７は、少なくとも表面がジルカロイにより構成され、それぞれ翼１の挿入先端部と挿入末端部に溶着される。

次に、原子炉用制御棒ＣＲの作用を、制御棒特性に関わる評価計算の結果を用いて説明する。なお、各評価計算に用いた計算モデルの構成のうち、原子炉用制御棒ＣＲと対応する構成には同一符号を付す。

[反応度価値の評価計算（その１）]
第１の反応度価値の評価計算は、原子炉用制御棒ＣＲに設けた軸心水領域５と反応度価値の相関評価に関するものである。

図４は相関評価の計算条件を示す図であり、（Ａ）は原子炉用制御棒ＣＲの模擬体系を示す図、（Ｂ）は停止用制御棒の模擬体系（比較用）を示す図である。

原子炉用制御棒ＣＲの模擬体系（Ｈｆモデル）ＣＲは、横断面十字状に配置した４枚の翼１（図２（Ａ）では１翼のみ図示）から構成した２次元計算モデルである。翼１の幅Ｗは１２５ｍｍ、その厚みＴＴは８．３ｍｍ、Ｈｆ板１２の厚みＨＴは１．８ｍｍ、Ｚｒ被覆層１１の厚みＺＴは０．４ｍｍである。軸心水幅ＣＷは、可変パラメータとして取り扱い、ＨｆモデルＣＲの軸心Ｃから翼片１０までの距離にして５ｍｍ〜４０ｍｍの間で変化させた。

一方、停止用制御棒の模擬体系（Ｂ４Ｃモデル）ＣＲａは、ＨｆモデルＣＲと同様に横断面十字状に配置した４枚の翼１ａ（図２（Ｂ）では１翼のみ図示）から構成した２次元計算モデルである。翼１ａの幅Ｗは１２５ｍｍ、その厚みＴＴは８．３ｍｍ、シース１１ａの厚みＳＴは１．１ｍｍ、Ｂ４Ｃチューブ１２ａの外径ＲＯは５．６ｍｍ、その内径ＲＩは４．２ｍｍである。

また、タイクロス４に対応するタイロッド４ａは、軸心Ｃａから翼片１０ａまでの距離にして２０ｍｍとし、軸心水領域は設けない。さらに、シース１１ａおよびＢ４Ｃチューブ１２ａはステンレスから成り、Ｂ４Ｃ粉末の充填密度は７０％である。

ＨｆモデルＣＲおよびＢ４ＣモデルＣＲａの反応度価値は、いずれもモンテカルロ法（１０００万ヒストリー）で求めた。

図５は評価計算の結果を示す図である。なお、図５の横軸は軸心水幅ＣＷの寸法であり、縦軸は反応度価値の相対値である。この反応度価値の相対値は、（ＨｆモデルＣＲの反応度価値）／（Ｂ４ＣモデルＣＲａの反応度価値）である。加えて、図５は軸心水幅ＣＷが５ｍｍの場合の反応度価値で規格化したものである。

図５に示すように、ＨｆモデルＣＲの反応度価値９０２は、軸心水幅ＣＷが５ｍｍの場合にＢ４ＣモデルＣＲａの反応度価値９０１と比較して１３．４％高い値を示し、軸心水幅ＣＷが３０ｍｍの場合にＢ４ＣモデルＣＲａの反応度価値９０１よりも５％高い値を示した。なお、ＨｆモデルＣＲの軸心水幅ＣＷを３０ｍｍ〜４０ｍｍへと変化させると、反応度価値の低下割合は大きく、７．９％減となるがその低下勾配は略一定となった。

この結果、例えば、寿命期間初期に原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値を停止用制御棒のそれよりも５％高める手段として、原子炉用制御棒ＣＲの軸心水領域５のサイズ調節が有効であることが理解できる。このことわりは、寿命期間末期に原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値を停止用制御棒のそれよりも５％低める場合についても同様である。

[反応度価値の評価計算（その２）]
第２の反応度価値の評価計算は、原子炉用制御棒ＣＲにおけるＨｆ板１２の厚みと反応度価値の相関評価に関するものである。

原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値は、図４（Ａ）に示すＨｆモデルＣＲにおいて、軸心水幅ＣＷを３０ｍｍ一定とし、トラップ１３の厚み（翼厚み方向の寸法）ＴＷを３．１ｍｍ一定とし且つＨｆ板１２の厚みＨＴを可変パラメータとした場合（ケース１）と、Ｚｒ被覆層１１の厚みＺＴを０．４ｍｍ一定とし且つＨｆ板１２の厚みＨＴを可変パラメータとした場合（ケース２）との計２ケースについて行った。なお、基準となる停止用制御棒の反応価値は、図４（Ｂ）に示すＢ４ＣモデルＣＲａを用いて計算した。

図６は評価計算の結果を示す図である。なお、図６の横軸はＨｆ板１２の厚みＨＴであり、縦軸は反応度価値の相対値である。この反応度価値の相対値は、（ＨｆモデルＣＲの反応度価値）／（Ｂ４ＣモデルＣＲａの反応度価値）である。

図６に示すように、ケース１の場合におけるＨｆモデルＣＲの反応度価値９０３は、Ｈｆ板の厚みが約１．５ｍｍを超えるとＢ４ＣモデルＣＲａの反応度価値９０１よりも大きくなる。また、ケース２の場合におけるＨｆモデルＣＲの反応度価値９０４は、Ｈｆ板の厚みが約１．４ｍｍを超えるとＢ４ＣモデルＣＲａの反応度価値９０１よりも大きくなる。また、Ｈｆ板１２の増加に伴う反応度価値の増加は、ケース１よりもケース２の方が小さいが、これはトラップ１３の厚みＴＷが小さくなることにより反応度価値の増加が抑えられたことによる。

この結果、例えば、寿命期間初期に原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値を停止用制御棒のそれよりも５％高める手段として、原子炉用制御棒ＣＲのＨｆ板１２の厚みやトラップ１３の厚み調節が有効であることが理解できる。このことわりは、寿命期間末期に原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値を停止用制御棒のそれよりも５％低める場合についても同様である。

[反応度価値の評価計算（その３）]
第３の反応度価値の評価計算は、原子炉用制御棒ＣＲに設けた水窓３と反応度価値の相関評価に関わるものである。

図７は相関評価の計算条件を示すもので、原子炉用制御棒ＣＲの模擬体系を示す図である。
原子炉用制御棒ＣＲの模擬体系（Ｈｆモデル）ＣＲは、図７に示すように、横断面十字状に配置した４枚の翼（図７では１翼のみ図示）から構成した２次元計算モデルである。翼１の幅Ｗは１２５ｍｍ、その厚みＴＴは８．３ｍｍ、Ｚｒ被覆層１１の厚みＺＴは０．４ｍｍである。軸心水幅ＣＷは３０ｍｍ一定とした。

水窓幅ＷＷは、可変パラメータとして取り扱い、ＨｆモデルＣＲの軸心Ｃから６０ｍｍ離れた位置から０ｍｍ〜１５ｍｍの範囲で変化させた。

図８は評価計算の結果を示す図である。なお、図５の横軸は水窓幅ＷＷであり、縦軸は規格化した反応度価値である。この規格化は、水窓幅ＷＷが０ｍｍの場合の反応度価値で行ったものである。

図８に示すように、ＨｆモデルＣＲにおいて水窓幅ＷＷが増大するにつれて反応度価値９０５は低下していき、水窓幅ＷＷが１０ｍｍの場合では水窓幅ＷＷが０ｍｍの場合と比較して３．１％低い値となった。この反応度価値の低下量３．１％は、軸心水幅ＣＷを２６ｍｍ〜３０ｍｍに拡大した場合の反応度価値の低下量と等価である。

この結果、例えば、寿命期間初期に原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値を停止用制御棒のそれよりも５％高める手段として、原子炉用制御棒ＣＲの水窓３のサイズ調節が有効であることが理解できる。このことわりは、寿命期間末期に原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値を停止用制御棒のそれよりも５％低める場合についても同様である。また、反応度価値を所要量抑えるにあたって、軸心水領域５を調節するよりも水窓３を調節する方がハフニウムの節約効果は大きいものとなる。

ここで、具体的な反応度価値の設定方法を説明する。
原子炉用制御棒ＣＲの炉心装荷時点（ＢＯＣ:Ｂｅｇｉｎｉｎｇ ｏｆ ｃｙｃｌｅ）における反応度価値の理想は、核的な寿命期間初期に停止用制御棒の反応度価値よりも５％大きくなり且つ核的な寿命期間末期に５％小さくなることとされる。しかしながら、原子炉用制御棒は、運転サイクル中に交換することは出来ないため、運転サイクル終了時点（ＥＯＣ:Ｅｎｄ ｏｆ ｃｙｃｌｅ）で交換される。したがって、理想の反応度価値を設定するにあたって、核的寿命期間（慣例的に初期の反応度価値から１０％低下した時点）に着目するのではなく、いずれかのＥＯＣに着目することになる。

図９はＥＯＣで交換される原子炉用制御棒の反応度価値設定方法の説明図である。図９における横軸はＥＯＣ、縦軸はＢ４Ｃ系の停止用制御棒の反応度価値を基準（１．００）とした原子炉用制御棒ＣＲの相対的な反応度価値である。以下、原子炉用制御棒ＣＲがＥＯＣ＝５で交換される場合を想定する。

図９の符号Ｋ１は、ＢＯＣでの反応度価値を１．００（停止用制御棒の反応度価値と同一）とした場合の原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値低下曲線であり、この設定例によると、ＥＯＣ＝５での反応度価値は約０．９２となって反応度価値の理想（０．９５）よりも０．０３小さくなる。符号Ｋ４は、ＢＯＣでの反応度価値を１．０７とした場合の原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値低下曲線であり、この設定例によると、ＥＯＣ＝５における反応度価値は約０．９８となって反応度価値の理想（０．９５）よりも０．０３大きくなる。

一方、符号Ｋ２は、ＢＯＣでの反応度価値を１．０３とした場合の原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値低下曲線であり、この設定例によると、ＥＯＣ＝５における反応度価値は約０．９４となって反応度価値の理想（０．９５）よりも０．０１小さくなるが、Ｋ１やＫ２で示す反応度価値設定例に比べると理想に近い。符号Ｋ３は、ＢＯＣでの反応度価値を１．０５とした場合の原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値低下曲線であり、この設定例によると、ＥＯＣ＝５における反応度価値は約０．９６となって反応度価値の理想（０．９５）よりも０．０１大きくなるが、Ｋ１やＫ２で示す反応度価値設定例に比べると理想に近い。

すなわち、ＥＯＣ＝５で交換される原子炉用制御棒ＣＲにあっては、ＢＯＣでの反応度価値を１．０４とすることが最も理想的な反応度価値設定となる。なお、実際の反応度価値低下曲線は図９に示したものとは異なる傾向を示すが、ＢＯＣでの反応度価値を１．０３〜１．０５とすることが最も理想的な反応度価値設定となることが多いと考えられる。

[出力分布の評価計算]
出力分布の評価計算は、原子炉用制御棒ＣＲにおける水窓３および軸心水領域５と燃料集合体における出力分布の相関評価に関わるものである。

図１０は相関評価の計算条件を示すもので、原子炉用制御棒ＣＲを装荷した炉心模擬体系を示す図である。

炉心模擬体系ＣＲＥは、燃料棒ＦＬＲをマトリクス状に縦列９×９に束ねた燃料集合体ＦＬＡの間に横断面十字状の原子炉用制御棒ＣＲの模擬体系（Ｈｆモデル）ＣＲを装荷し、ウォーターロッドＷＲＲなどを備えて冷却材温度その他の炉心パラメータとして実機ＢＷＲを模擬した２次元計算モデルである。

ＨｆモデルＣＲは、その基本条件を図７と共通にし、水窓３を設けず且つ軸心水幅ＣＷを５ｍｍとしたＨｆモデル（ケース１）、水窓３を設けず且つ軸心水幅ＣＷを２６ｍｍとしたＨｆモデル（ケース２）、水窓３を燃料棒（ＩＤ＝４，１）と（ＩＤ＝５，１）の位置に対応するよう段違いに配置し且つ水窓幅ＷＷを７．８ｍｍとすると共に軸心水幅ＣＷを２６ｍｍとしたＨｆモデル（ケース３）の計３ケースとした。

図１１は評価計算の結果を示す図であり、（Ａ）はケース１の出力分布（符号９０６）、ケース２の出力分布（符号９０７）およびケース３の出力分布（符号９０８）を示す図、（Ｂ）は軸心水領域５と出力分布の相関強調図（ケース２の出力分布−ケース１の出力分布）、（Ｃ）は水窓３と出力分布の相関強調図（ケース３の出力分布−ケース２の出力分布）である。なお、図１１の出力はＩＤ（９，９）の燃料棒出力で規格化したものである。加えて、図１１は燃料集合体ＦＬＡにおける出力分布は、ＨｆモデルＣＲの翼１の両側でわずかに歪むので、この翼１の両側の燃料集合体ＦＬＡにおける出力分布の平均値としている。

図１１（Ａ）に示すように、ケース１〜ケース３は燃料集合体ＦＬＡの出力分布変化に対する寄与が異なることが分かる。
また、図１１（Ｂ）に示すように、ＨｆモデルＣＲの軸心Ｃの付近では軸心水幅ＣＷの違いによる出力分布の違いが顕著に現れた。

また、図１１（Ｃ）に示すように、ＨｆモデルＣＲの水窓３の付近では水窓３（水窓幅ＷＷ）の有無による出力分布の違いが現れた。

この結果、例えば、燃料集合体内部の出力分布を均一化しブレードヒストリー問題を解消する手段として、原子炉用制御棒ＣＲの水窓３や軸心水領域５のサイズ調節が有効であることが理解できる。

[核的寿命の評価計算]
核的寿命の評価計算は、原子炉用制御棒ＣＲにおけるＨｆ板１２の厚みと原子炉用制御棒ＣＲの核的寿命の相関評価に関わるものである。

この核的寿命の評価計算は、図４（Ａ）に示すＨｆモデルＣＲにおいて、Ｈｆ板１２の厚みＨＴを可変パラメータとし、慣例に従い初期の反応度価値から１０％低下した時点をその核的寿命として行なった。なお、基準となる停止用制御棒の核的寿命は、図４（Ｂ）に示すＢ４ＣモデルＣＲａを用いて計算した。

図１２は評価計算の結果を示す図である。なお、横軸はＨｆ板１２の厚みＨＴであり、縦軸はＨｆモデルＣＲの核的寿命である。
図１２に示すように、ＨｆモデルＣＲの核的寿命９０９は、Ｈｆ板１２の厚みＨＴの増大と共に長くなり、Ｈｆ板１２の厚みＨＴが１．５ｍｍ以上にあっては厚みの増大による核的寿命９０９の延長割合が大きくなる。なお、ハフニウムとホウ素の中性子吸収反応における核的性質上、ＨｆモデルＣＲの核的寿命９０９はＢ４ＣモデルＣＲａの核的寿命９１０よりも常に長いものとなる。

この結果、例えば、原子炉用制御棒ＣＲの核的寿命を高める手段としてＨｆ板１２の厚み調節が有効であり、Ｈｆ板１２が特定の厚み以上になると、この手段による核的寿命の延長効果が大きいものとなる。

次に、原子炉用制御ＣＲの効果を説明する。

原子炉用制御ＣＲにあっては、
(1) 少なくとも１／４区分の肉厚が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍのＨｆ板１２を保持する翼片１０が一対対峙して成る翼１と、原子炉用制御棒ＣＲの軸心に沿って間隔を置いて配置され、４枚の翼１を横断面十字状に保持するタイクロス４と、翼片１０の対峙間スペースに設けられて炉水が充填されるトラップ１３と、翼片１０の少なくとも１／４区分に設けられ、部分的なハフニウム欠損部を成す水窓３と、タイクロス４の配置間スペースに設けられ、制御棒有効部の少なくとも１／４区分で軸心水幅ＣＷとして１０ｍｍ〜４０ｍｍを有する軸心水領域５とを備える。

すなわち、一般的なＢＷＲに実装可能であると共に、水窓３の面積やトラップ１３の厚み、軸心水領域５の軸心水幅ＣＷないしその容量などを調節することにより、言い換えると、従来の如く厚みの異なる複数のＨｆ板を用いることなく、所望の出力分布ならびに反応度価値を得ることができる。反応度価値については、例えば、寿命期間平均の反応度価値が停止用制御棒の反応度価値と等しくなり、或いは、寿命期間初期の反応度価値が停止用制御棒の反応度価値よりも５％大きくなり且つ寿命期間末期の反応度価値が停止用制御棒の反応度価値よりも５％小さくなるように調節することもできる。

したがって、原子炉用制御棒一般に問題とされるブレードヒストリーを緩和すると共に、中性子吸収板の分割方式を採用することによる不都合、すなわち、中性子吸収板の照射量分布に起因するハフニウムの資源的或いは経済的な無駄使用を解消する際に伴う構造の溶接変形或いは力学的アンバランスによる非健全性ならびに製造非容易性などを解消しつつ、寿命期間平均の反応度価値を停止用制御棒の反応度価値と同等にできる。

ここで、原子炉用制御棒ＣＲは、一般的に挿入先端に近い部分ほど早期に核的寿命に到達する。このため、上述の反応度価値の調節は、制御棒有効部の挿入先端から挿入末端にかけて１／４以上に至る範囲（少なくとも１／４区分）の反応度価値に着目して行うことが重要になるが、この１／４程度の範囲に限定して反応度価値調節を行うことにより設計コストを必要最小限に抑えることができる。なお、原子炉用制御棒ＣＲの核的寿命が定期検査等による制御棒交換時期よりも短い場合は、この交換時期を核的寿命と捉えて上限値および下限値を設定することが、ハフニウムの節約の観点から好ましい。

(2) 翼１のＨｆ板１２は、その表面がジルカロイの圧着により被覆される。このため、中性子吸収材としてのハフニウムの剥離等に基づくプラント放射能を抑えることができる。

説明すると、一般にハフニウムは高い耐蝕性を有するが、高温水に長期間晒されると表面に若干ながら腐食生成物が発生して何等かのきっかけで剥離する事が判っている。この剥離した腐食生成物は、放射能を帯びている。含まれる核種は、主にＨｆ−１８１であり半減期４３日で比較的低エネルギーのガンマ線（４８２ｋｅＶ、３４６ｋｅＶおよび１３３ｋｅＶ）を放出する。なお、半減期１１１日で１．２ＭｅＶのガンマ線を放出するＴａ−１８２も僅かに生成する。昨今、ＢＷＲの炉水水質がＢＷＲ導入初期に比べて著しく向上しており、放射能レベルは著しく低下していることからＨｆ−１８１の低放射能でも確認出来るようになっている。Ｈｆ−１８１は、半減期が比較的短く且つ放射能としても弱いために外部環境への問題は殆ど考えられないが、原子炉建屋内部では放射能低減対策の対象核種となり得る。本実施形態の原子炉用制御棒ＣＲでは、翼１のＨｆ板１２表面がＺｒ被覆層１１により被覆されるので、上述した起源に基づく放射能を大幅に抑えられるようになる。

(3) 翼片よりも短尺のハフニウム片により構成され、翼片１０の対峙間スペースのうち翼片１０の挿入先端から挿入末端にかけて１／４以上に至る範囲（少なくとも１／４区分）で且つ翼片幅方向Ｗ中央よりも外側の位置に介装されて翼片の対峙間スペースを維持する間隔保持棒２を備える。すなわち、翼片１０の対峙間スペースのうち炉心中性子束が特に高い部位にハフニウムが多く介装される。

このため、翼片１０の対峙間スペースを維持できることに加え、原子炉用制御棒ＣＲの核的寿命を延ばすことができると共に原子炉用制御棒ＣＲの反応度価値を高めることができる。また、間隔保持棒２が翼片１０の長手寸法よりも短尺であることにより、翼１のしなやかな変形が若干ながら許容され、構造の破損頻度が低減する。

ところで、Ｈｆ板１２と間隔保持棒２とが異なる製造過程を経るなどして両者の金属結晶に微差があると、それらが中性子照射環境に長期間晒されることで照射成長の差異が生じ、ひいては原子炉用制御棒ＣＲの翼１を変形させたり破損に至らしめる可能性がある。この点に関し、間隔保持棒２は短尺化されているため、その照射成長が小さく且つその照射成長による構造拘束状態が形成されにくいものとなり、もって翼１に加わる応力が低減されて原子炉用制御棒ＣＲの健全性低下が抑えられる。

(4) 間隔保持棒２は、翼片１０の挿入先端側から挿入末端側に向かうほど、ハフニウム密度にして粗に配置される。炉心の中性子束分布は、原子炉用制御棒ＣＲの挿入末端側に向かうほど低くなるため反応度価値も低くてもよく、このように構成することによりハフニウム節約および原子炉用制御棒ＣＲの重量低減が図られる。なお、ピン１４を用いて間隔保持棒２をＨｆ板１２に留めているため、アリ溝勘合のみによる万一のＨｆ板１２の離間事故を防止できる。また、ピン孔をピン径よりも若干大きく寸法設定しているため、若干の熱膨張が許容されて応力負荷を緩和できる。

（第２実施形態）
図１３は原子炉用制御棒の第２実施形態を示す側面要部透視図であり、図１４は図１３のI−I線断面図である。本実施形態は、第１実施形態の原子炉用制御ＣＲにおけるＨｆ板１２および水窓３の構成を変更した例である。以下、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ａ」を付して説明する。

本実施形態の原子炉用制御棒ＣＲ/Ａは、図１４に示すように、分割Ｈｆ板１２Ａと、水窓３Ａとを備える。

[分割Ｈｆ板]
分割Ｈｆ板１２Ａは、一対の翼片１０Ａにおいて挿入先端側から半分程度の範囲に限定して設けられる先端側Ｈｆ板１２ａＡと、この先端側Ｈｆ板１２ａＡから下半分に設けられ且つ先端側Ｈｆ板１２ａＡよりも薄く厚み設定される末端側Ｈｆ板１２ｂＡとを有する。

この先端側Ｈｆ板１２ａＡと末端側Ｈｆ板１２ｂＡは、共にハフニウムを主要な構成材とし、Ｐ部にて互いに溶接される。また、末端側Ｈｆ板１２ｂＡの両面には、ハフニウムと化学的性質が類似するジルカロイが圧着されて成るＺｒ被覆層１１が設けられ、先端側Ｈｆ板１２ａＡと末端側Ｈｆ板１２ｂＡとの厚みが同一になるよう構成される。

原子炉用制御棒に求められる反応度価値の観点から、分割Ｈｆ板１２Ａの構成の好適条件を以下に列挙する。

＜条件１＞
（ａ）１／４区分では、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みを有し、
（ｂ）３／４区分では、（ａ）の厚みの５０％の厚みを有し、
（ｃ）２／４区分では、（ａ）の厚みと同一或いは（ａ）〜（ｂ）の厚みの中間にある厚みを有し、
（ｄ）４／４区分では、（ｂ）の厚みと同一或いは（ｂ）の厚みの８０％の厚みを有すること。

＜条件２＞
（ａ）１／４区分では、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みを有し、
（ｂ）３／４区分では、（ａ）の厚みの５０％の厚みを有し、
（ｃ）２／４区分では、（ａ）の厚みと同一或いは（ａ）〜（ｂ）の厚みの中間にある厚みを有し、
（ｄ）４／４区分では、（ａ）の厚みと同一の厚みを有し、ハフニウムとジルコニウムの合金により構成され且つハフニウムの重量割合が５０％〜７０％であること。

＜条件３＞
（ａ）１／４区分では、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みを有し、
（ｂ）３／４区分では、（ａ）の厚みの５０％の厚みを有し、
（ｃ）２／４区分では、（ａ）の厚みと同一或いは（ａ）〜（ｂ）の厚みの中間にある厚みを有し、
（ｄ）４／４区分では、（ｃ）の厚みの５０％の厚みを有し、ハフニウム板の表面がジルカロイの圧着により被覆されること。

[水窓]
水窓３Ａは、図１３及び図１４に示すように、一対の翼片１０Ａにおいて挿入先端側から半分程度の範囲に限定して設けられ、第１実施形態と同様に段違い構造にて配置される。

次に、原子炉用制御棒ＣＲ/Ａの効果を説明する。

原子炉用制御ＣＲ/Ａにあっては、第１実施形態の(1)〜(4)の効果に加え、次の効果を得ることができる。
(5) 翼１ＡのＨｆ板１２Ａは、＜条件１＞〜＜条件２＞のいずれかを満たすように構成される。このため、第１実施形態の(1)の効果で延べた「ハフニウムの資源的或いは経済的な無駄使用の解消」という効果が一層高められる。
(6) 水窓３Ａは、一対の翼片１０Ａにおいて挿入先端側から半分程度の範囲に限定して設けられる。このため、第１実施形態の(1)の効果で延べた「ハフニウムの資源的或いは経済的な無駄使用の解消」という効果が一層高められる。

（第３実施形態）
図１５は原子炉用制御棒の第３実施形態を示すI−I線（図１３）断面図である。本実施形態は、第２実施形態の原子炉用制御棒ＣＲ/ＡにおけるＨｆ板１２Ａの構成を変更した例である。以下、第２実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｂ」を付して説明する。

本実施形態の原子炉用制御棒ＣＲ/Ｂは、図１５に示すように、Ｚｒ−Ｈｆ合金板１２Ｂを備える。

Ｚｒ−Ｈｆ合金板１２Ｂは、一対の翼片１０Ｂにおいてその挿入先端から挿入末端にかけて１／２以上の範囲（少なくとも１／４区分および２／４区分）に設けられ、ハフニウムとジルカロイとの合金により構成される。先端側Ｈｆ板１２ＡとＺｒ−Ｈｆ板１２Ｂとは、同一の厚みに設定され、Ｐ部にて互いに溶接される。

ここで、Ｚｒ−Ｈｆ合金板１２Ｂは、ハフニウムとジルカロイとが全率固溶体を形成する性質を利用して為されたものである。なお、この合金に対するハフニウムの成分割合と密度は、例えば、（重量割合、体積割合、密度）＝（０．４，０．２８，８．１），（０．５，０．３３，８．７），（０．６，０．４３，９．３），（０．７，０．５４，１０），（０．８，０．６７，１０．８）である。

次に、原子炉用制御棒ＣＲ/Ｂの効果を説明する。

原子炉用制御ＣＲ/Ｂにあっては、第１実施形態の(1)〜(4)の効果に加え、次の効果を得ることができる。
(7) 翼１のハフニウム板は、その挿入先端から１／２未満の範囲（１／４区分および２／４区分）ではハフニウム金属版により構成され、その挿入先端から１／２以上挿入末端まで（３／４区分および４／４区分）は、ハフニウムとジルコニウムの合金により構成される。すなわち、炉心中性子束が小さい領域では、ハフニウム密度が小さくなるように構成される。このため、第１実施形態の(1)の効果で延べた「ハフニウムの資源的或いは経済的な無駄使用の解消」という効果が一層高められる。

（第４実施形態）
図１６は原子炉用制御棒の第４実施形態を示すII−II線（図１）断面図である。本実施形態は、第１実施形態の原子炉用制御棒ＣＲにおける翼片１０同士の接合構成を変更した例である。以下、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｃ」を付して説明する。

本実施形態の原子炉用制御棒ＣＲ/Ｃは、図１６に示すように、翼端溶接部１６Ｃを備える。

翼端溶接部１６Ｃは、翼片１０の翼片幅方向Ｗの末端すなわちタイクロス４との接合側に対向する翼端にて翼片１０同士を溶接する。このとき、一対の翼片１０は、所要の中性子減速効果が得られるトラップ１３が形成されるように折り曲げ長或いは折り曲げ角度が調節される。

次に、原子炉用制御棒ＣＲ/Ｃの効果を説明する。

原子炉用制御ＣＲ/Ｃにあっては、第１実施形態の(1)および(2)の効果に加え、次の効果を得ることができる。
(8) 翼片１０の対峙間スペースを維持するように、一対の翼片１０を翼片幅方向Ｗの末端にて溶接する翼端溶接部１６Ｃを備える。これにより、翼片１０同士の接合やトラップ１３の厚みを堅実に維持できると共に、第１実施形態の間隔保持棒２を採用する場合に比べて施工の容易化ならびにハフニウムの節約が図られる。

（第５実施形態）
図１７は原子炉用制御棒の第４実施形態を示すII−II線（図１）断面図である。本実施形態は、第１実施形態の原子炉用制御棒ＣＲにおいて対峙する翼片１０の相対尺度を変更した例である。以下、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｄ」を付して説明する。

本実施形態の原子炉用制御棒ＣＲ/Ｄは、図１７に示すように、翼１Ｄを備える。

翼１Ｄは、図１７に示すように、翼幅方向に長さの異なる翼片１０Ｄにより構成される。すなわち、翼片１０Ｄに含まれるハフニウムの量が向かい合う翼片１０Ｄと異なるように構成される。なお、各翼１Ｄの長さは変更できるが、反応度価値その他の原子炉用制御棒の特性の観点から、軸心水幅ＣＷが５ｍｍ以上確保されることが好ましい。

次に、原子炉用制御棒ＣＲ/Ｄの効果を説明する。

原子炉用制御ＣＲ/Ｄにあっては、第１実施形態の(1)〜(4)の効果に加え、次の効果を得ることができる。
(9) 翼を構成する一側の翼片が他側の翼片よりも制御棒軸心側に張り出して構成される。これにより、炉心出力分布の非対称性を考慮してブレードヒストリー問題を緩和できると共にハフニウムの無駄使用を削減できる。

以上、本発明に係る原子炉用制御棒を第１実施形態〜第５実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の要旨を逸脱しない限り設計の変更や追加等は許容される。

例えば、翼のＨｆ板の一部の範囲についてはハフニウムで構成する例を示したが、全範囲に至ってハフニウムとジルコニウムの合金により構成して、その合金の成分調節により反応度価値調節を行うようにしてもよい。また、Ｈｆ板の表面は、被覆されることなく外部に露呈させて構成してもよい。

間隔保持棒は、ハフニウムで構成する例を示したが、ハフニウムとジルコニウムの合金により構成するようにしてもよい。

水窓は、翼片の挿入方向に長軸を有する長孔状に構成する例を示したが、円状その他の形状であってもよい。

原子炉用制御棒の反応度価値調節は、水窓の面積調節を通じて行う例を示したが、水窓の面積は一様に揃えて配置設定により行うようにしてもよい。

ＣＲ，ＣＲ／Ａ，ＣＲ／Ｂ，ＣＲ／Ｃ，ＣＲ／Ｄ……原子炉用制御棒（出力調整用制御棒）， １，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ……翼， １０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｄ……翼片， １１……Ｚｒ被覆層， １２……Ｈｆ板， １２Ａ……分割Ｈｆ板， １２ａＡ……先端側Ｈｆ板， １２ｂＡ……末端側Ｈｆ板， １２Ｂ……Ｚｒ−Ｈｆ合金板， １３……トラップ， １４……ピン， １６Ｃ……翼端溶接部， ２……間隔保持棒， ３……水窓， ４……タイクロス， ４ａ……タイロッド， ４１……アーム， ４２……翼保持部， ５……軸心水領域， ６……先端構造材， ７……末端構造材， ＣＷ……軸心水幅， ＷＷ……水窓幅， Ｋ１〜Ｋ４……原子炉用制御棒の反応度価値低下曲線。

Claims (21)

1. ハフニウムを主要な中性子吸収材とし、沸騰水型原子炉の出力調整に用いられる長寿命型の原子炉用制御棒において、
   制御棒有効部を略４等分し、制御棒有効部の挿入先端から挿入末端に向かって１／４区分、２／４区分、３／４区分および４／４区分としたとき、
   少なくとも１／４区分の肉厚が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍのハフニウム板を保持する翼片が一対対峙して成る翼と、
   制御棒中心軸に沿って間隔を置いて設けられ、４枚の翼を横断面十字状に保持するタイクロスと、
   前記翼片の対峙間スペースに設けられ、炉水が充填されるトラップと、
   前記翼片の少なくとも１／４区分に設けられ、部分的なハフニウム欠損部を成す水窓と、
   前記タイクロスの配置間スペースに設けられ、制御棒有効部の少なくとも１／４区分で軸心水幅１０ｍｍ〜４０ｍｍを有する軸心水領域と、
   を備えることを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 前記水窓は、翼片幅方向に幅３ｍｍ〜１０ｍｍを有することを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
3. 制御棒有効部の少なくとも１／４区分で、寿命期間初期の反応度価値が停止用制御棒の反応度価値よりも大きくなり且つ寿命期間末期の反応度価値が停止用制御棒の反応度価値よりも小さくなるように反応度価値調節されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子炉用制御棒。
4. 前記寿命期間初期の反応度価値は、停止用制御棒の反応度価値よりも３％〜５％大きくなるように調節されることを特徴とする請求項３に記載の原子炉用制御棒。
5. 前記水窓の面積或いは軸心水領域の容積は、制御棒有効部の少なくとも１／４区分で前記反応度価値を満たすように設定されることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の原子炉用制御棒。
6. 前記翼のハフニウム板は、その表面がジルカロイの圧着により被覆されることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
7. 前記翼のハフニウム板は、ハフニウムとジルコニウムの合金により構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
8. 前記翼のハフニウム板は、その表面が被覆されることなく露呈して設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
9. 前記水窓は一対の翼片それぞれに設けられ、向かい合う翼片に設けられる水窓が互いに重ならないよう段違いに配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
10. 前記水窓は、円状或いは翼片の挿入方向に長軸を有する長孔状を有することを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
11. 前記水窓は、燃料集合体が縦横に８本×８本、９本×９本或いは１０本×１０本の燃料棒を有して成る場合、一側の翼片に設けられる水窓の中心が３本目或いは４本目に位置し、且つ、他側の翼片に設けられる水窓の中心が同基準で数えて４本目ないし６本目に位置するように設けられることを特徴とする請求項１ないし請求項１０の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
12. 前記翼片のハフニウム板は、無分割且つ一様厚に構成され、前記軸心水幅は、５０ｍｍを超えない範囲で翼片の挿入先端から挿入末端に向かうほど拡大されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
13. 前記水窓は、翼片の挿入先端側から挿入末端側に向かって一様な面積を有することを特徴とする請求項１２に記載の原子炉用制御棒。
14. 前記翼のハフニウム板は、次の条件（ａ）〜（ｄ）を満たすように構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
    ＜条件＞
    （ａ）１／４区分では、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みを有し、
    （ｂ）３／４区分では、（ａ）の厚みの５０％の厚みを有し、
    （ｃ）２／４区分では、（ａ）の厚みと同一或いは（ａ）〜（ｂ）の厚みの中間にある厚みを有し、
    （ｄ）４／４区分では、（ｂ）の厚みと同一或いは（ｂ）の厚みの８０％の厚みを有すること。
15. 前記翼のハフニウム板は、次の条件（ａ）〜（ｄ）を満たすように構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
    ＜条件＞
    （ａ）１／４区分では、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みを有し、
    （ｂ）３／４区分では、（ａ）の厚みの５０％の厚みを有し、
    （ｃ）２／４区分では、（ａ）の厚みと同一或いは（ａ）〜（ｂ）の厚みの中間にある厚みを有し、
    （ｄ）４／４区分では、（ａ）の厚みと同一の厚みを有し、ハフニウムとジルコニウムの合金により構成され且つハフニウムの重量割合が５０％〜７０％であること。
16. 前記翼のハフニウム板は、次の条件（ａ）〜（ｄ）を満たすように構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
    ＜条件＞
    （ａ）１／４区分では、１．５ｍｍ〜２．５ｍｍの厚みを有し、
    （ｂ）３／４区分では、（ａ）の厚みの５０％の厚みを有し、
    （ｃ）２／４区分では、（ａ）の厚みと同一或いは（ａ）〜（ｂ）の厚みの中間にある厚みを有し、
    （ｄ）４／４区分では、（ｃ）の厚みの５０％の厚みを有し、ハフニウム板の表面がジルカロイの圧着により被覆されること。
17. 前記翼のハフニウム板は、その挿入先端から挿入末端にかけて１／２までがハフニウム金属板により構成され、１／２を超える部分がハフニウムとジルコニウムの合金により構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
18. 前記翼片の長手寸法よりも短尺のハフニウム片或いはハフニウム−ジルコニウム合金片から成り、翼片の対峙間スペースのうち翼片の挿入先端から少なくとも１／４以上に至る範囲で且つ翼片幅方向中央よりも外側の位置に介装されて翼片の対峙間スペースを維持する間隔保持棒を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１７の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
19. 前記間隔保持棒は、翼片の挿入先端側から挿入末端側に向かうほど、ハフニウム密度にして粗に配置されることを特徴とする請求項１８に記載の原子炉用制御棒。
20. 前記翼片の対峙間スペースを維持するように、一対の翼片を翼片幅方向末端にて溶接する翼片溶接部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項１７の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
21. 前記翼を構成する一側の翼片が軸心水幅５ｍｍ以上を確保して他側の翼片よりも制御棒軸心側に張り出して構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項２０の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。

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