JP2563429B2 - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は原子炉の炉出力を調節、制御する原子炉用制
御棒に係り、特に長寿命型の原子炉用制御棒に係る。

（従来の技術） 原子炉用制御棒は、十字状断面の中央タイロッドの各
突出脚に深いＵ字状断面のシースを取り付けて形成した
４箇のウィング内に多数の中性子吸収棒を装填して構成
されている。中性子吸収棒はSUS製被覆管内にボロンカ
ーバイド（B₄C）粉末を充填して構成されている。而し
て、前記被覆管内には粉末移動防止用の仕切球が一定間
隔で配置されている。

中性子吸収棒内に充填されたB₄C粉末は中性子を吸収
して中性子吸収能力が次第に低下するとともに、その間
にボロン−10（¹⁰B）が中性子と反応してHeガスを発生
させ、被覆管内の圧力を上昇させる。上記の中性子吸収
能力によって定められる寿命を核的寿命と云い、被覆管
内のガス圧によって定められる寿命を機械的寿命と云っ
ている。

ところで、原子炉の炉心に対して挿抜される制御棒は
中性子の照射を一様に受けるものではなく、例えば各ウ
ィングの側縁や上端部は強い中性子照射を受ける。この
ため、制御棒の側縁部や上端部近傍にある中性子吸収棒
は多量の中性子を吸収し、他部の吸収棒よりも早期に核
的寿命に達する。従って、他部の中性子吸収棒は十分核
的寿命を残存させているにも拘らず、制御棒を放射性廃
棄物として廃棄しなければならなかった。このように使
用可能な部分があるにも拘らず、放射性廃棄物として処
分することは不経済であるだけでなく、放射性廃棄物の
量を徒に増大させ好ましくない。

上記の問題を解決するため制御棒の強い中性子照射を
受ける部分に、核的寿命の長い長寿命型の中性子吸収材
を配置した原子炉用制御棒が開発されている（特開昭53
−74697号）。

ところが、この形式の原子炉用制御棒にあってはその
寿命は通常型の２倍程度に延長されるに過ぎず、原子炉
用制御棒の長寿命化を図る上で必ずしも十分ではなかっ
た。

特開昭53−74967号開示の原子炉用制御棒の前記の問
題を解決するものとして、さらに長寿命を示し得る特開
昭58−55887号開示の原子炉用制御棒が開発された。こ
の原子炉用制御棒は、制御棒各ウィング内に長寿命型中
性子吸収材からなる中実の中性子吸収板を装填してなる
ものである。この中性子吸収板は炉停止余裕の軸方向分
布の小さい部位では小量の板材削り取りを行い、逆にそ
れが大きい部位では多量の板材削り取りとなるよう透孔
または凹陥部を、その大きさや分布を考慮して設けてい
る。

（発明が解決しようとする課題） ところが、特開昭53−74967号開示の原子炉用制御棒
に使用されている中性子吸収材は、高価で比重の大きな
板状ハフニウム（Hf）金属であるため、制御棒が高価で
非常に重量の大きいものとなる欠点があった。

重量が大きくなると、この制御棒を取り扱う制御棒駆
動機構は耐重量的な設計変更が必要となり、従来の制御
棒駆動機構をそのまま使用することはできなかった。

また、ハフニウム金属板を制御棒の中性子吸収材とし
て使用する場合に、ハフニウム金属板と制御棒の構造材
であるステンレス鋼とが大きな面積で接触することにな
り易く、その結果大きな面積で巾の狭い間隙が形成され
るおそれがあり、耐食性の点から好ましくない。

本出願人は上記の問題を解決するものとして、さらに
新規な長寿命型原子炉用制御棒を開示した。この制御棒
は中性子吸収体をウィング軸方向、巾方向に分割して各
分割区分のハフニウム金属板の厚さを各区分における中
性子照射量に応じて定めたもので、これにより制御棒全
体にわたり中性子吸収体の核的寿命を均一化している。

ところが、上記開示の制御棒では中性子吸収要素はウ
イング巾方向に複数箇に分割して構成され、各分割区分
のハフニウム金属板は、それ等をシース内面から浮かせ
て支持する溝と、対向するハフニウム金属板間の間隔を
保持する突起とを備えたスペーサにより支持され、２枚
のハフニウム金属板間の空間およびハフニウム金属板と
シース内面間には減速材流炉が形成されている。而し
て、各分割区分のハフニウム金属板の厚さはその区分の
中性子照射量分布に応じて設定する。つまり、ウイング
の側縁近傍にあるハフニウム金属板の厚さを他部にある
それの厚さよりも大とすればよい。なお、この制御棒に
おいてはハフニウム金属板はシースの内面から浮かして
支持され、それ等が大きな面積で直接に接触することは
ないから、腐食等の問題を生じることはない。

ところが、前記溝、突起付のスペーサがハフニウム金
属板を確実に支持するとは限らず、ハフニウム金属板が
シース内面と接触するおそれがあった。

本発明は上記の事情に基づきなされたもので、ハフニ
ウム金属板とシース内面とが接触する畏れがなく、しか
も比較的軽量且つ安価で従来の制御棒駆動機構をそのま
ま使用することができる原子炉用制御棒を提供すること
を目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の原子炉用制御棒は、先端構造材および末端構
造材を連結する断面十字状の中央タイロッドと、この中
央タイロッドの各突出脚に深いＵ字状のシースをその開
口部において取り付けて構成したウイングと、各ウイン
グ内に装填した長寿命型中性子吸収体とを有し、前記長
寿命型中性子吸収体を制御棒軸方向およびウィング巾方
向に複数の区分に分割し、各区分内の中性子吸収要素の
中性子吸収特性をその区分における中性子照射量に応じ
て定めた断面十字状の原子炉用制御棒において、前記各
区分の中性子吸収要素を構成する複数のハフニウム金属
板と、前記シースを貫通し、前記ハフニウム金属板同士
を間隔を保持してシースに取付けるスポットスペーサ
と、このスポットスペーサに装着し、前記ハフニウム金
属板およびシースの間隔を保持してシースに取付けるリ
ングスペーサとを具備することを特徴とする。

（作用） 上記構成の本発明原子炉用制御棒においては、中性子
吸収体を構成するハフニウム金属板をスポットスペーサ
により間隔を保持して対向させ、しかもそれ等の金属板
とシース内面との間隔をリングスペーサによって保持さ
せているから、ハフニウム金属板同士の接触またはハフ
ニウム金属板とシース内面との接触等を生じることはな
く、減速材流路の確保は勿論良好になされ、また狭い間
隙、広い面積でのハフニウム金属板とシース内面との接
触も完全に防止されるのでこれ等両者の腐食を生じるこ
ともない。

さらに、制御棒をその軸方向、巾方向に分割し各分割
区分毎に中性子照射量に対応する中性子吸収特性の中性
子吸収要素を装填してあるから、各区分の中性子吸収要
素はほぼ同時にその核的寿命に到達し、核的寿命の残存
する制御棒を廃棄物として処理する無駄を生じることが
ない。

（実施例） 第１図は本発明一実施例全体を示す斜視図、第２図は
その内部に配置された中性子吸収体の配置図である。第
１図において、原子炉用制御棒10はハンドル11を備えた
先端構造材12と、末端構造材13と、前記両構造材を一体
的に結合した横断面十字状の中央タイロッド14とを有す
る。中央タイロッド14の各突出脚には、深いＵ字状断面
の高純度ステンレス鋼製のシース15がその開口部におい
て固着され、４箇のウィング16が形成されている。上記
のシース15内にはハフニウム（Hf）金属板からなる長寿
命型中性子吸収体17が挿入されている。

中性子吸収体17は第２図の左半に示すように、中央タ
イロッド14の軸方向に複数箇の中性子吸収要素17a〜17d
に分割されている。なお、第２図の右半は中性子吸収要
素が装填されていない状態を示す。中性子吸収要素の
中、最下端にある17dを除いた17a〜17cは、中央タイロ
ッド14の各突出脚に適宜間隔をおいて設置した中性子吸
収要素支持片18に支持され、中性子吸収要素17a〜17cは
その軸方向移動を防止されている。上記の各中性子吸収
要素支持片18はそれぞれ中央タイロッド14に必要な間隔
をおいて突設されている。なお、最下段の中性子吸収要
素17dは末端構造材13に支持されている。前記各段の中
性子吸収要素17a〜17dは、上段から下段に向けて中性子
吸収特性が順に低下するようにされている。具体的に云
えば、上部から中性子吸収要素17a〜17dの肉厚を段階的
に小さくしてある。この結果、制御棒の反応度効果すな
わち中性子吸収特性が第３図に示すように制御棒上端か
ら下端に向け、段階的に低下させられることとなる。

また、先端構造材12に隣接する第１段の中性子吸収要
素17aは、その上端から例えば35mm以内の領域を、制御
棒の設計、その使用態様によっては中性子吸収特性を大
きくしてスクラム特性を改善したり、逆に小さくして制
御棒引抜に伴う炉出力の変動巾を減少させるようにした
りすることができる。また、少なくとも前記第１段の中
性子吸収要素17aの中央タイロッド14側の側縁部および
その近傍の部位は、他部よりも中性子吸収特性を大きく
しておく。

ところで、長寿命型原子炉用制御棒10においては先端
構造材12は非常に多量の中性子照射を受け、これによる
脆性化のおそれがあるので、先端構造材を高純度のステ
ンレス鋼により構成し、脆性化の問題を緩和するように
している。また、先端構造材12、末端構造材13およびこ
の末端構造材に取り付けられたスピードリミッタ19はで
きるだけ薄肉として軽量化しておく。さらに、先端構造
材12の下部には補助ハンドルとして使用される空隙20が
設けられている。この空隙を設けた部位は制御棒の中性
子吸収性能上、中性子吸収材を殆ど必要としない部位で
あるから、中性子吸収特性を低下させることなく制御棒
の重量を軽減することができる。

一方、空隙20上方部分の高速中性子照射量はハンドル
11上部のそれの1/5〜1/3程度またはそれ以下であること
が実験的に確かめられている。従って、高速中性子照射
による空隙20上方部分の脆性化はハンドル11のそれの1/
5〜1/3程度あるいはそれ以下とみてよく、万一ハンドル
11が脆性化した場合には空隙20がバックアップの補助ハ
ンドルがとして有効に作用することができる。

また、シース15内に装填される中性子吸収要素17a〜1
7dは、第４図に中性子吸収要素17aにつき示すように、
ウィング16の巾方向に分割した分割片21aを、十字状断
面で対向する２つの脚片をシース15に貫通させた複数の
スポットスペーサ22により支持させて、シース15の側壁
内面と相補形状の対向する１組のハフニウム金属板21、
21を形成させる。なお、前記シース15を貫通する脚片に
はリングスペーサ22aが装着され、各ハフニウム金属板2
1はシース15内面から浮かせて支持させれている。ま
た、２枚のハフニウム金属板21の側縁先端間は僅かに離
間されている。前記スポットスペーサ22は、中性子吸収
要素17a内に減速材流路となる偏平な空間23を形成する
とともに、中性子吸収要素17aの機械的強度を向上させ
ている。さらに、ハフニウム金属板21とシース内面との
間には減速材流路となる偏平な空間24が形成されている
なお、ハフニウム金属板21は0.5mm〜2.0mm厚さの薄板と
されている。

第５図は前記実施例の他の位置での横断面を示す図で
ある。この図において、スポットスペーサ22がない位置
にはシース15を貫通して、前記偏平な空間24に連通する
減速材流入口25が設けられている。なお、これ等の減速
材流入口25は、原則としてウィング16の両側のものが対
向するように設けられている。而して、減速材は減速材
流入口25から偏平な空間24に入り、ここからハフニウム
金属板21間の同じく偏平な空間23内に流れ込んで制御棒
ウィング内を流通する。

以下、原子炉用制御棒の一般的な作用および前記本発
明原子炉用制御棒の作用につき説明する。

沸騰水型原子炉において、燃焼がある程度進んだ原子
炉炉心の軸方向核分裂性核種濃度分布は、第５図に示す
曲線Ａのようになる。而して、原子炉炉心の燃焼管理は
炉心を軸方向に４等分してなされるのが一般であり、原
子炉用制御棒10も軸方向に４等分するのが好都合であ
る。

すなわち、第６図の曲線Ａは次のようなことを示して
いる。まず、原子炉炉心軸長をＬとして、原子炉炉心の
下端（1/4以下）では燃焼時の燃焼の進行が遅れるた
め、核分裂性核種の分布が大きくなっている。さらに、
中央部（2/4L）から上端にかけては、発生するボイドに
よって中性子スペクトルの硬化現象が生じ、これにより
プルトニウム生成反応が促進されるため、多くのボイド
が発生して熱中性子束が低下されるので、燃焼遅れが生
じ核分裂性核種の濃度分布が大きくなっている。

原子炉炉心に第６図の曲線Ａに示す核分裂性核種濃度
分布が存在する場合において、原子炉停止時の中性子増
倍率分布は第７図の曲線Ｂに示すようになる。中性子増
倍率が大きくなる程原子炉の停止余裕が小さく、未臨界
度が浅くなるものである。第７図の曲線Ｂにおいて、炉
心上端、下端で中性子増倍率が低下しているのは、中性
子の炉心上下端からの漏洩に基づくものである。

第８図の曲線Ｃは本発明の原子炉用制御棒10を使用し
た場合の制御棒軸方向の中性子照射量分布を示す。この
図から原子炉用制御棒のごく限られた領域（通常先端か
ら約30cm程度）で中性子照射量が急激に上昇し、他の部
分では制御棒下端に向け中性子照射量が連続的且つ滑ら
かに減少していることがわかる。

本発明の原子炉用制御棒10は、第７図に示された中性
子増倍率分布、第８図に示された中性子照射量分布に対
応して満足な制御効果が得られるように構成されてい
る。すなわち、原子炉用制御棒10の先端部（1/4Lの長
さ、例えば90〜95cm程度）では、中性子増倍率の上昇
（炉停止余裕の低下）や、中性子照射量増大により炉停
止余裕が低下し易いことに対処するため、中性子吸収要
素17aを構成するハフニウム金属板21の厚さを他の中性
子吸収要素17b〜17dのそれよりも大きくしてある。な
お、中性子吸収要素17b〜17dを構成するハフニウム金属
板の厚さも順次小さくなるようにしてあることは前記し
た通りである。特に、原子炉用制御棒10の下端（末端構
造材13上端）から1/4Lまでの下部領域の中性子吸収特性
は、その上方に隣接する1/4Lから2/4の領域より僅かに
小さくされている。これは、中性子照射量が第８図の曲
線Ｃに示すように前記下部領域（下端から1/4L）におい
て隣接する次位の領域（下端から1/4〜2/4L）よりかな
り小さくなるものの、中性子増倍率は第７図の曲線Ｂに
示すように比較的大きくなることに対処するためであ
る。

第９図の曲線Ｄは原子炉用制御棒のウィング巾方向の
中性子照射量分布を示す。この曲線Ｄから中性子照射量
はウィング16の外側すなわち側縁において急激に高くな
り、内側すなわち中央タイロッド14側では僅かに高くな
っていることがわかる。これに対処するためには第10図
に示す曲線Ｅのように制御棒の反応度効果のウィング巾
方向分布を設定すればよい。

而して、各分割区分のハフニウム金属板21の厚さはそ
の区分の中性子照射量分布に応じて設定する。つまり、
第10図の曲線Ｅに示した反応度効果を持たせるとすれ
ば、ウィング16の側縁近傍にあるハフニウム金属板21の
厚さを他部にあるそれの厚さよりも大とすればよい。な
お、この実施例においてはハフニウム金属板21はシース
15の内面から浮かして支持され、それ等が大きな面積で
直接に接触することはないから、腐食等の問題を生じる
ことはない。

［発明の効果］ 上記から明らかなように本発明の原子炉用制御棒にお
いては、中性子吸収体を構成するハフニウム金属板をス
ポットスペーサにより間隔を保持して対向させ、しかも
それ等の金属板とシース内面との間隔をリングスペーサ
によって保持させているから、ハフニウム金属板同士の
接触またはハフニウム金属板とシース内面との接触等を
生じることはなく、減速材流路の確保は勿論良好になさ
れ、また狭い間隙、広い面積でのハフニウム金属板とシ
ース内面との接触も完全に防止されるのでこれ等両者の
腐食を生じることもない。

また、中性子吸収体を制御棒軸方向に複数の中性子吸
収要素に分割し、各中性子吸収要素を構成する中性子吸
収材の板の厚さを、その分割区分における中性子照射量
に応じて定めてあるだけでなく、巾方向にも分割して各
巾方向分割区分の板厚も分割区分毎の中性子照射量に応
じて定めてあるから、各中性子吸収要素の核的寿命をほ
ぼ等しくすることができ、放射性廃棄物の量を徒に増大
させるおそれはない。

また、上記のように中性子吸収材の板の厚さを定めて
いるので、制御棒の重量を一層軽減することができ、通
常の制御棒用に設計された制御棒駆動機構をそのまま使
用することができる。

さらに、中性子吸収要素を構成する２枚の対向した中
性子吸収材の板の間を冷却材流路としてあるため、反応
度が向上されている。この面からも中性子吸収材の量を
低減させることができ、制御棒重量の削減が図られる。

また、中性子吸収材の板の厚さを制御棒軸方向、巾方
向区分の中性子照射量に応じて選定してあるため、高性
能で経済的な制御棒とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の斜視図、第２図はその内部を
模式的に示す正面図、第３図は前記実施例の軸方向反応
度分布を示す線図、第４図は第１図IV−IV線における断
面図、第５図は同Ｖ−Ｖ線における断面図、第６図は原
子炉炉心の炉心軸方向核分裂性核種濃度分布を示す線
図、第７図は炉心軸方向中性子増倍率分布を示す線図、
第８図は炉心軸方向中性子照射量分布を示す線図、第９
図は制御棒ウィング巾方向中性子照射量分布を示す線
図、第10図は前記ウィング巾方向中性子照射量分布に対
処するために必要なウィングの巾方向反応度分布を示す
線図である。 10……原子炉用制御棒、11……ハンドル、12……先端構
造材、13……末端構造材、14……中央タイロッド、15…
…シース、16……ウィング、17……長寿命型中性子吸収
体、17a〜17d……中性子吸収要素、18……中性子吸収要
素支持片、19……スピードリミッタ、20……空隙、21…
…ハフニウム金属板、21a……分割片、22……スポット
スペーサ、22a……リングスペーサ、23、24……空間
（減速材流路）、25……減速材流入口

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端構造材および末端構造材を連結する断
   面十字状の中央タイロッドと、この中央タイロッドの各
   突出脚に深いＵ字状のシースをその開口部において取り
   付けて構成したウイングと、各ウイング内に装填した長
   寿命型中性子吸収体とを有し、前記長寿命型中性子吸収
   体を制御棒軸方向およびウィング巾方向に複数の区分に
   分割し、各区分内の中性子吸収要素の中性子吸収特性を
   その区分における中性子照射量に応じて定めた断面十字
   状の原子炉制御棒において、前記各区分の中性子吸収要
   素を構成する複数のハフニウム金属板と、前記シースを
   貫通し、前記ハフニウム金属板同士を間隔を保持してシ
   ースに取付けるスポットスペーサと、このスポットスペ
   ーサに装着し、前記ハフニウム金属板およびシースの間
   隔を保持してシースに取付けるリングスペーサとを具備
   することを特徴とする原子炉用制御棒。