JP2735211B2 - Reactor control rod - Google Patents

Reactor control rod

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JP2735211B2
JP2735211B2 JP63027634A JP2763488A JP2735211B2 JP 2735211 B2 JP2735211 B2 JP 2735211B2 JP 63027634 A JP63027634 A JP 63027634A JP 2763488 A JP2763488 A JP 2763488A JP 2735211 B2 JP2735211 B2 JP 2735211B2
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long
life
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neutron
absorbing material
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律夫 吉岡
宗也 山本
重範 志賀
裕一 元良
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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、沸騰水型原子炉等の軽水炉の炉出力を制御
する原子炉用制御棒に係り、特に原子炉停止余裕を高
め、長寿命化を図った高反応長寿命型原子炉用制御棒に
関する。The present invention relates to a control rod for a reactor for controlling the power of a light water reactor such as a boiling water reactor, and more particularly to a reactor stop margin. The present invention relates to a control rod for a high-reaction, long-life type nuclear reactor, which has a longer life and a longer life.

（従来の技術） 従来の沸騰水型原子炉用制御棒１は、第10図および第
11図に示すように中央タイロッド２に細長いＵ字状シー
ス３を固着して形成した複数個のウィング４内に多数の
中性子吸収棒５を装填して構成される。中性子吸収棒５
は例えばステンレス鋼製被覆管内に中性子吸収材として
ボロンカーバイド（B4C）粉末を充填して調製される。(Prior Art) A conventional control rod 1 for a boiling water reactor is shown in FIGS.
As shown in FIG. 11, a large number of neutron absorbing rods 5 are loaded into a plurality of wings 4 formed by fixing an elongated U-shaped sheath 3 to a central tie rod 2. Neutron absorption rod 5
Is prepared, for example, by filling boron carbide (B 4 C) powder as a neutron absorbing material in a stainless steel cladding tube.

この原子炉用制御棒１を沸騰水型原子炉等の炉心部に
挿入すると、シース３内に充填した中性子吸収材は中性
子の照射を受け、中性子吸収能力を次第に失うため、原
子炉用制御棒１は所定期間の運転に供した後に定期的に
交換される。When this reactor control rod 1 is inserted into the core of a boiling water reactor or the like, the neutron absorbing material filled in the sheath 3 is irradiated with neutrons and gradually loses its neutron absorption ability. 1 is replaced periodically after having been operated for a predetermined period.

ところで、原子炉の炉心部において使用される制御棒
は、各ウィングの全面に亘って一様に中性子照射を受け
るものではなく、例えば各ウィングの挿入先端領域およ
び外側縁領域は、強度の中性子照射を受ける。そのた
め、その領域に充填された中性子吸収材は多量の中性子
を吸収して他領域より早く消耗し、早期に核的寿命に達
する。したがって、他領域に充填された中性子吸収材が
まだ十分核的寿命を残しているにも拘らず、原子炉用制
御棒全体を放射性廃棄物として廃棄しなければならない
不経済性があった。By the way, the control rods used in the core of the nuclear reactor do not receive neutron irradiation uniformly over the entire surface of each wing. For example, the insertion tip region and the outer edge region of each wing are irradiated with strong neutron irradiation. Receive. Therefore, the neutron absorbing material filled in that region absorbs a large amount of neutrons and is consumed earlier than in other regions, and reaches its nuclear life earlier. Therefore, there is an uneconomical necessity that the entire control rod for a nuclear reactor must be disposed of as radioactive waste, even though the neutron absorbing material filled in other regions still has a sufficient nuclear life.

一方、原子炉用制御棒の交換頻度が高いと交換作業に
長時間を要するため、原子炉の稼働率が低下し、大きな
経済的デメリットの原因となる。その他作業員の被曝線
量も増大するおそれも考えられる。On the other hand, if the replacement frequency of the control rods for the reactor is high, the replacement work takes a long time, and thus the operating rate of the reactor decreases, which causes a great economical disadvantage. In addition, there is a possibility that the exposure dose to workers may increase.

そのようなおそれを解決するために強度の中性子照射
を受ける制御棒の領域に核的寿命が長い、例えばハフニ
ウムのような長寿命型中性子吸収材を部分的に配置した
原子炉用制御棒を本発明者は開発した。In order to solve such a risk, a control rod for a nuclear reactor in which a long-lived neutron absorbing material such as hafnium is partially arranged in a region of the control rod subjected to high intensity neutron irradiation is used. The inventor has developed.

この原子炉用制御棒は、特開昭53−74697号公報に開
示されている通り、ウィングの先端部および翼端部に長
寿命型中性子吸収材を配置したハイブリッド構造を有す
る。このハイブリッド型の原子炉用制御棒は通常型制御
棒２倍程度の寿命を得るに至った。As disclosed in JP-A-53-74697, this control rod for a nuclear reactor has a hybrid structure in which a long-life neutron absorber is disposed at the tip and the tip of the wing. This hybrid control rod for a nuclear reactor has attained a service life about twice that of a normal control rod.

一方、従来の原子炉用制御棒は、ウィングの全領域に
亘って中性子吸収材を均一な密度で充填しており、軸方
向の各領域における中性子吸収能力すなわち反応度が等
しく調製されているが、前記のように中性子照射量の不
均一によって経時的に反応度にばらつきが生じ、原子炉
の運転サイクル末期においては部分的に原子炉停止余裕
が低下する可能性がある。On the other hand, the conventional control rod for a nuclear reactor is filled with a neutron absorbing material at a uniform density over the entire area of the wing, and the neutron absorbing capacity in each area in the axial direction, that is, the reactivity is adjusted to be equal. As described above, the reactivity varies with time due to the non-uniformity of the neutron irradiation amount, and the reactor shutdown margin may partially decrease at the end of the reactor operation cycle.

すなわち、上記の原子炉用制御棒を使用して原子炉を
所定期間運転した場合における原子炉停止余裕（未臨界
度）の炉心軸方向分布は、燃料集合体の設計仕様または
原子炉の運転方法によって若干の相違を生じるが、基本
的には第５図（Ａ）に示す分布となる。すなわち、原子
炉停止余裕は炉心の上端および下端において大きくなる
一方、上端より若干下った位置において最小の値をと
る。That is, the axial distribution of the reactor shutdown margin (subcriticality) in the case where the reactor is operated for a predetermined period using the above-described control rod for the reactor is determined by the design specification of the fuel assembly or the operating method of the reactor. Although a slight difference is caused by the above, the distribution basically becomes as shown in FIG. 5 (A). That is, the reactor shutdown margin increases at the upper and lower ends of the core, while it takes a minimum value at a position slightly below the upper end.

この原因としては、次のことが考えられる。 The possible causes are as follows.

原子炉炉心の軸方向有効長さＬとした場合、特に炉心
下端から3/4・Ｌの位置ないし上端にかけての炉心上端
領域近傍おいては、運転時の気泡率（ボイド率）が高
く、炉の出力密度が相対的に低下するため、核分裂性物
質である質量数235のウラン（Ｕ−235）の残存量が比較
的多い。また発生する気泡（ボイド）によって中性子ス
ペクトルの硬化現象を生じる。その結果、プルトニウム
生成反応（中性子吸収反応）が促進される。このため、
原子炉の運転後において炉心上部の核分裂性物質の濃度
が高くなり、その領域の原子炉停止余裕が相対的に低下
する原因となっている。In the case where the effective length L in the axial direction of the reactor core is set, particularly in the vicinity of the core upper end region from the lower end of the core to the position of 3/4 · L or the upper end, the bubble rate (void ratio) during operation is high, and Of uranium having a mass number of 235 (U-235), which is a fissile material, is relatively large. In addition, the generated bubbles (voids) cause a hardening phenomenon of the neutron spectrum. As a result, the plutonium formation reaction (neutron absorption reaction) is promoted. For this reason,
After the operation of the reactor, the concentration of fissile material in the upper part of the core becomes high, which causes the reactor shutdown margin in that region to relatively decrease.

一方、今後の原子炉は運転経済性の向上に対する要請
から核燃料の高燃焼度化および運転サイクルの長期化へ
の移行は必至の情勢である。その具体的な対応として濃
縮度の高い核燃料の採用が進み、それに伴って核的寿命
が長く、かつ原子炉停止余裕が大きな原子炉用制御棒が
強く求められる。On the other hand, in the future, it is inevitable that a shift to higher burnup of nuclear fuel and a longer operation cycle will be made from demands for improvement of operating economy. As a concrete countermeasure, the use of highly enriched nuclear fuel is progressing, and accordingly, there is a strong demand for a reactor control rod having a long nuclear life and a large reactor shutdown margin.

（発明が解決しようとする課題） 従来の原子炉用制御棒を高濃縮度の核燃料を装荷した
原子炉に採用すると原子炉停止余裕が相対的に低下し、
短い運転サイクル毎に原子炉用制御棒を頻繁に交換しな
ければならない。ところが原子炉用制御棒の交換作業に
あたっては、原子炉を停止し、さらに交換すべき制御棒
の周囲に配設された多数の燃料集合体を炉心から予め排
除する煩雑な作業が必要となる。したがって、制御棒の
交換のための原子炉停止が頻発し、また停止期間が長期
化することにより原子炉の運転効率、経済性が著しく低
下する。さらに、管理労力が著しく増大する可能性があ
る。(Problems to be Solved by the Invention) When a conventional control rod for a nuclear reactor is adopted for a reactor loaded with high-enrichment nuclear fuel, the reactor shutdown margin is relatively reduced,
Reactor control rods must be changed frequently every short operating cycle. However, when replacing the control rods for a nuclear reactor, it is necessary to perform a complicated operation of shutting down the nuclear reactor and removing in advance a large number of fuel assemblies disposed around the control rods to be replaced from the core. Therefore, the reactor is frequently shut down to replace the control rod, and the prolonged shutdown period significantly reduces the operating efficiency and economic efficiency of the reactor. In addition, management effort can be significantly increased.

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、原
子炉停止中の未臨界度が浅くなる部分の反応度を高めて
原子炉停止余裕を効果的に増大させるとともに核的寿命
の長期化を図った高反応度長寿命型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 circumstances, and increases the reactivity of a portion where the subcriticality becomes shallow during a reactor shutdown to effectively increase the reactor shutdown margin and extend the nuclear life. It is an object of the present invention to provide a control rod for a high-reactivity long-life type reactor which achieves the above.

〔発明の構成〕[Configuration of the invention]

（課題を解決するための手段） 本発明に係る原子炉用制御棒は、上述した課題を解決
するために、先端構造材と末端構造材とをタイロッドで
結合し、上記タイロッド金属製シースを固着してウィン
グを構成した原子炉用制御棒において、前記ウィング内
に形成される中性子吸収充填空間を、挿入先端側の第１
領域とこの第１領域に隣接する挿入末端側の第２領域と
に区画し、前記第１領域には長寿命型中性子吸収材また
は長寿命型中性子吸収材を希釈材にて希釈した長寿命型
中性子吸収材希釈合金を収容した高反応度領域を有し、
前記長寿命型中性子吸収材またはその希釈合金に複数の
孔を列状に穿設し、上記孔内に前記長寿命型中性子吸収
材以外の中性子吸収材を充填したものである。(Means for Solving the Problems) In order to solve the above-mentioned problems, a control rod for a nuclear reactor according to the present invention connects a tip structural member and a terminal structural member with a tie rod, and fixes the tie rod metal sheath. In the control rod for a nuclear reactor, the neutron absorbing and filling space formed in the wing is inserted into the first wing on the insertion tip side.
A long-life type neutron absorbing material or a long-life type neutron absorbing material diluted with a diluent in the first region. Having a high reactivity region containing a neutron absorber diluted alloy,
A plurality of holes are formed in rows in the long-life neutron absorber or its diluted alloy, and the holes are filled with a neutron absorber other than the long-life neutron absorber.

また、上述した課題を解決するために、本発明に係る
原子炉用制御棒は、第１領域の挿入末端側に続く第２領
域には、ボロンカーバイド等の中性子吸収材を充填した
金属製の中性子吸収棒を配列したり；さらに、第１領域
として形成される高反応度領域は中性子吸収材充填空間
の軸方向長さの少なくともほぼ1/4の長さの空間であ
り、この高反応度領域は挿入先端側の高反応度長寿命部
と挿入末端側の高反応度部に区画され、第１領域に収容
される前記長寿命型中性子吸収材または長寿命型中性子
吸収材希釈合金は挿入先端側から挿入末端側に向って含
有長寿命型中性子吸収材の濃度が減少する方法に変化さ
せたり；さらにまた、前記長寿命型中性子吸収材として
ハフニウム金属を、希釈材はジルコニウムまたはチタン
を主成分とする物質としたり；また、前記長寿命型中性
子吸収材またはその希釈合金に複数の孔を列状に穿設
し、上記孔内にボロンカーバイドを充填したものであ
る。In addition, in order to solve the above-described problem, the control rod for a nuclear reactor according to the present invention is configured such that the second region following the insertion end side of the first region is made of a metal filled with a neutron absorbing material such as boron carbide. The neutron absorbing rods are arranged; and the high-reactivity region formed as the first region is a space having a length at least approximately 1/4 of the axial length of the neutron absorbing material filling space. The region is divided into a high-reactivity long-life portion on the insertion tip side and a high-reactivity portion on the insertion end side, and the long-life neutron absorbing material or the long-life neutron absorbing material diluted alloy contained in the first region is inserted. The method may be modified such that the concentration of the long-lived neutron absorber decreases from the distal end toward the insertion end; hafnium metal is used as the long-lived neutron absorber, and zirconium or titanium is mainly used as the diluent. Substance Ri; also bored the long life neutron absorbing material or a plurality of holes in its diluted alloys in rows, those filled with boron carbide in said hole.

さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係
る原子炉用制御棒は、金属製シース内の中性子吸収材充
填空間には挿入先端側から挿入末端に向って上記充填空
間軸方向全長の少なくとも1/4以上の長さを第１領域と
して形成し、この第１領域内に長寿命型中性子吸収材ま
たは長寿命型中性子吸収材希釈合金を収容し、上記長寿
命型中性子吸収材またはその希釈合金にはウィング幅方
向に延びる横孔を列状に形成するとともに挿入先端側か
ら挿入末端側の順に前記横孔に充填する中性子吸収材に
よってガスプレナム部、長寿命型中性子吸収材充填部、
高反応度長寿命部、高反応部をそれぞれ形成し、前記長
寿命型中性子吸収材充填部の横孔にはハフニウム金属、
銀−インジウム−カドミウム合金、または酸化ユーロピ
ウム、酸化ディスプロシウム等の希土類酸化物を中性子
吸収材として充填し、高反応度長寿命部および高反応部
の横孔には天然ボロンまたはボロン−10を濃縮した濃縮
ボロンよりなるボロンカーバイド、窒化ボロン等のボロ
ン化合物、あるいは酸化ユーロピウム、酸化ディスプロ
シウム、酸化ガドリウム、酸化サマリウム等の希土類酸
化物、または希土類酸化合物と酸化ハフニウムとの混合
物、あるいはボロンと希土類元素との化合物を主要中性
子吸収物質とする粉末状あるいはペレット状物質を充填
したり；また、前記第１領域の高反応部の横項を形成す
る際、一部または全ての横項の形状は前記長寿命型中性
子吸収材充填部の横項の形状よりも長孔形状または孔径
を大きくしたり；また、前記第１領域の制御棒ウィング
翼端側に、前記横孔開口部を閉塞する形で長寿命型中性
子吸収棒、例えばハフニウム材を配設し、その上でウィ
ング翼端側を溶接密封したものである。Furthermore, in order to solve the above-described problem, the control rod for a nuclear reactor according to the present invention includes a neutron-absorbing material-filled space in a metal sheath that extends from the insertion tip side toward the insertion end in the axial length of the filling space. At least 1/4 or more of the length is formed as a first region, and a long-life neutron absorbing material or a long-life neutron absorbing material diluted alloy is accommodated in the first region, and the long-life neutron absorbing material or its In the diluted alloy, a horizontal hole extending in the wing width direction is formed in a row and a gas plenum portion, a long-life neutron absorbing material-filled portion by a neutron absorbing material filling the horizontal hole in order from the insertion tip side to the insertion end side,
A high-reactivity long-life part and a high-reactivity part are respectively formed, and a hafnium metal,
A rare earth oxide such as a silver-indium-cadmium alloy or europium oxide or dysprosium oxide is filled as a neutron absorbing material, and natural boron or boron-10 is filled in a high reactivity long life part and a high reaction part lateral hole. Boron carbide consisting of concentrated boron, boron compounds such as boron nitride, or europium oxide, dysprosium oxide, gadolinium oxide, rare earth oxides such as samarium oxide, or a mixture of rare earth acid compound and hafnium oxide, or boron and Filling a powdery or pellet-like substance having a compound with a rare earth element as a main neutron absorbing substance; and forming a part or all of the lateral part when forming the lateral part of the high reaction part in the first region. Is to make the long hole shape or the hole diameter larger than the shape of the transverse section of the long life type neutron absorber filling portion; In addition, a long-life neutron absorbing rod, for example, a hafnium material is disposed on the control rod wing tip side of the first region so as to close the lateral hole opening, and the wing tip side is welded and sealed thereon. It was done.

さらにまた、本発明に係る原子炉用制御棒は、上述し
た課題を解決するために、先端構造材と末端構造材とを
タイロッドで結合し、上記タイロッドに金属製シースを
固着してウィングを構成した原子炉用制御棒において、
前記ウィング内に形成される中性子吸収材充填空間に、
挿入先端側から挿入末端側のほぼ全長にわたり長寿命型
中性子吸収材または長寿命型中性子吸収材希釈合金を収
容し、上記長寿命型中性子吸収材またはその希釈合金に
形成される収容孔にボロンカーバイド等の中性子吸収材
が充填されたものである。Furthermore, in order to solve the above-mentioned problems, the control rod for a nuclear reactor according to the present invention is configured such that the tip structural member and the terminal structural member are connected by a tie rod, and a metal sheath is fixed to the tie rod to form a wing. Nuclear reactor control rod
In the neutron absorber filling space formed in the wing,
A long-life type neutron absorbing material or a long-life type neutron absorbing material-diluted alloy is accommodated over almost the entire length from the insertion tip side to the insertion end side, and boron carbide is contained in the accommodation hole formed in the long-life type neutron absorbing material or the diluted alloy thereof. Etc. filled with a neutron absorbing material.

一方、本発明に係る原子炉用制御棒は、上述した課題
を解決するために、先端構造材と末端構造材とをタイロ
ッドで結合し、上記タイロッドに金属製シースを固着し
てウィングを構成した原子炉用制御棒において、前記ウ
ィング内に形成される中性子吸収材充填空間に、挿入先
端側から挿入末端側のほぼ全長にわたり長寿命型中性子
吸収材または長寿命型中性子吸収材希釈合金を収容し、
上記長寿命型中性子吸収材またはその希釈合金に形成さ
れる収容孔にボロンカーバイド等の中性子吸収材が充填
され、さらに全長の内、挿入先端側から1/4以上の長さ
の第１領域に請求項１、請求項３ないし８のいずれかに
記載の構成を備えたものである。On the other hand, in the control rod for a nuclear reactor according to the present invention, in order to solve the above-described problem, a wing is formed by connecting a tip structural member and a terminal structural member with a tie rod, and fixing a metal sheath to the tie rod. In the control rod for a nuclear reactor, a neutron absorbing material filling space formed in the wing contains a long-life neutron absorbing material or a long-life neutron absorbing material diluted alloy over substantially the entire length from the insertion tip side to the insertion end side. ,
A neutron absorbing material such as boron carbide is filled in the accommodation hole formed in the long-life neutron absorbing material or its diluted alloy, and further into the first region having a length of 1/4 or more from the insertion tip side of the entire length. According to another aspect of the present invention, there is provided a configuration according to any one of the first to third aspects.

（作用） この原子炉用制御棒は、挿入先端側の第１領域と挿入
末端側の第２領域とに区画し、第１領域には原子炉停止
余裕が低下する軸方向範囲において、ウィングの金属製
シース内に収容される希釈材に希釈されたハフニウム合
金等の長寿命型中性子吸収材希釈合金に複数の孔を列状
に穿設し、各孔にハフニウム以外のペレット状あるいは
粉末状の中性子吸収材を充填させて高反応度領域とし、
前記第２領域にはボロンカーバイド等の中性子吸収物質
を充填した中性子吸収棒を配列している。前記第１領域
の高反応度領域では希釈合金に含有される長寿命型中性
子吸収材と粉末状またはペレット状中性子吸収材とによ
り、この部分の反応度を高め、原子炉停止余裕を効果的
に増大させるとともに、長寿命型中性子吸収材と中性子
吸収材とで中性子の吸収を分担するので長寿命化を図る
ことができる。(Operation) This reactor control rod is divided into a first region on the insertion distal end side and a second region on the insertion distal end side, and the first region has an axial wing in which the reactor stop margin is reduced. A plurality of holes are drilled in a row in a long-life neutron absorbing material diluted alloy such as a hafnium alloy diluted in a diluent contained in a metal sheath, and a pellet or powder other than hafnium is formed in each hole. Filled with neutron absorber to make high reactivity area,
A neutron absorbing rod filled with a neutron absorbing material such as boron carbide is arranged in the second region. In the high-reactivity region of the first region, the long-life neutron absorber and the powder or pellet neutron absorber contained in the diluted alloy enhance the reactivity of this portion and effectively increase the reactor shutdown margin. In addition to the increase, the neutron absorption is shared between the long-life neutron absorber and the neutron absorber, so that the life can be extended.

また、中性子照射量が特に多くなる各ウィングの挿入
先端領域に長寿命型中性子吸収材が充填されているた
め、中性子吸収能力が長期間衰えず核的寿命が長い。し
たがって原子炉用制御棒全体としての寿命を大幅に延ば
すことができる。In addition, since the long-life neutron absorbing material is filled in the insertion tip region of each wing where the neutron irradiation amount is particularly large, the neutron absorption capacity does not deteriorate for a long time and the nuclear life is long. Therefore, the life of the reactor control rod as a whole can be greatly extended.

さらに長寿命で有する高価かつ比重の大きい長寿命型
中性子吸収材を比重の小さな希釈材で希釈し、かつ空間
的にも限定的にあるいは中性子吸収材充填空間のほぼ全
長にわたり、必要量だけ配置しているため、原子炉用制
御棒全体の製作費を低減かつ軽量化し、既存プラントに
バックフィットすることができる。Furthermore, a long-life type neutron absorber having a long life and a large life is diluted with a diluent having a small specific gravity, and the necessary amount is disposed in a limited space or over substantially the entire length of the space filled with the neutron absorber. Therefore, the manufacturing cost of the entire control rod for a nuclear reactor can be reduced and reduced in weight, and it can be back-fitted to an existing plant.

さらに、母材として希釈合金に含まれるハフニウム等
の長寿命型中性子吸収材と、収容孔に充填された中性子
吸収材との相補協調的中性子吸収効果により反応度価値
が高く、しかも長寿命である。さらに、比重の大きい
（比重13.3）ハフニウム等の長寿命型中性子吸収材を必
要量だけ、全率固容体合金をつくり、しかも比重の小さ
いジルコニウムあるいはチタニウム等の希釈材で希釈し
た希釈合金を使用することにより、物理化学的に安定か
つ軽量化され、既存の原子炉へも容易にバックフィット
することができる。Furthermore, the reactivity value is high due to the complementary cooperative neutron absorption effect of the long-life neutron absorber such as hafnium contained in the diluted alloy as the base material and the neutron absorber filled in the receiving hole, and the life is long. . In addition, a solid-solution alloy is made with the required amount of a long-life neutron absorbing material such as hafnium having a large specific gravity (specific gravity of 13.3), and a dilute alloy diluted with a diluent such as zirconium or titanium having a small specific gravity is used. As a result, the physicochemical stability and weight are reduced, and it is possible to easily back-fit into an existing nuclear reactor.

この原子炉用制御棒では、原子炉停止中に未臨界度が
浅くなる部分にはより多くの中性子吸収材が配置され、
中性子照射量が著しく高い部分には長寿命型中性子吸収
材を配置し、さらに両者を除く部分では可能な限りガス
プレナムを好適に配置したので、中性子吸収材が中性子
と反応して放出したヘリウムなどのガスを収納し、ガス
圧の上昇を抑制したので機械的寿命も向上している。In this reactor control rod, more neutron absorbing material is placed in the part where the subcriticality becomes shallow during reactor shutdown,
A long-life neutron absorbing material was placed in the part where the neutron irradiation amount was extremely high, and the gas plenum was placed as much as possible in the parts except for both, so that the neutron absorbing material reacted with neutrons and released helium etc. Since the gas is stored and the rise in gas pressure is suppressed, the mechanical life is also improved.

（実施例） 以下、本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例につい
て添付図面を参照して説明する。(Example) Hereinafter, an example of a control rod for a nuclear reactor according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

本発明の原子炉用制御棒の全体外観は第10図に示す従
来の制御棒と実質的に同一である。この原子炉用制御棒
10は、第１図に示すように先端構造材11と末端構造材12
とを横断面十字状の中央タイロッド13で結合し、上記タ
イロッド13の各突出部に深いＵ字状の金属製シース14が
固着されてウィング15が形成される。ウィング15の金属
製シース14内は偏平で細長い中性子吸収材充填空間とし
て形成される。ウィング15の挿入先端側および挿入末端
側は先端構造材11および末端構造材12にそれぞれ固着さ
れ、機械的強度が補強される。先端構造材11には操作の
ハンドル16が一体に設けられるとともに、制御棒10の原
子炉炉心部への出し入れを案内するガイドローラ17が備
えられている。The overall appearance of the control rod for a nuclear reactor of the present invention is substantially the same as the conventional control rod shown in FIG. Control rod for this reactor
10 is a front structural member 11 and a terminal structural member 12 as shown in FIG.
Are connected by a central tie rod 13 having a cross-shaped cross section, and a deep U-shaped metal sheath 14 is fixed to each protruding portion of the tie rod 13 to form a wing 15. The inside of the metal sheath 14 of the wing 15 is formed as a flat and elongated neutron absorber filling space. The insertion distal end side and the insertion distal end side of the wing 15 are fixed to the distal end structural member 11 and the terminal structural member 12, respectively, and the mechanical strength is reinforced. The tip structural member 11 is integrally provided with an operation handle 16 and a guide roller 17 for guiding the control rod 10 into and out of the reactor core.

また、タイロッド13に固着されるシース14にはその長
手方向に亘って通水孔（図示せず）が多数穿設されてお
り、この通水孔によりシース14内に減速材が自由に流通
するようになっている。各シース14内には、各種の中性
子吸収特性を有する中性子吸収体が原子炉の特性に応じ
て収容される。The sheath 14 fixed to the tie rod 13 is provided with a large number of water holes (not shown) in the longitudinal direction thereof, and the moderator is freely circulated in the sheath 14 by the water holes. It has become. A neutron absorber having various neutron absorption characteristics is accommodated in each sheath 14 according to the characteristics of the nuclear reactor.

この原子炉用制御棒10は原子炉炉心部の軸方向高さに
相当する有効長Ｌ（中性子吸収材充填空間の軸方向長さ
に相当）を有し、各ウィング15の挿入先端側から例えば
ほぼ1/2・Ｌの長手方向長さl1が第１領域Ｘとして形成
される。この第１領域Ｘの長手方向長さl1はほぼ1/4・
Ｌ以上の長さを有すればよい。ウィング15の挿入先端側
の第１領域Ｘに隣接する挿入末端側に通常の中性子吸収
領域としての第２領域が形成される。The reactor control rod 10 has an effective length L (corresponding to the axial length of the neutron absorbing material filling space) corresponding to the axial height of the reactor core, and, for example, from the insertion tip side of each wing 15 A length l 1 in the longitudinal direction of approximately ・ · L is formed as the first region X. The length l 1 of the first region X in the longitudinal direction is approximately 1/4.
What is necessary is just to have length L or more. A second region as a normal neutron absorption region is formed on the insertion end side adjacent to the first region X on the insertion end side of the wing 15.

ウィング15の第１領域Ｘは強い中性子照射を受ける挿
入先端領域X1と、この挿入先端領域X1に隣接する高反応
度領域X2と挿入末端領域X3とを有する。挿入先端領域X1
は、中性子吸収材充填空間の挿入先端から挿入末端側に
例えば約5cm以上で32cm以下の長さであり、原子炉用制
御棒10の使用条件によって決定される。この挿入先端領
域X1にはハフニウム等からなるプレート状長寿命型中性
子吸収材を充填させても、あるいは第１図に示すように
長寿命型中性子吸収材をジルコニウム（比重6.5）やチ
タン（比重4.5）等の希釈材にて希釈した長寿命型中性
子吸収希釈合金20を充填させてもよく、この挿入先端領
域X1は先端長寿命部を構成している。The first region X of the wing 15 has an insertion tip region X 1 undergoing intense neutron irradiation, and a high reactivity region X 2 and insertion end region X 3 adjacent to the insertion tip region X 1. Insertion tip area X 1
Has a length of, for example, about 5 cm or more and 32 cm or less from the insertion end to the insertion end of the neutron absorbing material filling space, and is determined by the use conditions of the control rod 10 for a nuclear reactor. The insertion tip plate-shaped long-life type even when the neutron absorber is filled or zirconium (specific gravity 6.5) the long life neutron absorbing material as shown in FIG. 1, consisting of hafnium in the area X 1 and titanium (specific gravity 4.5) may be filled with long-life type neutron absorber diluted alloy 20 was diluted with diluent such as, the insertion tip region X 1 constitutes the leading long life unit.

一方、原子炉用制御棒10において、挿入先端から約5c
mまでの範囲は原子炉炉心部から常時中性子照射を受
け、中性子束が著しく変化するので、少なくともこの範
囲では第１図および第３図（Ａ），（Ｂ）に示すように
ウィング幅方向に形成される少なくとも１つの収容孔21
は空洞のプレナム部にされ、この収容孔21内に中性子高
照射でスエリングが生じるボロンカーバイド（B4C）の
充填を避けている。B4Cの充填によりスエリングが生じ
ると、収容孔21に大きな応力が発生し、母材にクラック
を生じさせるなど、制御棒10の健全性が損われる場合が
予想されるためである。On the other hand, in the control rod 10 for the reactor,
In the range up to m, neutrons are constantly irradiated from the reactor core and the neutron flux changes significantly. At least in this range, as shown in FIGS. 1 and 3 (A) and (B), At least one receiving hole 21 to be formed
Is made into a hollow plenum to avoid filling the accommodation hole 21 with boron carbide (B 4 C) which causes swelling due to high neutron irradiation. This is because if swelling occurs due to the filling of B 4 C, a large stress is generated in the housing hole 21, which may cause cracks in the base material and impair the soundness of the control rod 10.

第１図においては、挿入先端領域X1の挿入先端領域の
X11部の少なくとも１個の収容孔21はガスプレナム部
に、挿入先端領域X1のX11部に隣接するX12部の収容孔に
は例えば中性子吸収材を実質的に希釈していないハフニ
ウム材22が挿入される。In the first view, the insertion tip region X 1 insertion tip region of
At least one housing hole 21 is the gas plenum of X 11 parts insertion tip the accommodation hole of X 12 parts adjacent to X 11 parts of region X 1 example neutron absorber hafnium material that is not substantially diluted 22 is inserted.

この収容孔（横孔）には、酸化ユーロピウムあるいは
酸化ディスプロシウム、酸化ガドリウム、酸化サマリウ
ム等の希土類酸化物を主な中性子吸収材とする長寿命型
中性子吸収材を充填しても、あるいは銀−インジウム−
カドミウム（Ag−In−Cd）合金材を充填させてもよい。
挿入先端領域X1の母材として、ハフニウムを用いた長寿
命型中性子吸収材希釈合金20を使用した場合、ハフニウ
ムを含むので中性子吸収効果が大きいが、上記希釈合金
20は希釈材（例えば比重6.5のジルコニウムや比重4.5の
チタンを主成分とする物質）で希釈されているので、希
釈材で希釈しない長寿命型中性子吸収材に比べると中性
子吸収寿命が減少しており、この寿命を向上させるため
に、挿入先端領域X1の挿入末端側のX12部の収容孔に長
寿命型中性吸収材としてハフニウム材22を充填するのが
好ましい。挿入先端領域X1の母材に長寿命型中性子吸収
材、例えばハフニウム材を使用した場合、X12部の収容
孔への充填材（長寿命型中性子吸収材）は不要である。The accommodation hole (horizontal hole) may be filled with a long-life neutron absorbing material mainly composed of a rare earth oxide such as europium oxide or dysprosium oxide, gadolinium oxide, samarium oxide, or silver. -Indium-
Cadmium (Ag-In-Cd) alloy material may be filled.
As the base material of the insertion tip region X 1, when using the long-life type neutron absorber diluted alloy 20 with hafnium, is large neutron absorption effect because it contains hafnium, the diluted alloy
Since 20 is diluted with a diluent (for example, a substance mainly composed of zirconium with a specific gravity of 6.5 or titanium with a specific gravity of 4.5), the neutron absorption life is shorter than that of a long-life neutron absorber that is not diluted with a diluent. cage, in order to improve the lifetime, it is preferable to fill the hafnium material 22 in the accommodation hole of X 12 parts of the insertion end side of the insertion tip region X 1 as long life type neutral absorbent material. Insert tip region X 1 of the matrix to the long life neutron absorbing material, for example when using hafnium, fillers into the accommodation hole of X 12 parts (long life neutron absorbing material) is not required.

一方、原子炉の燃焼管理において燃料集合体と制御棒
との相対位置の調整は、炉心の有効長Ｌを24等分した単
位長さ15〜16cm毎に実施されているので、挿入先端領域
X1の長さl2はその単位長さ15〜16cmまたは長くて単位長
さの２倍である30〜32cmに設定するとよい。この挿入先
端領域X1、特にX11部は原子炉停止余裕への寄与が通常
小さいので、ハフニウム合金板等の長寿命型中性子吸収
材の中にボロンカーバイド（B4C）のように他の中性子
吸収物質を入れる必要がない。On the other hand, in the combustion management of the nuclear reactor, the adjustment of the relative position between the fuel assembly and the control rod is performed for each unit length of 15 to 16 cm obtained by dividing the effective length L of the core into 24 parts.
The length l 2 of X 1 may be set to the unit is twice the length 15~16cm or longer unit length 30～32Cm. Since the insertion tip region X 1 , and particularly the portion X 11, usually contributes little to the reactor shutdown margin, other long-life neutron absorbers such as hafnium alloy plates may contain other materials such as boron carbide (B 4 C). There is no need to add a neutron absorbing material.

また、第１領域Ｘの高反応度領域X2は挿入先端側の高
反応度長寿命部X21とこの高反応度長寿命部X21に隣接す
る挿入末端側の高反応度部X22と大きく区画され、高反
応度部X22の挿入末端側に隣接してウィング幅方向に延
びる挿入末端領域X3が形成される。Further, the first region X of the high reactivity regions X 2 is insertion tip side of the high reactivity of long life unit X 21 of the insertion end side adjacent to the high reactivity long life unit X 21 of Toko high reactivity part X 22 greater is partitioned, insertion end region X 3 extending in the wing width direction adjacent to the insertion end side of the high reactivity of part X 22 are formed.

第１領域Ｘの高反応度領域X2に形成される高反応度長
寿命部X21と高反応度部X22とはほぼ同じ長手方向長さを
有するが、この第１領域Ｘの長手方向長さは（挿入先端
領域X1＋高反応度長寿命部X21）と（高反応度部X22）と
がほぼ同じになるように設定しても、あるいは他の長さ
割合であってもよい。Although the high reactivity long life unit X 21 which is formed in the high reactivity regions X 2 of the first region X and the high reactivity part X 22 have substantially the same longitudinal length, a longitudinal direction of the first region X The length may be set so that (insertion tip region X 1 + high-reactivity long-life portion X 21 ) and (high-reactivity portion X 22 ) are almost the same, or other length ratio. Is also good.

いずれにしても、第１領域Ｘの高反応度領域X2には、
ハフニウム等の長寿命型中性子吸収材を希釈材にて希釈
したプレート状の長寿命型中性子吸収材希釈合金24,25
が収容される。このうち、高反応度寿命部X21に収容さ
れる希釈合金24は第１図に示す例では、挿入先端領域X1
に配置される希釈合金20と一体に形成され、希釈合金2
0,24に含まれるハフニウム（Hf）は例えば50重量パーセ
ント（wt％）である。Anyway, the high reactivity regions X 2 of the first region X,
Plate-shaped long-life neutron absorber diluted alloy 24,25 diluted with diluent of long-life neutron absorber such as hafnium
Is accommodated. Of these, diluted alloy 24 contained in the high reactivity lifetime unit X 21 in the example shown in FIG. 1, the insertion tip region X 1
Is formed integrally with the dilution alloy 20 disposed in the
The hafnium (Hf) contained in 0,24 is, for example, 50 weight percent (wt%).

この希釈合金20,24は長寿命型中性子吸収材としての
ハフニウムを希釈材であるジルコニウム（Zr）で希釈し
た比重9.9の合金である。また、高反応度部X22に収容さ
れる長寿命型中性子吸収希釈合金25は、例えば20重量パ
ーセントのハフニウムを有し、このハフニウムを希釈材
としてのジルコニウムで希釈した比重7.9の合金であ
る。The diluted alloys 20, 24 are alloys having a specific gravity of 9.9, which are obtained by diluting hafnium as a long-life neutron absorber with zirconium (Zr) as a diluent. Also, long life neutron absorber diluted alloy 25 accommodated in the high reactivity part X 22 has, for example, a 20 weight percent hafnium, an alloy having a specific gravity of 7.9 diluted the hafnium zirconium as diluent.

各希釈合金24,25にはウィング15の幅方向に延びる複
数の横孔26が、制御棒10の長手方向に等径かつ等ピッチ
で列状に配設される。各横孔26内には挿入先端領域X1を
除いて前記希釈合金24,25に含有される長寿命型中性子
吸収材と異なる中性子吸収材28が充填される。In each of the dilution alloys 24 and 25, a plurality of horizontal holes 26 extending in the width direction of the wing 15 are arranged in rows in the longitudinal direction of the control rod 10 at the same diameter and at the same pitch. Each lateral hole 26 insertion tip with the exception of regions X 1 differs from the long life neutron absorbing material contained in the diluted alloy 24,25 neutron absorbing material 28 is filled.

この中性子吸収材28は、天然ボロン（Ｂ）やボロン−
10（10B）を濃縮した濃縮ボロンよりなるボロンカーバ
イド（B4C）やチッ化ボロン（BN）等のボロン化合物あ
るいは酸化ユーロピウム、酸化ディスプロシウム、酸化
ガドリニウム、酸化サマリウム等の希土類酸化物、もし
くはこれらの希土類酸化物の混合物、または希土類酸化
物と酸化ハフニウムとの混合物あるいはボロンと希土類
元素との化合物を主要中性子吸収物質とする粉末状ある
いはペレット状物質である。The neutron absorber 28 is made of natural boron (B) or boron-
10 (10 B) consisting of concentrated boron was concentrated boron carbide (B 4 C) or nitride boron (BN), boron compounds such or europium oxide, dysprosium oxide, gadolinium oxide, rare earth oxides such as samarium oxide, Alternatively, a powdery or pellet-like substance containing a mixture of these rare earth oxides, a mixture of a rare earth oxide and hafnium oxide, or a compound of boron and a rare earth element as a main neutron absorbing substance.

また、高反応度領域X2に配置される長寿命型中性吸収
材希釈合金24,25に含まれるハフニウム等の長寿命型中
性子吸収材の含有濃度は、第１図には高反応度長寿命部
X21と高反応度部X22とで段階的に変化し、中性子照射量
が高い高反応度長寿命部X21において高く、比較的低い
高反応度部X22において低くした例を示したが、この長
寿命型中性子吸収材の含有濃度は挿入末端側に向って連
続的に変化させるようにしてもよい。Also, concentration of the long-life type neutron absorber such as hafnium contained in the high reactivity regions X 2 long life type neutral absorber diluted alloys 24, 25 arranged in the high reactivity length in Figure 1 Life part
Stepwise changed between the X 21 and the high reactivity part X 22, higher in neutron irradiation dose is high high reactivity long life unit X 21, there is shown an example in which low at relatively low high reactivity part X 22 The concentration of the long-lived neutron absorbing material may be continuously changed toward the insertion end.

さらに、第１領域Ｘの部分のウィング15の翼端な挿入
先端領域X1とともに強い中性子照射を受ける。このた
め、挿入先端領域X1および高反応度領域X2に形成される
横孔21,26の開放端側（ウィング翼端側）には細長い平
板状のハフニウム材等の長寿命型中性子吸収棒30が介装
され、横孔21,26の開口部が閉塞される。各横孔21,26は
長寿命型中性子吸収棒30との間の隙間26により互いに連
通され、各横孔21,26内のガス圧が均一化される一方、
長寿命型中性子吸収材希釈合金20,24,25は横孔21,26の
開口端部に中性子吸収棒30を介装した後、この中性子吸
収棒30を包み込むように湾曲させ、第４図（Ａ），
（Ｂ）および（Ｃ）に示すように溶接にて密封される。Moreover, subjected to strong neutron irradiation with the tip of the insertion tip region X 1 wing 15 portion of the first region X. Therefore, long life neutron absorber rods such narrow flat hafnium material in insertion tip region X 1 and high reactivity open end of the transverse bore 21, 26 formed in region X 2 (wing tip side) 30 is interposed, and the openings of the lateral holes 21 and 26 are closed. Each of the lateral holes 21 and 26 is communicated with each other by a gap 26 between the long-life neutron absorbing rod 30 and the gas pressure in each of the lateral holes 21 and 26 is made uniform,
The long-life neutron absorbing material diluted alloy 20, 24, 25 is provided with a neutron absorbing rod 30 at the open ends of the lateral holes 21, 26, and then curved so as to enclose the neutron absorbing rod 30, FIG. A),
Sealed by welding as shown in (B) and (C).

高反応度寿命部X21とほぼ同様に長寿命型中性子吸収
材希釈合金25で構成されているが、この位置の中性子照
射量は高反応度長寿命部X21のそれに比べて一般に小さ
いので、長寿命化に高い濃度のハフニウム（Hf）が必要
な挿入先端領域X1や高反応度長寿命部X21と異なり、よ
り低濃度のハフニウム領域となっている。反応度価値は
領域X1やX21部に比べて極く僅か劣るのみである。すな
わち、高反応度部X22は高反応度領域となっている。Since it has substantially the same construction and long life neutron absorber diluted alloy 25 high reactivity lifetime unit X 21, neutron irradiation amount of this position it is generally smaller than that of the high reactivity long life unit X 21, Unlike long life in high concentrations of hafnium (Hf) is required insertion tip region X 1 and high reactivity long life unit X 21, and has a lower concentration of hafnium region. Reactivity worth is only very slightly inferior to the region X 1 and X 21 parts. That is, the high reactivity part X 22 has a high reactivity regions.

未臨界度が浅い高反応度領域X2に隣接する第１領域Ｘ
の挿入末端側に挿入末端領域X3が形成され、この領域X3
はその挿入末端より挿入先端側に長さl3（２〜3cm程
度）の隣接境界部X31を除いてウィング幅方向に延びる
間隙31が形成され、この間隙31内にハフニウム等からな
る金属ウールが充填される。この間隙31はウィング15の
長手方向に例えば0.5〜1.5cm程度の長さl4を有する。l4
部は第１および体２領域X,Yの熱サイクルにより伸縮あ
るいは中性子照射等による伸縮を吸収し、かつ隣接境界
部X31の長寿命型中性子吸収材32を第２領域Ｙ側へ密着
させ、中性子吸収材非存在間隙を極力縮小させている。First region X adjacent to high-reactivity region X 2 having a low subcriticality
Insertion end region X 3 to the insertion end side of the formation, the region X 3
Is the gap 31 extending in the wing width direction except for the adjacent boundary X 31 of the insert from the insertion end tip length side l 3 (about 2-3 cm) is formed, metal wool made of hafnium or the like in the gap 31 Is filled. The gap 31 has a longitudinal direction, for example, about 0.5~1.5cm length l 4 of the wing 15. l 4
Parts are in close contact to the first and the body 2 area X, to absorb expansion and contraction caused by expansion and contraction or neutron irradiation or the like by thermal cycles Y, and a long life neutron absorber 32 of the adjacent boundary X 31 second region Y side, The gap without neutron absorber is reduced as much as possible.

ところで、原子炉用制御棒10はウィング15の第１領域
Ｘに隣接する挿入末端側に第２領域Ｙが形成される。こ
の第２領域Ｙはウイング15の第１領域Ｘに続いて挿入末
端側に向って延びており、第２領域Ｙの金属製シース14
内にはウィング長手方向に配設された中性子吸収棒33が
ウィング幅方向に列状に配列される。この中性子吸収棒
33は円形あるいは矩形断面のステンレス鋼製被覆管内に
B4C等の粉末状あるいはペット状中性子吸収物質が充填
される。Meanwhile, in the control rod 10 for a nuclear reactor, a second region Y is formed on the insertion end side of the wing 15 adjacent to the first region X. The second region Y extends toward the insertion end side following the first region X of the wing 15, and extends to the metal sheath 14 of the second region Y.
Inside, neutron absorbing rods 33 arranged in the longitudinal direction of the wing are arranged in rows in the wing width direction. This neutron absorbing rod
33 is inside a stainless steel cladding tube of circular or rectangular cross section
Filled with powdered or pet-like neutron absorbing material such as B 4 C.

第２領域Ｙに配列される各中性子吸収棒33のうちウィ
ング15の外側縁部に配置される１ないし３本程度の中性
子吸収棒を必要に応じてハフニウム棒と置換させてもよ
い。Of the neutron absorbing rods 33 arranged in the second region Y, about one to three neutron absorbing rods arranged on the outer edge of the wing 15 may be replaced with hafnium rods as necessary.

さらに、B4C等の中性子吸収物質を充填した中性子吸
収棒33をウィング15の第２領域Ｙに配設したとき、中性
子吸収棒33の頂部に中性子非吸収材であるプラグを付け
るので、構造的に非吸収材領域が必然的に形成され、隣
接境界部X31が存在しないと、第１および第２領域X,Yの
間の中性子吸収材非存在空間が拡大され、反応度損失の
原因となる。すなわち、中性子吸収物質が存在しない空
間が長くなると、中性子吸収棒33の健全性が損われ、核
的寿命に影響が出るので空間をできるだけ短くする必要
がある。この関係から、第１領域Ｘの挿入末端領域X3に
長寿命型中性子吸収材32aを中性子吸収棒33の頂部に載
置して固定し、空間等による隙間が大きくならないよう
にしている。Further, when a neutron absorbing rod 33 filled with a neutron absorbing substance such as B 4 C is disposed in the second region Y of the wing 15, a plug which is a neutron non-absorbing material is attached to the top of the neutron absorbing rod 33. non-absorbent region is inevitably formed, the absence of the adjacent boundary X 31, first and second regions X, neutron absorber absence space between Y is enlarged, the cause of reactivity loss Becomes That is, if the space where the neutron absorbing substance does not exist becomes longer, the soundness of the neutron absorbing rod 33 is impaired, and the nuclear life is affected. Therefore, it is necessary to make the space as short as possible. From this relationship, the insertion end region X 3 of the first region X a long life neutron absorbing material 32a and fixed by placing the top of the neutron absorbing rods 33, so that no greater gap due to the space or the like.

次に、第１図において、一例として第１領域Ｘの挿入
先端領域X1および高反応度領域X2の高反応度長寿命部X
21の母材に用いられる長寿命型中性子吸収材希釈合金2
0,24として50重量パーセント（wt％）のハフニウムをジ
ルコニウムで希釈した比重9.9の希釈合金を用い、ま
た、高反応度領域X2の高反応度部X22の母材として20重
量パーセント（wt％）のハフニウムをジルコニウムで希
釈した比重7.9の長寿命型中性子吸収材希釈合金25を用
い、さらに高反応度領域X2に配列された等ピッチの各横
孔26にB4Cを充填し、挿入先端領域X1のX12部の各横孔21
にハフニウム22を充填させた場合、この原子炉用制御棒
10に含まれるハフニウム（Hf）量やB4C量の軸方向分布
は第２図（Ａ）および（Ｂ）に示すように表わされる。Next, in Figure 1, a first region X of the insertion tip region X 1 and the high reactivity regions X 2 high reactivity long life unit X as an example
Long-life neutron absorber diluted alloy 2 used for 21 base metals 2
With 0, 24 as a 50 weight percent (wt%) hafnium dilution alloy having a specific gravity of 9.9, diluted with zirconium, also 20 weight percent (wt as a base material of the high reactivity part X 22 of the high reactivity regions X 2 %) Hafnium diluted with zirconium using a 7.9 long-life neutron absorber diluted alloy 25 with a specific gravity of 7.9, and furthermore, B 4 C is filled in each of the equal-pitched lateral holes 26 arranged in the high-reactivity region X 2 , insertion tip each side of the X 12 parts of region X 1 hole 21
When hafnium 22 is filled in, the control rod for this reactor
The axial distribution of the amount of hafnium (Hf) and the amount of B 4 C contained in 10 are represented as shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B).

ハフニウムは長寿命型中性子吸収元素であり、B4Cは
中性子吸収寿命は比較的短いが、反応度価値の大きな中
性子吸収物質である。第１領域Ｘの挿入先端側（挿入先
端領域X1および高反応度領域X2の高反応度長寿命型部X
21）では中性子照射量が高いので長寿命型中性子吸収元
素であるHfの含有濃度が高く、第１領域Ｘの挿入末端側
（高反応度X22）では含有濃度を低く抑えてHfによる重
量増加やコストアップを抑制している。Hafnium is a long-lived neutron-absorbing element, and B 4 C is a neutron-absorbing material with a relatively short neutron absorption life but a large reactivity value. The first region X of the insertion tip side (the insertion tip region X 1 and the high reactivity regions X 2 high reactivity long-life type unit X
Since 21) in neutron dose is high high concentration of the Hf and long life neutron absorbing elements, the weight increase due to the insertion end side of the first region X (high reactivity X 22) in suppressing the content level low Hf And cost increases.

第１領域Ｘに配設されるHfの濃度は制御棒の使用方法
や計画寿命により変化するが、第１領域Ｘの挿入先端側
ではハフニウムは50wt％以上、その挿入末端側で20wt％
以上であることが望ましい。The concentration of Hf provided in the first region X varies depending on the use of the control rod and the planned life, but at least 50 wt% of hafnium is inserted at the distal end of the first region X and 20 wt% at the distal end thereof.
It is desirable that this is the case.

第１領域Ｘの挿入末端側でHfの濃度が20wt％以下で
は、Hf濃度の低下に伴う制御棒反応度価値の低下が無視
できなくなり、大反応度制御棒としてやや不満足なもの
となる。第１領域ｘの挿入先端（X1,X21）側でHf濃度が
50wt％以下になると、長寿命の点で問題が生ずるおそれ
がある。Hf濃度の低下は、第６図（Ｂ）に示すようにB4
Cの中性子吸収率が相対的に増加することを示し、B4Cは
長寿命型中性子吸収材でないため、中性子吸収寿命が短
かくなる。If the concentration of Hf on the insertion end side of the first region X is 20 wt% or less, the decrease in the reactivity value of the control rod due to the decrease in the Hf concentration cannot be ignored, and it becomes somewhat unsatisfactory as a large reactivity control rod. The Hf concentration on the insertion tip (X 1 , X 21 ) side of the first region x
If the content is less than 50 wt%, a problem may occur in terms of long life. Reduction of Hf concentration, as shown in FIG. 6 (B) B 4
This indicates that the neutron absorption rate of C is relatively increased. Since B 4 C is not a long-lived neutron absorbing material, the neutron absorption life is short.

なお、第１図において、B4Cが充填される各横孔は等
寸法かつ等ピッチに配列されているため、B4C量は第１
領域Ｘの高反応度領域X2でほぼ等しくなっている。In FIG. 1, since the lateral holes filled with B 4 C are arranged at the same size and at the same pitch, the B 4 C amount is equal to the first amount.
It is substantially equal in height reactivity region X 2 region X.

次に、原子炉用制御棒の作用を説明する。 Next, the operation of the control rod for a nuclear reactor will be described.

この原子炉用制御棒10は、ウィング15を挿入先端側の
第１領域Ｘとこの第１領域Ｘの挿入末端側に隣接する第
２領域Ｙとに区画し、第１領域Ｘは中性子照射を常時受
ける挿入先端領域X1にHf濃度を高めた長寿命型中性子吸
収材20を配置して長寿命領域とし、この挿入先端領域X1
に続く挿入末端側を高反応度領域X2の高反応度寿命部X
21に形成し、この高反応度長寿命部X2に収容される長寿
命型中性子吸収材希釈合金24に多数の横孔26をウィング
長手方向に列状に配設し、この横孔26内に天然ボロンや
ボロン−10を濃縮したボロンカーバイド等の粉末状ある
いはペレット状中性子吸収材28を充填させたので、原子
炉停止中の未臨界度が浅くなる高反応度長寿命部X21の
反応度を高めて、原子炉停止余裕の増大化を図ることが
できる。The control rod 10 for a nuclear reactor divides the wing 15 into a first region X on the insertion tip side and a second region Y adjacent to the insertion end side of the first region X, and the first region X emits neutrons. A long-life neutron absorbing material 20 having an increased Hf concentration is arranged in the insertion tip region X 1 which is constantly received to form a long-life region, and this insertion tip region X 1
The high-reactivity life portion X of the high-reactivity region X 2
Formed in 21, arranged in rows the high reactivity long life unit X 2 number of transverse holes 26 in the long-life type neutron absorber diluted alloy 24 which is accommodated in the wing longitudinally in the horizontal hole 26 in so natural boron or boron -10 it was filled with the powder or pellets neutron absorbing material 28 boron carbide or the like and concentrated, the reaction of the high reactivity of long life unit X 21 which subcriticality of the reactor stopped becomes shallower By increasing the degree, the reactor shutdown margin can be increased.

また、高反応度長領域X2の高反応度長寿命部X21には
ハフニウム板等の長寿命型中性子吸収材希釈合金24とB4
C等の中性子吸収材28を配置して多重ハイブリッド化
し、中性子吸収物質量の増大を図ったので第５図（Ｂ）
および（Ｃ）に示すように高反応度が得られ、また、中
性子の吸収を異なる中性子吸収材24,28で分担すること
ができ、しかも長寿命型中性子吸収材希釈合金24の中性
子吸収分担が大きく、他の中性子吸収材28の中性子吸収
率が減るので、長期間の使用が可能となり、長寿命化を
図ることができる。これにより、従来の原子炉用制御棒
より５〜10％アップの高反応度が得られ、2.5〜3.0倍程
度の長寿命化を図ることができる。The high reactivity wavelength region X 2 long life neutron absorber diluted alloy 24 hafnium plate or the like for high reactivity long life unit X 21 and B 4
The neutron absorbing material 28, such as C, is arranged to form a multiple hybrid to increase the amount of the neutron absorbing substance.
As shown in (C) and (C), a high reactivity is obtained, and neutron absorption can be shared by different neutron absorbers 24 and 28, and the neutron absorption sharing of the long-life neutron absorber diluted alloy 24 is improved. Since it is large and the neutron absorption rate of the other neutron absorbing material 28 is reduced, it can be used for a long time, and the life can be extended. As a result, a high reactivity of 5 to 10% higher than that of the conventional control rod for a nuclear reactor can be obtained, and the life can be extended by about 2.5 to 3.0 times.

この原子炉用制御棒10においては、第１領域Ｘの高反
応度領域X2は、金属製シース14内に収容される母材とし
てHf−Zr、あるいはHf−Tiの長寿命型中性子吸収材希釈
合金24,25が用いられ、この希釈合金24,25の各孔26内に
B4C28が一様に充填された例を第６図（Ａ）に示すが、
この場合の中性子吸収率（反応価値とほぼ等しい。）は
希釈合金の板厚ｔ、孔ピッチｐ、孔径ｄによって変化す
るが、沸騰水型原子炉（BWR）の好適寸法の制御棒で
は、例えばHf−Zr希釈合金を使用すると第６図（Ｂ）に
表わされる。In this reactor control rod 10, the high reactivity regions X 2 of the first region X is long life neutron absorber Hf-Zr or Hf-Ti, as a base material which is accommodated in a metal sheath 14 Diluted alloys 24 and 25 are used, and in each hole 26 of the diluted alloys 24 and 25
FIG. 6 (A) shows an example in which B 4 C28 is uniformly filled.
In this case, the neutron absorption rate (substantially equal to the reaction value) varies depending on the thickness t, the hole pitch p, and the hole diameter d of the diluted alloy. However, for a control rod having a suitable size in a boiling water reactor (BWR), for example, The use of the Hf-Zr diluted alloy is shown in FIG. 6 (B).

Hfを母材に含まないときはB4Cのみで中性子吸収が行
なわれる。Hf濃度が上昇するとB4Cの中性子吸収率が急
に減少し、Hfの中性子吸収率が増加し、全体として（B4
C＋Hf）の中性子吸収率は上昇する。When Hf is not contained in the base material, neutron absorption is performed only with B 4 C. Hf concentration is the reduced B 4 C for suddenly neutron absorption rate increases, increased neutron absorption rate of Hf, as a whole (B 4
C + Hf) neutron absorption increases.

Hfの含有率が20wt％付近から（B4C＋Hf）の中性子吸
収率は緩かに上昇し、飽和特性を示す。このため、中性
子照射量があまり大きくなく、反応度価値のみを上昇さ
せればよい部分では、Hf−Zr希釈合金のHf含有量を高く
する必要性はあまりない。The neutron absorption rate of (B 4 C + Hf) gradually increases from the Hf content of about 20 wt%, and shows saturation characteristics. Therefore, it is not necessary to increase the Hf content of the Hf-Zr diluted alloy in a portion where the neutron irradiation dose is not so large and only the reactivity value needs to be increased.

一方、第１領域Ｘの挿入先端側（X1領域やX2領域のX
21部）のように、長寿命化が必要な領域では、（Hf＋B4
C）の中性子吸収率を大きくする必要があるので、Hf濃
度は高い方が良いが、Hf濃度を例えば90wt％以上の高濃
度としても、中性子吸収率に顕著な効果が表われないの
で、現実的にはHf濃度は50wt％以上、例えば70wt％程度
でよい。On the other hand, the insertion tip side of the first region X (X 1 region and X 2 region X
As in 21 parts), the required area is long life is, (Hf + B 4
C) Since it is necessary to increase the neutron absorption rate, the higher the Hf concentration, the better. However, even if the Hf concentration is as high as 90 wt% or more, the neutron absorption rate has no remarkable effect. Specifically, the Hf concentration may be 50 wt% or more, for example, about 70 wt%.

また、長寿命型中性子吸収材希釈合金に含有されるHf
濃度の比重の関係は第６図（Ｃ）に示すようにほぼ直線
的に変化し、第６図の（Ａ）および（Ｂ）から原子炉用
制御棒の使用条件に見合うHf濃度が決定される。In addition, Hf contained in the long-life neutron absorber diluted alloy
The relationship of the specific gravity of the concentration changes almost linearly as shown in FIG. 6 (C), and the Hf concentration suitable for the use condition of the control rod for the reactor is determined from FIG. 6 (A) and (B). You.

次に、この原子炉用制御棒の第２実施例を第７図
（Ａ），（Ｂ）および第８図を参照して説明する。Next, a second embodiment of the control rod for a nuclear reactor will be described with reference to FIGS. 7 (A), (B) and FIG.

この原子炉用制御棒10Aの全体の構成はウィング15の
第１領域Ｘを除いて第１図に示した原子炉制御棒10と異
ならないので説明を省略する。第２実施例に示された原
子炉用制御棒10Aはウィング15を第７図（Ａ）および
（Ｂ）に示すように構成したものである。第１実施例と
の差異は第１領域Ｘの構成にある。Except for the first region X of the wing 15, the entire configuration of the reactor control rod 10A is not different from the reactor control rod 10 shown in FIG. The control rod 10A for a nuclear reactor shown in the second embodiment has a wing 15 configured as shown in FIGS. 7 (A) and 7 (B). The difference from the first embodiment lies in the configuration of the first region X.

第１実施例では、第１領域Ｘの（Hf＋Zr）等の長寿命
型中性子吸収材希釈合金を収容した高反応度領域X2をXX
21部とX22部とに分割し（溶接等により固着してもよ
い。）、Hf濃度をX21部側で高く、X22部側で低いものと
し、各希釈合金24,25に形成される各横孔は一様（同一
形状、同一寸法、同一ビッチ）としていた。すなわちHf
濃度が高い第１領域Ｘの挿入先端側は長寿命、低い挿入
末端側は大反応度を意図した例である。In the first embodiment, the high reactivity region X 2 containing the long-life neutron absorber diluted alloy such as (Hf + Zr) in the first region X is defined as XX.
Was divided into 21 parts and X 22 parts (it may be fixed by welding or the like.), The Hf concentration high in X 21 parts side, and to be lower in X 22 parts side, is formed on each dilution alloy 24 Each horizontal hole was uniform (same shape, same size, same bitch). That is, Hf
The insertion end side of the first region X where the concentration is high is intended to have a long life, and the insertion end side where the concentration is low is intended to have a large reactivity.

一方、第２実施例では、第１領域Ｘに収容される母材
の長寿命型中性子吸収材希釈合金40はHf濃度一様のもの
を用い、この希釈合金40に形成される収納孔（横孔）の
形状および隣接収納孔間ピッチを変えて軸方向に長寿命
領域と大反応度領域を形成している。第１領域Ｘの挿入
先端領域X1および挿入末端領域X3は第１実施例と同一で
ある。挿入先端領域X1は挿入先端からX11部とX12部に第
１実施例と同じ考えで区画されている。On the other hand, in the second embodiment, the base material long-life neutron absorbing material dilution alloy 40 accommodated in the first region X uses an Hf concentration uniform alloy, and a storage hole (horizontal) formed in the dilution alloy 40 is used. The long life region and the large reactivity region are formed in the axial direction by changing the shape of the holes) and the pitch between adjacent storage holes. Insert the tip region X 1 and the insertion terminal region X 3 of the first region X is the same as the first embodiment. Insert tip region X 1 is partitioned in the same idea as the first embodiment to X 11 parts of X 12 parts from the insertion tip.

この第２実施例では第１領域Ｘの高反応度領域X2は、
挿入先端側の大反応度長寿命部X21′と、中間の特大高
反応度部X22′と挿入末端側の高反応度部X23′とに区画
される。X21′部の反応度はX22′部の反応度ほど大きく
なくてもよい。In the second embodiment, the high reactivity region X 2 of the first region X is
It is divided into a large-reactivity long-life portion X 21 ′ on the insertion tip side, an extra-large high-reactivity portion X 22 ′ in the middle, and a high-reactivity portion X 23 ′ on the insertion end side. X 21 'reactivity of the portion X 22' may be large enough reactivity of the unit.

しかして、高反応度領域X2のX21′部は、各横孔（収
納孔）間ピッチをやや大きくして金属製シース内に収容
される長寿命型中性子吸収材希釈合金（母材）に充分な
機械的強度をもたせ、各横孔内に収納される中性子吸収
材としての反応度価値の高いB4Cが多量の中性子照射を
受けてスエリングしても、一定の耐力を発揮できるよう
に設計される。この部分は、Hf対B4Cの比を大きくとる
ことにより、B4Cの中性子吸収率の分担が減少するので
長寿命化を図ることができる。反応度価値はHf対B4Cの
比が少し低下しても殆ど減少しない、また、この部分に
B4C粉末を充填させる場合は、充填密度を通常密度より
やや低下させ、例えば60％TDとしてよい。この程度の充
填密度であると、中性子照射を受けたとき、各孔内にス
エリング空間が確保されるので、各孔内の発生応力を緩
和させたり、応力発生時期を遅らせることができ、長寿
命化に好適である。Thus, X 21 'of the high reactivity regions X 2 are, each lateral hole (receiving hole) between long life neutron absorber diluted alloy contained in a slightly greater to the metal sheath pitch (base material) With sufficient mechanical strength so that B 4 C, which has high reactivity value as a neutron absorber stored in each lateral hole, can exert a certain proof stress even if it swells after receiving a large amount of neutron irradiation Designed to. In this part, by increasing the ratio of Hf to B 4 C, the sharing of the neutron absorption rate of B 4 C decreases, so that the life can be extended. The reactivity value hardly decreases with a small decrease in the ratio of Hf to B 4 C, and in this part
If to fill the B 4 C powder, the packing density slightly lowered than usual density, for example, may be a 60% TD. At this level of packing density, when neutron irradiation is applied, swelling space is secured in each hole, so that the stress generated in each hole can be relaxed or the stress generation time can be delayed, resulting in a long life. It is suitable for conversion.

さらに、B4C粉末の充填密度を論理密度の70％程度と
するためには、複数種の粒度の異なる中性子吸収材（B4
C粉末など）を混合して充填する必要があるが、60％TD
程度の場合、極く微細または特に大きな粒度の場合を除
き、混合のための配慮は必要がない。また、母材には水
平方向に孔があけてあるため、粉末沈積による反応度低
下問題も発生しない。母材には長寿命型中性子吸収材Hf
が含まれているため、万一沈積が発生する構成であって
も、沈積してB4Cなどの中性子吸収材が存在しない空間
が生じても母材のHfが中性子吸収をかた代りするため、
反応度損失や中性子束ピーキングの発生は先ず問題とな
らない。Further, in order to make the packing density of the B 4 C powder about 70% of the logical density, a plurality of types of neutron absorbers (B 4
C powder, etc.) to be filled, but 60% TD
In this case, no considerations for mixing are necessary, except in the case of very fine or particularly large particle sizes. Further, since the base material is perforated in the horizontal direction, there is no problem of a decrease in reactivity due to powder deposition. The base material is a long-life neutron absorber Hf
Hf of the base metal substitutes for neutron absorption even if the configuration is such that sedimentation occurs, even if it is deposited and there is a space where there is no neutron absorber such as B 4 C For,
The occurrence of reactivity loss and neutron flux peaking is not a problem at first.

高反応度領域X2の特大高反応度領域X22′は幾つかの
孔を連ねて長孔とされており、長孔の中にB4C粉末が充
填されている。長孔には色々な形状が考えられ、幾つか
の例が第８図に示されている。The extra-large high-reactivity region X 22 ′ of the high-reactivity region X 2 is formed as a long hole by connecting several holes, and the long hole is filled with B 4 C powder. Various shapes can be considered for the long hole, and some examples are shown in FIG.

長孔にB4C粉末を充填すれば、より多くの中性子吸収
材としてB4C粉末を充填できるので、高反応度価値が得
られる。長孔化により母材中のHf濃度が実質的に低下
し、Hfの中性子吸収に対する寄与率は低下するが、B4C
による中性子吸収の寄与率が大幅に増大するため、高反
応度が達成できるものである。Hfの実質的濃度が低下す
れば長寿命化には好適とはいえないが、X22′部では一
般に中性子照射量は挿入先端領域X1や大反応度長寿命部
X21′に比べて小さいので、Hf濃度を実質的に低下させ
ても差支えなく軽量化とコスト低減に寄与することきが
できる。If it filled with B 4 C powder into the elongated hole, because B 4 C powder can be filled with, the high reactivity worth obtained as more neutron absorber. The Hf concentration in the base material is substantially reduced due to the elongation, and the contribution of Hf to neutron absorption decreases, but B 4 C
Neutron absorption greatly increases the neutron absorption rate, and high reactivity can be achieved. Although substantial levels of Hf can not be said suitable for long life A decline in general neutron irradiation amount in the insertion tip region X 1 and atmospheric reactivity long life unit in X 22 'unit
Since it is smaller than X 21 ′, it can contribute to weight reduction and cost reduction without any problem even if the Hf concentration is substantially reduced.

高反応度領域X2の高反応度部X23′は中性子照射量も
特大高反応度部X22′に比べて低く、かつ反応度価値をX
22′部ほど大きくする必要はないので、長孔方式はとら
ず、隣接孔向ピッチをやや小さくして、B4C充填量を従
来よりやや増大させている程度である。炉心によっては
従来と同様としても差支えない、なお、第７図（Ａ）に
おいて、符号43は支持用突起である。The neutron dose of the high-reactivity region X 23 ′ of the high-reactivity region X 2 is lower than that of the extra-large high-reactivity portion X 22 ′, and the reactivity value is X.
Since it is not necessary to make it as large as the 22 'part, the long hole method is not used, but the pitch between adjacent holes is made slightly smaller, and the B 4 C filling amount is slightly increased as compared with the conventional case. Depending on the core, it may be the same as the conventional one. In FIG. 7 (A), reference numeral 43 denotes a supporting projection.

この場合、第１領域Ｘは大反応度長寿命領域を形成
し、中でも、挿入先端領域X1および高反応度領域X2の挿
入先端領域である大反応度長寿命部X21′は長寿命領域
を形成している。In this case, the first region X is formed a large reactivity long life region, among others, atmospheric reactivity long life unit X 21 'long life which is inserted the distal end region of the insertion tip region X 1 and the high reactivity regions X 2 Forming an area.

第８図（Ａ）なしい（Ｇ）はウィング15の第１領域Ｘ
に収容される長寿命型中性子吸収希釈合金40の各変形例
をそれぞれ示すもので、第８図（Ａ）の希釈合金40Aは
第７図（Ｂ）に示すものと同様であり、第８図（Ｂ）の
希釈合金40Bの高反応度領域X2に形成される各横孔41の
うち、隣接する複数個ずつグループh1〜hnを構成し、各
グループの各横孔41の孔間ピッチを小さくしたものであ
る。第８図（Ｃ）の希釈合金40Cは第８図（Ｂ）の各グ
ループの各横孔間を互いに連絡して長孔42を形成したも
のである。FIG. 8 (A) or (G) shows the first area X of the wing 15.
FIG. 8 (A) shows a modified example of the long-life neutron absorption and dilution alloy 40 accommodated in FIG. 8, and FIG. 8 (B) shows a dilution alloy 40A similar to that shown in FIG. 7 (B). among the lateral hole 41 formed in the high reactivity regions X 2 dilution alloys 40B of (B), the group consists h 1 to h n by a plurality of adjacent, between holes of the transverse bore 41 of each group The pitch is reduced. The dilute alloy 40C shown in FIG. 8 (C) has a long hole 42 formed by connecting the horizontal holes of each group of FIG. 8 (B) with each other.

さらに、第８図（Ｄ）の希釈合金40Dに示すように小
径の横孔43、通常の横孔41、長孔44を組み合せたもので
あり、第８図（Ｅ）の希釈合金40Eは高反応度領域X2の
長孔44間に小径の横孔45を穿設したものである。Further, as shown in a dilution alloy 40D of FIG. 8 (D), a small diameter side hole 43, a normal side hole 41, and a long hole 44 are combined, and the dilution alloy 40E of FIG. between the long hole 44 of the reactivity area X 2 is obtained by drilling a small diameter transverse hole 45.

また、高反応度領域X2の横孔は第８図（Ｆ）の希釈合
金40Fに示すように矩形孔46であっても、第８図（Ｇ）
の希釈合金40Gに示すように変形矩形孔47と三角形孔48
とを組み合せてもよい。その他、各収納孔は種々の形状
の横孔が考えられる。いずれの希釈合金40も原子炉停止
時未臨界度が浅くなる部分により多くのB4C等の中性子
吸収材を充填して大反応度化を図っている。Also, cross-hole of the high reactivity regions X 2 is a rectangular hole 46 as shown in dilution alloy 40F of Figure 8 (F), FIG. 8 (G)
As shown in the dilute alloy 40G, deformed rectangular holes 47 and triangular holes 48
May be combined. In addition, each storage hole may be a horizontal hole having various shapes. Each of the diluted alloys 40 is filled with more neutron absorbing material such as B 4 C in a portion where the subcriticality at the time of reactor shutdown becomes shallow to increase the reactivity.

また、希釈合金40の各横孔に充填されるB4Cの充填密
度は、中性子照射量の特に高い挿入先端側で理論充填密
度の30〜65％とすることができる。既存の制御棒ではB4
C粉末は70％TD±５％TDで充填されているが、B4C粉末の
充填量が約５％TDの変化でスエリング応力が同一となる
中性子照射量は20％程度変化することが考えられる。こ
のスエリング応力の変化はB4C粉末の粒径にも依存する
ので必ずしも一義的ではないが、低密度によりスエリン
グ応力発生までの時間を遅らせることができる。Further, the filling density of B 4 C filling each lateral hole of the diluted alloy 40 can be set to 30 to 65% of the theoretical filling density at the insertion tip side where the neutron irradiation amount is particularly high. B 4 with existing control rod
C powder is filled at 70% TD ± 5% TD, but it is thought that the neutron irradiation dose that changes the filling amount of B 4 C powder by about 5% TD and the same swelling stress will change by about 20% Can be This change in swelling stress is not necessarily unique because it also depends on the particle size of the B 4 C powder, but the time until the swelling stress is generated can be delayed due to the low density.

第８図の（Ａ）〜（Ｇ）に示すように、希釈合金40A
〜40Gに横孔を穿設した場合には、B4C粉末の沈積問題は
実質上生じないので、多少低密度化を図ることができ、
従来のようにB4C粉末を70％TD充填させる場合には、粒
径の異なるB4C粉末を混合させて使用する必要がある
が、60％TD程度あるいはそれ以下では、B4C粉末は一種
類の粒径でよく、コスト低減効果があり、粒度のコント
ロールが不要となる。As shown in FIGS. 8A to 8G, the diluted alloy 40A
When a horizontal hole is drilled at ~ 40G, the problem of sedimentation of B 4 C powder does not substantially occur, so that it is possible to reduce the density somewhat.
When the conventional B 4 to C powder filled 70% TD as, it is necessary to use by mixing different B 4 C powder particle sizes, in 60% TD about or less, B 4 C powder May have a single particle size, has a cost reduction effect, and does not require control of the particle size.

一方、B4C粉末の粒径を30％TD以下とすると、中性子
反応によるＢ−10の消耗が早く、長寿命化に不適当であ
る。また、低密度充填で沈積なしとすることは困難であ
るが、B4C粉末が30％TDまでは粉の粒度を小さくするこ
とにより容易に対処できる。On the other hand, if the particle size of the B 4 C powder is 30% TD or less, B-10 is rapidly consumed by a neutron reaction, which is unsuitable for extending the life. In addition, it is difficult to prevent sedimentation by low-density packing, but it can be easily dealt with by reducing the particle size of the B 4 C powder up to 30% TD.

原子炉用制御棒10Bは第９図（Ａ），（Ｂ）に示すよ
うに構成してもよい。The reactor control rod 10B may be configured as shown in FIGS. 9 (A) and 9 (B).

この原子炉用制御棒10Bは、ウィング15の金属製シー
ス14内に形成される中性子吸収材充填空間内に挿入先端
から挿入末端にかけてほぼ全長にわたって長寿命型中性
子吸収材希釈合金50,51を収容してもよい。第９図
（Ａ）および（Ｂ）には長寿命型中性子吸収材希釈合金
50,51を第１領域Ｘに配設されるものと、第２領域Ｙに
配設されるものとに区画される。第１領域Ｘに配設され
る長寿命型中性子吸収材希釈合金50は第７図の第１領域
Ｘに配設された希釈合金40と挿入末端領域X3が存在しな
い以外はほぼ同様であるので同一符号（記号）を付して
説明は省略する。This control rod 10B for the reactor contains a long-life neutron absorber diluted alloy 50, 51 over almost the entire length from the insertion tip to the insertion end in the neutron absorber filling space formed in the metal sheath 14 of the wing 15. May be. 9 (A) and 9 (B) show a long-life neutron absorber diluted alloy
50 and 51 are divided into those arranged in the first area X and those arranged in the second area Y. The long life neutron absorber diluted alloy 50 disposed in the first region X is substantially the same except that no dilution alloy 40 and the insertion terminal region X 3 disposed in the first region X of Figure 7 there Therefore, the same reference numerals (symbols) are attached and the description is omitted.

また、第２領域Ｙに配設される長寿命型中性子吸収材
希釈合金51として、ハフニウム等の長寿命型中性子吸収
材を例えばジルコニウムの希釈材で希釈した希釈合金
で、ハフニウムは2wt％以上有する。この希釈合金51に
該当するものとして例えば天然のジルコニウムがある。
天然のジルコニウムはハフニウムを約2.5〜3.0wt％程度
有する。この希釈合金51に形成される収容孔としての横
孔内にはB4C等の長寿命型中性子吸収材とは異なる中性
子吸収材52が充填される。The long-life neutron absorber diluted alloy 51 disposed in the second region Y is a diluted alloy obtained by diluting a long-lived neutron absorber such as hafnium with a diluent of zirconium, for example. . One example of the diluted alloy 51 is natural zirconium.
Natural zirconium has about 2.5-3.0 wt% hafnium. A neutron absorbing material 52 such as B 4 C, which is different from the long-life neutron absorbing material, is filled in a lateral hole serving as a housing hole formed in the diluted alloy 51.

また、原子炉用制御棒10Bのウィング15内に形成され
る中性子吸収材充填空間は第９図（Ａ）および（Ｂ）に
示すように必ずしも第１領域Ｘと第２領域Ｙとを必ずし
も区画する必要がなく、中性子吸収材充填空間の挿入先
端から挿入末端にかけてほぼ全長にわたり、ほぼ同じ長
寿命型中性子吸収材希釈合金を収容させてもよい。この
場合、全長にわたって希釈合金を一体成形してもあるい
は数分割してもよく、また、希釈合金は中性子吸収材充
填空間の上端部および下端部の少なくとも一方を除いて
収容してもよい。希釈合金の収容孔としての横孔内に第
９図（Ａ），（Ｂ）の中性子吸収材を充填させるととも
に、各横孔全てにB4C等からなる同じ中性子吸収材を充
填させてもよい。The neutron absorbing material filling space formed in the wing 15 of the control rod 10B for the reactor does not necessarily partition the first region X and the second region Y as shown in FIGS. 9 (A) and 9 (B). The neutron absorbing material dilution space may be filled with substantially the same long-life neutron absorbing material diluted alloy over almost the entire length from the insertion end to the insertion end of the neutron absorber filling space. In this case, the diluted alloy may be integrally molded or divided into several parts over the entire length, and the diluted alloy may be accommodated except for at least one of the upper end and the lower end of the neutron absorbing material filling space. The neutron absorbing material shown in FIGS. 9 (A) and 9 (B) is filled in the horizontal hole serving as the storage hole for the diluted alloy, and all the horizontal holes are filled with the same neutron absorbing material such as B 4 C. Good.

その際、中性子吸収材充填空間の全域にわたって充填
される長寿命型中性子吸収材希釈合金は、ハフニウム等
の長寿命型中性子吸収材をジルコニウムやチタン等の希
釈材で希釈させたものであり、例えばハフニウムがジル
コニウムとの合金である場合、約10wt％程度のハフニウ
ムを、チタンとの合金である場合、約30wt％のハフニウ
ムをそれぞれ含むものが一例として用いられる。At that time, the long-life neutron absorber diluted alloy filled over the entire area of the neutron absorber-filled space is obtained by diluting a long-life neutron absorber such as hafnium with a diluent such as zirconium or titanium. When hafnium is an alloy with zirconium, about 10% by weight of hafnium is used, and when it is an alloy with titanium, about 30% by weight of hafnium is used as an example.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上に延べたように本発明に係る原子炉用制御棒にお
いては、制御棒のウィングを挿入先端側の第１領域と、
この第１領域に隣接する挿入末端側の第２領域とに区画
し、上記第１領域はシース内に長寿命型中性子吸収材を
希釈材で希釈した長寿命型中性子吸収材希釈合金が収容
されるとともに第１領域内に高反応度領域を形成し、こ
の高反応度領域の長寿命型中性子吸収材に複数の孔を列
状に形成し、上記各孔内にハフニウム以外の中性子吸収
材を充填したから、原子炉停止中の未臨界度が浅くなる
領域の反応度を高めて、原子炉停止余裕を効果的に増大
させることができ、また、高反応度領域に長寿命型中性
子吸収材とハフニウム以外の中性子吸収材との少なくと
も２種類の中性子吸収材を用いて相補、協調的な中性子
吸収効果により核的寿命の長期化を図ることができ、原
子炉停止余裕が大きな高反応度長寿命型制御棒を提供で
きる。As described above, in the control rod for a nuclear reactor according to the present invention, the first region on the tip side where the wing of the control rod is inserted,
The first region is divided into a second region on the insertion end side adjacent to the first region, and the first region contains a long-life neutron absorber diluted alloy obtained by diluting a long-life neutron absorber with a diluent in a sheath. A high-reactivity region is formed in the first region, a plurality of holes are formed in a row in the long-life neutron absorber in the high-reactivity region, and a neutron absorber other than hafnium is placed in each of the holes. After filling, the reactivity in the region where the subcriticality becomes shallow during reactor shutdown can be increased, effectively increasing the reactor shutdown margin, and the long-life neutron absorber in the high reactivity region. Using neutron absorbers of at least two types, neutron absorbers other than hafnium and neutron absorbers, the nuclear life can be extended by the complementary and cooperative neutron absorption effect, and the reactor has a large reactor shutdown margin and a high reactivity length A life-type control rod can be provided.

さらに、第１領域には長寿命型中性子吸収材を比重の
小さな希釈材で希釈した長寿命型中性子吸収材希釈合金
を少なくとも限定的に配置して制御棒の軽量化と原子炉
停止時に未臨界度が浅くなる部分の大反応度化、長寿命
化とを図り、かつ高価な長寿命型中性子吸収材の全体の
使用量を軽減できるので、コストダウンが図れ、また、
軽量化により既存のプラントにバックフィットさせるこ
とができる。Furthermore, in the first region, a long-life neutron absorber diluted alloy obtained by diluting a long-life neutron absorber with a diluent having a small specific gravity is arranged at least in a limited manner to reduce the weight of the control rods and make the subcritical when the reactor is shut down. It is possible to reduce the cost by increasing the reactivity of the part where the degree of shallowness becomes shallow, prolonging the life, and reducing the total amount of expensive long-life neutron absorber used.
The lighter weight allows for a backfit to existing plants.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図は本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例を示す
もので、制御棒のウィングの断面図、第２図（Ａ）およ
び第２図（Ｂ）は原子炉用制御棒のウィング内に収容さ
れるハフニウム量、B4C量の軸方向分布をそれぞれ示す
図、第３図（Ａ）は第１図に示されたウィングの第１領
域の拡大して示す図、第３図（Ｂ）は第３図（Ａ）のII
I−III線に沿う断面図、第４図（Ａ），（Ｂ）および
（Ｃ）は第３図（Ａ）のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線
に沿う平断面図、第５図（Ａ）は従来の原子炉用制御棒
の未臨界度を示す図、第５図（Ｂ）は本発明の原子炉用
制御棒の中性子吸収特性を示す図、第５図（Ｃ）は未臨
界度を従来の原子炉用制御棒と本発明の原子炉用制御棒
とを比較して示す図、第６図（Ａ）はウィングの第１領
域に収容される長寿命型中性子吸収材希釈合金（Hf−Zr
希釈合金）の断面図、第６図（Ｂ）および（Ｃ）は上記
希釈合金に含有されるハフニウム濃度と中性子吸収率お
よび比重との関係を示す図、第７図（Ａ）および（Ｂ）
は本発明に係る原子炉用制御棒の第２実施例を示す断面
図、第８図（Ａ）〜（Ｇ）は上記制御棒のウィングの第
１領域に収容される長寿命型中性子吸収材希釈合金の各
変形例をそれぞれ示す図、第９図（Ａ）および（Ｂ）は
本発明に係る原子炉用制御棒の第３実施例を示す図、第
10図は従来の原子炉用制御棒を示す斜視図、第11図は従
来の原子炉用制御棒の平断面図である。 10,10A,10B……原子炉用制御棒、11……先端構造材、12
……末端構造材、13……タイロッド、14……金属製シー
ス、15……ウィング、20,24,25,40,50,51……長寿命型
中性子吸収材希釈合金、21,26……横孔（収容孔）、22,
32……長寿命型中性子吸収材、28,52……中性子吸収
材、30……長寿命型中性子吸収棒、40A〜40G……長寿命
型中性子吸収材希釈合金。FIG. 1 shows an embodiment of a control rod for a nuclear reactor according to the present invention, and FIG. 2 (A) and FIG. 2 (B) are sectional views of a wing of the control rod. FIG. 3 (A) is a view showing the axial distribution of the amount of hafnium and B 4 C contained in the wing, and FIG. 3 (A) is an enlarged view of the first region of the wing shown in FIG. Fig. (B) is II in Fig. 3 (A).
4 (A), 4 (B), and 4 (C) are cross-sectional views taken along lines AA, BB, and CC of FIG. 3 (A). FIG. 5 (A) is a diagram showing the subcriticality of a conventional control rod for a nuclear reactor, FIG. 5 (B) is a diagram showing the neutron absorption characteristics of the control rod for a nuclear reactor of the present invention, and FIG. FIG. 6C is a diagram showing the subcriticality of a conventional control rod for a nuclear reactor in comparison with the control rod of the present invention, and FIG. 6 (A) is a long-life type housed in the first area of the wing. Neutron absorber diluted alloy (Hf-Zr
FIGS. 6 (B) and (C) are cross-sectional views of the diluted alloy, showing the relationship between the concentration of hafnium contained in the diluted alloy and the neutron absorption and specific gravity, and FIGS. 7 (A) and (B).
FIG. 8 is a sectional view showing a second embodiment of the control rod for a nuclear reactor according to the present invention, and FIGS. 8A to 8G are long-life neutron absorbers accommodated in the first region of the wing of the control rod. FIGS. 9 (A) and 9 (B) are views showing a third embodiment of the control rod for a nuclear reactor according to the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing a conventional control rod for a nuclear reactor, and FIG. 11 is a plan sectional view of the conventional control rod for a nuclear reactor. 10,10A, 10B …… Reactor control rod, 11 …… Advanced structural material, 12
…… End structural material, 13 …… Tie rod, 14 …… Metal sheath, 15 …… Wing, 20,24,25,40,50,51 …… Long-life neutron absorber diluted alloy, 21,26 …… Side hole (accommodation hole), 22,
32 ... Long life neutron absorber, 28,52 ... Neutron absorber, 30 ... Long life neutron absorption rod, 40A-40G ... Long life neutron absorber dilution alloy.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 志賀 重範 東京都港区芝浦１丁目１番１号 株式会 社東芝本社事務所内 (72)発明者 元良 裕一 東京都港区芝浦１丁目１番１号 株式会 社東芝本社事務所内 (72)発明者 桜永 友信 東京都港区芝浦１丁目１番１号 株式会 社東芝本社事務所内 (56)参考文献 特開 平１−202691（ＪＰ，Ａ) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing from the front page (72) Inventor Shigenori Shiga 1-1-1, Shibaura, Minato-ku, Tokyo Inside the Toshiba head office (72) Inventor Yuichi Motora 1-1-1, Shibaura, Minato-ku, Tokyo No. In the Toshiba Corporation head office (72) Inventor Tomono Sakuranaga 1-1-1 Shibaura, Minato-ku, Tokyo In the Toshiba Corporation head office (56) References JP-A-1-2022691 (JP, A)

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】先端構造材と末端構造材とをタイロッドで
結合し、上記タイロッドに金属製シースを固着してウィ
ングを構成した原子炉用制御棒において、前記ウィング
内に形成される中性子吸収充填空間を、挿入先端側の第
１領域とこの第１領域に隣接する挿入末端側の第２領域
とに区画し、前記第１領域には長寿命型中性子吸収材ま
たは長寿命型中性子吸収材を希釈材にて希釈した長寿命
型中性子吸収材希釈合金を収容した高反応度領域を有
し、前記長寿命型中性子吸収材またはその希釈合金に複
数の孔を列状に穿設し、上記孔内に前記長寿命型中性子
吸収材以外の中性子吸収材を充填したことを特徴とする
原子炉用制御棒。1. A nuclear reactor control rod having a wing formed by joining a tip structural member and a terminal structural member with a tie rod, and fixing a metal sheath to the tie rod, wherein a neutron absorbing filling formed in the wing is provided. The space is divided into a first region on the insertion tip side and a second region on the insertion end side adjacent to the first region, and the first region is provided with a long-life neutron absorber or a long-life neutron absorber. A high-reactivity region containing a long-life neutron absorber diluted alloy diluted with a diluent is contained, and a plurality of holes are bored in a row in the long-life neutron absorber or its diluted alloy, A control rod for a nuclear reactor, wherein a neutron absorbing material other than the long-life neutron absorbing material is filled therein. 【請求項２】前記第１領域の挿入末端側に続く第２領域
には、ボロンカーバイド等の中性子吸収材を充填した金
属製の中性子吸収棒を配列した請求項１に記載の原子炉
用制御棒。2. The control for a nuclear reactor according to claim 1, wherein a metal neutron absorbing rod filled with a neutron absorbing material such as boron carbide is arranged in a second region following the insertion end side of the first region. rod. 【請求項３】第１領域として形成される高反応度領域は
中性子吸収材充填空間の軸方向長さの少なくともほぼ1/
4の長さの空間であり、この高反応度領域は挿入先端側
の高反応度長寿命部と挿入末端側の高反応度部に区画さ
れ、第１領域に収容される前記長寿命型中性子吸収材ま
たは長寿命型中性子吸収材希釈合金は挿入先端側から挿
入末端側に向って含有長寿命型中性子吸収材の濃度が減
少する方法に変化させた請求項１または２に記載の原子
炉用制御棒。3. The high-reactivity region formed as the first region is at least approximately 1/1 of the axial length of the neutron absorbing material filling space.
This high-reactivity region is divided into a high-reactivity long-life portion on the insertion tip side and a high-reactivity portion on the insertion end side, and the long-life neutrons accommodated in the first region are provided. 3. The reactor according to claim 1, wherein the absorber or the long-life type neutron absorber diluted alloy is changed to a method in which the concentration of the contained long-life type neutron absorber decreases from the insertion end side toward the insertion end side. Control rod. 【請求項４】前記長寿命型中性子吸収材としてハフニウ
ム金属を、希釈材はジルコニウムまたはチタンを主成分
とする物質である請求項１ないし３のいずれかに記載の
原子炉用制御棒。4. The control rod for a nuclear reactor according to claim 1, wherein hafnium metal is used as the long-lived neutron absorber, and diluent is a substance containing zirconium or titanium as a main component. 【請求項５】前記長寿命型中性子吸収材またはその希釈
合金に複数の孔を列状に穿設し、上記孔内にボロンカー
バイドを充填した請求項１ないし４のいずれかに記載の
原子炉用制御棒。5. The nuclear reactor according to claim 1, wherein a plurality of holes are formed in a row in said long-life neutron absorbing material or its diluted alloy, and said holes are filled with boron carbide. Control rod. 【請求項６】金属製シース内の中性子吸収材充填空間に
は挿入先端側から挿入末端に向って上記充填空間軸方向
全長の少なくとも1/4以上の長さを第１領域として形成
し、この第１領域内に長寿命型中性子吸収材または長寿
命型中性子吸収材希釈合金を収容し、上記長寿命型中性
子吸収材またはその希釈合金にはウィング幅方向に延び
る横孔を列状に形成するとともに挿入先端側から挿入末
端側の順に前記横孔に充填する中性子吸収材によってガ
スプレナム部、長寿命型中性子吸収材充填部、高反応度
長寿命部、高反応部をそれぞれ形成し、前記長寿命型中
性子吸収材充填部の横孔にはハフニウム金属、銀−イン
ジウム−カドミウム合金、または酸化ユーロピウム、酸
化ディスプロシウム等の希土類酸化物を中性子吸収材と
して充填し、高反応度長寿命部および高反応部の横孔に
は天然ボロンまたはボロン−10を濃縮した濃縮ボロンよ
りなるボロンカーバイド、窒化ボロン等のボロン化合
物、あるいは酸化ユーロピウム、酸化ディスプロシウ
ム、酸化ガドリウム、酸化サマリウム等の希土類酸化
物、または希土類酸化合物と酸化ハフニウムとの混合
物、あるいはボロンと希土類元素との化合物を主要中性
子吸収物質とする粉末状あるいはペレット状物質を充填
した請求項１ないし５のいずれかに記載の原子炉用制御
棒。6. A neutron absorbing material filling space in a metal sheath is formed as a first region having a length of at least 1/4 or more of the entire length in the axial direction of the filling space from the insertion tip side to the insertion end. A long-life neutron absorber or a long-life neutron absorber diluted alloy is accommodated in the first region, and the long-life neutron absorber or the diluted alloy is formed with rows of lateral holes extending in the wing width direction. A gas plenum portion, a long-life neutron absorbing material-filled portion, a high-reactivity long-life portion, and a high-reaction portion are respectively formed by a neutron absorbing material filling the lateral hole in order from the insertion tip side to the insertion end side, and the long-life portion is formed. The neutron absorbing material filling part is filled with hafnium metal, silver-indium-cadmium alloy, or rare-earth oxides such as europium oxide and dysprosium oxide as neutron absorbing material in the horizontal hole of the neutron absorbing material filling part. Boron compounds such as boron carbide and boron nitride formed of concentrated boron obtained by concentrating natural boron or boron-10, or boron compounds such as boron nitride, or europium oxide, dysprosium oxide, gadolinium oxide, samarium oxide, etc. 6. A powder or pellet-like material containing a rare earth oxide, a mixture of a rare earth acid compound and hafnium oxide, or a compound of boron and a rare earth element as a main neutron absorbing material. Reactor control rod. 【請求項７】前記第１領域の高反応部の横孔を形成する
際、一部または全ての横孔の形状は前記長寿命型中性子
吸収材充填部の横孔の形状よりも長孔形状または孔径を
大きくした請求孔６に記載の原子炉用制御棒。7. When forming a horizontal hole in the high reaction portion of the first region, the shape of a part or all of the horizontal hole is longer than that of the long life type neutron absorbing material filling portion. 7. The control rod for a nuclear reactor according to claim 6, wherein the hole diameter is increased. 【請求項８】前記第１領域の制御棒ウィング翼端側に、
前記横孔開口部を閉塞する形で長寿命型中性子吸収棒、
例えばハフニウム材を配設し、その上でウィング翼端側
を溶接密封した請求項６または７に記載の原子炉用制御
棒。8. A control rod wing tip side of the first region,
A long-life neutron absorbing rod in the form of closing the side hole opening,
8. The control rod for a nuclear reactor according to claim 6, wherein a hafnium material is provided, and the wing tip side is welded and sealed thereon. 【請求項９】先端構造材と末端構造材とをタイロッドで
結合し、上記タイロッドに金属製シースを固着してウィ
ングを構成した原子炉用制御棒において、前記ウィング
内に形成される中性子吸収材充填空間に、挿入先端側か
ら挿入末端側のほぼ全長にわたり長寿命型中性子吸収材
または長寿命型中性子吸収材希釈合金を収容し、上記長
寿命型中性子吸収材またはその希釈合金に形成される収
容孔にボロンカーバイド等の中性子吸収材が充填された
ことを特徴とする原子炉用制御棒。9. A neutron absorber formed in said wing in a control rod for a nuclear reactor, wherein a wing is formed by connecting a tip structural member and a terminal structural member with a tie rod, and a metal sheath is fixed to said tie rod. A long-life type neutron absorbing material or a long-life type neutron absorbing material-diluted alloy is accommodated in the filling space over substantially the entire length from the insertion tip side to the insertion end side, and the accommodation formed in the long-life type neutron absorbing material or the diluted alloy thereof A control rod for a nuclear reactor, wherein a hole is filled with a neutron absorbing material such as boron carbide. 【請求項１０】先端構造材と末端構造材とをタイロッド
で結合し、上記タイロッドに金属製シースを固着してウ
ィングを構成した原子炉用制御棒において、前記ウィン
グ内に形成される中性子吸収材充填空間に、挿入先端側
から挿入末端側のほぼ全長にわたり長寿命型中性子吸収
材または長寿命型中性子吸収材希釈合金を収容し、上記
長寿命型中性子吸収材またはその希釈合金に形成される
収容孔にボロンカーバイド等の中性子吸収材が充填さ
れ、さらに全長の内、挿入先端側から1/4以上の長さの
第１領域に請求項１、請求項３ないし８のいずれかに記
載の構成を備えたことを特徴とする原子炉用制御棒。10. A control rod for a nuclear reactor having a wing formed by connecting a tip structural member and a terminal structural member with a tie rod and fixing a metal sheath to the tie rod, wherein a neutron absorbing material is formed in the wing. A long-life type neutron absorbing material or a long-life type neutron absorbing material-diluted alloy is accommodated in the filling space over substantially the entire length from the insertion tip side to the insertion end side, and the accommodation formed in the long-life type neutron absorbing material or the diluted alloy thereof 9. The structure according to claim 1, wherein the hole is filled with a neutron absorbing material such as boron carbide, and a first region having a length of 1/4 or more from the insertion tip side of the entire length. A control rod for a nuclear reactor, comprising:
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