JP2783593B2 - 原子炉用制御棒 - Google Patents

原子炉用制御棒

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JP2783593B2 JP1122948A JP12294889A JP2783593B2 JP 2783593 B2 JP2783593 B2 JP 2783593B2 JP 1122948 A JP1122948 A JP 1122948A JP 12294889 A JP12294889 A JP 12294889A JP 2783593 B2 JP2783593 B2 JP 2783593B2
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は原子炉出力を調整制御する原子炉用制御棒に
係り、特に径方向に制御棒価値の勾配を設け、挿入時の
出力分布の平坦化を図った原子炉用制御棒に関する。
(従来の技術) 従来の沸騰水型原子炉用制御棒は中央タイロッドに細
長いU字状シースを固着して形成した複数個のウィング
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。充填されたB4Cは原子炉内において中性子を
吸収して中性子吸収能力が次第に失われる。
ところで、原子炉の炉心に挿入または抜出される制御
棒はその全領域に亘って一様な中性子照射を受けるもの
ではなく、例えばウィングの側縁領域または上端領域は
強度の中性子線を受ける。このため、制御棒のウィング
の側縁および上端領域に配設した中性子吸収棒は多量の
中性子を吸収し、他領域の中性子吸収棒より早期に核的
寿命を終える。したがって、他の領域に配設された中性
子吸収棒が充分核的寿命を残し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い不経済性
があった。
そのような問題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体を部分的に配置した原
子炉用制御棒が開発された。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、通常型制御
棒の2倍程度の寿命が確保された。
その後、原子炉の高燃焼度運転、長期連続運転への移
行が希求され、制御棒の長寿命化に対する要請も一段と
高まったことに応えて、特開昭和62−235595号公報に記
載されたように飛躍的に寿命を延伸できる長寿命タイプ
の原子炉用制御棒が開発された。
この原子炉用制御棒は中性子吸収材としてB4Cを使用
せず長寿命を有するハフニウム金属板等の金属中性子吸
収板をシース内に対向して配設した構造を有している。
(発明が解決しようとする課題) このハフニウム板トラップ型の原子炉用制御棒によれ
ば、従来のようにB4Cを充填した被覆管を必要とせず、
長寿命を有するハフニウム板を使用しているため、制御
棒自体の寿命は格段に延伸する。
ところが、ハフニウムは中性子吸収能力がB4Cと比較
してやや劣り、また比重が高い。そのため、従来の制御
棒と同等の中性子吸収機能を確保するためには厚みのあ
るハフニウム板を装着する必要がある。したがって、制
御棒の重量が大幅に増加し、荷重設計の変更を要するこ
ととなり、既設の制御棒駆動機構にそのまま採用できな
い課題があった。
その課題を解決するために、シース内に対向して配設
されるハフニウム製の中性子吸収板の間に減速材である
水を流通せしめる流路を形成して、減速材による中性子
減速効果を利用することが提案されている。すなわち、
流路に水を流通せしめると水の中性子減速効果によって
制御棒価値が向上する。したがって、相対的に中性子吸
収材としてのハフニウム板の厚さを低減することができ
る。
この結果により、中性子吸収板の間に形成される流路
の幅を最大限に確保する一方、ハフニウムで形成した中
性子吸収板の厚さを極限まで低減し、制御棒の総重量の
増加を可及的に制御したことにより従来の制御棒駆動機
構に採用することが可能となった。
ちなみに、この原子炉用制御棒の実物大模型(モック
アップ)を組み込んだ臨界実験装置を使用して、機能お
よび動作状況を確認した結果、制御棒のシース内に配設
した2枚のハフニウム製中性子吸収板の間に形成した減
速材の流路の幅が広いほど制御棒の反応度価値が上昇す
ることが実証された。すなわち、流路の幅を拡大する
程、ハフニウム板の板厚を低減することが可能となり、
制御棒の全重量を低減する方向で検討が進められてい
る。
しかしながら、従来公知のハフニウム板トラップ型原
子炉用制御棒は中性子吸収体の間の幅が制御棒のウィン
グの径方向について一定であり、制御棒価値も同方向に
ついて一様である。
この場合、制御棒の中心側ほど4枚のウィングによる
中性子吸収作用を大きく受けるため、制御棒を挿入した
際、制御棒中心の燃料棒ほど出力が低くなるように径方
向の出力の勾配が生じる。
制御棒が挿入されている間はこのように制御棒に近い
燃料棒ほど出力が低くなるが、この間この近辺の燃料棒
は燃焼度が進まないことと、スペクトルが硬くプルトニ
ウムが多く蓄積することから、制御棒を引抜いたときは
逆に制御棒に近い燃料棒ほど出力が高く、即ちピーキン
グが大きくなり、線出力密度や最小限界出力比が厳しく
なる課題がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、
ハフニウム板トラップ型制御棒を用い、中性子吸収体の
重量増加および寿命の短縮をもたらすことなく、制御棒
挿入時及び引抜時の出力分布の平坦化を実現する原子炉
用制御棒を提供することにある。
(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先端構造材と末端構造
材とを中央タイロッドによって結合し、前記中央タイロ
ッドの各突出部に略U字状断面を有するシースを固設し
てウィングを形成し、前記シースに減速材が流入出する
ための複数の通水孔を形成し、前記シース内に板状の長
寿命型中性子吸収体を収容した原子炉用制御棒におい
て、前記中性子吸収体は前記ウィングの肉厚方向に対向
して配設される2枚一対の平板状中性子吸収板からなる
中性子吸収要素と、前記2枚一対の中性子吸収板の間に
形成される前記減速材が前記通水孔を通して流通する流
路とからなり、前記流路の幅は前記2枚一対の中性子吸
収板により前記中央タイロッド側から前記シース内の中
心線上に沿い前記シースの先端部外側へ向けて次第に広
くなるように形成されることを特徴とする。
(作 用) 本発明に係る原子炉用制御棒はシース内に板状の長寿
命型中性子吸収板を配設しているため制御棒の核的寿命
が長い。
また、中性子吸収体はシース内の肉厚方向に対向して
配設され、その間に減速材の流路を形成しており、減速
材による中性子減速効果を前記流路の幅によって変化さ
せているため中性子吸収板の厚さを増減する必要がな
い。
したがって、中性子吸収体の重量増加および寿命の短
縮をもたらすことなく、制御棒径方向における反応度価
値の勾配を得ることができる。
(実施例) 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。
第1図は本発明に係る原子炉用制御棒を概略的に示す
全体斜視図であり、この原子炉用制御棒1はハンドル2
を備えた先端構造材3と末端構造材4とを横断面十字状
の中央タイロッド5で一体的に接合している。中央タイ
ロッド5の各突出部には深いU字状横断面を有するステ
ンレス鋼で形成したシース6が固設されてウィング7が
形成されている。
前記シース6内にはハフニウム(Hf)金属板等を代表
とする板状の長寿命型中性子吸収体8が収容されてい
る。シース6には減速材が流入出するための複数の通水
孔14が形成されている。なお、第1図中符号15は先端構
造材3に設けたローラ,16は落下速度リミッタ,17はソケ
ットである。
この中性子吸収体8は第2図に例示するようにウィン
グ7の肉厚方向に対向してシース6内に配設された2枚
一対の中性子吸収板8b,8bからなる中性子吸収要素8a
と、2枚一対の中性子吸収板8b,8bの間に形成される減
速材が流通する流路10とを有している。2枚一対の中性
子吸収板8,8bはそれぞれ1枚板からなる平坦化した
板状体である 流路10の幅は第2図および第4図に示すように中央タ
イロッド5側からシース6内の中心線上に沿いシース6
の先端部外側に向けて次第に広くなるように形成されて
いる。2枚一対の中性子吸収板8b,8bは中央部のスペー
サ9aと、この中央部のスペーサ9aの両側に設けられシー
ス6の内側に当接する側部スペーサ9bとからなるスペー
サ9によって係合支持されている。
側部スペーサ9bの形状の一例は第3図bに示されるよ
うに台形本体の片側斜面上に支持脚9cが突設され、この
支持脚9cが4図に例示されるように中性子吸収板8bに形
成された孔11に緩く挿入されており、シース6と接触す
る面9dは内壁に溶接等により固定される。
一方、中央部スペーサ9aの形状の一例は、第3図aに
示されるように台形本体の両側斜面上に支持脚9eが突設
され、この支持脚9eが第4図に例示されるように中性子
吸収板8bに形成された孔11に緩く挿入されており、支持
脚9eの表面は支持脚9cの表面と溶接等により固定され
る。
スペーサの形状は、第3図aおよびbに示したように
多角形状でもあるいは曲面形状でもよく、また支持脚9
c,9eとそれ以外の部分のどちらか一方が多角形状あるい
は曲面形状でもよい。
各段の中性子吸収要素8aの対向する中性子吸収板8bに
形成された孔11は支持脚9eおよび9cより大径に形成さ
れ、温度変化による伸縮を吸収できるようになってい
る。
この中央部スペーサ9aにより対向する中性子吸収板8b
がシース6内に支持されるとともに、中性子吸収板8b内
に減速材を案内する偏平な間隙10が形成され、この間隙
10が減速材流路として形成される。
減速材は前記シース6に複数設けられた通水孔14から
シース6内に供給される。前記スペーサ9aは軸方向全長
に亘って配置されているものではないので、シース6内
に流入した減速材はシース6内において先端側および中
央タイロッド5側の一対の中性子吸収板8b,8b間の開口
部18から一対の中性子吸収材間に流通する。
沸騰水型原子炉において、燃焼がある程度進んだ燃料
集合体の径方向の相対出力密度は、制御棒を挿入しない
場合には第5図aに、一方制御棒を挿入した場合には第
6図bに示したように代表的に表される。
なお、第5図bおよび第6図bはそれぞれ燃料集合体
12,12間に挿入された制御棒1のウィング7と燃料棒13
との配置関係を示している。
第5図aの曲線Aは制御棒を挿入しない状態において
径方向に略平坦な出力密度を有している状態を示してい
る。
一方、制御棒を挿入すると第6図aの曲線Bの通り、
ウィング7の中央タイロッド5に近い燃料棒ほど出力が
低くなるが、燃焼度が進まないこととスペクトルが硬く
プルトニウムが多く蓄積することから制御棒を引抜いた
場合には逆に出力が高く、即ちピーキングが大きくな
る。その結果、線出力密度および最小限界出力比が厳し
くなる。
本実施例によれば中性子吸収板8bはシース6の肉厚方
向に対向して配設され、その間に減速材の流路10を形成
している。その流路10の幅はウィング7の中央部から外
側に向かって次第に広くなるように形成されている。減
速材による中性子減速効果を利用することによって中性
子吸収板8bの厚さを増減することなく、ウィング7の中
央部から外側端部へ向かって高くなる制御棒価値の勾配
を作ることができる。
したがって、高価で重量の大きな中性子吸収体8の使
用量の増加および寿命の短縮をもたらすことなく、制御
棒挿入時及び引抜時の出力分布の平坦化を図り、制御棒
引抜時におけるピーキングを従来より低くおさえること
が可能となる。
[発明の効果] 本発明によれば、減速材による中性子減速効果を利用
することによってウィングの中央部から外側端部へ向か
って高くなる制御棒の反応度価値の勾配をつくることが
できる。
したがって、中性子吸収体の重量増加および寿命の短
縮をもたらすことなく、制御棒引抜時において、制御棒
に近い燃料棒のピーキングを従来より低くおさえること
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
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
斜視図、第2図は第1図におけるI−I矢視線に沿って
切断して示す横断面図、第3図aおよび第3図bは第2
図におけるスペーサをそれぞれ示す斜視図、第4図は第
2図におけるウィングを部分的に拡大して示す横断面
図、第5図aは燃焼がある程度進んだ燃料集合体に制御
棒を挿入しない状態において得られる径方向相対出力密
度を示す特性図、第5図bは第5図aに対応する燃料集
合体とウィングとの関係を示す配置図、第6図aは燃焼
がある程度進んだ燃料集合体に制御棒を挿入した状態に
おいて得られる径方向相対出力密度を示す特性図、第6
図bは第6図aに対応する燃料集合体とウィングとの関
係を示す特性図である。 1……原子炉用制御棒 2……ハンドル 3……先端構造材 4……末端構造材 5……中央タイロッド 6……シース 7……ウィング 8……長寿命型中性子吸収体 8a……中性子吸収要素 8b……中性子吸収板 9……スペーサ 9a……中央部スペーサ 9b……脚部スペーサ 9c……支持脚 9d……接触面 9e……支持脚 10……流路 11……孔 12……燃料集合体 13……燃料棒 14……通水孔 15……ローラ 16……落下速度リミッタ 17……ソケット 18……開口部

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】先端構造材と未端構造材とを中央タイロッ
    ドによって結合し、前記中央タイロッドの各突出部に略
    U字状断面を有するシースを固設してウィングを形成
    し、前記シースに減速材が流入出するための複数の通水
    孔を形成し、前記シース内に板状の長寿命型中性子吸収
    体を収容した原子炉用制御棒において、前記中性子吸収
    体は前記ウィングの肉厚方向に対向して配設される2枚
    一対の平板状中性子吸収板からなる中性子吸収要素と、
    前記2枚一対の中性子吸収板の間に形成される前記減速
    材が前記通水孔を通して流通する流路とからなり、前記
    流路の幅は前記2枚一対の中性子吸収板により前記中央
    タイロッド側から前記シース内の中心線上に沿い前記シ
    ースの先端部外側へ向けて次第に広くなるように形成さ
    れることを特徴とする原子炉用制御棒。
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