JP2818181B2 - Reactor core - Google Patents
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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） 本発明は長寿命型中性子吸収材を用いた制御棒を含む
２種類の制御棒を配した原子炉炉心に係り、特に、高燃
焼度型の沸騰水型原子炉に好適な原子炉炉心に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a reactor core provided with two types of control rods including a control rod using a long-life neutron absorbing material, and in particular, to a nuclear reactor core. The present invention relates to a reactor core suitable for a high burnup type boiling water reactor.
（従来の技術） 従来、沸騰水型原子炉の炉心は、特開昭61−111488号
公報に示されているように、制御棒の配置に関して２種
類のセル、すなわち制御セルと非制御セルとからなり、
制御セル中に配置される制御棒は、原子炉運転中炉心に
挿入され、出力調整・反応度制御用として使用される。
他方、非制御セル中に配置される制御棒は、原子炉運転
中は炉心より引き抜かれ、原子炉停止時に炉心に挿入さ
れる原子炉停止用の制御棒として使用される。(Prior Art) Conventionally, as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-111488, the core of a boiling water reactor has two types of cells regarding the arrangement of control rods: a control cell and a non-control cell. Consisting of
The control rod arranged in the control cell is inserted into the reactor core during operation of the reactor, and is used for power adjustment and reactivity control.
On the other hand, the control rod arranged in the non-control cell is pulled out of the core during the operation of the reactor, and is used as a control rod for stopping the reactor inserted into the core when the reactor is stopped.
しかし、従来制御セル中に配置される制御棒も非制御
セル中に配置される制御棒も、制御棒自体としては同一
仕様のものであり、中性子吸収材としてボロンカーバイ
ド（B4C）のみを用いた制御棒またはハフニウムのよう
な長寿命型中性子吸収材を制御棒の一部分のみに用いた
制御棒が使用されている。However, the control rods conventionally arranged in the control cell and the control rods arranged in the non-control cell are of the same specifications as the control rod itself, and only boron carbide (B 4 C) is used as a neutron absorbing material. The used control rod or a control rod using a long-life neutron absorbing material such as hafnium for only a part of the control rod is used.
上記制御棒の一部分にのみ長寿命型中性子吸収材を用
いた制御棒としては、例えば本発明者等による特開昭53
−74697号公報に示されているように、制御棒の中でも
中性子照射量の多い上端部あるいはブレードの翼端部の
み核的・機械的寿命の長い長寿命型中性子吸収材を配置
し、それ以外の部分にはボロンカーバイドよりなる通常
型中性子吸収材を配置したものが知られている。これ
は、具体的には制御棒の上端部および翼端部にハフニウ
ム（HF）あるいはユーロピウム（Eu）等の長寿命型中性
子吸収材を配置し、それ以外の部分にはステンレス鋼製
の細長い被覆管中にボロンカーバイド（B4C）粉末を充
填したポイズン管を配したものである。As a control rod using a long-life neutron absorbing material only in a part of the control rod, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
As shown in -74697, a long-life neutron absorber having a long nuclear / mechanical life is disposed only at the upper end of the neutron irradiation amount or the blade tip of the blade among the control rods. Is known in which a normal neutron absorbing material made of boron carbide is disposed. Specifically, a long-life neutron absorber such as hafnium (HF) or europium (Eu) is placed at the upper end and wing tip of the control rod, and a stainless steel strip is used for the other parts. A poison tube filled with boron carbide (B 4 C) powder is provided in the tube.
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、前記従来の炉心においては、制御セル
中に配置される制御棒も非制御セル中に配置される制御
棒も、制御棒としては同一仕様のものであるため、原子
炉運転中炉心に挿入状態とされて中性子照射を受ける制
御セル中の制御棒は寿命が短いという問題がある。(Problems to be Solved by the Invention) However, in the conventional core, the control rods disposed in the control cells and the control rods disposed in the non-control cells have the same specifications as the control rods. Therefore, there is a problem that the control rod in the control cell which is inserted into the core during the operation of the reactor and receives neutron irradiation has a short life.
一方、非制御セル中に配置される制御棒は通常運転中
には全引抜状態であるが、その制御棒の上端部は原子炉
炉心の下端部にあり、原子炉の寿命の間使用する場合、
かなりの中性子照射量を受けるので、制御棒の上端部の
寿命が短いという問題がある。On the other hand, the control rods placed in the non-control cells are in the fully pulled-out state during normal operation, but the upper end of the control rods is at the lower end of the reactor core and is used for the life of the reactor. ,
There is a problem that the life of the upper end of the control rod is short because it receives a considerable amount of neutron irradiation.
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、仕様の
異なる２種類の制御棒を用意して制御セルと非制御セル
に各々配置し、非制御セル中に配置される制御棒の上端
部の健全性を向上させる原子炉炉心を提供することを目
的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and prepares two types of control rods having different specifications and arranges them in a control cell and a non-control cell, respectively, and an upper end portion of the control rod arranged in the non-control cell. It is an object of the present invention to provide a nuclear reactor core having improved soundness.
（課題を解決するための手段） 本発明に係る原子炉炉心は、上述した課題を解決する
ために、請求項１に記載したように、原子炉運転中に炉
心内に挿入して炉心の反応度を制御する制御棒が配置さ
れる制御セルと、原子炉運転中は炉心から引抜かれ原子
炉停止時に炉心に挿入される制御棒が配置される非制御
セルとを備えた原子炉炉心において、前記制御セル中に
はハフニウムを主たる中性子吸収材とする長寿命型制御
棒を配置し、前記非制御セル中には先端構造材のうちの
挿入末端側から制御棒挿入末端方向に向って約3cm以上
であって約16cm以内の範囲で中性子吸収材を排除し、そ
の他の部分には、ハフニウムをジルコニウムおよびチタ
ニウムのいずれか一方を主成分とする金属で希釈したハ
フニウム希釈合金板に収納穴を形成し、この収納穴にボ
ロンカーバイドを充填した制御棒を配置したものであ
る。(Means for Solving the Problems) In order to solve the above-mentioned problems, a reactor core according to the present invention is configured such that the reactor core is inserted into the reactor core during reactor operation and reacts with the reactor core. In a reactor core comprising a control cell in which a control rod for controlling the degree is arranged, and a non-control cell in which a control rod is withdrawn from the core during operation of the reactor and inserted into the core when the reactor is stopped, A long-life control rod having hafnium as a main neutron absorber is disposed in the control cell, and about 3 cm from the insertion end side of the tip structural material toward the control rod insertion end in the non-control cell. Above and exclude the neutron absorbing material within the range of about 16 cm, and in the other part, a storage hole is formed in a hafnium diluted alloy plate where hafnium is diluted with a metal mainly containing either zirconium or titanium And this It is obtained by placing the control rods filled with boron carbide in the hole.
（作用） 上記の構成を有する本発明においては、制御セル中に
配置される制御棒には長寿命型中性子吸収材であるハフ
ニウムを主たる中性子吸収材として使用するので、運転
中に原子炉炉心に挿入され、多量の中性子照射を受けて
も従来型のボロンカーバイドを中性子吸収材とする制御
棒に比べて長期間使用することができる。(Operation) In the present invention having the above-described configuration, hafnium, which is a long-life neutron absorber, is used as the main neutron absorber for the control rods arranged in the control cell. Even if it is inserted and receives a large amount of neutron irradiation, it can be used for a long time as compared with a conventional control rod using boron carbide as a neutron absorbing material.
一方、非制御セル中に配置される制御棒は専ら原子炉
の停止用として使用され、通常の運転中には全引抜状態
で用いられるので、中性子照射を受ける可能性のあるの
はその制御棒上部、すなわち挿入先端部のみとなる。こ
の場合、挿入先端で先端構造材の挿入末端側から約３〜
16cmの範囲では熱中性子の照射が原子炉寿命期間を通じ
て蓄積されるため、この部位から中性子吸収材を排除し
たことにより大幅に長寿命化が図れる。On the other hand, the control rods placed in the non-control cells are used exclusively for shutting down the reactor, and are used in the fully extracted state during normal operation. Only the upper part, that is, the insertion tip. In this case, the insertion tip is about 3 to 3
In the range of 16 cm, thermal neutron irradiation accumulates throughout the life of the reactor, so removing the neutron absorbing material from this area can greatly increase the life.
また、非制御セル中に配置される制御棒は、挿入末端
側から約３〜16cmを除いた中性子吸収領域が、特に大反
応度とするのが望ましく、そのためにはハフニウム希釈
合金板の収納穴にボロンカーバイドを充填すればよい。Further, it is desirable that the neutron absorption region except for about 3 to 16 cm from the insertion end side of the control rod disposed in the non-control cell has a particularly large reactivity, and for that purpose, the storage hole of the hafnium diluted alloy plate is required. May be filled with boron carbide.
（実施例） 以下、本発明に係る原子炉炉心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 nuclear reactor core according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
第３図は本発明の一実施例による原子炉炉心を示し、
この原子炉炉心において、＋を付けて示したセル１は非
制御セルであり、 を付けて示したセル２は制御セルである。この制御セル
２には、運転中出力調整・反応度制御のために炉心に挿
入される制御棒が配置され、非制御セル１には、運転中
炉心から引抜かれ、原子炉停止時に炉心に挿入される制
御棒が配置される。沸騰水型原子炉（BWR）の800MW級の
炉心においては、燃料集合体数は例えば560体、制御棒
の数は137本と設計されている。本実施例では制御セル
２の数を例えば13としている。したがって、制御セル２
中に配置される制御棒に隣接する燃料集合体の数は全燃
料集合体数に対し9.3％となっている。FIG. 3 shows a reactor core according to one embodiment of the present invention,
In this reactor core, cell 1 indicated by + is an uncontrolled cell, Cell 2 indicated with a symbol is a control cell. In the control cell 2, control rods inserted into the core for power adjustment and reactivity control during operation are arranged. In the non-control cell 1, the control rods are withdrawn from the core during operation and inserted into the core when the reactor is stopped. Control rods are placed. In an 800 MW boiling water reactor (BWR) core, the number of fuel assemblies is designed to be 560, for example, and the number of control rods is designed to be 137. In the present embodiment, the number of control cells 2 is, for example, thirteen. Therefore, control cell 2
The number of fuel assemblies adjacent to the control rods disposed therein is 9.3% of the total number of fuel assemblies.
第１図は第３図の原子炉炉心の非制御セル中に配置さ
れる制御棒の例を示す。同図において、非制御セル１用
の制御棒10は、十字形のタイロッド11に深いＵ字状断面
を有するシース12が固着されて横断面十字状のウイング
13が形成される。上記シース12の挿入先端側には先端構
造材14が、挿入末端側にはスピードリミッタ15を取り付
けた末端構造材16がそれぞれ固着される。ウイング13を
構成するシース12の内部にはボロンカーバイド（B4C）
粉末を充填した中性子吸収棒17がウイング13の幅方向に
列状に並設される。FIG. 1 shows an example of control rods arranged in an uncontrolled cell of the reactor core of FIG. In FIG. 1, a control rod 10 for the non-control cell 1 has a cross-shaped tie rod 11 and a sheath 12 having a deep U-shaped cross-section fixed to a cross-shaped tie rod 11.
13 is formed. A distal end structural member 14 is fixed to the insertion distal end side of the sheath 12, and a distal end structural member 16 to which a speed limiter 15 is attached is fixed to the insertion distal end side. Inside the boron carbide of the sheath 12 constituting the wings 13 (B 4 C)
The neutron absorbing rods 17 filled with the powder are arranged in a row in the width direction of the wing 13.
また、挿入先端側に突出したハンドル18は原子炉の寿
命中高速中性子が照射され、材料によっては照射脆化を
起こすことも考えられる。このため、本実施例では先端
構造材14の挿入末端側に開口窓を形成して補助ハンドル
19としている。Further, the handle 18 protruding toward the insertion tip is irradiated with fast neutrons during the life of the reactor, and irradiation embrittlement may occur depending on the material. For this reason, in the present embodiment, an opening window is formed on the insertion end side of the tip structural member 14 to form an auxiliary handle.
19 is assumed.
そして、補助ハンドル19部分は原子炉停止時に制御棒
を全挿入した場合、反応度への影響が著しく小さく、ま
た原子炉を緊急停止する場合でもこの程度の開口窓では
何等停止時間の遅れへの影響は認められない程度のもの
である。また、補助ハンドル19の側面では、先端構造材
14の挿入末端側から挿入末端に向って約３〜16cmの範囲
内で中性子吸収棒17を延長せずに中性子吸収材を排除
し、この部分に孔の形成されたステンレス板、ステンレ
ス管等のスペーサ部材20を設けたり、あるいは水等を充
填してもよい。ここで、補助ハンドル19は必須なもので
はなく、不要の場合には当然取除き上記のように約３〜
16cmの範囲で中性子吸収材を排除するものとする。When the control rods are fully inserted when the reactor is stopped, the effect on the reactivity of the auxiliary handle 19 is extremely small, and even in the case of an emergency shutdown of the reactor, there is no delay in the shutdown time with such an opening window. The effect is not appreciable. On the side of the auxiliary handle 19, the tip structural material
The neutron absorbing material is removed without extending the neutron absorbing rod 17 within a range of about 3 to 16 cm from the insertion end side toward the insertion end of the neutron absorbing material. The spacer member 20 may be provided, or may be filled with water or the like. Here, the auxiliary handle 19 is not indispensable, and if it is unnecessary, it is naturally removed and about 3 to
Neutron absorbers shall be excluded within a range of 16 cm.
すなわち、第１図において、制御棒10は先端構造材14
の挿入末端側から挿入末端方向に向って約3cm以上であ
って約16cm以内の範囲に亘って中性子吸収材を排除し、
その他の部分となる中性子吸収棒17には主たる中性子吸
収材としてのボロンカーバイドの粉末あるいはペレット
が充填されている。That is, in FIG. 1, the control rod 10 is
Excluding the neutron absorber over a range of about 3 cm or more and about 16 cm or less from the insertion end side toward the insertion end direction,
The other part of the neutron absorbing rod 17 is filled with boron carbide powder or pellets as a main neutron absorbing material.
制御棒10の操作用ハンドル18の各側面にはガイドロー
ラ21が設けられ、このガイドローラ21によって炉心への
制御棒10の挿入・引抜きが円滑に行なわれるように案内
している。また、シース12には通水孔22が多数形成さ
れ、原子炉停止時制御棒10が炉心に挿入された際に、通
水孔22から中性子吸収棒17に水を導き、中性子吸収作用
によって生じる発熱を除去する。Guide rollers 21 are provided on each side of the operation handle 18 of the control rod 10, and guide the guide rod 21 so that the control rod 10 can be smoothly inserted and withdrawn from the core. In addition, a large number of water holes 22 are formed in the sheath 12, and when the control rod 10 at the time of reactor shutdown is inserted into the reactor core, water is guided from the water hole 22 to the neutron absorbing rod 17, and is generated by the neutron absorbing action. Eliminate fever.
第２図は原子炉炉心の制御セル２に用いられる長寿命
型制御棒を示す。この制御セル２用の制御棒30は、その
外形が第１図に示す制御棒10とほぼ同一であるが、ウイ
ング31を構成するシース32の内部には２枚の薄いハフニ
ウム板33を所定の間隙を有して対向させて挿入されてい
る。２枚のハフニウム板33間には、原子炉内では通水孔
34を通して水が入り、中性子減速材兼冷却材として作用
する。これにより、制御棒30の反応度価値が高められる
とともに、ハフニウムの中性子吸収作用によって生じる
発熱が除去される。また、制御棒30は制御棒10と同様に
十字形のタイロッド35に上記ウイング31の内側が固着さ
れ、その挿入先端側に先端構造材36、挿入末端側にスピ
ードリミッタ37を取り付けた末端構造材38が固着されて
構成している。そして、ハフニウム板33は先端構造材36
の挿入末端部まで配置されている。さらに、制御棒30の
挿入先端側にはハンドル39が突出形成されているもの
の、制御棒30は第１図に示す制御棒10と比べて補助ハン
ドルの重要性が低いので、補助ハンドルが設けられてい
ない。FIG. 2 shows a long-life control rod used in the control cell 2 of the reactor core. The control rod 30 for the control cell 2 has substantially the same outer shape as the control rod 10 shown in FIG. 1, but has two thin hafnium plates 33 inside a sheath 32 forming a wing 31. They are inserted facing each other with a gap. Between the two hafnium plates 33, water holes are provided in the reactor.
Water enters through 34 and acts as a neutron moderator and coolant. Thereby, the reactivity value of the control rod 30 is increased, and the heat generated by the neutron absorption of hafnium is removed. The control rod 30 is similar to the control rod 10 in that the inside of the wing 31 is fixed to a cross-shaped tie rod 35, and a distal structural member 36 is attached to the insertion distal end side, and a speed limiter 37 is attached to the insertion distal end side. 38 is fixed. And the hafnium plate 33 is the tip structural material 36
Are placed up to the insertion end. Further, although a handle 39 protrudes from the insertion end side of the control rod 30, an auxiliary handle is provided since the control rod 30 is less important than the control rod 10 shown in FIG. Not.
制御セル２用制御棒30では、原子炉炉心の中性子束分
布、つまり中性子照射量分布は、第４図（Ｃ）に示すよ
うになる。制御棒30は中性子吸収材としてハフニウムを
用いるので、中性子吸収材の中性子吸収（その分布形は
熱中性子束分布と高速中性子束分布の中間的な分布とな
る。）に伴う制御棒全体の健全性への影響は問題ない。
ところで、第２図に示すように補助ハンドルを除いた制
御棒30の構成については本発明者等によって発明された
ものと同一となり、既に特開昭62−235595号公報、日本
原子力学会昭和62年秋の大会予稿集D46（ページ232）、
Trans−actions of American Nuclear Society.Vol.55.
P.616（1987年）等で開示されている。In the control rod 30 for the control cell 2, the neutron flux distribution of the reactor core, that is, the neutron dose distribution is as shown in FIG. 4 (C). Since the control rod 30 uses hafnium as the neutron absorbing material, the soundness of the entire control rod due to the neutron absorption of the neutron absorbing material (the distribution form is an intermediate distribution between the thermal neutron flux distribution and the fast neutron flux distribution.) There is no problem with the impact.
By the way, as shown in FIG. 2, the structure of the control rod 30 excluding the auxiliary handle is the same as that invented by the present inventors, and has already been disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-235595, and the Atomic Energy Society of Japan, Autumn 1987. Conference proceedings D46 (page 232),
Trans-actions of American Nuclear Society.Vol.55.
P.616 (1987) and the like.
次に、本実施例の作用を説明する。 Next, the operation of the present embodiment will be described.
制御セル２中に配置される制御棒30には、長寿命型中
性子吸収材であるハフニウムを主たる中性子吸収材とし
て使用するので、原子炉運転中に炉心に挿入され、多量
の中性子照射を受けてもボロンカーバイドを中性子吸収
材とする制御棒に比べて長期間使用することができる。Since the control rod 30 disposed in the control cell 2 uses hafnium, which is a long-life neutron absorber, as a main neutron absorber, it is inserted into the reactor core during operation of the reactor and receives a large amount of neutron irradiation. Can also be used for a longer period of time as compared to a control rod using boron carbide as a neutron absorbing material.
一方、非制御セル１中に配置される制御棒10は専ら原
子炉の停止用として使用され、通常の運転中には全引抜
状態で用いられるので、中性子照射を受ける可能性のあ
るのは制御棒10の上部、すなわち挿入先端部のみとな
る。この場合、挿入先端で先端構造材13の挿入末端側か
ら約３〜16cmの範囲では熱中性子の照射が原子炉寿命期
間を通じて蓄積されるので、この部位にボロンカーバイ
ドを配置したとすると、比較的短期間に寿命に達してい
まい、制御棒10全体を廃棄処分しなければならなくなる
が、本実施例ではこの部位から中性子吸収材を排除した
ので、そのような問題はなく、大幅に長寿命化が図れ
る。On the other hand, the control rod 10 arranged in the non-control cell 1 is used exclusively for shutting down the reactor, and is used in a fully pulled state during normal operation. Only the upper part of the rod 10, that is, the insertion tip part. In this case, since irradiation of thermal neutrons accumulates throughout the life of the reactor in a range of about 3 to 16 cm from the insertion end side of the tip structural member 13 at the insertion end, if boron carbide is arranged at this position, it is relatively difficult. Although the service life of the control rod 10 has to be disposed of in a short period of time, the entire control rod 10 must be disposed of.However, in this embodiment, the neutron absorbing material is eliminated from this portion, so there is no such problem, and the service life is greatly extended. Can be achieved.
このように、挿入先端部に約３〜16cmに亘って中性子
吸収材を有しない制御棒10を全挿入して運転を停止させ
る場合、制御棒10の反応度価値は相対的に減少する方向
にあるものの、全挿入時この部分は炉心頂部に位置し、
原子炉停止のための寄与が著しく低い。したがって、上
記のように中性子吸収材を挿入先端部から約３〜16cmの
範囲で取除いても、実効的な制御棒価値の減少は充分無
視できる。この場合、16cmを超えると、急に無視できな
くなるので、制御棒10の燃焼管理基準単位15〜16cmより
長い幅に亘って中性子吸収材を取除くのは好ましくな
い。As described above, when the control rod 10 having no neutron absorbing material is completely inserted into the insertion tip for about 3 to 16 cm and the operation is stopped, the reactivity value of the control rod 10 tends to decrease relatively. However, at the time of full insertion, this part is located at the top of the core,
The contribution for reactor shutdown is extremely low. Therefore, even if the neutron absorbing material is removed within a range of about 3 to 16 cm from the insertion tip as described above, the decrease in the effective control rod value can be ignored sufficiently. In this case, if it exceeds 16 cm, it cannot be neglected suddenly. Therefore, it is not preferable to remove the neutron absorber over a width longer than the combustion management standard unit 15 to 16 cm of the control rod 10.
次に、第４図および第５図に基づいて本実施例の根拠
を説明する。第４図（Ａ）は現行の制御棒概念を示した
ものであり、第１図に示す制御棒10から補助ハンドルを
除き、かつ先端構造材の挿入末端側までボロンカーバイ
ドを直径4.8mmのステンレス鋼管に充填した中性子吸収
棒を配置したものである。このような制御棒を軽水臨界
実験装置（NAIG Critical Assembly）の炉心に、その中
性子吸収材の先端が炉心中央高さに位置するように挿入
して、第４図（Ａ）に示す位置で中性子束分布を測定し
た。その結果を第４図（Ｃ）に示す。熱中性子束は実際
には中性子吸収断面積が1/V（Ｖは中性子の速度）の特
性を有する銅箔の放射化率分布であり、ボロンカーバイ
ド（B4C）中の10Bの中性子吸収面積とほぼ比例関係にあ
るものである。Next, the basis of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 (A) shows the current concept of the control rod, in which the auxiliary handle is removed from the control rod 10 shown in FIG. 1, and boron carbide is 4.8 mm in diameter to the insertion end side of the tip structural material. A neutron absorbing rod filled in a steel pipe is arranged. Such a control rod is inserted into the core of the NAIG Critical Assembly (NAIG Critical Assembly) so that the tip of the neutron absorbing material is located at the center height of the core, and the neutron is positioned at the position shown in FIG. 4 (A). The flux distribution was measured. The result is shown in FIG. 4 (C). Thermal neutron flux is actually the activation distribution of copper foil with the characteristic that the neutron absorption cross section is 1 / V (V is the velocity of neutrons), and 10 B neutron absorption in boron carbide (B 4 C) It is almost proportional to the area.
したがって、同図の中性子束分布はB4Cが存在する範
囲においてB4Cの中性子吸収率分布にほぼ比例すると言
える。この曲から明らかなように、中性子吸収材の先端
から約3cmまでの範囲は著しく中性子吸収率が高く、そ
れ以後の挿入末端側では比例的緩やかに変化していくこ
とがわかる。その結果、吸収材の中性子吸収の観点から
は、少なくとも挿入先端側の約3cmの領域は寿命の比較
的短いボロンカーバイドを配置するのは好ましくないこ
とがわかる。Therefore, it can be said that the neutron flux distribution in the figure is almost proportional to the neutron absorption rate distribution of B 4 C in the range where B 4 C exists. As is clear from this tune, the range from the tip of the neutron absorbing material to about 3 cm has a remarkably high neutron absorption rate, and thereafter changes gradually and gradually at the insertion end side. As a result, from the viewpoint of neutron absorption of the absorber, it is found that it is not preferable to arrange boron carbide having a relatively short life at least in a region of about 3 cm on the insertion tip side.
第４図（Ｃ）では、さらに高速中性子束分布を示して
いる。これは実際にニッケルの高速中性子に対するしき
い値反応58Ni（n,p）58Coで生成した58Coの放射能分布
（58Niの約1MeV以上の中性子に対する放射能化率分布）
である。一般に金属構造材の中性子照射に伴う照射損傷
は主として1MeV以上の高速中性子によって生じることが
判明しており、したがって、第４図（Ｃ）の高速中性子
束分布は、制御棒を常時炉心の中央付近まで挿入して照
射した場合の構造材の照射損傷の目安とすることができ
る。FIG. 4 (C) shows a fast neutron flux distribution. This is actually the distribution of the activity of 58 Co produced by 58 Ni (n, p) 58 Co for fast neutrons of nickel (radiation activation distribution of 58 Ni for neutrons of about 1 MeV or more).
It is. In general, it has been found that irradiation damage due to neutron irradiation of metal structural materials is mainly caused by fast neutrons of 1 MeV or more. Therefore, the fast neutron flux distribution shown in Fig. 4 (C) is based on the fact that the control rod is always placed near the center of the core. It can be used as a measure of irradiation damage to a structural material when the irradiation is performed by inserting up to the maximum.
第４図（Ｂ）は制御棒の先端近傍を中性子照射の観点
から示しており、突出したハンドル部分は先端構造材部
に比べて高速中性子束が約1.5倍高い。なお、この分布
形は制御棒を炉心中央部まで中途挿入した場合の臨界実
験結果であって、実際の制御棒にそのまま適用不可能で
あるが、制御セルの制御棒でほぼ第４図（Ｃ）に示すよ
うな中性子照射を受ける。但し、非制御セルの制御棒に
そのまま適用することはできない。ちなみに、これは全
引抜時は炉心下端近傍の中性子束が大きな傾きを備えた
分布形になっているためである。FIG. 4 (B) shows the vicinity of the tip of the control rod from the viewpoint of neutron irradiation. In the protruding handle portion, the fast neutron flux is about 1.5 times higher than that of the tip structural material. This distribution type is a critical experiment result when the control rod is inserted halfway to the center of the reactor core, and cannot be applied to an actual control rod as it is. ). However, it cannot be directly applied to the control rod of the non-control cell. Incidentally, this is because the neutron flux near the lower end of the core has a distribution shape with a large inclination at the time of full extraction.
ここで、制御セルに用いられる制御棒では突出したハ
ンドル部と先端構造材部との高速中性子束が1.5倍程度
であり、この程度の差ではハンドル部の照射損傷が問題
ないことが多いため、制御セル用制御棒では補助ハンド
ルの必要牲は非制御セル用制御棒の場合より低いと考え
られる。Here, in the control rod used for the control cell, the high-speed neutron flux between the protruding handle portion and the tip structural material portion is about 1.5 times, and there is often no problem with the irradiation damage of the handle portion at such a difference, The need for an auxiliary handle for control rods for control cells may be lower than for control rods for non-control cells.
第５図は制御棒を炉心下端へ全引抜きした状態におけ
る中性子束分布を第４図（Ｃ）に基づいて推定したもの
である。第５図（Ａ）は第４図（Ａ）と同様の制御棒を
示しており、ハンドル部の高速中性子照射量は先端構造
材部のそれの10倍より大幅に高くなっている。非制御セ
ルの制御棒はこのような状態で使用されるので、本実施
例のように突出したハンドル18を万一の中性子照射によ
る照射損傷を想定して補助ハンドル19を設けるのが無難
である。なお、第５図（Ｂ）に示すように、本実施例に
おける非制御セル１用の制御棒10では、先端構造材14の
下側（挿入末端側）に約16cm以内の範囲で中性子吸収材
を排除してスペーサ部材20としたので、炉心全挿入時の
制御棒反応度価値は低下する傾向があるものの、全挿入
時、この窓は炉心頂部近傍で炉心への反応度寄与が著し
く低い部分に位置するため、実質的な反応度価値の減少
率は完全に無視できる。FIG. 5 shows the neutron flux distribution estimated based on FIG. 4 (C) in a state where the control rod is fully drawn to the lower end of the core. FIG. 5 (A) shows a control rod similar to that of FIG. 4 (A), and the fast neutron irradiation dose of the handle portion is much higher than that of the tip structural material portion by 10 times. Since the control rod of the non-control cell is used in such a state, it is safe to provide the auxiliary handle 19 assuming that the projecting handle 18 in the present embodiment is supposed to be damaged by neutron irradiation as in the present embodiment. . As shown in FIG. 5 (B), in the control rod 10 for the non-control cell 1 in the present embodiment, the neutron absorbing material is located below the tip structural member 14 (insertion end side) within a range of about 16 cm or less. , The control rod reactivity value at the time of full insertion of the core tends to decrease, but at the time of full insertion, this window is located near the top of the core where the contribution of reactivity to the core is extremely low. , The reduction rate of the actual reactivity value is completely negligible.
第５図（Ｃ）においては、熱中性子束分布も高速中性
子束分布も第４図（Ｃ）に示す分布形に炉心下端近傍の
分布形を掛け合せた分布となる。燃料有効部下端部の設
計によっては若干熱中性子束の盛上り（膨らみ）を生じ
ることがある。中性子吸収材配置部では先端から約3cm
までの熱中性子束が高いのは第４図の場合とほぼ同様で
あるが、挿入末端側へ向っての減少量は第４図の場合よ
り大きい。したがって、少なくとも先端構造材の挿入末
端側から約3cmまでは、ボロンカーバイド（B4C）のよう
な比較的寿命の短い中性子吸収材は排除すべきである。
そして、シース内を中空にしたり、ステンレス鋼をチュ
ーブ状、棒状あるいは板状としたスペーサ20（シースや
先端構造材と同一物質が好ましい）をシース内に設けた
りする。中空にした場合には、原子炉水がその空間を占
有することになる。In FIG. 5 (C), both the thermal neutron flux distribution and the fast neutron flux distribution are distributions obtained by multiplying the distribution form shown in FIG. 4 (C) by the distribution form near the lower end of the core. Depending on the design of the lower end of the fuel effective portion, the thermal neutron flux may slightly rise (bulge). Approximately 3 cm from the tip in the neutron absorber placement area
The thermal neutron flux up to this point is almost the same as in FIG. 4, but the amount of decrease toward the insertion end is larger than in FIG. Therefore, neutron absorbers with relatively short life, such as boron carbide (B 4 C), should be eliminated at least up to about 3 cm from the insertion end of the tip structure.
Then, the inside of the sheath is made hollow, or a spacer 20 (preferably the same material as the sheath or the tip structure material) made of stainless steel in a tube shape, a rod shape, or a plate shape is provided in the sheath. If hollow, the reactor water will occupy the space.
ちなみに、非制御セルの制御棒10を炉心に全挿入して
原子炉を停止したとき、この部分の原子炉停止への反応
度寄与が低いためである。通常、この範囲は挿入先端側
から０〜10cm程度、長くて約16cm程度までである。それ
より長いと反応度への影響が急激に増大するので好まし
くない。Incidentally, when the control rods 10 of the non-control cells are fully inserted into the reactor core and the reactor is stopped, the contribution of this portion to the reactor shutdown is low. Usually, this range is about 0 to 10 cm from the insertion tip side, and is long up to about 16 cm. If the length is longer than that, the influence on the reactivity is rapidly increased, which is not preferable.
なお、非制御セルの制御棒は通常大きな反応度価値が
要求されるので、本発明者等によって発明されたハフニ
ウムをジルコニウムで希釈したハフニウム希釈合金板に
穴をあけ、この穴に中性子吸収材であるボロンカーバイ
ド（B4C）を充填したもの（特願昭63−28418号参照）を
使用してもよい。このように、ハフニウム希釈合金を用
いた場合にはハフニウムをボロンカーバイド（B4C）が
中性子吸収材として作用する。Since the control rod of the uncontrolled cell usually requires a large reactivity value, a hole is made in a hafnium-diluted alloy plate in which hafnium invented by the present inventors is diluted with zirconium, and a neutron absorbing material is formed in this hole. which was filled with some boron carbide (B 4 C) (see Japanese Patent Application No. Sho 63-28418) may be used. Thus, when a hafnium-diluted alloy is used, hafnium is used as boron carbide (B 4 C) as a neutron absorber.
すなわち、第６図は本発明に係る原子炉炉心における
非制御セルの制御棒の他の実施例を示しており、この実
施例の制御棒40はウイング41がハフニウムを、ジルコニ
ウムを主成分とする金属で希釈したハフニウム希釈合金
板に収納穴42を形成したものであって、この収納穴42に
ボロンカーバイドの粉末、あるいはペレットが充填され
ている。但し、制御棒40の挿入先端部の少なくとも２〜
３個の穴（第６図では４個の穴:4個の穴の幅は約3cm）
は中空とされている。中空の代りに長寿命型中性子吸収
材を挿入してもよいが効果は微小である。この制御棒40
ではボロンカーバイドとハフニウムが主たる中性子吸収
材となるが、一般にはボロンカーバイドの方が中性子吸
収率は大きくなる。また、制御棒40の挿入先端側には炉
心への挿入・引抜きを円滑に行なうためのガイドパッド
43が設けられている。That is, FIG. 6 shows another embodiment of the control rod of the non-control cell in the reactor core according to the present invention. In the control rod 40 of this embodiment, the wing 41 has hafnium as the main component and zirconium as the main component. A storage hole 42 is formed in a hafnium diluted alloy plate diluted with a metal, and the storage hole 42 is filled with boron carbide powder or pellets. However, at least two to two insertion tips of the control rod 40
3 holes (4 holes in Fig. 6: width of 4 holes is about 3cm)
Is hollow. A long-life neutron absorber may be inserted instead of the hollow, but the effect is small. This control rod 40
In this case, boron carbide and hafnium are the main neutron absorbers, but in general, boron carbide has a higher neutron absorption rate. A guide pad is provided on the tip end of the control rod 40 to smoothly insert and withdraw the control rod 40 into and out of the reactor core.
43 are provided.
ところで、第６図に示す制御棒40は挿入先端部の約３
〜16の範囲を除き、軸方向中性子吸収材充填長さの1/4
〜1/2程度で挿入先端側において特に大反応度とするた
めに、この範囲でジルコニウム（チタニウム等でもよ
い）を主成分とする金属でハフニウムを希釈したハフニ
ウム合金板に収納穴42を形成し、この収納穴42にボロン
カーバイドを充填したが、これに限らず上記範囲で濃縮
ボロンを用いたり、ハフニウム板に穴を形成しこの穴に
ボロンカーバイドを充填するなどして効果的に高反応度
化してもよい。By the way, the control rod 40 shown in FIG.
Except for the range of ~ 16, 1/4 of the axial neutron absorber filling length
A storage hole 42 is formed in a hafnium alloy plate obtained by diluting hafnium with a metal containing zirconium (titanium or the like) as a main component in this range in order to obtain a particularly high reactivity at the insertion tip side at about 1/2. This storage hole 42 was filled with boron carbide, but the present invention is not limited to this. For example, concentrated boron may be used in the above range, or a hole may be formed in a hafnium plate, and the hole may be filled with boron carbide to effectively achieve high reactivity. It may be.
なお、上記各実施例では本発明を沸騰水型原子炉炉心
に適用した例について説明したが、これに限定されるこ
となく、例えば加圧水型原子炉（PWR）、新型転換炉（A
TR）、高転換炉（HCR）、高温ガス炉（HTGR）、高速増
殖炉（FBR）等あらゆる原子炉炉心に応用することがで
きる。In each of the above embodiments, an example in which the present invention is applied to a boiling water reactor core has been described. However, the present invention is not limited thereto. For example, a pressurized water reactor (PWR), a new conversion reactor (A
TR), high conversion reactor (HCR), high temperature gas reactor (HTGR), fast breeder reactor (FBR), etc.
以上説明したように、本発明によれば、制御セル中に
配置され原子炉運転中炉心に挿入される制御棒は、主と
してハフニウムのような長寿命型中性子吸収材を使用す
る制御棒であるため、中性子照射に伴って中性子吸収材
の制御価値は徐々に減少していくものの、その核的寿命
は従来の制御棒に比べて大幅に長くなり、制御棒の取替
体数を大幅に減らすことができる。As described above, according to the present invention, since the control rods that are arranged in the control cell and inserted into the core during the operation of the reactor are control rods mainly using a long-life neutron absorbing material such as hafnium, Although the control value of the neutron absorber gradually decreases with neutron irradiation, its nuclear life is significantly longer than that of conventional control rods, and the number of replacement control rods is greatly reduced. Can be.
また、非制御セル中に配置され原子炉停止時に炉心に
挿入される制御棒は、先端構造材のうちの挿入末端側か
ら制御棒挿入末端方向に向って約３〜16cm以内の範囲で
中性子吸収材を排除し、その他の部分には、ハフニウム
をジルコニウムおよびチタニウムのいずれか一方を主成
分とする金属で希釈したハフニウム希釈合金板に収納穴
を形成し、この収納穴にボロンカーバイドを充填させた
制御棒を配置したので、制御棒の挿入先端側の中性子吸
収材排除部分を除き、大きな反応度価値を備えて反応度
寄与を大きくすることができ、また、中性子照射による
構造材料の劣化を大幅に抑制し得、ひいては原子炉の寿
命を通してその健全性が確保されるという効果を奏す
る。The control rod, which is placed in the uncontrolled cell and inserted into the core when the reactor is shut down, absorbs neutrons within a range of about 3 to 16 cm from the insertion end side of the tip structural material toward the control rod insertion end. The material was eliminated, and in the other parts, a storage hole was formed in a hafnium diluted alloy plate in which hafnium was diluted with a metal containing one of zirconium and titanium as a main component, and the storage hole was filled with boron carbide. Since the control rods are arranged, the reactivity contribution can be increased with a large reactivity value except for the neutron absorbing material removal part on the control rod insertion tip side, and the deterioration of structural materials due to neutron irradiation is greatly reduced. This has the effect of ensuring the integrity of the reactor throughout its life.
第１図は本発明の一実施例に係る原子炉炉心の制御セル
中に配置される制御棒を一部破断して示す斜視図、第２
図は同じく非制御セル中に配置される制御棒を一部破断
して示す斜視図、第３図は本発明の一実施例に係る原子
炉炉心の概略水平断面図、第４図（Ａ）は現行の制御棒
の概念を示す要部拡大図、第４図（Ｂ）は制御棒の先端
近傍を中性子照射の観点から示す要部拡大図、第４図
（Ｃ）は制御棒の軸方向位置と中性子束との関係を示す
グラフ、第５図（Ａ）は現行の制御棒の概念を示す要部
拡大図、第５図（Ｂ）は本実施例における非制御セル用
制御棒を示す要部拡大図、第５図（Ｃ）は全引抜時にお
ける制御棒位置と中性子束との関係を示すグラフ、第６
図は本発明に係る原子炉炉心における非制御セル用制御
棒の他の実施例を一部破断して示す斜視図である。 １……非制御セル、２……制御セル、10……非制御セル
用制御棒、12……シース、13……ウイング、14……先端
構造材、16……末端構造材、17……中性子吸収棒、18…
…ハンドル、21……ガイドローラ、30……制御セル用制
御棒、31……ウイング、33……ハフニウム板、36……先
端構造材、38……末端構造材、40制御棒、41……ウイン
グ、42……収納穴、43……ガイドパッド。FIG. 1 is a perspective view showing a control rod disposed in a control cell of a nuclear reactor core according to an embodiment of the present invention, partially cut away, and FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a control rod disposed in a non-control cell, partially cut away, FIG. 3 is a schematic horizontal sectional view of a reactor core according to one embodiment of the present invention, and FIG. Is an enlarged view of a main part showing the concept of the current control rod, FIG. 4 (B) is an enlarged view of the main part showing the vicinity of the tip of the control rod from the viewpoint of neutron irradiation, and FIG. 4 (C) is an axial direction of the control rod. A graph showing the relationship between the position and the neutron flux, FIG. 5 (A) is an enlarged view of a main part showing the concept of a current control rod, and FIG. 5 (B) shows a control rod for a non-control cell in this embodiment. FIG. 5C is a graph showing the relationship between the control rod position and the neutron flux at the time of full withdrawal, and FIG.
The figure is a perspective view, partially cut away, showing another embodiment of the control rod for the uncontrolled cell in the reactor core according to the present invention. 1 ... non-control cell, 2 ... control cell, 10 ... control rod for non-control cell, 12 ... sheath, 13 ... wing, 14 ... tip structural material, 16 ... terminal structural material, 17 ... Neutron absorbing rod, 18…
... handle, 21 ... guide roller, 30 ... control rod for control cell, 31 ... wing, 33 ... hafnium plate, 36 ... tip structural material, 38 ... end structural material, 40 control rod, 41 ... Wing, 42 ... storage hole, 43 ... guide pad.
Claims (1)
応度を制御する制御棒が配置される制御セルと、原子炉
運転中は炉心から引抜かれ原子炉停止時に炉心に挿入さ
れる制御棒が配置される非制御セルとを備えた原子炉炉
心において、前記制御セル中にはハフニウムを主たる中
性子吸収材とする長寿命型制御棒を配置し、前記非制御
セル中には先端構造材のうちの挿入末端側から制御棒挿
入末端方向に向って約3cm以上であって約16cm以内の範
囲で中性子吸収材を排除し、その他の部分には、ハフニ
ウムをジルコニウムおよびチタニウムのいずれか一方を
主成分とする金属で希釈したハフニウム希釈合金板に収
納穴を形成し、この収納穴にボロンカーバイドを充填し
た制御棒を配置したことを特徴とする原子炉炉心。1. A control cell in which a control rod inserted into the core during operation of the reactor to control the reactivity of the core is disposed, and is withdrawn from the core during operation of the reactor and inserted into the core when the reactor is stopped. And a non-control cell in which a control rod is disposed, wherein a long-life control rod having hafnium as a main neutron absorbing material is disposed in the control cell, and a tip in the non-control cell. Exclude the neutron absorbing material within a range of about 3 cm or more and about 16 cm or less from the insertion end side of the structural material toward the control rod insertion end, and remove hafnium from either zirconium or titanium. A reactor core characterized in that a storage hole is formed in a hafnium-diluted alloy plate diluted with a metal containing one as a main component, and a control rod filled with boron carbide is arranged in the storage hole.
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