JP3056803B2

JP3056803B2 - 原子炉用制御棒

Info

Publication number: JP3056803B2
Application number: JP3052549A
Authority: JP
Inventors: 宏司平岩; 琢也馬野; 精植田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 2000-06-26
Anticipated expiration: 2015-06-26
Also published as: JPH04289490A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉用制御棒に関す
る。

【０００３】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（Boiling Water Reacto
r ：以下ＢＷＲと称す）用制御棒を例に図２および図３
を参照しながら説明する。ＢＷＲに用いられている制御
棒は図２に示したように横断面が深いＵ字状の制御棒シ
ース103 を横断面が十字状の中央構造材106 に放射状に
張出し配列して固設してなるものである。

【０００４】すなわち、制御棒100 は中性子の吸収物質
（ポイズン：通常ボロンカーバイドＢ₄Ｃ）を充填した
ポイズンチューブ105 の10数本を平板状の制御棒シース
103の内部に並べ、中央構造材106 により十字断面に結
合し、その上部に先端構造材としてガイドローラー102
付のハンドル101 を取付け、下部に末端構造材として制
御棒駆動機構ソケット110 を取付けて形成したものであ
る。この制御棒100 は制御棒駆動機構ソケット110 の下
部に接続する制御棒駆動装置に接続して、図３に部分的
に示した炉心の燃料集合体120 間内部で上下動を行い、
炉心の反応度を制御している。ガイドローラー102 は制
御棒100 が炉心内の４体１組の燃料集合体の間に滑らか
に挿入できるために設けられており、燃料集合体120 に
接触すると回転して摩擦を低減する。また、ハンドル10
1 は制御棒交換等の場合に掴む部分である。切離しハン
ドル107 は炉心圧力容器の外部に設置されている制御棒
駆動機構との切離しを行うために使用される。速度リミ
ッター109 は万一の制御棒落下時一定以上の速度で引抜
けないように制限する装置である。制御棒シース103 に
はポイズンチューブ105 を冷却するために通水孔104 が
設けられている。なお、符号108 は下部スカートを示し
ている。

【０００５】図３は従来の炉心内における燃料集合体12
0 と制御棒100 の配置関係を横断面で示したものであ
る。燃料集合体120 は燃料棒121 を規則的に配置して、
さらに中央に燃料棒より直径の太いウォータロッド122
を配置し、チャンネルボックス123 内に格納して形成さ
れている。冷却材の水はチャンネルボックス123 の内部
を燃料棒121 を冷却するために流されており、チャンネ
ルボックス123 の外側は沸騰しない水が流されており、
この空間に制御棒100 が挿入されるように燃料集合体12
0 が４体１組となって炉心に配置されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、ＢＷＲの燃料集
合体には種々の提案がなされ、改良がなされようとして
いる。燃料集合体に含まれるウランの濃縮度を高めて取
出し、燃焼度を高め、使用期間を延長して燃料サイクル
コスト（Fuel Cycle Cost ：ＦＣＣ）を低減させるこ
と、また、ウラン燃料再処理の結果生じたいろいろな組
成のプルトニウム（Ｐｕ）を含んだ混合酸化物燃料（Ｍ
ＯＸ燃料）を利用する準備も進められている。さらに、
従来の燃料集合体のサイズを大型化し、設計の自由度を
広げ、燃料集合体の特性をそれぞれの目的に応じて最適
化する試みも行われている。このような観点から見てＢ
ＷＲの制御棒を改良する場合に与えられる課題は次のよ
うになる。

【０００７】(1)制御能力が高いこと。 (2)使用期間長期にわたって健全であり、制御能力の低
下率が少ないこと（長寿命）。 (3)取扱いが従来のものと同等か、あるいはより容易で
あること（例えば、重量の大幅な増加は好ましくな
い）。

【０００８】次に上記 (1)， (2)， (3)項についての課
題を説明する。１．ＢＷＲの燃料集合体の改良では、燃料集合体は従来
例のものよりもさらに高い反応度を有する可能性があ
る。これは例えば高燃焼度化に伴って、ウランの濃縮度
が高められた場合である。このような場合は原子炉を安
全に停止させたり、停止し続けるために従来の制御棒よ
りも制御能力の高い、より負の反応度の大きい制御棒が
必要である。

【０００９】２．制御棒の寿命には２つの意味があり、
１つは原子炉内の厳しい熱的，機械的（冷却水の流れに
よる振動，圧力差による応力等）環境のもとでの材料
的，機械的な健全性を保てる期間としての寿命（機械的
寿命）、もう一つは中性子吸収材の中性子吸収能力を保
てる寿命（核的寿命）がある。

【００１０】(1)項で述べたように、近年ＢＷＲの燃料
集合体の使用期間は延長される傾向にあり、同様に制御
棒の寿命も延長されなければならない。また、燃料集合
体との関係とは別に、長寿命の制御棒を提供することは
放射性廃棄物量を減らすという面からも重要である。

【００１１】３． (1)項および (2)項の内容を満たす制
御棒であっても、それが従来の制御棒と取扱いの上で大
幅に異なる場合は好ましくない。例えば重量が大幅に増
加した場合、制御棒駆動機構をさらに変更しなければな
らず好ましくない。逆に、改良された制御棒が現在使用
されている制御棒と取扱いの上で差がなければ、現在使
用されている制御棒と容易に置き換えることができ、大
きな利点となる。これをバックフィット可能と呼んでい
る。

【００１２】本発明は上記１から３にわたる課題を解決
するためになされたもので、大反応度，長寿命且つ重量
増加の少ない、つまりバックフィット可能な構造の原子
炉用制御棒を提供することにある。［発明の構成］

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は先端構造材と末
端構造材とを中央構造材によって結合し、この中央構造
材に放射状に張出された深いＵ字状断面を有する金属製
シースを固設し、このシース内に中性子吸収材を配置し
た原子炉用制御棒において、前記中性子吸収材は間隙保
持スペーサで保持された対向する一対のＨｆ板と、この
Ｈｆ板と前記シースとの間に配置された略円形の断面を
有する棒状中性子吸収体とで構成されたことを特徴とす
る。

【００１４】

【作用】本発明は原子炉用制御棒として、 (1)反応度が
大きく、 (2)長寿命であり、 (3)バックフィット可能な
制御棒を提供するために制御棒のシースの内部に存在す
る中性子吸収材としてＨｆを使用し、そのＨｆの形状と
しては板と細径棒、またはＨｆのワイヤを組合わせて制
御材として使用している。Ｈｆを使用する理由はＨｆに
は多くの同位体が存在し、中性子を吸収してガンマ線を
放出する（ｎ，γ）反応で次の同位体に変化し、中性子
を吸収する能力が継続し、制御棒の核的な長寿命化が図
れるからである。また、Ｈｆの板と板の間には原子炉内
の冷却材が流れ込むような構造にし、Ｈｆの冷却とフラ
ックストラップ効果によるＨｆの吸収能力を高める。

【００１５】ここで、フラックストラップ効果について
説明する。原子炉内の核物質（Ｕ，Ｐｕ）の核分裂によ
って放出される中性子は高速中性子であるが、軽水炉で
は冷却材であり、且つ減速材である軽水の水素原子核と
衝突を繰り返し、速度を低下していく。Ｈｆ等の中性子
吸収材では中性子の速度が低下したものの方が吸収しや
すくなるため、ＨｆとＨｆとの間に水（Ｈ₂Ｏ）が存在
すると、そこで中性子の速度が低下するので中性子吸収
能力が高まる。これがフラックストラップ効果である。

【００１６】現在、このフラックストラップ効果を利用
して設計されたＢＷＲ制御棒について少し説明する。制
御棒シースで形成したブレードの厚みは約８mmであり、
ステンレス鋼によって形成される制御棒シース材の厚み
は１mm程度で、吸収材であるＨｆの板の厚みは１〜２mm
程度である。フラックストラップ効果を生じさせる２枚
のＨｆ板間の水領域の幅は２〜４mm程度である。本願発
明者らの実験によれば、フラックストラップ効果は水の
幅が増えるに従って増し、少なくとも10mm程度までは水
の幅に対して直線的にＨｆの中性子吸収が増加する。

【００１７】通常、中性子の吸収能力を高めるためには
中性子吸収材の絶対量を増やせばよい。しかしながら、
Ｈｆは比重が13.1g/cm³と大きく、このような重い吸収
材の量を増やすことは、すなわち制御棒の重量を増やす
ことになり、バックフィット不可能になる恐れがある。
Ｈｆの板の間に水を取り入れ、あるいはＨｆの板とＨｆ
の細径棒、またはＨｆのワイヤの隙間に水を取り入れる
ことは中性子の吸収能力を増やすばかりでなく、Ｈｆの
量を減らし重量を軽くする点からも望ましい。また、制
御棒のコストを下げる意味からも有用である。

【００１８】

【実施例】本発明に係る原子炉用制御棒の第１から第３
の実施例を図１を参照しながら説明する。図１は本発明
に係る第１から第３の実施例を説明するためのもので、
原子炉用制御棒の要部のみを横断面図で示しており、制
御棒シースの最外部（先端部）とその制御棒シース内部
に組込まれる制御材の部分を拡大した部分図である。

【００１９】本発明が従来例と異なる部分は制御棒シー
スの内部構造にあり、従って図１ではその要部のみを示
し、他の部分は図２および図３と同様であるため省略し
てある。

【００２０】まず、第１の実施例を図１をもとに説明す
る。図中符号１は制御棒シースで、ステンレス鋼によっ
て深いＵ字状断面形に形成されている。２は横断面が十
字状の中央構造材で、連結構造材とかセンタポストと称
されるものである。この中央構造材２に制御棒シース１
が４枚放射状に張出されて十字状に固設されている。制
御棒シース１内には中性子吸収材が配置されている。こ
の中性子吸収材は略十字状の間隙保持用スペーサ３で保
持された対向する一対のＨｆ板４と、このＨｆ板４と制
御棒シース１との間に配置された略円形の断面を有する
棒状中性子吸収体６とからなっている。中性子吸収体６
はＨｆ製細ワイヤまたはＨｆ製細径管等である。Ｈｆ板
４は約１mmから数mmの厚さのもので、制御棒の厚みに従
って最適な値に設定されている。ステンレス鋼のスペー
サ３は２枚のＨｆ板４，４間の距離を一定に保ち、且つ
荷重を保持するために用いられる。このスペーサ３はス
テンレス鋼のシース１と溶接され固定されている。スペ
ーサ３はＨｆ板４を貫いた形で固定されており、Ｈｆ板
４を貫いている部分ではＨｆ板４とステンレス鋼製スペ
ーサ３には隙間５を設け、Ｈｆ板４とステンレス鋼の熱
膨張の差によって生じる不具合を未然に防いでいる。第
１の通水孔７は制御棒シース１のところどころに設けら
れており、この第１の通水孔７で、Ｈｆ板４やＨｆの細
径棒、Ｈｆのワイヤ等を冷却するための水が流入する。
また、第２の通水孔８はＨｆ板４も貫通しており、制御
棒シース１内の水領域９に十分な量の水が入り制御棒シ
ース１内部を十分に冷却することと、Ｈｆ板４の間でフ
ラックストラップ効果を高めることに寄与している。

【００２１】このように構成した制御棒は現在ＢＷＲで
使用されている制御棒に適用することが可能である。ま
た、新しく提案されている大型化して幅が拡大した燃料
集合体に対応する厚型制御棒に対して非常に有効であ
る。この厚型制御棒の厚みは20mm程度であり、従来のも
のの約２倍である。フラックストラップ効果で説明した
ようにこの程度の幅であれば、制御材であるＨｆ板の間
の水領域の幅を増やせば、中性子吸収能力が増すが、そ
れでも設計で要求される反応度を満たさない場合は、Ｈ
ｆの量を増やさなければならない。そのような場合、本
発明の制御棒は幾つかの利点を有している。

【００２２】この制御棒において制御材として用いられ
ているＨｆは多くの同位体が存在する。そして、中性子
を吸収しても（ｎ，γ）反応によって他の同位体に変化
し、さらに中性子を吸収するので、核的に寿命の長い制
御棒を得ることができる。また、Ｈｆ板の間の水によっ
てフラックストラップ効果が高まり反応度の大きな制御
棒を得ることができる。

【００２３】上記第１の実施例における効果について説
明する。第１にＨｆ板４とステンレス鋼製制御棒シース
１の間にワイヤ状のＨｆ細径棒６あるいは小径管状のＨ
ｆ細径棒６を使用することによって、Ｈｆ板とステンレ
ス鋼製制御棒シース１の間に水が入り込む隙間が生じ、
Ｈｆ板４の冷却が効果的に行われる。また、Ｈｆ板４に
とってはフラックストラップ効果をもたらすので制御棒
の反応度が増す。さらに、Ｈｆ板４とステンレス鋼は直
接接しておらず、Ｈｆ細径棒６とステンレス鋼の接触面
積は小さいので、Ｈｆとステンレス鋼との２種類の金属
の間で生じる腐食等を軽減できる。また、Ｈｆ細径棒６
を用いることでＨｆの絶対量を減らすことになり、制御
棒の重量を軽くすることが可能で、バックフィット可能
な制御棒を提供できる。このように本実施例に係る制御
棒には幾つかの効果がある。そして、制御棒の厚みが従
来の制御棒よりも厚いタイプの制御棒に使用すれば本実
施例は非常に有効である。

【００２４】次に第２の実施例を図１をもとに説明す
る。図１においてＨｆ製細径棒６が、 (a)Ｈｆ製中空管 (b)Ｈｆの管内にＢ₄Ｃを充填したもの (c)ステンレス管内にＢ₄Ｃを充填したもの (d)Ｈｆの中実の細径管と (a)， (b)， (c)の、４種類
のものを適切に組合わせたもののいずれかの場合、第１の実施例と同様な効果を得るこ
とができる。例えば、Ｈｆ製細径棒の代りに同径の (b)
の管を用いれば、Ｈｆの中実管を用いるよりもさらに重
量を軽くし、また、Ｂ₄ＣによってＨｆの中実管よりさ
らに中性子吸収能力が高まるので、より一層反応度の大
きい制御棒を製作することが可能である。また、 (c)の
管を用いた場合、 (c)の管はＨｆの中実管よりも低価格
であるので、全体としてより低価格の制御棒を製作でき
る。

【００２５】さらに、Ｂ₄Ｃとして¹⁰Ｂの比率を高めた
濃縮Ｂ₄Ｃを用いれば、中性子吸収能力が増し、制御棒
反応度価値をさらに高めることも可能である。また、Ｈ
ｆ製細径棒６を用いた場合、Ｈｆ板４と制御棒シース１
の間に直線状に並べて挟むばかりでなく、波状の形にし
て数を減らしワイヤ相互間に間隙を設けて挟めば、Ｈｆ
ワイヤの量を減らしつつ十分な強度を保証でき、また、
本実施例の効果を得ることができる。このことは、Ｈｆ
細径棒６はＨｆワイヤに限ることはなく、例えばＨｆの
中空管で行ってもよく、またその形状は波状である必要
はなく、制御棒シースとＨｆ板が安定する構造で、且つ
制御棒下部から流れ込む水が滑らかに流れていく形状で
あれば任意に選択できる。

【００２６】次に第３の実施例を図１を用いて説明す
る。第３の実施例としては制御棒シース１をＨｆ金属、
Ｈｆ−Ｚｒ合金またはＨｆ−Ｔｉ合金と置き換えたこと
にある。この第３の実施例によれば第１の実施例と同様
な効果を得ることができる。

【００２７】制御棒シースをＨｆまたはＨｆ−Ｚｒ等の
Ｈｆ合金で置き換えた場合、中性子吸収材の量が増える
ので制御棒の反応度価値は大きくなり、また核的寿命を
延ばすことが可能である。ただし、Ｈｆ金属は比重が1
3.1g/cm³と大きいので、比重の小さいＺｒやＴｉ等と
の合金として比重を小さくするなど適切に用いる必要は
ある。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、長寿命であり反応度が
大きく重量の増加を防ぎ、バックフィット可能な制御棒
を提供することができる。従って、ＢＷＲの制御棒の改
良型として適用することが可能であり、さらに将来の厚
型制御棒としてさらに有望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る原子炉用制御棒の第１から第３の
実施例の要部を示す横断面図。

【図２】ＢＷＲ用制御棒を一部切欠して示す斜視図。

【図３】燃料集合体と制御棒の位置関係を示す横断面
図。

【符号の説明】

１…制御棒シース、２…中央構造材、３…スペーサ、４
…Ｈｆ板、５…Ｈｆ板とスペーサの隙間、６…Ｈｆ細径
棒、７…第１の通水孔、８…第２の通水孔、９…水領
域、 100…制御棒、 101…ハンドル、 102…ガイドロー
ラー、 103…制御棒シース、 104…通水孔、 105…ポイ
ズンチューブ、 106…中央構造材、 107…切り離しハン
ドル、 108…下部スカート、 109…速度リミッター、 1
10…制御棒駆動装置ソケット、 120…燃料集合体、 121
…燃料棒、 122…ウォータロッド、123…チャンネルボ
ックス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平３−6493（ＪＰ，Ａ) 特開平４−127086（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 7/113 G21C 7/103 G21C 7/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】先端構造材と末端構造材とを中央構造材
によって結合し、この中央構造材に放射状に張出された
深いＵ字状断面を有する金属製シースを固設し、このシ
ース内に中性子吸収材を配置した原子炉用制御棒におい
て、前記中性子吸収材は間隙保持スペーサで保持された
対向する一対のＨｆ板と、このＨｆ板と前記シースとの
間に配置された略円形の断面を有する棒状中性子吸収体
とで構成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。