JP3572163B2 - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉の制御に使用される制御棒に関し、特に加圧水型原子炉の炉内反応の制御に使用される制御棒の中性子吸収部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽水炉の一種である加圧水型原子炉は、現在広く発電用として使用されているが、多数の燃料集合体からなる炉心の反応制御には図４に示すような制御棒組立体１が使用される場合が多い。これを概説すると、中性子吸収材を被覆管内に有する細長い制御棒３が、多数スパイダ組立体５から吊り下げられている。スパイダ組立体５は、筒状の中心部材とそこから放射状に延出する複数のフィンガアームとから構成され、そのフィンガ部に制御棒３の上端が連結されている。そして、制御棒組立体１は図５に示すような状態で使用される。即ち、複数の燃料棒支持格子７は、所定の配置の格子開口に制御棒案内管９を挿通支持しており、その制御棒案内管９の中に、制御棒組立体１の制御棒３が個別に受け入れられる。そしてその挿入量の大きさに応じて、炉内核反応を制御する。尚、図において、燃料棒支持格子７は、制御棒案内管９が挿通されていない他の支持格子開口に燃料棒８を挿通支持していて、制御棒組立体１がある部分の制御棒案内管９と燃料棒８の図示が省略されている。
【０００３】
前述の制御棒３の構造が図６に示されている。薄肉のステンレス鋼等からなる被覆管１１の上端は、上端部に取り付け用ねじ部を有する上部端栓１３によって閉じられ、他方下端は砲弾型の下部端栓１５によって閉じられている。そして内部に、上部中性子吸収部材１７と下部中性子吸収部材１９が積重して収容され、プレナム内に装填された押さえばね１８により下方に押さえられている。図７は、その下部中性子吸収部材１９と被覆管１１との関係を拡大して示しているが、図から分かるように、下部中性子吸収部材１９の下部は、２段に直径が小さくなっていて、被覆管１１との隙間は被覆管１１と上部中性子吸収部材１７の隙間に比し大きくなっている。これは以下に述べる理由による。通常の出力運転において、制御棒組立体１は概して炉心の上方に引き上げられているが、制御棒３の下端部は炉心上部に出ていることが多い。このため、下部中性子吸収部材１９の下端部は、中性子を多く吸収してスウェリング（体積膨張）が大きくなるので、これを吸収して被覆管１１との干渉を防止する。尚、上部中性子吸収部材１７と下部中性子吸収部材１９の中性子吸収材料としては、Ａｇ−１５Ｉｎ−５Ｃｄ合金が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来の制御棒においても、直径を２段に小さくした下部中性子吸収部材を組み込んでいるのであるが、使用による中性子照射が進むと、下部中性子吸収部材の照射膨張が進み、最終的には被覆管と干渉し、亀裂を発生せしめる虞れがある。
従って、本発明は、使用時間を増大しても照射膨張が少なく、被覆管の亀裂損傷の発生を防止して制御棒の使用寿命が大幅に延長される原子炉用制御棒を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
如上の課題を解決するため、本発明によれば、被覆管内に積重される複数の中性子吸収部材を有する原子炉用制御棒において、中性子吸収部材は銀−インジウム−カドミウム合金から形成され、下段にある前記中性子吸収部材は上段にある前記中性子吸収部材より銀含有比が相対的に小さく、インジウム含有比が相対的に大きくなるように選定されている。前記中性子吸収部材は、好適には上部中性子吸収部材と下部中性子吸収部材の２種類から構成され、下部中性子吸収部材を構成する銀Ａｇ−インジウムＩｎ−カドミウムＣｄ合金の各成分元素の含有量の範囲が次のように選定される。
【０００６】
スウェリングの発生原因を検討すると、中性子吸収部材の含有銀は中性子照射を受けて原子径の大きいカドミウムに変わり、インジウムは原子径の小さい錫に変わり、カドミウムは元素変換をしない。従来の銀Ａｇ−インジウムＩｎ−カドミウムＣｄ合金 Ａｇ−１５Ｉｎ−５Ｃｄにおいては、銀の割合が多く全体として原子径増加となり、これが中性子吸収部材のスウェリング（体積膨張）を起こす。従ってスウェリングの量を減らすには全体として原子径の増加を小さくすればよいと判断される。以上の観点から各成分元素の含有量の範囲は次のようになる。
カドミウムＣｄ
この元素は中性子吸収能力が非常に大きいが、低融点金属であるので、高温状態で使用する制御棒ではその量はそれほど大きくはできない。このため上限を１０％とする。一方、その含有量を大幅に下げると中性子吸収能力の低下が著しくなり、実用に耐えなくなるので下限を５％とする。
以上を整理すると、５重量％≦Ｃｄ≦１０重量％ となり、これは取りも直さず、銀とインジウムの合計含有量が、９０重量％≦Ａｇ＋Ｉｎ≦９５重量％ の条件を満足させる必要があることを示している。
銀
銀Ａｇ−インジウムＩｎ−カドミウムＣｄ合金 Ａｇ−１５Ｉｎ−５Ｃｄでは、融点が約８００℃ですが、銀の量を５０％まで減らすと融点は約５００℃程度に低下し、通常運転時の中性子吸収部材温度約４００℃を考えるとこれが下限値となる。又、スウェリングを抑制して制御棒寿命を５０％向上させるには、７０％以下が良い。一方、中性子吸収能力についてみると、銀の含有量５０％を境にしてこれより銀含有量が小さいと、従来のＡｇ−１５Ｉｎ−５Ｃｄのものに比し中性子吸収能力が大きく減少するが、それ以上であればＡｇ−１５Ｉｎ−５Ｃｄの中性子吸収能力と同等の能力が得られる。
インジウム
カドミウムを前述の範囲に留めれば、インジウムの含有量は、銀の含有量と相補的関係にあり、銀の含有量により定まる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
先ず図１を参照するに、制御棒２０の薄肉のステンレス鋼等からなる被覆管２１の上端は、上端部に取り付け用ねじ部を有する上部端栓２３によって閉じられ、他方下端は砲弾型の下部端栓２５によって閉じられている。そして内部に、上部中性子吸収部材２７と下部中性子吸収部材２９が積重して収容され、プレナム内に装填された押さえばね３１により下方に押さえられている。図２は、その下部中性子吸収部材２９と被覆管２１との関係を拡大して示しているが、長さ範囲Ｒ内にある下部中性子吸収部材２９が通常の原子炉運転時においても炉心の上部にあって中性子の照射を受ける部分であり、２段細径部２９ａとなっている。そして上部中性子吸収部材２７及び２段細径部２９ａを除く下部中性子吸収部材２９の中性子吸収材料はＡｇ−１５Ｉｎ−５Ｃｄであり、２段細径部２９ａの中性子吸収材料は、Ａｇ−５５Ｉｎ−５Ｃｄが使用されている。
【０００８】
図３にカドミウムＣｄを５％としたときの銀Ａｇ及びインジウムＩｎの重量比とスウエリングとの関係を示している。これは、銀、インジウム、カドミウム及び錫の原子径がそれぞれ２．８８Å、３．３２Å，３．０８Å，３．２４Åであることを基に算出した５年照射後のスウエリング量を示している。従来から使用し、上部中性子吸収部材２７の構成材料である Ａｇ−１５Ｉｎ−５Ｃｄ のスウエリング量は点Ａで表され、この量の３分の２を目標とすればスウエリング量は点Ｂ以下であれば良い。即ち銀Ａｇは、７０％以下であれば良いことが分かる。本実施形態では、銀Ａｇは、４０％であるので、スウェリングは実質的に発生しない。これはＡｇ−５５Ｉｎ−５Ｃｄの照射前の格子体積が３０．７であり、照射後の格子体積が３０．６になることからも理解できる。なお、Ａｇ−１５Ｉｎ−５Ｃｄのそれぞれの格子体積が、２５．８，２６．２であることからも本発明の効果も確認される
【０００９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、制御棒の中性子吸収部材を上下方向に分割し、下側に位置する中性子吸収部材を構成する銀−インジウム−カドミウム合金の銀の相対的な含有量が上部のものに比し小さくしているので、たとえ常時原子炉炉心にあって中性子照射を受けても、スウェリング量を大幅に減少させ、被覆管の健全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す一部省略立面図である。
【図２】図１の一部を拡大して示す部分断面図である。
【図３】本発明の効果を説明するグラフである。
【図４】制御棒組立体の全体を示す斜視図である。
【図５】制御棒組立体の使用状態を示す一部省略の斜視図である。
【図６】従来の制御棒の構造を示す側面図である。
【図７】図６の一部を拡大して示す部分断面図である。
【符号の説明】
２０ 制御棒
２１ 被覆管
２３ 上部端栓
２５ 下部端栓
２７ 上部中性子吸収部材
２９ 下部中性子吸収部材
２９ａ ２段細径部

Claims (3)

1. 被覆管内に積重された複数の中性子吸収部材を有する原子炉用制御棒において、前記中性子吸収部材は銀−インジウム−カドミウム合金から形成され、下段にある前記中性子吸収部材は上段にある前記中性子吸収部材より銀含有比が相対的に小さく、インジウム含有比が相対的に大きいことを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 前記中性子吸収部材は、上部中性子吸収部材と下部中性子吸収部材の２種類からなることを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
3. 銀Ａｇ−インジウムＩｎ−カドミウムＣｄ合金から形成された前記下部中性子吸収部材の成分元素の含有量が次の関係を満たすことを特徴とする請求項２記載の原子炉用制御棒。
   ９０重量％≦Ａｇ＋Ｉｎ≦９５重量％，
   ５０重量％≦Ａｇ≦７０重量％，
   ２０重量％≦Ｉｎ≦４５重量％

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