JP4000382B2 - Control rod made of boron mixed carbon fiber reinforced carbon composite material - Google Patents

Control rod made of boron mixed carbon fiber reinforced carbon composite material Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉内の中性子吸収材と構造物が一体化したホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料からなる制御棒に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、多目的高温ガス炉やガス冷却高速増殖炉において、構造物である制御棒容器に、炭化ホウ素やホウ素化黒鉛などの中性子吸収材を格納して制御棒として使用している。この構造物である制御棒容器は、現在、アロイ800などの耐熱合金が使用されているが、次期のこれらの炉においては800℃を超えて1000℃若しくはそれ以上の耐熱性が要求される。
【0003】
その対策として炭素繊維強化炭素複合材料を上記構造物として使用することが検討されており、それが下記の特許文献1で示され、それに関しては日本原子力研究所内においても、例えば、下記の非特許文献1にもあるように炭素繊維強化炭素複合材料の照射特性等の研究が進められている。制御棒は、原子炉内において最も重要な部材の一つであり、より一層の性能の向上、安全性が要求されている。反面、コストパフォーマンスの向上も求められている。
【0004】
【特許文献1】
:特許第2784304号明細書
【非特許文献1】
:JAERI−Research 2001−028
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる制御棒に関して、より一層の性能の向上および安全性をより高めて、更にコスト低減を追求することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、鋭意検討の結果、構造物である制御棒容器と中性子吸収材が一体となった制御棒を発明するに至った。本発明の制御棒は、中性子吸収能力を持つホウ素と構造物とを一体化させることによって解決される。以下、本発明にかかる制御棒をホウ素混合型制御棒という。なお、中性子吸収能力を持つホウ素とは、正確にはホウ素同位体の内、質量数が10のものがその中性子吸収作用を有し、通常のホウ素およびホウ素化合物にそれが一定量含まれている。
【0007】
又、従来の制御棒は、制御棒容器に別途中性子吸収材をいれるので、その形状が円筒形状であった。これに対し、本発明の制御棒は、制御棒容器と中性子吸収材が一体化されたものであるので、その形状として、円筒、円柱、板状、板を十字に組み合わせたもの等の都合のよい形状のものを使用することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
ホウ素混合型制御棒として、耐熱性を有する材料として、高温ガス炉で使用されているホウ素化黒鉛(例えば、下記特許文献2及び下記非特許文献2に記載)をそのまま使用することも設計の工夫によっては、理論上可能である。
【0009】
【特許文献2】
:第1820502号
【非特許文献2】
:1993年2月発行のIAEA−TECDOC−690 “The status of graphite development for gas cooled reactors”
しかしながら、ホウ素化黒鉛は充分な耐熱性を有するが機械的な靭性に乏しいという欠点があるために、実際には制御棒容器の中に納める中性子吸収材としてのみ使用されている。
【0010】
高靭性も兼ね備える炭素繊維強化炭素複合材料とホウ素を組み合わせた、ホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料(以下、ホウ素混合C/C複合材という。)は優れたホウ素混合型制御棒を構成することができる。その理由を以下のようにあげることが出来る。
【0011】
▲1▼ C/C複合材を母材とするので、主として性能の向上が図れる。
▲2▼ 一体型なので構造物と中性子吸収材との相互作用がない。例えば、地震などが発生した場合、相互にかかる衝撃による応力発生を考慮しなくて良い。
【0012】
▲3▼ C/C複合材のみと比較してホウ素混合C/C複合材は耐酸化性が高く、例えばヘリウムガス中の不純物酸素によって酸化される度合いが少ない。
▲4▼ 配管の破断などの事故時に空気の導入を想定した場合、ホウ素混合C/C複合材は耐酸化性が高いのでC/C複合材のみと異なり、より高い安全性を確保することができる。
【0013】
▲5▼ 構造物と中性子吸収材を別々に製作する場合に比べて低コストとなる。C/C複合材の形態は特に限定されないので、いずれのものでも適応可能であるが、本用途には1次元、2次元、2.5次元、3次元C/C複合材が適していると考えられる。これらのC/C複合材は、一般に特に引張りの機械的強度が高く、また、高い靭性を有しているからである。従って、これらのC/C複合材の形態をベースとしてホウ素を混合するのが望ましい。
【0014】
更に、望ましくは2次元(2D)C/C複合材をベースとして用いることである。また、現在、最も一般に使用されている2D−C/C複合材としては、2次元クロスを用いたもの若しくは一次元クロスの方向を違えて交互に積層したものがある。二次元クロスを用いた2次元C/C複合材は、形状や大きさなど製作性の幅が広く、比較的多量に生産されておりコスト的にも有利であることから、日本原子力研究所においても高温ガス炉の制御棒として2次元C/C複合材を中心に研究が進められている。
【0015】
上記C/C複合材は、炭素繊維の束が、ある配列をもって並んで、マトリックスで高密度化しているものであり、又炭素繊維は、その原料がピッチ、ポリアクリロニトリル(PAN)、レーヨン等からなるものである。
【0016】
上記1次元C/C複合材は、長炭素繊維が一方向に揃えて作製したものであり、炭素繊維の体積分率が20%若しくはそれ以上のものであり、炭素繊維の軸方向において使用した炭素繊維の特徴が顕著に現れているものであり、1方向に大きな引張強さを有するものである。上記2次元C/C複合材は、長炭素繊維を縦、横2次元に織ったクロス又は不織布を積層して作製したものであり、その高密度化は一般にはピッチ又は樹脂含浸によって行われており、2次元的に補強された材料で、高い靭性を有している。上記2.5次元、3次元C/C複合材等の多次元C/C複合材は、多次元方向に長繊維束を配向させて作製されたものであり、その高密度化はピッチ又は樹脂含浸によって行われており、多次元的に炭素繊維によって補強されているので、等方的な物理特性を有している。
【0017】
C/C複合材にホウ素源であるホウ素若しくはその炭化物を存在せしめる方法は特に問わないが、コスト面などの製作の困難性を考慮しながらより均一にホウ素が分散される方法が望ましい。
【0018】
ホウ素を分散させる方法としては、次の3つを例示することができる。
▲1▼ 金属アルコキシドを用いてホウ素を微分散させる方法、
▲2▼ 加熱含浸装置(熱間静水圧加圧装置)を用いて酸化ホウ素を含浸せしめ、1500℃以上の高温で熱処理を行なってホウ素もしくはその炭化物を存在せしめる方法が下記特許文献3に示されている
【0019】
【特許文献3】
:特許第3034919号明細書
▲3▼ また、下記特許文献4では、耐酸化材作製におけるマトリックスとなる熱硬化性樹脂、コールタール又はピッチに炭化ホウ素粉末を混ぜ合わせたものを塗布する方法とホウ素含有ガスの熱分解によってC/C複合材内にホウ素を含有させる方法を示している。
【0020】
【特許文献4】
:特許第3058180号明細書
▲1▼の方法は、ホウ素の微分散が可能であるが、アルコキシドが高価で大量にホウ素を存在させるのには不向きであるという欠点がある。▲2▼の方法は、ホウ素の微分散が可能であるという利点があるが、加熱含浸装置(熱間静水圧加圧装置)を必要としコスト高となる他、装置の大きさに制限を有する。▲3▼の方法は、炭化ホウ素を混合するという意味において中性子吸収材として使用されているホウ素化黒鉛の場合と同じである。
【0021】
炭化ホウ素粉末を使用した場合のホウ素の均一性は次のように考えられる。ホウ素化黒鉛に用いられている炭化ホウ素の平均粒径が3マイクロメータであり、その程度の粒径を有する炭化ホウ素粉末を原料に使用すれば充分であると思われる。
【0022】
また、2000℃程度の熱処理によってホウ素が炭素部分に置換固溶させるのでホウ素の分散の均一性が図られる。これらの条件を満足するためには炭化ホウ素自体が材料中に均一に分散して存在してなくてはならないことは言うまでもない。ホウ素化材料の製作に当っては、熱処理温度は1600℃から2300℃、好ましくは1900から2100℃が良い。1600℃以下であるとホウ素が炭素中に固溶せず、2300℃以上であると黒鉛化が発達しすぎて機械的強度が劣化するからである。
【0023】
2次元の炭素繊維クロスを用いた2D−C/C複合材中に炭化ホウ素を工業的に有効に量産もしくは使用されるように均一に分散させる方法は開示されたものはなく、工業的にもほとんど生産されていない。しかし、本発明において、これら材料は必要である。
【0024】
次に、ホウ素混合C/C複合材のホウ素濃度について述べる。ホウ素濃度は制御棒を含めた炉の設計によって決まるものである。従って、一義的に濃度は幾らとは言えないが、経験的に最高30〜50重量%程度のホウ素の濃度が確保できれば適合するものと思われる。材料中のホウ素濃度は、発明の本質を左右するものではない。
【0025】
ここで、ホウ素の分布状態が重要である。ホウ素は複合型制御棒の長さ方向には同じ濃度を有することが必要であると考えられる。制御棒を上下に動かして核反応を制御するからである。
【0026】
ホウ素混合型制御棒において、ホウ素が径方向に全体に渡って均一に分布していても使用可能であるが、ホウ素混合型制御棒の径方向は、ホウ素の分布状態を変化させる事がより有効であることを見出し明らかにした。
【0027】
すなわち、ホウ素混合型制御棒は使用中において、ホウ素は中性子と反応してヘリウムを発生する。その際にボイドが発生する。その材料中に生じたボイドは、材料強度を低下させると考えられる。そこで、ホウ素を含まない部分を例えば径の中央部分に存在させると、その部分は、そのことによる材料強度の低下が防止でき材料の安全性や長寿命化が確保できることになる。また、ホウ素濃度を、円柱または円筒の径方向において外側の濃度を高くして内側を低くし、ホウ素濃度を順次変化させる、いわゆる傾斜機能材料とすることができる。そうすることによって、材料の熱的・機械的特性が緩やかに変化して耐熱衝撃性などにおいてより信頼性が高まる。
【0028】
その他、ホウ素混合型制御棒のホウ素を含まない部分の存在のさせ方は中央部の他、外側に交互にするなどが考えられる。事故時の空気の侵入による制御棒の酸化による劣化を防ぐために、いずれにしても外側表面にホウ素を存在させなくてはならない。
【0029】
【実施例】
ホウ素混合2D−C/C複合材の制御棒を作製した例を示す。ホウ素混合2D−C/C複合材を作製するには、平均粒径3μmの炭化ホウ素粉末および炭素繊維クロス{PAN(ポリアクリロニトリル)系の6K(炭素繊維の束の繊維数が6000本のもの)平織り(繊維が互いに折り重なって織られたもの)のもの}を使用した。
【0030】
成形にあたっては、直径5mmのステンレス製の棒を心棒にして、炭素繊維クロスのプリプレグを連続的に巻きつけて直径100mm、長さ200mmの成形体とした。この成形体は、径方向内側の直径30mmまではホウ素を含まないものである。
【0031】
炭素繊維クロスのプリプレグの製作方法について述べる。その製作に当っては炭素繊維クロスのうち、ホウ素を含まない部分とホウ素を含む部分に分ける。
ホウ素を含まない部分ではまず、炭素繊維クロス100重量部に対して、100重量部のレゾール型フェノール樹脂をエチルアルコールに溶かして塗布した。
【0032】
その続きのホウ素を含む部分では、100重量部に相当する炭化ホウ素粉末と100重量部のレゾール型フェノール樹脂のエチルアルコールスラリーを炭素繊維クロス面に塗布した。なお、ホウ素の濃度を順次変化した複合材を製作するには、添加する炭化ホウ素の濃度を変えたスラリーを順次塗布すれば良い。
【0033】
これら、樹脂のみ、または炭化ホウ素と樹脂を塗布したクロスを積層して風乾させた。
次に、成形体を窒素ガスを流しながら1000℃の熱処理を施した。その熱処理を施した材料にレゾールタイプのフェノール樹脂を含浸し、再び同様の熱処理を行った。この操作を合計3回繰り返した。
【0034】
次いでアルゴンガス雰囲気5Torrの下、2000℃で熱処理を施して、ホウ素混合2D−C/C複合材を得た。マンニットール滴定法などの化学滴定の手法を用いて測定した。ホウ素濃度は30重量%であった。酸化ホウ素の濃度は0.02重量%であった。ホウ素混合2D−C/C複合材全体のかさ密度は1.62g/cm3であった。
【0035】
製作したホウ素混合2D−C/C複合材においてホウ素を含まない部分と含む部分から、引張り試験片を採取して、制御棒の軸方向の引張り強さを測定した。ホウ素を含む部分は141MPaであった。ホウ素を含まない部分は115MPaであった。本発明のホウ素混合2D−C/C複合材はいずれも脆性的な破壊をすることなく、通常市販の2D−C/Cが示すようなクロスヘッド変位を示し、本来の2D−C/C複合材が有する靭性を保持していることが確認された。
【0036】
なお、HTTR多目的高温ガス炉における条件を参考にして材料設計すると以下の結果が得られた。引張り強さが141MPaであれば、直径23mmを有しておれば設計上使用可能であると計算される。従って本実施例のホウ素混合2D−C/C複合材は充分な強度を有する。
【0037】
計算は、99%非破壊確率で95%信頼、材料の標準偏差差を15.3MPaとして、安全率を3として設計強さ33.6MPaが得られる。HTTRでの1つの制御棒に掛かる荷重を地震荷重も考慮して1360kgである。これらの値から直径23mmが得られた。
【0038】
【発明の効果】
従来の構造物である制御棒容器に炭化ホウ素やホウ素化黒鉛などの中性子吸収材を格納した制御棒は、その構造物である制御棒容器にアロイ800などの耐熱合金が使用されているが、800℃を超えて1000℃若しくはそれ以上の耐熱性を有していない。
【0039】
これに対し、本発明における、原子炉内の中性子吸収材と構造物が一体化したホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料からなる制御棒は、上記耐熱性を十分に満足するものである。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control rod made of a boron mixed carbon fiber reinforced carbon composite material in which a neutron absorber and a structure in a nuclear reactor are integrated.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a multi-purpose HTGR or gas-cooled fast breeder reactor, a neutron absorber such as boron carbide or boronated graphite is housed in a control rod vessel that is a structure and used as a control rod. The control rod container, which is this structure, currently uses a heat-resistant alloy such as Alloy 800, but these next-generation furnaces require heat resistance exceeding 800 ° C. and 1000 ° C. or higher.
[0003]
As a countermeasure, use of a carbon fiber reinforced carbon composite material as the above-mentioned structure has been studied, which is shown in the following Patent Document 1, and also in Japan Atomic Energy Research Institute, for example, the following non-patent As described in Document 1, studies on the irradiation characteristics of carbon fiber reinforced carbon composite materials are underway. The control rod is one of the most important members in the nuclear reactor, and further improvement in performance and safety are required. On the other hand, improvement in cost performance is also required.
[0004]
[Patent Document 1]
: Japanese Patent No. 2784304 [Non-Patent Document 1]
: JAERI-Research 2001-028
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
It is an object of the present invention to further reduce costs by further improving the performance and safety of such control rods.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
As means for solving the above-mentioned problems, as a result of intensive studies, a control rod in which a control rod container, which is a structure, and a neutron absorber are integrated has been invented. The control rod of the present invention is solved by integrating boron having a neutron absorption capability and a structure. Hereinafter, the control rod according to the present invention is referred to as a boron mixed control rod. Note that boron having neutron absorption ability is precisely a boron isotope having a mass number of 10 has its neutron absorption action, and a certain amount is contained in normal boron and boron compounds. .
[0007]
Moreover, since the conventional control rod puts a neutron absorber separately in a control rod container, the shape was a cylindrical shape. On the other hand, since the control rod of the present invention is an integrated control rod container and neutron absorber, the shape of the control rod is convenient, such as a cylinder, a column, a plate, or a combination of plates in a cross shape. A good shape can be used.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As a boron mixed type control rod, it is also possible to use borated graphite (for example, described in the following Patent Document 2 and Non-Patent Document 2) as a heat-resistant material as it is. Some are theoretically possible.
[0009]
[Patent Document 2]
: 1820502 [Non-Patent Document 2]
: IAEA-TECCDOC-690, issued in February 1993, “The status of graph development for gas cooled reactors”
However, borated graphite has a drawback that it has sufficient heat resistance but poor mechanical toughness, so that it is actually used only as a neutron absorbing material to be placed in a control rod container.
[0010]
A boron mixed carbon fiber reinforced carbon composite material (hereinafter referred to as boron mixed C / C composite material), which combines boron with a carbon fiber reinforced carbon composite material that also has high toughness, constitutes an excellent boron mixed control rod. it can. The reason can be given as follows.
[0011]
(1) Since the C / C composite material is used as a base material, the performance can be mainly improved.
(2) Since it is an integrated type, there is no interaction between the structure and the neutron absorber. For example, when an earthquake or the like occurs, it is not necessary to consider the generation of stress due to mutual impact.
[0012]
{Circle around (3)} The boron-mixed C / C composite material has higher oxidation resistance than the C / C composite material alone, and is less oxidized by, for example, impurity oxygen in helium gas.
(4) When air is assumed to be introduced at the time of an accident such as a pipe breakage, the boron-mixed C / C composite material has high oxidation resistance, so it is possible to ensure higher safety unlike the C / C composite material alone. it can.
[0013]
(5) Cost is lower than when the structure and neutron absorber are manufactured separately. Since the form of the C / C composite material is not particularly limited, any one can be applied, but one-dimensional, two-dimensional, 2.5-dimensional, and three-dimensional C / C composite materials are suitable for this application. Conceivable. This is because these C / C composite materials generally have high tensile mechanical strength and high toughness. Therefore, it is desirable to mix boron based on the form of these C / C composites.
[0014]
Furthermore, it is desirable to use a two-dimensional (2D) C / C composite as a base. In addition, as the 2D-C / C composite materials that are most commonly used at present, there are those using a two-dimensional cloth or those laminated alternately by changing the direction of the one-dimensional cloth. Two-dimensional C / C composites using two-dimensional cloth have a wide range of manufacturability such as shape and size, are produced in relatively large quantities, and are advantageous in terms of cost. Also, research is being conducted mainly on two-dimensional C / C composites as control rods for HTGRs.
[0015]
The C / C composite material is a bundle of carbon fibers arranged in a certain array and densified with a matrix, and the carbon fibers are made from pitch, polyacrylonitrile (PAN), rayon, etc. It will be.
[0016]
The one-dimensional C / C composite material is produced by aligning long carbon fibers in one direction, and the carbon fiber volume fraction is 20% or more, and used in the axial direction of the carbon fibers. The characteristic of the carbon fiber appears remarkably, and it has a large tensile strength in one direction. The two-dimensional C / C composite material is produced by laminating cloth or non-woven fabric in which long carbon fibers are woven in two dimensions in the vertical and horizontal directions, and the densification is generally performed by pitch or resin impregnation. It is a two-dimensionally reinforced material and has high toughness. A multidimensional C / C composite material such as the 2.5-dimensional, three-dimensional C / C composite material is produced by orienting long fiber bundles in a multidimensional direction. Since it is carried out by impregnation and reinforced with carbon fibers in a multidimensional manner, it has isotropic physical properties.
[0017]
There is no particular limitation on the method of causing boron or its carbide, which is a boron source, to exist in the C / C composite material, but a method in which boron is more uniformly dispersed while considering the difficulty of production such as cost is desirable.
[0018]
Examples of the method for dispersing boron include the following three methods.
(1) A method of finely dispersing boron using a metal alkoxide,
(2) A method of impregnating boron oxide using a heating impregnation apparatus (hot isostatic pressing apparatus) and performing heat treatment at a high temperature of 1500 ° C. or higher to make boron or its carbide exist is shown in Patent Document 3 below. [0019]
[Patent Document 3]
: Patent No. 3349919 Specification (3) Further, in Patent Document 4 below, a method of applying a mixture of a boron carbide powder to a thermosetting resin, coal tar or pitch, which is a matrix in the production of an oxidation resistant material, and boron It shows a method of incorporating boron into the C / C composite material by thermal decomposition of the contained gas.
[0020]
[Patent Document 4]
: The method described in Japanese Patent No. 3058180 (1) can finely disperse boron, but has a drawback that an alkoxide is expensive and unsuitable for the presence of a large amount of boron. The method (2) has the advantage that fine dispersion of boron is possible, but it requires a heating impregnation device (hot isostatic pressing device) and increases the cost, and the size of the device is limited. . The method {circle around (3)} is the same as that for boronated graphite used as a neutron absorber in the sense that boron carbide is mixed.
[0021]
The uniformity of boron when boron carbide powder is used is considered as follows. The average particle size of boron carbide used in borated graphite is 3 micrometers, and it seems sufficient to use boron carbide powder having such a particle size as a raw material.
[0022]
Further, since boron is substituted and dissolved in the carbon portion by heat treatment at about 2000 ° C., the uniformity of boron dispersion can be achieved. Needless to say, boron carbide itself must be uniformly dispersed in the material in order to satisfy these conditions. In the production of the borated material, the heat treatment temperature is 1600 to 2300 ° C, preferably 1900 to 2100 ° C. This is because if it is 1600 ° C. or lower, boron does not dissolve in carbon, and if it is 2300 ° C. or higher, graphitization develops too much and mechanical strength deteriorates.
[0023]
There is no disclosed method for uniformly dispersing boron carbide in a 2D-C / C composite material using a two-dimensional carbon fiber cloth so that it can be industrially effectively mass-produced or used. Almost no production. However, in the present invention, these materials are necessary.
[0024]
Next, the boron concentration of the boron mixed C / C composite material will be described. The boron concentration is determined by the furnace design including the control rod. Therefore, although the concentration is not limited to anything, it is considered that if the concentration of boron up to about 30 to 50% by weight can be secured empirically, it can be adapted. The boron concentration in the material does not affect the essence of the invention.
[0025]
Here, the distribution state of boron is important. It is believed that boron must have the same concentration in the length direction of the composite control rod. This is because the nuclear reaction is controlled by moving the control rod up and down.
[0026]
Although it is possible to use boron mixed control rods even if boron is uniformly distributed in the radial direction, it is more effective to change the boron distribution in the radial direction of boron mixed control rods. And found out.
[0027]
That is, while the boron mixed control rod is in use, boron reacts with neutrons to generate helium. At that time, voids are generated. Voids generated in the material are thought to reduce the material strength. Therefore, if a portion not containing boron is present, for example, in the central portion of the diameter, the portion can prevent the material strength from being lowered, thereby ensuring the safety and long life of the material. Further, a so-called functionally graded material can be obtained in which the boron concentration is increased in the radial direction of the cylinder or cylinder, the inner concentration is increased and the inner concentration is decreased, and the boron concentration is sequentially changed. By doing so, the thermal and mechanical properties of the material change gradually, and the reliability in terms of thermal shock resistance and the like increases.
[0028]
In addition, it is conceivable that the part containing no boron of the boron mixed control rod is alternately arranged outside the center part. In any case, boron must be present on the outer surface in order to prevent deterioration of the control rod due to air intrusion during an accident.
[0029]
【Example】
The example which produced the control rod of the boron mixing 2D-C / C composite material is shown. To prepare a boron mixed 2D-C / C composite material, boron carbide powder having an average particle diameter of 3 μm and carbon fiber cloth {PAN (polyacrylonitrile) 6K (the number of carbon fiber bundles is 6000) Plain weaves (those in which the fibers are woven together) were used.
[0030]
In forming, a stainless steel rod having a diameter of 5 mm was used as a mandrel, and a prepreg of carbon fiber cloth was continuously wound to form a molded body having a diameter of 100 mm and a length of 200 mm. This molded product does not contain boron up to a diameter of 30 mm inside in the radial direction.
[0031]
A method for producing a carbon fiber cloth prepreg will be described. In the production, the carbon fiber cloth is divided into a part not containing boron and a part containing boron.
In the part not containing boron, first, 100 parts by weight of a resol type phenol resin was dissolved in ethyl alcohol and applied to 100 parts by weight of the carbon fiber cloth.
[0032]
In the subsequent portion containing boron, boron carbide powder corresponding to 100 parts by weight and 100 parts by weight of ethyl alcohol slurry of a resol type phenol resin were applied to the carbon fiber cloth surface. In order to manufacture a composite material in which the concentration of boron is sequentially changed, a slurry having a changed concentration of boron carbide to be added may be sequentially applied.
[0033]
These resin alone or cloth coated with boron carbide and resin were laminated and air-dried.
Next, the molded body was heat-treated at 1000 ° C. while flowing nitrogen gas. The heat-treated material was impregnated with a resol type phenol resin, and the same heat treatment was performed again. This operation was repeated a total of 3 times.
[0034]
Next, heat treatment was performed at 2000 ° C. under an argon gas atmosphere of 5 Torr to obtain a boron mixed 2D-C / C composite material. Measurement was performed using a chemical titration method such as Mannithol titration. The boron concentration was 30% by weight. The concentration of boron oxide was 0.02% by weight. The bulk density of the entire boron-mixed 2D-C / C composite was 1.62 g / cm 3 .
[0035]
Tensile test specimens were sampled from the part not containing boron and the part containing boron in the manufactured boron mixed 2D-C / C composite material, and the tensile strength in the axial direction of the control rod was measured. The portion containing boron was 141 MPa. The portion not containing boron was 115 MPa. All of the boron-mixed 2D-C / C composite materials of the present invention exhibit crosshead displacement as shown by commercially available 2D-C / C without brittle fracture, and the original 2D-C / C composite material It was confirmed that the toughness of the material was maintained.
[0036]
In addition, the following results were obtained when the material was designed with reference to the conditions in the HTTR multipurpose HTGR. If the tensile strength is 141 MPa, it is calculated that it can be used in design if it has a diameter of 23 mm. Therefore, the boron mixed 2D-C / C composite material of this example has sufficient strength.
[0037]
The calculation is 95% reliable with 99% non-destructive probability, the standard deviation difference of the material is 15.3 MPa, the safety factor is 3, and the design strength is 33.6 MPa. The load applied to one control rod in HTTR is 1360 kg considering the seismic load. From these values, a diameter of 23 mm was obtained.
[0038]
【The invention's effect】
A control rod that stores a neutron absorber such as boron carbide or boron boride graphite in a control rod container that is a conventional structure uses a heat-resistant alloy such as Alloy 800 in the control rod container that is the structure. It does not have heat resistance exceeding 800 ° C. and 1000 ° C. or more.
[0039]
On the other hand, the control rod made of a boron mixed carbon fiber reinforced carbon composite material in which the neutron absorber and the structure in the reactor are integrated in the present invention sufficiently satisfies the above heat resistance.

Claims (4)

ホウ素源を含まない炭素繊維クロスと、ホウ素源を含む炭素繊維クロスとを、この順序で巻き付けて熱処理することで、径方向の外側が内側よりもホウ素濃度を大きくしたことを特徴とする原子炉用の制御棒 A nuclear reactor characterized in that the boron concentration in the radially outer side is larger than that in the inner side by winding and heat treating a carbon fiber cloth not containing a boron source and a carbon fiber cloth containing a boron source in this order. Control rod for . ホウ素源が炭化ホウ素粉末を使用してなる請求項記載の制御棒。Control rod according to claim 1, wherein the boron source is formed by using boron carbide powder. 制御棒の径方向において外表面から内側にかけて順次ホウ素濃度が少なくなる請求項1又は請求項2に記載の制御棒。The control rod according to claim 1 or 2 , wherein the boron concentration decreases sequentially from the outer surface to the inner side in the radial direction of the control rod. 制御棒の形が、円筒、円柱、板状、又は板を十字に組み合わせた適宜の形状のものである請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の制御棒。The control rod according to any one of claims 1 to 3 , wherein the shape of the control rod is a cylinder, a column, a plate, or an appropriate shape obtained by combining plates in a cross shape.
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