JP4537585B2 - 制御棒 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は直角交差を形成する４つの吸収ブレードを含む沸騰水型原子炉の制御棒に関する。吸収ブレードは長手方向に分散された吸収材料を含み、制御棒の単位長さ当たりの吸収材料の量の平均値は制御棒の下部におけるよりも上部における方が小さい。
【０００２】
（背景技術）
沸騰水型原子炉の炉心は一般に数百の燃料集合体を含む。これらの集合体は炉心内に垂直に配列され、また少なくとも実質的に正方形の横断面を有する。各燃料集合体は燃料棒の束を含む。沸騰水型原子炉では、燃料棒の束は８ｘ８本、９ｘ９本または１０ｘ１０本の燃料棒がしばしば使用される。燃料棒の束は燃料チャンネルで取り囲まれている。燃料チャンネルは両端が開放され、原子炉の冷却材が燃料棒の束を通って流れることができるようになっている。炉心は水中に沈められ、この水は冷却材および中性子減速材としての両方の作用を担う。各燃料棒は多数の燃料ペレットを含み、ペレットはクラッディング・チューブ内に重ねて集積されている。
【０００３】
原子炉はまた複数の制御棒も含み、制御棒の主な作用は、原子炉の炉心に出し入れすることによって出力発生の開始、制御および停止を行うことである。沸騰水型原子炉では、制御棒は下方から炉心内に挿入される。駆動装置によって制御棒は、完全に引き抜いた位置と炉心内の完全に挿入した位置との間のさまざまな位置で作用される。制御棒のあるものは運転時に炉心から引き抜かれるが、その他の制御棒はさまざまなレベル位置に挿入される。それらのレベル位置は原子炉の運転サイクル中に変化される。沸騰水型原子炉では、制御棒は４つの垂直に配列された細長い吸収ブレードで構成され、吸収ブレードは互いに直角に交差している。吸収ブレードは一般にステンレス鋼で作られており、穴の形成された多数のホールまたはチューブを備えて、例えば炭化硼素（Ｂ₄Ｃ）またはハフニウムのような中性子吸収材料を充填されている。吸収材料は一般に吸収ブレードの軸線方向および半径方向の両方向に関して均一に分布されている。制御棒の実際の長さ、すなわち吸収材料を含む制御棒の部分の長さは、その制御棒が炉心内に完全に挿入されたときに、原子炉の炉心の実際の高さに一致する。
【０００４】
燃料集合体は正則格子に配列されており、互いに直角な２つの燃料集合体の列に各々の燃料集合体は含められる。制御棒は一般に、各々の制御棒がそのブレード周囲に配列されている４つの燃料集合体と共に１つのユニットを形成するように、同じ列に配置されている２つの燃料集合体の間に吸収ブレードの１つが配置される。
【０００５】
原子炉内の制御棒は一般に異なる作用を果たす２つの群に分けられる。制御棒の１つの群は、正常運転時には炉心から完全に引き抜かれており、原子炉の停止および始動のためにだけ使用される。他の群は原子炉出力の制御、および正常な原子炉運転時の燃焼度の補償に使用される。第２の群の制御棒は以下にコントローリング・ロッドと称する。これらのコントローリング・ロッドは一般に全制御棒の１０％未満である。運転サイクルの開始時に、コントローリング・ロッドは挿入される。運転サイクルとは、２回の燃料交換の間の時間を意味する。燃料の燃焼度を補償するために、コントローリング・ロッドは運転サイクル中に継続して引き抜きを行われる。コントローリング・ロッドの位置の変化は或る時間間隔、例えば１週間に１度の間隔で行われる。この変化は、例えばコントローリング・ロッドの長さの約８％が引き抜かれることで生じる。
【０００６】
現在、制御棒の両群とも吸収材料が吸収ブレードに均一に分布されている従来の制御棒が使用されている。コントローリング・ロッドが挿入されるとき、その間、吸収ブレードの近くに配置されている燃料ペレットは核分裂性材料が燃焼しないように保護される。このことは、コントローリング・ロッドが或る長さを引き抜かれる度に、核分裂性材料を高濃度で含む燃料ペレットが露出され、これによりそれらの燃料ペレットの出力がかなり増大するという状況をもたらす。出力のこの局部的な増大は、非常に急激に生じる。この応力は、或る場合には、燃料ペレットを取り囲むクラッディング・チューブに対する燃料破壊、いわゆるＰＣＩ破壊（ＰＣＩ＝ペレット被覆相互作用）を引き起こす。コントローリング・ロッドの十文字の中心の最も近くに配置された燃料棒は特にそのような応力の影響を受け、従って燃料破壊の極めて大きい危険を冒している。この理由は、それらの燃料棒が２つの吸収ブレードで核分裂性材料の燃焼から保護されていることである。
【０００７】
米国特許出願第３６７０９９号によれば、上部にける単位長さ当たりの吸収材料の割合が制御棒の他の部分よりも小さい制御棒は周知である。このように、制御棒が炉心内に完全に挿入されている間に核分裂性材料の一部は燃焼するが、その出力増大はコントローリング・ロッドが引き抜かれているときと等しいほど大きくはない。穴の形成された多数のチャンネルを制御棒の長手方向に対して直角に配列して中性子吸収材料を充填し、制御棒の上部のチャンネルは比較的小さな半径を有して、それぞれのチャンネルの長さが半径よりもかなり大きくされるのに対して、他のチャンネルは比較的大きい半径を有するようにされることによって、コントローリング・ロッドが引き抜かれたときの減少された出力増大が達成される。
【０００８】
上述した制御棒の１つの欠点は、制御棒が引き抜かれたときに得られる出力増大の減少は、最も露出された燃料棒、すなわち制御棒の十文字中心の最も近くに配置された燃料棒、に燃料破壊が生じる危険性を低減するのに十分なほど大きくないということである。
【０００９】
他の欠点は、上述の制御棒では従来の制御棒よりも使用寿命が短縮されることである。吸収材料の使用寿命、従って制御棒の使用寿命は、表面の体面積当たりの吸収材料の量に依存する。円筒形チャンネルでは、その長さは半径よりもかなり長く、吸収材料の使用寿命はその半径によってかなりの影響を受ける。チャンネルの直径の減少は、制御棒の使用寿命の相応の減少をもたらす。
【００１０】
米国特許出願第６５９４３６号によれば、十文字中心の最も近くに位置する燃料棒に沿って延在する吸収ブレードの部分に少ない量の吸収材料を配置することは周知である。その外側部分にブレードは吸収材料を充填された多数のチャンネルを備えており、それらのチャンネルは制御棒の長手方向に対して直角に延在している。１実施例では、充填されたチャンネルよりも内側に位置する吸収ブレードの部分には吸収材料が十分にない。制御棒は、十文字中心の最も近くに位置する燃料棒を横断して延在する凹部を備えている。これらの凹部は減速材を充填されており、これにより隣接する燃料棒の核分裂性材料の消費が増大される。このように吸収材料を配置することで、原子炉の運転サイクルの持続時間をかなり延長させることが可能である。
【００１１】
このような制御棒をコントローリング・ロッドとして使用する欠点は、実のところ、最も露出された燃料棒、すなわち十文字中心の最も近くに位置する燃料棒の燃料破壊の危険性は減少するが、他の燃料棒における燃料破壊の危険性が従来の制御棒を使用した場合の燃料破壊の危険性と比較して変化のないことである。
【００１２】
（発明の概要）
本発明の目的は、長期間にわたる挿入位置から、連続する段階にて原子炉の炉心から引き抜かれるときの燃料破壊の危険性を減少させる原子炉の制御棒を達成することである。
【００１３】
本発明の制御棒の特徴は特許請求の範囲の記載から明白となるであろう。
【００１４】
本発明による制御棒は、中央の十文字の中心を有する直角交差を形成する吸収ブレードを有し、中性子を吸収する吸収ブレードの能力は軸線方向および半径方向の両方向に沿って変化する。中性子を吸収する吸収ブレードの能力は、吸収ブレードの下部におけるよりも上部の方が低い。吸収ブレードの上部では、中性子吸収能力は十文字の中心に隣接する内側部分よりも外側部分で高い。本発明による制御棒は、その制御棒の上部に隣接して配置された燃料ペレットに関する出力減少が、制御棒により核分裂速度に関して制御されない燃料ペレットに関するものよりも小さくなるようにする。特に制御棒の十文字中心の最も近くに位置するそれらの燃料ペレットは、制御棒により制御されないそれらの燃料ペレットよりも出力減少が低くなる。制御棒が幾分引き抜かれるとき、また制御棒の上部によって保護されている燃料ペレットが露出されるとき、それらの燃料ペレットにおける出力増大は従来技術の制御棒よりも小さくなり、これは燃料ペレットが既に或る程度まで燃焼していることによる。
【００１５】
本発明による制御棒の１つの利点は、制御棒の引き抜きに関連してクラッディング・チューブにおける燃料破壊の危険性が減少されることである。他の利点は、燃料の使用が一層効率的になることである。付随的な利点は、制御棒の一層長い使用寿命が可能になることである。
【００１６】
本発明による制御棒において、各々の吸収ブレードは上側部分および下側部分を含み、制御棒の長手方向の単位長さ当たりの吸収材料の量の平均値は制御棒の下部におけるよりも上部の方が小さい。上部は吸収材料を備えた外側部分と、吸収材料が十分になく、外側部分の半径方向内方に位置する内側部分とを含む。
【００１７】
本発明の利点を達成するために、上述した内側部分の少なくとも幾つかの部分は、吸収ブレードの半径方向の幅の少なくとも１／４でなければならない。特に有利な実施例では、上述した内側部分の少なくとも幾つかの部分は、吸収ブレードの半径方向の幅の少なくとも１／３でなければならない。上述した内側部分の、制御棒の長手方向を横断する断面の面積は、上部の面積の少なくとも２５％でなければならない。特に有利な実施例では、上述した内側部分の、制御棒の長手方向を横断する断面の面積は、上部の面積の少なくとも３０％でなければならない。上部の長さは、吸収ブレードの全長の１／３を超えてはならない。
【００１８】
本発明の好ましい実施例では、貫通穴とされた凹部が制御棒の上部の内側中央部分に配列される。このことは、より多量の中性子減速材が制御棒の上部中央部分に与えられることを意味し、これは制御棒の十文字中心の最も近くに配列された燃料棒における核分裂性材料の燃焼をさらに増大させる。
【００１９】
（好ましい実施例の説明）
図１は４つの燃料集合体１を通る水平断面図を示しており、組み合わされる制御棒２は燃料集合体１の間に配置される。この断面は制御棒２の上部を通る位置のものである。各々の燃料集合体１は１０ｘ１０本の燃料棒３を含む。燃料棒３は正方形の横断面を有する燃料チャンネル４内に閉じ込められる。各々の燃料棒３は二酸化ウランの多数の燃料ペレットを含み、それらの燃料ペレットはクラッディング・チューブ内に重ねて集積されて封入される。燃料集合体１内の燃料棒３の間の空間には、冷却材および減速材の両方をなす水が流される。燃料集合体１の間には間隙５ａ，５ｂが形成され、これらの間隙には水が流される。制御棒２はこれらの間隙５ａ，５ｂ内に挿入される。制御棒２は４つの吸収ブレード６，７，８，９を有し、これらの吸収ブレードは直角交差を形成している。制御棒の十文字の中心は符号１０で示される。
【００２０】
図２ａは本発明による制御棒２を通る垂直断面図を示す。制御棒２は実質的にステンレス鋼で作られており、吸収部分１１を含み、吸収部分は垂直連結バー１２で支持されている。制御棒２は上部１５および下部１６を含む。上部の長さは最大で吸収部分１１の全長の１／３である。４つの吸収ブレードのうちの２つの吸収ブレード６，８が図２ａに見られる。個々の吸収ブレード６，８は穴の形成された多数のチャンネル１３，１４を備えており、それらのチャンネルは吸収ブレード６，８の外縁から十文字中心１０へ向かって制御棒２の長手方向に対して直角に延在している。各チャンネル１３，１４は、例えば天然または濃縮された炭化硼素および（または）金属ハフニウム、ガドリニウムまたはエルビウムのような吸収材料を充填され、また例えば溶接などの手段によって外方に対して気密シールされている。以下において、これらのチャンネルは吸収チャンネルと称する。吸収ブレードの上部１５に配列された吸収チャンネル１３は、吸収ブレードの下部１６に配列された吸収チャンネル１４よりもかなり短い。吸収チャンネル１３は吸収ブレードの上部１５の、内側部分よりも半径方向外側に位置する外側部分に配列されている。吸収チャンネル１３の各々は下部１６の吸収チャンネル１４の１つの長さよりも少なくとも３０％短い長さを有する。
【００２１】
吸収ブレードの上部１５および下部１６の吸収チャンネル１３，１４は、円形の円筒形であることが好ましく、全てが同じ寸法ｄを有する。最大限の使用寿命を得るために、吸収チャンネル１３，１４の直径ｄは吸収ブレードの材料厚さを考慮して可能な限り大きくしなければならない。吸収材料の使用寿命は、上述の背景技術に記載されているように単位表面積当たりの吸収材料の量に依存する。一方、直径ｄを保持して吸収チャンネルの長さを半分にすることは使用寿命に限界作用（ｍａｒｇｉｎａｌ ｅｆｆｅｃｔ）を与えるだけである。このように、制御棒の使用寿命は、吸収材料の割合いが上部において減少されるという事実にかかわらずに、保持される。
【００２２】
吸収チャンネル１３，１４の内側に配置された吸収材料の部分は、貫通穴とされた凹部１７，１８を備えている。制御棒の上部１５における凹部１７は制御棒の下部１６における凹部１８よりも半径方向にかなり広い。全ての凹部は軸線方向に同じ長さを有する。変化するのはそれぞれの半径方向の長さである。上部１５の凹部１７は等しく大きい。制御棒２が炉心に挿入されたとき、凹部１７，１８は減速材を充填されており、良好な減速が行われることから、制御棒２が幾分引き抜かれるべき次回に露出される燃料ペレットに関して燃焼が増大する。燃料集合体１の間の比較的狭い間隙５ａ，５ｂ内に制御棒２を案内するために、頂部にはブレードから外方へ延在する突起とされたガイド・パッド１９が備えられている。さらに、制御棒２は取り付け時および交換時に制御棒を操作するためのハンドル２０が備えられている。
【００２３】
図２ｂの制御棒２を図２ａの制御棒と識別する唯一のものは、下部１６における連結バー１２の付近に、下部１６の他の凹部１８よりも半径方向の幅がかなり広い凹部２１と、これに応じてかなり短くされた吸収チャンネル１４とが配置されていることである。この実施例の１つの利点は、制御棒２が完全に挿入されているかぎり、制御棒２の十文字中心１０に最も近い燃料棒３の燃焼が或る程度増大されることである。この実施例の他の利点は、凹部２１の周囲の面積部分における反応制御の必要性が減少されることである。何故なら、炉心は一般にブランケット・イオン、すなわち底部に低濃縮のウランの領域を有するからである。この実施例の付随的な利点は、制御棒２の節減重量を、良好に使用される制御棒２の部分に一層多量の吸収材料を配置するのに使用できることである。重い吸収材料、例えばハフニウム、が使用される場合には、後者の内容が一層重要となる。
【００２４】
図２ｃは、制御棒の頂部に接近するにつれて、制御棒の上部１５の凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃは次第に幅を増大し、吸収チャンネル１３ａ，１３ｂ，１３ｃは次第に長さを減少する本発明の実施例を示している。制御棒の頂部へ向かって次第に内容量が減少する吸収材料の利点は、制御棒が引き抜かれたときに、これが徐々の、一層理想的な燃料ペレットに対する負荷増大を与えることである。この実施例の欠点は、上述した実施例に比較して製造が一層複雑なことである。
【００２５】
図２ｄは、各々の吸収ブレード６，８が制御棒２の下部から上部へ向けてその制御棒の長手方向に延在する多数のチャンネル２２，２３，２４を備えた制御棒２を示す。冷却チャンネル２２，２３，２４は吸収材料を充填される。多数のチャンネル２２が吸収ブレード６，８の外側部分に配列され、制御棒の実長さに沿って延在する。１以上のチャンネル２３，２４が十文字中心１０の最も近くに配列されており、それらはそれぞれの吸収ブレードの外側部分のチャンネル２２よりも短い。上部１５には、制御棒の下部１６に配列されている凹部１８よりも幅の広い凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃが配列されている。十文字中心１０に最も近いチャンネル２３，２４は幅の広い凹部１７ａ，１７ｂ，１７ｃの下方で、おそらく連結バー１２の取り付け部の上方にて終端している。吸収チャンネル２２，２３，２４は円形の円筒形であり、その全ては同じ直径ｄを有する。
【００２６】
本発明による制御棒２は従来の制御棒の補完品として使用することが適当である。本発明による制御棒は、原子炉の出力制御、および燃焼補償（背景技術の記載を参照）のための制御棒として使用するのに特に適している。運転サイクルのかなりの部分において、制御棒は炉心内に挿入されている。従来の制御棒に比較して上述した本発明の利点、すなわちクラッディング・チューブに対する燃料破壊の減少された危険性、燃料の良好な使用および制御棒の一層長い使用寿命、を得るために、少数の、例えば炉心の寸法および制御棒の使用方法に応じて４，８，１２または１６本の本発明による制御棒で十分である。原子炉の停止限界、すなわち安全に停止させるべき原子炉の固有の負の反応度は、運転中に炉心に挿入される制御棒によって劣化される。炉心内の少数の制御棒は本発明による形式のものだけであることから、停止限界の劣化は小さくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 沸騰水型原子炉の炉心の小さな部分を水平断面図で示し、特に燃料集合体の間の中央に制御棒が配置された４つの燃料集合体を通る断面図を示す。
【図２】 図２ａ〜図２ｄは、本発明による制御棒のさまざまな実施例を垂直断面図で示す。

Claims (10)

1. 十文字の中心（１０）を有する直角交差を形成する４つの吸収ブレード（６，７，８，９）を含む沸騰水型原子炉の制御棒（２）であり、吸収ブレードの幅は制御棒の長手方向に対して直角の半径方向の幅と一致し、吸収ブレードの長さは制御棒の長手方向の長さと一致しており、各々の吸収ブレードは制御棒の長手方向に分布する吸収材料を含み、制御棒の長手方向の単位長さ当たりの吸収材料の量の平均値は制御棒の下部（１６）におけるよりも上部（１５）の方が小さい制御棒（２）であって、
   制御棒の前記上部（１５）において、各吸収ブレードの半径方向の外側部分は吸収材料を有するが、該外側部分の半径方向の内側にあって十文字の中心（１０）に隣接する内側部分は吸収材料を有してなくて、前記内側部分の半径方向の幅が少なくとも或る部分において吸収ブレードの半径方向の幅の少なくとも１／４であり、また、各吸収ブレードの半径方向の内側部分に複数の凹部（１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１８）が十文字の中心（１０）に沿って配列されていて、前記上部（１５）における複数の凹部（１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）が前記下部（１６）における複数の凹部（１８）のうちの少なくとも大多数の凹部よりも吸収ブレードの半径方向にみた幅が広いことを特徴とする制御棒。
2. 前記上部（１５）の長さが最大で吸収ブレードの長さの１／３であることを特徴とする請求項１に記載された制御棒。
3. 前記上部（１５）における前記内側部分の半径方向の幅が少なくとも或る部分において吸収ブレードの半径方向の幅の少なくとも１／３であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された制御棒。
4. 吸収ブレードの半径方向の外側部分が内部に吸収材料を配置されて吸収ブレードの半径方向へ所定の長さに亘って延びる複数のチャンネル（１３，１４）を含み、前記上部（１５）における少なくとも大多数のチャンネル（１３）の長さは前記下部（１６）におけるチャンネル（１４）の長さよりも短いことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された制御棒。
5. 前記上部（１５）および前記下部（１６）のチャンネル（１３，１４）は基本的に等しい寸法の直径（ｄ）を有する円筒形であることを特徴とする請求項４に記載された制御棒。
6. 吸収ブレード（６，７，８，９）は制御棒の長手方向に延びて内部に吸収材料が配置された複数のチャンネル（２２，２３，２４）を含み、少なくとも大多数のチャンネル（２２）は、制御棒の半径方向にみて十文字の中心（１０）の最も近くに配列された１以上のチャンネル（２３，２４）の外方に配列されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された制御棒。
7. 十文字の中心（１０）の最も近くに配列された１以上のチャンネル（２３，２４）は、吸収ブレード（６，７，８，９）の外側部分に配列されて制御棒の半径方向にみて該１以上のチャンネル（２３，２４）の外方に配列されたチャンネル（２２）よりも短いことを特徴とする請求項６に記載された制御棒。
8. 十文字の中心（１０）の最も近くに配列された１以上のチャンネル（２３，２４）および吸収ブレード（６，７，８，９）の外側部分に配列されて制御棒の半径方向にみて該１以上のチャンネル（２３，２４）の外方に配列されたチャンネル（２２）は基本的に等しい寸法の直径（ｄ）を有する円筒形であることを特徴とする請求項７に記載された制御棒。
9. 吸収材料が硼素とハフニウムとのいずれか一方、又は双方で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載された制御棒。
10. 吸収材料が炭化硼素とハフニウム金属とのいずれか一方、又は双方で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載された制御棒。

Images