JP5162456B2 - 加圧水形原子炉の制御棒 - Google Patents

Description

本発明は加圧水形原子炉の制御棒に関する。

加圧水形原子炉の制御棒は、本質的に、円筒状吸収棒が内部に配置された円筒状被覆管から成っている。その被覆管は外側に対して密封され、ガス例えば希ガスが封入され、その封入圧力は常温において最大１．５バールである。運転時間経過につれて、中性子束高密度領域に、即ち、特に制御棒の下部部位に、中性子吸収により引き起こされる吸収棒の体積増大が生ずる。運転時間経過に伴って増大するこのスウェリング（体積膨張）と呼ばれる体積増大は、その部位において、被覆管を半径方向に膨張させ、最悪の場合にはそれを破壊させ、このために、制御棒は、計算された使用時間に到達する前に、即ち、制御棒がなお十分な中性子吸収作用を有する時点で、はやくも交換されねばならない。

製造技術上の理由から、制御棒は吸収棒と被覆管との間に約１００μｍの直径方向隙間をもって製造される（基準設計）。制御棒の使用中、その隙間は、被覆管の低クリープ、即ち、中性子照射と過圧により引き起こされる被覆管の直径収縮と、吸収棒のスウェリングとによって狭められる。

吸収棒の下部領域において顕著に生ずるスウェリングに伴う上述した問題を低減するために、および、そこでの隙間の閉塞を遅らせるために、従来、吸収棒の直径を約３５０ｍｍより短い下部区域において減少し、これにより、そこで環状隙間が直径方向に最大１３０μｍに拡大されるようにすることが知られている。これによって、吸収棒がその中に向けて膨張できる自由空間が用意される。しかし、この処置によっても、吸収棒のスウェリングに伴う被覆管膨張の十分な低減は達成されない。

本発明の課題は、吸収棒のスウェリングにより引き起こされる被覆管膨張の大きさが低減される、加圧水形原子炉の制御棒を提供することにある。

この課題は本発明に基づいて、特許請求の範囲の請求項１に記載の特徴を有する制御棒によって解決される。その特徴に応じて、制御棒は被覆管の内部に配置された吸収棒を有し、この吸収棒は、その少なくとも下部区域に、その円周面の僅か一部のみを占める少なくとも１個の凹所を備えている。

本発明は、従来公知のように制御棒の下部区域において全周にわたっておよび大きな距離にわたって拡大された隙間が存在している、という認識に基づいている。その拡大された隙間は、吸収棒から被覆管への熱伝達および被覆管から冷却水への熱伝達をかなり悪化させ、このために、その区域において吸収棒が過熱される。これは吸収棒に大きな変形を生じさせることになる。その変形は制御棒の作動中に大きな加速のために吸収棒に作用する軸方向力により引き起こされる。このクリープ変形の増大は「スランピング＝slumping」として知られ、用意された自由空間を急速に狭め、このために、その自由空間はもはや、中性子吸収による吸収棒の体積膨張分を全く、あるいは部分的にしか受け入れられなくなる。

本発明に基づいて、凹所によって、吸収棒を取り囲む中空円筒状被覆管の内部に、体積膨張する吸収棒がスウェリングのために生ずる塑性変形によって侵入できる自由空間が用意されるだけでなく、吸収棒がその少なくとも下部区域にその円周面の僅か一部のみに凹所が設けられ、即ち、その区域においてその円周面の一部に基準値よりも大きな隙間が存在しないようにする追加的な配慮が為されているので、凹所の設置にもかかわらず、外側への十分な放熱が保証される。このようにして、吸収棒はその区域において無視できる温度上昇しか生ぜず、これにより、かかる温度上昇に伴うクリープ変形の増大は、実質的に問題とならず、凹所により生ずる自由空間によって著しく過補償される。また、凹所の設置によって、吸収棒の表面積が増大され、これにより、吸収棒の作用が向上される。

この処置によって、制御棒を計算された使用時間に到達する前に交換しなければならないというリスクが低減される。

その凹所は、外周においてらせん状に延びる条溝によって、環状の溝によって、吸収棒の外周面に沿って延びる縦溝によって、あるいは軸方向に延びる孔によって形成することができる。この構造的処置は、個々にあるいは互いに組み合わせて実施できる。

その代わりに、あるいはそれに加えて、吸収棒の少なくともその片側端にテーパ部が設けられ、このテーパ部の長さが１ｍｍより長く、テーパ角が３０°より小さい、特に２°〜３０°の間である、ことによっても、拡大された隙間が発生される。

さらに、制御棒に希ガス好適にはヘリウムが封入され、その封入圧力が、常温において１．５バール（絶対圧力）より大きく、特に１０バール（絶対圧力）より大きいことによって、それに伴って改善された熱伝達によって、凹所の領域において、吸収材料の温度上昇が更に低減される。また、より高い封入圧力によって、その封入圧力が外圧に対抗するので、被覆管の上述した低クリープが低減される。その場合、封入圧力を約５０バールに増大することで、使用期間を２〜４運転サイクル高めることが期待できることが確認されている。

以下図に示した実施例を参照して本発明を詳細に説明する。

図１において、吸収棒２は本質的に円筒形状を有している。吸収棒２はその上端４と下端６が円錐状に形成され、即ち、テーパ部７ないし８が設けられている。軸方向において複数の部分棒で構成することもできる吸収棒２は、図に破線で示された被覆管３の中に組み込まれ、この被覆管３によって密封されている。ここで「下端」とは、組込み状態においておよび運転中に被覆管３と共に燃料集合体の制御棒案内管に挿入されている吸収棒２の端部を意味する。

吸収棒２はその下側テーパ部７に続く下部区域９に、環状の条溝（周溝）１０ａあるいは溝の形態の複数の凹所が設けられている。従って、これらの凹所の領域において、吸収棒２はその長手軸線に対して直角に、図に破線で示された円筒状被覆管３の長手軸線に対して直角な断面積よりかなり小さな横断面積を有している。吸収棒２は、周溝１０ａ間の部位１３に、あるいは周溝１０ａに続いて、円筒形状を有し、そこで被覆管３の直径よりほんの僅かに小さな直径を有している。従ってその部位１３には、被覆管３に対して約１００μｍの大きさの図では全く認識できない小さな隙間ｓしか存在しない。換言すれば、吸収棒２にはその下部区域９の円周面の部分部位だけに凹所が設けられている。この実施例において、周溝の深さｄは約１ｍｍ、その幅ｂは約２ｍｍであり、従って、約１ｃｍの相対間隔で７個の周溝が存在する場合、約２７０ｍｍ³の容積の自由空間が生ずる。体積膨張する吸収棒２は、被覆管３を膨張させることなく、その自由空間の中に膨張できる。

さらに図１ａから、組込み状態において吸収棒２の下部区域９が被覆管３と接触する面積がほんの僅かしか減少されず、この実施例では約１０〜２０％しか減少されない、ことが理解できる。

周溝１０ａの代わりに、図に破線で示されているように、らせん状溝１０ｂを設けることもできる。

図２は、図１ａ、図１ｂにおける吸収棒２が内部に配置されている制御棒の一部を示している。明らかに理解できるように、吸収棒２の周溝１０ａに続く部位１３において、吸収棒２と被覆管３との間に小さな隙間しか存在せず、これにより、良好な熱搬出が行われる。

図３ａ、図３ｂの実施例において、軸方向に延びる複数の縦溝１０ｃによって凹所が形成されている。これらの縦溝１０ｃは、図示の実施例において、吸収棒２の全長にわたって延び、従って、吸収棒２は対称であり、下端４と上端６を逆にすることができる。実際に、下端４から出発して約１００〜３００ｍｍの長さｌにわたる領域でしか、中性子負荷がひどく大きくなく、顕著なスウェリングが生じないために、その領域に縦溝１０ｃが設けられるだけで十分であることが分かっている。それらの縦溝１０ｃ相互間に、吸収棒２と被覆管３との間に小さな隙間しかない部位１３が存在する。

図４ａ、図４ｂの実施例において、円錐部位すなわちテーパ部７、８が、テーパ角αが２°〜３０°に縮小され、テーパ部７、８の長さｈ、即ち、円錐部位の高さが１ｍｍより大きな値に増大されている。このようにして、吸収材料が体積膨張できる大きな自由空間が作られる。テーパ角αが小さくされ且つ円錐部位の高さｈが増大されているので、吸収棒２の端面Ａの面積が同じである場合、テーパ部７、８で生ずる自由空間は拡大される。この場合も、テーパ部７、８の一方を変更するだけで十分である。一方のテーパ部例えばテーパ部７だけが変更される場合、吸収棒２の下端４は不変にされている。換言すれば、その場合には吸収棒は制御棒の被覆管内において一方向にしか配置されない。

図において追加的に、下端に中央の軸孔１０ｄの形態で凹所が設けられている。この中央軸孔１０ｄは同様に自由空間として使われ、前述あるいは後述する処置に加えて、あるいはその代わりに実施される。かかる孔１０ｄは代表的には約３ｍｍの直径Ｄと約５０〜１００ｍｍの深さＴを有している。かかる孔１０ｄが設けられるとき、被覆管の内側面への吸収棒２の接触支持面を兼ねる端面Ａの面積が、テーパ部７の相応した形成によって減少されないように注意しなければならない。

図４ａ、図４ｂに示された処置は、図１ａ、図１ｂに示された環状溝１０ａ、１０ｂと、あるいは図３ａ、図３ｂに示された縦溝１０ｄと組み合わせて採用できる。図示された条溝、溝あるいは軸孔の代わりに、異なった幾何学形状の凹所、例えば盆状窪みや孔も利用できる。重要なことは、それらによって、吸収棒がその中に体積膨張することができる補助的自由空間が生ずること、および、それらが下部区域の円周面の僅か一部のみしか占めないことだけである。

本発明に基づく吸収棒の側面図。 本発明に基づく吸収棒の平面図。 図１ａ、図１ｂにおける吸収棒を備えた制御棒の一部断面図。 本発明に基づく吸収棒の異なった実施例の側面図。 図３ａにおける吸収棒の平面図。 本発明に基づく吸収棒のさらに異なった実施例の側面図。 図４ａにおける吸収棒の平面図。

符号の説明

２ 吸収棒
３ 被覆管
１０ａ、ｂ 環状溝
１０ｃ 縦溝

Claims (5)

1. 被覆管（３）の内部に配置された吸収棒（２）を備え、該吸収棒（２）を上部区域と下部区域とに分け、前記下部区域（９）に、該下部区域（９）の外周に少なくとも１個の溝状の凹所を設けることにより、前記吸収棒（２）を取り巻く被覆管（３）の内部に自由空間を形成し、前記吸収棒（２）の下部区域において前記凹所の存在しない部分の直径を、前記吸収棒（２）の上部区域の直径と同一直径であって前記被覆管（３）の直径よりも小さい直径とした加圧水形原子炉の制御棒であって、前記少なくとも１個の溝状の凹所として、吸収棒（２）の外周に軸方向に延びる縦溝（１０ｃ）を有することを特徴とする加圧水形原子炉の制御棒。
2. 吸収棒（２）の下端部に軸方向に延びる孔（１０ｄ）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の制御棒。
3. 吸収棒（２）の少なくともその片側端にテーパ部（７、８）が設けられ、該テーパ部（７、８）の長さ（ｈ）が１ｍｍより長く、テーパ角（α）が３０°より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の制御棒。
4. テーパ角（α）が２°〜３０°の間であることを特徴とする請求項３に記載の制御棒。
5. 希ガスが封入され、その封入圧力が常温において１．５バールを超えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の制御棒。

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