JP5456313B2

JP5456313B2 - グレイ棒及びグレイ棒制御集合体

Info

Publication number: JP5456313B2
Application number: JP2008524099A
Authority: JP
Inventors: フェターマン，ロバート，ジェイ; スパロウ，ジェームズ，エイ
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2026-07-24
Also published as: KR101319212B1; KR20080028439A; US7412021B2; EP1908080A4; RU2008106953A; WO2007014260A2; EP1908080B1; WO2007014260A3; RU2407078C2; US20070036260A1; JP2009503512A; CN101223607A; EP1908080A2; CN101223607B; ES2544245T3

Description

本発明は、一般的に、原子炉に係り、さらに詳細には、改良設計のグレイ棒制御集合体（ＧＲＣＡ）に係る。

背景情報

原子力発電所の原子炉により発生される電力は、一般的に、炉心内で制御棒集合体を昇降させることにより制御され、また、原子力発電所から得られる電力の需要変化に対処するために必要な原子炉出力の変化は普通、負荷追従と呼ばれる。例えば、米国特許第４，０７９，２３６号に記載されるように、負荷追従には運転上の課題が多数ある。例えば、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）は、負荷追従時に反応度を制御する必要があり、また、出力レベルの変化に応じて生じる炉心内の軸方向出力分布の変化に対応しなければならない。

現代の炉心中の燃料集合体は通常、反応度を制御するために２種類の棒制御集合体、即ち、棒クラスタ制御集合体（ＲＣＣＡ）及びグレイ棒制御集合体（ＧＲＣＡ）を使用する。これらの制御集合体は共に、複数の中性子吸収棒が上端部で共通のハブまたはスパイダ集合体に固着されたものである。棒の本体は一般的に、銀・インジウム・カドミウム吸収材のような中性子吸収材を収納したステンレス鋼の管体であり、これらの棒は燃料集合体の案内シンブル管内を摺動し、スパイダ集合体の頂部近くの制御駆動機構により案内シンブル管内の棒の運動が制御される。このように棒を制御された態様で挿入したり引き抜いたりして原子炉の出力レートが一般的に制御される。

ＧＲＣＡは一般的に負荷追従操作に使用されるが、その理由は、通常当該技術分野において「グレイ棒」と呼ばれる価値を減少させた制御棒より成るためである。グレイ棒は、原子炉の冷却材内の可溶性ホウ素の濃度変化を必要とする化学的粗調整とは異なる機械的粗調整（ＭＳＨＩＭ）反応度機構を提供するものとして知られている。従って、グレイ棒の使用により原子炉の一次冷却材を日単位で処理する必要性が最小限に抑えられるため、運転が非常に単純化される。さらに詳細には、既存設計のＧＲＣＡは通常、スパイダに上端部が固着された２４本の小棒より成る。クラスタ内の２４本の小棒のうち４本の棒だけが吸収棒であるが、これらの吸収棒内に収納された中性子吸収材は通常、約８５％の銀、約１０％のインジウム、約５％のカドミウムより成る。かかる設計には幾つかの問題点がある。

公知のＧＲＣＡの問題点の１つとして、インジウムとカドミウムは比較的大きな中性子断面積を有するため比較的短い期間で減損することがある。その結果、かかるＧＲＣＡの棒価値は約５年、即ち１８ヶ月の燃料サイクルの３回分以内に初期値の約８０％に減少し、棒価値が引き続き減少するとＧＲＣＡは負荷追従時の原子炉の制御ができなくなる。このため、ＧＲＣＡを度々交換しなければならないという問題が生じる。第２の問題点は、吸収棒が内部にある４本の案内シンブル管近傍にある燃料棒の局部棒出力の変化に関連がある。詳述すると、吸収材は４本の小棒に局在化するため、例えば棒を引き出す時に燃料棒の通称デルタ出力が急激に変化する。棒の引き出しは燃料集合体からＧＲＣＡを引き抜くプロセスであり、公知設計のＧＲＣＡではデルタ出力の急激な変化が生じる。詳述すると、比較的多量の吸収材がたった４本の棒に閉じ込められているため、局部的出力密度が高い、例えば棒引き出し時にこれらの棒内に有意な量の熱が発生する。これはバルク沸騰、銀スエリング及び関連の問題を発生させることがある。長年、業界内で未解決であった銀スエリングがしばしば発生するが、その理由は、銀はカドミウム及びインジウムと比べて減損速度が遅いが、これら３つの吸収材のうちフルエンスまたは吸収率が最大であるため、過度の発熱及びスエリングを起こしやすいからである。吸収材はスエリングが大きすぎるとそれを囲む被覆と接触して割れを生ぜしめる可能性がある。

従って、原子炉のＧＲＣＡを改良する余地が存在する。

発明の概要

上記及び他のニーズは、改良型中性子吸収材、改良型グレイ棒集合体及び負荷追従運転を可能にし、負荷追従に関連する公知の問題を克服するようなグレイ棒の分布を提供する改良型グレイ棒制御集合体（ＧＲＣＡ）に係る本発明により充足される。

本発明によると、原子炉のグレイ棒制御集合体のグレイ棒であって、原子炉は各々が多数の実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された複数の細長い燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びるように配置された複数の案内シンブル管とより成る多数の燃料集合体を有し、グレイ棒制御集合体は半径方向に延びる複数のアームを備えたスパイダ集合体を含み、スパイダ集合体は各グレイ棒を案内シンブル管のうちの１つのシンブル管の内部で移動させることにより原子炉が発生する出力レートを制御する構造を備えており、グレイ棒は、第１の端部、第２の端部、外径及び長さを有する細長い管状部材と、細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするテイパー付きの第１の端部プラグと、細長い管状部材の第２の端部に結合され、棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合される構造を備えた第２の端部プラグと、細長い管状部材内の第１の端部の方に配置され、直径が細長い管状部材の直径より実質的に小さく、長さが細長い管状部材の長さよりも短く、中実単片部材である、実質的に純粋な銀の中性子吸収材と、中性子吸収材と、細長い管状部材との間に位置して、細長い管状部材内で中性子吸収材を取り囲むことにより、中性子吸収材のスエリングを抑制する、単片部材としての支持管とより成り、中性子吸収材は支持管内に実質的に同心的に配置され、中性子吸収材の外径と細長い管状部材の内径との間の空間により実質的に画定される支持管の壁厚は細長い管状部材の壁厚よりも大きいため、細長い管状部材をシンブル管に挿入した時の中性子吸収材の露出表面積が最小限に抑えられることを特徴とするグレイ棒が提供される。

中性子吸収材は実質的に純粋な銀より成る。中性子吸収材は細長い管状部材内に実質的に同心的に配置され、支持管の壁厚は中性子吸収材の外径と細長い管状部材の内径との間の空間により実質的に画定される。支持管はステンレス鋼より作製され、実質的に純粋な銀の吸収材を封じ込んで吸収材の銀スエリングを抑制する。

本発明によると、原子炉のグレイ棒制御集合体であって、原子炉は各々が多数の実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された複数の細長い燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びるように配置された複数の案内シンブル管とより成る複数の燃料集合体を有し、グレイ棒制御集合体は、半径方向に延びる複数のアームを備えたスパイダ集合体と、スパイダ集合体のアームに結合され、各グレイ棒を案内シンブル管のうちの１つの内部で移動させることにより原子炉が発生する出力レートを制御する構造を備えた複数のグレイ棒とより成り、各グレイ棒は、第１の端部、第２の端部、外径及び長さを有する細長い管状部材と、細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするテイパー付きの第１の端部プラグと、細長い管状部材の第２の端部に結合され、棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合される構造を備えた第２の端部プラグと、細長い管状部材内の第１の端部の方に配置され、直径が細長い管状部材の直径より実質的に小さく、長さが細長い管状部材の長さよりも短く、中実単片部材である、実質的に純粋な銀の中性子吸収材と、中性子吸収材と、細長い管状部材との間に位置して、細長い管状部材内で中性子吸収材を取り囲むことにより、中性子吸収材のスエリングを抑制する、単片部材としての支持管とより成り、中性子吸収材は支持管内に実質的に同心的に配置され、中性子吸収材の外径と細長い管状部材の内径との間の空間により実質的に画定される支持管の壁厚は細長い管状部材の壁厚よりも大きいため、細長い管状部材をシンブル管に挿入した時の中性子吸収材の露出表面積が最小限に抑えられることを特徴とするグレイ棒制御集合体をも提供される。

中性子吸収材は複数のグレイ棒集合体のうちの全てのグレイ棒に分布される。さらに詳細には、改良型グレイ棒集合体は２４本のグレイ棒を含み、中性子吸収材は集合体の２４本全てのグレイ棒にほぼ等しく分布している。

開示の簡略化のため、本発明を表示名ＡＰ１０００で商業的に知られた加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉心について説明する。ＡＰ１０００は、ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーにより設計された原子炉である。ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーは米国ペンシルベニア州モンロービルに事業所を有する。ＡＰ１０００への言及は例示目的に限られ本発明の範囲を限定するものではない。従って、本発明のＧＲＣＡの実施例は多種多様な他の原子炉にも利用可能である。

本明細書中で使用する、例えば上方、下方、頂部、底部、左、右のような方向を表す語句及びこれらの派生語句は図面に示す要素の方向に係り、特に断らない限り特許請求の範囲を限定するものではない。

２またはそれ以上の部品が「結合」されるという説明は、これらの部品が直接または１またはそれ以上の中間的部品を介して結合されることを意味する。

本明細書中で使用する用語「数」は１及びそれより多い（即ち複数）を意味するものである。

燃料集合体
図面、特に図１を参照して、該図は原子炉の燃料集合体を垂直方向において短縮し、参照番号１０で総括表示した立面図である。燃料集合体１０は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に用いるタイプであり、下端部の下部ノズル１２と、上端部の上部ノズル１６と、下部ノズル１２と上部ノズル１６の間を縦方向に延びて両端部をそれらに剛性的に固着された多数の案内シンブル管１８とを有する構造的躯体であり、下部ノズル１２は原子炉炉心（図示せず）の下部炉心支持板１４上に燃料集合体１０を支持するものである。

燃料集合体１０はさらに、案内シンブル管１８に沿って軸方向に離隔した関係で該シンブル管に取り付けられた複数の横方向格子２０と、格子２０により横方向に離隔した関係で支持された細長い燃料棒アレイ２２とを有する。集合体１０はまた、中央にあって下部ノズル１２と上部ノズル１６との間を延びそれらに取り付けられた計装管２４を有する。部品の上述した配置から、燃料集合体１０は集合体の部品を損傷させずに容易に取り扱えるようにした一体的ユニットを形成することがわかるであろう。

上述したように、燃料集合体１０の燃料棒アレイ２２は燃料集合体の長さ方向に離隔した格子２２により互いに離隔した関係で保持される。各燃料棒２２は原子燃料ペレット２６を含んでおり、両端部は上端部プラグ２８と、下端部プラグ３０とにより閉じられている。ペレット２６は上端部プラグ２８と、ペレット積層体頂部との間に位置するプレナムばね３２により積層状に維持される。核分裂物質より成る燃料ペレット２６は原子炉の反応出力を発生させる元となる。水またはホウ素を含む水のような液体の減速材／冷却材は下部炉心板１４の複数の流れ開口を介して燃料集合体内を上方に圧送される。燃料集合体１０の下部ノズル１２は冷却材を燃料集合体の案内シンブル管１８を介して、また、燃料棒２２に沿って、上方に送ることにより、燃料棒内で発生する熱を抽出して利用可能な仕事を発生させる。核分裂プロセスを制御するため多数の制御棒３４が燃料集合体１０の所定位置にある案内シンブル管１８内で往復移動可能である。上部ノズル１６の上方に位置するスパイダ集合体３９は制御棒３４を支持する。

図２Ａ及び２Ｂは図１の燃料集合体１０から取り外した制御棒集合体３６を示す。一般的に、制御棒集合体３６は、複数の半径方向に延びるアーム３８を備え、内部にねじ山のある円筒状部材３７を有するが、これらのアームは図２Ｂに最も良く示されるようにスパイダ集合体３９を構成する。上述したように、各アーム３８には制御棒３４が相互接続されているため、制御棒集合体３６は制御棒３４を案内シンブル管１８（図１）の内部で垂直方向に移動させて、全て周知の態様で燃料集合体１０（図１）内の核分裂プロセスを制御する。例示する制御棒集合体は改良型グレイ棒３４を備えた改良型グレイ棒集合体（ＧＲＣＡ）３６であるが、その点を除き、上述した全ての事項は一般的に当該技術分野において周知である。

改良型ＧＲＣＡ
図２Ａ及び２Ｂを引き続き参照して、制御棒の一般的構成を説明する。上述したように、価値が低いグレイ棒により与えられる粗調整（ＭＳＨＩＭ）能力を利用するために、ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーのＡＰ１０００型原子炉用の既存の制御棒集合体のような公知の制御棒集合体はＧＲＣＡを用いている。しかしながら、現在設計のＡＰ１０００型原子炉のＧＲＣＡは、上述したように、図２Ｂで略示する構成の２４本の棒を有するが、これら２４本の棒のうち２０本はステンレス鋼（例えば、ＳＳ−３０４であるが、これに限定されない）製の水排除棒であり、４本だけが中性子吸収棒である。従って、本質的に全ての中性子吸収材はＧＲＣＡ内のただ４本の棒に局在化され隔離されている。

さらに、既存のＡＰ１０００の吸収材は約８５％の銀、約１０％のインジウム、約５％のカドミウムより成るＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材より成る。この吸収材は公知の標準型全強度棒クラスタ制御集合体（ＲＣＣＡ）について同じであり、２４本全ての棒がＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄより成る。上述したように、また図３について述べるように、インジウムとカドミウムは減損が速いことで知られている。ＲＣＣＡは出力動作時において炉心内で最小の時間を過ごす。従って、このような減損は問題とならない。しかしながら、ＡＰ１０００の機械的粗調整（ＭＳＨＩＭ）動作では、例えば、ＧＲＣＡは運転サイクルの最大半分にわたる時間の間炉心内に存在すると予想される。これらの運転状態の下では、減損が速いため既存のＧＲＣＡを約５年毎に交換する必要がある。本明細書中で詳説するように、ほかの利点のうち、本発明のＧＲＣＡはこの減損が速いという問題を克服し、また、４本のＲＣＣＡ棒を有する伝統的ＧＲＣＡを炉心から引き抜く時に経験する望ましくない局部的出力スパイクを実質的に回避する。

上述した吸収材の減損問題は図３を参照するとさらに理解が深まるであろう。図３は銀の２種類の同位元素及びインジウムの２種類の同位元素の減損速度と、カドミウムの減損速度とを示すグラフである。さらに詳細には、銀１０７（Ａｇ−１０７）、銀１０９（Ａｇ−１０９）、インジウム１１３（Ｉｎ−１１３）、インジウム１１５（Ｉｎ−１１５）及びカドミウム（Ｃｄ）の減損の様子をそれぞれ線１００、１０２、１０４、１０６、１０８で比較表示する。図示のように、銀の同位元素の線１００及び１０２は比較的ゆっくりした線形の減損速度を有するが、インジウム１１５の線１０６と、カドミウムの線１０８は非線形的に急減する。詳述すると、インジウム１１５（線１０６）及びカドミウム（線１０８）が急速に減損すると、たった５年の運転期間で吸収強度を約２０％失うことになる。上述したように、このため、負荷追従時にＧＲＣＡの原子炉制御能力が減少し、最終的にＧＲＣＡを度々交換しなければならなくなって、望ましくない。本発明は、他の改良点のなかでとりわけ、既存のＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材と比較して減損が改善された異なる中性子吸収材を用いる改良型グレイ棒集合体を使用することによりこれらの問題点を克服するものである。

詳述すると、図４は本発明の例示的な中性子吸収材または吸収材１１０の減損速度を既存のＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材１１２と比較して示すグラフである。図３のグラフのように、減損を吸収材１１０、１１２の寿命に対する相対的な価値により年数でグラフ表示したものである。特に、本発明は既存のＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材１１２を実質的に純粋な銀より成る吸収材１１０で置き換える。本明細書中で使用する用語「実質的に純粋な銀」及び「純粋な銀」は、ほとんど全体が銀元素より成り、吸収材中に存在する不純物は量が少なすぎるため一般的に無視できる吸収材について言及するために互換的に使用する。図４に示すように、純粋な銀を用いると、吸収材の減損速度が有意に減少し、改良型ＧＲＣＡ３
６（図２Ａ）の有効原子寿命が約１５−２０年、あるいは１８ヶ月のサイクルの約１０乃至１３回分に延長される。これは既存のＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材のたった約５年または１８ヶ月サイクルの３回分の上述した有効寿命と比較すると驚異的な改善であるだけでなく、別の利点として、例示的な純粋な銀の吸収材１１０は指数関数的に急速に減損する既存のＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材１１０に対して比較的緩やかで、実質的に線形的に減損する。例示的な吸収材１１２の有効寿命が延長されるため、改良型ＧＲＣＡ３６（図２Ａ）は制御棒の厳しい寿命条件を満たすことができる。例えば、ＧＲＣＡ３６は運転サイクルの最長で約半分またはそれ以上の間の長い期間炉心内で動作することができる。

本発明の例示的な純粋な銀吸収材１１０を成功裏に採用するためには、多数の障害を克服する必要があった。事実、放射線にさらされると、例えば、高フルエンス及びそれに関連する銀スエリングのような望ましくない結果が生じることが知られている銀のある特定の性質を考慮すれば、純粋な銀吸収材の使用は当該技術分野で公知であり公用されていることに対しどちらかと言えば反直感的である。さらに詳しくは、上述したように、銀はカドミウム及びインジウムと比べてフルエンス（例えば吸収能力）が高いため、炉心に挿入されて放射線にさらされると最も大きいスエリングを生ぜしめることが予想され、また、上述したように、かかる銀スエリングは被覆に望ましくない歪みを発生させて被覆が割れることがある。これにより、とりわけ原子炉冷却材の汚染に至ることになる。従って、以下に述べるように、本発明の改良型ＧＲＣＡ３６の別の局面として、ＧＲＣＡ３６のグレイ棒集合体３４を再設計し、集合体３６内の例示的な吸収材１１０の配置を銀の上述した望ましくない特性に着目してそれを抑制しながら銀が持つ利点（例えば、優れた減損速度）が得られるように変更した。

図５及び６は本発明の改良型グレイ棒３４を示す。図５に示すように、グレイ棒３４は一般的に、炉心（図１）内で下端部である第１の端部４０と、第２の端部４２（例えば、図１の斜視図で上端部）とを有する。第１の、または下端部４０はテイパー付きの端部プラグ４４を有する。かかるテイパーを付与した設計により燃料集合体１０（図１）の案内シンブル管１８（図１）への棒３４の導入が容易になる。第２の、または上端部４２は上端部プラグ４６を備えている。このプラグは、スパイダ集合体３９に（図２Ａに最もよく示される）公知の態様で（例えば相補的な雄ねじ／雌ねじ螺着構成であるが、これに限定されない）係合及び固定する構造を有する。細長い管状部材４８は上端部プラグ４６と下端部プラグ４４との間を延びる。例示的な管状部材は３０４ステンレス鋼で作製したステンレス鋼管体４８であるが、他の公知の、または適当な別の材料で作製した管体も考えられる。図示説明した例において、管体４８の外径５０は約０．３８インチ（０．９７ｃｍ）、グレイ棒３４の全長５２は下端部プラグ４４の頂部から上端部プラグ４６の底部までで約１７１．８４インチ（４３６．４９ｃｍ）である。しかしながら、本発明の思想は広い範囲の原子炉に使用される任意適当な長さ及び幅を有する棒に等しく適用可能であることがわかるであろう。

吸収材１１０（例えば、純粋な銀）は、図５及び６から明らかなように、中実で単片の部材であり、表面積が上述したＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材のような公知の吸収材と比べて小さくなるように管体４８の下半分内に位置する。詳述すると、図６の断面図に最もよく示されるように、例示的な純粋な銀吸収材１１０の直径５４は管状の棒４８の外径５０よりも実質的に小さいが、既存の吸収材（図示せず）の直径は管状の棒４８の内径（番号なし）と相対的に等価の直径を有する。吸収材の直径５４をこのように減少させると吸収材１１０の露出表面積が実質的に減少する。これは既存の吸収材（図示せず）と比べて吸収材の長さ５６（図５）を増加してもそうであるが、その理由は、表面積の関係式Π xｄxＬ（ｄは吸収材１１０の直径５４、Ｌは吸収材１１０の長さ５６）により規定されるように、吸収材１１０の直径５４の有意な減少が長さ５６の最小限の増加よりも有効であるからである。図５の例における吸収材１１０の長さ５６は約１６６インチ（４２１．６４ｃｍ）であるが、グレイ棒３４の他の寸法と同様に、この値は本発明の範囲から逸脱することなく変更可能である。本発明の吸収材１１０の表面積の減少は、放射線への露出時の銀の悪い副次的影響（例えば、銀スエリング及びその結果としてシンブルの割れがあるが、これらに限定されない）を少なくする１つの手段である。

例えば、過大な銀スエリングに対して保護するための第２の措置として、図示のように吸収材１１０を封じ込める保護被覆管または支持管５８を付加することがある。詳述すると、支持管５８は単片の部材であり、管体４８の壁厚よりも大きい比較的厚い壁厚６０を有する。従って、支持管５８は吸収材１１０の外方への膨張に抵抗し、その結果として被覆に生じる歪みを抑制できる比較的大きい強度を有する。逆に、この例示的な支持管５８は吸収材１１０に内向きの圧縮力を加えて該吸収材を封じ込めることによりスエリングを抑制する。例示的な支持管５８は３０４ステンレス鋼のようなステンレス鋼で作られるが、他の公知の、または適当な材料を用いてもよい。上述した点に鑑みて、例示的な吸収材１１０及びグレイ棒集合体３４は例示的な支持管５８による強度増加という機械的な利点と、吸収材１１０の表面積、従って放射線に露出される銀の量を最小限に抑えることにより特定出力レベルで発生する熱を少なくするという付加的な原子レベルの利点を提供する。これによりバルク沸騰が抑制される（後述する）。

従って、本発明の例示的なグレイ棒３４は実質的に純粋な銀吸収材１１０を用いることにより原子寿命を延長する。高い局部的出力密度の時のバルク沸騰や、吸収材スエリング並びにそれによる被覆の割れを上述したように抑制するだけでなく、本発明のＧＲＣＡ３６の全体設計は一般的に棒の操作時における線形熱速度マージンを改善する。詳述すると、例示的なＧＲＣＡは上述した既存のＡＰ１０００のようにただ４本の棒に吸収材を局在化させるのではなく、制御集合体３６の２４本の棒３４全てに吸収材１１０を分布させる。ＧＲＣＡ棒３４全てに吸収材１１０を分布させると、炉心からＧＲＣＡ３６を取り出す時の局部的燃料棒出力（デルタ出力）の変化が減少し、運転マージンが改善される。詳述すると、吸収材１１０を２４本の棒全てに分布させることにより、各棒３４内の吸収材１１０の量を減少させ、各棒３４内で発生する熱量を減少させて、高い局部的出力密度状態の下でシンブル管１８内のバルク沸騰の危険を抑制する。現在設計の４本のＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材と比べて、減少する吸収材１１０の正確な量は本発明を限定するものではない。

上記に鑑みて、例示的なグレイ棒集合体３４は、支持管５８、実質的に純粋な銀より成る全く異なる吸収材１１０、吸収材１１０の有意に小さい直径（例えば直径５４）及び減少した量の吸収材１１０並びに全てのグレイ棒３４にわたる吸収材１１０の分布のような特徴的改良点の組み合わせを含むように再設計されている。従って、本発明のＧＲＣＡ３６は、棒３４の１本あたりの中性子吸収材１１０の量を減少させ、吸収材１１０を集合体３６の全てのグレイ棒３４に実質的に均等に分布させることにより、当該技術分野で知られた上記問題点に対処し、実質的にこれらを克服するものである。改良型ＧＲＣＡ３６の
利点は図７及び８を参照するとさらに良く理解されるであろう。

図７は、従来型燃料集合体１０´の８分の１を示す概略図または単純化した図であり、該図は図８の例示的設計との比較のために、従来型ＧＲＣＡ（図示せず）が燃料集合体１０´から引き出される時に前に吸収棒（図７に図示せず）が内部にあったシンブル管１８´を取り囲む燃料棒２２´により経験される局部出力の比較的大きな増加を示す。図７に示す数は、ＧＲＣＡが燃料集合体１０´から引き抜かれるとそれに応答して生じる棒出力の百分率変化を表す。公知の局在化吸収材の悪い影響が示されている。詳述すると、図示のように、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材を収容するシンブル管１８´近傍の燃料棒２２´は、出力が隔離された、または局在化された態様で急激に変化する。上述したように、出力のかかる劇的な変化は過大な熱、従ってバルク沸騰及びスエリング並びに被覆の割れの問題を発生させるため望ましくない。

図８は、本発明のＧＲＣＡ設計３６（図２）がこれらの問題を克服するのを確認するものである。詳述すると、図８を図７と比較して、燃料集合体１０の同じ８分の１部分を、例示的なＧＲＣＡ３６（図２）及びグレイ棒３４（図２、５及び６）が燃料集合体１０から引き抜かれている棒引き抜き後の状態で示す。図示のように、吸収棒（図８に図示せず）を収容するシンブル管１８を取り囲んだ棒の出力変化は図７の例の値を比べると実質的に小さい。詳述すると、図８の例に示すように、本発明のＧＲＣＡ３６の棒出力の最大百分率変化は約８．９％であって、これは図７に示す従来型ＧＲＣＡの棒出力の約２２％の百分率変化に比べると有意な改善である。上述したように、この改善は、その大きな部分が吸収棒３４（図８に図示せず）が合計４本のシンブル１８´にある場合と比較して２４本全てのシンブル管１８に分布していることによるものである。例えば、図７の燃料集合体１０´の８分の１部分にはただ１本の吸収材の場所１８´が示されているが、図８の例示的な設計では複数の吸収材の場所１８が示されている。要約すると、本発明のＧＲＣＡ３６の、実質的に純粋な銀吸収材１１０、棒３４の１本あたりの吸収材の小さいサイズ、吸収材の被覆または支持管５８、及び全ての棒３４にわたる吸収材１１０の分布の組み合わせにより、ＧＲＣＡ３６の各棒３４の中性子吸収能力は約６分の１減少し、これにより、例えば、ＧＲＣＡ３６が集合体１０から引き抜かれる時の局部的棒出力（デルタ出力）の変化が減少する。本発明のＧＲＣＡ３６の改良点を個々にまたは任意公知のまたは適当な組み合わせで用いてもよいことがわかる。例えば、限定の目的でなく、上述した、例示的な実質的に純粋な銀吸収材１１０以外の吸収材を、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明に従って、例示的な小さいサイズで分布させ、用いることができる。

従って、本発明は、是認された減損速度及びバルク沸騰及び銀スエリング並びに被覆の割れに対する抵抗力を示す改良型ＧＲＣＡ３６を提供する。

本発明を特定の実施例につき詳細に説明したが、当業者は本願の開示全体に鑑みてこれら詳細事項に対する種々の変形例及び設計変更を想到できることがわかる。従って、開示した特定の構成は例示的なものであって本発明の範囲を限定するものではなく、その範囲は頭書の特許請求の範囲の全幅及びその任意の均等物範囲を与えられるべきである。

垂直方向で短縮して示した燃料集合体と、その制御棒集合体とを、部分的に隠れたラインで示す立面図である。燃料集合体から取り外した図１の制御棒集合体の部分断面立面図である。図２Ａの制御棒集合体の制御棒スパイダ集合体の頂部平面図である。種々の中性子吸収材の減損速度を比較のために示すグラフである。本発明による実質的に純粋な銀吸収材の減損速度を従来技術のＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材の減損速度と比較して示すグラフである。本発明による改良型グレイ棒の部分断面立面図である。図５の線６−６に沿う断面図である。従来技術の燃料集合体の８分の１の概略図であり、従来技術のＧＲＣＡを棒引き出し時に炉心から取り出した後の棒の出力変化を示す。燃料集合体の８分の１の概略図であり、本発明の改良型ＧＲＣＡを用いる燃料集合体を炉心から取り出した後の棒出力の変化を示す。

Claims

原子炉のグレイ棒制御集合体のグレイ棒であって、原子炉は各々が多数の実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された複数の細長い燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びるように配置された複数の案内シンブル管とより成る多数の燃料集合体を有し、グレイ棒制御集合体は半径方向に延びる複数のアームを備えたスパイダ集合体を含み、スパイダ集合体は各グレイ棒を案内シンブル管のうちの１つのシンブル管の内部で移動させることにより原子炉が発生する出力レートを制御する構造を備えており、
グレイ棒は、
第１の端部、第２の端部、外径及び長さを有する細長い管状部材と、
細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするテイパー付きの第１の端部プラグと、
細長い管状部材の第２の端部に結合され、棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合される構造を備えた第２の端部プラグと、
細長い管状部材内の第１の端部の方に配置され、直径が細長い管状部材の直径より実質的に小さく、長さが細長い管状部材の長さよりも短く、中実単片部材である、実質的に純粋な銀の中性子吸収材と、
中性子吸収材と、細長い管状部材との間に位置して、細長い管状部材内で中性子吸収材を取り囲むことにより、中性子吸収材のスエリングを抑制する、単片部材としての支持管とより成り、
中性子吸収材は支持管内に実質的に同心的に配置され、中性子吸収材の外径と細長い管状部材の内径との間の空間により実質的に画定される支持管の壁厚は細長い管状部材の壁厚よりも大きいため、細長い管状部材をシンブル管に挿入した時の中性子吸収材の露出表面積が最小限に抑えられることを特徴とするグレイ棒。
支持管はステンレス鋼より作製されている請求項１のグレイ棒。
原子炉のグレイ棒制御集合体であって、原子炉は各々が多数の実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された複数の細長い燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びるように配置された複数の案内シンブル管とより成る複数の燃料集合体を有し、
グレイ棒制御集合体は、
半径方向に延びる複数のアームを備えたスパイダ集合体と、
スパイダ集合体のアームに結合され、各グレイ棒を案内シンブル管のうちの１つの内部で移動させることにより原子炉が発生する出力レートを制御する構造を備えた複数のグレイ棒とより成り、
各グレイ棒は、
第１の端部、第２の端部、外径及び長さを有する細長い管状部材と、
細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするテイパー付きの第１の端部プラグと、
細長い管状部材の第２の端部に結合され、棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合される構造を備えた第２の端部プラグと、
細長い管状部材内の第１の端部の方に配置され、直径が細長い管状部材の直径より実質的に小さく、長さが細長い管状部材の長さよりも短く、中実単片部材である、実質的に純粋な銀の中性子吸収材と、
中性子吸収材と、細長い管状部材との間に位置して、細長い管状部材内で中性子吸収材を取り囲むことにより、中性子吸収材のスエリングを抑制する、単片部材としての支持管とより成り、
中性子吸収材は支持管内に実質的に同心的に配置され、中性子吸収材の外径と細長い管状部材の内径との間の空間により実質的に画定される支持管の壁厚は細長い管状部材の壁厚よりも大きいため、細長い管状部材をシンブル管に挿入した時の中性子吸収材の露出表面積が最小限に抑えられることを特徴とするグレイ棒制御集合体。
中性子吸収材は複数のグレイ棒の全てに分布している請求項３のグレイ棒制御集合体。
複数のグレイ棒は２４本のグレイ棒より成り、中性子吸収材は２４本全てのグレイ棒にほぼ等しく分布している請求項４のグレイ棒制御集合体。
支持管はステンレス鋼より作製されている請求項３のグレイ棒制御集合体。