JP6030548B2 - 軽水炉原子炉用の制御棒及びその使用 - Google Patents

Description

本発明は軽水炉原子炉用の制御棒に関する。本発明はまた、かかる制御棒の使用に関する。

軽水炉原子炉において、中性子減速材として水が使用される。２種類の軽水炉原子炉、すなわち、沸騰水型原子炉、ＢＷＲ、および加圧水型原子炉、ＰＷＲが存在する。両方の種類の軽水炉原子炉において、いくつかの種類の制御棒が、核反応を制御または停止させるために使用されている。そのような制御棒は中性子吸収材を含む。一般的な中性子吸収材は炭化ホウ素、Ｂ_４Ｃである。この材料は例えば特許文献１に記載されている。使用され得る別の材料は、純粋なハフニウムまたは少しの他の材料の添加物を含むハフニウムである。これは例えば特許文献２に記載されている。大きなプレートのハフニウムを含む制御棒を使用することも知られている。そのような制御棒は通常、水のためのチャネルを含む。例えば特許文献３はハフニウムプレートを有する制御棒を記載している。

非特許文献１は、軽水炉に関しないが、完全に異なる種類の原子炉、すなわち、いわゆる高速炉に関する。高速炉において、核分裂反応は高速中性子を用いて維持される。このような原子炉は通常、中性子減速材を必要としない。従って、高速炉において、中性子減速材として機能する水は存在しない。また、高速炉において使用される核燃料物質は、軽水炉において使用されるものと異なる。非特許文献１は、高速炉の制御棒において吸収材としてＢ_４Ｃを用いる場合に起こり得る問題を記載している。非特許文献１は、炭化ホウ素が使用される場合、ヘリウムガスが生成され、それにより、吸収材が膨張し、吸収材周囲の材料に対して損傷を生じさせる場合があるということを記載している。この問題を回避するために、吸収材としてハフニウムの使用を目的とすることが非特許文献１において議論されている。非特許文献１の２２１４ページにおいて、ハフニウムは熱中性子に対して良好な吸入能を有するので、ハフニウムが軽水炉において使用されていることが記載されている。非特許文献１（２２１４ページ）は、高速炉において吸収材としてハフニウムを用いるという見聞はこれまでないと記載している。なぜなら、高速炉においてハフニウムの中性子捕獲能は軽水炉と比べて低いからである。非特許文献１は、高速炉における吸収材として水素化ハフニウムの使用を示唆している。なぜなら、水素化ハフニウムは、高速炉においてハフニウムより良好な中性子吸収能を有し、また、水素化ハフニウムは、中性子減速材としても機能するからである。すなわち、高速中性子は減速し、従ってより良く吸収され得る。

国際公開第００／００２２０５ Ａ１号パンフレット 米国特許第５，３３０，５８９号明細書 米国特許第６，１３７，８５４号明細書

「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｒｏｄ ｏｆ Ｈａｆｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｉｄｅ ｆｏｒ Ｆａｓｔ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」，Ｋｏｎａｓｈｉら，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＣＡＰＰ ’０６ Ｒｅｎｏ，ＮＶ ＵＳＡ，２００６年、６月４−８日，２２１３−２２１７ページ

本発明の目的は、軽水炉のための改良された制御棒を提供することである。従って、１つの目的は、作動の間、不都合を生じ得る、制御棒において起こり得る寸法変化を防ぐことである。上述のようにハフニウムは、軽水炉に関する吸収材として知られている。しかしながら、ハフニウムは、軽水炉における使用中、水素をピックアップし得る。すなわち、ハフニウムは水素化される。ピックアップされる水素は特に、軽水炉に存在する水が起源であり得る。水素のピックアップは、吸収材の寸法が作動中に変化し得るという事実を導く。これは、制御棒における亀裂の危険性を増加させ得る。これはまた、制御棒が曲がるような張力の生成を導き得る。本発明の１つの目的はこのような不都合を回避することである。本発明のさらなる目的は、特に、吸収材として炭化ホウ素を含有する制御棒において起こり得る、ヘリウムガスの生成を回避することである。

前記目的は本発明に係る制御棒により達成される。制御棒は、ＢＷＲまたはＰＷＲ種類の軽水炉原子炉のために構成され、制御棒は吸収材を含有する。制御棒における吸収材の重量に対して少なくとも５０％が、水素化ハフニウムの形態である。

制御棒における吸収材の重量に対して少なくとも５０％が水素化ハフニウムの形態である場合、制御棒の特定の部分が水素化ハフニウム以外の他の吸収材を含んでもよいことを意図する。しかしながら、制御棒における吸収材の少なくとも半分は、このように水素化ハフニウムの形態である。

吸収材が、「水素化ハフニウムの形態である」と言われる場合、この材料は、純粋な水素化ハフニウムまたは材料が他の物質を含有する場合、それらの物質は、重量に対して５％未満、好ましくは重量に対して１％未満の非常に少ない程度で水素化ハフニウムに存在するだけである。材料中のこのような可能な少量の添加物の例は、例えば上記の米国特許第５，３３０，５８９号（特許文献２）に見出され得る。

本発明に係る吸収材は大部分、水素化ハフニウムから構成されるので、ハフニウムがさらに水素をピックアップする危険性が減少する。このことは、吸収材の寸法変化の危険性が減少することを意味する。例えば炭化ホウ素の代わりに、水素化ハフニウムの使用はまた、ヘリウムガスの生成が回避されることを意味する。

本発明に係る制御棒は減速材として機能する水路（チャネル）を含んでもよい。しかしながら、これは、十分な量の水素が吸収材に含まれる場合、必要ではない。なぜなら水素は中性子減速材として機能するので、制御棒における水路の必要性は回避されるからであり、このことは本発明のさらなる利点である。

水素化ハフニウムはハフニウムより軽く、これは、制御棒の重量を減少させ得るというさらなる利点をもたらす。

本発明のさらなる利点は、水素化ハフニウムの格子構造が立方体であることである。金属ハフニウムは六方格子構造を有する。立方格子構造は、原子炉の場合、中性子流において六方格子構造より安定である。これによりさらなる利点がもたらされる。すなわち、中性子流により引き起こされる構造的変化の危険性が減少する。

本発明に係る制御棒の一実施形態によれば、水素化ハフニウムにおけるハフニウムと水素との比はＨｆＨ_ｘであり、ここで、ｘは０．９０ｙ〜１．１０ｙの範囲内であり、ｙは、制御棒が構成される種類の原子炉における作動の間の場合の状態の間、すなわち制御棒が原子炉における作動の間に使用される場合、水素化ハフニウム中の水素の量に対して水素化ハフニウムが化学量論的平衡である場合のｘの値である。

水素化ハフニウムが非常に少量の水素を含有する場合、例えば水起源の水素が材料中にピックアップされ得る。他方で、水素化ハフニウムが非常に多くの水素を含有する場合、例えば水素ガスの形態の水素が材料から放出され得る。このように本出願において化学量論的平衡とは、これらの２つの現象のいずれも起こらないか、またはそれらが起こる場合、互いに平衡になることを意味する。化学量論的平衡を与える水素化ハフニウムの水素の一部は、例えばこの場合、温度などの外部条件に依存し得る。従って、その状況に対して定義される本出願における化学量論的平衡は、制御棒が構成される原子炉における作動の間の場合である。

本発明によれば、水素化ハフニウム中の水素の量は、ほぼ化学量論的平衡に関する量であるので、水素がピックアップされる危険性が減少する。従って、このことは、寸法変化の危険性がさらに減少することを意味する。さらに、水素が放出される危険性が減少する。従って、このことは、水素ガスが生成される危険性を減少させる。水素ガスが生成される場合、このことは、圧力が吸収材または周囲材料に付与され、損傷を生じ得ることを意味し得る。

さらなる実施形態によれば、ｘ＝ｙである。従って、この実施形態は、材料中の水素の量が化学量論的平衡である場合であるので、利点を有する。

さらなる実施形態によれば、水素化ハフニウム中のハフニウムと水素との比はＨｆＨ_ｘであり、ここで、１．４０≦ｘ≦１．８０、好ましくは１．５０≦ｘ≦１．７０である場合である。水素化ハフニウム中の水素の量が、通常、軽水炉原子炉における場合の状態の間、化学量論的平衡を達成するのに好適であるように見える。

さらなる実施形態によれば、制御棒における水素化ハフニウムは固形物体の形態である。このような水素化ハフニウムの固形物体は特に吸収材本体として十分に機能する。

さらなる実施形態によれば、固形物体は少なくとも１．０ｃｍ長である。その物体が非常に小さくない場合、有益である。その物体は、特にＢＷＲ用の制御棒において少なくとも３．０ｃｍ長、例えば少なくとも５．０ｃｍ長であることが有益であり得る。

さらなる実施形態によれば、固形物体は粉末形態の水素化ハフニウムから形成される。その物体は粉末形態で水素化ハフニウムにより形成されることが有益であるようである。このような物体は、例えば焼結により、または熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）により形成され得る。

別の実施形態によれば、制御棒における水素化ハフニウムは粉末形態である。前記物体の代替として、水素化ハフニウムはこのように粉末形態であってもよい。これは、固形物体が形成される必要がないので、製造方法が簡単であり得る。

さらなる実施形態によれば、制御棒はケーシングを備え、そのケーシング内に、吸収材のための少なくとも１つの空間が存在し、水素化ハフニウムの形態の前記吸収材が前記少なくとも１つの空間に存在する。水素化ハフニウムは純粋な金属ハフニウムより機械的に安定でないため、水素化ハフニウムは十分な機械的安定性を与えるケーシングに適切に配置される。

さらなる実施形態によれば、前記少なくとも１つの空間は実質的に円形断面を有する細長いチャネルとして構成される。このような細長いチャネルにおいて、十分および明確に定義された量の水素化ハフニウムが配置されることが有益であり得る。

さらなる実施形態によれば、水素化ハフニウムの形態の前記吸収材は、実質的に円形断面を有する１つ以上の固形物体の形態であり、１つまたは複数の固形物体は断面直径ｄを有し、空間は断面直径Ｄを有し、１つまたは複数の固形物体が位置決めされ、断面直径ｄを有し、Ｄ−ｄ≦０．２０ｍｍ、好ましくは≦０．１０ｍｍである。水素化ハフニウムの形態の物体は使用の間、実質的に膨張せず、実質的に膨張空間を必要としない。他の場合、例えば吸収材本体がＢ_４Ｃから製造される場合、必要とする。好ましくは、Ｄは空間の長さ全体にわたって一定であり、ｄは物体の長さ全体にわたって一定である。

さらなる実施形態によれば、制御棒はＢＷＲ用に構成される。水素化ハフニウムの形態の吸収材はＰＷＲに使用されてもよいが、特にＢＷＲにその材料を使用することが有益である。

さらなる実施形態によれば、制御棒は、十字形の断面を有し、十字の中心で交差する４つの制御棒ブレードから構成され、各々の制御棒ブレードは吸収材についての複数の細長い空間を備え、水素化ハフニウムの形態の前記吸収材は前記空間に配置される。このような十字形の制御棒はＢＷＲに使用するのに好適である。従って、制御棒ブレードにおけるチャネル内に吸収材を配置することは有益である。チャネルは、制御棒の長手方向または半径方向のいずれに延びてもよい。

さらなる実施形態によれば、複数の細長い空間の各々は長さＬを有し、それらの空間の各々において、水素化ハフニウムの形態の前記吸収材は長さｌを有する固形物体の形態であり、Ｌ−ｌ≦２．０ｍｍ、好ましくは≦１．０ｍｍである。水素化ハフニウムの形態の物体は使用中、実質的に膨張しないので、長手方向にもまた、実質的に膨張空間の必要性がない。

さらなる実施形態によれば、制御棒における吸収材の重量に対して少なくとも９０％は水素化ハフニウムの形態である。水素化ハフニウムが制御棒の主要部分における吸収材として使用される場合、有益である。本発明は、一部の他の吸収材が制御棒の特定の部分に使用される可能性を排除しない。しかしながら、制御棒に使用される吸収材の少なくとも９０％が水素化ハフニウムの形態である場合、有益である。有益な実施形態によれば、制御棒における全ての吸収材は水素化ハフニウムの形態である。

本発明の別の目的は、従来技術と比較して、ＢＷＲまたはＰＷＲ種類の軽水炉原子炉の改良された作動を達成することである。

この目的は、以前の実施形態のいずれかに係る制御棒が、ＢＷＲまたはＰＷＲ種類の軽水炉原子炉における作動の間、制御棒として使用されることにより達成される。

そのような制御棒を使用することによって、制御棒に関連した上記の利点が達成される。

制御棒の特に有益な使用によれば、ＢＷＲ種類の軽水炉原子炉が使用される。

図１はＢＷＲ用の制御棒の一部の斜視図を概略的に示す。 図２はＰＷＲ用の制御棒の断面図を概略的に示す。

図１はこのようにＢＷＲ用の制御棒を概略的に示す。制御棒はケーシング４を備える。ケーシングは例えばステンレス鋼からなり得る。制御棒が十字形の断面を有するように配置される４つの制御棒ブレード１１、１２、１３、１４を制御棒が有するようにケーシング４は構成される。制御棒ブレード１１、１２、１３、１４は十字の中心１５で交差する。各々の制御棒ブレード１１、１２、１３、１４は吸収材のための複数の空間６を備える。図１において、制御棒ブレード１１における一部のこのような空間６が概略的に示される。

この実施形態によれば、各々の空間６は、制御棒ブレード１１の半径方向に延びる細長いチャネルとして構成される。チャネル６は円形の断面を有してもよい。チャネル６において、吸収材８が配置される。吸収材８は中性子を吸収する目的を有する。

本発明によれば、吸収材８は水素化ハフニウムの形態である。制御棒はまた、水素化ハフニウム以外の他の吸収材８を含んでもよい。しかしながら、本発明によれば、吸収材８は大部分が水素化ハフニウムからなることが好ましい。好ましくは、制御棒における全ての吸収材８は水素化ハフニウムの形態である。しかしながら、水素化ハフニウムは少量の添加物を含んでもよい。水素化ハフニウムにおける水素の量は、制御棒が構成される原子炉の場合の状態の間、実質的に化学量論的平衡であるようになされる。従って、水素化ハフニウムはＨｆＨ_１．６の形態であり得る。

水素化ハフニウムはチャネル６において粉末形態で配置されてもよい。１つの有益な実施形態によれば、水素化ハフニウムは、しかしながら、チャネル６において固形物体８の形態である。このような固形物体は水素化ハフニウム粉末から形成されてもよい。固形物体は例えば、熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）および／または焼結により形成されてもよい。固形物体８は例えば、Ｂ_４Ｃの吸収体が形成されるのと同様の方法で形成されてもよい。その物体は例えば、１つの有益な実施形態に従って、５ｃｍ長であってもよく、その物体８は、チャネル６の実質的に全長にわたる長さに延びてもよい。例えば、細長い空間６が長さＬを有し、水素化ハフニウムの形態の吸収材８が長さｌを有する固形物体の形態である場合、Ｌ−ｌ≦２．０ｍｍ、例えばＬ−ｌは１ｍｍであってもよい。Ｌは例えば１０ｃｍであってもよい。

図２は、ＰＷＲ種類の軽水炉用の制御棒の断面図を概略的に示す。この場合、制御棒は、例えばステンレス鋼製の円筒形のケーシング４を有する。ケーシング内に、チャネル６が存在する。チャネル６において、吸収材８が存在する。吸収材８は大部分が水素化ハフニウムからなる。好ましくは、制御棒における全ての吸収材８は水素化ハフニウムの形態である。しかしながら、水素化ハフニウムは、特定の少量の他の物質の添加物を含んでもよい。水素化ハフニウムは粉末形態であってもよい。しかしながら、水素化ハフニウムが固形物体８の形態である場合、有益である。そのような固形物体８は例えば１．５ｃｍ長であってもよく、円形の断面を有してもよい。その固形物体は、図１に関して上記に記載したものと同様の方法で粉末から形成されてもよい。図２に係る制御棒は所定の位置に固定した固形物体８を保持するためにバネ１６を含む。

ＢＷＲ用の制御棒の場合（図１）およびＰＷＲ用の制御棒の場合（図２）の両方において、水素化ハフニウムの形態の吸収材８は、実質的に円形の断面を有する１つ以上の固形物体の形態であってもよい。１つまたは複数の固形物体は断面直径ｄを有してもよく、制御棒における空間は断面直径Ｄを有してもよく、ここで、１つまたは複数の固形物体は位置決めされ、断面直径ｄを有する。従って、好適には、Ｄ−ｄ≦０．２０ｍｍである。Ｄ−ｄは例えば０．１０ｍｍであってもよい。

また、図２に係る実施形態において、水素化ハフニウムは、好適には、制御棒が構成される原子炉の作動の間の場合の状態の間の場合、化学量論的平衡であるような量の水素を含有する。これによって、水素化ハフニウムは例えばＨｆＨ_１．６であってもよい。

本発明の別の態様は軽水炉原子炉における制御棒の使用に関する。かかる使用によれば、図１に関して記載されている種類の制御棒は、ＢＷＲにおける作動の間の制御棒として使用され得る。好ましくは、複数のこのような制御棒はＢＷＲにおいて使用される。

本発明に係る別の使用によれば、図２に関して記載されている種類の制御棒は、ＰＷＲ種類の軽水炉原子炉における作動の間の制御棒として使用される。好ましくは、複数のこのような制御棒はＰＷＲにおいて使用される。

本発明に係る制御棒および使用により、上記の利点が達成される。

本発明は記載されている実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲の範囲内で変更および修飾されてもよい。

Claims (10)

1. ＢＷＲまたはＰＷＲ種類の軽水炉原子炉のために構成される制御棒であって、
   前記制御棒は吸収材（８）を含み、
   前記制御棒における前記吸収材（８）は、純度９５％以上の水素化ハフニウムを、前記吸収材（８）に対し９０重量％以上含み、
   前記制御棒における水素化ハフニウムが、固形物体（８）の形態であり、
   前記固形物体（８）が少なくとも１．０ｃｍ長であり、
   前記水素化ハフニウム中のハフニウムと水素との比が、ＨｆＨ_ｘであり、ここで、１．４０≦ｘ≦１．８０である、制御棒。
2. 前記水素化ハフニウム中のハフニウムと水素との比が、ＨｆＨ_ｘであり、ここで、１．５０≦ｘ≦１．７０である、請求項１に記載の制御棒。
3. 前記固形物体（８）が粉末形態の水素化ハフニウムから形成される、請求項１または２に記載の制御棒。
4. 前記制御棒が、ケーシング（４）を備え、該ケーシング（４）内に前記吸収材（８）のための１つまたは複数の空間（６）が存在し、前記吸収材（８）は１つまたは複数の前記空間（６）内にある、請求項１〜３のいずれか一項に記載の制御棒。
5. １つまたは複数の前記空間（６）が、実質的に円形断面を有する細長いチャネルとして構成される、請求項４に記載の制御棒。
6. 前記吸収材（８）が、実質的に円形断面を有する１つ以上の固形物体の形態であり、１つまたは複数の前記固形物体は断面直径ｄを有し、前記空間は断面直径Ｄを有し、１つまたは複数の前記固形物体は位置決めされ、断面直径ｄを有し、Ｄ−ｄ≦０．２０ｍｍである、請求項５に記載の制御棒。
7. 前記制御棒がＢＷＲ用に構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の制御棒。
8. 前記制御棒がＢＷＲ用に構成される制御棒であって、
   前記制御棒が十字形の断面を有し、十字の中心（１５）で交差する４つの制御棒ブレード（１１、１２、１３、１４）から構成され、各々の前記制御棒ブレード（１１、１２、１３、１４）は、吸収材のための複数の細長い前記空間（６）を備え、前記吸収材は前記空間（６）内に配置される、請求項４〜６のいずれか一項に記載の制御棒。
9. 各々の複数の細長い前記空間（６）が長さＬを有し、それらの空間の各々において、前記吸収材（８）は、長さｌを有する固形物体の形態であり、Ｌ−ｌ≦２．０ｍｍである、請求項８に記載の制御棒。
10. ＢＷＲまたはＰＷＲ種類の軽水炉原子炉において作動する間の制御棒としての請求項１〜９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの制御棒の使用。
    

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