JPH0134358B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は原子炉用制御棒に係り、特に長寿命を
有し、軽量で軸直角方向の剛性が小さく、円滑な
スクラム動作が可能な原子炉用制御棒に関する。

（従来の技術） 従来の原子炉用制御棒は、一般に断面十字形の
中央タイロツドの各突出部に細長いＵ字状断面を
有するシースを固着し、このシース内に中性子吸
収棒を配設して構成される。この中性子吸収棒
は、ボロンカーバイド（B₄C）などの中性子吸収
材粉末を理論密度の約70％（比重約1.76ｇ／cm³）
の密度で金属中空棒に振動充填して製作される。
またシース側面には多数の減速材流出入孔が穿設
されており、炉心を流れる減速材の一部がシース
内に流出入するように構成されている。シース内
に減速材を流通自在にすることにより、中性子吸
収効果をより高めるようにしている。

この制御棒を原子炉炉心に装荷して使用する
と、B₄C中のボロン−10（Ｂ−10）が中性子の照
射をうけ、いわゆる（ｎ、α）反応によりヘリウ
ム（He）ガスを発生し、金属中空棒内の圧力を
上昇させるので、制御棒の機械的寿命は比較的短
かい。

また中性子を吸収してＢ−10が減損すると、
B₄Cの中性子吸収断面積が中性子の照射量に対し
て直線的に減少し、その結果中性子束レベルが上
昇するので、Ｂ−10の減損割合はＢ−10の残存量
が低下するにつれて加速度的に増大し、制御棒の
反応度価値も加速度的に低下し核的寿命も短くな
る。特に質量数が10であるＢ−10原子は中性子を
１回吸収するだけでHeガスを放出してLiに変換
され中性子吸収材としての寿命を終える。

（発明が解決しようとする課題） 制御棒の寿命はこの機械的寿命と核的寿命のう
ち短い方で決定されるが、何れにしてもボロンカ
ーバイドを充填した制御棒の寿命は比較的短いの
で、頻繁な交換を要し、また交換に際して処理を
必要とする放射性廃棄物を大量に発生する欠点が
ある。

また粉末状の中性子吸収材を使用する場合は、
経時的な沈降圧密による吸収材粉末の偏位が生
じ、制御棒の中性子吸収能力が不均一になる問題
点がある。

本発明者等は前述した従来の制御棒の問題点に
鑑み、B₄Cのようにヘリウムガスを発生させるこ
とがなく、また中性子を数回にわたつて吸収した
場合においても中性子吸収断面積の低下が少な
い、核的寿命の長い核種（長寿命型中性子吸収
材）を充填した中性子吸収棒を形成し、その中性
子吸収棒を多数配列した制御棒を開発した。

上記の中性子吸収棒は、酸化ユーロピウム粉末
と酸化ハフニウム粉末との混合粉末を、金属被覆
管内の一部または全長にわたつて充填して成るも
のである。

ところがユーロピウムは希土類であり高価な材
料であるため、コスト上難点があつた。また、酸
化ハフニウム粉末のみでは反応度価値が低く、制
御棒用の中性子吸収材としては不充分である。

これに対し、ハフニウムのソリツドメタル（む
き出し状態のメタル）により中性子吸収棒を形成
すれば、核的寿命を著しく延伸し、また価格上の
問題もなく、また高い密度で配置可能なため反応
度的にも充分なものとなるが、ハフニウムは硬く
しかも密度が大きいので前記のハフニウム製中性
子吸収棒を使用した制御棒には次のような問題を
生じる。

すなわち、複数本の吸収棒をシース内に収容し
た場合、制御棒の剛性がかなり高くなる。そのた
め４体１組の燃料集合体間の狭い十字状空隙に制
御棒を挿入するに際し、制御棒と燃料集合体とが
接触した場合に、燃料集合体を突上げ相互に損傷
したり、スクラム動作が円滑に進行しないおそれ
がある。このため原子炉のスクラム時の制御棒挿
入速度を下げることが必要となり、原子炉の緊急
停止が困難になるおそれがある。

また剛性を低下させるためには、中性子吸収棒
を細い径で形成する必要があり、必然的に反応度
の低下を招いていた。

さらに、ハフニウムは密度が大であるため、制
御棒が重くなり制御棒駆動機構を従来のものより
構造強度を強化する必要があり、容易に既設の設
備に転用し得ない実用上の問題があつた。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもの
で、ハフニウムのソリツドメタルの中性子吸収シ
ートを使用したものであつて、軸に直角方向の剛
性が小さく、炉心への挿入を円滑かつ迅速に行な
い得るとともに軽量な原子炉用制御棒を提供する
ことを目的としている。

本発明の他の目的は、中性子吸収材の圧密沈降
による中性子吸収能力の不均一を生じることがな
く、長寿命を有する原子炉用制御棒を提供するこ
とにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明に係る原子炉用制御棒は、断面十字形の
中央タイロツドの各突出部に、細長いＵ字状断面
を有し、かつ減速材の流出入孔を穿設したシース
を固設し、このシース内側面に沿つてハフニウム
のソリツドメタルを形成した中性子吸収シートを
対向するようにスペーサを介して配置し、両中性
子吸収シート間に減速材流路を形成して構成され
る。

（作用） 上記構成に係る原子炉用制御棒によれば、中性
子吸収材をハフニウムのソリツドメタル製の中性
子吸収シートで形成しているため、従来のように
B₄Cを充填した剛性の大きい金属管と比較して、
軸直角方向の変形抵抗が少なく、制御棒の剛性が
小さくかつ軽量になる。そのため、制御棒挿入時
に、制御棒が燃料集合体と接触しても、接触部分
が容易に変形して逃げることが可能となり、制御
棒が燃料集合体を突き上げて損傷したり、スクラ
ム動作が阻害されることがない。したがつて緊急
挿入時の挿入速度を大きく設定することが可能と
なり、原子炉の緊急停止を円滑かつ迅速に実施す
ることができる。

また、中性子吸収材として、ハフニウム（天然
ハフニウムを含む。）のソリツドメタル（被覆材
に被覆されることなく、むき出し状態のメタルを
いう。）で形成した中性子吸収シートを用いてい
るため、粉末状中性子吸収材を充填した従来の中
性子吸収棒のように経時的に沈降圧密を引き起し
て軸方向の中性子吸収能力が不均一になることが
なく、常に高い中性子吸収能力分布を長期間に渡
り保持することができる。

また中性子吸収シートを、シース内側面に沿つ
て互いに対向するようにスペーサを介して配置
し、両中性子吸収シート間に減速材流路を形成し
ているため、減速材流路には、シースに穿設した
流出入孔から導入された減速材が流通する。

原子炉炉心で発生した中性子の一部はシースを
透過し中性子吸収シートに吸収される。また対向
して配設された２枚の中性子吸収シートの一方で
吸収されなかつた中性子は、前記の減速材流路を
流れる減速材によつて減速され、さらに他方の中
性子吸収シートによつて吸収される。

すなわち減速材流路を通過する減速材によつて
中性子減速効果がもたらされるため、中性子吸収
シートの厚さを相対的に低減することが可能とな
り、軽量で経済的な原子炉用制御棒を提供するこ
とができる。

（実施例） 以下本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例に
ついて添付図面を参照して説明する。

本実施例に係る原子炉用制御棒は、第１図およ
び第２図に示すように、断面十字形の中央タイロ
ツド１の各突出部に、細長いＵ字状断面を有し、
減速材の流出入孔２を穿設したシース３を固設
し、中性子吸収性を有するハフニウム（天然ハフ
ニウムを含む。）のソリツドメタルで形成した中
性子吸収シート４ａ，４ｂを上記シース内側面に
沿つて対向するようにスペーサ５を介して配置
し、両中性子吸収シート４ａ，４ｂ間に減速材流
路６を形成して構成される。ここに、ソリツドメ
タルとは、被覆材で被覆することがなく、むき出
し状態にあるメタルをいう。またハフニウムとし
ては一般に天然ハフニウムが好適である。天然ハ
フニウムには、分離精製が困難なジルコニウム
（Zr）等の不純物金属元素が含有されており、そ
の含有量は、原鉱石の産地により異なる。

中性子吸収シート４，４ａ，４ｂとしては、粉
体より寿命が長い、ハフニウムのソリツドメタル
で形成される。また中央タイロツド１およびシー
ス３は、耐食性および所定の構造強度を備えたス
テンレス鋼などの構造部材で形成される。シース
３内面と中性子吸収シート４ａ，４ｂの外面との
間には微小な空隙が形成され、この空隙や中性子
吸収シート４ａ，４ｂに形成される図示しない孔
を通り減速材がシース３内部に流入するように構
成されている。両中性子吸収シート４ａ，４ｂは
スペーサ５を介して一体に固定されている。なお
スペーサ５の材質は原子炉内環境において安定な
部材であればよいが、通常はステンレス鋼が採用
される。

上記の原子炉用制御棒が炉心に挿入される際
に、周囲の燃料集合体と接触した場合、中性子吸
収シート４ａ，４ｂはシース３とともに軸直角方
向の剛性が小さいので、その方向に容易に変形し
て逃げることが可能である。そのため燃料集合体
を突き上げて損傷させたり、スクラム動作が阻害
されることがない。したがつて緊急挿入時の挿入
速度を大きく設定することが可能となり、原子炉
の緊急停止動作および日常の制御棒の挿抜動作を
円滑かつ迅速に実施することができる。

また上記の原子炉用制御棒が炉心に挿入される
と、その動作に対応して、炉心を流れていた減速
材の一部が流出入孔２からシース３と中性子吸収
材シート４ａ，４ｂとの間隙や中性子吸収材シー
ト４ａ，４ｂに形成された孔を通り、減速材流路
６を含めたシース３の内部空間に流入する。炉心
において放出された中性子は、シース３を透過し
て中性子吸収シート４ａに吸収される。その際中
性子吸収シート４ａによつて吸収されなかつた中
性子は、減速材流路６を流れる減速材により減速
され、さらに他方の中性子吸収シート４ｂによつ
て吸収される。

このように中性子吸収シート４ａ，４ｂ間に形
成された減速材流路６を流れる減速材によつて、
中性子減速効果がもたらされる。そしてその効果
の大きさに比例して中性子吸収材としての中性子
吸収シートの厚さを相対的に低減することが可能
となり、軽量で経済的な制御棒とすることができ
る。

特に本実施例のように中性子吸収シート４ａ，
４ｂを、長寿命を有するハフニウムのソリツドメ
タルで構成した場合、従来のようなB₄C粉末を充
填した金属管を使用した場合と比較して、制御棒
自体の寿命が格段に延伸され、長寿命となる。す
なわち本実施例においては、中性子吸収断面積が
大きな同位体を多数形成するハフニウムを中性子
吸収材として使用している。ここでハフニウムに
は天然ハフニウムを含む。ハフニウムは多数回に
わたつて連続的に中性子を吸収することが可能で
あり、その結果、制御棒の寿命を大幅に延ばすこ
とができる。

一方、従来の中性子吸収材であるB₄Cのボロン
10は、１回の中性子吸収によつてリチウム（Li）
に変換され、以後の中性子吸収能力は喪失してし
まうため寿命が短かい。

ちなみに従来のB₄Cを理論密度の70％で金属管
に充填した比重1.76の中性子吸収棒と同寸法を有
するハフニウム製中性子吸収棒は、B₄Cを充填し
て形成した中性子吸収棒の４倍程度の長寿命を有
することが実証されている。またソリツドメタル
によれば粉末のような圧密沈降が起らないため、
制御棒の軸方向の中性子吸収能力分布を常に均一
に保持することができる。

特にハフニウムは1eV〜10eVのエネルギを有
する中性子を多量に共鳴吸収する作用を有し、原
子炉内におけるハフニウムの中性子吸収は共鳴中
性子の表面吸収が支配的である。そのため中性子
吸収能力はソリツドメタルの表面積が増加する程
大きくなる。したがつて、ソリツドメタルをシー
ト状に形成したことにより、中性子吸収面積をよ
り大きく設定することが可能となり、併せて、制
御棒を軽量化することができる。

すなわち中性子吸収シート４ａ，４ｂ間に形成
される減速材流路６の幅を最大限に確保する一
方、高比重であるハフニウムのソリツドメタルの
厚さを極限まで低減し、薄いシート状に形成する
ことによつて、制御棒の総重量の増加を可及的に
抑制し、軽量化を図ることが可能である。従来と
同程度の軽量な制御棒であれば、既設の制御棒駆
動機構を特別に改造強化することなく、即転用す
ることができる。

次に本発明の他の実施例について第３図を参照
して説明する。

第３図に示した原子炉用制御棒は、シース３内
に対向して配設した二枚の中性子吸収シート４
ａ，４ｂに軸方向に平行な折線を有するコルゲー
シヨンを形成する一方、中性子吸収体によつて形
成したスペーサ５ａを二枚の中性子吸収シート４
ａ，４ｂ間に介装して構成される。スペーサ５ａ
は帯板状に形成したものが制御棒の軸方向に複数
枚間隔をおいて配設され、各スペーサ５ａは対向
して配設した２枚の中性子吸収シート４ａ，４ｂ
が密着しないように離間保持する。

本実施例に係る原子炉用制御棒によれば軸方向
に平行な折線を有するコルゲーシヨンが形成され
た中性子吸収シート４ａ，４ｂを使用しているた
め、軸直角方向の変形抵抗がさらに低下し、制御
棒の剛性をより低下させることが可能となり、ス
クラム時におけるシースの軸直角方向への逃げが
容易である。すなわち制御棒が燃料集合体と接触
しても制御棒が軸直角方向に容易に変形して相互
に深くかみ合うことが防止されるため、制御棒の
円滑な挿入が阻害されれることはない。

一方、中性子吸収シート４ａ，４ｂのコルゲー
シヨンの折線は水平方向には形成されていないの
で、制御棒の軸方向に作用する荷重に対しては高
い剛性と構造強度とを維持できる。

また中性子吸収シート４ａ，４ｂにはコルゲー
シヨンを形成したため、シースの単位長さ当りの
中性子吸収面積が増大し、さらにスペーサ５ａを
中性子吸収体で調整しているため、中性子吸収機
能がより増加する。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係る原子炉用制御棒
によれば、ハフニウムのソリツドメタルで形成し
た中性子吸収シートで中性子吸収材を形成してい
るため、従来の粉末状の中性子吸収材を充填した
金属管を使用する場合と比較して、中性子吸収シ
ートの軸直角方向の変形抵抗が少なく、剛性を小
さくすることができる。したがつて制御棒を炉心
に円滑に挿入することが可能となる。

また、この原子炉用制御棒は中性子吸収材をハ
フニウムのソリツドメタル製の中性子吸収シート
で形成したから、従来のB₄C粉末のような圧密沈
降による中性子吸収能力の不均一を生じることが
なく、常に高い中性子吸収能力分布を長期間にわ
たり保持することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る原子炉用制御棒の一実施
例を示す斜視図、第２図は第１図のシース要部を
拡大して示す横断面図、第３図は他の実施例を示
す横断面図である。 １……中央タイロツド、２……減速材流出入
孔、３……シース、４ａ，４ｂ……中性子吸収シ
ート、５，５ａ……スペーサ、６……減速材流
路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 断面十字形の中央タイロツドの各突出部に、
   細長いＵ字状断面を有し、かつ減速材の流出入孔
   を穿設したシースを固設し、このシース内側面に
   沿つてハフニウムのソリツドメタルで形成した中
   性子吸収シートを対向するようにスペーサを介し
   て配置し、両中性子吸収シート間に減速材流路を
   形成したことを特徴とする原子炉用制御棒。 ２ 中性子吸収シートには軸方向に平行な折線を
   有するコルゲーシヨンを形成する一方、スペーサ
   は中性子吸収体によつて形成した特許請求の範囲
   第１項記載の原子炉用制御棒。