JPH0134359B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉用制御棒に係り、特に軽量で寿
命が長く、また軸直角方向の剛性が小さく、スク
ラム動作時における障害がなく、さらに制御棒の
落下事故発生時における落下速度を低減し得る原
子炉用制御棒に関する。

従来、原子炉用制御棒は一般に、中性子吸収材
としてのボロンカーバイト（B₄C）粉末を理論密
度の約70％（比重約1.76ｇ／cm³）の密度で金属中
空棒に振動充てんして製作された中性子吸収棒を
用いて構成される。この制御棒を原子炉心に装荷
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、金属管内
の圧力を上昇させるので、制御棒の耐圧構造から
みた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かくなる。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。

制御棒の寿命はこの機械的寿命と核的寿命のう
ちいずれか短い方で決定されるが、何れにしても
比較的短いので、制御棒は頻繁に交換を要し、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。

本発明者等は前述した従来の制御棒の問題点に
鑑み、ヘリウムガスを発生せず、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。

前記の吸収棒は、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管の一部また
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充填密度を高くできな
いため、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によ
り中性子吸収棒を形成すれば、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。ここでソリツドメタルとは、
金属管等に充填した金属材料ではなく、炉水に対
してむき出しになる状態に形成された中実の金属
材料をいう。

しかしながら、ハフニウムは硬く、密度および
剛性が大きいので、ハフニウムにて形成した中性
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、複数本の吸収棒をブレード内に収容
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、制御棒が燃料集合体を突上げ
て互いに損傷したり、引つ掛かりを生じて円滑な
挿入動作が不可能になるおそれがある。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円滑かつ迅
速に実施することが困難になるおそれがある。

さらに中性子吸収材として使用するハフニウム
は密度が大であるため、制御棒が重くなり制御棒
駆動機構を強化する必要がある。すなわち従来の
軽量な制御棒の重量を基準に設計された制御棒駆
動機構を有する原子炉にそのまま転用することが
不可能であるという問題点があつた。

また従来の制御棒では、下端に落下速度リミツ
タが付設され、万が一制御棒が落下した際にも、
落下速度が抑制されるように構成されている。し
かし、制御棒のブレード表面部は平滑な構造が採
用されており、制御棒のブレード表面部における
炉水の抵抗は少なく、該部における、制動効果は
少ない。

本発明は上記の事情に基きなされたもので、中
性子吸収材として長寿命を有するハフニウムを使
用したものであつて、軸に直角方向の剛性が小さ
くしかも長寿命で軽量な原子炉用制御棒を提供す
ること、および、落下事故発生時における落下速
度抑制機構をブレード表面部にも備えた原子炉用
制御棒を提供することを目的としている。

本発明においては、ハフニウムによる中性子吸
収が共鳴吸収であることに着目して、表面積を増
大させて中性子吸収能力を高め、また軸直角方向
に制御棒のブレードが変形し易いような構造を採
用することによつて、前記目的を達成している。

すなわち本発明においては、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。天然ハフニウムに
は、分離精製が困難なZr等の不純物金属元素が
含有されており、その含有量は産地によつて異な
る。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。このことから中
性子吸収能力をより高く確保するためにはハフニ
ウム材の表面積を増大させることが肝要である。

そこで本願発明ではハフニウム製の薄い中性子
吸収板を枠構の両面に対向するように配置し、両
者間にスペーサ兼ステイツフナを介在させて固定
している。対向配置した中性子吸収板間にはハフ
ニウムを配置しなくても中性子吸収能力が充分に
確保される。同時に使用するハフニウム材の重量
が低減される結果、軽量な制御棒を形成すること
ができる。

また本願発明に係る原子炉用制御棒では枠構軸
線に平行な屈曲線を有する波状の屈曲部を設けて
いるため、制御棒の軸直角方向の剛性が低下す
る。そのため制御棒を炉心に挿入する際、ブレー
ドが周囲の燃料集合体に引つ掛つた場合において
もブレードが容易に変形して、その引つ掛りを解
除することができる。

さらに枠構軸線に平行な屈曲軸を有する波状の
屈曲部を設けたハフニウム製の中性子吸収板を枠
構軸方向に複数分割して間隔をおいて取り付け、
上下に隣接する中性子吸収板の波状の屈曲部の位
相が180度だけ異なるように連結板で結合し、上
方の中性子吸収板の下端に、中性子吸収板外方か
ら枠構内部に冷却材が流通可能な開口を形成する
と、制御棒の落下時に、上記開口に流入しようと
する炉水の流動抵抗によつて制御棒の落下速度が
低減される。

以下、添付図面を参照して本発明の詳細を説明
する。本発明の制御棒は第１図Ａ，Ｂに示すよう
に枠構１をそなえている。枠構１は十字状断面の
センタロツド２と、センタロツド２の各突出脚上
下端に両脚片を接続連結したコ字状枠３とを有し
ている。なお、４は制御棒取扱い用の係止部を示
す。

枠構１には第２図、第３図、第５図に示すよう
にして中性子吸収板５を取付ける。この中性子吸
収板５は第２図Ａに示す如くハフニウムのソリツ
ドメタルから成り、センタロツド２の突出脚先端
の取付面２ａからコ字状枠３中央片内側の取付面
３ａにおよぶ巾で、両側および中央部に平坦部５
ａ，５ｂを有し各平坦部間に前記巾方向に垂直な
屈曲軸を有する波状の屈曲部５ｃをそなえた矩形
状の中性子吸収板５が、コ字状枠３の両面に波状
の山と山、谷と谷が対向するようにして溶接等に
より取付けられる。

而して、中性子吸収板５の枠構１の軸方向の寸
法は、枠構１の軸方向寸法に比してかなり小な寸
法で分割されており、中性子吸収板５は第３図に
示すようにそれぞれのコ字状枠両面に、軸方向に
適宜間隔をおいて複数個配置されている。而し
て、軸方向に隣接する中性子吸収板の波状の屈曲
部は、軸直角方向に波の位相が180度異なるよう
に配置されている。位相が異なるように配置する
ためには、第２図Ｂで示すように、中性子吸収板
５の波状の屈曲部５ｃの山数を、中央の平坦部５
ｂを境界として、一側では例えば２個形成する一
方、他側では３個形成するなど異なる数としてお
き、上下に隣接する中性子吸収板５の端部に形成
された屈曲部５ｃの山と谷とを突き合わせて配置
する。

すなわち、制御棒の軸方向のある位置におい
て、第２図Ａに示す形状の中性子吸収板５を配置
した場合は、その上下には山の位置を180度ずら
した第２図Ｂに示す中性子吸収板５を隣接させ、
それぞれ屈曲部５ｃの山と谷とが突き合うように
取付ければよい。

隣接する上下の中性子吸収板５，５の接合部に
は後述する連結板７が介装され、上方の中性子吸
収板５の山の部分と、上記連結板７との間に開口
が形成され、その開口を通り、冷却材が制御棒の
ブレード内に導入されるように構成される。すな
わち接合部の屈曲部５ｃの位相を180度ずらした
ことにより、下方の中性子吸収板５の谷に沿つて
上昇してきた冷却材は上方の中性子吸収板５の山
部分の開口に導入される。

また各コ字状枠３内には、対向する中性子吸収
板５の巾中央の平坦部５ｂに当接するスペーサ兼
ステイツフナ（以下スペーサと呼ぶ）６が設けて
あり、スペーサ６の上下端はコ字状枠３の各脚片
に固着されている。

隣接する中性子吸収板５間の上下端に形成され
る間隙には第４図Ａ，Ｂ，Ｃに示した連結板７が
介装され、この連結板７によつて上下の中性子吸
収板５，５が連結される。すなわち、前記各図に
示したのは、隣接する中性子吸収板５のうち、上
方の中性子吸収板５のスペーサ６の一側にある波
型の山が３個（第２図Ｂ）、下方のものの山が２
個（第２図Ａ）の時、それらの間を連結するもの
であつて、連結板７はスペーサ６の内側端面から
センタロツド２の突起端面までの長さを有し、そ
の下端には下方の中性子吸収板が２枚対向して形
成する空隙に嵌合する両面波型の基部７ａが形成
されている。また連結板７の中間部には前記基部
７ａの巾より中性子吸収板５の板厚だけ寸法を大
きくした同じく両面波型の中間部７ｂが形成さ
れ、中間部７ｂの上半は中間部上端の巾が上方に
ある対向する２枚の中性子吸収板５の屈曲部の谷
の外面間距離に等しくなるよう、斜めに切落され
ており、中間部上端には前記谷の内面間距離に等
しい巾の先端部７ｃが設けてある。連結板７には
その基部７ａ下面から先端部７ｃ上面に向つて冷
却水が流通するための複数の透孔７ｄが設けてあ
る。なお、連結板７はハフニウムソリツドメタル
で形成する。

第５図Ａ，Ｂは連結板７による上下の中性子吸
収板５の連結状態を示している。すなわち、連結
板７の基部７ａは下方の対向する２枚の中性子吸
収板の形成する空隙に嵌合してこれを閉じてお
り、先端部７ｃは上方の対向する２枚の中性子吸
収板５の対向する谷部にのみ係合しており、それ
らの山の部分は下側から冷却水が流入できるよう
に開放され開口を形成している。なお、下方の中
性子吸収板の山数が３個の時は上記の連結板７と
同様の繰り返しの構成で山数が３個のものを使用
する。

上記の如くして中性子吸収板５間を連結して制
御棒とする。

上記実施例の原子炉用制御棒にあつては、中性
子吸収板の材料として、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なハフニウムを使
用しているため、中性子吸収能力が長期間にわた
つて維持され、制御棒の寿命が大幅に延伸され
る。

また剛性、密度の大きなハフニウムは中性子吸
収板５、連結板７のみに使用されているので、従
来の制御棒と比較して制御棒の重量の増大化を招
かずに寿命を長期に伸ばすことができる。

また中性子吸収板５は、枠構１の軸線に平行な
屈曲軸を有する波状の屈曲部５ｃを設けているた
め、制御棒は軸直角方向の剛性が低減される。従
つて、緊急挿入時に燃料集合体と接触した場合に
おいても、制御棒のブレードが容易に変形してひ
つかかりを解除することができる。そのため燃料
集合体を突き上げる力を生じるおそれはなく、円
滑な挿入動作が可能となるとともに、緊急時にお
ける挿入速度を大きく設定することができる。

さらに制御棒は軽量に構成されるため、制御棒
を装備するにあたり、従来の制御棒駆動機構の耐
荷重強度を増大化する改造工事は必要とせず、既
設の原子炉の制御棒駆動機構に本実施例の制御棒
をそのまま転用することができる。

また中性子吸収板５は、波形の屈曲部を形成し
ているため、軸直角方向の単位長さ当りの表面積
が平板状のものと比較して大幅に増大し、中性子
吸収能力が著しく向上する。すなわち薄い板状に
形成したために軽量であつても表面積が大きく、
表面積により定まる共鳴吸収による中性子吸収能
力が大幅に増大する。

また上述のように連結板７を介して屈曲部５ｃ
の山と谷とが互いに180度位相をずらした形で接
続し、透孔７ｄを穿設した連結板７で連結して制
御棒を構成すると、制御棒が万一落下した時に
は、各連結板７とその上方にある対向する２枚の
中性子吸収板とで形成される開口を通り、冷却材
が侵入しようとする。中性子吸収板が対向して形
成する空間に侵入した冷却材は、その空間内を上
昇し上方の連結板７の透孔７ｄを通り上方に流動
する。この冷却材の流動抵抗により、各連結板７
に形成した開口はそれぞれダツシユポツトとして
作用し、落下に対して制動が加えられることとな
るから、制御棒落下事故による炉内各部の損傷を
最小限に抑止することができる。

すなわち制御棒が下方から上方の炉心へと挿入
される方向とは逆向きに、下方に落下する際に、
各中性子吸収板５の下端と、連結板７の先端部７
ｃとの間に形成される開口を通り冷却水が対向配
置した中性子吸収板５，５間に導入される。導入
された冷却水は連結板７に穿設した透孔７ｄを通
過する際に大きな流動抵抗を受ける。その抵抗が
落下する制御棒に対して制動作用を及ぼし、落下
速度が抑制されるのである。

従つて落下事故が発生しても、炉内周辺設備に
大きな衝撃力は作用せず、炉内構造物の損傷が防
止される。

なお、透孔７ｄを設けない場合においても、開
口に流入しようとする冷却材が山形の開口に衝突
する際に生じる抵抗によつて、ある程度の制動力
が期待できる。

しかしながら平常運転時における中性子吸収板
間を軸方向に流れる冷却材の流路を確保するため
にも連結板７に透孔を設けることが望ましい。

本発明は上記実施例のみに限定されない。例え
ば連結板７にダツシユポツト作用を持たせなくて
もよければ、上下の中性子吸収板の波型の位相を
等しくし、連結板７にも同様の波型を形成し、中
性子吸収板の形成する空隙を上下共閉塞するよう
にし、中性子吸収板または連結板には冷却材流通
用の開口を設けるようにしてもよい。また、その
場合、長尺の中性子吸収板の製作が可能であれば
枠構１の全長におよぶ中性子吸収板をコ字状枠３
の両面に取付けるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは本発明の制御棒の枠構上端部の正面
図、同図Ｂは前図Ｂ−Ｂ線における断面図、第２
図Ａは後出第３図Ａ−Ａ線における断面図、第２
図Ｂは後出第３図Ｂ−Ｂ線における断面図、第３
図は本発明一実施例の制御棒の要部正面図、第４
図Ａは連結板の平面図、同図Ｂはその下面より見
た図、同図Ｃはその側面図、第５図Ａは、第２図
Ｂに示す中性子吸収板の下端に第２図Ａに示す中
性子吸収板の上端を連結板を介して接続した状態
を示し、第２図Ａ，ＢにおけるＡ−Ａ矢視断面
図、第５図Ｂは同様に第２図Ａ，ＢにおけるＢ−
Ｂ矢視断面図である。 １……枠構、２……センタロツド、３……コ字
状枠、５……中性子吸収板、６……スペーサ兼ス
テイツフナ、７……連結板、７ａ……基部、７ｂ
……中間部、７ｃ……先端部、７ｄ……透孔。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 十字状断面のセンタロツドおよびこのセンタ
   ロツドの突出脚先端面の上下端に両脚片を固着し
   たコ字状枠をそなえた枠構と、前記各コ字状枠両
   面に対向して取付けられ枠構軸線に平行な屈曲軸
   を有する波状の屈曲部を設けたハフニウム製の中
   性子吸収板と、対向する中性子吸収板間に介在さ
   れたスペーサ兼ステイツフナとから成ることを特
   徴とする原子炉用制御棒。 ２ 十字状断面のセンタロツドおよびこのセンタ
   ロツドの突出脚先端面の上下端に両脚片を固着し
   たコ字状枠をそなえた枠構と、前記各コ字状枠両
   面に枠構軸方向に分布して間隔をおいて取付けら
   れ、枠構軸線に平行な屈曲軸を有する波状の屈曲
   部を設けたハフニウム製の中性子吸収板であり、
   上下に隣接した中性子吸収板の波状の屈曲部の位
   相を相互に180度異なるように設定した複数の中
   性子吸収板と、上下に隣接する中性子吸収板間に
   介在され、下方の対向する２枚の中性子吸収板の
   形成する空隙開口に嵌合する基部と上方の対向す
   る２枚の中性子吸収板の対向する屈曲部の谷間の
   間隙に係合する先端部とを有する連結板と、対向
   する中性子吸収板間に介在されたスペーサ兼ステ
   イツフナとをそなえたことを特徴とする原子炉用
   制御棒。