JPH0210299A - 核分裂原子炉用の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、核分裂性燃料の炉心を有する原子炉に用いら
れ、中性子吸収材としてハフニウム金属を利用した、制
御棒の改良構造に関する。

発明の背景 発電用の商業核分裂原子炉は通常、核分裂燃料の炉心部
を有し、この炉心部内では、燃料物質が複数の管状金属
容器内に封入されている。燃料を入れたこれらの管状容
器は、別々の管束又はユニットに配列又はグループ分け
され、これらの各管束は、しばしば、核燃料業界でチャ
ンネルの名称で知られる端部開放型収納箱内に収納され
ている。

上記の別々の燃料管束は、炉心が予め定められた配置形
状になるように原子炉内に組立てられている。組立てら
れた燃料管束は、各管束の間に中間隙間が出来るように
互いに間隔を空けて配置されていて、冷却材を管束の周
囲に流すためと中性子吸収材料から成る原子炉制御手段
を挿入するための管束周囲部分を形成している。

原子炉制御手段は、典型的には、核分裂中で中性子を放
射する核燃料の炉心に対して往復動可能な、中性子吸収
組成物質を含む構成要素から成る。

核分裂反応、したがって発生される熱は、核分裂反応を
促進させるための核分裂生成中性子の利用度を制御し、
核分裂反応の規模を定めることにより調整される。

普通の原子炉においては、ウラン同位元素やプルトニウ
ムのような核分裂性原子は、その原子核内に中性子を吸
収し、核崩壊又は核分解を起こす。

この核分裂により、平均して２個の、より低い原子量を
有し且つより大きい運動エネルギーを有する生成物が生
成されると共に、典型的には２個又は３個の、同じく高
いエネルギーを有する中性子が生成される。

このようにして生成された核分裂中性子は核分裂性燃料
を含む炉心内に拡散し、種々の特徴的な互いに拮抗する
作用により、利用されたり利用されずに失われたりする
。ある中性子は炉心の周辺境界部に移動し逸出して、こ
の反応系から失われる。又、ある中性子は、燃料物質内
に核分裂を起こさずに放射性捕獲される。他の中性子は
、核分裂性燃料内に吸収されて核分裂を生じさせ、これ
により核分裂中性子を更に生成し、いわゆる連鎖反応を
生じさせる。すなわち、高速中性子はウラン２３５及び
２３８に捕獲され、他方、熱中性子はウラン２３５に捕
獲される。更に他の中性子は、減速材、冷却材、種々の
構造材、燃料内に生成された核分裂生成物、及び原子炉
制御要素のような、炉心内及び炉心に隣接する構成要素
内の種々の異質な又は非核分裂性の組成物質中に寄生捕
獲される。

核分裂反応が自続性か、漸減性か、又は漸増性かは、核
分裂による中性子生成と、中性子を消費させる種々の互
いに拮抗する作用との均衡状態で決まる。核分裂反応が
自続性の場合、中性子増倍率は１，００に等しく、中性
子数は不変であり、原子のそれに続く核分裂を誘発する
ために個々の核分裂ごとに残有する中性子は平均して１
個である。

したがって、核分裂反応により発生される熱は連続的で
ある。そして、核分裂反応で形成された、一部が高い中
性子吸収能力を有する生成物を含む核分裂生成物の効果
を無効にするほどの充分な核分裂性物質がこの燃料系の
中に存在する限り、この熱は維持される。核分裂反応に
より発生された熱は、上記管状燃料容器と接触して炉心
内を循環する冷却剤（例えば水）によって除去されて、
発電のような熱利用手段へ搬送される。

核反応により生成される中性子数、したがって発生され
る熱またはエネルギーは、中性子が非核分裂性物質内に
されることによって消費又は廃棄される程度に左右され
る。この種の中性子消費は、核分裂反応中の核分裂性燃
料の炉心内に入れる中性子吸収制御物質の相対量を制御
することにより調整される。

中性子吸収物質を含む素子から成る制御装置は通常、棒
、シート又はブレードの形状で提供される。これらの素
子には、希望する中性子数したがって所望の核分裂反応
レベルを得るのに適した程度まで核分裂燃料の炉心内に
挿入できるようにこれらの素子を往復動させる機械式又
は流体圧式作動手段が設けられている。

一般的な中性子吸収物質は、元素状態又は化合物状態の
ホウ素、カドミウム、カドリニウム、ユーロピウム、エ
ルビウム、サマリウム、ハフニウム、ジスプロシウム、
銀及びインジウムを含む。

発電用商業原子炉は、制御手段又は制御系が複数の制御
ユニット又は制御棒から成るような規模のものである。

個々の制御ユニット又は制御棒は、多数の燃料管束の組
立体の全体にわたって設けられた空間又は隙間を通して
、別々のグループ分けされた管状燃料管束の間を移動さ
せることにより、炉心内へ種々の挿入深さまで選択的に
往復動可能に挿入できるようになっている。制御棒の一
般的設計は、米国特許第３，０２０，８８８号に示され
るように、４個のブレード体を有する素子から構成され
ており、この素子は中性子吸収物質を収容する鞘形被覆
体を備えている。４個のブレード体は相互に直角を成し
て放射状に突出し、この素子の断面は十字形になってい
る。この設計形状により、個々の制御棒素子は、炉心組
立体の相隣り合う４個の管束相互間の空間に挿入されて
、これら４個の管束の燃料からその核分裂により放出さ
れる中性子束又は中性子密度を制御することができる。

商業発電用の水冷減速式核分裂原子炉に使用される典型
的な制御手段についての構造設計、材料、作動機構及び
機能は、先行技術、例えば米国特許第３，０２０，７８
１号、同第３，０２０，８８８号、同第３，２１７，３
０７号、同第３，３９５．７８１号、同第３，３９７，
７５９号、同第４．２８５，７６９号、同第４．６２４
，８２６号、及び同第４，６７６．９４８号、並びに原
子炉を扱ったその他の文献に詳細に図示説明されている
。上記米国特許を参考のために引用した。

発明の要約 本発明は、水冷減速式核分裂原子炉に使用するための物
質組成物の特異な構造と適用との組合せから成る核分裂
原子炉用制御装置により構成される。

発明の目的 本発明の主たる目的は、重量及びコストの削減によりハ
フニウム金属を有効利用できるようにした核分裂原子炉
用制御装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、核分裂原子炉用制御装置で
あって、制御装置のユニットの長さ及び幅にわたって中
性子吸収能力を変化させて、使用領域における不均一な
中性子密度に対して制御装置の中性子吸収能力を選択的
に整合させ又は等しくさせることにより、不必要な吸収
材を除去して節減を図るようにした、ユニットを容易に
構築可能にする構成要素から成る核分裂原子炉用制御装
置を提供することにある。

本発明の更に一つの目的は、核分裂原子炉用制御装置で
あって、制御装置内に冷却材を流す手段を設けることに
より液体の形の水の存在を最大限にして、いわゆる「中
性子束トラップ」を構成するように中性子の減速及び取
り込みを向上するようにした核分裂原子炉用制御装置を
提供することにある。

本発明の更に別の一つの目的は、材料の相異及び（又は
）放射線レベルの領域的変化に由来する熱膨張及び（又
は）照射成長の差異によって生じる構造変形又は応力の
有害な影響を克服するようにした制御装置を提供するこ
とにある。

本発明の他の一つの目的は、−貫した性能を得るために
中性子吸収材の構造の公差が維持されるようにした制御
装置を提供することにある。

図面を参照した発明の詳細な説明 第１図に示す、十字形断面を有する核分裂原子用制御装
置の一般的な商業用設計例に適用した本発明の好ましい
実施例に関連して本発明の詳細な説明する。十字形制御
素子を備えた制御装置及びその燃料炉心集合体への利用
については、前掲の米国特許に説明されている。

制御装置１０は適当な制御装置駆動機構（図示しない）
に結合される基礎部１２を有する。この基礎部１２は中
性子吸収素子のフレーム１４を支持する。フレーム１４
は上部支持部材１６と、下部支持部材１８と、前記上部
および下部支持部材１６．１８を連結する細長い中心背
骨支持部材又は連結棒２０とを含む。上部支持部材１６
は、制御装置の輸送及び操作を容易にするハンドルとし
ても機能する。

本発明の中性子吸収素子についての前記の好ましい十字
形実施例において、上部および下部支持部材１６．１８
のそれぞれは、９０度の角度間隔で放射状に突出して十
字形を形成する４個の腕状部から構成されている。上部
および下部支持部材１６．１８を連結する中心背骨支持
部材２ｏは、好ましくは同じく十字形形状であって、そ
の４個の放射状に突出する腕状部の長さは上部および下
部支持部材１６．１８から突出する腕状部に対して比較
的短く形成されている。

上部および下部支持部材１６．１８の４個の放射状に突
出する腕状部と中心背骨支持部材２０の４個の短い放射
状の腕状部とはそれぞれ、対応するもの同士が同一平面
内に来るように整列していて十字形形状を形成する。上
部および下部支持部材１６．１８の４個の腕状部もまた
相互にほぼ同一延長上にある。

金属製鞘形被覆体２２が、上部支持部材１６の各腕状部
から下部支持部材１８のそれぞれの対応する各腕状部ま
で伸びて、中心背骨支持部材２０の全長に沿ってそれに
隣接している。鞘形被覆体２２は典型的には、ブレード
状の外形を有し且つ上部および下部支持部材の腕状部の
厚さに匹敵する内幅を有するＵ字形のシートメタル製ハ
ウジングから成る。各鞘形被覆体は好ましくは、各鞘形
被覆体に隣接する上部および下部支持部材１６．１８の
それぞれの腕状部ならびに中心背骨支持部材２０に、溶
接のような適当な手段で固定される。

鞘形被覆体２２はまた、冷却水を通すための複数の開口
２４を備えている。

本発明の制御装置の前記構造は原子炉運転に使用される
一般的な商業用制御手段に典型的なものである。前記の
フレーム１４及びその構成要素は通常、ステンレス鋼又
は類似の耐腐食性金属から構成される。

本発明によれば、制御装置の中性子吸収素子は、図示の
ように複数の扁平な中空の管の形に形成し、かつその管
壁には穴を設けたハフニウム金属で構成される。扁平な
中空の管は、種々の予め定めた厚さを有する２枚の側板
をほぼ平行に極めて近接して配置し、これらの側板をそ
の全長に沿って小径の弧状部で接合した構造から成る。

図面、特に第１図、第２図および第３図を参照すれば、
ハフニウム金属製の複数の扁平な中空の管２６は、管２
６．２６′および２６′として示すように、制御装置の
各鞘形被覆体２２内部に、相互に平行に且つ中心背骨支
持部材２０と垂直方向に整列して配置される。ハフニウ
ム製の扁平な中空の管２６は、好ましくは上部支持部材
１６のそれぞれの腕状部に適当に取付けることにより鞘
形被覆体内に支持される。ハフニウム製の管の上部支持
部材１６への取付は方法は、米国特許第４゜６７６．９
４８号に開示されているようにして行い、その一つの有
利な手段を第６図に示す。図示のように、一方のフック
要素２８をハフニウム製の管２６の上面に、また他方の
フック要素２８′を上部支持部材１６に、例えば溶接等
により固定して、相互補間フックユニットを構成する。

この構成により、取り替え作業が最初の組立てと同じく
容易になる。

鞘形被覆体２２内で上部支持部材１６に取付けられたハ
フニウム製の中性子吸収用の複数の管２６は、下方へ実
質的に下部支持部材１８まで延在しているが、好ましく
は下部支持部材１８に接触しないようにする。このよう
な自由垂下状態において、ハフニウム製の管は、熱膨張
および（又は）照射成長に際し、フレーム部材に応力な
どの変形をもたらす力を加えることなく伸長することが
できる。

本発明によれば、第２図及び第３図に示すように、各鞘
形被覆体２２内に組込まれたハフニウム金属製の中性子
吸収用の管２６の各平坦な側板の壁厚、したがって質量
を変化させて調節することにより、放射状に突出する中
性子吸収ブレードの外方への延伸範囲に沿って伸びる中
性子吸収素子の中性子吸収能力を、使用中のブレード表
面に沿って受ける不均一な中性子束の状態に選択的に整
合させ又は等しくすることができる。一般的に、中性子
束密度はブレードの最外端又は周辺部で最大であり、ブ
レードの外方への延伸範囲の中間領域で最小となる。こ
のようにして、中性子吸収部分の質量は変化する中性子
束の場の必要に応じて設計される。本発明はこの面では
、高価で重いハフニウムを過剰に適用し過ぎることなく
、設計された機能を発揮するのに十分な中性子吸収能力
を供給できるように、制御装置の中性子吸収部分の質量
を個々の必要に合わせて調節するものである。

同様に、第４図に示すように、各鞘形被覆体２２内に組
立られたハフニウム金属製の中性子吸収用の冬着２６の
側壁の厚さ、したがって質量を変化させて調節すること
により、素子の上端から下端までの全長に沿ってブレー
ドの中性子吸収能力を、同一目的で、選択的に整合させ
又は等しくすることができる。素子の全長に沿って変化
する中性子束条件に適合できるように中性子吸収用の管
の側壁の厚さを逐次的に変えて構成するには、異なった
壁厚を有するハフニウム製の扁平な中空の管の数個の部
分を合体すればよい。本発明のこの面を達成するための
適当な手段は、２個以上の一連の管部分を端部同士を突
き合わせて溶接することより接合して１個の連続したユ
ニットとすることである。鞘形被覆体またはブレードの
表面にわたる中性子束又は密度のパターンに中性子吸収
能力を整合させ又は等しくするように上述のように垂直
方向に沿ってハフニウム製の管を調製する方法は、可変
の中性子束の場で必要とされる以上の高価で重いハフニ
ウム金属を余分に適用することを避ける役目ももつ。

制御装置の鞘形被覆体２２及びハフニウム金属製の管２
６は双方ともその壁を貫通する複数の開口又はオリフィ
ス２４．３０を含み、その内部区域に周囲の流体が流入
し流出するようにしである。

冷却水がハフニウム金属製の扁平な中空の管２６に流入
してそこに存在するようにすることにより、エネルギー
を低減し中性子を捕獲するためのより有効な手段、いわ
ゆる中性子束トラップを形成する物質媒体の組合せが得
られる。

水冷減速式核分裂原子炉における長寿命の制御棒装置は
、中性子物質を小領域に集中させることにより中性子の
自己遮蔽が得られるという動作原理を利用する。自己遮
蔽効果は、外部表面領域に顕著な吸収が生じるまで吸収
材内部での中性子吸収を遅らせる。この遅れは制御装置
の使用寿命を長くする。

いわゆる中性子束トラップの根本にある原理は、吸収材
の一部を除去し、それを減速材と交換することであり、
吸収材は吸収材ユニット内から除去しなければならない
。

本発明は、水冷却材／減速材をハフニウム金属製の管の
中空内部に流入通過させることにより、中性子束トラッ
プを組込んで強化する。本発明の構成の中性束トラップ
において、初めに相互作用なしに金属吸収材の壁を通過
する高エネルギー中性子は、続いて内部の水減速材によ
り減速され、それから中空の吸収材の管の内部表面区域
に吸収される。この中性子束トラップ効果は、ハフニウ
ム製の管の内部が中空であることによる吸収材の減量を
補償するもので、中実な（中空でない）金属を用いた設
計による制御装置と同じ反応度を維持するユニットを提
供する。このように、重量及びコストの削減、特に極端
に重く高価なハフニウム金属の重量及びコストの削減と
いう顕著な利益が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は制御装置の部分破断斜視図である。第２図は第
１図の制御装置をＡ−Ａ線に沿って見た断面図である。 第３図は第１図の制御装置をＢ−Ｂ線に沿って見た断面
図である。第４図は制御装置のハフニウム金属製の管の
部分切取り立面図である。第５図は第４図のハフニウム
金属製の管をＣ−Ｃ線に沿って見た断面図である。第６
図はハフニウム金属製の管を上部支持部材に取り付ける
ための取付は装置を示す部分断面立面図である。 （主な符号の説明） １０：制御装置 １４：フレーム １６：上部支持部材 １８：下部支持部材 ２０：細長い中心背骨支持部材 ２２：鞘形被覆体 ２４．３０：開口 ２６：ハフニウム製の扁平な中空の管

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、相互に間隔のあいた複数の束にグループ分けされて
   運転時に液体冷却材に浸されるように配置された燃料ユ
   ニットの組立体から構成された核分裂性燃料の炉心を有
   する核分裂原子炉に用いられ、前記組立体の相互に間隔
   のあいた前記複数の束の間に挿入できるように前記炉心
   に対して往復動される制御装置であって、 細長い背骨支持部材により連結された上部支持部材およ
   び下部支持部材を含むフレームと、前記上部支持部材か
   ら前記下部支持部材まで延在し、且つ前記背骨支持部材
   にその長方方向に沿って隣接する少なくとも１個の鞘形
   被覆体と、各々前記鞘形被覆体の内部に収容されて、前
   記背骨支持部材と軸方向に整列した複数のハフニウム金
   属製の平行な扁平な中空の管とを有し、前記鞘形被覆体
   および前記ハフニウム金属製の管には冷却材を通すため
   に貫通する開口が設けられている原子炉用制御装置。 ２、前記上部支持部材から前記下部支持部材まで延在し
   且つ前記背骨支持部材にその長方方向に沿って隣接する
   前記鞘形被覆体がＵ字形のブレード状輪郭を有する中空
   体である請求項１記載の原子炉用制御装置。 ３、前フレームの前記上部支持部材および前記下部支持
   部材の各々が十字形の断面形状を有していてそれぞれ前
   記背骨支持部材から外方へ放射状に突出する４個の腕状
   部を有し、前記鞘形被覆体が前記上部支持部材の各腕状
   部から前記下部支持部材の対応する各腕状部まで延在す
   るブレード状輪郭の鞘形被覆体であり、各々の前記鞘形
   被覆体はその内部に、前記背骨支持部材にその長手方向
   に沿って隣接し且つ前記背骨支持部材と軸方向に整列し
   た複数のハフニウム金属製の平行な扁平な中空の管を収
   容している請求項１記載の原子炉用制御装置。 ４、前記複数のハフニウム金属製の管の壁厚がその長手
   軸方向において変化している請求項１記載の原子炉用制
   御装置。 ５、相互に間隔のあいた複数の束にグループ分けされて
   運転時に液体冷却材に浸されるように配置された燃料ユ
   ニットの組立体から構成された核分裂性燃料の炉心を有
   する核分裂原子炉に用いられ、前記組立体の相互に間隔
   のあいた前記複数の束の間に挿入できるように前記炉心
   に対して往復動される制御装置であって、 細長い中心背骨支持部材により連結された上部および下
   部支持部材を含むフレームを有し、前記上部および下部
   支持部材の各々は断面形状が十字形であって、それぞれ
   前記背骨支持部材から外方へ放射状に突出する４個の腕
   状部を含み、さらに、前記上部支持部材の各腕状部から
   前記下部支持部材の対応する各腕状部まで延在するブレ
   ード状輪郭の鞘形被覆体を有し、前記鞘形被覆体の各々
   は、前記背骨支持部材にその長手方向に沿って隣接し且
   つ前記背骨支持部材と軸方向に整列した複数のハフニウ
   ム金属製の平行な扁平な中空の管を内部に収容している
   原子炉用制御装置。 ６、前記鞘形被覆体の内部に収容された前記複数のハフ
   ニウム金属製の平行な扁平な中空の管が前記上部支持部
   材に機械的手段で取付けられている請求項５記載の原子
   炉用制御装置。 ７、前記鞘形被覆体の各々及び前記ハフニウム金属製の
   管には冷却材を通すために貫通した開口が設けられてい
   る請求項５記載の原子炉用制御装置。 ８、前記複数のハフニウム金属製の管の壁厚がその長手
   軸方向において変化している請求項５記載の原子炉用制
   御装置。 ９、前記ブレード状輪郭の鞘形被覆体の内部に収容され
   た前記ハフニウム金属製の管の壁厚が同一横断面内で変
   化している請求項５記載の原子炉用制御装置。 １０、相互に間隔のあいた複数の束にグループ分けされ
   て運転時に液体冷却材に浸されるように配置された燃料
   ユニットの組立体から構成された核分裂性燃料の炉心を
   有する核分裂原子炉に用いられ、前記組立体の相互に間
   隔のあいた前記複数の束の間に挿入できるように前記炉
   心に対して往復動される制御装置であって、 細長い軸方向背骨支持部材により連結された上部支持部
   材および下部支持部材を含みフレームと、ブレード状輪
   郭の複数の鞘形被覆体とを有し、前記上部支持部材およ
   び前記下部支持部材の各々は前記軸方向背骨支持部材か
   ら外方へ放射状に突出する複数の腕状部から成り、前記
   上部支持部材の各腕状部は前記下部支持部材の対応する
   腕状部とそれぞれ同一延長上にあるように整列しており
   、前記鞘形被覆体の各々は、それぞれ前記上部支持部材
   の各腕状部から前記下部支持部材の対応する整列した腕
   状部まで延在すると共に、前記背骨支持部材にその長手
   方向に沿って隣接しており、また前記鞘形被覆体の各々
   はその内部に、前記背骨支持部材と軸方向に整列した複
   数のハフニウム金属製の平行な扁平な中空の管を収容し
   ており、前記ハフニウム金属製の管は隣接する前記上部
   支持部材に機械的手段で取付けられており、前記ハフニ
   ウム金属製の管の壁厚は同一横断面内で変化していると
   共に、前記下部支持部材に近接する部分では減少してお
   り、前記鞘形被覆体および前記ハフニウム管には冷却材
   を通すために貫通した口が設けられている原子炉用制御
   装置。