JPH021277B2

JPH021277B2 -

Info

Publication number: JPH021277B2
Application number: JP56155289A
Authority: JP
Inventors: Kyoshi Ueda
Original assignee: Toshiba Corp; Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Current assignee: Toshiba Corp; Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Priority date: 1981-09-30
Filing date: 1981-09-30
Publication date: 1990-01-10
Also published as: JPS5855886A

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関する。

（従来の技術）原子炉用制御棒は、中央構造材に細長いＵ字状
のシースを取付けて形成した複数個のウイング内
に、多数の中性子吸収棒を装填して構成されてい
る。中性子吸収棒は、ステンレスから成る被覆管
内にボロンカーバイド（B₄C）粉末を充填し、被
覆管内に一定間隔で粉末移動防止用の仕切球を配
置して構成されている。

中性子吸収棒中のB₄Cは中性子を吸収して中性
子吸収能力を次第に失い、またその間ボロン10（
¹⁰B）が中性子と反応してヘリウム（He）ガスを
発生し、被覆管内の圧力を上昇させる。中性子吸
収能力によつて定まる寿命を核的寿命と言い、管
内ガス圧によつて定まる寿命を機械的寿命と言
う。

（発明が解決しようとする課題）制御棒は一様な中性子照射を受けるものではな
く、例えば各ウイングの各側縁および上端部は強
度の中性子照射を受け、それら側縁部近傍および
上端部近傍の中性子吸収棒内の中性子吸収材は多
量の中性子を吸収するので、他部の中性子吸収棒
より早期に核的寿命に達する。そのため、他部の
中性子吸収棒は十分核的寿命を残しているにもか
かわらず、制御棒を放射性廃棄物として廃棄しな
ければならなかつた。

そのような問題を解決するため、強度の中性子
照射を受けるウイング側縁近傍に、本出願人は核
的寿命の長い長寿命型中性子吸収体を配置した制
御棒を開発し、特開昭53−74697号公報に開示し
た。

ところが、開示した制御棒の寿命は通常型の制
御棒の２倍程度に過ぎず、より長寿命化が求めら
れている現在の状況に対応できない。

本発明は上記の事情を考慮してなされもので、
従来の制御棒よりも格段に長寿命化を図ることが
できる原子炉用制御棒を提供することを目的とす
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、ウイング先端
近傍に先端を有するとともにウイング先端側1/4
近傍に末端を有し、ウイング幅とほぼ等しい幅を
有するハフニウムおよび銀−インジウム−カドミ
ウム合金のうち少なくとも一方からなる長寿命型
の板状中性子吸収材をウイング内に設け、その板
状中性子吸収材の先端側にウイング長さ方向に延
びる長短の長寿命型中性子吸収棒をウイング幅方
向に長短交互に配設し、これらの長寿命型中性子
吸収棒はハフニウムまたはステンレスからなる被
覆管内に酸化ユーロピウムを充填してなるかまた
はハフニウム棒からなり、これら各長尺長寿命型
中性子吸収棒間で短尺長寿命型中性子吸収棒の先
端側に形成される間隙に水棒を配設する一方、上
記板状中性子吸収材の末端側にウイング長さ方向
に延び上記長寿命型中性子吸収棒と同じ構造の長
寿命型中性子吸収棒をウイング幅方向に長短交互
に配設し、これら長短の長寿命型中性子吸収棒は
上記板状中性子吸収材の末端にその先端が接する
とともにウイング全長の1/2近傍に末端を有し、
これら長短の長寿命型中性子吸収棒の末端側にウ
イング長さ方向に延びる長短の通常型中性子吸収
棒を設け、これらの通常型中性子吸収棒はステン
レスからなる被覆管内にボロンカーバイド粉末を
充填してなり、これらの長短の通常型中性子吸収
棒を上記長尺長寿命型中性子吸収棒の末端側に短
尺通常型中性子吸収棒が位置し、上記短尺長寿命
型中性子吸収棒の末端側に長尺通常型中性子吸収
棒が位置するように配設したことを特徴とするも
のである。

（作用）本発明に係る原子炉用制御棒は、原子炉停止余
裕（未臨界度）が浅くなり易い部位に、ハフニウ
ムおよび銀−インジウム−カドミウム合金のうち
少なくとも一方からなる板状中性子吸収材、およ
びハフニウムまたはステンレスからなる被覆管内
に酸化ユーロピウムを充填してなる長寿命型中性
子吸収棒あるいはハフニウム棒を配置したため、
従来の制御棒に比較して大幅に長寿命化を図るこ
とができる。

（実施例）本発明の一実施例について添付図面を参照して
説明する。

従来の制御棒を一定期間使用した後の原子炉停
止余裕（未臨界度）は第２図Ａに示す軸方向分布
を示し、炉心上端、下端および炉心下部において
大きく、上端近傍において最も小である。これは
炉心上部において原子炉運転中、ボイド率が高く
出力密度が低くなるため、核分裂性物質のウラン
235（ ²³⁵U）が多く残有し、しかもボイド率が高
いためプルトニウム239（ ²³⁹Pu）の生成率が高く
なるためである。

従来の制御棒の核的寿命が短いのは第２図Ａに
示すように、ウイングの挿入末端側から1/2の位
置近傍から挿入先端近傍までの範囲の未臨界度が
浅くなることに起因するものである。とりわけ、
ウイングの挿入末端側から3/4の位置近傍から挿
入先端近傍までの範囲において、未臨界度が著し
く浅くなることによる影響が大きい。すなわち、
軸方向の中性子吸収断面積が一様な原子炉用制御
棒を使用して原子炉を所定期間運転した場合にお
ける原子炉停止余裕（未臨界度）の炉心軸方向分
布は、燃料集合体の設計仕様または原子炉の運転
方法によつて若干の相違を生じるが、基本的には
第２図Ａに示す分布となる。すなわち、原子炉停
止余裕は炉心の上端および下端において大きく、
一方、上端より若干下つた位置において最小の値
となる。この原因としては、次のことが考えられ
る。

原子炉炉心の軸方向長さをＬとした場合、下端
から3/4Ｌの位置から上端にかけての上端領域に
おいては、運転時の気泡率（ボイド率）が高く、
炉の出力密度が若干低下するため、核分裂性物質
である質量数235のウラン（Ｕ−235）の残存量が
比較的多く、また発生する気泡（ボイド）によつ
て中性子スペクトルの硬化現象を生じる。その結
果、プルトニウム生成反応（中性子吸収反応）が
促進されるため、原子炉の運転後において炉心上
部の核分裂性物質の濃度が高くなり、その領域の
原子炉停止余裕が低下する（未臨界度が浅くな
る）。

したがつて、未臨界度が浅くなり易い範囲、部
位に予め長寿命型の板状中性子吸収材や中性子吸
収棒を配設しておけば、一定期間使用した後の未
臨界度をウイング全長にわたつてほぼ一様にする
ことができ、制御棒の長寿命化を図ることができ
る。

本発明はこのような考え方により、ウイング内
に長寿命型の板状中性子吸収材や中性子吸収棒を
効果的に配設したものである。

第１図においてウイング内に制御棒全長の挿入
末端側から3/4より若干先端側に末端を有すると
ともに挿入先端近傍に先端を有し、ウイング幅と
ほぼ等しい幅の板状中性子吸収材１が配設され
る。この板状中性子吸収材１としてはハフニウム
（Hf）、銀−インジウム−カドミウム（Ag−In−
Cd）合金等の長寿命型中性子吸収材の板材が用
いられる。この範囲は、特に未臨界度が浅くなり
易い範囲であるため、多量の長寿命型中性子吸収
材を配設して反応度価値を高めるとともに、高い
中性子照射に耐え得るようにしたのである。

板状中性子吸収材１の挿入先端側は制御棒全挿
入炉停止時反応度への寄与が小さいので長寿命型
の中性子吸収材の量は少なくてもよい。また、熱
的インパクト低減の面から中性子吸収材の量は少
ない方がよく、制御棒軽量化にも寄与しうる。

このため、板状中性子吸収材１の挿入先端側
に、ウイング長さ方向に延びHfまたはステンレ
スからなる被覆管内に酸化ユーロピウム
（EU₂O₃）を充填封入した長・短の長寿命型中性
子吸収棒２，３がウイング幅方向に長短交互に装
填される。

各長尺長寿命型中性子吸収棒２の間で、短尺長
寿命型中性子吸収棒３の挿入先端側に形成される
間隙にはステンレス配管中に水を充填封入した水
棒４が配設され、長尺長寿命型中性子吸収棒２に
対するスペーサとして機能している。この水棒４
により中性子がが減速され、Hf等に吸収され易
くなるので、Hf等の量が少ない割には比較的大
きな反応度価値が得られる。

板状中性子吸収材１の挿入末端側は、中性子照
射量が比較的高い位置であり、ま反応度価値を従
来型の中性子吸収棒と同程度か若干大きくする必
要があるため、この条件に対応できる長寿命型中
性子吸収棒５，６が配設される。

この長寿命型中性子吸収棒５，６は前記と同様
にHfまたはステンレスからなる被覆管内に酸化
ユーロピウムを充填封入したものであり、ウイン
グ長さ方向に延びる長・短の長寿命型中性子吸収
棒５，６がウイング幅方向に長短交互に装填され
る。長尺長寿命型中性子吸収棒５の挿入末端側端
部はウイング全長の1/2よりも挿入末端側に位置
し、短尺長寿命型中性子吸収棒６の挿入末端側端
部はウイング全長の1/2よりも挿入先端側に位置
する。

上記長・短の長寿命型中性子吸収棒５，６の挿
入末端側は中性子照射量が比較的低いため、長・
短の通常型中性子吸収棒７，８が配設される。こ
こに、通常型中性子吸収棒７，８とは、ステンレ
スから成る被覆管内にB₄C粉末を充填したものを
いう。

長尺通常型中性子吸収棒７は短尺長寿命型中性
子吸収棒６の挿入末端側に配設され、短尺通常型
中性子吸収棒８は長尺長寿命型中性子吸収棒５の
挿入末端側に配設され、長寿命型中性子吸収棒
５，６と通常型中性子吸収棒７，８との境界が実
質的に生じないように構成される。これら長・短
の通常型中性子吸収棒７，８の挿入末端側の端部
はウイング挿入末端に位置する。

通常型中性子吸収棒７，８の被覆管内の頂部に
は、プラグや少量の金属ウールなど中性子吸収材
の存在しない部分がある。この部分は中性子に対
してボイドのような特性を示す。ボイドが連続し
て並ぶと、中性子束の盛上りが生じ、その盛上り
が隣接燃料部の中性子束を盛上げる結果、炉心の
反応度がが増大する。この現象は制御棒からみる
と制御棒反応度価値の低下に等しい。上記のよう
に通常型中性子吸収棒７，８を長尺と短尺の２種
類としてボイド部分が隣接しないように配設し、
長尺通常型中性子吸収棒７の頂部と頂部の間に長
寿命型中性子吸収棒５を配設することにより、中
性子束の盛上りは大幅に抑制される。その結果、
燃料部での中性子束の盛上りは殆んどなくなり、
中性子束の盛上りに基づく反応度価値の減少は殆
んどなくなる。

なお、特開昭53−74697号公報にボロン10（
¹⁰B）の含有量を増大させた長寿命型中性子吸収
棒がが開示されているが、この長寿命型中性子吸
収棒は ¹⁰Bが（ｎ、α）反応によりヘリウム
（He）ガスを発生するため、長寿命型吸収材とし
て使用する場合にはガスプレナムが必要となる。

これに対し、本発明に係る長寿命型中性子吸収
棒は、Hfまたはステンレスからなる被覆管内に
EU₂O₃を充填封入したものか、またはHf棒から
なるため、Heガスを発生せず、ガスプレナムを
必要としない。なお、Hf、Ag−In−Cd、EU₂O₃
は中性子吸収核種が１回中性子を吸収してもなお
かつ吸収能力を有するものであり、これにより長
寿命化を図ることができるものである。

また、本発明で用いる通常型中性子吸収棒は積
算中性子照射量があまり高くならない位置（挿入
末端側1/2Ｌの範囲）でしか用いないので、ガス
プレナムは必ずしも必要ではない。実際にはB₄C
粉末の被覆管内充填密度は理論密度の70％程度で
あり、被覆管内の約30％が分散したガスプレナム
を構成しているため、発生したHeガスをこの分
散したガスプレナムに収容できる。

ところで、一般にウイングの外側縁は中性子照
射量が多く、早期に核的寿命に達することが知ら
れている。しかし、上記実施例ではウイング全長
より挿入末端側のウイング外側縁に長寿命型中性
子吸収棒を配設せず通常型中性子吸収棒８を配設
した。この理由は次のとおりである。

すなわち、制御棒を全挿入した状態のみで運転
するような場合には、ウイング外側縁は全長に渡
つて早期に核的寿命に達する。しかし、実際には
制御棒は徐々に引き抜かれながら運転され、運転
サイクル末期では全ての制御棒が殆んど引抜いた
状態となる。

したがつて、制御棒は軸方向でみると、挿入先
端側ほど中性子照射量が多くなる。挿入先端部の
０〜５cmの範囲は、さらに著しい急激な中性子照
射量の増加となる。つまり、制御棒は挿入末端ほ
ど照射量が低くなるため、ウイングの挿入末端側
半分では外側縁の照射量も大幅に低下する。した
がつて、ウイングの挿入末端側半分の外側縁に必
ずしも長寿命型中性子吸収棒を配設する必要がな
い。

但し、最近の原子炉運転方法では、サイクルの
大部分は比較的深く（全長の3/4程度）挿入し、
サイクル後半で全引抜きにする新しい運転方法を
採用する傾向があり、これに対応するためにはウ
イング外側縁の長寿命型中性子吸収棒５は、挿入
先端から3/4程度の位置まで、その末端を伸ばし
た方がよい。また、若干重量増となるが、ウイン
グ外側縁の長寿命型中性子吸収棒５をウイング挿
入末端まで伸ばしてもよい。このようなウイング
挿入末端まで伸ばすと、製造上若干のメリツトが
考えられるが、若干の重量増と価格の上昇という
デメリツトもある。

なお、前記板状中性子吸収材１には、過大な反
応度効果を抑制し軽量化を図るため、例えば円形
のくぼみ９が設けられる。

上記実施例によれば、強度の中性子照射を受け
る部分にのみ長寿命型の中性子吸収材を配置して
あるため、制御棒の重量、価格の増加は抑制され
る。

また、第２図Ａに示す未臨界度の軸方向分布に
対し、上記実施例に係る制御棒の中性子吸収断面
積の軸方向分布は、第２図Ｂに示すように、第２
図Ａの未臨界度軸方向分布曲線を大まかにかつ逆
向きに近似する折線状となり、その結果未臨界度
の軸方向分布は、第２図Ｃに示すように平担化さ
れる。

このように上記実施例によれば、必要な部位に
充分長寿命型中性子吸収材を配置したから、従来
の制御棒に比較して、大幅に長寿命化を図ること
可能となる。

なお、本発明は上記実施例に限定されず、長寿
命型中性子吸収棒２，３，５，６としてハフニウ
ム（Hf）の丸棒を使用してもよい。

〔発明の効果〕

本発明に係る原子炉用制御棒は、ウイング先端
近傍に先端を有するとともにウイング先端側1/4
近傍に末端を有し、ウイング幅とほぼ等しい幅を
有するハフニウムおよび銀−インジウム−カドミ
ウム合金のうち少なくとも一方からなる長寿命型
の板状中性子吸収材をウイング内に設け、その板
状中性子吸収材の先端側にウイング長さ方向に延
びる長短の長寿命型中性子吸収棒をウイング幅方
向に長短交互に配設し、これらの長寿命型中性子
吸収棒はハフニウムまたはステンレスからなる被
覆管内に酸化ユーロピウムを充填してなるかまた
はハフニウム棒からなり、これら各長尺長寿命型
中性子吸収棒間で短尺長寿命型中性子吸収棒の先
端側に形成される間隙に水棒を配設する一方、上
記板状中性子吸収材の末端側にウイング長さ方向
に延び上記長寿命型中性子吸収棒と同じ構造の長
寿命型中性子吸収棒をウイング幅方向に長短交互
に配設し、これら長短の長寿命型中性子吸収棒は
上記板状中性子吸収材の末端にその先端が接する
とともにウイング全長の1/2近傍に末端を有し、
これら長短の長寿命型中性子吸収棒の末端側にウ
イング長さ方向に延びる長短の通常型中性子吸収
棒を設け、これらの通常型中性子吸収棒はステン
レスからなる被覆管内にボロンカーバイド粉末を
充填してなり、これらの長短の通常型中性子吸収
棒を上記長尺長寿命型中性子吸収棒の末端側に短
尺通常型中性子吸収棒が位置し、上記短尺長寿命
型中性子吸収棒の末端側に長尺通常型中性子吸収
棒が位置するように配設したから、必要な部位に
充分長寿命型中性子吸収材を配置することによ
り、従来よりも大幅に長寿命化を図ることができ
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
例におけるウイングを示す構成図、第２図Ａ，
Ｂ，Ｃは上記実施例の作用・効果を説明するため
の特性図である。１……板状中性子吸収材、２，３，５，６……
長寿命型中性子吸収棒、４……水棒、７，８……
通常型中性子吸収棒。

Claims

【特許請求の範囲】

１ウイング先端近傍に先端を有するとともにウ
イング先端側1/4近傍に末端を有し、ウイング幅
とほぼ等しい幅を有するハフニウムおよび銀−イ
ンジウム−カドミウム合金のうち少なくとも一方
からなる長寿命型の板状中性子吸収材をウイング
内に設け、その板状中性子吸収材の先端側にウイ
ング長さ方向に延びる長短の長寿命型中性子吸収
棒をウイング幅方向に長短交互に配設し、これら
の長寿命型中性子吸収棒はハフニウムまたはステ
ンレスからなる被覆管内に酸化ユーロピウムを充
填してなるかまたはハフニウム棒からなり、これ
ら各長尺長寿命型中性子吸収棒間で短尺長寿命型
中性子吸収棒の先端側に形成される間隙に水棒を
配設する一方、上記板状中性子吸収材の末端側に
ウイング長さ方向に延び上記長寿命型中性子吸収
棒と同じ構造の長寿命型中性子吸収棒をウイング
幅方向に長短交互に配設し、これら長短の長寿命
型中性子吸収棒は上記板状中性子吸収材の末端に
その先端が接するとともにウイング全長の1/2近
傍に末端を有し、これら長短の長寿命型中性子吸
収棒の末端側にウイング長さ方向に延びる長短の
通常型中性子吸収棒を設け、これらの通常型中性
子吸収棒はステンレスからなる被覆管内にボロン
カーバイド粉末を充填してなり、これらの長短の
通常型中性子吸収棒を上記長尺長寿命型中性子吸
収棒の末端側に短尺通常型中性子吸収棒が位置
し、上記短尺長寿命型中性子吸収棒の末端側に長
尺通常型中性子吸収棒が位置するように配設した
ことを特徴とする原子炉用制御棒。