JPH0213891A - 制御棒 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、制御棒に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用
するのに好適な制御棒に関する。

〔従来の技術〕

沸騰水型原子炉に用いられる制御棒は、横断面が十字形
をしており、四枚のブレードを設けている。各ブレード
は、Ｕ字形に曲げられたシー入内に多数の中性子吸収棒
を配置して構成される。各シースは、制御棒の軸心に設
けられているタイロッドに取付けられている。中性子吸
収棒は、タイロッド、シース、タイロッドの上端部に取
付けられた上部支持部材、及び、タイロッドの上端部に
取付けられたベロシティリミッタの上面によって形成さ
れる空間内に、固定されることなく一列に配列されて配
置されている。

特開昭５７−１７１２９３号公報に示されている制御棒
は、中性子吸収棒の上・下面と上部支持部材及びベロシ
ティリミッタ上面との間に、ショックアブソーバ、すな
わち、薄肉のステンレスパイプを水平方向に挿入してい
る。

このステンレスパイプは、制御棒の通常時、または、ス
クラム時の駆動に際して中性子吸収棒が上部支持部材、
及び、ベロシティリミッタに与える衝撃を緩和するため
に設けられている。

さらに、長寿命型の、制御棒としては、例えば、特開昭
５３−７４６９７号公報に示されるように、制御棒の中
でも中性子吸収量の多い上端部、あるいは、翼端部に核
的・機械的寿命の長い長寿命型中性子吸収棒を配置した
ものが知られている。

これを適用した制御棒の構成は、上端及び翼端にハフニ
ウム（Ｈｆ）、あるいは、ユーロピウム（Ｅｕ）等の長
寿命型中性子吸収材を配置し、それ以外の部分には、ス
テンレス鋼製の細長い被覆管中にボロンカーバイド（Ｂ
ａＣ）粉末を充填したポイズン管を配置している。

〔発明が解決しようとする課題〕

特開昭５７−１７１２９３号公報は、中性子吸収材とブ
レードの上・下端部の構造材との間にショックアブソー
バとしてのステンレスパイプを挿入することによって中
性子吸収棒と構造材との間に生じるギャップを低減して
いる。しかし、中性子吸収棒は、長さが４ｍで被覆管と
端栓を溶接で接合されている。このため、一つのブレー
ド内に配置するすべての中性子吸収棒の軸方向の長さを
等しくすることは困難であり、その長さにばらつきが生
じる。すなわち、中性子吸収棒の長さは、平均で２〜３
Ｉ、最大で５〜６ａ＋＋のばらつきがある。従って、中
性子吸収棒の熱膨張を吸収できるようにステンレスパイ
プの大きさを決めたとしても、ブレード内のすべての中
性子吸収棒とステンレスパイプとの間のギャップを零に
することは困難である。

原子炉運転中で、中性子吸収棒が熱膨張等により伸びた
状態でも、ある中性子吸収棒の両端面は、上・下のステ
ンレスパイプに接触しているが、ある中性子吸収棒の上
端面はステンレスパイプと接触せずに、その上端面とス
テンレスパイプとの間に最大５〜６Ｉのギャップが形成
される。すべての中性子吸収棒は、重力の作用により下
端部に配置されたステンレスパイプと接触している。

原子炉スクラム時に、制御棒は、約１秒間で炉心内に急
速挿入され、最後は、急速停止される。

急速挿入時に各中性子吸収棒には、大きな加速度が作用
しており、挿入完了時の急速停止に至る急速減速によっ
て、上端部に位置しているステンレスパイプとの間にギ
ャップを形成している中性子吸収棒は、そのステンレス
パイプに勢い良く衝突する。このため、ステンレスパイ
プは一回のスクラム操作で、押潰され（特に、ステンレ
スパイプとの間に大きなギャップをもっている中性子吸
収棒によって）、以後のスクラム操作に対しては、緩衝
機能を果さなくなる可能性があり、制御棒の挿入端側に
ある構造材が、中性子吸収棒によって衝撃を受は易くな
る。特に、中性子吸収棒をＨｆで構成した場合には、ス
テンレスパイプは前述のように一回のスクラム操作によ
って潰れ易い。

さらに、特開昭５３−７４６９７号公報では、長寿命型
中性子吸収材が制御棒の一部にしか用いられておらず、
長寿命型中性子吸収材のみで構成された制御棒に比べて
寿命が短いという問題があった。

この問題を解決するため制御棒の中性子吸収材をすべて
、ハフニウム等の長寿命型中性子吸収材に置き換えるこ
とが考えられる。しかし、長寿命型中性子吸収材は、従
来、一般に用いられているＢ４Ｃよりも重く、中性子吸
収材として長寿命型中性子吸収材のみを用いて制御棒を
構成した場合には、制御棒の重量が著しく増加し、制御
棒駆動装置による制御棒操作や、制御棒落下事故時の速
度に支障を生じる可能性がある。

このため、特開昭５９−３８６８７号公報では、ハフニ
ウムの管を用い、中実棒より軽く、ヘリウムガスの発生
しない制御棒構造としている。さらに、ハフニウムの管
（パイプ）とし、その中に冷却水を通すと管内に冷却水
を流さないよりも核的に効果がある。しかし、上述のよ
うにハフニウムパイプにしても、スクラム時に押潰され
る可能性がある。特願昭６１−１８８４８０では、中性
子吸収棒に、係合部を設け、制御棒の制御棒駆動装置の
連結側にある中性子吸収棒支持部と係合しているが、ハ
フニウムの管下端と、制御棒駆動装置連結側を係合する
には、ハフニウムの下端に端栓を取付け、さらに、内部
を冷却水が通るよう、端栓に穴を開けたり、ハフニウム
管に穴を開けたりする必要がある。本発明の目的は、ス
クラム時に、中性子吸収管が、制御棒の挿入側および制
御棒駆動装置連結側の構造材に与える衝撃を制御棒が寿
命となるまでの長期間にわたって防止する制御棒を提供
することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的は、制御棒の制御棒駆動装置連結側、あるいは
、制御棒挿入側にある中性子吸収棒支持部と、シース内
に存在する中性子吸収棒の制御棒駆動装置側端部、ある
いは、両端とを係合し、さらに、ブレードを軸方向に吸
収核連鎖型中性子吸収材の充填量の異なる上・下部領域
に分け、上端に近い領域はど吸収核連鎖型中性子吸収材
の量を多くするか、あるいは、上・下とも同量とするこ
とにより達成できる。

〔作用〕

制御棒駆動装置側、あるいは、制御棒挿入側にある中性
子吸収棒支持部と中性子吸収棒の制御棒駆動装置側端部
と制御棒挿入側端部とが係合されているので制御棒の寿
命期間にわたって中性子吸収棒がスクラム時に制御棒挿
入端側の構造材に衝撃を与えることを防ぐことができる
。

さらに、ブレードの軸方向で下部領域の吸収核連鎖型中
性子吸収材の量を減少される等しているので、原子炉停
止中における中性子インボータンス分布に対応させて効
果的な中性子吸収能力を原子炉停止中に得ることができ
、制御棒の重量を軽減することができ、制御棒の良好な
操作性を得ることができる。

また、吸収核連鎖型中性子吸収材を用いているので、制
御棒の機械的、及び、核的寿命が長くなる。さらに、中
性子吸収材についても、中実棒ではなく、中空のものを
用いており、管内に水を流し両端を、制御棒挿入端側や
駆動装置側に係合することが容易である。

〔実施例〕

制御棒の寿命を延ばすために、中性子吸収材として８４
Ｃに代えてハフニウムを用いることが考えられており、
中性子吸収材をすべてハフニウム等の長寿命型中性子吸
収材に置替えることが考えられる。しかし、長寿命型中
性子吸収材は、従来一般に用いられている８４Ｃよりも
重く中性子吸収材として長寿命型中性子材のみを用いた
制御棒を構成した場合には、制御棒の重量が増加し、制
御棒駆動装置による制御棒操作に支障を生じる可能性が
あることが判明した。

このため５発明者等は、Ｈｚ　を中性子吸収棒として用
いる場合には、ブレード内に配置するＨ２の上・下部の
外径を異径とすることや、中空にすることにより制御棒
重量の軽減を図った。

本発明の実施例を、第１図、第２図および第４図により
説明する。

制御棒を第２図に示す。すなわち、制御棒１は、横断面
が十字形をしており、軸心から四方に伸びる四枚のブレ
ード２をもつ。ブレード２の下方にベロシティリミッタ
あるいは、制御棒駆動装置との結合部１７が設けられる
。ハンドル１８はブレード１２の上端に取付られる。図
示されていないが、制御棒は、原子炉圧力容器内で、原
子炉圧力容器に設置された制御棒駆動装置と着脱可能に
連結されている。

制御棒１のブレード２の形状を第１図に基づいて説明す
る。

各ブレード２は、制御棒１の軸心に配置されたＳＵＳ製
のタイロッド１１に両端部が取付けられたＵ字形のシー
ス（ＳＵＳ製）１２、及び、シース１２内に設けられた
中性子吸収棒３から構成される。上部保持部６がタイロ
ッド１１の上端部に、下部保持部７がタイロッド１１の
下端部にそれτれ溶接で取付けられる。Ｕ字状のシース
１２の上端部は、上部保持部６を取囲み、上部保持部６
に点溶接で取付けられる。シース１２の下端部は、下部
保持部７を取囲み、下部保持部７に点溶接で取付けられ
る。シース１２には多数の孔が設けられ、制御棒１を原
子炉内に設置した時、これらの孔を通してシース１２内
に原子炉内の冷却水が流入する。この冷却水は、中性子
吸収棒３を冷却する。中性子吸収棒３は、第４図に示す
ように、シース１２内に配置され、タイロッド１１に取
付けられたＳＵＳ製の上部及び下部保持部６及び７の間
に配置されて保持される。

中性子吸収棒３は、上・下部領域に分割し、上部を中実
、下部を中空（パイプ）とするものを用いる。

ハンドル１２は、上部保持部６上に取付けられる。ベロ
シティリミッタ、あるいは、制御棒駆動装置との結合部
１７は、タイロッド１１の下端に係合される。下部保持
部７は、ベロシティリミッタ、あるいは、制御棒駆動装
置との結合部１７に固定されている。特に、下部保持部
材を設けずに結合部１７を下部保持部７として用いても
よい。

中性子吸収棒を、第６図ないし第８図に示す。

中性子吸収棒３は、第６図ないし第８図に示すように、
上部領域と下部領域の二領域に分割し、上・下の外径が
等しく、上部は中実とし下部を中空とするもの（第６図
）、上・下部領域に分割し、上部領域を下部領域よりも
細くしたもの（第７図）、上・下部領域とも中空であり
、外径は等しく、内径が、上・下部領域で異なるか、あ
るいは１等しいもの（第８図）である。

第６図において、外径は、上・下とも４．８Ｉφ。

５．３賜φ、５．６ｍａφが考えられ、下部中空部の内
径は、上部領域中実部の重量の約半分となるように設定
する。

上部中実部は、下部中空部に軸心を一致させて接合した
ものである。

下部中空部の下端と上端部には、孔を設け、冷却水が浸
入出来るようにする。冷却水は、下部中空部の７発熱に
よる発熱をおさえることや、制御棒価値（ワース）を高
めることに効果がある。

第７図において、上部領域の太さを下部の太さよりも太
くする吸収棒を示す。この場合、上・下とも中実の場合
と、下部のみを中空とする二ケースが考えられる。制御
棒の吸収棒の構成は、重量。

核的寿命、核的価値により決定される。このうち、核的
寿命９価値の軸方向分布は、各炉の軸方向中性子インポ
ータンスに基づき、吸収棒の上部の重量を下方に配置し
、上・下吸収材の最適化を図ることが必要となる。この
ため、上・下異径となる吸収棒の形状も考えられる。

一つのブレード２内に中性子吸収棒３が１８〜２１本装
填されている。

ここで吸収核連鎖型中性子吸収材とは、中性子吸収反応
により生成される核種、あるいは、その壊変核種の中に
、さらに、中性子を吸収する核種があられれて中性子吸
収効果の減衰が遅い中性子吸収材を意味する。吸収核連
鎖型中性子吸収材の具体的な物質は、Ｈｆ、ＥｕｚＯａ
、ｓＴａ、ＤｙｚＯｓ及びＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ等がある。

一本の制御棒には四枚のブレード２がある。ブレード２
の上部領域には中性子インポータンス分布が大きいため
に中性子吸収棒３の上部（中性子吸収量の多い部分）を
配置し、ブレード２の下部、　　領域には、中性子イン
ポータンスが小さいので中、　　性子吸収量の小さい部
分を配置している。本実施例では上部領域と下部領域の
境界を、制御棒の中性子吸収材充填領域の下端から中性
子吸収材充填領域の軸方向全長の半分の位置に配置して
いる。

しかし、上部領域及び下部領域の二領域にブレード２内
の吸収液連鎖型吸収材の充填量を変えた場合、それらの
領域の境界は、中性子吸収材充填領域の下端からこの充
填領域の軸方向全長の３７８〜５７８の範囲に位置させ
ればよい。第３図は、原子炉停止中における中性子イン
ポータンス分布（相対値）を軸方向位置に沿って表して
いる。第３図中、実線がその分布で、破線が上・下部領
域におけるその値の平均値を表している。この図から、
上・下部領域の境界を全長の３／８〜５／８の範囲にす
ればよいことが明らかである。

本実施例は、前述のように上・下領域からなる中性子吸
収棒３をブレード２内に配置しているので、制御棒１の
重量は８４Ｇ　を充填した中性子吸収棒からなる制御棒
とほぼ同じ重量になる。従って、本実施例の制御棒１は
、従来の制御棒を操作する制御棒駆動装置によって容易
に操作することができる。すなわち、良好な制御棒１の
操作性が得られる。また、制御棒１のブレード２の幅は
、従来の制御棒の幅と同じである。このため、原子炉圧
力容器内の炉心下方に設けられている制御棒案内管、及
び、炉心支持板に設置される燃料支持金具を大きくする
等の変更を行う必要がない。

中性子枠３は、中性子吸収材としてＨｆを用いている。

吸収核連鎖型中性子吸収材であるＨｆは、中性子を吸収
してもガスを発生しない。従って、制御棒１の中性子吸
収棒３は、機械的寿命が増大する。また、中性子吸収棒
３は、吸収核連鎖型中性子吸収材であるＨｆを用いてい
るので中性子を吸収して新たな中性子吸収材が生成され
、核的寿命も増加する。ここで、中性子吸収棒３の上部
および下部の直径は、沸騰水型原子炉に用いられる従来
の制御棒に設けられてＢａＣを充填した中性子吸収棒の
直径にほぼ等しい。中性子吸収棒３の軸方向長さは、従
来の制御棒の中性子吸収棒と同様に燃料集合体の燃料有
効長に実質的に等しい。

燃料集合体の燃料有効長とは、燃料ペレットが充填され
ている領域の軸方向の長さである。

このような構成により制御棒の重量は従来の制御棒と同
程度に押えられ、また制御棒の反応度制御能力も従来制
御棒と同程度となり、その寿命は、従来の数倍となって
いる。

さらに、−例として、中性子吸収棒を軸方向に四等分し
た場合、下部領域の上半分の吸収核連鎖型中性子吸収材
の量が、上部の下半分の量の１／２以上２／３以下であ
れば、さらに核的効果は増す。

次に中性子吸収材３と、下部、および、上部支持部６，
７との係合状態について説明する。

中性子吸収材３の下部領域の下端部に、コイルバネを取
付け、さらに、コイルバネの先端を、下部支持部７に、
ねじ込み等により結合する。第９図にこの例を示す。上
端支持部に、ばねを、中性子吸収材３の上端から結合し
ても、さらに効果がある。

これにより、中性子吸収材３は、スクラムにより上下端
支持部６，７に衝突することもなく破損することもない
。

さらに、バネ機構とするため、冷却水を流すことを目的
として中性子吸収管に孔を開ける必要はなく、簡単な構
造となる。

さらに、第１０図に示すように、中性子吸収材３の上・
下あるいは、上端のみ、あるいは、下端のみに冷却剤の
通る孔を設け、これを端栓として。

上・下部支持部材に係合する方法もある。

これにより、中性子吸収材３は、スクラムにより上・下
端支持部６，７に衝突することも破損することもない。

さらに、第１０図に示すような上・下端端栓構造とする
ため、冷却水を流すことを目的として、中性子吸収管に
孔を開ける必要はなく、簡単な構造となる。

次に、中性子吸収材の周囲を取囲むシースの板厚の最適
形状について示す。

前述のように、スクラムの終了時には、上部保持部材６
や、シース１２には、大きな荷重が発生する。この対策
として、中性子吸収棒３を下部保持部材７に係合する実
施例を示したが、シース下端には、シースの自重による
荷重が発生する。

スクラム終了時には、シース下端部の荷重が最大となる
。従来の制御棒では、シース肉厚は、均等であるため、
発生応力もシース下端が最大となる。このため、シース
下方の肉厚を大きくすれば、発生荷重は、従来と変わり
ないものの、発生応力は緩和される。第１１図は、第１
０図と同様の中性子吸収棒の係合方法と、上記シースの
組合わせを示す。下部のシース肉厚を厚くシ、下端応力
を緩和する。シース肉厚は、上方より下方まで、その肉
厚をテーパをもたせ、徐々に変化させるものでもよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、制御棒が寿命になるまでの長期間にわ
たって原子炉スクラム時に生じる中性子吸収棒と、上・
下支持部材との衝突の阻止と、核的効果を上げるための
構造を、達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の制微捧の局部断面図、第２
図は第１図の制御棒の斜視図、第３図は中性子インポー
タンスの軸方向分布を示す特性図、第４図、第５９図は
第２図の■−ＩＶ矢視断面図、第６図ないし第８図は、
中性子吸収棒の断面図、第９図は、中性子吸収材の両端
をバネにより保持する部分断面図、第１０図は、中性子
吸収材（管）の両端を、冷却水の通る端栓により保持す
る部分断面図、第１１図は、上・下方向にテーパのある
シース断面を持つ制御棒の断面図である。 、第１図 第２図 第３図 デ性＋づンホータンス（序８す叶イ直）第４図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、制御棒の挿入端側に位置する第一支持部と、制御棒
   駆動装置の連結側に位置する第二支持部と、前記第一支
   持部と前記第二支持部との間に配置された複数の中性子
   吸収棒と、前記第一支持部及び前記第二支持部に両端部
   が取付けられ前記中性子吸収棒の配列の周囲を取囲むシ
   ースとからなり、下方より炉心内に挿入される制御棒に
   おいて、 前記中性子吸収棒の前記制御棒駆動装置の連結側の端部
   と前記第二支持部とを係合あるいは、前記中性子吸収材
   の両端を前記制御棒の挿入側と前記制御棒駆動装置の連
   結側に係合し、前記中性子吸収棒が吸収核連鎖型中性子
   吸収材で構成され、前記中性子吸収棒を軸方向で前記制
   御棒の挿入端側領域と前記制御棒駆動装置の連結側領域
   の二領域に分割し、後者の領域における前記中性子吸収
   棒の太さを前者の領域における前記中性子吸収棒と同じ
   太さの中空棒とし、その中空部に水が浸入する構造とし
   たことを特徴とする制御棒。 ２、前記中性子吸収棒の上部領域の太さを前記中性子吸
   収棒の下部領域の太さより細くしたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の制御棒。