JPH02140693A - 制御棒集合体 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は高速増殖炉の制御棒集合体に関する。

（従来の技術） 第４図から第６図を参照して従来の高速増殖炉用制御棒
集合体を説明する。第４図は制御棒集合体を示す断面図
で、図中符号１は制御棒案内管である。この制御棒案内
管１内には制御棒２が装填されている。この制御棒２は
内部に複数本の制御要素３を内蔵している。

制御要素３は第５図に示すような構成となっている。図
中筒＠４は被覆管であり、この被覆管４の上部および下
部には上部端栓５及び下部端栓６がそれぞれ形成されて
いる。被覆管４内にには中性子吸収材としての８４　Ｃ
を成形したペレット７が複数個積層された状態で充填さ
れている。最上位に位置するペレット７の上面にはスペ
ーサ８が載置され、このスペーサ８の上方にはペレット
押え用スプリング９が装着されている。このペレット押
え用スプリング９により、複数のペレット７を固定し、
原子炉緊急停止時（スクラム）あるいは輸送時における
ペレット７の移動を防止している。尚、図中筒＠１０は
被覆管１とペレット７との間に形成された隙間であり、
符号１１はガス空間である。

上記構成にあって、運転中、ペレット７及び被覆管１は
中性子照射による（ｎ→α（Ｈｅ　）　）反応によって
軸方向及び径方向に膨張する（中性子照射による体積膨
張、以下、スエリングと記す）。

但し、そのスエリング率は中性子吸収材のペレット７が
被覆管４より大きくなっている。そして、ペレット７の
軸方向への膨張はペレット押え用スプリング９により吸
収するとともにペレット７の径方向への膨張については
被覆管４とペレット７との間に予め隙間１０を形成して
おくことにより吸収する。そして、径方向についてはペ
レット７が被覆管４に内側から接触して、ざらに膨張し
ていく。ペレット７の膨張で被覆管４には塑性歪みが与
えられ、結局この塑性歪みに対する制限値から制御棒３
のか命が決定される。

（発明が解決しようとする課題） ところで、制御棒集合体は経済性の観点からその長寿命
化が要求され、そのため、被覆管４と中性子吸収材ペレ
ット７との間の隙間１０を広くすることが要求されてい
る。因みに、現状では０．５ｍ〜１．０ｍ程度であり、
これをざらに拡大しようとするものである。またペレッ
ト７は前述した（ｎ→α（Ｈｅ＞）反応によりＨｅガス
を放出するとともに自ら発熱するため、その熱応力によ
りペレット７内で割れが発生することがある。

ペレット７の照射スエリング対策の１つとして、ペレッ
ト７と被覆管１との間の隙間１０を拡大しようとする要
求があるが、かかる隙間１０の拡大には次のような問題
がある。

■　まず、被覆管１とペレット７との隙間１０を拡大す
ることにより、隙間１０における熱抵抗が増大する（ギ
ャップコンダクタンスの悪化と称されている）。それに
よって、被覆管１の外側を流通する冷却材による冷却効
果が低下して、ペレット７の中心温度が高くなり、前述
した割れの発生が懸念される。それとともに、ペレット
７が高温（約２４００℃）になり、溶融することも予想
される。

■　次に、隙間１０の拡大によってペレット７の径方向
へのばらつきが大きくなる。その結果、発熱分布のばら
つき、または、部分的な高温部と低温部の集中が発生し
たり、中性子吸収の分布にもばらつきが発生してしまう
（ＨｏｔＳｐｏｔ　Ｆａｃｔｏｒ　　（確立統計線上の
誤差幅）の増加と称されている）。

■　ざらに、第６図に示すようにペレット７の発熱によ
る熱応力により割れが発生した場合、ペレット７の破片
７ａが隙間１０を介して落下して、被覆管４とペレット
７との間に挟まってしまうことが予想される。このよう
な状態で、ペレット７のスエリングが更に進行すると、
破片７ａの小片が被覆管４を局部的に押圧して、被覆管
４の局部変形を誘発し、最悪の場合には被覆管４が破損
する恐れがあった。

このように、被覆管４とペレット７との間の隙間１０の
拡大により、種々の問題が発生し結８寿命の延長を図る
ことができないという主に物理的面からの課題がある。

次に、もう一方の化学的相互作用について述べる。

一般に、不透鋼であるオーステナイト系ステンレス鋼も
高温下（５００°Ｃ〜９００℃ないしはそれ以上）にお
いては硼素（Ｂ）によって腐食を受けることが知られて
いる。８４　Ｃペレットと被覆管との間に液体金属が介
在している場合にはこの傾向が著しい。液体金属は活性
化エネルギーが高く熱伝達の面では有利であるが、吸収
材ペレット７と被覆管４の物質移行の面では好ましくな
いと言わざるを得ずＡＣＣＩを促進する働きを有してい
る。

一般にＢａ　Ｃ／Ｎａ　／ステンレス鋼系のＡＣＣＩ実
験の結果では腐食速度には次式で表される。

ここで　Ｋ：腐食速度 Ａ：定数 Ｑ：活性化エネルギ Ｒ：ガス定数 Ｔ：絶対温度 である。なお、ＡＣＣＩとはＡｂｓｏｒｂｅｒ　ｍａｔ
ｅｒｉａｌＣｌａｄｄｉｎｇ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎ
ｔｅｒａｃｔｉｏｎの略で、吸収材と被覆管との化学的
相互作用のことでおる。

具体的には約６００℃の条件下で１０１１ＩＩｎ／ｙｅ
ａｒ。

約７００℃では１０２胸／ｙｅａｒのオーダー腐食率が
示されている。

即ち、化学的相互作用に対する防止策を冑なければ、被
覆管４の内面は前述の如く時々刻々腐食が進行する。前
述の金属弾性体（ファイバーメツシュ状に編んで形成し
たオーステナイト系ステンレス鋼線）についても同様で
細径、細線である分だけ腐食の進行が早く（表面積大と
なる）当初の役務を果さなくなる（弾性力も失われる）
。

これにより当該部分が制御棒の寿命延長を阻害するクリ
ティカル原因となってしまう恐れがめった。

他方、この化学的腐食に対するー・般的な対策としては
ステンレス鋼に対しＮｂ　、Ｏｒ　、Ｔ；　　といった
物質を表面に］−ティングすることによって、これがバ
リアとなって腐食の進行を防止できる。

これはＶ！Ａ素（Ｂ）がコーテイング材の層で拡散が弱
められ腐食の進行を防止する。ところが被覆管は細径長
尺（直径（φ）ｉｏ〜φ２０ｒｒＴ！ｆ１で長さくβ）
ｉｏｏｏ〜ｌ　２０００ｍｍ程度）であるため、この被
覆管の内面に直接コーティングすることが技術的に困難
で、限られた寸法、範囲にしかコーティングすることが
できない課題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、吸
収材ペレットと被覆管との相互作用に対して物理的な面
と化学的な面との両面からの防止手段に加えて長寿命化
を可能とする制御棒集合体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） すなわち、本発明は被覆管内に中性子吸収材からなるペ
レットを複数積層してなる制御棒要素を複数装架して構
成された制御棒集合体において、前記制御棒要素の被覆
管とペレットとの間にニオブ、チタンおよびクロムの少
なくとも一種で外面をコーティングしたオーステナイト
系またはフェライト系ステンレス鋼のワイヤをファイバ
ーメツシュ状に編んで形成された金属弾性体と液体金属
の少なくとも一方を配置してなることを特徴とする。

（作　用） 被覆管とペレットとの間にニオブ、チタンまたはクロム
をコーティングした金属弾性体および液体金属を配置す
ることによって、被覆管とペレットとの間の隙間の拡大
に伴う課題を解決することができる。

すなわち、金属弾性体はペレットを被覆管内の中心に保
持することができ、かつペレットが万一破損した場合、
その小片の落下を防止し、局部的発熱および被覆管の局
部的変形を防止する。

液体金属はペレットと被覆管との隙間における熱伝導率
を大幅に向上させ、被覆管の外側を流れる冷却材による
冷却効果を向上させる。

ニオブ、チタンまたはクロムのコーティング層はボロン
（Ｂ）アタックによる金属弾性体の腐食を防止し、かつ
被覆管の寿命を延長することができる。

（実施例） 以下第１図および第２図を参照して本発明の第１の実施
例を説明する。第１図は本実施例による制御棒の構成を
示す縦断面図である。図中符号１０１は被覆管で、この
被覆管１０１の上部開口は上部端栓１０２により閉塞さ
れてあり、また下部開口は下部端栓１０３により閉塞さ
れている。被覆管１０１内には中性子吸収材である８４
　Ｃで成形した複数のペレット１０４が積層された状態
で装填されており、最上位に位置するペレット１０４の
上方にはスペーサ１０５を介してベレット押えスプリン
グ１０６が装着されている。

ペレット１０４と被覆管１０１との間の環状の隙間１１
１には金属弾性体１０７が装着されている。この金属弾
性体１０７はオーステナイト系ステンレス鋼の線材の表
面をＮｂ　　にニオブ）でコーティングして素線とし、
この素線をファイバーメツシュ状に編んで形成されたも
のである。このような金属弾性体１０７を配置すること
により物理的にはその弾性力でペレット１０４を中心位
置に保持するとともに、万一破損した場合にもそのメツ
シュ部で破片の落下を防止するものである。また、化学
的には前述したニオブのコーティングによって８４　Ｃ
ペレットの硼素（Ｂ）によるステンレス鋼への腐食を防
止するものである。

また、被覆管１０１内には液体金属ナトリウム１０８が
充填されている。図中符号１０９はその液面を示してい
る。符号１１０はペレット１０４の上方に形成されたプ
レナムを示している。

以上構成を基にその作用を説明する。

まず液体金属ナトリウム１０８による冷却効果から説明
する。通常ペレット１０４は中性子照射による（ｎ−α
）反応でＨｅガスを放出するとともに発熱する。なお、
従来の場合には、ペレット１０４と被覆管１０１との隙
間１１１にはＨｅガスが充満していた。本実施例の場合
には放出されたＨｅガスは液体金属ナトリウム１０８と
の密度差により上方のプレナム１１０内に押しやられる
。

したがって、ペレット１０４と被覆管１０１との隙間１
１１には液体金属ナトリウム１０８が介在することにな
る。

ところで、ペレット１０４の中心温度は被覆管１０１の
外側を流通する冷却材からペレット１０４の中心まで熱
通過率、具体的にはペレット１０４および被Ｎ管１０１
の熱伝導率ならびに隙間１１１の熱伝達率により決定さ
れる。本実施例の場合には、隙間１１１を従来より拡大
している分だけ熱抵抗が増大している。よって、従来隙
間１１１にＨｅガスが充満していたのに対して、これを
液体金属ナトリウム１０８に置換したことにより、上記
熱抵抗の増大をどのように解消したかが問題となる。

以下その問題を説明すると、液体金属ナトリウム１０８
はＨｅガスに比べて１００倍以上の熱伝導率を有する。

すなわち、Ｈｅガスの熱伝導率λは０、１４Ｋｃａｌ／
ｍｈ’ｃ　ａｔｌｏＯ℃であり、これに対して液体金属
ナトリウム１０８の熱伝導率λは６０Ｋｃａ　ｌ　／　
ｍｈ℃ａｔ４５０℃であり、略１００倍以上である。し
たがって、隙間１１１を従来の２〜３倍とすることによ
る熱抵抗の増大よりも液体金属ナトリウム１０８による
熱伝導率の向上の方がはるかに大きく、よって隙間１１
１を拡大しても熱伝達性能は低下することはなく、むし
ろ向上するものである。

次に、Ｎｂコーティングを施したファイバーメツシュ状
のオーステナイト系ステンレス鋼からなる金属弾性体１
０７の作用について説明する。まず金属弾性体１０７を
配置することにより、ペレット１０４は単に被覆管１０
１内に装填されているだけではなく、金属弾性体１０７
の弾性力により中心位置に保持されている。したがって
、発熱分布のばらつき、高温と低温部の局部的集中、お
よび中性子吸収分布のばらつきといった問題を効果的に
解消することができる。

次にペレット１０４が万一破損したような場合を説明す
る。まずペレット１０４は被覆管１０１あるいは金属弾
性体１０７よりスエリング速度が早いので、ペレット１
０４は金属弾性体１０７を押し広げようとする。その際
、金属弾性体１０７は延性材料であるとともに、メツシ
ュ状になっているのでペレット１０４により容易に圧縮
される。そして、ペレット１０４の破片１０４ａは第２
図に示すように落下することはない。よって、ペレット
１０４は略元の形状を維持した状態でスエリングしてい
く。そして、ペレット１０４はその寿命末期に被覆管１
０１の内径近傍位置まで略円筒形を保らながら膨張して
いく。

次にニオブ（Ｎｂ　）コーティングの作用について述べ
る。

８４　Ｃペレットのボロン（Ｂ）、ｆｌ；ｉよびカーボ
ン（Ｃ）は高温になるに従いエネルギーが増大し活性化
する。とりわけ、ボロン（Ｂ）はステンレス鋼との間で
Ｆｅ　Ｂ、Ｆｅ２ＢないしはＮｉ３Ｂといった金属硼化
物となってステンレス鋼すなわちここでは金属弾性体で
あるファイバーメツシュ状のステンレス鋼索線を腐食し
ていく。ところがニオブ（Ｎｂ　）のコーチイブ層があ
るとボロン（Ｂ）およびカーボン（Ｃ）の活性を抑える
働きが市るのでボロン（Ｂ）の拡散速度が弱まり、その
結果腐食を抑えることが可能となる。

本実施例によれば、次に述べる効果がある。

■　ペレット１０４と被覆管１０１との間に液体金属ナ
トリウム１０８を充填しているので、ペレット１０４か
ら放出されるＨｅガスは液体金属ナトリウム１０８によ
り上方のプレナム１１０内に押しやられる。従来、Ｈｅ
ガスが充満していた部分が液体金属ナトリウム１０８に
置換され、この液体金属ナトリウム１０８はＨｅガスに
比べて熱伝導率が大幅に高いので、被覆管１０１の外側
を流通する冷却材による冷却効果が大幅に向上する。し
たがって制御棒の寿命延長のために被覆管１０１とペレ
ット１０４との間の隙間１１１の拡張を図っても何等問
題はない。

■　ペレット１０４及び被覆管１０１との隙間１１１に
金属弾性体１０７を配置しているので、ペレット１０４
を常に中心位置に保持することができる。よって、温度
高低の局部的集中、発熱分布のばらつき、及び中性子吸
収分布のばらつきを防止することができる。また、万一
ペレット１０４が破損するような場合があっても、金属
弾性体１０７によりペレット１０４は略そのままの形状
を維持した状態で膨張していく。

したがって、破片１０４ａが落下することもなく、落下
による二次災害も確実に防止される。

■　金属弾性体はニオブ（Ｎｂ　）コーティングしてい
るので素線のオーステナイト系ステンレス鋼の腐食が防
止でき、前記金属弾性体としての作用（機能）を失うこ
とはない。

なお、ファイバーメツシュ状の金属弾性体は素線自体を
ニオブ（Ｎｂ　＞で外側から被覆すれば良いので、管の
内面からコーティングするのに比べ技術的に容易である
ことは明確である。

なお、ニオブ（Ｎｂ　＞は電解法等によるメツキはでき
ないので化学蒸着法（ＣＶＤ）もしくは物理蒸着法（Ｐ
ＶＤ）によりコーティングを行うことになる。チタン（
Ｔｉ　＞の場合も同様、クロム（Ｃｒ　）の場合は電解
法によりメツキが可能である。

なお、本発明は前記一実施例に限定されるものではなく
、例えば金属弾性体のメツシュの大きざ、あるいは充ｌ
ｌ４ｆｆｉの粗密を、中性子照射口の分布に対応させて
変化させる構成でもよい。

コーテイング材はニオブ（Ｎｂ　＞以外にもボロン（Ｂ
＞の活性化を抑えるものであれば良く、ナトリウムとの
両立性の観点からはクロム（Ｃｉ　）やチタン（Ｔｉ　
　）などがおる。

これらコーテイング材を化学蒸着法もしくは電解法など
を用いて８４　Ｇペレット地震の外面にコーティングし
ても良い。

金属弾性体はオーステナイト系またはフェライト系ステ
ンレス鋼ファイバーの代わりにチタン（Ｔｉ　　）のワ
イヤや素線もしくはニオブ（Ｎｂ　）のワイヤ素線をフ
ァイバーメツシュ状に編んだものであっても物理的機能
を果すことは明確である。

また、第３図に示すように金属弾性体１０７を薄板のベ
ローズ状に形成してもよい。なお図示していないが、金
属弾性体に円筒状の穴あき薄肉パイプ、あるいは螺旋状
の板を使用して構成してもよい。また、被覆管内に金属
弾性体及び液体金属のいずれか一方のみを配置すること
によっても本発明の効果を奏するので、本発明の範囲内
とする。

［発明の効果］ 本発明によれば制御棒集合体の寿命延長のために被覆管
とペレットとの間の隙間を拡張することにより発生する
問題を効果的に解消することができ、よって何等不具合
を発生させることなく隙間を拡大して制御棒集合体の寿
命を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示す図で、第１
図は制御棒要素の縦断面図、第２図は金属弾性体の作用
を説明する制御棒要素の一部縦断面図、第３図は別の実
施例を示す制御棒要素の縦断面図、第４図から第６図は
従来例の説明に使用した図で、第４図は制御棒集合体の
縦断面図、第５図は制御棒要素の縦断面図、第６図は破
片の落下を示す縦断面図である。 １０１・・・被覆管 １０２・・・上部端栓 １０３・・・下部端栓 １０４・・・ペレット １０５・・・スペーサ ・・・ペレット押えスプリング ・・・金属弾性体 ・・・液体金属ナトリウム （８７３３）代理人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）被覆管内に中性子吸収材からなるペレットを複数
   積層してなる制御棒要素を複数装填して構成された制御
   棒集合体において、前記制御棒要素の被覆管とペレット
   との間にニオブ、チタンおよびクロムの少なくとも１種
   をオーステナイト系またはフェライト系ステレス鋼にコ
   ーティングした素線をメッシュ状に編んで形成された金
   属弾性体および液体金属の少なくとも一方を配置したこ
   とを特徴とする制御棒集合体。