JPH02222869A

JPH02222869A - 原子炉炉心

Info

Publication number: JPH02222869A
Application number: JP1039194A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Ueda; 精植田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-02-21
Filing date: 1989-02-21
Publication date: 1990-09-05

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）本発明は長ｒｒ命型中性子吸収材を用いた制御棒を含右
二秤類の制御棒を配した原子炉炉心に関し、例えば高燃
焼度型の沸騰水型原子炉に好適な炉心に関する。

（従来の技術）従来、沸騰水型原子炉の炉心は、特開昭６１−１１１４
８８号公報に示されるように、制御棒の配、置に関して
二種類のセル、すなわらυ１１１１セルと非制御セルと
からなり、制御セル中に配置される制御棒は、原子炉運
転中炉心に挿入され、出力調整・反応度ｔｌｌｊ　ＩＩ
Ｉ用として使用される。他方、非１１Ｊ　ｍセル中に配
置される制御棒は、原子炉運転中は炉心より引き央かれ
、原子炉停止時に炉心に挿入される原子炉停止用の制御
棒として使用される。

しかし、従来制御セル中に配置される制御棒も非制御セ
ル中に配置される制御棒も、制御棒自体としては同一仕
様のものであり、中性子吸収材としてボロンカーバイド
（Ｂ４Ｃ）のみを用いた制御棒またはハフニウムのよう
な長寿命型中性子吸収材を制御棒の一部分のみに用いた
１ｊＩＩ　ａｌｌ棒が使用されている。

上配置ｌ＋御棒の一部分にのみ長寿命型中性子吸収材を
用いた制御棒としては、例えば本発明者らによる特開昭
５３−７４６９７号公報に示されるように、ＩＩＩ　Ｉ
ＩＩ棒の中でも中性子照ｉ＞Ｊ　ｆｆｌの多い上端部あ
るいはブレードの翼端部のみ核的・礪械的寿命の長い良
か傘型中性子吸収材を配置し、それ以外の部分にはボロ
ンカーバイドよりなる中性子吸収材を配置したものが知
られている。これは、具体的には制御棒の上端部および
”Ｒ１１８部にハフニウム（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ｍ長い被覆管中にボロン
カーバイド（Ｂ４Ｃ）粉末を充填したポイズン管を配し
たものである。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、前記従来の炉心においては、制御セル中
に配置される制御棒も非制御セル中に配置される制御棒
も、制御棒として同一仕様のものであるため、原子炉運
転中炉心に挿入状態とされて中性子照射を受ける制御１
Ｉｌｔフル中の制御棒は寿命が短いという問題がある。

一方、非制御セル中に配置される制御棒は通常運転中に
は全引抜状態であるが、その制御棒の下端部は原子炉炉
心の下端部にあり、原子炉の寿命の間使用する場合、か
なりの中性子照ｆＡ椿を受を」るので、ｉ（ｌ　１ｉＩ
Ｉ棒の１喘部の寿命が短いという問題がある。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、仕様の異
なる二種類のυ１＠棒を問罪レルと非制御ヒルに各々配
置し、非制御セル中に配置される制御棒の上端部の健全
性を向上させる原子炉炉心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）本発明による原子炉炉心は、原子炉運転中に炉心内に挿
入して炉心の反応度を制御する制御棒が配置されるυＩ
ｌｎセルと、原子炉運転中は炉心から引抜かれ原子炉停
止時に炉心に挿入される制御棒が配置される非シ１ｌｌ
ｔｌセルとを備えた原子炉炉心において、前記制御セル
中にはハフニウムをまたる中性子吸収材とする長寿命型
制御棒を配置し、前記非制御セル中には先端構造材とこ
の先端構造材より挿入末端側に形成された制御棒操作窓
とを有する制御棒を配置し、この非制御はル用制御棒は
ボロンカーバイドを主たる中性子吸収材としたことを特
徴とするものである。

また、前記非制御セル中に配置される制御棒は。

前記制御棒操作窓の外側方に、前記先端構造材に続く挿
入末端側から約３ＩＩＪ１以上かつ約１６１以内の範囲
でボロンカーバイドを排除した構成とするのがよい。

（作用）上記の構成を有する本発明においては、制御セル中に配
置される制御棒には長寿命型中性子吸収材であるハフニ
ウムを主たる中性子吸収材として使用するので、運転中
に原子炉炉心に挿入され、多量の中性子照射を受けても
従来型のボロンカーバイドを中性子吸収材とする制御棒
に比べて長１１間使用することができる。

一方、非制御セル中に配置される制御棒は専ら原子炉の
停止用として使用され、通常の運転中には全引抜状態で
用いられるので、中性子照射を受ける可能性のあるのは
その制御棒の上部、すなわち挿入先端部のみとなる。こ
の場合、挿入先端からハンドル部を突出形成すると、こ
のハンドル部が高速中性子を多量にあびて照射損傷を生
じ、脆く破屓し易くなる可能性があるので、このハンド
ル部を取り除き、その代わりに先端構造材より挿入末端
側にυ１ｗ棒操０窓を形成したので、高速中性子の照射
ｍは大幅に抑制され、制御棒操作部の照！）ｌＩｌ傷が
生じない。

また、非制御セル中に配置される制御棒は、制御棒操作
窓の外側方における先端構造材に続く挿入先端側から約
３α以上かつ約１６ＣＩＲ以内の範囲でボロンカーバイ
ドを排除しても、非制御セル用υ１卸捧の原子炉停止機
能はほとんど劣化しない。

（実施例）以下、本発明を図示する実施例に基づいて説明する。

第３図は本発明の一実施例による原子炉炉心の平面図を
示す。この原子炉炉心において、←を付けて示したセル
１は非制御セルであり、◆を付けて示したセル？はｔｌ
ＩＩ　ｔｌｌセルである。この制御セル２には、運転中
出力調整・反応度制御のために炉心に挿入される１ｌｌ
ｌｔｌ棒が配置され、非制胛セル１には、運転中炉心か
ら引抜かれ、原子炉停止時に炉心に挿入される制御棒が
配置される。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の８００ＭＷ級の炉心におい
ては、燃料集合体数は例えば５６０体、制りｌ棒の数は
１３７本と設泪されている。本実施例ではＩＩＩ　ＩＩ
Ｉセル２°の数を例えば１３としている。

したがって、υＩＩＩ！セル２中に配置される制御棒に
隣接する燃料集合体の数は全燃料集合体数に対し９．３
％となっている。

第１図は第３図の原子炉炉心の非制御セル１中に配置さ
れる制御棒の例を示す。この非制御セル１に用いられる
制御棒１０は、横断面十字形のタイロッド１１に細長い
４枚のウィング１２の内側が固着され、その挿入先端側
には先端構造材１３が、挿入末端側にはスピードリミッ
タ１４を取イ」けた末端構造材１５がそれぞれ固着され
て構成している。ウィング１２を構成する深いＵ字状所
面のシース１６の内部にはボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）
粉末やベレットを充填した中性子吸収棒１７がウィング
１２の長手方向に列状に配列されている。

ま−た、制御棒１０は先端構造材１３より挿入末＠側に
制御棒操作窓１８が形成されており、この操作窓１８の
外側方には、先端構造材１３に続く挿入先端側から約３
１以上で約１６Ｃｍ以内の範囲でボロンカーバイドを排
除し、ハフニウムを配置すると、中性子吸収材自体の中
性子照射に対する特性を茗しく改善できる。なお、この
部分は中空（水）としたり、ステンレス鋼を配置するな
どしても１ｌｌｌＩＩ捧として満足な機能を有する。

また、先端構造材１３の各側面にはガイドローラ１３ａ
が設けられ、このガイドローラ１３ａによって炉心への
制御棒１０の挿入・引抜きが円滑に行なわれるようにし
ている。また、シース１６には通水孔１９が多数形成さ
れ、原子炉停止時にυ１１１１捧１０が炉心に挿入され
た際に、通水孔１９から中性子吸収棒１７の周りに水（
冷却材）を導き、中性子吸収作用によって生じる発熱を
除去する。

第２図は制御セル２に用いられる長寿命型の制御棒を示
す。この＄制御セル２用の制（社）棒２ｏはその外形が
第１図に示す制御棒１０とほぼ同一であるが、ウィング
２１を構成するシース２２の内部には２枚の薄いハフニ
ウム板２３を所定の間隙を有して対向させて挿入されて
いる。２枚のハフニウム板２３間は、複数のスペーサを
介装することにより開隔が保持される一方、原子炉炉心
装荷時には通水孔２４を通して水が入り、２枚のハフニ
ウム板２３間に中性子減速材兼冷却材を案内している。

これにより、ＩＩＩ　ＩＩＩ棒２０の反応度価値が高め
られるとともに、ハフニウムの中性子吸収作用によって
生じる発熱が除去される。また、制御棒２０は制御棒１
０と同様に十字形のタイロッド２５に上記ウィング２１
の内側が固着され、その挿入先端側に先端構造材２６、
挿入末端側にスピードリミッタ２７を取付けた末端構造
材２８が固着されて構成している。そして、ハフニウム
板２３は先＠構造林２６の挿入末端部まで配置されてい
る。さらに、制御ヒル用制御棒２０は非制御セル用制御
棒１０と同様に先端構造材２６より挿入末端側に制御棒
操作窓２９が形成されており、また、先端構造材２６に
はガイドローラ２６ａが設けられ、このガイドローラ２
６ａによって炉心への制御棒２０の挿入・引抜きが円滑
に行なわれるようになっている。

第４図は制御セル用制御棒の他の実施例を示し、第２図
に示すυ制御棒と同一の部分には同一の符号を付して説
明すると、第４図に示す制御棒３０の挿入先端側にはハ
ンドル３１が突出形成されている。その他の構成は第２
図に示す制御棒２０と同・−であるのでその説明を省略
する。

制御セル２に用いられる制御棒では、中性子束分布、つ
まり中性子照射量分布は第５図に示すようになる。制御
棒はハフニウムを主な中性子吸収材として用いるので、
中性子吸収材の中性子吸収（その分布形は熱中性子束分
布と高速中性子束分布の中間的な分布となる。）に伴う
制御棒全体の健全性への影菅は問題ない。高速中性子照
射吊し先端構造材（例えばその下端面）とハンドル（例
えばその下端面）とで、１．５倍程度の差しかないので
、制御セル２用の制御棒に限れば第４図に示すようなハ
ンドル３１でも充分使用に耐えられることが多い。この
第４図に示すＩＱ　ｔｉｌｌ　ｔ？ル２用の１ＩＩＩ　
’ｆＥ捧３０は本発明者らにより発明されたものであり
、特開昭６２−２３５５９５号公報、日本原子力学会昭
和６２年秋の大会予稿集Ｄ４６（ページ　２　３　２　
　）　　、　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　　ｏｆ　　Ａ
ｍｅｒｉｃａｎ　　ＮｕｃｌｅａｒＳｏｃｉｅｔｙ、　
ｖｏｌ　５５．　ｐ６１６　（１９８７年）等で開示さ
れている。

次に、本実施例の作用を説明する。

υ１１１１セル２中に配置される制御棒２０には、長寿
命型中性子吸収材であるハフニウムを主たる中性子吸収
材として使用するので、原子炉運転中に炉心に挿入され
、多重の中性子照射を受けてもボロンカーバイドを中性
子吸収材とする制御棒に比べて長期間使用に供すること
ができる。

一方、非制御セル１中に配置されるｆｆ、ＩＩ御四棒０
は専ら原子炉の停止用として使用され、通常の運転中に
は全引友状態で用いられるので、中性子照射を受ける可
能性のあるのは制御棒］Ｏの上部、すなわち挿入先端部
のみとなる。この場合、挿入先端にハンドル部を突出形
成すると、このハンドル部が高速中性子を多分にあびて
照射損傷を生じ、脆くて破壊し易くなる可能性があるの
で、本実施例では突出したハンドル部を取り除き、その
代わりに先端構造材１３と、これより挿入末端側に形成
された＄り押棒操作窓１８とを設けたので、高速中性子
の照射舟は大幅に抑制され、制御棒操作部の照射損（セ
は生じないことになる。

また、ｔｌｌＩＩｏ棒操作窓１８近傍に配置される中性
子吸収材は、先端側から約３〜１６ｃｊＩまでの範囲で
比較的多情の熱中性子照射を受けるので、ハフニウムを
用いるのが好適である。なお、挿入先端側から約３α長
の第四にハフニウムを配置するだけでも顕箸な効果を奏
する。また、この約３〜１６Ｇの範囲でボロンカーバイ
ドを排除しても制御棒１０の原子炉停止機能はほとんど
劣化しないことになる。

次に、第５図および第６図に基づいて本実施例の根随を
説明する。

第５図（△）は図示しない現行の制御棒の概念を示した
ものであり、外形は第４図に示すものとほぼ同一である
が、中性子吸収材としてＢ４Ｃの中性子吸収物質を外径
４，８ｍのステンレス鋼管に充填した中性子吸収棒を用
いたものであり、この制御棒は挿入先端近傍を除いて第
１図に示すものと同様である。このような制御棒を軽水
臨界実験装置ｆ　Ｎ　ＣＡ　（ＮＡＩＧ　Ｃｒ１ｔｉｃ
ａｌ　Ａｓｓｅｍｂｌｙ）　（Ｄ炉心に、その中性子吸
収材の先端が炉心中央高さに位置するように挿入して第
５図（Ａ）に示す位置で中性子束分布を測定した。その
結果を第５図（Ｃ）に示す。熱中性子束は第５図（Ｃ）
の分布曲線ａに示すように表わされ、実際には中性子吸
収断面積が１／ｖ（ｖは中性子の速度）の特性を右する
銅箔の放射化率分布であり、ボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ
）中の　８の中性子吸収材梢とほぼ比例関係にあるもの
である。

したがって、同図の熱中性子束分布面ａａはＢ４Ｃが存
在する範囲において８４Ｃの中性子吸収率分布にほぼ比
例すると言える。この曲線ａから明らかなように、中性
子吸収材の先端から約３１までの節回は著しく中性子吸
収率が高く、それ以侵の制御棒の挿入末端側では比較的
緩やかに変化していくことがわかる。その結果、中性子
吸収材の中性子吸収の観点からは、少なくとも挿入先端
から例えば約３１までは８４Ｃより長寿命の中性子吸収
材を配置するのが望ましいことがわかる。

第５図（Ｃ）では、さらに高速中性子束分布を破線すで
示している。これは実際にニッケルの高速中性子に対す
るしきい値反応５８Ｎ　＋　（ｎ、　ｌ）＞５８ｃｏで
生成し／、：””Ｃｏの放（ト）能分布（５８Ｎｉの約
ＩＭｅＶ以上の中性子に対する放射能化率分布）である
。

一般に金属構造材の中性子照射に伴う照射損傷は主とし
て１ＭｅＶ以上の高速中性子によって生じることが判明
しており、したがって、第５図（Ｃ）の高速中性子束分
布すは、制御棒を常時炉心の中央付近まで挿入して照射
した場合の制御棒構造材の照射屓傷の目安とすることが
できる。

第５図（Ｂ）は第１図に示す制御棒１０の先端′ｉｉ傍
を中性子照射の観点から示している。同図に示すように
、突出したハンドルを排除でることによってυｊＩｔｌ
Ｉ棒１０の高速中性子照射量の最大値は約２／３に低減
することがわかる。但し、第５図（Ｃ）は制御セルに用
いる制御棒に対して適用できるが、運転中全引抜とされ
る非制御セルの制御棒にそのまま適用することはできな
い。これは全引抜時１よ炉心下端近傍の中性子束が大き
な傾ぎをもった分布形となっているためである。

ここで、υＩＩＩＩセルに用いられる制御棒では突出し
たハンドル部と先端構造材部との高速中性子束比が、１
，５程麿であり、この程度の差ではハンドル部の照射損
傷は問題ないことが多いため、制御セル用制御棒に限れ
ば第２図の構造のみでなく、第４図（、ハンドル突出型
）でも通常は問題ない。

第６図はＩＩＩ　ｔｉｌｌ捧を炉心下端へ全引１友した
状態における中性子束分布を第５図に基づいて推定した
ものである。第６図（Ａ）は第５図（△）と同様現行の
制御棒の概念を示しており、ハンドル部の高速中性子照
射量は破線ｄで示づように、先端構造材部のそれの１０
倍より大幅に高くなっている。

非υＪ、１１１セルのＲＡＩＩＩ棒はこのような状態で
使用されるので、本実施例のように突出したハンドルを
排除した第６図（Ｂ）に示すような構成とすれば制御棒
１０の最大高速中性子照射量は突出したハンドル部が存
在しないので、１／１０よりはるかに低く抑えることが
できる。これにより、制御棒の構造材としての健全性が
著しく向上する。

第６図（Ｂ）に示すように、本実施例における非制御セ
ル１用の制御棒１ｏでは、先端構造材１３の下側（？１
１人末端側）に約１６ｃｘ以内でウィング１２の幅の約
１／２以内（中心軸側）に操作窓１８を形成したので、
炉心全挿入時の制御棒反応度価値は低下づ−る傾向にあ
るものの、全挿入時、この窓１８は炉心種部近傍で炉心
への反応度寄付が著しく低い部分に位置するため、実質
的な反応度価値の減少率ｌよ完全に無視できる。

第６図（Ｃ）においては、実線Ｃで示す熱中性子束分布
も高速中性子束分布と同様に第５図（Ｃ）に示す分布形
に炉心下端近傍の分布形をｔｉ）ｔプ合せた分布となる
。燃料有効部下端部の設計によっては若干熱中性子束の
盛上り（膨らみ）ｅを生じることがある。中性子吸収材
配置部では先端から約ａαまでの熱中性子束が高いのは
第５図の場合とほぼ同様であるが、挿入末端側へ向かっ
ての減少率は第５図の場合より大きい。したがって、先
端構造材の挿入末端側から約３値までを長寿命型中性子
吸収材とするか、１１に構造材と同様にステンレス鋼と
したり、中空（水）としても差し支えない。

らなみに、これは前述のように非制御ヒルの制御棒を炉
心に全挿入して原子炉を停止したとぎ、この部分の原子
炉停止への反応度寄与が著しく低いためである。通常、
この範囲は挿入先端側からＯ〜１．Ｏｃａ稈度、長くて
約１６１ｆｆ程度までである。

それより長いと反応度への影響が急激に増大するので好
ましくない。ここで、１５〜１６０の範囲は制御棒の照
ｔＡ量評価の中位長であるため、この値までとするのは
評価上好都合であり、反応度を低下させる問題等を起こ
さない。

なお、非制御セルの制御棒は通常大さな反応度価値、が
要求されるので、本発明者らによって発明されたハフニ
ウムをジルコニウムに希釈したハフニウム希釈合金板に
穴をあけ、この穴に中性子吸収材であるボロンカーバイ
ド（Ｂ４Ｃ）を充填したもの（特願昭６３−２８４１８
号参照）を使用してもよい。このように、ハフニウム希
釈合金を用いた場合にはハフニウムとボロンカーバイド
が中性子吸収材として作用する。

また、上記実施例では本発明を沸騰水型原子炉炉心に適
用した例について説明したが、これに限定されず挿入先
端にハンドルを設ける必要があるような原子炉に適用す
ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、制御セル中に配
置され原子炉運転中炉心に挿入される６１Ｊｌｌ棒は、
主としてハフニウムのような長寿命型の中性子吸収材を
使用する制御棒であるため、中性子照射に伴って中性子
吸収材の制御価値は徐々に減少していくものの、その核
的寿命は従来の制御棒に比べて大幅に長くなり、制御棒
の取替体数を大幅に減１うすごとができる。

また、非制御セル中に配置され原子炉停止特に炉心に挿
入される制御棒は、先端構造材より挿入末端側に制御棒
操作窓を形成したので、挿入先端部における高速中性子
の照射量が大幅、に抑制され、制御棒操作部の照射損傷
が発生しない。その結果、原子炉の寿命を通してその健
全性が確保されるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る原子炉炉心の非制御セ
ル中に配置されるυ１′６Ａ棒を一部破断して示す斜視
図、第２図は同じく制御セル中に配置される制御棒を一
部破断して示す斜視図、第３図は本発明の一実施例に係
る原子炉炉心の概略水平断面図、第４図は本発明に係る
原子炉炉心における制御セル用１ｎＪ　ＩＩｌ棒の他の
実施例を一部破断して示す斜視図、第５図（Ａ）は現行
の制御棒の概念を示づ要部拡大図、第５図（Ｂ）は第１
図の非制御セル用制御棒の先端近傍を中性子照射の観点
から示す要部拡大図、第５図＜Ｃ＞は＃Ｉｌ　１２ｕ棒
の軸り自位置と中性子束との関係を承りグラフ、第６図
（Ａ）は現行の制御棒の概念を示す要部拡大図、第６図
（Ｂ）は第１図の非制御セル用制御棒の先端近傍を示す
要部拡大図、第６図（Ｃ）は全引火時における制御棒位
置と中性子束との関係を示すグラフである。１・・・非制御セル、２・・・υｊＩｌ］セル、１０・
・・制御棒、１２・・・ウィング、１３・・・先端構造
材、１５・・・末端構造材、１７・・・中性子吸収棒、
１８・・・制御棒操作窓、２０・・・制御棒、２１・・
・ウィング、２３・・・ハフニウム板、２６・・・先端
構造材、２８・・・末端構造材、２９・・・υ１皿俸操
作窓。

Claims

【特許請求の範囲】１、原子炉運転中に炉心内に挿入して炉心の反応度を制
御する制御棒が配置される制御セルと、原子炉運転中は
炉心から引抜かれ原子炉停止時に炉心に挿入される制御
棒が配置される非制御セルとを備えた原子炉炉心におい
て、前記制御セル中にはハフニウムを主たる中性子吸収
材とする長寿命型制御棒を配置し、前記非制御セル中に
は先端構造材とこの先端構造材より挿入末端側に形成さ
れた制御棒操作窓とを有する制御棒を配置し、この非制
御セル用制御棒はボロンカーバイドを主たる中性子吸収
材としたことを特徴とする原子炉炉心。２、前記非制御セル中に配置される制御棒は、制御棒操
作窓の外側方に、前記先端構造材に続く挿入先端側から
約３ｃｍ以上かつ約１６ｃｍ以内の範囲でボロンカーバ
イドを排除した構成とした請求項１記載の原子炉炉心。