JPH022983A - 原子炉用制御棒 - 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】 〔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係り、特に高反応度型原子炉
用制御棒に関する。

（従来の技術） 従来の沸騰水型原子炉の炉心部に装荷される原子炉用制
御棒は、代表的には第８図および第９図に示す構造を有
する。このうち、第８図に示される原子か用制御棒は、
先端構造材１と末端構造材２とを中央タイロッド３で結
合し、この中央タイロッド３に深いＵ字状断面の金属製
シース４を固着してウィング５を構成し、このウィング
５の金属製シース４内に、中性子吸収材を充填した中性
子吸収棒６を列状に収容したものである。

また、第９図に示される原子か用制御棒は、細長い矩形
の４枚のステンレス鋼板７を結合部材８で結合して横断
面十字状のウィング９を構成し、上記ステンレス鋼板７
のウィング幅方向に形成された収容穴内に中性子吸収Ｕ
９ａを充填させたものである。

この種の原子炉用制御棒（以下、制御棒という。

）は原子炉の出力制御あるいは原子炉の安全停止のため
に用いられる。制御棒の中には、炉出力制御を主目的と
するものや原子炉停止を主目的とするものに機能分離さ
せる場合と、１つの制御棒に両機能を持たせる場合とが
ある。

原子炉の運転時に原子炉炉心部に装荷される炉出力制御
用制御棒警よ多用の中性干魚（ト）を受け、特に制御棒
の中性子吸収材充填部の外側縁部や挿入先端側はより多
量の中性子照射を受ける。また、原子炉停止用制御棒で
も、極く限られた挿入先端側、例えば挿入先端から１０
０ｍ程度では、原子炉設目上の理由から多量の中性子照
射を受けるが、この制御棒は一定の範囲で大きな反応度
価値を有することが重要である。

ところで、制御棒の中性子吸収材にはボロンカーバイド
（Ｂ４Ｃ）、銀・インジウム・カドミウム（Ａｇ−１ｎ
−Ｃｄ　）合金、ハフニウム（トｌｆ）、六硼化ユーロ
ピウム（ＥｕＢ６）、各種希土類酸化物などが知られて
おり、これらの中性子吸収材の中でボロンを含む中性子
吸収材は中性子反応によりヘリウム（１−１ｅ　）ガス
とリチウム（Ｌｉ）を発生させることが知られている。

Ｈｅの生成により、中性子照射量の多いボロンを含む中
性子吸収材はスエリングを起し、中性子吸収材充填管（
中性子吸収棒）を内側から押圧し、充填管に応力を発生
させる。この応力は局所的な応力になり易く、中性子吸
収材が多いと充填管が破損に至る場合がある。

また、中性子反応により発生したＨｅはガスであるため
、充填管内を内側から均一イｒ力で押圧することになり
、充填管に−様な応力を発生させる。

現在では、スエリングに伴う中性子吸収材充填管の破損
の方が、Ｈｅガス発生による充填管の破１０より少量の
中性子照射量で生じることが判っている。

したがって、ボロンを含む中性子吸収材を充填管に充填
した後、この充填管を外管内に挿入した場合を想定する
と、内外両管の間に若干の間隙が形成されるため、充填
管が破損するまで外管にはスエリングに伴う応力は発生
せず、充填管が破損しても外管との間隙をスエリングで
埋めつくすまでは、外管にスエリングに伴う応力は発生
しないことが理解される。充填管を外管（通常ステンレ
スＩ製）より軟質の例えばアルミニウム等の材料で製作
すれば、外管のスエリングに伴う応力の発生はざらに緩
和される。

しかし、外管内に中性子吸収材充填管を挿入する二重管
構造の制御棒では、充填管の存在ににって中性子吸収材
充填空間が減少するので、充填空間の減少を極力抑ａｉ
ｌ＋するために、充Ｍ４管は肉厚が極力薄い薄肉管とし
なければならない。

充填管を薄肉管としない場合には中性子吸収材不足によ
り反応度１ＩＩｉ値不足を生じたり、中性子吸収反応の
進行とともに生じる反応瓜価値の減少が速くなり、核的
制御棒寿命の低下を招くことになる。中性子吸収材充填
管を収容する外管は原子炉環境や設計上の問題から一定
の応力に耐えなげればならず、薄肉化が困難である。

また、中性子吸収材充填管に充填される中性子吸収材に
は粉粒状（粉末状を含む）のものと、ベレットのような
固形状のものとが存在するが、制御棒の製造コスト上粉
粒状のものが優れている。

粉粒状の中性子吸収材として中性子吸収特性が大きく、
しかも安価なものとして例えばＢ４Ｃ粉粒がある。

（発明が解決しようとする課題） 充填粉粒は反応度価値が大きく、安価で軽帛であるとい
う優れた長所を有するが、一方では中性子反応によりＨ
ｅガスを放出したり、スエリングを起して被Ｎ管を破損
させるおそれがある。

この被覆管破損を防止するため、二虫管方式を採用する
と、被覆管破損が著しく生じにくくなるが、中性子吸収
材充填部が不足し、制御棒の反応度ｌＩＩ値不足や寿命
低下を招く等の問題があった。

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、１．
ＩＩ御棒を大反応度化して制御棒の反応度！１ｉｔｖｉ
を向上させるとともに長寿命化を図るようにした原子炉
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、薄肉金属管内に高反応
度型中性子吸収物質を充填して高反応度型中性子吸収材
充填内管を構成し、この充填内管を炉心の未臨界度が最
も浅くなる部位およびその近傍に配置したものである。

また、この原子炉用制御棒は、請求項２に記載したよう
に、高反応度型中性子吸収材充填内管は端部を閉塞する
少なくとも一端側プラグを中性子吸収プラグで構成し、
この中性子吸収プラグは、ハフニウム、ハフニウムをシ
ルコニ１クムまたはチタニウムを主成分どＪる希釈金属
で希釈したハフニウム希釈合金、銀・インジウム・カド
ミウム合金あるいは、希土類酸化物を主中性子吸収物質
とするセラミック等の中性子捕獲型中性子吸収物質で形
成したものである。

（作用） この原子炉用制御棒は、薄肉金属管内に高反応度型中性
子吸収物質を充填した高反応度型中性子吸収材充填内管
を、炉心の未臨界度が最も浅くなる部位を中心に限定的
に配置したので、少量の高価な高反応度型中性子吸収要
素を用いるだけで制御棒の大反応度化を効果的に達成す
ることができ、反応度価値を向上させ、長寿命化を図る
ことかできる。

また、原子炉用制御棒を請求項２に記載したように構成
した場合には、高反応度中性子吸収材充填内管の端部を
閉塞するプラグによる中性子吸収材の排除部が削減され
、反応度価値の低下が抑制され、プラグをハフニウム等
の長寿命型中性子吸収材で形成した場合、より長寿命化
を図ることができる。

（実施例） 以下、この発明に係る原子炉用制御棒の一実施例につい
て添付図面を参照して説明する。

この原子炉用ＶＪ　ｔｉｌｌ棒は、現行あるいは設Ｊ１
研究段階の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）、加圧木型原子炉
（ＰＷＲ）、新型転換炉（ＡＴＲ）、高転換炉（ＨＣＲ
）、高速増殖炉（Ｆ　Ｂ　Ｒ）などの原子か用制御棒と
して適用でき、特に、Ｂ４ＣやＥｕＢ６等の中性子吸収
材のように、中性子照射によりスエリングを起し、これ
らの中性子吸収材の被Ｉｎの健全性に悪Ｆ−’ｆｆを及
ばずおそれのある原子炉用制御棒に好適である。

第１図はこの原子か用制御棒を沸騰水型原子炉用制御棒
１０に適用した例を示し、この制御棒１０は、ウィング
１１を構成する！ｌｌ長い矩形の４枚のステンレス鋼板
１２をウィング結合材１３で結合して横断面十字状に構
成する一方、ウィング１１の挿入先端側に先端構造材１
４を、挿入末端側に末端構造材１５をそれぞれ溶接等に
より固着する。ウィング１１はステンレス鋼板１２に代
えてハフニウム希釈合金材で構成してもよい。ハフニウ
ム希釈合金はハフニウムをジルコニウム等の希釈材で希
釈したものである。先端構造材１４には原子炉用制御棒
１０を取扱うハンドル１６が一体に設けられる。

一方、原子炉用制御棒１０はウィング１１を構成するス
テンレス鋼板１２にウィング幅方向に延びる多数の収容
穴１８が穿設されており、各収容穴１８はウィング１１
の長手方向に所定の間隔をａ３いて列状に配設される。

この原子炉用制御棒１０はウィング１１をその長手方向
に沿って３つの領域オ　、１．Ｉ１３に分ける。このう
ら、ウィング１１の挿入先端領域オ、はウィング１１の
挿入先端側から約３２ｃｍ以内好ましくは５　ａｔｒ〜
１５１程度のウィング長手方向艮ざを有する。この挿入
先端領域ｊ！１は高い中性子照射を受ける高中性子照射
領域であり、大反応度化の必要のない領域である。した
がって、挿入先端領域ｊ！１の各収容穴１８にはハフニ
ウム棒のような長寿命型中性子吸収材２０を挿入し、制
御棒１０の長寿命化を図っている。

挿入先端領域ｊ！１に隣接する挿入末端側の領域１２は
、高反応度価値の必要な部分で中性子吸収材も一般にか
なり高い高反応度領域である。この高反応度領１１！１
２の各収容穴１８には高反応度型中性子吸収材充填内管
２１を挿入する。

この高反応度領域１２のウィング長手方向長さは、制御
棒１０の有効長をＬとしたとき、例えばるのが望ましい
。

また、高反応度領域Ｊ２に隣接する挿入末端側の領域１
３は、高反応度の必要もなく、中性干魚［１も比較的小
さいので、従来と同様、天然ボロン等の中性子吸収材２
２が各収容穴１８に充填される。

ところで、高反応度領Ｒ１２の各収容穴１８に挿入され
る高反応度型中性子吸収材充填内管２１は、第２図（Ａ
）および（Ｂ）に示ずように金属製薄肉内管２４内に高
反応度型中性子吸収物質、好ましくは粉粒状中性子吸収
物質２５が充填され、両端部はプラグ２６．２７で１１
塞され、一方のプラグ２７は収容穴１８に連通可能に非
密１１状態に取付けられる。このプラグ２６．２７は０
．３Ｃ１１〜２　ｃｍ程度の厚さを有し、好ましくは中
性子吸収プラグで構成される。中性子吸収プラグ２６．
２７は、ハフニウム等の中性子捕獲型中性子吸収物質で
形成される。この中性子捕獲型中性子吸収物質としては
ハフニウムの他に、ハフニウムをジルコニウム（Ｚｒ）
あるいｔよチタニウムを主成分とする希釈金属で希釈し
たハフニウム希釈合金、銀・インジウム・カドミウム合
金または希土類酸化物を主中性子吸収物質とするセラミ
ック等がある。

また薄肉内管２４は例えば１０ｃｒＡ〜４０ｃＩＲ程度
の管長を有し、通常のステンレス鋼管の他に、八１やＣ
ｕ等の軟質金属管を用いてもよく、この薄肉内管２４内
に充填される高反応度型中性子吸収物質２５には、ボロ
ン−１０を濃縮した　Ｂ４Ｃを用いるのが好ましい。ウ
ィング１１の収容穴１８内に充填内管２１を挿入すると
、λ９肉内管２４の存在により、中性子吸収材の充填早
が低下するので、少なくとも中性子吸収材減少分に見合
うだ【ノ、ボロン−１０を濃縮した１０Ｂ４Ｃを使用す
る。

ボロン−１０の濃縮度を例えば２倍にすると、１０Ｂ４
Ｃを充填した部分の反応度価値は、約１０％向上する。

一方、高反応度型中性子吸収材充填内管２１の製造は、
薄肉内管２４の先端にプラグ２６をかしめ等により固定
した後、この薄肉内管２４を中性子吸収材充填装置（図
示せず）の案内孔内に挿入し、この挿入状態で　Ｂ４Ｃ
粉粒などの高反応度型中性子吸収物質２５を充填させる
。この充填中に薄肉内管２４の歪みや変形は案内孔の存
在により有効に防止することができる。薄肉内管２４内
に高反応度型中性子吸収物質２５を充填させた後、その
細端側をプラグ２７で非密封状ｆぶに開基して高反応度
型中性子吸収材充填内管２１が製造される。その模、こ
の充填内管２１を案内孔から取り出し、高反応匹領１１
１ｉ、１２の収容穴１８に挿入する。

この収容穴１８への挿入は、充填内管２１の成形時にそ
の変形や歪みが案内孔の存在により有効的に防止されて
いるので、円滑かつスムーズに行なうことができる。

このように、原子炉用制御棒１０はウィング１１の各領
域１．１２．１３の各収容穴１８内に長寿命型中性子吸
収材２０．高反応度型中性子吸収材充填内管２１および
８４０等の通常中性子吸収材２２をそれぞれ挿入あるい
は充填ざゼた■、第３図（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に
示ずように溶接用当て物２８を介装してウィング翼端を
湾曲させて先端を溶着させる。

その際、原子炉用制御棒１０は挿入先端側およびウィン
グ外側縁領域で強い中性子照射を受けるが、この場合、
挿入先端領域１１に長寿命型中性子吸収材２０を収容さ
Ｕ゛るとともに、高反応度領域１２に挿入される高反応
度型中性子吸収材充填内管２１の少なくとも一方のプラ
グ２７をハフニウム等の長寿命型中性子吸収材である中
性子捕獲型中性子吸収物質で形成することにより、制御
棒１０の長寿命化を図ることができる。

ところで、沸騰水型原子炉の炉心部に従来の第８図およ
び第９図に示す制御棒を全挿入して原子炉を停止させた
ときの未臨界Ｉｆ（原子炉停止余裕）の炉心軸方向分布
は第４図（Ａ）に示すように表わされ、炉心上部は気液
二相流のうちボイドの割合が大きな高ボイド域で、プル
トニウム（Ｐｕ）の生成やウラン２３５　（Ｕ２３５　
）の燃焼遅れのために、ＫｏＯ（無限媒質における増倍
率）の燃焼による減少が遅れ、未臨界度（原子炉停止余
裕）が浅くなる。原子炉炉心の上下端部は、上下端近傍
から中性子の漏れのため、未臨界度は比較的大になる。

未臨界度の軸方向分布が、第４図（Ａ）に示されるよう
に表われる原子炉の炉心部に、第１図ないし第３図に示
される原子か用制御棒１０を挿入する。この原子炉用制
御棒１０は、未臨界度が浅くなる領域を高反応度領域オ
、とし、高反応度型中性子吸収物質２５を収容したので
、原子か用制御棒１０の中性子吸収特性の軸方向分布は
第４図（Ｂ）に示すＪ：うに表わされ、未臨界度が浅く
なる領域の中性子吸収特性が大きくなる。

したがって、第４図（Ｂ）の中性子吸収特性を有する原
子炉用制（社）棒１０を原子炉炉心部に挿入すると、原
子炉炉心の未臨界度は、Ｍ４図（Ｃ）に破線から実線で
示すように改善され、未臨界度が浅くなる領域が解消さ
れ、原子炉停止余裕は原子炉炉心の軸方向にわたってほ
ぼ均一となる。

第５図は本発明に係る原子炉用制御棒の伯の実施例を示
すものである。

コ（７）　ｆｊＩ　子炉用ａｉ’ｌ　６Ｉｌ　棒１０　
Ａ　、　１０　［３（７）　右半分１ＯＡは先端構造材
１４と末端構造材１５を結合させる中央タイロッド３０
に深いＵ字状新面を右する金属製シース３１を取付けた
ウィング３２を構成し、上記−ウィング３２のシース３
１内に複数の中性子吸収棒３３を列状に配列したもので
あり、この構成は第８図に示す従来の原子炉用制御棒と
異ならない。

従来の制御棒と基本的に相違する内容は、中性子吸収棒
３３内に、中性子吸収材充填内管（図示せず）を列状に
挿入したものである。列状に挿入される各充填内管のう
ち、未臨界度が浅くなる部位には、第６図に示される高
反応度型中性子吸収材充填内管３５が配置される。この
充填内管３５はＳＵＳ製あるいはＡＪ製薄肉内管３６内
にＢ−１０を濃縮した濃縮ボロン（８４Ｇ）粉粒等の高
反応度型中性子吸収物質３７を充填し、両端部をハフニ
ウム等からなる中性子吸収プラグ３８゜３９で閉塞した
ものである。

原子炉用制御棒１０Ａの高反応度領域以外の例えば挿入
末端領域に配置される中性子吸収材充填内管は高反応度
型中性子吸収材充填内管３５とする必要がない。上記充
填内管には天然ボロン等の通常のＢ４Ｃ粉粒の中性子吸
収物質を充填してもよく、薄肉内管の両端部は通常の５
ＬＩＳ製プラグで閉塞してもよい。また、挿入末端領域
では中性子吸収棒３３内に天然ボロンなどの中性子吸収
物質を直接充填させてらよい。挿入先端領域には艮か傘
型中性子吸収材（棒または板）を配置するのが好ましい
。

また、第５図の左半分に示される原子炉用制御棒１０Ｂ
は、ウィング４０にＵ字状の金属製シースを用いないタ
イプの制御棒である。この制御棒１０Ｂは方形管形状の
複数の外管４１を列状に溶接等で一体に固着してウィン
グ４０を構成し、このウィング４０の外管４１の収容穴
４２内に、第７図（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）に示すよ
うに、中性子吸収材を充填したものである。

このうち、原子炉用制御棒１０Ｂの未臨界度が浅い領域
には、第７図（△）および（［３）に示ずように、高反
応度型中性子吸収材充填内管３５が収容される。この充
填内管３５は第６図に示すものと異ならない。充填内管
３５の両端部を中性子吸収プラグ３８．３９で４１塞し
た場合には、プラグによる中性子吸収材排除効果はなく
、反応度価値の低下は生じない。少なくとも一方のプラ
グ３９は薄肉内’ｉ’ｆｆ３６に非密１・１状態で取付
けられるため、充填内管３５内で発生した１１　ｅガス
は薄肉内管３６から流出するので、ｉｔ９肉内室内管３
６内−１ｅガス圧の異常上界は生じない。

また、原子炉用制御棒１０Ｂの高反応度領域以外の、例
えば挿入先端領域には高寿命型中性子吸収材（図示せず
）が収容されるとともに、挿入末端領域には第７図（Ａ
）および（Ｃ）に示すように天然ボロン等の通常の中性
子吸収材４２が直接充填される。

他の実膿例でそれぞれ示される原子炉用制御捧においで
も、一実施例で示した原子か用制御棒と同等の効果を奏
する。

なお、本発明の実施例では、［３ＷＲ用制御棒について
説明したが、ＢＷＲ用以外の原子炉用制御棒においても
基本的な構成は、第１図および第５図に示されるａ＋＋
＋　ｗＪ棒と近似しており、外管形状・Ｉｌ！！造や高
反応度型中性子吸収材内管の配置構造が異なる程度であ
り、これらの制御棒も本発明の対象とする制御棒である
。

また、実１／Ｍ　Ｂ４１では、中性子吸収材充填内管の
両端部をプラグで閉塞した例を示したが、充填内管の一
端側を右底内管とした場合には、他端間口側だ１）をプ
ラグで１１１塞すればＪ：い。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明に係る原子炉用制御棒におい
ては、薄肉金属管内に高反応度中性子吸収物質を充填し
て高反応度型中性子吸収Ｉ充填内管を構成し、この充填
内管を炉心の未臨界度が浅くなる部位およびその近傍に
配置したので、高反応度領域の中性子吸収材量を有効的
に確保できて大反応度化が図れ、反応度価値を向上させ
、長寿命化を図ることができる。

また、高反応度型中性子吸収材充填内管の少なくと６一
端部を中性子吸収プラグで構成した場合には、中性子吸
収材の排除部が削減され、反応１良！１ｆｌｉ　ｉｌｉ
の低下が抑制されることになる。

【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を示り
°図、第２図（Ａ）は上記原子炉用制御棒の要部を拡大
して示す図、第２図（Ｂ）は第２図（△）のＩＩ−ＩＩ
線に沿う断面図、第３図（Ａ）。 （Ｂ　）　Ｊ’３　Ｊ：　Ｕ　（Ｃ）　ハ第２図（Ａ）
（ＤＡ−１！Ｊ。 Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿う平断面図、第４図（Ａ）は従
来の原子炉用制御棒を原子炉炉心部に挿入したときの、
炉心の未臨界度の軸方向分布を示す図、第４図（Ｂ）は
本発明に係る原子炉用制御棒の中性子吸収特性の軸方向
分布を示す図、第４図（Ｃ）は本発明の原子炉用制御棒
による炉心の未ｒＩＡ稈度の改善例を示す図、第５図は
本発明に係る原子炉用制御棒の他の実施例をそれぞれ示
す図、第６図は第５図に示される原子炉用制御棒に用い
られる高反応度型中性子吸収材充填内管を示す断面図、
第７図（Ａ）は第５図の左半分に示される原子炉用制御
棒の要部を拡大して示す図、第７図（Ｂ）および（Ｃ）
は第７図（Ａ）のＢ−Ｂ！！Ｊ１Ｃ−Ｃ線に沿う平断面
図、第８図おＪ：び第９図は従来の原子炉用１ｔＩＩＩ
御棒をそれぞれ示す図である。 １０．１０Ａ、ＩＯＢ・・・原子炉用制御棒、１１．３
２．４０・・・ウィング、１２・・・ステンレス鋼板、
１３・・・結合部材、１３・・・先端構造材、１５・・
・末喘構造材、１８・・・収容穴、２０・・・長寿命型
中性子吸収材、２１．３５・・・高反応度型中性子吸収
材充填内管、２２．４２・・・中性子吸収材、２４，３
６・・・薄肉内管（ｉ＋９肉金属管＞、２５．３７・・
・高反応度型中性子吸収物質、２６．２７．３８．３９
・・・プラグ、３０・・・中央タイロッド、３１・・・
シース、３３・・・中性子吸収棒、４１・・・外管。 第１図 第 図 第 図 第 図 ニ：漫 ヱニ鴨 一−−ゲＪｎ原＝ｔｒ眉蛸りｕｌ −ぷ２明Ｑ原ンび眉制グ４ 土ニジ １　ノ…フ Ｔ″：４ 来意１５７ｊ （、、六−ｉ停Ｚ＄ａントン 甲・とテ凌！ＪＸ唇・トヱ 黛括Ｊ７） （７瑣−１−Ｉ停止衾得ン （Ａ） とＣノ 第 図 （Ｃ） 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、薄肉金属管内に高反応度型中性子吸収物質を充填し
   て高反応度型中性子吸収材充填内管を構成し、この充填
   内管を炉心の未臨界度が最も浅くなる部位およびその近
   傍に配置したことを特徴とする原子炉用制御棒。 ２、高反応度型中性子吸収材充填内管は端部を閉塞する
   少なくとも一端側プラグを中性子吸収プラグで構成し、
   この中性子吸収プラグは、ハフニウム、ハフニウムをジ
   ルコニウムまたはチタニウムを主成分とする希釈金属で
   希釈したハフニウム希釈合金、銀・インジウム・カドミ
   ウム合金、あるいは希土類酸化物を主中性子吸収物質と
   するセラミック等の中性子捕獲型中性子吸収物質で形成
   した請求項１記載の原子炉用制御棒。