JPH022985A - 原子炉用制御棒およびその製造方法 - 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およびその製造方法に関する。

（従来の技術） 原子力発電プラントにおいては、原子炉の出力′ａｉｌ
＋御あるいは原子炉の安全停止のために原子炉の炉心部
に原子か用制御棒（以下単に制御棒という。）が装架さ
れている。ｔ、ＩＩ制御棒原子炉出力制御を主目的とす
るものと原子炉停止を主目的とするものに機能分離する
場合と、同一制御棒で両機能を果寸場合とがある。

制御棒のうら出力ａｉ１１６１用のものは多への中性子
照射を受ける。特にこの制御棒は中性子吸収材充填部の
外側端部や挿入先端はどより多聞の中性子照銅を受ける
。また、原子炉停止用の制御棒は、一定の範囲でより大
きな反応度価値を有することが重要である。原子炉停止
用制御棒でも、その極く限られた挿入先端部、例えば挿
入先端から挿入末端側にせいぜい１５ｃｍ程度では、原
子炉の炉心設計」−の理由から多聞の中性子照射を受け
る場合が多い。

ところで、これらの制御棒に用いられる中性子吸収材と
してはボロンカーバイド（８４Ｇ）、トインジウム・カ
ドミウム（Ａｑ−Ｉ　ｎ−Ｃｄ）合金、ハフニウム（ｌ
ｌｆ）メタル、六回化ユーロピウム（ＥｕＢ６）、各種
希土類酸化物などがＪ：く知られている。これらの中性
子吸収材の中でボロン（８）を含む中性子吸収材は中性
子と反応してヘリウム（１」ｅ　）ガスとリチウム（Ｌ
ｉ）を発生さぼる。１−１０の生成により中性子照ｒＡ
吊の多いボ１］ンを含む中性子吸収材はスエリングを起
し、このスエリングによって中性子吸収材が中性子吸収
材充填管を内側から押すことになり、充填管に応力を発
生さＵる。この応力は局所的な応力になり易く、中性子
照射量が多いと充填管を破旧さぜることもある。

またＩ−１ｅはガスであるため、充Ｉａ管を内側から均
一な力で押圧し、充填管に−様な応力を発生させる。現
在までの知見では、中性子吸収材のスエリングによる局
所的な応力に伴う充填管の破損の方がＨｅガス圧の応力
に伴う充填管の破損より少量の中性子照ＯＡ頂で生じる
ことが判っている。

一方、ボロンを含む中性子吸収材を内管に充填した後、
この内管を外管内に挿入して二重管構造とした場合、内
外両管の間には必ず若干の間隙が形成されるため、内管
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、内情が破損しても前記間隙をスエリングで埋め尽す
までは外管にはスエリングに伴う応力は発生しない。内
管を外管（通常ステンレス［１）より軟質の材料（例え
ばアルミニウム）で製作すれば、内管のス■リングに伴
う外管への応力の発生はさらに緩和できることが予想さ
れる。

（発明が解決しようとする課題） 制御棒を二重管構造とした中性子吸収材充填部では、内
管の導入によって中性子吸収材充填空間が減少するので
、それを極力抑えるために、内管の肉厚は極力薄くしな
ければならない。さもないと、中性子吸収材不足により
反応度価値の減少が早まり、核的な制御棒寿命の低下を
招くことになる＝外管は原子炉環境に耐え、かつ内部か
らの一定の応力に耐えなければならないので、外管を薄
くすることは一般に許されない。

中性子吸収材としては粉粒状のものとペレットのような
固形状のものとがあるが、制御棒製造コス］・上からは
粉粒状のものが優れている。粉粒状のもので中性子吸収
特性が大きく、しかも安価なものとして、８４Ｇ粉粒が
ある。この８４Ｇ粉粒は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に用
いられる制御棒の中性子吸収材として広く利用されてい
る。

いま、制御棒を二重管構造とし、薄肉の内管にＢ、Ｃ粉
粒を充填する場合を想定すると、［３４Ｇ充填密度を高
めるために、複数種の大きさの粉粒を混合して使用する
ことが考えられる。この場合、内管内の充填密度は局所
的に変化し、その結果、内管は真円から歪むことになる
。歪んだ内管を外管もしくは内管挿入穴（あわせて外大
という。）に挿入するのは極めて困ガである。この挿入
の困難さを避けるために内情外径を小さくすると中性子
吸収材充填空間が減少し、反応度価値不足あるいは核的
寿命低下を引き起す不都合がある。

本発明は上述した事情を考慮してなされたものであり、
中性子吸収材充填内管の肉厚を極く薄肉としても充填内
管の歪みを極力抑制し、中性子吸収材収容穴内への挿入
も円滑かつスムーズに行ない、中性子吸収材の低減が抑
えられ、反応度価値と核的寿命の低下が抑えられる原子
炉用制御棒およびその製造方法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４よ、制御棒に中性子吸収
材収容穴をそれぞれ形成し、上記収容穴の所定位置に、
両端部をプラグで閉塞した中性子吸収材充填内管を挿入
する一方、上記プラグの少なくとも一方は、中性子捕獲
型中性子吸収物質からなる中性子吸収プラグで形成した
ものである。

また、本発明に係る原子炉用制御棒の製造方法は、中性
子吸収材充填部材の案内孔内に先端をプラグで閉塞した
薄肉内管を挿入し、この薄肉内管の他端間口端から上記
内管内に中性子吸収材の粉粒を充填し、その後前記内管
の他端開口端をプラグで閉塞して中性子吸収材充填内管
を成形し、この充填内債を制御棒の中性子吸収材収容穴
の所定位置に挿入する方法である。

（作用） この原子炉用制御棒は、制御棒の中性子吸収材収容穴の
所定位置に両端部をプラグで閉塞した中性子吸収材充填
内管を挿入し、上記プラグの少なくとも一方を中性子捕
獲型中性子吸収物質からなる中性子吸収プラグで形成し
たから、中性子吸収材の低減が抑制され、反応電制１直
と核的寿命の（Ｉｔ下を防止することができる。

また、この原子炉用制御棒の１！！Ｊ７Ａｉ方法は、中
性子吸収材充填部材の案内孔内に先端プラグで閉塞した
薄肉内管を挿入し、この薄肉内管の他端開口端から上記
内管内に中性子吸収材の粉粒を充填し、その後前記内管
の他端開口端をプラグで閉塞して中性子吸収材充填内管
を成形し、この予成形された充填内管を制御棒の中性子
吸収材収容穴の所定位置に挿入することにしたから、充
填内管の肉厚を極く薄い肉厚としても、充填内管の歪み
を極力抑制し、中性子吸収材収容穴内に円滑かつスムー
ズに挿入することができる。

その際、中性子吸収材充填内管は薄肉構造とすることが
でき、中性子吸収材の低減が抑制されるので、反応度両
値および核的スを命の低Ｆを抑えることができる。

（実施例） 以下、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。

本発明の原子炉用制御棒は、現行あるいは設計（σ１究
開発中の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ＞、加圧水型原子炉（
ＰＷＲ）、新型転換炉（ＡＴＲ）、高転換炉（Ｎ　ＣＲ
）および高速増殖炉（ＦＢＲ）等殆ど全ての原子炉の制
御棒に適用可能であり、Ｂ４ＣやＥｕ８６などのボロン
（Ｂ）を含む粉粒使用の制御棒やその他の粉粒使用の制
御棒に好適である。

この原子炉用υｆｉｌｌ棒の一例として沸騰水型原子炉
用の制御棒に適用した例を第１図に示す。この原子炉用
制御棒１０は４枚の細長い矩形のステンレス鋼板１１を
結合部材１２で固着してウィング１３を構成し、横断面
がほぼ十字形をなすようにしたものである。各ウィング
１３を構成するステンレス鋼板１１にはウィング１３の
幅方向に中性子吸収材収容穴１４が穿設される。この収
容穴１４はウィング１３の長手方向に間隔をおいて列状
に、例えば等ピッチに配列される。制囲棒１０の挿入先
端側にはは械的強度を保つ先端４４造材部１５　Ｊ３　
Ｊ：びハンドル１６が一体あるいは一体的に設置プられ
る。

一方、ｖＪＯ１ｌ棒１０の各ウィング１３に形成される
収容穴１４には、中性子照射の多い挿入先端領域オ、に
ハフニウム（Ｉｌｌ等の長寿命型中性子吸収棒１７が挿
入される。この挿入先端領域１１はυ制御棒の右効艮り
の挿入先端から挿入末端側に向ってせいぜい３２ｃｍ程
１腹好ましくは５１〜１５Ｃ１１程度の良さである。

制御棒１０の挿入先端領域１２　（全体有効長りの１／
４Ｌ〜１／２Ｌの領域）には、収容穴１４内に中性子吸
収材充填内管２０が収容され、この充填内管２０内に中
性子吸収材の粉粒（粉末を含む。）、好ましくは例えば
Ｂ４Ｃ粉粒が充填される。充填内管２０は第２図に示す
ように薄肉内管２１内にＢ４Ｃ粉粒２２を充填する一方
、その両端部は中性子捕獲型中性子吸収物質からなる中
性子吸収プラグ２３．２４で閉塞される。少なくと６一
方の中性子吸収プラグ２４は、収容穴１４に微小間隙を
介して連通可能に非密封構造に形成される。これにより
、中性子反応によりＢ４Ｃがら発生したＨｅガスは収容
穴１４内に流出し、収容穴１４内のガス圧力が均一化さ
れる。

中性子吸収材充填内管２０の薄肉内管２１は両端部を中
性子吸収プラグ２３．２４で１閉塞する必要は必ずしも
なく、また、一方は設計Ｊ３よび使用条件によっては、
通常のステンレス鋼製プラグであってもよい。中性子吸
収プラグ２３．２４は、ハフニウムメタル、ハフニウム
希釈合金または銀・インジウム・カドミウム合金、希土
類酸化物を主中性子吸収物質とツるセラミックなどの中
性子捕獲型中性子吸収物質で構成される。ハフニウム希
釈合金は、ハフニウムをジルコニウムまたはヂタニウム
を主成分どする金属て希釈したものであり、この希釈合
金の採用によりプラグ比重を小さくすることができる。

また、高反応度領ｌＩ！！オ、に隣接する挿入末端側の
領域１３の各収容穴１４には中性子吸収材２５として例
えば［３４ＣＦ／）粒あるいはベレットが充填される。

このようにして、各収容穴１４内に中性子吸収材１７．
２２．２５が充填された後、制御棒１０の１クイング１
３はその外側縁側から各収容穴１４を覆うＪ：うに例え
ばＳＵＳ製の当て板２６が介在され、この当て板２６を
介してウィング１４のＴＸＩ端部が湾曲成形され、溶接
等により密封される。

他方、高反応度領域１２の中性子吸収材収容穴１４に収
容される中性子吸収材充填内管２０は第２図（Ａ）〜（
Ｃ）に示すように製造される。この充填内管２０の薄肉
内管２１は第２図（Ａ）に示ずように、全長が例えば１
０ｃ１１〜４０ｃＩＩＰｉ！１ｔ１１の長さを存し、内
管２１の一端に軸方向長さ０．３ｃｍ〜１．５ｃａ＋程
度の中性子吸収プラグ２３をかしめや溶接等で固着した
後、他端開口端を残して中性子吸収材充填部材２８の案
内孔２９に挿入される。案内孔２９に薄肉内管２１を挿
入した後、他端開口端を上向きにセットし、この他端間
口端から８４Ｃ等の中性子吸収材の粉粒２２を第２図（
Ｂ）に示すように充填させる。この充填の際に、中性子
吸収材充填部材２８に振動を付与して中性子吸収材の粉
粒充填効率を高めるようにしてもよい。

その際、薄肉内管２１は、案内孔２９により外形が限定
保持されるので、中性子吸収粉粒２２の充填によって内
管２１の変形が効果的に防止される。

薄肉内管２１への中性子吸収粉粒２２の充填が終了した
ら、第２図（Ｃ）に示すように案内孔２９から突出する
薄肉内管２１の使Ｍ　ＯｒＪ　Ｑ端に０゜３　ｃｍ〜２
αｍ原２α程度ウム等からなる中性子吸収プラグ２４を
装着し、固着して中性子吸収材充填内管２０が成形され
る。この充填内管２０は中性子吸収材充填部材２８の案
内孔２９から取り出され、 制御棒１０の中性子吸収材収容穴１４の所定位置に順次
挿入される。充填内管２０を案内孔２９から取り出すと
さ、充填内管２０に（セがつかないように、中性子吸収
材充填部材２８をニラ割構造どしでもよい。

一方、中性子吸収材充填内管２０に装着される中性子吸
収プラグ２４は中性子吸収材の粉粒にＢ４Ｃ粉粒を用い
たとさ・、中性子反応により発生した１−１ｅガスが薄
肉内管２１から流出できるように少なくとも一方が非密
１・１描造とされる。薄肉内管２１内に収容される中性
子吸収粉粒２２には、ボロン１０（Ｂ−１０）を濃縮し
た濃縮ボロン力１〇 一バイト（８４Ｃ）粉粒が必要に応じて充填され、高反
応度の中性子吸収材充填内管を￥Ｊ造しており、この充
填内管を制御棒１０の所定位ｄに挿入して高反応度制御
棒と覆ることができる。ＢＷＲのｖ制御棒では、挿入先
端領域１１に隣接する高反応度領１ＩｉＩｊ！２に、例
えば　Ｂ４Ｃ粉粒を充填した中性子吸収材充填内管２０
を挿入することによって、反応度価値を効果的に高める
ことができる。

高反応度領域１２は、υ制御棒全挿入時に炉心の未臨界
度が浅くなる部分であるが、この領域オ、に高反応度の
中性子吸収材充填内＠２１を配置するため、反応度価値
を有効的に高めることができる。

また、ａ、ＩＩ　６８棒１０の各ウィング１３は、ウィ
ング両翼端（内側縁および外側縁）の中性子束が高く、
中性子吸収材が多い。しかし、この場合、高反応度領域
Ｉ！２の各収容穴１４に収容されるａ肉内管２１は両端
部に中性子吸収プラグ２３．２４を設置プだので、この
中性子吸収プラグ２３．２４を１−１ｆ等の長寿命型中
性子吸収材で形成した場合には、中性子照射量の高いウ
ィング１３の両黄端部に、長寿命型中性子吸収プラグが
存在するので、長寿命型中性子吸収材を別途配置しなく
てもよい。

原子炉用ＩＩ＋御棒１０の一実施例では、ウィング１３
を構成するステンレス鋼板１１のウィング幅方向の収容
穴１４の所定位置に、中性子吸収材充填内管２０を挿入
した例を示したが、第４図に示すように収容穴３０を１
クィング長手方向に形成し、この長手方向の中性子吸収
材収容穴３０内に第４図に示すように中性子吸収材の粉
粒２２を充填した中性子吸収材充填内管２０を複数個列
状に挿入するようにしてもよい。その際、ウィング１３
はウィング幅方向に配列された例えば矩形の外管３１を
溶接することにより形成しても、また上記外管３１を従
来の原子炉用制御棒のＪ：うに中性子吸収捧被覆管に構
成し、この被覆管をＵ字状に成形された金属製シース（
図示けず）内に収容し、配列したちのであってもＪ：い
。

また、原子炉用ｆｄｌｌ　ａｌｌ搏１０Δは、８４Ｃ等
の中性子吸収材をＪ：り多く充填ざけることができれば
、反応度価値が上昇する。この反応度ｌ１１ｉ　ｆｉｒ
ｆを上昇させるために、第５図（Ａ＞に示すように複数
の収容穴３２を連ねて長孔構造とした例を、本出願人は
特願昭６３−２８４２０号で提案した。第５図（Ａ）に
示す原子炉用制御棒１０Ａにおいては、連設された各収
容穴３２からなる長孔に充填された中性子吸収材として
の８４Ｃ粉粒３３は、中性子照射を受けてスエリングが
生じ、内圧が発生ずる。スエリングは各収容穴３２全体
でほぼ等しいか、長孔の両サイドでやや大きくなる。

連設された各収容穴（長孔）３２はスエリングによって
も中間のＡ部ではほとんど応力が生じないが、両サイド
の８部では大ぎな応力が発生し、この応力によって長孔
の両サイドでウィング１３のステンレス鋼板１１が破断
するおそれがある。

連設収容穴３２の両サイドに発生ずる応力を緩和させる
ために、各収容穴３２の両Ｉナイドに第５図（Ｂ）に示
寸ように薄肉の中性子吸収材充填内情２０を挿入し、収
納さぜる。この充填内情２０の構造【よ第２図（Ａ）〜
（Ｃ）に示すものと異ならないので同一符号を付して説
明を省略する。この充填内管２０を所定位置に挿入する
挿入方式を採用することにより、発生する応力の緩和を
図ることができ、制御棒の健全性が向上する。

なＪ３、本発明の一実施例では中性子吸収材充填内管の
少なくとも一方を中性子吸収プラグで閉塞した例を示し
たが、中性子照射量が少ない制御棒の例えば挿入末端側
では、充填内管の両端部を通常のプラグで閉塞してもよ
い。

〔発明の効果〕

以上に述べたようにこの発明に係る原子炉用制御棒にお
いては、制＠杯の中性子吸収材収容穴の所定位置に、両
端部をプラグで閉塞した中性子吸収材充填内管を挿入す
る一方、上記プラグの少なくとも一方は、中性子捕獲型
中性子吸収物質からなる中性子吸収プラグで形成したの
で、制頗捧内に充填される中性子吸収材の低減が抑制さ
れ、反応度ｌｌ１ｉＩｔ１と核的寿命の低下を効果的に
防止し、長寿命化と反応度価値の向上を図ることがでさ
゛る。

また、この原子炉用制御棒は、中性子吸収材充填部材の
案内孔内に先端をプラグで１ｆｆＪ塞した薄肉内管をト
ド入し、このＡ９肉内管の他端開口端から上記内管内に
中性子吸収材の粉粒を充填し、その後前記内管の他端開
口端をプラグで閉塞して中性子吸収材充填内管を成形し
、この充填内管を制御棒の中性子吸収収容穴の所定位置
に挿入する製造方法を採用したので、中性子吸収材充填
内管の製造時にこの充填内管の歪み発生を極力抑制する
ことができる。このため、中性子吸収材充填内管をｆｆ
１ｌｊ陣杯の中性子吸収材収容穴内に円滑かつスムーズ
に挿入することができ、収容穴内でスエリングに伴う応
力発生を大幅に緩和したり、ｄらせることができるので
、原子炉用２．ＩＩ　ｉｌｌ棒の健全性を高めることが
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を沸騰
水型原子炉用制御棒に適用した例を示す図、第２図（Ａ
）〜（Ｃ）は上記原子炉用！ＩＩ　ｉｌｌ棒内に収容さ
れる中性子吸収材充填内管の製造工程をそれぞれ示ず図
、第３図は原子か用制御捧のウィング内に配列された中
性子吸収材充填内管の配列例を示す図、第４図は原子炉
用制御棒の縦方向の収容穴内に配設される中性子吸収材
充填内管の配列例を示す部分図、第５図（Ａ＞および（
Ｂ）は本発明に係る原子か用制御棒の変形例を示１図で
ある。 １０．１０Ａ・・・原子炉用制御棒、１１・・・ステン
レス鋼板、１２・・・結合部材、１３・・・ウィング、
１／ｌ、３２・・・中性子吸収材収容穴、１７・・・長
寿命型中竹子吸収棒、２０・・・中性子吸収材弁ｊ眞内
管、２１・・・λ９肉内管、２２・・・中性子吸収材の
粉粒（８４Ｃ粉粒）、２３．２４・・・中性子吸収プラ
グ、２５．３３・・・中性子吸収材。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、制御棒に中性子吸収材収容穴をそれぞれ形成し、上
   記収容穴の所定位置に、両端部をプラグで閉塞した中性
   子吸収材充填内管を挿入する一方、上記プラグの少なく
   とも一方は、中性子捕獲型中性子吸収物質からなる中性
   子吸収プラグで形成したことを特徴とする原子炉用制御
   棒。 ２、中性子吸収材充填部材の案内孔内に先端をプラグで
   閉塞した薄肉内管を挿入し、この薄肉内管の他端開口端
   から上記内管内に中性子吸収材の粉粒を充填し、その後
   前記内管の他端開口端をプラグで閉塞して中性子吸収材
   充填内管を成形し、この充填内管を制御棒の中性子吸収
   材収容穴の所定位置に挿入することを特徴とする原子炉
   用制御棒の製造方法。