JPH036493A - 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） 本発明は原子炉の炉出力を調節、制御する原子炉用制御
棒に係り、特に長寿命型の原子炉用制御棒に係る。

（従来の技術） 原子炉用制御棒は、十字状断面の中央タイロッドの各突
出脚に深いＵ字状断面のシースを取り付けて形成した４
箇のウィング内に多数の中性子吸収棒を装填して構成さ
れている。中性子吸収棒はＳＵＳ製被覆被覆管内ロンカ
ーバイド（Ｂ　４　Ｇ　）粉末を充填して構成されてい
る。而して、前記被覆管内には粉末移動防止用の仕切線
が一定間隔で配置されている。

中性子吸収棒内に充填されたＢ４Ｃ粉末は中性子を吸収
して中性子吸収能力が次第に低下するとともに、その間
にボロン−１０（”Ｂ）が中性子と反応してＨｅガスを
発生させ、被覆管内の圧力を上昇させる。上記の中性子
吸収能力によって定め１ ２ られる寿命を核的寿命と云い、被覆管内のガス圧によっ
て定められる寿命を機械的寿命と云っている。

ところで、原子炉の炉心に対して挿抜される制御棒は中
性子の照射を一様に受けるものではなく、例えば各ウィ
ングの側縁や上端部は強い中性子照射を受ける。このた
め、制御棒の側縁部や上端部近傍にある中性子吸収体は
多量の中性子を吸収し、他部の吸収棒よりも早期に核的
寿命に達する。従って、他部の中性子吸収棒は十分核的
寿命を残存させているにも拘らず、制御棒を放射性廃棄
物として廃棄しなければならなかった。このように使用
可能な部分があるにも拘らず、放射性廃棄物として処分
することは不経済であるだけでなく、放射性廃棄物の量
を徒に増大させ好ましくない。

上記の問題を解決するため制御棒の強い中性子照射を受
ける部分に、核的寿命の長い長寿命型の中性子吸収材を
配置した原子炉用制御棒が開発されている（特開昭５３
−７４６９７号）。

ところが、この形式の原子炉用制御棒にあってはその寿
命は通常型の２倍程度に延長されるに過ぎず、原子炉用
制御棒の長寿命化を図る上で必ずしも十分ではなかった
。

特開昭５３−７４９６７号開示の原子炉用制御棒の前記
の問題を解決するものとして、さらに長寿命を示し得る
特開昭５８−５５８８７号開示の原子炉用制御棒が開発
された。この原子炉用制御棒は、制御捧各ウィング内に
長寿命型中性子吸収材からなる中実の中性子吸収板を装
填してなるものである。この中性子吸収板は炉停止余裕
の軸方向分布の小さい部位では小量の板材削り取りを行
い、逆にそれが大きい部位では多量の板材削り取りとな
るよう透孔または凹陥部を、その大きさや分布を考慮し
て設けている。

（発明が解決しようとする課題） ところが、特開昭５３−７４９６７号開示の原子炉用制
御棒に使用されている中性子吸収材は、高価で比重の大
きな板状ハフニウム（Ｈｆ）金属であるため、制御棒が
高価で非常に重量の大きいものとなる欠点があった。

３ 重量が大きくなると、この制御棒を取り扱う制御棒駆動
機構は耐重量的な設計変更が必要となり、従来の制御棒
駆動機構をそのまま使用することはできなかった。

また、ハフニウム金属板を制御棒の中性子吸収材として
使用する場合に、ハフニウム金属板と制御棒の構造材で
あるステンレス鋼とが大きな面積で接触することになり
易く、その結果大きな面積で幅の狭い間隙が形成される
おそれがあり、耐食性の点から好ましくない。

本出願人は上記の問題を解決するものとして、さらに新
規な長寿命型原子炉用制御棒を開示した。

この制御棒は中性子吸収体をウィング軸方向、幅方向に
分割して各分割区分のハフニウム金属板の厚さを各区分
における中性子照射量に応じて定めたもので、これによ
り制御棒全体にわたり中性子吸収体の核的寿命を均一化
している。

ところが、上記開示の制御棒では中性子吸収要素はウィ
ング幅方向に複数個に分割して構成され、各分割区分の
ハフニウム金属板は、それ等をシー４ ス内面から浮かせて支持する溝と、対向するハフニウム
金属板間の間隔を保持する突起とを備えたスペーサによ
り支持され、２枚のハフニウム金属板間の空間およびハ
フニウム金属板とシース内面間には減速材流路が形成さ
れている。而して、各分割区分のハフニウム金属板の厚
さはその区分の中性子照射量分布に応じて設定する。つ
まり、ウィングの側縁近傍にあるハフニウム金属板の厚
さを他部にあるそれの厚さよりも大とすればよい。

なお、この制御棒においてはハフニウム金属板はシース
の内面から浮かして支持され、それ等が大きな面積で直
接に接触することはないから、腐食等の問題を生じるこ
とはない。

ところが、前記溝、突起付のスペーサがハフニウム金属
板を確実に支持するとは限らず、ハフニウム金属板がシ
ース内面と接触するおそれがあった。

本発明は上記の事情に基づきなされたもので、ハフニウ
ム金属板とシース内面とが接触する畏れがなく、しかも
比較的軽量且つ安価で従来の制御５ ６− 棒駆動機構をそのまま使用することができる原子炉用制
御棒を提供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の原子炉用制御棒は、先端構造材および末端構造
材を連結する断面十字状の中央タイロッドと、この中央
タイロッドの各突出脚に深いＵ字状のシースをその開口
部において取り付けて構造したウィングと、各ウィング
内に装填した長寿命型中性子吸収体とを有し、前記長寿
命型中性子吸収体を制御棒軸方向およびウィング幅方向
に複数の区分に分割し、各区分内の中性子吸収要素の中
性子吸収特性をその区分における中性子照射量に応じて
定めたものにおいて、前記各区分の中性子吸収要素を構
成する対向するハフニウム金属板を、十字状断面で対向
する脚片を前記シースに貫通させたスポットスペーサに
より間隔を保持させ、それ等ハフニウム金属板と前記シ
ー入内面とはハフニウム金属板に形成した突起により離
間したことを特徴とする。

（作　用） 上記構成の本発明原子炉用制御棒においては、中性子吸
収体を構成するハフニウム金属板をスポットスペーサに
より間隔を保持して対向させ、しかもそれ等の金属板と
シー入内面との間隔をハフニウム金属板上の突起によっ
て保持させているから、ハフニウム金属板同士の接触ま
たはハフニウム金属板とシース内面との接触等を生じる
ことはなく、減速材流路の確保は勿論良好になされ、ま
た狭い間隙、広い面積でのハフニウム金属板とシース内
面との接触も完全に防止されるのでこれ等両者の腐食を
生じることもない。

さらに、制御棒をその軸方向、幅方向に分割し各分割区
分毎に中性子照射量に対応する中性子吸収特性の中性子
吸収要素を装填しであるから、各区分の中性子吸収要素
はほぼ同時にその核的寿命に到達し、核的寿命の残存す
る制御棒を廃棄物として処理する無駄を生じることがな
い。

（実施例） 第１図は本発明一実施例全体を示す斜視図、第２図はそ
の内部に配置された中性子吸収体の配置図である。第１
図において、原子炉用制御棒１０はハンドル１１を備え
た先端構造材１２と、末端構造材１３と、前記面構造材
を一体的に結合した横断面十字状の中央タイロッド１４
とを有する。中央タイロッド１４の各突出脚には、深い
Ｕ字状断面の高純度ステンレス鋼製のシース１５がその
開口部において固着され、４箇のウィング１６が形成さ
れている。

上記シース１５内にはハフニウム（Ｈｆ）金属板からな
る長寿命型中性子吸収体１７が挿入されている。

中性子吸収体１７は第２図の左半に示すように、中央タ
イロッド１４の軸方向に複数筒の中性子吸収要素１７ａ
〜１７ｄに分割されている。なお、第２図の左半ば中性
子吸収要素が装填されていない状態を示す。中性子吸収
要素の中、最下端にある１７ｄを除いた１７ａ〜１７ｃ
は、中央タイロッド１４の各突出脚に適宜間隔をおいて
設置した中性子吸収要素支持片１８に支持され、中性子
吸収要素１７ａ〜１７ｃはその軸方向移動を防止されて
いる。上記の各中性子吸収要素支持片１８はそれぞれ中
央タイロッド１４に必８ 要な間隔をおいて突設されている。なお、最下段の中性
子吸収要素１７ｄは末端構造材１３に支持されている。

前記各段の中性子吸収要素１７ａ〜１７ｄは、上段から
下段に向けて中性子吸収特性が順に低下するようにされ
ている。具体的に云えば、上部から中性子吸収要素１７
ａ〜１７ｄの肉厚を段階的に小さくしである。この結果
、制御棒の反応度効果すなわち中性子吸収特性が第３図
に示すように制御棒上端から下端に向け、段階的に低下
させられることとなる。

また、先端構造材１２に隣接する第１段の中性子吸収要
素１７ａは、　その上端から例えば３５ｎｙｎ以内の領
域を、制御棒の設計、その使用態様によっては中性子吸
収特性を大きくしてスクラム特性を改善したり、逆に小
さくして制御棒引抜に伴う炉出力の変動幅を減少させる
ようにしたりすることができる。また、少なくとも前記
第１段の中性子吸収要素１７ａの中央タイロッド１４側
の側縁部およびその近傍の部位は、他部よりも中性子吸
収特性を大きくしておく。

９ １〇− ところで、長寿命型原子炉用制御棒１０においては先端
構造材１２は非常に多量の中性子照射を受け、これによ
る脆性化のおそれがあるので、先端構造材を高純度のス
テンレス鋼により構成し、脆性化の問題を緩和するよう
にしている。また、先端構造材１２、末端構造材１３お
よびこの末端構造材に取り付けられたスピードリミッタ
１９はできるだけ薄肉として軽量化しておく。さらに、
先端構造材１２の下部には補助ハンドルとして使用され
る空隙２０が設けられている。この空隙を設けた部位は
制御棒の中性子吸収性能上、中性子吸収材を殆ど必要と
しない部位であるから、中性子吸収特性を低下させるこ
となく制御棒の重量を軽減することができる。

一方、空隙２０上方部分の高速中性子照射量はハンドル
１１上部のそれの１１５〜１／３程度またはそれ以下で
あることが実験的に確かめられている。従って、高速中
性子照射による空隙２０上方部分の脆性化はハンドル１
１のそれの１１５〜１７３程度あるいはそれ以下とみて
よく、万一ハンドル１１が破損した場合には空隙２０が
バックアップの補助ハンドルとして有効に作用すること
ができる。

また、シース１５内に装填される中性子吸収要素１７ａ
〜１７ｄは、第４図に中性子吸収要素１７ａにつき示す
ように、ウィング１６の幅方向に分割した分割片２１ａ
を、十字状断面で対向する２つの脚片をシース１５に貫
通させた複数のスポットスペーサ２２により支持させて
、シース１５の側壁内面と相補形状の対向する１組のハ
フニウム金属板２１．２１を形成させる。なお、ハフニ
ウム金属板には、表面に突起２１ｂ、　２１ｃが形成さ
れ、各ハフニウム金属板２１はシース１５内面から浮か
せて支持されている。ここで、ハフニウム金属板の突起
の形成方法の一例を示す。突起２］、ｂは本制御棒の長
手方向全体に形成され、これはハフニウム金属板製造時
に両端を曲げ加工することによって達成される。一方突
起２１ｃはスポットスペーサ２２の周囲の部分に形成さ
れ、これは、ハフニウム金属板上にハフニウムを溶着す
る等の方法によって達成される。また、２枚のハフニウ
ム金属板２１の側縁先端間は僅かに離１− 間されている。前記スポットスペーサ２２は、中性子吸
収要素１７ａ内に減速材流路となる偏平な空間２３を形
成するとともに、　中性子吸収要素１７ａの機械的強度
を向上させている。さらに、ハフニウム金属板２１とシ
ース内面との間には減速材流路となる偏平な空間２４が
形成されている。なお、ハフニウム金属板２１は０．５
＋ｎｍ〜２．０＋ｎｍ厚さの薄板とされている。

第５図は前記実施例の他の位置での横断面を示す図であ
る。この図において、スポットスペーサ２２がない位置
にはシース１５を貫通して、前記偏平な空間２４に連通
ずる減速材流入口２５が設けられている。なお、これ等
の減速材流入口２５は、原則としてウィング１６の両側
のものが対向するように設けられている。而して、減速
材は減速材流入口２５から偏平な空間２４に入り、ここ
からハフニウム金属板２１間の同じく偏平な空間２３内
に流れ込んで制御棒ウィング内を流通する。

以下、原子炉用制御棒の一般的な作用および前記本発明
原子炉用制御棒の作用につき説明する。

１２ 沸騰水型原子炉において、燃焼がある程度進んだ原子炉
炉心の軸方向核分裂性核種濃度分布は、第５図に示す曲
線Ａのようになる。而して、原子炉炉心の燃焼管理は炉
心を軸方向に４等分してなされるのが一般であり、原子
炉用制御棒１０も軸方向に４等分するのが好都合である
。

すなわち、第６図の曲線Ａは次のようなことを示してい
る。まず、原子炉炉心軸長をＬとして、原子炉炉心の下
端（１／４以下）では燃焼時の燃焼の進行が遅れるため
、核分裂性核種の分布が大きくなっている。さらに、中
央部（２／４Ｌ）から上端にかけては、発生するボイド
によって中性子スペクトルの硬化現象が生じ、これによ
りプルトニウム生成反応が促進されるため、多くのボイ
ドが発生して熱中性子束が低下されるので、燃焼遅れが
生じ核分裂性核種の濃度分布が大きくなっている。

原子炉炉心に第６図の曲線Ａに示す核分裂性核種濃度分
布が存在する場合において、原子炉停止時の中性子増倍
率分布は第７図の曲線Ｂに示すよ＝１３− ４ うになる。中性子増倍率が大きくなる程原子炉の停止余
裕が小さく、未臨界度が浅くなるものである。第７図の
曲線Ｂにおいて、炉心上端、下端で中性子増倍率が低下
しているのは、中性子の炉心上下端からの漏洩に基づく
ものである。

第８図の曲線Ｃは本発明の原子炉用制御棒１０を使用し
た場合の制御棒軸方向の中性子照射量分布を示す。この
図から原子炉用制御棒のごく限られた領域（通常先端か
ら約３０国程度）で中性子照射量が急激に上昇し、他の
部分では制御棒下端に向は中性子照射量が連続的且つ滑
らかに減少していることがわかる。

本発明の原子炉用制御棒１０は、第７図に示された中性
子増倍率分布、第８図に示された中性子照射量分布に対
応して満足な制御効果が得られるように構成されている
。すなわち、原子炉用制御棒１０の先端部（１／４Ｌの
長さ、例えば９０〜９５印程度）では、中性子増倍率の
上昇（炉停止余裕の低下）や、中性子照射量増大により
炉停止余裕が低下し易いことに対処するため、中性子吸
収要素１７ａを構成するハフニウム金属板２１の厚さを
他の中性子吸収要素１７ｂ〜１７ｄのそれよりも大きく
しである。なお、中性子吸収要素１７ｂ〜１７ｄを構成
するハフニウム金属板の厚さも順次小さくなるようにし
であることは前記した通りである。特に、原子炉用制御
棒１０の下端（末端構造材１３上端）から１／４Ｌまで
の下部領域の中性子吸収特性は、その上方に隣接する１
／４Ｌから２／４の領域より僅かに小さくされている。

これは、中性子照射量が第８図の曲線Ｃに示すように前
記下部領域（下端から１／４Ｌ）において隣接する次位
の領域（下端から１／４〜２／４　Ｌ　）よりかなり小
さくなるものの、　中性子増倍率は第７図の曲線Ｂに示
すように比較的大きくなることに対処するためである。

第９図の曲線りは原子炉用制御棒のウィング幅方向の中
性子照射量分布を示す。この曲線りから中性子照射量は
ウィング１６の外側すなわち側縁において急激に高くな
り、内側すなわち中央タイロッド１４側では僅かに高く
なっていることがわかる。

これに対処するためには第１０図に示す曲線Ｅのよ１５
− うに制御棒の反応度効果のウィング幅方向分布を設定す
ればよい。

而して、各分割区分のハフニウム金属板２１の厚さはそ
の区分の中性子照射量分布に応じて設定する。つまり、
第１０図の曲線Ｅに示した反応度効果を持たせるとすれ
ば、ウィング１６の側縁近傍にあるハフニウム金属板２
１の厚さを他部にあるそれの厚さよりも大とすればよい
。なお、この実施例においてはハフニウム金属板２１は
シース１５の内面から浮かして支持され、それ等が大き
な面積で直接に接触することはないから、腐食等の問題
を生じることはない。

〔発明の効果〕

上記から明らかなように本発明の原子炉用制御棒におい
ては、中性子吸収体を構成するハフニウム金属板をスポ
ットスペーサにより間隔を保持して対向させ、しかもそ
れ等の金属板とシース内面との間隔を金属板上の突起に
よって保持させているから、ハフニウム金属板同士の接
触またはハフニウム金属板とシース内面との接触等を生
じる１６− ことはなく、減速材流路の確保は勿論良好になされ、ま
た狭い間隙、広い面積でのハフニウム金属板とシース内
面との接触も完全に防止されるのでこれ等両者の腐食を
生じることもない。

また、中性子吸収体を制御棒軸方向に複数の中性子吸収
要素に分割し、各中性子吸収要素を構成する中性子吸収
材の板の厚さを、その分割区分における中性子照射量に
応じて定めであるだけでなく、幅方向にも分割して各幅
方向分割区分の板厚も分割区分毎の中性子照射量に応じ
て定めであるから、各中性子吸収要素の核的寿命をほぼ
等しくすることができ、放射性廃棄物の量を徒に増大さ
せるおそれはない。

また、上記のように中性子吸収材の板の厚さを定めであ
るので、制御棒の重量を一層軽減することができ、通常
の制御棒用に設計された制御棒駆動機構をそのまま使用
することができる。

さらに、中性子吸収要素を構成する２枚の対向した中性
子吸収材の板の間を冷却材流路としであるため、反応度
が向上されている。この面からも７ ８− 中性子吸収材の量を低減させることができ、制御棒重量
の削減が図られる。

また、中性子吸収材の板の厚さを制御棒軸方向、幅方向
区分の中性子照射量に応じて選定しであるため、高性能
で経済的な制御棒とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の斜視図、第２図はその内部を
模式的に示す正面図、第３図は前記実施例の軸方向反応
度分布を示す線図、第４図は第１図のＩＶ−ＩＶ線にお
ける断面図、第５図は第１図の■−■線における断面図
、第６図は原子炉炉心の炉心軸方向核分裂性核種濃度分
布を示す線図、第７図は炉心軸方向中性子増倍率分布を
示す線図、第８図は炉心軸方向中性子照射量分布を示す
線図、第９図は制御棒ウィング幅方向中性子照射量分布
を示す線図、第１０図は前記ウィング幅方向中性子照射
量分布に対処するために必要なウィングの幅方向反応度
分布を示す線図である。 １０・・・原子炉用制御棒　　１１・・・ハンドル１２
・・・先端構造材 １４・・・中央タイロッド １６・・・ウィング １７・・・長寿命型中性子吸収体 １７ａ〜１７ｄ・・・中性子吸収要素 １８・・・中性子吸収要素支持片 １９・・・スピードリミッタ　２ｏ・・・空隙２１・・
・ハフニウム金属板　２１ａ・・・分割片２１ｂ、　２
１ｃ・・・突起　　　　２２・・・スポットスペーサ２
３、２４・・・空間（減速材流路） ２５・・・減速材流入口 １３・・・末端構造材 １５・・・シース

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 先端構造材および末端構造材を連結する断面十字状の中
   央タイロッドと、この中央タイロッドの各突出脚に深い
   Ｕ字状のシースをその開口部において取り付けて構造し
   たウィングと、各ウィング内に装填した長寿命型中性子
   吸収体とを有し、前記長寿命型中性子吸収体を制御棒軸
   方向およびウィング幅方向に複数の区分に分割し、各区
   分内の中性子吸収要素の中性子吸収特性をその区分にお
   ける中性子照射量に応じて定めたものにおいて、前記各
   区分の中性子吸収要素を構成する対向するハフニウム金
   属板を、十字状断面で対向する脚片を前記シースに貫通
   させたスポットスペーサにより間隔を保持させ、それ等
   ハフニウム金属板と前記シース内面とはハフニウム金属
   板に形成した突起により離間したことを特徴とする原子
   炉用制御棒。