JPH04177198A - 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） この発明は、沸騰水型原子炉等において原子炉出力分布
制御および反応度制御に用いられる原子炉用制御棒に係
り、制御用ブレードを備えた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） 従来の一般的な沸騰水型原子炉の原子炉用制御棒は第３
図ないし第５図に示すように構成される。この原子炉用
制御棒１は、その長さ方向両端部を除く中間主体部２が
４枚のブレード３を図示しない中央タイロッドに一体あ
るいは一体的に組み合せて横断面十字形に構成している
。ブレード３は長方形をなす細長いさや形（Ｕ字状）を
なし、各ブレード３の長縁辺が中央タイロッド（図示せ
ず）に溶接され一体化している。

原子炉用制御棒の各ブレード３には、冷却材をブレード
３内に案内するため、多数の冷却孔４が設けられている
。また、ブレード３内には、その長さ方向軸線に平行に
、多数本の細長い中性子吸収棒５が列状に収容され、各
中性子吸収棒５はその外周をブレード３の内壁に接する
形で挿入されている。中性子吸収棒５の被覆管６は、例
えばステンレス鋼製で、この被覆管６内は、複数個のス
テンレス鋼球７により複数に区画され、各区画内にボロ
ンカーバイド粉末８が夫々充填される。さらに、中性子
吸収棒５の被覆管６端部には、上部および下部端栓９が
溶接されて密封構造に構成される。

ステンレス鋼球７は、被覆管６をステンレス鋼球７の上
下近傍で凹設することにより、所定位置に位置決めされ
、被覆管６内でのボロンカーバイド粉末８の移動が止め
られる。原子炉用制御棒１は、核分裂により生ずる中性
子を中性子吸収棒５で吸収して原子炉の出力を制御する
ものである。

また、特開昭６０−２２０８９３号公報には、中性子吸
収部の一部または全部を中性子吸収板で構成した原子炉
用制御棒が開示されており、この制御棒は、少なくとも
２種類以上の中性子吸収材を平板・多層に重ね合わせて
構成した中性子吸収板が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来の原子炉用制御棒においては、制御
棒１が原子炉炉心内に挿入されて中性子照射を受けると
、中性子吸収棒５中のボロンカーバイド粉末８が中性子
を吸収して熱膨張し、被覆管６を押し拡げてスエリング
させ、これにより被覆管６に局所的な応力を発生させる
。この中性子照射を受けて脆くなっている被覆管６は、
局所的な応力を受けて応力腐蝕割れを生じ、中性子吸収
棒５中のボロンカーバイド粉末８が、被覆管６から漏出
してブレード３の冷却水中に飛散し、制御棒１自体の機
能が低下するおそれがあった。

また、特開昭６０−２２０８９３号公報に記載のように
、ブレードに平板状の中性子吸収材を多層に重ねた中性
子吸収板を使用しても、熱膨脹係数や熱伝導度の違いに
よりブレードが曲りたり、剥がれたりして制御棒自体の
機能が低下するおそれがあると考えられる。

この発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、
原子炉炉心に挿入されて中性子照射を受は続けても、機
械的健全性が保持され、中性子吸収能力を長期間にわた
り維持することができ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） 上記目的を達成するため、本発明に係る原子炉用制御棒
は、４枚のブレードを十字形に組み合せて一体化した原
子炉用制御棒において、ホウ素スポンジを分散した中性
子吸収材をブレード内側に配置するとともに、この中性
子吸収材と耐食性に優れたブレード外側の最外層材との
間に、強度、靭性および中性子吸収能力を有し熱伝導率
および熱膨脹係数を傾斜的に変化させた複数の傾斜機能
材を中間層として配置して一体あるいは一体的なブレー
ドを構成したものである。

また、原子炉用制御棒の製造方法は、上述した目的を達
成するために、必要量のホウ素スポンジを分散した中性
子吸収材に、強度、靭性および中性子吸収能力を有し原
子炉制御能力に合せて傾斜機能材を所要の組合せでブレ
ード幅方向に重ね合せ、圧延率約２０〜３０％で圧延し
た後、約１０００〜１５００℃で約１〜２時間加熱して
熱拡散接合し、さらに最外層材を圧延率約１０〜２０％
で圧延した後、約４００〜９００℃で約３０〜６０分加
熱して熱拡散接合してブレードを製造する方法である。

（作用） 上記のように構成した本発明によれば、ブレードに中性
子吸収棒をなくすことができ、これによって、ボロンカ
ーバイド粉末の熱膨張とスエリングよる応力を受けて被
覆管に発生する応力腐蝕割れ等による破損を防止でき、
中性子吸収棒中のボロンカーバイド粉末が被覆管から外
部に飛散することを防ぐことができ、制御棒自体の機能
を長期間にわたり有効に維持できる。

しかも、この原子炉用制御棒はブレードの中間層に熱伝
導度および熱膨脹係数を傾斜的に変化させた傾斜機能材
を配置することにより使用中にブレードが曲りたり、剥
がれたり又は脹らんだりしてしまうことを防止でき、さ
らに、ホウ素スポンジを使用した中性子吸収材によって
、ホウ素が中性子と核反応して発生するヘリウムやトリ
チウムを吸収して他に悪い影響を与えることを防止する
ことができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図を参照して説明する。な
お、本発明の原子炉用制御棒は、中性子吸収棒を除く他
の構成部分が、第３図ないし第５図に示す従来の原子炉
用制御棒と実質的に同様であるので、説明を省略する。

中性子吸収要素となる原子炉用制御棒のブレード１０に
は、原子炉冷却水に接するブレード１０の外側に最外層
材１１として耐食性１２優れたジルコニウム合金が使用
されている。一方、原子炉用制御棒の中心側、すなわち
ブレード１０の内側には中性子吸収材１２が配置される
。この中性子吸収材１２はチタニウムに真空炉で約１５
０℃、約３０〜６０分乾燥したホウ素スポンジを分散配
置したものが用いられる。真空炉はホウ素が中性子を吸
収して放出するヘリウムとトリチウムを吸着・貯蔵する
ようになっている。そして、前記最外層材１１とブレー
ド１０内側の中性子吸収材１２との間には、強度・靭性
および中性子吸収能力を有し、熱伝導度および熱膨脹係
数を傾斜的に変化させたチタニウム・ホウ素合金の複数
の傾斜機能材１３〜１８が中間層としてブレード幅方向
に順次介装されてブレード１０が構成される。

前記中性子吸収材１２と傾斜機能材１３〜１８との各接
合は、例えば中性子吸収材１２と傾斜機能材１８、さら
に傾斜機能材１８．　１７．　１６゜１５．１４．１３
同士を重ね合せて圧延率約２０〜３０％で圧延し、さら
に約１０００〜１５００℃の雰囲気の真空炉で約１〜２
時間加熱する熱拡散接合によって行われる。中性子吸収
材１２と傾斜機能材１３〜１８を熱拡散接合したものと
最外層材１１との接合は、例えばブレード外側の傾斜機
能材１３と最外層材１１とを重ね合せて圧延率約１０〜
２０％で圧延し、さらに約４００〜９００℃の雰囲気の
原子炉で約３０〜６０％分間加熱する熱拡散接合によっ
て行われる。

このように、熱伝導率および熱膨脹係数を傾斜的に変え
た傾斜機能材１３〜１８を中間層として構成したブレー
ド１０は、使用中の発熱やスエリングにより曲ったり、
剥がれたり、膨張するのを有効的にしかも確実に防止で
きる。また、従来のものより中性子吸収材を多く添加で
きるので、原子炉用制御棒としての制御能力を向上させ
ることができる。

なお、原子炉用制御棒は、上記のようにして構成したブ
レード１０を４枚用意し、これらを例えば中央タイロッ
ドに十字形に突き合せて溶接して一体化させることによ
り構成される。

ここに、最外層材１１としてのジルコニウム合金は、耐
腐蝕性に優れ、傾斜機能材１３〜１８を原子炉冷却水か
ら守る役割をする。また傾斜機能材１３〜１８としてチ
タニウムを使用することにより、中性子吸収能力が最も
優れたホウ素に靭性を持たせた構造強度を向上させるこ
とができるとともに、中性子吸収能力の向上および制御
棒の軽量化を図ることができる。さらに、中性子吸収材
１２にホウ素スポンジを使用することにより、ホウ素が
中性子と核反応して発生するヘリウムやトリチウムを吸
収して他に悪い影響を与えることを防止することができ
る。

この実施例によれば、従来の原子炉用制御棒のようにＵ
字状のブレード内に中性子吸収棒５を配置する必要がな
く、ブレード１０は中性子吸収棒５を不要な構造に構成
することができる。このため、従来例のように、原子炉
炉心に挿入されて中性子照射を受は続けても、中性子照
射により中性子吸収棒５中のボロンカーバイド粉末８が
、熱膨脹やスエリングして被覆管６を押し拡げ、被覆管
６に応力を生じさせたり、また、中性子照射を受けて脆
くなっている被覆管６に局所的な応力が作用して応力腐
蝕割れを生じさせたり、さらに、中性子吸収棒５中のボ
ロンカーバイト粉末８が、被覆管６の破損により外部に
漏出するのを有効的に防止でき、原子炉用制御棒１自体
の制御機能が損われるのを確実に防止できる。

この原子炉用制御棒においては、ブレード１０が長方形
に形成されているが、円柱形の制御棒を使用している原
子炉の制御棒のブレードとしても適用できることは勿論
である。

また、最外層材１１として、耐食性の優れたジルコニウ
ム合金の他に、軽量なチタニウム合金やジルコニウム・
ハフニウム・ホウ素合金およびジルコニウム・ハフニウ
ム合金等を使用することもできる。

さらに、中性子吸収材１２として、ジルコニウム・ハフ
ニウム合金板に溝を付け、この溝にホウ素スポンジを充
填したものや、ハフニウムにホウ素スポンジを分散した
ものを使用しても良い。

また、傾斜機能材１３〜１８として、ジルコニウム・チ
タニウム合金の他に、ジルコニウム・チタニウム・ホウ
素合金、ジルコニウム・ハフニウム・ホウ素合金、ジル
コニウム拳ホウ素合金、ジルコニウム・ハフニウム合金
およびハフニウム・ホウ素合金を用いてもよく、各合金
は原子炉用制御棒の中性子吸収能力と発熱特性に合せて
それぞれの合金の組成を変えたり、あるいは各合金を組
合わせたものを使用することもできる。さらに濃縮ホウ
素（ＢＩＯ）を使用しても良い。

なお、第３図乃至第５図に示す従来の原子炉用制御棒を
使用した場合には、第２図の実線Ａで示すように、原子
炉軸方向の炉出力分布が原子炉用制御棒の長さ方向上部
で急激に変化してしまう箇所が生じるが、本実施例にお
けるブレード１０の傾斜機能材１３〜１８に軸方向に傾
斜を持たせて制御棒を構成することにより、第２図の破
線Ｂで示すように、原子炉の軸方向の出力分布を平坦化
させることができる。

〔発明の効果〕

この発明は上記のような構成であるので、中性子吸収棒
を使用することなく原子炉用制御棒のブレードを構成す
ることができ、これによって中性子吸収棒の破損問題を
なくして制御棒自体の機能が損われるという問題を解消
できる。

しかも、原子炉用制御棒はブレード外側の最外層材とブ
レード内側の中性子吸収材との間に傾斜機能材をブレー
ド幅方向に順次介装して一体あるいは一体的に結合した
ブレードを構成したので、ブレードが使用中に曲りたり
、剥がれたりまたは脹らんだりしてしまうことを防止す
ることができる。さらにホウ素スポンジを使用した中性
子吸収材によって、ホウ素が中性子と核反応して発生す
るヘリウムやトリチウムを吸収して他に悪い影響を与え
ることを防止することができる。

また、中性子吸収能力の優れているホウ素を中性子吸収
材に採用することにより、制御棒の寿命を充分に維持す
ることができるとともに、制御棒の制御能力をハフニウ
ム制御棒より大きくすることができる。

さらに、傾斜機能材にチタンを採用することにより、原
子炉用制御棒の重さをハフニウムより軽くすることがで
きるといった効果がある。

【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す
ブレードの要部拡大図、第２図は従来例と本実施例にお
ける制御棒長さ位置（炉心の高さ方向）に対する中性子
束の分布状態を示す図、第３図は従来の原子炉用制御棒
を示す斜視図、第４図は第３図に示す原子炉用制御棒の
上部を拡大して示す一部切断の正面図、第５図は中性子
吸収棒の拡大縦断面図である。 １０・・・ブレード、１１・・・最外層材、１２・・・
中性子吸収材、１３〜１８・・・傾斜機能材。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久；玩ミ　〜匈１
４ｃ（ンν〜く℃）￥２５−８−艶卑咲　　　　　ト

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、４枚のブレードを十字形に組み合せて一体化した原
   子炉用制御棒において、ホウ素スポンジを分散した中性
   子吸収材をブレード内側に配置するとともに、この中性
   子吸収材と耐食性に優れたブレード外側の最外層材との
   間に、強度、靭性および中性子吸収能力を有し熱伝導率
   および熱膨脹係数を傾斜的に変化させた複数の傾斜機能
   材を中間層として配置して一体あるいは一体的なブレー
   ドを構成したことを特徴とする原子炉用制御棒。 ２、必要量のホウ素スポンジを分散した中性子吸収材に
   、強度、靭性および中性子吸収能力を有し原子炉制御能
   力に合せて傾斜機能材を所要の組合せでブレード幅方向
   に重ね合せ、圧延率約２０〜３０％で圧延した後、約１
   ０００〜１５００℃で約１〜２時間加熱して熱拡散接合
   し、さらに最外層材を圧延率約１０〜２０％で圧延した
   後、約４００〜９００℃で約３０〜６０分加熱して熱拡
   散接合し、ブレードを製造することを特徴とする原子炉
   用制御棒の製造方法。