JPH04289490A - 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】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は原子炉用制御棒に関する
。

【０００３】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（Ｂｏｉｌｉｎｇ　Ｗａ
ｔｅｒ　Ｒｅａｃｔｏｒ　：以下ＢＷＲと称す）用制御
棒を例に図２および図３を参照しながら説明する。ＢＷ
Ｒに用いられている制御棒は図２に示したように横断面
が深いＵ字状の制御棒シース１０３　を横断面が十字状
の中央構造材１０６　に放射状に張出し配列して固設し
てなるものである。

【０００４】すなわち、制御棒１００　は中性子の吸収
物質（ポイズン：通常ボロンカーバイドＢ４　Ｃ）を充
填したポイズンチューブ１０５　の１０数本を平板状の
制御棒シース１０３の内部に並べ、中央構造材１０６　
により十字断面に結合し、その上部に先端構造材として
ガイドローラー１０２　付のハンドル１０１　を取付け
、下部に末端構造材として制御棒駆動機構ソケット１１
０　を取付けて形成したものである。この制御棒１００
　は制御棒駆動機構ソケット１１０　の下部に接続する
制御棒駆動装置に接続して、図３に部分的に示した炉心
の燃料集合体１２０　間内部で上下動を行い、炉心の反
応度を制御している。ガイドローラー１０２　は制御棒
１００　が炉心内の４体１組の燃料集合体の間に滑らか
に挿入できるために設けられており、燃料集合体１２０
　に接触すると回転して摩擦を低減する。また、ハンド
ル１０１　は制御棒交換等の場合に掴む部分である。切
離しハンドル１０７　は炉心圧力容器の外部に設置され
ている制御棒駆動機構との切離しを行うために使用され
る。速度リミッター１０９　は万一の制御棒落下時一定
以上の速度で引抜けないように制限する装置である。制
御棒シース１０３　にはポイズンチューブ１０５　を冷
却するために通水孔１０４　が設けられている。なお、
符号１０８　は下部スカートを示している。

【０００５】図３は従来の炉心内における燃料集合体１
２０　と制御棒１００　の配置関係を横断面で示したも
のである。燃料集合体１２０　は燃料棒１２１　を規則
的に配置して、さらに中央に燃料棒より直径の太いウォ
ータロッド１２２　を配置し、チャンネルボックス１２
３　内に格納して形成されている。冷却材の水はチャン
ネルボックス１２３　の内部を燃料棒１２１　を冷却す
るために流されており、チャンネルボックス１２３　の
外側は沸騰しない水が流されており、この空間に制御棒
１００　が挿入されるように燃料集合体１２０　が４体
１組となって炉心に配置されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】近年、ＢＷＲの燃料集
合体には種々の提案がなされ、改良がなされようとして
いる。燃料集合体に含まれるウランの濃縮度を高めて取
出し、燃焼度を高め、使用期間を延長して燃料サイクル
コスト（Ｆｕｅｌ　Ｃｙｃｌｅ　Ｃｏｓｔ　：ＦＣＣ）
を低減させること、また、ウラン燃料再処理の結果生じ
たいろいろな組成のプルトニウム（Ｐｕ）を含んだ混合
酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）を利用する準備も進められて
いる。さらに、従来の燃料集合体のサイズを大型化し、
設計の自由度を広げ、燃料集合体の特性をそれぞれの目
的に応じて最適化する試みも行われている。このような
観点から見てＢＷＲの制御棒を改良する場合に与えられ
る課題は次のようになる。

【０００７】（１）制御能力が高いこと。 （２）使用期間長期にわたって健全であり、制御能力の
低下率が少ないこと（長寿命）。 （３）取扱いが従来のものと同等か、あるいはより容易
であること（例えば、重量の大幅な増加は好ましくない
）。

【０００８】次に上記　（１），　（２），　（３）項
についての課題を説明する。 １．ＢＷＲの燃料集合体の改良では、燃料集合体は従来
例のものよりもさらに高い反応度を有する可能性がある
。これは例えば高燃焼度化に伴って、ウランの濃縮度が
高められた場合である。このような場合は原子炉を安全
に停止させたり、停止し続けるために従来の制御棒より
も制御能力の高い、より負の反応度の大きい制御棒が必
要である。

【０００９】２．制御棒の寿命には２つの意味があり、
１つは原子炉内の厳しい熱的，機械的（冷却水の流れに
よる振動，圧力差による応力等）環境のもとでの材料的
，機械的な健全性を保てる期間としての寿命（機械的寿
命）、もう一つは中性子吸収材の中性子吸収能力を保て
る寿命（核的寿命）がある。

【００１０】（１）項で述べたように、近年ＢＷＲの燃
料集合体の使用期間は延長される傾向にあり、同様に制
御棒の寿命も延長されなければならない。また、燃料集
合体との関係とは別に、長寿命の制御棒を提供すること
は放射性廃棄物量を減らすという面からも重要である。

【００１１】３．　（１）項および　（２）項の内容を
満たす制御棒であっても、それが従来の制御棒と取扱い
の上で大幅に異なる場合は好ましくない。例えば重量が
大幅に増加した場合、制御棒駆動機構をさらに変更しな
ければならず好ましくない。逆に、改良された制御棒が
現在使用されている制御棒と取扱いの上で差がなければ
、現在使用されている制御棒と容易に置き換えることが
でき、大きな利点となる。これをバックフィット可能と
呼んでいる。

【００１２】本発明は上記１から３にわたる課題を解決
するためになされたもので、大反応度，長寿命且つ重量
増加の少ない、つまりバックフィット可能な構造の原子
炉用制御棒を提供することにある。 ［発明の構成］

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は先端構造材と末
端構造材とを中央構造材によって結合し、この中央構造
材に放射状に張出された深いＵ字状断面を有する金属製
シースを固設し、このシース内に中性子吸収材を配置し
た原子炉用制御棒において、前記中性子吸収材は間隙保
持スペーサで保持された対向する一対のＨｆ板と、この
Ｈｆ板と前記シースとの間に配置された略円形の断面を
有する棒状中性子吸収体とで構成されたことを特徴とす
る。

【００１４】

【作用】本発明は原子炉用制御棒として、　（１）反応
度が大きく、　（２）長寿命であり、　（３）バックフ
ィット可能な制御棒を提供するために制御棒のシースの
内部に存在する中性子吸収材としてＨｆを使用し、その
Ｈｆの形状としては板と細径棒、またはＨｆのワイヤを
組合わせて制御材として使用している。Ｈｆを使用する
理由はＨｆには多くの同位体が存在し、中性子を吸収し
ても（ｎ，γ）反応で次の同位体に変化し、中性子を吸
収する能力が継続し、制御棒の核的な長寿命化が図れる
からである。また、Ｈｆの板と板の間には原子炉内の冷
却材が流れ込むような構造にし、Ｈｆの冷却とフラック
ストラップ効果によるＨｆの吸収能力を高める。

【００１５】ここで、フラックストラップ効果について
説明する。原子炉内の核物質（Ｕ，Ｐｕ）の核分裂によ
って放出される中性子は高速中性子であるが、軽水炉で
は冷却材であり、且つ減速材である軽水の水素原子核と
衝突を繰り返し、速度を低下していく。Ｈｆ等の中性子
吸収材では中性子の速度が低下したものの方が吸収しや
すくなるため、ＨｆとＨｆとの間に水（Ｈ２　Ｏ）が存
在すると、そこで中性子の速度が低下するので中性子吸
収能力が高まる。これがフラックストラップ効果である
。

【００１６】現在、このフラックストラップ効果を利用
して設計されたＢＷＲ制御棒について少し説明する。制
御棒シースで形成したブレードの厚みは約８ｍｍであり
、ステンレス鋼によって形成される制御棒シース材の厚
みは１ｍｍ程度で、吸収材であるＨｆの板の厚みは１〜
２ｍｍ程度である。フラックストラップ効果を生じさせ
る２枚のＨｆ板間の水領域の幅は２〜４ｍｍ程度である
。本願発明者らの実験によれば、フラックストラップ効
果は水の幅が増えるに従って増し、少なくとも１０ｍｍ
程度までは水の幅に対して直線的にＨｆの中性子吸収が
増加する。

【００１７】通常、中性子の吸収能力を高めるためには
中性子吸収材の絶対量を増やせばよい。しかしながら、
Ｈｆは比重が１３．１ｇ／ｃｍ３　と大きく、このよう
な重い吸収材の量を増やすことは、すなわち制御棒の重
量を増やすことになり、バックフィット不可能になる恐
れがある。 Ｈｆの板の間に水を取り入れ、あるいはＨｆの板とＨｆ
の細径棒、またはＨｆのワイヤの隙間に水を取り入れる
ことは中性子の吸収能力を増やすばかりでなく、Ｈｆの
量を減らし重量を軽くする点からも望ましい。また、制
御棒のコストを下げる意味からも有用である。

【００１８】

【実施例】本発明に係る原子炉用制御棒の第１から第３
の実施例を図１を参照しながら説明する。図１は本発明
に係る第１から第３の実施例を説明するためのもので、
原子炉用制御棒の要部のみを横断面図で示しており、制
御棒シースの最外部（先端部）とその制御棒シース内部
に組込まれる制御材の部分を拡大した部分図である。

【００１９】本発明が従来例と異なる部分は制御棒シー
スの内部構造にあり、従って図１ではその要部のみを示
し、他の部分は図２および図３と同様であるため省略し
てある。

【００２０】まず、第１の実施例を図１をもとに説明す
る。図中符号１は制御棒シースで、ステンレス鋼によっ
て深いＵ字状断面形に形成されている。２は横断面が十
字状の中央構造材で、連結構造材とかセンタポストと称
されるものである。この中央構造材２に制御棒シース１
が４枚放射状に張出されて十字状に固設されている。制
御棒シース１内には中性子吸収材が配置されている。こ
の中性子吸収材は略十字状の間隙保持用スペーサ３で保
持された対向する一対のＨｆ板４と、このＨｆ板４と制
御棒シース１との間に配置された略円形の断面を有する
棒状中性子吸収体６とからなっている。中性子吸収体６
はＨｆ製細ワイヤまたはＨｆ製細径管等である。Ｈｆ板
４は約１ｍｍから数ｍｍの厚さのもので、制御棒の厚み
に従って最適な値に設定されている。ステンレス鋼のス
ペーサ３は２枚のＨｆ板４，４間の距離を一定に保ち、
且つ荷重を保持するために用いられる。このスペーサ３
はステンレス鋼のシース１と溶接され固定されている。 スペーサ３はＨｆ板４を貫いた形で固定されており、Ｈ
ｆ板４を貫いている部分ではＨｆ板４とステンレス鋼製
スペーサ３には隙間５を設け、Ｈｆ板４とステンレス鋼
の熱膨張の差によって生じる不具合を未然に防いでいる
。第１の通水孔７は制御棒シース１のところどころに設
けられており、この第１の通水孔７で、Ｈｆ板４やＨｆ
の細径棒、Ｈｆのワイヤ等を冷却するための水が流入す
る。 また、第２の通水孔８はＨｆ板４も貫通しており、制御
棒シース１内の水領域９に十分な量の水が入り制御棒シ
ース１内部を十分に冷却することと、Ｈｆ板４の間でフ
ラックストラップ効果を高めることに寄与している。

【００２１】このように構成した制御棒は現在ＢＷＲで
使用されている制御棒に適用することが可能である。ま
た、新しく提案されている大型化した燃料集合体に対応
する厚型制御棒に対して非常に有効である。この厚型制
御棒の厚みは２０ｍｍ程度であり、従来のものの約２倍
である。フラックストラップ効果で説明したようにこの
程度の幅であれば、制御材であるＨｆ板の間の水領域の
幅を増やせば、中性子吸収能力が増すが、それでも設計
で要求される反応度を満たさない場合は、Ｈｆの量を増
やさなければならない。そのような場合、本発明の制御
棒は幾つかの利点を有している。

【００２２】この制御棒において制御材として用いられ
ているＨｆは多くの同位体が存在する。そして、中性子
を吸収しても（ｎ，γ）反応によって他の同位体に変化
し、さらに中性子を吸収するので、核的に寿命の長い制
御棒を得ることができる。また、Ｈｆ板の間の水によっ
てフラックストラップ効果が高まり反応度の大きな制御
棒を得ることができる。

【００２３】上記第１の実施例における効果について説
明する。第１にＨｆ板４とステンレス鋼製制御棒シース
１の間にワイヤ状のＨｆ細径棒６あるいは小径管状のＨ
ｆ細径棒６を使用することによって、Ｈｆ板とステンレ
ス鋼製制御棒シース１の間に水が入り込む隙間が生じ、
Ｈｆ板４の冷却が効果的に行われる。また、Ｈｆ板４に
とってはフラックストラップ効果をもたらすので制御棒
の反応度が増す。さらに、Ｈｆ板４とステンレス鋼は直
接接しておらず、Ｈｆ細径棒６とステンレス鋼の接触面
積は小さいので、Ｈｆとステンレス鋼との２種類の金属
の間で生じる腐食等を軽減できる。また、Ｈｆ細径棒６
を用いることでＨｆの絶対量を減らすことになり、制御
棒の重量を軽くすることが可能で、バックフィット可能
な制御棒を提供できる。このように本実施例に係る制御
棒には幾つかの効果がある。そして、制御棒の厚みが従
来の制御棒よりも厚いタイプの制御棒に使用すれば本実
施例は非常に有効である。

【００２４】次に第２の実施例を図１をもとに説明する
。図１においてＨｆ製細径棒６が、 （ａ）Ｈｆ製中空管 （ｂ）Ｈｆの管内にＢ４　Ｃを充填したもの（ｃ）ステ
ンレス管内にＢ４　Ｃを充填したもの（ｄ）Ｈｆの中実
の細径管と　（ａ），　（ｂ），　（ｃ）の、４種類の
ものを適切に組合わせたもの のいずれかの場合、第１の実施例と同様な効果を得るこ
とができる。例えば、Ｈｆ製細径棒の代りに同径の　（
ｂ）の管を用いれば、Ｈｆの中実管を用いるよりもさら
に重量を軽くし、また、Ｂ４　ＣによってＨｆの中実管
よりさらに中性子吸収能力が高まるので、より一層反応
度の大きい制御棒を製作することが可能である。また、
　（ｃ）の管を用いた場合、　（ｃ）の管はＨｆの中実
管よりも低価格であるので、全体としてより低価格の制
御棒を製作できる。

【００２５】さらに、Ｂ４　Ｃとして１０Ｂの比率を高
めた濃縮Ｂ４　Ｃを用いれば、中性子吸収能力が増し、
制御棒反応度価値をさらに高めることも可能である。ま
た、Ｈｆ製細径棒６を用いた場合、Ｈｆ板４と制御棒シ
ース１の間に直線状に並べて挟むばかりでなく、波状の
形にして数を減らしワイヤ相互間に間隙を設けて挟めば
、Ｈｆワイヤの量を減らしつつ十分な強度を保証でき、
また、本実施例の効果を得ることができる。このことは
、Ｈｆ細径棒６はＨｆワイヤに限ることはなく、例えば
Ｈｆの中空管で行ってもよく、またその形状は波状であ
る必要はなく、制御棒シースとＨｆ板が安定する構造で
、且つ制御棒下部から流れ込む水が滑らかに流れていく
形状であれば任意に選択できる。

【００２６】次に第３の実施例を図１を用いて説明する
。第３の実施例としては制御棒シース１をＨｆ金属、Ｈ
ｆ−Ｚｒ合金またはＨｆ−Ｔｉ合金と置き換えたことに
ある。この第３の実施例によれば第１の実施例と同様な
効果を得ることができる。

【００２７】制御棒シースをＨｆまたはＨｆ−Ｚｒ等の
Ｈｆ合金で置き換えた場合、中性子吸収材の量が増える
ので制御棒の反応度価値は大きくなり、また核的寿命を
延ばすことが可能である。ただし、Ｈｆ金属は比重が１
３．１ｇ／ｃｍ３　と大きいので、比重の小さいＺｒや
Ｔｉ等との合金として比重を小さくするなど適切に用い
る必要はある。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、長寿命であり反応度が
大きく重量の増加を防ぎ、バックフィット可能な制御棒
を提供することができる。従って、ＢＷＲの制御棒の改
良型として適用することが可能であり、さらに将来の厚
型制御棒としてさらに有望である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る原子炉用制御棒の第１から第３の
実施例の要部を示す横断面図。

【図２】ＢＷＲ用制御棒を一部切欠して示す斜視図。

【図３】燃料集合体と制御棒の位置関係を示す横断面図
。

【符号の説明】

１…制御棒シース、２…中央構造材、３…スペーサ、４
…Ｈｆ板、５…Ｈｆ板とスペーサの隙間、６…Ｈｆ細径
棒、７…第１の通水孔、８…第２の通水孔、９…水領域
、　１００…制御棒、　１０１…ハンドル、　１０２…
ガイドローラー、　１０３…制御棒シース、　１０４…
通水孔、　１０５…ポイズンチューブ、　１０６…中央
構造材、　１０７…切り離しハンドル、　１０８…下部
スカート、　１０９…速度リミッター、　１１０…制御
棒駆動装置ソケット、　１２０…燃料集合体、　１２１
…燃料棒、　１２２…ウォータロッド、１２３…チャン
ネルボックス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　先端構造材と末端構造材とを中央構造
   材によって結合し、この中央構造材に放射状に張出され
   た深いＵ字状断面を有する金属製シースを固設し、この
   シース内に中性子吸収材を配置した原子炉用制御棒にお
   いて、前記中性子吸収材は間隙保持スペーサで保持され
   た対向する一対のＨｆ板と、このＨｆ板と前記シースと
   の間に配置された略円形の断面を有する棒状中性子吸収
   体とで構成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。