JPH0458193A - 原子炉制御棒用中性子吸収要素 - 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） 本発明は長寿命型の原子炉用制御棒に用いられる中性子
吸収要素に係り、特に被覆材の内部に充填される中性子
吸収材のスエリングを抑制、もしくはスエリングによる
被覆材の応力発生を抑制した原子炉制御棒用中性子吸収
要素に関する。

（従来の技術） 動力用原子炉に用いられる制御棒は中性子を吸収して次
第に吸収能力が低下するので、一定期間使用された制御
棒は使用済みとして炉心から取り出され、新しい制御棒
と交換される。この交換作業は原子炉を停止して行われ
、大がかりで時間がかかるため原子炉停止期間が長期化
し、原子炉の稼働率向上の妨げとなるとともに、作業者
の放射線被ばくの原因となる。さらに、使用済制御棒は
巨大かつ強い放射性の廃棄物となるため、近年制御棒の
長寿命化の必要性が一段と高まっており、それにつれて
新型の長寿命制御棒がいろいろ開発され、その一部は実
用化されるに至っている。本願発明者はいち早く長寿命
型制御棒の必要性に着目し、各種構成のものを提案して
きたが、特開昭５３−７４Ｂ９７号公報（特公昭５９−
１３８９８７公報）に開示した構成の原子炉用制御棒は
すでに国内外で実用化段階にきている。その制御棒の構
成の基本的な考え方は、中性子照射量が相対的に高い部
分ではボロン化合物を配置せずに、Ｈｆ金属やＡｇ−Ｉ
ｎ−Ｃｄ合金で代表される長寿命型中性子吸収材を配置
することである。このような考えを実施する中性子吸収
棒として、本願発明者は特開昭５７−１７１２９１号公
報（特公平１−４５５９８号公報）にその構成を開示し
た。この中性子吸収棒は細長いステンレス鋼製の被覆管
の内部にボロンカーバイド（Ｂ４　ｃ）粉末とＩｆ’金
属棒あるいはへｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金棒を封入し、両者の
境界にメタルウールを介在させたもので、中性子照射量
が高い制御棒挿入先端側にはＨｆ金属棒またはへｇ−１
ｎ−Ｃｄ合金棒が配置され、照射量があまり高くない反
対の末端側にはＢ、　Ｃ粉末が充填されている。

（発明が解決しようとする課題） このようなボロン化合物とＨｆ金属あるいはＡｇ−Ｉ　
ｎ−Ｃｄ合金棒とを同封する中性子吸収要素では、その
後の研究により、さらに改良の余地が存在することが明
らかになった。それはボロン化合物中のボロンが中性子
と反応して生成されるトリチウム（三重水素、３　Ｔ）
の一部が、同封されているＨｆ金属やＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ
合金の表面に吸収されることにより、中性子吸収材のス
エリングが発生し、被覆管の健全性に支障をきたす可能
性が皆無とはいえないことである。また、被覆管内に製
造時残存していた水分の一部は放射線分解して水素とな
る。さらに、水素はステンレス鋼管を透過することが可
能であり、炉水の放射線分解によって生じた水素が被覆
管内に侵入する可能性も考えられる。これらの水素は前
述のトリチウムと同様にＨｆ’金属やＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ
合金の表面に吸収されてスエリングの原因となることが
考えられる。

本発明はかかる点に対処してなされたもので、上述の長
寿命型の中性子吸収要素において、中性子吸収材のスエ
リングを抑制、もしくは中性子吸収材のスエリングによ
って被覆管に発生する応力を軽減して健全性を確保した
中性子吸収要素を提供することを目的とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明の原子炉制御棒用中性子吸収要素は、被覆管内に
ハフニウム（ＩＩ　ｆ’　）金属または合金あるいは銀
−インジウム−カドミウム（Ａｇ−１ｎ−Ｃｄ　）合金
からなる長寿命型中性子吸収材を、その周囲に間隙、ス
リーブあるいは表面酸化被膜を形成して収納する。

さらに、被覆管内にハフニウム（Ｈｆ’ｌ金属または合
金あるいは銀−インジウム−カドミウム（八ｇ−Ｉｎ−
Ｃｄ）合金からなる長寿命型中性子吸収材およびボロン
化合物を封入したものにおいては、所定領域にあるボロ
ン化合物は、その中にＺｒ粒あるいはＨｆ粉粒からなる
水素吸着材を混入して、および／または非密封性の内管
内に充填して被覆管内に収納する。

（作　用） 長寿命型中性子吸収材のＨ１’金属または合金あるいは
＾ｇ−１ｎ−Ｃｄ合金は、中性子吸収要素製造時に残存
した水分の放射線分解によって生じた水素、被覆管を透
過して内部に侵入した炉水からの水素、ボロン化合物が
同封されている場合には、ボロンと中性子との反応によ
って生成放出されたトリチウムなどを、その表面に吸着
してスエリングを生じる可能性があるが、本発明におい
ては、長寿命型中性子吸収材と被覆管の間に間隙を設け
たり、長寿命型中性子吸収材を純ジルコニウム製、ハフ
ニウム製、チタン製もしくはステンレス製の薄肉のスリ
ーブで包囲したり、あるいは長寿命型中性子吸収材の表
面に酸化被膜を形成して被覆管に収納するので、長寿命
型中性子吸収材のスエリングによる被覆管の応力発生は
かなり抑制される。

すなわち、長寿命型中性子吸収材と被覆管の間に間隙を
設けた場合には、例えスエリングを起しても被覆管に与
える影響は著しく緩和される。また、長寿命型中性子吸
収材の周囲に薄肉のスリーブを形成し、かつそのスリー
ブが純２「、Ｈ「もしくはＴ１製の場合には、スリーブ
が水素ゲッターの作用をし、そのため長寿命型中性子吸
収材自体は水素吸着によるスエリングは抑制される。そ
の代わりスリーブ材はスエリングを生じるが、被覆管内
面とスリーブ外面およびスリーブ内面と長寿命型中性子
吸収材表面との間には必ず若干の間隙があり、これらが
スエリングを受けとめる空間として作用するので、被覆
管への影響は小さい。スリーブ材がステンレス鋼の場合
には、長寿命型中性子吸収材はスエリングを起す可能性
があるが、形成される間隙がスエリングの吸収空間とし
て作用するので、スエリングによる被覆管の応力発生は
かなり軽減される。一方、長寿命型中性子吸収材の表面
に酸化被膜を形成した場合には、酸化被膜が水素吸着の
バリヤとなるため、長寿命型中性子吸収材のスエリング
発生自体が防止される。

さらに、被覆管内に上記長寿命型中性子吸収材とボロン
化合物を同封してなる場合には、中性子照射量が相対的
に高い領域にあるボロン化合物粉末中に水素ゲッターと
して作用する純ｚｒ粒あるいＬｔ　Ｈｆ　粉粒を混入さ
せて、ボロン化合物が中性子照射によって発生するトリ
チウムを純２「粒あるいは［粉粒に吸収させ、外部に放
出させないようにすることによって長寿命型中性子吸収
材のスエリングを抑制することができる。ボロン化合物
もそれ自体が中性子との反応により発生する）Ｈｅガス
によりスエリングを起すが、ボロン化合物の充填密度を
調節して被覆管の応力発生を防ぐことができる。

また、中性子照射量が相対的に高い領域にあるボロン化
合物を純ｚｒ、Ｈｆ’あるいはステンレス鋼製の内管内
に充填する方法をとることもできる。内管が純ｚｒ製の
場合は水素ゲッターおよび応力緩和材として作用し、Ｈ
ｆ製の場合は水素ゲッターおよび応力緩和材の機能の他
に長寿命型中性子吸収材としての機能も有する。ステン
レス鋼製の内管は間隙形成に伴う応力緩和材として作用
するが、この場合にはボロン化合物中に純ｚｒ粒やｌｌ
ｆ’粉粒を混入させる方法も併用することが好ましい。

このようにして、ボロン化合物から放出されるトリチウ
ムを長寿命型中性子吸収材にほとんど拡散しないように
することができる。また、ボロン化合物のＨｅガスによ
るスエリングは内管に吸収され、被覆管に発生する応力
は著しく軽減される。したがって、本発明によれば被覆
管の健全性を著しく向上させることができる。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の各実施例について説明す
る。なお、全図面において共通する部分については同一
符号を付記する。

実施例１ 第１図に本実施例の中性子吸収要素の縦断面を示す。こ
の図のＡ−Ａ％Ｂ−ＢおよびＣ−Ｃにおける横断面をそ
れぞれ第２図ないし第４図に示す。

これらの図において、符号１は中性子吸収材を収容する
被覆管であり、通常ステンレス鋼製であるが、Ｈｆ’金
属製やＨｆとＺｒまたはＨ「とＴＩを主要２元素とする
Ｈｆ合金製も使用される。被覆管１は両端がプラグ２で
密封されている。中性子吸収要素は主として三つの部分
ｘ、ｙＳｚに分けられる。Ｘ部は制御棒に収納されたと
き高い中性子照射を受ける部分であり、ここにはＨｆ金
属、ＨｆとＺｒまたはＴ１からなるｌｌｒ合金、Ａｇ−
Ｉｎ−Ｃｄ合金等の長寿命型中性子吸収材３が配置され
る。本実施例では長寿命型中性子吸収材３の径を被覆管
１の内径より若干小さくし、長寿命型中性子吸収材３の
周囲に純Ｚｒ製、＋１ｆ’製、ＴＩ製もしくはステンレ
ス鋼製の薄肉のスリーブ４を形成したものを被覆管１に
装填している。

Ｙおよび２部には粉末状のボロン化合物５が配置される
が、Ｙ部は比較的中性子照射量が高いため、水素ゲッタ
ーとして作用する純Ｚｒ粒および／またはＨｆ粉粒６が
ボロン化合物中に混入されている。

２部は中性子照射量が低くトリチウム（３Ｔ）の発生率
が低いため、水素ゲッターは含まない。ボロン化合物５
は代表的には８４Ｃが用いられるが、ＥｕＢ６やＢＮな
ども考えられる。ボロン化合物５は中性子との反応によ
りＨｅガスが発生しスエリングを起すため、中性子照射
量によるスエリング量の大きさを見定めた上でボロン化
合物５の充填密度が決定される。Ｘ部の長さは全長の３
７４に及ぶ場合も考えられるが、短い場合には３〜５ａ
ｎ程度にセットされることもある。これはその中性子吸
収要素を収納した制御棒の使用方法に依存するものであ
り、原子炉運転中に炉心に大幅に挿入するような使用方
法では通常全長の２／ｌ程度、運転中に炉心から引抜く
制御棒では通常１５ｃｍ程度とされる。

２部の長さは全長の１／４〜３／４程度であることが多
いが、運転中全引抜とする制御棒では（Ｙ＋Ｚ）の部分
は全長から１５ｃｍを引いた値程度とし、かつＹ部をゼ
ロとすることもできる。

プラグ２と長寿命型中性子吸収材３の間には、Ｈｆ　Ｓ
Ｚ　ｒ　、ステンレス鋼、鉄等の金属製ウール７が充填
される。また、長寿命型中性子吸収材３とボロン化合物
混合層Ｙとの間にも、粉末状ボロン化合物が長寿命型中
性子吸収材３のまわりに混入するのを防ぐ目的で金属製
ウール８を介在させている。この金属製ウール８は基本
的にはプラグ２と長寿命型中性子吸収材３の間の金属製
ウール７と同じでよいが、金属製ウール８の充填層が５
　ｍｍ程度より長くなる場合には、中性子吸収材製のウ
ール例えばＨｆ’ウールなどが好ましい。これは、もし
非吸収材であれば、その部分で中性子束の盛上がりが生
じ、隣接するボロン化合物が局所的に高い中性子照射を
受けるようになり、中性子吸収要素の健全上好ましくな
いからである。一方、金属製ウール７の充填層の長さは
通常５〜ｌｏｗ■程度である。

以上のように構成された中性子吸収要素では、ボロン化
合物が発生するトリチウムをボロン化合物中に混入され
た純Ｚｒ粒やＨｆ’粉粒によって吸収して長寿命型中性
子吸収材に拡散しないようにすることができるとともに
、長寿命型中性子吸収材も水素ゲッターおよび応力緩和
材として作用する純２「、ＨｆおよびＴＩ製のスリーブ
もしくは応力緩和材として作用するステンレス鋼製のス
リーブで包囲されることにより、スエリングによる被覆
管の応力発生は著しく抑制される。

実施例２〜８ 実施例２〜８は実施例１におけるＸ部分の他の例を示す
もので、実施例２〜７に対応して第５図〜第１０図に各
縦断面を示す。

第５図に示す実施例２は、長寿命型中性子吸収材３を被
覆管１の内径より若干細くして長寿命型中性子吸収材３
と被覆管１の間に間隙１０を形成したもので、長寿命型
中性子吸収材３を細径化することによるガタつきを、局
所的に長寿命型中性子吸収材３のところどころに微小な
突出部１１を設けることにより防止している。このよう
に構成することにより、長寿命型中性子吸収材３がスエ
リングを起しても突出部１１は容易につぶれて、被覆管
１に大きな応力を発生させることはない。

第６図に示す実施例３は、実施例２における局所的な突
出部１１の代わりにネジ山伏の突出部１２を長寿命型中
性子吸収材３の表面に形成したものであり、実施例２と
同様な効果を有する。

第７図に示す実施例４は、被覆管１側が局所的に長寿命
型中性子吸収材３に突出して接触するように、デインブ
リング１３が施されたものであり、長寿命型中性子吸収
材３がスエリングを起した場合には、このデインブリン
グ１３が容易に元に戻るように形成されるため、被覆管
１には大きな応力が発生することはない。

第８図に示す実施例５は、長寿命型中性子吸収材３を多
数の短尺物に分割して、各分割片の間に純Ｚｒ粒および
ＩｌｆＨｆ粉粒６ち少なくとも一種を介在させたもので
あり、純Ｚｒ粒やＨｆ粉粒６が水素やトリチウムを吸着
するため、長寿命型中性子吸収材３はほとんどスエリン
グを発生しない。純Ｚｒ粒やＨｆ粉粒６はスエリングを
生ずるが、もともと低密度状態であるため、スエリング
しても同じ間隙の中に存在することができる。したがっ
て、被覆管１には大きな応力は発生しない。

第９図に示す実施例６は、長寿命型中性子吸収材３を縦
に分割して、各長尺の分割片の間隙にスエリングで容易
につぶれる程度の微小突出部１４を局所的に形成したも
のであり、スエリングが発生した場合には微小突出部１
４が順次つぶれて、その間被覆管１には大きな応力が発
生することはなく、応力発生の時期を大幅に遅らせるこ
とができる。

第１０図に示す実施例７は、実施例６と同様に長寿命型
中性子吸収材３を縦に分割し、各長尺の分割片の間隙の
少なくとも一部に純２「製のストリップ１５を介在させ
たものであり、この純Ｚｒ製のストリップ１５が水素を
吸着するため、長寿命型中性子吸収材３はほとんどスエ
リングは生じない。

純２「製のストリップ１５は若干スエリングするが、硬
度が小さいこと、および間隙がスエリングを吸収して、
被覆管１に大きな応力が発生するようなことは少ない。

図には示さないが実施例８は、長寿命型中性子吸収材３
の表面に酸化被膜を形成したものであり、この場合には
酸化被膜が水素吸着を防ぐので、長寿命型中性子吸収材
３のスエリングは発生しない。

実施例９および１０ 実施例９および１０は実施例１におけるＹ部分の他の例
を示すもので、それぞれ第１１図および第１２図にその
縦断面を示す。

第１１図に示す実施例９は、ボロン化合物５を非密封性
の純２「、Ｈｆもしくはステンレス鋼製の内管１６に充
填して被覆管１に収納したものであり、内管１６が純Ｚ
ｒ製の場合には、内管１６は水素ゲッターおよび応力緩
和材として作用し、Ｈｆ製内管１６の場合は水素ゲッタ
ーおよび応力緩和材として作用するとともに中性子吸収
材としても作用する。ステンレス鋼製の内管１６はボロ
ン化合物５のｌｌｅガスによるスエリングに対して間隙
形成による応力緩和材として作用するのみで、この場合
には第１２図に示す実施例１０のように、ボロン化合物
５に水素ゲッターとして働く純Ｚｒ粒や肘粉粒６を混合
したものを内管１６内に充填することが好ましい。この
ようにすることにより、ボロン化合物５が発生するトリ
チウムが長寿命型中性子吸収材３にまで拡散することを
防ぐことができる。

第１３図および第１４図は本発明の原子炉制御棒用中性
子吸収要素を用いた制御棒の実施例を示している。第１
３図の制御棒は深いＵ字状に形成されたシース２０の開
放端がタイロッド２１に固着され、内部空間に本発明の
中性子吸収要素２２が配列されている。この構成のもの
は沸騰水型原子炉の一般的な制御棒として広く知られて
いる。

第１４図の制御棒は最近米国で開発されたもので、特開
平２−２５４８９５号公報に開示されている。第１５図
は第１４図のＤ部を拡大して示したものである。

中性子吸収材充填部２３は円形の断面となっており、外
周部は９０°単位で肉盛りがされておおよそ正方形の外
形に形成されている。その肉盛部２４を相互に溶接して
（溶接部２５）第１４図に示すような第１３図とほぼ同
じ外形を有する制御棒が得られている。ただし、第１３
図と第１４図の顕著な差異は、第１４図ではシース２０
がない点にある。ウィング２６の厚みは同一原子炉に装
荷するためにはほぼ同じでなければならないので、シー
ス２０がない分に見合って中性子吸収材充填部２３の直
径を大きくすることができ、より多くの中性子吸収材を
充填することができる。この結果、原子炉制御棒は反応
度価値が向上し、また核的寿命が向上する。本願発明は
第１図に示すように、円筒状の中性子吸収要素のみでな
く、第１４図および第１５図で示されるほぼ正方形の中
性子吸収要素２２′にも全く同様に実施することができ
る。

本願発明者は特開平２−２９８３号公報において、第１
４図の制御棒に利用することができる内管の構成を開示
した。この開示では内管のプラグに中性子吸収材を用い
て反応度価値の低下を防止するものを示したが、本願で
示す実施例では水素ゲッターとして作用する純Ｚｒスリ
ーブ（内管）を用いる点て異なっている。また、特開平
２−１３８８８号公報に開示されている米国の発明では
類似の内管構成が示されているが、水素ゲッターの思想
はない。

なお、本発明の実施例は原則として沸騰水型原子炉に用
いられる制御棒の中性子吸収要素について説明したが、
本発明の構成はそれに限定されず、加圧水型原子炉に用
いられる制御棒にもそのまま適用することができる。重
水炉や転換炉あるいは高速炉で用いられる制御棒におい
ても、本発明の構成はほぼそのまま適用可能である。

［発明の効果］ 以上の説明かな明らかなように、本発明は被覆管が過度
の応力を受けないよう構成されるので、健全性が著しく
向上した長寿命型中性子吸収要素を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の原子炉制御棒用中性子吸収
要素を示す縦断面図、第２図ないし第４図はそれぞれ第
１図のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ、Ｃ−Ｃの切断面図、第５図ない
し第１０図は第１図のＸ部分の他の実施例を示す縦断面
図、第１１図および第１２図は第１図のＹ部分の他の実
施例を示す縦断面図、第１３図は沸騰水型原子炉の一般
的な制御棒の一部を示す断面図、第１４図は特開平２−
２５４８９５号公報に記載の沸騰水型原子炉用制御棒の
一部を示す断面図、第１５図は第１４図のＤ部を拡大し
てして示す断面図である。 トリップ、１６・・・内管、２０・・・シース、２１・
・・タイロッド、２２．２２′・・・中性子吸収要素、
２３・・・中性子吸収材充填部、２４・・・肉盛部、２
５・・・溶接部、２６・・・ウィング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ハフニウム（Ｈｆ）金属または合金あるいは銀−
   インジウム−カドミウム（Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ）合金から
   なる長寿命型中性子吸収材を、該長寿命型中性子吸収材
   の周囲に間隙、スリーブまたは表面酸化被膜を形成して
   被覆管内に封入したことを特徴とする原子炉制御棒用中
   性子吸収要素。
2. （２）被覆管内にＨｆ金属または合金もしくはＡｇ−Ｉ
   ｎ−Ｃｄ合金からなる長寿命型中性子吸収材およびボロ
   ン化合物を封入した原子炉制御棒用中性子吸収要素にお
   いて、所定領域にある前記ボロン化合物は、ジルコニウ
   ム（Ｚｒ）粒あるいはＨｆ粉粒からなる水素吸着材が混
   入されて、および／または非密封性の内管内に充填され
   て前記被覆管内に収納される請求項１記載の原子炉制御
   棒用中性子吸収要素。