JPH0584876B2 - - Google Patents

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、高速増殖炉の制御棒集合体を構成す
る制御棒に係り、特に中性子吸収材、例えばB₄
Ｃからなるペレツトの照射スエリング対策（ACI
防止、Absorbermaterial Clad Interaction）の
１つとして、制御要素の被覆管と上記ペレツトと
の間の隙間を拡大させる際、該隙間の拡大に伴う
不具合を解消し、寿命の延長を図ることを可能と
するものに関する。

（従来の技術） 第４図乃至第６図を参照して従来例を説明す
る。第４図は制御棒集合体の断面図であり、図中
符号１は、制御棒案内管である。この制御棒案内
管１内には制御棒２が装荷されている。この制御
棒２は内部に複数本の制御棒要素３を内蔵してい
る。

上記制御棒要素３は第５図に示すような構成と
なつている。図中符号４は被覆管であり、この被
覆管４の上部及び下部には上部端栓５及び下部端
栓６が夫々形成されている。上記被覆管４内に
は、中性子吸収材としてのB₄Ｃを充填したペレ
ツト７が複数積層された状態で収容されている。
最上位に位置するペレツト７の上面にはスペーサ
８が載置され、このスペーサ８の上方にはペレツ
ト押え用スプリング９が装着されている。このペ
レツト押え用スプリング９により、上記複数のペ
レツト７を固定し、原子炉緊急停止時（スクラ
ム）あるいは輸送時におけるペレツト７の移動を
防止している。尚、図中符号１０は被覆管４とペ
レツト７との間に形成された隙間であり、又符号
１１はガス空間である。

上記構成にあつては、運転中、ペレツト７及び
被覆管４は中性子の照射それによる｛ｎ→α
（He）｝反応により、軸方向及び径方向に膨張す
る（中性子照射による体積膨張、以下スエリング
現象）。但し、そのスエリング率は、中性子吸収
材７の方が被覆管４より大きくなつている。そし
て、ペレツト７の軸方向への膨張は、上記ペレツ
ト押え用スプリング９により吸収するとともに、
ペレツト７の径方向への膨張については、被覆管
４とペレツト７との間に予め隙間１０を形成して
おくことにより吸収する。そして径方向について
は、ペレツト７が被覆管４に内側から接触して、
さらに膨張していく。それによつて被覆管４には
塑性歪みが与えられ、結局この塑性歪みに対する
制御値より制御棒要素３の寿命が決定される。

ところで、制御棒集合体は経済性の観点からそ
の長寿命化が要求され、その為、被覆管４と中性
子吸収材からなるペレツト７との間の隙間１０を
広くすることが要求されている。因みに、現状で
は、0.5mm〜1.0mm程度であり、これをさらに拡大
しようとするものである。またペレツト７は前述
した｛ｎ→α（He）｝反応によりHeガスを放出す
るとともに、自ら発熱するために、その熱応力に
よりペレツト７内で割れが発生することがある。

このように、ペレツト７の照射スエリング対策
の１つとして、ペレツト７と被覆管４との間の隙
間１０を拡大せんとする要求があるが、かかる隙
間１０の拡大には次のような問題がある。

まず、被覆管４とペレツト７との隙間１０を
拡大することにより、隙間１０における熱抵抗
が増大し（ギヤツプコンダクタンスの悪化と称
されている。）、それによつて被覆管４の外側を
流通する冷却材による冷却効果が低下して、ペ
レツト７の中心温度が高くなつてしまう。それ
によつて、前述した割れの発生が懸念される。
それとともに、ペレツト７が高温（約2400℃）
になるとペレツトが溶融することも予想され
る。

次に、隙間１０の拡大により、ペレツト７の
径方向へのばらつきが大きくなり、その結果、
発熱分布のばらつき、あるいは、部分的な高
温／低温部の集中が発生したり、中性子吸収の
分布にもばらつきが発生してしまう｛Hot
spot Factor（確立統計論上の誤差幅）の増加
と称されている｝。

さらに、第６図に示すように、ペレツト７の
発熱による熱応力により割れが発生した場合、
ペレツト７の破片７ａが隙間１０を介して落下
して、被覆管４とペレツト７との間に挟まつて
しまうことが予想される。このような状態で、
ペレツト７のスエリングが更に進行すると、上
記破片７ａ小片が被覆管４を局部的に押圧し
て、被覆管４の局部変形を誘発し、最悪の場合
には被覆管４が破損する恐れがあつた。

（発明が解決しようとする問題点） このように、被覆管とペレツトとの間の隙間の
拡大により、種々の問題が発生し結局寿命の延長
を図ることができないという問題があり、本発明
はこのような点に基づいてなされたものでその目
的とするところは、上述した各種問題を解決し
て、被覆管とペレツトとの隙間の拡大、それによ
る長寿命化を可能とする制御棒を提供することに
ある。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） すなわち、本発明は、中性子吸収材からなる複
数個のペレツトを金属製の被覆管内に積み重ねて
収容し、前記被覆管の両端を上部端栓及び下部端
栓で封止するとともに前記上部端栓と前記ペレツ
トとの間にペレツト押えバネを配設してなる制御
棒において、前記被覆管内に液体金属を充填する
とともに、前記被覆管とペレツトとの間に金属弾
性体を前記ペレツトの全周に亘つて配置したこと
を特徴とするものである。

（作用） つまり、本発明においては被覆管とペレツトと
の間に金属弾性体をペレツトの全周に亘つて配置
することにより、金属弾性体の弾性力によりペレ
ツトが被覆管の中心位置に保持されるので、ペレ
ツトの発熱分布のばらつきを防止することができ
るとともに、ペレツトの破片が被覆管の下部に落
下するのを防止することができる。また、本発明
においては被覆管内に液体金属を充填することに
より、被覆管内の液体金属が被覆管とペレツトと
の間に入り込むので、ギヤツプコンダクタンスを
悪化させることなく被覆管とペレツトとの間の間
隙を拡げることができる。

（実施例） 以下第１図及び第２図を参照して本発明の第１
の実施例を説明する。第１図は本実施例による制
御棒の構成を示す縦断面図であり、図中符号１０
１は被覆管である。この被覆管１０１の上部開口
は上部端栓１０２により閉塞されており、また下
部開口は下部端栓１０３により閉塞されている。
上記被覆管１０１内には中性子吸収材であるB₄
Ｃを充填した複数のペレツト１０４が積層された
状態で装荷されており、最上位に位置するペレツ
ト１０４の上方にはスペーサ１０５を介してペレ
ツト押え用スプリング１０６が装着されている。

上記ペレツト１０４と被覆管１０１との間の環
状の隙間１１１には、金属弾性体１０７が装着さ
れている。この金属弾性体１０７はオーステナイ
ト系ステンレス鋼製で、フアイバーメツシユ状を
なしている。このような金属弾性体１０７を配置
することによりペレツト１０４を中心位置に保持
するとともに、万一破損した場合にもその破片の
落下を防止するものである。

又、上記被覆管１０１内には液体金属ナトリウ
ム１０８が充填されている。図中符号１０９はそ
の液面である。尚、図中符号１１０はペレツト１
０４の上方に形成されたプレナムである。

以上の構成を基にその作用を説明する。

まず液体金属ナトリウム１０８による冷却効果
から説明する。通常ペレツト１０４は、照射によ
る（ｎ−α）反応でHeガスを放出するとともに
発熱する。よつて、従来の場合には、ペレツト１
０４と被覆管１０１との隙間１１１にはHeガス
が充満していた。本実施例の場合には放出された
Heガスは液体金属ナトリウム１０８との密度差
により上方のプレナム１１０内に押しやられる。
したがつてペレツト１０４と被覆管１０１との隙
間１１１には液体金属ナトリウム１０８が介在す
ることとなる。

ところで、ペレツト１０４の中心温度は被覆管
１０１の外側を流通する冷却材からペレツト１０
４の中心までの熱通過率、具体的にはペレツト１
０４及び被覆管１０１の熱伝導率、及び隙間１１
１の熱伝導率により決定される。本実施例の場合
には、隙間１１１を従来より拡大している分だけ
熱抵抗が増大しており、よつて従来隙間１１１に
Heガスが充満していたのに対して、これを液体
金属ナトリウム１０８に置換したことにより、上
記熱抵抗の増大をそのように解消したかが問題と
なる。

以下説明すると、液体金属ナトリウム１０８は
Heガスに比べて100倍以上の熱伝導率を有する。
すなわち、Heガスの熱伝導率λは0.14kcal／mh
℃at100℃であり、これに対して液体金属ナトリ
ウム１０８の熱伝導率λは60kcal／mh℃at450℃
であり、略100倍以上である。したがつて隙間１
１１を従来の２〜３倍とすることによる熱抵抗の
増大よりも上記液体金属ナトリウム１０８による
熱伝導率の向上の方がはるかに大きく、よつて隙
間１１１を拡大しても熱伝逹性能は低下すること
はなく、むしろ向上するものである。

次に、金属弾性体１０７の作用について説明す
る。まず金属弾性体１０７を配置することによ
り、ペレツト１０４は単に被覆管１０１内に装荷
されているだけではなく、上記金属弾性体１０７
により中心位置に保持されている。したがつて、
発熱分布のばらつき、高温／低温部の局部的集
中、及び中性子吸収分布のばらつきといつた問題
を効果的に解消することができる。

次にペレツト１０４が万一破損したような場合
を説明する。まずペレツト１０４は被覆管１０１
あるいは金属弾性体１０７よりスエリング速度が
速いので、ペレツト１０４は金属弾性体１０７を
押広げようとする。その際金属弾性体１０７は延
性材料であるとともに、メツシユ状になつている
ので、ペレツト１０４により容易に圧縮される。
そして、ペレツト１０４の破片１０４ａは、第２
図に示すように落下することはない。よつて、ペ
レツト１０４は略元の形状を維持した状態でスエ
リングしていく。そして、ペレツト１０４はその
寿命末期に被覆管１０１の内径近傍位置まで略円
筒形を保ちながら膨張していく。

以上本実施例によると以下のような効果を奏す
ることができる。

まず、ペレツト１０４と被覆管１０１との間
に液体金属ナトリウム１０８を充填しているの
で、ペレツト１０４から放出されるHeガスは
上記液体金属ナトリウム１０８により上方のプ
レナム１１０内に押しやられる。したがつて従
来Heガスが充満していた部分が液体金属ナト
リウム１０８に置換され、この液体金属ナトリ
ウム１０８はHeガスに比べて熱伝導率が大幅
に高いので、被覆管１０１の外側を流通する冷
却材による冷却効果が大幅に向上する。したが
つて制御棒の寿命延長の為の被覆管１０１とペ
レツト１０４との間の隙間１１１の拡張を図つ
ても何等問題はない。

次に、ペレツト１０４及び被覆管１０１との
隙間１１１に金属弾性体１０７を配置している
ので、ペレツト１０４を常に中心位置に保持す
ることができる。よつて、温度高低の局部的集
中、発熱分布のばらつき、及び中性子吸収分布
のばらつきを防止することができる。また、万
一ペレツト１０４が破損するような場合があつ
ても、金属弾性体１０７によりペレツト１０４
が略そのままの形状を維持した状態で膨張して
いく。したがつて、破片１０４ａが落下するこ
ともなく、落下による二次災害も確実に防止さ
れる。

尚、本発明は前記一実施例に限定されるもので
はなく、例えば金属弾性体のメツシユの大きさ、
あるいは充填量の粗密を、中性子照射量の分布に
対応させて変化させる構成でもよい。

また、第３図に示すように、金属弾性体１０７
を薄板のベローズ状のものにしてもよい。また、
図には示していないが、円筒状の穴あき薄肉パイ
プ、あるいは螺旋状の板を使用して構成してもよ
く、前記実施例と同様の効果を奏することができ
る。

さらに金属弾性体及び液体金属のいずれか一方
のみを配置したものも本発明の範囲であることは
もとよりである。

［発明の効果］ 以上詳述したように、本発明による制御棒集合
体によると、制御棒集合体の寿命延長の為に被覆
管とペレツトとの間の隙間を拡張することにより
発生する問題を効果的に解消することができ、よ
つて何等不具合を発生させることなく隙間を拡大
して制御棒集合体の寿命の延長を図ることができ
る等その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示す図
で、第１図は制御棒要素の縦断面図、第２図は金
属弾性体の作用を説明する制御棒要素の一部縦断
面図、第３図は別の実施例を示す制御棒要素の縦
断面図、第４図乃至第６図は従来例の説明に使用
した図で、第４図は制御棒集合体の縦断面図、第
５図は制御棒要素の縦断面図、第６図は破片の落
下を示す縦断面図である。 １０１……被覆管、１０２……上部端栓、１０
３……下部端栓、１０４……ペレツト、１０５…
…スペーサ、１０６……ペレツト押えスプリン
グ、１０７……金属弾性体、１０８……液体金属
ナトリウム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 中性子吸収材からなる複数個のペレツトを金
   属製の被覆管内に積み重ねて収容し、前記被覆管
   の両端を上部端栓及び下部端栓で封止するととも
   に前記上部端栓と前記ペレツトとの間にペレツト
   押えバネを配設してなる制御棒において、前記被
   覆管内に液体金属を充填するとともに、前記被覆
   管とペレツトとの間に金属弾性体を前記ペレツト
   の全周に亘つて配置したことを特徴とする制御
   棒。