JPH0640144B2 - 燃料集合体の異種中性子吸収材制御棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 この発明は一般に原子炉に関し、特に、原子炉停止の際
に核燃料集合体で用いる改良された制御棒に関するもの
である。

先行技術の説明 典型的な原子炉において、炉心は多数の燃料集合体を備
えており、各燃料集合体は上部および下部ノズルから構
成され、両ノズルの間で延びる複数の横方向に互いに隔
てられた細長い案内シンブルと、該案内シンブルに沿っ
て軸線方向に互いに隔てられた複数の横向きの格子とを
有している。また、各燃料集合体は、互いに横方向に隔
てられ且つ案内シンブルから横方向に隔てられて上部と
下部ノズル間で格子によって支持された複数の細長い燃
料要素、即ち燃料棒から成っている。燃料棒は、それぞ
れ、核分裂性物質を収容しており、高核分裂率を維持
し、もって熱の形で多量のエネルギの放出を維持するの
に十分な中性子束を炉心内に発生させるように、組織化
された配列で互いに集群化されている。炉心に発生され
る熱の幾らかを抜き出して有用な仕事を行わせるため
に、液状の冷却材が炉心を通って上方にポンプで送られ
る。

炉心での発熱率は核分裂率に比例し、核分裂率はまた炉
心内の中性子束により決定されるので、原子炉の始動
時、運転中および停止時での発熱の制御は中性子束を変
えることによって達成される。一般に、これは、中性子
吸収材を収容している制御棒を用いて過剰中性子を吸収
することによって行っている。また、案内シンブルは、
燃料集合体の構造要素であることに加えて、炉心内で中
性子吸収材制御棒を挿入するための通路を提供してい
る。中性子束のレベル、即ち炉心の熱出力は、通常、案
内シンブルに対する制御棒の挿入・引抜きによって規制
される。先行技術の代表的なものは、バスバイ(Busby)
等による米国特許（第3,088,898号）、ヒッチコック(Hi
tchock)の米国特許（第3,230,147号および第3,255,086
号）、アイク(Eich)の米国特許（第3,485,717号）、フ
レンチ(French)等の米国特許（第3,519,535号）、シャ
バート(Schabert)等の米国特許（第3,734,825号）、ラ
ドコスキー(Radkowsky)等の米国特許（第4,123,328
号）、ベビラッカー(Bevilacqua)の米国特許（第4,169,
759号）およびアンソニー(Anthony)等の米国特許（第4,
172,762号）明細書に開示されている制御棒とその装置
である。

燃料集合体と関連して制御棒を用いている一般的な装置
は、本願出願人に譲渡されたヒル(Hill)による米国特許
第4,326,919号明細書に示されている。この特許明細書
は、スパイダ組立体により上端で支持された制御棒の配
列を示している。また、スパイダ組立体は、燃料集合体
における中空の案内シンブルに対して制御棒を垂直方向
に上下して挿入・引抜き（ステップ動作として述べられ
ている）を行う制御棒駆動機構に連結されている。この
ような装置において用いられる典型的な構成の制御棒
は、内部に配置された中性子吸収材と、この中性子吸収
材を密封するために両端に設けられた端栓とを有する細
長い金属製の被覆管の形をとっている。一般に、中性子
吸収材は大きな中性子吸収断面積を有するものであり、
例えば、ホウ素カーバイド、タンタル、銀−インジウム
−カドミウムの化合物、その他多くの従来周知の物質が
ある。この物質は、通常、密に装填されたセラミックま
たは金属製のペレットの積重体の形をとっており、ペレ
ットは、部分的に管を占めているだけであって、ペレッ
トの上部と上部端栓との間に、制御操作中に発生される
ガスを蓄積するためのプレナムチェンバを画成するボイ
ド空間、即ち軸線方向の間隙を残している。コイルばね
がこのプレナムチェンバに配置され、制御棒のステップ
動作中でもペレット積重体を密に装填された配列に維持
するように、上部端栓と上部ペレットとの間を圧縮状態
に保持する。

原子炉の寿命末期（「ＥＯＬ」と称する）および温態ゼ
ロ出力（「ＨＺＰ」と称する）の炉心状態において、炉
心上部への出力（中性子束）分布の逆移動が一般に生じ
る。例えば、典型的な加圧水型原子炉における軸方向の
中性子束不均衡（「ＡＦＩ」と称する）は約50乃至60％
である。このような極度のＡＦＩの場合に、原子炉設計
者が利用可能な制御棒価値に関する反応度ペナルティー
によって事故解析を行う際に明らかにしなければならな
い重要な反応度再分布がある。反応度再分布係数（「RR
F」と称する）として一般に知られているこの反応度ペ
ナルティーは、ＥＯＬの際に約0.85％であり、原子炉停
止余裕の計算において考慮される。

従来用いられてきた制御棒の構造は、原子炉停止時にお
ける炉心の軸方向出力分布のこの不均衡を適切に変える
ことができなかった。従って、原子炉停止中にＲＲＦを
実質的に減じるように、この状態を妨げる制御棒の構造
が必要とされている。

発明の概要 この発明は、前記必要性を満足するように設計された軸
線方向に異種の中性子吸収材を用いている制御棒を提供
する。従来技術の制御棒とは異なり、この発明の制御棒
はその上側約25％の部分に、その下側４分の３の部分に
おけるよりも強い中性子吸収材が配置されている。この
設計概念を用いるならば、制御棒価値の大きい方の中性
子吸収材は、ＨＺＰとＥＯＬの中性子束の形状を、炉心
の中央部で適度に釣り合わされる、より典型的な温態全
出力の形状とするであろう。このようにして、ＲＲＦペ
ナルティーのための必要性が除去される。この構造は、
運転停止バンク(shutdown bank)を含む炉心内の全制御
棒に用いられる。上述したように、従来技術の均質の制
御棒を用いた場合のＨＺＰおよびＥＯＬにおけるＡＦＩ
は約60％である。上側25％の部分に制御棒価値の大きい
方の中性子吸収材を用いた場合に、ＨＺＰおよびＥＯＬ
におけるＡＦＩはほんの４％となる。

従って、この発明は、原子炉の燃料集合体に用いられる
異種中性子吸収材制御棒であって、(a)両端の端部と、
該端部間に画成された密封室とを有する細長い中空の管
状部材であり、前記燃料集合体内に前記異種中性子吸収
材制御棒を挿入する場合に前記端部の一方が先端となり
他方が末端となる前記管状部材と、(b)前記密封室内に
収容されると共に前記管状部材の前記末端側に偏倚して
配置された第１の中性子吸収材と、(c)前記密封室内に
収容されると共に前記管状部材の前記先端側に偏倚して
配置された第２の中性子吸収材とから成り、(d)前記第
１の中性子吸収材は前記第２の中性子吸収材よりも高い
中性子吸収能力を有し、(e)前記第２の中性子吸収材の
量は前記第１の中性子吸収材の量のほぼ３倍である、燃
料集合体の異種中性子吸収材制御棒を提供する。

好適な実施例においては、第１の中性子吸収材はホウ素
カーバイドであり、第２の中性子吸収材は銀−インジウ
ム−カドミウムであり、また、第２の中性子吸収材の長
さを第１の中性子吸収材の長さの約３倍とすることによ
り、第２の中性子吸収材の量を第１の中性子吸収材の量
のほぼ３倍としている。

この発明の上述ならびに他の利点や効果は、この発明の
実施例を例示する図面に関連しての以下の詳細な説明を
読むことによって当業者には明らかとなるであろう。

以下の詳細な説明において、添付図面を参照とする。

発明の詳細な説明 以下の説明において、同一の参照符号は、全図面を通し
て同一または相当部分を示している。また、以下の説明
において、「前方」、「後方」、「左方」、「右方」、
「上方」、「下方」等の語は便宜上の言葉であり、限定
的な語として解釈されるべきものではない。

全体的な説明 図面、特に第１図を参照すると、燃料集合体が、正面図
で、垂直方向に短縮した形で符号10により総括的に示さ
れている。この燃料集合体10は、基本的に、原子炉（図
示しない）の炉心領域における下部炉心板（図示しな
い）上に燃料集合体10を支持するための下部構造、即ち
下部ノズル12と、この下部ノズル12から上方に向かって
突き出して長手方向に延びる複数の案内管、即ち案内シ
ンブル14とを備えている。更に、この燃料集合体10は、
案内シンブル14に沿って軸線方向に互いに隔てられた複
数の横向きの格子16と、該格子16によって互いに横方向
に隔てられ且つ支持された細長い燃料棒18の組織化され
た配列とを備えている。また、燃料集合体10は、その中
心部に配置されている計測管20と、案内シンブル14の上
端に取り付けられる上端構造、即ち上部ノズル22とを備
えている。燃料集合体10は、各部材のこのような配列に
よって、構成部材を損傷させることなく普通に取り扱う
ことのできる一体的なユニットを形成している。

上述したように、燃料集合体10において前記配列の燃料
棒18は、燃料集合体10の長手方向に沿って隔てられた格
子16によって相互に隔てられた関係に保持されている。
各燃料棒18は核燃料ペレット24を具備しており、燃料棒
18の両端は、該燃料棒18を気密に封止するように、上部
端栓26と下部端栓28により閉じられている。一般に、燃
料棒18内に燃料ペレット24を隙間なく、積重体の関係で
保持するために、プレナムばね30が上部端栓26と燃料ペ
レット24との間に配置されている。核分裂性物質から構
成された燃料ペレット24は原子炉の反応出力の発生を担
っている。炉心に発生される熱を抜き出して有用な仕事
を行わせるために、水またはホウ素含有水のような液状
の減速・冷却材が炉心の燃料集合体を通って上方にポン
プにより送られる。

核分裂過程を制御するために、多数の制御棒32が、燃料
集合体10の所定の位置に配置された案内シンブル14内
で、往復運動が可能となっている。特に、上部ノズル22
は棒クラスタの制御機構34を備えており、この制御機構
34は、複数本の放射状に延びるフルーク、即ちアーム38
を具備するめねじが切られた円筒状部材36を有してい
る。各アーム38は制御棒32に連結されており、制御機構
34が案内シンブル14内で垂直に制御棒32を動かすように
作動し、これによって全て周知の態様で燃料集合体10に
おける核分裂過程を制御するようになっている。

軸線方向に異種の中性子吸収材を有する制御棒 今、第２図を参照すると、符号40で総括的に表されたこ
の発明の改良された制御棒（異種中性子吸収材制御棒）
が示されており、この制御棒40は原子炉停止となるＥＯ
Ｌの際に用いられるようになっている。

軸線方向に異種の中性子吸収材を用いている改良された
制御棒40は、基本的に、細長い中空の管状部材42を備え
ており、この管状部材42は、相対する上下の端部44、46
と、これら端部44、46間の管状部材42内に画成された密
封室48とを有している。燃料集合体10にこの制御棒40を
挿入する場合において、下側の端部46は管状部材42の先
端で、相対する上側の端部44は末端である。更に、制御
棒40は、密封室48に収容されると共に管状部材42の上側
の末端である端部44の方に偏倚して配置された第１の中
性子吸収材50を、好適にはホウ素カーバイドのペレット
の形で、備えている。また、銀−インジウム−カドミウ
ムのペレットの形が好適な第２の中性子吸収材52が密封
室48内に収容され、管状部材42に下側の先端である端部
46の方に偏倚して配置されている。

第１の中性子吸収材50（ホウ素カーバイド）は、第２の
中性子吸収材52（銀−インジウム−カドミウム）より
も、明確には約25％高い中性子吸収能力を有している。
更に、第２の中性子吸収材52は第１の中性子吸収材50よ
りも量が多い。特に、第１と第２の中性子吸収材50、52
の量は、それぞれの長さによって表される。第２の中性
子吸収材52の長さは第１の中性子吸収材50の約３倍であ
る。即ち、第１の中性子吸収材50は、管状部材42の密封
室48内における吸収材全長の上側約25％の部分で延びて
おり、第２の中性子吸収材52は全長の下側約75％の部分
で延びている。従って、第２の中性子吸収材52は第１の
中性子吸収材52の約３倍の長さを有している。

他の制御棒と同様に、この改良された制御棒40の管状部
材42は、細長い薄肉の金属製クラッド、即ち管54によっ
て形成され、管状部材42の相対する上下の端部44、46を
封止するためのそれぞれに対応する上部端栓56と下部端
栓58とを有している。上部端栓56は、制御機構34に連結
するためのおねじ端部60を有するステム部分が一体的に
形成され上方に延びている。下部端栓58は円錐形であ
る。

第１および第２の中性子吸収材50、52のペレットは密封
室48内で滑動可能に配置され、縦に並べられた積重体の
状態で、下部端栓58の上に載置されている。プレナムば
ね62がペレット積重体の上端と上部端栓56との間に介設
され、第１および第２の中性子吸収材50、52のペレット
が制御反応の際に中性子を吸収する場合に該ペレットに
よって発生されるガスを蓄積すべく管状部材42内に空間
を画成するように、ペレット積重体の上端と上部端栓56
との間に軸線方向に隔てられた関係で維持されるように
なっている。

ホウ素カーバイドの吸収材は吸収材の上側25％の部分に
だけあるので、ホウ素カーバイドのスエリングには本質
的に何の関係もない。原子炉が低出力、即ち停止となる
まで、それは炉心に入ることはないからである。また、
(a)制御棒は深く挿入されないようになっており、(b)同
じ物質、即ちこの場合では銀−インジウム−カドミウム
が、特定の原子炉に以前用いられていたものから変更さ
れていないので、高出力レベルで制御棒にかかるピーキ
ング係数には影響がない。

この発明による改良された制御棒、および、それに付随
する多くの利点は、上の説明から理解されるであろう。
また、この発明の精神および範囲を逸脱することなく、
或はその実質的な利点を犠牲にすることなく形態、構成
および配列に関し、種々の変更が可能であることは明ら
かであり、よって、以上に述べられた形態は単にこの発
明の好適な実施例に過ぎない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、明確化のために一部が切り欠かれて垂直方向
に短縮された形で示された、この発明の制御棒が適用さ
れる燃料集合体の部分断面正面図、第２図はこの発明の
改良された制御棒の垂直方向に短縮された拡大断面図で
ある。図中、 10：燃料集合体 40：制御棒（異種中性子吸収材制御棒） 42：管状部材、44、46：端部 48：密封室、50：第１の中性子吸収材 52：第２の中性子吸収材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原子炉の燃料集合体に用いられる異種中性
   子吸収材制御棒であって、 (a)両端の端部と、該端部間に画成された密封室とを有
   する細長い中空の管状部材であり、前記燃料集合体内に
   前記異種中性子吸収材制御棒を挿入する場合に前記端部
   の一方が先端となり他方が末端となる前記管状部材と、 (b)前記密封室内に収容されると共に前記管状部材の前
   記末端側に偏倚して配置された第１の中性子吸収材と、 (c)前記密封室内に収容されると共に前記管状部材の前
   記先端側に偏倚して配置された第２の中性子吸収材とか
   ら成り、 (d)前記第１の中性子吸収材は前記第２の中性子吸収材
   よりも高い中性子吸収能力を有し、 (e)前記第２の中性子吸収材の量は前記第１の中性子吸
   収材の量のほぼ３倍である、 燃料集合体の異種中性子吸収材制御棒。