JPH0664169B2 - 原子炉制御棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子炉制御棒に係り、特に高速増殖炉に用いら
れる原子炉制御棒に関する。

〔従来の技術〕

従来の高速増殖炉用制御棒の断面構成図を、第13図に示
す。第13図（Ａ）はその縦断面図、第13図（Ｂ）はその
横断面図をそれぞれ示す。第13図に示すように、制御棒
においては、制御棒保護管１の中に中性子吸収材ペレツ
ト２を含むピンが多数本上部グリツド板３および下部グ
リツド４を用いて固定された構造となつている。このよ
うに構造をもつ制御棒は、延長管８に対する駆動機構の
働きにより、案内管５に沿つて上下に動く。制御棒の全
挿入時には、先端のダツシユラム６がダツシユポツト７
の中に納まるようになつている。駆動装置（図示せず）
は、延長管８の上端部に連結されている。

従来、高速増殖炉の運転時における燃焼反応度の制御に
は、炉心上部から多数本の中性子吸収材を含んだピンか
らなる制御棒を挿入し、それを炉心の燃焼が進むととも
に連続的に引き抜くという方法で行われている。

この方法では、炉心内の出力分布が制御棒の軸方向に歪
み、炉心下部に大きな最大線出力密度が表われる。すな
わち、燃焼サイクル初期の炉心では、燃焼反応度制御用
の制御棒は一般に半挿入状態となつている。このため出
力分布が軸方向に大きく歪んでしまうことになる。しか
も、この時点では新燃料を装荷したばかりであるため、
ミスマツチ係数や軸方向出力ピーキング係数も最も高く
なつている。その結果、高速増殖炉炉心の熱的条件は、
燃焼サイクル初期で最も厳しいものとなつている。すな
わち、最大線出力密度が最も高いものとなつている。

このような問題点を解決するために従来例として、たと
えば制御棒の吸収領域の長さを２倍とし、下部吸収領域
の制御棒反応度を上部領域の制御棒反応度より低くする
方法があることが知られている。このような従来例では
上部吸収領域は起動反応度を分担し、下部吸収領域は燃
焼反応度を分担する。その結果、燃焼サイクル初期炉心
では下部吸収領域が全挿入状態となり、炉心内出力分布
が平坦化される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記従来技術には次のような問題がある。

まず、制御棒の構造が長くなること、より強力な駆動装
置を使う必要がある。これは炉心構造を小型化，軽量化
する上で不利な条件になる。

また上記従来技術も含め、これまでの高速増殖炉では運
転中、つねに制御棒を操作しなければならない。炉心運
用の簡単化という面で、制御棒操作が少ないことが好ま
しい。

次に、燃焼サイクル中、制御棒を引抜くとともに出力分
布平坦化の効果が弱まつていくという問題がある。最大
線出力密度が大きい燃焼サイクル初期の間は、特に出力
分布平坦化の効果を持続させる必要があるが、上記従来
例ではこの点について何ら配慮されていない。

本発明は上記問題点を解決するために、強力な駆動装置
を使うことなく、かつ制御棒操作が少なくても出力分布
を平坦化することのできる原子炉制御棒を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、制御棒保護管の径
方向内側に中性子減速材を充填し、中性子減速材を充填
した領域の外側径方向に中性子吸収材を設けてなる原子
炉制御棒において、中性子減速材を水素含有減速材によ
り形成して中性子吸収材の消耗を増加させるとともに、
中性子吸収材の軸方向中心部分における中性子吸収材充
填量を、中性子吸収材のそれぞれの端部の中性子吸収材
充填量より大きく形成して軸方向の出力分布を平坦化
し、燃焼サイクル中期まで燃焼反応度を制御棒反応度劣
化により保障していることを特徴とする原子炉制御棒で
ある。

〔作用〕 高速増殖炉用制御棒の中性子吸収領域において、径方向
内側に水素含有減速材の領域を設け、その外側に中性子
吸収材の領域を設けることにより、中性子吸収材の吸収
断面積が大きくなる。したがつて制御棒反応度は増大
し、中性子を吸収するにしたがい中性子吸収材は早く消
滅する。その結果、本発明に係る制御棒は、可燃性制御
棒としての振舞を示すようになる。

この原理を、第２図に基づいて説明する。この図は、中
性子吸収材であるボロン（Ｂ）の吸収断面積と、炉心に
挿入した制御棒の内部における中性子エネルギースペク
トルを示したものである。ボロンの中性子吸収断面積
は、高エネルギー中性子に対しては小さいが、中性子エ
ネルギーが低くなるにつれて、 （ここでＥは中性子エネルギー）に比例して大きくなつ
ていく。ところが、制御棒領域での中性子エネルギース
ペクトルは、図の従来例（破線）として示したように、
高エネルギー領域に片よつている（これを、スペクトル
がハードという）ために、ボロンに吸収される中性子の
割合は小さい。これに対し、減速材（たとえばZrH_２な
ど水素含有減速材）を内側に設けた制御棒では、図の実
線で示したように、中性子エネルギースペクトルが低エ
ネルギー側に移動し（これを、スペクトルがソフトとい
う）、ボロンに吸収される中性子の割合が大きい。この
結果、減速材を付加した分だけボロンの量を少なくして
も、制御棒反応度は大きくなる。また、吸収断面積が大
きくなつたことにより、中性子吸収材は、従来の制御棒
より早く消滅する。

次に、上記の水素含有減速材を付加した制御棒におい
て、吸収領域の軸方向中央部分での中性子吸収材充填量
（密度）を制御棒端部（上下部分）のそれよりも高くす
ることにより、炉心内の出力分布を軸方向に平坦化でき
る。上記の如く減速材を付加したために中性子吸収材の
消耗が大きい。そこで、減速材との割合を調整すること
により、各部分の制御棒価値の燃焼に伴う劣化割合を制
御することができる。その例を第３図に示す。

第３図は減速材を装着した制御棒の挿入時における中心
部と上・下部における燃焼度と、無限増倍率との関係を
示している。第３図によれば、制御棒中心部では吸収材
料が多いため、上下部に対して長い時間無限増倍率が一
定の状態を保つている。この結果、燃料サイクル初期で
は制御棒操作が不要となり、しかも炉心内出力分布は制
御棒軸方向に平坦化される。第４図に、炉心軸方向１と
炉心内出力密度との関係を示す。第４図に示すように、
出力密度は、制御棒軸方向に平坦化される。この結果平
坦化された分だけ炉心の体積を減らすことができるとと
もに燃料の節約にもつながる。また同じ炉心体積ならば
平坦化した分だけ出力を大きくすることができる。ま
た、平坦化することにより原子炉を安全下で運転するこ
とができる。

〔実施例〕

次に本発明に係る原子炉制御棒の実施例について図面に
したがい詳説する。第１図はその第１の実施例を示す縦
断面構成図である。

第１図に示すように、内側のピンには水素含有減速材９
を制御棒内壁全面にわたり充填している。制御棒外側の
ピンの軸方向中心部には中性子吸収材の中実ペレツト10
が充填されている。また制御棒の上下部には中性子吸収
材の中空ペレツト11が充填されている。

このような制御棒を炉心内に全挿入することにより、第
５図に示すごとく炉心出力分布を平坦化できる。中性子
吸収材として天然Ｂ_４Ｃ、水素含有減速材として水素化
ジルニウムを用いた例では1000MWeの炉心最大線出力密
度を７％低下させることができる。第６図に、上記実施
例の制御棒の操作方法を示す。

（Ａ）は燃焼サイクル前期（BOC）を、（Ｂ）は燃焼サ
イクル中期（MOC）を、（Ｃ）は燃焼サイクル末期（EO
C）を、それぞれ示す。BOCでは制御棒が炉心12の中に全
挿入されている。

上記実施例に係る制御は、燃焼サイクルの途中まで、燃
焼反応度が制御棒反応度劣化により保障されるため、制
御棒を炉心から引出す操作を必要としない。そのため、
（Ｂ）に示すように、MOCでも制御棒は全挿入のままで
よい。炉心燃焼がさらに進むと全体の反応度が低下し始
めるので、この時に初めて制御棒引抜が始まり、EOCで
は（Ｃ）に示すように全引抜きの状態となる。

このように、本実施例に係る制御棒は、燃焼サイクルの
中期から制御棒引抜きを開始する。この時点では炉心の
燃焼が進んでいるために、最大線出力密度が低下して制
御棒操作に伴う出力分布の歪みは問題とならない。第７
図に、上記実施例に係る制御棒を用いて線MWeクラスの
高速炉における、最大線出力密度のサイクル変化の例を
示す。条件は燃料３バツチ交換、10ケ月連続運転とし
た。また、制御棒操作による変化分は差引いている。第
４図からわかるように、燃焼サイクルの中期では、ミス
マツチ係数および軸方向ピーキング係数の低下により、
最大線出力密度がすでに約３％低くなつており、この時
点から制御棒引抜きを開始しても問題は生じない。

上記第１図の実施例では、軸方向中心部での強吸収領域
の長さを20cm（全1m）とした。その根拠を第８図に示
す。この図に示すように、サーベイ計算結果によると、
強吸収領域の長さが20cmの付近で炉心の最大線出力密度
は最も小さくなる。

また、出力分布平坦化は強吸収領域と弱吸収領域との間
の反応度比にも依存する。これに関するサーベイ計算の
結果を第９図に示す。第９図は強吸収領域の吸収材充填
密度を示し、弱吸収領域の吸収材充填密度を変化させた
ときの最大出力密度変化率の結果である。第９図からわ
かるように、制御棒を吸収材充填密度の異なる中心部と
上下部とに分けることにより、最大線出力密度を６％ま
で低減できることがわかる。1000MWeの炉心の例では、
最大線出力密度を約６％小さくできる。これにより、原
子炉の安全性は大きく向上する。また、炉心出力密度の
増大による炉心コンパクト化などを通し、経済性の向上
に大きく寄与できる。燃焼サイクル初期から中期にかけ
て制御棒操作が不要となるため、炉心運用が簡素化でき
る。

次に本発明の第２の実施例を第10図に示す。第10図は、
その縦断面構成図である。本実施例では中性子吸収材の
充填密度に変化を持たせる一例として、上下部の弱吸収
領域では中性子吸収材の中実ペレツト10と、SUSなどの
構造材物質のペレツト13とを混合することにより平均的
に吸収材充填割合を下げるものである。吸収材ペレツト
と構造材ペレツトとの充填の個数割合を調節すれば、こ
の領域の吸収材充填量を自由に制御できる。吸収材と構
造材とを混合したペレツトを作つて充填することもでき
るが、コスト的には高くなるものと考えられる。

本発明の第３の実施例を、第11図に示す。第11図はその
縦断面構成図である。本実施例は、水素含有減速材９を
充填した減速棒の外周部に、軸方向中央に高濃縮ボロン
（¹⁰Ｂの濃度割合を高めたもの）ペレツト14を充填し、
上部および下部に低濃縮ボロンペレツト15を充填した吸
収棒を配置した構造である。本実施例では、軸方向の吸
収材充填量の調節をボロン−10（¹⁰Ｂ）の濃縮度でおこ
なつたものであり、制御棒反応度を高める必要のある高
反応度あるいは長寿命制御棒に対して効果的である。

上記各実施例では、制御棒は中性子減速材と中性子吸収
材とを金属製の被覆管に充填したピン構造となつてい
る。熱伝導率が大きく、高温での機械的特性に優れ、製
造性も良い水素含有金属および中性子吸収材含有金属を
利用すると、第12図に示す制御棒の実施例が考えられ
る。第12図はその横断面図を示したものである。制御棒
案内管５内に挿入される制御棒可動部は、円環状の二領
域で構成されており、内側に水素含有金属領域18があ
り、外側を減速材含有金属領域17が取りまいている。中
心および周辺部は冷却材16が流れる構造となつている。
本実施例によれば、構造が簡単で製造コストが低くでき
るとともに、中央部で減速した熱中性子を周辺を取りま
く吸収材領域でもれなく吸収できるために最大線出力密
度を一層平坦化できる。また、冷却材が流れる構造とな
つているために、高温での機械的特性に優れている。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る原子炉制御棒によれ
ば、制御棒保護管内側に水素含有減速材が充填され、ま
た吸収材の充填量は制御棒中心部において、制御棒両端
部より大きいため、強力な駆動装置を使うことなく、燃
料サイクル中期まで制御棒引抜操作を不要とし、炉心内
出力分布を平坦化することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図，第10図，第11図，第12図は本発明に係る原子炉
制御棒の実施例を示す縦断面構成図、第２図はボロンの
吸収断面積と制御棒領域の中性子エネルギースペクトル
の関係を示すグラフ、第３図は本発明に係る原子炉制御
棒の各部の無限増倍率の燃焼度進行に伴う変化を示すグ
ラフ、第４図は制御棒全挿入時における本発明と従来例
との出力分布の比較を示すグラフ、第５図は燃焼サイク
ル初期での本発明と従来例との出力分布の比較を示すグ
ラフ、第６図は本発明に係る制御棒の操作法を示す模式
図、第７図は大型高速増殖炉の最大線出力密度のサイク
ル変化を示すグラフ、第８図は強吸収領域の長さの変化
に基づく最大線出力密度の変化を示すグラフ、第９図は
制御棒中央部分と、両端部における制御棒反応度の違い
による最大線出力密度の変化を示すグラフ、第13図
（Ａ）は従来の制御棒の縦断面図、（Ｂ）はその水平断
面図である。 １……制御棒保護管、２……中性子吸収材、3,4……グ
リツド板、５……案内管、６……ダツシユラム、７……
ダツシユポツト、８……延長管、９……減速材、10……
中性子吸収材の中空ペレツト、11……中性子吸収材の中
空ペレツト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制御棒保護管の径方向内側に中性子減速材
   を充填し、該中性子減速材を充填した領域の外側径方向
   に中性子吸収材を設けてなる原子炉制御棒において、前
   記中性子減速材を水素含有減速材により形成して前記中
   性子吸収材の消耗を増加させるとともに、該中性子吸収
   材の軸方向中心部分における中性子吸収材充填量を、該
   中性子吸収材のそれぞれの端部の中性子吸収材充填量よ
   り大きく形成して軸方向の出力分布を平坦化し、燃焼サ
   イクル中期まで燃焼反応度を制御棒反応度劣化により保
   障していることを特徴とする原子炉制御棒。