JPH0674998U - 原子炉の弱吸収制御棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 核燃料集合体内へ挿入される弱吸収制御棒
の、外部圧力に対する半径方向耐崩壊性を増大させるこ
とにある。 【構成】 弱吸収制御棒（３０）の管状部材（４６）
は、ペレット収容空間（５２）の上方に位置した中空空
間（５４）を有する。この中空空間内には、或る程度圧
縮した状態の渦巻ばね（５０）が設けられている。この
渦巻きばねは、実質的に中空空間の全長にわたって長手
方向に延び、その外径は、外部圧力に対して収容空間の
壁を内側から半径方向に支持するのに充分な大きさとな
っている。かくして、渦巻きばねは、ペレット（４８）
を収容空間（５２）内に弾性的に保持するだけでなく、
管状部材の半径方向耐崩壊性を増大させるという二重の
機能を果たしている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は原子炉に関し、更に詳細には核燃料集合体の中へ挿入される弱吸収制 御棒の改良型に関する。

【０００２】

【従来の技術及び考案が解決しようとする課題】

従来型の加圧水型原子炉では、炉心が起動時において過剰の反応度を持つよう に設計されているため、反応度が炉心の寿命に近づくにしたがって減少しても、 長期間にわたって炉心の働きを維持するに充分な反応度が依然として残っている 。しかしながら、炉心寿命の初期において過剰の反応度が炉心に見込まれている ので、その時点で反応度を適当に制御する必要がある。

【０００３】 典型的な原子炉では、炉心は、各々複数本の細長い燃料要素すなわち燃料棒よ り成る複数の細長い燃料集合体で構成されている。炉心から熱を取り出して有用 な仕事に変換するために液体冷却材を炉心中において上方に流れるように圧送す る。炉心の熱出力は通常、種々の可動の棒、例えば制御棒、弱吸収制御棒(gray rod)及び／又は水排除棒（減速材調整制御棒）で調整される。加圧水型原子炉で は、典型的な燃料集合体は複数本の案内管すなわち案内シンブルを有し、前述の 棒がこれらの案内シンブル内で往復動できる。

【０００４】 これら３つの異なる種類の棒は全てほぼ同じ寸法を持つが、これらを構成する 材料が違うため幾分異なる目的を有する。中空であるか又は弱中性子吸収性物質 を含む排除棒は、原子炉冷却材を排除し、それにより原子炉の減速を制御するた めに使用される。中性子吸収性の高い材料を含む制御棒は、主として中性子を吸 収することによって炉心の反応度を制御する働きを持つ。弱吸収制御棒は排除棒 と似ているが、高い反応度を許容する、ステンレス鋼のような中性子吸収性の中 ぐらいの材料を採用している。これらの弱吸収制御棒は、制御棒より小さい中性 子捕獲断面積で中性子を吸収し、また、冷却材を排除して炉心の反応度を制御す る。

【０００５】 弱吸収制御棒は微調整補助制御棒とも呼ばれる。欧州特許出願第84308376.9号 に開示されたかかる補助制御棒は、内端が中間プラグで閉じられ、外端が端プラ グで閉じられたステンレス鋼製の上部及び下部管より成る。下部管はその中間プ ラグと端プラグとの間に積み重ねられた中実の酸化ジルコニウム・ペレットを収 容し、これらの中実ペレットが下部管に対する半径方向の支持を行っている。上 部管の壁の内外の圧力を等しくするために、上部管は冷却材をその内部に入れる ように穴があけられている。

【０００６】 この種の補助制御棒の性能はかなり満足できるものであり、また設計された運 転条件の下ではその目的を果たす。しかしながら、中実の酸化ジルコニウム・ペ レットは３００°〜６００°Ｃの高い内部温度に達すると半径方向に膨脹してそ の被覆管に好ましくない歪をもたらす恐れのあることが判明している。

【０００７】 本考案の主要な目的はこの問題を解消する改良型の弱吸収制御棒を提供するこ とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案の要旨は、燃料棒の配列体を含む核燃料集合体の中へ挿入される弱吸収 制御棒であって、両端が密封されかつ中性子捕獲断面積の小さな物質で作られた 細長い管状部材と、非燃料物質で作られかつ管状部材の中で端部と端を突合わせ て積み重ねられたペレットとを有し、管状部材は、燃料集合体の中へ挿入された とき、燃料棒の配列体内に位置する第１の長手方向部分と、本質的に燃料棒の配 列体の外に位置する第２の長手方向部分とを有し、ペレットは第１の長手方向部 分内に画定されたペレット収容空間の中に積み重ねられ、各ペレットは環状であ って、ペレットを貫通する空所が形成され、ペレットの外径は第１の長手方向部 分の隣接壁部に対する半径方向の支持を行うのに充分な大きさであり、管状部材 の第２の長手方向部分はペレットを含まない中空の空間を有し、その空間には、 外部圧力に対する第２の長手方向部分の半径方向耐崩壊性を高めるための手段が 設けられ、第２の長手方向部分の半径方向耐崩壊性を高めるための前記手段は、 積み重ねられたペレットをペレット収容空間内に弾性的に保持するように前記中 空空間内に配設されると共に部分圧縮状態に保たれた渦巻ばねであり、該渦巻ば ねは実質的に中空空間の全長にわたって長手方向に延びており、渦巻ばねの外径 は第２の長手方向部分の壁を半径方向に支持するに充分な大きさであることを特 徴とする弱吸収制御棒にある。

【０００９】 中実ではなく環状のペレットを用いるため被覆管に好ましくない歪が生じる 危険が最小限に抑えられる。というのは、環状ペレットの内部温度が非常に低く なる傾向があるため通常、半径方向の膨脹が最小で、これは、如何に小さな熱膨 張が生じてもこれをほとんど吸収する内部の空所が各環状ペレットに存在するか らである。さらに、中実ペレットよりも環状ペレットの方が軽いため弱吸収制御 棒の質量が小さくなり、これは使用時の弱吸収制御棒の作動に有利である。

【００１０】 積み重ねたペレットをペレット収容空間内に保持するだけでなく第２の長手方 向部分の半径方向の耐崩壊性を増加させるという二重の目的を果たす。積み重ね たペレットを正しい位置に保持しかつその一体性を保つために弾性的な渦巻ばね が用いられるためペレットの或る程度の軸方向の膨脹を歪なしに吸収できる。環 状ペレットは好ましくはジルカロイ材料、すなわち粉にならない周知のジルカロ イ合金で製造する。好ましい実施例では、第１及び第２の長手方向部分を有する 管状部材を一体成形された部材で構成し、棒の整列性及び直線性を高める。

【００１１】

【実施例】

以下、本考案の好ましい実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。

【００１２】 以下の説明において、同一参照符号は図面の幾つかの図を通じ同一の又は対応 した部分を示し、また、「前」、「後」、「左」、「右」、「上」、「下」等の 用語は便宜上のものであって限定的な意味を持つものではない。

【００１３】 図１は、全体を参照番号１０で示す燃料集合体、該燃料集合体１０の頂部上方 に配置されこの頂部を横切って延びる上部炉心支持板１２、及び上部炉心支持板 １２の上方に配置されたスパイダ集合体１４を示す。

【００１４】 垂直方向に短縮した形で示した燃料集合体１０は、基本的には、燃料集合体を 原子炉（図示せず）の炉心部に設けた下部炉心板（図示せず）上に支持する下端 部構造体すなわち下部ノズル１６と、下部ノズル１６から長手方向上方に延びた 複数本の案内管すなわち案内シンブル１８と、案内シンブル１８に沿って軸方向 に間隔を置いて配置された複数のグリッド２０と、グリッド２０により横断方向 に間隔を置いて支持されている細長い燃料棒２２の整然とした配列体と、燃料集 合体の中央に置かれた計装用管２４と、案内シンブル１８の上端部に取り付けら れた上端部構造体すなわち上部ノズル２６と、を有している。燃料集合体１０は その部品を損傷することなく従来通り取り扱うことのできる一体ユニットを構成 している。

【００１５】 上述したように、燃料棒２２は、燃料集合体に沿って間隔を置いて設けたグリ ッド２０により互いに離間した関係に保たれている。各燃料棒２２は原子燃料ペ レット（図示せず）を収納し、その両端が端プラグ（図示せず）によって閉じら れている。各分裂性物質で作られた原子燃料ペレットは原子炉内で発生する核反 応の源である。炉心から熱を取り出して有用な仕事に変換するために、水又は硼 素を含んだ水を、炉心の燃料集合体を貫流して上方へ流れるように圧送する。

【００１６】 上部炉心支持板１２は炉心内の全ての燃料集合体の頂部を横切る方向に延びて おり、この上部炉心支持板１２には通路２８のような冷却材流路が貫通している 。これらの通路２８のうち少なくとも幾つかは案内シンブル１８と軸方向に整列 しており、弱吸収制御棒３０のような弱吸収制御棒やその他の制御棒（図示せず ）が、炉心板１２の通路２８を介してそれぞれの案内シンブル１８の中へ下降で きる。

【００１７】 図２及び図３で最もよく分かるように、スパイダ集合体１４は中央ハブ３２、 このハブ３２から半径方向に延びた複数枚のベーン３４、及びこれらのバーン３ ４に設けられかつ弱吸収制御棒３０の上端に連結される複数個のフィンガ３６を 有している。好ましくは、中央ハブ３２は、当該技術分野で周知のようにスパイ ダ集合体の昇降に使用する駆動装置（図示せず）への連結用の螺設部４０を上端 にもつ細長い管として形成される。管状ハブ３２は、圧縮状態に保たれたコイル ばね４２と、炉心板の通路２８及び案内シンブル１８内で弱吸収制御棒３０が正 しい整列関係を保つのを助けるために炉心板１２の上面に形成された浅い空所（ 図示せず）内に着座するニップル４４とを有する荷重吸収装置を収容している。 周知のように、荷重吸収装置の主要な目的は、弱吸収制御棒３０を案内シンブル １８の中に完全に挿入する際、スパイダ集合体１４が炉心板１２に当たり炉心板 １２及び燃料集合体１０に衝撃的に荷重が加わるのを防止することにある。

【００１８】 次に、図４及び図５を参照すると、本考案を具体化した弱吸収制御棒３０は、 管状部材４６、この管状部材の中に積み重ねられた管状の支持ペレット４８、及 びこれらのペレット４８を管状部材４６の下方長手方向部分内のペレット収容空 間５２内に保持するのに十分な長さの渦巻きバネ５０を有し、この渦巻きバネ５ ０は管状部材の上方長手方向部分内に画定されたペレットのない中空空間５４内 に或る程度圧縮した状態、即ち部分圧縮状態で配設されており、さらにこの渦巻 ばねの外径は上方長手方向部分の壁に対する半径方向の支持を行うのに充分な大 きさである。渦巻ばね５０が実質的に中空空間５４の全長にわたって軸方向に延 びていることに注目されたい。

【００１９】 更に詳細には、管状部材４６は、両端がそれぞれ端プラグ５８、６０で閉じら れた円筒状の管５６である。上方の端プラグ５８には上方に延びるステム６２が 一体的に形成され、そのステムはスパイダのフィンガ３６の１つの雌ネジを切っ た下端部６６へ連結するための雄ネジを切った端部６４を有する。下方の端プラ グ６０は円錐形である。円筒状の管５６は、端プラグ５８、６０と同様にステン レス鋼で作られた薄肉の被覆である。この被覆はステンレス鋼で作られているの で中性子捕獲又は吸収断面積が小さく、また薄肉なので弱吸収制御棒３０の重量 したがって慣性モーメントが最小となる。

【００２０】 積み重ねられるペレット４８の各々は管５６内に同心状に嵌め込めるような中 空かつ環状の形をしており、貫通した中央空所６８を有する。中空のペレット４ ８を使用すると弱吸収制御棒３０の質量が小さくなるだけでなく管５６の耐崩壊 （耐へこみ）性も充分に高くなる。弱吸収制御棒３０が低質量のため弱吸収制御 棒の内部温度は許容レベルを維持し、そのため被覆管の歪が小さい。さらに、各 ペレット４８内部の空所６８はペレット自体の内部温度を低レベルに保つのに役 立ち、そのため半径方向の膨脹したがって被覆管の歪が最小となる。各ペレット は好ましくはジルカロイ材料でできている。このジルカロイ材料は中性子をはっ きりわかる程度には吸収せず、また弱吸収制御棒３０を燃料集合体に段階的に挿 入／引抜きする間、粉にならない。

【００２１】 上述したように、渦巻ばねつまり圧縮ばね５０は二重の働きをする。すなわち 、まず第１に積み重ねられたペレット４８と上方の端プラグ５８との間で圧縮状 態に保たれるに充分な長さを持つため、ペレットを下方の端プラグ６０に押圧状 態に保つとともに、熱によって個々のペレットが長手方向にいかに僅かに膨脹し てもそれを吸収する。かくして、渦巻ばね５０によりペレット４８は下方管部分 のペレット収容空間５２内に積み重ねた状態で保持される。この下方管部分は弱 吸収制御棒を燃料集合体１０内に挿入したとき燃料棒の配列体の中に位置する部 分であり、上方管部分は、弱吸収制御棒が挿入された位置で本質的には燃料棒配 列体の外であるが、上部炉心板１２の関連した通路２８の中にある。渦巻ばね５ ０の果たす第２の役目は、軽量のばねの重さ以上に重量を増加することなく中空 空間全体にわたって薄肉の管５６を内部から支持することである。

【００２２】 図６は、積み重ねた中空環状ペレット４８′を収容した環状部材４６′を有す る点においては好ましい実施例の弱吸収制御棒３０と似ていて、本考案の理解を 助けるための参考例である弱吸収制御棒３０′を示す。しかしながら、弱吸収制 御棒３０とは異なり、この弱吸収制御棒３０′はその細長い管５６′が別体の下 方及び上方の管部分７０、７２で構成され、これらの管部分７０、７２の隣接端 部はその間の中実プラグ７４により互いに接合されている。下方管部分７０は積 み重ねられたペレット４８′を入れたペレット収容空間５２′を画定し、上方管 部分７２は内部構造体を何ら含まない中空空間５４′を画定している。中空空間 ５４′内の圧力と弱吸収制御棒の外側の圧力とを等しくするために、上方管部分 ７２の壁には原子炉の冷却材を中空空間５４′に入れるための穴又は開口部７６ が形成してある。２つの管部分７０、７２は薄肉の被覆で構成され、これらの管 部分は中実プラグ７４とともにステンレス鋼で作られている。ペレット４８′は 無視できる熱膨脹係数をもつ非燃料物質で作られるが、その物質の一例として酸 化ジルコニウムがある。特にペレットは環状であり空所６８が形成されるため、 その長さが感知できるほどには伸びず、したがって中実プラグ７４と端プラグ６ ０との間にしっかりと積み重ねた状態に保持できる。

【００２３】

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料集合体と、その燃料集合体の頂部を横切る
方向に延びる上部炉心支持板と、弱吸収制御棒を支持す
るスパイダ集合体とを示す原子炉の炉心の断片的な立面
図であり、本考案の弱吸収制御棒を露呈させるために炉
心支持板を断面図でかつ部分的に切欠いた状態で、また
燃料集合体を垂直方向に短縮した形で示している図であ
る。

【図２】スパイダ集合体の拡大平面図である。

【図３】図２の３−３線におけるスパイダ集合体の断面
図である。

【図４】本考案の好ましい実施例である弱吸収制御棒を
垂直方向で短縮して示す拡大部分断面図である。

【図５】図４の５−５線における拡大断面図である。

【図６】本考案に対する参考例としての弱吸収制御棒を
垂直方向で短縮して示す拡大図である。

【符号の説明】

１０ 燃料集合体 ２２ 燃料棒 ３０ 弱吸収制御棒 ４６ 管状部材 ４８ ペレット ５０ 渦巻ばね ５２ ペレット収容空間 ５４ 中空空間 ７６ 穴又は開口部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000156938 関西電力株式会社 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 (71)出願人 000180368 四国電力株式会社 香川県高松市丸の内２番５号 (71)出願人 000164438 九州電力株式会社 福岡県福岡市中央区渡辺通２丁目１番82号 (71)出願人 000230940 日本原子力発電株式会社 東京都千代田区大手町１丁目６番１号 (72)考案者 トレバー・アンドリュー・フランシス アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ピッ ツバーグ グリーンヘブン・コート 504 (72)考案者 サムエル・サーニ アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ピッ ツバーグ キングスデイル・ロード 101

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料棒の配列体を含む核燃料集合体の中
   へ挿入される弱吸収制御棒であって、両端が密封されか
   つ中性子捕獲断面積の小さな物質で作られた細長い管状
   部材と、非燃料物質で作られかつ管状部材の中で端部と
   端を突合わせて積み重ねられたペレットとを有し、管状
   部材は、燃料集合体の中へ挿入されたとき、燃料棒の配
   列体内に位置する第１の長手方向部分と、本質的に燃料
   棒の配列体の外に位置する第２の長手方向部分とを有
   し、ペレットは第１の長手方向部分内に画定されたペレ
   ット収容空間の中に積み重ねられ、各ペレットは環状で
   あって、ペレットを貫通する空所が形成され、ペレット
   の外径は第１の長手方向部分の隣接壁部に対する半径方
   向の支持を行うのに充分な大きさであり、管状部材の第
   ２の長手方向部分はペレットを含まない中空の空間を有
   し、その空間には、外部圧力に対する第２の長手方向部
   分の半径方向耐崩壊性を高めるための手段が設けられ、
   第２の長手方向部分の半径方向耐崩壊性を高めるための
   前記手段は、積み重ねられたペレットをペレット収容空
   間内に弾性的に保持するように前記中空空間内に配設さ
   れると共に部分圧縮状態に保たれた渦巻ばねであり、該
   渦巻ばねは実質的に中空空間の全長にわたって長手方向
   に延びており、渦巻ばねの外径は第２の長手方向部分の
   壁を半径方向に支持するに充分な大きさであることを特
   徴とする弱吸収制御棒。
2. 【請求項２】 細長い管状部材は薄肉の被覆管であるこ
   とを特徴とする請求項１の弱吸収制御棒。
3. 【請求項３】 前記被覆管はステンレス鋼で作られてい
   ることを特徴とする請求項２の弱吸収制御棒。
4. 【請求項４】 前記ペレットはジルカロイ材料で作られ
   ていることを特徴とする請求項１、２又は３の弱吸収制
   御棒。