JPH079474B2 - 核分裂原子炉用の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、核分裂性燃料の炉心を有している原子炉に供
せられる、中性子吸収材としてハフニウム金属を利用し
た、制御棒の改良構造に関する。

［従来の技術］ 発電用の商業核分裂原子炉は通常、核分裂燃料から成っ
ている炉心部を含んでおり、この炉心部内では、燃料物
質が複数の管状金属容器内に封入されている。燃料を収
容したこれらの管状容器は、別々のバンドル又はユニッ
トに配設又はグループ分けされており、これらのバンド
ルの各々はしばしば、核燃料業界でチャンネルの名称で
知られている端部開放型収納箱内に収納されている。上
述の別々の燃料バンドルは、炉心が予め定められた配置
形状になるように原子炉内に組み立てられている。組み
立てられたバンドルは、各バンドルの間に中間隙間がで
きるように互いに間隔をあけて設けられており、冷却材
をバンドルの周囲に流すための、及び中性子吸収材料を
含んでいる原子炉制御手段を挿入するためのバンドル周
囲部分を形成している。

原子炉制御手段は典型的には、核分裂中に中性子を放出
する核燃料の炉心に対して往復動可能な、中性子吸収組
成物質を含んでいる構成要素から成っている。核分裂反
応、従って発生される熱は、核分裂反応を促進させるた
めの核分裂生成中性子の利用度を制御すると共に、核分
裂反応の反応度を定めることにより調整される。

従来の原子炉では、ウラン同位元素やプルトニウムのよ
うな核分裂性原子は、その原子核内に中性子を吸収し
て、核崩壊又は核分裂を起こす。この核分裂により、平
均して２つの、より低い原子量を有していると共により
大きな運動エネルギを有している生成物が生成されると
共に、典型的には２つ又は３つの、同じく高いエネルギ
を有している中性子が生成される。

このようにして生成された核分裂中性子は、核分裂性燃
料を含んでいる炉心内に拡散し、種々の特徴的な互いに
競合する作用により、利用されたり、利用されずに失わ
れたりする。ある中性子は炉心の周辺境界部に移動し逸
出して、この反応系から失われる。又、ある中性子は、
燃料物質内に核分裂を起こさずに放射性捕獲される。他
の中性子は、核分裂性燃料内に吸収されて核分裂を生じ
させ、これにより核分裂中性子を更に生成し、いわゆる
連鎖反応を生じさせる。即ち、高速中性子はウラン235
及び238に捕獲され、他方、熱中性子はウラン235に捕獲
される。更に他の中性子は、減速材、冷却材、種々の構
造材、燃料内に生成された核分裂生成物、並びに原子炉
制御要素のような、炉心内及び炉心に隣接している構成
要素内の種々の異質な又は非核分裂性の組成物質内に寄
生捕獲される。

核分裂反応が自続性か、漸減性か、又は漸増性であるか
は、核分裂による中性子生成と、中性子を消費させる種
々の互いに競合する作用との均衡状態で決まる。核分裂
反応が自続性の場合には、中性子増倍率は1.00に等し
く、中性子数は不変であり、原子のそれに続く核分裂を
誘発するために個々の核分裂ごとに残存する中性子は平
均して１つである。

従って、核分裂反応により発生される熱は連続的であ
る。そして、核分裂反応によって形成された、一部が高
い中性子吸収能力を有する生成物を含んでいる核分裂生
成物の効果を無効にするほどの十分な核分裂性物質がこ
の燃料系内に存在する限り、この熱は維持される。核分
裂反応により発生された熱は、上述の管状燃料容器と接
触して炉心内を循環する冷却材（例えば、水）によって
除去されて、発電のような熱利用手段へ搬送される。

核反応により生成される中性子数、従って、発生される
熱又はエネルギは、中性子が非核分裂性物質内に捕獲さ
れることによって消費又は廃棄される程度に左右され
る。この種の中性子消費は、核分裂反応中の核分裂性燃
料から成る炉心内に加えられる中性子吸収制御物質の相
対量を制御することにより調整される。

中性子吸収物質を含んでいる要素を備えた制御装置は通
常、棒、シート又はブレードの形状で設けられている。
これらの要素には、所望の中性子数、従って、所望の核
分裂反応レベルを得るのに適した程度まで核分裂燃料か
ら成る炉心内に挿入できるように、これらの要素を往復
動させる機械式又は流体圧式作動手段が設けられてい
る。

一般的な中性子吸収物質は、元素状態又は化合物状態の
ホウ素、カドミウム、ガドリニウム、ユーロピウム、エ
ルビウム、サマリウム、ハフニウム、ジスプロシウム、
銀及びインジウムを含んでいる。

発電用商業原子炉は、制御手段又は制御系が複数の制御
ユニット又は制御棒を含んでいるような規模のものであ
る。各々の制御ユニット又は制御棒は、多数の燃料バン
ドルのアセンブリ（組立体）の全体にわたって設けられ
ている空間又は隙間を通して、グループ分けされた管状
燃料容器の別々のバンドルの間を移動することにより、
炉心内へ種々の挿入深さまで選択的に往復動可能に挿入
可能である。制御棒の一般的な設計は、米国特許番号第
3020888号に示されているように、４つのブレード体を
有している要素から構成されており、この要素は中性子
吸収物質を収容している被覆体を備えている。４つのブ
レード体は相互に直角を成して放射状に突出しており、
この要素の断面は十字形になっている。この設計形状に
より、各々の制御棒要素は、炉心アセンブリの相隣り合
っている４つの燃料バンドル相互間の空間に挿入され
て、これら４つのバンドルの燃料からその核分裂により
放出される中性子束又は中性子密度を制御することがで
きる。商業発電用の水冷減速式核分裂原子炉に使用され
る典型的な制御手段についての構造設計、材料、動作機
構及び機能は、先行技術、例えば米国特許番号第302078
1号、同第3020888号、同第3217307号、同第3395781号、
同第3397759号、同第4285769号、同第4624826号、及び
同第4676948号、並びに原子炉を扱ったその他の文献に
詳細に図示説明されている。上述の米国特許を参考のた
めに引用した。

［発明の要約］ 本発明は、水冷減速式核分裂原子炉に使用するための物
質組成物の独特な構造と適用との組み合わせを含んでい
る核分裂原子炉用の制御装置によって構成されている。

［発明の目的］ 本発明の主たる目的は、重量及びコストの削減によるハ
フニウム金属を有効に利用できるようにした核分裂原子
炉内の改良された制御装置を提供することにある。

本発明のもう１つの目的は、核分裂原子炉用の改良され
た制御装置であって、制御装置のユニットの長さ及び幅
にわたって中性子吸収能力を変化させて、使用領域にお
ける不均一な中性子密度に対して制御装置の中性子吸収
能力を選択的に整合させ又は等しくさせることにより、
不必要な吸収材を除去して節減を図るようにした、ユニ
ットを容易に構築可能にする構成要素を含んでいる核分
裂原子炉用の改良された制御装置を提供することにあ
る。

本発明の更に１つの目的は、核分裂原子炉用の制御装置
であって、制御装置内に冷却材を流す手段を設けること
により液体の形態の水の存在を最大限にして、いわゆる
「中性子束トラップ」を構成するように中性子の減速及
び取り込みを向上するようにした核分裂原子炉用の改良
された制御装置を提供することにある。

本発明の更に他の１つの目的は、材料の相異及び（若し
くは）放射線レベルの領域的変化に由来する熱膨張並び
に（又は）照射成長の差異によって生じる構造変形若し
くは応力の有害な影響を克服するようにした制御装置を
提供することにある。

本発明の他の１つの目的は、一貫した性能を得るために
中性子吸収材の構造の公差が維持されるようにした制御
装置を提供することにある。

［実施例］ 第１図に示す、十字形断面を有している核分裂原子炉用
制御装置の一般的な商業用設計例に適用した本発明の好
ましい実施例に関連して本発明を詳しく説明する。十字
形制御要素を備えた制御装置及びその燃料炉心集合体へ
の利用については、前掲の米国特許に説明されている。

制御装置10は適当な制御装置駆動機構（図示していな
い）に結合されている基礎部12を含んでいる。基礎部12
は、中性子吸収要素のフレーム14を支持している。フレ
ーム14は、上部支持部材16と、下部支持部材18と、上部
及び下部支持部材16及び18を連結している細長い中心背
骨支持部又は連結棒20とを含んでいる。上部支持部材16
は、制御装置の輸送及び操作を容易にするハンドルとし
ても機能し得る。

本発明の中性子吸収要素についての前述の好ましい十字
形の実施例において、上部及び下部支持部材16及び18の
各々は、90度の角度間隔で放射状に突出して十字形を形
成している４つの腕状部を含んでいる。上部及び下部支
持部材16及び18を連結している中心背骨支持部20は好ま
しくは、同じく十字形形状であって、その４つの放射状
に突出している腕状部の長さは、上部及び下部支持部材
16及び18から突出している腕状部に対して比較的短く形
成されている。

上部及び下部支持部材16及び18の放射状に突出している
４つの腕状部と、中心背骨支持部20の４つの短い放射状
の腕状部とは、対応するもの同士が同一平面内に来るよ
うにそれぞれ整列しており、十字形形状を形成してい
る。上部及び下部支持部材16及び18の４つの腕状部も
又、相互に実質的に同一延長上にある。

金属製鞘形被覆体22が、上部支持部材16の各腕状部から
下部支持部材18のそれぞれの対応する各腕状部まで伸び
ており、中心背骨支持部20の全長に沿って中心背骨支持
部20に隣接している。被覆体22は典型的には、ブレード
状の外形を有していると共に上部及び下部支持部材の腕
状部の厚さに匹敵する内幅を有しているＵ字形のシート
メタル製ハウジングを含んでいる。各被覆体は好ましく
は、各被覆体に隣接している上部及び下部支持部材16及
び18のそれぞれの腕状部と、中心背骨支持部20とに、溶
接のような適当な手段によって固定されている。被覆体
22は又、冷却水を通すための複数の開口24を備えてい
る。

本発明に係る制御装置の前述の構造は、原子炉運転に使
用される一般的な商業用制御手段に典型的なものであ
る。前述のフレーム14及びその構成要素は通常、ステン
レス鋼又は類似の耐腐食性金属から構成されている。

本発明によれば、制御装置の中性子吸収要素は、図示の
ように複数の偏平な中空管の形状に形成されていると共
に、その管壁には開口を設けたハフニウム金属で構成さ
れている。偏平な中空管は、種々の所定の厚さを有して
いる２つの側板を実質的に平行に極めて近接して配置
し、これらの側板をその全長に沿って小径の弧状部で接
合した構造から成っている。

図面、特に第１図、第２図及び第３図を参照すれと、ハ
フニウム金属製の複数の偏平な中空管26は、管26、26′
及び26″として示すように、制御装置の各被覆体22の内
部に、相互に平行に且つ中心背骨支持部20と垂直方向に
整列して配設されている。ハフニウム製の偏平な中空管
26は好ましくは、上部支持部材16のそれぞれの腕状部に
適当な取り付け手段によって被覆体内に支持されてい
る。ハフニウム製の管の上部支持部材16への取り付け方
法は、米国特許番号第4676948号に開示されており、そ
の１つの有利な手段を第６図に示す。図示のように、一
方のフック要素28をハフニウム製の管26の上面に、又、
他方のフック要素28′を上部支持部材16に、例えば溶接
等により固定して、相互補間フック・ユニットが設けら
れている。このような構成により、取り替え作業が最初
の組み立てと同じく容易になる。

被覆体22内で上部支持部材16に取り付けられているハフ
ニウム製の中性子吸収用の複数の管26は、下方へ実質的
に下部支持部材18まで延在しているが、好ましくは下部
支持部材18に接触しないようにする。このような自由垂
下状態において、ハフニウム製の管は、熱膨張及び（又
は）照射成長に際し、フレーム部材に応力等の変形をも
たらす力を加えることなく伸長することができる。

本発明によれば、第２図及び第３図に示すように、各被
覆体22内に組み込まれたハフニウム金属製の中性子吸収
用の管26の各平坦な側板の壁厚、従って質量を変化させ
て調節することにより、放射状に突出している中性子吸
収ブレードの外方への延伸範囲に沿って伸びている中性
子吸収要素の中性子吸収能力を、使用中のブレード表面
に沿って受ける不均一な中性子束の状態に選択的に整合
させる又は等しくすることができる。一般的に、中性子
束密度はブレードの最外端又は周辺部で最大であり、ブ
レードの外方への延伸範囲の中間領域で最小となる。こ
うして中性子吸収部分の質量は、変化する中性子束の場
の必要に応じて設計される。本発明はこの面では、高価
で重いハフニウムを過剰に適用し過ぎることなく、設計
された機能を発揮するのに十分な中性子吸収能力を供給
できるように、制御装置の中性子吸収部分の質量を個々
の必要に合わせて調節するものである。

同様に、第４図に示すように、各被覆体22内に組み立ら
れたハフニウム金属製の中性子吸収用の各管26の側壁の
厚さ、従って質量を変化させて調節することにより、要
素の上端から下端までの全長に沿ってブレードの中性子
吸収能力を、同一の目的で、選択的に整合させる又は等
しくすることができる。要素の全長に沿って変化する中
性子束の条件に適合できるように中性子吸収用の管の側
壁の厚さを逐次的に変えて構成するためには、異なった
壁厚を有しているハフニウム製の偏平な中空管の数個の
部分を合体すればよい。本発明のこの面を達成するため
の適当な手段は、２つ以上の一連の管部分を端部同士を
突き合わせて溶接することより接合して、１つの連続し
たユニットとすることである。被覆体又はブレードの表
面にわたる中性子束又は密度のパターンに中性子吸収能
力を整合させるように又は等しくするように、上述のよ
うに垂直方向に沿ってハフニウム製の管を調製する方法
は、可変の中性子束の場で必要とされる以上の高価で重
いハフニウム金属を余分に適用することを回避する役目
も有する。

制御装置の被覆体22及びハフニウム金属製の管26はいず
れも、その壁を貫通している複数の開口又はオリフィス
24及び30を含んでおり、その内部区域に周囲の流体が流
入し、流出するようにしてある。冷却水がハフニウム金
属製の偏平な中空管26に流入して、中空管26内に存在す
るようにすることにより、エネルギを低減させ中性子を
捕獲するためのより有効な手段、いわゆる中性子束トラ
ップを形成している物質媒体の組み合わせが得られる。

水冷減速式核分裂原子炉における長寿命の制御棒装置
は、中性子物質を小領域に集中させることにより中性子
の自己遮蔽が得られるという動作原理を利用する。自己
遮蔽効果は、外部表面領域に顕著な吸収が生じるまで吸
収材内部での中性子吸収を遅らせる。この遅れは制御装
置の使用寿命を長くする。

いわゆる中性子束トラップの根本にある原理は、吸収材
の一部を除去し、それを減速材と交換することであり、
吸収材は吸収材ユニット内から除去しなければならな
い。

本発明は、水冷却材／減速材をハフニウム金属製の管の
中空内部に流入通過させることにより、中性子束トラッ
プを組み込んで強化する。本発明の構成の中性子束トラ
ップにおいて、始めに相互作用なしに金属吸収材の壁を
通過する高エネルギ中性子は、続いて内部の水減速材に
より減速され、それから中空の吸収材の管の内部表面区
域に吸収される。この中性子束トラップ効果は、ハフニ
ウム製の管の内部が中空であることによる吸収材の減量
を補償するもので、中実な（中空でない）金属を用いた
設計による制御装置と同じ反応度を維持するユニットを
提供する。このように、重量及びコストの削減、特に極
端に重く高価なハフニウム金属の重量及びコストの削減
という顕著な利益が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は制御装置の部分破断斜視図である。 第２図は第１図の制御装置をＡ−Ａ線に沿って見た断面
図である。 第３図は第１図の制御装置をＢ−Ｂ線に沿って見た断面
図である。 第４図は制御装置のハフニウム金属製の管の部分切り取
り立面図である。 第５図は第４図のハフニウム金属製の管をＣ−Ｃ線に沿
って見た断面図である。 第６図はハフニウム金属製の管を上部支持部材に取り付
けるための取り付け装置を示す部分断面立面図である。 ［主な符号の説明］ 10……制御装置、14……フレーム、16……上部支持部
材、18……下部支持部材、20……細長い中心背骨支持
部、22……被覆体、24、30……開口、26……ハフニウム
製の偏平な中空管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−86086（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−60585（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】互いに間隔をあけて設けられているバンド
   ルにグループ分けされており、運転時に液体冷却材に浸
   されている燃料ユニットから成っているアセンブリ内に
   核分裂性燃料の炉心を有している核分裂原子炉用の制御
   装置であって、 該制御装置は、前記アセンブリの互いに間隔をあけて設
   けられている前記バンドルの中間で前記燃料の炉心に対
   して往復動する手段を有しており、 細長い中心背骨支持部により連結されている上部支持部
   材及び下部支持部材を含んでいるフレームであって、前
   記上部及び下部支持部材の各々は、十字形の断面形状を
   有しており、前記中心背骨支持部から外方へ突出してい
   る放射状に延在した４つの腕状部を有している、フレー
   ムと、 前記上部支持部材の腕状部の各々から前記下部支持部材
   の腕状部の各々まで延在しているブレード状の形状を成
   している被覆体であって、該被覆体の各々は、前記背骨
   支持部に長手方向に沿って隣接しており、該被覆体の内
   部に、その軸に関して前記背骨支持部と整列しているハ
   フニウム金属製の平行で偏平な複数の中空管から本質的
   に成っている中性子吸収要素を収容しており、前記被覆
   体の各々と、偏平な部分にある前記平行で偏平な複数の
   中間管の各々とには、該ハフニウム製の偏平な中空管の
   長さにわたって液体冷却材を流入させると共に存在させ
   るためにその長さに沿った多数の開口がそれぞれ設けら
   れている、被覆体とを備えており、 前記被覆体内に収容されている前記ハフニウム金属製の
   平行で偏平な複数の中空管は、前記上部支持部材に取り
   付け手段で取り付けられていると共に、前記管の熱膨脹
   又は照射成長によるいかなる応力をも排除するように、
   前記下部支持部材と接触せずに前記上部支持部材から自
   由に垂れ下がっている核分裂原子炉用の制御装置。
2. 【請求項２】前記ハフニウム金属製の平行で偏平な複数
   の中空管の壁厚は、その長手軸方向の寸法が変化してい
   る請求項１に記載の制御装置。
3. 【請求項３】前記ブレード状の被覆体内に収容されてい
   る平行で偏平な隣接したハフニウム金属製の中空管は、
   同一の横断面内で壁厚が変化している請求項１に記載の
   制御装置。
4. 【請求項４】互いに間隔をあけて設けられているバンド
   ルにグループ分けされており、運転時に液体冷却材に浸
   されている燃料ユニットから成っているアセンブリ内に
   核分裂性燃料の炉心を有している核分裂原子炉用の制御
   装置であって、 該制御装置は、前記アセンブリの互いに間隔をあけて設
   けられている前記バンドルの中間で前記燃料の炉心に対
   して往復動する手段を有しており、 細長い軸方向背骨支持部により連結されている上部支持
   部材及び下部支持部材を含んでいるフレームであって、
   前記上部及び下部支持部材の各々は、前記軸方向背骨支
   持部から外方へ突出している放射状に延在した複数の腕
   状部を含んでおり、前記上部及び下部支持部材のうちの
   一方の放射状に突出している前記腕状部は、前記上部及
   び下部支持部材のうちの他方の対応する腕状部と同一延
   長上に整列している、フレームと、 前記上部支持部材の放射状に突出している腕状部の各々
   から前記下部支持部材の放射状に延在している対応する
   整列した腕状部まで延在しているブレード状の形状を成
   している被覆体であって、該被覆体の各々は、前記軸方
   向背骨支持部に長手方向に沿って隣接していると共に、
   該被覆体の内部に、ハフニウム金属製の平行で偏平な複
   数の中空管から本質的に成っている中性子吸収要素を収
   容しており、前記複数の中間管は、隣接している前記上
   部支持部材に取り付け手段で取り付けられていると共
   に、前記下部支持部材と接触せずに前記上部支持部材か
   ら自由に垂れ下がっており、且つその軸に関して前記背
   骨支持部と整列しており、前記ハフニウム製の偏平な中
   空管は、同一の横断面内で寸法が変化していると共に前
   記下部支持部材に近接する部分で寸法が減少している壁
   厚を有しており、前記被覆体の各々と、偏平な部分にあ
   る前記ハフニウム管の各々とには、該ハフニウム製の偏
   平な中空管の長さにわたって液体冷却材を通すためにそ
   の長さに沿って貫通した多数の開口がそれぞれ設けられ
   ている、被覆体とを備えている核分裂原子炉用の制御装
   置。