JPH09166680A

JPH09166680A - 制御棒ブレード

Info

Publication number: JPH09166680A
Application number: JP8227277A
Authority: JP
Inventors: Clifford Chalberg Roy; ロイ・クリフォード・チャルバーグ; Russell M Fawcett; ラッセル・モーガン・ファウセット
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 1997-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】炉停止余裕に影響を与えることなく、スクラ
ム時に当該ブレードにかかる応力を減少させることので
きる制御棒ブレードを提供する。【解決手段】重量が減少した制御棒ブレード（１０）
が、各々の制御棒ブレードの翼部を構成している選択さ
れたポイズン・チューブ（１２）の長さを減少させるこ
とにより提供される。半径方向に最も外側の所定の数の
ポイズン・チューブ（１２ｂ〜１２ｄ）の底部が、冷温
停止余裕に重大な影響を与えることなく除去される。各
々の翼部に設けられた半径方向に最も外側のポイズン・
チューブを、中性子吸収ブレード部分２８の底部エッジ
から始まって、中性子吸収ブレード部分２８の高さの４
０％よりも長くない距離まで上方に延在するように除去
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、沸騰水型原子炉用の制
御棒ブレードの設計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では、
熱源である原子炉は、燃料集合体と、制御棒とから構成
されており、これらは原子炉圧力容器（ベッセル）内に
収容されていると共に、再循環水系によって冷却されて
いる。出力レベルは、制御棒を炉心内で上下に位置決め
することにより維持されるか又は調節される。ＢＷＲ炉
心の出力レベルは更に、制御棒の位置を変化させずに、
炉心を流れる再循環流の流量を変化させることにより調
節可能である。

【０００３】ＢＷＲはまさに、ボトム・エントリ（下方
挿入）型の制御棒を採用している軽水炉システムであ
る。ボトム・エントリ型又はボトム・マウント（下方装
着）型の制御棒駆動装置は、制御棒及び駆動装置を除去
せずに燃料再装荷を可能にすると共に、燃料初装荷前又
は各燃料再装荷時のオープン・ベッセル（圧力容器を開
放した）状態における駆動装置の試験を可能にする。選
択された位置における制御棒の機械的な係止（ロック）
機構が組み込まれている電動型及び水圧型の制御棒駆動
システムは、制御棒の確実な駆動及び位置決めを行う。
制御棒の急速な挿入は、いかなる重力又は機械的システ
ムよりもずっと大きな制御棒挿入力を付与する加圧され
たアキュミュレータによって成される。

【０００４】各々の制御棒ブレードは十字形の断面を有
しており、この十字形断面により、各々の制御棒ブレー
ドは、それぞれが２×２正方形配列を成す燃料集合体を
分離している十字形ギャップ内を上方に摺動することが
可能になる。各々の制御棒ブレードは、例えばボロン・
カーバイドのような、中性子を吸収する高い傾向を有す
る材料を含有している。隣り合った燃料バンドル集合体
の間に中性子吸収材を挿入することは、核分裂における
中性子活性連鎖反応を停止させる効果を有する。

【０００５】制御棒は、出力分布形状及び反応度の制御
という二重の機能を果たす。炉心内の出力分布は炉心の
運転中に、選択された制御棒パターンの操作により制御
される。炉心の上部における蒸気泡（ボイド）の存在に
より、ＢＷＲには炉心の下部において軸方向出力ピーク
を有するという当然の性質がある。円筒に近い原子炉の
底部から入り込む制御棒は、炉心の頂部における蒸気ボ
イドを平衡させると共に重要な出力平坦化をもたらすよ
うに位置決めされる。

【０００６】運転サイクルの初期段階の間には、ボトム
・エントリ型の制御棒は、制御棒のより多くの部分を炉
心の下部に配置することにより、上述した軸方向ピーク
を減少させることを可能にする。運転サイクルの終期に
は、炉心の下部における燃料の比較的燃焼の進んだ蓄積
物及び比較的大きな消耗により、軸方向ピークが減少す
る。運転手順は、原子炉が運転サイクル全体にわたって
ほぼ同一の軸方向出力形状で運転されるように制御棒を
配置することである。

【０００７】すべての制御棒が原子炉「スクラム」（急
速停止）又は反応度調整のいずれにも有効であること
が、反応度制御機能として要求される。このため、制御
要素は、スクラムにより生ずる動的力に耐えるように機
械的に設計されている。原子炉の急速停止は、原子炉の
選択された領域に制御棒ブレードを水圧で押し入れるこ
とにより成される。スクラムに応答して、選択された制
御棒の駆動装置は、その装置に結合された制御棒ブレー
ドを上方に且つ炉心内に駆動するように伸張させる。こ
の水圧スクラムは、制御棒ブレードを非常に高速度で推
進させる。その後、即座にこれらの制御棒ブレードは停
止するに至る。これらの制御棒ブレードの非常に急速な
速度のため、及びこれらの制御棒ブレードに関連する大
きな質量のため、ストロークの終わりでの突然の停止
は、制御棒ブレード及びこれに関連した構造部品に大き
な応力（ストレス）をかける可能性がある。このこと
は、制御棒ブレードの質量に制限を課する。又、制御棒
を迅速に挿入したいがために、過度の制御棒重量は、ス
クラム速度を減少させるか、及び／又はより困難な拘束
を制御棒駆動機構に課する可能性がある。同時に、制御
棒ブレードからいくらかの中性子吸収材を除去すること
により重量を減少させることは、その有効性を減少させ
る可能性があると共に、他の技術的拘束、即ち冷温停止
余裕に否定的な影響を与える可能性がある。

【０００８】

【発明の概要】本発明は、任意の著しい減少なしに、有
効に減少した重量を有している制御棒ブレードである。
具体的に言えば、制御棒ブレードにおける吸収材の質量
が減少しているが、その減少は、スクラム性能の観点か
ら有利なものであり、冷温停止性能に否定的な影響を与
えないものである。

【０００９】本発明の概念に従えば、制御棒ブレードの
各翼（ウィング）部が多数のステンレス鋼チューブから
構成されており、これらのチューブは、平行な平面状配
列を成して並んでレーザ溶接されている。各々のステン
レス鋼チューブは、両端でプラグ（端栓）によって密閉
されている。各々の密閉されたチューブの内部容積に
は、中性子吸収材（以下、「ポイズン（毒物）」とい
う。）が含まれている。例えば、各々のポイズン・チュ
ーブは、環状の円筒室を有しており、この円筒室の内部
には、ポイズンのカプセルが積み重ねられているか、又
はポイズンの棒（ロッド）が挿入されている。ポイズン
のカプセルの場合、各々のカプセルは壁厚の薄い環状の
円筒チューブであり、このチューブは、両端でプラグに
よって密閉されていると共に、ポイズン材で満たされて
いる。好ましいポイズン材は、固められた（パックされ
た）ボロン・カーバイド粉末である。

【００１０】次に、各々の翼部が十字形の中性子吸収ブ
レード部分（セクション）を形成するように、垂直方向
に隔設された十字形の複数のタイ・ロッド（結合棒）に
溶接される。続いて、十字形のハンドルが中性子吸収ブ
レード部分の頂部エッジに溶接されると共に、十字形の
連結プレートが中性子吸収ブレード部分の底部エッジに
溶接される。連結プレートは、制御棒ブレードを制御棒
駆動装置に結合する結合部であって、連結プレートの底
端部に取り付けられている結合部を有している。

【００１１】本発明に従って組み立てられていない前述
した形式の制御棒ブレードでは、各々の翼部が、平行な
配列を成した等しい長さのポイズン・チューブ（毒物
管）を含んでおり、この配列は、制御棒ブレードの翼部
の半径方向外側エッジから支持柱まで延在している。本
発明の概念に従えば、各々の制御棒ブレードの翼部のエ
ッジからのポイズン・チューブは、ブレードの底部から
削除されており、これにより、制御棒ブレードの重量を
減少させる。ポイズン・チューブの部分的除去は、ＢＷ
Ｒの冷温状態における出力形状が非常に頂部にピークを
有するものであるので、冷温停止余裕に大きな影響を与
えない。従って、制御棒ブレードの底部におけるポイズ
ン材の減少は、冷温停止余裕を画定する中性子吸収反応
度に殆ど影響を与えない。又、原子炉の過渡変化は主と
して、制御棒ブレードがその全ストロークの６０％まで
挿入されたときに終了するので、制御棒ブレードの底部
におけるポイズン材の減少は、スクラム時の中性子吸収
の有効性に影響を与えるはずがない。

【００１２】従って、本発明の広い概念に従えば、各々
の翼部の半径方向に最も外側のポイズン・チューブを、
中性子吸収ブレード部分の底部エッジから始まって、中
性子吸収ブレード部分の高さの４０％よりも長くない距
離まで上方に延在するように除去することができる。好
ましい実施例に従えば、制御棒ブレードは翼部を有する
ように設計されており、この設計において、各々の翼部
の半径方向に最も外側のポイズン・チューブのうちの所
定数のポイズン・チューブは、制御棒ブレード部分の高
さの約６５％〜７０％である長さを有している。

【００１３】

【実施例】図１及び図３を参照すると、制御棒ブレード
１０の各々の翼部（ウィング）は、多数のステンレス鋼
チューブ１２から構成されており、これらのチューブ
は、平行な平面配列を成して並んでレーザ溶接されてい
る。溶接を容易にするために、各々のチューブ１２は、
チューブの４つのコーナ（角部）に配設された４つのロ
ーブ（丸い突出部）を有している。各々のローブ１４は
表面１４ａ及び１４ｂを有しており、表面１４ａ及び１
４ｂは、互いに直角を成していると共に、表面１４ａ及
び１４ｂの各々に対して４５゜を成して斜めに設けられ
た表面１４ｃによって連結されている。例示的な構成で
は、ポイズン・チューブ（毒物管）１２の内径は６．３
５ｍｍである。例示的な材料として、チューブ１２は、
３０４Ｓタイプのステンレス鋼で作成されていてもよ
く、ポイズン・チューブの端栓（プラグ）（図示してい
ない）は、ＥＲ３０８Ｌタイプのステンレス鋼で作成さ
れていてもよい。

【００１４】制御棒を組み立てる間に、ポイズン・チュ
ーブの一端が、円形の円筒中孔１６への中性子吸収材の
挿入を容易にするために端栓によってシール溶接され
る。好ましい一実施例によれば、各々のポイズン・チュ
ーブは、図２において詳細に示す形式のポイズン（毒
物）カプセル１８のスタック（積み重ね）を収容してい
る。各々のポイズン・カプセル１８は、薄い壁厚（例え
ば、０．０６４ｍｍ厚）の環状の円筒チューブ２０であ
り、このチューブは、端栓２２ａ及び２２ｂによって密
閉されていると共に、ポイズン（毒物）材料２４で満た
されている。好ましいポイズン材料は、ボロン・カーバ
イド粉末であり、この粉末は理論密度約７５％に詰まっ
たものである。例示的な材料として、チューブ２０は、
半硬性の（ハーフ・ハード）３０４タイプのステンレス
鋼で作成されていてもよく、端栓２２ａ及び２２ｂは、
３０４タイプ又は４３０タイプのステンレス鋼で作成さ
れていてもよい。ポイズン・カプセル１８の外径は６．
１８ｍｍであり、６．３５ｍｍの内径のポイズン・チュ
ーブ１２と相対して、ポイズン・カプセルがポイズン・
チューブ内を摺動することが可能なように十分な作用を
果たす。個々のポイズン・カプセルは、ボロン−中性子
捕獲反応により放出されるヘリウム・ガスを収容する圧
力容器として作用する。

【００１５】図５に最もよく示されているように、制御
棒ブレードの翼部が多数（例えば、１４個）のポイズン
・チューブ１２を並行関係に溶接することにより組み立
てられた後に、次に、半径方向に最も内側のポイズン・
チューブ１２ａがその両端で、十字形タイ・ロッド２６
ａの一方のアームの末端部に第１の高さの所でレーザ溶
接される。更に３つのタイ・ロッド２６ｂ、２６ｃ及び
２６ｄが、図１に記載されているように、第２、第３及
び第４の高さの所で第１の翼部に溶接される。次いで、
第２、第３及び第４の翼部が、４つのタイ・ロッド２６
ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄの各々にそれぞれ溶接さ
れて、堅固な十字形中性子吸収ブレード部分２８を形成
する。

【００１６】続いて、十字形の鋳造ハンドル３０が中性
子吸収ブレード部分２８の頂部エッジに溶接されると共
に、十字形の鋳造連結プレート３２が中性子吸収ブレー
ド部分２８の底部エッジに溶接される。ハンドル３０
は、制御棒の頂部での構造的剛性をもたらし、連結プレ
ートは、制御棒の底部での構造的剛性をもたらす。ハン
ドル３０のリブの各々は、自立型の耳部３４を有してお
り、耳部３４は、ハンドルの頂部エッジから全体的に垂
直上方に延在していると共に、ハンドルの頂部エッジか
らわずかに斜め外側に延在している。これらの自立型の
耳部３４は、制御棒ブレードを直立した位置に維持する
ように、頂部ガイド（図示していない）へ突出している
と共に頂部ガイドのビーム（横梁）を支持している。即
ち、自立型の耳部３４は、周囲の燃料集合体が除去され
たときの横方向支持をなしている。連結プレート３２
は、その底端部に取り付けられている結合部３６であっ
て、制御棒ブレード１０を制御棒駆動装置（図示してい
ない）に結合する結合部３６を有している。ハンドル及
び連結プレートは、３０４タイプのステンレス鋼で作成
されていてもよく、一方、結合部は好ましくは、ＸＭ−
１９タイプのステンレス鋼で作成されている。

【００１７】２×２配列を成す燃料集合体の間の十字型
ギャップ内における制御棒ブレード１０の垂直方向移動
を容易にするために、制御棒のハンドル３０のリブの各
々は、ハンドルの半径方向外側エッジの近くの両端にそ
れぞれ設けられた上部ローラ３８を有している。各々の
上部ローラは、隣り合った燃料集合体の燃料棒を包囲し
ている燃料チャンネルの対向した外面を支持しており、
これにより、移動する制御棒ブレードの対向する翼部と
燃料チャンネルとの間のギャップを維持すると共に、制
御棒ブレードが燃料チャンネルに掻き傷を付けるのを防
止する。同様に、４つの下部ローラ４０が結合部３６の
外周に沿って、等角度間隔で配設されている。下部ロー
ラは、十字形のガイド・チューブ（図示していない）の
内面（中央部）を支持している。

【００１８】本発明の概念に従えば、各々の制御棒ブレ
ードの翼部の半径方向に最も外側のポイズン・チューブ
１２は、中性子吸収ブレード部分２８の高さよりも短い
長さを有するように設計されている。図６に示すよう
に、これらの比較的短い長さのポイズン・チューブ１２
ｂ、１２ｃ及び１２ｄは、比較的長いポイズン・チュー
ブの頂端部と整合している頂端部を有している。この結
果、中性子吸収ブレード部分２８の底部２８ａは、幅Ｗ
₀を有しているブレード部分２８の残りの部分に比べて
減少した幅Ｗ₁を有しており、幅Ｗ₀ は幅Ｗ₁ よりも大
きい。半径方向に最も外側のポイズン・チューブの大き
さにおけるこの減少は、ブレードが等しい数のポイズン
・チューブを有していること及び選択されたチューブの
長さにおける減少がないことに比較すると、制御棒ブレ
ードの重量を減少させるという有利な効果を有する。

【００１９】ポイズン・チューブの部分的な除去は、Ｂ
ＷＲの冷温状態における出力形状が非常に頂部にピーク
を有するものであるので、冷温停止余裕に大きな影響を
与えない。従って、制御棒ブレードの底部におけるポイ
ズン材の減少は、冷温停止余裕を画定する中性子吸収反
応度に殆ど影響を与えない。又、原子炉の過渡変化は主
として、制御棒ブレードがその全ストロークの６０％ま
で挿入されたときに終了するので、制御棒ブレードの底
部におけるポイズン材の減少は、スクラム時の中性子吸
収の有効性に影響を与えるはずがない。

【００２０】従って、本発明の広い概念に従えば、各々
の翼部の半径方向に最も外側のポイズン・チューブを、
中性子吸収ブレード部分２８の頂部から、中性子吸収ブ
レード部分の高さの６０％よりも短くない距離まで下方
に延在させることができる。図６は制御棒ブレードを示
している。このブレードでは、各々の翼部が１５個のポ
イズン・チューブを有しており、半径方向に最も外側の
３つのポイズン・チューブが減少した長さを有してい
る。しかしながら、本発明の概念は、各々の翼部が任意
の特定の数のポイズン・チューブを有しているような制
御棒ブレードへの適用に制限されないことに留意される
べきである。本発明は、各々の制御棒ブレードの翼部に
おける半径方向に最も外側の３つのポイズン・チューブ
のみの長さを減少させることに限定されるものではな
い。本発明に従えば、各々の翼部に設けられた１つ又は
それ以上のポイズン・チューブの長さが減少させられ
て、制御棒ブレードの重量における対応する減少をもた
らす。更に、図５に概略して示すように、長さにおける
減少が、隣り合っている減少した長さを有するポイズン
・チューブについて等しいものである必要はない。例え
ば、減少した長さを有する連続したポイズン・チューブ
の長さを、半径方向内側方向に増分的に増加させること
が可能である。

【００２１】特定の例示的な実施例では、中性子吸収部
分２８の高さは３６６０ｍｍであり、半径方向に最も外
側のポイズン・チューブ１２ｂは、長さが１２００ｍｍ
だけ、即ち約３３％だけ減少していた。好ましい実施例
を例示の目的のみのために開示してきた。これらの実施
例の変更及び改変が制御棒設計の当業者には容易に明ら
かであろう。例えば、ボロン・カーバイド以外のポイズ
ン材料を用いることができる。具体的に言えば、チュー
ブ内のボロン・カーバイド・カプセルのスタックの代わ
りに、ハフニウム・ロッドを置き換えることが可能であ
る。このようなすべての変更及び改変は、本発明によっ
て包含されることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】一定幅の中性子吸収ブレード部分を有している
制御棒ブレードの正面図である。

【図２】中性子吸収材を含有するポイズン・カプセルの
等大図である。

【図３】溶接されたポイズン・チューブの平面配列の一
部の等大図であって、各々のチューブが図２に描いた形
式のポイズン・カプセルを受け入れる中孔を有している
ものとして示されている等大図である。

【図４】図１に示す制御棒ブレードの組み立てに用いら
れる支持柱タイ・ロッドの等大図である。

【図５】制御棒駆動装置の翼部の断面図であって、図４
の支持柱タイ・ロッドに溶接された平面状配列のポイズ
ン・チューブを示す図である。

【図６】本発明に従った幅の減少した中性子吸収ブレー
ド部分を有している制御棒ブレードの前面図である。

【符号の説明】

１０制御棒ブレード１２ステンレス鋼チューブ１４ローブ１４ａ、１４ｂ、１４ｃ表面１８ポイズン・カプセル２０円筒チューブ２２ａ、２２ｂ端栓２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄタイ・ロッド２８中性子吸収ブレード部分３０ハンドル３２連結プレート３４耳部３６結合部３８上部ローラ４０下部ローラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】十字型の中性子吸収部分（２８）と、該中性子吸収部分の頂部エッジに取り付けられているハ
ンドル（３０）と、前記中性子吸収部分の底部エッジに取り付けられている
連結プレート（３２）と、該連結プレートに取り付けられている制御棒駆動結合部
（３６）とを備えた制御棒ブレードであって、前記中性子吸収部分は、直角を成して配列された４つの
翼部を含んでおり、該翼部の各々は、並行に並んだ関係
で配列された多数のポイズン・チューブ（１２）を含ん
でいると共に、所定の高さに整列した頂端部を有してお
り、前記翼部の各々について、前記多数のポイズン・チュー
ブのうちの所定数のポイズン・チューブが、前記制御棒
ブレードの中心線軸に最も接近して位置しており、該チ
ューブの各々は、所定の長さを有しており、前記中心線
軸から最も遠くに離れて位置している少なくとも１つの
ポイズン・チューブ（１２ｂ）が、前記所定の長さより
も短い長さを有している制御棒ブレード。
【請求項２】前記翼部の各々のポイズン・チューブ
は、平面状配列を形成するように、互いに連続してレー
ザ溶接されている請求項１に記載の制御棒ブレード。
【請求項３】第１の十字型タイ・ロッド（２６ａ）を
含んでおり、前記翼部の各々は、該第１の十字型タイ・ロッドに溶接
されている請求項１に記載の制御棒ブレード。
【請求項４】第２の十字型タイ・ロッド（２６ｂ）を
含んでおり、前記翼部の各々は、該第２の十字型タイ・ロッドに溶接
されている請求項３に記載の制御棒ブレード。
【請求項５】前記ポイズン・チューブの各々は、ボロ
ン・カーバイド・カプセル（１８）のスタックを含有し
ているステンレス鋼チューブを含んでいる請求項１に記
載の制御棒ブレード。
【請求項６】前記中心線軸から最も遠くに離れて位置
している前記ポイズン・チューブの長さは、前記所定の
長さよりもほんの４０％だけ短い請求項１に記載の制御
棒ブレード。
【請求項７】前記中心線軸から最も遠くに離れて位置
している前記ポイズン・チューブの長さは、前記所定の
長さよりも約３０％〜３５％だけ短い請求項１に記載の
制御棒ブレード。