JPH09504863A - 原子炉のための制御棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は沸騰水型原子炉のための制御棒に関するものである。前記制御棒は頂部ピースと底部ピースとを有し、それらの間に吸収部分が配置されている。前記吸収部分は中心部分（４）と該中心部分（４）から延在した４つの吸収ブレード（３）とからなる。前記吸収部分は中心部分を有し、かつ吸収部分全体の長さ方向に沿って延在するチャンネル（１０）を有している。前記チャンネルは使用の寿命の長い中性子吸収材料、例えばハフニウムでできた壁部によって取り囲まれている。前記チャンネルには少なくとも部分的に減速材、例えば軽水が満たされている。前記吸収部分は、製造中には、ハフニウム合金が完全に、あるいは部分的にα相からβ相へ転換され、その後でα相へ急速冷却されるような熱処理を受ける。

Description

【発明の詳細な説明】 原子炉のための制御棒 技術分野 本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）のための制御棒に関するものである。さら に、特に本発明は減速材物質を収容した中性子吸収材料でできた制御棒に関する ものである。 背景技術、課題の議論 原子炉炉心は普通数１００体の燃料集合体を収容している。これらは炉心内で 垂直に配置され、少なくともほぼ正方形の断面を有している。各々の燃料集合体 は燃料チャンネルによって取り囲まれた燃料棒のバンドルからなっている。該燃 料チャンネルはその両端において開放されており、原子炉の冷却材が燃料集合体 の中を流れることができるようになっている。炉心は、冷却材としても減速材と しても作用する水の中へ浸けられる。 炉心はまた多数の制御棒を有し、その各々は直角状に交差した十字形になった ４個の垂直に配置された吸収ブレードを有している。燃料集合体は普通は規則的 な格子状に配置されている。各々の燃料集合体は相互に直角をなす２つの列の燃 料集合体の中に含まれる。制御棒は普通はそれらの吸収ブレードの各々が同一の 列内に位置した２体の燃料集合体の間に配置され、各々の制御棒は制御棒のブレ ードを取り囲んで配置された４体の燃料集合体と一緒になって１つのユニットを 形成する。制御棒を炉心に挿入、引き抜きすることにより、炉心の出力分布を制 御することができる。 沸騰水型原子炉のための従来技術による制御棒は十字形に配置された４個の細 長い吸収ブレードからなっている。前記吸収ブレードは一般的にステンレス鋼で できていて、中性子吸収体として作用する炭化ボロン（Ｂ₄Ｃ）の粉末で満たさ れた多数の孔あるいは管を有している。 制御棒が原子炉炉心内へ挿入されると、中性子吸収体は中性子によって照射さ れ連続的に中性子吸収能力を失っていく。従って、制御棒はある所定の運転周期 の間使用した後には交換される。炭化ボロンが大きな中性子吸収能力を有してい ることは事実であるが、それは欠点も有している。炭化ボロンは粉末状になって いるので、それは吸収ブレードの中に充填しなければならない。炭化ボロンが中 性子を吸収すると膨張し、被覆管に対して大きな機械的応力を与える原因となる 。従って、吸収材として炭化ボロンを用いる制御棒の使用寿命は比較的短い。 使用寿命のより長い新しい制御棒に関する多数の異なった提案がなされている が、その１つの例は特許明細書ＵＳ−Ａ５０３４１８５に開示されている。これ らの提案に共通していえることは、中性子吸収体が比較的使用寿命の長い材料、 例えばハフニウムでできている点である。更に、ハフニウムが炭化ボロンよりも 、優れている点は良好な腐食特性を有していることであり、このことはハフニウ ムが冷却水との接触に耐え、従ってカプセル状にする必要がないことを意味して いる。他方で、ハフニウムは炭化ボロンほど良好な中性子吸収体ではないので、 効果の等しい制御棒を得るためには、吸収体材料の量を増加させる必要がある。 ハフニウムに関する１つの課題は、それが高価で高密度であるという点であり、 それによってこの材料で製作される制御棒は重量も価格も共に増加する。 中性子が吸収される確率は、そのエネルギーが小さい程増加する。従って、高 速中性子は非常に小さな吸収される確率を有している。特許明細書ＵＳ−Ａ４８ ７６０６０においては、吸収ブレードがハフニウムの吸収板からなっている制御 棒が開示されており、これらはその間に水の充填をされているチャンネルが形成 されるように配置されている。水は、吸収板を最初に通過する時に吸収されない 程高速の中性子を減速（エネルギー低下）させる。高速中性子は水の水素原子と の衝突によって減速され、次に吸収板の１つを通過する時には、より高い確率で 吸収されるであろう。吸収板の間に減速材を用いることにより、制御棒の吸収能 力が増加し、このことは吸収板をより薄く作ることができる。このようにして、 高価で重い吸収材料の消費量を減らすことができる。この技術は共通の知識であ り、普通は中性子トラップと呼ばれる。 上述した制御棒は４個の吸収ブレードでできており、これは十字形に配置され 、中心の支持棒、いわゆる中心棒に固定されている。制御棒はまた、例えばステ ンレス鋼でできた外部シュラウドを有している。前記中心棒は制御棒の縦方向に お ける吸収ブレードの長さに等しい長さの棒からなっている。上述した制御棒の欠 点は、減速材の体積が中心棒及びシュラウドによって制限されていることである 。制御棒の他の実施例においては、減速材の体積を増加させ、制御棒の吸収能力 を更に改善することができる。 本発明の目的は、 −大きな中性子吸収能力を有し、 −使用寿命が長く、 −製造が簡単で安価であり、 −重過ぎない、 制御棒を提供することにある。 発明の要約、利点 本発明は吸収体部分を中間に配置している頂部ピースと底部ピースとからなる 制御棒に関するものである。前記吸収部分は中心部分と該中心部分から延在した ４個の吸収ブレードからなっている。前記吸収部分は、中心部分を含みかつ吸収 部分の全体の長さ方向に沿って延在するチャンネルを有している。前記チャンネ ルは、長い使用寿命を有した中性子吸収材料、例えばハフニウムからなる壁部に よって取り囲まれている。前記チャンネルは少なくとも部分的に減速材、例えば 軽水で満たされている。 減速材を制御棒の中心部分にも配置することによって、減速材の全体積が増加 し、大きな固有の減速材体積を得ることができる。減速材の固有の体積が大きく なると、より小さな減速材の体積が複数個存在する場合よりも中性子をより大き く減速させる。このことは、中性子がより大きな体積の中ではより長い距離を移 動することができ、従って、より大きく減速可能であるという事実によるもので ある。このことは、減速材の水が吸収ブレードのおける多数の個々のチャンネル の中だけに存在していて、中心部分が中心棒によって、占拠されているような従 来の解決法に比較して、制御棒の効率が大巾に改善されることを意味している。 前記制御棒は構造が簡単であり、従って製造費も安い。制御棒の重量と費用と はその使用寿命とその効率とに対して不利に作用することがいえ、従って、吸収 板の厚さによって柔軟に規定することができる。 前記制御棒は制御棒の長さ方向に直角な方向においては屈曲性を有するように なっている。このことは地震の観点から良好な特性を提供し、また制御棒を炉心 から引き抜き、挿入すべき時に、制御棒の曲がりあるいは燃料集合体の曲がり、 あるいはその他の類似の理由によって、制御棒が炉心の中で引っかかってしまう ことを防ぐことになる。 吸収板部分を製造している間に、前記吸収板部分は熱処理され、ハフニウム合 金は完全に、あるいは部分的に、α相からβ相に転換され、その後急速にα相へ 冷却される。 図面の簡単な説明 第１図は本発明による制御棒の実施例を概略的に示している。 第２図は第１図のＡ−Ａ断面における同一の制御棒を示している。 第３図は第２図のＢ−Ｂ断面において、チャンネルの壁部がどのようにして接 合されているかを示している。 第４図は本発明による制御棒の他の実施例を示している。 第５ａ図から第５ｆ図は２枚のハフニウム板の間の接合の各種実施例を示して いる。 第６図から第１０図は本発明による制御棒の各種実施例を示し、その中で第９ ａ図と第９ｂ図は第８図のＣ−Ｃ断面を示している。 第１１ａ図と第１１ｂ図は吸収部分と頂部ピースとの間の接合部の他の実施例 を示している。 第１２ａ図から第１２ｃ図は第１１ｂ図のＤ−Ｄ断面における、リベット接合 による各種接合構造を示している。 第１３図と第１４図は吸収分と底部ピースとの間の接合部の他の実施例を示し ている。 第１４ｂ図は第１４ａ図におけるＥ−Ｅ断面を示している。 好適実施例の説明 第１図と第２図は本発明による制御棒の好ましい実施例を示している。該制御 棒は延在している吸収部分１１を間に挟んで固定するための頂部ピース１と底部 ピース２とからなっている。該頂部ピースは把手１ａと隔離ボタン１ｂとを有し 、 該ボタンは原子炉炉心の中へ挿入されている制御棒を燃料から限定的な距離だけ おいて確実に保持するためのものである。前記吸収部分は中心部分４と、該中心 部分から延在した４個の吸収ブレード３とからなる。前記中心部分と吸収ブレー ドとが一緒になって十字形チャンネル１０を形成している。前記中心部分は制御 棒の長さ方向においてほぼＬ字形断面になった４枚の薄いハフニウム板５からな っており、該板は９０度曲がっていて、その両側の曲がり部分は等しい長さを有 している。該板は４枚の吸収ブレード３と一緒になって直角交差部を形成するよ うに互いに対面的に配置されている。 チャンネルの壁部を一緒に接合し、それらを吸収ブレードの中で互いにある距 離をおいて保持するために、対向する壁部の各々にはその長さ方向において断続 的に配置された凹所７が設けられている。１つの壁部における各々の凹所は、他 の壁部に属する対応的な凹所に向けられ、それに対して溶接される。このように して、チャンネルの壁部は全チャンネルの長さ方向に沿って断続的に合体接合さ れる。第３図は第２図のＢ−Ｂ断面における接合凹所の様子を詳細に示している 。前記制御棒には各々の吸収ブレードにおいて２列になった凹所が設けられてい る。 前記板は吸収ブレードの外側エッジに沿っては一緒になって接合されていない 。これらの板の間には開口部６が残され、これは制御棒の内側と外側との間で水 を良好に交換させることができる。前記開口部６は全吸収部分の長さ方向に沿っ て延在している。制御棒内の水は高速中性子を更に減速させ、そのために中性子 はより容易にハフニウム板によって吸収されるようになる。減速されている間、 熱は解放される。ハフニウム板が中性子を吸収し、放射線を吸収することもまた 制御棒内に厳しい熱を発生させる。制御棒が満足に機能を発揮できるようにする ためには、制御棒は十分に冷却しなければならない。減速材として用いられる水 はまた制御棒内の冷却材としても作用する。吸収ブレードの外端における開口部 ６は冷却水の流れを提供し、さらに、制御棒における圧力増加の危険性をなくす 。制御棒内に水蒸気が形成されることは、それが制御棒の効果を減少させるので 、安全上の障害となるであろう。 Ｌ字形の板を接合することによって形成された十字形のチャンネルはその頂部 と底部とにおいて開放しており、従って炉心内を上方へ流れる冷却水は制御棒の 中を通過することができる。頂部ピースと底部ピースとはリベットによって吸収 部分に固定されている。吸収部分と頂部ピースとの間には開口１１ａが配置され ている。吸収部分と底部ピースとの間には開口１１ｂが配置されている。これら の開口の役割は吸収部分の中の水の流れを改良することにある。該開口は冷却水 が十分に循環することができるような寸法になっていなければならない。 第４図に示した本発明による制御棒の実施例においては、制御棒は各々の吸収 ブレードにおいて単に１列の凹所しか有しておらず、その代わりに吸収ブレード の外端が一緒にして接合されている。吸収ブレードの外端において板を接合する ことは、例えばスポット溶接あるいはリベットによって行うことができる。全部 が溶接されたエッジは制御棒の中に応力が蓄積されるので不適当である。別の実 施例においては、吸収ブレードの外端は部分的に開放していて、部分的に一緒に なって接合されている。 スペーサとして凹所を用いる代わりに、各壁部の縦方向の内側に向かった折り めを配置してもよい。対向した２枚の側壁部は、例えば、折り目に沿ったスポッ ト溶接によって接合される。この折り目は大きな十字形チャンネルを５つのより 小さなチャンネルに分割しており、これらは中心部の十字形チャンネルと吸収ブ レードに位置した４つのチャンネルとからなっている。 第５ａ図から第５ｆ図は２枚のハフニウム板の間の各種の可能性のある接合部 を示している。第５ａ図はスポット溶接を示し、第５ｂ図は拡散溶接、例えばＴ ＩＧ溶接を示している。溶接は、それが構造物に対してどのような小部分をも加 えなくてもよく、従って結果的に緩んで問題を発生させることもないという利点 を有している。溶接に係る欠点は、それが高価でかつ複雑な溶接装置を必要とし ている点にある。第５ｃ図は従来からのリベット接合を示し、第５ｄ図はリベッ トが壊れてもリベット全体が緩んでしまうことを防ぐ安全装置を設けたリベット 接合を示している。第５ｅ図は２部分リベット接合を示し、これは溶接されたり あるいはねじどめされ、また溶接でロックされている。第５ｆ図は板が一緒にな ってプレスされ、互いに他に対してロックするようになったアップセットリベッ ト接合を示している。該リベットはハフニウム以外の材料、例えばチタン、ジル コニウム、ステンレス鋼あるいはインコネル（ニッケルベースの合金）でできて いてもよい。リベット接合の利点は、それが単純で製造費が安いという点にある 。欠点は、それが多数の小さなリベットを有していて、運転開始後に多分に緩む であろうという点にある。 第６図は本発明の他の実施例を示し、これはハフニウム製のチューブと、その 上に配置されたハフニウム板でできた４枚の吸収ブレード３とからなっている。 前記ハフニウムのチューブは中心に位置したチャンネル１０を構成する。該チャ ンネルはほぼ円形の断面を有し、少なくとも部分的に減速材で満たされている。 各々の吸収ブレードは少なくとも部分的に減速材で満たされたチャンネルを構成 する。 制御棒の中性子照射はその全表面において均等に行われるものではなく、例え ば、吸収ブレードの外側部分は他の部分よりも多く照射される。制御棒の上部部 分、即ち、頂部ピースに最も近い部分も、底部ピースに最も近い下部部分よりも 多く照射される。より多く照射される中性子吸収板のこれらの部分は、制御棒の 残りの部分よりも速く燃焼される。ハフニウムを最適に用いるためには、板の厚 さを変化させなければならず、即ち、最も速く燃焼される部分にはより厚い板を 用いなれければならない。しかしながら、制御棒の強度もまた考慮に入れなけれ ばならない。 本発明の他の実施例においては、特定の照射点において中性子吸収材料の量を 増やすために、各吸収ブレードの末端にバー状の中性子吸収材料、例えばハフニ ウムが配置されている。このバーはまた底部ピースと頂部ピースとの取り付けの ためのベースとして作用してもよい。第７図は本発明による制御棒の断面図であ り、バー８が２枚の隣接した板５の間に挿入されており、これらが一緒になって 制御棒のブレードを形成している。 吸収容量、即ち、ハフニウムの量を吸収部分の軸線方向及び半径方向において 変化させることができることも望ましい。第８図はハフニウムの量が吸収部分の 軸線方向及び半径方向において変化するような、本発明による制御棒を示してい る。印をつけられた領域２０においては、ハフニウムの厚さが吸収部分の他の部 分よりも大きい。吸収容量を望み通りに変化させるための１つの方法は、吸収部 分における板厚を変化させることである。第９ａ図は第８図におけるＣ−Ｃ断面 図であり、吸収ブレードの中で板厚が半径方向においてどのように変化している かを示している。この方法の欠点は製造費がより高くなる点である。 第９ｂ図は第８図のＣ−Ｃ断面において吸収容量を変化させるための他の方法 を示しており、制御棒ブレードの中にハフニウム板２１が緩く吊されている。該 ハフニウム板はその長さを、巾、厚さが変化していてもよく、各種の孔や凹所が 設けられていてもよい。該ハフニウム板の取り付けは、吸収ブレードを頂部ピー スに取りつけるのと組合わせて行ってもよい。ハフニウム板が頂部ピースから外 れてしまうようになることを防ぐために、それは制御棒ブレードを一緒にして保 持するために断続的に配置された凹所の助けによって固定してもよい。これらの 凹所は第９ａ図及び第９ｂ図には示されてはいない。 制御棒において軸線方向及び半径方向の吸収容量を変化させるための他の方法 が第１０ａ図から第１０ｄ図に示されており、ハフニウム板の１つのエッジある いは両方のエッジを吸収部分の中心部分の方へ向かって内側へ折り返すことが示 されている。 吸収部分がハフニウムでできていて、頂部ピース及び底部ピースがステンレス 鋼でできているので、それらは、同一材料でできている場合のようには、相互に 溶接することができない。以下においては、可能な取り付けに関するいくつかの 提案がなされるであろう。原子炉スクラム（制御棒の急速挿入）の場合には、応 力は吸収部分と底部ピースとの間の取り付け部分において大きくなる。他方、吸 収部分と頂部ピースとの間の取り付け部分に係る応力は小さいので、隔離ボタン １ｂ（第１１ａ図参照）と組み合わせて製造することができる。このことは隔離 ボタンに２重の機能を与えており、即ち、制御棒と燃料との間のスペーサとして 、また吸収部分と頂部ピースとの間の取り付けのための大きなリベットとして作 用する。吸収部分と頂部ピースとの間の取り付け装置として隔離ボタンを用いる ことに対する他の方法として、リベット接合を用いることもできる（第１１ｂ図 参照）。 リベット２２を用いての取り付けは複数の異なった方法で行うことができる。 第１２ａ図から第１２ｃ図は各種の例を示している。第１２ａ図は、どのように してステンレス鋼部分２３がハフニウムのトレー２４の一端を取り囲み、トレー の他端が吸収ブレードにおけるハフニウム板２５の間に挿入されているかを示し ている。ハフニウムのトレーは吸収ブレード内のハフニウム板に溶接されている 。ステンレス鋼の部分とハフニウムのトレーとは１あるいはそれ以上のリベット ２２によって溶接されている。第１２ｂ図においては、吸収ブレードにおけるハ フニウム板２５の下部部分が相互に接触されるように圧接され、ステンレス鋼部 分２６によって取り囲まれている。該ステンレス鋼部分２６とハフニウム板２５ とは１あるいはそれ以上のリベット２２によって一緒に接合されている。第１２ ｃ図においては、ステンレス鋼部分の一端はラグ２７として形成されている。該 ラグは吸収ブレードの中でハフニウム板２５の間に挿入され、１あるいはそれ以 上のリベット２２によって固定されている。 第１３図は吸収部分と底部ピースとの間のリベット接合を示している。該取り 付け部は第１２ａ図から第１２ｃ図に示した各種例のどれを用いても作ることが できる。リベット接合の利点はそれが軽量であり、取り付けが容易であるという 点にある。リベット接合の欠点はそれが多くの小さな部分を有し、それが運転中 に多分緩むかもしれないという点にある。リベット接合に対する他の例としては 第１４ａ図及び第１４ｂ図に示したロックピン接合がある。吸収部分の端部はハ フニウムでできたラグ２８で終っており、それはピン２９によって底部部分にロ ックされている。第１４ｂ図はＥ−Ｅ断面を示し、どのようにしてハフニウムの ラグが吸収部分におけるハフニウム板の間に挿入され、溶接されているかを示し ている。ロックピン接合の欠点は、なかでも、制御棒がハフニウムのラグが相当 な重さを有しているために重くなるという点にある。制御棒の下端に多量のハフ ニウムを用いているということは、主な燃焼が制御棒の上部部分において生じる ので、結果としてはハフニウムを非効率的に使用することになる。 本発明による制御棒における吸収材料は、例えば、純粋なハフニウムあるいは 何らかのハフニウム合金、例えば、ハフニウムのジルコニウム合金でできていて もよい。他の共通な吸収材合金はカドミウム、インジウム、及び銀の合金であり 、普通は、ハフニウムの核特性に似た混合物になっている。減速材は水あるいは 固体の減速材例えば、水素化ジルコニウムからなっている。 ハフニウム板を製造している間に、それには方向性のある組織が与えられる。 板が中性子照射を受けると、ほぼ該組織の方向において照射成長が生じる。従っ て、上述したようなハフニウム板でできた制御棒は中性子照射を受けた時には曲 がる恐れがある。この曲がりを防ぐための１つの方法は、ジルコニウム合金の場 合と同様な方法でハフニウム板をβ処理することである。そのような方法は例え ばスウェーデン特許明細書第７５０２８６５−４に記載されている。この方法は 、ハフニウム板をその組織がα相からβ相に転換されるような高温にまで加熱す ることを含んでおり、このβ相においては組織は不規則的になっている。ハフニ ウム合金においてこの結晶構造を維持するためには、急速に再冷却しなければな らない。不規則組織において、照射成長は全方向において均等に発生し、従って 制御棒の曲がりは防ぐことができる。 ハフニウムに関していうとβ相への転換温度は約１８００度Ｃである。ジルコ ニウム合金のための転換温度は約９００度Ｃである。ハフニウムを適当な金属、 例えば鉄、ニッケル、クロム、ニオブと合金にすることによって、転換温度はジ ルコニウム合金の転換温度に近い転換温度にまで低下させることができる。適当 な合金を選ぶ時には、ハフニウムの腐食特性と水素ピックアップ特性が確実に維 持され、好ましくは改善されることが重要である。β処理の後では、β処理によ って生じた板内の応力を解放するためにハフニウムを熱処理、いわゆる応力除去 焼きなましをすることが適当である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．沸騰水型原子炉のための制御棒において、 −頂部ピース（１）と、 −底部ピース（２）と、 −前記頂部ピースと底ピースとの間に配置され、中心部分（４）と該中心部分 （４）から延在した４つの吸収ブレード（３）とからなる吸収部分とを具備し、 前記吸収部分がチャンネル（１０）からなり、該チャンネルが −前記中心部分（４）を含み、 −少なくとも部分的に減速材で満たされ、 −中性子吸収材料を含んだ壁部によって取り囲まれている ことを特徴とする沸騰水型原子炉のための制御棒。 ２．請求の範囲第１項に記載された制御棒において、前記チャンネル（１０） が十字形断面を有している制御棒。 ３．請求の範囲第２項に記載された制御棒において、前記吸収部分が制御棒の 縦方向においてほぼＬ字形断面を有した中性子吸収材料でできた４枚の板（５） からなり、前記板が相互に対面し、十字形断面を有したチャンネル（１０）を形 成するように一緒になって接合されている制御棒。 ４．請求の範囲第３項に記載された制御棒において、前記対向的なＬ字形板（ ５）には縦方向において断続的に分配された複数個の凹所（７）が設けられてお り、１枚の板における各々の凹所が他の板の対応的な凹所の方へ向かい、それと 接合されている制御棒。 ５．請求の範囲第３項あるいは第４項に記載された制御棒において、Ｌ字形板 （５）の厚さが変化している制御棒。 ６．請求の範囲第３項から第５項のいずれか１項に記載された制御棒において 、接合されたＬ字形板の端部間において、中性子吸収材料でできたバー（８）が 配置されている制御棒。 ７．請求の範囲第１項から第６項のいずれか１項に記載された制御棒において 、接合されたＬ字形板の端部がそれらの端部間に開口（６）が形成されるように 配 置されている制御棒。 ８．請求の範囲第１項から第７項のいずれか１項に記載された制御棒において 、一緒になって吸収ブレード（３）を形成している２枚の対向板の間に、中性子 吸収材料でできた板（２１）が配置されている制御棒。 ９．請求の範囲第１項から第８項のいずれか１項に記載された制御棒において 、前記チャンネルが、制御棒の頂部と底部において、完全にあるいは部分的に開 放されている制御棒。 １０．請求の範囲第１項から第９項のいずれか１項に記載された制御棒におい て、前記チャンネルには減速材が流れるようになっている制御棒。 １１．請求の範囲第１項から第１０項のいずれか１項に記載された制御棒にお いて、吸収部分における中性子吸収材料はハフニウムあるいはハフニウム合金で ある制御棒。 １２．少なくとも１つの合金要素と一緒に合金にされたハフニウムの吸収部分 を具備する制御棒において、該吸収部分が製造中に熱処理を受け、ハフニウム合 金が全面的あるいは部分的にα相からβ相へ転換され、そのあとでα相へ急速冷 却されることを特徴とする制御棒。 １３．請求の範囲第１２項に記載された制御棒において、前記合金要素がハフ ニウムがα相からβ相への転換温度を低下させるようになっている制御棒。