JPH10288688A

JPH10288688A - 原子炉用制御棒

Info

Publication number: JPH10288688A
Application number: JP9097094A
Authority: JP
Inventors: Tomoko Tajima; 智子田嶋; Isamu Toyokichi; 勇豊吉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-10-27

Abstract

(57)【要約】【課題】中性子吸収材の量を軸方向及び周方向に分布を
もたせて、ＭＯＸ燃料による炉心に対しても十分な反応
度価値を有し、安定した炉心運用が行える原子炉用制御
棒を提供する。【解決手段】上部に先端構造材のハンドル３、下部に末
端構造材のスピードリミッタ４を結合したタイロッド２
の径方向にＵ字状の金属製シース５を接合して複数のブ
レード６を形成すると共に、このブレード６内に中性子
吸収材のＢ₄Ｃ粉末14を充填した金属製鋼管あるいはＨ
ｆ９を配置した原子炉用制御棒において、前記中性子吸
収材が充填されている領域で、上部の領域ａ又は領域ｂ
をそれ以下の領域より、高濃縮度の中性子吸収材にて高
反応度としたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉の
炉出力を制御する原子炉用制御棒に係り、特に原子炉停
止余裕を高めると共に、高反応度化した原子炉用制御棒
に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉の炉心においては、制御
棒の配置に関して２種類のセルである、コントロールセ
ル（制御セル）及びノン−コントロールセル（非制御セ
ル）とからなり、前記コントロールセルに配置される制
御棒は、原子炉運転中の炉心に挿入されると共に、出力
調整・反応度制御用として使用される。他方のノン−コ
ントロールセルに配置される制御棒は、原子炉運転中は
炉心より引抜かれていて（全引抜き状態）、原子炉停止
時にのみ炉心に挿入される原子炉停止用の制御棒として
使用されている。

【０００３】前記コントロールセルの運用開始に伴い、
このコントロールセルに配置される制御棒は、ハフニウ
ム等の長寿命中性子吸収材を用いた新しく開発された長
寿命型制御棒が採用されている。また、他方のノン−コ
ントロールセルについては、従来より使用されているボ
ロンカーバイド（以下、Ｂ₄Ｃと呼称する）粉末を中性
子吸収材としたＢ₄Ｃ型制御棒が使用されている。

【０００４】沸騰水型原子力発電プラントは、原子燃料
の核反応を利用して軽水を熱して沸騰させ、蒸気を発生
してその蒸気を蒸気タービンに導いて発電機を駆動する
ことにより発電を行っている。

【０００５】通常、原子核燃料としては、低濃度のウラ
ン酸化物の燃料棒からなり、この燃料棒を束にして燃料
集合体を形成している。また、この燃料集合体を一定間
隔で配列して炉心を構成し、この炉心は原子炉圧力容器
内に設置されている。前記炉心においては、中性子によ
るウランの核分裂反応が行われているが、原子炉の出力
を制御するためには、この中性子の量を制御すればよ
い。従って、従来から中性子を吸収する材料を用いて制
御棒を作成し、この制御棒を前記炉心内に所定の間隔で
挿入することにより、反応中性子量を制御している。

【０００６】図12の一部切り欠き斜視図に示すように、
制御棒１としては中心部に断面が十字状のタイロッド２
を配置し、上部に先端構造材であるハンドル３を、下部
には末端構造材のスピードリミッタ４を接合する。ま
た、前記タイロッド２における十字状の突出部に対して
それぞれに、断面がＵ字状の金属製のシース５を接合し
て複数のブレード６とすると共に、このブレード６の内
部に中性子吸収材を充填した金属製鋼管によるポイズン
チューブ７を複数並べて収納して構成されている。

【０００７】前記ポイズンチューブ７に充填する中性子
を吸収する材料としては、前記Ｂ₄Ｃが代表的であり、
このＢ₄Ｃの粉末を用いて製作された制御棒をＢ₄Ｃ型
制御棒と呼んでいる。さらに、図13の一部切り欠き斜視
図に示すような制御棒８として、ブレード６におけるシ
ース５内に、中性子吸収材として板状のハフニウム（以
下、Ｈｆと称す）９を配置した制御棒も採用されてい
る。なお、現在使用されている制御棒１，８は、いずれ
も前記ウラン燃料に対して十分な反応度価値を有してい
る。

【０００８】一方、炉心における燃料中には、ウランの
核反応によって生成したプルトニウムが発生するが、近
年、この生成されたプルトニウムを回収して、ウラン酸
化物だけでなく、プルトニウム酸化物を最初から混合さ
せた燃料である、混合酸化物（Mixed-oxide ，以下、Ｍ
ＯＸと略称する）燃料が、沸騰水型原子炉に使用される
可能性が高まっている。

【０００９】しかしながら、このＭＯＸ燃料について
は、ウラン酸化物と共にプルトニウムが装荷されること
から中性子吸収量が増加し、従来の制御棒１，８による
中性子吸収量が減少するために、現在使用されている制
御棒１，８における反応度価値では不十分となる。この
反応度価値が不十分となる現象は、勿論ウラン酸化物燃
料において、ウランの濃縮度を増して行った場合におい
ても生ずる現象である。

【００１０】なお、前記制御棒における反応度価値が不
十分となる現象については、勿論中性子吸収材の充填量
を増加させることで解決するものであり、Ｂ₄Ｃ型制御
棒１においてはＢ₄Ｃの濃縮率を増加させることによ
り、また、Ｈｆ型制御棒８の場合はＨｆの重量を増加さ
せることにより達成できるが、いずれもコスト高になる
ことが欠点である。

【００１１】従来の沸騰水型原子炉における運転中の中
性子束分布は、いわゆる玉ねぎ型と呼ばれるように、燃
料集合体の軸方向において、下方が膨らむように形成さ
れている。

【００１２】これは、炉心下部においては、サブクール
（未飽和）の状態で冷却材（水）が流入し、燃料集合体
から発せられる熱によって飽和状態になり、ボイド（気
泡）が発生することにより、冷却材の密度が減少して中
性子の減速が不十分となり熱中性子とならないので、ウ
ラン燃料の核反応が起こり難くなるためである。なお、
ボイドが発生する点以下においては中性子束が高くな
り、ボイドの発生が大きくなっている燃料集合体の上部
ほど中性子束は減少する。

【００１３】従って、図14の特性曲線図で（ａ）の核分
裂核濃度の軸方向分布による曲線10で示すように、燃料
集合体においては軸方向にウランの濃縮率を変化させ
て、運転時の中性子束分布が平坦化されるように工夫さ
れており、ウラン濃縮率は概ね上部ほど高い。ここで、
図14における縦軸の 1/4Ｌ， 2/4Ｌ， 3/4Ｌは、燃料集
合体の下端と上端間の軸方向距離の４等分の位置を示し
ている。

【００１４】一方、原子炉は１年に１度定期検査に供さ
れるため、その時には原子炉停止が行われるが、この原
子炉停止時に制御棒は全挿入された状態とする。しか
し、上記のような燃料集合体が装荷された状態の炉心に
おいては、図14（ｂ）の中性子増倍率の軸方向分布で曲
線11に示すように、その上部ほど中性子増倍率が大きな
状態となる。

【００１５】なお炉停止余裕については、中性子増倍率
が高いほど小さくなることから、原子炉停止時に制御棒
が全挿入された場合の炉停止余裕は上部ほど小さくな
る。従って、制御棒の反応度価値を高めるためには、こ
の上部の反応度価値を高めることによって、最も効果的
に達成することができる。

【００１６】また、制御棒の軸方向の中性子照射量につ
いては、図14（ｃ）の中性子照射量の軸方向分布で曲線
12に示すように、制御棒は通常運転時にほぼ全引き抜き
状態となっているため、炉心下部からの中性子束によっ
て上部が照射されてピークが発生するが、下部になるに
したがって次第に中性子照射量は減少している。

【００１７】さらに、制御棒の径方向については、図15
の特性曲線図で曲線13に示すように、径方向の中性子照
射量は、制御棒の中心にあるタイロッド側より、ブレー
ド外側に向かって増加している。このことは、ブレード
外側においては、内側よりも減速材（水）が豊富にあ
り、これにより中性子が減速され易いことから、核燃料
が燃焼し易く中性子束も豊富であるためである。

【００１８】以上のように、制御棒１，８における中性
子に関する特性を考慮すると、制御棒１，８における中
性子吸収材は、上部のＢ₄Ｃにおけるボロン¹⁰Ｂ（以
下、¹⁰Ｂと略称する）の濃縮度を高めたり、あるいは、
Ｈｆ板厚等を増すことにより、Ｈｆ９の量を多くするこ
とが有効であることが分かる。

【００１９】また図16の縦断面図は、中性子吸収材にＢ
₄Ｃ粉末14を用いたＢ₄Ｃ型制御棒におけるポイズンチ
ューブ７を示したもので、この金属製鋼管内にはＢ₄Ｃ
粉末14を封入して、上下の端部をエンドプラグ15で密封
して構成されている。なお、このＢ₄Ｃ粉末14が、ポイ
ズンチューブ７の下部に移動して溜まることのないよう
に、所々にボール16を挿入すると共に、その上下にディ
ンプル17を形成して、前記ボール16の軸方向の移動を規
制することにより、Ｂ₄Ｃ粉末14が移動して下部に溜ま
ることを防止している。

【００２０】以上のようにＢ₄Ｃ型制御棒１は、内部に
前記した構造のポイズンチューブ７を設けているため
に、このポイズンチューブ７の内部に充填するＢ₄Ｃに
おける¹⁰Ｂの濃縮度を変化させたものを製作することが
容易に可能である。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】従来より使用されてい
る制御棒１，８は、ウラン燃料に対しては十分な反応度
価値を有している。しかしながら、近年の回収プルトニ
ウムを有効活用する観点で、最初からウラン燃料にプル
トニウムを混入したＭＯＸ燃料の採用が検討されてい
る。

【００２２】このＭＯＸ燃料を炉心で使用した場合に
は、燃料中のプルトニウムにより燃料における中性子吸
収量が増加して、制御棒による中性子吸収量が減少する
ために、従来の制御棒１，８における反応度価値では炉
心運用に不十分となる支障があった。

【００２３】本発明の目的とするところは、中性子吸収
材の量を軸方向及び周方向に分布をもたせて、ＭＯＸ燃
料による炉心に対しても十分な高反応度価値を有し、安
定した炉心運用が行える原子炉用制御棒を提供すること
にある。

【００２４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１記載の発明に係る原子炉用制御棒は、上部に先
端構造材を下部に末端構造材を結合したタイロッドの径
方向にＵ字状の金属製シースを接合して複数のブレード
を形成すると共にこのブレード内に中性子吸収材を充填
した金属製鋼管を複数配列した原子炉用制御棒におい
て、前記中性子吸収材が充填されている領域の上部にお
いてそれ以下の領域より高反応度としたことを特徴とす
る。

【００２５】炉停止余裕については、制御棒全挿入時の
炉心の未臨界度はウラン炉心と同等となるため、臨界に
対しての余裕は大きくなる。また、スクラム反応度につ
いては、高反応度価値とした制御棒の使用により、ＭＯ
Ｘ燃料においてもウラン燃料炉心と同等のスクラム反応
度が確保される。

【００２６】さらに、再循環ポンプトリップ時の選択制
御棒の挿入に際して、選択制御棒の挿入本数が多くて
も、ＭＯＸ燃料に対する適切な反応度価値を有する高反
応度価値制御棒であることから、挿入位置選択のフレキ
シビリティが低下しない。従って、原子炉の出力運転に
おいて、今までの実績に基づいた制御棒本数による挿入
及び挿入深さにより安定した炉心運用が行える。

【００２７】請求項２記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、請求項１において、金属製鋼管に充填している中性
子吸収材は、ブレード内で径方向の反応度分布をもって
配置したことを特徴とする。特に制御棒の径方向におい
て、上記請求項１記載の発明に係る制御棒と同様の作用
が得られる。

【００２８】請求項３記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、請求項１において、金属製鋼管に充填している中性
子吸収材は、ブレード内で軸方向の反応度分布をもって
充填したことを特徴とする。特に制御棒の軸方向におい
て、上記請求項１記載の発明に係る制御棒と同様の作用
が得られる。

【００２９】請求項４記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、請求項１乃至請求項３において、ブレード内に配置
した中性子吸収材の反応度変化を、金属製鋼管内に充填
された中性子吸収材の濃縮度を変化させることを特徴と
する。上記請求項１記載の発明に係る制御棒と同様の作
用が得られる。

【００３０】請求項５記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、請求項１乃至請求項４において、ブレード内に配置
した中性子吸収材の領域で、軸方向先端部の約３０cm以
内の領域で金属製鋼管内に金属製中性子吸収材を充填し
たことを特徴とする。制御棒上部で特に高反応度となる
領域に長寿命の金属製中性子吸収材を採用したことか
ら、金属製中性子吸収材からのＨｅガス生成がなく経済
性も高い。さらに、上記請求項１記載の発明に係る制御
棒とほぼ同様の作用が得られる。

【００３１】請求項６記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、請求項１乃至請求項４において、ブレード内に配置
した中性子吸収材の領域で、軸方向先端部の約３０cm以
内の領域を金属製中性子吸収棒又は金属製中性子吸収板
とすると共に、その分中性子吸収材を充填した金属製鋼
管の長さを短くしたことを特徴とする。制御棒上部で特
に高反応度の領域に長寿命の金属製中性子吸収材を採用
したことから、中性子吸収材からのＨｅガス生成がなく
経済性も高い。また、上記請求項５記載の発明に係る制
御棒と同様の作用が得られる。

【００３２】請求項７記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、上部に先端構造材を下部に末端構造材を結合したタ
イロッドの径方向にＵ字状の金属製シースを接合して複
数のブレードを形成すると共にこのブレード内に板状の
中性子吸収材を配置した原子炉用制御棒において、前記
中性子吸収材が配置されている領域の上部においてそれ
以下の領域より高反応度としたことを特徴とする。

【００３３】金属製中性子吸収材を採用すると共に、制
御棒上部で高反応度の領域における中性子吸収材量を増
加したので、長寿命で中性子吸収材からのＨｅガス生成
がない。また、上記請求項１記載の発明に係る制御棒と
同様の作用が得られる。

【００３４】請求項８記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、請求項５又は請求項６において、金属製シースを接
合してブレードを形成するタイロッド幅を上部領域にお
いてそれ以下の領域より細くして、上部領域の中性子吸
収材の充填量を大きくして高反応度としたことを特徴と
する。制御棒上部の領域における中性子吸収材量を増加
したことから、高反応度となり中性子吸収材からのＨｅ
ガス生成がない。また、上記請求項１記載の発明に係る
制御棒と同様の作用が得られる。

【００３５】請求項９記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、上部に先端構造材を下部に末端構造材を結合したブ
レードに中性子吸収材を埋設した原子炉用制御棒におい
て、前記中性子吸収材が充填されている領域のうちで上
部領域においてそれ以下の領域より高反応度としたこと
を特徴とする。なお、上記請求項１記載の発明に係る制
御棒と同様の作用が得られる。

【００３６】請求項10記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、請求項８又は請求項９において、ブレードに埋設し
た中性子吸収材の領域で、軸方向先端部の約３０cm以内
の領域を金属製中性子吸収材としたことを特徴とする。

【００３７】金属製中性子吸収材を採用すると共に、制
御棒上部で特に高反応度の領域における中性子吸収材量
を増加したことから、長寿命で中性子吸収材からのＨｅ
ガス生成がない。また、上記請求項１記載の発明に係る
制御棒とほぼ同様の作用が得られる。

【００３８】請求項11記載の発明に係る原子炉用制御棒
は、請求項１乃至請求項10において、中性子吸収材が配
置されている領域の上部領域が、中性子吸収材が配置さ
れた軸方向全長の１／２以下の長さであることを特徴と
する。制御棒における中性子吸収材の領域で上部１／２
以下を高反応度としているので、ＭＯＸ燃料炉心に対し
て軸方向の広範囲において適切な運用ができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について図
面を参照して説明する。なお、上記した従来技術と同じ
構成部分については詳細な説明を省略する。第１実施の
形態は請求項１に係り、図１の一部切り欠き要部拡大正
面図に示すように、制御棒18は中心部に断面が十字状の
タイロッド２を配置し、上部に先端構造材であるハンド
ル３が、下部には末端構造材のスピードリミッタ４が接
合されている。

【００４０】また、前記タイロッド２の十字状の突出部
には、断面がＵ字状の金属製のシース５を接合してブレ
ード６とすると共に、このブレード６の内部に金属製鋼
管であるステンレス鋼管内に中性子吸収材であるＢ₄Ｃ
粉末14を充填した、ポイズンチューブ19を複数本連続的
に並べて収納している。前記ポイズンチューブ19につい
ては、制御棒18として炉心内において中性子照射量が大
きい上部の領域ａにおける反応度を高くして構成する。

【００４１】前記反応度を高くする領域ａとしては、中
性子吸収材であるＢ₄Ｃが充填されている軸方向全長の
上部約1/4 の範囲であり、この範囲のＢ₄Ｃにおける¹⁰
Ｂの濃縮度を高くすることにより達成される。また、こ
の高い濃縮度については、各種検討の結果から天然¹⁰Ｂ
の20％に対して、50％〜90％が有効で、最も効果的なも
のは90％以上の場合であった。

【００４２】次に、上記構成による作用について説明す
る。沸騰水型原子炉では、燃焼がある程度進んだ炉心の
軸方向に対する核分裂核種濃度分布は、炉心下端部で一
旦減少した後に緩やかに増加して上端で最大となる。炉
心の下端では燃焼時に燃焼の進行が遅れるために、核分
裂核種濃度値が大きくなっており、炉心の軸方向長さを
Ｌとした場合に、中央部（ 2/4Ｌ）から上端にかけて
は、周囲の冷却材において発生するボイドによって、中
性子スペクトルの硬化現象が生じる。

【００４３】その結果から、発生したボイドにより熱中
性子束が低下し、燃焼遅れが生じるために、核分裂核種
濃度の軸方向分布は、上記図14（ａ）で説明したように
曲線10のようになる。炉心において曲線10に示す核分裂
核種濃度分布が存在すると、原子炉停止時の中性子増倍
率は、上記図14（ｂ）の曲線11で示したように、炉心下
端部で一旦減少後に緩やかに増加し、 3/4Ｌ〜上端にか
けてピークを持つ。

【００４４】この中性子増倍率は値が大きくなるほど、
炉停止余裕が小さく、未臨界度が浅くなることを意味す
る。また、炉心の軸方向における中性子照射量について
は、上記図14（ｃ）の曲線12で示したように、上端に近
付くほど増加し、その先端では局部的に上昇することが
分かっている。

【００４５】従って制御棒18の採用によれば、中性子照
射量が大きい上部の領域ａにおける反応度を高くしてあ
ることから、ＭＯＸ燃料による原子炉の出力運転中にお
いても、従来の実績に基づいた制御棒本数による挿入及
び挿入深さにより、炉心を安定して運用することができ
る。即ち、炉停止余裕の観点からは、制御棒18の全挿入
時の炉心における未臨界度はウラン燃料炉心と同等とな
るために、臨界に対しての余裕は大きくなる方向とな
る。

【００４６】また、スクラム反応度については、ＭＯＸ
燃料において高反応度価値の制御棒18を使用することに
より、ウラン燃料炉心と同等のスクラム反応度が確保さ
れるために、スクラム反応度として重要な50％深さまで
の投入反応度もウラン燃料の場合と同等となる。さらに
スクラム反応度は、どれくらい早く入るかが重要である
が、ＭＯＸ燃料の遅発中性子発生割合がウラン燃料より
15〜20％程度小さいため、動特性上の反応度はウラン燃
料炉心と同等である。

【００４７】なお、原子炉の再循環ポンプトリップ時に
は、炉心の安定性を維持するために、予め設定された選
択制御棒を挿入して、炉出力を一定の出力以下に抑制す
る必要がある。この際に、ＭＯＸ燃料炉心において従来
の制御棒１，８を使用すると、制御棒価値が低下するた
めに、選択制御棒の挿入本数をウラン燃料炉心より若干
多くする必要があった。

【００４８】しかし、前記選択制御棒の挿入本数が多く
なると、挿入位置選択のフレキシビリティが低下するた
めに安定した運用上は好ましくなかった。しかしなが
ら、本制御棒18のように、ＭＯＸ燃料に対して適切な反
応度価値を有する高反応度価値の制御棒であることか
ら、選択制御棒挿入時においても特別な策を講じる必要
はない。

【００４９】第２実施の形態は請求項２に係り、なお、
上記第１実施の形態と同様の構成部分及び作用と効果に
ついては詳細な説明を省略する。図２（ａ）の一部切り
欠き要部拡大正面図に示すように、制御棒20は上記第１
実施の形態と同様の形状であるが、ブレード６の内部に
収納したポイズンチューブ21については、その中に充填
したＢ₄Ｃにおける¹⁰Ｂの濃縮度を、上部の領域ａにて
ブレード６の径方向に対して、図２（ｂ）の特性図にお
ける曲線22で示す濃縮度分布のように、反応度に分布を
もたせた構成としている。

【００５０】上記構成による作用としては、制御棒20の
径方向における中性子照射量は、上記図15の曲線13で示
すように、ブレード６の外側（タイロッド２側を内側と
した場合）で急激に上昇することが分かっている。

【００５１】従って、ブレード６の外側に、より¹⁰Ｂの
濃縮度を高めた中性子吸収材であるＢ₄Ｃ粉末14を充填
することにより、ＭＯＸ燃料による原子炉の出力運転中
においても、従来の実績に基づいた制御棒本数による挿
入及び挿入深さにより、炉心を安定して運用することが
できる。なお、この場合にブレード６の外側に位置する
ポイズンチューブ21（例えば約３本）について、90％以
上の濃縮度とすることにより良好な効果が得られる。

【００５２】第３実施の形態は請求項３に係り、なお、
上記第１実施の形態と同様の構成部分及び作用と効果に
ついては詳細な説明を省略する。図３（ａ）の一部切り
欠き要部拡大正面図に示すように、制御棒23は上記第１
実施の形態と同様の形状であるが、ブレード６の内部に
収納したポイズンチューブ24については、その中に充填
したＢ₄Ｃにおける¹⁰Ｂの濃縮度を、ブレード６の軸方
向に対して、図３（ｂ）の特性図における曲線25で示す
濃縮度分布のようにして、反応度に分布をもたせた構成
としている。

【００５３】上記構成による作用としては、制御棒23の
軸方向における中性子照射量は、上記図14（ｃ）の曲線
12で示すように、制御棒24の上部で領域ａの範囲が最も
多くなる。従って、ポイズンチューブ24の上部の領域ａ
において、軸方向に反応度の分布布を持たせることによ
り、ＭＯＸ燃料による原子炉の出力運転中においても、
従来の実績に基づいた制御棒本数による挿入及び挿入深
さにより、炉心を安定して運用することができる。

【００５４】なお、この場合に最も上端部においては90
％以上の濃縮度とすることが、良好な効果が得るために
望ましいが、上記図16に示すように、ポイズンチューブ
24に充填されているＢ₄Ｃ粉末14は、ステンレスのボー
ル16とディンプル17により、ある間隔で区切ることによ
り、その軸方向の間隔毎に¹⁰Ｂの濃縮度を変えることが
容易に可能である。

【００５５】第４実施の形態は請求項１乃至請求項３に
係り、上記第１実施の形態において第２実施の形態と第
３実施の形態を共に適用したもので、これら実施の形態
と同様の構成部分及び作用と効果については詳細な説明
を省略する。

【００５６】図４（ａ）の一部切り欠き要部拡大正面図
に示すように、制御棒26は上記第１実施の形態と同様の
形状であるが、ブレード６の内部に収納したポイズンチ
ューブ27については、その中に充填したＢ₄Ｃにおける
¹⁰Ｂの濃縮度を変化させて、ブレード６の径方向に対す
る反応度を、図４（ｂ）の特性図における曲線28のよう
にする。

【００５７】また、ブレード６の軸方向に対しては、ポ
イズンチューブ27の上部で領域ａの範囲において、図４
（ｃ）の特性図における曲線29で示すように変化させ
て、反応度に分布をもたせた構成としている。なお、前
記Ｂ₄Ｃ粉末14における¹⁰Ｂの濃縮度としては50％〜90
％が好ましい。上記の構成とすることにより、制御棒26
における上部及びブレード６の径方向で外側にて、最高
反応度が得られることから、上記した第１実施の形態に
おいて説明したと同様の作用と効果が得られる。

【００５８】第５実施の形態は請求項５に係り、なお、
上記第１実施の形態と同様の構成部分及び作用と効果に
ついては詳細な説明を省略する。図５の一部切り欠き要
部拡大正面図に示すように、制御棒30は上記第１実施の
形態と同様の形状であるが、ブレード６の内部に収納し
たポイズンチューブ31については、その上部で領域ｂで
示すように上部から約30cm以内において、金属製中性子
吸収材である金属製中性子吸収棒32を挿入し、その下部
にはＢ₄Ｃ粉末14を充填した構成としている。

【００５９】また、前記金属製中性子吸収棒32として
は、原子炉運転に際してヘリウム（以下、Ｈｅと呼称す
る）ガスを発生せず、ステンレス鋼管に負担を与えない
金属製中性子吸収材で、Ｈｆを使用するのが一般的であ
るが、この外にＨｆ−ジルコニウム（以下、Ｚｒと呼称
する）合金やユーロピウム及び銀等がある。

【００６０】上記構成による作用としては、一般に制御
棒における中性子照射量は、軸方向に４分割して管理さ
れており、上記図14（ｃ）で示したように最も上部（3/
4 Ｌ〜上端（全長の約1/4 ）が最大となる。しかし、詳
細にはその先端で約30cmの範囲（領域ｂ）においては、
中性子吸収材の端部であることから、炉心内での中性子
束が最も高照射となる。

【００６１】従って、高反応度及び長寿命金属製中性子
吸収材をノン−コントロールセル用制御棒に使用する場
合には、これを前記領域ｂの範囲に配置することが特に
有効であり、かつ高価な金属製中性子吸収材の使用量
が、少ないことから経済的にも効果的である。

【００６２】第６実施の形態は請求項６に係り、上記第
５実施の形態の変形例である。図６の一部切り欠き要部
拡大正面図に示すように、制御棒33は上記第１実施の形
態と同様の形状であるが、ブレード６の内部に収納した
ポイズンチューブ34については、その上部で領域ｂで示
す上部から約30cmだけ短縮されていて、この領域ｂ部分
には金属製中性子吸収板35を配置した構成としている。

【００６３】この金属製中性子吸収板35は、板状の金属
製中性子吸収材で、これにはＨｆの外にＨｆ−Ｚｒ合金
や、ユーロピウム及び銀等がある。上記構成による作用
としては、上記第５実施の形態に比べて、領域ｂにおけ
る中性子吸収材に金属製中性子吸収板35を採用したこと
により、構造が簡易で強度及び加工性に優れている。な
お、制御棒33による作用と効果については、上記第５実
施の形態と同様のものが得られる。

【００６４】第７実施の形態は請求項７に係り、なお、
上記第１実施の形態と同様の構成部分及び作用と効果に
ついては詳細な説明を省略する。図７の一部切り欠き要
部拡大正面図に示すように、制御棒36は上記第１実施の
形態と同様の形状であるが、ブレード６の内部に金属製
中性子吸収材である金属製中性子吸収板37を配置してい
る。

【００６５】また、前記金属製中性子吸収板37は、上記
第１実施の形態と同等の理由から、上部の領域ａの範囲
における高反応度化を図るために、タイロッド38の幅を
領域ａに位置する部分のタイロッド38ａのように極力小
さくし、その分だけ金属製中性子吸収板37ａの幅を大き
くして、中性子吸収材量を多く構成する。

【００６６】上記構成による作用としては、制御棒36の
強度部材はタイロッド38及びシース６であり、原子炉ス
クラム時に制御棒36が受ける荷重条件を考慮すると、応
力的に最も厳しくなるのは下端であることから、下端部
のタイロッド38の幅を小さくして、中性子吸収材をより
多く配置するのは不可能であるが、上端部については応
力的に余裕がある。

【００６７】例えば、タイロッド38ａ部の幅を現状より
最大10mm程度まで小さくすることが可能であり、また、
金属製中性子吸収板37，37ａとしては、Ｈｆの外にＨｆ
−Ｚｒ合金や、ユーロピウム及び銀等がある。さらに、
ブレード６におけるタイロッド38，38ａ部分は、構造が
簡易で強度及び加工性に優れている。

【００６８】第８実施の形態は請求項８に係り、なお、
上記第５実施の形態乃至第７実施の形態と同様の構成部
分及び作用と効果については詳細な説明を省略する。図
８の一部切り欠き要部拡大正面図に示すように、制御棒
39は上記第６実施の形態と同様に、ブレード６の内部で
上部の約30cm以内の領域ｂに金属製中性子吸収材である
金属製中性子吸収板35ａを配置する。なお、前記金属製
中性子吸収板35ａに代わり、金属製中性子吸収棒32を採
用してもよい。

【００６９】また、上記第７実施の形態と同様に、タイ
ロッド38の幅を上部の領域ａに位置する部分について、
タイロッド38ａ部のように極力小さくしている。これに
より、タイロッド38ａ部分を小さくした分だけ、ブレー
ド６の内部に配置した前記金属製中性子吸収板35ａの幅
が大きくしている。なお、前記金属製中性子吸収板35ａ
の下部に収納したポイズンチューブ34については、その
上部で領域ｂで示す約30cmだけ短縮されていると共に、
タイロッド38ａ部分との隣接部には短いポイズンチュー
ブ34ａを配置した構成とする。

【００７０】上記構成による作用としては、上記第５実
施の形態及び第７実施の形態のように、軸方向上部の領
域ａにおいてタイロッド38ａ幅を極力小さくしたので、
金属製中性子吸収板35ａは、特に炉心内で中性子束が最
も高照射となる上部約30cmの領域ｂの範囲において、ま
た、ポイズンチューブ34ａにおいても高反応度化するこ
とができる。

【００７１】なお例えば、タイロッド38ａの幅は現状よ
り最大10mm程度まで小さくすることが可能であり、ま
た、金属製中性子吸収板35ａとしては、Ｈｆの外にＨｆ
−Ｚｒ合金や、ユーロピウム及び銀等がある。これによ
り、上記第５実施の形態の場合と同様に、高価な金属製
中性子吸収材の使用量が、少ないことから経済的にも効
果的である。

【００７２】第９実施の形態は請求項９に係り、なお、
上記した第１実施の形態と同様の構成部分及び作用と効
果については詳細な説明を省略する。図９の一部切り欠
き要部拡大正面図に示すように、制御棒40においてはブ
レード６に、中性子吸収材を充填する複数の充填孔41を
あけると共に、この充填孔41に例えば金属製中性子吸収
棒32及びＢ₄Ｃ粉末14を充填して構成する。

【００７３】なお、上部の領域ａの範囲に対しては、高
反応度化を図るために高反応度及び長寿命中性子吸収材
である金属製中性子吸収材を充填する外、それ以下の領
域の充填孔41より長い充填孔41ａをあけることにより、
中性子吸収材の充填量を増して反応度を高めることがで
きる。また、中性子吸収材としては全て金属製中性子吸
収棒32とする外に、金属製中性子吸収板35や¹⁰Ｂを濃縮
したＢ₄Ｃ粉末14としてもよく。金属製中性子吸収材に
はＨｆの外に、Ｈｆ−Ｚｒ合金やユーロピウム及び銀等
がある。

【００７４】上記構成による作用としては、第１実施の
形態と同様であるが、特に上部の領域ａの範囲で高反応
度を図る場合は、その領域ａに¹⁰Ｂを濃縮したＢ₄Ｃ粉
末14や、金属製中性子吸収材を使用し、それ以下の領域
では通常のＢ₄Ｃ粉末14を使用すると、反応度の分布変
化が容易で効果的であり、かつ経済的である。

【００７５】第10実施の形態は請求項10に係り、なお、
上記第１実施の形態及び第５実施の形態と同様の構成部
分及び作用と効果については詳細な説明を省略する。図
10の一部切り欠き要部拡大正面図に示すように、制御棒
42においてはブレード６に、中性子吸収材を充填する複
数の充填孔41をあけると共に、この充填孔41に例えば金
属製中性子吸収棒32及びＢ₄Ｃ粉末14を充填して構成す
る。

【００７６】なお、特に炉心内で中性子束が最も高照射
となる、上部の約30cmの領域ｂの範囲に対しては、それ
以下の領域の充填孔41より長い充填孔41ａをあけること
により、中性子吸収材の充填量を増して反応度を高める
ことができる。また、中性子吸収材としては¹⁰Ｂを濃縮
したＢ₄Ｃ粉末14や高反応度及び長寿命中性子吸収材で
ある金属製中性子吸収棒32の外に、金属製中性子吸収板
35としてもよく。金属製中性子吸収材にはＨｆの外に、
Ｈｆ−Ｚｒ合金やユーロピウム及び銀等がある。

【００７７】上記構成による作用としては、第１実施の
形態及び第５実施の形態と同様であるが、上部約30cmの
領域ｂの範囲において、高反応度及び長寿命中性子吸収
材である金属製中性子吸収棒32を充填したものである。
また、高価な金属製中性子吸収材の使用量が、少ないこ
とから経済的にも効果的である。

【００７８】第11実施の形態は請求項11に係り、なお、
上記第１実施の形態乃至第10実施の形態と同様の構成部
分及び作用と効果については詳細な説明を省略する。図
11の一部切り欠き要部拡大正面図に示すように、制御棒
43についてはブレード６において、中性子吸収材が充填
されている軸方向全長の上部１／２の領域ｃを高反応度
化するものである。

【００７９】従って、ブレード６内で上部１／２の領域
ｃの範囲に対して、上記第１実施の形態乃至第10実施の
形態と同様の構成とするものである。これにより、上記
第１実施の形態乃至第10実施の形態と同様の作用によ
り、それぞれの効果が得られる。

【００８０】

【発明の効果】以上本発明によれば、制御棒の上端及び
ブレードの外側で中性子照射量の多い部位に対して、反
応度を高めた分布特性の高反応度価値制御棒としたこと
から、ウラン燃料のみならずＭＯＸ燃料炉心において、
炉停止余裕やスクラム反応度、挿入位置選択のフレキシ
ビリティが低下せず、制御棒により実績のある従来のウ
ラン燃料炉心と同様の炉心運用を行うことができる。ま
た、高価な中性子吸収材を効率的に配分して採用するこ
とにより、経済的効果にも優れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施の形態の制御棒の一部切
り欠き要部拡大正面図。

【図２】本発明に係る第２実施の形態の制御棒で、
（ａ）は一部切り欠き要部拡大正面図、（ｂ）は径方向
の特性図。

【図３】本発明に係る第３実施の形態の制御棒で、
（ａ）は一部切り欠き要部拡大正面図、（ｂ）は軸方向
の特性図。

【図４】本発明に係る第４実施の形態の制御棒で、
（ａ）は一部切り欠き要部拡大正面図、（ｂ）は軸方向
の特性図、（ｃ）は軸方向の特性図。

【図５】本発明に係る第５実施の形態の制御棒の一部切
り欠き要部拡大正面図。

【図６】本発明に係る第６実施の形態の制御棒の一部切
り欠き要部拡大正面図。

【図７】本発明に係る第７実施の形態の制御棒の一部切
り欠き要部拡大正面図。

【図８】本発明に係る第８実施の形態の制御棒の一部切
り欠き要部拡大正面図。

【図９】本発明に係る第９実施の形態の制御棒の一部切
り欠き要部拡大正面図。

【図１０】本発明に係る第１０実施の形態の制御棒の一
部切り欠き要部拡大正面図。

【図１１】本発明に係る第１１実施の形態の制御棒の一
部切り欠き要部拡大正面図。

【図１２】従来のＢ₄Ｃ型制御棒の一部切り欠き斜視
図。

【図１３】従来のＨｆ型制御棒の一部切り欠き斜視図。

【図１４】燃料集合体の軸方向分布特性曲線図で、
（ａ）は核分裂核種濃度、（ｂ）は中性子増倍率、
（ｃ）は中性子照射量を示す。

【図１５】制御棒の径方向における中性子照射量特性曲
線図。

【図１６】ポイズンチューブの縦断面図。

【符号の説明】

１，８，18，20，23，26，30，33，36，39，40，42，43
…制御棒、２，38，38ａ…タイロッド、３…ハンドル、
４…スピードリミッタ、５…シース、６…ブレード、
７，19，21，24，27，31，34，34ａ…ポイズンチュー
ブ、９…ハフニウム、10〜13，22，25，28，29…特性曲
線、14…Ｂ₄Ｃ粉末、15…エンドプラグ、16…ボール、
17…ディンプル、32…金属製中性子吸収棒、35，35ａ，
37，37ａ…金属製中性子吸収板、41…充填孔。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】上部に先端構造材を下部に末端構造材を
結合したタイロッドの径方向にＵ字状の金属製シースを
接合して複数のブレードを形成すると共にこのブレード
内に中性子吸収材を充填した金属製鋼管を複数配列した
原子炉用制御棒において、前記中性子吸収材が充填され
ている領域の上部においてそれ以下の領域より高反応度
としたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項２】前記金属製鋼管に充填している中性子吸
収材は、ブレード内で径方向の反応度分布をもって配置
したことを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
【請求項３】前記金属製鋼管に充填している中性子吸
収材は、ブレード内で軸方向の反応度分布をもって充填
したことを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
【請求項４】前記ブレード内に配置した中性子吸収材
の反応度変化を、金属製鋼管内に充填された中性子吸収
材の濃縮度を変化させることを特徴とする請求項１乃至
請求項３記載の原子炉用制御棒。
【請求項５】前記ブレード内に配置した中性子吸収材
の領域で、軸方向先端部の約３０cm以内の領域で金属製
鋼管内にヘリウムガスを生成しない金属製中性子吸収材
を充填したことを特徴とする請求項１乃至請求項４記載
の原子炉用制御棒。
【請求項６】前記ブレード内に配置した中性子吸収材
の領域で、軸方向先端部の約３０cm以内の領域を金属製
中性子吸収棒又は金属製中性子吸収板とすると共に、そ
の分中性子吸収材を充填した金属製鋼管の長さを短くし
たことを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の原子炉
用制御棒。
【請求項７】上部に先端構造材を下部に末端構造材を
結合したタイロッドの径方向にＵ字状の金属製シースを
接合して複数のブレードを形成すると共にこのブレード
内に板状の中性子吸収材を配置した原子炉用制御棒にお
いて、前記中性子吸収材が配置されている領域の上部に
おいてそれ以下の領域より高反応度としたことを特徴と
する原子炉用制御棒。
【請求項８】前記金属製シースを接合してブレードを
形成するタイロッド幅を上部領域においてそれ以下の領
域より細くして、上部領域の中性子吸収材の充填量を大
きくして高反応度としたことを特徴とする請求項５又は
請求項６記載の原子炉用制御棒。
【請求項９】上部に先端構造材を下部に末端構造材を
結合したブレードに中性子吸収材を埋設した原子炉用制
御棒において、前記中性子吸収材が充填されている領域
のうちで上部領域においてそれ以下の領域より高反応度
としたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項１０】前記ブレードに埋設した中性子吸収材
の領域で、軸方向先端部の約３０cm以内の領域を金属製
中性子吸収材としたことを特徴とする請求項８又は請求
項９記載の原子炉用制御棒。
【請求項１１】前記中性子吸収材が配置されている領
域で上部領域が、中性子吸収材が配置された軸方向全長
の１／２以下の長さであることを特徴とする請求項１乃
至１０記載の原子炉用制御棒。