JPS5816712B2 - 可燃性毒物棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は原子炉の可燃性毒物枠に関し、特に、毒物質
に対する減速材の割合が比較的に大きい可燃性毒物枠に
関するものである。

大抵の原子炉構造では、減速材としても作用する冷却材
が炉心内を循環して、同炉心内の核分裂過程で生じた熱
を取り出す。

炉心は、スペーサとしての格子並びに底部及び頂部の固
着部材により束になって保持された定数の燃料棒から成
っており、これ等の燃料棒は、低濃縮度の二酸化ウラン
でつくった燃料ペレットのような核燃料の入った筒形の
管で構成されている。

燃料集合体として知られているこれ等の燃料棒の束は直
円柱に近いパターンに配置される。

原子炉の運転中、核燃料パレット内の核分裂性同位元素
が中性子を吸収し、続いて核分裂してそれにより熱を発
生する。

核分裂過程の結果、核分裂性物質が減損する池に、核分
裂生成物が形成され、その成るものが容易に中性子を吸
収する。

これ等の作用、即ち減損及び核分裂生成物の形成は、Ｕ
−２３８のような燃料親物質中における核分裂を起こさ
ない中性子吸収の際に生じる、プルトニウムのような核
分裂性同位元素の蓄積によって部分的に相殺される。

従って、核分裂性燃料の減損及び核分裂生成物の蓄積と
共に起こる炉心反応度の低下を補償するために、各サイ
クルの始めにおける炉心反応度は過剰に高くなっている
。

この過剰反応度を一次冷却材及び可燃性毒物枠中に溶解
されたホウ素の形となっている中性子吸収物質によって
制御する。

一次冷却材中に溶解したホウ素の濃度を変えて制御を行
なうと共に、燃料減損、核分裂生成物の毒作用、可燃性
毒物の減損及び低温から運転温度への減速材温度変化等
の長期間にわたる反応度諸条件を補整する。

しかし、ホウ素濃度が高くなる時に、減速材の温度係数
はそれほど負にならない。

可溶性毒物だけの使用は、初期サイクルについて、寿命
の始期における減速材の温度保針が正になる結果となり
、且つ、そのサイクルの燃料装荷に依存してその後の諸
サイクルで正の係数となりうる。

従って、可燃性毒物棒は、出力運転状態に対して負の減
速材温度係数を確保するに足るように可溶性ホウ素の濃
度を低下させるのに使用される。

可燃性毒物は新しく又は付随的に中性子を生ずることな
く中性子を吸収し、且つ中性子吸収の結果として新たな
毒物に転換されることもない。

これ等の特性を示す代表的な可燃性毒物は、天燃にある
ホウ素の約２０％を占めるホウ素−１０である。

熱中性子に照射された場合にホウ素−１０が行なう反応
は、 Ｂ ＋ｎ −＋Ｌｔ ＋Ｈｅ であり、反応の結果、新たな毒物を生成することなく一
つの中性子を吸収し、そしてホウ素−１０が減損する。

可燃性毒物は、燃料集合体内のロッド・クラスタ形制御
装置（ＲＣＣ）の種々の空位置に据え付ける燃料棒中で
使用されるのが慣例である。

燃料棒中の可燃性毒物の濃度及び炉心に挿入される可燃
性毒物棒の数は、語出力運転条件に対して減速材の温度
係数が負であることを保証するに足るまで可溶性ホウ素
濃度が低下するように定められている。

運転中、これ等の枠中の毒物質含量が減損し、従って正
の反応度が増して燃料の減損及び核分裂生成物の蓄積に
よる負の反応度の幾分かを打ち消す。

寿命末期の諸条件で若干の残留毒物が残っている場合が
あり、これは炉心の正味寿命の短縮となる。

その池、可燃性毒物棒が減速材を押しのけ、そして可燃
性毒物棒の寄生的構造材料が中性子を吸収して、炉心の
利用可能な反応度寿命を更に短縮する。

可燃性毒物棒は反応度制御に加えて、半径方向に好まし
い出力分布を得るために計画的に配置される。

米国特許第３，５１０，３５０号明細書には、二つの同
心金属管の間の環状空間にホウケイ酸塩ガラス管を入れ
た可燃性毒物棒が記載されている。

内側の金属管内部には軸方向のボイドがあって、これが
造るガスプレナムは、ホウ素が中性子を吸収する時に生
じるヘリウムガスのような反応ガス生成物を受は容れる
。

可燃性毒物枠中位置に燃料集合体内で適当に配置される
。

この特許明細書は特別な型の可燃性毒物棒について記載
しているが、寿命末期における可燃性毒物の残量をでき
るだけ少なくして炉心の寿命を延長している点で有益で
ある。

可燃性毒物を用いる燃料集合体シュラウドが米国特許第
３，６６３，３６６号明細書に記載されている。

このシュラウドは不銹鋼及びジルコニウムでつくった複
合板で構成されており、不銹鋼板には濃縮したホウ素−
１０を分散させである。

しかし、この特許は燃料集合体中の燃料要素と一諸に配
設できる可燃性毒物枠中の可燃性毒物の使用について記
載していない。

教育用原子炉の制御棒中でホウ酸又はホウケイ酸塩ガラ
スを使用することについては米国特許第３．１１０，６
５６号明細書が記載している。

勿論、制御棒中での中性子吸収材の使用は基本的なこと
であるが、一般に制御棒は照射によって減損するように
設計されていない点で制御棒に共通の欠点が認められる
。

また、可燃性毒物は核燃料物質に添加されており且つ燃
料要素被覆体の組成中でも使用されていた。

先行技術には原子炉中での可燃性毒物の使用法が多数存
在するが、それにもかかわらず、過剰反応度を補償する
ため炉心寿命の始期に十分な可燃性毒物を与えながら、
炉心を延命するよう炉心寿命の末期近くの負反応度に対
する寄与を可能な限り少なくするき言う問題は十分に解
決されていなかった。

従って、この発明の目的は現在の状況を改善する。

即ち炉心をより長寿命及びより高燃焼度にする可燃性毒
物棒を提供することである。

上記目的からこの発明は、細長い外管と、この外管内に
同心に配置される内管と、外管及び内管に取り付けられ
る上側及び下側の端栓と、外管及び内管の間に画定され
た環状室に設けられた可燃性毒物からなる環状ペレット
とを備えて原子炉内で使用される可燃性毒物棒において
、中性子減速機能をもつ原子炉冷却材が前記内管内を貫
流して前記可燃性毒物棒の冷却材含量を増大するように
、前記上側及び下側の端栓が、前記内管の内側孔に連通
ずる軸方向の通路を有することを特徴としている。

炉心寿命の始期に在る過剰反応度は炉心の全寿命を通じ
ての可燃性毒物の減損によって補償されるので、炉心の
寿命が延長する。

この発明は添付図面に一例としてだけ示すその好適な実
施例に関する以下の記載から一層容易に明らかとなろう
。

第１図及び第２図を参照すると、符号１０で総括的に示
した一つの燃料集合体は上端支持体１２と、下端支持体
１４と、案内管１６と、位置決め格子１８と、燃料要素
２０と、可燃性毒物枠２２とを備える。

上端支持体１２及び下端支持体１４は案内管１６と燃料
要素２０とを支持し、一方、位置決め格子１８は案内管
１６と燃料要素２０との間の適正な整列を維持する。

案内管１６はジルコニウムその池の低中性子吸収率の材
料でできた中空円筒管であって、その中に可燃性毒物枠
２２を支持できる。

複数の燃料集合体１０は原子炉容器（図示しない）内で
垂直に配列されて炉心（図示しない）を形成し、当該技
術で良く知られた方法で核分裂によって熱を発生するよ
うになっている。

水であるかも痛れない原子炉冷却材は、燃料集合体１０
と熱伝達関係でその中を上方へ流れ原子炉容器を貫流す
る。

このような方法で熱は燃料集合体１０から原子炉冷却材
へ伝達される。

かかる構成では可燃性毒物枠２２が中性子を吸収可能で
あり、従って炉心の反応度レベルを制御するので、各燃
料集合体１０の核燃料の濃縮度を高めることによって炉
心に過剰反応度を付与できる。

炉心に初期過剰反応度を与えることによって、新しい燃
料集合体１０を再装荷せずに炉心が熱を発生できる時間
の長さが増大する。

しかし、この考え方では、可燃性毒物枠２２が中性子の
吸収によって反応度に対し不利を生じないように、炉心
寿命の末期近くで可燃性毒物枠が減損されることが重要
である。

第３図及び第４図を参照すると、可燃性毒物枠２２は金
属製の円筒形外ざや外管２４を有している。

外ざや２４はジルコニウム管から造ることができ且つ約
９．６ｍｍ（０，３８ｉｎ ）の外径と約８．４ｍｍ
（０，３３ｉｎ ）の内径とを有する。

中央に軸方向に通路、即ち孔２８を有する下側の端栓２
６を溶接のような適当な手段によって外ざや２４の下端
に取り付ける。

外ざや２４内には金属製の円筒形内ざや内管３０を同心
に配置する。

内ざや３０はその下端で端栓２６に取り付けられている
。

内ざや３０はジルカロイ管から造ることができ且つ約５
．１ ｍｍ（０，２ｉｎ ）の外径と約４．１ ｍｍ（
０，１６ｉｎ）の内径とを有する。

開口３４のある上側の端栓３２は外ざや２４と内ざや３
０に対しそれ等の項端近くに取り付けられる。

内ざや３０及び外ざや２４がそれ等の間に限定する環状
室３６は両端を端栓２６及び３２によって閉じられてい
る。

環状室３６内にはつる巻はね３８が下側の端栓２６に乗
って配置されている。

環状室３６に一致する形の環状ペレット４０は環状室３
６の中でつる巻はね３８に乗って配置されている。

ペレット４０は炭化ホウ素−酸化アルミニウム（Ｂ４Ｃ
−Ａ１２０ｓ ）、ホウ化ジルコニウム（２−ｒＢ２）
のようなその池のホウ化物、酸化か下リニウム（Ｇｄ２
０３）のようなその池の酸化物等の可燃性毒物で構成で
きる。

つる巻はね３８はペレット４０を外ざや２４に関して大
体同じ位置に維持する働きがある。

ペレット４０は中性子吸収によって減損する時、ヘリウ
ムガスのような諸反応生成物を放出する。

ペレット４０のこれ等の反応生成物を収容するための空
所を造るように、上側の端栓３２の底部と積み重なった
ペレット４０の頂部との間の、可燃性毒物枠２２の頂部
近くに環状空間４２を設けるとよい。

勿論、これ等の反応生成物はつる巻ばね３８周りの空間
中で環状室３６の下方部分に収容することができる。

更に第３図及び第４図を参照すると、内ざや３０はその
内側に、下側端栓２６から上方へ上側端栓３２中に延び
る内側孔４４を限定している。

内側孔４４はその下端近くで中心孔２８と流体連通し、
上端で出口プレナム４６と流体連通する。

軸方向の通路即ち出口プレナム４６は上側端栓３２内に
造られており、また、開口３４とも流体連通する。

通常水であり、そして中性子減速材として働く原子炉冷
却材は外さや２４の周囲を流れるだけでなく、案内管１
６にある開口を通って上方へまた、中心孔２８と内側孔
４４と出口プレナム４６と開口３４とを通って上方へ流
れる。

このような方法で内側孔４４は水で実質的に満たされる
ようになる。

内側孔４４の水は可燃性毒物枠２２中の或は周囲の中性
子減速を実質的に強める。

可燃性毒物枠は炉心の全寿命にわたってペレット４０の
減損を実質的に増進すると共に、炉心の燃焼度を増す。

かかる可燃性毒物枠は、寿命末期の不利を誘起すること
なく炉心の初期反応度を高めることができる。

予測では、ここで説明したような可燃性毒物枠２２の使
用によって初期炉心燃焼度が約３５０ＭＷＤ／ＭＴＵ向
上し、これは初期炉心の燃料サイクルコストを約１．３
％低減させる。

このような条件下で結果的に生じるイエローケーキ（Ｕ
３０８）の節約量は約６３６３ｋｙ（１４，０００１ｂ
）である。

ペレット４０の小さな寸法差は重要ではないかも知れな
いが、可燃性毒物枠２２の水部分の増加は重要である。

従って、ペレット４０の環の厚さをできるだけ薄く製造
するだけでなく、可燃性毒物枠２２が押しのける水の量
をできるだけ少なくするべきであり、これによって中性
子減速が増す。

従って、この発明が提供する可燃性毒物枠は原子炉冷却
材に開口する内側孔又は内側通路を有しており、この内
側孔は、冷却材の押しのけ量を最少にし、それにより中
性子減速を増し、可燃性毒物枠の減損を増して核燃料の
燃焼度を高める。

この発明の好適な実施例と思われるものについて説明し
たが、勿論、当該技術に習熟した者はその池の種々の変
更及び改変を思い付くであろう。

従って、特許請求の範囲はこの発明の真の精神及び範囲
内に入る全てのかかる変更及び改変を含むものと考えて
記載されている。

例えば、つる巻ばね３８は別の偏倚機構と取り替えても
よく、ペレット４０はより強い毒物組成の粉体と取り替
えてもよい。

このような粉体は環状室３６をより小さく造れるように
するであろうから、水のための内側空間が増し、そのた
め水の押しのけ量が更に減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料集合体を部分的に断面で示す立面図、第２
図は第１図の■−■線断面図、第３図は可燃性毒物枠の
縦断面図、第４図は可燃性毒物枠の横断面図。 図中、２２は可燃性毒物枠、２４は外ざや（外管）、２
６は下側の端栓、２８は孔（軸方向の通路）、３０は内
ざや（内管）、３２は上側の端栓、３６は環状室、４０
は環状ペレット、４４は内管の内側孔、４６は出口プレ
ナム（軸方向の通路）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 細長い外管と、この外管内に同心に配置される内管
   と、外管及び内管に取り付けられる上側及び下側の端栓
   と、外管及び内管の間に画定された環状室に設けられた
   可燃性毒物からなる環状ペレットとを備えて原子炉内で
   使用される可燃性毒物枠において、中性子減速機能をも
   つ原子炉冷却材が前記内管内を貫流して前記可燃性毒物
   枠の冷却材含量を増大するように、前記上側及び下側の
   端栓が、前記内管の内側孔に連通ずる軸方向の通路を有
   することを特徴とする可燃性毒物枠。