JPS60157079A - 可燃性の吸収材集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に、可燃性毒物とも呼ばれる原子炉用の可
燃性吸収材に関し、より詳細には、各々７つの原子炉制
御棒を受けいれる複数の案内筒を備えた燃料集合体から
成る原子炉の炉心に使用される可燃性の吸収材集合体で
あって、反応度を制御して、燃料集合体の使用寿命を最
終的に長くするために、該案内筒中に挿入されるように
した、吸収材集合体に関するものである。

核分裂過程には、核分裂性の燃料物質の崩壊による低質
量数の２以上の核分裂生成物の生成が含まれる。この過
程には、自己持続反応の基礎である利用可能な自由中性
子数の正味の増大も特に含まれる。原子炉が成る期間運
転した後は、燃料集合体は、核分裂性物質と共に減損す
るため、最終的に交換しなければならない。この交換は
時間とコストのかかる作業であるため、個々の燃料集合
体の使用寿命をできるだけ長くすることが望まれる。こ
の理由から、寄生的な中性子捕獲元素を計算された少量
原子炉燃料に注意深く添加することによって、熱中性子
炉において、非常に有用な効果が実現されることがある
。中性子吸収の結果として新しい中性子に変化したり、
新しい中性子又は余分の中性子を発生したりすることな
く、中性子の高吸収断面積又は吸収確率を示す場合、こ
れらの中性子吸収元素は、可燃性の吸収材と呼ばれる。

原子炉の運転中に、可燃性の吸収材の量は、徐々に減少
するため、核分裂性物質の附随した減少が補償される。

最初の大量の核分裂性物質と、計算量の可燃性吸収材と
の組合せによって、燃料集合体の使用寿命を長く、する
ことができる。燃料集合体の初期の使用段階の間に、過
剰な中性子は、可燃性吸収材によって吸収され、この吸
収材は、利用できる核分裂性物質の量が少くなる燃料集
合体の使用寿命の後手に、燃料集合体の反応度に実質的
に影響しない低中性子吸収断面積の元素に変換する。可
燃性吸収材は、燃料集合体の使用寿命の初期においては
、比較的大量の核分裂性物質を補償するが、燃料集合体
の使用寿命の後半には、中性子を捕獲する吸収材の量は
徐々に減少するので、燃料集合体の比較的一定の核分裂
レベルにおいて、その長寿命が保証される０このように
、核分裂性物質と可燃性吸収材とを、注意深く選定され
た量比ζこおいて含有する燃料集合体の場合には、比較
的一定の中性子生成及び反応度と共に、燃料集合体の長
い使用寿命が達せられる。使用可能な吸収材は、ホウ素
、ガドリニウム、サマリウム、ユーロピウムソノ他を含
み、これらの元素は、中性子を吸収することによって、
中性子に対し実質的に透過的な、中性子捕獲断面積の充
分に低い同位元素に変換される。

このように、燃料集合体中に可燃性吸収材を合体するこ
とは、核分裂性物質の能力を増大させることｌこよって
原子炉の炉心の使用寿命を長くする有効な手段として、
原子力技術において認識されている。可燃性吸収材は、
核分裂性物質と一様に混合して、即ち分布吸収材として
使用されるか、又は、原子炉の炉心内に別の要素として
、ばらばらに配設される。それによって、原子炉の炉心
の正味の反応度は、炉心の活動寿命の間比較的一定ｌこ
保たれる。しかし核分裂性物質と共に直接にか又は別の
要素として、原子炉の炉心内に可燃性吸収材を使用する
ことには、最初に設計される核分裂性物質の交換サイク
ル以上に成る燃料集合体の寿命を延長させることについ
て、成る制限条件が存在する。−例として、発電用の原
子炉は、核分裂性物質のｌコか月の交換運転サイクルに
ついて通常設計されている。この運転サイクルの終了時
には、原子炉の運転サイクルを次のｌ−か月に延長する
ためｔζ、核分裂性物質を含有した燃料棒の約／／３の
交換ｌこよって炉心の燃料交換を行なうことが必要にな
る。核分裂性物質の交換の過程は、多くの時間（例えば
６週間）を要するだけでなく、その間発電ができないこ
とにより、コスト高を招く。そのため、核分裂性物質の
交換を必要とせずにこれらの発電用原子炉の運転サイク
ルを例えば／１か月に延長するための手段を開発するこ
とが必要とされていた。

核分裂性物質と共Ｉζ使用する場合にも、原子炉の炉心
内で別の要素と共に使用する場合にも、可燃性吸収材の
使用によって、炉心寿命と運転サイクルとを長くできる
ことは、従来から知られているが、可燃性の吸収材をこ
のように使用することには、特に成る所定の運転サイク
ルについて設計された既存の原子炉の場合、成る制限条
件が存在する。例えば燃料棒に可燃性吸収材を使用する
場合、核分裂性物質の対応する排除及び喪失、典型的に
は約グ％よりも大きな排除及び喪失を生ずる０可燃性吸
収材はこのように原子炉の運転中燃料棒から取出せない
ため、吸収材の存在は、排除された核分裂性物質の割合
によって熱束を、また綜加熱速度（ｋｗ／　ｆｔ　）を
増大させることによって炉心の熱余裕を不利にする。別
の対策として、原子炉の運転す、イクルを長くするよう
に、各々の燃料棒中の核分裂性物質を高濃度としてもよ
い。高濃度の核分裂性物質を用いることの補償として、
複数の棒状の可燃性吸収材を炉心全体に挿入することが
必、要になる。現用されている大部分の原子炉は、可燃
性の吸収材を使用しており、これらの吸収材は、燃料棒
内の核分裂性物質を排除するため、可燃性吸収材料の棒
の設置は不具合なことから、このように棒状の可燃性吸
収材料を用いることは、必ずしも可能ではない。更に、
これらの既存の原子炉において核分裂性物質を高濃度と
することは、それによる燃料棒１本当りの高発生熱量を
適切に制御し得ないことによって制限される。このよう
に、それ自身燃料棒を排除する可燃性吸収材の棒の必要
も、燃料棒内の核分裂性物質を高濃度とする能力も、成
る制限の下におかれるため、原子炉の運転は、その最大
定格以下の出力において行なわれる。この出力の減少に
よる経済的損失は、一般には、原子炉の運転サイクルの
寿命を長くすることによっては補償できない。

従って、既存の原子炉にも、例えば発電用の将来の原子
炉にも使用でき、その運転サイクルを長（し、前述した
発生熱の不具合を除き、核分裂性物質のサイクルコスト
を減少させることのできる可燃性の吸収材集合体の要求
が存在し、この要求は末だ充足されていない。

本発明の一般的な目的は、前記の可燃性吸収材の使用に
よって結果として生ずる不具合を克服又は防止すると共
に、制御棒又は計装を受けいれるための複数の案内筒を
備えた原子炉に一般に使用される前記の可燃性吸収材の
特定の要求を満たすようにした、可燃性の吸収材集合体
を提供することにある。本発明の特定的な目的は、核分
裂性物質の交換が必要となる才での運転サイクルを例え
ば１２か月からｉｔか月まで長くするために発電型のよ
うな既存の原子炉に遡及取付は可能とした、可燃性の吸
収材組立体を提供することにある。

本発明の別の目的は、炉心の熱余裕を大きくし、運転サ
イクル終了時の残留反応度の不具合を最小とすることに
ある。

本発明の更に別の目的は、核分裂性物質を排除する可燃
性吸収材を不要とする可燃性吸収材集合体を提供するこ
とにある。

本発明の更に別の目的は、原子炉をその最大定格出力に
おいて運転することを可能にする可燃性吸収材集合体を
提供することにある。

本発明の更に別の目的は、原子炉の出力をその運転サイ
クルに亘って平たんにし、個別の燃゛料棒の作動温度を
低下させるようにした、可燃性の吸収材集合体を提供す
ることにある０本発明の更に別の目的は、原子炉の炉心
内に径方向に配設された１個以上の燃料集合体を使用し
てピーク出力の燃料棒を所望の限度内に維持することに
より、半径方向出力分布の微調節を可能とした、可燃性
の吸収材集合体を提供することにある。

本発明の更に別の目的は、どんな時には遡及取付けによ
り照射済み燃料要素に対する毒作用を示す能力を可能と
する可燃性の吸収材集合体を提供することにある。

本発明の７つの実施例に従って、原子炉に用いる可燃性
の吸収材集合体が提供されている。

この集合体は、可燃性の吸収材を収納する複数の要素を
有し、これらの要素の各々は、それを貫通する通路を有
し、該要素は、集合体を通って長手方向に延びる複数の
チャネルを該要素内の該通路が形成するように、互いに
近接して配置される。

本発明のこの実施例に従って、前記要素は、三角形状の
３つの要素又は四角形状のダつの要素を形成するように
配列され、複数のチャネルは、互いに平行に、従って集
合体の長手方向軸線と平行に配列される。

本発明の前記実施例に従って、前記要素の１つの共通端
に固定された第１キヤツプとその他方の共通端に固定さ
れた第コキャップとが、各要素を互いに近接して固定す
るために用いられる。第１キヤツプは、複数のチャネル
の各々に流体を供給する手段を有し、第コキャップは、
原子炉の炉心の管内に吸収材集合体を取外し自在に固着
するための固着手段を備えている０次に本発明の好まし
い実施例を添付図面を参照して説明する０ 同様の要素は同一の符号によって示した図面を参照して
説明すると、第１図には、原子炉の　１燃料集合体ｌθ
０の一部分が斜視図により図示されている。燃料集合体
１０θは、大体において、多数の燃料棒１０コによって
形成され、燃料棒ｌＯλは、互いに近接して平行に整列
さ札燃料集合体１００の長さに沿い延長している。

燃料棒１０コは、燃料集合体１００の長さに沿って隔置
された複数の支持格子１ｏ４ｔによって、相互から隔置
された関係に保たれている。いくつかの制御棒案内シン
プルないしは案内筒１０６は、燃料棒１０コのマトリッ
クス内に位置決めされている。支持格子ＩＯ’ｌは、燃
料集合体ｉｏｏの内部の所定位置に配置された案内筒１
０≦に固着してあり、支持格子１ＯＩＩは、燃料棒１０
２の配列を横方向に隔だでると共に、横方向に拘束して
いる。燃料棒１００は、上部ノズル１０１　（第３図参
照）及び下部ノズル（図示しない）を有し、案内筒１０
６の上端及び下端は、これらのノズルにそれぞれ固着さ
れ、集合体の各部分を損傷させずに慣用されるように取
扱うことのできる一体的な集合体を形成している。案内
筒１０＆は、典型的には、支持格子ｔｏｐ及び下部ノズ
ル（図示しない）との溶接整合性を得るための、図示し
ないノズルを備えている。

案内筒ｉｏｔは、第１図に示すように、燃料棒１０コの
マトリックス内に配設されている。

核分裂過程を制御するために、多数の制御棒（図示しな
い）が、燃料集合体１００の案内筒ｉｏｔ内に往復運動
自在に配設されている。制御棒は、原子炉の核分裂過程
の制御において慣用されるように、原子炉の運転時間の
約コθチの時間案内筒１０６内に挿入されるに過ぎない
。

第１図に示した特定の構成について以上に燃料集合体を
説明したが、この構造は、本発明の一部分ではない構成
の典型的な燃料集合体の単なる一例を示すものにすぎな
い。

第２〜７図には、本発明による可燃性吸収材集合体ｉｉ
θの構成が図示されている。可燃性吸収材集合体／１０
は、可燃性吸収材料を収容した複数の細長い筒状要素ｌ
／コから成っている。使用可能な可燃性吸収材の例とし
ては、ホウ素、ガドリニウム、サマリウム、ユーロピウ
ムその他があり、これらは、中性子を吸収すると、中性
子に対して実質的に透過性になるように中性子捕獲断面
積が十分に小さな同位元素を生成する。各々の管状要素
１／コは、第３図に示すように、中空の細長い円筒一体
として形成され、長手方向のチャネルを形成するように
円筒体を通って延びる通路／’／’Ｉを備えている。可
燃性吸収材料を収容した管状要素／／コは、本出願人か
ら、ウェット・アニユラ−・パーナブル・アブンーバー
・チューブという商品名の下に市販されている。管状要
素／／コは、λつのジルコニウム合金製の同心状の細長
い円筒体／／Ａ、／／ｌの間に挾持されて両端が円筒体
の環状開口部に封着された可燃性吸収材の薄い層により
形成されていてもよい。

第２，３図に示した本発明の実施例によれば、可燃性吸
収材集合体／１０は、互いに隣接するように三角形状に
配列された３つの細長い管状要素／／２から成っている
０更に詳細に説明すると、通路／／’Ｉによって形成さ
れたチャネルは、互いに平行に、また可燃性吸収材集合
体の長手方向軸線と平行に、可燃性吸収材集合体１１０
を通り長手方向に延長している。管状要素／／２の典型
的な長さは、約３３〜３４　ａｍ　（／ｌ〜／コフィー
ド）であるが、本発明に従ってこれ以外の長さの可燃性
吸収材集合体／１０を用いてもよい。また各々の管状要
素／／２は。

一体面な管状要素として形成することは必要ではない。

即ち、各々の管状要素／／コは、所望の長さの複合管状
要素を形成するように端部同士突合せた関係に互いに固
定させた複数の短い長さの管状要素から成っていて、も
よい。この後□ 者の構成には、各々の管状要素／／λの長さに沿って可
燃性吸収材料の量を容易に変更しうるという利点がある
。管状要素／／２を複合形とした場合、これらの要素は
、溶接継手、スリーブ継手その他により端部同士突合せ
た関係に固定することができる。

管状要素／／２は、頂部キャップｉａｏ及び底部キャッ
プｌコ２によって、互いに近接した位置に固着される。

頂部キャップ／ＪＯは、管状要素／／コをその一端内に
固着した中空円筒体として形成される。頂部キャップ／
、１０の他端には、後述するように案内筒１０６内に可
燃性吸収材集合体／１０をリリーズ自在に固定するため
の、３つの隔置された突部ｌλダが、円周上に形成され
ている。底部キャップ／、２コは、管状要素ｌｌコを一
端に固着した円筒体から、同様ｉこ形成され、底部キャ
ップ／ココの他端は、小径の通し孔／コロを除いては、
実質的に閉鎖されている。即ち、頂部キャップ／−〇は
、管状要素／／２の一方の共通端に固着してあり、底部
キャップｌコＯは、管状要素／／コの他方の共通端に固
着されている０第Ｓ図に示した本発明の第２実施例によ
る可燃性の吸収材集合体は、参つの管状要素／　／　、
２’を有し、これらの管状要素／／２°は、はぼ矩形あ
配列で長手方向に延びる別々のチャネルを形成している
Ｏ第３図を参照して、可燃性の吸収材集合体１１０は、
燃料集合体１００の案内筒１０６のうちの１つに挿入す
ることができる。案内筒１０４は、突部／２ダを受けい
れるための嵌合する切欠きｉａｔを、ノズル１０１内の
頂部に備えている。可燃性の吸収材集合体／１０は、切
欠きｌコを内に突部／２ｕを嵌合させることによって、
案内筒ｉａｔ内に固定される。切欠き／２１に対する突
部／２４ｔの強固な保合をより確実にするために、偏向
ばね／３０が、嵌合する切欠き／２を内に突部ｌａダを
押し込むように、ピン／３２により案内筒１０６の頂部
に固着されている。偏向ばね／３０は、湾曲部分／３４
Ｉを有し、この湾曲部分は、可燃性吸収材集合体／／θ
を案内筒ｉａｔ内に挿入したりそれから引出したりする
操作を容易にするように、突部ｌコダの湾曲部分／、３
＆と係合する。原子炉の流体、典型的には、減速冷却材
として働らく水は、第３図の右側から案内筒１０４に入
り、可燃性の吸収材集合体／１０の底部キャップ１２コ
の通し孔ｌコロを通り、管状要素ｌココ内に形成された
長手方向のチャネルを経て上方に流れる。原子炉の′流
体は、矢印によって示すように、案内筒１０６の内側壁
面と可燃性吸収材集合体との間に形成された環状スペー
スを通って、可燃性の吸収材集合体／１０の回りに流れ
る。

可燃性吸収材料を有する細長い管状要素／／２のクラス
ター配列から成る可燃性の吸収材集合体は、第７図に示
すように、外側に配設された弘本の案内筒１０６内に取
外し自在に位置決めすることができる。所望ならば、中
心部に配置された案内筒ｉａｔ内に第Ｓの可燃性の吸収
材集合体／１０を挿入してもよい。この案内筒ｌθ６は
、一般には、種々の計装を配置するために用いられる。

より詳しくは、第ｅ図に示すように３つの管状要素／／
２のクラスターを有する可燃性の吸収材集合体／１０を
、＃Ｘ／６の燃料棒配列を備えた燃料集合体に挿入し、
第Ｓ図に示すようにｖ個の細長い管状要素のクラスター
を有する可燃性の吸収材集合体は、／ｌ’Ｘ／ｆの燃料
棒配列を備えた燃料集合体に使用することができる。

可燃性の吸収材集合体／１０の相対強度は、クラスター
内に配設された管状要素の数と、各管状要素の可燃性吸
収材による装荷との関数である。二側として、７２〜１
１重量％の範囲の炭化ホウ素を管状要素／／２に装荷し
た場合、相対吸収強度は、単一の管状要素に対しては１
．０゜２つの管状要素のクラスターに対しては八り〜／
、ｔ、３つの管状要素のクラスターに対してはコ、ｌ〜
コＪ、Ｆつの管状要素のクラスターに対しては２．３〜
３．０になる。不燃性吸収材料を代用したり、中性子捕
獲断面積の異なる可燃性吸収材料を用いたりすることに
よって、可燃性吸収材料の相対吸収強度を異ならせるこ
ともできる。

このようにして、第１図に示した燃料集合体１００と共
に使用する異なった相対吸収強度の可燃性吸収材集合体
／１０が得られる。相対吸収強度の異なった可燃性吸収
材集合体／１０は、集合体を横切る方向に顕著な出力勾
配を示す燃料集合体１００に対する毒作用に必要な適応
性を与える点で、好ましいと考えられている。更に、可
燃性吸収材集合体ｉｔｏの微調整によって、燃料集合体
ｌθθ内部の半径方向出力分布が更に制御されるため、
原子炉運転中の低ピーキング係数が実現される。

可燃性の吸収材組立体ｌ／θのバーンアウト挙動は、−
緒にクラスターにされた可燃性吸収材料を含有する個別
の燃料要素の数によっても惹起される。第６図の線図に
は、可燃性吸収材集合体ｔｉｏ内に一緒にクラスターに
された異なった数の管状要素ｉｔコを備えた可燃性吸収
材集合体ｉｉθのバーンアウト挙動がプロットされてい
る。例えば、只１つの管状要素／／２を有する可燃性の
吸収材集合体１１０の残留相対反応度は、ｌコか月より
も短かい期間は最初の値に一定に保たれており、／２か
月になると、管状要素内の可燃性吸収材の反応度は実質
的に減衰し始める。他方では、３個の管状要素を有する
可燃性吸収材集合体／１０の相対反応度は、／１か月よ
りも長い期間その最初の値に一定に保たれてい−る。第
６図に留意して、可燃性吸収材料を含有するλ〜ｙ個の
管状要素のクラスターを備えた集合体ｌ／θを用いると
、１個のみの管状要素を備えたものよりも良い結果が得
られる。従って、案内筒１０６内に挿入するようにした
可燃性吸収材料を含有する管状要素／／２のクラスター
配列を備えた本発明による可燃性の吸収材集合体／１０
を使用することにより、燃料集合体１００の反応度を、
より長い期間低値に保つことができる。

本発明による可燃性の吸収材集合体／１０は、従来技術
の燃料排除可燃性吸収材の使用を不要としたことと、半
径方向出力分布の微調節と、可燃性吸収材の添加に通常
対応する炉心の減損に伴なう炉心の半径方向ピーキング
係数の増大の減少及び遅延とによって、炉心の熱余裕を
増大させる。

第７図の線図には、可燃性吸収材を含有する燃料要素ク
ラスターを含む本発明による可燃性の吸収材集合体及び
１つのみの可燃性吸収棒又は管状要素を有する従来の可
燃性吸収材集合体について、燃料集合体のピーク出力及
び平均出力と運転サイクルの劣化との関係がプロットさ
れている。この線図から分かるように、本発明による可
燃性吸収材集合体／１０を使用すると、運転サイクルの
最初のＶ３の間は、燃料集合体の出力は、その平均レベ
ルに制御される０この時からは、燃料集合体の出力は、
その運転サイクルの残りの期間について徐々に減衰し始
める。

しかし従来の可燃性吸収材集合体を用いた場合には、運
転サイクルの最初の功の間は、燃料集合体の出力をそり
平均値に保つことはできない。即ち、燃料集合体の出力
は、図示したように、その運転サイクルの約９かＢ１で
、ピーク値まで徐々に増大し、その時以後は減衰し始め
る。このように、本発明による可燃性吸収材集合体／１
０を使用すると、原子炉の運転サイクルの間の燃料集合
体の出力がより一様に制御される。

以上に説明したように、本発明による原子炉の炉心の可
燃性吸収材集合体は、制御棒を各々受けいれる複数の案
内筒を備えた燃料集合体の炉心に使用されるもので、燃
料集合体の反応度を制御するために案内筒に挿入される
ようになっている。本発明をその特定の実施例について
以上に説明したが、本発明は、このほかにもいろいろと
変更して実施でき、前述した特定の構成は単なる例にす
ぎず、本発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、制御棒を受けいれるための複数の視図、第２
図は、複数の細長い管状要素から成る本発明の可燃性吸
収材集合体の斜視図、第３図は、第２図の可燃性吸収材
集合体を第１図の燃料集合体の案内筒内に挿入した状態
を示す断面図、第Ｖ図は、三角形状に配列された３個の
細長い管状要素から成る第２図に示した可燃性吸収材集
合体を燃料集合体の案内筒中に挿入した状態を示す断面
図、第Ｓ図は、矩形状に配列したＶ個の細長い管状要素
から成る第２図に示した可燃性吸収材集合体を燃料集合
体の案内筒中に挿入した状態を示す断面図、第６図は燃
料集合体の相対反応度と運転サイクルの相対劣化化との
関係を示す線図である０ ／１０・・可燃性の吸収材集合体ｏｌ１２・・管状要素
。／／’ｌ・・通路０ 篤１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 原子炉の炉心において使用する可燃性の吸収材集合体に
   おいて、可燃性の吸収材を収納する複数の要素を有し、
   これらの要素の各々は、それを貫通する通路を有し、該
   要素は、吸収材集合体を通って長手方向に延びる複数の
   チャネルを該要素内の該通路が形成するように、互いに
   近接して配置されている。可燃性の吸収材集合体０