JPS6147584A - 沸騰水型原子炉の制御棒構造 - 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、原子炉の制御棒に関し、より詳細には
、制御棒の引張応力を減少させると共に、該制御棒に関
連した燃料集合体の各燃料棒に対向する制御棒先端を低
価値にするための、改良された構造及び吸収材配列を備
えた制御棒に関するものである。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の場合には、炉心内の燃料集
合体に出入するように原子炉の底部から挿入可能な制御
棒によって、原子炉の炉心中の出力と出力分布とを制御
することが、普通に行なわれている。沸騰水型原子炉に
おいて、各燃料集合体は、複数の燃料棒を収納している
。各燃料棒は１両端を封止した細長い被覆管中に端部同
士突合せて配置された焼結ペレットの積重ねの形態の、
原子炉用核燃料である。燃料集合体は、典型的には、４
個ずつのクラスターに配列され、各４個の燃料集合体に
１本の制御棒が組合されている。例えば米国特許第４．
２８５．７６９号明細書に示された既知の構造による制
御棒は。

十字形の形状をもち、４個のブレードを備えている。燃
料棒をこれらの燃料集合体中に挿入すると、そのブレー
ドは、隣接した燃料集合体間のスペース中に位置される
。１本の制御棒を囲む４個の燃料集合体から成るそうし
た各クラスターは１通常は、原子炉の炉心の燃料セルと
呼ばれている。

十字形の横断面を有する沸騰水型原子炉の制御棒におい
て、中性子吸収材料には、炭化ホウ素粉末が普通に使用
される。この粉末は、各制御棒のブレードのステンレス
鋼シースによって十字形配列に保持された小径のステン
レス鋼管中に振動圧縮されている。作動に当り、制御棒
は、原子炉の出力を増大させるために１例えば１５．２
ｃｙＢ（６インチ）の増分ステップで、液圧駆動機構に
よって垂直に下方へ駆動される。

この構成の制御棒には１次の２つの望ましくない特性が
ある。即ち、（１）ステンレス鋼の応力腐食割れ（ｓＣ
ａ）と、（２）ペレット被覆相互作用（ＰＣ！工）であ
る。一方では、応力腐食割れは、炭化ホウ素粉末を収納
したステンレス鋼管中の比較的大きな引張応力によって
生ずる。引張応力は、いくつかの条件によって生じる。

これらの条件は、（り振動圧縮された炭化ホウ素粉末の
凝集と、（２）照射によって誘起されたヘリウム発生に
よる内圧と、（３）照射によって誘起された粉末のスウ
ェリングと、である。応力腐食割れは。

屡々管の割れを生じ、制御棒から炭化ホウ素粉末が失な
われる。他方では、ペレット被覆相互作用は、制御棒先
端に隣接した被覆管内の燃料ペレットの出力の段階的増
大によって惹起される。ペレット被覆相互作用は、燃料
棒被覆管に孔を屡々生じさせる。制御棒に隣接したコー
ナーの燃料棒の先端には、１５０％にもなる出力の上昇
を予想することができる。ペレット出力のこの急激な増
大によって、ペレットの温度が上昇し、その結果ペレッ
トは径方向外方に膨張し、燃料被覆管と接触する。その
結果生ずる被覆管の歪みと、被覆管内面に対する化学作
用とによって、ペレット被覆相互作用を生ずる。

ペレット被覆相互作用の問題を軽減する一方法は、原子
炉の高出力運転中における制御棒の運動を制限すること
である。制御棒が移動可能となる前に流量制御によって
出力を減少させる。

第２の方法は、ペレット被覆相互作用を防止する傾向を
もった物質を燃料棒の内面に内張すすることである。こ
れらの方法は、原子炉の利用可能性と燃料の製造コスト
との点から、コスト高になる。

前記米国特許において、制御棒のペレット被覆相互作用
を減少させるために提案された解決方法は、炭化ホウ素
粉末を含有した垂直管に。

ブレード先端のところで、比較的短い長さを与えるか、
又は、ブレード先端で短いハフニウムの部分を用いるか
して、制御棒の先端に「グレイ（ｇｒｅｙ）・チップ」
を作りだすことに存する。

このように、グレイ・チップは、ブレードの外方に向か
って徐々に短くなる長さをもつ、十字形制御棒の中心部
にある全長の中性子吸収材料によって形成される。個別
の燃料棒に関しては。

これはグレイ・チップと考えることはできない。

制御棒が運動する際に、燃料集合体のコーナーにある燃
料棒中のペレットは、標準制御棒と同一の反応度（即ち
中性子束）の大きなステップ状変化を受ける。それは、
制御棒の中心部の吸収材料管が同じ直径をもち、先端ま
で中性子吸収材料で満たされているためである。コーナ
ーの燃料棒は、ペレット被覆相互作用の点からは限定的
な棒であるから、前記米国特許の構造は。

ペレット被覆相互作用の問題を改善しない。また、この
構造によっては、制御棒の応力腐食割れの問題を補償し
ない。ホウ素原子の中性子吸収によるヘリウムガス圧力
の発生と、同じ相互作用によるホウ素のスウェリングと
によって生じた、引張応力が、この構造によって生じう
る。

炭化ホウ素は、制御棒から蒲出し、制御棒の寿命を短か
くするであろう。

従って１本発明の主な目的は、応力腐食割れの問題とペ
レット被覆相互作用の問題との両方を軽減しつる改良さ
れた制御棒構造を提供することにある。

この目的のために１本発明により、長手方向に延長する
中心ガスプレナムを内部に画成する細長い中央の心部と
、核心部に連結され該心部から径方向外方に延長する複
数のブレードとを有する沸騰水型原子炉の制御棒構造に
おいて。

該ブレードの各々中に一連の内部空所を画成する画成手
段と、該内部空所中に配置された中性子吸収材料からな
る複数のペレットと、前記内部空所の各々と前記中心ガ
スプレナムとを連通させ、該ペレットの照射によって生
じたガスを該内部空所から該中心ガスプレナム中に膨張
させる連通手段とを有することを特徴とする沸騰水型原
子炉の制御棒構造が提供される。

また、粉末ではなく、ペレットの形とした炭化ホウ素が
、照射によるホウ素のスウェリングを吸収するように過
大な大きさとした、制御棒の内部空所中に配置される。

ペレット被覆相互作用は、制御棒の運動によるペレット
出力のステップ状の変化の大きさを少くすることによつ
、て軽減される。制御棒の先端への吸収材料の配置によ
って、前述した構造により燃料棒に生ずる急檄な変化の
代りに、制御棒の先端付近の各燃料棒の中性子束の緩和
な変化が生ずる。そのため、制御棒を移動させた際に、
各燃料ペレットは、著しく減少したステップ状の出力変
化を受ける。これにより、ペレットの温度変化が少くな
り、その結果、制御棒の運動に関連した被覆の歪み量が
減少する。このように歪みが減少するため、ペレット被
覆相互作用の可能性が著しく減少する。

好ましくは、各ブレードは、その長さ及び幅を横切って
縦横の列に配設された一連の内部空所を有し、各ペレッ
トは、１つの内部空所中に配置しており、該内部空所よ
りも寸法が小さい。

更に、先端部におけるブレードの低価値区画にあるペレ
ットは、所望の勾配を得るために１種々の形態とするこ
とができる。−例として、この低価値区画は、三角形の
ペレットの配列であり、別の例では、ペレットの配列は
、所望の勾配を得るために、ブレードの先端部のところ
の大きな間隔からペレットの間隔が徐々に減少するよう
に定められている。勾配の代りにステップ状の変化が望
まれる場合には、一定価値区画に比べて、ブレードの先
端側で、ペレットの幅を小さくする。それ以外の変形も
可能である。

次に本発明の好ましい実施例を示した添付図面を参照し
て説明する。

図面に第１図を参照して説明すると、沸騰水型原子炉（
ＢＷＲ）が、一般に符号１ｏによって示され、この原子
炉１ｏには、本発明による改良された多数の制御棒１２
が用いられている。原子炉１０は、その普通の形式にお
いて、冷却−減速材例えば軽水中に浸漬された炉心１６
を含む圧力容器１４を備えている。炉心１６は、環状シ
ュラウド１８によって囲まれ、このシュラウド１８の内
部には、上部炉心支持格子板２２と下部炉心支持格子板
２４との間に隔置関係に複数の交換可能な燃料集合体２
ｏが配設されている。

炉心１６の下方には、燃料集合体２ｏと整列して、６１
数の駆動機構ハウジング（管）２６が配設されている。

駆動機構ハウジング２６は、制御棒駆動機構２８（第３
図）を収納しており、これらの駆動機構によって、複数
の改良された制御棒１２を、炉心１６の反応度制御のた
めに炉心１６の下方から燃料集合体２ｏの間に選択的に
挿入することができる。各駆動機構ハウジング２６は、
燃料集合体支持部材６ｏに取り付けられている。各支持
部材３ｏには、４個の互いに隣接した燃料集合体２ｏの
端ピース３４を受けいれるためのソケット３２が形成さ
れている。支持部材３ｏ及びソケット３２には、炉心１
６の下方において圧力容器１４内に画定された冷却材供
給室３６と連通ずるための冷却材通路ないしは開口が形
成されている。

冷却材循環ポンプ３８は、供給室３６中の冷却材を加圧
し、冷却材はそれにより支持部材３゜及びソケット３２
中ｐ開口を通って上方に圧送される。冷却材は次に、燃
料集合体’２０の端ピース３４の開口を通って上方に、
燃料集合体２゜を経て圧送される。冷却材の一部は、循
環ポンプ３８に返却され、別の一部は、蒸気に変えられ
、この蒸気は、破線によって表わした分離−乾燥装置４
０を経て、利用装置例えばタービン４２に導かれる。タ
ービン４２に組合されている復水器４４において生成し
た凝縮水は、給水として、圧力容器１４にポンプ４６に
よって返送される。

各々の改良された制御棒１２と、この制御棒を囲む４個
の燃料集合体２ｏのクラスターとは、炉心１６の燃料セ
ル４８を形成している。第２図に図示した１つのそうし
た燃料セル４８において、１つの改良された制御棒１２
を囲んでいる４個の燃料集合体は、互いに組合せて嵌着
した２対のビーム５・ｏ、５２によって一部が形成され
た上部炉心支持格子板２２中において上端が横方向に支
持されている。成る既知の構成によれば、交換可能な各
燃料集合体２０は、上部り１′プレート及び下部タイプ
レート（いずれも図示しない）の間に隔置された関係に
支持された複数の長い燃料棒５４により形成されている
。

各々の燃料集合体２ｏの燃料棒５４は、燃料棒５４の間
から冷却材を上方に向けるための管状チャンネル５６に
より囲まれている。

以下に詳述する改良された制御棒を除いては、原子炉１
０の前述した基本的な構成部分は、以前から知られてお
り、前記米国特許第４，２８５，７６９鯛細書及びこの
米国特許に引用された特許明細書に記載されている。

第２図と共に、第６，４図を参照して、これらの特許に
開示された従来の技術による制御棒の部分と相違してい
る改良された制御棒１２の部分について以下に説明する
０制御棒１２は、制御棒１２の内部の長手方向に延長す
る中心ガスプレナム６０を画定する細長い心部５８と、
核心部５８に連結されて該心部５８から径方向外側に延
長している、複数の、好ましくは４個のブレード６２と
を備えている。向かい合った１対のブレード６２は、第
１の共通の平面内に整列され、向かい合った別の１対の
ブレード６２は、第１の共通の平面と直角の関係に延長
する第２の共通の平面内に整列されている。このように
ブレード６２は、制御棒１２に、十字形の断面形状を与
える。

代表的な一例として、ブレード６２と心部５８とは、４
枚のステンレス鋼板６４からできており、各々の鋼板は
、アングル材の形状を有し、周溶接部６６、プラグ溶接
部６８、ピン７０並びに端溶接部７２により互いに連結
されている。

鋼板６４の接合面７５には一連の空所７４が形成されて
いる。空所７４の目的は後に明らかにされる。

各ブレード６２は、先端部７８に終端する細長い本体部
分７６を備えたことが特徴である。

先端部７８は、燃料セル４８の燃料集合体クラスター中
に制御棒１２を移動させる際に、第２図の隣接した燃料
集合体２０間のスペースへのブレード６２の本体部分７
６の挿入を先導する。

各ブレード６２を形成する鋼板６４の合せ面７５の凹部
（画成手段）７４は、ブレード６２の長さ及び幅を横切
る縦横列に配列された一連の内部空所８０を画成してい
る。複数のペレット８２の形態の中性子吸収材料が、各
内部空所８０中に配設されている。各々のペレット８２
は、燃料セル４８への制御棒の運動の間にペレット８２
がスウェリングする余分なスペースを許容するように、
内部空所８０の大きさに比べて小さな寸法とする。各内
部空所８０は、各々のブレード６２の内部の溝（連通手
段）８４によって心部５８内の中心ガスプレナム６０と
連通している。そのため、例えば炭化ホウ素からできて
いるペレット８２が中性子を吸収してヘリウムガスを発
生させると、このガスは、ガスブレナム６０中に膨張す
ることかでき°る。

各ブレード６２中のペレット８２のいくつかは、ブレー
ド６２の本体部分７６と一般に間延の比較的長い一定価
値区画を形成するように配列されている。一定価値区画
のペレット８２は、はぼ一様なレベルの中性子吸収能力
を有することにより、ブレード６２の本体部分７６が燃
料集合体２０のクラスターへの制御棒１２の挿入に際し
てブレード６２の本体部分７６が燃料棒５４を通って移
動する間に、燃料集合体２ｏの隣接した燃料棒５４中に
ほぼ一定の核分裂反応出力レベルが保たれる。更に各ブ
レード６２の他のペレット８２は、一般にブレード６２
の先端部７８と間延の比較的短かい低価値区画を形成す
るようになっている。低価値区画のペレット８２は、ブ
レード６２の上端近くの部分において、中性子吸収能力
の徐々に減少するレベルを有することにより、燃料集合
体２ｏのクラスターに制御棒１２が挿入される際にブレ
ードの先端が燃料棒を通過する間に、制御棒ブレード６
２の先端部７８の近傍において、各々の燃料棒５４中の
核分裂反応出力に緩徐な変化又は勾配を生じさせる。

第５〜９図に、前記の低価値区画を与えるための中性子
吸収性ベレット８２のいろいろの変形配列ないし形態を
示す。

第５図において、ブレード６２の先端部７８の低価値区
画は、ペレット８９の配列８８から成り、この配列８８
の各々のペレット８９は、三角形状であり、ブレード６
２の上端に尖端が整列状に指向している。各々の三角形
のペレット８？の断面積がブレード６２の上端８６に向
かって減少するにつれて、ペレット８９の中性子吸収能
力も減少する。第６図に示したペレット９１の別の配列
９０によれば、ペレット９１の容積はほぼ同一であるが
、ブレード６２の上端８６に近付くにつれて、ペレット
９１の間隔が大きくなる。このように、ペレット９１の
形状の相違ではなく、その間隔によって、所望の勾配を
形成する。第７図に示した別の配列９２画よりも、本体
部分７６の先端部７８の低価値区画７８において、ベレ
ット９乙の幅を小さくする。第８図に示したペレット９
５の別の配列９４によれば、ペレット９５の上下方向の
列間隔は一定であるが、ブレード６２の上端８６に最も
近いペレット列は、ブレード６２の本体部分７６の一定
価値区画に最も近いペレット列に比べて、中性子吸収能
力が相当に減少している。

第９図に示したブレード６２の先端部７８の低価値区画
においては、中性子吸収能力をもったペレット９７と不
活性なペレット９８とが交互の配列９６として形成され
ている。ペレット９７゜９８の縦列の間隔は一定となっ
ている。ブレード６２の上端８６に近付くにつれて、不
活性なペレット９８の長さを大きくして勾配を生じさせ
る。

ブレード６２の先端部７８の低価値区画は、有効である
ためには、制御棒１２の増分運動ステップに少くとも等
しいか又はそれよりも少し大きくすべきである。これに
より、制御棒１２を約１５，２７１７Ｆ＋（６インチ）
の１ステツプ移動させた後、ペレットと被覆とが、次の
ステップ運動の前に平衡状態となる。沸騰水型原子炉の
場合に、制御棒の運動は、予め十分に計画されるため、
この操作方法を、通常の制御系統中に組込むことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による改良された構造の制御棒を組込
んだ沸騰水型原子炉を示す略配列図、第２図は、第１図
の原子炉の燃料セルを示し、第１図の２−２線に沿った
断面図、第３図は、第１図の制御棒と、この制御棒を燃
料セルから出入させるように移動させるための駆動機構
とを示す斜視図、第４図は、改良された構造の制御棒を
示し、第６図の４−４線に沿った断面図、第５図は、制
御棒の低価値区画を示し、第４図の５−５線に沿った断
面図、第６図、第７図、第８図及び第９図は、改良され
た構造の制御棒の低価値区画の種々の変形実施例を示し
、それぞれ第５図に類似した断面図である。 １０・・沸騰水型原子炉、°１２・・制御棒、５８・・
心部、６０・・中心ガスプレナム、６２・・ブレード、
７４・・凹部（画成手段）、８０・・内部空所、８２・
・ペレット、８４・・内部の溝（連通手段）。 に、−−二

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 長手方向に延長する中心ガスプレナムを内部に画成する
   細長い中央の心部と、該心部に連結され該心部から径方
   向外方に延長する複数のブレードとを有する沸騰水型原
   子炉の制御棒構造において、該ブレードの各々中に一連
   の内部空所を画成する画成手段と、該内部空所中に配置
   された中性子吸収材料からなる複数のペレットと、前記
   内部空所の各々と前記中心ガスプレナムとを連通させ、
   該ペレットの照射によって生じたガスを該内部空所から
   該中心ガスプレナム中に膨張させる連通手段とを有する
   ことを特徴とする沸騰水型原子炉の制御棒構造。