JPS62159090A - 原子炉用の制御棒 - 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】 九ｊレユ溝」［ この発明は一般に原子炉の燃料集合体に関し、特に、制
御棒の価値をその制御棒の軸方向においてほぼ一様に変
えることができる独特な制御棒の構造に関するものであ
る。

九１１１へＩｉ 典型的な原子炉において、炉心は多数の燃料集合体を備
えており、各燃料集合体は上部および下部ノズルから構
成され、両ノズルの間で縦方向に延びる複数の横方向に
互いに隔てられた細長い案内シンプルと、案内シンプル
に取り付けられると共にこれに沿って軸方向に互いに隔
てられた複数の横向きの支持格子とを有している。また
、各燃料集合体は複数の細長い燃料要素、即ち燃料棒か
ら成り、こＫらの燃料棒は、相互におよび案内シンプル
から横方向に隔てられて上部ノズルと下部ノズルとの間
で横向きの格子により支持されている。これらの燃料棒
は、それぞれ、核分裂性物質を収容しており、高核分裂
率を維持し、もって熱の形で多量のエネルギの放出を維
持するのに十分な中性子束を炉心内に生じさせるように
、組織化された成る配列に群別されている。炉心に発生
される熱の幾らかを取り出して有用な仕事を行わせるた
めに、液状の冷却材が炉心を通って上方に圧送される。

炉心での熱発生率は核分裂率に比例し、核分裂率はまた
炉心内の中性子束により決定されるので、原子炉の始動
時、運転中および停止時での熱発生制御は、中性子束の
変更によって達成される。一般に、これは、中性子吸収
材を収容している制御棒を用いて過剰中性子を吸収する
ことによって行っている。また、案内シンブルは、燃料
集合体の構造要素であることに加えて、炉心内で中性子
吸収制御棒を挿入するための通路を提供している。中性
子束のレベル、即ち炉心の熱出力は、通常、案内シンブ
ルに対する制御棒の挿入・引抜きによって規制される。

燃料集自体に関連して制御棒を用いている成る一般的な
構造が、本願出願人に譲渡された米国特許第４，３２６
，９１９号明細書に示されている。この特許明細書は、
スパイダ組立体によって上端部で支持された制御棒の配
列を開示しており、このスパイダ組立体は、燃料集会体
の中空の案内シンブルに対して制御棒を垂直方向に上下
して挿入・引抜き（ステッピング動作と称される）を行
う制御棒駆動機構に接続されている。このような構造に
おいて用いられる制御棒の典型的な構成は、内部に中性
子吸収材が配置されている細長い金属製被覆管の形態で
、その両端には、被覆管内に吸収材を封止するために端
栓が設けられている。一般に、中性子吸収材は、密に装
填されたセラッミク製または金属製ペレットの積重体の
形態をとり、これらのベレットは、被覆管を部分的に満
たすのみで、ベレットの頂部と上部端栓との間にボイド
空間、即ち軸方向の隙間を残し、制御操作中に発生され
るガスを収容するためのプレナムチェンバを画成してい
る。コイルばねがこのプレナムチェンバ内に配置され、
制御棒のステッピング動作中、密に装填された状態にペ
レット積重体を維持するために、上部端栓と頂部ペレッ
トとの間で圧縮状態に保持される。

制御棒は、中性子吸収を直接変えることによって、反応
度に影響を及ぼす。制御棒は迅速に反応度を制御するな
めに用いられる。冷却材に溶解されているホウ酸のよう
な化学的シムは、長期的な反応度変化を制御するために
用いられる。炉心の全域に一様に分布されたホウ素溶液
は、制御棒よりも一様な出力分布と燃料減損を導く。ホ
ウ素の濃度は、通常、燃料減損と核分裂生成物の蓄積を
補償するために炉心の寿命と共に減じられる。

キセノン−１３５のような核分裂生成物の蓄積は、中性
子を寄生的に吸収して、熱中性子利用を減じることによ
り、反応度を減じる。キセノン−１３５（以下、「キセ
ノン」と称する）は、中性子吸収または崩壊によって除
去される。（負荷追従中に生じるような、電力需要の減
少に応じての原子炉出力の減少である）炉心出力の減少
があった場合、キセノンを除去するために利用できる熱
中性子は殆どなく、従って、炉心内のキセノン濃度が増
加する炉心反応度の減少を伴うキセノン濃度の増加は、
炉心冷却材に溶解されているホウ素の濃度を減じること
により、或は、炉心か、ら制御棒を引き抜くことによっ
て、補償される。しかしながら、これらの方法はいずれ
も欠点を有している。ホウ素濃度を変化させることは、
冷却材（即ち、水）の処理が必要であるが、この処理は
困難であり、特に炉心寿命末期（ＥＯＬ）近くでは、公
益事業にとっては望まれない。また、制御棒の引抜きは
、炉心の出力復帰能力が低下し、ピーキング係数が増加
する、ということを意味する。

この問題点は、キセノンの蓄積を補償するために低出力
時に取り出されるよう利用される低価値の制御棒（即ち
、灰色の制御棒）の幾つかのバンクを、全出力時に炉心
内に設けておくことで、通常は解決している。この方法
の欠点は、前記バンクを動かすことが、軸方向偏差を変
え、ピーキング係数を増加させる、ということにある。

また、これらの低価値の制御棒バンクが出力時に炉心内
にあるので、原子炉停止余裕に影響が及ぼされる。

従って、キセノンの補償に関し、負荷追従中のキセノン
の蓄積の問題を効果的に解決するが、その補償過程中に
新たな多くの問題を生ずることのない別の解決手段が必
要とされている。

１１へ」ｌ この発明は、上記必要性を満足するように設計された独
特な制御棒の形状を提供する。この発明は、以下を実現
化することに基礎を置いている。

即ち、低出力時でのキセノンの増加は、炉心全体に亘っ
て相当に一様であり、特に、（低出力時に軸方向偏差り
がゼロに近く、一定に維持されているならば、）軸方向
に対称であるので、理想的なキセノンの補償手段は炉心
全体に亘り一様であるべきであり、特に、軸方向に対称
であるべきである、ということを実現化することにある
。（炉心全体に亘って一様である溶解ホウ素濃度の変更
は、抽出および供給に関連される問題を除いては、溝足
いく手段であろう、）別置すれば、補償手段は、課題の
特性に合わせるべきである。

この発明によって提供された手段は、まさに、課題の特
性に適合している。この手段は、出力運転中に、軸方向
に一様に可変な価値を有している制御棒の炉心への完全
挿入を含んでいる。これは、２つの円筒形の部材、即ち
、中実の断面の内部部材と、内部部材が内側に嵌合され
るような環状の断面の外部部材とから成る制御棒によっ
て達成される９円筒形の各部材は、軸方向に、黒い毒物
（即ち、全ての中性子を吸収するもの）と非毒物とから
交互に構成された連続的な部分を有している。

制御棒の２つの円筒形部材は相対的に動かされると、２
つの円筒形部材の毒物部分が並ぶか否かで、制御棒の価
値は２倍まで変わる。これは、毒物部分が並べられると
、円筒形の外部部材の黒い毒物部分が、円筒形の内部部
材の毒物部分を中性子から遮って、制御棒全体の価値を
減じるからである。

毒物部分と非毒物部分とが、一様に、円筒形部材の両端
の間で軸方向に交互に配置されているので、一方の円筒
形部材の位置が他方の円筒形部材に対して軸方向に調整
されると（例えば、円筒形の内部部材が円筒形の外部部
材に対して動かされると）、制御棒全体の価値が軸方向
にほぼ一様に変化する。

また、円筒形部材は、制御棒価値を変えるために、ごく
短い距離だけ動かされればよいので、制御棒の価値を変
える場合、軸方向偏差が変わることは殆どなく、従って
、ピーキング係数の上昇は殆どない、このようにして、
この２重の同心の円筒形部材から成る制御棒の使用は、
ピーキング係数に関連する限り、キセノンの一時的補償
のためのホウ素濃度の変更とほぼ同様な効果を有するで
あろう。特にＥＯＬ近くでの反応速度に関しては、溶解
ホウ素よりも優れている。

従って、この発明はキセノンの補償を可能とする原子炉
の炉心で用いるための制御棒に関する。

この制御棒は、（ａ）細長い円筒形の内部部材と、（ｂ
）前記内部部材を取り囲む細長い円筒形の外部部材とか
ら成っている。各部材は、交互に配置された毒物部分と
非毒物部分とから構成されている。また、内部および外
部部材の毒物部分が非毒物部分と重なる度合を調節して
制御棒の全体の価値を変えるために、前記部材の一方が
他方に対して軸方向に可動となっている。

より詳細に説明すると、円筒形の内部部材は、中実の断
面形状であり、円筒形の外部部材は、環状の断面形状で
、内部部材を同心に取り囲んでいる。各部材の部分は、
軸方向に延びており、それぞれ、交互に配置された黒い
毒物材料と非毒物材料とから専ら構成されている。更に
、内部部材と外部部材の毒物部分の各々は、実質的に同
じ軸方向長さであり、内部部材と外部部材の非毒物部分
の各々もまた、実質的に同じ軸方向長さである。

最後に、内部部材と外部部材の一方は、他方に対して、
１つの軸方向変位位置く両部材の毒物部分が並置され且
つ非毒物部分が並置される位置）と、別の軸方向変位位
置く両部材の毒物部分が非毒物部材と並置される位置）
との間で、軸方向に可動であり、これによって、制御棒
の全体の価値が、実質的な軸方向に一様な態様で変えら
れるようになっている。

制御棒が配置されている燃料集合体の案内シンブルは、
その中の静止位置に外部部材を保持するための保持手段
を有しており、また、内部部材は、両部材の毒物部分が
非毒物部分と重なる度合を調節して制御棒の全体の価値
を変えるために、案内シンプル内の静止位置に対して軸
方向に可動である。好適には、保持手段は、案内シンプ
ル内に固着され且つ外部部材の下端部を支持するように
寸法決めされた環状のストッパである。このストッパは
また、そこを内部部材の下端部が通ることができるよう
寸法決めされた中央穴を有している。

より詳細には、ストッパは、案内シンプルの下部に画成
されたダッシュポットの上方で、案内シンプル内に固着
されたスリーブである。また、内部部材は、その下端部
に画成された外方に突出する突起を有し、この突起上に
外部部材の下端部が載置され、外部部材が案内シンプル
のストッパに支持される前に内部部材の回りに外部部材
を保持するようになっている。

この発明の上記利点や効果およびその他の利点や効果は
、この発明の一実施例を示している図面に沿っての以下
の詳細な説明を読むことによって、当業者にとって明ら
かとなるであろう。

−日のＬｌｔ（ｌｌｆ寺日 以下の説明において、同一の参照符号は、全図面を通し
て同一または相当部分を示している。また、以下の説明
において、「前方」、「後方」、「左方」、「右方」、
「上方」、「下方」等の語は便宜上の言葉であり、限定
的な語として理解されるべきものではない。

會孫ヱロＬ反朋− 図面、特に第１図を参照すると、燃料集会体が、正面図
で、垂直方向に短縮した形で符号１０により総括的に示
されている。この燃料集合体１０は、基本的に、原子炉
（図示しない）の炉心領域における下部炉心板（図示し
ない）上に燃料集合体１０を支持するための下端構造、
即ち下部ノズル１２と、この下部ノズル１２から上方に
向かって突き出して長手方向に延びる複数の案内管、即
ち案内シンプル１４とを備えている。更に、この燃料集
会体１０は、案内シンプル１４に沿って軸方向に互いに
隔てられた複数の横向きの格子１６と、該格子１６によ
って互いに横方向に隔てられ且つ支持された細長い燃料
棒１８の組織化された配列とを備えている。また、燃料
集合体１０は、その中心部に配置されている計装管２０
と、案内シンプル１４の上端に取外し可能に取り付けら
れた上端構造、即ち上部ノズル２２とを有し、構成部材
を損傷させることなく普通に取り扱うことができる一体
的な集合体を形成するようになっている。

上述したように、燃料集合体１０において前記配列の燃
料棒１８は、燃料集合体１０の長手方向に沿って離間さ
れた格子１６によって相互に隔てられた関係に保持され
ている。各燃料棒１８は核燃料ベレット２４を具備して
おり、燃料棒１８を密封するために、その両端が上部端
栓２６と下部端栓２８により閏じられている。一般に、
プレナムばね３０が、ペレット２４を燃料棒１８内で隙
間なく積重された関係に保持するために、上部端栓２６
とベレット２４との間に配置されている。核分裂性物質
から構成された燃料ペレット２４は、原子炉の反応出力
の発生を担っている。炉心に発生される・熱を抽出して
有用な仕事を行わせるために、水またはホウ素含有水の
ような液状の減速・冷却材が炉心の燃料集合体１０を通
って上方に圧送される。

−に０亦ｔ　　　１１　　を　　る鼎 第２図から第１２図を参照すると、この発明による好適
な実施例の制御棒が符号３２で総括的、に示されており
、この制御棒３２は、炉心の反応度が減じられる場合の
負荷追従で生じるようなキセノン過渡状態を補償するた
めに、炉心の幾つかの燃料集合体１０で使用される。後
に明らかとなるであろうが、制御棒３２は、横方向にほ
ぼ一様に且つ軸方向に対称的に制御棒３２を合わせるよ
うにして、反応度の減少を補償する部材を構成している
。基本的に、制御棒３２は、細長い円筒形の内部部材３
４と、この内部部材３４を囲む細長い円筒形の外部部材
３６とを具備しており、部材３４．３６の各々は、交互
に配置された毒物部分３８．４０と非毒物部分４２．４
４とから構成され（第４図および第６図において、毒物
部分はＸ印が付けられている）、内部部材３４と外部部
材３６の一方は他方に対して軸方向に可動で、部材３４
．３６の毒物部分３日、４２が非毒物部分４０．４４に
重なる度合を調節して、制御棒３２全体の価値を変える
ようになっている。

より詳細に説明すると、第５図に示されるように、円筒
形の内部部材３４は、全長に亘って中実の断面形状を有
している。一方、円筒形の外部部材３６は、第７図に示
されるように、全長に亘って環状の断面形状を有し、ま
た、第８図と第９図に示される如く、内部部材３４を同
心に囲み、内部部材３４と実質的に同一の空間的広がり
を有している。

部材３４．３６の毒物部分３８．４２は、被覆されてい
ないハフニウムのような黒い毒物材料から専ら構成され
、ジルカロイ−４のような非毒物材料から専ら構成され
ている非毒物部分４０．４４と交互の配列で、軸方向に
延びている６部材３４．３６の毒物・非毒物部分３８．
４０および毒物・非毒物部分４２．４４は、それぞれ、
環状および中実のベレットの形態をとることができ、部
材３４．３６それ自体は、それぞれのベレットを、溶接
等の適当な方法で互いに連結することによって形成され
る。酸化物材料が全く用いられず、従って反応ガスが全
く放出されないので、ブレナムは一切必要とされず、ま
た、被覆材も必要とされないことは認められるであろう
。

第８図から認識されるように、内部部材３４と外部部材
３６の黒い毒物部分３８．４２の各々は、軸方向に実質
的に同じ長さを有している。また、部材３４．３６の非
毒物部分４０．４４の各々も、軸方向に実質的に同じ長
さを有している。更に、毒物部分３８．４２の軸方向の
長さが非毒物部分４０．４４とほぼ同じであるのが好ま
しい。これらの部分のために約３０　ｃ　＋ｎ（１ｆｔ
、）の長さが任意に選ばれた。この長さは、制御棒の動
作に伴って、軸方向偏差に大きな変化が起きないような
短さに考えられた。内部部材３４は、外方に突出する環
状の突起４８を内部部材３４の下端部に画成する円錐形
の下部ヘッド４６を有し、第８図および第１０図に示さ
れるように、突起４８上に外部部材３６の下縁部５０が
載置される。このようにして、円筒形の内部部材３４は
円筒形の外部部材３６を支持し、然る後に制御棒３２は
燃料集合体１０の案内シンプル１４の１つに挿入される
。

制御棒３２は、炉心寿命初ｔｔＪ１（ＢＯＬ）に、燃料
集合体１０の１つの案内シンプル１４内に配置される。

中心部材、即ち内部部材３４は、従来の制御棒と同様に
、第１図に示される如く、従来のスパイダ組立体５４の
放射方向に延びるフルーグ、即ちアーム５２を介して、
制御棒駆動ラインに上部ねじ端部５１で連結されている
６円筒形の内部部材３４が案内シンプル１４内に降ろさ
れる際、円筒形の外部部材３６は内部部材３４の下部の
突起４８に着座しているので、内部部材３４と共に駆動
する。２つの部材３４．３６が炉心内に、即ち、燃料集
合体１０の案内シンプル１４内に殆ど完全に挿入される
と、円筒形の外部部材３６の下縁部５０は、案内シンプ
ル１４の下部部分におけるスリーブの形の環状のストッ
パ５６に接する。

尚、このストッパ５６は、例えば、案内シンプル１４の
下部部分に画成されたダッシュポット５８の真上に固着
される。ストッパ５６は外部部材３６の下縁部５０を支
持するように寸法決めされており、その中央の六６０は
、そこを内部部材３６が通ることができるように寸法決
めされている。

外部部材３６がストッパ５６に接している場合でも・内
部部材３４は、第１２図に示されるように、完全に挿入
されるまで、更に約３０ｃｍ（１ｆｔ、）だけ外部部材
３６に対して降ろし続けることができる。部材３４．３
６の毒物部分３８．４２と非毒物部分４０．４４のこの
ような偏倚位置において、制御棒３２はその最大の価値
を有する。原子炉全出力時に、部材３４．３６は、それ
らが最大の価値を有するように、偏倚位置となる。

円筒形の部材３４．３６の毒物部分３８．４２が非毒物
部分４０．４４と重なる度合を調整し、それによって、
制御棒３２全体の価値を変えるために、内部部材３４が
外部部材３４に対して上方に引き上げられる。第１１図
に示されるように、部材３４．３６の毒物部分３８．４
２と非毒物部分４０．４４の整列位置において、外部部
材３６の毒物部分４２が内部部材３４の毒物部分３８を
中性子から遮るので、制御棒３２の価値は最小となる。

従って、簡単に述べるならば、内部部材３４は、上部軸
方向変位位置（第１２図）（この位置で、両部材３４．
３６の黒い毒物部分３８．４２が並置整列状態に配置さ
れ、且つ、非毒物部分４０．４４もまた並置整列状態に
配置される。）と、下部軸方向変位位置く第１１図）（
この位置で、両部材３４．３６の黒い毒物部分３８．４
２が非毒物部分４０．４４と並置整列状態に配置される
。）との間で、外部部材３６に対して軸方向に動かすこ
とができる。このようにして、制御棒３２の全体の価値
は実質的に軸方向に一様な形で変えることができる。

第１１図と第１２図とにそれぞれ示される毒物部分３８
．４２と非毒物部分４０．４４の整列位置および変位位
置の間で、内部部材３４を外部部材３６に対して軸方向
に動かすことができると共に、案内シンプル１４内の静
止位置に外部部材３６を保持する手段として、案内シン
プル１４内に固定された環状のスリーブ（ストッパ）５
６がここで開示されたが、他の手段がこれと同じ目的を
達成するために用いられ得ることは容易に理解されよう
。例えば、円筒形の外部部材３６は、案内シンプル１４
内で静止状態に維持されるように、上部ノズルと関連さ
れたストッパと係合させることもできる。

キセノンを補償する制御棒３２は、出力が低下した場か
に生じる軸方向の（扁りの変化を制御しないので、出力
を減少させるためには用いられない。

しかしながら、ドツプラー反応度の変更も軸方向に対称
的であるので、この制御棒３２は、負荷）ａ泥中に変え
られるドツプラー反応度を補償するために用いられても
よい。ドツプラー制御が行われる場合、その際、制御棒
３２は、その価値がドツプラー反応度の増加を相殺する
ために低出力時に増加されるよう、全出力時において最
大の吸収状態、ではないであろう。

キセノンの制御にだけ用いられる場合、制御棒は、上述
したように、全出力時に最高の価値の位置にある。低出
力時に、それらの価値は、キセノン濃度の増加を補償す
るために減じられる。出力を減じるために挿入される通
常の制御棒は、キセノンを補償するために引き抜く必要
がないので、炉心が許す限り迅速に全出力に復帰できる
よう炉心内に十分な価値を有する。従って、キセノン補
償用の制御棒は、出力復帰能力を保ち、負荷追従中に炉
心内の溶解ホウ素濃変を変化させる必要性を除去した。

また、これらの制御棒は、炉心内にある当該制御棒に関
連された燃料サイクルの弊害がないように、ＥＯＬの前
に引き抜かれる。制御棒は一度に全て引き抜かれるので
はなく、段階毎に引き抜かれる。

この発明およびこれに付随する多くの利点は、上の説明
から理解されるであろう、また、この発明の精神および
範囲を逸脱することなく、或はその実質的な利点を犠牲
にすることなく形態、構成および配列に関し、種々の変
更が可能であることは明らかであり、よって、以上に述
べられた形態は単にこの発明の好適な実施例に過ぎない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の原理に従って構成された制御棒が
用いられている燃料集合体の側面図であり、明瞭化のた
めに部分的に断面され切り欠かれた図、第２図は第１図
の燃料集合体の案内シンプルの１つの拡大部分詳細断面
図であり、下部のダッシュポットの真上の案内シンプル
内に設けられると共に、制御棒を構成する２つの同心の
円筒形部材のうち外側の部材（外部部材）の下端部を載
置する環状のストッパを示す図、第３図は第２図の３−
３線に沿って見た案内シンプルのストッパの矢視図、第
４図は制御棒の２つの同心の円筒形部材のうち内側の部
材（内部部材）を垂直方向に短縮した形態で示した拡大
正面図、第５図は第４図の５−５線に沿って見た内部部
材の断面図、第６図は制御棒の外部部材を垂直方向に短
縮した形態で示した拡大正面図、第７図は第６図の７−
７線に沿って見た外部部材の断面図、第８図は制御棒を
構成する互いに組みきわされた２つの同心の円筒形部材
を垂直方向に短縮し縦方向に断面した形態で示した拡大
正面図であり、軸方向に交互に配置されている黒い毒物
部分と非毒物部分が整列されると共に、外部部材が内部
部材の下端部に形成された突起に載っているところを示
す図、第９図は第８図の９−９線に沿って見た制御棒の
２つの組み合わされた同心の円筒形部材の断面図、第１
０図は第８図の１０−１０線に沿って見た制御棒の底面
図、第１１図は制御棒の第８図と同様な図であるが、制
御棒が第１図の燃料集自体の案内シンプルの１つの中に
配置され、外部部材の下端部が案内シンプル内のストッ
パと内部部材の下部の突起とに載置しているところを示
す図、第１２図は第１１図と同様な図であるが、制御棒
の内部部材が外部部材に対して下方に配置され、内部部
材の軸方向に交互に配置された黒い毒物部分と非毒物部
分とが、それぞれ、外部部材の非毒物部分と黒い毒物部
分とに整列されており、外部部材の下端部が案内シンプ
ル内の環状のストッパの上にだけ載置しているところを
示す図である。図中、 １０・燃料集合体　　　１４：案内シンプル３２：制御
棒　　　　　３４：内部部材３６：外部部材　　　　３
８，４２：毒物部分４０．４４：非毒物部分　　４８：
突起５６：ストッパ ＦＩｏ、　３　　　　　　　　　　　　　　　ＦＩＧ、
　７ＦＩＧ、ｌ○

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 キセノンの補償を可能とする原子炉用の制御棒であり、 （ａ）細長い円筒形の内部部材と、 （ｂ）前記内部部材を取り囲む細長い円筒形の外部部材
   と、 から成り、 （ｃ）前記内部部材および前記外部部材のそれぞれは交
   互に配置された毒物部分と非毒物部分とから構成され、 （ｄ）前記内部部材および前記外部部材の前記毒物部分
   が前記非毒物部分と重なる度合を調節して前記制御棒の
   全体の価値を変えるために、前記内部部材および前記外
   部部材の一方が他方に対して軸方向に可動となっている
   、 原子炉用の制御棒。