JPS62200290A - 原子炉制御棒 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子炉制御棒に係り、特に高速増殖炉に用いら
れる原子炉制御棒に関する。

〔従来の技術〕

従来の高速増殖炉用制御棒の断面構成図を、第１−３図
に示す。第１３図（Ａ）はその縦断面図、第１３図（Ｂ
）はその横断面図をそれぞれ示す。

第１３図に示すように、制御棒においては、制御棒保護
管１の中に中性子吸収材ペレット２を含むピンが多数本
上部グリッド板３および下部グリッド板４を用いて固定
された構造となっている。このように構造をもつ制御棒
は、延長管８に対する駆動機構の働きにより、案内管５
に沿って上下に動く。制御棒の全挿入時には、先端のダ
ッシュラム６がダッシュボット７の中に納まるようにな
っている。駆動装置（図示せず）は、延長管８の一ヒ端
部に連結されている。

従来、高速増殖炉の運転時における燃焼反応度の制御に
は、炉心上部から多数本の中性子吸収材を含んだピンか
らなる制御棒を挿入し、それを炉心の燃焼が進むととも
に連続的に引き抜くという方法で行われている。

この方法では、炉心内の出力分布が制御棒の軸方向に歪
み、炉心下部に大きな最大線出力密度が表われる。すな
わち、燃焼サイクル初期の炉心では、燃焼反応度制御用
の制御棒は一般に半挿入状態となっている。このため出
力分布が軸方向に大きく歪んでしまうことになる。しか
も、この時点では新燃料を装荷したばかりであるため、
ミスマツチ係数や軸方向出力ビーキング係数も最も高く
なっている。その結果、高速増殖炉炉心の熱的条件は、
燃焼サイクル初期で最も厳しいものとなっている。すな
わち、最大線出力密度が最も高いものとなっている。

このような問題点を解決するために従来例として、たと
えば制御棒の吸収領域の長さを２倍とし、下部吸収領域
の制御棒反応度を上部領域の制御棒反応度より低くする
方法があることが知られている。このような従来例では
上部吸収領域は起動反応度を分担し、下部吸収領域は燃
焼反応度を分担する。その結果、燃焼サイクル初期炉心
では下部吸収領域が全挿入状態となり、炉心内出力分布
が平坦化される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上記従来技術には次のような問題がある。

まず、制御棒の構造が長くなること、より強力な駆動装
置を使う必要がある。これは炉心構造を小型化、軽量化
する一ヒで不利な条件になる。

また上記従来技術も含め、これまでの高速増殖炉では運
転中、つねに制御棒を操作しなければならない。炉心運
用の簡単化という面で、制御棒操作が少ないことが好ま
しい。

次に、燃焼サイクル中、制御棒を引抜くとともに出力分
布平坦化の効果が弱まっていくという問題がある。最大
線出力密度が大きい燃焼サイクル初期の間は、特に出力
分布平坦化の効果を持続させる必要があるが、１−記従
来例ではこの点について何ら配慮されていない。

本発明は上記問題点を解決するために、強力な駆動装置
を使うことなく、かつ制御棒操作が少なくても出力分布
を平坦化することのできる原子炉制御棒を提供すること
を目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明は、中性子吸収材が備
えられてなる原子炉制御棒において、制御棒の径方向内
側に中性子減速材が設けられ、当該中性子減速材が設け
られている領域の外側径方向に中性子吸収材が設けられ
、当該中性子吸収材が設けられている領域の前記制御棒
軸方向中心部分における中性子吸収材充填量は該制御棒
の端部の中性子吸収材充填量より大きくなっていること
を特徴とする原子炉制御棒である。

〔作用〕

高速増殖炉用制御棒の中性子吸収領域において、径方向
内側に水素含有減速材の領域を設け、その外側に中性子
吸収材の領域を設けることにより、中性子吸収材の吸収
断面積が大きくなる。したがって制御棒反応度は増大し
、中性子を吸収するにしたがい中性子吸収材は早く消滅
する。その結果、本発明に係る制御棒は、可燃性制御棒
としての振舞を示すようになる。

この原理を、第２図に基づいて説明する。この図は、中
性子吸収材であるボロン（Ｂ）の吸収断面積と、炉心に
挿入した制御棒の内部における中性子エネルギースペク
トルを示したものである。

ボロンの中性子吸収断面積は、高エネルギー中性子に対
しては小さいが、中性子エネルギーが低くなるにつれて
、ｉ　ｆ　（ここでＥは中性子エネルギー）に比例して
大きくなっていく。ところが、制御棒領域での中性子エ
ネルギースペクトルは、図の従来例（破線）として示し
たように、高エネルギー領域に片よっている（これを、
スペクトルがハードという）ために、ボロンに吸収され
る中性子の割合は小さい。これに対し、減速材（たとえ
ばＺｒＨｚなど水素含有減速剤）を内側に設けた制御棒
では、図の実線で示したように、中性子エネルギースペ
クトルが低エネルギー側に移動しくこれを、スペクトル
がソフトという）、ボロンに吸収される中性子の割合が
大きい。この結果、減速材を付加した分だけボロンの量
を少なくしても、制御棒反応度は大きくなる。また、吸
収断面積が大きくなったことにより、中性子吸収材は、
従来の制御棒より早く消滅する。

次に、上記の水素含有減速材を付加した制御棒において
、吸収領域の軸方向中央部分での中性子吸収材充填量（
密度）を制御棒端部（上下部分）のそれよりも高くする
ことにより、炉心内の出力分布を軸方向に平坦化できる
。上記の如く減速材を付加したために中性子吸収材の消
耗が大きい。

そこで、減速材との割合を調整することにより、各部分
の制御棒価値の燃焼に伴う劣化割合を制御することがで
きる。その例を第３図に示す。

第３図は減速材を装着した制御棒の挿入時における中心
部と上・下部における燃焼度と、無限増倍率との関係を
示している。第３図によれば、制御棒中心部では吸収材
料が多いため、上下部に対して長い時間無限増倍率が一
定の状態を保っている。この結果、燃料サイクル初期で
は制御棒操作が不要となり、しかも炉心内出力分布は制
御棒軸方向に平坦化される。第４図に、炉心軸方向１と
炉心内出力密度との関係を示す。第４図に示すように、
出力密度は、制御棒軸方向に平坦化される。

この結果平坦化された分だけ炉心の体積を減らすことが
できるとともに燃料の節約にもつながる。

また同じ炉心体積ならば平坦化した分だけ出力を大きく
することができる。また、平坦化することにより原子炉
を安全下で運転することができる。

〔実施例〕

次に本発明に係る原子炉制御棒の実施例について図面に
したがい詳説する。第１図はその第１の実施例を示す縦
断面構成図である。

第１図に示すように、内側のピンには水素含有減速材９
を制御棒内壁全面にわたり充填している。

制御棒外側のピンの軸方向中心部には中性子吸収材の中
実ペレット１０が充填されている。また制御棒の上下部
には中性子吸収材の中空ペレット１１が充填されている
。

このような制御棒を炉心内に全挿入することにより、第
５図に示すごとく炉心出力分布を平坦化できる。中性子
吸収材として天然Ｂ４Ｃ１水素含有減速材として水素化
ジルニウムを用いた例では＋０００ＭＷｅの炉心最大線
出力密度を７％低下させることができる。第６図に、上
記実施例の制御棒の操作方法を示す。

（Ａ）は燃焼サイクル前期（ＲＯＣ）を、（Ｒ）は燃焼
サイクル中期（ＭＯＣ）を、（Ｃ）は燃焼サイクル末期
（ＥＯＣ）を、それぞれ示す。ＢＯＣでは制御棒が炉心
１２の中に全挿入されている。

上記実施例に係る制御は、燃焼サイクルの途中まで、燃
焼反応度が制御棒反応度劣化により保障されるため、制
御棒を炉心から引出す操作を必要としない。そのため、
（Ｂ）に示すように、ＭＯＣでも制御棒は全挿入のまま
でよい。炉心燃焼がさらに進むと全体の反応度が低下し
始めるので、この時に初めて制御棒引抜が始まり、ＥＯ
Ｃでは（Ｃ）に示すように全引抜きの状態となる。

このように、本実施例に係る制御棒は、燃焼サイクルの
中期から制御棒引抜きを開始する。この時点では炉心の
燃焼が進んでいるために、最大線出力密度が低下して制
御棒操作に伴う出力分布の歪みは問題とならない。第７
図に、−ｈ記実施例に係る制御棒を用いて線ＭＷｅクラ
スの高速炉における、最大線出力密度のサイクル変化の
例を示す。

条件は燃料３バツチ交換、１０ケ月連続運転とした。ま
た、制御棒操作による変化分は差引いている。第４図か
られかるように、燃焼サイクルの中期では、ミスマツチ
係数および軸方向ピーキング係数の低下により、最大線
出力密度がすでに約３％低くなっており、この時点から
制御棒引抜きを開始しても問題は生じない。

」二記第１図の実施例では、軸方向中心部での強吸収領
域の長さを２０ｃ＋ａ（全１−　ｍ　）とした。その根
拠を第８図に示す。この図に示すように、サーベイ計算
結果によると、強吸収領域の長さが２００Ｉ１１の付近
で炉心の最大線出力密度は最も小さくなる。

また、出力分布平坦化は強吸収領域と弱吸収領域との間
の反応度比にも依存する。これに関するサーベイ計算の
結果を第９図に示す。第９図は強吸収領域の吸収材充填
密度を固定し、弱吸収領域の吸収材充填密度を変化させ
たときの最大出力密度変化率の結果である。第９図から
れかるように、制御棒を吸収材充填密度の異なる中心部
と上下部とに分けることにより、最大線出力密度を６％
まで低減できることがわかる。］０００ＭＷｅの炉心の
例では、最大線出力密度を約６％小さくできる。

これにより、原子炉の安全性は大きく向−ヒする。

また、炉心出力密度の増大による炉心コンパクト化など
を通し、経済性の向上に大きく寄与できる。

燃焼サイクル初期から中期にかけて制御棒操作が不要と
なるため、炉心運用が簡素化できる。

次に本発明の第２の実施例を第１０図に示す。

第１０図は、その縦断面構成図である。本実施例では中
性子吸収材の充填密度に変化を持たせる一例として、−
Ｆ下部の弱吸収領域では中性子吸収材の中実ペレット１
０と、ＳＵＳなどの構造材物質のペレット１３とを混合
することにより平均的に吸収材充填割合を下げるもので
ある。吸収材ペレットと構造材ペレットとの充填の個数
割合を調節すれば、この領域の吸収材充填量を自由に制
御できる。吸収材と構造材とを混合したペレットを作′
つて充填することもできるが、コスト的には高くなるも
のと考えられる。

本発明の第３の実施例を、第１１図に示す。第１１図は
その縦断面構成図である。本実施例は、水素含有減速材
９を充填した減速捧の外周部に、軸方向中央に高濃縮ボ
ロン（ＩＯＨの濃度割合を高めたもの）ペレット１４を
充填し、−■二部および下部に低濃縮ボロンペレット１
５を充填した吸収棒を配置した構造である。本実施例で
は、軸方向の吸収材充填量の調節をボロン−１０（”Ｒ
）の濃縮度でおこなったものであり、制御棒反応度を高
める必要のある高反応度あるいは長寿命制御棒に対して
効果的である。

上記各実施例では、制御棒は中性子減速材と中性子吸収
材とを金属製の被覆管に充填したピン構造となっている
。熱伝導率が大きく、高温での機械的特性に優れ、製造
性も良い水素含有金属および中性子吸収材含有金属を利
用すると、第１２図に示す制御棒の実施例が考えられる
。第１２図はその横断面図を示したものである。制御棒
案内管５内に挿入される制御棒可動部は、円環状の三領
域で構成されており、内側に水素含有金属領域１８があ
り、外側を減速材含有金属領域１７が取りまいている。

中心および周辺部は冷却材１６が流れる構造となってい
る。本実施例によれば、構造が簡単で製造コストが低く
できるとともに、中央部で減速した熱中性子を周辺を取
りまく吸収材領域でもれなく吸収できるために最大線出
力密度を一層平坦化できる。また、冷却材が流れる構造
となっているために、高温での機械的特性に優れている
。

〔発明の効果〕

以」；説明したように本発明に係る原子炉制御棒によれ
ば、制御棒内側に減速材が設けられ、またさらに吸収材
の充填量は制御棒中心部において制御棒両端部より大き
いために、強力な駆動装置を使うことなく、燃焼サイク
ル中期まで制御棒引抜操作をしなくても炉心内出力分布
を平坦化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第１０図、第１１図、第１２図は本発明に係る
原子炉制御棒の実施例を示す縦断面構成図、第２図はボ
ロンの吸収断面積と制御棒領域の中性子エネルギースペ
クトルの関係を示すグラフ、第３図は本発明に係る原子
炉制御棒の各部の無限増倍率の燃焼度進行に伴う変化を
示すグラフ、第４図は制御棒全挿入時における本発明と
従来例との出力分布の比較を示すグラフ、第５図は燃焼
サイクル初期での本発明と従来例との出力分布の比較を
示すグラフ、第６図は本発明に係る制御棒の操作法を示
す模式図、第７図は大型高速増殖炉の最大線出力密度の
サイクル変化を示すグラフ、第８図は強吸収領域の長さ
の変化に基づく最大線出力密度の変化を示すグラフ、第
９図は制御棒中央部分と、両端部における制御棒反応度
の違いによる最大線出力密度の変化を示すグラフ、第１
３図（Ａ）は従来の制御棒の縦断面図、（Ｂ）はその水
平断面図である。 １・・・制御棒保護管、２・・・中性子吸収材、３，４
・・・グリッド板、５・・・案内管、６・・・ダッシュ
ラム、７・・・ダッシュポット、８・・・延長管、９・
・・減速材、１０・・・中性子吸収材の中空ペレット、
１１・・・中性子吸収材の中空ペレット。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、中性子吸収材が備えられてなる原子炉制御棒におい
   て、制御棒の径方向内側に中性子減速材が設けられ、当
   該中性子減速材が設けられている領域の外側径方向に中
   性子吸収材が設けられ、当該中性子吸収材が設けられて
   いる領域の前記制御棒軸方向中心部分における中性子吸
   収材充填量は、該制御棒の端部の中性子吸収材充填量よ
   り大きくなっていることを特徴とする原子炉制御棒。