JPS62204192A - 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、制御棒に係り、特に寿命の長い制御棒に関す
る。

〔従来の技術〕

従来の長寿命型の制御棒は、例えば特開昭５３−７４６
９７号公報に示されるように、制御棒の中でも中性子照
射量の多い上端部あるいはブレードの翼端部に核的・機
械的寿命の長い長寿命型中性子吸収棒を配置したものが
知られている。この制御棒は、ブレードの上端部及び翼
端部にハフニウム（Ｈｆ）あるいはユーロピウム（Ｅｕ
）等の長寿命型中性子吸収材を配置し、それ以外の部分
にはステンレス鋼製の細長い被覆管中にボロンカーバイ
ト（８４Ｇ）粉末を充填したポイズン管を配している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術では、長寿命型中性子吸収材が制御棒の一
部にしか用いられておらず、中性子吸収材として長寿命
型中性子吸収材のみを用いた制御棒に比べて寿命が短い
という問題がある。

この問題を解決するために、制御棒の中性子吸収材をす
べてハフニウム等の長寿命型中性子吸収材にて置替える
ことが考えられる。しかしながら、長寿命型中性子吸収
材は、従来一般に用いられているＢ４Ｃよりも重く、中
性子吸収材として長寿命型中性子吸収材のみを用いた制
御棒を構成した場合にほの制御棒の重量が著しく増加し
、制御棒駆動装置による制御棒操作に支障を生じる可能
性があることが判明した。

このため、発明者等は、ブレード内に配置するＨｆ棒の
一部を細くすることにより制御棒重量の軽減を図ったが
、太さの異なるＨｆ棒をブレード内に設置した場合に細
いＨｆ捧が制御棒を原子炉内に設置されている間に地震
、冷却水の流動振動等によりブレード内で移動し、反応
度制御に支障が生じる可能性があるという新たな課題を
見出した。

本発明の目的は、寿命が長くて操作性が良く、しかも良
好な反応度制御ができる制御棒を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ブレード内にブレードの側面に直角な方向
における吸収核連鎖型中性子吸収材の厚みが異なる複数
の吸収核連鎖型中性子吸収材領域を形成し、この厚みが
最も厚い吸収核連鎖型吸収材よりも薄い吸収核連鎖型吸
収材が配置された吸収核連鎖型中性子吸収材領域におい
て、上記側面に直角な方向への吸収核連鎖型中性子吸収
材の移動を抑制する手段を設けることにより達成できる
。

ここで吸収核連鎖型中性子吸収材とは、中性子吸収反応
により生成される核種あるいはその壊変核種の中にさら
に中性子を吸収する核種があられれて中性子吸収効果の
減衰が遅い中性子吸収材を意味する。吸収核連鎖型中性
子吸収材の具体的な物質としては、Ｈｆ　、　Ｅ　ｕ　
ｔ○、、Ｔａ、ＤｌｙｚＯｌ及びＡ　ｇ　−Ｉ　ｎ　−
Ｃｄ等がある。

（作用〕 ブレードの側面に直角な方向における吸収核連鎖型中性
子吸収材の厚みを一部の領域で薄くしているので、制御
棒の重量を軽減でき制御棒の良好な操作性が得られる。

ブレード側面に直角な方向への吸収核連鎖型中性子吸収
材の移動を抑制する手段を上記厚みの薄い部分に設けて
いるので、吸収核連鎖型中性子吸収材の水平方向への移
動に伴う反応度制御の局部的な変動を防止できる。また
、吸収核連鎖型中性子吸収材を用いているので、制御棒
の機械的及び核的寿命が長くなる。

〔実施例〕

本発明は、以下に示す発明者等の検討に基づいてなされ
たものである。すなわち、Ｂ、Ｃを充填した従来のすべ
ての中性子吸収棒をこれと同じ直径を有する吸収核連鎖
型吸収材からなる中性子吸収棒に置換えると、従来の制
御棒の重量が著しく増加し、制御棒の操作に支障が生じ
る可能性があることがわかった。このため、発明者等は
、吸収核連鎖型吸収材を用いて長寿命化を図るにあたり
所定の反応度制御能力が得られて制御棒の操作性を改善
するために局部的に吸収核連鎖型吸収材の量を減らせば
よいことに気付いた。さらにこの構造を詳細に検討した
結果、ブレード側面に直角な方向の吸収核連鎖型吸収材
の厚みが薄い部分が、制御棒を原子炉内に設置している
間において水平方向に移動する可能性があることを見出
した。すなわち、地震及び冷却水の流動振動等により吸
収核連鎖型吸収材の厚みの薄い部分がブレード内で水平
方向にずれ易い。所定の反応度を得るために制御棒が所
定深さまで挿入されている状態で、吸収核連鎖型吸収材
の厚みの薄い部分が制御棒供用中にずれた場合は、燃料
集合体と吸収核連鎖型吸収材との間の距離が変化するこ
とになり、局部的に炉心反応度が変化するにれは、炉心
反応度制御の観点から好しいことではない。本発明は、
このような発明者等によって発見された新しい課題を解
消するためになされたものである。

この本発明の実施例を以下に述べる。

沸騰水型原子炉の炉心に挿入される本発明の好適な一実
施例である制御棒を第１図〜第３図に基づいて説明する
６ 制御棒１は、第２図に示す外観形状を有している。すな
わち、制御棒１は、横断面が十字形をしており、軸心か
ら四方に伸びる４つのブレード２を有している。ブレー
ド２の下方に速度リミッタ９が設けられる。ハンドル１
０はブレード２の上端に取付けられる。

制御棒１のブレード２の形状を第１図及び第３図に示す
。各ブレード２は、制御棒１の軸心に配置されたＳＵＳ
製のタイロッド８に両端部が取付けられたＵ字状のシー
ス（ＳＵＳＩＫ）５及びシース５に設けられた中性子吸
収棒３及び４から構成される。保持部６がタイロッド８
の上端部に、保持部７がタイロッド８の下端部にそれぞ
れ溶接にて取付られる。Ｕ字状のシース５の上端部は、
保持部６を取囲み、保持部６に点溶接にて取付けられる
。シース５の下端部は、保持部７を取囲み、保持部７に
点溶接にて取付けられる。中性子吸収棒３及び４は、第
３図に示すようにシース５内に配置され、しかもタイロ
ッド８に取付けられたＳＵＳ製の保持部６及び７の間に
配置されて保持される。中性子吸収棒３及び４は、シー
ス５、保持部６及び７に接合されていなく、シース５、
保持部６及び７によって囲まれた空間内に配置されてい
るにすぎない。

シース５には多数の孔が設けられており、制御棒１を原
子炉内に設置した時、これらの孔を通してシース５内に
原子炉内の冷却水が流入する。

保持部７の下面に、ベロシティリミッタ９が取付けられ
たている。ハンドル１０は、保持部６の上面に取付けら
れている。保持部７を用いることなく、保持部７の機能
をベロシティリミッタ９の上端にもたせてもよい。

中性子吸収棒３及び４は、吸収核連鎖型中性子吸収材で
あるＨｆ　（ハフニウム）の丸棒である。

シース５内において、中性子吸収棒３はブレード２の翼
端部に、中性子吸収棒４は中性子吸収棒３よりもタイロ
ッド８側（制御棒１の軸心側）に配置されている。中性
子吸収棒３の直径は４．８ｍｍであり、中性子吸収棒４
の直径は中性子吸収棒３よりも小さく２．６ｍｍである
。３本の中性子吸収棒３及び３３本の中性子吸収棒４が
１つのブレード２内に配置されいてる。中性子吸収棒３
の直径は、沸騰水型原子炉に用いられる従来の制御棒に
設けられてＢ４Ｃを充填した中性子吸収棒の直径にほぼ
等しい。中性子吸収棒３及び４の軸方向の長さは、従来
の制御棒の中性子吸収棒と同様に燃料集合体の燃料有効
長に実質的に等しい。燃料集合体の燃料有効長と耐、燃
料ペレットが充填されている領域の軸方向の長さである
。

本実施例は、ブレード２の外面に直角な方向における吸
収核連鎖型中性子吸収材領域の厚みがブレード２の幅方
向（すなわち、制御棒の半径方向）で異っている。すな
わち、ブレード２の側面に直角な方向における吸収核連
鎖型中性子吸収材の厚みは、直径の大きな中性子吸収棒
３が存在するブレード２の翼端部で厚く、直径の小さな
中性子吸収棒４が存在するブレード２の制御棒軸心側（
タイロッド８側）で薄くなっている。

シース５は、内側に突出する突起部１８を両側面に有し
ている。これらの突起部１８は、シース５の構造材の一
部を内側に突出させたものである。

突起部は１８は、第３図に示すように、ブレード２の側
面に直角な方向における吸収核連鎖型中性子吸収材の厚
みが薄い領域、すなわち直径の小さな中性子吸収棒４が
配置されている制御棒中心側の領域に設けられる。中性
子吸収棒４は、シース５の両側面に設けられた対向して
いる２つの突起部１８によって挟持されている。このよ
うな対の突起部１８が、ブレード２の長手方向に数箇所
設けられる。

本実施例は、前述のようにブレード２の大部分に直径の
小さい中性子吸収棒４を配置しているので、制御棒１の
重量はＢ、Ｃを充填した中性子吸収棒からなる制御棒と
ほぼ同じ重量となる。従つて、本実施例の制御棒は、従
来の制御棒を操作する制御棒駆動装置によって容易に操
作することができる。すなわち、良好な制御棒１の操作
性が得られる。また、制御棒１のブレード２の幅は、従
来の制御棒の幅と同じである。このため、原子炉圧力容
器内の炉心下方に設けられている制御棒案内管及び炉心
支持板に設置される燃料支持金具を大きくする等の変更
を行う必要がない。

中性子吸収棒３及び４は、中性子吸収材としてＨｆを用
いている。吸収核連鎖型中性子吸収材セあるＨｆは、中
性子を吸収してもガスを発生しない６従って、制御棒１
の中性子吸収棒３及び４は。

機械的寿命が増大する。また、中性子吸収棒３及び４は
、吸収核連鎖型中性子吸収材であるＨｆを用いているの
で中性子を吸収して新たな中性子吸収材が生成され、核
的寿命も増加する。

本実施例では、直径の大きな中性子吸収棒４をブレード
２の翼端部に配置しているが、ブレード２の他の位置、
例えばブレード２の中央部またはタイロッド８側に配置
してもよい。これによっても、制御棒の操作性及び長寿
命化は、何等損なわれることはない。しかしながら１本
実施例の如く、すなわち、第３図に示すように翼端部に
直径の大きな中性子吸収棒３をタイロッド８側に配置す
ることによって、吸収核連鎖型中性子吸収材を用いた制
御棒の重量を最大限に削減でき、しかも大きな反応度制
御能力を得ることができる。制御棒の各ブレードは、炉
心内に装荷されて隣接している燃料集合体相互間に形成
される間隙内に挿入される。

原子炉運転中及び原子炉停止中におけるブレードに沿っ
た中性子インボータンス分布は、ブレードの翼端に近い
部分径大きい。制御棒の半径方向でブレード中央部及び
タイロッド８側では、中性子インボータンス分布は低く
なる。従って、本実施例では、ブレード２のタイロッド
側及び中央部に直径の小さな中性子吸収棒４（従来のＢ
４Ｃを充填した中性子吸収棒の直径よりも小さい）を配
置しており、制御棒１の重量軽減効果を最大限に活用で
きる。さらに、中性子束の大きなブレード２の翼端部に
従来のＢ、Ｃを充填した中性子吸収棒と直径がほとんど
等しい中性子吸収棒３が配置されているので、制御棒１
の翼端部の中性吸収能力（反応率）が大きくなる。この
ため、制御棒１は、吸収核連鎖型中性子吸収材の量を減
らして重量が軽減された割には、大きな中性子吸収能力
が得られる。同一量の中性子吸収材を用いても、中性子
束の高い位置に配置された中性子吸収材径、中性子吸収
能力が高くなる。従って、中性子吸収棒３をブレード２
の中央部に配置し他を中性子棒４とした場合に、本実施
例と同様の中性子吸収能力を得るには本実施例よりも中
性子吸収棒３の本数を増すか直径を大きくする必要があ
る。これは。

重量を増大させることとなり、本実施例に比べて制御棒
の操作性が若干悪くなる。

シース５の側面の内側に突出した突起部１８によって細
い中性子吸収棒４が保持されるので、中性子吸収棒４が
シース５内でシース５の側面、すなわちブレード２の側
面に直角な方向に移動することを抑制できる。このため
、制御棒１が原子炉内に挿入されている間に、中性子吸
収棒４が地震。

冷却水の流動振動等にてシース５内で移動し、反応度制
御に支障を与える可能性がなくなる。特に、制御棒１が
炉心内に挿入されている状態であっても中性子吸収棒４
がシース５の側面に直角な方向に大幅に移動することに
よる反応度制御の局部的な変動を抑制できる。さらに、
このような反応度の変動を抑制できる突起部１８を設け
ることは。

シース５の曲げ剛性を高めることにつながり、シース５
の厚みを薄くできる。これによっても制御棒１の重量が
軽減できる。

前述した実施例において、Ｈｆの代りに他の吸収核連鎖
型中性子吸収材であるＥｕ２Ｏ，、Ｔａ、Ｄｙ２Ｏ３ま
たはＡ　ｇ　−Ｉ　ｎ　−Ｃｄを用いても、同様な効果
が得られる。ただし、Ｅｕ２Ｏ，及びＤ　’／　２Ｏ３
、Ｄｙ２Ｏ　ｓを用いる場合は、密封された被覆管内に
充填する必要がある。

上記実施例の制御棒１を適用した沸騰水型原子炉の炉心
の一例を以下に説明する。

沸騰水型原子炉の炉心としては、特公昭５７−７３９７
号公報の第３図に示す炉心が考えられている。上記公報
の第３図の炉心構造は、上記公報４カラム、５行〜６カ
ラム、下から１１行に述べられた構成になっている。上
記公報の第３図の炉心構造は、原子炉運転中に炉心内に
挿入されて原子炉出力の調節を行う出力調節用制御棒と
、原子炉運転中に炉心から完全に引抜かれて原子炉停止
時に炉心に急速に完全挿入される原子炉停止用制御棒を
有している。出力調節用制御棒も、原子炉停止時に炉心
内に完全に挿入される。出力調節用制御棒及び原子炉停
止用制御棒は、上記公報の第３図に示すように交互に１
つずつ配置され、しかもチェッカボード状に配置されて
いる。

出力調節用制御棒は、原子炉運転中にほとんど炉心内に
挿入され、中性子が連続的に照射される。

従って、前述した第１図に示す実施例の制御棒１を、出
力調節用制御棒として用いることが望ましい。原子炉停
止用制御棒は、原子炉運転中に炉心から完全に引抜かれ
ているので中性子を吸収する割合が少ない。従って、原
子炉停止用制御棒としては、特開昭５７−２５０８０号
公報の２カラム。

３〜９行に示す制御を用いる。この制御棒は、十字形の
ブレード内にＢ４Ｃを充填した多数の中性子吸収棒を配
置したものであり、吸収核連鎖中性子吸収材を有してい
ない。このＢ４Ｃを充填した中性子吸収棒の軸方向長さ
は、燃料集合体の燃料有効長と実質的に同じである。両
者の制御棒を操作する制御棒駆動装置の構造は、同じも
のである。

沸騰水型原子炉の場合、制御棒駆動装置は、炉心を内蔵
する原子炉容器の下部に設置される。これらの制御棒は
、下方より炉心内に挿入される。

制御棒１の中性子吸収棒３及び４は、丸棒であるが角棒
であってもよく、さらには板状にしてもよい、ただし、
板状にした場合には、地震時における炉心内への制御棒
の挿入性が悪くなる。

制御棒１を原子炉停止用制御棒として用いることも可能
である。

本発明の他の実施例を第４図及び第５図により説明する
。第５図に示す制御棒２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏは、その中性子
吸収材の横断面積を軸方向にもかえたものである。原子
炉停止中では、制御棒の軸方向における中性子インポー
タンス分布は、制御棒の上部で大きく下端に向かうに伴
って低下する。従って、前述の各実施例では制御棒の半
径方向で吸収核連鎖型中性子吸衣材のブレード側面に直
角な方向の厚みを変化させているが、本実施例のように
ブレードの軸方向でその厚みを変えてもよい。

制御棒２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏは、中性子吸収棒２１及び２２
をブレード２内に配置している。中性子吸収棒２１は、
Ｈｆの丸棒であって横断面積が軸方向で一様である。中
性子吸収棒２１の直径は４．８ｍｍである。

中性子吸収棒２２は、Ｈｆの丸棒であって下端から中性
子吸収棒２２の全長の１／４の位置までとこの１７４の
位置から上端までとでは横断面積が異なっている。すな
わち、中性子吸収棒２２の直径は、下端から全長の１／
４までが３．０ｍｍであり、全長の１／４から上端まで
が４．８ｍｍ：’ｅある。中性子吸収棒２１はブレード
２の翼端部に１本配置され、２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ本の中性
子吸収棒２２はブレード２内で中性子吸収棒２１よりも
制御捧軸心側に配置される。中性子吸収棒２１及び２２
の軸方向長さは、燃料集合体の燃料有効長と等しい６本
実施例の制御棒２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏも、制御棒１と同様に
シース５の構造材の一部を内側に突出させた突起部１８
を有している。突起部１８は、中性子吸収棒２２の直径
の細い部分が存在するブレード２の下部でシース５の両
側面に設けられる。対向する対の突起部１８が中性子吸
収棒２２の直径の細い部分を挟持している。

本実施例の制御棒２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏは、吸収核連型鎖中
性子吸収材の使用、中性子吸収棒２２下部の直径を小さ
くしたことによる重量軽減及び突起部１已による中性子
吸収棒２２の直径の細い部分の支持により、制御棒１と
同様な効果が得られる。

本発明の他の実施例である制御棒２４を第６図に示す。

本実施例の制御棒２４は、シース５に切欠部２５を有す
る点を除いて制御棒１と同じ構成である。制御棒２４も
、制御棒１と同様に中性子吸収棒３及び４及び突起部１
８を有している。切欠部２５は、ブレード２の軸方向に
所定間隔てしかも突起部１８の間でシース５に設けられ
る。切欠部２５は、シース５の両側面に、翼端に開口す
るように設けられる。

制御棒２４は、制御棒１と同様な効果を奏することがで
きる。さらに、制御棒２４は、切欠部２５を有するので
地震時においても炉心内に容易に挿入できる。すなわち
地震時に炉心に水平地震力が加わった場合、炉心内の燃
料集合体は軸方向の中央部が突出すように湾曲するよう
に振動する。

しかし、制御棒２４は、切欠部２５を有するので剛性が
小さく湾曲し易くなる。従って、制御棒２４は、炉心が
水平地震力を受けた場合でも炉心内に挿入し易くなる。

第７図は１本発明の他の実施例の制御棒２６を示す、制
御棒２６は、制御棒１の突起部１８をスペーサ部材１９
に代えたものであり、他の構造が制御棒１と同じである
。スペーサ部材１９は突起部１８と同じようにしシース
５の両側の内面に対向して設けられている。スペーサ部
材１９は、ＳＵＳ製の細い棒である。中性子吸収棒４は
、対向している対のスペーサ部材１９によって挟持され
る。スペーサ部材１９は、溶接またはネジにてシース５
の内面に取付られる。

制御棒２６は、制御棒１と同様な効果が得られる。しか
し、突起部１８はプレスによって容易にシース５に設け
ることができるのに対して、スペーサ部材１９のシース
５への取付けは面倒である。

第８図も、本発明の他の実施例を示す。本実施例の制御
棒２７は、各ブレード２内において中性子吸収棒４を中
性子吸収棒３に取付けた支持棒２８によって支持してい
る。すなわち、支持棒２８が、１つのブレード２内に配
置されたすべての中性子吸収棒３及び４を貫通して設け
られる。中性子吸収棒３Ａ及び４に取付けられた支持棒
２８の両端には、各中性子吸収棒が抜けないようにスト
ッパが設けられる。

本実施の制御棒も、制御棒１と同様な効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、機械的及び核的寿命が長くなりしかも
重量が軽減されるので制御棒の操作性が向上し、中性子
吸収棒のブレード側面の直角方向への移動が抑制される
ので局部的な炉心反応度の変動を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適な一実施例である制御棒のブレー
ドの縦断面図、第２図は第１図の制御棒の外観斜視図、
第３図は第１図のｍ−ｍ断面図、第４図及び第６図は本
発明の他の実施例である制御棒の外観斜視図、第５図は
第４図の制御棒のブレード内の中性子吸収棒の形状を示
す構造図、第７図及び第８図は本発明の他の実施例であ
る制御棒の横断面図である。 １．２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ，２４，２６，２７．・・・・・
・制御棒、２・・・・・・ブレード、３，４，２１，２
２・・・・・・′中性子吸収棒、５・・・・・・シース
、８・・・・・・タイロッド、１８・・・・・・突起部
、１９・・・・・・スペーサ部材、２５・・・・・・切
欠第　２　口 第　４　図 第５包 ＄　６　Ｚ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、吸収核連鎖型中性子吸収材及び前記吸収核連鎖型中
   性子吸収材を取囲むシースからなるブレードを有し、前
   記ブレード内に前記ブレードの側面に直角な方向におけ
   る前記吸収核連鎖中性子吸収材の厚みが異なる複数の吸
   収核連鎖型中性子吸収材領域を形成し、前記厚みが最も
   厚い前記吸収核連鎖型吸収材よりも薄い前記吸収核連鎖
   型吸収材が配置された前記吸収核連鎖型中性子吸収材領
   域において前記側面に直角な方向への前記吸収核連鎖型
   中性子吸収材の移動を抑制する手段を前記シースに設け
   たことを特徴とする制御棒。 ２、前記ブレードの側面に直角な方向における前記吸収
   核連鎖型中性子吸収材の厚みが、前記ブレードの制御棒
   軸心側で薄く前記ブレードの翼端部で厚くなつており、
   前記吸収核連鎖型中性子吸収材の前記厚みが薄い前記制
   御棒軸心側で、前記シースに前記吸収核連鎖型中性子吸
   収材の移動を抑制する手段を設けた特許請求の範囲第１
   項記載の制御棒。 ３、前記ブレードの側面に直角な方向における前記吸収
   核連鎖型中性子吸収材の厚みが、前記ブレードの上部で
   厚く前記ブレードの下部で薄くなつており、前記吸収核
   連鎖型中性子吸収材の前記厚みが薄い前記ブレードの下
   部で、前記シースに前記吸収核連鎖型中性子吸収材の移
   動を抑制する手段を設けた特許請求の範囲第１項記載の
   制御棒。 ４、前記吸収核連鎖型中性子吸収材にて構成された中性
   子吸収棒を前記シース内に配置した特許請求の範囲第２
   項または第３項記載の制御棒。 ５、前記吸収核連鎖型中性子吸収材が、Ｈｆ、Ｔａ、Ｅ
   ｕ＿２Ｏ＿３、Ｄｙ＿２Ｏ＿３またはＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ
   である特許請求の範囲第１項または第２項または第３項
   または第４項記載の制御棒。 ６、前記吸収核連鎖型中性子吸収材の移動を抑制する手
   段が、前記ブレードの側面に直角な方向で前記吸収核連
   鎖型中性子吸収材側に突出した前記シースの突起部であ
   る特許請求の範囲第１項または第２項または第３項また
   は第４項または第５項記載の制御棒。 ７、前記吸収核連鎖型中性子吸収材の移動を制御する手
   段が、前記シースの内面に設けられたスペーサ部材であ
   る特許請求の範囲第１項または第２項または第３項また
   は第４項または第５項記載の制御棒。