JPS6224755B2

JPS6224755B2 -

Info

Publication number: JPS6224755B2
Application number: JP51148720A
Authority: JP
Inventors: Kyoshi Ueda; Fumio Kurosawa; Hajime Adachi; Yasukuni Okayake
Original assignee: Toshiba Corp; Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Current assignee: Toshiba Corp; Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Priority date: 1976-12-13
Filing date: 1976-12-13
Publication date: 1987-05-29
Also published as: JPS5374697A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は原子炉に使用される制御棒に関し、特
に沸騰水型原子炉（以下BWRとよぶ）に使用さ
れる耐用期間の長い原子炉制御棒に関する。

原子炉を一定の出力で運転したり、出力を加減
する目的で炉心内に発生する中性子の量を調整す
るために制御棒が使用される。

第１図および第２図に従来のBWRの制御棒の
構造を示す。第１図ａは制御棒の斜視図、第１図
ｂはその水平断面図であり、その断面が十字形と
なつているため十字形制御棒とよばれている。全
体を１で示す十字形制御棒は直交する４枚の翼
（ブレード）２と先端構造材３とハンドル４から
なつている。第２図ａは第１図ｂを―線で切
つた縦断面図、第２図ｂは第２図ａの―線で
切つた水平断面図、第２図ｃは吸収棒６の水平断
面図である。翼２は細長い平板状のシース５の中
に多数の中性子吸収棒６（以下吸収棒という）を
一列に配置して収容し、シース５はタイロツド７
に溶接されている。吸収棒６はステンレス鋼管製
の細長い被覆管８中に普通カドミウムやボロンカ
ーバイド（B₄C）粉末など中性子を吸収しやすい
中性子吸収物質８ａを充てんしたものである。

ところが、原子炉内においてどの吸収棒も一様
に中性子の照射を受けるとは限らない。十字形の
制御棒を原子炉の炉心に部分的に挿入した状態を
考えると、十字型の制御棒の側端部に配置された
吸収棒およびすべての吸収棒の先端部は特に多量
の中性子に照射される。多量の中性子に照射され
た吸収棒は、その中の中性子吸収物質が中性子を
吸収して自らは中性子を吸収しない物質に変り、
末だ中性子を吸収していない中性子吸収物質の残
存量が減少する。従つて中性子の照射時間の経過
と共に制御棒の中性子吸収能力が低下する。また
照射により吸収棒内にガスが発生し、ガス圧力の
上昇により吸収棒を構成する被覆管の破損を招く
ことがある。前者によつて決る吸収棒の寿命を核
的寿命とよぶ、後者によつて決まるそれを機械的
寿命とよぶ。

従来の制御棒では、その中に収める吸収棒はす
べて一様に製作されているため、吸収材の核的・
機械的寿命は、多量の中性子に照射される前述し
た一部の吸収棒によつて決まり、他の吸収棒はま
だ核的・機械的寿命に十分余裕があるにもかかわ
らず、後者の吸収棒は前者の吸収棒と共に廃棄さ
れていた。

特開昭51―104914号公報では多数の吸収棒をパ
ツケージに収容し、該パツケージを制御棒のブレ
ードに着脱自在に収納して中性子吸収部分とブレ
ード部分を分離できるようにした耐用期間の長い
制御棒が開示されている。しかしこのような制御
棒はその幅ｔωが限定されているため、吸収棒の
パツケージ化によつてその被覆管内に充てんされ
る中性子吸収物質の量は大幅に減少し、吸収棒の
核的寿命が低下する欠点がある。

また実開昭51―3796号公報には、「ポイズンチユーブ内を複数のボールにより長
手方向の室に仕切り、これら各室内に中性子吸収
材を充填してなる制御棒において、前記各室に
は、中性子照射量に比例した濃度の中性子吸収材
を充填したことを特徴とする制御棒。」が開示さ
れている。

しかしこの様な制御棒においても長寿命化は出
来るが中性子吸収材（具体的にはボロン１０）の
濃度を上げなければならず、ボロンの濃縮に相当
の経費と設備を要する。又ポイズンチユーブ内に
濃度の高いボロン１０（中性子吸収材）を充填す
ることは普通のものと外見はまつたく同じなので
製造ミスを招きやすく製品の信頼性が落ちる。さ
らにボロン１０の濃度の高いものを使用し、長期
間使用すると、ポイズンチユーブ内のガス圧力が
上昇し、従来の構造のままではポイズンチユーブ
の破損を招く恐れがある。

本発明は上記諸事情をふまえ、耐用期間の長い
制御棒を提供するにある。

すなわち本発明によれば核的・機械的寿命の長
い吸収材（以下長寿命型吸収材とよぶ）を部分的
に使用することにより耐用期間の長い制御棒が得
られる。

第３図ないし第５図は、本発明の構成の根処を
明らかにするために行つた実験の方法とその結果
を詳細に説明したものである。

実験は発明者の所属する研究所の低濃縮ウラン
軽水非均質臨界実験装置（NCA；NAIG Critical
Assembly）を用いて行つた。また、実験を容易
に行うため、十字形の制御棒の一翼を模擬した平
板状の模擬制御棒を用いた。第３図ａは実験に使
用した模擬制御棒３１の主要部の縦断面を示した
ものである。第３図ｂは同図ａの―線で切つ
た水平断面図である。すなわち多数の吸収棒６Ｅ
が平板状に並んだ両側には中心軸（図示せず）に
対称にタイロロツド９が取付けられ、先端には細
い構造材３が位置している。即ち、吸収棒６Ｅは
外径4.8mm内径3.5mmのステンレス鋼管に天然組成
のボロンカーバイド（B₄C）の粉末を理論密度の
約70％の密度で充填したものであり、第２図ａに
示される吸収棒６と同一である。又平板状に密接
して並べた吸収棒の本数も同一である。シース５
Ｅは約1.4mm厚のステンレス鋼板で構成されてい
る。

第４図は、第３図に示す模擬制御棒３１を多数
の燃料棒３２……で構成したNCAの炉心３３に
挿入して行つた実験体系を示している。第４図ａ
は炉心３３の水平断面図であり、第４図ｂは第４
図ａの―線で切つた縦断面図である。図面を
簡単にするため、第４図ｂでは燃料棒３２は図示
されていない。模擬制御棒表面の中性子束分布を
測定するために、厚さ20ミクロンの銅箔を模擬制
御棒３１のシース５Ｅの外面に多数はりつけた。
実験データの信頼性を相互に確認するために、シ
ース５Ｅの内面あるいは隣接する吸収棒６Ｅの間
にも一部銅箔を挿入した。このようにして構成し
た模擬制御棒３１を挿入したNCAの炉心３３を
一定時間運転した後、運転を停止して模擬制御棒
３１を炉心３３から取出し、中性子束分測定用に
とりつけた銅箔を模擬制御棒３１から取外して銅
箔の誘導放射能を測定した。

第５図はこのようにして得られた模擬制御棒の
先端近傍における表面の中性子束分布を等高線図
として示したものである。シース５Ｅ内面あるい
は隣接する吸収棒６Ｅ間の銅箔から得られた中性
子束分布も殆んど同様であつた。曲線ａ〜ｆは中
性子束の等高線を示すもので、模擬制御棒３１の
中心軸ｇにおいて吸収棒６Ｅ先端３６から15cmの
点37の値を1.0としたときの相対値である。曲線
ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆはそれぞれ順に1.0，
1.2，1.5，2.0，3.0および4.0となる等高線を表わ
している。第５図が示すごとく、中心軸ｇ上では
先端３６から５cmあたりまでは中性子束分布は急
激に変化するが、５cm以上ではゆるやかに変化す
る。中心軸ｇと直交する方向（第５図紙面の左右
方向）では、中心軸近傍での中性子束分布の変化
はゆるやかであるが、タイロツド９の近傍では急
激である。ただし、先端近傍では軸と直交方向の
中性子束は高い値でゆるやかに変化している。

破線ｈはこれらの事実を念頭に置いて作成した
便宜的なものであり、極く簡単に説明する場合に
は、破線ｈの内側の領域Ａでは中性子束は比較的
低く、かつその変化もゆるやかであるが、破線ｈ
の外側の領域Ｂでは中性子束は高く、かつその変
化も急激であると言える。

第６図は上記第５図に示す実験結果をもとに十
字形制御棒先端付近の中性子束分布図を示した図
であつて、本発明の構成の直接的な根拠を示して
いる。第６図は左半分が切欠図となつており、右
半分に第５図に相当する曲線a′〜f′および破線
h′が示されている。これらは第５図のａ〜ｆおよ
びｈにそれぞれ対応している。制御棒の側端近傍
と先端近傍での中性子束分布の急激な変化は第５
図の場合とほぼ同様であるが、タイロツト７近傍
では、他の３翼による中性子吸収効果のため、中
性子束は低く、かつほぼ平坦となつている。

中性子吸収核種であるボロン１０（Ｂ―１０）
の中性子吸収による単位時間当りの減損量を減損
速度とよぶが、この減損速度は中性子束に比例す
るから、第５図または第６図に示す等高線はＢ―
１０の減損速度を示すと考えてよい。たとえば第
５図において、曲線ｂの外側即ち先端側と側端側
では、模擬制御棒内部の曲線ａ上の位置に比べて
1.2倍以上の中性子が照射する。即ち、1.2倍以上
の中性子を吸収するので、中性子吸収材であるＢ
―１０の濃度は1.2倍以上の速さで減損する。

従つて減損速度の大きい領域即ち、曲線ｂの外
側あるいはより簡単には領域Ｂに長寿命型の中性
子吸収材を配置すれば、耐用期間の長い制御棒が
得られる。長寿命型の中性子吸収材に使用される
中性子吸収物質は天然B₄Cに、中性子を吸収して
も吸収能力があまり低下しないユーロピユム
（Eu）を付加したもの、ユーロピウム（Eu）の
ほかもしくはEuと共にGd、ハフニウム（Hf）、
サマリウム（Sm）などを付加したもの、あるい
はこれらを単独に用いるもの、あるいは天然B₄C
の密度をあげたもの（たとえばペレツト状にした
もの）、ボロン中のＢ―１０の組成比を高めたも
のなどがある。Ｂ―１０を濃縮したボロンまたは
ボロンカーバイドペレツトなどを用いる場合に
は、Ｂ―１０は中性子を吸収してHeガスを発生
するのでガスプレナムが必要となる。

本発明は前述の実験結果に基づいてなされたも
のである。以下本発明の実施例に関し図面を参照
して説明する。

第７図ないし第１１図は本発明による十字形制
御棒の実施例であつて前述の第２図ａに対応する
図であるが、図面を簡単にするためハンドル４は
図示していない。

第７図のタイロツド７の近傍の吸収棒は従来型
の吸収棒６と同一のものを使用し（従つて符号６
で示す）、翼（ブレード）の側端部に前述の長寿
命型の中性子吸収材６ａを５本使用した制御棒の
例である。このような配置にする理由はタイロツ
ド７の内部および周辺部の中性子束はタイロツド
周辺の吸収棒により大幅に低下しているため長寿
命型の中性子吸収材の配置は必要がないからであ
る。また一翼あたりの吸収棒本数は現在使用され
ている制御棒では21本であるため、この実験例で
は全体の約20％だけ長寿命型の中性子吸収材６ａ
と置換されている。本実施例に示す制御棒は、原
子炉運転中に、その先端部が長期間炉心に位置し
ないように使用する場合に有効である。このよう
に限定した使用方法の場合、先端部の中性子照射
量はあまり進行しないため、先端部に長寿命型の
吸収材を配置する必要は必ずしもない。次に示す
第８図ないし第１５図の実施例では、制御棒を炉
心に長期間位置するように配置して使用すると有
効である。

第８図は第７図に示される吸収棒６を翼の側端
部の長寿命型の中性子吸収棒６ａより短くして、
前記長寿命型の中性子吸収材６ａと制御棒の挿入
端部の先端構造３と吸収棒６との間に生ずる空隙
に長寿命型の中性子吸収材６ｂを設けた制御棒の
一例である。

第９図は、第７図の吸収棒６を翼の側端部の長
寿命型の中性子吸収材６ａより短かくして、長寿
命型の中性子吸収材６ａと先端構造材３と吸収棒
６との間に生ずる空隙に、長寿命型の中性子吸収
材６ｂを制御棒の軸方向に配列した制御棒を示し
ている。

第１０図は吸収棒６と翼端部に配置した長寿命
型の中性子吸収材６ａの長さを等しくして、その
上部と先端構造材３との間に空隙を設けてその空
隙を充填するよう長寿命型吸収材６ｂを設けた制
御棒の一例を示している。

第１１図は制御棒の挿入先端付近に制御棒引抜
きに伴なう出力の変化量を小さくするために、弱
い中性子吸収領域１２（たとえばステンレス鋼よ
りなる）を設けた図である。第１１図では領域１
２を先端構造材３は制御棒の軸と直角方向に並べ
た長寿命型の中性子吸収材６ｂの間に設けてい
る。

第１２図は吸収棒中のＢ―１０の濃度をどの吸
収棒も一様に変えたとき、第３図に示す模擬制御
棒の反応度価値がいかに変化するかを示す実験結
果と本発明の制御棒効果を説明する図である。図
の横軸はステンレス鋼管に封入されるB₄Cの中の
Ｂ―１０の濃度（相対値）を取り、縦軸は制御棒
の反応度価値（相対値）を取つたものであり、両
者の関系は曲線ｋで表わされる。天然に存在する
ボロンとカーボンの化合物B₄Cの密度が理論密度
の70％（実際に制御棒に使用されるB₄Cの密度に
等しい）の場合のＢ―１０の濃度を1.0とし、濃
度1.0における反応度価値（1.0とする）曲線ｋ上
の点16で表わされている。曲線ｋによるとＢ―１
０の濃度が約0.4倍になつたとき、反応度価値は
0.9になる（点17）。現在の設計では、制御棒はそ
の反応度価値が0.9になる点17で核的寿命が尽き
たとみなされている。点16と点17間の長とは制
御棒の寿命間のＢ―１０濃度の減損量を示してい
る。いまＢ―１０濃度を増加させた場合を考える
と、たとえば第３図に示す平板状の模擬制御棒に
おいて中性子束の高い位置即ちタイロツド９に隣
接する６本の吸収棒３６ａ，３６ｂおよび３６ｃ
のＢ―１０濃度を約３倍に高めることによつて、
制御棒全体の実効的なＢ―１０濃度を1.6まで上
げることができる。この場合第１６図に示される
長さｍは前述の長さιの２倍となる。反応度価値
は曲線ｋ上の点20で示されるように点16の場合よ
り僅かに増すだけである。長さｍが長の２倍に
なることは制御棒の耐用期間が２倍となることを
意味している。

第３図に示す模擬制御棒において、その両側端
部の中性子束の高い場所（したがつて反応度価値
の高い場所）にある吸収棒３６ａ，３６ｂ，３６
ｃ合計６本（すなわち全体の７分の２）のＢ―１
０濃度を1.0、その他の15本を核的寿命に達した
濃度0.4とした場合、臨界実験によると反応度価
値は曲線ｋ上の点21で示す約0.97となる。曲線ｋ
から、長さｎは長さの約２分の１となる。長さ
，ｎは寿命の長さに比例する。従つてこの模擬
制御棒と同様にＢ―１０濃度が減損する制御棒で
は、全吸収棒21本中の７分の２即ち約30％の長寿
命型吸収棒を用いることによつて、まだ半分の寿
命が残ることが判る。すなわち、この制御棒は寿
命が２倍になる。十字形制御棒ではタイロツド７
に近い所は中性子束の値が低いので、翼の一端の
側辺部だけを各翼当り約４〜５本の吸収棒だけ長
寿命型吸収棒と交換すれば、制御棒の耐用期間は
およそ２倍に延ばすことができる。

第１２図はＢ―１０濃度を高めた長寿命の中性
子吸収材を使用した場合を例にとつて本発明の効
果を説明したものであるが、Hf，Eu等の他の長
寿命の中性子吸収材を使用した場合でも同様の効
果が得られることはもちろんである。

本発明によれば、長寿命型の吸収材を従来型の
吸収棒を併用することによつて、耐用期間の長い
制御棒が得られる。

なお本発明の考えを取入れればBWRに限らず
他の炉型の制御棒においても耐用期間を延長させ
うることはもちろんである。

【図面の簡単な説明】

第１図は実際に使用されるBWRの制御棒を示
し第１図ａは斜視図、第１図ｂは水平断面図、第
２図ａは第１図ｂの―線で切つた拡大断面
図、第２図ｂは第２図ａの―線で切つた水平
断面図、第２図ｃは中性子吸収棒の水平断面図、
第３図ａは臨界実験で使用した平板状の模擬制御
棒先端付近の縦断面図、第３図ｂは同図ａの―
線で切つた横断面図、第４図ａは臨界実験を行
つた炉心の平面図、第４図ｂは同図ａの―線
で切つた縦断面図、第５図は臨界実験装置で模擬
制御棒表面の中性子束を測定したときの模擬制御
棒および実験結果を示す図、第６図は第５図の結
果を基に推定した十字形制御先端近傍の中性子束
分布図、第７図ないし第１１図は本発明の一実施
例を示す縦断面図、第１２図は臨界実験装置で測
定した模擬制御棒におけるＢ―１０濃度は反応価
値との関係を示す図である。１…制御棒、２…翼（ブレード）、３…先端構
造材、４…ハンドル、５…シース、６…吸収棒、
６ａ，６ｂ…中性子吸収材、７，９…タイロツ
ド、８…被覆管、８ａ…中性子吸収物質、１１
ａ，１１ｂ…ガスプレナム、１２…中性子吸収領
域、３１…模擬制御棒、３２…燃料棒、３３…炉
心、３４…水ギヤツプ。

Claims

【特許請求の範囲】１長軸形状のタイロツドと、このタイロツドを
中心軸として水平断面が十字形になるように設け
られた長板状のブレードと、このブレードの上端
部に設けられた先端構造材と、この先端構造材に
設けられたハンドルを具備する原子炉制御棒にお
いて、ブレードは、ステンレス鋼管製の細長い被覆管
に天然組成のボロンカーバイト（B₄C）粉末を充
填してなる吸収棒を中心軸であるタイロツド側に
配列し、前記吸収棒３ないし５本分の巾を有する
ブレードの側端部にハフニウム材からなる前記吸
収棒より長寿命の中性子吸収帯を設け、このハフ
ニウム材からなる長寿命の中性子吸収帯と吸収棒
とをステンレス鋼製のシースにて側面を囲み長板
状に形成してなることを特徴とする原子炉制御
棒。２ハフニウム材は、円柱形状のハフニウム棒か
らなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の原子炉制御棒。３ハフニウム材は、ハフニウムの平板からなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の原
子炉制御棒。４長軸形状のタイロツドと、このタイロツドを
中心軸として水平断面が十字形になるように設け
られた長板状のブレードと、このブレードの上端
部に設けられた先端構造材と、この先端構造材に
設けられたハンドルとを具備する原子炉制御棒に
おいて、ブレードは、ステンレス鋼管製の細長い被覆管
に天然組成のボロンカーバイト（B₄C）粉末を充
填してなる吸収棒を中心軸であるタイロツド側に
配列し、前記吸収棒の上端部と前記吸収棒３ない
し５本分の巾を有するブレードの側端部にハフニ
ウム材からなる前記吸収棒より長寿命の中性子吸
収帯を設け、このハフニウム材からなる長寿命の
中性子吸収帯と吸収棒とをステンレス鋼製のシー
スにて側面を囲み長板状に形成してなることを特
徴とする原子炉制御棒。５ハフニウム材は、円柱形状のハフニウム棒か
らなることを特徴とする特許請求の範囲第４項記
載の原子炉制御棒。６ハフニウム材は、ハフニウムの平板からなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の原
子炉制御棒。７長軸形状のタイロツドと、このタイロツドを
中心軸として水平断面が十字形になるように設け
られた長板状のブレードと、このブレードの上端
部に設けられた先端構造材と、この先端構造材に
設けられたハンドルとを具備する原子炉制御棒に
おいて、ブレードは、ステンレス鋼管製の細長い被覆管
に天然組成のボロンカーバイト（B₄C）粉末を充
填してなる吸収棒を中心軸であるタイロツド側に
配列し、前記吸収棒の上端部と前記吸収棒３ない
し５本分の巾を有するブレードの側端部にハフニ
ウム材からなる前記吸収棒より長寿命の中性子吸
収帯を設け、このハフニウム材からなる長寿命の
中性子吸収帯と吸収棒とをステンレス鋼製のシー
スにて側面を囲み長板状に形成し、この長板状の
上端に弱い中性子領域としてステンレス鋼板を配
置してなることを特徴とする原子炉制御棒。８ハフニウム材は、円柱形状のハフニウム棒か
らなることを特徴とする特許請求の範囲第７項記
載の原子炉制御棒。９ハフニウム材は、ハフニウムの平板からなる
ことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の原
子炉制御棒。