JPS63215991A - 原子炉用制御棒 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は原子炉出力を調整制御する原子炉用制御棒に係
り、特に外力に対する機械的強麿が高く、かつ腐食によ
る損耗が少ない原子炉用制御棒に関する。

（従来の技術） 従来の沸騰水型原子炉用Ｉｆ　ｍ棒は、中央タイロッド
に細長いＵ字状シースを固着して形成した複数個のウィ
ング内に多数の中性子吸収棒を装填して構成されている
。中性子吸収棒は例えばステンレス鋼製被覆管内に中性
子吸収材としてボロンカーバイド（８４Ｇ）粉末を充填
して調製される。

充填されたＢ４Ｃは原子炉内において中性子を吸収して
中性子吸収能力が次第に失われる。

ところで、原子炉の炉心に挿入または抜出される制御棒
はその全領域に亘って一様な中性子照射を受けるもので
はなく、例えばウィングの側縁領域または上端領域は強
度の中性子線を受ける。このため、制御棒の各ウィング
の側縁および上端領域に配設した中性子吸収棒は、多聞
の中性子を吸収し、他領域の中性子吸収棒より９期に核
的寿命を終える。したがって、他の領域に配設された中
性子吸収棒が十分に核的寿命を残しているにら拘らずｖ
制御棒を放射性廃棄物として廃棄しなければならない不
経済性があった。

そのような問題を解決するために強度の中性子照射を受
ける制御棒の領域に核的寿命が長い、例えばハフニウム
のような長寿命型中性子吸収体を部分的に配置した原子
炉用制御棒を本出願人は開発した。この原子炉用制御棒
は、特開ｒＪｒ４５３−７４６９７号公報に開示されて
いる通り、通常型制御棒の２倍程度の寿命が確保された
。

その後、原子炉の高燃焼麿運転、長期連続運転への移行
が希求され、制御棒の長寿命化に対する要請も一段と高
まったことに応えて、本出願人は特願昭６１−７８７４
６号明細書に記載したように飛躍的に寿命を延伸できる
長寿命タイプの原子炉用制御棒を開発した。

この原子炉用ａｊ制御棒は中性子吸収材として８４Ｃを
使用「ず長寿命を有するハフニウム金属板等の金属中性
子吸収板をシース内に対向して配設した構造を有してい
る。具体的な構成は第７図および第８図に示す。すなわ
ち原子炉用制御棒１はハンドル２を備えた先端構造材３
と末端構造材４とを横断面十字状の中央タイｎラド５で
一体的に接合している。中央タイロッド５の各突出部に
は深いＵ字状横断面を有するステンレス鋼で形成したシ
ース６が固設されてウィング７が形成される。

上記シース６内にはハフニウム（ｌｌｆ）金属板等を代
表とする板状の長寿命型中性子吸収体８が収容される。

この中性子吸収体８は中央タイロッド５の軸方向に複数
の中性子吸収要素８ａに分割され、各段の中性子吸収要
素８ａは第８図に例示するようにウィング７の肉厚方向
に対向して配設される、例えば２枚の中性子吸収板８ｂ
で構成され、両者は複数のスペーサ９を介して一体的に
接合される。

２枚の中性子吸収板８ｂの間には、減速材が流通する流
路１０が形成される。また、シース６には減速材である
炉水がシース６内に流入または流出するための通水孔２
１ａ、２１ｂが多数穿設されている。

このハフニウム板トラップ型の原子炉用１１Ｊ御棒によ
れば、従来のようにＢ４Ｃを充填した被覆管を必要とせ
ず、長寿命を有するハフニウム板を使用しているため、
υＩＩＯ棒自体の寿命は格段に延伸する。ところが、ハ
フニウムは中性子吸収能力が８４Ｇと比較してやや劣り
、また比重が大きいため、従来の制御棒と同等の中性子
吸収機能を確保するためには、厚さが大きいハフニウム
板を装着する必要がある。そのため、υｔ１２ｐ棒の重
量が大幅に増加し、荷重設計の変更を要することとなり
、既設の制御棒駆動機構にそのまま採用できない問題が
あった。

そのＩＸυ題点を解決するために、第８図に示すように
、シース内に対向して配設されるハフニウム製の中性子
吸収板８ｂの間に減速材である水を流通せしめる流路１
０を形成して、減速材による中性子減速効果を利用する
ことが提案された。すなわち、流路１０に水を流通せし
めると水の中性子減速効果によって制御棒の反応度価値
が向上する。

したがって、相対的に中性子吸収材としてのハフニウム
板の厚さを低減することができる。

この結果により、中性子吸収板８ｂの間に形成される流
路１０の幅を最大限に確保゛する一方、ハフニウムで形
成した中性子吸収板８ｂの厚さを極限まで低減し、シ制
御棒の組型Ｗの増加を可及的に抑制したことにより、こ
のハフニウム板トラップ型の制御棒は従来の制御棒駆動
機構に採用することが可能となった。

ちなみに、この原子炉用制御棒の実物大模型（モックア
ツプ）を組み込んだ臨界実験装置を使用して、反応度価
値を確認した結宋、例えば制御棒のシース６内に形成し
た減速材の流路１０の幅が広いほど制御棒の反応度価値
が上昇することが実証された。すなわち、流路１０の幅
を拡大する程、ハフニウム板の板厚を低減することが可
能となり、その点に着目してｆｉｌｌ　ｆｉｌｌ棒の全
重量を低減する対応として検討が進められている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、１．ｌＪ御棒のＵ字状シースの表面間距
離は、従来よりほぼ８ｍであり、この値以上に増加する
ことは炉心設計全体の変更にもつながり、現実的には困
難である。一方、このＪｑざの範囲内で制御棒の重量を
低減するためには、シースの厚さをより薄くする必要が
ある。しかし、シースの構造部材としての強度が低下す
るため、例えば大地震の発生時に制御棒に過大な曲げ応
力が作用した場合に塑性変形を起す可能性が増加し、制
御棒の炉心への挿入操作に悪影響を及ぼすことも考えら
れる。すなわち、過大な曲げ応力によってシースが外１
ｉに！ｆＩ性変形し、対向して配設された燃料集合体と
接触し、制御棒の挿入操作に支障をきた゛す可能性を完
全に否定することは困難である。

また、従来の原子炉用制御棒においては、シース内に装
填される中性子吸収体は軸方向に一体的なもので・はな
く、軸方向に複数段に分割されているため、４１１造部
材としてのシースの強度を補強する作用は少なかった。

そのため、制御棒に曲げ応力が作用した場合、相対的に
強度が低下した上記の分割位置などに応力が集中的に作
用することになる。

また、原子炉スクラム動作の際、制御棒を急速に炉心内
に挿入する際に生じる加速瓜によって制御棒に大きな軸
方向荷重が作用し、分割位置のシース表面に変形を生じ
る可能性もあるため、何らかの補強対策が望まれる。特
に、原子炉の高燃焼度長期連続運転に供する原子炉用υ
制御棒は設計基準として多数回のスクラム動作に対して
も変形を生じることなく、充分な機械的強度を保持でき
る叶仝性が要求される。

一方、長期間に渡り腐食に対する健全性も保証されなけ
ればならない。

すなわら、υｌ棒の反応度価値を高めるため、および装
着する中性子吸収板の重Ｌ１を低減するために減速材の
流路の幅を拡大すると、中性子吸収板はシース内表面に
密着して、その部分における冷却Ｈの円滑な流れを明言
することも考えられる。

冷曲材が停滞すると、中性子を吸収して発熱した中性子
吸収板の除熱操作が円滑に進行せず局部的に過熱状態に
なることも考えられる。また、シースを形成するステン
レス瑚と中性子吸収板を構成するハフニウムとの異種金
属が接触することにより、電気化学的腐食を誘発する可
能性も考えられる。

さらに、原子炉内は強億の放射１５ｉ１環境下にあるた
め、冷却材である水が放射線分解して酸素過剰雰囲気が
醸成され、応力腐食割゛れの誘発が促進される可能性も
ある。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、外力に対して変形が少なく機械的強度が高く、ま
た腐食による損耗を防＋Ｌ　Ｌ、、得る原子炉用制御棒
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る原子炉用制御棒は、先端構造材と末端構造
材とを中央タイ０ツドによって結合し、Ｆ記中央タイロ
ッドの各突出部にＵ字状のシースを固設し、上記シース
内に板状の長′ｒＴＲ１型中性子吸収体を挿入してウィ
ングを形成し、各ウィングの最外縁に上記長寿命型中性
子吸収体と隣接して長尺のハフニウム材を配設する一方
、上記中性子吸収体は中央タイロッドの軸方向に複数段
の中性子吸収要素に分割され、各段の中゛性子吸収要素
はウィングの肉厚右向に対向して収容される複数の中性
子吸収板で構成され、対向する中性子吸収板の間に減速
材を案内する流路を形成する一方、上記中性子吸収板の
外面とシース内面との間に通水路を形成したことを特徴
とする特 （作用） 上記構成の原子炉用制御棒は、各ウィングの最外縁に長
寿命型中性子吸収体と隣接して長尺のハフニウム材を配
設しているため、シースの構造強度が増強され、外力に
対する制御棒の耐性が強化される。すなわち、配設され
た長尺のハフニウム材によって各ウィングの最外縁が補
強され、制御棒全体の機械的強度が増加する。したがっ
て、地震等による曲げ応力に対する変形も少なく、長Ｉ
Ｉ間運転を想定した数多いスクラム動作に対しても機械
的な健全性を維持できる。

また、中性子吸収板の外面とシース内面との間に通水路
を形成しているため、冷却材が充分流れ滞留することが
ないため、シースが局部的に過熱されて損ｆ篇すること
がない。また１通水路によって中性子吸収板外面とシー
ス内面とが隔離されているため、異種金属である両者が
接触して電気化学的な腐食を生起するおそれがなく、長
期間に渡って原子炉用制御棒の健全性を維持することが
できる。

（実施例） 以下、本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例について
添付図面を参照して説明】る。

第１図は本発明に係る原子炉用ｕ制御棒の正面図Ｃあり
、図において右側のシースを部分的に破断して示１゜な
Ｊ３、第７図および第８図に示す従来例と同一の構成要
素・部品には同一符号を付している。

本実施例の原子炉用制御棒１は、ハンドル２を備えた先
端構ｊΔ材３と末端構造材４とを横断面−１字形の中央
タイロッド５で一体的に接合している。

中央タイロッド５の各突出部には、Ｕ字状横断面を有す
るシース６が固設されてウィング７が形成される。上記
シース６内の中央タイロッド側にはハフニウム金属板を
代表とする板状の艮！？命型中性子吸収体８が収容され
る。

また、上記中性子吸収体８に隣接して各ウィング７の最
外縁には長尺のハフニウム材１１が配設される。長尺の
ハフニウム材１１は、例えば第２図に示すように丸棒状
に形成したものを、２〜５本並列され、ウィングの軸方
向全長に渡りｄ通するように配設される。また、第１図
に示すようにハフニウム材１１の挿入先端側の上部には
、熱膨張による変形を吸収するための空間が設番ノられ
ている。

一方、上記中性子吸収体８は、中央タイロッド５の軸方
向に複数枚の中性子吸収体Ｒ８ａに分割され、各段の中
性子吸収体素８ａは、第２図に示すようにウィング７の
肉厚方向に対向して収容される複数の中性子吸収板８ｂ
で構成され、対向する中性子吸収板８ｂの間に減速材を
案内りる流路１０が形成される。一方、上記中性子吸収
板８ｂの外面とシース６内面との間には通水路１２が形
成される。対向して配設された中性子吸収板８ｂ。

８ｂはｇ！ｌ緑用スペーサ１３と中実用スベーリ１４に
よって所定の間隔をおいてシース６に保持される。側縁
用スベーリ１３および中実用スベ一番す１４はハフニウ
ム材またはステンレス鋼材によって形成される。

次に、第３図を参照して中性子吸収板８ｂの取付部のＭ
４造をより具体的に説明する。シース６内に対向して配
設された中性子吸収板８ｂ、８ｂの両端部は、ウィング
の軸方向に所定間隔をおいて配設された短尺の側縁用ス
ペーサ１３に部分的に溶接等によって接合される。

この側縁用スペーサ１３の板取付部１３ａの幅によって
中性子吸収板８ｂ、８ｂの間に所定間隔の流路１０が形
成される一方、シース６内面と中性子吸収板８ｂ外面と
の間に所定の幅を有する通水路１２が形成される。

なお、中央タイロッド５の突出部と突出部に対向する側
縁用スペーサ１３との各々の角部に、第３図に示すよう
に面取り加工を施工すると通水路が形成され、減速材ぐ
ある炉水の流動抵抗が低下し冷却作用が円滑になり、中
性子吸収板８ｂの局部的な過熱が防止される。

一方、中性子吸収板８ｂの中央部は、中実用スペーサ１
４およびリング状スペーサ１５を介して所定位置に固定
される。ここで、中実用スペーサ１４は第４図に示すよ
うに、流路１０の幅に相当する厚さを右するつば状の取
付座１６を右し、取付座１６の両面には減速材である炉
水が流通づるための通水溝１７が設けられている。

対向した中性子吸収板８ｂ、８ｂは中実用スペーサ１４
の取付座１６の両面にそれぞれ装着され、リング状スペ
ーサ１５を介してシース６に固定される。中実用スペー
１１１４は、対向するシース６に設りた取（ｌ穴１８に
溶接等によって一体的に接合される。なお、リング状ス
ベー４）１５の表面部にも中実用スベー１す１４と同様
に、通水溝１７ａを設けるとよい。

第１図に示すように、シース６表面に穿設した通水孔２
１ａ、２１ｂからシース６内に流入した炉水は、流路１
０および通水路１２を流通し、中性子吸収板８ｂに発生
した熱を除去し、また減速材としての機能をも宋しなが
らｌフィングツ上部の通水孔２１ａ、２１ｂから流出す
る。

以上のように、本実施例による原子炉用制御棒において
は、各ウィング７の最外縁に長尺のハフニウム材１１を
配設しているため、シース６全体の構造強度が増加し外
力に対する１、ＩＪ　ＩＩＩ棒の耐性が向上する。した
がって、長期間に渡って運転される原子炉用の制御棒と
して有用である。

また、本実施例においては、中性子吸収板８ｂの外面と
シース６内面との間に通水路１２を形成しているため、
冷却材が充分に流通し、シース６または中性子吸収板８
ｂが局部的に過熱されて損傷する可能性はない。

また、通水路１２は側縁用ペーサ１３、中火用スペーサ
１４およびリング状スペーサ１５によって中性子吸収板
８ｂ外面とシース６内面とを隔離して形成しているため
、異種金属である両名が接触して電気化学的な腐食を生
起するおそれがなく、長期間に渡って原子炉用制御棒１
の健全性を維持することができる。

次に、本発明の他の実施例について第５図を参照して説
明する。

この実施例では、各ウィング７の外側縁部の軸方向に中
空円管状に形成された長尺のハフニウム材１１ａを配設
して構成する。

、この場合、長尺のハフニウム材１１ａの中空部１９に
減速材としての水の流路が確保されるため、ハフニウム
の中性子吸収機能を肩代りすることが可能であり、ハフ
ニウム材の素材重量を若干低減することができる。なお
、ハフニウム材１１ａの側面部に多数の透孔２２を設け
、減速材の流通経路を多様化して流動抵抗を低減し、冷
却効率をより向上することもできる。

また、シース６内方向に凹陥するディップリング２０を
シース６表面に多数形成し、このディップリング２０の
頂部を中性子吸収板８ｂに当接することにより中性子吸
収板８ｂ外面とシース６内面とを隔離し、所定幅の通水
路１２を形成してもよい。

この場合、側縁用スペーサ１３はシース６内の中央部に
形成される流路１０の幅のみを規制する形状となる。し
たがって、その形状は単純化され、加工調製が容易であ
る。また、本実施例の場合、通水路１２の幅を規制する
リング状スペーサ１５（第２図）が不要となり、ウィン
グ７の組立作業が簡素化される。なお、本実施例におい
て対向して配設した中性子吸収板８ｂ、８ｂの端部に介
装する側縁用スベー号１３は、第６図に示づ゛ようにウ
ィング７の軸方向に所定間隔をおいて配設され、各側縁
用スペーサ１３は対向する中性子吸収板８ｂ、８ｂの一
方にのみ溶接等によって固定されＣいる。したがって、
対向する中性子吸収板８ｂ。

８ｂの一方に何らかの理由で不測の曲りが生じた場合に
おいても、その影響によって両方の中性子吸収板８ｂ、
８ｂが一体となって大きく変形ジることが防止される。

〔発明の効果〕

本発明に係る原子炉用制御棒においては、各ウィングの
最外縁に長尺のハフニウム材を配設しているため、シー
スの構造強度が増加し、外力に対する原子炉用１ｉＩＪ
御棒の耐性が強化される。したがって、長期間に渡って
使用される間に想定される地震または数多いスクラム動
作に対しても充分安全に対処することができる。

また、中性子吸収板の外面とシース内面との問に通水路
を形成しているため、冷却材が充分に流通し、シースま
たは中性子吸収板が過熱状態になることが防止される。

また、通水路を設けたことにより中性子吸収板外面とシ
ース内面とが隔離されるため、賀種金属である両者が接
触して電気化学的腐食を発生することが少なく、長期間
に渡って原子炉用制御棒の健全性を維持することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る原子炉用ａ制御棒の一実施例を部
分的に破断して示ず正面図、第２図は第１図にＪ３ける
■〜■矢祝矢面断面図３図は第２図における■部詳細図
、第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は第３図における中央
用スペーサのそれぞれ斜視図、平面図、断面図、第５図
は他の実施例のウィングの断面図、第６図は第５図にお
けるｖｒ　−ｖｒ矢祝断面図、第７図は従来の原子炉用
！ＩＩ　ｆｌＪ棒の全体斜視図、第８図は第７図におけ
る■−■矢視断面図である。 １・・・原子炉用制御棒、２・・・ハンドル、３・・・
先端構造材、４・・・末端構造材、５・・・中央タイロ
ッド、６・・・シース、７・・・ウィング、８・・・中
性子吸収体、８ａ・・・中性子吸収要素、８ｂ・・・中
Ｍ？吸収板、９・・・スペーサ、１０・・・流路、１１
．ｌｌａ・・・長尺ハフニウム材、１２・・・通水路、
１３・・・側縁用スペーサ、１３ａ・・・板取付部、１
４・・・中実用スペーサ、１５・・・リング状スペー勺
、１６・・・取付座、１７゜１７ａ・・・通水溝、１８
・・・取付穴、１９・・・中空部、２０・・・ディップ
リング、２１．２１ａ、２１ｂ・・・通水孔、２２・・
・透孔。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久／′ 芸　ｌ　図 蔓４　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端構造材と末端構造材とを中央タイロッドによっ
   て結合し、上記中央タイロッドの各突出部にＵ字状のシ
   ースを固設し、上記シース内に板状の長寿命型中性子吸
   収体を挿入してウィングを形成し、各ウィングの最外縁
   に上記長寿命型中性子吸収体と隣接して長尺のハフニウ
   ム材を配設する一方、上記中性子吸収体は中央タイロッ
   ドの軸方向に複数段の中性子吸収要素に分割され、各段
   の中性子吸収要素はウィングの肉厚方向に対向して収容
   される複数の中性子吸収板で構成され、対向する中性子
   吸収板の間に減速材を案内する流路を形成する一方、上
   記中性子吸収板の外面とシース内面との間に通水路を形
   成したことを特徴とする原子炉用制御棒。 ２、長尺のハフニウム材は、中空円管状に形成されてな
   る特許請求の範囲第１項記載の原子炉用制御棒。 ３、シースは、シース内方向に凹陥するディップリング
   を有し、上記ディップリングの頂部を中性子吸収板に当
   接せしめ、中性子吸収板の外面とシース内面との間に所
   定幅の通水路を形成した特許請求の範囲第１項記載の原
   子炉用制御棒。