JPS6345591A - 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、特に沸騰水型原子炉に適用す
るのに好適な制御棒に関する。

〔従来の従来〕

沸騰水型原子炉に用いられる制御棒は、横断面が十字形
をしており、４枚のブレードを有している。各ブレード
は、Ｕ字形に曲げられたシー入内に多数の中性子吸収棒
を配置して構成される。各シースは、制御棒の軸心に設
けられているタイロッドに取付けられている。中性子吸
収棒は、タイロッド、シース、タイロッドの上端部に取
付けられた上部支持部材及びタイロッドの上端部に取付
けられたベロシティリミッタの上面によって形成される
空間内に、固定されることなく一列に配列されて配置さ
れている。中性子吸収棒の上下面と上部支持部材及びベ
ロシティリミッタ上面との間に、ショックアブソーバ、
すなわち薄肉のステンレスパイプを水平方向に挿入して
いる。このような制御棒は、特開昭５７−１７１２９３
号公報に示されている。このステンレスパイプは、制御
棒の通常時またはスクラム時の駆動に際して中性子吸収
棒が上部支持部材及びベロシティリミッタに与える衝撃
を緩和するために設けられている。

【発明が解決しようとする問題点〕 特開昭５７−１７１２９３号公報は、中性子吸収材とブ
レードの上下端部の構造材との間にショックアブソーバ
としてのステンレスパイプを挿入することによって、中
性子吸収棒と上記構造材との間に生じるギャップを低減
している。しかしながら、中性子吸収棒は、４ｍの長さ
を有し、しかも被覆管と端栓とを溶接にて接合している
。このため、１つのブレード内に配置するすべての中性
子吸収棒の軸方向の長さを等しくすることは困難であり
、その長さにバラツキが生じる。すなわち中性子吸収棒
の長さは、平均で２〜３ｍｌ、最大で５〜６Ｉのバラつ
きがある。従って、中性子吸収棒の熱膨張を吸収できる
ようにステンレスパイプの大きさを決めたとしても、ブ
レード内のすべての中性子吸収棒とステンレスパイプと
の間のギャップを零にすることは困難である。原子炉運
転中で、中性子吸収棒が熱膨張等により伸びた状態でも
、ある中性子吸収棒の両端面は上下のステンレスパイプ
に接触しているがある中性子吸収棒の上端面ばステンレ
スパイプと接触せずにその上端面とステンレスパイプと
の間に最大５〜６Ｉのギャップが形成される。すべての
中性子吸収棒は１重力の作用により下端部に配置された
ステンレスパイプと接触している。

原子炉スクラム時において制御棒は、約１秒間で炉心内
に急速挿入され、最後は急速停止される。

急速挿入時に各中性子吸収棒にはとてつもなく大きな加
速度が作用しており、挿入完了時の急速停止に至る急速
減速によって上端部に位置しているステンレスパイプと
の間にギャップを形成している中性子吸収棒はそのステ
ンレスパイプに勢い良く衝突する。このため、ステンレ
スパイプは１回のスクラム操作で、押潰され（特にステ
ンレスパイプとの間に大きなギャップを有している中性
子吸収棒によって）、以後のスクラム操作に対しては緩
衝機能を果さなくなる可能性があり、制御棒の挿入端側
にある構造材が中性子吸収棒によって衝撃を受は易くな
る。特に中性子吸収棒をＨｆにて構成した場合には、ス
テンレスパイプは前述の如く１回のスクラム操作によっ
て潰れ易い。

ステンレスパイプの代りにコイルばねを各々の中性子吸
収棒に取りつけてショックアブソーバとして用いること
も考えられるが、部品数も多くなって構造的に複雑にな
り、制御棒の製造が面倒になる。

本発明の目的は、スクラム時に中性子吸収棒が制御棒挿
入端側の構造材に与える衝撃を制御棒が寿命となるまで
の長期間にわたって単純な構造で防止できる制御棒を提
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、制御棒の制御棒駆動装置連結側にある中性
子吸収棒支持部とシース内に存在する中性子吸収棒の制
御棒駆動装置側端部とを係合することにより達成できる
。

〔作用〕 制御棒駆動装置側にある中性子吸収棒支持部と中性子吸
収棒の制御棒駆動装置側端部とが係合されているので、
制御棒の寿命期間にわたって中性子吸収棒がスクラム時
に制御棒挿入端側の構造材に衝撃を与えることを防止で
きる。

〔実施例〕

制御棒の寿命を延ばすために、中性子吸収材として８４
Ｃに代えてハフニウムを用いることが考えられており、
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Ｂ４
Ｃよりも重く。

中性子吸収材として長寿命型中性子材のみを用いた制御
棒を構成した場合には、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、Ｈｆ捧を中性子吸収棒として用
いる場合にはブレード内に配置するＨｆ捧の一部を細く
することにより制御棒重量の軽減を図った。

本発明の実施例を第１図、第２図、第４図、及び、第５
図により説明する。

制御棒は、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枚のブレード２を有している。ブ
レード２の下方にベロシティリミッタ１７が設けられる
。ハンドル１８はブレード１２の上端に取付られる６図
示されていないが、制御棒は、原子炉圧力容器内におい
て、原子炉圧力容器に設置された制御棒駆動装置と着脱
可能に連結されている。ベロシティリミッタ１７の下端
部が制御棒駆動装置に着脱可能に連結される。制御棒１
のブレード２の形状を第１図、第４図及び第５図に基づ
いて説明する。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１１に両端部が取付けられ
たＵ字形のシース（Ｓｔ７３１１）１２及びシース１２
内に設けられた中性子吸収棒３から構成される。上部保
持部６がタイロッド１１の上端部に、下部保持部７がタ
イロッド１１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１２の上端部は、上部保持部６を取囲み
、上部保持部６に点溶接にて取付けられる。シース１２
の下端部は、下部保持部７を取囲み、下部保持部７に点
溶接にて取付れられる。

シース１２には多数の孔が設けられており、制御棒１を
原子炉内にａＮした時、これらの孔を通してシース１２
内に原子炉内の冷却水が流入する。

この冷却水は、中性子吸収棒３を冷却する。中性子吸収
棒３は、第４図及び第５図に示すように。

シース１２内に配置され、しかもタイロッド１１に取付
けられた５ＵＳＩｌの上部及び下部保持部６及び７の間
に配置されて保持される。中性子吸収棒３は、ハフニウ
ム金属の丸棒を用いる。ハンドル１２は、上部保持部６
上に取付けられる。ベロシティリミッタ１７は、タイロ
ッド１１の下端に係合される。下部保持部７は、ベロシ
ティリミッタ１７に固定されている。特に下部保持部７
を設けずにベロシティリミッタ１７を下部保持部７とし
て用いてもよい。

中性子吸収棒３は、第１図に示すように、太径部４及び
細径部Ｓからなっている。太径部４は、及び細径部５は
ハフニウムの丸棒である。太径部４及び細径部５は直径
が異なり、太径部４は４．８Ｉφ、　３．４　ｎｕφあ
る。太径部４はブレード２の上部に細径部５はブレード
２の下部に配置されている。中性子吸収棒３は、太径部
４の下端に細径部５の上端を、太径部４及び細径部５の
軸心を一致させて接合したものである。１つのブレード
２内に中性子吸収棒３が２１本装填されている。太径部
４及び細径部５は、中性子吸収棒３（中性子吸収材充填
領域）の軸方向長さの１／２ずつを占めている。従って
１本実施例のブレード２は、上部の１７２と下部の１／
２を比較すると、吸収核連鎖型中性子吸収材の量は下部
で少なくなっている。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
ｂ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、Ｅｕ２０８ｇ　Ｔ　ａ　＋Ｄｙｚｏａ及びＡ
ｇ　−Ｉｎ−Ｃｄ等がある。

１本の制御棒には４枚のブレード２がある。ブレード２
の上部領域には中性子インポータンス分布が大きいため
に中性子吸収棒３の太径部４を配置し、ブレード２の下
部領域には、中性子インボータンス分布が小さいので中
性子吸収棒の細径部５を配置した。本実施例では上部領
域と下部領域の境界を、制御棒の中性子吸収材充填領域
の下端から中性子吸収材充填領域の軸方向全長の１／２
の位置に配置している。しかし、上部領域及び下部領域
の二領域にブレード２内の吸収核連鎖型吸収材の充填景
を変えた場合、それらの領域の境界は、中性子吸収材充
填領域の下端からこの充填領域の軸方向全長の３／８〜
５／８の範囲に位置させればよい。第３図は、原子炉停
止中における中性子インポータンス分布（相対値）を軸
方向位置に沿って表している。第３図中、実線がその分
布で、破線が上下２領域におけるその値の平均値を表し
ている。この図から、上下２領域の境界を全長の３／８
〜５／８の範囲にすればよいことが明らかである。

本実施例は、前述のように太径部４及び細径部５からな
る中性子吸収棒３をブレード２内に配置しているので、
制御棒１の重量は８４Ｇ　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になる。従って１本実施例の
制御棒１は、従来の制御棒を操作する制御棒波動装置に
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ペレットを大き
くする等の変更を行う必要がない。

中性干柿３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で招哀Ｈｆは。

中性子を吸収してもガスを発生しない。従って、制御棒
１の中性子吸収棒３は、機械的寿命が増大する。また中
性子吸収棒３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。ここで、中性子吸収
棒３の太径部４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８４Ｃ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の軸方向長さは
、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
は、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。

このような構成により制御棒の重量は従来の制御棒と同
程度に押えられ、また制御棒の反応度制御能力も従来制
御棒と同程度となり、その寿命は上部領域で従来の４倍
と高く、下部領域でも３倍となっている。

次に中性子吸収棒３と下部支持部７との係合状態につい
て説明する。中性子吸収棒３の細径部５の下端部、具体
的には細径部５の下端から少し上方の位置に、第６図に
示すように溝部８が形成されている。このため、細径部
５の下端部に突起部９が形成される。下部支持部７の上
端部（ベロシティリミッタ１７の上端部であってもよい
）には、第７図に示すようにブレード２の幅方向（タイ
ロッド１１からブレードの翼端に向う方向）に延びる１
３１３が設けられる。溝１３と下部支持部７の上端との
間には、係合部１４が形成される。係合部１４は、下部
支持部７の板厚方向に延びる切欠部１５を有している。

切欠部１５は、中性子吸収棒３の本数に対応して設けら
れており、２１個存在する。下部支持部７及びベロシテ
ィリミッタ７は、中性子吸収棒３よりも制御棒１の制御
棒駆動装置連結側に位置している。

中性子吸収棒３の細径部５の下端部、すなわち溝部８及
び突起部９が、第８図及び第９図に示すように下部支持
部７と係合される。すなわち、細径部５の溝部８の部分
が下部支持部７の切欠部１５内に、細径部５の突起部９
が下部支持部７の溝１３内に挿入される。溝部８の制御
棒１の軸方向における長さは、切欠部１５が設けられた
係合部１４の制御棒１の軸方向における長さに等しい。

このように細径部５が下部支持部７と係合された状態で
シース１２が下部支持部７に取付けられる。

中性子吸収棒３の上端部、すなわち中性子吸収棒３の制
御棒挿入端側の端部は、上部支持部６と係合されていな
い、中性子吸収棒３は、制御棒１の制御棒駆動装置連結
側の端部でのみ制御棒１の構造材と係合している。各中
性子吸収棒３の上端と上部支持部６との間には、制御棒
１が原子炉内で使用されている状態で生じる熱膨張等に
よる軸方向の伸びを吸収するのに十分な間隙が形成され
ている。

本実施例は、前述のように中性子吸収ｊｆｓ３が制御棒
の制御棒駆動装置連結側で下部支持部材７（またはベロ
シティリミッタ１７）に係合されているので、原子炉の
スクラム時に制御棒が炉心内に急速挿入された場合でも
、中性子吸収棒３の制御捧挿端側の端部が上部支持部６
に衝突することが完全に防止できる。すなわち、細径部
５の溝部８の部分と係合部１４が係合して突起部９の上
面と係合部１４の下面が接触しているので、スクラム完
了直前での急減速による中性子吸収棒３の上方への移動
は完全に防止できる。このような細径部５と下部支持部
７との係合状態は、制御棒１が寿命保持されるので、中
性子吸収棒３と上部支持部６との衝突は制御棒１が寿命
になるまでの長期間にわたって起り得ない。

前述のような中性子吸収棒３の下端部と下部支持部７と
の係合は、以下に示す上部が大径部と下部が細径部とか
らなる中性子吸収棒３を備えた制御棒特有の問題点をも
解消することができる。太径部４及び細径部５からなる
中性子吸収棒３をブレード２内に設置した場合、第１図
に示すように隣接する中性子吸収棒３は太径部４どうし
が接触している。しかし、隣接する中性子吸収棒３の細
径部５間には、第１図に示すような間隙１６が形成され
る。このため、中性子吸収棒３の細径部５の下端部が下
部支持部７に係合されていないと、原子炉スクラム時の
制御棒の急減速時に中性子吸収棒３が上部支持部６に衝
突するとともに、中性子吸収棒３の細径部５が貫性力に
よって第１０図に示すように湾曲し、細径部５の下端が
寸法Ｈだけ上方に持ち上げられる。従って一時的に中性
子吸収材充填領域が上方に向って寸法Ｈだけ短縮される
ことになり、スクラム時における炉心下部の中性子吸収
能力が低下することになる。本実施例は、第８図及び第
９図に示すように中性子吸収棒３の細径部５の下端部と
下部支持部７が係合されているので、原子炉スクラム時
の制御棒の急速挿入操作において第１０図に示す細径部
５の湾曲現象が生じなく、中性子吸収材充填領域の短縮
化も生じない。従って、本実施例では、スクラム時に炉
心領域下部の中性子吸収が阻害されることはない。

隣接する細径部５相互間に間隙１６が形成されているが
、下部支持部７の係合部１４、すなわち、切欠部１５相
互間に存在する係合部１４の部分が細径部５の下端部で
隣接する細径部５相互間に挿入されているので、細径部
５がブレード２の幅方向にずれることはない０本実施例
の下部支持部７は、中性子吸収棒３の細径部５のブレー
ド２の幅方向へのずれを防止する機能を有している。さ
らに、細径部５の溝８の部分の切欠部１５内での移動、
すなわち、ブレード２の側面に直角な方向での上記溝８
の部分の移動は、シース１２に設けられた突起部１８に
よって防止できる。最も下に位置する突起部１８はでき
るだけ下部支持部７の近くに設けるとよい。

本実施例は、ブレード２の外面の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の軸方
向で異なっている。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の太径部４が存在するブレー
ド２の上部領域で厚く、直径の小さな中性子吸収棒３の
細径部５が存在するブレード２の下部領域で薄くなって
いる。

シース１２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１２の構造材
の一部を突出させたものである。

突起部１８は、第２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、すなわち中性子吸収棒３の細径部５が配置
されている制御棒の下部領域に設けられる。中性子吸収
棒３の細径部５は、シース１２の両側に設けられた対向
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の下部でその長
平方向に数箇所設けられる。

シース１２の側面の内面に突出した突起部１８によって
中性子吸収棒３の細径部５が保持されるので、中性子吸
収棒３の細径部５がシース１２内でシース１２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３の細径部５が、地震、冷却水の流動振動
等にてシース１２内でブレード２の厚み方向に移動し１
反応度制御に支障を与える可能性がなくなる。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１２の曲げ剛性を高めることにつながり
、シース１２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。

中性子吸収棒と下部支持部との係合の他の実施例を第１
１図〜第１５Ｃ！ｌに基づいて以下に述べる。

第１１図〜第１５図は、各実施例における前述の第９図
に該当する部分を示している。これらの実施例は、中性
子吸収棒３とは異なって軸方向に直径が一様なＨｆ捧を
中性子吸収棒として用いた場合のものであるが、前述の
中性子吸収棒３を用いた制御棒に適用することもできる
。

第１１ｙ！ｉに示す中性子吸収棒２０は、＃方向に直径
の一様なハフニウム棒である。第１１図に示す制御棒Ｉ
Ａは、下部支持部７Ａに中性子吸収棒２０の下部が係合
されている。下部支持部７Ａには、ブレード２の幅方向
に延びる逆Ｔ字の連続した溝２１が設けられている。中
性子吸収棒２０の下端部に直径の小さな係合部２１と突
起部２２が設けられる。中性子＠取枠２０の係合部２１
及び突起部２２が、下部支持部７の溝２１内に挿入され
係合される。

第１２の制御棒ＩＢは、下部支持部７Ｂに断面形状が下
に向って広くなる溝２５をブレード２の幅方向に連続し
て設け、この溝２５内に、中性子吸収棒２０の下端部に
設けた係合部２４を挿入して中性子吸収棒２０と下部支
持部７Ｂとを係合したものである。

第１３図の制御棒ＩＣは、下部支持部７Ｃに断面形状が
Ｌ字の溝２７をブレード２の幅方向に連続して設け、こ
の溝２７内に、中性子吸収棒２０の下端部に設けたＬ字
型の係合部２６を挿入して下部支持部７Ｃと中性子吸収
棒２０を係合したものである。

第１４図の制御棒ＩＤは、下部支持部７Ｄに溝２９を設
け、この溝２９内に、中性子吸収棒２０の下端部に設け
た直径の小さい係合部２８を挿入し、下部支持部７Ｄと
係合部２８をピン３０にて結合したものである。

第１５図に示す制御棒ＩＥは、中性子吸収棒２ｏの下端
部に設けたネジ３１を、下部支持部７Ｅに設けたネジ穴
３２に取付けたものである。

第１１図〜第１５図の実施例の他の構成は、シース１２
に切欠部１８が設けられていない点、中性子吸収棒２０
の直径が軸方向に一様である点を除いて第１図の実施例
と同じである。これらの実施例も、第１図の実施例と同
様な効果が得られる。

しかし、第１０図に示す中性子吸収棒の細径部の湾曲現
象は、中性子吸収棒２０の直径が軸方向に一様なためも
ともと発生しない。

以上述べた実施例の構成は、従来のＢａＣを充填した中
性干柿を有する従来の制御棒に適用することができる。

第９図、第１１図〜第１５図示す係合構造をＢ４Ｇ充填
の中性子吸収棒の下部端栓と下部支持部に適用すること
によって前述の実施例と同様な効果が得られる。

〔発明な効果〕

本発明によれば、制御棒が寿命になるまでの長期間にわ
たって原子炉スクラム時に生じる中性子吸収棒の制御棒
の制御棒挿入端側にあるハンドルを取付ける構造材との
衝突を単純な構造で完全に防止できる。

【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局部断
面図、第２図は第１図の制御棒の外観図、第３図は中性
子インボータンスの軸方向分布を示す特性図、第４図は
第２図のＩＶ−ＩＶ断面図、第５図は第２図の■−■断
面図、第６図は第１図の中性子吸収棒の下端部の斜視図
、第７図は第１図の下部支持部の斜視図、第８図は、第
１図の）■部拡大図、第９図は第８図の■−■断面図、
第１０図は原子炉スクラム時の制御棒操作によって中性
子吸収棒の細径部に生じる湾曲現象を示す説明図、第１
１図〜第１５図は本発明の他の実施例における中性子吸
収棒と下部支持部との係合状態を示す構造図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、制御棒挿入端側に位置する第１支持部と、制御棒駆
   動装置連結側に位置する第２支持部と、前記第１支持部
   と前記第２支持部との間に配置された複数の中性子吸収
   棒と、前記第１及び第２支持部に両端部が取付けられて
   前記中性子吸収棒の配列の周囲を取囲むシースとからな
   り、下方より炉心内に挿入される制御棒において、前記
   中性子吸収棒の制御棒駆動装置連結側の端部と前記第２
   支持部とを係合したことを特徴とする制御棒。 ２、前記中性子吸収棒が吸収核連鎖型中性子吸収材にて
   構成されている特許請求の範囲第１項記載の制御棒。 ３、制御棒挿入端側に位置する第１支持部と、制御棒駆
   動装置連結側に位置する第２支持部と、前記第１支持部
   と前記第２支持部との間に配置された複数の中性子吸収
   棒と、前記第１及び第２支持部に両端部が取付けられて
   前記中性子吸収棒の配列の周囲を取囲むシースとからな
   り、下方より炉心内に挿入される制御棒において、前記
   中性子吸収棒が吸収核連鎖型中性子吸収材にて構成され
   、前記中性子吸収棒を軸方向で制御棒挿入端側領域と制
   御棒駆動装置連結側領域の２領域に分割し、後者の領域
   における前記中性子吸収棒の太さを前者の領域における
   前記中性子吸収棒の太さよりも細くし、前記中性子吸収
   棒の制御棒駆動装置連結側の端部と前記第２支持部とを
   係合したことを特徴とする制御棒。 ４、前記中性子吸収棒の前記制御棒挿入端側領域の軸方
   向の長さを前記中性子吸収棒の全長の３／８〜５／８に
   した特許請求の範囲第３項記載の制御棒。