TWI390551B - 用於核子反應爐之控制棒及製造控制棒的方法 - Google Patents

Description

用於核子反應爐之控制棒及製造控制棒的方法

本發明係有關於一種用於核子反應爐，譬如像是沸水式反應爐，的控制棒及亦關於製造此控制棒的方法。

用於沸水式反應爐(BWR)之具有長效性的傳統控制棒被示於日本專利未審公開案第63－8594號(在下文中被稱為專利文獻1)的圖30至32中的標號200或M.Ueda,T.Tanzawa,及R.Yoshioka等人發表於Transaction of the American Nuclear Society,vol.55,p.616(1987)的一篇“Critical Experiment on a Flux－Trap－Type HafniumControl Rod for BWR”中(下文中被稱為非專利文獻1)。每一控制棒200都包括四個翼部207。每一翼部都包括一用不鎊鋼(SUS)製造的輎201其據有一U型的橫截面。

亦即，圖30顯示一用於核子反應爐，譬如像是沸水式反應爐(BWR)，的控制棒200。該控制棒200包括，例如，一連繫桿(tie rod)202其將一前端結構件203連接至一終端結構件204，該等翼部207從該連繫桿202徑向地延伸出，及多個中子吸收器210其被安排成與該連繫桿202的軸平行。該前端結構件203包括導引滾子203a及一握把211其位在該前端結構件203的一端。每一翼部207都包括一輎201其具有一U形橫截面的外端部分且具 有冷卻孔209。該等中子吸收器8被容納在輎201內。

示於圖31及32中的控制桿200是一種傳統的通量陷阱式(fiux trap－type)鉿控制桿200，其具有一很長的使用壽命。該通量陷阱式鉿控制桿200包括翼部207其含輎201，鉿板205其被容納在輎201內，及一連繫桿202。如中子吸收器般地作用的該鉿板205是用鉿或鉿合金製成的，且被設置在每一翼部207之分離的區段內，這些區段被安排成平行於翼部207的軸線。每一對鉿板205彼此相對。各個鉿板可根據其所在之分離的區段所吸收之中子數量而有不同的厚度。這可讓鉿板205有一致的壽命。

參照圖31及32，鉿板205用固定件208以焊接方式被固定到鞘201的內表面上，其形成這些翼部207的殼。這些輎201藉由點焊而被固定至連繫桿202。

在該通量陷阱式鉿控制桿200中，因為固定件208係利用焊接而被固定到這些輎201上，所以輎201會因為焊接變形而稍為朝向鉿板205凹陷。這可消除掉介於鉿板205與輎201之間的空間且可造成輎201與鉿板205彼此緊密地固定在一起。在此例子中，任何用來吸收一腐蝕性成分的空間都不存在於鉿板205與輎201之間且一大的應力可被施加至輎201上因為鉿板205不能被移位離開該輎201，雖然鉿板205的熱膨脹與輻射成長不同於輎201的熱膨脹及輻射成長。在該通量陷阱式鉿控制桿200中，鉿板205是用固定件208以焊接方式被固定到輎201上。焊接的部分承受了相當大的負荷，譬如在操作期間的並列負 荷(scrum load)。固定件208之利用焊接的固定會在焊接部分的周圍發展出徑向的張應力，而在鞘201上靠近焊接部分出造成應力腐蝕裂痕。這會導致該通量陷阱式鈴控制桿200壽命變短且會危及到核子反應爐的安全。

日本未審專利申請案公開第9－113664號(下文中被稱圍專利文獻2)亦揭露一種用於BRW之用焊接製造的控制棒。然而，專利文獻1並沒有揭露用來降低焊接所引起之殘留應力的技術。

在該通量陷阱式鉿控制桿200中，每一對鉿板205(它們都彼此相對)都被設置在一鞘201內且介於每一鉿板205與對應的鞘201之間的一距離係用固定件208來加以保持。鞘201焊接至固定件208的上部造成鞘201的薄的部分被朝向鉿板205凹陷，而在鞘201內發展出殘留張應力。

如果該通量陷阱式鉿控制桿200在此一狀態下被使用的話，則該殘留的張應力在高溫水中會在鞘201內造成應力腐蝕裂痕。在鞘201上導因於焊接的變形可消除掉介於鉿板205與鞘201之間的空間用以造成裂痕腐蝕。這會導致該通量陷阱式鉿控制桿200的可靠性降低。

再者，鞘201具有一套在具有十字形橫截面之該窄的連繫桿202的一突出部上的孔且具有一內部空間用來容納作為中子吸收器的該對鉿板205。每一翼部207都具有一結合至一前端結構件203的前導部分211及一結合至一終端結構件204的微端部分。

在該控制棒200中，介於鉿板之間的空間被填滿一核子反應爐內的水。該反應爐水可緩和中子使得它們可被有效地被鉿板205所吸收。因此，貴重且笨重的鉿板205可被節使，因為由反應爐水存在鉿板205之間。介於它們之間的空間被稱為一陷阱或陷阱空間。

鉿板205在該控制板200的軸方向上被彼此間隔開來，因為位在靠近核子反應爐入口處之鉿板205內的鉿含量較少。鉿板205係用設置在它們之間的固定件208(其被稱為空間/負荷保持件)被固定至鞘201。

在傳統的技術文獻中都沒有揭露用於防止應力腐蝕裂痕的技術。鉿板205在該控制板200的軸方向上被彼此間隔開來且具有不同的厚度。然而，鉿板205數量上的增加會導致製造成本增加的問題及鉿板205在軸方向上的機械強度不均勻的問題(亦即，位在下部的鉿板205具有較弱的機械強度)。

鞘201被放置得靠近鉿板205，因此控制棒200是在腐蝕性的環境下，因為用來製造鞘201的不錢鋼具有一電化學特性不同於鉿板205中的鉿的電化學特性。再者，控制棒200遭受到腐蝕，因為在核子反應爐內的氛圍是腐蝕性的。

日本未審專利申請案公開第58－147687號(下文中被稱圍專利文獻3)揭露一種不包含鞘的鉿控制棒。該鉿控制棒具有一用來解決鉿與不鎊鋼無法彼此焊接在一起的問題的結構。該鉿控制棒包括一用不鎊鋼製造的連繫桿。然 而，沒有預防腐蝕的手段或沒有預防俗稱控制板歷史效應(blade history)的手段在專利文獻中被揭露。

在高功率操作中，一長效型控制棒被絕大部地插入到一核子反應爐內。因此，燃料組件之與中子吸收器相鄰的部分具有低中子通量程度，因此消耗的很慢。因此，在這些燃料組件中之可裂變的物質就相對地多。當該長效型控制棒從核子反應爐被取出時，大量的能量會被產生。這會影響要燃料組件的健康。

此問題可被稱為控制板歷史效應(blade history)。防止中子通量的減少是解決此問題的有效的方式且通常降低長效型控制棒的反應性當量藉以造成反應性當量的短缺。

傳統的控制棒已被使用在商業運轉的反應爐中用提供令人滿意的輻射抑制。然而，傳統的控制棒遭遇到應力腐蝕裂痕的問題且被電化學地活化。為了要在核子反應爐中長時間使用傳統的控制棒，導因於輻射增長上的差異或導因於熱膨脹上的差異所造成的問題必需加以解決且下列的問題，即，與傳統控制棒相鄰的燃料組件在傳統的控制棒從核子反應爐中被取出時會產生大量的能量的問題(亦即，控制板歷史效應很嚴重的問題)，亦必需以一種反應性當量被抑制的方式來解決。

再者，中子吸收板在可製造性上被改善，在軸方向上具有均勻的結構，及降低製造成本，都是所想要的。

本發明是在考量了上文提到之先前技藝所遭遇到的情況下被研發出的，且本發明的一個目的為提供一種用於核子反應爐之長效型控制棒且亦提供一種製造此控制棒的方法。

本發明在防止應力腐蝕裂痕上是有效的，在降低電化學活化上是有效的，在改善軸向機械強度分佈上是有效的，且在提高可製造性上是有效的。

在一態樣中，上述及其它目的可依據本發明藉由提供一種用於核子反應爐之控制棒來達成，其包括一複合材料件的中子吸收器，該複合材料件包括一鉿板及結合至該鉿板的至少一鋯板。

此態樣可包含下列的實施例。

該中子吸收器的水平截面具有十字形的形狀。

該鋯板可被設置在該中子吸收器之與反應爐水接觸的表面上。

該控制棒可進一步包含翼部其用在每一翼部的厚度方向上的固定件來加以固定，其中固定件被設置在翼部的基部附近的位置處且被安排在縱長方向上。

該控制棒進一步包含翼部其用位在每一翼部的基部的方向上的一固定件來加以固定，其中固定件被設置在被安排在縱長方向上且位在翼部之彼此相對的基部的位置處。

該控制制棒進一步包含一終端結構件及一前端結構件其包括一握把，其中該等翼部是由該複合材料件所形成的 用以提供十字形的形狀且該前端結構件係用固定件固定至翼部的上部或該終端結構件係用固定件固定至翼部的下部。該前端結構件係用該複合材料件來形成的。

在另一態樣中，上述的目的亦可藉由提供一種製造控制棒的方法來達成，該控制棒包含一複合材料件的中子吸收器，該複合材料件包括一鉿板及黏合至該鉿板的至少一鋯板，該方法包括的步驟為：形塑該複合材料件使得該複合材料件具有矩形管狀的形狀且該鋯板被放置在該鉿板的外面；藉由將該合成板的兩端部彼此焊接在一起來形成一矩形管，該二端部被安排在該複合材料件的縱長方向上；及形塑該矩形管使得該矩形管在水平的截面上具有十字形的形狀。

此態樣可包括下列的較佳實施例。

該製造方法可進一步包含將用來在該中子吸收器的每一翼部的厚度方向上固定的固定件放置在位於該等翼部的基部的附近且被配置在縱長方向上的位置處，用以防止一具有十字形的水平截面的矩形管變形的步驟。

該製造方法可進一步包含將用來在每一翼部的一方向上固定的固定件放置在位於該等翼部的基部的附近且被配置在縱長方向上的位置處，用以防止一具有十字形的水平截面的矩形管變形的步驟。

在一進一步的態樣中，上述的目的可藉由提供一種用於核子反應爐的控制棒來達成，該控制棒包含： 四個翼部，其包包含有鉿的中子吸收器；一前端結構件，其具有十字形的橫截面並包括結合至該等翼部的前導端的托架；及一終端結構件，其具有十字形的橫截面並包括結合至該等翼部的尾端的托架，其中四個翼部被結合至一翼部結合件上，其具有十字形的中心軸用以用一種該等翼部在軸方向上彼此被間隔開一預定的間隔的方式形成十字的形狀，至少該前端結構件與該翼部結合件是用含有鉿的鋯合金製成的，其中該鉿含量大於或等於天然成分的含量，該等翼部具有主要部分其包括具有用鉿或鋯稀釋過之鉿－鋯合金製成之中子吸收部分的中子吸收板，且每一翼部都具有一與燃料組件相對的外表面且一被鋯合金所覆蓋之鉿－鋯合金複合材料件被設置於該外表面，該等中子吸收板以一種其內有反應爐水存在之陷阱空間被設置在中子吸收板之間的方式彼此相對，且每一中子吸收板的厚度在控制棒被插入或抽出的方向上是實質均勻的。

在此態樣中，有下列之較佳的實施例被提供。

該控制棒進一步包括設置在翼部內之連繫桿，用來將該前端結構件與終端結構件彼此連接在一起，其中該等中子吸收板係被安裝在翼部內用以從翼部的前導端滑向尾端或從翼部的尾端滑向前導端。該等連繫桿是用鉿製成的。

該控制棒進一步包含翼端加強件其被設置在介於中子吸收板之陷阱空間內且滑移於控制棒的軸方向上。該等翼 端加強件是用鉿製成的。

每一中子吸收部分都具有一第一部分其由中子吸收部分的前導端延伸出且具有一長度其等於該中子吸收部分的長度的1/24至2/24，一第二部分其由該第一部分延伸出且具有一長度其等於該中子吸收部分的長度的1/4至1/2減掉該第一部分的長度所得之差值，及一第三部分其由該中子吸收部分的尾端延伸出，其中該第二部分具有一寬度其大於該第三部分的寬度，及每一翼部的前導部分的一外端與該翼部的一尾部的外端相對準。該第一部分具有一寬度其小於該第二部分的寬度。

該控制棒進一步包含一鉿－鋯合金複合材料及短且窄的鉿棒，其中該鉿－鋯合金複合材料被重復地凸折(mount－folded)及凹折(valley－folded)用以提供凸折與凹折部分，它們以等間距被配置且彼此平行地延伸，凹折部分被促使彼此靠近，致使被摺疊的鉿－鋯合金複合材料具有十字形的水平截面，且鉿棒以間隔件的形式被配置在翼部的端部內。該控制棒進一步包含一用鋯合金製成的連繫十字件，其中該等凹折部分部分地具有縱向孔其被規律地且間歇性地配置在軸方向上且該連繫十字件的一些部分被配置在該等縱向孔上方及底下，用以維持該十字形狀及改善機械強度。

該控制棒進一步包含作用如間隔件般之短且窄的鋯棒，其中四個鉿－鋯合金複合材料件被彎折用以提供一L的形狀，該等鈴－鋯合金複合材料件的彎折部分被促使彼此 靠近，用以指向一十字形的中心，且該等鉿棒被附裝至該等被彎折之鉿－鋯合金複合材料件的端部。該控制棒進一步包含一鋯合金製成的連繫十字件，其中該等被彎折的部分部分地具有縱向孔其被規律地且間歇性地配置在軸方向上且該連繫十字件的一些部分被配置在該等縱向孔上方及底下，用以維持該十字形狀及改善機械強度。

每一翼部都可被形成為，兩個鉿－鋯合金複合材料件係彼此相對且它們之間有一間距，及用來保持距離的間隔件被固定到該等鉿，鋯合金複合材料件在插入或抽出方向上及在垂直方向上的兩端，且四個翼部被結合至一具有十字形中心軸的連繫十字件，用以用一種該等翼部在軸方向上彼此被間隔開一預定的間隔的方式形成一十字的形狀。

每一翼部都可被形成為，一個鉿－鋯合金複合材料件被彎折用以提供帶有一間距之U形的形狀，且多個短的間隔件被固定至該被彎折的鉿－鋯合金複合材料件之位在靠近一位在一連繫十字件內的十字中心軸的一側上的端部上，該連繫十字件在軸方向上離開該翼部一預定的距離，且四個翼部彼此結合在一起用以形成一十字形。

每一翼部都可被形成為，一個鉿－鋯合金複合材料件被彎折用以提供一圓筒形，該被彎折的鉿－鋯合金複合材料件的兩個端部彼此結合在一起用以形成一圓筒，它燃後被壓成一扁平的管子，且多個短的間隔件被固定到該扁平的管子的外端部及內部上，該等內部係位在靠近一十字型的中心軸的一側上，該中心軸係包含在一連繫十字件內' 且該四個翼部被結合用以形成十字形狀，使得該連繫十字件與該等翼部在軸方向上相格一預定的距離。

該等翼件可用構件加以固定，這些構件位在該十字形中心軸的端部附近用來防止翼部被打開。

設置在翼部的外端部內之用鉿製成的間隔件可以是短棒且這些短棒的中心部分被固定到該等鉿－鋯合金複合材料件上。

依本發明之上述的特徵，該控制棒可有效地抑制應力腐蝕及/或電化學活化。當該控制棒被使用在一核子反應爐內時，在先前技藝中遭遇到之肇因於輻射增長上的差異或熱膨脹上的差異所造成的不方便可被解決且在反應性當量上的減少可被抑制，這可解決一與該控制棒鄰接之燃料組件在其由該核子反應爐中被取出時會產生大量的功率的問題(即，嚴重的控制板歷史效應問題)。該等中子吸收板可被處理用以在軸方向上具有一致的厚度，藉以改善可製造性，降低製造成本及強化機械上的健康狀況。

本發明之天然及進一步的特徵由下面參照附圖之詳細說明中將會變得更加清楚。

依據本發明的實施例之用於核子反應爐的控制棒現將參照附圖加以說明。

應注意到的是，“上”，“下”，“右”，“左”等用詞及類似的用詞在本文中係參照著附圖或在控制棒的實際裝填狀 態中的使用的。

〔第一實施例〕

圖1為包括在一依據本發明的第一實施例之控制棒15內的中子吸收器16的部分剖面圖。該控制棒本身具有一如圖30所示的一般結構。該中子吸收板16包括一恝板20其藉由熱輻軋而被結合至一鋯板21上。該鉿板20與該鋯板21形成一複合材料件22。

一種如圖30至32所示的結構之傳統的控制棒包括具有安裝部分的U形鞘，鉿板，及支撐件其具有藉由TIG焊接而被結合至安裝部的突出部。如果該傳統的控制棒以一種該U形鞘具有導因於焊接之高殘留張應力的狀態被曝露在核子反應爐內的高溫水中的話，則應力腐蝕裂痕會發生在U形鞘上且會讓傳統的控制棒的效能變差。

然而，依據此實施例，該控制棒15包括該複合材料件22，其包括彼此結合在一起之鉿板20及鋯板21。因為鋯板21的作用如一燃料蓋且具有良好的輻射特性，所以該控制棒15具有很高的抗腐蝕性。因此，應力腐蝕裂痕可藉由讓該控制棒15接觸高溫水來防止控制棒15發生應力腐蝕裂痕。

依據此實施例，在控制棒15中，該複合材料件22被形塑成十字形的結構，因此一部分的控制棒15具有低的殘留應力，低的變形及一長的壽命。因此，控制棒15具有高的可靠性及品質。

〔第二實施例〕

圖2為包括在一依據本發明的第二實施例之控制棒15內的中子吸收器16的部分剖面圖。在此實施例中，該中子吸收器16包括一複合材料件23其包括一鉿板20及以熱滾軋或類似方式結合至該鉿板20的兩的表面上的鋯板21，如圖之所示。

該鉿板20受保護而不與作為減速物質的高溫，高壓水接觸，因此，鉿板16的腐蝕可被防止且可抑制在控制榜15上的氧化物的產生。這可讓控制棒15具有長的使用壽命。

〔第三實施例〕

本發明的第三實施例提供一種製造該依據本發明的第一實施例的控制棒15的方法。該控制棒15包括該複合材料件22，其包括該鉿板20與該鋯板21。

如圖5所示，在該複合材料件22(其藉由將該鉿板20與該鋯板21以滾軋的方式結合在一起而來製備的)被形塑用以具有該鋯板21被放置在該鉿板20的外面的此一箱形的形狀之後，該複合材料件22的端部係用一焊接件24或類此者彼此結合在一起來形成一矩形管子A。

如圖6所示，該矩形管子A被模製成十字形管子B使得該鋯板21位在該鉿板20的外面。該十字形管子B具有一內部空間25其具有十字形的橫截面且被用作為減速物 質的水可流將該內部空間。如圖30所示，一包括握把211的前端結構件103被焊接到該十字形管子B的上部且一終端結構件被焊接至該十字形管子B的下部，藉以獲得該控制棒15。

這讓被用作為減速物質的冷卻水能夠平順地流經該控制棒15。該內部空間25中沒有阻礙物，所以不會有腐蝕性產物被累積在該內部空間25中。這讓該控制棒15可具有長的使用壽命。

〔第四實施例〕

本發明的第四實施例提供一種製造該依據本發明的第一實施例的控制棒15的方法。該控制棒15包括該複合材料件22，其包括該鉿板20及結合至該鉿板20的兩個面上的鋯板21。此實施例的方法與第三實施例的方法類似。在該控制棒15中，該鉿板20是被該鋯板21所覆蓋，因此不會被腐蝕。這可讓該控制棒15具有長的使用壽命。

〔第五實施例〕

圖5顯示依據本發明的第五實施例的控制棒15。此實施例的控制棒15具有十字形的橫截面且包括多個(在此實施例中為四個)用鉚釘26加以固定的翼部2，這些鉚釘為用來防止變形的固定件。鉚釘26被設置在縱長方向上的位置上且這些位置係位在靠近翼部2的基部處。因此，如果控制棒15被使用一段很長的時間的話，則每一翼部2

的厚度方向可因為鉚釘26的存在而被固定。這可防止控制棒15的變形。如果螺栓被用來取代鉚釘26的話，則控制棒15的變形可被防止。這讓該控制棒15可具有長的使用壽命。

〔第六實施例〕

本發明的第六實施例提供一種防止第三或第四實施例中的控制棒15變形的方法。該控制棒15具有十字形的橫截面。參照圖6，該控制棒15包括用鉚釘27固定的翼部2，這些鉚釘為用來防止變形的固定件。鉚釘27被設置在該控制棒15的縱長方向上的位置上且這些位置係位在靠近翼部2的基部處。每一鉚釘27與每一翼部2的縱長軸形成一45度的角度。該控制棒15的變形可被防止，如果該控制棒15被使用了一段很長的時間的話。如果螺栓被用來取代鉚釘27的話，則控制棒15的變形可被防止。這讓該控制棒15可具有長的使用壽命。

〔第七實施例〕

依據本發明的第七實施例的控制棒15與第三或第四實施例的控制棒類似。參照圖7，控制棒15包括用作為固定件之用的鉚釘28加以固定的前端結構件4。因為沒有用焊接來固定該前端結構件4，所以該前端結構件4沒有殘留焊接應力且可防止被變形。如果螺栓被用來取代鉚釘28的話，則控制棒15的變形可被防止。這讓該控制棒15可 具有長的使用壽命。

〔第八實施例〕

依據本發明的第八實施例的控制棒15包括用第一或第二實施例中所描述的鉿－鋯複合材料件22或23一體模製的前端結構件。因此，該控制棒15很穩定且均勻且可具有一長的使用壽命。

〔第九實施例〕

依據本發明的第九實施例的控制棒15與第三或第四實施例的控制棒類似。控制棒15包括用作為固定件之用的鉚釘加以固定的終端結構件5。因為沒有用焊接來固定該終端結構件5，所以該終端結構件5沒有殘留焊接應力且可防止被變形。如果螺栓被用來取代鉚釘的話，則控制棒15的變形可被防止。這讓該控制棒15可具有長的使用壽命。

如上文所述，本發明的第一至第九實施例提供一種用於核子反應爐的控制棒及一種製造該控制棒的方法。該控制棒包括一複合材料件其包含一作為中子吸收器的鉿板及一結合至該鉿板的鋯板。因此，該控制棒可以免於惡化及免於被高溫水所腐蝕。這可讓該控制棒具有高可靠性及高品質。

下面為依據本發明的控制棒的其它進一步的實施例。

在描述這些進一步的較佳實施例之前，對這些實施例 實施的關鍵實驗將參照圖8至10來加以描述。

圖台，9及10A至10C顯示為了評估依據本發明的中子吸收器的配置而實施的關鍵實驗。詳言之，圖8為一示範性的平面圖其顯示實驗所使用之核子反應爐的內部，圖9為圖8中用B來代表的部分的放大圖示，及圖10A至10C為用來顯示實驗結果的圖表。

在這些實驗中，一具有與既有控制棒的橫截面相同的十字形控制棒111被放置在一核子關鍵組件(NCA)的核心槽110的中心處，且同於通道箱的四個燃料組件112被安排在該控制棒111的周圍，如圖8及9所示。又，燃料棒113被對稱地設置在該等燃料組件112的外面，用以形成一方形的水平截面，直到該NCA的核心達到關鍵點為止。

所有的燃料棒113都具有2%的濃化(enrichment)。該控制蚌111包括中子吸收棒其係藉由將碳化硼(B₄ C)以約70%的理論密度封在一外徑為4.8mm及內徑為3.5mm的不錢(SUS)鋼管子內來製備的，且亦包括鉿(Hf)棒其具有與中子吸收棒實質相同的外徑及反應性當量。

位在圖10A中的第一列上的控制棒111a包括填充B₄ C的SUS管子114及填充水的SUS管子115(此結構在下文中被稱為構造“a”)，該填充了水的管子115被用X來作記號。位在圖10A中的第二列上的控制棒111b包括Hf棒116及填充了水的SUS管子115(此結構在下文中被稱為構造“b”)。位在圖10A中的第三列上的控制棒111c 包括丙烯酸矩形棒117及填充了B₄ C的SUS管子114(此結構在下文中被稱為構造“c”)，該丙烯酸棒117被用X來作記號。位在圖10A中的第四列上的控制棒111d只包括填充了B₄ C的SUS管子114(此結構在下文中被稱為構造“d”)。控制棒111a至111d包括用不鏸鋼製成的鞘118其具有約1.4mm的厚度及一U形的水平截面。

控制棒111包括一位在其中心的中心件(連繫桿)。在構造“d”中，有包含一連繫桿。在構造“a”中，三根被配置在每一翼部內且被放置在靠近一連繫桿的側表面的側邊上的吸收棒被三根填充了水的SUS管子115所取代。在構造“b”中，填充了水的SUS管子115與Hf棒116被交替地配置在每一翼部內用以被放置在靠近一連繫桿的側邊上使得填充了水的SUS管子115及Hf棒116佔據此翼部的三分之二。在構造“c”中，一連繫桿被拿走使得原本被此連繫桿佔據的區域現被充滿了水。在這些實驗中，具有構造“a”至“d”中任何一種的四種控制棒被用來測量銅箔的活性用以決定該等控制棒的表面的中子通量分布，如圖10B及10C所示。

銅箔條被緊緊地附貼在該鞘118上，該核心槽110被供應水；且該等銅箔條用中子加以照射，從該核心槽110中被取出，然後切割成一片一片。從每一片銅箔條發出的貝塔(Beta)射線被測量，藉以決定其被誘發的放射性。

圖10C顯示用一個不會受每一控制棒的構造改變所影響的點標準化(normaiized)的放射性強度分布。圖10B 顯示每一控制棒構造的放射性強度分布對構造“a”的放射性強度分布的比例。

銅的活化是由具低熱能的中子所造成的，因此可被假設為熱中子通量分布。中子通量分布在一翼部的約15mm外端部處急劇地減少。

一靠近構造“d”的連繫桿的區域的中子通量稍高。構造“c”的中子通量非常地高因為一不包含連繫桿的區域是被水所佔據。位在靠近構造“a”的控制棒的中心軸處的燃料棒的中子通量是非常高的。

構造“b”的中子通量在翼部範圍內是很高的。來自靠近該控制棒的燃料棒的功率輸出與中子通量分布比較起來並沒有巨幅地改變但有類似的變動。

因此，本發明的目的是要提高在一翼部範圍內的中子通量同時不會減低一控制棒的反應性當量。

從測量結果可以很清楚地看出，在具有較佳的中子通量分布的構造“c”中，該反應性當量是最低的且在反應性當量上的減小約為8%，這是可接受的。然而，控制棒的反應性當量被降低8%並不是較佳的，因此，此構造只在一必要的區域才使用。在一般的控制棒設計中，控制棒的反應性當量被減小超過10%是不被允許的。

在構造“a”中，反應性當量的減少約為3.5%。構造“c”反應性當量則增加。控制棒的壽命及反應性當量可藉由將一大數量的中子吸收器配置在每一翼部的端部上而被增加，因為翼部的端部具有特別高的中子通量。

在一實際的控制棒中，被配置在每一翼部內之中子吸收器的端部都被一高劑量的中子所照射。因此，當一長效型控制棒被設計時，長效型中子吸收器即被配置。當一具有高反應性當量的控制棒被設計時，具有高中子吸收效果的中子吸收器即被配置。選擇配置在每一翼部的中心部分的中子吸收器的條件是相當簡單的。

在下文中，較佳的控制棒的實施例將根據上面的測量結果參照附圖11至29來加以描述。

〔第十實施例〕

圖11顯示依據本發明的第十實施例的控制棒111。此圖的右半邊為控制棒111的一部分的剖面圖。圖12A為沿著圖11的A1－A1線所取之控制棒111的剖面圖，圖12B為沿著圖11的B1－B1線所取之控制棒111的剖面圖，及圖12C為沿著圖11的C1－C1線所取之控制棒111的剖面圖。

參照圖11，控制棒111包括一前端結構件121其位在該控制棒的插入側(在此圖中為上側)且具有十字形的水平截面，及一終端結構件122其位在作為該控制棒抽出(取出)側的尾端(在此圖中為下側)且具有十字形的水平截面。

該前端結構件121與終端結構件122係用一作為翼部結合件之長的連繫十字件123彼此相連接。該連繫十字件123包括一中心軸123a且具有十字形的水平截面。至少該 前端結構件121與該連繫十字件123是用含鉿的鋯合金所製成的。該鋯合金的鉿含量可大於或等於天然成分。

四個翼部124被連接至該連繫十字件123用以形成十字形的水平截面。翼部124的上部與一前端結構件121的下部相嚙合且透過焊接部分125被固定於其上。每一翼部124都包括一對彼此相對的板子。這對板子中間夾著該連繫桿123的每一托架部分。翼部124具有一主要部分其包括中子吸收板其具有用鉿或鋯稀釋過之鈴－鋯合金製成之中子吸收部分。翼部124是窄的且扁平的且具有一與該連繫十字件123相對的邊緣段其具有一窄的下部。

翼部124具有一下端部其與終端結構件122的上端部相嚙合，它們中間有一間隙130其具有一預定的大小，且該下端部被該上端部所支撐因而能夠水平地滑移。這可讓翼部124因為在燃料燃燒期間的輻射增長或類此者而被膨脹或收縮。該前端結構件121與終端結構件122每一者都包括四個連接至翼部124的托架。

多根作為翼部端強化件之短的鉿棒128被直立地配置在每一翼部124的側端部內，且它們之間存在著間隙用以吸收熱膨脹。鈴棒128係用銷釘129來固定至翼部124上且可在翼部124被膨脹或收縮時隨著翼部124一起垂直地滑移。

翼部124具有位在交叉側上的端部。翼部124的這些端部之間夾著被垂直地配置且由連繫十字件123的每一托架延伸出之扁平的部分131且用銷釘132加以固定至扁平 部分。圖11顯示將一上部與翼部124的一下部焊接在一起所形成一條焊接線141(一實際的控制棒具有多條悍接線)。

圖12A以沿著圖11的A1－A1線所取之剖面來顯示該控制棒111的上部。圖12B以沿著圖11的B1－B1線所取之剖面來顯示該控制棒111的下部。兩塊包括在該翼部124內之相對的板子為中子吸收板135，每一塊板子都包括一複合材料件其具有一鋯合金板133及一藉由滾軋或類似方式結合至該鋯合金板133之鉿板。該二中子吸收板135彼此相對且它們之間具有一陷阱空間136，且它們在控制棒111的軸方向上具有一實質上均勻一致的厚度。

一連繫137延伸在該翼部124內，該翼部包括中子吸收板135。該連繫桿137的作用就如同一連接桿，用來將該前端結構件121連接至終端結構件122，且具有結合至該前端結構件121與終端結構件122的焊接部分138及139。

參照圖10C，一根銷釘132在焊接部分被放置在鋯合金板133及鉿板134之間時被結合至鋯板與鈴板。

中子吸收板135被安裝到該翼部124內用以能夠從翼部124的前導端朝向尾端滑移或從翼部124的尾端朝向前導端滑移。鉿棒128被配置在介於中子吸收板135之間的陷阱空間136中在控制棒111的軸方向上。該前端結構件121與終端結構件122係藉由該連繫桿137彼此固定。亦即，在此實施例中，該前端結構件121與終端結構件122 係並不是用四個翼部124的交叉線(中心軸)而彼此固定，而是在沒有使用傳統的連繫十字(中心件)下，使用在翼部124內的陷阱空間1]6彼此固定在一起。

連繫桿137以及傳統的連繫桿的一個主要的功能是要保持機械強度。連繫桿137被設置在一個不同於傳統連繫桿的位置處。這是因為一類似於圖10C所示的構造“c”被獲得，使得能夠藉由防止靠近中心軸123a處的熱中子通量的減少來達到防止在控制棒111的插入期間位在靠近控制棒111處的燃料棒的燃燒被延遲的效果。

因為連繫桿137被設置在翼部124內，水從一個被每一連繫桿137所佔據的區域中被排除，所以中子被減少(moderated)，因此中子的吸收被降低。這可提供一類似於構造“b”所得到之中子吸收器移除效果。亦即，構造“c”的好處可被獲得，而且構造“b”的好處亦可被獲得。構造“b”及“c”在防止位在靠近控制棒111的燃料棒的燃燒被遲延上是很有效的。此效果與設計條件有關，譬如連繫桿137的大小及位在翼部124內的位置。

在此實施例中，每一翼部124都包括中子吸收板135，這些中子吸收板都彼此相對且都包括了包含鋯合金板133及鉿板134的複合材料件。鋯合金板133具有約0.2至0.5mm的厚度且每一鋯板都位在一翼部124的外表面上(燃料組件側的表面)。複合材料件具有一約2至2.5mm的厚度。翼部124係用鉿棒128，連繫十字件123及銷釘132來保持在一起。鉿棒128具有翼端間隔件的功能，補 強功能，及中子吸收功能且如翼端補強件般地作用。連繫十字件123為一用來將翼部124位在中心軸側的部分結合在一起的構件。銷釘132為用來防止翼部124被打開的構件。翼部的主要部分為該等複合材料件。

該連繫十字件123將該前端結構件121及終端結構件122保持在一起耳亦將四個翼部124保持在一起使得翼部124形成十字形狀。銷釘132係位在沒有該連繫十字件123的位置處，用以防止翼部124被打開。

在此實施例中，每一中子吸收板135的厚度在控制棒111的軸方向上是均勻一致的。一板子的抗彎折性是與板子的厚度的三次方成正比且與寬度的二此方成正比，所以中子吸收板的前半部較佳地具有高的中子吸收能力，且其後半部較佳地具有低的中子吸收能力。

傳統的中子吸收板具有薄的尾端部分，因此具有低的機械強度。然而，在此實施例中，中子吸收板135如上文所述地具有均勻一致的厚度且中子吸收板135的中子吸收能力可藉由改變中子吸收板135的尾端部分的寬度來調整。如果每一翼部124的前導部分的側端沒有與翼部124的尾端部分的側端對準的話，控制棒111的插入或抽出會被中斷。因此，位在中心軸側的部分從中子吸收板135被去除掉，這可提供如參照圖10所描述之防止熱中子通量的減小。因此，可防止在控制棒111的取出期間之功率輸出的急劇增加，藉以改進燃料健康(改進控制板歷史效應現像)。

根據此實施例，控制棒111具有增強的機械強度，因此燃料健康可被改善。

在此實施例中，中子吸收板135在厚度上是均勻一致的，因此中子吸收板135的種類是單一種類。因此，中子吸收板135可以低成本來製勞。連繫桿137在厚度上亦是均勻一致的，因此連繫桿137具有良好的滑移特性且可用低成本來製造。連繫桿137的滑移性能與吸收掉在熱朋膨脹上的差異及在輻射增長上的差異有關。

每一中子吸收板135都可用低一材質來製造且然後位在中心軸123a上的部分可從該中子吸收板135的尾部被去除掉。或者，該中子吸收板135的前導端及尾端可被分開來製造，然後彼此焊接起來。在中子吸收板135的前導部分與尾端部分被彼此焊接起來的例子中，焊接部分的健康可藉由將該焊接部分的位置設定在偏離該中子吸收板135的中心朝向尾端焊接部分的中子照射劑量被減少的方式來改善，因為位在該中子吸收板135的中心底下的部分的中子照射劑量比該中子吸收板135的中心部分的照射劑量要顯著地少很多。

在該中子吸收板135中，該鉿板134的外表面被該鋯合金板133所覆蓋且其內表面被拋光用以提供較少的不規則性及一縮小的面積。在製造的觀點上，鉿板134的內、外表面在一些例子中較佳地都被覆蓋。然而，這會減少在每一翼部124中之陷阱空間136並造成控制棒111的反應性當量的減小，及連繫十字件123的直徑的減小等缺點。

覆蓋鈴板134的兩個表面及減小鉿板134的表面積的目的是要抑制或防止鉿板134在控制棒111長時間使用於核子反應爐中期間受侵蝕。鉿板134的腐蝕產物是有輻射性的因此必需防止它的產生。在另一方面，鋯合金板133的腐蝕產物的輻射性很低。

雖然鉿板134具有高的抗蝕性，但當鉿板134在高溫水中被使用一段長的時間之後，腐蝕產物會被產生在鉿板134上。腐蝕產物會因為某些原因而掉離該鉿板134。該腐蝕產物是有輻射性的。在腐蝕產物中的主要的核元素為Hf¹⁸¹ ，其具有43天的半衰期且會發射出相對低能量(482，346或133keV)的迦瑪射線。少量的Ta¹⁸² 會被產生，其具有111天的半衰期及會發射出1.2MeV的迦瑪射線。

目前的BWR的水的品質與傳統的BWR的水比較起來已有大幅的改善。因為在目前的BWR中的水的輻射性極低，所以低放射性的Hf¹⁸¹ 可被測量。雖然Hf¹⁸¹ 所造成的環境傷害因為其半衰期相對短而尚未被證實，但很清楚的是在核子反應爐建築物中的放射性必需被降低。因此，在此實施例中，鉿板134的外表面用鋯合金板133加以覆蓋且其內表面被拋光用以提供較少的不規則性。

控制棒111的外表面因為控制棒111的運動而被與控制棒111相對的燃料組件的鋯合金管道箱磨擦，使得該腐蝕產物可從控制棒的外表面掉落。因此，鋯合金板133係位在控制棒的外表面上。出現在鉿板134的內表面上的腐蝕產物會因為並列(scrum)，地震或類此者而掉落並透 過水管道污染在核子反應爐內的冷卻水。因此，鉿板的內表面被拋光。

因為在鋯合金板133與鉿板134中的晶粒特性在輻射增丈上不同於中子吸收板135，連繫桿137及鉿棒128的關係，所以鋯合金板133與鉿板134的製造方法不同於中子吸收板135，連繫桿137及鉿棒128的製造方法。在照射劑量上的增加會對控制棒111的健康產生負面的影響。在此實施例中，採取了不同的手段來防止此複面的影響。

詳言之，翼部124與連繫桿137是可滑移的。翼部124的前導部分藉由焊接(及其它的技術，譬如釘扎)而被固定到前端結構件121上且其尾端部分則可滑移地將該終端結構件122的薄的部分夾在中間。鉿棒128是短的且其中心部分係用銷釘129來加以釘扎(pinned)。鉿棒128係用銷釘129來固定至該中子吸收板135且該鉿棒128的上與下端部可自由地膨脹或收縮。

位在中心軸123a側上的連繫十字件123與銷釘132是短的，因此對於翼部的膨脹或收縮沒有問題。如果翼部124的膨脹或收縮造成了些微的差異的話，則由此些微的差異所造成的問題可藉由形成小的間隙或利用可轉動性的方式來解決。

翼部124與連繫桿137可從該終端結構件122朝向該前端結構件121滑移或可縱長向地膨脹或收縮。翼部124可包括U形的複合吸收板而不是鉿板128。

〔第十一實施例〕

圖13A為依據本發明的第十一實施例的控制棒111的平面圖。圖13B為控制棒111的另一平面圖。圖13C為治著圖13A的C21－C21線所取的剖面圖。圖13D為被用來形成一個翼部之中子吸收板135的側視圖。圖14A為沿著圖13C的A2－A2線所取之該中子吸收板135的剖面圖。圖14B為治著圖13C的B2－B2線所取之該中子吸收板135的剖面圖。圖14C為沿著圖13C的C2－C2線所取之該中子吸收板135的剖面圖。

在此實施例中，中子吸收板135(複合吸收板)包括一第一鋯合金板133a，一第二鋯合金板133b及一夾在它們之間的鉿板134。與上述第十實施例相同的構件將於下文中詳細說明。

參照圖13A及13B具有十字形的橫截面且包含翼部124。參照圖13C一第一連繫桿137a及一第二連繫桿137b延伸穿過每一翼部124。

翼部124的前導端被固定至該前端結構件121。翼部124具有一小的間隙其位在靠近該中子吸收板135的前導端處且用銷釘132加以釘扎。該第一連繫桿137a的尾端部分及該第二連繫桿137b的尾端部分分別被嵌入到設置在一終端結構件122的薄的部分上之一第一凹部142a與一第二凹部142b內，該薄的部分被夾在翼部124的一部分之間。該第一與第二連繫桿137a及137b尾端部分可滑移，使得介於該翼部124與該第一與第二連繫桿137a及 137b之間的輻射增長差異可被吸收掉。

該第一連繫桿137a係位在翼尖側上且是用鉿製成的用以具有高的中子吸收特性。該第二連繫桿137b位在靠近該中心軸處且是用鋯製成的使得中子吸收效果因為水的移除而稍微被抑制。

如圖13D所示，中子吸收板135沿著虛線O被彎折用以在平面圖上具有一大致L的形狀。該被彎折的中子吸收板135形持兩個鄰接的翼部124的表面，如圖13B圖中以假想線(D)所示(亦即，四個中子吸收板135形成該控制棒111的外表面)。

一個用該等中子吸收板135所製成的翼部124具有閉合的構造，在此構造中兩個中子吸收板135的端部135C被彎折用以以彼此相對且用一焊接部分150彼此固定，如圖14A，14B及14C所示。

如圖1C所示，每一中子吸收板135都具有一第一部分143，一第二部分144，一第三部分145及一第四部分146。該第一部分143從該中子吸收板135的前導端延伸出且具有一長度，其為該中子吸收板135的長度的二十四分之一(1/24)(如果該反應性當量被降低至一程度的話不會發生問題，因為該第一部分143的長度約為15至16公分)。該第二部分144從該中子吸收板135的尾端延伸出，具有一長度其為該中子吸收板135的長度的二分之一(1/2)且從該中心軸大幅地下凹用以具有一小的寬度。該第三部分145從該第一部分143延伸出，具有一長度其 為該中子吸收板135的長度的四分之一(1/4)減掉該第一部分的長度且沒有下凹因為該第三部分在反應性當量上是最重要的部分。該第四部分146從該第三部分145延伸出到達該第二部分144且稍微下凹因為該第四部分146在反應性當量與對抗控制板歷史效應的方法兩者間必需具有一良好的平衡。

整個中子吸收板135被示於圖13D中。該中子吸收板135具有一位在其前導端且具有大的寬度的上凹口151(圖13D的上端)，及具有一下凹口151a。該上凹口151對應到圖13C中所示的第一部分143及該下凹口151A對應到圖13C中所示的第二，第三及第二部分144，145及146。此構造被用來對付控制板歷史效應因為沒有需要反應性當量。一連繫十字件(未示出)被固定到翼部124之位在靠近該控制棒111的中心軸的部分上。

用來作為防止翼部124被打開的構件之銷釘132可被配置在有需要處。中子吸收板135的端部135c，以及描述於第一實施例中者，是在該端部135c被彎折的狀態下被固定到焊接部分150上，使得控制棒111的插入或抽出沒有被阻擋。翼部124的前導端被固定到該前端結構件121且其尾端部分係被固定到終端結構件122上。

該第一連繫桿137a被設置在該翼尖側上且是用鉿製成的用以具有高的中子吸收特性。該第二連繫桿137b係位在靠近中心軸處且是用鋯製成的使得導因於水的移除之中子吸收效果被稍微地抑制。

在此實施例中，可獲得與第十實施例中所描述之相同的好處。該第一及第二鋯合金板133a及133b具有均一的寬度且可依據設計的條件而具有非均一的寬度。這可被應用到下面的實施例上。

〔第十二實施例〕

圖15為包括在依據本發明的第十二實施例的控制棒內的一個翼部124的垂直剖面圖。圖16A為沿著圖15的線A3－A3所取之翼部124的剖面圖。圖16B為沿著圖15的線B3－B3所取之翼部124的剖面圖。圖16C為沿著圖15的線C3－C3所取之翼部124的剖面圖。

此實施例的控制棒具有類似於第十一實施例的構造，但兩者的控制棒的不同處在於，一單一可滑移的連繫桿137被設置在靠近翼部124的側端處，且翼部124具有一不同於位在第十一實施例的控制棒111內的翼部124的構造。

參照圖15，翼部124包括一作為吸收板之用的中子吸收板135。該中子吸收板135具有一第一部分，一第二部分及一第三部分。該第一部分143從該中子吸收板135的前導端延伸出且具有一長度，其為該中子吸收板135的長度的二十四分之一(1/24)。該第二部分144從該中子吸收板135的尾端延伸出且具有一長度，其為該中子吸收板135的長度的二分之一(1/2)。該第一部分143與第二部分144被建構成兩塊彼此相對的板子。該第三部分從該第 一部分143延伸出且具有一長度，其為該中子吸收板135的長度的二分之一(1/2)減掉該第一部分的長度。該中子吸收板135，以及描述於第十一實施例中者，被彎折成一L形用以形成該翼部124。該中子吸收板135的外表面用鋯合金覆蓋住且其內表面被拋光用以具有較小的有效面積。因此，該中子吸收板135的腐蝕面積可被減少。

在此實施例中，沒有鋯塗層存在該中子吸收板135的內表面上。此構造適合必需包括薄的翼部之薄的控制棒。多個短的間隔件152被放置在靠近控制棒的中心軸處。間隔件152的中心部分藉由銷釘129而被固定到一連繫十字件123上。

參照圖16A，16B及16C，該翼部124具有一被彎折相當大的角度之外端部153。該外端部153經由一焊接部分139而被固定到該中子吸收板135。該翼部124之位在靠近該控制棒的中心軸的部分藉由銷釘129加以固定。

當該反應性當量是主要的要求時，間隔件52是用鉿製成的用以具有一輕的重量。當對抗控制板歷史效應的手段是主要的要求時，間隔件152是用鋯合金製成的。間隔件152被交替地安排在控制棒的軸方向上用以彼此部分地重疊。這是因為間隔件152是短的且介於間隔件152之間的邊界彎折強度可以不被降低。在此實施例中，其它的構件與好處與描述於第十實施例或第十一實施例中的實質相同。

〔第十三實施例〕

圖17為包括在依據本發明的第十三實施例的控制棒內的一個翼部124的垂直剖面圖。圖18A為沿著圖17的線A4－A4所取之翼部124的剖面圖。圖18B為沿著圖17的線B4－B4所取之翼部124的剖面圖。圖18C為治著圖17的線C4－C4所取之翼部124的剖面圖。

此實施例的控制棒具有類似於第十二實施例的控制棒的構造。包括在第十二實施例的中子吸收板135內的鉿板是用鋯合金板來加以覆蓋。在此第十三實施例中，每一中子吸收板135為一複合的吸收板且它被包括在該控制棒內，該中子吸收板包括鋯合金板133及夾在它們之間的的鉿板134。

此實施例的構造適合介於吸收板135之間的陷阱水區域可被保持在一所想要的範圍內的控制棒且特別適合厚的控制棒。其它的構件及優點都與第十二實施例中所描述的實質上相同，因此將不再加以鰲述。

〔第十四實施例〕

圖19為包括在依據本發明的第十四實施例的控制棒內的一個翼部124的垂直剖面圖。圖20A為沿著圖19的線A5－A5所取之翼部124的剖面圖。圖20B為沿著圖19的線B5－B5所取之翼部124的剖面圖。圖20C為沿著圖19的線C5－C5所取之翼部124的剖面圖。

參考圖19，翼部124的下端部具有與其一端部實質相 同的大小與構造。翼部124的上端部與下端部不一定要具有相同的大小及構造且可具有不同的大小與構造。翼部124的上端部與下端部的最佳尺寸可被設計。

參照圖19，20A，20B及20C，該控制棒111具有十字形的橫截面且在構造上此實施例的控制棒111與上述實施例中的控制棒沒有顯著的不同。因此，圖19，20A，20B及20C將不在作詳細的說明。

此實施例專注於製造該控制棒的方法及在控制棒111的橫截面結構上對抗該控制板歷史效應的方法。

圖21為一包括在該控制棒111內的鉿板的展開圖，其顯示用來製造該控制棒111之材料161的構造，該材料具有四個部分。該材料161是一複合的吸收板且包括用鋯合金覆蓋的鉿板。參照圖21，該材料161尚未被彎折成十字形狀且已被衝孔。

該材料161包括四個複合的吸收板元件162a至162d其具有與中子吸收板135相同的形狀，這些中子吸收板135係參照圖13D所描述之第十實施例的中子吸收板且其為複合的吸收板。該等複合的吸收板元件162a至162d具有凹口164與165其形狀與圖19中以虛線所標示出來之中子吸收板135上凹口的形狀相同。複合的吸收板元件162a至162d具有折疊線171a－171h。材料161沿著通過凹口164及165的折疊線171a，171c，171e及171g被凹折(valley－folded)一直角的角度且沿著通過介於凹口164及165之間的區域之折疊線171b，171d，171f及 171h被凸折(mountain－folded)一直角的角度。

這讓該材料161具有一帶有凸起部分與下凹部分的波浪形狀。此一材料161接著被進一步折疊，用以形成具有十字形狀截面的控制棒。

參照圖21，最左邊與最右邊的複合吸收板元件162a及162d分別具有不同的寬度。這可讓被總終組裝好的材料161的焊接部分不會位在一個翼部124的端部處，而是位在翼部的一平的部分處。焊接部分被彼此焊接在一起藉此可讓加工性與機械強度特性被提高。

圖22顯示圖21中之材料的主要部分。參照圖22，被用來製造控制棒111的材料161具有約3.6公尺的長度及約1公尺的寬度。如果該材料161的尺寸對於製造控制棒111而言太大的話，則藉由沿著連接圖21中的線α－α的中心與線β－β的中心的線來切割材料161所製備之複合的吸收板135可被焊接成為一個構件。

治著連接圖21中的線α－α的中心與線β－β的中心的線來切割材料161的理由是為了要避免焊接部分落在具有十字形狀的控制棒111的凸出部分或下凹部分上。該α－β亦是根據上述的概念來決定的。

該前端結構件的尾端係位在一由位於材料161的前導端部分上的虛線來表示的位置處，及該終端結構件的前導端則是位在一由位於該材料161的尾端部分上的虛線所代表的位置處。該材料具有一第一部分“c”，一第二部分“d”，及一第三部分“e”。該第一部分“c”從該才料161的前導 端延伸出且具有一等於約該材料161的長度二十四分之一(1/24)的長度。該第二部分“d”係從該第一部分“c”延伸出且具有一長度其等於該材料161的長度的四分之一(1/4)減掉第一部分“c”的長度。該第三部分“e”係由該材料161的尾端延伸出。該第一部分“c”具有位在下凹折疊部分上之寬的凹口。第二部分“d”沒有凹口。第三部分“e”具有位在下凹折疊部分上之寬的凹口且亦具有窄的凹口其由一個位在離該材料161的前導端一段等於該材料161的長度的四分之一(1/4)的距離的位置處延伸至一個位在離該材料161的前導端一段等於該材料161的長度的四分之二(2/4)的距離的位置處。

上述的凹口在具有高反應性當量的部分處被排除掉，且被配置在具有稍低的反應性當量的部分處，使得反應性當量與對抗控制板歷史效應的手段之間得以平衡。

就反應性當量而言，在核子反應爐的停機期間對於第一部分“c”的需求是很小的。第一部分“c”並沒有被提供在第十實施例的控制棒111中因為第一部分“c”可以在第一實施例的控制棒111的插入速率不是很大時影響第一實施例的控制棒111在插入當時的並列特性(scrum property)。被虛線所環繞之水平延伸的短的棒狀部分166為一翼部結合件，亦即，一用來維持十字形狀的連繫十字件123。該翼部結合件在材料161是板片狀的時候並沒有附在材料161上，而是在材料161被折疊成十字形狀之後才附裝到材料161上。

此實施例的方法將於下文中描述。

在第一步驟中，覆蓋有鋯的鉿板事先被處理使得材料161被形成為如圖21至23所示的形狀，材料161沿著通過介於凹口164及165之間的區域之折疊線171b，171d，171f及171h被凸折(mountain－folded)一直角的角度，且材料161之由α－β線所代表的兩端彼此焊接在一起，藉以形成一具有方形截面的物件，未示出。

在第二步驟中，該物件沿著通過凹口164及165的折疊線171a，171c，171e及171g被凹折(valley－folded)一直角的角度。一對應該α－β線的焊接線位在一凸折部分與一凹折部分之間。這是因為在焊接部分內的金屬結晶因為焊接而被重組(reformed)且焊接線存在於該凸折部分或凹折部分中會造成導因於照射之健康的變差。

在第二步驟中，凸折的部分被進一步摺180度的角度用以形成翼部124的外端部且凹折的部分被進一步摺疊90度的角度用以形成翼部124之靠近控制棒111的中心軸的部分。參照圖23，外面的棒子，亦即，作為翼端補強件之短的鉿棒被釘扎至凹折的部分。連繫十字件123藉由使用是在窗口狀的孔(縱長孔)之間的孔對174而被釘扎，窗口狀的孔係在控制棒111的軸方向上被間歇式地配置在凹折的部分上。所用的銷釘是鋯或鉿製成的。最後，獲得示於圖19及20中的控制棒111。

介於圖21中的α－α線與β－β線之間的距離必需是3公尺或更大，且α－α線通常具有約1公尺的長度。因此 ，控制棒111可被製成成具有一超過3公尺的長度，使得多塊中子吸收板135如圖21所示地被製備及處理，然後在軸方向上彼此被焊接在一起。在此例子中，與第十二或第十三實施例相同的核子特性(控制片歷史效應改善特性)可以一種設在凹折部分上的孔在控制棒111的軸方向上的尺寸是變動的的方式被獲得(位在靠近控制棒111的尾端處之該等孔在翼端方向上具有較大的尺寸)。鉿板可用鉿－鋯合金板來取代。

〔第十五實施例〕

圖24為包括在依據本發明的第十五實施例的控制棒內的一個翼部124的垂直剖面圖。圖25A為沿著圖24的線A6－A6所取之翼部124的剖面圖。圖25B為治著圖24的線B6－B6所取之翼部124的剖面圖。圖25C為沿著圖24的線C6－C6所取之翼部124的剖面圖。

此實施例專注於製造該控制棒的方法及在控制棒111的橫截面結構上對抗該控制板歷史效應的方法。此實施例的方法與參照圖19至23所描述的方法類似。

在此實施例中，縱長的孔被間歇式地提供在摺疊部分上，用於固定一連繫十字件123之成對的小孔被提供在該等縱長孔之間，且該等摺疊部分為凹折部分。凸折部分最終將形成翼部124的端部。短的鉿棒128藉由插入到裝配孔中之鋯或鉿製成的銷釘129而被附裝至該等凸折部分上。

在此實施例中，翼部124通常具有50公分或更小的寬度，因此可被分開來製造。翼部124可用一單材料來製造，如果翼部124具有超過3公尺的長度的話。位在靠近控制棒的尾端的孔，以及在上述實施例中描述的孔，較佳地朝向翼端擴張。

〔第十六實施例〕

圖26為包括在依據本發明的第十六實施例的控制棒內的一個翼部124的垂直剖面圖。圖27A為沿著圖26的線A7－A7所取之翼部124的剖面圖。圖27B為沿著圖26的線B7－B7所取之翼部124的剖面圖。圖27C為沿著圖26的線C7－C7所取之翼部124的剖面圖。

此控制棒具有與第十五實施例的控制棒的構造實質相同的構造。在此實施例中，如圖26所示，一鋯塗層133a被提供在每一鉿板134的一表面上，與該鋯塗層133a相反之該鉿板134的另一表面被拋光用以具有一減少的有效面積，該鉿板134被輥軋成圓筒形使得該鋯塗層133a位在外面，且該經過輥軋的鉿板134的端部然後被彼此焊接在一起，藉以形成一圓筒。該圓筒被擠壓成為扁平的管子181，如此圖所示。

具有不同直徑之三種圓筒被製備，然後形成為扁平的管子181，如圖27A，27B及27C所示。一可嵌套一連繫十字件123之凹口被提供在該扁平的管子181之靠近此控制棒的中心軸的部分上。該扁平的管子181的中心軸側部 分被固定至短的間隔件152，這些間隔件被固定至該複合的吸收板上。

從該中心軸到每一扁平的管子181的一第一部分之間的距離是很大的，如圖27A所示，該第一部分從該扁平的管子181的前導端延伸出且具有一等於該扁平的管子181的長度的二十四分之一(1/24)的長度。從該中心軸到該扁平的管子181的一第二部分之間的距離亦是很大的，該第二部分從該扁平的管子181的尾端延伸出且具有一等於該扁平的管子181的長度的二分之一(1/2)的長度。從該中心軸到該扁平的管子181的一第三部分之間的距離是最小的，如圖27B所示，該第三部分從該第一部分延伸出且具有一等於該扁平的管子181的長度的四分之一(1/4)的長度。如圖27C所示，從該中心軸到該扁平的管子181的一第四部分之間的距離是介於圖27A所示的距離與圖27B所示的距離之間，該第四部分係由該第三部分延伸出。

〔第十七實施例〕

圖28A為包括在依據本發明的第十七實施例之用於核子反應爐的控制棒內的一個翼部124的前導部分(上部)的垂直剖面圖。圖28B為沿著圖28A的B8－B8線所取之翼部124的剖面圖。圖29A為翼部124的尾部(下部)的垂直剖面圖。圖29B為治圖29A的線B9－B9所取的剖面圖。

此實施例的控制棒具有與第十六實施例所描述的控制棒實質相同的構造，但是從該控制棒的中心軸到該複合的吸收板135的前導部分的距離則不同於第十六實施例中從該中心軸到該複合的吸收板135的前導部分的距離。

參照圖28A及28B，在翼部124的上半部中，短的鉿棒137透過位在靠近該等鉿棒137的中心之銷釘132而被固定到翼部124的一外端部上。鉿製成之短的間隔件191透過銷釘132而被固定到翼部124的一部分上，該部分係位在靠近該控制棒的中心軸處。該連繫十字件123的每一部分都透過一根或三根銷釘132而被固定在在控制棒的軸方向上彼此相鄰的間隔件191之間。

為了要解決輻射增長上的差異所造成的問題，一根銷釘132可被使用於某些例子中。三根銷釘132可被用來解決此問題，如果有適當的間隙被形成的話。

參照圖29A及29B，該控制棒具有與第十七實施例所描述的控制棒實質相同的結構，但是從該控制棒的中心軸到該複合的吸收板135的前導部分的距離則不同於第十六實施例中從該中心軸到該複合的吸收板135的前導部分的距離。在翼部124的下半部中，短的鉿棒137透過位在靠近該等鉿棒137的中心之銷釘132而被固定到翼部124的一外端部上。鋯合金製成之短的間隔件191透過銷釘132而被固定到翼部124的一部分上，該部分係位在靠近該控制棒的中心軸處。該連繫十字件123的每一部分都透過一根或三根銷釘132而被固定在在控制棒的軸方向上彼此相 鄰的鋯合金間隔件191之間。

為了要解決輻射增長上的差異所造成的問題，一根銷釘132可被使用於某些例子中。三根銷釘132可被用來解決此問題，如果有適當的間隙被形成的話。

2‧‧‧翼部

15‧‧‧控制棒

16‧‧‧中子吸收器

20‧‧‧鉿板

21‧‧‧鋯板

22‧‧‧複合材料件

23‧‧‧複合材料件

24‧‧‧焊接件

25‧‧‧內部空間

26‧‧‧鉚釘

27‧‧‧鉚釘

28‧‧‧鉚釘

110‧‧‧核心槽

111‧‧‧十字形控制棒

111a‧‧‧控制棒

111b‧‧‧控制棒

111c‧‧‧控制棒

111d‧‧‧控制棒

112‧‧‧燃料組件

113‧‧‧燃料棒

114‧‧‧填充B₄ C的SUS管

115‧‧‧填充水的SUS管

116‧‧‧Hf棒

117‧‧‧丙烯酸矩形棒

118‧‧‧鞘

121‧‧‧前端結構件

122‧‧‧終端結構件

123‧‧‧連繫桿

123a‧‧‧中心軸

124‧‧‧翼部

125‧‧‧焊接部分

128‧‧‧鉿棒

129‧‧‧銷釘

129‧‧‧銷釘

130‧‧‧間隙

131‧‧‧扁平的部分

132‧‧‧銷釘

133‧‧‧鋯合金板

133a‧‧‧第一鋯合金板

133b‧‧‧第二鋯合金板

133a‧‧‧鋯合金塗層

134‧‧‧鉿板

135‧‧‧中子吸收板

135c‧‧‧端部

136‧‧‧陷阱空間

137‧‧‧連繫桿

137a‧‧‧第一連繫桿

137b‧‧‧第二連繫桿

138‧‧‧焊接部分

139‧‧‧焊接部分

141‧‧‧焊接線

142a‧‧‧第一凹部

142b‧‧‧第二凹部

143‧‧‧第一部分

144‧‧‧第二部分

145‧‧‧第三部分

146‧‧‧第四部分

150‧‧‧焊接部分

151‧‧‧上凹口

151a‧‧‧下凹口

152‧‧‧短的間隔件

153‧‧‧外端部分

161‧‧‧材料

162a‧‧‧複合的吸收板元件

162b‧‧‧複合的吸收板元件

162c‧‧‧複合的吸收板元件

162d‧‧‧複合的吸收板元件

164‧‧‧凹口

165‧‧‧凹口

166‧‧‧棒形部分

171a‧‧‧折疊線

171b‧‧‧折疊線

171c‧‧‧折疊線

171d‧‧‧折疊線

171e‧‧‧折疊線

171f‧‧‧折疊線

171g‧‧‧折疊線

171h‧‧‧折疊線

181‧‧‧扁平的管子

191‧‧‧間隔件

200‧‧‧控制棒

201‧‧‧鞘

202‧‧‧連繫桿

203‧‧‧前端結構件

203a‧‧‧導引滾子

204‧‧‧終端結構件

205‧‧‧鉿板

207‧‧‧翼部

208‧‧‧固定件

209‧‧‧冷卻孔

210‧‧‧中子吸收器

211‧‧‧握把

A‧‧‧矩形管子

B‧‧‧十字形管子

圖1為包括在一依據本發明的第一實施例之控制棒內的中子吸收器的部分剖面圖；圖2為包括在一依據本發明的第二實施例之控制棒內的中子吸收器的部分剖面圖；圖3為包括在依據本發明的第一實施例之控制棒內的複合材料件的水平剖面圖，該複合材料件係被模製用以具有矩形的形狀，且該複合材料件的端部彼此焊接在一起；圖4為依據該第一實施例之複合材料件的水平剖面圖，該複合材料件被模製用以具有矩形的形狀且被進一步模製用以具有十字形的形狀；圖5為依據本發明的第五實施例之控制棒的水平剖面圖；圖6為依據本發明的第六實施例之控制棒的水平剖面圖'圖7為依據發明的第七實施例的控制棒的部分切開的立體圖；圖8為一用於實驗之核子反應爐的內部的平面圖；圖9為圖1中之B所標示的部分的放大視圖； 圖10A至10C為圖表，其顯示由上述實驗所獲得的結果；圖11為一依據本發明的第十實施例的控制棒的部分剖面側視圖；圖12A，12B及12C分別為沿著圖11的線A1－A1，B1－B1及C1－C1所取之控制棒的剖面圖；圖13A及13B為一依據本發明的第十一實施例的控制棒的平面圖，圖13C為沿著圖13A的線C21－C21所取的剖面圖，及圖13D為一個中子吸收板的側視圖，一個中子吸收板被用來形成一個翼部；圖14A，14B及14C分別為沿著圖13C的線A2－A2，B2－B2及C22－C22所取之中子吸收板的剖面圖；圖15為包括在依據本發明的第十二實施例的控制棒內的一個翼部的垂直剖面圖；圖16A，16B及16C分別為沿著圖15的線A3－A3，B3－B3及C3－C3所取之翼部的剖面圖；圖17為包括在依據本發明的第十三實施例的控制棒內的一個翼部的垂直剖面圖；圖18A，18B及18C分別為洽著圖17的線A4－A4，B4－BA及C4－C4所取之翼部的剖面圖；圖19為包括在依據本發明的第十四實施例的控制棒內的一個翼部的垂直剖面圖；圖20A，20B及20C分別為沿著圖19的線A5－A5，B5－B5及C5－C5所取之翼部的剖面圖； 圖21為包括在依據本發明的第十四實施例的控制棒中之一鉿板的展開圖；圖22為示於圖21中之鉿板的主要部分的圖式；圖23為示於圖21中之鉿板的主要部分的放大圖式；圖24為包括在依據本發明的第十五實施例的控制棒中之一個翼部的剖面圖；圖25A，25B及25C分別為沿著圖24的線A6－A6，B6－B6及C6－C6所取之翼部的剖面圖；圖26為包括在依據本發明的第十六實施例的控制棒內的一個翼部的垂直剖面圖；圖27A，27B及27C分別為沿著圖26的線A7－A7，B7－B7及C7－C7所取之翼部的剖面圖；圖28A為包括在依據本發明的第十七實施例的控制棒內一個翼部的前導部分的垂直剖面圖；圖28B為該翼部治著圖28A的線B8－B8所取之剖面圖；圖29A為示於圖28B中之翼部的尾部的垂直剖面圖，及圖29B為治著圖29A的線B9－B9所取的翼部的剖面圖；圖30為傳統控制棒的立體圖；圖31為傳統控制棒的水平剖面圖；及圖32為傳統控制棒的垂直剖面圖。

2‧‧‧翼部

15‧‧‧控制棒

20‧‧‧鉿板

21‧‧‧鋯板

22‧‧‧複合材料件

23‧‧‧複合材料件

25‧‧‧內部空間

27‧‧‧銣釘

Claims (25)

1. 一種用於核子反應爐之控制棒，其包括一複合材料件的中子吸收器，該複合材料件包括一鉿板及結合至該鉿板的至少一鋯板，其中該中子吸收器具有十字形的水平截面，且在面向燃料組件的外表面配置有鋯板。
2. 如申請專利範圍第1項之控制棒，其中該鋯板被設置在該中子吸收器之與反應爐水接觸的表面上。
3. 如申請專利範圍第1項之控制棒，其更包含翼部，其用在每一翼部的厚度方向上的固定件來加以固定，其中該等固定件被設置在翼部的基部附近且被配置在縱長方向上的位置處。
4. 如申請專利範圍第1項之控制棒，其更包含翼部，其用在每一翼部的基部的一方向上的固定件來加以固定，其中該等固定件被設置在被配置在縱長方向上且位在翼部之彼此相對的基部的位置處。
5. 如申請專利範圍第3或4項之控制棒，其更包含一終端結構件及一前端結構件其包括一握把，其中該等翼部是由該複合材料件所形成的用以提供十字形的形狀且該前端結構件係用固定件固定至翼部的上部或該終端結構件係用固定件固定至翼部的下部。
6. 如申請專利範圍第5項之控制棒，其中該前端結構件係用該複合材料件來形成的。
7. 一種製造控制棒的方法，該控制棒包含一複合材料件的中子吸收器，該複合材料件包括一鉿板及結合至該鉿板的至少一鋯板，該方法包括的步驟為：形塑該複合材料件使得該複合材料件具有矩形管狀的形狀且該鋯板係位在該鉿板的外面；藉由將該合成板的兩端部彼此焊接在一起來形成一矩形管，該二端部被安排在該複合材料件的縱長方向上；及形塑該矩形管使得該矩形管具有十字形的水平截面。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其更包含將用來在該中子吸收器的每一翼部的厚度方向上固定的固定件放置在位於該等翼部的基部的附近且被配置在縱長方向上的位置處，用以防止一具有十字形的水平截面的矩形管變形的步驟。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其更包含將用來在每一翼部的一方向上固定的固定件放置在位於該等翼部的基部的附近且被配置在縱長方向上的位置處，用以防止一具有十字形的水平截面的矩形管變形的步驟。
10. 一種用於核子反應爐的控制棒，其係將以鉿為中子吸收材的四個翼部的插入前端及尾端分別與十字形水平截面的前端結構件與尾端結構件的各腕部相結合的用於核子反應爐的控制棒，其特徵在於：在中心包含十字形的中心軸，藉由翼部結合構件將前述四個翼部以在軸方向上彼此間隔開的方式結合成十字形，至少將前述前端結構件與前述翼部結合構件形成為以天然成分以上容許含有鉿的鋯 合金製，將構成前述翼部的主要部位的中子吸收板的中子吸收部分形成為用鉿或鋯稀釋過的鉿/鋯合金，將至少面向燃料組件的外表面形成為以鋯合金(zircaloy)所接合的鉿與鋯合金(zircaloy)的複合材，前述中子吸收板係隔著在內部可介在反應爐水的陷阱空間而相對向，使前述中子吸收板的厚度，在插拔控制棒的軸向係實質相同的。
11. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其更包含設置在翼部內，用來將該前端結構件與終端結構件彼此連接在一起的連繫桿，其中該等中子吸收板係被安裝在翼部內用以從翼部的前導端滑向尾端或從翼部的尾端滑向前導端。
12. 如申請專利範圍第11項之控制棒，其中該等連繫桿是用鉿製成的。
13. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其更包含翼端加強件其被設置在介於中子吸收板之陷阱空間內且滑移於控制棒的軸方向上。
14. 如申請專利範圍第13項之控制棒，其中該等翼端加強件是用鉿製成的。
15. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其中每一中子吸收部分都具有一第一部分其由中子吸收部分的前導端延伸出且具有一長度其等於該中子吸收部分的長度的1/24至2/24，一第二部分其由該第一部分延伸出且具有一長度其等於該中子吸收部分的長度的1/4至1/2減掉該第一部分的長度所得之差值，及一第三部分其由該中子吸收部分 的尾端延伸出，其中該第二部分具有一寬度其大於該第三部分的寬度，及每一翼部的前導部分的一外端與該翼部的一尾部的外端相對準。
16. 如申請專利範圍第14項之控制棒，其中該第一部分具有一寬度其小於該第二部分的寬度。
17. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其更包含一鉿-鋯合金複合材料及短且窄的鉿棒，其中該鉿-鋯合金複合材料被重復地凸折(mount-folded)及凹折(valley-folded)用以提供凸折的與凹折的部分，它們以等間距被配置且彼此平行地延伸，該等凹折的部分被促使彼此靠近，致使被折疊的鉿-鋯合金複合材料具有十字形的水平截面，且該等鉿棒以間隔件的形式被配置在翼部的端部內。
18. 如申請專利範圍第17項之控制棒，其更包含一用鋯合金製成的連繫十字件，其中該等凹折的部分部分地具有縱向孔其被規律地且間歇性地配置在軸方向上且該連繫十字件的一些部分被配置在該等縱向孔上方及底下，用以維持該十字形狀及改善機械強度。
19. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其更包含功用如間隔件般之短且窄的鉿棒，其中四個鉿-鋯合金複合材料件被彎折用以提供一L的形狀，該等鉿-鋯合金複合材料件的彎折部分被促使彼此靠近，用以指向一十字形的中心，且該等鉿棒被附裝至該等被彎折之鉿-鋯合金複合材料件的端部。
20. 如申請專利範圍第19項之控制棒，其更包含一 鋯合金製成的連繫十字件，其中該等被彎折的部分部分地具有縱向孔其被規律地且間歇性地配置在軸方向上且該連繫十字件的一些部分被配置在該等縱向孔上方及底下，用以維持該十字形狀及改善機械強度。
21. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其中每一翼部都可被形成為該等鉿-鋯合金複合材料件中的兩個鉿-鋯合金複合材料件係彼此相對且它們之間有一間距，及用來保持距離的間隔件被固定到該等鉿-鋯合金複合材料件在插入或抽出方向上及在垂直方向上的兩端，且四個翼部被結合至一具有十字形中心軸的連繫十字件，用以用一種該等翼部在軸方向上彼此被間隔開一預定的間隔的方式形成一十字的形狀。
22. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其中每一翼部都可被形成為該等鉿-鋯合金複合材料件中的一個鉿-鋯合金複合材料件被彎折用以提供帶有一間距之U形的形狀，且多個短的間隔件被固定至該被彎折的鉿-鋯合金複合材料件之位在靠近一包括在一連繫十字件內的十字中心軸的一側上的端部上，該連繫十字件在軸方向上離開該翼部一預定的距離，且四個翼部彼此結合在一起用以形成一十字形。
23. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其中每一翼部都可被形成為該等鉿-鋯合金複合材料件中的一個鉿-鋯合金複合材料件被彎折用以提供一圓筒形狀，該被彎折的鉿-鋯合金複合材料件的兩個端部彼此結合在一起用以形 成一圓筒，它然後被壓成一扁平的管子，且多個短的間隔件被固定到該扁平的管子的外端部及內部上，該等內部係位在靠近一十字型的中心軸的一側上，該中心軸係包含在一連繫十字件內，且該四個翼部被結合用以形成十字形狀，使得該連繫十字件與該等翼部在軸方向上相隔一預定的距離。
24. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其中該等翼件係用構件加以固定，這些構件位在該十字形中心軸的端部附近用來防止翼部被打開。
25. 如申請專利範圍第10項之控制棒，其中設置在翼部的外端部內之用鉿製成的間隔件可以是短棒且這些短棒的中心部分被固定到該等鉿-鋯合金複合材料件上。