WO2011030886A1

WO2011030886A1 - 高温ガス炉用制御棒

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Publication number: WO2011030886A1
Application number: PCT/JP2010/065696
Authority: WO
Inventors: 平岡　利治; 隆志小西; 山地　雅俊; 洋町野
Original assignee: 東洋炭素株式会社
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2011-03-17
Also published as: KR20120087130A; EP2472524B1; JP5370763B2; CN102576574B; EP2472524A1; JP2011059086A; US20120207263A1; EP2472524A4; PL2472524T3; TW201135749A; KR101680926B1; US9343188B2; CN102576574A; PL2472524T4

Abstract

　高強度な支持構造とすることにより、引張り、曲げ、せん断等の応力が加わった場合であっても各制御棒要素間の連結状態を損なうことが無く、且つ、耐熱性を向上させることにより、高温ガス炉の安全性を飛躍的に向上させることができる高温ガス炉用制御棒を提供することを目的としている。　二重円筒状を成す外筒９と内筒８との間に中性子吸収体７が配置された制御棒要素１を複数備え、この制御棒要素１が鉛直方向に連結される構造の高温ガス炉用制御棒であって、上記内筒８内には、少なくとも上記中性子吸収体７を支持する柱状の支持体２が配置され、この支持体２の上下両端部には、他の制御棒要素１と連結する連結手段が設けられていることを特徴とする。

Description

高温ガス炉用制御棒

　本発明は、原子力発電における高温ガス炉に用いられる高温ガス炉用制御棒に関するものである。

　原子力発電における高温ガス炉に用いられる高温ガス炉用制御棒は、複数の制御棒要素を鉛直方向（上下方向）に連結する構造であり、各制御棒要素には、Ｂ_４Ｃ等の中性子吸収体が収納されている。

　従来、高温ガス炉における中性子吸収体の収容手段としての制御棒要素としては、金属系の高温ガス炉用制御棒が用いられてきているが、炉心の出力や出力密度が大きく温度条件が厳しい大規模な高温ガス炉に適用した場合、制御棒要素に金属材料を用いると金属の溶融が起こり、繰り返し使用ができなくなる恐れがあることが技術課題となっている。このため、大規模な高温ガス炉では金属材料に代わる制御棒材料として、繰り返し使用できるＣ／Ｃコンポジット製の高温ガス炉用制御棒やＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット製の制御棒要素が用いられる場合がある。

　ここで、制御棒駆動装置により昇降駆動される高温ガス炉用制御棒の昇降機構としては、制御棒要素と固定される一体のワイヤーが、各制御棒要素の内筒内部を挿通し、当該ワイヤーを上下動させて高温ガス炉用制御棒を昇降させる機構が知られている。このようなことを考慮して、各制御棒要素の外筒と内筒との下部に、ネジまたは勘合部を設けて各制御棒要素を接続するような機構も提案されている（下記特許文献１参照）。このような機構であれば高温ガス炉用制御棒が揺動するのをある程度抑制できるものの、しかしながらネジ接続では、ネジ山に引張り、曲げ、せん断等の応力が集中するので、吊り下げ荷重を大きくできず（即ち、制御棒要素の連結個数が制限され）、しかも、多少の揺れ等でネジが破断することがあるという課題を有していた。

　そこで、Ｃ／Ｃコンポジットを使用した外筒と内筒との間にＢ_４Ｃパウダーを充填して焼結させると共に、制御棒要素の外筒内にＣ／Ｃ製の連結用バンドを配置し、この連結用バンドをＣ／Ｃ製の十字のクロスジョイントを用いて連結するような構造のものが提案されている（下記特許文献２参照）。尚、上下方向に隣り合う連結用バンドは９０°捩れる状態で配置されている。

特開平０３－１３４５９２号公報特開平０６－１４８３７２号公報

　しかしながら、上記従来の発明では、各制御棒要素に設けられた十字状のクロスジョイント間を連結用バンドで連結するという構成であるため、長尺の連結用バンドで制御棒の全重量を支えなければならず、強度上の問題があるという課題を有していた。尚、十字状のクロスジョイントの径を大きくして、クロスジョイントの強度向上を図った場合には、その分だけ連結用バンドの幅を小さくしなければならないので、連結用バンドの強度低下を招来する。一方、連結用バンドの幅を大きくして、連結用バンドの強度向上を図った場合には、その分だけ十字状のクロスジョイントの径を小さくしなければならないので、クロスジョイントの強度低下を招来する。したがって、高温ガス炉用制御棒全体として強度向上を図るのは困難である。

　そこで本発明は、高強度な支持構造とすることにより、引張り、曲げ、せん断等の応力が加わった場合であっても各制御棒要素間の連結状態を損なうことが無く、且つ、耐熱性を向上させることにより、高温ガス炉の安全性を飛躍的に向上させることができる高温ガス炉用制御棒を提供することを目的としている。

　本発明は上記目的を達成するために、二重円筒状を成す外筒と内筒との間に中性子吸収体が配置された制御棒要素を複数備え、この制御棒要素が鉛直方向に連結される構造の高温ガス炉用制御棒であって、上記内筒内には、少なくとも上記中性子吸収体を支持する柱状の支持体が配置され、この支持体の上下両端部のうち少なくとも一方の端部には、他の制御棒要素と連結する連結手段が設けられていることを特徴とする。
　上記構成の如く、内筒内に中性子吸収体を支持する支持体が配置されていれば、中性子吸収体の重量は支持体に加わるが、この支持体は柱状であるため、連結用バンドよりも強度が高くなる。したがって、引張り、曲げ、せん断等の応力が加わった場合であっても各制御棒要素間の連結状態を損なうことがない。したがって、原子炉炉心への緊急挿入および出力調整に際して、制御棒本体を損傷することなく、その後の原子炉の再起動を支障なく行うことができる。加えて、支持体の上下両端部のうち少なくとも一方の端部には、他の制御棒要素と連結する連結手段が設けられているので、各制御棒要素間の連結も円滑に達成することができる。したがって、安全性の向上を図りつつ簡便な方法で高温ガス炉用制御棒を作製できる。

　制御棒要素を構成する部品のうち中性子吸収体を除く部品は、Ｃ／Ｃコンポジット材料、又は、ＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料から成ることが望ましい。
　中性子吸収体を除く部品が、高いせん断強度を有すると共に耐熱性に優れたＣ／Ｃコンポジット材料、又は、ＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料から構成されていれば、耐熱性の向上を図ることができると共に、機械的な強度の向上を図ることができる。特に、ＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料は、高強度でより高いせん断強度を有すると共に、耐中性子損傷性に優れているので、この材料を用いた場合には、上記作用効果が一層発揮される。但し、ＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料はＣ／Ｃコンポジット材料に比べて高価であるので、後述の如く、特に強度等が必要とされる部材にのみ用いるのが好ましい。また、上記材料で構成した場合には、不活性雰囲気では２０００℃以下で繰り返し使用することが可能であり、制御棒の使用温度限界による原子炉の運転条件への制約がない。

　上記支持体は、側壁と、この側壁に囲まれ鉛直方向に延びる中空部とを有することが望ましい。
　このように、支持体には鉛直方向に延びる中空部が形成されていれば、支持体の軽量化を図ることができるので、連結手段に加わる重量が減少する。したがって、高温ガス炉用制御棒が破損するのを抑制できるので、安全性が一層向上する。また、原材料が少なくて済むので、高温ガス炉用制御棒のコスト低減を図ることができる。尚、中空部の回りには側壁が存在するので、支持体の強度低下も抑制できる。

　上記連結手段は、上記支持体の側壁に形成された２つの孔を水平方向に挿通するシャフトと、このシャフトが貫通されたリング状の連結バンドとを備えることが望ましい。
　このように、支持体の側壁に形成された２つの孔を水平方向に挿通するシャフトと、このシャフトが貫通されたリング状の連結バンドとを設けるだけで連結することができるので、低コスト且つ容易に、制御棒要素同士を連結することが可能となる。

　上記連結バンドは板状を成すことが望ましい。
　連結バンドは板状に限定するものではないが、板状にすれば、軽量で強度が向上した連結バンドを提供できる。また、ねじれ応力に対する対抗力も高めることができる。

　上記制御棒要素間には隙間が設けられていることが望ましい。
　制御棒要素間には隙間が設けられていれば、連結バンド内においてシャフトが上下動することが可能となる。したがって、制御棒要素に軸方向（鉛直方向）の応力が加わった場合でも、制御棒要素が破損するのを抑制できる。

　上記支持体の上下両端に上記連結手段がそれぞれ設けられている場合には、上端に設けられたシャフトと下端に設けられたシャフトとはねじれ状態となるように配置され、且つ、上記連結バンドの幅は上記中空部におけるシャフトの軸方向の長さより小さくなるように構成されていることが望ましい。
　連結バンドの幅が中空部におけるシャフトの軸方向の長さより小さくなるように構成されていていれば、中空部内において、連結バンドがシャフトの延設方向に移動できることになる。また、上端に設けられたシャフトと下端に設けられたシャフトとをねじれ状態で配置すれば、上端に設けられた連結バンドと下端に設けられた連結バンドとが、異なる方向に移動できることになる。したがって、制御棒要素の軸に対して垂直な方向（水平方向）であれば、いかなる方向から応力が加わってもシャフトや連結バンドが破損するのを抑制できる。

　上記側壁に形成された２つの孔の径よりも、上記シャフトの径の方が小さくなっていることが望ましい。
　側壁に形成された２つの孔の径よりもシャフトの径の方が小さければ（即ち、若干の遊びを有する状態でシャフトが孔を挿通していれば）、上記と同様に応力の緩和を図ることができる。

　上記シャフトの軸に対して垂直方向となる上記連結バンド中空幅が、上記シャフトの径より大きくなっていることが望ましい。
　シャフトの軸に対して垂直方向となる連結バンド中空幅が、シャフトの径より大きくなっていれば、連結バンド内において、水平方向にシャフトが若干回動できるので、曲げ方向（捩れ方向）の力が加わった場合であっても、連結バンドやシャフトが破損するのを抑制できる。

　上記複数の制御棒要素のうち隣接する制御棒要素において、上方に位置する制御棒要素では上記シャフトが支持体の側壁の下端部近傍位置に配置される一方、下方に位置する制御棒要素では上記シャフトが支持体の側壁の上端部近傍位置に配置される、ことが望ましい。
　上方に位置する制御棒要素では支持体の側壁の下端部近傍位置に配置される一方、下方に位置する制御棒要素ではシャフトが側壁の上端部近傍位置に配置されていれば、連結バンドの長さが小さくなるので、連結バンドの小型化を図ることができる。また必要以上の揺動を抑制することもできる。

　上記シャフトの一端が上記内筒の内面と当接した状態であっても、上記シャフトは上記２つの孔を挿通している状態が維持されることが望ましい。
　シャフトの一端が内筒の内面と当接した状態であっても、シャフトが２つの孔を挿通している状態が維持されていれば、シャフトが外れることによる制御棒要素の落下を防止できる。

　上記支持体の下端部或いはその近傍には、上記内筒方向に延びる中性子吸収体支持突起が形成されていることが望ましい。
　支持体の下端部或いはその近傍に、内筒方向に延びる中性子吸収体支持突起が形成されていれば、中性子吸収体を下方から支持することができるので、中性子吸収体を簡便に支持することができる。

　上記支持体は断面多角形状であって、この多角形は偶数の多角形であることが望ましい。
　支持体の断面形状が偶数の多角形状であれば、対向する側壁間に上記シャフトを配置することができるので、支持体を容易に作製できる。

　上記断面多角形状の支持体は、平板状の炭素系材料を組み合わせて形成されることが望ましい。
　断面多角形状の支持体が平板状の炭素系材料を組み合わせて形成されていれば、支持体を構成する部品の作製が容易となって、高温ガス炉用制御棒の製造コストが低下する。

　上記中性子吸収体支持突起は、上記平板状の炭素系材料と一体形成されていることが望ましい。
　中性子吸収体支持突起が炭素系材料と一体形成されていれば、中性子吸収体の荷重が炭素材料の面方向に加わるので、中性子吸収体の荷重が分散される。したがって、制御棒要素の破損が抑制でき、安全性がより向上する。

　本発明によれば、高強度な支持構造とすることにより、引張り、曲げ、せん断等の応力が加わった場合であっても各制御棒要素間の連結状態を損なうことが無く、且つ、耐熱性を向上させることにより、高温ガス炉の安全性を飛躍的に向上させることができるといった優れた効果を奏する。

本発明の高温ガス炉用制御棒を示す斜視図である。第１の形態に係る制御棒要素の分解斜視図である。第１の形態に係る制御棒要素の断面図である。第１の形態に係る制御棒要素の断面斜視図である。第１の形態に係る支持体の連結状態を示す分解斜視図である。第１の形態に係る支持体に用いる支持板を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。第１の形態に係る支持体に用いる支持板を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。第１の形態に係る支持体に用いる連結ボルトを示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。第１の形態に係る支持体に用いるナットを示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。第１の形態に係る支持体に用いる連結バンドを示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。第１の形態に係る支持体に用いる内筒を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。第１の形態に係る支持体に用いる外筒を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。第１の形態に係る支持体に用いる上蓋を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＣ－Ｃ線矢視断面図である。第１の形態に係る支持体に用いる下蓋を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＤ－Ｄ線矢視断面図である。第１の形態に係る支持体の変形例を示す説明図である第２の形態に係る制御棒要素の説明図である。第２の形態に係る支持体の分解側面図である。第２の形態に係る制御棒要素の分解斜視図である。第３の形態に係る制御棒要素の分解斜視図である。

　　　　　　　　　　　　　　　　（第１の形態）
　本発明の第１の形態を、図１～図１５に基づいて、以下に説明する。
　図１に示すように、本発明の高温ガス炉用制御棒は、複数の制御棒要素１が鉛直方向（上下方向）に連結される構造となっており、上記制御棒要素１間には若干の隙間が設けられている。このように、制御棒要素１間には隙間を設けるのは、制御棒要素１に上下方向の応力が加わった場合に、後述する連結バンド６内において連結ボルト３ａ、３ｂが上下動できるので、制御棒要素１の破損を抑制できるからである。上記制御棒要素１は、図２～図４（尚、図２においては、中性子吸収体７は省略している）に示すように、外筒９と内筒８と、これら両筒８、９間に配置された中性子吸収体７と、上記内筒８内に配置された柱状の支持体２と、上記両筒８、９の下端に配置されて上記中性子吸収体７を下方で支持する下蓋５と、上記両筒８、９の上端に配置された上蓋１０とを有している。

　上記支持体２は、図５に示すように、略断面四角形状であって、Ｃ／Ｃコンポジット材料から成る２枚の平板状の支持板（側壁）１２ａと、Ｃ／Ｃコンポジット材料から成る２枚の平板状の支持板１２ｂ（側壁）と、を組み合わせて構成されている。尚、支持板１２ａ、１２ｂと平板状とするのは、支持体２を構成する部品の作製が容易となるからであり、支持板１２ａ、１２ｂがＣ／Ｃコンポジット材料から成るのは、耐熱性の向上と機械的な強度の向上とを図るためである。更に、４枚の支持板１２ａ、１２ｂを組み合わせて構成すれば、支持体２の中央に中空部２８を形成できるので、支持体２の軽量化を図ることができ、後述の連結手段に加わる重量が減少するからである。

　上記支持板１２ａの具体的な構造は、図６（ａ）（ｂ）に示すように、後述する支持板１２ｂのスリットに嵌合される突起１３が、本体部１４の側部に本体部１４と一体形成されている。また、支持板１２ａの下端位置には、上記内筒８方向に延びる下蓋支持突起１５が、上記突起１３と（本体部１４とも）一体形成されており、この下蓋支持突起１５上に上記下蓋５が載置される構造である。下蓋支持突起１５は、内筒８方向に延びると共に、下蓋５を介して中性子吸収材の荷重を受ける中性子吸収材支持突起としての機能を有する。このような構造であれば、下蓋５を介して加わる上記中性子吸収体７の荷重が支持板１２ａの面方向に加わり、中性子吸収体７の荷重が分散されるので、支持体２が破損するのを抑制できる。また荷重が支持板１２ａの面方向に加わるので、Ｃ／Ｃコンポジットの高いせん断強度を活用する構造となされている。

　上記支持板１２ａの下端近傍には孔１６が形成されており、この孔１６と上記支持体２内に配置されたリング状の連結バンド６とを、図８に示すボルト（シャフト）３ａが水平方向に挿通する構造となっている。このボルト３ａは、図９に示すナット４によって支持体２に固定されている。尚、上述の理由と同様の理由（強度面等を考慮するという理由）により、連結バンド６とボルト３ａと、ナット４とはＣ／Ｃコンポジット材料から構成されている。また、上記連結バンド６は板状を成しており、これによって、連結バンド６の軽量化と強度の向上とを図っている。更に、上記支持板１２ａの上端位置には、上記上蓋１０を載置するための切り欠き１７が形成されている。

　一方、上記支持板１２ｂの具体的な構造は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、上記支持板１２ａの突起１３と嵌合するスリット１８が本体部２０に形成されている。スリット１８は、上下方向の長孔となされていることで、支持板同士の接触面積が大きく取られると共に、支持板１２ａ及び１２ｂの双方がお互いに面方向に荷重がかかる構造となされ、Ｃ／Ｃコンポジットが備えた高いせん断強度を活かすことができる構造となっている。また、支持板１２ａの下端位置には、上記内筒８方向に延びる下蓋支持突起１９が、上記本体部２０と一体形成されており、この下蓋支持突起１９上に上記下蓋５が載置される構造である。このような構造であれば、上記と同様、下蓋５を介して加わる上記中性子吸収体７の荷重が支持板１２ｂの面方向に加わり、中性子吸収体７の荷重が分散されるので、支持体２が破損するのを抑制できる。更にまた、荷重が支持板１２ａの面方向に加わるので、Ｃ／Ｃコンポジットの高いせん断強度を活用する構造となされている。
　支持板１２ａ及び１２ｂは、単に組み合わせるのみで強度を確保することが可能であれば組み合わせるのみでもよく、またカーボン系接着材を用いて接合強度を高めるようにしてもよい。

　上記支持板１２ｂの上端近傍には孔２１が形成されており、この孔２１と上記支持体２内に配置されたリング状の連結バンド６（図１０に示す）とを、図８に示すボルト（シャフト）３ｂが水平方向に挿通する構造となっている。このボルト３ｂは、図９に示すナット４によって支持体２に固定されている。尚、上述の理由と同様の理由（強度面等を考慮するという理由）により、ボルト３ｂはＣ／Ｃコンポジット材料から構成されている。また、上記支持板１２ａの上端位置には、上記上蓋１０を嵌着するための切り欠き２２が形成されている。上蓋１０は、支持板１２ａ及び１２ｂに、カーボン系接着剤を用いて接合するようにしてもよい。尚、上記支持板１２ａ、１２ｂの引っ張り強さは約２５０ＭＰａであり、上記ボルト３ｂが貫通する最小断面積が１．３５ｃｍ^２の場合には、３３．７ｋＮの静荷重を吊り下げることが可能である。

　ここで、上記連結バンド６とボルト３ａ（又は３ｂ）とナット４とによって、連結手段が構成されている。このような少ない部材で強固な連結手段を構成できるので、低コストで信頼性の高い連結手段を提供できる。尚、連結バンド６の幅（図１０（ｂ）のＬ６）が２８ｍｍで、厚さ（図１０（ａ）のＬ７）が３ｍｍである場合、１９．６ｋＮの静荷重を吊り下げることが可能である。したがって、引っ張り強さが飛躍的に向上する。また、ボルト３ａ（又は３ｂ）の直径（図８（ｂ）のＬ１）が１８ｍｍの場合には、せん断強さは１９．２ｋＮであり、せん断強さが飛躍的に向上する。

　また、上記孔１６、２１の直径（図６のＬ２、図７のＬ３）は、上記ボルト３ａ、３ｂの直径（図８（ｂ）のＬ１）よりも若干大きくなるように構成されている。これによってボルト３ａ（又は３ｂ）の挿通が容易となる他、若干の遊びを有する状態でボルト３ａ（又は３ｂ）が孔１６、２１を挿通しているので、ボルト３ａ（又は３ｂ）が孔１６、２１内で若干移動でき、これによって外部応力が加わった場合に応力緩和を図ることができる（ボルト３ａ（又は３ｂ）や連結バンド６等の支持体２を構成する部材が破損するのを抑制できる）。更に、連結バンド６において、ボルト３ａ（又は３ｂ）の軸に対して垂直な方向の中空幅（図１０（ａ）のＬ４）がボルト３ａ（又は３ｂ）の直径（図８（ｂ）のＬ１）より大きくなるように構成されている。このような構成によっても、上記と同様の理由により、外部応力を緩和できる。

　更に、上記連結バンド６の幅（図１０（ｂ）のＬ６）は、上記中空部２８内におけるボルト３ａ（又は３ｂ）の軸方向の長さ（図８（ｂ）のＬ５）より小さくなるように構成されている。したがって、連結バンド６がシャフトの軸方向に移動できるので、これによって外部応力を緩和できる。

　加えて、ボルト３ａとボルト３ｂとはねじれ状態（軸同士が直角となる状態）で配置されるので、両連結バンド（図５において、支持体２の上部に配置される連結バンド６と、支持体２の下部に配置される連結バンド６）は異なる方向に移動できることになる。したがって、制御棒要素１の軸に対して垂直な方向（図５のＡ方向やＢ方向）に応力が加わっても応力を緩和できる。

　また、図５において、ボルト３ｃは支持板１２ａの下端近傍位置に配置される一方、ボルト３ｂは支持板１２ａの上端近傍位置に配置される構成となっている。したがって、連結バンド６の長さが小さくなるので、連結バンドの小型化を図ることができる。

　更に、ボルト３ａ、３ｂ、３ｃは、経年劣化や衝撃等により、例えナット４がボルト３ａ、３ｂ、３ｃから外れて内筒８内でいずれか一方にずれた場合であっても、ボルト３ａ、３ｂ、３ｃの頭部３０が内筒８内面に当たって挿通状態にある２つの孔１６（又は２１、２３）から外れるのを防止できるような長さとしている。したがって、ナット４が外れたとしても、ボルト３ａ、３ｂ、３ｃが外れることによる制御棒要素１の落下を防止できる。

（その他の部材についての説明）
　図１１（ａ）（ｂ）に示すように、上記内筒８は円筒状を成し、Ｃ／Ｃコンポジット材料から構成されている。また、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、上記外筒９は上記内筒８よりも大径の円筒状を成し、Ｃ／Ｃコンポジット材料から構成されている。

　図１３（ａ）（ｂ）に示すように、上記上蓋１０は円板状を成し、その外径（図１３（ｂ）のＬ８）は、上記外筒９の外径（図１２（ｂ）のＬ９）と同一となるように構成されている。また、上蓋１０の最外周には切り欠き３１が形成されており、この切り欠き３１の幅（図１３（ｂ）のＬ１０）は、上記外筒９の厚み（図１２（ｂ）のＬ１１）と同一となるように構成されている。更に、上記切り欠き３１の内側には、溝３２が形成されている。この溝３２の外径（図１３（ｂ）のＬ１２）は上記内筒８の外径（図１１（ｂ）のＬ１３）と同一となるように構成され、また、この溝３２の幅（図１３（ｂ）のＬ１５）は上記内筒８の厚み（図１１（ｂ）のＬ１４）と同一となるように構成されている。更に、上記溝３２の内側には、上記支持板１２ａ、１２ｂの端部が嵌合される溝３３が形成されている。このような構成することにより、上蓋１０を、内筒８、外筒９、及び支持体１０の上部で嵌合することができる。

　図１４（ａ）（ｂ）に示すように、上記下蓋５は円板状を成している。この下蓋５は上記上蓋１０と略同様の構成である（同一部位に同一の大きさの切り欠き３５、溝３２、及び溝３３が形成されている）。このような構成することにより、下蓋５を、内筒８、外筒９、及び支持体１０の下部で嵌合することができる。但し、内部空間形状３４が若干異なることと、中性子吸収体７を下方で支持すべく、下蓋５の厚み（図１４（ｂ）のＬ１７）が上蓋１０の厚み（図１３（ｂ）のＬ１８）より若干大きくなっている点が異なる。尚、このように、円板状の下蓋５で支える（即ち、ネジで支えるのではない）という構造とすることにより、原子炉の安全性が向上する。

　尚、上記内筒８及び上記外筒９は中性子吸収体７を収納するだけの部材であるので、両筒８、９の厚み（図１１（ｂ）のＬ１４、図１２（ｂ）のＬ１１）は小さく構成しても良い。また、上記上蓋１０は制御棒要素を封止するためだけに用いられるものであるので、上蓋１０の厚み（図１３（ｂ）のＬ１８）は小さく構成しても良く、さらに、上記下蓋５も上蓋１０よりは若干厚みを大きくしているが、荷重がかかるのは中性子吸収体７と下蓋突起１５及び１９とに挟まれた部位だけなので、下蓋５の厚み（図１４（ｂ）のＬ１７）はさほど大きく構成しなくても良い。以上のような構成とすることにより、高温ガス炉用制御棒の材料費を低減できる。

（第１の形態の変形例）
（１）上記実施例では、制御棒要素１を構成する部品のうち中性子吸収体７を除く部品をＣ／Ｃコンポジット材料から構成したが、中性子吸収体７を除く部品を全てＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料から構成しても良く、また、主要部品（例えば、ボルト３ａ、３ｂ、３ｃや連結バンド等）のみをＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料で構成しても良い。更に、主要部品（例えば、ボルト３ａ、３ｂ、３ｃや連結バンド６等）のみをＣ／Ｃコンポジット材料又はＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料から構成し、その他の部品を通常の炭素材料で構成しても良い。

（２）支持体の形状は断面四角形状に限定するものではなく、図１５に示すような断面正六角形状、又は、断面正八角形状等であっても良いことは勿論である。尚、図１５に示すような断面正六角形状である場合には、ボルト３の軸同士が６０°毎となるようにボルト３を配置すれば良い。

（３）上部に配置される制御棒要素１のボルト３ａ、３ｂ、３ｃや連結バンド６は、下部に配置される制御棒要素１のボルト３ａ、３ｂ、３ｃや連結バンド６に比べて大きな荷重が加わることになる。したがって、上部に配置される制御棒要素１のボルト３ａ、３ｂ、３ｃは、下部に配置される制御棒要素１のボルト３ａ、３ｂ、３ｃより大径としたり、上部に配置される制御棒要素１の連結バンド６は下部に配置される制御棒要素１の連結バンド６より厚みを大きくするような構成としても良い。また、上部に配置される制御棒要素１のボルト３ａ、３ｂ、３ｃや連結バンド６をＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料で構成し、下部に配置される制御棒要素１のボルト３ａ、３ｂ、３ｃや連結バンド６をＣ／Ｃコンポジット材料で構成しても良い。

　　　　　　　　　　　　　　　（第２の形態）
　本発明の第２の形態を、図１６～図１８に基づいて、以下に説明する。
　図１６に示すように、第２の形態に係る制御棒要素１は、外筒９と内筒８と、これら両筒８、９間に配置された中性子吸収体７と、上記内筒８内に配置された円柱状の支持体２と、上記両筒８、９の下端に配置されて上記中性子吸収体７を下方で支持する下蓋５と、支持リング５０と、固定ネジ５１とを有している。

　上記外筒９は上方が先細りとなる釣鐘状を成しており、下開口部５２から上記中性子吸収体７及び内筒８が挿入される構造である。一方、外筒９の上端には、円柱状の支持体２を挿通するための貫通孔５３が設けられている。更に、内筒８の下端部に配置された円盤状の下蓋５の中央には、支持体２を挿通するための貫通孔５５が設けられており、また、下蓋５の外径（図１８のＬ２１）は外筒９の内径（図１８のＬ２０）と略同一となっている。更に、下蓋５の下方には支持リング５０が配置されており、この支持リング５０の外径（図１８のＬ２２）は外筒９の内径（図１８のＬ２０）と略同一となっている。

　上記外筒９と上記支持リング５０とには、支持リング５０が外筒９内に配置された際に一致する箇所に予め孔５６、５７が設けられており、該孔５６、５７には、例えば２ＤＣ／Ｃコンポジットからなる複数のネジ５１（本形態では約１０本）が螺合される。これによって、支持リング５０が外筒９に固定されるようになっている。尚、ネジ５１は、外筒９の外面から張り出さないように設けられる。また、内筒８の長さは、その上端が外筒９の上方内面にほぼ接する程度の長さとなっており、これにより、両筒８、９間の中性子吸収体７を多量に配置できる構造となっている。

　上記構成であれば、内筒８と中性子吸収体７との荷重は下蓋５により受けられ、下蓋５は支持リング５０により下方から支持されている。支持リング５０は上下方向に幅を有し、且つ、横方向からネジ止めされているので、下蓋５からの荷重は支持リング５０の面方向に加わり、更に複数のネジ螺合部に加わるので、耐荷重性能が高められている。

　上記支持体２は内筒８の内方に挿通されており、また、支持体２には出張部６２が設けられている。上記出張部６２の外径（図１６のＬ２５）は、外筒９の上端に設けられた上記貫通孔５３の孔径（図１６のＬ２６）より大きくなっており、これによって、貫通孔５３に出張部６２が引っ掛かり、出張部６２を通じて支持体２により制御棒要素１が支持される。尚、出張部６２の上端及び外筒９の貫通孔５３の下縁はテーパー状となっており、当該部分同士が接することで外筒９の揺動が小さくなるような構成である。

　上記支持体２の具体的な構造は、図１７に示すように、上支持部材６０と出張部６２と下支持部材６４とから構成されている。上記下支持部材６４にはネジ部６３が設けられる一方、上記上支持部材６０にはネジ孔６１が設けられている。また、上支持部材６０の下端部には他の部分より小径の小径部６６が設けられており、この小径部６６と大径部（他の部分）６７との境界は段差部６８が形成される。上記出張部６２には挿通孔６９が設けられており、この挿通孔６９の直径（図１７のＬ３０）は、上記小径部６６の小径部６６の直径（図１７のＬ３１）より大きく、大径部６７の直径（図１７のＬ３２）より小さくなるようになっている。これにより、上支持部材６０の下方から、上支持部材６０の小径部６６に出張部６２の挿通孔６９を挿入すると、出張部６２の上端は段差部６８に引っ掛かる。その状態で下支持部材６４のネジ部６３を、上支持部材６０のネジ孔６１に螺合すると、上支持部材６０と下支持部材６４との間に出張部６２が挟まれて固定される。

　ここで、制御棒要素１を複数連結する場合には、下支持部材６４の下端にネジ孔（図示せず）を設け、下方から他の制御棒要素（図示せず）の出張部及びネジ部が設けられた支柱を取り付けるような構造とすれば良い。尚、ネジ部及びネジ孔を設ける場合、上支持部材６０にネジ部を設け、下支持部材６４にネジ孔を設ける構成であっても良い。

　本構成により、少ない部材、部品数で簡便な構成でありながら中性子吸収体７を外筒９内に確実に収容する構造とでき、また重量の大きい中性子吸収体７を支持体２により安定して支持することができる。

　尚、外筒９を含めた本実施形態の全ての部材及び部品は、Ｃ／Ｃコンポジット材により形成すれば、高強度を備えつつ軽量化を図ることができる。またＣ／Ｃコンポジットに替えて、ＳｉＣ／ＳｉＣコンポジットを用いて、更に高強度とすることもできる。但しＳｉＣ／ＳｉＣコンポジットは高価であることから、とりわけ高い強度が必要とされる出張部６２、下蓋５、支持リング５０、ネジ５１等に限って用いるようにしても良い。

　上方が収束された形状の外筒９の一体的な形成としては、フィラメントワインディング法又はハンドレイアップ法を用いるのが好ましく、より高い強度が得られるフィラメントワインディング法を用いるのが特に好ましい。フィラメントワインディング法は、通常炭素繊維を束ねた炭素繊維束を熱硬化性樹脂、溶剤等からなる低粘度の結合材に浸漬した後、結合材の付着した炭素繊維束をルツボ形状のマンドレルに巻付けて必要なルツボ形状に成形する。マンドレルへの巻き付けは、例えば、本出願人による特許出願である特開２００３－２０１１９６に記載される等、適宜の方法で行ってよい。その後、例えば、１００～３００℃程度の温度で熱硬化を行い、得られる成形体をＮ_２ガス等の不活性ガス中でたとえば約１０００℃の温度で炭素化させる。この炭素化の後、必要に応じてフェノール樹脂、タールピッチ等を含浸させ、さらに１５００℃以上の温度で加熱して炭素化（黒鉛化）を行う。以上の工程により得られたルツボを、例えば、ハロゲンガス雰囲気中で、１５００～２５００℃程度の温度において加熱し、高純度化処理を施し、Ｃ／Ｃ材とするものである。ハンドレイアップ法は、炭素繊維クロスをルツボ型に貼り付けて成形体を作製した後、ＦＷ法と同様に熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施してＣ／Ｃ材とするものである。

　　　　　　　　　　　　　　　（第３の形態）
　本第３の形態を図１９に基づいて説明するが、内筒、中性子吸収体、及び支持体の構造は上記第２の形態と同様の構造であるので、図１９において、それらの部材は省略している。

　図１９に示すように、外筒の下端からやや上方に円周方向に沿って断続的に挿通穴７０が設けられ、この挿通穴７０に平板状の支持板７１が差し込まれ、支持板７１の両端が挿通穴７０の下部にある外筒９により下方から支持されることで、支持板７１により中性子吸収体及び内筒が下方より支持される。支持板７１の長手方向中央付近には、支持体２を挿通する貫通孔５５が設けられている。

　尚、挿通穴７０を用いて配置する支持板７１は、上記の如く２枚に限定するものではなく、１枚でも良く、必要とされる強度に応じて３枚以上としてもよい。また、必要に応じて挿通穴７０の幅も適宜の幅とすれば良く、更に、支持板７１についても、必要とされる強度に応じて厚みを任意に設定してもよい。

　本構成であれば、挿通穴７０を設け、この挿通穴７０に支持板７１を差し込むという、極めて簡便な構成により中性子吸収体の支持が可能となる。また中性子吸収体や内筒等の支持する対象の重量に応じて、支持板の厚みや幅等を設定すればよく、容易に強度設定が可能となり得る。

　尚、中性子吸収体は、支持板７１の上に直接載置するようにしても良く、又は、支持板７１の上に図１８に示す下蓋５を配置してその上に載置しても良い。また図１６及び図１８に示したような、下蓋５及び支持リング５０を用いる構成を併用し、支持強度を高めるようにしても良い。

　更に、上記第２の形態及び第３の形態において、場合によっては、下蓋５や支持板７１の、支持体挿通用の貫通孔５５に相当する部位にボルト等を取り付けて、そのボルトを用いて他の制御棒要素と接続することもできる。

　本発明は、原子力発電の高温ガス炉に用いることができる。

Claims

二重円筒状を成す外筒と内筒との間に中性子吸収体が配置された制御棒要素を複数備え、この制御棒要素が鉛直方向に連結される構造の高温ガス炉用制御棒であって、
　上記内筒内には、少なくとも上記中性子吸収体を支持する柱状の支持体が配置され、この支持体の上下両端部のうち少なくとも一方の端部には、他の制御棒要素と連結する連結手段が設けられていることを特徴とする高温ガス炉用制御棒。
　制御棒要素を構成する部材のうち中性子吸収体を除く部材は、Ｃ／Ｃコンポジット材料、又は、ＳｉＣ／ＳｉＣコンポジット材料から成る、請求項１に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記支持体は、側壁と、この側壁に囲まれ鉛直方向に延びる中空部とを有する、請求項１又は２に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記連結手段は、上記支持体の側壁に形成された２つの孔を水平方向に挿通するシャフトと、このシャフトが貫通されたリング状の連結バンドとを備える、請求項３に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記連結バンドは板状を成す、請求項４に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記制御棒要素間には隙間が設けられている、請求項４又は５に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記支持体の上下両端に上記連結手段がそれぞれ設けられている場合には、上端に設けられたシャフトと下端に設けられたシャフトとはねじれ状態となるように配置され、且つ、上記連結バンドの幅は上記中空部におけるシャフトの軸方向の長さより小さくなるように構成されている、請求項４～６の何れか１項に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記側壁に形成された２つの孔の径よりも、上記シャフトの径の方が小さくなっている、請求項４～７の何れか１項に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記シャフトの軸に対して垂直方向となる上記連結バンド中空幅が、上記シャフトの径より大きくなっている、請求項４～８の何れか１項に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記複数の制御棒要素のうち隣接する制御棒要素において、上方に位置する制御棒要素では上記シャフトが支持体の側壁の下端部近傍位置に配置される一方、下方に位置する制御棒要素では上記シャフトが支持体の側壁の上端部近傍位置に配置される、請求項４～９の何れか１項に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記シャフトの一端が上記内筒の内面と当接した状態であっても、上記シャフトは上記２つの孔を挿通している状態が維持される、請求項４～１０の何れか１項に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記支持体の下端部或いはその近傍には、上記内筒方向に延びる中性子吸収体支持突起が形成されている、請求項１～１１の何れか1項に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記支持体は断面多角形状であって、この多角形は偶数の多角形である、請求項１～１２の何れか1項に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記断面多角形状の支持体は、平板状の炭素系材料を組み合わせて形成される、請求項１３に記載の高温ガス炉用制御棒。
上記中性子吸収体支持突起は、上記平板状の炭素系材料と一体形成されている、請求項１４に記載の高温ガス炉用制御棒。