(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部を高さ方向に貫通する支持材と、
前記支持材を中心とする十字型直線上に、中性子吸収棒を収納する翼部とを備えた沸騰水型原子炉用制御棒であって、
前記翼部に前記支持材と平行に挿入され、前記制御棒の翼根元から翼先端にかけて複数並べられた、Ｂ4Ｃが充填された中性子吸収棒と、
前記制御棒の翼部に並べられた複数の前記中性子吸収棒のうち、翼先端側の前記中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間である隙間が占める平均体積が、翼根元側の前記中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間である隙間が占める平均体積より大きいことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項２】
請求項１記載の沸騰水型原子炉用制御棒であって、
前記翼先端側の中性子吸収棒のうち、最も先端側の中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間である隙間が占める平均体積が、その他の中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間である隙間が占める平均体積より大きいことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項３】
請求項１記載の沸騰水型原子炉用制御棒であって、
前記翼先端側の中性子吸収棒は、上部領域のＢ4Ｃ以外の空間である隙間が占める平均体積が、残る下部領域のＢ4Ｃ以外の空間である隙間が占める平均体積より大きいことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉用制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉は、炉内の反応度を調節するため、制御棒を備える。原子炉用制御棒の構造は、中心側に中央構造物（支持材）が配置され、その中央構造物から四方にブレード（翼部）を備える。ブレードは、多数本の中性子吸収棒を収容する。
【０００３】
特許文献１には、中性子吸収棒の先端部に空隙を設ける構造を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５３−１７８９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のように、中性子吸収棒の内部に、中性子吸収材が全く存在しない領域（空隙）を設けると、制御棒の中性子吸収能力（制御棒価値）が低下するという課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、制御棒価値を低下させることなく、制御棒寿命を長くすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、翼部に支持材と平行に挿入され、制御棒の翼根元から翼先端にかけて複数並べられた、Ｂ4Ｃが充填された中性子吸収棒と、制御棒の翼部に並べられた複数の中性子吸収棒のうち、翼先端側の中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める平均体積が、翼根元側の中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める平均体積より大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、制御棒価値を低下させることなく、制御棒寿命を長くできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１，２における制御棒の水平断面図である。
【図２】沸騰水型原子炉用制御棒の一部破断斜視図である。
【図３】沸騰水型原子炉用制御棒の中性子吸収棒の側断面図である。
【図４】実施例３における制御棒の水平断面図である。
【図５】実施例４における制御棒の水平断面図である。
【図６】実施例５における制御棒の水平断面図である。
【図７（ａ）】中性子吸収棒１２ａに充填されたＢ4Ｃ粉末の充填率を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。
【図７（ｂ）】中性子吸収棒１２ｂに充填されたＢ4Ｃ粉末の充填率を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。
【図７（ｃ）】中性子吸収棒１２ｃに充填されたＢ4Ｃ粉末の充填率を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。
【図７（ｄ）】中性子吸収棒１２ｄに充填されたＢ4Ｃ粉末の充填率を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。
【図７（ｅ）】中性子吸収棒１２ｅに充填されたＢ4Ｃペレット、Ｂ4Ｃ粉末を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。
【図７（ｆ）】円柱状のＢ4Ｃペレットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施例を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
図２は、沸騰水型原子炉における制御棒の一部破断斜視図である。図１は、図２のＡ−Ａ断面（制御棒の水平断面）を示したものである。制御棒１１は、中央部を高さ方向に貫通する支持材１４と、その支持材１４を中心とする十字型直線上に配置されたシース１３と、シース１３の上部に設けられたハンドル１５を備える。制御棒の高さ方向において、ハンドル側を上部、反対側を下部とする。シース１３は、制御棒１１の中央部を貫通する支持材１４に溶接されている。そして、シース１３が支持材１４から四方に伸び、翼部５を形成する。翼部５は、支持材１４と接合された部分を翼根元、翼根元の反対側を翼先端とする。ハンドル１５は、制御棒１１を炉外に取出すための部材である。
【００１２】
中性子吸収棒１２は、シース１３の内部に収納されている。ハンドル１５側から制御棒を見ると、中性子吸収棒１２は、支持材１４と平行に挿入されている。この中性子吸収棒１２は、翼根元（支持材１４）から翼先端にかけて複数本並べられている。また、中性子吸収棒１２は、中性子吸収材であるＢ4Ｃが充填されている。
【００１３】
図３は、中性子吸収棒１２の側断面図を示す。中性子吸収棒１２は、ステンレス鋼管製の細長い被覆管２１中に、Ｂ4Ｃ粉末２２を充填したものである。被覆管２１の中は、ステンレス鋼製の仕切り球２３によって上下方向に分割されており、多数の領域が形成されている。仕切り球２３は、Ｂ4Ｃ粉末が各領域間を移動しないようにするために設けられている。なお、気体は、仕切り球２３によって区切られた領域間を移動できる。
【００１４】
次に、制御棒寿命について説明する。制御棒寿命は、核的寿命と機械的寿命に分類される。そして、制御棒寿命は、核的寿命と機械的寿命のうち、短い方の寿命で表される。一般に、Ｂ4Ｃが充填された中性子吸収棒は、核的寿命が機械的寿命より短く、核的寿命が制御棒寿命となる。Ｂ4Ｃには、熱中性子吸収断面積が非常に大きい核種Ｂ１０が含まれている。そのため、Ｂ１０が主に中性子を吸収する。Ｂ１０は、中性子を吸収すると、中性子をほとんど吸収しないＬｉとＨｅに変換する。そのため、中性子が中性子吸収棒に照射されると、時間経過とともに、制御棒が中性子を吸収する能力、すなわち制御棒価値が低下していく。
【００１５】
また、中性子が中性子吸収棒に照射される量は、中性子吸収棒の高さ方向位置によっても異なる。そのため、核的寿命は、制御棒の高さ方向の有効長を４等分したいずれかの区間において、制御棒の相対価値が１０％減少した時点とされる。特に、制御棒は、炉心の下部から挿入される。そのため、中性子吸収棒に照射される中性子量は、中性子吸収棒の下部に比べ上部の方が多い。従って、核的寿命は、一般に中性子吸収棒の上部で決まる。
【００１６】
また、翼部５の翼先端側と翼根元側で比較した場合、中性子吸収棒が水に面する面積は、翼先端側の方が大きい。そのため、中性子照射量は、翼根元側に比べ翼先端側の方が多い。
【００１７】
そして、中性子吸収棒では、中性子が照射されることによりＢ4Ｃ粒子が膨張し、それによって被覆管が膨らむ（スエリング）可能性がある。特に、中性子照射量の多い制御棒の翼先端側の中性子吸収棒では、制御棒価値が１０％減少する前に、スエリングによる被覆管の破損が発生する可能性がある。そのため、制御棒の寿命評価では、スエリングによる被覆管の破損を考慮する必要がある。
【００１８】
そこで、制御棒の寿命評価では、中性子照射によるスエリングによって被覆管が破損する可能性のあるＢ１０消耗率を保守的に定める。そして、そのＢ１０消耗率に達した時点で、さらに保守的に、その中性子吸収棒からＢ4Ｃ粉末が完全に消失すると仮定する。従って、スエリングによる被覆管の破損を考慮すると、制御棒価値が１０％減少する時間は早くなる。そのため、スエリングによる被覆管の破損を考慮した制御棒寿命は、スエリングによる被覆管の破損を考慮しない場合に比べ、かなり短くなる。なお、制御棒価値が１０％減少する前に、スエリングによって被覆管が破損する可能性を有する中性子吸収棒は、制御棒の翼先端側から高々２本である。
【００１９】
そこで、本実施例の中性子吸収棒は、中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める体積の大小関係によって２種類の中性子吸収棒１２ａ，１２ｂに分かれる。制御棒の翼部に並べられた複数の中性子吸収棒は、翼先端側から２本の中性子吸収棒１２ｂと、残る中性子吸収棒１２ａに分類される。そして、翼先端側の中性子吸収棒１２ｂ内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める平均体積は、翼根元側の中性子吸収棒１２ａ内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める平均体積より大きい。なお、「平均体積」とは、中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める体積を中性子吸収棒の高さ方向で平均した値である。
【００２０】
中性子照射量が多い翼先端側の中性子吸収棒１２ｂにおいて、Ｂ4Ｃ以外の空間が占める平均体積を大きくすることで、Ｂ4Ｃ粒子が膨らむ空間的余裕を設け、スエリングによって被覆管が破損する可能性を低減することができる。そのため、制御棒寿命を約２５％長くすることが可能となる。
【００２１】
また、本実施例の中性子吸収棒は、Ｂ4Ｃ粒子が占める領域と、Ｂ4Ｃ粒子以外の領域（隙間）との割合が調整されている。そして、中性子吸収棒は、中性子吸収棒の高さ方向全長にわたって、Ｂ4Ｃ粒子が占める領域と、Ｂ4Ｃ粒子以外の領域（隙間）が存在する。本実施例では、特許文献１のように、中性子吸収棒の高さ方向において、Ｂ4Ｃ粒子が全く存在しない領域を設けていない。そのため、制御棒の中性子吸収能力（制御棒価値）の低下を抑制できる。
【００２２】
次に、本実施例の比較例として、制御棒の翼先端側であり、かつ、中性子吸収棒の上部に、Ｂ4Ｃを充填した中性子吸収棒の替わりに、ハフニウム棒を配置した場合を検討する。
【００２３】
天然に存在しているハフニウムは、核種Ｈｆ１７６，Ｈｆ１７７，Ｈｆ１７８，Ｈｆ１７９，Ｈｆ１８０からなる。これらのうち、Ｈｆ１７６，Ｈｆ１７７，Ｈｆ１７８，Ｈｆ１７９は、熱中性子吸収断面積が大きく、中性子を吸収し易い核種である。さらに、これらの核種は、中性子を吸収することにより、Ｈｆ１７６→Ｈｆ１７７→Ｈｆ１７８→Ｈｆ１７９→Ｈｆ１８０と変換する。そして、ハフニウムの核種は、Ｈｆ１７９を除いて、中性子を吸収しやすい。つまり、Ｈｆ１７９以外の核種が中性子を吸収すると、中性子を吸収し易い別の核種が生成される。このため、ハフニウム棒を用いると、制御棒寿命（核的寿命）が長くなる。
【００２４】
しかし、ハフニウム棒を使用すると、Ｂ4Ｃのみを充填した中性子吸収棒よりも制御棒価値が小さくなるという課題がある。Ｂ4Ｃ中に存在するＢ１０の熱中性子吸収断面積は、３８３７barnである。一方、天然に存在するハフニウム核種中で最も熱中性子吸収断面積が大きい核種はＨｆ１７７である。このＨｆ１７７の熱中性子吸収断面積は、３７３.５barnである。このため、ハフニウム棒を用いた制御棒の価値は、Ｂ4Ｃのみを充填した中性子吸収棒を用いた制御棒の価値より小さくなる。
【００２５】
また、比較例では、ハフニウム棒を中性子吸収材として用いる。そのため、ハフニウムを用いた制御棒の重量は、Ｂ4Ｃのみを用いた制御棒の重量よりも増大するという課題も存在する。さらに、ハフニウム棒とＢ4Ｃ粉末を充填した中性子吸収棒を併用するため、制御棒の構造も複雑になる。
【００２６】
従って、本実施例によれば、ハフニウムを使用せず、Ｂ4Ｃのみを用いた制御棒によって制御棒寿命を長くすることができるため、制御棒の構造を変更する必要がない。
【実施例２】
【００２７】
図７（ａ）（ｂ）は、中性子吸収棒１２ａ，１２ｂに充填されたＢ4Ｃ粉末の充填率を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。制御棒各翼の翼先端側から２本の中性子吸収棒１２ｂは、中性子吸収棒の高さ方向で、Ｂ4Ｃ粉末の充填率を異ならせている。具体的には、上部１／４の領域はＢ4Ｃ粉末を充填率５０％で充填し、それ以外の領域はＢ4Ｃ粉末を現行の制御棒と同じ充填率約７０％で充填する。
【００２８】
一方、その他の中性子吸収棒１２ａは、中性子吸収棒の高さ方向におけるＢ4Ｃ粉末の充填率が一定である。即ち、中性子吸収棒１２ａは、全ての領域にわたってＢ4Ｃ粉末を充填率約７０％で充填する。なお、「充填率」とは、被覆管内部の体積に対して、Ｂ4Ｃ粉末が占める体積の比率である。
【００２９】
従って、中性子吸収棒１２ａと１２ｂで比較した場合、Ｂ4Ｃ以外の空間が占める平均体積は、１２ｂが大きい。
【００３０】
なお、Ｂ4Ｃ粉末の充填率は、充填するＢ4Ｃ粉末の粒径と種類を調整することにより、変えることが可能である。本実施例は、中性子吸収棒の高さ方向で、Ｂ4Ｃ粉末の充填率を異ならせていることにより、中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める平均体積を調整している。
【００３１】
前述したように、制御棒の翼先端側から２本の中性子吸収棒１２ｂは、中性子照射量が多く、スエリングによって被覆管が破損しないように考慮しなければならない。また、中性子吸収棒に照射される中性子量は、中性子吸収棒の下部に比べ上部の方が多い。そこで、中性子吸収棒１２ｂは、中性子吸収棒の上部１／４領域におけるＢ4Ｃ粉末の充填率を、残る３／４領域におけるＢ4Ｃ粉末の充填率より小さくする。充填率を変えることにより、中性子吸収棒の上部１／４領域におけるＢ4Ｃ以外の空間の体積が大きくなり、スエリングによって被覆管破損が発生する可能性のあるＢ１０消耗率が大きくなる。そのため、制御棒価値が１０％減少する前に、スエリングによって被覆管破損が発生する可能性を低減できる。即ち、制御棒の寿命評価の際に、スエリングによる被覆管破損を考える必要が無くなり、制御棒寿命が約２５％長くなる。
【００３２】
なお、上部１／４の領域は、Ｂ4Ｃ粉末の充填率を小さくしたことにより、中性子吸収棒に充填されたＢ4Ｃの量が若干少なくなる。但し、Ｂ4Ｃ中の核種Ｂ１０は強吸収核種であるため、中性子はほとんど中性子吸収棒の表面で吸収されてしまい、内側のＢ１０はほとんど中性子吸収に寄与しない。そのため、Ｂ4Ｃ量の低下による制御棒価値の低下は０.５％以下であり、ほとんど影響がない。また、Ｂ4Ｃ粉末の充填率を中性子吸収棒の高さ方向で変えるだけであるので、制御棒の構造を変更する必要もない。
【実施例３】
【００３３】
図４は、本実施例における制御棒の水平断面を示したものである。なお、本実施例の全体構成は、図２の制御棒と同じである。本実施例の中性子吸収棒は、中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める平均体積によって３種類の中性子吸収棒１２ａ，１２ｂ，１２ｃに分かれる。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、中性子吸収棒１２ａ，１２ｂ，１２ｃに充填されたＢ4Ｃ粉末の充填率を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。
【００３４】
制御棒各翼の最も先端側の中性子吸収棒１２ｂは、上部１／４の領域にＢ4Ｃ粉末を充填率５０％で充填し、それ以外の領域にＢ4Ｃ粉末を現行と同じ充填率約７０％で充填されている。
【００３５】
また、最も翼先端側の中性子吸収棒１２ｂよりは中性子照射量が少ない、翼先端側から２本目の中性子吸収棒１２ｃは、上部１／４の領域にＢ4Ｃ粉末を充填率６０％で充填し、それ以外の領域にＢ4Ｃ粉末を現行と同じ充填率約７０％で充填されている。
【００３６】
その他の中性子吸収棒１２ａは、全ての領域にＢ4Ｃ粉末を充填率約７０％で充填されており、現行と同じである。
【００３７】
従って、中性子吸収棒１２ａ，１２ｂ，１２ｃで比較した場合、Ｂ4Ｃ以外の空間が占める平均体積は、１２ｂ，１２ｃ，１２ａの順に小さくなる。
【００３８】
本実施例では、中性子照射量が最も多い翼先端側の中性子吸収棒１２ｂが、その上部１／４領域のＢ4Ｃ粉末の充填率を最小としている。これにより、スエリングによる被覆管破損の可能性を低減することができ、制御棒寿命を約２５％長くすることが可能となる。
【００３９】
また、翼先端側に設けられた２本の中性子吸収棒に照射される中性子量に応じてＢ4Ｃ粉末の充填率を変えることにより、実施例２に比べ、Ｂ4Ｃの減少量をより小さくすることができ、制御棒価値への影響をより小さくできる。さらに、Ｂ4Ｃ粉末の充填率を変えるだけであるので、制御棒の構造を変更する必要もない。
【実施例４】
【００４０】
図５は、本実施例における制御棒の水平断面を示したものである。なお、本実施例の全体構成は、図２の制御棒と同じである。本実施例の中性子吸収棒は、中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める平均体積によって４種類の中性子吸収棒１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに分かれる。図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、中性子吸収棒１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに充填されたＢ4Ｃ粉末の充填率を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。
【００４１】
制御棒各翼の最も先端側の中性子吸収棒１２ｂは、上部１／４の領域にＢ4Ｃ粉末を充填率５０％で充填し、それ以外の領域にＢ4Ｃ粉末を現行と同じ充填率約７０％で充填されている。
【００４２】
また、最も先端側の中性子吸収棒１２ｂよりは中性子照射量が少ない、翼先端側から２本目の中性子吸収棒１２ｃは、上部１／４の領域にＢ4Ｃ粉末を充填率６０％で充填し、それ以外の領域にＢ4Ｃ粉末を現行と同じ充填率約７０％で充填されている。
【００４３】
さらに、中性子照射量が相対的に少ない翼根元側の６本の中性子吸収棒１２ｄは、上部１／４の領域にＢ4Ｃ粉末を充填率７５％で充填し、それ以外の領域にＢ4Ｃ粉末を現行と同じ充填率約７０％で充填されている。
【００４４】
その他の中性子吸収棒１２ａは、全ての領域にＢ4Ｃ粉末を充填率約７０％で充填されている。
【００４５】
従って、中性子吸収棒１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄで比較した場合、Ｂ4Ｃ以外の空間が占める平均体積は、１２ｂ，１２ｃ，１２ａ，１２ｄの順に小さくなる。
【００４６】
中性子照射量が多い翼先端側の中性子吸収棒において、上部１／４領域のＢ4Ｃ粉末の充填率を小さくすることにより、スエリングによる被覆管破損の可能性を低減することができ、制御棒寿命を約２５％長くすることが可能となる。更に、中性子照射量が相対的に少ない、翼根元側に配置された中性子吸収棒の上部１／４領域において、Ｂ4Ｃ粉末の充填率を大きくすることにより、Ｂ4Ｃの量が現行より減少しないようにする。それにより、制御棒価値への影響をより小さくすることができる。また、Ｂ4Ｃ粉末の充填率を変えるだけであるので、制御棒の構造を変更する必要もない。
【実施例５】
【００４７】
図６は、本実施例における制御棒の水平断面を示したものである。なお、本実施例の全体構成は、図２の制御棒と同じである。本実施例の中性子吸収棒は、中性子吸収棒内におけるＢ4Ｃ以外の空間が占める平均体積によって２種類の中性子吸収棒１２ａ，１２ｅに分かれる。図７（ｅ）は、中性子吸収棒１２ｅに充填されたＢ4Ｃペレット，Ｂ4Ｃ粉末を、中性子吸収棒の高さ方向に示す。図７（ｆ）は円柱状のＢ4Ｃペレットを示す。図７（ｆ）において、中性子吸収棒の上端部は省略する。
【００４８】
制御棒各翼の翼先端側から２本の中性子吸収棒１２ｅは、上部１／４領域にＢ4Ｃペレットを装荷し、それ以外の領域にＢ4Ｃ粉末を現行の制御棒と同じ充填率約７０％で充填されている。なお、Ｂ4Ｃペレットの径は、Ｂ4Ｃペレットの水平断面の面積が、被覆管内部の水平断面積の５０％になるように設定する。それにより、Ｂ4Ｃ粉末を現行の充填率約７０％で充填した場合に比べ、中性子吸収棒内のＢ4Ｃ以外の領域が占める体積が大きくなる。
【００４９】
その他の中性子吸収棒１２ａは、全ての領域にＢ4Ｃ粉末を充填率約７０％で充填されている。
【００５０】
従って、中性子吸収棒１２ａ，１２ｅで比較した場合、Ｂ4Ｃ以外の空間が占める平均体積は、１２ｅ，１２ａの順に小さくなる。
【００５１】
本実施例では、前述したように、中性子照射量が多く、スエリングによる被覆管破損を考慮する必要がある制御棒翼の翼先端側から２本の中性子吸収棒１２ｅの上部１／４領域において、中性子吸収棒内のＢ4Ｃ以外の領域が占める体積を他の領域よりも大きくする。そのため、スエリングによる被覆管破損の可能性を低減し、制御棒寿命を約２５％長くすることが可能となる。
【００５２】
また、Ｂ4Ｃ粉末より密度の大きいＢ4Ｃペレットを用いることで、Ｂ4Ｃの量が現行より減少しないようにできる。従って、制御棒価値への影響はほとんどない。さらに、Ｂ4Ｃ粉末の替わりにＢ4Ｃペレットを用いるだけであるので、制御棒の構造を変更する必要もない。
【符号の説明】
【００５３】
５  翼部
１１  制御棒
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ、１２ｅ  中性子吸収棒
１３  シース
１４  支持材
１５  ハンドル
２１  被覆管
２２  Ｂ4Ｃ粉末
２３  仕切り球
【図１】
0005449915.tif 000002
【図２】
0005449915.tif 000003
【図３】
0005449915.tif 000004
【図４】
0005449915.tif 000005
【図５】
0005449915.tif 000006
【図６】
0005449915.tif 000007
【図７（ａ）】
0005449915.tif 000008
【図７（ｂ）】
0005449915.tif 000009
【図７（ｃ）】
0005449915.tif 000010
【図７（ｄ）】
0005449915.tif 000011
【図７（ｅ）】
0005449915.tif 000012
【図７（ｆ）】
0005449915.tif 000013