(57)【要約】【課題】ハフニウムを主要な中性子吸収材としても、酸化反応や照射成長による核的及び機械的な劣化を格段に低減できるようにする。【解決手段】本発明では、沸騰水型原子炉の出力制御に用いられ、中性子吸収体を収容するシースと、このシースを横断面十字状に保持するタイロッドとを備えた原子炉用制御棒において、中性子吸収体は、ハフニウム酸化物を主要な中性子吸収材とするようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰水型原子炉の出力制御に用いられ、中性子吸収体を収容するシースと、このシースを横断面十字状に保持するタイロッドとを備えた原子炉用制御棒において、
前記中性子吸収体は、ハフニウム酸化物を主要な中性子吸収材とすることを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項２】
前記シース及びタイロッドは、ジルコニウム合金により構成されることを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
【請求項３】
前記ハフニウム酸化物は、ジルコニウム合金により構成されてシースに収められる気密性の被覆管に収容され、この被覆管にヘリウムガスが封入されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の原子炉用制御棒。
【請求項４】
前記ハフニウム酸化物は、粉体ないし粒体として用いられることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項５】
前記被覆管は、ハフニウム酸化物の収容空間を複数に分割する隔壁を有することを特徴とする請求項４に記載の原子炉用制御棒。
【請求項６】
前記被覆管は、その一部又は全部において沸騰水型原子炉の燃料核種を収容する燃料被覆管と同一に構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の原子炉用制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉の出力制御に用いられる原子炉用制御棒に係り、特に、ハフニウムを主要な中性子吸収材とする原子炉用制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、以下に列挙する原子炉用制御棒が提案されている。
【０００３】
（１）ハフニウム（Ｈｆ）を主成分とする棒状の中性子吸収体がジルコニウム（Ｚｒ）合金の被覆管に収容され、中性子吸収体を除く他の構造体の一部又は全部がジルコニウム合金により構成された原子炉用制御棒（特許文献１参照）。
【０００４】
（２）ハフニウムを主成分とする板状の中性子吸収体と、この中性子吸収体に圧着等にて張り合わされて中性子吸収体を覆うジルコニウム板とを備えた原子炉用制御棒（特許文献２参照）。
【０００５】
このように、原子炉用制御棒の中性子吸収体がハフニウムにより構成されると、ボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）により構成されるものと比較し、中性子の吸収反応断面積の大きい同位体数が多くなることで核的寿命の延命が図られる。
【０００６】
また、原子炉用制御棒の構造体がジルコニウム合金により構成されると、ステンレスにより構成されるもの（特許文献３〜６参照）と比較し、中性子照射による構造健全性の維持（耐照射性）が優れるものとなる。なお、ステンレスで構成される構造体は、中性子照射によりＩＡＳＣＣ（Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking）の発生閾値を超える可能性がある。
【０００７】
従って、従来の原子炉用制御棒は、その良好な核的及び機械的な健全性により、高燃焼度化及び運転サイクル長期化に耐えうるものとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５８−５５８８８号公報
【特許文献２】特開２００８−２０３１９６号公報
【特許文献３】特開昭５８−７１４８５号公報
【特許文献４】特開２００３−１８５７７７号公報
【特許文献５】特開２００５−２９０４８８号公報
【特許文献６】特開平１０−２８８６８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ハフニウムは、酸化に対して一定の活性を有し、いずれも大気中で酸化して表面に酸化膜を形成する。形成された酸化膜は、原子炉制御棒の中性子吸収特性や構造健全性を低下させたり、原子炉の炉水に移行して放射化し、プラント放射能を高める要因となる。
【００１０】
また、ハフニウムは、六方晶系の六方最密充填構造を有し、結晶学的に言えば滑り変形のみならず双晶変形も生じやすい。すなわち、ハフニウムの結晶構造は、中性子照射環境で使用される棒状や板状に成形加工された中性子吸収体の構造変形を引き起こしやすく、その機械的強度を低下させる要因となる。
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、ハフニウム元素を主要な中性子吸収材としても、酸化反応や照射成長による核的及び機械的な劣化を格段に低減できる原子炉用制御棒を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述した目的を達成するため、本発明に係る原子炉用制御棒では、沸騰水型原子炉の出力制御に用いられ、中性子吸収体を収容するシースと、このシースを横断面十字状に保持するタイロッドとを備えた原子炉用制御棒において、中性子吸収体は、ハフニウム酸化物を主要な中性子吸収材とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ハフニウム元素を主要な中性子吸収材としても、酸化反応や照射成長による核的及び機械的な劣化を格段に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る原子炉用制御棒の実施形態を示す斜視図。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面拡大図。
【図３】図２のＩＶ−ＩＶ線断面拡大図。
【図４】図１のＩＩ−ＩＩ線断面で示すタイロッドの構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は本発明に係る原子炉用制御棒の実施形態を示す斜視図である。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面拡大図である。  
本実施形態の原子炉用制御棒は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の炉心部に装荷され、ハフニウム酸化物を主要な中性子吸収材とする長寿命型の原子炉用制御棒１である。
【００１６】
原子炉用制御棒１は、図１及び図２に示すように、制御棒有効部となる４枚のブレード２、各ブレード２を横断面十字状に保持するタイロッド３、上部支持構造体（ハンドル）４及び下部支持構造体５を主要構成とする。原子炉用制御棒１は、下部支持構造体５の下端に連結される制御棒駆動機構（図示省略）による駆動制御を受け、４体一組の燃料集合体で形成される横断面十字状の隙間（図示省略）を通って炉心部で挿抜される。
【００１７】
[ブレード]
ブレード２は、図２に示すように、シース６、中性子吸収体７及び被覆管８を用いて構成され、ブレード挿抜路となる燃料集合体間の隙間に合わせて、６．５ｍｍ〜８．５ｍｍの厚みに設定される。
【００１８】
シース６は、ジルカロイ（ジルコニウム合金）により構成され、横断面Ｕ字状に形状設定された板材により構成される。以下、「ジルカロイ」は、ＢＷＲの燃料被覆管材料として用いられるジルカロイ２、ＢＷＲのチャンネルボックス材料として用いられるジルカロイ４、及び、これらのジルカロイに添加する元素やその添加量を若干変更した合金、例えばザーロ（ZIRLO：1Nb-1Sn-O.1Fe-Zr）などの各種のジルカロイをいう。
【００１９】
中性子吸収体７は、中性子吸収材としてハフニウム酸化物（ハフニア：ＨｆＯ）を主要成分として構成され、ＢＷＲの反応度制御を担う。ハフニアは、粉体ないし粒体に加工されて被覆管８に充填収容される。
【００２０】
被覆管８は、ジルカロイにより構成され且つ気密性を有する円筒中空管であり、ハフニアを収容する。また、被覆管８には、ヘリウムガスなどの不活性ガスが封入されるとともに、被覆管８の適所（例えば、上部）にハフニアが収容されず且つヘリウムガスが充満するガスプレナム（図示省略）が形成れる。
【００２１】
図３は図２のＩＶ−ＩＶ線断面拡大図（略図）である。  
被覆管８は、図３に示すように、その管軸が制御棒軸方向Ｄと平行になるように複数陳列されてシース６に収容される。縦列配置される各被覆管８は、ハフニアの収容空間を複数に分割する隔壁９を有し、ハフニアは隔壁９で仕切られた分割収容空間８ａに充填される。
【００２２】
ここに、各々の隔壁９には細孔（図示省略）が設けられ、最上段の分割収容空間８ａに投入されたハフニアの粉末は、より下段の分割収容空間８ａに落下し移行していく。こうして、ハフニアは、被覆管８の全長にわたって充填される。或いは、１つの分割収容空間８ａにハフニアの粉末が投入されるごとに隔壁９が取り付けられ、この工程が分割収容空間８ａの数だけ繰り返されることにより、ハフニアは被覆管８の全長にわたって充填される。なお、被覆管８は、ハフニア及びヘリウムガスを収容した後、収容物が漏れないように収容物投入口（上端又は下端）が端栓で溶接される。
【００２３】
[タイロッド]
図４は図１のＩＩ−ＩＩ線断面で示すタイロッド３の構成図である。
【００２４】
タイロッド３は、横断面Ｌ字状のタイロッド片１０を用いて構成され、４片のタイロッド片１０がコーナー合わせで配置されて全体として断面十字状に構成される。各タイロッド片１０は、ジルカロイで構成された平板状の２枚のジルカロイ板１１が交差状に溶接されることにより、横断面Ｌ字状に設定される。
【００２５】
タイロッド３は、制御棒軸方向Ｄに沿って無分割の一本軸体とされ、タイロッド３のアーム１２は、シース６の保持部となる。なお、アーム１２とシース６は、互いにピン止め又は溶接される。
【００２６】
次に、効果を説明する。
【００２７】
原子炉用制御棒１にあっては、
（１）中性子吸収体７は、ハフニアを主要な中性子吸収材としている。このハフニアは、ハフニウムの酸化物であるため、炉心装荷後の酸化が進行しにくいものとなる。従って、中性子吸収体の核的及び機械的な健全性に影響する中性子吸収体表面における酸化膜が形成され難いものとなる。加えて、ハフニアは、結晶構造が立方晶であることから、ハフニウム（六方晶）とは異なって双晶変形が生じにくく、ハフニウムに比べて照射成長に基づく中性子吸収体の構造変形が緩和されるものとなる。
【００２８】
要するに、原子炉用制御棒１は、ハフニウム元素を主要な中性子吸収材としつつ、従来構成に比べて酸化反応や照射成長による核的及び機械的な劣化が格段に低減し、高燃焼度化及び運転サイクル長期化の要求に大いに応えることができる。
【００２９】
（２）シース６及びタイロッド３は、ジルコニウム合金により構成されるため、耐照射性に優れる
ところで、ハフニアは炉心で発生する中性子やガンマ線の照射を受けて発熱するが、ハフニアの熱伝導率（１Ｗ／ｍＫ）は、ハフニウムの熱伝導率（２３Ｗ／ｍＫ）に比べて著しく低い。そのため、ハフニウムを中性子吸収材とした従来構成に比べて被覆管８内部の徐熱機能に劣る。しかしながら、
（３）ハフニアが収容される被覆管８に、ヘリウムガスが封入される。このため、ヘリウムガスが熱媒体として機能し、被覆管８の管壁を介した良好な熱交換が可能となる。すなわち、ヘリウムガスにより、ハフニアの採用による徐熱機能の低下が補完され、（１）の効果を得つつ熱的な構造劣化も抑えられる。
【００３０】
（４）ハフニアは、粉体ないし粒体として用いられる。このため、被覆管８内部でハフニアとヘリウムガスが均質に混合し、（３）の効果が高められる。
【００３１】
（５）被覆管８は、ハフニアの収容空間を複数に分割する隔壁９を有する。従って、被覆管８を縦列配置した場合でも、ハフニアの自重に基づくハフニウムの充填密度ムラが抑えられ、もって原子炉用制御棒１の意図しない反応度価値の不均質化が抑えられる。
【００３２】
（６）被覆管８は、ハフニウム酸化物が充填されず且つヘリウムガスが充満するガスプレナムを有する。このため、ハフニアの中性子照射によって生成する可能性のある酸素その他のガスが捕集され、被覆管８の内圧上昇ないし破裂が防止される。また、ガスプレナムにてヘリウムガスが充満することから、このガスプレナムは、被覆管８の内圧上昇の防止効果と併せて徐熱効果も奏する。
【００３３】
以上、本発明に係る原子炉用制御棒を１つの実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、本実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の要旨を逸脱しない限り設計の変更や追加等は許容される。
【００３４】
例えば、中性子吸収体は、ハフニアを主要な中性子吸収材としたが、この中性子吸収材は、ハフニアと共にハフニウムやボロンカーバイドその他の中性吸収材を混合して構成することができる。なお、被覆管に収容される中性子吸収材の分量は、核設計に応じて適宜設定される。
【００３５】
また、シースやタイロッドは、ジルカロイにより構成したが、シースやタイロッドの内部をステンレスとし表面をジルカロイとして、耐照射性を図る構成としてもよい。
【００３６】
また、被覆管内部のハフニア収容空間を分割したが、これは原子炉用制御棒の意図しない反応度価値の不均質を抑えることを目的とする。従って、被覆管内部の分割に代え、例えば、ハフニアの粉体ないし粒体を被覆管の内壁に溶着し或いは塗布し、又は、被覆管の管軸が制御棒軸方向と直交するように被覆管をスダレ状に配置することにより、ハフニアの自重に基づく充填密度ムラを抑えるようにしても同様の効果を得ることができる。
【００３７】
また、制御棒軸方向に無分割のタイロッドを用いてシースを保持する構成としたが、「タイロッド」は、制御棒軸方向に沿って間隔を置いて設けられるタイクロスも含む。更に、シース内側に原子炉冷却材が流入する中性子減速領域（トラップ）を形成してもよい。
【００３８】
また、被覆管は、その一部又は全部において沸騰水型原子炉の燃料核種を収容する燃料被覆管と同一の構成としてもよい。すなわち、中性子吸収材を収容する被覆管として、商用原子炉で十分実績のある燃料被覆管を採用する。燃料被覆管はジルカロイで構成されるとともに、照射損傷に関わる豊富なデータが取得されているため、原子炉用制御棒の安全性及び信頼性を高めることができる。また、原子炉用制御棒を対象とした新たな被覆管を開発するためのコストも省略できる。
【符号の説明】
【００３９】
Ｄ……制御棒軸方向，  １……原子炉用制御棒，  ２……ブレード，  ３……タイロッド，  ４……上部支持構造体，  ５……下部支持構造体，  ６……シース，  ７……中性子吸収体，  ８……被覆管，  ９……隔壁，  １０……タイロッド片，  １１……ジルカロイ板，  １２……アーム．
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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