(57)【要約】【課題】本発明は、制御棒価値をあまり低下させることなく、または制御棒の構造を変更することなく、制御棒寿命を長くすることが可能な沸騰水型原子炉用制御棒を提供することにある。【解決手段】本発明は、Ｂ４Ｃを充填した複数の中性子吸収棒を十字型の各翼を持つように配置して構成される沸騰水型原子炉用制御棒において、中性子照射量が多い前記各翼の先端側の先端領域にあるＮ(≧１、整数)本の第１の中性子吸収棒の被覆管の第１の平均の厚さが、前記各翼の前記先端領域以外の第２の中性子吸収棒における被覆管の第２の平均の厚さより厚いことを特徴とする。また、前記制御棒の高さ方向に複数の領域に分け、前記第１の平均の厚さと前記第２の平均の厚さの関係は、前記領域のうち少なくとも再上側領域における関係であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子吸収材としてＢ４Ｃを充填した複数の中性子吸収棒を十字型の各翼を持つように配置して構成される沸騰水型原子炉用制御棒において、
中性子照射量が多い前記各翼の先端側の先端領域にあるＮ(≧１、整数)本の第１の中性子吸収棒の被覆管の第１の平均の厚さが、前記各翼の前記先端領域以外の第２の中性子吸収棒における被覆管の第２の平均の厚さより厚いことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項２】
上記請求項１記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、前記沸騰水型原子炉用制御棒の高さ方向に複数の領域に分け、前記第１の平均の厚さと前記第２の平均の厚さの関係は、前記領域のうち少なくとも再上側領域における関係であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項３】
上記請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、前記第１の中性子吸収棒は前記各翼の前記先端側から配置され、前記Ｎは２であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項４】
上記請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、前記第１の中性子吸収棒は前記各翼の前記先端側から配置され、前記Ｎは１であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項５】
上記請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、前記第１の中性子吸収棒の被覆管の外径と前記第２の中性子吸収棒の被覆管の外径とが同じあることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項６】
上記請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、前記第１の中性子吸収棒のうち前記各翼の前記先端側に行く程、中性子吸収棒の被覆管の厚さが同等かそれ以上厚くなることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項７】
上記請求項１記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、前記第１の中性子吸収棒の被覆管の内径と前記第２の中性子吸収棒の内径が同じあることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項８】
上記請求項２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、前記複数の領域は４であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項９】
上記請求項２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、前記関係は再上側領域のみの関係である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、沸騰水型原子炉の制御棒に係わり、特に制御棒寿命を長くできる沸騰水型原子炉用制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉は制御棒によって中性子と燃料との反応を制御し運転している。
まず、沸騰水型原子炉用の制御棒の構成を簡単に説明する。図２、図３に示すように制御棒１１は、中性子吸収材であるＢ４Ｃを充填した多数の中性子吸収棒１２を十字状に配置し、これらをシース１３によって収容している。
【０００３】
次に、制御棒の寿命について説明する。制御棒の寿命には、核的寿命と機械的寿命とがあり、いずれか早い方が制御棒寿命となる。一般に、Ｂ４Ｃを用いた現行の制御棒では、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が含まれており、それ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、中性子が照射された状態では、時間経過とともに制御棒の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。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で制御棒の相対価値が１０％減少した時点として決まる。
【０００４】
制御棒は、炉心の下部から挿入されるため、一般に、その上部ほど中性子照射量が多い。従って、核的寿命は、一般に制御棒の上部で決まる。また、制御棒翼の先端側の中性子吸収棒ほど水に面する面積が大きいため、一般に、制御棒翼の先端側の中性子吸収棒ほど中性子照射量が多い。
【０００５】
ところで、中性子照射量が多い制御棒翼の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、スエリングにより被覆管の健全性が損なわれる可能性がある。そこで、制御棒の寿命評価においては、スエリングにより被覆管の健全性が損なわれる可能性のあるＢ１０消耗率を保守的に定め、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健全性の損失を考えない場合に比べ、制御棒価値が１０％減少する時間が早くなり、制御棒寿命はかなり短くなる。
【０００６】
制御棒寿命を長くできる制御棒として、例えば、特許文献１、または特許文献２に記載されている制御棒がある。
特許文献１に記載された制御棒では、中性子照射量の多い制御棒翼先端側の上部に、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ている。
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が、熱中性子吸収断面積の大きい、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。つまり、Ｈｆ１７９を除く中性子を吸収し易い核種が中性子を吸収すると、別の中性子を吸収し易い核種が生成される。このため、吸収材としてハフニウムを用いると、制御棒寿命（核的寿命）が長くなる。
【０００７】
特許文献２に記載された制御棒では、中性子吸収核種としてハフニウム金属を用い、ハフニウム金属と被覆材としてのステンレス金属との水化学的あるいは電気化学的な共存性、及び機械的な強度の劣化を防止するために、制御棒翼の先端領域、中央部、根元部に、それらの間に設けられた円筒の被覆管よりも肉厚で角部を有する被覆管を有する制御棒が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５３−７４６９７号公報
【特許文献２】特開昭２００８−２６１６７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献１、２に開示された従来技術は、Ｂ４Ｃのみを用いた現行の制御棒よりも制御棒価値が小さくなるという課題がある。Ｂ４Ｃ中のＢ１０の熱中性子吸収断面積が３８３７ｂａｒｎであるのに対し、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Ｈｆ１７７は３７３．５ｂａｒｎである。このため、ハフニウムを用いた制御棒の価値は、Ｂ４Ｃを用いた制御棒の価値より小さくなる。
【００１０】
また、上記従来技術は、ハフニウム金属を吸収材として用いるため、Ｂ４Ｃのみを用いた現行の制御棒よりも重量が大幅に増大するという課題も存在する。特に特許文献２は、一部の肉厚で角部を有する中性子吸収棒を有するために制御棒の重量はさらに増大する。
【００１１】
さらに、上記従来技術では、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。特に、特許文献２では、一肉厚で角部を有する中性子吸収棒と薄肉で円筒の中性子吸収棒とが混在するために、さらに制御棒の構造は複雑になる。
【００１２】
本発明の目的は、制御棒価値をあまり低下させることなく、または重量を大幅に増大させることなく、あるいは制御棒の構造を変更することなく、制御棒寿命を長くすることが可能な沸騰水型原子炉用制御棒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するために、中性子吸収材としてＢ４Ｃを充填した複数の中性子吸収棒を十字型の各翼を持つように配置して構成される沸騰水型原子炉用制御棒において、中性子照射量の多い前記各翼の先端側の先端領域にあるＮ(≧１、整数)本の第１の中性子吸収棒の被覆管の第１の平均の厚さが、前記各翼の前記先端領域以外の第２の中性子吸収棒における被覆管の第２の平均の厚さより厚いことを第１の特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、上記目的を達成するために、第１の特徴に加え、前記沸騰水型原子炉用制御棒の高さ方向に複数の領域に分け、前記第１の平均の厚さと前記第２の平均の厚さの関係は、前記領域のうち少なくとも再上側領域における関係であることを第２の特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明は、上記目的を達成するために、第１または第２の特徴に加え、前記第１の中性子吸収棒は前記各翼の前記先端側から配置され、前記Ｎは１または２であることを第３の特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、上記目的を達成するために、第１または第２の特徴に加え、前記第１の中性子吸収棒の被覆管の外径と前記第２の中性子吸収棒の被覆管の外径とが同じあることを第４の特徴とする。
さらに、本発明は、上記目的を達成するために、第１または第２の特徴に加え、前記第１の中性子吸収棒のうち前記各翼の前記先端側に行く程、中性子吸収棒の被覆管の厚さが同等かそれ以上厚くなることを第５の特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、上記目的を達成するために、第１または第２の特徴に加え、前記第１の中性子吸収棒の被覆管の内径と前記第２の中性子吸収棒の内径が同じあることを第６の特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明は、上記目的を達成するために、第２の特徴に加え、前記複数の領域は４である、または前記関係は再上側領域のみの関係であることを第７の特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、制御棒価値をあまり低下させることなく、または重量を大幅に増大させることなく、あるいは制御棒の構造を変更することなく、制御棒寿命を長くすることが可能な沸騰水型原子炉用制御棒を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の沸騰水型原子炉用制御棒の第１の実施形態の図２におけるＡ−Ａ水平断面を示す図である。
【図２】本発明の実施形態である沸騰水型原子炉用の制御棒の構成を示し、制御棒の一部破断斜視図である。
【図３】中性子吸収棒の一例における側断面図を示す。
【図４】本発明の沸騰水型原子炉用制御棒の第２の実施形態の図２におけるＡ−Ａ水平断面を示す図である。
【図５】本発明の沸騰水型原子炉用制御棒の第３の実施形態の図２におけるＡ−Ａ水平断面を示す図である。
【図６】現行の沸騰水型原子炉用制御棒の図２におけるＡ−Ａ水平断面図に相当する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の沸騰水型原子炉用制御棒の実施形態を図面を用いて説明する。一般に、制御棒の制御棒翼の先端側の中性子吸収棒ほど中性子照射量が多い。本発明では、中性子照射量が多く、スエリングにより被覆管の健全性が損なわれる可能性のある制御棒翼の領域を先端領域と定義する。
（実施形態１）
【００２２】
図１乃至図３を用いて本発明の沸騰水型原子炉用制御棒の第１の実施形態を説明する。図２は本発明の実施形態である沸騰水型原子炉用の制御棒の構成を示し、制御棒の一部破断斜視図である。図１は本発明の沸騰水型原子炉用制御棒の第１の実施形態の図２におけるＡ−Ａ水平断面を示す図である。図１において、制御棒１１は、中性子吸収材であるＢ４Ｃを充填した多数の中性子吸収棒１２、１を十字状に一列に配置して、これらをシース１３によって収容している。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。制御棒１１の上部先端には、制御棒１１を炉外に取出すためのハンドル１５が取付けられている。図３に、中性子吸収棒の一例として中性子吸収棒１２の側断面図を示す。中性子吸収棒１２、１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の中は上下方向にステンレス鋼製の仕切り球２３によって多数の領域に分割されており、各分割領域間のＢ４Ｃ粉末の移動を防止するようになっている。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することが可能である。
【００２３】
以下、図１を用いて本発明の特徴点を重点に説明する。本実施形態では制御棒翼の先端領域は高々制御棒翼の先端側から２本である。この２本の中性子吸収棒を、外径が図６に示す現行の中性子吸収棒１２と同じで被覆管厚を現行の中性子吸収棒の１．５倍とした中性子吸収棒１としている。その他の中性子吸収棒については、外径、被覆管厚とも現行と同じ中性子吸収棒１２としている。なお、現行の中性子吸収棒１２は全ての領域でＢ４Ｃ粉末約７０％の充填率を有している。
【００２４】
本実施形態では、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健全性損失の可能性がある制御棒翼の先端側から２本の中性子吸収棒において、他の中性子吸収棒よりも被覆管の厚さを厚くすることで、中性子吸収棒の被覆管の強度が高まる。その結果、スエリングにより被覆管の健全性が損なわれる可能性のあるＢ１０消耗率を高くでき、スエリングによる被覆管健全性損失の可能性を無くし、制御棒寿命を約２５％長くすることが可能となる。
【００２５】
また、本実施形態によれば、被覆管の外径を変えずに内径を小さくしているので、御棒全体の構造を変更する必要もなく、制御棒全体の重量も大きく変わらない。
なお、各翼２本の中性子吸収棒の外径を変えず被覆管厚を厚くしたことによりＢ４Ｃの量は若干少なくなるが、それ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。何故ならば、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。従って、被覆管厚を厚くし、Ｂ４Ｃの量を若干少なくしても、制御棒価値への影響はほとんどない。
（実施形態２）
【００２６】
図４は、本発明の沸騰水型原子炉用制御棒の第２の実施形態を示し、図２におけるＡ−Ａ水平断面を示す図である。なお、本実施形態の全体構成は、中性子吸収棒２以外は図２に示した第１の実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒と同じである。本実施形態では、第１の実施形態同様に制御棒翼の先端領域は高々制御棒翼の先端側から２本である。
【００２７】
本実施形態では、制御棒各翼の最も先端側の中性子吸収棒を、外径が現行と同じで被覆管厚を現行の１．５倍とした中性子吸収棒１としている。また、最も先端側の中性子吸収棒よりは中性子照射量が少ない先端側から２本目の中性子吸収棒を、外径が現行と同じで被覆管厚を現行の１．２５倍とした中性子吸収棒２としている。その他の中性子吸収棒については、外径、被覆管厚とも現行と同じ中性子吸収棒１２としている。
【００２８】
本実施形態では、中性子照射量が多い中性子吸収棒ほど、被覆管厚が厚くなるようにする。これにより、スエリングによる被覆管健全性損失の可能性を無くすことができ、制御棒寿命を約２５％長くすることが可能となる。
【００２９】
また、本実施形態によれば、中性子照射量に応じて被覆管の厚さを変えることにより、第１の実施形態の先端側２本の被覆管厚を同じにした場合に比べ、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することができる。
さらに、本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、中性子吸収棒被覆管の厚さ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く、制御棒全体の重量も大きく変わらない。
（実施形態３）
【００３０】
図５は、本発明の沸騰水型原子炉用制御棒の第３の実施形態を示し、図２におけるＡ−Ａ水平断面を示す図である。なお、本実施形態の全体構成は、中性子吸収棒３，４以外は図２に示した第１の実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒と同じである。
【００３１】
既に述べたように核的寿命は、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で制御棒の相対価値が１０％減少した時点として決まる。一般的には、制御棒は、炉心の下部から挿入されるため、一般に、その上部ほど中性子照射量が多い。従って、核的寿命は、一般的に制御棒の上部で決まる。
【００３２】
そこで、本実施形態では、制御棒各翼の最も先端側の中性子吸収棒を、外径が現行と同じで、上部１／４の領域の被覆管厚を現行の１．５倍とし、それ以外の領域の被覆管厚を現行と同じとした中性子吸収棒３としている。また、最も先端側の中性子吸収棒よりは中性子照射量が少ない先端側から２本目の中性子吸収棒を、外径が現行と同じで、上部１／４の領域の被覆管厚を現行の１．２５倍とし、それ以外の領域の被覆管厚を現行と同じとした中性子吸収棒４としている。その他の中性子吸収棒については、外径、被覆管厚とも現行と同じ中性子吸収棒１２としている。
【００３３】
本実施形態では、中性子照射量が多い先端側の中性子吸収棒の上部１／４の領域の被覆管厚を厚くすることにより、スエリングによる被覆管健全性損失の可能性を無くすことができ、制御棒寿命を約２５％長くすることが可能となる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、被覆管厚を厚くする領域を上部１／４の領域だけにすることにより、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することができる。
さらに、本実施形態によれば、中性子吸収棒被覆管の厚さ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く、制御棒全体の重量も大きく変わらない。
（実施形態４）
【００３５】
第１乃至第３の実施形態では、先端領域における被覆管の厚さの異なる中性子吸収棒を２本設けているが、制御棒各翼の最も先端側の中性子吸収棒１本だけで所望の効果を奏することができれば１本だけでもよい。
（実施形態５）
【００３６】
第１乃至第４の実施形態では、制御棒翼の先端領域にける中性子吸収棒被覆管の外径を現行と同一とし被覆管厚を厚くした。本第５の実施形態では、制御棒翼の先端領域にける中性子吸収棒被覆管の内径を現行と同一とし被覆管厚を厚くする。
【００３７】
本実施形態では、第１乃至第４の実施形態に比べ、制御棒の構造が若干複雑になるが、その他の効果については第１乃至第４の実施形と同様な効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  ：外径が現行と同じで、被覆管厚を現行の１．５倍とした中性子吸収棒
２  ：外径が現行と同じで、被覆管厚を現行の１．２５倍とした中性子吸収棒
３  ：外径が現行と同じで、上部１／４の領域の被覆管厚を現行の１．５倍とし、それ以外の領域の被覆管厚を現行と同じとした中性子吸収棒
４  ：外径が現行と同じで、上部１／４の領域の被覆管厚を現行の１．２５倍とし、それ以外の領域の被覆管厚を現行と同じとした中性子吸収棒
１１：制御棒
１２：全ての領域にＢ４Ｃ粉末を充填率約７０％で充填した現行の中性子吸収棒
１３：シース
１４：支持材
１５：ハンドル
２１：中性子吸収棒の被覆管
２２：Ｂ４Ｃ粉末
２３：中性子吸収棒内の仕切り球。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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