(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、沸騰水型原子炉の制御棒において、挿入性を確保するためにブレード厚さの増加を抑制し、製作コストを抑えるために複数の断面形状の中性子吸収材を使用せずに、反応度価値を向上させることである。【解決手段】  本発明は、沸騰水型原子炉の制御棒構造において、中性子吸収材の配列を２列以上とし、かつ千鳥状配置としたことを第１の特徴とする。  また、本発明は、制御棒ブレードを構成する中性子吸収材を内包する部材において、複数の中性子吸材充填孔を設けたことを第２の特徴とする。【効果】  本発明によれば、沸騰水型原子炉の制御棒において、挿入性を確保するためにブレード厚さの増加を抑制し、製作コストを抑えるために複数の断面形状の中性子吸収材を使用せずに、反応度価値を向上させることが可能である。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子を吸収する中性子吸収材と、前記中性子吸収材を内包するブレードと、前記ブレードがタイロッドによって接合された制御棒であって、
前記中性子吸収材が２列以上で配置されるとともに、千鳥状配置されていることを特徴とする制御棒。
【請求項２】
請求項１記載の制御棒であって、
前記ブレードを構成する中性子吸収材を内包する部材に複数の中性子吸材充填孔を設けたことを特徴とする制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉で使用される制御棒は原子核分裂に必要な中性子を吸収する材料を内包しており、炉内の中性子数を減少させることで炉に負の反応度を与え、原子核分裂の連鎖反応が継続している臨界状態を停止させる機能を備えている。大規模地震などの緊急時には、原子炉内のすべての制御棒が即座に炉心に挿入され、これにより炉心が未臨界状態となり、原子炉が緊急停止する。
【０００３】
このため、制御棒は、炉心を安全に停止させるために必要な反応度価値、すなわち十分な負の反応度を与えられる中性子吸収材を内包していること、および炉心へ確実に挿入できる機能を有していることが求められる。
【０００４】
原子炉の炉心は数百体の燃料集合体群で構成されており、沸騰水型原子炉の場合、制御棒は燃料集合体群の間隙に挿入される。数体の燃料集合体が1つのセルを構成し、1つのセルに対して1体の制御棒が配置される。例えば、改良型沸騰水型原子炉の場合、4体の燃料集合体が縦横2列に正方配置されて1つのセルが構成され、それらの十字形断面の間隙に制御棒が挿入される構造となっている。燃料集合体群の間隙は、幅が16mm、鉛直方向の長さが4mで、この間隙によって形成される空間が制御棒の挿入路となる。このため、制御棒は中性子吸収材を内包する4枚のブレードで構成された十字形断面の長尺構造物となっている。そして、制御棒の下端にはカップリングを介して制御棒駆動機構の駆動ピストンが接続されており、緊急時には駆動ピストンが水圧動力によって上昇することで制御棒が炉心に挿入される。
【０００５】
沸騰水型原子炉用制御棒の一例が、特開2012-202877号公報に開示されている。本背景技術では、中性子吸収材充填孔を有し、軸直角断面が長方形の複数の角管を列状に並べ、これらを、角管の両側に角管と並列に設けたフレーム板および角管の前後に設けたカバー板とで挟み込んだ構造をHIP拡散接合によって一体化してブレードを構成している。本技術により、制御棒構造について、照射誘起型応力腐食割れの防止、製造コストの低減、および長寿命化を試みている。
【０００６】
一方、特開平04-286992号公報には、太径と細径の中性子吸収棒、および板材で制御棒ブレードを構成した例が示されている。この技術では、太径中性子吸収棒を複数並列に配置し、隣り合う太径中性子吸収棒の中間位置に２本の細径中性子吸収棒を太径中性子吸収棒の配置方向に垂直な位置に配置し、さらにこれらの太径と細径の中性子吸収棒をシースと呼ばれる薄い板状の構造材で囲んで制御棒ブレードを構成している。本技術により、異なる径の中性子吸収棒を組み合わせることで制御棒ブレード内への中性子吸収材の充填率を高め、制御棒反応度を高めることを試みている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2012-202877号公報
【特許文献２】特開平04-286992号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
増殖炉や超ウラン元素の消滅炉のように、転換比（消費される核分裂性物質の量と生成される核分裂性物質の量との比）の高い原子炉では、転換比の低い商用炉に比べて核反応によって発生する中性子が増加するため、より高い反応度価値の制御棒が必要となる。また、転換比を高めるために、燃料集合体を狭い間隔で配置することにより炉心構造の稠密化が図られることがあり、この場合、制御棒の挿入路となる燃料集合体同士の間隙が狭くなることから、制御棒の挿入性に影響を与える可能性がある。これらより、転換比の高い沸騰水型原子炉を実現するためには、高い反応度価値とするための中性子吸収材の配置、および挿入性を確保するための制御棒ブレードの構造が重要となる。
【０００９】
制御棒の反応度価値を向上させるためには、制御棒ブレードに内包される中性子吸収材について、必要な断面積を確保した上で、表面積を増加させることが有効な手段となる。ただし、表面積を増加させるために中性子吸収材の径を大きくすると、制御棒ブレードの厚さが増加して挿入性に影響を与えるため、制御棒ブレードの厚さの増加を最小限にとどめて中性子吸材の表面積を増やすことが重要となる。
【００１０】
特許文献１の制御棒では、中性子吸収材充填孔を有する複数の角管を一列に並べ、これらをカバー板によって挟み込んだ構造をＨＩＰ拡散接合によって一体化することでブレードが構成されている。本構造の場合、中性子吸収材の表面積を増加させるためには、中性子吸収材の径を大きくする必要がある。しかしながら、中性子吸収材の径を大きくするには角管の一辺を増加させる必要があり、これに伴って制御棒ブレードの厚さが増加し、制御棒の挿入性に影響を及ぼす可能性がある。
【００１１】
特許文献２の制御棒では、太径と細径の中性子吸収棒をシースで囲んで制御棒ブレードを構成している。これにより、異なる径の中性子吸収棒を組み合わせることで制御棒ブレード内への中性子吸収材の充填率を高め、制御棒反応度を高めることを試みている。しかしながら、この技術では、太径と細径の２つのタイプの中性子吸収棒が必要となり、製作コスト上の課題が生じる。
【００１２】
本発明の目的は、沸騰水型原子炉の制御棒において、挿入性を確保するためにブレード厚さの増加を抑制し、製作コストを抑えるために複数の断面形状の中性子吸収材を使用せずに、反応度価値を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、中性子吸収材が２列以上で配置されるとともに、千鳥状配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、沸騰水型原子炉の制御棒において、挿入性を確保するためにブレード厚さの増加を抑制し、製作コストを抑えるために複数の断面形状の中性子吸収材を使用せずに、反応度価値を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】沸騰水型原子炉の単位セルの全体概略図である。
【図２】制御棒の全体概略図である。
【図３】単位セルの断面図である。
【図４】本発明の実施例１に係る制御棒ブレードの断面概略図である。
【図５】本発明の実施例2に係る制御棒ブレードの断面概略図である。
【図６】本発明の実施例3に係る制御棒ブレードの断面斜視図である。
【図７】本発明の実施例4に係る制御棒ブレードの断面斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明は沸騰水型原子炉で使用される制御棒の構造に関する。以下に、まず沸騰水型原子炉の制御棒構造について説明し、次に各実施例について図面を参照しながら説明する。
【００１７】
沸騰水型原子炉の炉心の基本ユニットである単位セルの例を図1に、制御棒の全体概略図を図２に、単位セルの断面図を図３に示す。図1は使用済み核燃料を燃料に使う資源再利用型沸騰水型軽水炉（以下、ＲＢＷＲ）の単位セルを示す図である。図１に示すように、ＲＢＷＲの場合、単位セルは３体の燃料集合体１０で構成され、それらの間隙に１体の制御棒２０を挿入する構造となっている。燃料集合体１０の間隙は軸方向に長いため、図２に示すように、制御棒２０は長尺構造となっている。図２において、Ｚ軸は制御棒の鉛直軸方向、Ｘ軸はＺ軸に対して直角方向断面のブレード長手方向、Ｙ軸はＺ軸に対して直角方向断面のブレード厚み方向と定義する。他の図面におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸も同様である。ＲＢＷＲの場合、炉心の冷却材領域を減らすことを目的として、制御棒２０には中性子吸収材を内包しないフォロア部２１が設けられ、このフォロア部が燃料集合体の核分裂領域に挿入された状態で運転される。そして、フォロア部の下方には中性子吸収材内包部２２が設けられ、大規模地震などの緊急時には、この中性子吸収材内包部が燃料集合体の核分裂領域に達するように制御棒２０はさらに上方へ挿入される。ＲＢＷＲは必要な転換比を得るために炉心構造を稠密化している。このため、図３に示すように燃料集合体１０の断面は正六角形である。さらに、正六角形断面の燃料集合体１０の間隙に制御棒２０を挿入できるように、制御棒２０の断面はＹ字形となっている。制御棒２０は、中性子吸収材を内包する３枚のブレード３０が、Ｙ字形断面のタイロッドに溶接によって接合されることでＹ字形断面が形成される。
【実施例１】
【００１８】
本実施例を図４〜図７により説明する。ＲＢＷＲの制御棒は、その断面形状をＹ字形とするために、３枚のブレードで構成されている。本実施例はこれらの制御棒ブレードを対象としている。図４は、実施例1に係る制御棒のブレード３０について、３枚のうちの１枚の断面を示す図である。この図に示すように、制御棒のブレード３０は、角管４０、中性子吸収材６０、位置決め部材７０、フレーム材８０、カバー板９０で構成される。制御棒のブレードには例えばＢ４Ｃ焼結体などの中性子吸収材を内包する必要があるため、ブレードの構成部材である角管４０には、中性子吸収材６０を充填するための充填孔５０を設けている。この角管４０を２列に配置し、一方の列は位置決め部材７０をタイロッド１００側に、他方の列は位置決め部材７０をタイロッド１００と反対側に配置することで、２列の角管４０を千鳥状配置としている。千鳥状配置とは、Ｙ軸方向に２列で配置された角管４０のうち、一方の角管列に対して、他方の角管列をＸ軸方向にずらして配置された構成である。２つの角管列は、Ｙ軸方向から入射する中性子を遮るように、互い違いに配置されている。この２列に千鳥配置した角管４０群のタイロッド側とその反対側にフレーム部材８０を配置し、さらにブレード３０の板厚方向上下をカバー板９０で挟み込み、これらをＨＩＰ拡散接合によって一体化させた構造を有している。この一体化させたブレード３０の充填孔５０に中性子吸収材６０を充填し，３枚のブレード３０を軸直角方向断面においてＹ字形となるようにタイロッド１００に溶接して、制御棒の中性子吸収材内包部２２を構成する。このように、２列以上の中性子吸収材を配置することにより、中性子吸収材の表面積を増加させることができ、さらに中性子吸収材を千鳥状に配置することにより、中性子が制御棒を通り抜ける効果を低減できる。これらの中性子吸収材の表面積の増加、および中性子の通り抜け低減により、制御棒の中性子吸収効果が増加し、反応度価値を向上させることができる。また、本実施例の中性子吸収材６０はすべて同一断面であり、異なる断面の中性子吸収材や異なる断面の充填孔を備える角管といったような異種の部材を製作することによるコストの増加は発生しない。なお、角管４０はブレード３０の厚さ方向に２列以上配置してもよく、さらに位置決め部材７０とフレーム８０は一体構造としてもよい。
【実施例２】
【００１９】
図５は、実施例２に係る制御棒のブレード３０で、３枚のうちの１枚の断面を示す図である。この図に示すように、制御棒のフレード３０は、多角形管１１０、中性子吸収材６０、位置決め部材７０、フレーム材８０、カバー板９０で構成される。実施例２では、実施例１のブレード３０の断面長手方向と厚さ方向のそれぞれ２列分の計４体の角管４０に相当する構造を、１つの多角形管１１０で構成している。この多角形管１１０に４つの充填孔５０を設けて中性子吸収材を内包する構造としている。この多角形管１１０を列状に配置し、多角形管１１０のタイロッド１００側とその反対側の凹み部に位置決め部材７０を配置し、さらにそれらの外側にフレーム部材８０を配置している。そして、一列に配した多角形管１１０、位置決め部材７０、およびフレーム部材８０をブレード３０の板厚方向上下をカバー板９０で挟み込み、これらＨＩＰ拡散接合によって一体化させた構造としている。このように、実施例１における４本の角管４０の機能を１つの多角形管１１０で実現することで中性子吸収材を内包する部材の員数を減少させることが可能となるため、製造コストを低減させることができる。なお、多角形管１１０で実現する実施例１における角管４０の機能は４本以上としてもよい。
【実施例３】
【００２０】
図６は、実施例３に係る制御棒のブレード３０で、３枚のうちの１枚の断面を示す図である。図６に示すように、充填孔５０を有する角管４０をブレード３０に対して制御棒軸直角方向に、さらにブレード３０の板厚方向に２列となるように配置している。２列の角管４０のうち、一方の列は位置決め部材８０を制御棒軸方向の上端側に、他方の列は位置決め部材７０を制御棒軸方向の下端に配置することで、２列の角管４０を千鳥状配置としている。即ち、本実施例の千鳥状配置とは、Ｙ軸方向に２列で配置された角管４０のうち、一方の角管列に対して、他方の角管列をＺ軸方向にずらして配置された構成である。２つの角管列は、Ｙ軸方向から入射する中性子を遮るように、互い違いに配置されている。そして、この２列に千鳥配置した角管４０群の制御棒軸方向の上下端にフレーム部材８０を配置し、さらにブレード３０の板厚方向上下をカバー板９０で挟み込み、これらをＨＩＰ拡散接合によって一体化させた構造を有している。実施例３によれば、角管４０の軸方向の長さを短くでき、例えば製作精度を保てないといった課題を解決できるので、実施例１のように角管４０の軸方向と制御棒３０の軸方向を平行とした場合に比べ、製作時間の低減に寄与できる。
【実施例４】
【００２１】
図７は、実施例４に係る制御棒のブレード３０で、３枚のうちの１枚の断面を示す図である。図７に示すように、実施例４では、実施例３の制御棒の軸方向とブレード３０の厚さ方向のそれぞれ２列分の計４体の角管４０に相当する構造を、１つの多角形管１１０で構成している。このように、実施例３における複数の角管４０の機能を１つの多角形管１１０で実現することで中性子吸収材を内包する部材の員数を減少させることが可能となるため、製造コストを低減させることができる。なお、多角形管１１０で実現する実施例３における角管４０の機能は４本以上としてもよい。
【符号の説明】
【００２２】
１０  燃料集合体
２０  制御棒
２１  フォロア部
２２  中性子吸収材内包部
３０  ブレード
４０  角管
５０  充填孔
６０  中性子吸収材
７０  位置決め部材
８０  フレーム部材
９０  カバー板
１００  タイロッド
１１０  多角形管
【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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【図７】
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