(57)【要約】【課題】原子力発電所のシビアアクシデント時に燃料より早期に溶融せず、かつ溶融落下した場合も長期にわたり炉心に中性子吸収材が留まる事故耐性制御棒を提供する。【解決手段】実施形態による原子炉用制御棒は、中性子吸収材を有する中性子吸収部３１と、中性子吸収部３１を内包する複数の収納部材２１と、複数の収納部材２１を一体化する結合部材と、共晶防止部材３３とを有する。共晶防止部材３３は、中性子吸収部３１と収納部材２１の間に設けられて、中性子吸収効果および高温安定性を有する共晶防止用酸化物を含み、中性子吸収部３１と収納部材２１との直接的な接触を防止する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子吸収材を有する中性子吸収部と、
前記中性子吸収部を内包する複数の収納部材と、
前記複数の収納部材を一体化する結合部材と、
中性子吸収効果および高温安定性を有する共晶防止用酸化物を含み、前記中性子吸収部と前記収納部材の間に設けられて前記中性子吸収部と前記収納部材との直接的な接触を防止する共晶防止部材と、
を備える原子炉用制御棒。
【請求項２】
前記複数の収納部材のそれぞれは、上下方向に延びる軸のまわりに放射状に周方向の間隔をあけて配置されて前記軸の方向および放射方向に広がる平板状であり、
前記結合部材は、前記複数の収納部材を中央で結合する軸方向に延びた棒状である、
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】
前記共晶防止用酸化物は、ガドリニウム酸化物、ユーロピウム酸化物、ディスプロシウム酸化物、サマリウム酸化物、エルビウム酸化物の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子炉用制御棒。
【請求項４】
前記中性子吸収部は固体形状であり、前記共晶防止部材は、前記中性子吸収部の周囲に密着するように形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項５】
前記共晶防止部材は容器状に形成され、前記中性子吸収部は前記容器状の前記共晶防止部材内に収納されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項６】
前記複数の収納部材のそれぞれには、前記中性子吸収部を収納するための複数の収納穴が形成されており、前記共晶防止部材は、前記収納穴の内面に沿って設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一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】
本発明の実施形態は、原子炉用制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉の制御棒は、十字形の断面形状を有し、軸方向（鉛直方向）に延びる中央結合部材と、この中央結合部材を中心に４枚の板状のウィングが四方向に広がっている。また、ウィングは、タイロッドの軸方向に延びている。また、中央結合部材の上端部にハンドルが接合され、中央結合部材の下端部には落下速度リミッタを有する下部支持部材が取り付けられている。
【０００３】
それぞれのウィングは、たとえば、Ｂ４Ｃなどの中性子吸収材を内包しており、中性子吸収材を、オーステナイト系ステンレス鋼製の概略Ｕ字形の断面形状を持つシースが覆っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１７４８２８号公報
【特許文献２】特開２０１３−２４６１０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子力発電所におけるシビアアクシデントでは、冷却材による炉心の冷却が不足し、炉心溶融が生じるような事象が想定される。このような事象においては、炉心燃料のほか、制御棒も溶融落下する。制御棒に使用される炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）は、制御棒の構造材部分（ウィング）に用いられるオーステナイト系ステンレス鋼と共晶を起こして融点が低下し、早期に溶融することが懸念される。
【０００６】
制御棒の溶融後、原子炉への注水により、原子炉が再び臨界となる「再臨界」事象が考えられる。再臨界は原子炉圧力容器や原子炉格納容器、あるいは原子炉建屋の損傷を引き起こし、放射性物質の環境への放出につながる可能性がある。
【０００７】
図７は、制御棒用の構造材等の融点を示す図である。図７に示したように、オーステナイト系ステンレス鋼の融点は１７２３Ｋである。したがって、オーステナイト系ステンレス鋼製の制御棒の融点は、融点が３１２３ＫのＵＯ２より低い。また、Ｂ４Ｃ自体は融点２７２３Ｋであるが、さらに、オーステナイト系ステンレス鋼との共晶によって融点は１５００Ｋまで低下する。このため、炉内の温度状況によっては制御棒が先に溶け落ちる可能性がある。その後、燃料溶融が部分的な範囲に留まり、溶融した燃料によりある高さの炉心が形成され、その後注水により、ある高さで、再臨界が起きる可能性がある。
【０００８】
また、溶融炉心は崩壊熱の発生により温度が高い。また、燃料形状が崩壊している場合、内部まで冷却するには十分な冷却材の確保が難しい。このため、水は水蒸気として存在する可能性が高い。この場合、核分裂で発生した高速の中性子を、核分裂を起こしやすい熱中性子に減速するための減速材である水素の量が不足しているため、臨界に至る可能性は小さい。一方、時間の経過とともに、崩壊熱は減少するため、炉心溶融から数ヶ月以上も時間が経過した後には、炉内の冷却材は水蒸気ではなく液体の水の状態となってくる。このため、臨界に至る可能性がある。また、初期には存在していた上述の制御棒中のホウ素が時間経過に伴い冷却材とともに流出し、反応度抑制効果が低減することにより臨界となる可能性がある。
【０００９】
そこで、本発明の実施形態は、原子力発電所のシビアアクシデント時に燃料より早期に溶融せず、かつ溶融落下した場合も長期にわたり炉心に中性子吸収材が留まる事故耐性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】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本実施形態に係る原子炉用制御棒は、中性子吸収材を有する中性子吸収部と、前記中性子吸収部を内包する複数の収納部材と、前記複数の収納部材を一体化する結合部材と、中性子吸収効果および高温安定性を有する共晶防止用酸化物を含み、前記中性子吸収部と前記収納部材の間に設けられて前記中性子吸収部と前記収納部材との直接的な接触を防止する共晶防止部材と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の実施形態によれば、原子力発電所のシビアアクシデント時に燃料より早期に溶融せず、かつ溶融落下した場合も長期にわたり炉心に中性子吸収材が留まる事故耐性制御棒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態による原子炉用制御棒を炉心内に挿入した状態を示す水平断面図である。
【図２】第１の実施形態による原子炉用制御棒のウィングの構成を示す概念的斜視図である。
【図３】第１の実施形態による原子炉用制御棒のウィングに挿入される中性子吸収部の構成を示す概念的斜視図である。
【図４】第１の実施形態による原子炉用制御棒のウィングの構成を示す図２の第ＩＶ−ＩＶ矢視概念的縦断面図である。
【図５】第２の実施形態による原子炉用制御棒のウィングの構成を示す概念的縦断面図である。
【図６】第３の実施形態による原子炉用制御棒のウィングの構成を示す概念的縦断面図である。
【図７】制御棒構造材等の融点を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る原子炉用制御棒について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１４】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態による原子炉用制御棒を炉心内に挿入した状態を示す水平断面図である。原子炉用制御棒１０は、図示しない炉心内に格子状に配列された四角柱状の燃料集合体１の間隙に鉛直下方から挿入可能に位置決めされている。
【００１５】
原子炉用制御棒１０は、水平方向および鉛直方向に広がった板状の４つのウィング２０と、これらを結合して一体化して鉛直方向に延びる棒状の中央結合部材１１とを有する。４つのウィング２０は、中央結合部材１１を中心に水平方向に十字型に延びている。また、原子炉用制御棒１０は、正方形状の４体の燃料集合体１の水平方向のほぼ中央に中央結合部材１１が位置し、それぞれのウィング２０が互いに隣接する燃料集合体１に挟まれるように配列されている。
【００１６】
図２は、原子炉用制御棒のウィングの構成を示す概念的斜視図である。図３は、原子炉用制御棒のウィングに挿入される中性子吸収部の構成を示す概念的斜視図である。また、図４は、図２の第ＩＶ−ＩＶ矢視概念的縦断面図である。
【００１７】
ウィング２０は、収納部材２１および収納部材２１内に収納される中性子吸収部３１を有する。収納部材２１は、水平断面の外形がＵ字型形状で、軸方向すなわち、据付状態で鉛直方向に延びている。収納部材２１は、たとえば、ウィング２０の水平に広がる方向の先端部分を滑らかな曲面にする等、板材から削り出して成形される。
【００１８】
収納部材２１には、水平でウィング２０の広がり方向に、鉛直方向に互いに間隔をあけて複数の円筒状の収納穴２２が形成されている。収納穴２２は、中央結合部材１１（図１）と結合する側は開放されており、反対側すなわちウィング２０が水平方向に広がる側には貫通せず閉じている。収納穴２２は、収納部材２１にたとえば中央結合部材１１と結合する側からの穴加工により形成される。収納部材２１の材料は、たとえばオーステナイト系ステンレス鋼である。
【００１９】
それぞれの収納穴２２には、中性子吸収部３１が収納されている。中性子吸収部３１は、固体であり、円筒形状に形成されている。中性子吸収部３１の材料は、たとえば、焼結されたＢ４Ｃである。
【００２０】
中性子吸収部３１の外面には、共晶防止部材３３が設けられている。共晶防止部材３３は、中性子吸収部３１と収納部材２１とが直接に接触することを防止するように配されている。したがって、共晶防止部材３３は、必ずしも、中性子吸収部３１の外面を完全に覆っている必要はないが、収納部材２１の部分的溶融などの可能性を想定すれば完全に覆っていることが好ましい。
【００２１】
収納穴２２内への共晶防止部材３３が設けられた中性子吸収部３１の挿入性、および、収納穴２２内における共晶防止部材３３と収納部材２１との接触面積を最小とする観点から、共晶防止部材３３と収納部材２１との間にはギャップ３５が形成されている。ギャップ３５を周方向に確保するために図示しないスペーサで共晶防止部材３３を固定してもよい。あるいは、スペーサ等を使用せずに、共晶防止部材３３を収納穴２２上に乗せた状態、すなわち面接触ではなく線接触とすることでもよい。
【００２２】
共晶防止部材３３の材料は、中性子吸収効果があること、高温で安定な材料であること、さらにコスト的にも入手可能であることを要件として選定する。
【００２３】
共晶防止部材３３は、後述する共晶防止部材３３用のランタノイド金属あるいはランタノイド酸化物の被膜を、溶射などにより中性子吸収部３１の外面に形成させることでもよい。あるいは、共晶防止部材３３用のランタノイド酸化物の容器として、中性子吸収部３１を収納することでもよい。この場合は、中性子吸収部３１は、固体形状に限定されずたとえば粉末状のＢ４Ｃなどでもよい。
【００２４】
発明者らは、共晶防止部材３３の材料としての候補材について、１１５０℃のもとで、候補材の酸化物１モルと水蒸気１０モルでの熱力学的平衡解析（反応解析）を行い、水蒸気反応後の生成物量のモル数の当初の候補材のモル数（１モル）に対する比を求めた。ここで、１１５０℃はこの温度以上でＢ４Ｃが水蒸気と反応する温度である。すなわち、Ｂ４Ｃは１１５０℃で水蒸気との反応が開始される。
【００２５】
Ｂ４Ｃについては、前述のように、水蒸気と反応し１０倍以上のモル数の反応生成物が生じたが、希土類元素の一部と、遷移金属の一部は１モルのままで水蒸気と反応しないことがわかった。このように水蒸気と反応しない材料は、具体的には、希土類元素では、候補材としたランタノイド元素（Ｌｎ）であるガドリニウム（Ｇｄ）、ルテチウム（Ｌｕ）、ツリウム（Ｔｍ）、エルビウム（Ｅｒ）、ディスプロシウム（Ｄｙ）、ガリウム（Ｇａ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、およびサマリウム（Ｓｍ）のそれぞれの酸化物であり、これらの反応解析の結果は全て１モルのままで水蒸気と反応していなかった。遷移金属としては、水銀（Ｈｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、カドミウム（Ｃｄ）、および銀（Ａｇ）の酸化物についても同様に水蒸気との反応が見られなかった。
【００２６】
これらのうち、Ｇｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｅｒ、Ｈｆ、およびＣｄは、中性子吸収断面積の大きな核種である。また、これらの酸化物は安定形態であり、したがって、オーステナイト系ステンレス鋼との共晶も生じない材料である。したがって、これらの材料は、入手可能な安定材料である。以下、これらのうち、特に、ランタノイド元素であるＧｄ、Ｅｕ、Ｄｙ、Ｓｍ、Ｅｒのそれぞれの酸化物を、共晶防止用酸化物と呼ぶこととする。
【００２７】
元素がとりうる最高酸化数は、希土類元素のランタノイド元素ではほとんどが３であり、Ｈｆでは４である。この最高酸化数まで酸素と結合していれば、それ以上の酸化反応は生じないため水蒸気と反応して水素を発生することがないことが反応解析の結果からもわかっている。前述のランタノイド元素の酸化物Ｌｎ２Ｏ３、Ｈｆの酸化物ＨｆＯ２は融点が２０００℃以上であり熱安定性も高い。したがって、水素発生抑制可能な候補材料として最も有効な形態である。
【００２８】
なお、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｅｕの酸化物は、Ｂ型と言われる高温型の単斜晶系と、Ｃ型と言われる低温型の立方晶系の２つの形態をとりうる。例えばＥｕは１０００℃で相転移が起こり安定相の結晶系が変わる。すなわち、事故による昇温の過程で相転移が起こり、密度が変化すると構造的な破壊を生じる可能性があるため好ましくない。また、Ｅｕの原子密度は高温相の方が大きいため高温相の方が制御棒材料としては望ましい。また、１０００〜１３００℃での相転移は不可逆的であるとわれている。このため、あらかじめ高温型の結晶系とした酸化物を用いることにより、当初より安定な高温相の状態で使用できる。
【００２９】
以上の説明のように本実施形態における共晶防止部材３３は、材料として、共晶防止用酸化物を有する。
【００３０】
本実施形態による原子炉用制御棒１０においては、高融点でかつ高温で安定な共晶防止用酸化物を有する共晶防止部材３３が、中性子吸収部３１の外周に配されている。このため、原子炉用制御棒１０の周囲温度が上昇した場合であっても、共晶防止部材３３が収納部材２１と収納部材２１内に収納された中性子吸収部３１間に介在する状態が持続する。この結果、オーステナイト系ステンレス鋼製の収納部材２１と、収納部材２１内に収納された中性子吸収部３１とが直接接触することがなく、共晶が生じない。したがって、原子炉用制御棒１０は、従来よりも高い温度まで、その構成を維持することができる。さらに、事故時の高温水蒸気との反応により水素を発生しない物質を用いることでより安全性の高い原子炉用制御棒１０となる。
【００３１】
また、共晶防止部材３３に使用される共晶防止用酸化物は中性子吸収効果を有しており、原子炉用制御棒１０の反応度価値をさらに高め、あるいは寿命をさらに延ばすことができる。
【００３２】
［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態による原子炉用制御棒のウィングの構成を示す概念的縦断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。
【００３３】
本第２の実施形態に係る原子炉用制御棒１０においては、共晶防止部材３３は、収納部材２１に形成されたそれぞれの収納穴２２の内面に沿って同心円状に形成されている。共晶防止部材３３の径方向の外面の径は、収納穴２２の内面の径とほぼ同程度に形成されている。
【００３４】
この場合、共晶防止部材３３は、たとえば、円筒状の容器形状に成形したものを、収納穴２２の内面に沿って挿入することにより設けてもよい。あるいは、ウィング２０の外形の鋳型の中に、円筒状の容器形状の共晶防止部材３３を互いに間隔をあけて一列に並べて、鋳造によりオーステナイト系ステンレス鋼の収納部材２１を成形することによってもよい。
【００３５】
共晶防止部材３３の内面と、中性子吸収部３１の外面との間には、ギャップ３６が形成されている。なお、ギャップの幅は、周角度方向に均一である必要はない。すなわち、共晶防止部材３３と中性子吸収部３１は一方で接触していてもよい。
【００３６】
中性子吸収部３１は共晶防止部材３３に比べ熱膨張率が大きい場合、温度上昇の際に中性子吸収部３１の熱膨張を共晶防止部材３３が拘束することになる。本実施形態においては、中性子吸収部３１の外面と共晶防止部材３３の内面間にギャップ３６を確保することによって、共晶防止部材３３によるたが締めにより中性子吸収部３１が損壊あるいは崩壊する可能性を排除することができる。
【００３７】
［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態による原子炉用制御棒のウィングの構成を示す概念的縦断面図である。本実施形態は、第１または第２の実施形態の変形である。
【００３８】
本第３の実施形態に係る原子炉用制御棒１０においては、共晶防止部材３３は、長手方向に延びた円筒形状である。共晶防止部材３３の外面と収納穴２２の内面との間には、ギャップ３５が形成されている。また、共晶防止部材３３の内面と中性子吸収部３１の外面の間には、ギャップ３６が形成されている。ギャップ３５およびギャップ３６は、周方向に均一である必要はない。すなわち、共晶防止部材３３と収納穴２２、共晶防止部材３３と中性子吸収部３１は、それぞれ一方で接触していてもよい。
【００３９】
中性子吸収部３１と収納穴２２間にギャップを設けることによって、中性子吸収部３１と収納部材２１との温度変化による機械的な相互作用を低減し、中性子吸収部３１、共晶防止部材３３および収納部材２１それぞれの構造健全性を向上させることができる。
【００４０】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、ウィング２０の収納部材２１はたとえば板材から成形され、収納穴２２は穴加工により形成される場合を示したが、これには限らない。たとえば、板を曲げてＵ字型に成形した容器状の収納部材に固体状の中性子吸収部３１を並べて収納する構成のウィングでも、本発明は適用できる。
【００４１】
また、実施形態では、中性子吸収部３１の材料がＢ４Ｃの場合を示したが、これに限定されない。たとえば、金属ハフニウム（Ｈｆ）などの場合でもよい。
【００４２】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００４３】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料集合体、１０…原子炉用制御棒、１１…中央結合部材（結合部材）、２０…ウィング、２１…シース部（収納部材）、２２…収納穴、３１…中性子吸収部、３３…共晶防止部材、３５、３６…ギャップ
【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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