(57)【要約】【課題】【解決手段】本発明は、原子力プラント用の制御棒に関する。制御棒１は、原子力プラントの燃料アセンブリ内に設けられ、冷却水と接触するように構成される。制御棒１は、原子力プラント稼働中に中性子の吸収を可能にする吸収体材料４を収容するように構成された少なくとも１つの内部空間３を有する。吸収体材料４は、吸収プロセス中に少なくとも１つのガス状物質の形成を可能とする。制御棒は、制御棒を囲む冷却水が空間３に出て移動するのを防ぐと同時に、ガス状物質が空間３から出て移動するのを可能にする材料構造を有する少なくとも１つにフィルタ部材７を有する。【選択図】図１
2008512676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子力プラントに用いる制御棒１は、
多数の燃料アセンブリを有する炉心内に設けられ、水からなる冷却剤と接触するように構成され、
前記原子力プラントの稼働中に中性子の吸収を可能にする吸収体材料４を収容するように構成された少なくとも１つの内部空間３を有し、
前記吸収体材料４は吸収プロセスの中に少なくとも１つのガス状物質を生成する特性を有し、
空間３へ周囲の水が拡散するのを防ぐと同時に、ガス状物質がフィルタ部材７を通って拡散し、その空間から出るのを可能にする少なくとも１つのフィルタ部材７を有する、
ことを特徴とする原子力プラント用制御棒。
【請求項２】
前記フィルタ部材７は、水分子の寸法より小さい原子または分子で構成される物質だけがフィルタ部材７を通って拡散することが可能となるような寸法の通路を有する原子構造の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の制御棒。
【請求項３】
前記フィルタ部材７の通路は、少なくともヘリウム原子が通過して拡散することが可能となるような寸法であることを特徴とする請求項２に記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項４】
前記フィルタ部材７は、金属材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに１つ記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項５】
前記フィルタ部材７は、遷移金属の酸化物で構成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項６】
前記フィルタ部材７は、セラミック材料からなることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１つに記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項７】
前記フィルタ部材７は、制御棒１内で前記空間と周囲環境との間の連結体を構成するような位置をとることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項８】
前記フィルタ部材７は、前記空間３と前記周囲環境８との間に延在する既存のチャンネル５・６内で制御棒１に取り付けられることを特徴とする請求項７に記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項９】
前記フィルタ部材７は、前記制御棒１に溶接で取り付けられることを特徴とする請求項８記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項１０】
前記吸収体材料４は、ホウ素からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項１１】
前記吸収体材料４は、ホウ素同位体Ｂ１０を含むことを特徴とする請求項１０記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項１２】
前記原子力プラントは、沸騰水型原子炉ＢＷＲとすることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項１３】
前記制御棒１は、複数の吸収体材料４で満たされるように構成された複数の穴３を備えた制御棒羽根を有し、前記複数の穴３は前記フィルタ部材７と接続している第１のチャンネル５によって接続されることを特徴とする請求項１２記載の原子力プラント用制御棒。
【請求項１４】
前記フィルタ部材７は、前記制御棒羽根２内の第２のチャンネル６の出口開孔に設けられ、前記第２のチャンネル６は、第１のチャンネル５につなげられ制御棒羽根２の製造中に前記空間３の圧力試験を行うために使用されることを特徴とする請求項１３に記載の原子力プラント用制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子力プラント用の制御棒に関し、制御棒は、多数の燃料アセンブリを有する炉心内に設けられ、水からなる冷却剤と接触するように構成される。制御棒は、原子力プラントの稼働中に中性子の吸収を可能にする吸収体材料を収容するように構成された少なくとも１つの内部空間を有し、吸収体材料は、前記吸収プロセス中に少なくとも１つのガス状物質を生成する性質がある。
【背景技術】
【０００２】
原子力プラントでは、中性子吸収体としてホウ素を含む合成物がしばしば使用される。ホウ素は、ホウ素同位体Ｂ１０が熱中性子に対して非常に優れた吸収能力を有することから吸収体材料として使用される。したがって、多くの場合、例えば、炭化ホウ素の形態のホウ素が、沸騰水型原子炉ＢＷＲ（Ｂｏｉｌｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ）と加圧水型原子炉ＰＷＲ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｗａｔｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ）の両方で制御棒内の吸収体材料として使用される。そのような吸収中に次の反応が起こる。
Ｂ１０＋ｎ１→Ｌｉ７＋Ｈｅ４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
その結果、ホウ素同位体Ｂ１０が熱中性子を吸収するときに気体ヘリウムが形成される。形成されたヘリウムガスは、制御棒内の吸収体材料を囲む空間の内部圧力を増加させる。この空間内で内部圧力を過度に高くさせないために、吸収体材料の量は正確に決定されなければならない。通常、その空間は、炭化ホウ素で約７０％を満たされる。空間をそのような程度に満たした場合、吸収プロセス中に形成されるヘリウムガスのための場所はどこにもない。前記空間内の吸収体材料の充填度をそのように限定すると、それに対応して制御棒の中性子吸収能力を限定することになる。
【０００４】
本発明の目的は、熱中性子の吸収プロセス中に、吸収体材料を含む制御棒の空間に発生するガス圧を低減することができる設計の制御棒を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的は、制御棒がフィルタ部材を有するという点で達成され、そのフィルタ部材は、空間への水の拡散を防止すると同時に、ガス状物質がフィルタ部材を通って拡散し、その空間から出るのを可能にする。原子力プラントの稼働中に、吸収体材料が中性子を吸収するとすぐに、ガス状物質が上記のように形成され、吸収体材料を含む制御棒の閉鎖された空間内で圧力が増加する。このため、本明細書のフィルタ部材は、形成されたガスが空間から出て周囲環境に移動するのを可能にする機能を有する。この結果、空間内部の圧力が高くなりすぎるのを効果的な態様で防止する。空間と周囲環境との間の圧力差は、ガスに圧力をかけてフィルタ部材を通過させ、周囲環境に出す自然の駆動源となる。フィルタ部材はまた、制御棒を囲む水がフィルタ部材を通って空間に侵入するのを防止する性質を有するものとする。そのようなフィルタ部材を使用することによって、ガス状物質を収容できるようにするために前記空間内の吸収体材料の充填度を低くする必要がなくなる。したがって、より高充填度の吸収体材料を制御棒に与えることができ、それによって、制御棒は、相当する従来の制御棒よりも大きい中性子吸収能力と長い耐用年数を得る。
【０００６】
本発明の好ましい実施形態によれば、フィルタ部材は、水分子の寸法より小さい原子または分子で構成される物質だけがフィルタ部材を通って拡散することが可能とされるような寸法の通路を有する原子構造の材料からなる。そのような寸法の通路を有する材料により、水分子よりも原子の大きさまたは分子の大きさが小さいガス状物質または液状物質の拡散が可能になる。これによって、吸収プロセス中に形成された前記空間内のガス状物質は、通路を通って拡散し、空間から出ることができる。しかしながら、通路の寸法を制限すると、反対の方向にフィルタ部材を通って水が拡散するのが不可能になる。前記ガス状物質は通常ヘリウムであるので、フィルタ部材の通路は、少なくともヘリウム原子がフィルタ部材を通過できる大きさでなければならない。ヘリウムは、原子の直径が１００ｐｍである。ヘリウムは、原子の直径がそのように小さいので、ヘリウムが通過できる原子構造の固体材料を見つけるのは難しいことではない。
【０００７】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、フィルタ部材は金属材料からなる。金属は、原子が高密度に詰められた結晶構造を見せる。比較的原子が大きい金属または金属合金には、一般的に、ヘリウム原子が通過できる寸法の結晶構造内通路がある。あるいは、フィルタ部材は遷移金属の酸化物で構成することもできる。他の代替案には、酸化アルミニウムまたは酸化ケイ素がある。酸化アルミニウムは、実質的に不水溶性であり、複数の結晶形態で存在する。酸化ケイ素は、多数の結晶形態だけでなくアモルファス形態でも存在する。さらなる代替案によれば、フィルタ部材はセラミック材料からなる。セラミック材料は、高温および化学的に厳しい環境に耐えるという点で特徴づけられる。そのようなセラミック材料はケイ素を含むことができる。セラミック材料を適切に設計することで、特定の大きさまでの原子および分子だけが通過できるような通路の大きさに寸法を決めることができる。特定の場合では、フィルタ部材が上記材料の混合物で構成されるのが適切であることもある。
【０００８】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、フィルタ部材は、制御棒内で前記空間と周囲環境との間の連結体を形成するような位置をとる。このため、フィルタ部材は、前記空間と周囲環境との間に延在する、寸法が特定の範囲内の通路を有する。前記空間内で圧力が増加すると、小さいヘリウム原子は、フィルタ部材の通路を通って周囲環境に押し出される。他方で、はるかに大きい水分子は、フィルタの狭すぎる通路を経由して通過することができない。好都合にも、フィルタ部材は、前記空間と周囲環境との間に延在する既存のチャネル内で制御棒に取り付けられる。制御棒内のこうした既存のチャネル内にフィルタ部材を取り付けることによって、既存の制御棒に若干の変更を加えさえすればよくなる。フィルタ部材は、前記チャネルに溶接で取り付けられるのが好ましい。それによって、フィルタ部材は、強度と密封性を有する状態で制御棒内に取り付けることができる。
【０００９】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、吸収体材料はホウ素からなる。吸収体材料は、沸騰水型原子炉ＢＷＲと加圧水型原子炉ＰＷＲの両方の制御棒でよく使用される炭化ホウ素で構成されるのが有利である。炭化ホウ素は、ホウ素同位体Ｂ１０を含む。ボロン同位体Ｂ１０は、熱中性子に対して高い吸収能力を有する。リチウムおよびヘリウムは、吸収体材料としてのホウ素同位体Ｂ１０で形成される。したがって、フィルタ部材により、吸収プロセス中に形成されたヘリウムが拡散できるようにして、制御棒内の圧力が過度に高くならないようにする必要がある。また、フィルタ部材は、上記空間に水が侵入するのを防止する必要もあり、さもなければ、その空間で、形成されたリチウムと水が反応する。
【００１０】
本発明の別の好ましい実施形態によれば、原子力プラントは、沸騰水型原子炉ＢＷＲとする。沸騰水型原子炉の制御棒は、それぞれがドリル穴を互いにつなぐ第１のチャネルを外縁部分に有する４つの制御棒羽根を有し、そのドリル穴は吸収体材料で満たされる。第１のチャネルは、穴形空間の間の圧力差を平して等圧化することを意図される。沸騰水型原子炉の一般的な制御棒は、このように４つの制御棒羽根を有するので、それに応じて、４つのフィルタ部材を制御棒内に設けることが必要である。フィルタ部材は、第１のチャネルにつなげられ、制御棒羽根の製造中に空間の圧力試験を行うために使用される既存の第２のチャネルの出口開孔に設けられるのが好ましい。第２のチャネルのこの出口開孔は、従来の制御棒内で金属栓によって塞がれる。その代わりとして、対応する形状および寸法のフィルタ部材でこの出口開孔を塞ぐことには、従来の制御棒を製造するのと比べて、実質的に何ら追加作業が含まれない。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱中性子の吸収プロセス中に、吸収体材料を含む制御棒の空間に発生するガス圧を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について添付の図面に関連する実施例として説明する。
【００１３】
図１は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で中性子束を制御する制御棒１を示す。制御棒１は４つの制御棒羽根２を有し、これら制御棒羽根はそれぞれ、隣接する制御棒羽根２に対して直角に向けられている。制御棒羽根２は、複数のドリル穴３を有し、これらドリル穴は、上下に列をなすように配置され、制御棒羽根２の自由端部分から、制御棒羽根２が交わる中心に向かう方向に延びている。制御棒羽根２は、好ましくは鋼からなり、厚さが７ｍｍ〜８ｍｍの板金で製造される。その結果、制御棒羽根２にあけられた穴３は、直径を５ｍｍ〜６ｍｍとすることができる。穴３には、吸収体材料４が充填されている。吸収体材料は、炭化ホウ素Ｂ４Ｃなどの中性子吸収材料からなる固体の細長いロッド４として設計することができる。吸収体ロッド４は、長さが約１００ｍｍで、穴３に挿入できるように実質的に円形断面とすることができる。
【００１４】
図２は、図１に示した制御棒１の制御棒羽根２を示す。上下に列をなして配置されたドリル穴３は、実質的に制御棒羽根２の自由端部分の全体に沿って延在する細長い第１のチャネル５に通じている。細長い第１のチャネル５は、ドリル穴３を互いにつなげるように構成されており、そのため、穴３の間で圧力の均等化が得られる。第２のチャネル６は、制御棒羽根２の内側下方部分で第１のチャネル５から出口開孔に延在している。第２のチャネル６は、既存の漏れ検出チャネルである。
【００１５】
製造プロセス中に、制御棒羽根２は、フライス加工した細長い凹部を自由端部分に設けられる。次に、上下に列をなすように凹部に穴３をあける。吸収体ロッド４は、穴３に配置される。次に、凹部の両脚部をともに丸めることで吸収体材料を封入する。次に、長い溶接継手によってその脚部の端面をともに溶接し、それにより、気密性を有する圧力強度の高い囲み体が作られ、第１のチャネル５を形成する。あるいは、第１のチャネル５は、凹部を覆う長いカバー部材を制御棒羽根の自由端面に沿って溶接して形成することもできる。これによって、カバー要素は第１のチャネル５の壁面を形成する。溶接作業の後に、真空ポンプが第２のチャネル６の出口開孔に連結されて、制御棒羽根２内に第１のチャネル５および穴３が密閉された空間を形成するように調整を行う。最後に、封止栓が第２のチャネル６の出口開孔に溶接される。本発明によれば、封止栓はフィルタ部材７からなる。フィルタ部材７は、寸法が規定された通路を備えた原子構造の材料で構成され、その通路は、第２のチャネル６と周囲環境８との間に延在する。沸騰水型原子炉の稼働中、制御棒羽根２の周囲環境８は、冷却水とされる。
【００１６】
沸騰水型原子炉の稼働中に、吸収体ロッド４は中性子を吸収する。これによって、リチウムとヘリウムが形成される。このため、フィルタ部材７は、寸法が規定された通路を有する原子構造の材料からなる。この通路は、比較的小さい原子からなるヘリウムが通路を通過できるような寸法を有する。吸収プロセス中に穴３内に形成されたヘリウムは、さらに第１のチャネル５および第２のチャネル６を満たすように広がる。ヘリウムの形成と同時に圧力が増加し、ヘリウム原子は正圧によってフィルタ部材７の通路を通って周囲環境８に押し出される。その結果、吸収プロセス中に形成されたヘリウムはフィルタ部材７を介して連続的に外部に誘導される。それによって、制御棒羽根２の閉じた空間に高すぎる正圧が発生するのを防止する。従来の制御棒羽根２の穴３では、約７０％だけが吸収体材料で満たされる、というのは、穴３の残りの空間は、吸収プロセス中に形成されたヘリウムを収容するのに必要とされるからである。これに対して、本発明の場合、制御棒羽根の穴３は、基本的に吸収体材料４の充填度をより高くすることができる。それによって、制御棒羽根２は、従来の制御棒羽根よりも中性子の吸収作用が高まり、耐用年数が長くなる。フィルタ部材７の通路には、水分子がフィルタ部材７を通過できないような寸法とした上限寸法がある。したがって、周囲の冷却水は、確実に、フィルタ部材７の通路を経由して吸収体ロッド４にしみ込むことができず、吸収プロセス中に形成されたリチウムと反応することができない。
【００１７】
このため、フィルタ部材７は、ヘリウム原子が通路を通過でき、一方、水分子は、フィルタ部材７を通過できないような寸法の通路を有する原子構造の材料からなる。フィルタ部材に関する他の必要条件は、原子力プラント内の一般的な環境に完全に耐える材料、つまり、そこに存在する冷却水や放射線の影響を受けない材料で構成しなければならない。ヘリウムは、上記のように原子半径が小さいので、ヘリウム原子を通過させる原子構造の材料を見つけることは難しくない。この結果、フィルタ部材７は、金属材料で構成することができる。金属は、原子が高密度に詰まった結晶構造を見せる。比較的大きい原子を有する金属または金属合金には、通常、結晶構造内にヘリウム原子が通過できる大きさの通路がある。なお、制御棒羽根２も金属材料から製造される。しかし、この材料は、ヘリウムおよびリチウムに対する通過許容量がフィルタ部材のこれらガスに対する通過許容量に比べて無視できるほど小さくなるような特性および／または厚さを有する。代替案として、フィルタ部材７は遷移金属の酸化物で構成することもできる。他の代替物には、酸化アルミニウムや酸化ケイ素がある。酸化アルミニウムは実質的に不水溶性であり、複数の結晶形態で存在する。酸化ケイ素は、多数の結晶形態だけでなく、アモルファス形態でも存在する。フィルタ部材７はまた、セラミック材料で構成することもできる。セラミック材料は、高温と厳しい化学的環境に耐えるという点で特徴づけられる。フィルタ部材７はまた、上記材料の混合物で構成してもよい。
【００１８】
本発明は、図面に基づいて説明した実施形態に決して限定されるものではなくて、請求項の範囲内で自由に修正することができる。本発明は、沸騰水型原子炉ＢＷＲの制御棒に限定されるものではなくて、加圧水型原子炉の制御棒に適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】沸騰水型原子炉の制御棒を示す。
【図２】本発明によるフィルタ部材を設けた制御棒の制御棒羽根を示す。
【図１】
2008512676.tif 000003
【図２】
2008512676.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成18年5月8日(2006.5.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰水型原子炉に用いる制御棒１は、  多数の燃料アセンブリを有する炉心内に設けられ、水からなる冷却剤と接触するように構成され、  原子力プラントの稼働中に中性子の吸収を可能にする吸収体材料４で満たされるよう構成された複数の穴３を備える制御棒羽根２を有し、  前記穴３は第１のチャンネル５によって接続され、  前記吸収体材料４は吸収プロセスの中で少なくとも１つのガス状物質を生成する特性を有し、  空間３へ周囲の水が拡散するのを防ぐと同時に、ガス状物質がフィルタ部材７を通って拡散し、その空間３から出るのを可能にする少なくとも１つのフィルタ部材７を有する、ことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項２】
前記フィルタ部材７は、水分子の寸法より小さい原子または分子で構成される物質だけがフィルタ部材７を通って拡散することが可能となるような寸法の通路を有する原子構造の材料からなることを特徴とする請求項１に記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項３】
前記フィルタ部材７の通路は、少なくともヘリウム原子が通過して拡散することが可能となるような寸法であることを特徴とする請求項２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項４】
前記フィルタ部材７は、金属材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項５】
前記フィルタ部材７は、遷移金属の酸化物で構成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項６】
前記フィルタ部材７は、セラミック材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項７】
前記フィルタ部材７は、制御棒１内で前記空間３と周囲環境との間の連結体を構成するような位置をとることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１つに記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項８】
前記フィルタ部材７は、前記空間３と前記周囲環境８との間に延在する既存のチャンネル５・６内で制御棒１に取り付けられることを特徴とする請求項７に記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項９】
前記フィルタ部材７は、前記制御棒１に溶接で取り付けられることを特徴とする請求項８記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項１０】
前記吸収体材料４は、ホウ素からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項１１】
前記吸収体材料４は、ホウ素同位体Ｂ１０を含むことを特徴とする請求項１０記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
【請求項１２】
前記フィルタ部材７は、前記制御棒羽根２内の第２のチャンネル６の出口開孔に設けられ、前記第２のチャンネル６は、第１のチャンネル５につなげられ制御棒羽根２の製造中に前記空間３の圧力試験を行うために使用されることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の沸騰水型原子炉用制御棒。  
【国際調査報告】
2008512676.tif 000005
2008512676.tif 000006
2008512676.tif 000007
2008512676.tif 000008