(57)【要約】  本発明は、高融点金属の有孔性母材に中性子吸収性金属または金属合金が混入された改良型中性子吸収体を含む原子炉用グレイ棒制御集合体（ＧＲＣＡ）を提供する。原子炉は、各々が実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された多数の細長い燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って配置された複数の案内シンブル管とを有する複数の燃料集合体を備えている。ＧＲＣＡは、グレイ棒集合体を燃料集合体のシンブル管内で制御した態様で挿入して原子炉が発生する出力レートを制御するように構成されたスパイダ集合体を有する。各グレイ棒集合体は、細長い管状部材、第１の端部プラグ、第２の端部プラグ、管状部材内に位置する改良型中性子吸収体を有する。原子炉のデルタ出力は、比較的小さい百分比の中性子吸収性金属を中性子吸収体の高融点金属の有孔性母材に混入させ、吸収体をセグメント化してＧＲＣＡの複数の棒に分布させることにより改善される。
2011520092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉のグレイ棒制御集合体のためのグレイ棒集合体であって、
原子炉は各々が多数の実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された複数の細長い原子燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びるように配置された複数の案内シンブル管とより成る多数の燃料集合体を有し、グレイ棒制御集合体は半径方向に延びる複数のアームを備え、各グレイ棒を案内シンブル管のうちの１つのシンブル管の内部で移動させることにより原子炉が発生する出力レートを制御するよう構成されたスパイダ集合体を含んでおり、
グレイ棒集合体は、
第１の端部、第２の端部、内径及び長さを有する細長い管状部材と、
細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするように構成された第１の端部プラグと、
細長い管状部材の第２の端部に結合され、グレイ棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合されるように構成された第２の端部プラグと、
高融点金属の有孔性母材に中性子吸収性金属または金属合金が混入された中性子吸収体とより成るグレイ棒集合体。
【請求項２】
中性子吸収体は細長い管状部材の大部分の内部に複数のセグメントとして配置されている請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項３】
中性子吸収体の直径は細長い管状部材の内径と相対的に等価である請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項４】
グレイ棒制御集合体は２４本のグレイ棒集合体を含み、中性子吸収体は２４本のグレイ棒集合体のうちの１２本のグレイ棒集合体に亘って分布している請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項５】
中性子吸収体は、約４０％乃至約８０％の高融点金属と、約２０％乃至約６０％の金属または金属合金とより成る請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項６】
中性子吸収体は、約５０％乃至約７０％の高融点金属と、約３０％乃至約５０％の金属または金属合金とより成る請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項７】
中性子吸収体は、約６５％の高融点金属と、約３５％の金属または金属合金とより成る請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項８】
高融点金属はモリブデン、タングステン、ニオビウム及びジルコニウムより成る群から選択される請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項９】
高融点金属に混入される中性子吸収性金属または金属合金はそれぞれ銀または銀−インジウム−カドミウムである請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項１０】
高融点金属はモリブデンであり、モリブデンに混入される中性子吸収性金属は銀である請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項１１】
細長い管状部材内に複数のセグメントとして配置される中性子吸収体は円筒状ペレットの形状を有する請求項１のグレイ棒集合体。
【請求項１２】
原子炉のグレイ棒制御集合体であって、
原子炉は各々が多数の実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された複数の細長い原子燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びるように配置された複数の案内シンブル管とより成る多数の燃料集合体を有し、
グレイ棒制御集合体は、
複数の半径方向に延びるアームを有するスパイダ集合体と、
スパイダ集合体のアームに結合された複数のグレイ棒集合体とより成り、
各グレイ棒集合体は、
第１の端部、第２の端部、内径及び長さを有する細長い管状部材と、
細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするように構成された第１の端部プラグと、
細長い管状部材の第２の端部に結合され、グレイ棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合されるように構成された第２の端部プラグと、
高融点金属の有孔性母材に中性子吸収性金属または金属合金が混入された中性子吸収体とより成り、中性子吸収体が複数のグレイ棒集合体の中に分布するグレイ棒制御集合体。
【請求項１３】
中性子吸収体は細長い管状部材の大部分の内部に複数のセグメントとして配置されている請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項１４】
中性子吸収体の直径は細長い管状部材の内径と相対的に等価である請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項１５】
グレイ棒制御集合体は２４本のグレイ棒集合体を含み、中性子吸収体は２４本のグレイ棒集合体のうちの１２本のグレイ棒集合体に亘って分布している請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項１６】
中性子吸収体は、約４０％乃至約８０％の高融点金属と、約２０％乃至約６０％の金属または金属合金とより成る請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項１７】
中性子吸収体は、約５０％乃至約７０％の高融点金属と、約３０％乃至約５０％の金属または金属合金とより成る請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項１８】
中性子吸収体は、約６５％の高融点金属と、約３５％の金属または金属合金とより成る請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項１９】
高融点金属はモリブデン、タングステン、ニオビウム及びジルコニウムより成る群から選択される請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項２０】
高融点金属に混入される中性子吸収性金属または金属合金はそれぞれ銀または銀−インジウム−カドミウムである請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項２１】
高融点金属はモリブデンであり、モリブデンに混入される中性子吸収性金属は銀である請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項２２】
細長い管状部材内に複数のセグメントとして配置される中性子吸収体は円筒状ペレットの形状を有する請求項１２のグレイ棒制御集合体。
【請求項２３】
各々が軸方向長さを有する複数の細長い原子燃料棒と、
燃料棒を整列アレイ状に保持するために燃料棒の軸方向長さに沿って離隔した多数の実質的に横方向の支持格子と、
支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びる複数の案内シンブル管と、
複数の半径方向に延びるアームを有するスパイダ集合体及びスパイダ集合体のアームに結合された複数のグレイ棒集合体とを含み、各グレイ棒集合体を１つの案内シンブル管の内部で移動させて原子炉が発生する出力レートを制御するように構成されたグレイ棒制御集合体とより成り、
各グレイ棒集合体は、
第１の端部、第２の端部、内径及び長さを有する細長い管状部材と、
細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするように構成された第１の端部プラグと、
細長い管状部材の第２の端部に結合され、グレイ棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合されるように構成された第２の端部プラグと、
高融点金属の有孔性母材に中性子吸収性金属または金属合金が混入された中性子吸収体とより成り、中性子吸収体は細長い管状部材の大部分の内部に複数のセグメントとして配置され、中性子吸収体の直径は細長い管状部材の内径と相対的に等価であり、中性子吸収体が複数のグレイ棒集合体の中に分布されている原子炉。
【請求項２４】
グレイ棒制御集合体は２４本のグレイ棒集合体を含み、中性子吸収体は２４本のグレイ棒集合体のうちの１２本のグレイ棒集合体に亘って分布している請求項２３の原子炉。
【請求項２５】
中性子吸収体は、約６５％の高融点金属と、約３５％の金属または金属合金とより成る請求項２３の原子炉。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
【発明の分野】
【０００２】
本発明は、一般的に、原子炉に係り、さらに詳細には、グレイ棒制御集合体（ＧＲＣＡ）のグレイ棒集合体に含まれる改良形中性子吸収材に係る。
【関連技術の説明】
【０００３】
現代の炉心の燃料集合体は通常、反応度を制御するために２種類の棒制御集合体、即ち、棒クラスタ制御集合体（ＲＣＣＡ）及びグレイ棒制御集合体（ＧＲＣＡ）を使用する。これらの制御集合体は共に、複数の中性子吸収棒が上端部で共通のハブまたはスパイダ集合体に固着されたものである。棒の本体は一般的に、純粋な銀の吸収材または銀・インジウム・カドミウム合金の吸収材のような中性子吸収材を収納したステンレス鋼の管体であり、これらの棒が燃料集合体の案内シンブル管内を摺動し、スパイダ集合体の頂部近くの制御駆動機構が案内シンブル管内の棒の運動を制御する。このように、棒を制御された態様で挿入したり引き抜いたりして原子炉の出力レートが一般的に制御される。
【０００４】
原子力発電所の原子炉が発生する出力は、一般的に、炉心内で制御棒集合体を上下させることにより制御されるが、原子力発電所からの電気的出力の需要の変化に応じて原子炉の出力を変化させるのを通常、負荷追従と呼ぶ。この負荷追従には、例えば、米国特許第4,079,236号に記載されるように、運転上多くの問題がある。例えば、加圧水型原子炉（ＰWＲ）は、負荷追従時に反応度を制御する必要があり、出力レベルの変化に応じて生じる炉心内の軸方向出力分布の変化に対処しなければならない。
【０００５】
ＧＲＣＡは一般的に負荷追従運転に使用されるものであるが、その理由は、当該技術分野における通称が「グレイ棒」である、価値を減少させた制御棒より成るためである。グレイ棒は、原子炉冷却材中の可溶性ホウ素の濃度変化を必要とする化学的粗調整とは異なる反応度機械的粗調整（ＭＳＨＩＭ）機構を提供するものとして知られている。従って、グレイ棒を使用すると原子炉一次冷却材を日単位で処理する必要性が最小限に抑えられるため、運転が非常に単純化される。さらに詳細には、ＧＲＣＡは通常、スパイダに上端部が固着された２４本の小棒より成る。クラスタ内の２４本の小棒のうち４本だけが吸収棒であり、これら吸収棒内に収納される中性子吸収材は通常、約８０％の銀、約１５％のインジウム、約５％のカドミウムより成る。かかる設計には幾つかの問題点がある。
【０００６】
公知のＧＲＣＡの問題点の１つに、インジウム及びカドミウムが中性子断面積が比較的大きいために比較的短期間で減損するということがある。銀はインジウム及びカドミウムに比べると減損速度がやや遅く、最終的にカドミウムの非吸収性同位元素に変換する。棒価値が継続的に減少する結果、負荷追従時のＧＲＣＡの原子炉制御能力が低下する。さらに、銀とインジウムが他の金属への元素変換を起こすと吸収材の特性変化及び過度のスエリングが生じるが、これは長年、業界内において未解決の問題である。このため、ＧＲＣＡを度々交換しなければならない。
【０００７】
第２の問題点は、吸収棒を含む４本の案内シンブル管の近傍の燃料棒の局部的棒出力の変化に関連がある。詳述すると、吸収材は４本の小棒に局在化されているため、例えば棒を引き抜く時に燃料棒の通称デルタ出力と呼ばれる出力が急激に変化する。棒の引き抜きは燃料集合体からＧＲＣＡを引き抜くプロセスであり、その結果、ＧＲＣＡではデルタ出力が急激に変化する。
【０００８】
従って、公知のＧＲＣＡに通常付随する上記問題点を克服するグレイ棒集合体の改良型中性子吸収材が求められる。
【発明の概要】
【０００９】
上記及び他のニーズは、中性子吸収能力については空間的に一様であるが純粋な銀または銀−インジウム−カドミウム合金がその形状を保持する温度よりも実質的に高い温度まで機械的自己支持性があるグレイ棒制御集合体（ＧＲＣＡ）の改良型中性子吸収材に係る本発明により充足される。
【００１０】
本発明の１つの局面によると、原子炉のグレイ棒制御集合体のグレイ棒集合体が提供される。原子炉は、各々が多数の実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された複数の細長い原子燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びるように配置された複数の案内シンブル管とより成る多数の燃料集合体を有する。グレイ棒制御集合体は半径方向に延びる複数のアームを備え、各グレイ棒を案内シンブル管のうちの１つのシンブル管の内部で移動させることにより原子炉が発生する出力レートを制御するよう構成されたスパイダ集合体を含む。グレイ棒集合体は、第１の端部、第２の端部、内径及び長さを有する細長い管状部材と、細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするように構成された第１の端部プラグと、細長い管状部材の第２の端部に結合され、グレイ棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合されるように構成された第２の端部プラグと、高融点金属の有孔性母材に中性子吸収性金属または金属合金が混入された中性子吸収体とより成る。中性子吸収体は大部分の細長い管状部材の内部で複数のセグメントとして配置され、直径は細長い管状部材の内径と相対的に等価であり、長さは細長い管状部材よりも短いため、管状部材をシンブル管内に挿入する時中性子吸収体の放射線に露出される表面積が最小限に抑えられ、必要に応じて管状部材を撓曲が可能となる。中性子吸収体は複数のグレイ棒集合体の中に分布される。
【００１１】
本発明の別の実施例において、原子炉のグレイ棒制御集合体が提供される。原子炉は、各々が多数の実質的に横方向の支持格子により整列アレイ状に支持された複数の細長い原子燃料棒と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びるように配置された複数の案内シンブル管とより成る多数の燃料集合体を有する。グレイ棒制御集合体は半径方向に延びる複数のアームを備えたスパイダ集合体と、スパイダ集合体のアームに結合された複数のグレイ棒集合体とより成り、スパイダ集合体は、各グレイ棒を案内シンブル管のうちの１つのシンブル管の内部で移動させることにより原子炉が発生する出力レートを制御するよう構成されている。各グレイ棒集合体は、第１の端部、第２の端部、内径及び長さを有する細長い管状部材と、細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするように構成された第１の端部プラグと、細長い管状部材の第２の端部に結合され、グレイ棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合されるように構成された第２の端部プラグと、高融点金属の有孔性母材に中性子吸収性金属または金属合金が混入された中性子吸収体とより成る。中性子吸収体は細長い管状部材の内部でほぼ第１の端部寄りに複数のセグメントとして配置され、直径は細長い管状部材と相対的に等価であり、長さは細長い管状部材よりも短い。中性子吸収体は複数のグレイ棒集合体の中に分布される。
【００１２】
本発明のさらに別の局面において、各々が軸方向長さを有する複数の細長い原子燃料棒と、燃料棒を整列アレイ状に保持するために燃料棒の軸方向長さに沿って離隔した多数の実質的に横方向の支持格子と、支持格子を貫通し燃料棒に沿って延びる複数の案内シンブル管と、グレイ棒制御集合体とより成り、グレイ棒制御集合体は複数の半径方向に延びるアームを有するスパイダ集合体と、スパイダ集合体のアームに結合された複数のグレイ棒集合体とを含み、最新型のグレイ棒制御集合体は各グレイ棒集合体を１つの案内シンブル
管の内部で移動させて原子炉が発生する出力レートを制御するように構成された原子炉が提供される。各グレイ棒集合体は、第１の端部、第２の端部、内径及び長さを有する細長い管状部材と、細長い管状部材の第１の端部に結合され、案内シンブル管のうちの１つのシンブル管内への細長い管状部材の挿入を容易にするように構成された第１の端部プラグと、細長い管状部材の第２の端部に結合され、グレイ棒制御集合体のスパイダ集合体の半径方向に延びるアームの１つに結合されるように構成された第２の端部プラグと、中性子吸収体とより成る。
【００１３】
中性子吸収体は、高融点金属の有孔性母材に中性子吸収性金属または金属合金が混入されたものより成る。中性子吸収体は複数のセグメントとして配置され、細長い管状部材の大部分をほぼ充填する。中性子吸収体の直径は細長い管状部材の内径と相対的に等価である。中性子吸収体が複数のグレイ棒集合体の中に分布されている。
【００１４】
中性子吸収体は、好ましくは、約４０％乃至約８０％の高融点金属と、約２０％乃至約６０％の金属または金属合金、さらに好ましくは、約５０％乃至約７０％の高融点金属と、約３０％乃至約５０％の金属または金属合金、最も好ましくは、約６５％の高融点金属と、約３５％の金属または金属合金とより成る。
【００１５】
本発明の適当な高融点金属には、モリブデン、タングステン、ニオビウムまたはジルコニウムが含まれるが、これらに限定されない。
【００１６】
本発明の中性子吸収体の実施例には、例えば、高融点金属としてのモリブデンの有孔性母材と、高融点金属の孔のネットワークに混入された銀または銀−インジウム−カドミウム合金とが含まれる。高融点金属の有孔性母材は、例えば焼結により得られる。
【００１７】
本発明の中性子吸収体は、例えば（限定の意図なく）、正円の円筒状ペレットのような円筒状ペレットとして形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】垂直方向に短縮表示した燃料集合体と、その制御集合体とを、部分的に隠れたラインで示す立面図である。
【図２Ａ】燃料集合体から取り外した図１の制御集合体の部分断面立面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの制御集合体の制御棒スパイダ集合体の頂部平面図である。
【図３】本発明によるグレイ棒集合体の部分断面立面図である。
【図４】図３の線４−４に沿う断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
開示を簡略化するため、本発明をＡＰ１０００で商業的に知られた加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の炉心に関連して説明する。ＡＰ１０００は、ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーにより設計された原子炉である。ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーは米国ペンシルベニア州モンロービルに事業所を有する。ＡＰ１０００への言及は例示目的に限られ、本発明の範囲を限定するものではない。従って、本発明のＧＲＣＡの実施例は多種多様な他の原子炉にも利用可能である。
【００２０】
本明細書中で使用する、例えば上方、下方、頂部、底部、左、右のような方向を表す語句及びこれらの派生語句は図面に示す要素の方向に係り、特に断らない限り特許請求の範囲を限定するものではない。
【００２１】
本明細書中の、２またはそれ以上の部品が「結合」されるという説明は、これらの部品が直接または１またはそれ以上の中間的部品を介して結合されることを意味する。
【００２２】
本明細書中で使用する「数」は１及びそれより多い（即ち、複数）を意味するものである。
【００２３】
燃料集合体
図面、特に図１を参照して、該図は原子炉の燃料集合体を垂直方向において短縮し、参照番号１０で総括表示した立面図である。燃料集合体１０は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に用いるタイプであり、下端部の下部ノズル１２と、上端部の上部ノズル１６と、下部ノズル１２と上部ノズル１６の間を縦方向に延びて両端部をそれらに剛性的に固着された多数の案内シンブル管１８とを有する構造的躯体を有し、下部ノズル１２は原子炉炉心（図示せず）の下部炉心支持板１４上に燃料集合体１０を支持する。
【００２４】
燃料集合体１０は、さらに、案内シンブル管１８に沿って軸方向に離隔し、該シンブル管に取り付けられた複数の横方向格子２０と、格子２０により横方向に離隔した状態で支持された細長い燃料棒のアレイ２２とを有する。集合体１０はまた、中央にあって下部ノズル１２と上部ノズル１６の間を延び、それらに取り付けられた計装管２４を有する。部品の上述した配置から、燃料集合体１０は集合体の部品を損傷させずに容易に取り扱えるようにした一体的ユニットであることがわかるであろう。
【００２５】
上述したように、燃料集合体１０の燃料棒アレイ２２は燃料集合体の長さ方向に離隔した格子２０により互いに離隔した状態で保持される。各燃料棒２２は原子燃料ペレット２６を含んでおり、両端部は上端部プラグ２８及び下端部プラグ３０により閉じられている。ペレット２６は上端部プラグ２８と、ペレット積層体頂部の間に位置するプレナムばね３２により積層状に維持される。核分裂物質より成る燃料ペレット２６は原子炉の反応出力を発生させる元となる。水またはホウ素を含む水のような液体の減速材／冷却材は、下部炉心板１４の複数の流れ開口を介して燃料集合体へ上方に圧送される。燃料集合体１０の下部ノズル１２は、冷却材を燃料集合体の案内シンブル管１８を介して、また、燃料棒２２に沿って、上方に送ることにより、燃料棒内で発生する熱が抽出されて利用可能な仕事が得られるようにする。核分裂プロセスを制御するため、多数の、中性子吸収材のない制御棒３３及び中性子吸収材を有する制御棒３４が、燃料集合体１０の所定位置にある案内シンブル管１８内で往復移動可能である。上部ノズル１６の上方に位置するスパイダ集合体３９は制御棒３３、３４を支持する。
【００２６】
図２Ａ及び２Ｂは、図１の燃料集合体１０から取り外した制御棒集合体３６を示す。一般的に、制御棒集合体３６は、複数の半径方向に延びるアーム３８を備えた、内部にねじ山のある円筒状部材３７を有するが、これらのアームは図２Ｂに最も良く示されるようにスパイダ集合体３９を構成する。上述したように、各アーム３８には、中性子吸収材のない制御棒３３及び中性子吸収材を有する制御棒３４が相互接続されているため、制御棒集合体３６により制御棒３３、３４を案内シンブル管１８（図１）の内部で垂直方向に移動させると、全て周知の態様で燃料集合体１０（図１）内の核分裂プロセスが制御される。例示する制御棒集合体は以下に述べる改良型中性子吸収材を含むグレイ棒集合体３４を備えたグレイ制御棒集合体（ＧＲＣＡ）３６であるが、その点を除くと、上述した全ての事項は一般的に当該技術分野において周知である。
【００２７】
改良型ＧＲＣＡ
図２Ａ及び２Ｂを引き続き参照して、制御棒の一般的構成を説明する。上述したように、価値が低い棒またはグレイ棒により与えられるＭＳＨＩＭ（機械的粗調整）能力を利用するために、ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシーのＡＰ１０００型原子炉用の既存の制御集合体のような公知の制御棒集合体はＧＲＣＡを使用する。しかしながら、現在設計のＡＰ１０００型原子炉のＧＲＣＡは図２Ｂで略示する構成の
２４本の棒を有するものの、上述したように、これら２４本の棒のうち２０本はステンレス鋼（例えば、ＳＳ−３０４であるが、これに限定されない）製の水排除棒であり、４本だけが中性子吸収棒である。従って、本質的に全ての中性子吸収材はＧＲＣＡ内のただ４本の棒に局在化され隔離されている。
【００２８】
さらに、既存のＡＰ１０００の吸収材は約８０％の銀、約１５％のインジウム、約５％のカドミウムより成るＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収材より成る。この吸収材は公知の標準型全強度棒クラスタ制御集合体（ＲＣＣＡ）と同じであり、２４本の棒が全てＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄより成る。上述したように、インジウムとカドミウムは減損が速いことで知られている。ＲＣＣＡは出力動作時は炉心内で最小の時間を過ごす。従って、このような減損は問題ではない。しかしながら、ＡＰ１０００の機械的粗調整（ＭＳＨＩＭ）動作では、例えば、ＧＲＣＡは運転サイクルの最大半分にわたる時間の間炉心内に存在することが予想される。これらの運転状態では、吸収材の減損が速いため既存のＧＲＣＡを定期的に交換しなければならない。本明細書中で詳説するように、本発明の改良型ＧＲＣＡは、ほかの利点として、この減損が速いという問題を克服し、また、中性子吸収材を含む４本のグレイ棒を有する集合体を備えた伝統的なＧＲＣＡを炉心から引き抜く時に経験する望ましくない局部的出力スパイクを実質的に回避する。
【００２９】
二次元マルチグループ輸送理論によるシミュレーションもまた、例えば（そして限定することなく）、銀を混入させたモリブデンの高融点金属より成る本発明の中性子吸収体の実施例は、鋼製スペーサ・スリーブに取り囲まれた純粋な銀金属またはＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄの細線と、ほぼ同じ反応度価値を有する被覆とより成るグレイ棒と比べると減損による寿命及び集合体内のピーキングの両方の点で優れていることを示す。減損を計算すると、本発明の銀−モリブデンの中性子吸収体の例における銀のほぼ三分の一が目標とする寿命の終わりにおいてカドミウム108または110に変わることがわかる。しかしながら、グレイ棒集合体３４（図２Ａ、２Ｂ）の目標とする寿命全体にわたってモリブデンの百分比は本質的に一定であり、モリブデンの照射により生成される有意量の他の化学種はない。従って、照射後の本発明の銀−モリブデン中性子吸収体の物質構成は初期の構成とかなり似た状態を保つことが予想される。それとは対照的に、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金の小径例につき減損の計算をすると、照射による物質構成の相対的な変化はこれらの物質では同一の目標とする寿命につき有意に大きいことがわかる。
【００３０】
本発明による中性子吸収体１１０を有する改良型グレイ棒集合体３４を示す図３及び４を参照すると、上述した吸収体の減損をさらによく理解できるであろう。図３に示すように、グレイ棒集合体３４は、一般的に、炉心（図１）内における下端部である第１の端部４０と、第２の端部４２（例えば、図１の斜視図で上端部）とを有する。第１の、または下端部４０はテイパー付き端部プラグ４４を有する。かかるテイパーを付与する設計により燃料集合体１０（図１）の案内シンブル管１８（図１）への棒３４の導入が容易になる。第２の、または上端部４２は上端部プラグ４６を備えており、このプラグは、スパイダ集合体３９（図２Ａに最もよく示される）に公知の態様で（例えば、相補的な雄ねじ／雌ねじ螺着構成であるが、これに限定されない）係合及び固定する構造を有する。細長い管状部材４８は上端部プラグ４６と下端部プラグ４４の間を延びる。例示的な管状部材４８は３０４ステンレス鋼で作製したステンレス鋼の管体であるが、他の公知の、または適当な別の材料で作製した管体も考えられる。図示説明した例において、管体４８の外径５０は約０．３８インチ（０．９７ｃｍ）である。しかしながら、本発明の思想は広範囲の原子炉に使用される任意適当な内径を有するグレイ棒集合体に等しく適用可能であることがわかるであろう。
【００３１】
中性子吸収材１１０は、有孔性高融点金属の母材に中性子吸収性金属または金属合金に混入させたものより成る。高融点金属は、例えば、金属粉末を突き固め、焼結して、連続
する孔のネットワークが形成されるようにすることにより作成した後、中性子吸収性金属または金属合金を混入する。中性子吸収体１１０は、好ましくは、約４０％乃至約８０％の高融点金属と、約２０％乃至約６０％の中性子吸収性金属または金属合金、より好ましくは、約５０％乃至約７０％の高融点金属と、約３０％乃至約５０％の中性子吸収性金属または金属合金、そして、最も好ましくは、約６５％の高融点金属と、約３５％の中性子吸収性金属または金属合金とより成る。高融点金属は、例えば、モリブデン、タングステン、ニオビウムまたはジルコニウムでよい。上述したように、高融点金属はモリブデンであるのが好ましく、その高融点金属に混入される金属は、好ましくは、例えば銀である。あるいは、例えば、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄのような中性子吸収性金属合金を高融点金属に混入してもよい。
【００３２】
中性子吸収材１１０は、一般的に、図３に実尺によらずに示すように、管体４８の大部分の内部に複数のセグメント５８として配置するが、各セグメント５８は例えば円筒状ペレットの形であるのが好ましい中性子吸収体１１０より成る。細長い管状部材４８内において中性子吸収体１１０をセグメント化することにより、細長い管状部材４８に可撓性を付与して、細長い管状部材４８とシンブル管１８の間の摩擦力を減少させ、シンブル管１８内にグレイ棒集合体３４が完全に挿入されない可能性を減少することができる。
【００３３】
図４の断面図から最もよくわかるように、中性子吸収材１１０の直径５４は棒の管状部材４８の内径５０と相対的に等価である。図３の例における吸収体１１０の長さ５６は約１６６インチ（４２１．６４ｃｍ）である。尤も、グレイ棒３４の他の寸法もそうであるように、この値は本発明の範囲から逸脱することなく変えてもよい。
【００３４】
本発明の高融点金属は、その内部に混入される、即ち、銀金属または銀−インジウム−カドミウム金属合金が高融点金属の孔のネットワーク内に比較的小量、高融点金属内に混入される中性子吸収材の構造用コンポーネントとして働く。
【００３５】
本発明のグレイ棒集合体３４は例示的な中性子吸収体１１０を用いることにより原子寿命を延長する。これは、高融点金属、例えば約６５％のモリブデンの有孔性母材に混入される吸収材金属の百分比が、例えば銀３５％のように低いことによる。詳説すると、吸収材金属の百分比が低いため、高い局部的出力密度状態におけるバルク沸騰や、吸収体のスエリング並びにそれにより起こる被覆の割れが抑制される。本発明のＧＲＣＡ３６の全体設計はまた、一般的に、ＧＲＣＡ３６操作時における燃料棒２２の線形熱速度変化マージンを改善する。
【００３６】
実施例において、ＧＲＣＡ３６の２４本の棒３３、３４のうち、約、例えば、１２本の棒３４が実施例の中性子吸収体１１０を含み、残りの棒３３が実施例の中性子吸収体を含まないが、これは前述した既存のＡＰ１０００のようにただ４本の棒内にだけ吸収体を局在化させるものと対照的である。しかしながら、本発明の思想は中性子吸収体を含む棒３４と、含まない棒３３との他の任意適当な構成を有するグレイ棒３３、３４にも等しく適用可能であることがわかるであろう。
【００３７】
さらに、中性子吸収体１１０をほぼ棒３４に亘って一様に分布させてもよいが、こうすると、炉心からＧＲＣＡ３６を取り出す時の局部的燃料棒出力（デルタ出力）の変化が減少し、運転マージンが改善される。さらに、吸収材１１０を棒３４に亘って一様に分布させると、各棒３４内の吸収体１１０の量が減少し、これにより、各棒３４内で発生する熱量が減少し、高い局部的出力密度状態下でのシンブル管１８内のバルク沸騰の危険が抑制される。現在設計の４本のＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ吸収体と比べて、減少する吸収材１１０の正確な量は本発明を限定するものではない。
【００３８】
上記説明から、グレイ棒集合体３６の実施例は、高融点金属の有孔性母材に中性子吸収性金属または金属合金を混入させた全く異なる吸収材１１０であって、中性子吸収材を含む棒３４の内部の吸収体の量を減少させ、中性子吸収体１１０を棒３４の別個のセグメント５８に分布させ、また、中性子吸収体１１０を例えば、２４本の棒３３、３４のうち約１２本の棒３４に一様に分布させた吸収材１１０を含ませることにより、当該技術分野における上述した問題点に対処しそれを実質的に克服できるように再設計されている。
【図１】
2011520092.tif 000003
【図２Ａ】
2011520092.tif 000004
【図２Ｂ】
2011520092.tif 000005
【図３】
2011520092.tif 000006
【図４】
2011520092.tif 000007
【国際調査報告】
2011520092.tif 000008