(57)【要約】      （修正有）【課題】原子炉構造材は炉心の下部に制御棒を収納するスペース、更にその下部に制御棒駆動機構のスペースが必要であり、核燃料集合体の約３倍の長さが必要である。この下部の部分を短縮し建設コストの削減及び発電コストを低減する。【解決手段】自走式制御棒４００は駆動部、推進部、固定部、受信機を内蔵するチタン合金またはステンレス製の支持棒４２０と中性子吸収材でもある銀-カドミウム電池を電源として内蔵する電池兼用制御棒翼４１０からなり、銀-カドミウム電池により駆動モータ４１１に直結するスクリュー４１２を外部からの信号を受信する受信機４４０により駆動し、先細吸水口４１９から水を吸い込み噴水ノズル４１３から水を噴出して上下に動き、丸棒ノッチ４２４により長期間固定位置に留まることができる。【選択図】図５
2008151625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動部、推進部、固定部、受信機を内蔵しているチタン合金またはステンレス製の支持棒(420)と中性子吸収材でもある銀-カドミウム電池を電源として内蔵している電池兼用制御棒翼(410)からなり、銀-カドミウム電池により駆動モータ(411)に直結せるスクリュー(412)を外部からの信号を受信する受信機(440)により駆動させ先細吸水口(419)から水を吸い込み噴水ノズル(413)から水を噴出して上下に動き、丸棒ノッチ(424) により長期間固定位置に留まれることを特徴とする自走式制御棒(400)。
【請求項２】
外部から上部格子板(3)の上または下を這って炉心に至る排給水管(540) が、中心円筒管(520)の内側に行きCR側排給水管(530)となり、CR側排給水管(530)に給水され排給水ノズル(531)からチタン合金製またはステンレスの中心円筒管(520)に放水し、中心円筒管(520)に支持されている炭化ホウ素（B4C）の焼結物薄板をチタン合金またはステンレスまたは炭素繊維で被覆した中性子吸収体である軽量制御棒翼(510)を中心円筒管(520)諸共に上昇させ、CR側排給水管(530)と中心円筒管(520)との間にある蛇腹ノッチ(532) により長期間固定位置に留まれることを特徴とする外部水圧駆動自走CR系(500)。
【請求項３】
中実中心構造材(620)に支持された中空のジルコニウム合金製矩形容器であるジルカロイ中空翼(613)の中にホウ酸水や5ホウ酸ナトリウム含有水といった液体中性子吸収材(612)が外部から吸収材管(610)を通って各翼放水管(611)から供給または排出し原子炉出力を調節することを特徴とする外部水圧駆動液体CR系(600)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉の制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
図1は沸騰水型原子炉(BWR)の原子炉内の構造を示した概観図である（非特許文献1）。原子炉の出力は核燃料物質を内蔵せる核燃料集合体の間を上下に動く制御棒により制御される。制御棒は原子炉圧力容器の下に配置せる制御棒駆動機構ハウジングの制御棒駆動装置により上下に動くことができる。
図2はBWRの炉心構造図である（非特許文献2）。核燃料物質を内包している核燃料集合体（30）の下端は炉心支持板(1)に装着されている着脱可能な核燃料支持金具(2)により支持され、上端はチャンネルボックス(35)を介して上部格子板(3)にもたれかけさせている。上部格子板(3)の格子の間の４体の核燃料集合体（30）の中央には上下に操作できる制御棒(100)があり原子炉を制御する。
核燃料集合体（30）と制御棒翼(110)を配置せる炉心平面部分図を図3に示した。制御棒翼(110)及び制御棒翼(110)を支持する支持構造材(120)は、図2の制御棒(100)の原子炉炉心内を上下する部分である。原子炉では、核燃料集合体（30）は制御棒側漏洩水通路（51）と制御棒と反対側漏洩水通路（52）を挟んで格子状に配列されている。核燃料棒（31）の間は冷却水通路（49）となっている。数本の核燃料棒（31）の代わりに水棒(36)を配する場合がある。
【非特許文献１】：原子力安全研究協会(編)、平成4年「軽水炉発電所のあらまし」。
【非特許文献２】：原子力安全研究協会(編)、1998年「軽水炉燃料のふるまい」。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年、電力料金の低減が求められている。したがって、BWRによる発電コストの低減が求められている。
図1を見て分かるように、原子炉内の構造材のうち下部は制御棒を動かすための装置により、核燃料集合体（30）の約3倍の長さが必要である。この下部の部分を短くして建設コストを低減させて発電コストを低減したい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
制御棒(100)に、水中スクータのようにスクリューと駆動モータと動力源と制御信号受信器を装着することにより、制御棒(100)が自力で動けるようにする。
制御棒作動状況は中性子を監視するLPRM（局所出力領域モニタ）等の炉内計装系の表示で掴める。
【発明の効果】
【０００５】
核燃料集合体の設計が進み線出力密度が低減される傾向にある。その結果、制御棒に精緻な作動が要求されることが少なくなりつつある。本発明の制御系を使えば原子炉容器下部にあった制御棒駆動機構ハウジング等が除去できるため原子炉内の構造材の下部長さを短くすることができる。コスト低減ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
建設コストが安くその結果、発電コストの安いBWRが提供できた。
【実施例１】
【０００７】
図4は本発明の自走式制御棒を配置した原子炉の炉心平面部分図である。従来の制御棒翼(110)を電池兼用制御棒翼(410)に代え、支持構造材(120)を支持棒(420)に代えた。
図5は本発明の自走式制御棒(400)の概観図である。自走式制御棒(400)は駆動部、推進部、固定部、受信機を内蔵しているチタン合金またはステンレス製の支持棒(420)と中性子吸収材でもある銀-カドミウム電池を電源として内蔵している電池兼用制御棒翼(410)からなる。電源としての銀-カドミウム電池により駆動モータ(411)に直結せるスクリュー(412)を駆動させ先細吸水口(419)から水を吸い込み噴水ノズル(413)から水を噴出させ自走式制御棒(400)を上昇させる。丸棒ノッチ(424)は自走式制御棒(400)を長期間固定位置に留めるためにある。外部からの信号を受信する受信機(440)により自走式制御棒(400)は上下する。
図6は自走式制御棒(400)が上下する仕組みを詳しく説明するための図である。自走式制御棒(400)がチャンネルボックス(35)に固定されているストッパ(431)にぶつかり上昇を終了すると先端の丸い丸棒ノッチ(424)がチャンネルボックス(35)に固定されている固定爪(432)に引っかかり、自走式制御棒(400)はその高さに留まる。丸棒ノッチ(424)は、支持棒(420)内に固定されている固定駆動源(425)の静電気によるクーロン力またはソレノイドによる電磁力により可動子(422)を外向きに動かしバネ(423)を伸ばし丸棒ノッチ(424)を固定爪(432)の上に着座させる。自走式制御棒(400)が下から上昇する時に丸棒ノッチ(424)が固定爪(432)を下から通過する際に、丸棒ノッチ(424)の先端が固定爪(432)により擦られることによりバネ(423)が縮み丸棒ノッチ(424)が縮むため固定爪(432)を通過できる。全引き上げ状態から全挿入するには、電源としての銀-カドミウム電池から固定駆動源(425)へのスイッチを切ることにより可動子(422)はバネ(423)により丸棒ノッチ先端部諸共に支持棒(420)の中に格納され固定爪(432)を離れるため自走式制御棒(400)が落下する。更に、スクリュー(412)を逆回転させ噴水ノズル(413)から水を吸い先細吸水口(419)から水を噴出させ下向きの力を加えれば丸棒ノッチ(424)はバネ(423)が曲がって内側に曲がり強制的に落下する。冷却材喪失状態では浮力が減少するため自走式制御棒(400)の自重によりバネ(423)が曲がって丸棒ノッチ(424)は内側に曲がり落下する。固定爪(432)は融点が286℃を若干上回る低融点金属またはキュリー点が２８６℃を若干上回る永久磁石でチャンネルボックス(35)に固着されていて、事故時に高温になれば固定爪(432)が外れて自走式制御棒(400)は落下し全挿入される。固定爪(432)表面にテフロン（登録商標）加工(圧力が加わると摩擦が小さくなる)を施せば丸棒ノッチ(424)が外れ易くなり安全性が一層向上する。
近年のBWRの核燃料集合体(30)の線出力密度は低減されているため、従来のように高さ方向の出力分布を調節する必要がない。したがって、自走式制御棒(400)は全挿入か全引き上げで充分である。その他、燃焼反応度も小さくなっているため中性子吸収材料は少なくてすむため制御棒は軽量のもので充分である。
自走式制御棒(400)の操作は外部からの信号を受信機(440)で受信して操作される。各装置への信号を送る電線は耐熱被覆の銅線または導電性セラミックスからなる。
電源である銀-カドミウム電池の銀もカドミウムも中性子吸収材であるため銀-カドミウム電池は中性子吸収体の役目もする。
電源としては燃料電池や熱電半導体（高温側に微小のウラン235を敷設し、低温側は冷却材）も考えられる。中性子吸収体として軽量の炭化ホウ素（B4C）の焼結物薄板も考えられる。その他、外部電源線を上部格子板(3)に這わせて本発明の自走式制御棒(400)に導けば長期高出力の電源が得られるため固定爪(432)を除去し通常運転時にスクリュー(412)を回転させ自走式制御棒(400)を上部に浮かせておけば、事故時には外部電源を切れば自走式制御棒(400)は落下し制御棒挿入が確実に達成できる。
推進部として駆動モータ(411)とスクリュー(412)を用いたが、多数本の電熱コイルにより急激に発熱させれば水の蒸発による蒸気がジェット噴射となって噴水ノズル(413)から噴射される。可動部分のない推進装置であるため信頼性が高い。
【実施例２】
【０００８】
図7は本発明の外部水圧駆動自走CR系(500)の概観図である。軽量制御棒翼(510)は炭化ホウ素（B4C）の焼結物薄板をチタン合金またはステンレスまたは炭素繊維で被覆した中性子吸収体である。軽量制御棒翼(510)はチタン合金製またはステンレスの中心円筒管(520)に支持されている。中心円筒管(520)の中にCR側排給水管(530)がある。CR側排給水管(530)への排給水は外部から排給水管(540)を通って排水あるいは給水される。排給水管(540)は管接続口(541)部で着脱可能になっている。本図は、軽量制御棒翼(510)が炉心に全挿入されていた下部から上部に全引き抜きする状態を示した図である。外部からの水が排給水管(540)を通ってCR側排給水管(530)に給水されると水が排給水ノズル(531)から中心円筒管(520)に矢印の向きに放水される。すると、CR側排給水管(530)下部に固着されている下部ストッパ(533)に支えられていた中心円筒管(520)諸共に軽量制御棒翼(510)が上昇する。中心円筒管(520)に固着されている上部ストッパ(521)が排給水ノズル(531)の下端部に接触して軽量制御棒翼(510)の上昇は止まる。CR側排給水管(530)と中心円筒管(520)との間にあった蛇腹ノッチ(532)が図8に見るように中心円筒管(520) の外側に出て中心円筒管(520)を支える。ただし、水の流れはないため、水の流れを示す矢印はない。
図8は軽量制御棒翼(510)が炉心から全引き抜きされていた上部から下部に全挿入する状態を説明する図である。中心円筒管(520)内の水を矢印の向きに排給水ノズル(531)からCR側排給水管(530)に吸引した水を排給水管(540)を通って外部へ水を排水する。すると、中心円筒管(520)を支えていたCR側排給水管(530)上部に付いている蛇腹ノッチ(532)の蛇腹内の圧力が下がり蛇腹が縮まりノッチがCR側排給水管(530)内に引き込まれるため中心円筒管(520)諸共に軽量制御棒翼(510)が落下する。中心円筒管(520)下端が、CR側排給水管(530)下部に付いている下部ストッパ(533)に接触して、中心円筒管(520)諸共に軽量制御棒翼(510)の落下は止まる。図7に見る状態になる。ただし、水の流れはないため、水の流れを示す矢印はない。
なお、蛇腹ノッチ(532)は除去し、通常運転時にはCR側排給水管(530)には原子炉内水圧よりも若干高い水圧をかけておき、大部分の軽量制御棒翼(510)を炉心から全引き抜き状態にしておけば、万一、CR側排給水管(530)内の水圧が下がる事故が生じた場合でも中心円筒管(520)諸共に軽量制御棒翼(510)は炉心内に落下する。安全性は更に高まる。
駆動源として水圧を用いたが、水蒸気やヘリウムの気体でも同様である。
図9は外部水圧駆動自走CR系(500)を上から見た概観図である。外部から水を給水したり、外部に水を排出するための排給水管(540)は、上部格子板(3)の上または下を這って当該外部水圧駆動自走CR系(500)のCR側排給水管(530)に接続される。図7,8では省略した核燃料集合体(30)とチャンネルボックス(35)との位置関係を示した。
冷却材喪失事故では非常用冷却水の注入に使える。ホウ酸水や5ホウ酸ナトリウム混入水を注入すれば後備制御棒系も兼ねる。
【実施例３】
【０００９】
図10は本発明の外部水圧駆動液体CR系(600)の概観図である。中実中心構造材(620)に支持された中空のジルコニウム合金製矩形容器であるジルカロイ中空翼(613)の中にホウ酸水や5ホウ酸ナトリウム含有水といった液体中性子吸収材(612)が充填され、その液位により原子炉出力が調節される。液体中性子吸収材(612)は外部から吸収材管(610)を通って各翼放水管(611)から供給または排出される。
ジルカロイ中空翼(613)の上にはB4Cの様な固体の中性子吸収材からなる薄板数枚が畳まれた固体毒物スダレ(650)が格納されている。通常時には286℃を若干上回るキュリー点温度を持つ磁石または融点が286℃を若干上回る低融点金属で留められ畳まれた状態を維持しているが、事故時に高温になると留めが外れてスダレが開いた状態になり中性子を強く吸収する。
固体毒物スダレ(650)に浮きを敷設しておきジルカロイ中空翼(613)の中に純水を充填することにより固体毒物スダレ(650)の開き度合いを調節することにより原子炉出力を制御することもできる。事故時には外部に水を排出すれば固体毒物スダレ(650)は全開となり中性子を強く吸収し原子炉を緊急停止させることができる。
吸収材管(610)は、上部格子板(3)の上または下を這って当該外部水圧駆動液体CR系(600)の各翼放水管(611)に接続される。なお、吸収材管(610)は、図1の頂部スプレイ・ノズル近傍から当該外部水圧駆動液体CR系(600)の真上から持ってきてもよい。その場合は、蒸気乾燥器は外すか位置をずらす必要がある。気水分離器も外すか位置をずらすか、或いは気水分離器の中を吸収材管(610)が通過するようにする。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
近年、炭酸ガスによる地球温暖化抑止と石油高騰の抑止対策として原子力が注目されだしている。構造が簡単であるため現行炉へのバックフィットが可能であり早期実現が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】従来の沸騰水型原子炉(BWR)の原子炉内の構造の概観図。
【図２】BWRの炉心構造図。
【図３】核燃料集合体（30）と制御棒翼(110)を配置せる炉心平面部分図。
【図４】本発明の自走式制御棒を配置せる炉心平面部分図。
【図５】本発明の自走式制御棒(400)の概観図。
【図６】自走式制御棒(400)が上下する仕組みを示した図。
【図７】本発明の外部水圧駆動自走CR系(500)の概観図。
【図８】軽量制御棒翼(510)が上部から下部に全挿入する状態を説明する図。
【図９】外部水圧駆動自走CR系(500)を上から見た概観図。
【図１０】本発明の外部水圧駆動液体CR系(600)の概観図。
【符号の説明】
【００１２】
1は炉心支持板。
2は核燃料支持金具。
3は上部格子板。
30は核燃料集合体。
31は核燃料棒。
35はチャンネルボックス。
36は水棒。
49は冷却水通路。
51は制御棒側漏洩水通路。
52は制御棒と反対側漏洩水通路。
100は制御棒。
110は制御棒翼。
120は支持構造材。
400は本発明の自走式制御棒(400)の概観図。
410は電池兼用制御棒翼。
411は駆動モータ。
412はスクリュー。
413は噴水ノズル。
419は先細吸水口。
420は支持棒。
422は可動子。
423はバネ。
424は丸棒ノッチ。
425は固定駆動源。
431はストッパ。
432は固定爪。
440は受信機。
500は本発明の外部水圧駆動自走CR系(500)の概観図。
510は軽量制御棒翼。
520は中心円筒管。
521は上部ストッパ。
530はCR側排給水管。
531は排給水ノズル。
532は蛇腹ノッチ。
533は下部ストッパ。
540は排給水管。
541は管接続口。
600は本発明の外部水圧駆動液体CR系(600)の概観図。
610は吸収材管。
611は各翼放水管。
612は液体中性子吸収材。
613はジルカロイ中空翼。
620は中実中心構造材。
650は固体毒物スダレ。
【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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【図８】
2008151625.tif 000010
【図９】
2008151625.tif 000011
【図１０】
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