(57)【要約】【課題】沸騰水型原子炉の制御棒において、中性子吸収材のスウェリングおよびそれに伴う制御棒構造物の破損や、炉水汚染の可能性を抑制し、安全で寿命の長い制御棒を得る。【解決手段】ハフニウム酸化物中性子吸収体５は、二酸化ハフニウムの粉末または焼結体からなる中性子吸収材で構成する。  そして、原子炉用制御棒１００は、制御棒ブレード２に中性子吸収材充填孔５を形成し、この中性子吸収材充填孔５に二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）の粉末または焼結体からなるハフニウム酸化物中性子吸収体を充填させたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二酸化ハフニウムの粉末または焼結体からなる中性子吸収材で構成したことを特徴とするハフニウム酸化物中性子吸収体。
【請求項２】
制御棒ブレードに中性子吸収材充填孔を形成し、
この中性子吸収材充填孔に二酸化ハフニウムの粉末または焼結体からなるハフニウム酸化物中性子吸収体を充填させたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項３】
請求項２記載のハフニウム酸化物中性子吸収体を原子炉出力制御手段の構成要素として備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉の原子炉用制御棒。
【請求項４】
二酸化ハフニウムの粉末または焼結体からなるハフニウム酸化物中性子吸収体を制御棒ブレードを構成するシース内に収容して制御棒要素とし、この制御棒要素により原子炉出力制御を行う原子炉出力制御手段を構成したことを特徴とする沸騰水型原子炉の原子炉用制御棒。
【請求項５】
前記制御棒ブレードの制御棒構造材をジルコニウム合金とした請求項２から４のいずれか１項記載の沸騰水型原子炉の原子炉用制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は原子炉で使用する制御棒の安全性、長寿命化等を図る技術に係り、ハフニウム酸化物中性子吸収体のスウェリング、それに伴う制御棒構造物の破損や炉水汚染の可能性を抑制するハフニウム酸化物中性子吸収体および同吸収体を用いた原子炉用制御棒に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉等で使用される制御棒の中性子吸収体の多くは、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）を適用した構成となっている。炭化ホウ素の原材料は安価であるが、多くの中性子の速度に対する反応確率である熱中性子吸収断面積が大きいホウ素１０Ｂの場合には、このホウ素Ｂ中の自然存在比で２０％程度と低い。
【０００３】
寿命延伸のため、濃縮したホウ素「濃縮１０Ｂ」によるＢ４Ｃを適用した制御棒の利用も考えられているが、製造コスト等が膨大になる。
【０００４】
これに対し、熱中性子散乱断面積が大きい物質として、ハフニウムは有力な中性子吸収材料と考えられている。しかし、この中性子吸収材料であるハフニウムについては、ノジュラ腐食による塊状物の発生等により、炉水汚染やハフニウムの水素化、さらに照射成長によるひび割れが生じる可能性が認められている。
【０００５】
従来、上記の問題点に対し、例えばハフニウムの添加元素としてＳｎ，Ｆｅ，Ｚｒ等を調整して添加し、これにより耐食性を向上させたハフニウム合金（例えば、ハフニウム炭化物（ＨｆＣ２））が提案されている（特許文献１参照）。
【０００６】
また、二ホウ化ハフニウムおよび二酸化ハフニウム（２０％を上限とするハフニウム酸化物（ＨｆＯ２））を含む複合材料において、両材料の体積割合を設定することで、上記ノジュラ腐食の問題の改善を図る技術が開示されている（特許文献２参照）。
【０００７】
ところで、中性子吸収材料については、板状での使用をする場合には中性子照射成長による制御棒構造物への影響を無視することができない。
【０００８】
また、水素が過剰な炉水環境では、原子炉制御棒に用いられる中性子吸収材料に水素が吸収されて水素化物が作られ、体積膨張であるスウェリングが生じ、上記同様にひび割れが生じる可能性があることが知られている。
【０００９】
なお、制御棒構造物がステンレス鋼製の部材で構成されている場合には、中性子照射による照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）に対する感受性が高いため、上記のスウェリング現象がその発生要因の一つとなり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第３４８９４２８号公報
【特許文献２】特許第４３０６９６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、沸騰水型原子炉の制御棒において、中性子吸収材のスウェリングおよびそれに伴う制御棒構造物の破損や、炉水汚染の可能性を抑制し、安全で寿命の長いハフニウム酸化物中性子吸収体および原子炉用制御棒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上述した課題を考慮し、二酸化ハフニウムの粉末または焼結体からなる中性子吸収材で構成したことを特徴とするハフニウム酸化物中性子吸収体を提供するものである。
【００１３】
また、本発明は、上述した課題を考慮し、制御棒ブレードに中性子吸収材充填孔を形成し、この中性子吸収材充填孔に二酸化ハフニウムの粉末または焼結体からなるハフニウム酸化物中性子吸収体を充填させたことを特徴とする原子炉用制御棒を提供する。
【００１４】
また、本発明では、前記のハフニウム酸化物中性子吸収体を原子炉出力制御手段の構成要素として備えた沸騰水型原子炉の原子炉用制御棒を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ハフニウム酸化物を中性子吸収材とし、この中性子吸収材をジルコニウム合金による制御棒構造物へ充填することにより、材料の化学組成やミクロ組織が中性子照射の影響により変化することにより発生する応力腐食割れである照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）に対する感受性の低減が可能となる。
【００１６】
また、ハフニウム酸化物中性子吸収体のスウェリング、それに伴う制御棒構造物の破損や炉水汚染の可能性を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による原子炉用制御棒を示す部分断面図。
【図２】図１に示した原子炉用制御棒の水平断面図。
【図３】本発明の他の実施形態による原子炉用制御棒を示す水平断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、ハフニウム酸化物中性子吸収体およびそれを用いた原子炉用制御棒の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、沸騰水型原子炉における原子炉用制御棒構成の一例として、中性子吸収材充填孔を横向きに形成した横孔充填式の原子炉用制御棒を示す部分断面図であり、この制御棒の上部構造の一部を縦断面として示している。
【００２０】
本実施形態の原子炉用制御棒１００は、炉心への挿入および引抜き等の操作が、図示しない制御棒駆動機構で行なわれるもので、４枚のブレード２と結合部材３および上部構造物支持体４を主要な構成要素とする。
【００２１】
上部構造物支持体４の下端部には、横断面十字形の縦長な４枚の短冊状をなすブレード２…が連結されており、これらのブレード２…は内側（ウィング内側）を結合部材３で結合保持している。
【００２２】
各ブレード２は、中心部の結合部材３を介して対向する対をなす矩形の板状の制御棒構造物を構成している。
【００２３】
ブレード２を構成する制御棒構造物の材質については、一例としてジルコニウム合金材料が適用されている。ブレード２を構成する具体的なジルコニウム合金材料としては、例えば沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の燃料被覆管材料として用いられるジルカロイＩＩ、または燃料集合体のチャンネルボックス材料として用いられるジルカロイＩＶ等の合金があり、これらのジルカロイＩＩ、ジルカロイＩＶ等の合金を適用することが望ましい。
【００２４】
原子炉用制御棒１００の各ブレード２は、矩形の長手方向に沿って多数の横孔５が列状に配列され、各横孔５は短手方向（ウイング幅方向）に延びてウイング外側端側に開口し、中性子吸収材充填孔を構成している。横孔の中性子吸収材充填孔５に反応度を制御するハフニウム酸化物中性子吸収体６が充填される。
【００２５】
中性子吸収体６は、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）の粉末または焼結体からなる中性子吸収材で構成される。二酸化ハフニウムの粉末または焼結体からなる中性子吸収材を中性子吸収材充填孔５に供給することにより、中性子吸収材充填孔５にハフニウム酸化物中性子吸収体６が充填される。このハフニウム酸化物中性子吸収体６は原子炉用制御棒１００において、原子炉出力制御手段の構成要素として備えられる。
【００２６】
そして、ブレード２は、各横孔５に二酸化ハフニウムのハフニウム酸化物中性子吸収体６を装填し、ハフニウム酸化物中性子吸収体６が充填された後、各横孔５の外側端は閉塞棒としてのプラグ７で閉止される。プラグ７は各ブレード２の外側端部（ウイング外側端）にそれぞれ一体に設けられて原子炉用制御棒１００が構成される。
【００２７】
図２は、図１に示した原子炉用制御棒１００の各ブレード２の中性子吸収材充填孔５に、二酸化ハフニウムのハフニウム酸化物中性子吸収体６を充填した例を示す水平断面図である。
【００２８】
この図２に示す例では、原子炉用制御棒１００の中心部を構成する横断面十字形の結合部材３に各ブレード２が連結され、連結された各ブレード（ウイング）２の各中性子吸収材充填孔（横孔）５に二酸化ハフニウムのハフニウム酸化物中性子吸収体（材）６が収容される。各ブレード２の先端部はプラグ７によってそれぞれ閉止されている。なお、中性子吸収体６は二酸化ハフニウムの焼結体に代えて同じ二酸化ハフニウムの粉末体を用いることが可能である。
【００２９】
本実施形態では、ジルコニウム合金製制御棒構造物のブレード２の横孔（空孔）部分に、水には不溶な二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）が充填される。このように、ジルコニウム合金による制御棒構造物に水に不溶な二酸化ハフニウムの中性子吸収体６が充填されることにより、何らかの要因で制御棒構造物が炉水に暴露された場合においても、二酸化ハフニウムの中性子吸収体６は水と反応することが避けられる。
【００３０】
すなわち、制御棒構造物が炉水に暴露された場合においても二酸化ハフニウムの中性子吸収体６は水とハフニウム反応することが避けられ、材料の化学組成やミクロ組織が中性子照射の影響により変化することで、発生する応力腐食割れとしての照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）に対する感受性の低減が可能となる。
【００３１】
以上の構成を備えた本実施形態の原子炉用制御棒１００によれば、各ブレード２に二酸化ハフニウムを用いてハフニウム酸化物中性子吸収体６とすることにより、下記の具体的な種々の効果が奏することができる。
【００３２】
まず、二酸化ハフニウムは水に不溶であるため、何らかの要因で炉水に暴露された場合にも水と反応することがなく、固形物発生を伴うノジュラ腐食や水素スウェリングを要因とする制御棒構造物の破損を抑制することができる。
【００３３】
また、ハフニウムは元来、炭化ホウ素Ｂ４Ｃと異なり、核変換によるヘリウム生成がないことから、ガス生成によるスウェリングや中性子吸収材充填孔５の破損の可能性から開放される。
【００３４】
同様に、ハフニウム（Ｈｆ）を粉末または焼結体として用いることにより、中性子照射成長による中性子吸収材充填孔５の内壁破損を抑制することができる。
【００３５】
なお、ハフニウム（Ｈｆ）は金属粉末状態においては自然発火や粉塵爆発等の可能性があり、不安定で取扱いが難しいが、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）については安定であるため、取扱いも容易である。
【００３６】
また、二酸化ハフニウムの融点は２７５８℃と高温であり、ハフニウム金属の２２３３℃および炭化ホウ素の２０７６℃等よりも融点が高いため、冷却水の喪失時においても溶融しにくく、原子炉用制御棒１００としての安全性を向上させることができる。
【００３７】
なお、中性子吸収材充填孔５に装荷される二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）には、粉末もしくは焼結体を用いることが望ましい。
【００３８】
また、二酸化ハフニウムの総体積は中性子吸収材充填孔５の容積よりも小さくし、初期装荷状態で中性子吸収材充填孔５の内壁に自重以外の応力を付加しない量に設定して装荷することが望ましい。二酸化ハフニウムの中性子吸収体を焼結体にする場合には、微量の炭素を混入してもよく、これにより焼結性の向上が図れる。
【００３９】
また、本実施形態においては、４枚のブレード２…同士の連結については結合部材３を介して連結する構造としたが、これらのブレード２…については各ブレード２を直接連結した一体形の構造とすることが可能である。
【００４０】
なお、照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）の影響を無視することが可能な位置に配設される制御棒構造部材については、ジルコニウム合金に限られることはなく他の材質、例えば各種ステンレス鋼からなる構造部材を適用することが可能である。
【００４１】
図１および図２に示す原子炉用制御棒１００では、ブレード２の各横孔５に二酸化ハフニウムのハフニウム酸化物中性子吸収体６を充填させた横孔充填式の制御棒１００に適用した例を示したが、横孔充填式に代えて縦孔充填式の原子炉用制御棒に適用してもよい。
【００４２】
図３は、原子炉用制御棒の他の実施形態を示すものである。
【００４３】
この実施形態に示された原子炉用制御棒１００Ａは、二酸化ハフニウムのハフニウム酸化物中性子吸収体６を縦型のシース８に充填させた縦孔充填式の制御棒である。図１および図２に示された原子炉用制御棒１００と同じ構成には同一符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
この原子炉用制御棒１００Ａは図３に示すように、縦型のシース８が平断面形状において、深いＵ字状に形成され、このＵ字状シース８内に縦孔９の中性子吸収材充填孔を形成し、この縦孔９内に二酸化ハフニウムのハフニウム酸化物中性子吸収体６が収容される。ハフニウム酸化物中性子吸収体６を収容したＵ字状シース８により制御棒ブレード（ウイング）１０が構成される。ウイング１０を構成する４枚のシース８同士は、結合部材３で結合される。
【００４５】
Ｕ字状シース８内にハフニウム酸化物中性子吸収体６を直接収容する代りに、ジルコニウム合金製の中空被覆管をウイング幅方向に沿って列状に配列し、各中空被覆管内の中性子吸収材充填孔を形成する。この中性子吸収材充填孔にハフニウム酸化物である二酸化ハフニウムの粉末または焼結体からなる中性子吸収材を充填し、ハフニウム酸化物中性子吸収体６を充填させてもよい。さらに、Ｕ字状シース８内に図１および図２に示される矩形のブレード２を収容させてもよい。Ｕ字状シース８はジルコニウム合金あるいはステアリング鋼等で構成してもよい。
【００４６】
図３に示す原子炉用制御棒１００Ａにおいても、一実施形態に示された原子炉用制御棒１００と同等の効果を奏することができる。
【００４７】
以上の構成を備える制御棒構造によれば、ハフニウム酸化物である二酸化ハフニウムを中性子吸収材として備え、この中性子吸収材をジルコニウム合金等の制御棒構造物に充填することで、材料の化学組成やミクロ組織が中性子照射の影響によって変化する照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）に対する感受性の低減が可能となる。
【００４８】
また、二酸化ハフニウムは水に対する不溶性により、水との反応が起こることはなく、ノジュラ腐食や水素スウェリングを要因とする制御棒構造物の破損を抑制することができる。
【００４９】
また、ヘリウム生成がないことから、スウェリングやガス生成による中性子吸収材充填孔の破損への対処が確実に行なえるものとなる。
【００５０】
さらに、制御棒をハフニウム酸化物の粉末または焼結体として用いることで、中性子照射成長による中性子吸収材充填孔の内壁破損を抑制することができる。
【００５１】
また、安定な二酸化ハフニウムの適用によって加工時等の取扱いが容易となり、高融点の二酸化ハフニウムの適用により、冷却材喪失事故時に対する安全性を向上させることができる。
【００５２】
本発明の実施形態では、沸騰水型原子炉に適用される原子炉用制御棒について説明したが、この原子炉用制御棒は加圧水型原子炉に適用することができる。加圧水型原子炉では、制御棒構造材にブレードではなくロッド状機材が用いられる。
【符号の説明】
【００５３】
２…ブレード、３…結合部材、４…上部構造物支持体（ハンドル）、５…中性子吸収材充填孔、６…ハフニウム酸化物中性子吸収体、７…プラグ、８…Ｕ字状シース、９…縦孔、１０…ブレード、１００，１００Ａ…原子炉用制御棒。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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