JPH03215789A - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は複数の燃料集合体相互間の間隙部をぬって、下
方向から挿抜される沸騰水型原子炉用制御棒に係り、特
に挿抜動作を円滑に実施することが可能な原子炉用制御
棒に関する。

（従来の技術） 一般に沸騰水型原子炉（以下ｒＢＷＲｊという。）の炉
心は、第３図に示すように、断面が十字型の原子炉用制
御棒１と、その周囲を取囲むように配設された４体の燃
料集合体２とから成る炉心セル３を原子炉圧力容器４内
に多数配置して構成される。

各燃料集合体２は、第４図および第５図に示すように、
正方形の横断面を有する角筒状のチャンネルボックス５
内に多数の燃料棒６と水棒７とを、例えば縦横に８列ず
つ正方格子状に配列し、さらに各燃料棒６および水棒７
の上下端をそれぞれ上部タイプレート８、下部タイプレ
ート９に装着して構成される。

多数の燃料棒６および水棒７は軸方向に間隔をおいて配
設された複数のスペーサ１０に挿通され、離間配置され
る。また上部タイプレート８には操作用のハンドル１１
が固着されるとともに、チャンネルボックス５の軸方向
への移動を拘束するファスナ１２が装着される。

原子炉運転時には、各燃料集合体２の下部タイプレート
９下方に設けられているノズル１３から冷却水が流入し
、核反応によって発熱した各燃料棒６の表面において熱
交換しながら上部タイプレート８上部へ流出する。ここ
でノズル１３側を冷却水の上流側、上部タイプレート８
側を下流側と称している。

一方、従来の原子炉用制御棒１は第６図および第７図に
示すように、操作用ハンドル１４を一体に固着した先端
構造材１５と、末端構造材１６とを、十字状の横断面を
有する結合部材としてのタイロツド１７（センターポス
トと称することもある。）により結合し、これらの側縁
部に、深いＵ字状の横断面を有する長い金属製シース１
８を固着して４枚のウイング１９を形成し、各シース１
８内部に中性子吸収材２０を配置して構成される。

また先端構造材１５の両端部には、制御棒の移動経路を
案内するガイドローラ２１が付設される。

このガイドローラ２１は、先端構造材１５の厚さより大
きな直径を有するローラを、先端構造材１５の本体内に
回転自在に装着して構成される。

方末端構造材１６の下端部には、制御棒が落下した場合
の落下速度を規制するスピードリミツタ２２と、制御棒
駆動機構に接続するためのソケット２３とが配設される
。またウイング１９を構成する各シース１８の側面には
、冷却水をシース１８内部に流出入させるための通水孔
２４が多数穿設される。

従来、中性子吸収材としては一般に８４Ｃ粉末を細管内
に充填した中性子吸収棒が採用されていきたが、本願発
明者らは、Ｂ４Ｃに比較して寿命を飛躍的に延伸するこ
とができる長寿命型の原子炉用制御棒を開発し、実用化
に成功した。その原子炉用制御棒の詳細な構成および作
用効果については例えば特願昭６１−７８７４６号明細
書、図面において開示している。

この開示された原子炉用制御棒は、第６図および第７図
に示すように、中性子吸収板２０として、ハフニウム（
Ｈｆ）の金属板２０ａを各シース１８内に間隔をおき対
向させるように配置した構造を有するものである。対向
するハフニウム金属板２０ａは、複数の保持スペーサ２
５によって、空隙２６が一定幅に保持されるように固定
される。

また保持スペーサ２５は、ハフニウム金属板２０ａの荷
重をシース１８に担持させるサポートとしての機能と、
各シース１８の対向面を接合してウイング１９全体の構
造強度を高める機能とを有している。またハフニウム金
属板２０ａは、シース１８の軸方向に分割された複数の
金属板要素から構成される。

原子炉運転時には、対向したハフニウム金属板２Ｏａ間
に形成された空隙２６に炉水が流入し、この炉水は高速
中性子を減速する減速材としての機能およびウイング１
９を冷却する冷却材としての機能を発揮しながら、挿入
末端側（上流側）から挿入先端側（下流側）へ流れる。

各シース１８およびハフニウム金属板２０ａには多数の
通水孔２４が穿設されているため、炉水のシース１８内
への流入流出は極めて容易であり、冷却作用および中性
子減速作用は円滑に進行する。

このような原子炉用制御棒１は、各シース１８内に対向
配置した平板状の中性子吸収材の間に形成される空隙２
６に炉水を充満させ、この空隙部の炉水によって高速中
性子を減速しトラップする構成を有するため、トラップ
型制御棒と称されるに至った。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、第６図および第７図に示す従来の原子炉
用制御棒においては、炉心の燃料集合体相互間の間隙部
に挿抜する際に、シース１８が変形したチャンネルボッ
クス５に接触し円滑な挿抜操作が困難となるおそれが高
い。

第８図は従来のトラップ型の原子炉用制御棒１を炉心に
挿入した状態を示す平断面図である。チャンネルボック
ス５内には、下部タイプレート９側（上流側）から上部
タイプレート８側（下流側）に向って炉水が高速で流れ
るインチャンネルフローが形成される一方、チャンネル
ボックス５の外周でも炉水が緩速で流れるアウトチャン
ネルフローが形成される。インチャンネルフローには燃
料との熱交換によって蒸気が発生し、フローの上流側に
おいてアウトチャンネルよりも高い水圧を有している。

そのため運転時にチャンネルボックス５は常に内圧を受
けている。

この炉水による内圧と中性子照射効果による材料脆化と
が相乗し、チャンネルボックス５は、炉内における使用
期間が長期化するに従って破線で示すように、その側面
中央部が外方に膨出する一方、コーナ部では膨みは生じ
ないが逆に燃料集合体２の中心軸方向に向って若干変形
を起こす。

この変形はチャンネルクリープと呼ばれ多くの燃料集合
体に共通して起こる現象である。チャンネルクリープが
進行するとチャンネルボックス５の表面と制御棒１のシ
ース１８とが接触するようになり、原子炉用制御棒の挿
抜操作に支障をきたすこととなる。

チャンネルクリープの発生位置は、各部の寸法形状から
明らかなように、チャンネルボックス５の各側面中心線
Ｃから幅方向両側の領域である。

一方チャンネルボックス５に対向するシース１８は複数
の保持スペーサ１０によって強固に固定されている。保
持スペーサ１０はタイロッド１７側のものが側面中心線
Ｃから約３３ａｍの位置に配設される一方、ウイング１
９外側縁のもので約３０ｍｍの位置に配設される。この
ように保持スペーサ１０．１０間のスパンが小さいため
、両保持スペーサ１０．１０間のシース１８の剛性が非
常に大きく、チャンネルボックス５がクリープを起こし
て膨らんだ場合においてもその膨らみに沿ってシース１
８が変形することが少ない。したがってチャンネルボッ
クス５と制御棒１との接触抵抗が大きくなり、制御棒１
の円滑な挿抜動作が困難となるおそれがあった。

一方先端構造材１５の外縁でほぼ保持スペーサ１０の配
設位置に一致してガイドローラ２１が取り付けられてお
りこのガイドローラ２１は、チャンネルボックス５の膨
らみが生じる側面位置に当接しながら軸方向に転動する
ため、同様に制御棒の挿抜時に接触抵抗が高くなる欠点
がある。

さらに制御棒１の操作用ハンドル１４の垂直部分が、チ
ャンネルボックス５の側面中心線からタイロッド１７方
向に向って約２０１ＩＩＩ１の位置に固定されており、
この垂直部分の肉厚はシースの最大厚さとほぼ同じに設
定されている。そのため制御棒１の挿抜時にチャンネル
ボックス５の膨出部と軸方向に沿って接触し、同様に接
触抵抗を増大させる欠点がある。

このため従来は定期点検の際に各燃料集合体２のチャン
ネルボックス５の膨らみ状況を測定し、その値が所定値
を超えるものについては新規のチャンネルボックスに交
換していた。そのため大きな放射性廃棄物が多量に排出
することとなり、経済性のみならず、放射性廃棄物処理
に多大な労力を要するなどの問題点を生じていた。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
あり、挿抜動作を円滑に実施することが可能であり、長
期間にわたって使用することが可能な原子炉用制御棒を
提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明は、操作用ハンドルを一
体に固着した先端構造材と末端構造材とを結合部材で結
合し、上記先端構造材、末端構造材および結合部材の側
縁に横断面が深いＵ字状の金属製シースを固着してウイ
ングを形成し、上記シースの内部に間隔をおいて対向す
るように中性子吸収板を配設し、中性子吸収板の配設位
置を固定する複数の保持スペーサをシースの幅方向に設
けた原子炉用制御棒において、原子炉用制御棒を炉心に
挿入した場合にシースと対向する燃料集合体のチャンネ
ルボックスの変形領域を避けた、シースの幅方向両側縁
部に上記保持スペーサを配設し、上記変形領域は、チャ
ンネルボックス側面の中心位置から幅方向両側に少な《
とも３０ｍｍ離れた位置までの範囲に設定するとともに
、先端構造材および先端構造材に一体に固着された操作
用ハンドルの肉厚は、先端構造材近傍におけるウイング
の最大厚さより小さく設定する一方、制御棒挿抜時にチ
ャンネルボックス表面に摺接し、ウイングの移動方向を
案内するガイドパットを各ウイングの外側縁部に配設し
て構成する。

（作用） 上記構成に係る原子炉用制御棒によれば、シースと対向
する燃料集合体のチャンネルボックスの変形領域を避け
たシースの幅方向両側縁部に保持スペーサを配設してい
るため、保持スペーサ間のスパンが太き《なり、その間
のシースの圧縮に対する逃げが容易になる。そのため、
燃料集合体のチャンネルボックスがクリープ変形によっ
てシース側に膨出した場合においてもシースは膨らみに
沿って容易に変形する。したがって制御棒とチャンネル
ボックスとの接触抵抗は少なく、常に制御棒の挿抜動作
を円滑に行なうことができる。

特に保持スペーサを、チャンネルボックス側面の中心位
置から幅方向両側に少なくとも３０＋ｎｍ離れた変形領
域外に配設することにより、現行の標準寸法で形成され
たシースの圧縮力逃げを容易にすることができる。

また操作用ハンドルを含めた先端構造材の肉厚をウイン
グの最大厚さより小さくすることにより、制御棒とチャ
ンネルボックスとの接触が少なくなり、より円滑な挿抜
操作を行なうことができる。

また従来のガイドローラに換えて、各ウイングの外側縁
部にガイドバットを配設したことにより、案内部材とし
てのガイドパットの取付位置を、従来のガイドローラと
比較してより外側にすることができる。そのためガイド
バットとチャンネルボックスの膨出部との接触も少なく
なり、両者の接触抵抗をより低減することができる。

したがって原子炉の緊急停止時等において、チャンネル
クリープによる制御棒挿入動作に支障をきたすという問
題はほぼ解消される。

一方、シースの圧力逃げ特性が改良されるため、チャン
ネルクリープの変形許容範囲が拡大し、拡大相当分だけ
チャンネルボックスの使用期間を延ばすことが可能とな
り、変形したチャンネルボックスの交換頻度が低減され
、放射性廃棄物の発生量も減少するため、原子炉の運転
コストも削減することができる。

反対にチャンネルボックスの使用期間を従来通りに設定
した場合には、チャンネルボックス材料の肉厚を相対的
に薄くすこるとが可能となり、材料コストが低減される
とともに、減肉相当分だけより多くの炉水をシース内に
導入することが可能となる。その結果、中性子の減速効
果が向上し、チャンネル材による無駄な中性子吸収がな
くなり、燃料経済性がより高まる。さらに原子炉停止時
には、より多くの炉水を炉心に保持することができるた
め、未臨界度が高まり、原子炉をより安全に停止するこ
とができる。

（実施例） 次に本発明の一実施例について添付図面を参照して説明
する。第１図および第２図はそれぞれ本発明に係る原子
炉用制御棒の一実施例を示す要部平断面図、要部側面図
である。なお第３図〜第８図に示す従来例と同一要素に
は同一符号を付して、その重複する説明を省略する。

すなわち本実施例に係る原子炉用制御棒１ａは、操作用
ハンドル１４ａを一体に固着した先端構造材１５と末端
構造材１６とを結合部材１７で結合し、上記先端構造材
１５、末端構造材１６および結合部材１７の側縁に横断
面が深いＵ字状の金属製シース１８を固着してウイング
１９を形成し、上記シース１８の内部に間隔をおいて対
向するように中性子吸収板を配設し、中性子吸収板とじ
てのハフニウム金属板２０ａの配設位置を固定する複数
の保持スペーサ１ｏをシース１８の幅方向に設けた原子
炉用制御棒において、原子炉用制御棒を炉心に挿入した
場合にシース１８と対向する燃料集合体２のチャンネル
ボックスの変形領域Ｒを避けた、シース１８の幅方向両
側縁部に上記保持スペーサ１０を配設して構成される。

また変形領域Ｒは、チャンネルボックス５側面の中心線
Ｃの位置から幅方向両側に少なくとも３０ｍｍ離れた位
置までの範囲に設定される。すなわちタイロッド１７側
の保持スペーサ１０はチャンネルボックス５の側面中心
線Ｃから３３＋ｎｍ以上離れ、またウイング外側縁側の
保持スペーサ１０は側面中心線Ｃから３０＋ｎｍ以上離
れた位置に固定されている。

さらに先端構造材１５および先端構造材１５に一体に固
着された操作用ハンドル１４ａの肉厚は、先端構造材１
５近傍におけるウィング１９の最大厚さより小さく設定
する一方、制御棒挿抜時にチャンネルボックス５表面に
摺接し、ウイング１９の移動方向を案内するガイドパッ
ト２７を各ウィング１９の外側縁部に配設して構成され
る。

本実施例に係る原子炉用制御棒１ａによれば、シース１
８と対向する燃料集合体２のチャンネルボックス５の変
形領域Ｒを避けたシース１８の幅方向両側縁部に保持ス
ペーサ１０．１０を配設しているため、保持スペーサ１
ｏ間のスパンが大きくなり、その間のシース１８の圧縮
に対する逃げがよくなる。そのため、燃料集合体２のチ
ャンネルボックス５がクリープ変形によってシース１８
側に膨出した場合においても、シース１８は膨らみに沿
って容易に変形する。したがって制御棒１ａとチャンネ
ルボックス５との接触抵抗は少なく、常に制御棒１ａの
挿抜動作を円滑に行なうことができる。

特に保持スペーサ１０を、チャンネルボックス５側面の
中心位置Ｃから幅方向両側に少なくとも３０ｎｍ離れた
変形領域Ｒ外に配設することにより、現行の標準寸法で
形成されたシース１８の圧縮力に対する逃げを容易にす
ることができる。

また操作用ハンドル１４ａを含めた先端構造材の肉厚を
ウイング１９の最大厚さより小さくすることにより、制
御棒１ａとチャンネルボックス５との接触が少なくなり
、より円滑な挿抜操作を行なうことができる。

また従来のガイドローラ２１に換えて、各ウィング１９
の外側縁部にガイドパット２７を配設したことにより、
案内部材としてのガイドパット２７の取付位置を、従来
のガイドローラ２１と比較してより外側にすることがで
きる。すなわち従来のガイドローラ２１においては球形
のローラを軸支する回転軸をウイング内に埋め込む必要
があったため、ガイドローラ２１の取付位置は、チャン
ネルボックス５の変形領域Ｒに対向する位置になってい
た。しかしタイヤ状のガイドパット２７によれば第２図
に示すようにウイング１９の最外縁に取付けることも可
能であり、変形領域Ｒを回避して取付けることも容易で
ある。そのためガイドバット２７とチャンネルボックス
５の膨出部との接触も少なくなり、両者の接触抵抗をよ
り低減することかできる。

したがって原子炉の緊急停止時等において、チャンネル
クリープによる制御棒挿入動作に支障をきたすという問
題はほぼ解消される。

一方、シース１８の逃げ特性が改良されたため、チャン
ネルクリープの変形許容範囲が拡大し、拡大相当分だけ
チャンネルボックス５の使用期間を延ばすことが可能と
なり、その交換頻度が低減され、放射性廃棄物の発生量
も減少するため、運転コストも削減することができる。

反対にチャンネルボックス５の使用期間を従来通りに設
定した場合には、チャンネルボックス材料の肉厚を相対
的に薄くすることが可能となり、材料コストが低減され
るとともに、減肉相当分だけより多くの炉水をシース内
に導入することが可能となる。その結果、中性子の減速
効果が向上し、チャンネル材による無駄な中性子吸収が
なくなり、燃料経済性がより高まる。さらに原子炉停止
時には、より多くの炉水を炉心に保持することができる
ため、未臨界度が高まり、原子炉をより安全に停止する
ことができる。

なお操作用ハンドル１４ａは従来の操作用ハンドル１４
と比較して肉厚を低減したため、そのままでは強度低下
を招くが、第２図に示すように従来の操作用ハンドル１
４より幅を拡大することにより強度を補充することがで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り本発明に係る原子炉用制御棒によれば、
シースと対向する燃料集合体のチャンネルボックスの変
形領域を避けたシースの幅方向両側縁部に保持スペーサ
を配設しているため、保持スペーサ間のスパンが大きく
なり、その間のシースの圧縮力に対する逃げの特性が向
上する。そのため、チャンネルボックスがクリープ変形
によってシース側に膨出した場合においても、シースは
膨らみに沿って容易に変形する。したがって制御棒とチ
ャンネルボックスとの干渉および接触抵抗は少なく、常
に制御棒の挿抜動作を円滑に行なうことができる。

特に保持スペーサを、チャンネルボックス側面の中心位
置から幅方向両側に少なくとも３０ｍｍ離れた変形領域
外に配設することにより、現行の標準寸法で形成された
シースの圧縮力に対する逃げを充分に向上することがで
きる。

また操作用ハンドルを含めた先端構造材の肉厚をウイン
グの最大厚さより小さくすることにより、制御棒とチャ
ンネルボックスとの接触が少なくなり、制御棒のより円
滑な挿抜操作を行なうことができる。

また従来のガイドローラに換えて、各ウイングの外側縁
部にガイドパットを配設したことにより、案内部材とし
てのガイドパットの取付位置を、従来のガイドローラと
比較して、より外側にすることができる。そのためガイ
ドバットとチャンネルボックスの膨出部との接触も少な
くなり、両者の接触抵抗をより低減することができる。

したがって原子炉の緊急停止時等において、チャンネル
クリープによる制御棒挿入動作に支障をきたすという問
題はほぼ解消される。

一方、シースの圧縮力に対する逃げが向上するため、チ
ャンネルクリープの変形許容範囲が拡大し、拡大相当分
だけチャンネルボックスの使用期間を延ばすことが可能
となり、チャンネルボックスの交換頻度が低減され、放
射性廃棄物の発生量も減少するため、運転コストも削減
することができる。

反対にチャンネルボックスの使用期間を従来通りに設定
した場合には、チャンネルボックス材料の肉厚を相対的
に薄くすることが可能となり、材料コストが低減される
とともに、減肉相当分だけより多くの炉水をシース内に
導入することが可能となる。その結果、中性子の減速効
果が向上し、チャンネル材による無駄な中性子吸収がな
くなり、燃料経済性がより高まる。さらに原子炉停止時
には、より多くの炉水を炉心に保持することができるた
め、未臨界度が高まり、原子炉をより安全に停止するこ
とができるなど多くの効用を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る原子炉用制御棒の一実施例を示す
要部平断面図、第２図は第１図の要部側面図であり、従
来のガイドローラおよび操作用ハンドルをも併記した図
、第３図は沸騰水型原子炉の炉心構造を示す平断面図、
第４図は炉心セルの構成を示す平断面図、第５図は燃料
集合体を部分的に破断して示す斜視図、第６図は従来の
原子炉用制御棒の構造を示す斜視図、第７図は第６図に
おける■一■矢視部分平断面図、第８図は従来の原子炉
用制御棒を炉心に挿入したときの状態を示す平断面図で
ある。 ■，１ａ・・・原子炉用制御棒、２・・・燃料集合体、
３・・・炉心セル、４・・・原子炉圧力容器、５・・・
チャンネルボックス、６・・・燃料棒、７・・・水棒、
８・・・上部タイプレート、９・・・下部タイプレート
、１０・・・保持スベーサ、１１・・・ハンドル、１２
・・・ファスナー１３・・・ノズル、１４．１４ａ・・
・操作用ハンドル、１５・・・先端構造材、１６・・・
末端構造材、１７・・・結合部材（タイロッド）、１８
・・・シース、１９・・・ウイング、２０・・・中性子
吸収材、２０ａ・・・ハフニウム金属板、２１・・・ガ
イドローラ、２２・・・スピードリミッタ、２３・・・
ソケット、２４・・・通水孔、２５・・・保持スペーサ
、２６・・・空隙、２７・・・ガイドバット、Ｃ・・・
チャンネルボックスの側面中心線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 操作用ハンドルを一体に固着した先端構造材と末端構造
   材とを結合部材で結合し、上記先端構造材、末端構造材
   および結合部材の側縁に横断面が深いＵ字状の金属製シ
   ースを固着してウィングを形成し、上記シースの内部に
   間隔をおいて対向するように中性子吸収板を配設し、中
   性子吸収板の配設位置を固定する複数の保持スペーサを
   シースの幅方向に設けた原子炉用制御棒において、原子
   炉用制御棒を炉心に挿入した場合にシースと対向する燃
   料集合体のチャンネルボックスの変形領域を避けた、シ
   ースの幅方向両側縁部に上記保持スペーサを配設し、上
   記変形領域は、チャンネルボックス側面の中心位置から
   幅方向両側に少なくとも３０ｍｍ離れた位置までの範囲
   に設定するとともに、先端構造材および先端構造材に一
   体に固着された操作用ハンドルの肉厚は、先端構造材近
   傍におけるウィングの最大厚さより小さく設定する一方
   、制御棒挿抜時にチャンネルボックス表面に摺接し、ウ
   イングの移動方向を案内するガイドパットを各ウイング
   の外側縁部に配設したことを特徴とする原子炉用制御棒
   。