沸水型核反应堆控制棒 【技术领域】
本发明涉及一种控制沸水型核反应堆控制棒，该控制棒用于在沸水型核反应堆中控制核反应堆的输出。现有技术
由于在沸水型核反应堆中的反应堆水包含由于暴露辐射通过水的分解而产生的例如氧和过氧化氢，众所周知，反应堆水为负电位，为反应堆中的结构体的腐蚀性环境。一个用于改善这种腐蚀性环境的常规技术在JP-A-9-222495(1997)中公开，其中将氢注入反应堆水中。
注入氢的方法对于水容易循环的核反应堆的部分是有效的，但是，认为该方法对水难以循环的部分的效果很小。例如，在用于沿控制棒轴向滑动控制棒的导引滚子组件中的销与销孔之间的间隙，是一个水很难循环到的部分。如果核反应堆的水流操作时间间隔不变，在该间隙潜在的腐蚀不会产生问题，然而，核反应堆地输出是增加的，控制棒在核反应堆中的停留时间间隔进一步延长，在该间隙处的潜在的腐蚀会产生问题。
作为改变这种间隙处的环境的方法，是设想通过简单地扩大该间隙来流转间隙部的水。然而，如果销与销孔之间的间隙简单地扩大，销不能固定在正确的位置，因此，采用导引滚子组件的控制棒的滑动功能大大降低。发明概述
本发明的目的是提供一种沸水型核反应堆控制棒，即使控制棒在核反应堆中的停留时间间隔进一步延长时，在通过导引滚子组件保持控制棒的滑动功能的同时，该控制棒确实可以改善导引滚子组件上间隙部内的腐蚀性环境。
为了实现上述目的，在根据本发明的沸水型核反应堆控制棒中，该沸水型核反应堆控制棒包括带有基本上十字形状横截面的连结杆，带有基本上U形横截面并连接到连结杆的各边的多个护套，设置在各护套内部的多个中子吸收棒，沿控制棒的轴向设置在护套的一端的手柄，和沿控制棒的轴向设置在护套的另一端的下部支承板或下降限速器，手柄、下部支承板和下降限速器中的至少一个装备滑动结构体(导引滚子组件)，该滑动结构体由销、销插入的销孔和沿轴向绕销旋转的滚子构成，使水在销与销孔之间的间隙里流动的空间(槽)配备在间隙附近。
优选地，上述空间配备在轴向方向上的两个位置上，一个在上游侧且另一个在下游侧。此外，优选地，空间的形成使得空间延伸到销的端部附近。
根据本发明，通过用于使水在间隙中流动的空间的作用，在间隙部中的水可有效地流转。从而，可以防止间隙中由于辐射暴露通过水的分解而产生的例如氧和过氧化氢的潜在的增加。因此，即使控制棒在核反应堆中停留的时间间隔延长，确实会改善在导引滚子组件中间隙部的腐蚀性环境。
此外，在没有形成空间的间隙中的部分，由于通过销孔使销定位在预定的位置，通过导引滚子组件可保持控制棒的滑动功能。此外，在控制棒的产物不够清洁时，通过核反应堆中的间隙部中水的流转，可获得清洁效果。附图简述
图1是根据本发明沸水型核反应堆控制棒的示意性结构图；
图2是沿图1中带箭头的线a-a看过去的视图；
图3A是沿图1中箭头X看过去的视图，是本发明的第一实施例中用于手柄的导引滚子组件的和导引滚子组件周围的具体结构；
图3B是沿图1中箭头Y看过去的视图，是本发明的第一实施例中用于手柄的导引滚子组件的和导引滚子组件周围的具体结构；
图3C是沿图3B中带箭头的线b-b的横截面图；
图3D是沿图3A中带箭头的线c-c的横截面图；
图4是表示测定冷却水流率与接受腐蚀试验的销的质量增长量之间的关系的检测实例的图表；
图5是表示测定腐蚀减小率与间隙横截面积之间的关系的检测实例的图表；
图6是用于描述与腐蚀有关的作用在手柄上的应力的视图；
图7A是沿图1中箭头X看过去的视图，是本发明的第二实施例中用于手柄的导引滚子组件的和导引滚子组件周围的具体结构；
图7B是沿图1中箭头Y看过去的视图，是本发明的第二实施例中用于手柄的导引滚子组件的和导引滚子组件周围的具体结构；
图7C是沿图7B中带箭头的线b-b的横截面图；
图7D是沿图7A中带箭头的线c-c的横截面图；
图8A是沿图1中箭头X看过去的视图，是本发明的第三实施例中用于手柄的导引滚子组件的和导引滚子组件周围的具体结构；
图8B是沿图1中箭头Y看过去的视图，是本发明的第三实施例中用于手柄的导引滚子组件的和导引滚子组件周围的具体结构；
图8C是沿图8B中带箭头的线b-b的横截面图；
图8D是沿图8A中带箭头的线c-c的横截面图；
图9是表示沸水型核反应堆控制棒的另一个实例的示意性结构图，其中下部支承板装备在图1中下降限速器的位置。优选实施例的详细描述
下面，将要参照附图描述根据本发明沸水型核反应堆控制棒的实施例。本发明控制棒是插入沸水型核反应堆中的反应堆芯中并控制核反应堆的输出。图1是本发明控制棒的示意性结构图，省略了控制棒轴向的中部。图2是沿图1中的箭头线a-a的视图，图2表示本发明控制棒插入在燃料通道盒之间的情况。
如图1所示，控制棒1构造成其横截面(垂直于轴向的横截面)基本上为十字形，并包括从轴心(中心轴)向四个方向伸出的四个叶片6。由不锈钢制成的手柄5设置在叶片6的上端，下降限速器2设置在叶片6的下端。
每个叶片6由基本上为U形的护套6a和设置在护套6a内部的中子吸收棒(中子吸收器)3构成，其中护套6a的两端连接到由不锈钢制成的设置在控制棒1的轴心的连结杆4上。每个叶片6在其侧面拥有许多数量的通孔6b，并设计成经这些通孔6b冷却水在叶片6中流过。连结杆4也构造成在其横截面上具有基本上十字形的形状。
手柄5通过焊接连接到连结杆4的上部，且下支承板2也通过焊接连接到连结杆4的下部。护套6a的上端部装配到手柄5的下部并通过焊接连接到手柄5的下部。护套6a的下端部也装配到下部支承板2的上部并通过焊接连接到支承板2的上部。中子吸收棒3排成一列地设置在手柄5和下部支承板2之间的区域中，也设置在各护套6a内部的区域中，并保持在所述区域中。作为用于护套6a的材料，例如使用不锈钢(SUS 304，SUS316L)。中子吸收棒3主要用于吸收反应堆芯中的热中子，因此使用例如B4C和Hf的材料。
如图2所示，控制棒1插入燃料通道盒7中，插入的量需要根据核反应堆的起动、运行和停止的各个状态进行调节。也就是，控制棒1需要沿轴向移动。为了帮助控制棒1沿轴向的动作，构成手柄5的四翼部中的每一个带有导引滚子组件(滑动结构体)，下降限速器2在围绕其周边的四个位置带有导引滚子组件。如图2所示的滚子8是导引滚子组件的一部分构成元件。
图2示出在手柄5处的滚子8接触在正方形柱状燃料通道盒7的外表面上的状况。通过应用这种滚子8，控制棒1可在不损坏控制棒1和燃料通道盒7的情况下容易地移动。为了简单起见，燃料通道盒7中燃料棒和护套6a中的部分中子吸收棒3从图2中省略。
现在，将参照图3A至3D详细描述本发明的第一实施例中的用于手柄5的导引滚子组件的和滚子周围的具体结构。图3A是沿图1中箭头X看过去的视图，图3B是沿图1中箭头Y看过去的视图，图3C是沿图3B中线b-b的横截面视图，图3D是沿图3A中线c-c的横截面图。
如图3B所示，圆形孔8a配备在手柄5的侧面，滚子8设置在圆形孔8a中并可以绕销9旋转。销9设置在垂直于控制棒1的轴向的方向上，使得滚子8的旋转方向(图3B中的垂直方向)与控制棒1的运动方向相一致。
如图3D所示，销9的左端部通过焊接固定到手柄5上，图3D中的标号15表示销9的焊接部。如图3C所示，在销9插入的销孔12的上部和下部带有槽10。也就是，两个槽10沿控制棒1的轴向方向设置在上游侧和下游侧，并靠近销9与销孔12之间的间隙。换句话说，在间隙的上游侧和下游侧，两个槽10与间隙相通。如图3D所示，槽10从靠近销9的端部的圆形孔8a形成。导引滚子组件(滑动结构体)由销9、销孔12和滚子8构成。
作为在手柄5上形成槽10的方法，可采用如电火花、钻孔和端铣加工。当进行电火花加工时，需要进行精加工以防止微裂的产生。当进行钻孔加工时，如果槽10的尺寸较小，销孔的加工可在销的加工之后进行，然而，如果槽的尺寸较大且先加工槽，就难于保证销孔的位置精度。此外，如果先加工销孔，由于钻头退向销孔，就难于保证槽的尺寸精度。因此，当槽较大时，优选的是先加工销孔，然后用端铣刀一点一点地加工槽。
当控制棒1置于核反应堆中时，冷却水沿控制棒1的轴向(图3C和3D中的垂直方向)流动。因此，通过应用如图3C和3D所示的两个槽10，必然引导水流16。也就是，槽10包含有使水在销9和销孔12之间的间隙中流动的功能(促进水在间隙中流动的功能)。在该实例中，从滚子8与圆形孔8a之间的空间的下部进入间隙的水经槽10流出，到达滚子8与圆形孔8a之间的空间的上部。
通过应用槽10，该槽10在销孔12的上部和下部形成所述的冷却水通道，在销9与销孔12之间的间隙中的水可有效地流转。因此，即使在核反应堆中控制棒1的停留时间间隔延长，围绕销9的间隙部的腐蚀性环境确实可以改进。从而增强了控制棒的坚固性，可增强控制棒的稳定性。此外，由于通过销孔12而使销9定位在预定位置，依靠间隙部中没有槽10的部位，通过导引滚子组件，可保持控制棒1的滑动功能。
现在，将说明槽10的优选尺寸。图4表示在销9设置在控制棒1的手柄5中的情况下，通过改变冷却水的流率而实施的腐蚀试验结果。横坐标表示控制棒周围的冷却水流率X，纵坐标表示腐蚀试验中销9的质量增长量Y。正质量增长量Y意味着由于腐蚀产物销9的质量已经增长。也就是，质量增长量Y表示销9的腐蚀量。
试验条件如下：销9的直径为3.18mm，销孔12的直径为3.2mm，销孔12的深度L2＝11mm(见图3D)，冷却水的温度288℃，冷却水中的溶解了的氧的浓度为3.2ppm。在销孔12的上部和下部的槽10的横截面轮廓为2mm宽×1mm深，图3D中L1约为7.9mm，而对于冷却水温度和溶解了的氧的浓度，采用实际核反应堆中的标准值。上述条件下，实施腐蚀试验200小时。
在图4中，符号△表示没有槽的情况，符号○表示带有槽的情况。在没有槽的情况下，销9与销孔12之间的间隙在其一侧为0.01mm，间隙的横截面积为0.1mm2，其中间隙横截面积可与实际核反应堆相比拟。在带有槽的情况下，间隙和槽的总横截面积为4.3mm2。
如图4所示，在没有槽的情况下，即使在冷却水流率X改变时，质量增长量Y也改变很小并停留在0.07mg。另一方面，在带有槽的情况下，质量增长量Y根据冷却水流率X的增加而减小。在该示例中，流率X与质量增长量Y之间的关系可近似为如图4中虚线所示的β(Y＝-0.769X+0.07)。也就是，图4示出没有槽的情况，该情况为实质上没有水流存在于销9与销孔12之间的间隙中，而对于带有槽的情况，该情况为水流存在于销9与销孔12之间的间隙中。
在实际的核反应堆中，存在在控制棒1和燃料通道盒7之间从底部到顶部流动的水流(流率：大于在0.2m/s以下)。为了在0.2m/s的流率下保持0mg的质量增长量，需要确定在负值大于-0.35mg/(m/s)时质量增长量Y相对于流率X的负变化率。这种边界线α(Y＝-0.350X+0.07)在图4中由实线示出。
图5是腐蚀减少率Z与间隙横截面积S之间的关系的测定结果。在此，间隙横截面积S代表销9与销孔12之间的间隙的横截面积和槽10的横截面积的总和。腐蚀减少率Z之间的关系可近似为Z＝-0.179S。为了获得大于-0.35mg/(m/s)的腐蚀减小率，从图5看出间隙横截面积S要确定为大于1.96mm2。考虑到实际的核反应堆中销9与销孔12之间的间隙为0.01mm(0.1mm2的间隙横截面积)，优选地将槽10的横截面积确定为大于1.86mm2。
现在，将解释通过在销孔12处设置槽10得到的另一个优点。在反应堆水不能循环的情况下，由于例如使水(反应堆水)在核反应堆中循环的泵出现故障，即使带有包括槽10的结构，腐蚀也可能快速增进。在这种示例中，潜在的腐蚀性产物在销9与销孔12之间的间隙中生长，将产生如图6所示使手柄5膨胀的力13。这里，图6表示与图3C一样的横截面，但省略了滚子8。
在该示例中，手柄5中产生破裂的部位在板厚最薄的部位5a，如果作用于部分15的应力14超过手柄5的构成材料的抗张应力，相信将要产生破裂。然而，根据本实施例，通过在销孔12处配备槽10，在出现上面提到的现象时，对于力13手柄5可容易地变形。因此，作用于部位5a上的应力14比没有配备槽10时减小到很小。也就是，即使在销9与销孔12之间的间隙里产生腐蚀，作用于部倍5a上的应力14可以减小，从而，在手柄5产生应力腐蚀破裂的可能性可以受到抑制。
考虑到由于使反应堆水循环的泵的故障造成的腐蚀而产生的潜在的应力14、和地震时可能施加的负载，如结合图4解释的4.3mm2的总横截面积是确定的优选值。相应于上述总横截面积的槽10的优选尺寸是2mm宽×1mm深。
这里，上面的讨论结果取决于如实际核反应堆中的销孔深度L2为11mm的情况。如果销孔深度L2较浅，总横截面积(即，槽10的横截面积)可相应于变浅的比率而减小。
现在，将参照图7A到7D述本发明的第二实施例中用于手柄5的导引滚子组件的和滚子周围的具体结构。图7A是沿图1中箭头X方向看过去的视图，图7B是沿图1中箭头Y方向看过去的视图，图7C是图7B中线b-b的横截面图，图7D是沿图7A中线c-c的横截面图。
本实施例对第一实施例的控制棒1的手柄5增加两个椭圆孔11。如图7B所示，椭圆孔11装备在销9的两端部。也就是，一个椭圆孔11装备在销9的顶端部(在图7B中的右端部)并与槽10和销孔12相连。另一个椭圆孔11装备在邻近销9的焊接部(在图7B中的左端部)15并也与槽10和销孔12相连。
还是在本实施例中，可充分引导如图7D中箭头所示的水流16，因此，可得到与第一实施例相同的优点。也就是，即使控制棒1在核反应堆中的停留时间间隔延长，无疑可以改善围绕销9的间隙部的腐蚀性环境。从而控制棒的坚固性得到加强，同时控制棒的稳定性也得到加强。
在本实施例中，由于椭圆孔11与槽10和销孔12相连，水流16的效果可比在第一实施例中的更容易达到，这使得有更多的优点。也就是，椭圆孔11具有促进水流在槽10和销孔12中流动的功能。此外，如图7D所示，除了来自圆形孔8a的水流16之外，还存在另外的直接流经椭圆孔11的水流16a。流经椭圆孔11的水流16a进一步促进水流16。通过该作用，销9周围的间隙部的腐蚀性环境可进一步改善。
此外，在第一实施例中，由于销孔12终止在销9的两端，如果由于循环反应堆水的泵的故障导致了腐蚀，如图6中所描述的应力14会在销9的两端部增加。然而，在本实施例中，由于椭圆孔11设置在销9的两端部，没有应力14作用在销9的两端部的部位5a。因此，即使由于泵的故障引起在销9与销孔12之间的间隙处的腐蚀，也可减小作用在间隙附近部位的应力14，这也有助于抑制应力腐蚀破裂产生的可能。
现在，将参照图8A到8D描述本发明的第三实施例中的用于手柄5的导引滚子组件的和滚子周围的具体结构。图8A是沿图1中箭头X看过去的视图，图8B是沿图1中箭头Y看过去的视图，图8C是沿图8B中线b-b的横截面图，图8D是沿图8A中线c-c的横截面图。在本实施例中，代替第一实施例中装备在手柄5上的槽10，在销9上装备槽10a。如图8C所示，槽10a设置在销9的上端部和下端部。也就是，两个槽10a沿控制棒1的轴向方向设置在上游侧和下游侧，同时邻近销9与销孔12之间的间隙。如图8D所示，槽10a从靠近销9部位的圆形孔8a形成。
还是在本实施例中，可充分引导如图8D中箭头所示的水流16，因此，可得到与在第一实施例中的同样的优点。也就是，即使在核反应堆中控制棒1的停留时间间隔延长，无疑可改善销9周围的间隙部的腐蚀性环境。从而增强了控制棒的坚固性，同时增强了控制棒的稳定性。此外，在本实施例中，通过在销9上装备槽10a，与第一实施例相比，更便于槽10a的加工，从而进一步减小控制棒的加工时间和加工费用。
此外，在上述实施例中，已经描述了在用于手柄5的导引滚子组件中的销的周围装备槽的实例，然而，在用于下降限速器2的导引滚子组件中的销的周围装备类似的槽时，也将获得上述同样的优点。此外，如图9示出的实例，当用于下部支承板2a的导引滚子组件中的销的周围设置类似的槽时，也将获得上述相同的优点。
根据本发明，即使在核反应堆中控制棒的停留时间间隔延长，在通过导引滚子组件保持控制棒的滑动功能的同时，无疑可改善在导引滚子组件中的间隙部位处的腐蚀性环境。