Loading article…
制御棒は、原子炉において核燃料（ウランまたはプルトニウム）の核分裂速度を制御するために使用されます。制御棒の構成要素には、ホウ素、カドミウム、銀、ハフニウム、インジウムなどの化学元素が含まれており、これらの元素は崩壊することなく多くのニュートロンを吸収することができます。これらの元素は、さまざまなエネルギーのニュートロンに対して異なるニュートロン捕獲断面積を持っています。沸騰水型原子炉（BWR）、加圧水型原子炉（PWR）、重水型原子炉（HWR）は熱中性子で運転され、増殖炉は高速中性子で運転されます。各原子炉設計では、ニュートロンのエネルギースペクトルに基づいて異なる制御棒材料を使用できます。制御棒は、プロジェクト・プルートのような原子力航空機エンジンの制御方法として使用されています。
制御棒は原子炉の炉心に挿入され、核連鎖反応の速度を制御するために調整される。これにより、原子炉の熱出力、蒸気発生量、および発電所の電力出力が制御される。
挿入される制御棒の本数と挿入深度は、原子炉の反応度に大きな影響を与えます。反応度（実効中性子増倍率）が1を超えると、核連鎖反応の速度は時間とともに指数関数的に増加します。反応度が1を下回ると、反応速度は時間とともに指数関数的に減少します。すべての制御棒が完全に挿入されると、反応度は0をわずかに上回る程度に維持され、稼働中の原子炉は急速に減速して停止状態（シャットダウン状態）になります。すべての制御棒が完全に抜去されると、反応度は1を大きく上回り、原子炉は急速に高温になり、他の要因（温度反応度フィードバックなど）によって反応速度が減速されるまで続きます。一定の出力を維持するには、長期平均中性子増倍率を1に近い値に保つ必要があります。
新しい原子炉は、制御棒が完全に挿入された状態で組み立てられます。制御棒は、核連鎖反応を開始させ、所望の出力レベルまで増加させるために、炉心から部分的に引き抜かれます。中性子束は測定可能であり、反応速度と出力レベルにほぼ比例します。出力を増加させるには、一部の制御棒を一時的に少し引き抜きます。出力を減少させるには、一部の制御棒を一時的に少し押し込みます。反応度には他にもいくつかの要因が影響するため、一部の原子炉では、必要に応じて自動制御システムが制御棒を微量ずつ出し入れして補正します。各制御棒は、原子炉の特定の部分に他の部分よりも大きな影響を与えます。炉心の異なる部分で同様の反応速度と温度を維持するために、燃料配分の計算された調整を行うことができます。
欧州加圧水型原子炉や先進CANDU炉などの最新型原子炉の典型的な停止時間は、崩壊熱によって制限されるものの、90%の削減で2秒である。 制御棒は通常、制御棒集合体（商用PWRの場合、一般的に20本）として使用され、燃料要素内のガイドチューブに挿入されます。制御棒は炉心内で垂直に立つことが多いです。PWRでは、制御棒駆動機構が原子炉圧力容器のヘッドに取り付けられ、上から挿入されます。BWRでは、炉心上部に蒸気乾燥器が必要なため、制御棒を下から挿入する必要があります。
有用なほど高い中性子捕獲断面積を持つ化学元素には、銀、インジウム、カドミウムなどがある。その他の候補元素には、ホウ素、コバルト、ハフニウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムなどがある。 [ 1 ]また、高ホウ素鋼、[ a ]銀-インジウム-カドミウム合金、炭化ホウ素、二ホウ化ジルコニウム、二ホウ化チタン、二ホウ化ハフニウム、硝酸ガドリニウム、[ b ]チタン酸ガドリニウム、チタン酸ジスプロシウム、炭化ホウ素-六ホウ化ユーロピウム複合体などの合金や化合物も使用できる。[ 2 ]
材料の選択は、原子炉内のニュートロンエネルギー、ニュートロン誘起膨張に対する耐性、および要求される機械的特性と寿命によって左右される。棒は、ニュートロン吸収ペレットまたは粉末を充填したチューブの形状をとることができる。チューブは、ステンレス鋼、またはジルコニウム、クロム、炭化ケイ素、立方晶などの他の「ニュートロン窓」材料で作ることができる。B 15N（立方晶窒化ホウ素）。[ 3 ]
「燃焼性毒物」同位体の燃焼は、制御棒の寿命も制限します。これを軽減するには、ハフニウムなどの「非燃焼性毒物」元素を使用し、中性子を複数捕獲してから効果を失うようにするか、中性子吸収材をトリミングに使用しないようにすることが考えられます。例えば、ペブルベッド型原子炉や、燃料と吸収材のペブルを使用する新型リチウム7減速冷却原子炉などが挙げられます。
希土類元素の中には、優れた中性子吸収体であり、銀（埋蔵量約50万トン）よりも豊富に存在するものがあります。例えば、中性子捕捉値を持つイッテルビウム（埋蔵量約100万トン）と、その400倍も豊富なイットリウムは、ゼノタイム（Yb）（Yb 0.40 Y 0.27 Lu 0.12 Er 0.12 Dy 0.05 Tm 0.04 Ho 0.01）PO 4 [ 4 ]やケイビアイト（Yb）（Yb 1.43 Lu 0.23 Er 0.17 Tm 0.08 Y 0.05 Dy 0.03 Ho 0.02 ） 2 Si 2 O 7などの鉱物中に分離せずに一緒に見つけて使用することができ、コストを削減できます。[ 5 ]キセノンは気体としても強力な中性子吸収体であり、ヘリウム冷却原子炉の制御や（緊急）停止に使用できますが、圧力損失の場合や、特に炉心捕捉型原子炉の場合やナトリウムやリチウムが充填されている場合に、容器部分の周囲でアルゴンとともに燃焼保護ガスとして機能しません。核分裂で生成されたキセノンは、セシウムが沈殿して放射能がほとんど残っていない状態になるまで待ってから使用できます。コバルト59は、ガンマ線源として使用するためのコバルト60を回収するための吸収体としても使用されます。制御棒は、タングステン反射体と吸収体側を備えた太い回転棒として構成することもでき、バネによって1秒未満で回転が停止します。
銀-インジウム-カドミウム合金（一般的に銀80%、インジウム15%、カドミウム5%）は、加圧水型原子炉の制御棒材料としてよく用いられる。[ 6 ]材料のエネルギー吸収領域がやや異なるため、この合金は優れた中性子吸収材となる。機械的強度も高く、加工も容易である。高温水中での腐食を防ぐため、ステンレス鋼で覆う必要がある。[ 7 ]インジウムは銀ほど希少ではないが、高価である。
ホウ素は、一般的な中性子吸収材の一つです。¹⁰Bと¹¹Bの断面積が異なるため、同位体分離によって¹⁰Bを濃縮したホウ素を含む材料がよく用いられます。ホウ素の吸収スペクトルが広いことも、中性子遮蔽材として適している理由です。元素状のホウ素は機械的特性が劣るため、合金や化合物を使用する必要があります。一般的な選択肢としては、高ホウ素鋼や炭化ホウ素が挙げられます。後者は、加圧水型原子炉（PWR）と沸騰水型原子炉（BWR）の両方で制御棒材料として使用されています。¹⁰B / ¹¹Bの分離は、商業的にはBF₃を用いたガス遠心分離機で行われますが、ボラン製造で得られるBH₃を用いたり、エネルギー効率の高い溶融遠心分離機を用いて、分離したばかりのホウ素の熱を予熱に利用して直接分離することも可能です。
ハフニウムは、減速と冷却の両方に水を使用する原子炉にとって優れた特性を持っています。機械的強度が高く、加工しやすく、高温水中で腐食しにくいです。 [ 8 ]ハフニウムは、他の元素と合金化することができ、例えば、引張強度とクリープ強度を高めるためにスズや酸素と、耐食性を高めるために鉄、クロム、ニオブと、耐摩耗性、硬度、機械加工性を高めるためにモリブデンと合金化することができます。このような合金は、ハファロイ、ハファロイ-M、ハファロイ-N、ハファロイ-NM と呼ばれます。[ 9 ]ハフニウムは高価で入手が困難なため、民生用原子炉での使用は制限されていますが、一部の米海軍原子炉では使用されています。炭化ハフニウムは、融点が 3890 °C と高く、密度が二酸化ウランよりも高い不溶性材料として、溶融せずにコリウム を通して沈降させるためにも使用できます。
チタン酸ジスプロシウムは加圧水制御棒の評価を受けていました。チタン酸ジスプロシウムは、融点がはるかに高く、被覆材と反応しにくく、製造が容易で、放射性廃棄物を生成せず、膨張せず、ガスを放出しないため、Ag-In-Cd合金の有望な代替品です。ロシアで開発され、VVERおよびRBMK原子炉向けに推奨されているものもあります。[ 10 ]欠点としては、チタンと酸化物の吸収量が少ないこと、他の中性子吸収元素が既に高融点の被覆材と反応しないこと、クロム、SiC、またはc11B15Nチューブ内のKeiviit Ybなどの鉱物内のジスプロシウムの未分離成分を使用するだけで、膨張やガス放出なしに優れた価格と吸収量が得られることが挙げられます。
二ホウ化ハフニウムもそのような材料の一つです。単独で使用することも、ハフニウムと炭化ホウ素粉末の焼結混合物として使用することもできます。[ 11 ]
希土類元素の他の多くの化合物も使用できます。例えば、ユーロピウムやサマリウムボリドなどのホウ素を含むサマリウムは、すでに色彩産業で使用されています。[ 12 ]チタンに似た、吸収率の低いホウ素化合物で、安価なものとしては、モリブデンMo 2 B 5などがあります。これらはすべてホウ素で膨張するため、実際には炭化物や、2 つ以上の中性子吸収元素が一緒になった化合物など、他の化合物の方が優れています。タングステン、そしておそらくタンタルなどの他の元素も、ハフニウム[ 14 ]とほぼ同じ高い捕獲特性を持っているものの、逆の効果を示すことが重要です。これは中性子反射だけでは説明できません。明らかな説明としては、共鳴ガンマ線が核分裂と増殖の比率を増加させる一方で、ウランの捕獲を増加させるというものがあります。また、半減期が約26分の同位体235mUなどの準安定状態を超えるものもあります。
反応度を制御するその他の手段としては、（加圧水型原子炉の場合）原子炉冷却材に可溶性中性子吸収剤（ホウ酸）を添加し、定常運転中に制御棒を完全に引き抜くことで、炉心全体に均一な出力と中性子束分布を確保する方法がある。この化学的シムは、燃料ペレット内の可燃性中性子毒物の使用とともに、炉心の長期反応度の制御を補助するために使用され、[ 15 ]制御棒は原子炉出力の急速な変化（停止や起動など）に使用される。沸騰水型原子炉の運転者は、原子炉再循環ポンプの速度を変化させることで、炉心を通る冷却材の流れを利用して反応度を制御する（炉心を通る冷却材の流れが増加すると蒸気泡の除去が改善され、冷却材/減速材の密度が増加し、出力が増加する）。
ほとんどの原子炉設計では、安全対策として、制御棒は直接的な機械的連結ではなく、電磁石によって昇降装置に取り付けられています。つまり、停電時、あるいは昇降装置の故障により手動で操作された場合、制御棒は重力によって自動的に炉心まで落下し、反応を停止させます。このフェイルセーフ運転方式の顕著な例外は沸騰水型原子炉（BWR）で、緊急停止時には高圧の特殊タンクからの水を用いて油圧式で制御棒を挿入する必要があります。このようにして原子炉を迅速に停止させることをスクラムと呼びます。
SL-1爆発やチェルノブイリ原発事故など、原子力事故の原因として、管理ミスや制御棒の故障がしばしば挙げられてきた。 均質中性子吸収材は、核分裂性金属の水溶液が関わる臨界事故の管理によく用いられてきた。こうした事故のいくつかでは、ホウ砂（ホウ酸ナトリウム）またはカドミウム化合物がシステムに添加された。カドミウムは金属として核分裂性物質の硝酸溶液に添加することができ、酸中のカドミウムの腐食によってその場で硝酸カドミウムが生成される。
AGRのような二酸化炭素冷却炉では、固体制御棒が核反応を抑制できない場合、一次冷却系に窒素ガスを注入することができる。これは、窒素が炭素や酸素よりも中性子に対する吸収断面積が大きいため、炉心の反応性が低下するからである。
中性子エネルギーが増加すると、ほとんどの同位体の中性子断面積は減少します。中性子吸収の大部分はホウ素同位体10Bによるものです。ホウ素含有材料は、原子炉炉心近傍の物質の放射化を低減するための中性子遮蔽材としても使用できます。