JP2000171581A - 原子炉用制御棒及び制御棒クラスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加圧水型原子炉の制御棒において、円滑挿入
性を損なうこと無く、制御棒案内管との干渉による摩耗
損傷を防止する。 【解決手段】 原子炉用制御棒３０は、上端が上部端栓
で密封されると共に下端が下部端栓３３により密封され
た被覆管３１及び被覆管３１内に収納された中性子吸収
材３７を有し、下部端栓３３は被覆管３１の中に挿入さ
れる内端部４３、略砲弾形形状の外端部４５及び被覆管
３１の外径と等しい外径を持つ中間部４１からなり、中
間部４１より細く形成された外端部４５の外面にクロム
メッキ４７が形成され、クロムメッキ４７に覆われた外
端部４５の最大外径が中間部４１の外径とほぼ等しくな
っている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉の制御棒に
関し、特に加圧水型原子炉に使用される制御棒の構造に
関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉用制御棒は、主として燃料集合体
から構成される原子炉炉心に挿入されるので、その構造
は燃料集合体の構造と密接に関係している。図９に加圧
水型原子炉用燃料集合体の構造の一例が示されている。
先ず、燃料集合体１の構造を概説すると、図において上
部ノズル２と下部ノズル４とは、互いに平行な複数の制
御棒案内管（制御棒案内シンブルとも称する。）６によ
って連結されている。制御棒案内管６には、正方形の格
子構造物である支持格子８が長手方向に間隔を置いて取
り付けられていて、支持格子８の格子開口に複数の燃料
棒９が１本づつ挿入されて支持されている。制御棒案内
管６に挿入されて使用される制御棒は、図１０に示され
るような制御棒クラスタ１０として組み立てられてい
る。制御棒クラスタ１０は、複数の細長い棒状体である
制御棒１１とスパイダー組立体１３とから構成されてい
るが、スパイダー組立体１３は図示しない制御棒駆動装
置の駆動軸に分離自在に連結されるハブ部１５と、そこ
から放射状に延出する複数のアーム部１７と、制御棒１
１を受け入れて固定するフィンガー部１９とを有してい
る。

【０００３】以上のような制御棒１１は、一般的に図１
１に示すような構造をしている。図において、中空のス
テンレス鋼管である被覆管２１の上端は上部端栓２３で
密封され、一方下端は砲弾形外形の下部端栓２５で密封
されている。被覆管２１の中には、中性子吸収材２７と
押さえばね２９とが収納されている。尚、上部端栓２３
には、スパイダー組立体１３のフィンガー部１９に挿通
される細径部と固定用ねじ部が形成されている。そし
て、被覆管２１の外表面には、範囲Ａについてクロムメ
ッキが施されている。図１２に被覆管２１と下部端栓２
５との接続部が拡大して示されている。下部端栓２５の
内端乃至上端が被覆管２１の内部に挿入され、溶接２８
により両者は固定されている。尚、符号２６がクロムメ
ッキである。

【０００４】以上のような制御棒クラスタ１０の制御棒
１１は、原子炉容器上蓋に設けらた制御棒駆動装置によ
って、炉心を構成する燃料集合体１の制御棒案内管６の
中への挿入長さを調節されて原子炉炉心の反応度を制御
する。又、現在の原子炉の運転においては定格出力運転
が多いので、制御棒クラスタ１０乃至制御棒１１は原子
炉炉心の上方にある制御棒クラスタ案内管の中に引き上
げられている割合が多い。このとき、制御棒１１の下部
端栓２５を含む下端部は、制御棒案内管６の中に入って
いる。

【０００５】又、上記の運転状態により適応するような
下端部構造を持つ制御棒も提案、使用されている。即
ち、図１３に示されるように、下部端栓３１によって被
覆管３３の下端が閉じられ、その中に直径が相対的に小
さい下部中性子吸収材３５が入れられている。その上に
更に、上部中性子吸収材３７が設けられている。このよ
うにして被覆管３３と上部中性子吸収材３７との間の隙
間に比し、相対的に大きい（図は誇張されている。）被
覆管３３と下部中性子吸収材３５の間の隙間は、相対的
に多い下部中性子吸収材３５の中性子吸収量による大き
い膨張を吸収している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】而して、制御棒案内管
の中を冷却材が上昇していき、制御棒の下端部に当た
る。制御棒は一般には長さが４メートル前後と長いもの
であり、径も小さいので振動しやすい。即ち、冷却材の
励起振動により制御棒が微少振動し、制御棒クラスタ案
内管や制御棒案内管と接触する。この状態が若干誇張し
て、概念的に図１４に図示されている。図１４におい
て、制御棒案内管６内で制御棒が傾き、現在の下部端栓
３１の形状寸法ではＰ部即ち被覆管３３と下部端栓３１
との接合部近辺において制御棒案内管６の内面に接し、
接触摩擦により下部端栓３１が摩耗し、これが進展して
被覆管３１の損傷を招来する虞がある。この対策とし
て、制御棒の上部の被覆管表面に耐摩耗性の良いクロム
メッキが施されているが、先端部乃至下端部においては
制御棒の挿入性等の観点からクロムメッキが施されてい
ない。このため、制御棒先端部の耐摩耗性は上部に比べ
劣るため、制御棒寿命を制約する要因となる。従って、
本発明は、制御棒の挿入性を確保するように制御棒と制
御棒案内管の間隔を最適に保持したまま、制御棒の下端
部の摩耗損傷が防止できる原子炉用制御棒を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】如上の課題を解決するた
め、本発明によれば、上端が上部端栓で密封されると共
に下端が下部端栓により密封された被覆管及び同被覆管
内に収納された中性子吸収材を有する原子炉用制御棒に
おいて、下部端栓は被覆管の中に挿入される内端部、先
細形状の外端部及び前記被覆管の外径とほぼ等しい外径
を持つ中間部からなり、前記中間部より細く形成された
前記外端部の外面にコーティング層が形成され、前記コ
ーティング層に覆われた前記外端部の最大外径が前記中
間部の外径とほぼ等しく形成される。

【０００８】又、本発明によれば、原子炉用制御棒は、
上端が上部端栓で密封されると共に下端が下部端栓によ
り密封された被覆管及び同被覆管内に収納された中性子
吸収材を有し、その下部端栓がその被覆管の中に挿入さ
れる内端部、略砲弾形形状の外端部及び被覆管の外径と
ほぼ等しい外径を持つ中間部から構成され、その被覆管
の下端部領域の外面及び下部端栓の外端部外面に表面硬
化処理が施されている。好適な表面硬化処理方法として
は、クロムメッキ、クロームナイトライド（物理蒸
着）、イオン窒化等があり，その硬さはビッカース硬さ
Ｈ_Vで約１０００が好ましい。

【０００９】更に又、別の本発明によれば、同様な構成
を持つ原子炉用制御棒において、下部端栓の中間部の軸
方向長さが相対的に大きく形成されており、使用時にこ
れを取り囲む制御棒案内管との傾斜接触部が被覆管の下
端面から十分に離れるように構成されていることを特徴
とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下添付の図面を参照して本発明
の実施形態を説明する。尚、従来のものに関する図面を
含め全図に亘り、同一部分には同一の符号を付すことと
する。先ず図１を参照するに、本発明による制御棒４０
は、ステンレス鋼製の被覆管４１と下部端栓４３とを有
し、これらは円周溶接４５により気密に固定されてい
る。図示はされていないが、被覆管４１の上端は従来の
ものと同様の上部端栓で密閉され、内部には中性子吸収
材４７が収納され、中性子吸収材４７と上部端栓との間
には押さえ用コイルばね（図示しない。）が設けられて
いる。更に、被覆管４１の外面にはクロムメッキ４９が
施されている。

【００１１】そして、下部端栓４３は、被覆管４１の外
径とほぼ等しい外径を持つ中間部５１と被覆管４１の下
端部にはめあい状態で挿入される内端部５３とを有す
る。この中間部５１の外径は、前記円周溶接４５が可能
な範囲で更に小さくしても良い。そして、略砲弾形の先
細外形形状を持つ外端部５５が中間部５１から延出し、
その外面にコーティング層即ちクロムメッキ５７が形成
されている。外端部５５がクロムメッキ５７で覆われた
下部端栓４３は、従来の下部端栓と略等しい外径形状寸
法を有し、クロムメッキ５７の外径は中間部５１の外径
と等しいか若干小さ目である。尚、外端部５５の最先端
部のクロムメッキは省略しても良い。図２にクロムメッ
キ４７を形成する前の下部端栓４３のブランク形状及び
これに連結された被覆管４１の状態が図示されている。
下部端栓４３の外端部５５は、クロムメッキ５７の厚さ
程度径が小さくされ、換言すれば細経化されている。

【００１２】以上説明した下部端栓構造を持つ制御棒４
０は、燃料集合体の制御棒案内管の中にある時、外径が
変わっていないから、各種試験の結果や経験に従って最
適に選択された制御棒案内管の内面とその外面との間の
間隙は最適に保持されていて、冷却材流励起振動は最小
に保持されると共に制御棒案内管の中の移動も円滑に行
なわれる。更に、冷却材流励起振動によって制御棒案内
管の内面に接触する下部端栓４３の外端部５５は、接触
部に硬質のクロムメッキ５７が形成されているので、摩
耗の発生及び進行が抑制される。従って、被覆管４１と
の連結部まで進む摩耗の進行は、大幅に抑制され、制御
棒の使用寿命が増大される。尚、クロムメッキの厚さ
は、予測される摩耗進行と必要な制御棒寿命とを勘案し
て適切に設定されると理解すべきである。

【００１３】更に、図３を参照して本発明の別の実施形
態を説明する。図３に示される制御棒６０は、被覆管６
１の内部の下端部に相対的に小さい直径の下部中性子吸
収材６３を有するもので、被覆管６１の下端部は下部端
栓６５によって閉じられている。被覆管６１の内部にお
いて、下部中性子吸収材６３の上方には上部中性子吸収
材６７が設けられ、図示はされていないが被覆管６１の
上端は上部端栓によって閉じられている。そして、下部
端栓６５は、被覆管６１の中に入り込んでいる内端部６
９，略砲弾形の外端部７３及びこれらの間に中間部７１
から形成され、中間部７１の外径は被覆管６１のそれと
ほぼ等しくなっている。そして中間部７１の上部棚に被
覆管６１の下端面が接するようになって両者は溶接され
ている。前述の制御棒６０の下部中性子吸収材６３の上
端から下方部分（図において）は、先端部Ｂとして認識
されるが、前述の溶接部の熱影響部を除いて、表面硬化
処理層であるクロムメッキ７５が施されている。このク
ロムメッキ７５の表面硬さは、Ｈ_Vが約１０００となっ
ている。

【００１４】前述した構成の制御棒６０において、被覆
管６１と下部端栓６５には同一のクロムメッキ７５が施
されているので、図示しない制御棒案内管への挿入性に
格別問題は生じない。そして、下端部Ｂのみが炉心上部
に挿入されているときが、制御棒案内管との相対傾斜角
が最大になるが、そのとき下部端栓６５のクロムメッキ
７５が制御棒案内管と接触することになるので、その部
分の摩耗が防止乃至抑制され、況や被覆管６１の下端部
へは進行しない。従って、制御棒６０の健全性が保持さ
れる。

【００１５】図３に示された構造から分かるように、下
部端栓６５は中実部材であり、それ自体の摩耗量が大き
くなっても、被覆管６１の内部に冷却材は入らないから
健全性は保持されるが、下部端栓の摩耗量自体をより小
さくするには、図４のような構造にすればよい。図４に
おいて、図３のものと同じ部分には同一の符号を付した
ので、変更部分のみを説明すると、制御棒８０の下部端
栓８１の外端部８３が細径になっており、その外面に相
対的に厚いクロムメッキ８５が施されている。但し、ク
ロムメッキ７５が施された被覆管６１の最大外径と、ク
ロムメッキ８５が施された下部端栓８１の最大外径は等
しく、制御棒６０、８０の形状寸法は同じである。従っ
て、同一部分が制御棒案内管に接することとなるが、制
御棒８０のクロムメッキ８５が厚いので、その分だけ摩
耗進行が遅くなり、相対的に長い間健全性が維持され
る。

【００１６】前述の２個の実施形態においては、制御棒
の下部端栓の外面に表面硬化処理乃至クロムメッキを施
して、摩耗の進行を抑制して健全性が保持される期間の
延長を図ったが、図５に示す実施形態のように下部端栓
の形状を変更するようにしても良い。本実施例において
も、図３のものと同一の部分には同一の符号を付し、同
一部分の説明の重複を避けることとする。図５に示され
た制御棒９０の下部端栓９１は、内端部６９，外端部７
３及び中間部９３から形成されている。中間部９３の外
径は、他の中間部と同様に被覆管６１の外径とほぼ等し
く、軸方向長さだけが相対的に長い。結果的に下部端栓
９１の全長も長くなっている。このような制御棒９０を
燃料集合体の制御棒案内管６内に挿入して傾斜させてみ
ると、図６に示すような状態になり、中間部９３がＱ部
で制御棒案内管６の内面と接触し、この部分から摩耗が
開始する。しかしながら、この開始点Ｑは、従来の構造
の対応点Ｐに比し、被覆管６１の下端部から離れてい
る。従って、摩耗が開始して進行するにしても、被覆管
６１に達するまでに比較的長い期間を要し、その分だけ
制御棒の健全性が維持される期間が長くなり、実用上同
等の作用効果が得られる。

【００１７】尚、前述の実施形態に係る制御棒４０、６
０、９０は、実際に使用される場合は、従来の場合と同
様に制御棒クラスタとして組み立てられる。この場合、
全部の制御棒を本発明によるものとしても良いが、図７
及び図８に、特に図８に示すように制御棒クラスタ１０
０の外周側に位置する制御棒を本発明による制御棒、例
えば制御棒４０、とし、内側の制御棒は従来型の制御棒
１１としても良い。制御棒クラスタの性格として、内側
の制御棒１１は摩耗する危険性が少ないので、摩耗損傷
が発生しない上に、制御棒クラスタ全体としての摩耗対
策によるコスト増大が最小に抑えられ、実用上極めて有
効である。制御棒クラスタ１００において、制御棒４０
は、制御棒６０又は制御棒９０としても良いことは勿論
である。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の本発明
によれば、制御棒案内管の内面に対する制御棒の下端部
の最適形状を変えることなく、下部端栓の下端部にクロ
ムメッキなどのコーティング層を形成したので、制御棒
の円滑挿入性を損なうこと無く冷却材流励起振動による
摩耗の発生及び進行が抑制され、制御棒の使用寿命を大
幅に増大することが出来る。。又、請求項２の本発明に
よれば、制御棒の下端部に位置する被覆管及び下部端栓
の外面に表面硬化処理を施しているので、摩耗が開始及
び進行が防止され乃至抑制されて、より長期にわたり制
御棒の健全性を維持することができる。更に又、請求項
３の本発明によれば、制御棒の下部端栓の形状を最適な
形状とし、制御棒案内管との接触部を被覆管より遠ざけ
たので、摩耗が開始して進行したとしても、被覆管に達
するまでに長期間を要し、より長期にわたり制御棒の健
全性を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の要部を示す部分断面図であ
る。

【図２】前記実施形態に係る制御棒の製作工程における
一段階を示す部分断面図である。

【図３】本発明の第２の実施形態を示す部分断面図であ
る。

【図４】前記第２の実施形態の一部を改変した改変実施
形態の部分断面図である。

【図５】本発明の第３の実施形態を示す部分断面図であ
る。

【図６】前記第３の実施形態の作用説明図である。

【図７】本発明による制御棒を部分的に使用した制御棒
クラスタの実施形態を示す一部切断立面図である。

【図８】図７に対応する制御棒クラスタの底面図であ
る。

【図９】本発明が適用される制御棒と組み合わされて使
用される燃料集合体の一部切り欠き斜視図である。

【図１０】従来の制御棒を使用した制御棒クラスタの立
面図である。

【図１１】従来の制御棒の構造を示す一部省略側面図で
ある。

【図１２】図１１の制御棒の部分拡大断面図である。

【図１３】他の従来の制御棒の部分断面図である。

【図１４】図１３の従来型制御棒の問題点を説明する部
分断面図である。

【符号の説明】

４０ 制御棒 ４１ 被覆管 ４３ 下部端栓 ４５ 円周溶接 ４７ 中性子吸収材 ４９ クロムメッキ ５１ 中間部 ５３ 内端部 ５５ 外端部 ５７ クロムメッキ ６０ 制御棒 ６１ 被覆管 ６３ 下部中性子吸収材 ６５ 下部端栓 ６７ 上部中性子吸収材 ６９ 内端部 ７１ 中間部 ７３ 外端部 ７５ クロムメッキ ９０ 制御棒 ９１ 下部端栓 ９３ 中間部 １００ 制御棒クラスタ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上端が上部端栓で密封されると共に下端
   が下部端栓により密封された被覆管及び同被覆管内に収
   納された中性子吸収材を有し、前記下部端栓は前記被覆
   管の中に挿入される内端部、先細形状の外端部及び前記
   被覆管の外径とほぼ等しい外径を持つ中間部からなり、
   前記中間部より細く形成された前記外端部の外面にコー
   ティング層が形成され、前記コーティング層に覆われた
   前記外端部の最大外径が前記中間部の外径とほぼ等しい
   ことを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 【請求項２】 上端が上部端栓で密封されると共に下端
   が下部端栓により密封された被覆管及び同被覆管内に収
   納された中性子吸収材を有し、前記下部端栓は前記被覆
   管の中に挿入される内端部、略砲弾形形状の外端部及び
   前記被覆管の外径とほぼ等しい外径を持つ中間部からな
   り、前記被覆管の下端部領域の外面及び前記下部端栓の
   外端部外面に表面硬化処理が施されていることを特徴と
   する原子炉用制御棒。
3. 【請求項３】 上端が上部端栓で密封されると共に下端
   が下部端栓により密封された被覆管及び同被覆管内に収
   納された中性子吸収材を有し、前記下部端栓は前記被覆
   管の中に挿入される内端部、略砲弾形形状の外端部及び
   前記被覆管の外径とほぼ等しい外径を持つ中間部からな
   り、前記中間部の軸方向長さが相対的に大きく形成され
   て制御棒案内管との傾斜接触部が前記被覆管の下端面か
   ら相対的に離れていることを特徴とする原子炉用制御
   棒。
4. 【請求項４】 スパイダー部材と同スパイダー部材に垂
   下支持された複数の原子炉用制御棒から構成され、前記
   スパイダー部材は中心部のハブ部と同ハブ部から放射状
   に延出し前記制御棒の上端部が取り付けられるフィンガ
   ー部を有する複数のアーム部とから構成され、前記フィ
   ンガー部の中の外周部に位置する該フィンガー部には請
   求項１乃至請求項３に記載された制御棒が取り付けられ
   ていることを特徴とする制御棒クラスタ。