JP2006317289A

JP2006317289A - 制御棒駆動機構

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Publication number: JP2006317289A
Application number: JP2005140363A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Katayama; 義紀片山; Motoji Tsubota; 基司坪田; Mitsuharu Nakamura; 光晴中村; Yoshiaki Saito; 善章斉藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】制御棒駆動機構のカップリング機構に係り、原子炉運転中の高温高圧水環境下における経年的靭性の低下を抑制する。
【解決手段】本発明は、原子炉炉心に挿入引抜動作して出力制御を行う制御棒集合体３と、この制御棒集合体３の上端に連結して原子炉運転時にはその制御棒集合体３を昇降動作させ、制御棒集合体３との着脱は制御棒集合体３に対して所定角度旋回することによって行う制御棒駆動機構４において、制御棒駆動機構４のカップリング１１の材料として、重量％でＣｒを１２％以上、Ｎｉを４％以上、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下を含み、Ｍｏを０．１〜４％添加し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる材料を使用することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、加圧水型原子炉の制御棒駆動機構に使用されるカップリング機構の材料を改質した制御棒駆動機構に関する。

わが国では、軽水炉として加圧水型原子炉が稼動している。この加圧水型原子炉において、原子炉内の中性子を制御するために、制御棒集合体が制御棒駆動機構により駆動され原子炉内に挿入される。

この加圧水型原子炉の概略構成を図１により説明する。

原子炉圧力容器１内に多数の燃料集合体２と制御棒集合体３が装荷されて炉心部が形成されている。制御棒集合体３は制御棒駆動機構（以下、ＣＲＤという。）４により炉心部へ挿入又は引抜き操作されて、その操作設定位置を適宜調整することによって原子炉の出力制御が行われる。ＣＲＤ４は原子炉圧力容器１の上部鏡板に複数配設されている。

このＣＲＤ４と制御棒集合体３のカップリング（連結）機構の構成の概要を図２〜図５により説明する。

ＣＲＤ４の下端に設けられたカップリング１１と制御棒集合体３上端のソケット２１を用いることにより、ＣＲＤ４と制御棒集合体３とがカップリング（連結）させる。このカップリング１１には、図３に示すように、周方向等間隔に配置された４本の縦長な係合片１３が設けられている。その係合片１３下部片側は曲面状の曲面部１４が形成されており、もう片方の面は平面状の平面部１５が形成されている。

ソケット２１には、図４に示すように、カップリング１１と同様に周方向等間隔に配置された４本の縦長な係合片２２が設けられている。また、ソケット２１内には、ストップピン２３が正常に結合されていることを確認する目的で設けられている。

図５は、カップリング１１をソケット２１に挿入した状態を上方から見たものである。カップリング１１は、ソケット２１に挿入した後で反時計方向に係合片１３の平面部１５がストップピン２３に当るまで１０°旋回することができる。また、時計方向には曲面部１４がストップピン２３に当るまで４５°旋回することができる。

次にＣＲＤ４と制御棒集合体３の結合手順について示す。まず、カップリング１１をソケット２１に挿入し、カップリング１１を時計方向に４５°、すなわちストップピン２３に係合片１３の曲面部１４が当るまで旋回させる。次にカップリング１１を反時計方向に５５°、係合片１３の平面部１５が当るまで旋回させる。次にカップリング１１を時計方向に４５°旋回させることにより、結合を完了する。

次に結合を解除する方法について説明する。まず、カップリング１１を時計方向にストップピン２３に係合片１３の曲面部１４が当るまで旋回させる。次に、カップリング１１を反時計方向に４５°旋回することにより結合が解除される。

このような構成を有するカップリング機構は、結合時及び結合解除時にストップピンに当るときに高い応力が発生するために、材料として高強度材で、かつ耐食性に優れた析出硬化系ステンレス鋼であるＳＵＳ６３０材が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−８７０２５号公報

上述のように、ＣＲＤのカップリング機構は、結合時及び結合解除時にストップピンに当るときに高い応力が発生することより、材料として高強度材で、かつ耐食性に優れた析出硬化系ステンレス鋼であるＳＵＳ６３０材が使用されている。

しかしながら、この析出硬化系ステンレス鋼であるＳＵＳ６３０材は、ＣＲＤの使用環境下では経年的に靭性が低下すると共に、硬さが上昇し、応力腐食割れ（以下、ＳＣＣという。）感受性を有することが最近の研究によって明らかになっている。

このように、カップリング機構は、原子炉運転中の高温高圧水環境下において経年的に靭性が低下すると共に、硬さが上昇しＳＣＣ感受性を有する、という課題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、現用材料と同等以上の材料特性を有し、かつ熱時効に伴う経年的な劣化が小さい材料から製造されるカップリング機構から構成される制御棒駆動機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、原子炉炉心に挿入引抜動作して出力制御を行う制御棒集合体と、この制御棒集合体の上端に連結して原子炉運転時にはその制御棒集合体を昇降動作させ、制御棒集合体との着脱は制御棒集合体に対して所定角度旋回することによって行う制御棒駆動機構において、前記制御棒駆動機構のカップリング機構の材料として、重量％でＣｒを１２％以上、Ｎｉを４％以上、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下を含み、Ｍｏを０．１〜４％添加し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる材料を使用すること、を特徴とするものである。

本発明の制御棒駆動機構によれば、材料が改質された材料特性を有するカップリング機構から形成することにより、現用材料と同等以上の材料特性を有し、かつ熱時効に伴う経年的な劣化を大幅に抑制することができる。

以下、本発明に係る制御棒駆動機構の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

図６は、本発明の実施の形態の制御棒駆動機構のカップリング機構に適用した発明材の化学成分を示す表である。なお、成分元素の含有量を示すパーセンテージは全て重量基準のパーセンテージ（ｗｔ％）を示す。

この発明材の開発の背景には、析出硬化系ステンレス鋼の経年劣化に係る研究から、Ｃｒ含有量が高いほど経年劣化が短時間で生じることが明らかとなったことが挙げられる。この見地から，経年劣化対策としてＳＵＳ６３０鋼と同等の材料特性を有し、かつ低Ｃｒであることが望ましい、ということが前提となる。

本発明の実施の形態に係る合金は、上述の見地から、Ｃｒを１２％以上含有するステンレス鋼を基本とする。

原子炉水環境に長期間使用した場合における靭性及び延性の低下を抑制するためにＭｏを０．１〜４％添加する。また、ＭｏはＣｒと共存することにより導電性水中における耐孔食性の向上に寄与する元素である。その効果を発揮させるには０．１％以上の添加が必要である。しかし、その添加量が４％を超えると、材料の脆化の問題が生じるため、添加量の上限を４％とした。

Ｃは強度を向上させる元素であるが、耐食性に悪影響を与える元素でもある。Ｃは熱処理又は溶接熱影響により粒界にＣｒ炭化物を形成し、それに伴い粒界近傍にＣｒ欠乏層を形成し耐食性を低下させる。このため、Ｃは０．１０％以下にすることが望ましい。

Ｓは溶解時の脱酸剤として不可避的に混入するＭｎとともに、非金属介在物ＭｎＳを生成する元素であり、その含有量の増加に伴い耐食性に悪影響を与える。そのため、Ｓ含有量を０．０１％以下とする。

ＣやＳを多く含むと、ＭｎＳ等の非金属介在物やＣの偏析部が生じる。これにより、合金が高温水中に曝されるとこれらの部位とその周囲の組織の間に電位差が生じ非金属介在物およびＣ偏析部の存在する部位が選択的に腐食する。本発明合金は、このような現象を防止するためにＣおよびＳ含有量を制御する。

Ｎｉは４％以上含有することが好ましい。Ｎｉ添加により靭性向上および耐食性が向上するからである。

以上述べた元素以外の成分元素（不純物元素）、例えばＳｉ、Ｍｎ、Ｐ等は通常のＪＩＳ規格（ＪＩＳＧ３２１４）に規定しているレベルに設定して問題ない。

ここで、このように構成された本実施の形態に係る実施例について説明する。

図７は、図６の本発明材及び比較例としての従来材の４００℃における衝撃値の変化率を示す図である。

本図に、本実施の形態に対応する成分を有する本発明材Ａ及び従来材であるＳＵＳ６３０鋼（従来材Ｄ）に係る４００℃における時効に伴う衝撃値変化率を示す。本発明材Ａは、１０２０℃×１時間＋６４０℃×１時間の熱処理を施した。一方、従来材Ｄは１０５０℃×１時間＋５８０℃×４時間の熱処理を施した後に４００℃で時効を行った。この熱処理を施工した後で、シャルピー衝撃試験を実施した結果である。本実施の形態によれば、本発明材Ａは、衝撃値変化率の低下が従来材Ｄに比べ長時間側に変遷しており、経年劣化が大幅に抑制され改善されていることを示す。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態は、第１の実施の形態に強度を向上させるためにＣｕ等を添加したものであり、第１の実施の形態と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

この実施に係わる合金は、重量％でＣｒを１２％以上、Ｎｉを４％以上、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下を含み、熱時効に伴うＣｒリッチ相形成を抑制するためにＭｏを０．１〜４％添加し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる。さらに、強度を向上させるためにＣｕを２〜５％添加、Ａｌを０．５〜１．５％添加、Ｎｂを０．５〜１．５％添加又はＴｉを０．５〜１．５％添加する。

次に、この強度向上のため添加する元素の含有量の限定理由について説明する。

Ｃｕは、４５０〜６５０℃で熱処理を行うと母材中に析出し、いわゆる析出硬化により強度が上昇する。２％以下では析出硬化の寄与が小さい。５％以上では脆化を促進する。この見解から、Ｃｕの添加量は２〜５％が望ましい。

Ａｌは、６００〜９００℃で熱処理を行うと母材中に金属間化合物Ｎｉ_３Ａｌとして析出し、いわゆる析出硬化により強度が上昇する。０．５％以下では析出硬化の寄与が小さく、１．５％以上では脆化を促進する。この観点から、Ａｌの添加量は０．５〜１．５％が望ましい。

Ｎｂは、６００〜９００℃で熱処理を行うと母材中に金属間化合物Ｎｉ_３Ｎｂとして析出し、いわゆる析出硬化により強度が上昇する。０．５％以下では析出硬化の寄与が小さく、１．５％以上では脆化を促進する。この見解から、Ｎｂの添加量は０．５〜１．５％が望ましい。

Ｔｉは、６００〜９００℃で熱処理を行うと母材中に金属間化合物Ｎｉ_３Ｔｉとして析出し、いわゆる析出硬化により強度が上昇する。０．５％以下では析出硬化の寄与が小さく、１．５％以上では脆化を促進する。この観点から、Ｔｉの添加量は０．５〜１．５％が望ましい。

ここで、このように構成された本実施の形態に係る実施例について図７を用いて説明する。

本図に、本実施の形態に対応する成分を有する本発明材Ｂ及びＣ並びに従来材であるＳＵＳ６３０鋼（従来材Ｄ）に係る４００℃における時効に伴う衝撃値変化率を示す。

本発明材Ｂは、１０３８℃×１時間＋５９３℃×４時間の熱処理を施工した。本発明材Ｃは、９２７℃×１時間＋５９３℃×４時間の熱処理を施工した後に４００℃で時効を行った。この熱処理を施工した後の本発明材Ｂ及び本発明材Ｃのシャルピー衝撃試験を実施した結果を示す。

本実施の形態によれば、本発明材Ｂ及びＣは、衝撃値変化率の低下が従来材Ｄに比べ長時間側に変遷しており、経年劣化が大幅に抑制され改善されていることを示す。

次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。この実施の形態は、第１の実施の形態のＣｒ及びＮｉの添加量を増加したものあり、第１の実施の形態と同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。

この実施に係わる合金は、Ｃｒを１２〜１４％、Ｎｉを６〜１０％、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなる。

次に、各成分元素の含有量の限定理由について説明する。

本実施の形態においてＣｒを１２〜１４％、Ｎｉを６〜１０％としたのは、金属組織をフェライト相のないマルテンサイト組織単相にするために決定したものである。フェライト相は、マルテンサイト相に比べＣｒ含有量が高く、スピノーダル分解が生じ易く経年劣化を促進するＣｒリッチ相を形成し易いためである。

本発明によれば、制御棒駆動機構のカップリングの材料として熱時効に伴う経年劣化を抑制できる本発明の材料を使用することにより、原子力プラントの寿命中、靭性及びＳＣＣ感受性ともに余裕があり、スクラム時に発生する衝撃力により緩衝装置が破損する可能性が大幅に軽減される。

さらに、本発明は、上述したような各実施の形態に何ら限定されるものではなく、本実施の形態の係る材料を組み合わせて用いてもよく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

本発明に係わる加圧水型原子炉を示す構造図。本発明に係わる制御棒駆動機構と制御棒集合体のカップリング機構を示す構造図。本発明に係わる制御棒駆動機構のカップリング機構を示す構造図。本発明に係わる制御棒集合体を示す構造図。本発明に係わる制御棒駆動機構と制御棒集合体のカップリング機構を上方から見た構造図。本発明の実施の形態の制御棒駆動機構のカップリング機構に適用した発明材の化学成分を示す表。図１の本発明材及び比較例としての従来材の４００℃における衝撃値の変化率を示す図。

符号の説明

１…原子炉圧力容器、２…燃料集合体、３…制御棒集合体、４…制御棒駆動機構、１１…カップリング、１３…係合片、１４…曲面部、１５…平面部、２１…ソケット、２２…係合片、２３…ストップピン。

Claims

原子炉炉心に挿入引抜動作して出力制御を行う制御棒集合体と、この制御棒集合体の上端に連結して原子炉運転時にはその制御棒集合体を昇降動作させ、制御棒集合体との着脱は制御棒集合体に対して所定角度旋回することによって行う制御棒駆動機構において、前記制御棒駆動機構のカップリング機構の材料として、重量％でＣｒを１２％以上、Ｎｉを４％以上、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下を含み、Ｍｏを０．１〜４％添加し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる材料を使用すること、を特徴とする制御棒駆動機構。
前記制御棒駆動機構のカップリング機構の材料として、重量％でＣｒを１２％以上、Ｎｉを４％以上、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｍｏを０．１〜４％、Ｃｕを２〜５％含み、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、さらに４５０〜６５０℃の熱処理によりＣｕを析出させた材料を使用すること、を特徴とする請求項１記載の制御棒駆動機構。
前記制御棒駆動機構のカップリング機構の材料として、重量％でＣｒを１２％以上、Ｎｉを４％以上、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｍｏを０．１〜４％、Ａｌを０．５〜１．５％含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに６００〜９００℃の熱処理により金属間化合物Ｎｉ_３Ａｌを析出させた材料を使用すること、を特徴とする請求項１記載の制御棒駆動機構。
前記制御棒駆動機構のカップリング機構の材料として、重量％でＣｒを１２％以上、Ｎｉを４％以上、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下を含み、Ｍｏを０．１〜４％添加し、Ｎｂを０．５〜１．５％含み、さらに６００〜９００℃の熱処理により金属間化合物Ｎｉ_３Ｎｂを析出させた材料を使用すること、を特徴とする請求項１記載の制御棒駆動機構。
前記制御棒駆動機構のカップリング機構の材料として、重量％でＣｒを１２％以上、Ｎｉを４％以上、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下、Ｍｏを０．１〜４％、Ｔｉを０．５〜１．５％含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、さらに６００〜９００℃の熱処理により金属間化合物Ｎｉ_３Ｔｉを析出させた材料を使用すること、を特徴とする請求項１記載の制御棒駆動機構。
前記制御棒駆動機構のカップリング機構の材料として、重量％でＣｒを１２〜１４％、Ｎｉを６〜１０％、Ｃを０．１０％以下、Ｓを０．０１％以下を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるマルテンサイト組織として、フェライト相を含ませないことによりＣｒリッチ相形成を抑制した材料を使用すること、を特徴とする請求項１記載の制御棒駆動機構。