JP2008203196A - 原子炉用制御棒およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接部近傍のシースに生じた引張の残留応力を低減させ、変形を極力少なくすることのできる原子炉用制御棒およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る原子炉用制御棒15は、制御棒15を構成する中性子吸収材16を、ハフニウム板材20の少なくとも一面にジルコニウム板材21を接合した複合材22としたことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、沸騰水型原子炉等に適用される原子炉用制御棒およびその製造方法に関する。

沸騰水型原子炉等に適用される原子炉用制御棒１は、たとえば図８に示すように、ハンドル３を先端部に形成しガイドローラ４aを設けた先端構造材4と未端構造材5とを結合するタイロッド6と、このタイロッド６から放射状に突き出しその外郭部が深いＵ字形断面のシース7によって構成され冷却孔９が形成されたウイング２と、シース7の内部に収容され、タイロッド6の軸心と平行に配列された複数の中性子吸収要素８を有する構成とされている。

従来、このような制御棒１の中で、長寿命型制御棒としてフラックスストラップ型ハフニウム制御棒が知られている。この制御棒は図９および図10に示すように、ハフニウムまたはハフニウム合金からなる一対の板状体(以下、ハフニウム金属板という)10を対向させ、これらのハフニウム金属板10を中性子吸収要素８としてシース７内に収容した構成とされている。すなわち、このフラックストラップ型ハフニウム制御棒１は、中性子吸収要素８をウイング２の軸方向に分割して各分割区分のハフニウム金属板10の厚さを各区分における中性子吸収量に応じて定めたもので、これにより制御棒全体にわたり中性子吸収体の核的寿命を均一化したものである。

つまり、各ウイング２は図９および図10に示すように、ウイング２の外殻を形成するシース7の内面に複数の固定部材であるコマ12を用いてハフニウム金属板10を対向状態で溶接固定した構成とされている。また、シース7はタイロッド6にスポット溶接により保持されている。

このような従来の制御棒１において、各コマ12とシース7とを溶接により固定すると、溶接変形によりシース7が若干ハフニウム金属板10に凹状に収縮し、このハフニウム金属板10とシース7との間隙を消滅させるのみならず、ハフニウム金属板10を強く拘束する可能性があった。このような状態に陥った場合には、シース7とハフニウム金属板10の隙間に形成されるべき腐食生成物の吸収代が消滅するばかりでなく、シース7とハフニウム金属板10との間の熱膨張や照射成長の相違による相対変位をも許さない構造となることから、薄板状のシース7に過大な応力が発生する可能性が生じる。また、従来の制御棒１ではハフニウム金属板10がシース7に複数のコマ12を介して溶接により保持する構造となっており、この溶接部によりスクラム時の荷重をはじめとする運転中の各種の比較的大なる荷重が受け持たれている。このようにコマ12を溶接で固定すると溶接部近傍には引張の残留応力が生じるため、溶接部近傍のシース7に応力腐食割れが発生する可能性があり、制御棒１の寿命低下につながると共に原子炉の安全性を脅かす可能性がある。

このような制御棒の特許として下記のような溶接構造の沸騰水型原子炉用制御棒がある。しかしながら、溶接に起因する残留応力の低減措置の記載はない。（特許文献１参照）。
特開平9-113664号公報

しかしながら、前記した従来のフラックスストラップ型ハフニウム制御棒においては対向したハフニウム金属板をシースで挟み込みコマにより間隔を維持する構成であるが、コマの上端部とシースを溶接することにより、シースの薄肉板は変形しハフニウム金属板側に倒れ込み、シース板に引張の残留応力が生じる。

このような状態で制御棒を使用すると引張の残留応力と高温水による水環境によって応力腐食割れがシースに発生する可能性が生ずる。また、溶接によるシースの変形によりシースとハフニウム金属板との隙間がなくなり、隙間腐食の原因にもなる可能性があり制御棒の信頼性低下につながるおそれがある。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、制御棒の各部位の残留応力を低減させ、変形を極力少なくすることおよび長寿命化を実現できる原子炉用制御棒および製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る原子炉用制御棒は、制御棒を構成する中性子吸収材を、ハフニウム板材の少なくとも１面にジルコニウム板材を接合した複合材としたことを特徴とする。

また、本発明に係る原子炉用制御棒の製造方法は、制御棒の前記中性子吸収材であるハフニウム板材にジルコニウム板材を接合した複合材をこのジルコニウム板材を外側とした角管型に成形し、その長軸方向両端部を溶接接合して角管を形成した後、横断面十字形状に成形したことを特徴とする。

本発明に係る原子炉用制御棒およびその製造方法によれば、ハフニウムとジルコニウムの複合材で十字型構造を形成することにより制御棒の各部位の残留応力を低減させ、変形を極力少なくすることおよび長寿命化を図ることができ、またその制御棒を製造することができる。

以下、本発明に係る原子炉用制御棒の構成を、図面および図面に付した符号を引用して説明する。

（第１の実施例）
図１は、本発明の第１の実施形態を示す制御棒15の中性子吸収材16の部分断面を示すものである。本発明の第１の実施形態に係る制御棒15の中性子吸収材16としてはハフニウム板20が用いられ、このハフニウム板20の表面にジルコニウム板21を熱間圧延等により接合した複合材22としたことを特徴としている。

このように構成された原子力用制御棒１の作用について説明する。

従来の構造ではＵ字シース、ハフニウム金属板および支持コマを組み込み支持コマの突部の周囲とシースのはめ込み部をTIG溶接により接合するものであり、溶接によるシース板へ引張側の高い残留応力が生じた状態で原子炉の高温炉水の環境にさらされると応力腐食割れが発生し、制御棒の機能を損なう。

このため、本発明では中性子吸収材16であるハフニウム板20表面に燃料被覆管で照射特性の優れたジルコニウム板21を接合した複合材22にすることにより、この複合材22にした中性子吸収要素８そのもので制御棒１を構成するものである。このため、高温水と接する部材の優れた腐食特性を維持できるため、応力腐食割れの防止が可能となる。

以上の構成および作用により、本発明によれば、制御棒１において、ハフニウムとジルコニウムの複合材で十字型構造を形成することにより制御棒の各部位の残留応力を低減させ、変形を極力少なくすることおよび長寿命化を実現できる。このため、制御棒の信頼性を向上でき、高品質の原子炉用制御棒を提供することができる。

（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施形態を示す制御棒15の中性子吸収材16の部分断面を示すものである。本発明の第２の実施の形態では図２に示すようにハフニウム板20の両表面にジルコニウム板21を熱間圧延等により接合した複合材23にしたことを特徴とする原子炉用制御棒15である。このように減速材である高温高圧水にハフニウム材が接しない様にしたことにより中性子吸収材16の腐食等の防止できるため制御棒15内に発生する酸化物を極力低減できるため、制御棒15の損傷寿命を延ばすことができる。

（第３の実施の形態）
第３の実施の形態では第１の実施形態のハフニウムとジルコニウムの複合材22を用いた制御棒15の製造方法を示すものである。

図３に示すように圧延成形により製造したハフニウム板20とジルコニウム板21の複合材22をジルコニウム板21が外側と成るようにして箱型に成形した後、端部を溶接24等により接合した角管Ａを製作する。

この角管Ａを図４に示す十字型Ｂの型加工により、ジルコニウム板21が外側と成るように構成され、内部に減速材である水を流すことのできる空間25を有する十字型の制御棒形状に成形される。その後、その上部側には先端構造材４であるハンドル３を溶接により取り付ける。また下部にも末端構造材を同じく溶接で取り付けて制御棒15を形成するものである。

このようにすることにより制御棒内の減速材である冷却水の流れがスムースになる。また、内部に障害が無いため腐食生成物の堆積も無くなる。よって、同様に制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒を得ることができる。

（第４の実施の形態）
第４の実施の形態では中性子吸収材16であるハフニウム板材20の両表面にジルコニウム板材21を接合した複合材23を用いて制御棒15を製造する方法であり、製造方法は第３の実施の形態と同様である。この制御棒15ではハフニウムの表面をジルコニウムで覆っているためハフニウムの腐食を防止できるため、制御棒15の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒を得ることができる。

（第５の実施の形態）
第５の実施の形態では図５に示すように第３または第４の実施の形態における十字形した制御棒15のウイング２の基部近傍における長手方向の複数箇所に変形防止のための固定用部材であるリベット26で固定したものであり、長期に制御棒15を使用した場合でも固定用部材であるリベット26によってウイング２の厚さ方向が固定され、変形を防止できるものである。固定用部材としてリベットの代りとしてボルトによって固定した場合でも変形防止効果が得られる。このため、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒を得ることができる。

（第６の実施の形態）
第６の実施の形態では第３または第４の実施形態における制御棒15の横断面十字形状の変形防止方法を実施するものであり、図６に示すように横断面十字形状の制御棒15のウイング２の対向する基部（横断面十字形状の根元においてウイング長手軸に対して４５度方向）における長手方向の複数箇所に変形防止のための固定用部材であるリベット27によって固定したものであり、長期に制御棒15を使用した場合でも変形を防止できるものである。固定用部材であるリベットの代りとしてボルトによって固定した場合でも変形防止効果が得られる。よって、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒を得ることができる。

（第７の実施の形態）
第７の実施の形態では第３または第４の実施形態における制御棒15の先端構造部材４の固定を図７に示すように固定用部材であるリベット28によって固定したものであり、溶接によらないため、溶接の残留応力や変形を防止できるものである。固定用部材であるリベットの代りとしてボルトによって固定した場合でも変形防止効果が得られる。よって、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒を得ることができる。

（第８の実施の形態）
第８の実施の形態では先端構造材を第１または第２の実施形態におけるハフニウムとジルコニウムの複合材22、23で一体成形することを特徴とするものであり、より安定した均一の制御棒15となるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒を得ることができる。

（第９の実施の形態）
第９の実施の形態では第３または第４実施形態における制御棒15の末端構造材５の固定を固定用部材であるリベットによって固定したものであり、溶接によらないため、溶接の残留応力や変形を防止できるものである。固定用部材であるリベットの代りとしてボルトによって固定した場合でも変形防止効果が得られる。同様に制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒を得ることができる。

以上、説明したように、本発明によれば、中性子吸収材であるハフニウム板材表面にジルコニウムを接合した複合材にすることにより、制御棒の劣化を低減できると共に高温水による腐食も低減させることができる。このため、制御棒の信頼性を向上でき、高品質の原子炉用制御棒を提供することができる。

本発明の第１実施形態を示す制御棒材料の要部断面図。 本発明の第２実施形態を示す制御棒材料の要部断面図。 本発明の第１実施形態における複合材を角型形状に加工し端部を溶接した状態を示す横断面図。 本発明の第１実施形態における複合材を角型形状後に十字形状に加工した状態を示す横断面図。 本発明の第５実施形態を示す制御棒の横断面図。 本発明の第6実施形態を示す制御棒の横断面図。 本発明の第7実施形態を示す制御棒の要部切欠き斜視図。 従来の制御棒本体を示す一部切断斜視図。 従来の制御棒のウイングの一部を切り欠いて示した正面図。 従来の制御棒のウイングの一部を切り欠いて示した横断面図。

符号の説明

１、15…原子炉用制御棒、２…ウイング、３…ハンドル、４…先端構造材、４a…ガイドローラ、５…末端構造材、６…タイロッド、７…シース、８…中性子吸収要素、９…冷却孔、１０…中性子吸収材(ハフニウム)、12…固定部材(コマ) 、１６…中性子吸収材、２０…ハフニウム板、２１…ジルコニウム板、２２，２３…複合材、２４…溶接、２５…空間、２６，２７，２８…リベット。

Claims (10)

1. 制御棒を構成する中性子吸収材を、ハフニウム板材の少なくとも１面にジルコニウム板材を接合した複合材としたことを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 前記中性子吸収材を横断面十字型に形成して構成することを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
3. 前記中性子吸収材は炉水に接する面にジルコニウム板材が配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の原子炉用制御棒。
4. 前記制御棒を構成するウイング部の基部近傍における長手方向の複数箇所にウイング部の厚さ方向を固定する固定用部材を配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の原子炉用制御棒。
5. 前記制御棒を構成するウイング部の対向する基部における長手方向の複数箇所にウイング部の対向する基部の方向を固定する固定用部材を配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の原子炉用制御棒。
6. 前記制御棒を構成しハンドル部を有する先端構造材と複合材で十字成形したウイング部の上部、または前記制御棒を構成する末端構造材と複合材で十字成形したウイング部の下部の少なくとも一方を固定用部材によって固定したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の原子炉用制御棒。
7. 前記制御棒を構成しハンドル部を有する先端構造材を請求項１記載の中性子吸収材であるハフニウムとジルコニウムの複合材で形成したことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の原子炉用制御棒。
8. 請求項１から３のいずれか１項記載の原子炉用制御棒は、制御棒の前記中性子吸収材であるハフニウム板材にジルコニウム板材を接合した複合材をこのジルコニウム板材を外側とした角管型に成形し、その長軸方向両端部を溶接接合して角管を形成した後、横断面十字形状に成形したことを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
9. 前記横断面十字形状に成形した後に制御棒の十字形状の形状変形を防止するためにウイング部の基部近傍における長手方向の複数箇所にウイング部の厚さ方向を固定する固定用部材を配置したことを特徴とする請求項８記載の原子炉用制御棒の製造方法。
10. 前記横断面十字形状に成形した後に制御棒の十字形状の形状変形を防止するためにウイング部の基部における長手方向の複数箇所にウイング部の対向する基部の方向を固定する固定用部材を配置したことを特徴とする請求項８記載の原子炉用制御棒の製造方法。

Images