JP2013002984A

JP2013002984A - 原子炉制御棒

Info

Publication number: JP2013002984A
Application number: JP2011134950A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Watanabe; 敦志渡辺; Takehiro Seto; 武裕瀬戸
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2013-01-07

Abstract

【課題】シースの隙間腐食をさらに抑制することができる原子炉制御棒を提供する。
【解決手段】原子炉制御棒１は、横断面が十字形をしており、軸心にタイロッド４が配置されてこのタイロッド４から四方に伸びる４枚のブレード２を有する。各ブレード２は、横断面がＵ字状をしたシース６を有している。このシース６内に、複数の楕円形状の筒であるハフニウム部材３Ｕが配置される。シース６は、母材であるシース部材を有し、シース部材の内面でハフニウム部材３Ｕと対向する面にＣｒ皮膜６ａを形成している。シース６は、Ｃｒ皮膜６ａとシース部材の間にＣｒ拡散層を形成している。Ｃｒ皮膜６ａと共にＣｒ拡散層を形成しているので、原子炉制御棒１は、シース６の隙間腐食をさらに抑制することができる
【選択図】図２

Description

本発明は、原子炉制御棒に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な原子炉制御棒に関する。

水中に存在する構造部材同士が近接または接触する部分（以下、隙間部という）では、構造部材に接触するその水に含まれる酸素が消費され、豊富に存在する、隙間部外の酸素と酸素濃淡電池が形成される。このため、隙間部は、腐食反応が継続しやすい環境になると考えられる。

また、原子炉内に配置された、ステンレス鋼製の隣り合う構造部材による隙間部では、構造部材への放射線照射、構造部材の残留応力および隙間の３つの要因が重畳するため、構造部材における腐食反応がさらに進みやすい環境になる。

例えば、原子炉出力を制御する原子炉制御棒は原子炉内に設置されて炉心内に挿入されるために、原子炉制御棒のシースでは、炉心に装荷された燃料集合体に含まれる核燃料物質の核分裂反応により発生する中性子およびγ線の照射によるシースの劣化およびこのシースに接触する酸化環境、製造過程においてシースとタイロッド、シースとハンドルとの溶接によりシースに発生する引張残留応力、シースと中性子吸収部材であるハフニウム楕円管との間に形成される隙間腐食環境の３つの要因が重なっている。このため、シースとハフニウム楕円管との間は、原子炉制御棒のシース内面に隙間腐食が生じやすい環境にあることが懸念される。

沸騰水型原子炉で用いられる制御棒として、シース内に、中性子吸収部材である管状の複数のハフニウム楕円管を配置してブレードを構成し、４枚のブレードを、タイロッドを中心に十字形に配置した制御棒がある。このような原子炉制御棒が、例えば、特開平２−１０２９９公報、特開２００２−７１８６８号公報、特開平９−６１５７６号公報および特開２００２−７１８６８号公報に記載されている。

これらの公開公報に記載された、ハフニウム楕円管を有する従来の原子炉制御棒は、以下の構成を有する。原子炉制御棒は、横断面形状が十字形になっており、タイロッドに取り付けられたＵ字状のシースを有する。ハンドルがタイロッドの上端部に取り付けられ、下部支持部材がタイロッドの下端部に取り付けられる。シースの上端がハンドルに取り付けられ、シースの下端が下部支持部材に取り付けられる。上部ハフニウム楕円管および上部ハフニウム楕円管の下方に配置された下部ハフニウム楕円管が、シース内に配置される。上部ハフニウム楕円管の上端部が、ハンドルに設けられた舌状部に取り付けられる。下部ハフニウム楕円管の下端部が、下部支持部材に設けられた他の舌状部に取り付けられる。各ハフニウム楕円管とシースの内面の間には、隙間が形成される。シースには、その隙間に連絡される複数の開口部が形成される。

原子炉制御棒が炉心に挿入されている原子炉の運転中において、炉心内を流れる冷却水が、その開口部を通して、各ハフニウム楕円管とシースの内面の間に形成された隙間に導入され、隙間内を上昇して流れる。中性子を吸収して温度が上昇したそれぞれのハフニウム楕円管が、その冷却水によって冷却される。すなわち、ハフニウム楕円管が冷却水によって冷却される。その隙間の幅を広くすることによって、ハフニウム楕円管の冷却効果を得ることができる。隙間幅を広くすると、ブレードの厚みが増すことになり、原子炉制御棒が大型化する。炉心内における原子炉制御棒の挿入スペース、具体的には、炉心に装荷された燃料集合体間に形成されたスペースの制約上、原子炉制御棒の大型化は困難である。さらには、冷却水は不純物および腐食生成物等を含んでおり、狭い隙間部ではこれらが堆積しやすくなるため、原子炉制御棒の製造時に確保した隙間幅が原子炉の運転時間の経過とともに狭くなる可能性がある。

また、例えば、特開２０１０−２１６８８１号公報および特開２０１０−１６４５０８号公報に記載されたように、原子炉制御棒の構造部材の表面に耐食性の皮膜を形成する方法も検討されている。特開２０１０−２１６８８１号公報には、シース内に配置されるハフニウム部材の片面または両面をジルコニウムまたはジルコニウム合金で被覆することを記載している。特開２０１０−１６４５０８号公報には、原子炉制御棒のシース（ステンレス鋼製）における隙間腐食を防止するために、ハフニウム楕円管に対向するシースの内面に、Ｃｒ，Ｚｎ，Ｚｒ，ＴｉおよびＨｆのいずれかの皮膜を形成することを記載している。

特開平２−１０２９９公報特開２００２−７１８６８号公報特開平９−６１５７６号公報特開２００２−７１８６８号公報特開２０１０−２１６８８１号公報特開２０１０−１６４５０８号公報特開２００９−２２９３８８号公報

原子炉内に配置されて炉心に出し入れされる原子炉制御棒では、上下方向の動作を繰り返すためにブレードに引張応力および圧縮応力が繰り返し付与され、また、原子炉の起動時においてシース内のハフニウム楕円管の表面温度が室温から３００℃以上まで変動する。さらには、その原子炉制御棒には放射線が照射される。このため、例えば、特開２０１０−１６４５０８号公報に記載されたように、シースの内面に皮膜が形成された場合には、この皮膜でのひび割れの発生、およびこの皮膜のシースからの剥離が懸念される。

シース内面に形成された皮膜にひび割れ等が発生した場合には、皮膜にひび割れ等が生じた位置でシースの母材が露出するために、その位置において母材に腐食が発生しやすくなると共に、皮膜と母材の電気化学的特性の優劣から、皮膜を付与しない場合に比べ、母材の溶解をさらに加速する可能性がある。また、シースそのものにジルコニウム等の耐食性金属を用いる場合、ジルコニウムはステンレス鋼に比べて密度が大きいため、原子炉制御棒全体の重量が増加することで機器仕様を満足しないことが懸念される。

シースとシース内に存在するハフニウム部材の間に形成される隙間の間隔を拡大する対策では、経時的な狭あい化を十分防ぐことができない可能性もあり、上記した従来の原子炉制御棒のように、シース内面に形成された皮膜がひび割れした場合には、シースにおいて隙間腐食が加速される可能性がある。

本発明の目的は、シースの隙間腐食をさらに抑制することができる原子炉制御棒を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、横断面がＵ字状をしている、タイロッドから四方に伸びる４つのシースと、それぞれのシース内に配置されたハフニウム部材とを備え、
シースが、横断面がＵ字状をしているシース部材、シース部材の不働態化を促進する金属の皮膜およびこの金属の拡散層を有し、
金属の皮膜がハフニウム部材に対向してシース部材の内面に形成され、その拡散層が金属の皮膜とシース部材の間に形成されていることにある。

金属の皮膜とシース部材の間にその金属の拡散層が形成されているので、金属の皮膜にひび割れが発生しても、金属の拡散層によって、シース部材が冷却水に曝されることがなく、金属の皮膜を単にシース部材に形成した場合と比較して、シースとハフニウム部材の間に形成される隙間においてシース、すなわち、シース部材の隙間腐食をさらに抑制することができる。

本発明によれば、原子炉制御棒において、シースの隙間腐食をさらに抑制することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の原子炉制御棒の構成図である。図１のII−II断面図である。実施例１の原子炉制御棒の製造工程を示す説明図である。実施例１で形成された皮膜の模式図である。ステンレス鋼製の試験片に対する腐食試験後における試験片表面の電子顕微鏡写真である。ステンレス鋼製の試験片に対する腐食試験後における試験片内のＣｒ濃度分布を示す説明図である。ステンレス鋼製の試験片に対する腐食試験で発生するひび割れの初期深さの測定結果を示す説明図である。原子炉制御棒のシースが受ける中性子照射量の分布を示す説明図である。本発明の他の実施例である実施例２の原子炉制御棒の構成図である。実施例２の原子炉制御棒の製造工程を示す説明図である。

隙間腐食は、放射線照射、応力および隙間構造のどれか１つの要因を除くことにより防ぐことができる。しかし、原子炉制御棒は原子炉内に配置されるために放射線照射の環境を取り除くことは困難である。特に、原子炉制御棒は、図８に示すように、中性子吸収材であるハフニウム部材を内部に配置するシースの上部、すなわち、シース６の上端から、下方に向かってシース６の全長の１／２程度の位置までの領域で高い中性子照射を受ける。

また、従来のハフニウム部材（例えば、ハフニウム楕円管）を用いた原子炉制御棒では、シース６とハンドル５およびシース６とタイロッドとの溶接に伴って、引張残留応力がシース６の表面には発生する。構造部材の残留応力を低減させる方法として知られている溶接後における構造部材の熱処理は、原子炉制御棒の構造および寸法精度の制約上、原子炉制御棒に適用することが困難である。

さらに、炉水に含まれる不純物および腐食生成物などの、シースとハフニウム部材の間に形成される隙間部への堆積は、その隙間部の環境を悪化させることにつながり、シースの腐食を促進させる。シースとハフニウム部材の間の隙間は設計値に従って製作されるが、腐食生成物等がその隙間に堆積すると、隙間の幅が縮小される。

以上のことから、シースの隙間腐食を抑制するための対策として、発明者らは、原子炉制御棒のシースに面する隙間部における腐食環境の経時的な悪化を抑制することが有効であり、且つ、シースに引張残留応力が付加された場合でも炉水がシースに直接接触しにくい構造になっていることが必要であると考えた。そして、種々の検討を行った結果、発明者らは、ステンレス鋼製のシースの内面にステンレス鋼の不働態化を促進する成分を含む皮膜を形成し、この皮膜からシースの内部に向かって、ステンレス鋼の不働態化を促進する金属の拡散層を形成すれば良いとの発想をするに至った。ステンレス鋼の不働態化を促進する金属としては、クロム、ニッケル、チタン、亜鉛、ニオブ、およびマンガンから選択された一種を用いることが望ましい。

上記の検討結果を反映した、本発明の実施例を、以下に説明する。

本発明の好適な一実施例である実施例１の原子炉制御棒を、図１および図２に基づいて以下に説明する。本実施例の原子炉制御棒１は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒である。

原子炉制御棒１は、横断面が十字形をしており、軸心にタイロッド４が配置されてこのタイロッド４から四方に伸びる４枚のブレード２を有する。ハンドル５がタイロッド４の上端部に取り付けられ、下部支持部材８がタイロッド４の下端部に取り付けられる。下部支持部材８は、下部支持板（または落下速度リミッタ）である。複数のローラ１６が回転可能に下部支持部材８に取り付けられる。これらのローラ１６は、炉心に装荷されている燃料集合体のチャンネルボックスの外面と接触し、原子炉制御棒１を燃料集合体間で円滑に移動させる機能を有する。

各ブレード２は、横断面がＵ字状をしているシース６、扁平な筒、例えば楕円形状の筒であるハフニウム部材３Ｕ，３Ｌを有する（図１参照）。シース６は、後述するように、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４およびＳＵＳ３１６Ｌ等）製のシース部材６ｂを有する（図３および図４参照）。シース６の上端はハンドル５に溶接され、シース６の下端は下部支持部材８に溶接されている。シース６のＵ字の両端部には、複数のタブ（突出部）１８が軸方向において所定の間隔を置いて形成されている。これらのタブ１８は、シース６の一部であるが、タイロッド４側に向かって突出している部分である。これらのタブ１８は溶接にてタイロッド４に接合されている。上記したシース６とタイロッド４、ハンドル５および下部支持板８とのそれぞれの接合は、例えば、レーザ溶接によって行われる。

１つのブレード２のシース６内に形成される空間内で原子炉制御棒１の軸方向に、２つのハフニウム部材３Ｕおよび２つのハフニウム部材３Ｌが配置されている。ハフニウム部材３Ｕはハフニウム部材３Ｌの上方に位置しており、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌの軸方向の長さは同じである。ハフニウム部材３Ｕは、ハンドル５の下端部に形成された舌状部１１Ｕにピン１２で取り付けられている。ハフニウム部材３Ｌは、下部支持部材８の上端部に形成された舌状部１１Ｌにピン１２で取り付けられている。ハフニウム部材３Ｕは上端部がハンドル５に取り付けられ、ハフニウム部材３Ｌが下部支持板８に取り付けられている。これらのハフニウム部材は中性子吸収部材である。ＢＷＲの運転中においてハフニウム部材３Ｕ，３Ｌが熱膨張してもそれらのハフニウム部材が互いに接触しないように、ハフニウム部材３Ｕの下端とハフニウム部材３Ｌの上端との間のギャップ（図示せず）が形成されている。

１つのブレード２の横断面（図１のII−II断面）において、２つのハフニウム部材３Ｕは、シース６内で互いに並列に配置され、かつタイロッド４と並列に配置される。２つのハフニウム部材３Ｌも、シース６内で互いに並列に配置され、かつタイロッド４と並列に配置される。シース６を構成するステンレス鋼の不働態化を促進する金属の一種であるＣｒを含む皮膜、すなわち、Ｃｒ皮膜６ａが、ハフニウム部材３Ｕ，３Ｌのそれぞれの表面に対向している、シース６の内面に形成される。さらに、Ｃｒの拡散層が、Ｃｒ皮膜６ａからシース６の内部に向かって形成される。

Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層が形成されたシース６を有する原子炉制御棒１の製造方法を、図３を用いて説明する。シース部材の表面に、表面処理によりＣｒ皮膜およびＣｒ拡散層を形成する（ステップ１）。シース６の母材であるステンレス鋼製の板状のシース部材６ｂの一方の表面（片面）にＣｒ皮膜６ａを形成する。Ｃｒ皮膜６ａは、ステンレス鋼の不働態化を促進する金属を含む皮膜である。Ｃｒ皮膜６ａのシース部材６ｂの片面への形成は以下のように行われる。

シース部材６ｂの一方の表面（片面）へのＣｒ皮膜６ａの形成には、硫酸、塩酸、硝酸、ふっ酸およびクロム酸のいずれかの酸に溶解した不働態化を促進する金属の一種であるＣｒを含む溶液を用いる。本実施例では、Ｃｒを含む溶液として、クロム酸および硫酸を含むサージェント浴を用いており、クロム酸の濃度は２５０ｇ／Ｌで硫酸の濃度は２５ｇ／Ｌである。その溶液の温度は、４０℃〜６０℃の範囲内の温度に加熱される。

Ｃｒ皮膜６ａを形成しない、シース部材６ｂの片面にマスキングを施し（例えば、遮蔽テープを張る）、このマスキングを施したシース部材６ｂが、上記の温度に保たれたＣｒを含む溶液に浸漬され、マスキングを施していない、シース部材６ｂの片面がＣｒを含む溶液と接触する。この結果、この片面の全面にＣｒ皮膜６ａが形成される。その片面にＣｒ皮膜６ａが形成された後、加熱により、シース部材６ｂを浸漬した、Ｃｒを含む溶液の温度を、さらに高い温度まで上昇させる。Ｃｒ皮膜６ａを形成している一部のＣｒが、シース部材６ｂ内に拡散し、シース部材６ｂのＣｒ皮膜６ａと接触する部分にＣｒ拡散層１０（図４）が形成される。シース部材６ｂの、マスキングが施された他の片面は、マスキングによりＣｒを含む溶液と接触しないので、この片面にはＣｒ皮膜６ａが形成されない。Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０の形成が終了した後、シース部材６ｂがＣｒを含む溶液から取り出され、マスキング用の遮蔽テープがシース部材６ｂから剥がされる。形成されたＣｒ皮膜６ａの厚みは、例えば、３μｍであり、Ｃｒ拡散層１０の厚みは、例えば、１〜２μｍである。

４０℃〜６０℃の範囲内の温度のままでもＣｒ皮膜６ａからシース部材６ｂ内にＣｒが拡散するが、温度が低いためにＣｒの拡散速度が遅く、所定厚みのＣｒ拡散層１０を形成するために長時間を有する。このため、Ｃｒ被膜６ａの形成後に、Ｃｒを含む溶液の温度をさらに高めることによりシース部材６ｂの温度を高め、Ｃｒ皮膜６ａからシース部材６ｂ内へのＣｒの拡散速度を向上させる。このため、所定厚みのＣｒ拡散層１０を短時間に形成することができる。Ｃｒ拡散層１０を形成するためのシース部材６ｂの加熱は、Ｃｒ皮膜６ａを形成したシース部材６ｂを、Ｃｒを含む溶液から取り出してマスキングを剥がした後、Ｃｒ皮膜６ａを形成したシース部材６ｂを加熱装置により加熱して行っても良い。

ステップ１のＣｒ皮膜の形成が終了すると、Ｃｒ皮膜６ａがシース部材６ｂの一面に形成され、Ｃｒ拡散層１０が、Ｃｒ皮膜６ａから、ステンレス鋼製のシース部材６ｂの内部に向かって形成されている（図４参照）。Ｃｒ皮膜６ａは皮膜成分であるＣｒ７ａおよび酸素７ｂを含んでいる。Ｃｒ皮膜６ａとシース部材６ｂの間に形成されたＣｒ拡散層１０では、Ｃｒ皮膜６ａからシース部材６ｂの内部に向かって皮膜成分７ａ，７ｂのそれぞれの濃度が徐々に減少している。

シースを成形する（ステップ２）。Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０が片面に形成されたシース部材６ｂを、Ｃｒ皮膜６ａが内側になるように、折り曲げて、横断面がＵ字状をしたシース６を成形する。シース６は、横断面がＵ字状をしたシース部材６ａ、シース部材６ａの内面に形成されたＣｒ皮膜６ａおよびシース部材６ａとＣｒ皮膜６ａの間に形成されたＣｒ拡散層１０を有する。シースを溶接にてタイロッドに接合する（ステップ３）。シース６の側端を、タイロッド４に溶接にて接合する。４枚のシース６が、タイロッド４から四方に伸びるように配置されて、タイロッド４に接合される。

シースへの開口の形成およびシース内への中性子吸収材の充填を行う（ステップ４）。シース６内に原子炉圧力容器内の冷却水を供給する複数の開口を各シース６の側面に形成し、中性子吸収材であるハフニウム部材３Ｕ．３Ｌをシース６内に挿入する（充填する）。ハフニウム部材３Ｕ．３Ｌのそれぞれの外面が、シース６の内面に形成されたＣｒ皮膜６ａに面している。ハンドルをシースに取り付ける（ステップ５）。ハンドル５に設けられた舌状部１１Ｕをハフニウム部材３Ｕ内に挿入し、ハフニウム部材３Ｕをピン１２で舌状部１１Ｕに取り付ける。その後、ハンドル５をタイロッド４に接合し、シース６の上端をハンドル５に接合する。ステップ５では、さらに、下部支持部材８に設けられた舌状部１１Ｌをハフニウム部材３Ｌ内に挿入し、ハフニウム部材３Ｌをピン１２で舌状部１１Ｌに取り付ける。その後、下部支持部材８をタイロッド４に接合し、シース６の上端をハンドル５に接合する。

以上の製造工程により、本実施例の原子炉制御棒１が完成する。

本実施例では、クロム酸および硫酸を含むサージェント浴であるＣｒを含む溶液を用いてシース部材６ｂの一面（片面）にＣｒ皮膜６ａを形成したが、このＣｒ皮膜６ａは、不働態化を促進する金属の一種であるＣｒを加熱した後、シース部材の表面に付着させる熱的処理を適用しても形成することができる。この熱的処理においても、Ｃｒ皮膜６ａが形成されたシース部材６ｂをさらに温度の高い状態まで加熱することにより、Ｃｒ拡散層１０をシース部材６ｂに形成することができる。また、シース部材６ｂの一面へのＣｒ皮膜６ａの形成は、物理蒸着法、いわゆるＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法を用いて行ってもよい。ＰＶＤ法においても、上記した熱的処理と同様に、Ｃｒ皮膜６ａが形成されたシース部材６ｂを加熱することにより、Ｃｒ拡散層１０を形成することができる。

原子炉制御棒１は、ＢＷＲの原子炉圧力容器内に配置され、原子炉出力を制御するために、複数の燃料集合体が装荷された炉心内に制御棒駆動機構（図示せず）によって出し入れされる。原子炉制御棒１は、下部支持部材８の下端部に設けられたコネクタ１７によって原子炉圧力容器の底部に設けられた制御棒駆動機構に連結される。制御棒駆動機構は、原子炉制御棒１の炉心内への挿入操作、および原子炉制御棒１の炉心からの引き抜き操作を行う。

原子炉圧力容器内を流れる冷却水（冷却材）は、シース６に形成された一部の開口１４およびシース６の最下端部に形成された複数の開口１９Ｌからシース６内に流入し、シース６の内面に形成されたＣｒ皮膜６ａとハフニウム部材３Ｕおよびハフニウム部材３Ｌのそれぞれの間に形成される間隙内を上昇して他の開口１４（特に上端部に位置する開口１４）およびシース６の最上端部に形成された複数の開口１９Ｕからシース６の外に流出する。冷却水は、シース６内でその隙間内を上昇する間において、ハフニウム部材３Ｌ．３Ｕを冷却する。また、シース６内に流入した冷却水は、ハフニウム部材３Ｕに設けられた小径の開口１３を通ってハフニウム部材３Ｕ内に流入し、また、ハフニウム部材３Ｌに形成された小径の開口１５を通ってハフニウム部材３Ｌ内に流入する。このように、冷却水がハフニウム部材３Ｕ，３Ｌ内に流入することによって、これらのハフニウム部材の冷却効果が増大される。

発明者らは、内面にＣｒ皮膜６ａが形成されてＣｒ皮膜６ａとシース部材６ｂの間にＣｒ拡散層１０が形成された本実施例の原子炉制御棒１で得られる効果を確認するために、試験片を用いた腐食試験を行った。この腐食試験の内容および腐食試験の結果を以下に説明する。

試験片としては、表面が未処理のステンレス鋼試験片（以下、未処理試験片という）、および表面にＣｒ皮膜を形成しさらにＣｒ拡散層を形成したステンレス鋼試験片（以下、Ｃｒ付与試験片という）を用いた。未処理試験片は、ステンレス鋼のままであり、Ｃｒ皮膜およびＣｒ拡散層が形成されていない。Ｃｒ付与試験片は、表面にＣｒ皮膜が形成され、Ｃｒ皮膜とステンレス鋼の間にＣｒ拡散層が形成されている。

腐食試験として、２８８℃の高温水中で未処理試験片およびＣｒ付与試験片に対して、歪み量が１５％になるまで低歪速度引張試験（ＳＳＲＴ試験）をそれぞれ実施した。ＳＳＲＴ試験後における未処理試験片およびＣｒ付与試験片の顕微鏡写真を図５に示す。図５の（１）は未処理試験片の顕微鏡写真であり、（Ｂ１）は（Ａ１）の一部を拡大した顕微鏡写真である。図５の（２）はＣｒ付与試験片の顕微鏡写真であり、（Ｂ２）は（Ａ２）の一部を拡大した顕微鏡写真である。

未処理試験片では、図５の（Ｂ１）に示すように、表面にひび割れが見られ、腐食の痕跡が観察された。Ｃｒ付与試験片では、図５の（Ｂ２）に示すように、形成されたＣｒ皮膜にスジ状の模様が見られたが、ひび割れは発生していなかった。この試験結果から、不働態化を促進する金属（例えば、Ｃｒ）の皮膜を試験片の表面に形成することによって、試験片であるステンレス鋼の腐食を抑制できることが分かった。

Ｃｒ付与試験片では、前述したように、スジ状の模様がＣｒ皮膜に発生していたが、Ｃｒ皮膜にひび割れが生じるに至らなかった。この原因は、表面のＣｒ皮膜からＣｒ付与試験片の母材（ステンレス鋼）にかけて連続的な濃度勾配を有するＣｒ拡散層が形成されていることにあると、発明者らは考えた。

そこで、発明者らは、未処理試験片およびＣｒ付与試験片のそれぞれの表面付近の断面を化学分析し、Ｃｒ濃度の分布を求めた。得られたＣＲ濃度分布を図６に示す。図６の（１）は未処理試験片の表面付近でのＣｒ濃度の分布を示しており、図６の（２）はＣｒ付与試験片の表面付近でのＣｒ濃度の分布を示している。

未処理試験片では、Ｃｒ濃度は、表面から深さ方向において母材のＣｒ濃度で実質的に一様に分布している。Ｃｒ付与試験片では、Ｃｒ濃度はＣｒ皮膜の表面で最も高く、Ｃｒ皮膜の表面から深さ方向において、Ｃｒ濃度が、Ｃｒ皮膜の表面から５μｍの深さにおける母材のＣｒ濃度まで連続的に低減する濃度勾配を有するＣｒ拡散層が観察される（図６の（２）参照）。図５の（２）では、Ｃｒ皮膜の厚みが３μｍでありＣｒ拡散層の厚みが約１μｍである。図５の（２）で観察されたスジ状の模様は、皮膜の割れ、あるいは剥離によって、Ｃｒ皮膜の厚みが薄くなったと考えられる。しかしながら、発明者らは、Ｃｒ皮膜よりも母材側にＣｒ拡散層が存在するために、母材が露出することなく、母材に達するひび割れを抑制できたと考えた。

隙間腐食発生時に見られるひび割れの深さを測定した結果を図７に示す。図７に示された結果に基づいて、隙間腐食の初期段階ではひび割れがおよそ３μｍ程度から始まることが分かった。そのため、図６の（２）で示されたＣｒ皮膜の厚みが３μｍよりも厚いことが望ましく、Ｃｒ皮膜の厚みが５μｍであるために母材のひび割れを抑制できたと言える。母材のひび割れは、Ｃｒ皮膜及びＣｒ拡散層の両者の形成によって抑制される。Ｃｒ皮膜６ａの厚みは、３μｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲内にあることが望ましい。

本実施例によれば、原子炉制御棒１のシース６とハフニウム部材３Ｕおよび３Ｌのそれぞれの間に形成される隙間に原子炉圧力容器内の冷却水が流れても、そのハフニウム部材と対向するシース部材６ｂの表面に形成されたＣｒ皮膜６ａの存在によって、シース部材６ｂがその隙間内を流れる冷却水と接触する確率が低減される。このため、シース６、特に、シース部材６ｂの隙間腐食を低減することができる。

また、本実施例は、何らかの要因でＣｒ皮膜６ａにひび割れが発生しても、Ｃｒ皮膜６ａとシース部材６ｂの間に形成されているＣｒ拡散層１０の働きにより、シース部材６ｂが、原子炉制御棒１内に形成される上記の隙間内を流れる冷却水と接触する確率がさらに低減される。このため、Ｃｒ皮膜６ａとシース部材６ｂの間に形成されているＣｒ拡散層１０を有するシース６を設けた原子炉制御棒１は、シース６（特に、シース部材６ｂ）の隙間腐食をさらに抑制することができる。

本実施例では、シース部材６ｂのハフニウム部材に対向する面に形成する、シース部材の不働態化を促進する金属の皮膜、およびこの金属の拡散層をそれぞれＣｒを用いて形成しているが、Ｃｒの替りに、ニッケル、チタン、亜鉛、ニオブまたはマンガンを用いて、その金属の皮膜および金属の拡散層を形成しても良い。

本発明の他の実施例である実施例２の原子炉制御棒を、図９に基づいて以下に説明する。本実施例の原子炉制御棒１Ａも、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒である。

原子炉制御棒１Ａは、実施例１の原子炉制御棒１においてシース６をシース６Ａに替えた構成を有する。原子炉制御棒１Ａの、横断面がＵ字状であるシース６Ａは、制御棒１Ａの軸方向におけるシース６Ａの全長Ｌ_０の１／２である、制御棒１Ａの軸方向における長さＬ_ａのＣｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０を、シース部材６ｂの内面に形成している。Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０はシース部材６ｂのハンドル５側の一端（シース６Ａのハンドル５側の一端）とこの一端からシース部材６ｂの下部支持部材８側の他端（シース６Ａの下部支持部材８側の他端）に向かってＬ_０／２の位置との間に存在する。シース６Ａのハンドル５側の一端からシース６Ａの下部支持部材８側の他端に向かってＬ_０／２の位置とシース６Ａの下部支持部材８側の他端の間では、Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０がシース６Ａに存在しない。原子炉制御棒１Ａの他の構成は原子炉制御棒１と同じである。

シース６Ａを有する原子炉制御棒１Ａの製造方法を、図１０を用いて説明する。原子炉制御棒１Ａの製造方法は、実施例１の原子炉制御棒１の製造方法の工程のうちステップ１をステップ１Ａに替え、ステップ６を新たに追加した製造方法である。すなわち、原子炉制御棒１Ａの製造方法は、ステップ１Ａ，２，３，６，４および５の各工程を有する。ステップ２，３，４および５の各工程は原子炉制御棒１の製造方法と同じであるので、ステップ１Ａおよび６について説明する。

シース部材の表面に、表面処理によりＣｒ皮膜を形成する（ステップ１Ａ）。実施例１のステップ１では、シース部材６ｂの一面において全面に亘ってＣｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０を形成しているのに対し、本実施例のステップ１Ａでは、Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０は、シース部材６ｂの一面において、シース部材６ｂのハンドル５側の一端（シース６Ａのハンドル５側の一端）とこの一端からシース部材６ｂの下部支持部材８側の他端（シース６Ａの下部支持部材８側の他端）に向かってＬ_０／２の位置との間に形成され、Ｌ_０／２の位置とシース部材６ｂの下部支持部材８側の他端（シース６Ａの下部支持部材８側の他端）の間には形成されない。本実施例では、Ｃｒ皮膜６ａを形成しない、シース部材６ｂの片面の全面、およびＣｒ皮膜６ａを形成する、シース部材６ｂの片面においても、シース部材６ｂのハンドル５側の一端からシース部材６ｂの下部支持部材８側の他端に向かってＬ_０／２の位置とシース部材６ｂの下部支持部材８側の他端の間のＣｒ皮膜６ａを形成しない部分に、それぞれ、実施例１と同様なマスキングが施される。Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０のそれぞれの形成は、例えば、実施例１のステップ１と同様に、クロム酸および硫酸を含むサージェント浴であるＣｒを含む溶液を用いて行われる。このようにして、本実施例では、シース６Ａにおける中性子照射量が高い領域（シース部材６ｂのハンドル５側に位置する一端とこの一端からシース部材６ｂの他端に向かってＬ_０／２の位置との間の領域）に、Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０がそれぞれ形成される。

実施例１と同様に、ステップ２および３の各工程が実行され、その後に、フェライトコーティング処理を行う（ステップ６）。フェライトコーティング処理は、鉄酸化物を化学的に表面に付着させる処理方法であって、形成されたフェライトコーティング皮膜はシース部材６ｂの腐食を抑制する。ステップ６において、フェライトコーティング皮膜は、各ブレード２のシース６Ａの内面において、形成されたＣｒ皮膜６ａの表面およびＣｒ皮膜６ａが形成されていない部分におけるシース部材６ｂの表面の全面に亘ってそれぞれ形成される。このフェライトコーティング皮膜の形成は、例えば、特開２００９−２２９３８８号公報の図２に示される皮膜形成装置を用いて行われる。Ｃｒ皮膜６ａを形成したシース部材６ｂを、特開２００９−２２９３８８号公報の図２に示される皮膜形成装置の収納容器内に入れて皮膜形成水溶液をその収納容器内に供給することによって、特開２００９−２２９３８８号公報と同様にして、収納容器内のシース部材６ｂの表面にフェライトコーティング皮膜を形成する。

ステップ６の工程が終了した後、ステップ４および５の各工程が実行され、原子炉制御棒１Ａの製造が終了する。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例では、シース部材６ｂのハンドル５側の一端とこの一端からシース部材６ｂの下部支持部材８側の他端に向かってＬ_０／２の位置との間の領域（以下、第１領域という）９で、シース部材６ｂの内面にＣｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０を形成し、シース部材６ｂのハンドル５側の一端からシース部材６ｂの下部支持部材８側の他端に向かってＬ_０／２の位置とシース部材６ｂの他端との間の領域（以下、第２領域という）で、シース部材６ｂの内面にＣｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０を形成していないので、Ｃｒ皮膜６ａおよびＣｒ拡散層１０の形成に要する時間が、実施例１よりも短縮することができる。

また、第１領域においてフェライトコーティング皮膜だけを形成したのでは、フェライトコーティング皮膜にひび割れが生じた場合には、シース６Ａの母材であるシース部材６ｂが露出して原子炉の運転中にシース６Ａ内を流れる冷却水と接触する可能性がある。しかしながら、本実施例では、第１領域９においてＣｒ皮膜６ａの表面にフェライトコーティング皮膜が形成されるので、もし、フェライトコーティング皮膜にひび割れが生じても、Ｃｒ皮膜６ａが存在するので、シース部材６ｂの露出を防止することができ、シース部材６ｂの防食効果をさらに高めることができる。

ステップ６において、フェライトコーティング皮膜の替りに貴金属の皮膜を形成しても良い。

１，１Ａ…原子炉制御棒、２…ブレード、３Ｕ，３Ｌ…ハフニウム部材、４…タイロッド、５…ハンドル、６…シース、６ａ…Ｃｒ皮膜、６ｂ…シース部材、８…下部支持部材、１０…Ｃｒ拡散層。

Claims

タイロッドと、前記タイロッドの上端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの下端部に取り付けられた下部支持部材と、上端部が前記ハンドルに取り付けられ、下端部が前記下部支持部材に取り付けられ、さらに、前記タイロッドに取り付けられ、かつ横断面がＵ字状をしている、前記タイロッドから四方に伸びる４つのシースと、それぞれのシース内に配置されたハフニウム部材とを備え、
前記シースが、横断面がＵ字状をしているシース部材、前記シース部材の不働態化を促進する金属の皮膜および前記金属の拡散層を有し、
前記金属の皮膜が前記ハフニウム部材に対向して前記シース部材の内面に形成され、前記拡散層が前記金属の皮膜と前記シース部材の間に形成されていることを特徴とする原子炉制御棒。
前記シースの前記ハンドル側の一端とこの一端から前記シースの前記下部支持部材側の他端に向かって前記シースの前記制御棒の軸方向における全長の１／２以下の位置との間の領域で、前記金属の皮膜および前記拡散層を形成し、前記１／２以下の位置と前記他端の間の他の領域で、前記金属の皮膜および前記拡散層を形成していない請求項１に記載の原子炉制御棒。
前記不働態化を促進する金属は、クロム、ニッケル、チタン、亜鉛、ニオブ、およびマンガンから選択された一種である請求項１または２に記載の原子炉制御棒。
前記金属の皮膜の厚みは３μｍ以上０．３ｍｍ以下である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子炉制御棒。