JP2013245971A - 沸騰水型原子炉用制御棒 - Google Patents

Abstract

【課題】応力腐食割れを抑制でき、中性子吸収金属棒の座屈を防止できる沸騰水型原子炉用制御棒を提供する。
【解決手段】横断面形状が十字形をしている沸騰水型原子炉用制御棒は、４枚のブレード、タイロッド、ハンドル及び下部支持部材を有する。４枚のブレードはタイロッドから四方に伸びている。各ブレードは、横断面がＵ字状をしてタイロッド４に取り付けられているシース３及びシース内に配置された複数のハフニウム棒５を有する。ハフニウム棒５の下部領域はその上部領域よりも直径が小さい。シース３の下部領域は、ブレード２の幅方向及び制御棒の軸方向にそれぞれ凹凸が繰り返される形状を有する。シース３に形成された凹部がブレード２の幅方向で隣り合うハフニウム棒５の下部領域の相互間に挿入されており、シース３に形成された凸部がハフニウム棒５の下部領域の側面近くに達している。
【選択図】図２

Description

本発明は、沸騰水型原子炉用制御棒に関する。

沸騰水型原子炉で使用される制御棒は、横断面が十字形をしており、原子炉圧力容器内に配置されて原子炉圧力容器の底部に設けられる制御棒駆動機構に連結される。その制御棒は、制御棒駆動機構によって、炉心に装荷された４体の燃料集合体の相互間に出し入れされ、原子炉の起動及び停止を行い、さらに、原子炉運転中における原子炉出力の調節を行う。

沸騰水型原子炉で用いられる従来の制御棒として、軸心に配置されたタイロッド、及びこのタイロッドから四方に伸びて複数の中性子吸収棒を有する４枚のブレードを備えた制御棒が知られている（特開２００２−２５０７８７号公報及び特開２０１１−２２０９４６号公報参照）。この制御棒において、ハンドルがタイロッドの上端に取り付けられ、下部支持部材がタイロッドの下端に取り付けられている。ブレードを構成する、横断面がＵ字状のシースの両側端部が溶接にてタイロッドに接合されており、シースの上端がハンドルに、シースの下端が下部支持部材に溶接にて接合されている。中性子吸収棒は、中性子吸収材であるＢ_４Ｃを、上下端部が密封された被覆管内に充填している。このような複数の中性子吸収棒がシース内でハンドルと下部支持部材の間に配置される。複数の中性子吸収棒は、各ブレードのシース内で、タイロッドからブレードの先端部に向かって一列に配置されている。

被覆管内にＢ_４Ｃを充填して構成される複数の中性子吸収棒を有する制御棒では、これらの中性子吸収棒がシース内に配置されているだけであり、その被覆管は制御棒の強度部材にはならない。また、この制御棒では、一般に、複数の開口部が制御棒の構造部材であるシースに形成されており、制御棒が原子炉圧力容器内に配置されているとき、原子炉圧力容器内の炉水が、これらの開口部を通して中性子吸収棒が配置されるシース内に供給される。

また、従来の制御棒として、制御棒の長寿命化を図るために、中性子吸収材としてＢ_４Ｃではなくハフニウムを用いた制御棒が存在する。この制御棒は、上記したＢ_４Ｃを充填した中性子吸収棒を有する制御棒において、その中性子吸収棒の替りに、ハフニウム金属の丸棒を中性子吸収棒として用い、ハフニウム金属の丸棒（ハフニウム棒）をシース内に配置した構成を有する。ハフニウム棒は、下部領域の直径が上部領域の直径よりも小さくなっている。ハフニウムの比重はＢ_４Ｃの比重よりも大きく、ハフニウム棒の下部領域を細くしないで上部領域と同じ太さにした場合には、制御棒の重量が重くなってしまい、制御棒の炉心への挿入に時間を要し、原子炉のスクラムに支障きたす可能性がある。また、原子炉圧力容器内で使用される制御棒では、制御棒の上端部に行くに従い、中性子吸収能力の減耗率が高くなる傾向にあることが知られている。以上の理由により、ハフニウム棒を有する制御棒では、制御棒の有効長において、ハフニウム棒の上部領域の直径がハフニウム棒の下部領域の直径に比べ大きくなっている。

また、複数のハフニウム棒を有する制御棒では、それぞれのブレードにおいて、上部領域におけるハフニウム棒の本数と下部領域におけるハフニウム棒の本数は同じである。このため、タイロッドからブレードの先端部に向かって一列に配置されたハフニウム棒相互間に形成される隙間の幅が、制御棒の上部領域よりも制御棒の下部領域において広くなっており、タイロッドからブレードの先端部に向かうブレードの幅方向においてハフニウム棒の偏りを防止するために、金属板材で構成されたスペーサがシース内に配置されて各ハフニウム棒を支持している。原子炉の運転中において、原子炉圧力容器内に配置された制御棒内のハフニウム棒は熱膨張により長手方向に伸びるために、ハフニウム棒は、スペーサに固定されていなく、スペーサに形成された貫通孔に挿入された状態でこのスペーサによって保持される。このスペーサは、制御棒の軸方向において、所定の間隔で複数個配置されている。一般的に、これらスペーサは横断面がＵ字状をしているシースの内面に溶接にて固定される。このような典型的なスペーサは、ＪＮＥＳの広報誌である原子力施設運転管理年報 平成19年版参考２に記載されている。

特開昭６３−１２１７９０号公報も、下部領域の直径が上部領域よりも小さいハフニウム棒を横断面がＵ字状をしたシース内に配置している制御棒を記載している。この制御棒では、ブレードの厚み方向において、シースの対向するそれぞれの側面を制御棒の軸方向における同じ位置で内側に窪ませて各側面に窪みを形成し、ブレードの幅方向に配置した各ハフニウム棒の下部領域をこれらの窪みによって支持している。このため、ハフニウム棒の下部領域が、ブレードの厚み方向（ブレードの幅方向に直交する方向）おいて移動することが防止される。

近年、原子炉で用いられている制御棒において、照射誘起応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ：Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking）が原因と考えられる制御棒構造部材の劣化現象が認められている。その一事例は、平成１８年５月３１日経済産業省原子力安全・保安院「沸騰水型原子力発電所のハフニウム板型制御棒のひび等に関する調査報告書の公表等について」にて公開されている。

ＩＡＳＣＣは、中性子照射量、付加応力及び環境条件の３条件が重なったときに発生すると考えられている。一般的に、中性子照射量は、制御棒において、制御棒の挿入端部であるハンドル側に近づくに伴って大きくなる傾向にある。また、連続的な付加応力の発生原因の一つとして、制御棒製作時の溶接施工に伴う残留応力の影響が考えられる。更に、環境条件として、炉水中で非常に狭いすき間を形成するように構造部材が互いに対向して配置されている構成、いわゆる隙間環境形成が、ＩＡＳＣＣの発生に関与している可能性があると考えられている。

ＩＡＳＣＣ現象に関する一般的な記述が、P. Scott, Areview of irradiation assisted stress corrosion cracking, Journal of Nuclear Materials 211(1994), pages 101-122になされている。

特開２００２−２５０７８７号公報 特開２０１１−２２０９４６号公報 特開昭６３−１２１７９０号公報

ＪＮＥＳ 広報誌：原子力施設運転管理年報平成19年版 ５３４／８９３ 参考２ 平成１８年５月３１日経済産業省原子力安全・保安院「沸騰水型原子力発電所のハフニウム板型制御棒のひび等に関する調査報告書の公表等について」 P. Scott, Areview of irradiation assisted stress corrosion cracking, Journal of Nuclear Materials 211(1994), pages 101-122

下部領域の直径が上部領域の直径よりも小さい、ハフニウム棒等の中性子吸収金属棒を有する制御棒において、中性子吸収金属棒を支持するスペーサを金属中性子吸収棒の直径が小さくなっている下部領域全域に亘ってスペーサを配置した場合には、実質的に、中性子吸収金属棒の下部領域の直径が上部領域の直径と同じである場合と同様になり、制御棒の重量が増加してしまう。このため、そのスペーサを制御棒の軸方向に複数箇所配置し、これらのスペーサにより中性子吸収金属棒の下部領域を支持し、制御棒の重量を軽減している。このため、スペーサをシースに溶接にて固定している。

このような制御棒では、中性子吸収金属棒が挿入されるスペーサの貫通孔の内面とこの貫通孔に挿入された中性子吸収金属棒の外面の間が隙間環境となる可能性があり、また、スペーサがシースに溶接で接合されるためにスペーサ及びシースに残留応力の影響があると考えられる。スペーサは中性子照射量の低い制御棒の有効長の下部領域に配置されているが、制御棒の製品信頼性の向上のために、ＩＡＳＣＣの発生要因である隙間環境の排除及び溶接残留応力の低減が求められている。

本発明の目的は、応力腐食割れを抑制することができ、中性子吸収金属棒の座屈を防止することができる沸騰水型原子炉用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、タイロッドから四方に伸びる４枚のブレードが、横断面がＵ字状をしており、両側端部がタイロッドに溶接にて接合されているシース、及びシース内に配置されて下部領域の直径が上部領域の直径よりも小さい複数の中性子吸収金属棒を有し、
シースの、中性子吸収金属棒の下部領域に対向する下部領域には、内側に向かって突出され、ブレードの幅方向において隣り合う中性子吸収金属棒の下部領域の相互間にそれぞれ挿入された、シースの一部である複数の第１突出部、及び内側に向かって突出され、突出長さが第１突出部よりも短くて互いに対向している、シースの一部である複数対の第２突出部が形成され、
対向する第２突出部間に中性子吸収金属棒の下部領域が配置されることにある。

ブレードの幅方向において隣り合う中性子吸収金属棒の下部領域の相互間にそれぞれ挿入された第１突出部、及び内側に向かって突出され、突出長さが第１突出部よりも短くて互いに対向している対の第２突出部が、それぞれ、シースの一部であるので、従来例のように、中性子吸収金属棒の下部領域を支持するスペーサをシースに溶接することを回避することができ、制御棒における応力腐食割れを抑制することができる。さらに、第１突出部がブレードの幅方向における、中性子吸収金属棒の下部領域の移動を拘束し、対向している対の第２突出部がブレードの厚み方向における、中性子吸収金属棒の下部領域の移動を拘束するので、中性子吸収金属棒の座屈を防止することができる。

本発明によれば、制御棒において応力腐食割れを抑制することができ、中性子吸収金属棒の座屈を防止することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の沸騰水型原子炉用制御棒の斜視図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒の下部領域の一部におけるブレードの拡大斜視図である。 図２のIII−III断面図である。 図２のIV−IV断面図である。 図２のＶ−ＶI断面図である。 図２のVI−VI断面図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒が配置された炉心の１つのセルの構成図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒の中性子吸収金属棒に軸圧縮荷重が加わった場合における中性子吸収金属棒の座屈モードを模式化した説明図である。 本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子炉用制御棒における１つのブレードの横断面図である。 本発明の他の実施例である実施例３の沸騰水型原子炉用制御棒における１つのブレードの横断面図である。 本発明の他の実施例である実施例４の沸騰水型原子炉用制御棒における１つのブレードの横断面図である。

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の沸騰水型原子炉用制御棒（以下、単に制御棒という）を、図１から図６を用いて説明する。

本実施例の制御棒１は、ブレード２、タイロッド４、ハンドル６及び下部支持部材７を有し、制御棒１の横断面形状は十字形をしている。タイロッド４は、制御棒１の軸心に配置され、４枚のブレード２がタイロッド４から四方に伸びている。各ブレード２は、横断面がＵ字状をしているステンレス鋼製のシース３、及びシース３内に配置された中性子吸収金属棒である複数のハフニウム棒５を有する。

横断面形状が十字形であるハンドル６がタイロッド４の上端に溶接にて取り付けられ、また、横断面形状が十字形である下部支持部材７がタイロッドの下端に溶接にて取り付けられる。各ブレード２の横断面がＵ字状をしているシース３の両側端部がタイロッド４に溶接にて接合される。シース３の上端がハンドルに、シース３の下端が下部支持部材７に、それぞれ、溶接にて接合される。複数のハフニウム棒５が、ハンドル６と下部支持部材７の間でシース３内に配置され、各ブレード２においてタイロッド４からブレード２の先端部に向かって一列に配置されている。落下速度リミッタ８が下部支持部材７の下端部に取り付けられている。

これらのハフニウム棒５は、中実の丸棒であり、タイロッド４からブレード２の先端部に向かって一列に配置されている（例えば、図２参照）。各ハフニウム棒５は下部領域の直径が上部領域の直径よりも小さくなっている。このため、各ブレード２において、ハフニウム棒５の相互間に形成される隙間の幅は、直径が小さい下部領域で上部領域よりも広くなっている（図２及び図３参照）。ハフニウム棒５の上部領域では、複数のハフニウム棒５がシース３内において隙間なく一列に配置されている。各ハフニウム棒５は、軸方向において一か所の段付き部を形成した中実の丸棒である。このような形状のハフニウム棒５の採用は、制御棒１の重量を軽減させるためであり、原子炉圧力容器内で中性子照射量の比較的少ない制御棒１の下部領域におけるハフニウムの使用量を少なくしている。

制御棒１では、シース３の、ハフニウム棒５の上部領域に対向する両側面が平面になっており、シース３の、ハフニウム棒５の下部領域に対向する両側面には、ブレード２の幅方向及び制御棒１の軸方向にそれぞれ凹凸面が形成される。すなわち、ハフニウム棒５の上部領域に対向する、シース３の上部領域には平面領域９が形成され、ハフニウム棒５の下部領域に対向する、シース３の下部領域には凹凸面領域１０が形成される。平面領域９は、図１に示すように、シース３の上端から下部支持部材７に向かう長さＬ_１の領域であり、凹凸面領域１０は平面領域９の下端からシース３の下端までの長さＬ_２の領域である。平面領域９及び凹凸面領域１０におけるシース３の厚みは、ともにｔである。

制御棒１に用いられるシース３の形状を、図２から図６を用いて詳細に説明する。特に、シース３の凹凸面領域１０の形状について説明する。各ブレード２において、ハフニウム棒５の直径が小さい下部領域に対向している、シース３の凹凸面領域１０（図１における長さＬ_２の領域）には、シース３の対向するそれぞれの側面に、隣り合うハフニウム棒５の相互間に形成されるそれぞれの隙間に入り込む凹部１１Ａ及び１１Ｂがそれぞれ形成されている（図３及び図４参照）。各ブレード２において、各ハフニウム棒５に対向している、シース３の各側面の部分には凸部１２Ａ及び１２Ｂがそれぞれ形成されている（図３及び図４参照）。凹部１１Ａ及び１１Ｂ及び凸部１２Ａ及び１２Ｂは、それぞれ、曲面により形成されている。ハフニウム棒５を間に挟んで対向する一対の凸部１２Ｂのそれぞれの最も外側に位置する部分での内面間の寸法は、平面領域９においてシース３の対向している部分の内面間の寸法と同じである。凸部１２Ａ（第２突出部）は、凹部１１Ａ（第１突出部）及び凹部１１Ｂとの関係では凸部であるが、凸部１２Ｂとの関係では凹部となる（図５参照）。凹部１１Ｂは、凸部１２Ｂとの関係では、凹部であるが、凹部１１Ａとの関係では凸部となる（図６参照）。

凸部１２Ａの最も外側に位置する部分での内面（図３参照）、凹部１１Ｂの最も内側に位置する部分での内面（図４参照）及び凹部１１Ａの最も内側に位置する部分での内面（図３参照）の順に、凸部１２Ｂの最も外側に位置する部分での内面（図４参照）よりも内側に位置しており、凹部１１Ａの最も内側に位置する部分での内面が、凹部１１Ａ、凹部１１Ｂ、凸部１２Ａ及び凸部１２Ｂのそれぞれの上記内面のうちで最も内側に位置している。また、凸部１２Ｂの最も外側に位置する部分での内面が、凸部１２Ａ及び凸部１２Ｂのそれぞれの上記内面のうちで最も外側に位置している。

この結果、対向している一対の凹部１１Ｂのそれぞれの最も内側に位置する部分の内面間の寸法は、対向している一対の凹部１１Ａのそれぞれの最も内側に位置する部分の内面間の寸法よりも大きくなっている。対向している一対の凸部１２Ａのそれぞれの最も外側に位置する部分の内面間の寸法は、対向している一対の凹部１１Ｂのそれぞれの最も内側に位置する部分の内面間の寸法よりも大きくなっている。対向している一対の凸部１２Ｂのそれぞれの最も外側に位置する部分の内面間の寸法は、対向している一対の凸部１２Ａのそれぞれの最も外側に位置する部分の内面間の寸法よりも大きくなっている。対向している一対の凸部１２Ａのそれぞれの最も外側に位置する部分の内面は、ハフニウム棒５の下部領域の外面付近まで凸部１２Ｂの最も外側に位置する部分での内面よりも内側に突出しており（図５参照）、対向している一対の凸部１２Ａのそれぞれの最も外側に位置する部分の内面間の寸法ｇ_２は、ハフニウム棒５の下部領域の直径Ｄよりも若干大きくなっている。なお、対向している一対の凹部１１Ａのそれぞれの最も内側に位置する部分の内面間の寸法Ｓ_２（図３参照）は、ハフニウム棒５の下部領域の直径Ｄよりも小さくなっている。

制御棒１の軸方向における或る凸部１２Ａの位置でのシース３の横断面では、凸部１２Ａ及び凹部１１Ａがブレード２の幅方向においてシース３の側面に交互に形成されている（図３参照）。制御棒１の軸方向における或る凸部１２Ｂの位置でのシース３の横断面では、凸部１２Ｂ及び凹部１１Ｂがブレード２の幅方向においてシース３の側面に交互に形成されている（図４参照）。このように、シース３の凹凸面領域１０では、シース３の側面がブレード２の幅方向で凹凸形状になっている。ブレード２の幅方向における或る凸部１２Ｂの位置でのシース３の縦断面では、凸部１２Ａ及び凸部１２Ｂが制御棒１の軸方向においてシース３の側面に交互に形成されている（図５参照）。ブレード２の幅方向における或る凹部１１Ｂの位置でのシース３の縦断面では、凹部１１Ａ及び凹部１１Ｂが制御棒１の軸方向においてシース３の側面に交互に形成されている（図６参照）。このように、シース３の凹凸面領域１０では、シース３の側面が制御棒１の軸方向で凹凸形状になっている。

対向している一対の凹部１１Ａのそれぞれの最も内側に位置する部分の内面間の寸法Ｓ_２は、ハフニウム棒５の下部領域の直径Ｄよりも小さくなっているため、その一対の凹部１１Ａは、ハフニウム棒５の下部領域の相互間に向かって内側に突出し、ハフニウム棒５の下部領域の相互間に挿入されている（図３参照）。このため、シース３内に配置された各ハフニウム棒５の下部領域は、ハフニウム棒５の下部領域の相互間にそれぞれ挿入された対になっているシース３の凹部１１Ａによって、ブレード２の幅方向への移動が拘束される。また、各ハフニウム棒５の下部領域は、ハフニウム棒５の下部領域に向かって内側に突出している凸部１２Ａによってブレード２の厚み方向への移動が拘束される。

沸騰水型原子炉は、図７に示すように、複数の燃料集合体１３が装荷されている炉心を原子炉圧力容器（図示せず）内に形成しており、炉心に挿入される複数の制御棒１を有している。炉心には、１本の制御棒１及びこの制御棒１の周囲を取り囲む４体の燃料集合体１３で構成される複数のセルが存在する。各セル内の４体の燃料集合体１３の各下端部は、原子炉圧力容器内で炉心の下端に配置された燃料支持金具（図示せず）により支持され、これら４体の燃料集合体１３の上端部は、炉心の上端に配置された上部格子板１４によって保持される。１つのセル内で４体の燃料集合体１３の相互間には、冷却水が存在する水ギャップ領域が形成され、この水ギャップ領域内に制御棒１が挿入される。

対向している一対の凸部１２Ｂのそれぞれの最も外側に位置する部分の外面間の寸法ｇ_１（図５参照）は、平面領域９におけるシース３の対向する外面間の寸法（ブレード２の厚み）と同じであり、上記した水ギャップ領域の幅（隣り合う燃料集合体１３の間の寸法）よりも小さくなっている。このため、制御棒１の燃料集合体１３の相互間への挿入及びその相互間からの引き抜きを容易に行うことができる。対向している一対の凸部１２Ａの最も外側に位置する部分での外面間の寸法Ｓ_１（図３参照）は、寸法ｇ_１よりも小さくなっている。

上記した平面領域９及び凹凸面領域１０を有する、横断面がＵ字状をしたシース３は、ステンレス鋼板材の凹凸面領域１０を形成する部分にプレス加工により凹部１１Ａ及び１１Ｂ及び凸部１２Ａ及び１２Ｂをそれぞれ形成し、その後、このステンレス鋼板材をプレス加工によりＵ字状に曲げて製作することができる。このため、凹凸面領域１０を形成している横断面がＵ字状をしたシース３の製作を容易に行うことができる。

沸騰水型原子炉の運転中に、万が一、何らかの異常が発生した場合には、制御棒１が炉心に緊急挿入（スクラム）され、沸騰水型原子炉が緊急停止される。スクラム時には、制御棒１のハフニウム棒５に、長手方向において、圧縮荷重及び引張荷重が発生する。スクラム時におけるスクラム挿入力をＦｃとすると、スクラム開始時に、制御棒駆動機構による挿入力（スクラム駆動力）Ｆｃは停止している制御棒１に動き出しの慣性力として作用する。このため、制御棒１は、（１）式で表される軸圧縮荷重Ｆ_ｃｏｍｐを受ける。

Ｆ_ｃｏｍｐ＝ｍ×（Ｆｃ／ｍ）＝Ｆｃ …（１）
ここで、ｍは制御棒の質量である。

軸圧縮荷重Ｆ_ｃｏｍｐは、制御棒１のタイロッド４及びシース３に作用し、シース３内のハフニウム棒５には作用しない。スクラム時に制御棒１が炉心に全挿入されて停止するときには、制御棒１のハフニウム棒５に慣性力が作用し、このハフニウム棒５は式（２）で表される軸圧縮荷重Ｆａを受ける。

Ｆａ＝ｍ_ａ×ａ_ｅ …（２）
ここで、ｍ_ａはハフニウム棒の質量、及びａ_ｅはスクラム停止加速度である。

ハフニウム棒５に軸圧縮荷重Ｆａが加わった場合におけるハフニウム棒５の座屈モードを、図８を用いて説明する。図８（Ａ）は、周辺になんら支持されない状態での実行長さＬ’のハフニウム棒５における、上下端部支持条件での座屈モードを示している。図８（Ｂ）は、実行長さＬ’のハフニウム棒５を長手方向において長さが等しい上部領域ｈ_３と下部領域ｈ_２に分割する長手方向の位置に、ブレード２の厚み方向において剛な支持点ＰＳ（例えば、凸部１２Ａ）を設けた場合におけるハフニウム棒５の座屈モードを示している。オイラーの臨界座屈荷重式によれば、臨界座屈荷重はハフニウム棒５の実行長さＬ’の二乗に反比例する。したがって、図８（Ｂ）に示すように、支持点ＰＳ（例えば、凸部１２Ａ）を設けることにより、図８（Ｂ）に示す状態では、ハフニウム棒５の座屈長さは図８（Ａ）に示す状態でのハフニウム棒５の座屈長さ１／２となり、このため、軸圧縮荷重Ｆａがハフニウム棒５の両端部に作用してハフニウム棒５がブレード２の厚み方向に曲げられる場合には、ブレード２の厚み方向におけるハフニウム棒５の座屈荷重を１／４に低減することができる。

制御棒１では、図５に示すように、制御棒１の軸方向において複数対の凸部１２Ａシース３に形成されてハフニウム棒５の直径が小さい下部領域がそれぞれの対の凸部１２Ａ間に配置されているため、軸圧縮荷重Ｆａの作用により、ハフニウム棒５が図８（Ｂ）に示すようにブレード２の厚み方向に曲げられる場合には、ハフニウム棒５の長手方向の中央部が（ｇ_２−Ｄ）／２移動すると、ハフニウム棒５の長手方向の中央部が支持点ＰＳ（例えば、凸部１２Ａ）に接触する。このため、ハフニウム棒５に発生する曲げ応力が低減される。実際には、支持点ＰＳはシース３の凸部１２Ａであるために剛ではなく弾性支持点であるが、支持点ＰＳがハフニウム棒５の曲げに対する抵抗となるために、支持点ＰＳ、すなわち、凸部１２Ａによって、ハフニウム棒５の、ブレード２の厚み方向における座屈許容応力を向上させることができる。

ブレード２の幅方向では、隣り合うハフニウム棒５の下部領域のそれぞれの相互間に、シース３に形成された、互いに向かい合って形成された対となる凹部１１Ａが挿入され、対になっている各凹部１１Ａのそれぞれの最も内側に位置する部分の内面間の寸法Ｓ_２は、ハフニウム棒５の下部領域の直径Ｄよりも小さくなっている。このような対になっている凹部１１Ａが、図９（Ｂ）に示されたハフニウム棒５の長手方向の中央部の位置に配置されていることを想定する。軸圧縮荷重Ｆａがハフニウム棒５の両端部に作用してハフニウム棒５がブレード２の幅方向に曲げられる場合には、ブレード２の幅方向におけるハフニウム棒５の座屈荷重が、前述したハフニウム棒５がブレード２の厚み方向に曲げられる場合と同様に、１／４に低減される。本実施例の制御棒１では、ブレード２の幅方向で隣り合うハフニウム棒５の下部領域のそれぞれの相互間に挿入される対になっている凹部１１Ａは、制御棒１の軸方向に複数個形成されるために、ハフニウム棒５の、ブレード２の幅方向における座屈許容応力をさらに向上させることができる。

本実施例によれば、上記したように、スペーサ３の一部である凹部１１Ａ及び凸部１２Ａによりハフニウム棒５の下部領域をブレード２の幅方向及び厚み方向に支持することができるため、従来の制御棒のように、ハフニウム棒５の下部領域を支持するスペーサを制御棒のシース内に配置してこのスペーサをシースに溶接する必要がなくなり、制御棒１におけるＩＡＳＣＣ発生のポテンシャルを低減することができる。

本実施例では、凹部１１Ａ及び１１Ｂ及び凸部１２Ａ及び１２Ｂがシース３によって形成されているので、制御棒１の重量が増加することはない。

したがって、本実施例によれば、制御棒において応力腐食割れを抑制することができ、中性子吸収金属棒であるハフニウム棒５の座屈を防止することができる。

ハフニウムは吸収核連鎖型中性子吸収材であり、吸収核連鎖型中性子吸収材としては、ハフニウム以外にユーロピウム及びタンタル等がある。吸収核連鎖型中性子吸収材は、中性子吸収反応により生成される核種あるいはその壊変核種の中にさらに中性子を吸収する核種を生成する中性子吸収効果の遅い中性子吸収材である。中性子吸収金属棒として、ハフニウム棒５の替りに、ユーロピウムまたはタンタルを含む中性子吸収金属棒を用いても良い。

本発明の他の実施例である実施例２の沸騰水型原子炉用制御棒を、図９を用いて説明する。本実施例の制御棒１Ａは、制御棒１においてシース３をシース３Ａに替えた構成を有している。シース３Ａは、凹凸面領域１０の凹凸を曲面ではなく図９に示すように折れ曲がった直線状にした構成を有する。制御棒１Ａの他の構成は制御棒１と同じである。制御棒１Ａのシース３Ａには、制御棒１と同様に、ハフニウム棒５の上部領域に対向する、シース３Ａの上部領域には平面領域が形成され、ハフニウム棒５の下部領域に対向する、シース３の下部領域には凹凸面領域が形成される。この凹凸面領域には、図９に示すようにブレード２の幅方向において、凹部１５（第１突出部）及び凸部１６（第２突出部）が交互に形成される。対となって対向している凹部１５のそれぞれの最も内側に位置する部分での内面間の寸法Ｓ_２は、ハフニウム棒５の下部領域の直径Ｄよりも小さくなっている。対になっている凹部１５が、ブレード２の幅方向において隣り合うハフニウム棒５の下部領域の相互間に挿入されている。対となって対向している凸部１６のそれぞれの最も外側に位置する部分での外面間の寸法Ｓ_３は、制御棒１Ａの平面領域におけるシース３Ａの対向する外面間の寸法（制御棒１の寸法ｇ_１に相当）よりも狭くなっている。対となって対向している凸部１６のそれぞれの最も外側に位置する部分での内面間に、ハフニウム棒５の下部領域が配置され、対になっている凸部１６のそれぞれのその内面がハフニウム棒５の下部領域の側面付近まで接近している。

制御棒１Ａにおいても、凹凸面領域では、図示されていないが、凹部１５の位置において、制御棒１Ａの軸方向に、制御棒１の凹部１１Ａ及び１１Ｂに相当する凹凸が交互に形成される。また、凹凸面領域では、図示されていないが、凸部１６の位置において、制御棒１Ａの軸方向に、制御棒１の凸部１２Ａ及び１２Ｂに相当する凹凸が交互に形成される。

ハフニウム棒５の下部領域のブレード２の幅方向への移動が対になっている凹部１５で拘束され、ハフニウム棒５の下部領域のブレード２の厚み方向への移動が対になっている凸部１６で拘束される。このような本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である実施例３の沸騰水型原子炉用制御棒を、図１０を用いて説明する。本実施例の制御棒１Ｂは、制御棒１においてシース３をシース３Ｂに替えた構成を有する。制御棒１Ｂの他の構成は制御棒１と同じである。

制御棒１Ｂでは、ハフニウム棒５の直径が小さい下部領域が存在するシース３Ｂの下部領域（実施例１の凹凸面領域１０に相当する領域）におけるシース３Ｂの対向する外面間の寸法Ｓ_１は、ハフニウム棒５の直径が大きい上部領域が存在するシース３Ｂの上部領域（実施例１の平面領域９に相当する領域）におけるシース３Ｂの対向する外面間の寸法（制御棒１の寸法ｇ_１に相当）と同じである。Ｕ字状に曲げられたシース３Ｂの内面には、内側に突出してブレード２の幅方向において隣り合うハフニウム棒５の下部領域の相互間に挿入される、対になっている突出部１７（第１突出部）が形成され、隣り合う突出部１７間に、ハフニウム棒５の下部領域が配置できるように、溝１８がそれぞれ形成される。各溝１８の底面２１（第２突出部）は、突出部１７の突出長さよりも小さいが、ハフニウム棒５の下部領域に向かって突出してハフニウム棒５の下部領域の側面付近まで接近している。突出部１７及び溝１８は、制御棒１Ｂの軸方向において所定の間隔を置いてそれぞれ複数形成される。対になっている突出部１７の内面間の寸法Ｓ_２はハフニウム棒５の下部領域の直径Ｄよりも小さくなっている。

シース３Ｂの下部領域では、図示されていないが、対になっている突出部１７の位置、すなわち、図１０に示す例えばＸ_１−Ｘ_１の位置において、制御棒１Ｂの軸方向に、突出部１７、及びシース３Ｂの上部領域の内面のように突出部１７が形成されていない平らな内面が交互に形成される。シース３Ｂの上部領域の内面は、平らな内面であり、ハフニウム棒５の直径が大きい上部領域の側面の近くに配置されている。また、シース３Ｂの下部領域では、図示されていないが、対になって対向している溝１８の位置、すなわち、図１０に示す例えばＹ_１−Ｙ_１の位置において、制御棒１Ｂの軸方向に、溝１８、及びシース３Ｂの上部領域の内面のように溝１８の底面２１が形成されていない平らな内面が交互に形成される。

本実施例では、ハフニウム棒５の下部領域のブレード２の幅方向への移動が対になっている突出部１７の溝１８に面する側面で拘束され、ハフニウム棒５の下部領域のブレード２の厚み方向への移動が対になっている溝１８の底面２１で拘束される。このような本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、制御棒１Ｂの軸方向において、突出部１７、及びシース３Ｂの上部領域の内面のように突出部１７が形成されていない平らな内面が交互に形成され、さらに、溝１８、及びシース３Ｂの上部領域の内面のように溝１８の底面２１が形成されていない平らな内面が交互に形成されるので、制御棒１Ｂの重量が軽減される。

本発明の他の実施例である実施例３の沸騰水型原子炉用制御棒を、図１０を用いて説明する。本実施例の制御棒１Ｃは、制御棒１においてシース３をシース３Ｃに替えた構成を有する。制御棒１Ｃの他の構成は制御棒１と同じである。

制御棒１Ｃでは、制御棒１Ｂと同様に、ハフニウム棒５の直径が小さい下部領域が存在するシース３Ｃの下部領域（実施例１の凹凸面領域１０に相当する領域）におけるシース３Ｃの対向する外面間の寸法Ｓ_１は、ハフニウム棒５の直径が大きい上部領域が存在するシース３Ｃの上部領域（実施例１の平面領域９に相当する領域）におけるシース３Ｃの対向する外面間の寸法（制御棒１の寸法ｇ_１に相当）と同じである。

本実施例で用いられるＵ字状に曲げられたシース３Ｃは、実施例３で用いられるシース３Ｂと同様に、ブレード２の幅方向において隣り合うハフニウム棒５の下部領域の相互間に挿入される複数の突出部１９（第１突出部）が形成されている。突出部１９は、シース３Ｂに形成される対になって対向している突出部１７とは異なり、シース３Ｃの対向する内面の１つから他方の内面に向かってこの内面付近まで突出している。これらの突出部１９は、シース３Ｃの対向している各内面から交互に他方の内面に向かって突出している。ブレード２の幅方向においてシース３Ｃの一つの内面に隣り合って形成される突出部１９の相互間に溝がそれぞれ形成される。この溝内には、隣り合う２本のハフニウム棒５のそれぞれの下部領域が配置される。これらのハフニウム棒５の下部領域の間には、シース３Ｃの他方の内面から内側に向かって突出する突出部１９が配置される。シース３Ｃのそれぞれの内面に形成される、各溝の底面２０（第２突出部）は、突出部１９の突出長さよりも小さいが、ハフニウム棒５の下部領域に向かって突出してハフニウム棒５の下部領域の側面付近まで接近している。突出部１９及びブレード２の幅方向で突出部１９間に形成されて底面２０を有する溝は、制御棒１Ｃの軸方向において所定の間隔を置いてそれぞれ複数形成される。対になっている突出部１９とこれに対向するシース３Ｃの内面間の寸法Ｓ_２はハフニウム棒５の下部領域の直径Ｄよりも小さくなっている。

シース３Ｃの下部領域では、図示されていないが、突出部１９の位置、すなわち、図１１に示す例えばＸ_２−Ｘ_２の位置において、制御棒１Ｃの軸方向に、突出部１９、及びシース３Ｃの上部領域の内面のように突出部１９が形成されていない平らな内面が交互に形成される。シース３Ｃの上部領域の内面は、平らな内面であり、ハフニウム棒５の直径が大きい上部領域の側面の近くに配置されている。また、シース３Ｃの下部領域では、図示されていないが、ブレード２の幅方向においてシース３Ｃの１つの内面に形成されて隣り合う突出部１９の間に形成される溝の位置、すなわち、図１１に示す例えばＹ_２−Ｙ_２の位置において、制御棒１Ｃの軸方向に、その溝、及びシース３Ｃの上部領域の内面のようにその溝の底面２０が形成されていない平らな内面が交互に形成される。

本実施例では、ハフニウム棒５の下部領域のブレード２の幅方向への移動が対になっている突出部１９で拘束され、ハフニウム棒５の下部領域のブレード２の厚み方向への移動が溝の底面２０で拘束される。このような本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、制御棒１Ｃの軸方向において、突出部１９、及びシース３Ｃの上部領域の内面のように突出部１９が形成されていない平らな内面が交互に形成され、さらに、シース３Ｃの１つの内面に形成されて隣り合う突出部１９の間に形成される溝、及びシース３Ｃの上部領域の内面のように溝の底面２０が形成されていない平らな内面が交互に形成されるので、制御棒１Ｃの重量が軽減される。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…制御棒、２…ブレード、３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…シース、４…タイプレート、５…ハフニウム棒、６…ハンドル、７…下部支持部材、９…平面領域、１０…凹凸面領域、１１Ａ，１１Ｂ，１５…凹部、１２Ａ，１２Ｂ，１６…凸部、１７，１９…突出部、１８…溝、２０，２１…底面。

Claims (5)

1. タイロッドと、前記タイロッドから四方に伸びる４枚のブレードとを備え、
   前記ブレードが、横断面がＵ字状をしており、両側端部が前記タイロッドに溶接にて接合されているシース、及びシース内に配置されて下部領域の直径が上部領域の直径よりも小さい複数の中性子吸収金属棒を有し、
   前記シースの、前記中性子吸収金属棒の前記下部領域に対向する下部領域には、内側に向かって突出され、前記ブレードの幅方向において隣り合う前記中性子吸収金属棒の前記下部領域の相互間にそれぞれ挿入された、前記シースの一部である複数の第１突出部、及び内側に向かって突出され、突出長さが前記第１突出部よりも短くて互いに対向している、前記シースの一部である複数対の第２突出部が形成され、
   対向する前記第２突出部間に前記中性子吸収金属棒の前記下部領域が配置されることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
2. 前記第１突起部及び前記第２突起部が、前記制御棒の軸方向において、断続的に、それぞれ複数個形成される請求項１に記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
3. 前記第１突起部及び前記第２突起部が、それぞれ、前記シースを内側に突出させて形成されている請求項１または２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
4. 前記第１突起部及び前記第２突起部が、それぞれ、前記ブレードの厚み方向において対向している前記シースの両側面を内側に突出させて形成されている請求項３に記載の沸騰水型原子炉用制御棒。
5. 前記中性子吸収金属棒がハフニウム棒である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の沸騰水型原子炉用制御棒。

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