JP2015102431A - 沸騰水型原子炉用制御棒 - Google Patents

Abstract

【課題】中性子吸収材の充填量を維持しつつ変形追従性を向上可能な沸騰水型原子炉用制御棒を提供する。
【解決手段】中性子吸収材が収容される中性子吸収材充填領域を有し互いに直交する４つのブレード２a〜２ｄを備えた沸騰水型原子炉用制御棒１は、制御棒１の中立軸方向に形成された複数の領域が、４つのブレードを互いに結合する第１断面を含む第１の領域と、４つのブレードが互いに分離された第２断面を含む第２の領域と、４つのブレードのうち互いに対向するよう配置された一対のブレード２ｂ、２ｄが架橋部６ｂ、７ｂにより連結され、架橋部６ｂ、７ｂに直交するよう配置された他の一対のブレード２ａ、２ｃが分離された第３断面を含み制御棒１の中立軸方向において第１の領域と第２領域との間に配置される複数の第３の領域を有し、前記複数の第３の領域のうち、少なくとも１つ以上の第３の領域の架橋部７ｂの板厚はブレード２ｂの板厚よりも薄肉化されており、架橋部７ｂと架橋７ａに直交するブレード２ａ、２ｃが干渉する距離を拡大する。
【選択図】図１

Description

本発明は，沸騰水型原子炉（以下ＢＷＲ:Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ）において出力の制御や原子炉の停止を行なうための制御棒に関し、特に、外力による変形に対する追従性を有する制御棒に関する．

沸騰水型原子炉において使用される制御棒は，水平断面が十字型の断面を有し，密閉された中空管内に封入されたボロンカーバイト（以下、B₄C）や金属ハフニウム（以下、Hf）等の中性子吸収材を内包した4枚の翼を有する。この制御棒は、4体の燃料集合体の角筒管形状の燃料チャンネルボックス間に形成される十字型の水ギャップ内に挿入される。この制御棒に対し、炉心内への挿入、炉心からの引抜き操作を行うことにより、原子炉の起動・停止および原子炉運転中の原子炉出力の調整を行う。

近年、実用制御棒において照射誘起型応力腐食割れ（以下、ＩＡＳＣＣ:Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇと記載）が原因と考えられる制御棒構造部材の劣化現象が確認されている。ＩＡＳＣＣは、中性子照射、引張応力および環境条件が重畳すると発生する可能性がある。一般に、中性子照射量は、制御棒の軸方向上部向かって高くなる傾向がある。また、制御棒に引張応力が発生する要因の一つとして、制御棒製作時の溶接に伴う引張残留応力の影響が考えられる。更に、環境条件として、隙間環境形成がＩＡＳＣＣに関与する可能性があると考えられる。

このような条件のもと、更に、制御棒に求められる機能として、地震発生時において炉心機器の一つである燃料集合体に過大変形が発生する事象下であっても、制御棒は炉心内に急速挿入され、速やかに原子炉の運転を停止させる必要がある。このような要求に対応する制御棒として特許文献１に記載される制御棒が提案されている。

特許文献１に記載される制御棒は、軸方向において、４枚のブレードが互いに連結されている第１横断面を含む第１領域、４枚のブレードが互いに分離されている第２横断面を含む第２領域、及び１つの方向に並んで配置された２枚のブレードが架橋部により互いに結合され、これらのブレードと直交する他の２枚のブレードが互いに分離されている第３横断面を含む第３領域を有している。第３領域では、架橋部と直交する方向に存在する他の２枚のブレードは、この架橋部に結合されることなく互いに分離されている。

特開２０１１−８０８９５号公報

特許文献１では、向かい合う２の枚ブレードを中立軸近傍で分離する構造であることから、直交する他方の２枚のブレードを相互に結合する架橋部の中立軸周方向の厚さ分だけ水平方向に変位でき、地震発生時における制御棒の急速挿入が可能となる。

しかしながら、特許文献１の構造では、架橋部の厚さは、相互に結合する２枚のブレードの厚さと同一であり、水平方向の変位量、すなわち、架橋部と架橋部に直交する分離されたブレードとの干渉距離はこのブレードの厚さにより制限される。水平方向の変位量を拡大するためには架橋部の厚さをブレードの厚さと共に薄くする必要が生じる。従って、中性子吸収材の充填量を維持しつつ更なる変形追従性を図る上では、改善の余地がある。

本発明は、中性子吸収材の充填量を維持しつつ変形追従性を向上可能な沸騰水型原子炉用制御棒を提供する。

上記課題を解決するため、本発明は、中性子吸収材が収容される中性子吸収材充填領域を有し互いに直交する４つのブレードを備えた沸騰水型原子炉用制御棒であって、前記制御棒の中立軸方向に形成された複数の領域が、前記４つのブレードを互いに結合する第１断面を含む第１の領域と、前記４つのブレードが互いに分離された第２断面を含む第２の領域と、前記４つのブレードのうち互いに対向するよう配置された一対のブレードが架橋部により連結され、前記架橋部に直交するよう配置された他の一対のブレードが分離された第３断面を含み前記制御棒の中立軸方向において前記第１の領域と第２領域との間に配置される複数の第３の領域を有し、前記複数の第３の領域のうち、少なくとも１つ以上の第３の領域の架橋部の板厚を前記ブレードの板厚よりも薄くしたことを特徴とする。

本発明によれば、中性子吸収材の充填量を維持しつつ変形追従性を向上可能な沸騰水型原子炉用制御棒を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

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正面図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒のＢ−Ｂ断面図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒のＣ−Ｃ断面図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒の斜視図である。 図２に示す沸騰水型原子炉用制御棒の４枚のブレードを一体に結合するハンドルの上端部および下部支持部材における横断面図である。 図２に示す沸騰水型原子炉用制御棒の４枚のブレードが互いに分離されている部分での横断面図である。 図２に示す沸騰水型原子炉用制御棒の軸心に直交する１つの方向に並んで配置された２枚のブレードが互いに分離された状態で、これらのブレードと直交する方向に存在する他の２枚のブレードが第１の架橋部にて結合されたハンドルに最も近い第一架橋部での横断面図である。 図２に示す沸騰水型原子炉用制御棒の図８に示す１つの方向に並んで配置された２枚のブレードが第１の架橋部にて結合され、これらのブレードと直交する方向に存在する他の２枚のブレードが互いに分離された状態にある部分での横断面図である。 図２に示す沸騰水型原子炉用制御棒の軸心に直交する１つの方向に並んで配置された２枚のブレードが互いに分離された状態で、これらのブレードと直交する方向に存在する他の２枚のブレードが第２の架橋部により結合された部分での横断面図である。 図２に示す沸騰水型原子炉用制御棒の図１０に示す１つの方向に並んで配置された２枚のブレードが第２の架橋部により結合され、これらのブレードと直交する方向に存在する他の２枚のブレードが互いに分離された状態にある部分での横断面図である。 図８に示す断面図における寸法関係を示す図である。 図１０に示す断面図における寸法関係を示すである。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒を構成する１つの板部材および当該板部材と直交する方向に配置される２つの板部材の斜視図である。 比較例としての沸騰水型原子炉用制御棒が地震時において炉心機器から強制変位を付与された際における変形を示す説明図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒が地震時において炉心機器から強制変位を付与された際における変形を示す説明図である。 ブレードに負荷が加わった際の変形模式図である。 図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒の第２の架橋部の拡大図である。 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の第２の架橋部の拡大図である。 図１９に示す第２の架橋部の断面図である。 図１９に示す第２の架橋部の他の断面図である。 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の第２の架橋部の拡大図である 本発明の実施例３の沸騰水型原子炉用制御棒の第２の架橋部の拡大図である。 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の第２の架橋部の他の拡大図である。 本発明の実施例４の沸騰水型原子炉用制御棒の第２の架橋部の他の拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図５に、本実施例による沸騰水型原子炉用制御棒の斜視図を示す。本実施例の制御棒１は、図示しない４体の燃料集合体の角筒管形状の燃料チャンネルボックス間に形成される十字型の水ギャップ内に、沸騰水型原子炉底部より挿入可能に水平断面が十字型の断面形状を有ししている。図５に示されるように、制御棒１は、中立軸心より伸び互いに直交する４枚のブレード２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、これら４枚のブレードと上部で一体化されたハンドル３、ハンドル３とは反対側の下方部に設けられ４枚のブレードの下方端を支持する下部支持部材４より構成される。下部支持部材４は、４枚のブレードの下方端と溶接により接合される。ブレード２a及び２ｃは、後述する板部材１１aに形成され、ブレード２ｂは板部材１１ｂ、ブレード２ｄは板部材１１ｄに形成され、これら３枚の板部材１１a、１１ｂ及び１１ｄが連結部５において相互に直交するよう接合されている。

図５に示されるように、ハンドル３の直下には開口部９Ａ１が形成され、開口部９Ａ１の直下には、開口幅が開口部９Ａ１より狭い開口部９Ａ２が形成されている。また、更に開口部９Ａ２の下方には、開口幅が開口部９Ａ２より大きく開口部９Ａ１より狭い開口部９Ａ３が形成されている。開口部９Ａ２には、中立軸心を挟み対向する、すなわち、一の方向に並んで配置されたブレード２ｂとブレード２ｄを連結する第１の架橋部６ｂが位置する。また、開口部９Ａ２内であって第１の架橋部６ｂより所定間隔下方に、ブレード２ｂ及びブレード２ｄに直交し中立軸心を挟み対向する、すなわち上記１の方向に対し直交する他の方向に並んで配置されたブレード２ａとブレード２ｃを連結する第１の架橋部６ａが位置する。また、開口部９Ａ３内には、ブレード２ｂとブレード２ｄを連結する第２の架橋部７ｂ、ブレード２ａと２ｃを連結する第２の架橋部７ａが所定の間隔にて交互に位置する。図５においては、開口部９Ａ３内に、第２の架橋部７ａ及び第２の架橋部７ｂをそれぞれ３箇所設ける構造を示すが、第２の架橋部７ａ、７ｂの配置個所はこれに限られるものではない。

図１に、ブレード２ａと２ｃに垂直な方向から見たときの制御棒１の上部の正面図を示し、図２に図１におけるＡ−Ａ断面図を、図３に図１におけるＢ―Ｂ断面図を、図４に図１におけるＣ−Ｃ断面図を示す。

図１に示されるように、ブレード２ｂとブレード２ｄを連結する第１の架橋部６ｂは、開口部９Ａ２内の中立軸心に沿って配置され、ハンドル３に最も近い位置に配置される。また、ブレード２ａとブレード２ｃを連結する第１の架橋部６ａは、第１の架橋部６ｂより下方であって開口部９Ａ２内に配置され、ブレード２ａとブレード２ｃを連結する架橋部の中でハンドル３に最も近い位置に配置されている。

図２に示す第１の架橋部６ｂでの横断面に示されるように、ブレード２ｂとブレード２ｄを連結する第１の架橋部６ｂは、ブレード２ｂ及び２ｄと同一の板厚を有している。そして、ブレード２ｂとブレード２ｄを連結する方向に直交する方向に配置されるブレード２ａ及びブレード２ｃは互いに分離された状態となっている。４枚の各ブレードには、中性子吸収材を内部に充填可能な中性子吸収材封入孔８が、各ブレードの断面長手方向に沿って複数配置されている。すなわちブレード内に中立軸に平行な方向に伸びる中性子吸収材封入孔８が、ブレードの幅方向に複数並んで存在する。各中性子吸収材封入孔８はそれぞれ独立していることが好ましい。制御棒１の製造方法の詳細は後述するが、中性子吸収材を封入するブレード２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、熱間等方圧加圧成形（以下、ＨＩＰ：Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）により形成された板部材の端部からガンドリルや放電加工による機械的な孔加工により製作される。本実施例では、板部材から各ブレード２ａ〜２ｄ、ハンドル３、第１の架橋部６ａ、６ｂ、第２の架橋部７ａ、７ｂを製作する場合を例に説明するが、これに限られず、例えば、中性子吸収材を充填する矩形断面を有する円管をブレードの幅方向に並べて一体化もしくは複数の異径管を組合せて各ブレードを構成してもよい。

この中性子吸収材封入孔８に封入する中性子吸収材としては、Ｂ_４ＣおよびＨｆの少なくとも１つが用いられる。Ｂ_４Ｃは密閉されたステンレス管内にＢ_４Ｃ粉末を充填した中性子吸収棒を中性子吸収材封入孔８内に挿入あるいは粉末状のＢ_４Ｃ粉末を中性子吸収材充填孔８内に直接充填してもよい。また、Ｈｆは中実丸棒として挿入してもよく、制御棒１を構成する素材自体を、ハフニウム基合金もしくはガドリニウム基合金またはカドミウム基合金を含む中性子吸収能を有する材料としてもよい。なお、中性子吸収材としてＢ_４Ｃを用いる場合、中性子吸収によりヘリウムガスを放出する。また、Ｈｆは中性子吸収により照射伸びが生じるため、中性子吸収材封入孔８が変形しないよう、プレナムや間隙の設計には注意することが好ましい。

また、図３に示すブレード２ｂとブレード２ｄを連結する第２の架橋部７ｂでの横断面に示されるように、第２の架橋部７ｂの板厚は、ブレード２ｂ及び２ｄの板厚より薄く薄肉化されている。そして、ブレード２ｂとブレード２ｄを連結する方向に直交する方向に配置されるブレード２ａ及びブレード２ｃは互いに分離された状態となっている。

図４に示されるように、開口部９Ａ３内であって、ブレード２ａとブレード２ｃを連結する第２の架橋部７ａの下方であって、ブレード２ｂとブレード２ｄを連結する第２の架橋部７ｂの上方では、ブレード２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは相互に分離された状態となっている。

ここで、上記制御棒１の製造方法について説明する。

図１４に、図１に示す沸騰水型原子炉用制御棒を構成する１つの板部材および当該板部材と直交する方向に配置される２つの板部材の斜視図を示す。ＨＩＰにより例えばステンレス製の１枚の板部材１１ａに、上方より開口部９Ａ１、開口部９Ａ１に連通しその下方に開口部９Ａ２、第１の架橋部６ａに相当する位置の下方に開口部９Ａ２、開口部９Ａ２に連通しその下方に開口部９Ａ３、開口部９Ａ３の下方に第２の架橋部７ａの幅分だけ離間し開口部９Ａ３、更に、第２の架橋部７ａの幅分だけ離間する位置に開口９Ａ３を形成し、同様に、第２の架橋部７ａの幅分だけ離間する位置、すなわち、最も下方に位置する開口部９Ａ３を形成する。最も下方に位置する開口部９Ａ３はその下端が解放され、上述の下部支持部材４に挿入されるブレード２ａ及びブレード２ｃのみとなる。上記開口部９Ａ１〜９Ａ３を形成する際、第２の架橋部７ａが形成される３つの領域の板厚のみを周囲の板厚よりも薄くなるよう形成する。

同様に、他の１枚の板部材を用意し、ＨＩＰにより、上方から順に、開口部９Ａ１、開口部９Ａ１に連通しその下方に開口部９Ａ２、第１の架橋部６ｂに相当する位置の下方に開口部９Ａ２、開口部９Ａ２に連通しその下方に開口部９Ａ３、開口部９Ａ３の下方に第２の架橋部７ｂの幅分だけ離間し開口部９Ａ３、更に、第２の架橋部７ｂの幅分だけ離間する位置に開口９Ａ３を形成し、同様に、第２の架橋部７ｂの幅分だけ離間する位置、すなわち、最も下方に位置する開口部９Ａ３を形成する。最も下方に位置する開口部９Ａ３はその下端が解放され、上述の下部支持部材４に挿入されるブレード２ｂ及びブレード２ｄのみとなる。上記開口部９Ａ１〜９Ａ３を形成する際、第２の架橋部７ｂが形成される３つの領域の板厚のみを周囲の板厚よりも薄くなるよう形成し、その後、中央部で切断し板部材１１ｂ及び板部材１１ｄを形成する。このように、３枚の板部材１１ａ、１１ｂ及び１１ｄが形成された状態を図１４に示している。

次に板部材１１ａ、１１ｂ及び１１ｃそれぞれ対し、板部材の下端より最も上方に形成された開口部９Ａ１の下端、すなわち、開口部９Ａ１と開口部９Ａ２の連通部に相当する位置までガンドリルや放電加工による機械的な孔加工により上述のブレード２ａ〜２ｄそれぞれについてその幅方向に配列された複数の円筒状の中性子吸収材封入孔８を形成する。なお中性子吸収材封入孔８の上端を開口部９Ａ１と開口部９Ａ２との連通部に相当する位置に代えて、４つのブレード２ａ〜２ｄの中で、最も上方に位置する第１の架橋部６ｂの高さまでとしてもよい。

その後、各ブレードに形成された複数の中性子吸収材封入孔８内に、例えば、粉末状のＢ_４Ｃを充填し栓を挿入し溶接することで、中性子吸収材封入孔８を封止する。なお、中性子吸収材の充填については、上述の通り、Ｈｆの中実丸棒を中性子吸収材封入孔８内に挿入しその後封止するなどしてもよい。

板部材１１ａのハンドル３の中央部（中立軸心）を基準に板部材１１ｂ及び板部材１１ｄを相互に直交するよう配置し溶接することで連結部５をなし、板部材１１ｂの第１の架橋部６ｂと板部材１１ｄの第１の架橋部６ｂを溶接し、板部材１１ｂの第２の架橋部７ｂと板部材１１ｄの２の架橋部７ｂを溶接し、ブレード２ａとブレード２ｂ、ブレード２ｂとブレード２ｃ、ブレード２ｃとブレード２ｄ及びブレード２ｄとブレード２ａがそれぞれ垂直となるよう接合され、図５に示す状態となる。これにより、中立軸心より相互に直交する４枚のブレード４ａ〜４ｄが放射状に延在する形状が形成される。なお、溶接部には引張残留応力が存在する可能性があり、この引張残留応力によりＩＡＳＣＣのポテンシャルが増大することが知られている。そのため、応力緩和表面研磨や予防保全工法であるウォータージェットピーニングやショットピーニング等のピーニング技術のこれら溶接部への適用により、圧縮残留応力場を付与して応力状態を改善することが好ましい。

図６に、制御棒１の４枚のブレード２ａ〜２ｄがハンドル３と連結部５において接合された部分の上面図を示す。図６において、一の方向に対向して配置されたブレード２ａとブレード２ｃが連結部５を介して一体となり、更に、一の方向と直交する方向に配列されたブレード２ｂとブレード２ｄが連結部を介して一体となることで、４枚のブレードが一体とされた状態を示している。ここで、仮に、ブレード２ａを基準とし、各ブレードの配置関係を表すため、便宜的に、ブレード２ａを０°翼、ブレード２ｂを９０°翼、ブレード２ｃを１８０°翼、ブレード２ｄを２７０°翼と呼ぶこととする。なお、本明細書において０°翼と１８０°翼を結ぶ方向を一の方向、９０°翼と２７０°翼とを結ぶ方向を一の方向に対し直交する他の方向と呼ぶ場合もある。図６に示されるように４つの翼が一体となった横断面を第一断面と呼ぶ。

図７に示されるように、４つの翼が共に中立軸心近傍で分離した状態となる横断面を第二断面、図８に示されるように０°翼と１８０°翼が第１の架橋部６ａにより連結され、９０°翼と２７０°翼が中立軸心近傍で分離した状態となる横断面を第三断面とする。図９に示されるように、９０°翼と２７０°翼が第１の架橋部６ｂにより一体化され、０°翼と１８０°翼が中立軸心近傍で分離した状態となる横断面を第四断面、図１０に示されるように、０°翼と１８０°翼が第２の架橋部７ａにより一体化され、９０°翼と２７０°翼が中立軸心近傍で分離した状態となる横断面を第五断面、図１１に示されるように、９０°翼と２７０°翼が第２の架橋部７ｂにより一体化され、０°翼と１８０°翼が中立軸心近傍で分離した状態となる横断面を第六断面とする。上述の通り、ハンドル３に最も近い第１の架橋部６ｂ及び第１の架橋部６ａの板厚は、各翼の板厚と同一であり、第２の架橋部７ｂ及び第２の架橋部７ａの板厚は各翼板厚よりも薄い構造とする。なお、上述の通り、０°翼、９０°翼、１８０°翼、２７０°翼との呼称は、便宜的なものであり、厳密な角度を意味するものではない。

次に、各ブレードと架橋部との寸法関係を説明する。図１２に図８で示した上述の第三断面の寸法関係を示す。第三断面において、中立軸心を挟み対向する位置に配列されたブレード２ａとブレード２ｃは第１の架橋部６ａにより連結され一の方向に一体化されている。また、ブレード２ａとブレード２ｃが連結される一の方向に対し直交する他の方向に中立軸心を挟み相互に対向する位置に配列されたブレード２ｂ及びブレード２ｄは中立軸心近傍で分離された状態にある。４つのブレード２ａ〜２ｄの板厚Ｔ、各ブレードにおける中性子吸収材の封入部長さＷＢ、ブレード２ａと直交する方向に配列されたブレード２ｂの中立軸心に面する端部とブレード２ａの側面とのギャップＷＧ、第１の架橋部６ａの幅Ｗ０、としたとき、制御棒１の全幅Ｗ、すなわち、ブレード２ａの中立軸心に面する端部とは反対側の端部からブレード２ｃの中立軸心に面する端部とは反対側の端部までの距離は、Ｗ＝２ＷＢ＋２ＷＧ＋Ｔの関係にある。ここで、第１の架橋部６ａの幅Ｗ０＝２ＷＧ＋Ｔとなる。また、これらの寸法関係としては、例えば、中性子吸収材の封入部長さＷＢ＝１０×Ｔ、制御棒１の全幅Ｗ＝２５×Ｔとなるよう設計される。なお、第１の架橋部６ａの板厚は各ブレードの板厚Ｔと同一としている。

また、図１３に図１０で示した上述の第五断面の寸法関係を示す。第五断面において、中立軸心を挟み対向する位置に配列されたブレード２ａとブレード２ｃは第２の架橋部７ａにより連結され一の方向に一体化されている。また、ブレード２ａとブレード２ｃが連結される一の方向に対し直交する他の方向に中立軸心を挟み相互に対向する位置に配列されたブレード２ｂとブレード２ｄは中立軸心近傍で分離された状態にある。ここで、制御棒１の全幅Ｗ、すなわち、ブレード２ｂの中立軸心に面する端部とは反対側の端部からブレード２ｄの中立軸心に面する端部とは反対側の端部までの距離は、Ｗ＝２ＷＢ＋２ＷＧ’＋Ｔ’の関係にある。ここで、第２の架橋部７ａの幅Ｗ０＝２ＷＧ＋Ｔ＝２ＷＧ’＋Ｔ’となる。また、これらの寸法関係としては、図１２の場合と同様に、例えば、中性子球種材の封入部長さＷＢ＝１０×Ｔ、制御棒１の全幅Ｗ＝２５×Ｔとなるよう設計される。本実施例においては、第２の架橋部７ａの板厚Ｔ’を各ブレードの板厚Ｔの１／２としている。よって、中性子吸収材の封入部長さＷＢ＝２０×Ｔ’となる。なお、ＷＧ’＞ＷＧであること、すなわちＴ＞Ｔ’であることが必要である。いいかえるとＷ０＝２ＷＧ＋Ｔ＝２ＷＧ’＋Ｔ’であり、ブレードの板厚ＴはＷ０＞Ｔとなり、ブレードの板厚よりも薄肉化する第２の架橋部７ａの板厚Ｔ’はＷ０＞Ｔ＞Ｔ’の関係となる。

従って、図１０に示した第２の架橋部７ａは、ブレードに曲げ変形が生じた際、第２の架橋部７ａの側面が、第２の架橋部７ａに直交するブレード２ｂ、２ｄと干渉するまでの間隙が拡大される。すなわち、上述のとおり本実施例では、第２の架橋部７ａの板厚Ｔ’をブレード２ａ〜２ｄの板厚Ｔの１／２に薄肉化することにより、第２の架橋部７ａの側面と、ブレード２ｂ及びブレード２ｄの中立軸心に面する端部までの距離（ギャップＷＧ’）が拡大され、第２の架橋部７ａにて連結されたブレード２ａ及びブレード２ｃのへ変位量を拡大することができる。

図１５に、比較例として、全ての架橋部の板厚をブレードの板厚と同一とする制御棒を用いた場合の変形模式図を示す。また、図１６に、図１に示す本実施例の制御棒を用いた場合の変形模式図を示す。

図１５の比較例では、全ての架橋部が上述の第１の架橋部６ａ、６ｂとした場合を示しており、第１の架橋部６ｂにより連結されるブレード２ｂ及びブレード２ｄに対し点線矢印で示す方向より強制変位が付与された状態を示している。この場合、ブレード２ｂ及びブレード２ｄの中立軸心からのたわみ量Ｄは、ブレード２ｂ及びブレード２ｄと直交する方向に配置されたブレード２ｃの中立軸心に面する側面と第１の架橋部６ｂの側面とが接触するまでにとどまる。

これに対し、図１６に示す本実施例の制御棒の場合においては、第２の架橋部７ｂの側面が、ブレード２ｂ及びブレード２ｄと直交する方向に配置されたブレード２ｃの中立軸心に面する側面と接触するまで変位可能となり、ブレード２ｂ及びブレード２ｄの中立軸心からのたわみ量Ｄは、図１５に示すたわみ量Ｄより拡大しており、ブレードの変形能を拡大できる。なお、本実施例においては、上述のとおり、ハンドル３の直下に開口部９Ａ１、開口部９Ａ１の直下には開口幅が開口部９Ａ１より狭い開口部９Ａ２、また、更に開口部９Ａ２の下方には、開口幅が開口部９Ａ２より大きく開口部９Ａ１より狭い開口部９Ａ３を設けている。これにより、ブレードの板厚Ｔと同一の板厚を有する第１の架橋部６ｂの変位量は、最も狭い開口幅の開口部９Ａ２により制限され、ブレード２ｂのハンド３との連結部５に付加される応力を低減することも可能となる。

図１７に、ブレード２ｂ及び２ｄに負荷が加わった際の変形模式図を示す。図１７では、ブレード２ｂ及び２ｄの側面に矢印で示す方向、すなわち水平方方向にブレード２ｂ及び２ｄの長手方向略中央部に強制変位が付与された状態を示している。図１７に示すように、強制変位が付与される位置の架橋部６ｂの板厚によりたわみ量が変化する。図１７の左上部に、強制変位が付与されるブレード２ｂ及び２ｄのたわみ量σＪと架橋部６ｂの板厚との関係を示している。また、左下部にブレード２ｂ及び２ｄと直交する方向に配列されたブレード２ａ及び２ｃのたわみ量σＧと架橋部６ｂの板厚との関係を示している。

図１７において、架橋部６ｂの板厚が０の場合は、強制変位が付与される位置に架橋部が存在しないことを意味し、架橋部６ｂの板厚をブレードの板厚Ｔまで変化させたときの上記たわみ量との関係を示している。

図１７に示されるように、強制変位が付与される位置に架橋部６ｂが存在しない場合、ブレード２ｂ及び２ｄのたわみ量σＪは、周囲に配置された架橋部６ｂの影響を受け、強制変位が付与される位置に架橋部６ｂが存在する際よりも大きい値となる。そして、強制変位が付与される位置に存在する架橋部６ｂの板厚をブレードの板厚Ｔと同一となるよう増大させるに従い、たわみ量σＪは減少する。

一方、強制変位が付与されるブレード２ｂ及びブレード２ｄに対し直交する方向に配列されたブレード２ａおよびブレード２ｃのたわみ量σＧは、強制変位が付与される位置に架橋６ｂが存在しない場合、周囲に配置された架橋部６ｂの影響を受け、強制変位が付与される位置に架橋部６ｂが存在する際よりも小さい値となる。そして、強制変位が付与される位置に存在する架橋部６ｂの板厚をブレードの板厚Ｔと同一となるよう増大させるに従い、たわみ量σＧは増大する。このことからも、本実施例において図１６に示すように第２の架橋部７ｂの板厚をブレードの板厚Ｔの１／２となるよう薄肉化することで、強制変位を受けるブレードのたわみ量を増大できることが示されている。

図１８に、図１に示す制御棒の第２の架橋部７ａの拡大図を示す。第２の架橋部７ａの形成は、図１４を用いて説明した板部材１１ａの形成時、ＨＩＰあるいは機械加工により第２の架橋部７ａを薄肉化する。この際、同種金属もしくは異種金属を一体化して形成する。

なお、本実施例では、第２の架橋部７ａ、７ｂの板厚をブレードの板厚Ｔの１／２となるよう形成したが、これに限られず、ブレードの板厚Ｔよりも薄肉化すればよい。

本実施例によれば、第２の架橋部７ａ、７ｂをブレードの板厚Ｔよりも薄肉化することにより、中性子吸収材の充填量を維持しつつ、地震時等に付与される強制変位に追従してブレードを変形させることが可能となる。

なお、本実施例においては、ハンドル３に最も近い位置に配置される第１の架橋部６ａ、６ｂの板厚をブレードの板厚と等しくする構成としたが、全ての架橋部を第２の架橋部７ａ、７ｂとしても同様の効果を得ることができる。この場合、ハンドル３との連結部５に付加される応力低減効果は減少するものの変形追従性を向上できる。

図１９に、本発明の他の実施例である実施例２の制御棒１の第２の架橋部７ａの拡大図を示す。本実施例においては、第２の架橋部７ａの形状を変えた点が実施例１と異なり、その他の構成は実施例１と同様である。

図１９に示されるように、第２の架橋部７ａは、ブレード２ｃ及びブレード２ａの連結部を除く、中央部の板厚をブレード２ａ及びブレード２ｃの板厚よりも薄くしている。即ち、実施例１においては、第２の架橋部７ａのほぼ全域を薄肉化したのに対し、本実施例では、中央部の領域のみを薄肉化している。

図２０に、ブレード２ｂ及びブレード２ｄが第２の架橋部７ｂを介して連結され、ブレード２ｂ及びブレード２ｄと直交する方向に配列されたブレード２ａ及びブレード２ｃが中立軸心近傍にて分離された状態の横断面（第六横断面）を示す。図２０に示されるように、第２の架橋部７ｂの薄肉化された領域は、少なくともブレード２ａの板厚よりも広い範囲となるよう形成される。これは、第２の架橋部７ｂは、ブレード２ｂ及びブレード２ｄに直交する方向に配列されたブレード２ａ及びブレード２ｃの中立軸心に面する側面まで変位するため、少なくともブレードａの板厚よりも広い領域が薄肉化されていれば、変形追従性を向上できることによる。図２０に示されるように、第２の架橋部７ｂの薄肉化された領域の境界部に、所定の曲率半径を有する円筒の外周面の一部として規定される曲面３０１を設けている。

また、図２１に第２の架橋部７ｂの変形例を示す。図２１では、第２架橋部７ｂの薄肉化された領域の境界部に、境界部より緩やかに傾斜するテーパー３０２を設けている。ここのように本実施例においては、第２の架橋部７ｂの板厚をブレードの板厚よりも薄くする領域を架橋部の中央部の領域のみとでき、ＨＩＰ等による加工領域を実施例１に比べて縮小できる。また、薄肉化された領域の境界部に、曲面３０２又はテーパー３０２を形成することにより、仮に、外部から付与される強制変位により第２の架橋部７ｂにより連結されたブレード２ｂ及びブレード２ｄがたわみ、第２の架橋部７ｂの薄肉化された領域とブレード２ａ又はブレード２ｃとの当接面（中立軸心に面する側面）との間にずれが生じた場合においても、曲面３０２又はテーパー３０２により当該ずれ量を吸収することもできる。

本実施例においても、中性子吸収材の充填量を維持しつつ変形追従性を向上することができる。

図２２及び図２３に、本発明の実施例３による制御棒１の第２の架橋部の拡大図を示す。本実施例では、第２の架橋部を２種の材料にて形成した点が実施例１、実施例２と異なる。その他の構成については、実施例１と同様であり、以下では説明を省略する。

図２２に示されるように、薄肉化された第２架橋部７ａは、中立軸心方向、すなわち、ブレード２ａ及びブレード２ｃの長手方向に沿って、上部より、ブレード２ａ及びブレード２ｃを構成する材料を含む延性に富んだ材料により形成された領域４０１、高強度材料により形成された領域４０２、延性に富んだ材料により形成された領域４０１にて形成されている。すなわち、ブレードの長手方向に沿って高強度材料により形成された領域４０２を、延性に富んだ材料により形成された領域４０１にて積層する構成としている。

また、図２３には、第２の架橋部７ａのうち実施例２にて説明したように、中央部の薄肉化された領域を高強度材料にて形成された領域４０２とし、その両側にブレードを構成する材料を含む延性に富んだ材料により形成された領域４０１を配置している。

ここで、例えば、高強度材料としてニッケル基合金等が用いられる。このように、２種の材料により形成された領域にて、第２の架橋部７ａを形成することにより、第２の架橋部７ａが、直交する方向に配列されたブレード２ｂ又はブレード２ｄの当接面（中立軸心に面する側面）と接触する際、第２の架橋部７ａの端部の片当たりを抑制することが可能となる。

本実施例における第２の架橋部７ａの形成においては、ＨＩＰ成形を用いることが好ましい。溶接や摩擦拡散接合による機械加工では、材料の一体化が困難となる可能性があるためである。ＨＩＰ成形を用いる場合は、実施例１にて説明したように、ブレードを形成する際に同時に架橋部も形成することができる。

本実施例によれば、薄肉化された架橋部の片当たりを抑制することができ、中性子吸収材の充填量を維持しつつ、変形追従性の向上を図ることも可能となる。

図２４及び図２５に本発明の実施例４による制御棒1の第２の架橋部の拡大図を示す。本実施例では、第２の架橋部にて連結されるブレードに付与される強制変位が、超過大変形を誘引するほどの場合においても、制御棒１の挿入性を確保可能な構成とした点が実施例１から実施例３と異なる。その他の構成については、実施例１と同様であるため以下では説明を省略する。

図２４に示されるように、第２の架橋部７ａの略中央部には、ブレード２ａ及びブレード２ｃの長手方向と平行、すなわち、中立軸心と平行な方向に予め浅溝が形成されている。このような構成とすることで、ブレード２ａ及びブレード２ｃに強制変位が付与された場合、実施例１から実施例３にて説明したように、第２の架橋部７ａは、ブレード２ａと直交する方向に配列されたブレード２ｂ又はブレード２ｄの当接面と接触するまで変位する。このとき、付与される強制変位が超過大変形を誘引する範囲未満の場合は、図２４の点線に示されるように第２の架橋部７ａは初期の位置を保つ。これに対し、超過大変形を誘引するほどの強制変位が付与された場合においては、第２の架橋部７ａはブレード２ｂ又はブレード２ｄの当接面と接触後、予め形成された浅溝に沿って破断することで、制御棒１の挿入性を確保すると同時に、中性子吸収材の保持機能を維持し続ける。

図２５に、図２４に示す浅溝に代えて、第２の架橋部７ａの中央部に応力解放孔４０３を設けた構成を示す。この応力開放孔４０３の形状は、円形に限らず矩形状でもよく、開口部を形成でき、超過大変形を誘引する範囲未満の強制変位に対しては、破断されることなく形状を維持できるものであればよい。図２５に示す構成によれば、超過大変形を誘引するほどの強制変位が付与された場合、応力開放孔４０３が破壊起点となり、第２の架橋部７ａは略中央部で破断される。これにより、制御棒１の挿入性を確保できると同時に、中性子吸収材の保持機能を維持することが可能となる。

本実施例によれば、上記に加え、中性子吸収材の充填量を維持しつつ変形追従性を向上することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１・・・制御棒、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ・・・ブレード、３・・・ハンドル、４・・・下部支持部材、５・・・連結部、６ａ，６ｂ・・・第１の架橋部、７ａ，７ｂ・・・第２の架橋部、８・・・中性子吸収材封入孔、１１ａ，１１ｂ，１１ｄ・・・板部材、９Ａ１，９Ａ２，９Ａ３・・・開口部、４０１・・・高延性材料により形成された領域、４０２・・・高強度材料により形成された領域、４０３・・・応力解放孔

Claims (10)

1. 中性子吸収材が収容される中性子吸収材充填領域を有し互いに直交する４つのブレードを備えた沸騰水型原子炉用制御棒であって、
   前記制御棒の中立軸方向に形成された複数の領域が、前記４つのブレードを互いに結合する第１断面を含む第１の領域と、前記４つのブレードが互いに分離された第２断面を含む第２の領域と、前記４つのブレードのうち互いに対向するよう配置された一対のブレードが架橋部により連結され、前記架橋部に直交するよう配置された他の一対のブレードが分離された第３断面を含み前記制御棒の中立軸方向において前記第１の領域と第２領域との間に配置される複数の第３の領域を有し、
   前記複数の第３の領域のうち、少なくとも１つ以上の第３の領域の架橋部の板厚を前記ブレードの板厚よりも薄くしたことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
2. 請求項１に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
   前記複数の第３の領域のうち、前記第１の領域に近接する第３の領域内の架橋部の板厚は前記ブレードの板厚と等しく、他の第３の領域内の架橋部の板厚を前記ブレードの板厚よりも薄くしたことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
3. 請求項１に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
   前記架橋部の板厚は、前記第３断面における一対のブレードを連結する方向に対し垂直な方向の幅であって、前記一対のブレードを連結する方向の架橋部の略中央部であって、当該架橋部に直交するよう配置された他の一対のブレードの板厚よりも広い領域における当該架橋部の板厚を前記一対のブレードの板厚よりも薄くしたことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
4. 請求項３に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
   前記架橋部の略中央部であって前記一対のブレードの板厚よりも薄い領域を高強度材料材にて形成し、当該高強度材料にて形成された領域と前記ブレードとの連結部の間に高延性の材料にて形成された領域を有することを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
5. 請求項１に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
   前記架橋部は、前記制御棒の中立軸方向に高延性の材料にて形成された領域、高強度材料にて形成された領域、前記高延性の材料にて形成された領域を有することを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
6. 請求項１に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
   前記架橋部の略中央部に、前記制御棒の中立軸方向に形成された浅溝又は開口部を備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
7. 中性子吸収材が収容される中性子吸収材充填領域を有し互いに直交する４つのブレードを備えた沸騰水型原子炉用制御棒であって、
   前記制御棒の中立軸方向に形成された複数の領域が、前記４つのブレードを互いに結合する第１断面を含む第１の領域と、前記４つのブレードが互いに分離された第２断面を含む第２の領域と、前記４つのブレードのうち第１の方向に互いに対向するよう配置された一対のブレードが第１の架橋部により連結され、前記第１の架橋部に直交するよう第２の方向に配置された他の一対のブレードが分離された第３断面を含む複数の第３の領域と、前記４つのブレードのうち前記第２の方向に互いに対向するよう配置された一対のブレードが第２の架橋部により連結され、前記第１の方向に互いに対向するよう配置された他の一対のブレードが分離された第４断面を含む複数の第４の領域を有し、前記制御棒の中立軸方向において前記第１の領域と第２の領域との間に、前記第３の領域と第４の領域が交互に配置され、
   前記複数の第１の架橋部及び第２の架橋部のうち、少なくとも一部の架橋部の板厚は前記ブレードの板厚よりも薄いことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
8. 請求項７に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
   前記第３の領域のうち、前記第１の領域との間隔が最小となる第３の領域内の前記第1の架橋部の板厚は前記ブレードの板厚と等しく、
   前記第４の領域のうち、前記第１の領域との間隔が最小となる第４領域内の前記第２の架橋部の板厚は前記ブレードの板厚と等しく、
   他の第３の領域及び第４の領域内の前記第１及び第２の架橋部の板厚は前記ブレードの板厚よりも薄く形成されることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
9. 請求項８に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
   前記ブレードの板厚よりも薄い板厚の第１及び第２の架橋部は、前記制御棒の中立軸方向に高延性の材料にて形成された領域、高強度材料にて形成された領域及び前記高延性の材料にて形成された領域を有することを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
10. 請求項８に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
    前記第１及び第２の架橋部の略中央部に、前記制御棒の中立軸方向に浅溝又は開口部を備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。

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