JP3757122B2 - 沸騰水型原子炉用制御棒 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉内において原子炉の出力を制御するための沸騰水型原子炉用制御棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の炉水は、放射線照射による水の分解で生成される酸素，過酸化水素等が存在するため、炉内構造物にとって腐食環境としてのポテンシャルが存在することが一般に知られている。この腐食環境を改善する従来技術として、炉水中に水素を注入する方法が、特開平９−２２２４９５号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、水素を注入する方法の場合、原子炉内の水が循環し易い部位では非常に有効であるが、水が循環し難い部位では効果が少ないと考えられる。例えば、制御棒をその軸方向に摺動させるためのガイド用ローラにおけるピンとピン穴との隙間は、水が循環し難い部位に相当する。現在の原子炉の運転期間であれば、上記隙間における腐食は問題とはならない。しかし、原子炉が更に高出力化され、制御棒の原子炉内の滞在期間が更に長期化する場合、上記隙間における腐食が懸念される。
【０００４】
この隙間における環境の改善方法として、単に隙間を大きくすることにより隙間部の水を入れ替える方法が考えられる。しかし、単にピンとピン穴との隙間を大きくすると、ピンを正確な位置に固定できないので、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能が著しく低下する可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、制御棒の原子炉内の滞在期間が更に長期化する場合でも、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持しつつ、ガイド用ローラの隙間部の腐食環境を確実に改善できる沸騰水型原子炉用制御棒を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、横断面が概略十字形のタイロッドと、該タイロッドの各辺に取り付けられ横断面が概略Ｕ字形のシースと、該シースの内側に配置された中性子吸収棒と、制御棒の軸方向における前記シースの一端に設けられたハンドルと、前記軸方向における前記シースの他端に設けられた下部支持板又は落下速度リミッタとを備えた沸騰水型原子炉用制御棒において、前記ハンドル、前記下部支持板、又は前記落下速度リミッタのうち少なくとも１つが、ピンと、該ピンが挿入されるピン穴と、前記ピンを中心に前記軸方向に回転するローラとからなる摺動構造物（ガイド用ローラ）を備え、前記ピンと前記ピン穴との隙間に水の流れを生じさせるための空間（溝）が、前記隙間に隣接して設けられている。
【０００７】
好ましくは、前記空間は、前記軸方向における上流側及び下流側の２箇所に設けられている。また、好ましくは、前記空間は、前記ピンの端部付近まで形成されている。
【０００８】
本発明によれば、隙間に水の流れを生じさせるための空間の作用により、隙間部の水を効果的に入れ替えることができる。これにより、隙間部における放射線照射による水の分解で生成される酸素，過酸化水素等の増加を防ぐことができる。従って、制御棒の原子炉内の滞在期間が更に長期化しても、ガイド用ローラの隙間部の腐食環境を確実に改善できる。
【０００９】
また、空間が設けられていない隙間の部分において、ピンはピン穴により所定の位置に位置決めされるので、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持できる。更に、制御棒の製造時に洗浄が不足していた場合には、原子炉内で上記隙間部の水を入れ替えることにより、洗浄効果も期待できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による沸騰水型原子炉用制御棒の一実施例を図面を用いて説明する。本制御棒は、沸騰水型原子炉の炉心に挿入されて、原子炉の出力を制御するためのものである。図１は、本制御棒の概略構成図で、軸方向の中央部を省略して示している。図２は、図１のａ−ａ矢視図で、本制御棒を燃料チャンネルボックスの間に挿入した状態を示している。
【００１１】
図１に示すように、制御棒１は、横断面（軸方向に垂直な断面）が概略十字形をしており、軸心（中心軸）から四方に延びる４つのブレード６を有している。ステンレス鋼製のハンドル５がブレード６の上端に設けられ、落下速度リミッタ２がブレード６の下端に設けられている。
【００１２】
各ブレード６は、制御棒の軸心に配置されたステンレス鋼製のタイロッド４に両端部が取り付けられた概略Ｕ字状のシース６ａと、シース６ａの内側に配列された中性子吸収棒（中性子吸収体）３とから構成される。各ブレード６は、その側面に多数の開口６ｂを備え、この開口６ｂを通して冷却水がブレード内を流れるように構成されている。タイロッド４も、概略十字形の横断面を有する。
【００１３】
ハンドル５はタイロッド４の上部に溶接で取り付けられ、下部支持板２はタイロッド４の下部に溶接で取り付けられる。シース６ａの上端部は、ハンドル５の下部に嵌合され、溶接で取り付けられる。シース６ａの下端部は、下部支持板２の上部に嵌合され、溶接で取り付けられる。中性子吸収棒３は、ハンドル５と下部支持板２との間の領域で且つシース６ａの内側の領域に一列に配置されて保持される。シース６ａの材質としては、ステンレス鋼(SUS304，SUS316L）などが用いられる。中性子吸収棒３は、主に炉心内の熱中性子を吸収するためのもので、その材質としては、Ｂ4Ｃ，Ｈｆ などが用いられる。
【００１４】
制御棒１は、図２に示すように、燃料チャンネルボックス７の間に挿入され、原子炉の起動，運転，停止の各状態に応じて、その挿入量が調整される必要がある。即ち、制御棒１はその軸方向に移動される必要がある。この制御棒の軸方向移動を補助するために、ハンドル５を構成する４つの翼部はそれぞれにガイド用ローラ（摺動構造物）を備えており、落下速度リミッタ２も周方向の４箇所にガイド用ローラを備えている。図２に示すローラ８は、ガイド用ローラの構成要素の一部である。
【００１５】
図２は、ハンドル５のローラ８が、四角筒状の燃料チャンネルボックス７の外表面に接している状態を示す。このようなローラを備えることにより、制御棒１及び燃料チャンネルボックス７に傷を付けずに、制御棒１を容易に移動させることができる。尚、図２において、燃料チャンネルボックス７内の燃料棒，シース６ａ内の一部の中性子吸収棒３は、簡単のために省略している。
【００１６】
次に、図３Ａ〜図３Ｄを用いて、本発明の第１実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造を説明する。図３Ａは図１のＸ矢視図、図３Ｂは図１のＹ矢視図である。図３Ｃは図３Ｂのｂ−ｂ断面図、図３Ｄは図３Ａのｃ−ｃ断面図である。
【００１７】
図３Ｂに示すように、ハンドル５の側面には円孔８ａが設けられており、ローラ８がピン９を中心に回転するように、円孔８ａ内に設置されている。ローラ８の回転方向（図３Ｂの上下方向）が制御棒１の移動方向（軸方向）となるように、ピン９は制御棒の軸方向に垂直な方向に設置される。
【００１８】
図３Ｄに示すように、ピン９の左端部は、ハンドル５に溶接で固定される。図３Ｄの１５がピン９の溶接部を示す。図３Ｃに示すように、ピン９が挿入されるピン穴１２の上部及び下部に溝１０が設けられている。即ち、２つの溝１０は、制御棒の軸方向における上流側及び下流側に、ピン９とピン穴１２との隙間に隣接して配置される。換言すれば、２つの溝１０は、隙間の上流側及び下流側において、隙間に連通している。図３Ｄに示すように、溝１０は円孔８ａからピン９の端部付近まで形成されている。ガイド用ローラ（摺動構造物）は、ピン９，ピン穴１２，ローラ８から構成される。
【００１９】
ハンドル５に溝１０を加工する方法としては、放電加工，ドリル加工，エンドミルによる加工などを用いることができる。放電加工では、マイクロクラックの発生を抑制するために、仕上加工が必要となる。ドリル加工では、溝の寸法が小さい場合、溝を加工した後でピン穴を加工できる。溝の寸法が大きい場合、溝を先に加工すると、ピン穴の位置精度を確保することが困難となる。また、ピン穴を先に加工すると、ドリルがピン穴方向に逃げるので溝の寸法精度を確保することが困難となる。従って、溝が大きい場合には、ピン穴を先に加工し、溝をエンドミルで少しずつ加工する方法が好ましい。
【００２０】
制御棒１が原子炉内に設置された場合、冷却水は制御棒の軸方向（図３Ｃ及び図３Ｄの上下方向）に流れる。従って、２つの溝１０を図３Ｃ及び図３Ｄのように設けることにより、図３Ｄに矢印で示すような水の流れ１６を積極的に発生させることができる。即ち、溝１０は、ピン９とピン穴１２との隙間に水の流れを生じさせる機能（この隙間の水の流れを促進させる機能）を有する。この場合、ローラ８と円孔８ａとの間の空間の下部から隙間内に侵入した水は、溝１０を通して、ローラ８と円孔８ａとの間の空間の上部に流出する。
【００２１】
このように冷却水の流路を形成する溝１０をピン穴１２の上部及び下部に設けることにより、ピン９とピン穴１２との隙間の水を効果的に入れ替えることができる。従って、制御棒の原子炉内の滞在期間が長期化しても、ピン９周りの隙間部の腐食環境を確実に改善できる。これにより、制御棒の健全性を向上して、信頼性を向上できる。更に、溝１０が設けられていない隙間の部分では、ピン９はピン穴１２により所定の位置に位置決めされるので、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能は維持される。
【００２２】
ここで、溝１０の好ましいサイズについて説明する。図４は、制御棒のハンドル５にピン９を設置した状態で、冷却水の流速を変えて実施した腐食試験結果の一例を示す。横軸は制御棒の周辺における冷却水の流速ｘを、縦軸は腐食試験によるピン９の質量増加量ｙをそれぞれ示す。正の質量増加量ｙは、腐食生成物が生じたことでピン９の質量が増加したことを意味する。即ち、質量増加量ｙは、ピン９の腐食量に対応する。
【００２３】
試験条件としては、ピン９の直径３.１８mm，ピン穴１２の直径３.２mm，ピン穴１２の深さＬ2 ＝１１mm（図３Ｄ参照）、冷却水の温度２８８℃，冷却水の溶存酸素濃度３２ppm である。ピン穴１２の上部及び下部に設けた溝１０の断面形状は、幅２mm×深さ１mmである。図３ＤのＬ1 は約７.９mm で、冷却水の温度及び溶存酸素濃度は実際の原子炉における典型的な値とした。このような条件下で、約２００時間の腐食試験を実施した。
【００２４】
図４で、▲印は溝無しの場合を、●印は溝有りの場合をそれぞれ示す。溝無しの場合、ピン９とピン穴１２との隙間は片側０.０１mmで、隙間の断面積は０.１mm2 である。この隙間断面積は、実機の値とほぼ等しい。溝有りの場合、隙間と溝の総断面積は４.３mm2である。
【００２５】
図４に示すように、溝無しの場合、冷却水の流速ｘが変化しても、質量増加量ｙは０.０７mgのままでほとんど変わらない。一方、溝有りの場合、冷却水の流速ｘの増加に伴って質量増加量ｙは減少する。この場合における流速ｘと質量増加量ｙとの関係は、図４に破線で示すβ(ｙ＝−０.７６９ｘ＋０.０７)で近似できる。即ち、溝無しの場合、ピン９とピン穴１２との隙間において水の流れがほとんど無く、溝有りの場合、ピン９とピン穴１２との隙間において水の流れが存在することを示している。
【００２６】
実機では、制御棒１と燃料チャンネルボックス７との間に、下から上へ向かう水の流れ（流速：約０.２ｍ／ｓ以上）が存在する。流速０.２ｍ／ｓにおける質量増加量を０mgとするためには、質量増加量ｙの流速ｘに対する負の変化率（以下、腐食減少率という）を、−０.３５mg／(ｍ／ｓ)以上に大きな負の値にする必要がある。この境界線α(ｙ＝−０.３５０ｘ＋０.０７)を、図４に実線で示す。
【００２７】
図５は、上記腐食減少率ｚと隙間断面積Ｓとの関係を求めた結果である。尚、この隙間断面積Ｓは、ピン９とピン穴１２との隙間の断面積と、溝１０の断面積との総和を示している。腐食減少率ｚと隙間断面積Ｓとの関係は、ｚ＝−0.179Sで近似できる。図５から、−０.３５mg／(ｍ／ｓ）以上の腐食減少率を得るためには、隙間断面積Ｓを１.９６mm2以上にする必要があることが解る。実機でのピン９とピン穴１２との隙間０.０１mm(隙間断面積０.１mm2）を考慮すると、溝
１０の断面積は、１.８６mm2以上にすることが好ましい。
【００２８】
次に、ピン穴１２に溝１０を設けたことによる他の効果について説明する。例えば、原子炉内の水（炉水）を循環させるためのポンプの故障などにより、炉水を循環できなくなった場合には、溝１０を設けた構造でも腐食が急激に進む可能性がある。このような場合、ピン９とピン穴１２との隙間で腐食生成物が成長し、図６に示すように、ハンドル５を押し広げる力１３が発生する。尚、図６は、図３Ｃと同じ断面を示しており、ローラ８は省略している。
【００２９】
この場合、ハンドル５で割れが発生する位置は最も板厚が薄い部位５ａであり、部位５ａに作用する応力１４がハンドル５の構成部材の引張応力以上になった場合に割れが発生すると考えられる。このような現象に対して、本実施例のようにピン穴１２に溝１０を設けることにより、ハンドル５は力１３に対して変形し易くなる。このため、部位５ａに作用する応力１４は、溝１０が無い場合に比べて小さくなる。即ち、ピン９とピン穴１２との隙間で仮に腐食が生じた場合でも、部位５ａに作用する応力１４を低減できるので、ハンドル５における応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【００３０】
図４で説明した総断面積４.３mm2は、炉水を循環させるポンプの故障に起因する腐食によって発生する応力１４及び地震時の荷重を考慮して求めた好ましい値である。この総断面積に対応する好ましい溝１０の寸法は、幅２mm，深さ１mmである。
【００３１】
尚、上記した検討結果は、ピン穴深さＬ2 が実機と同じ１１mmである場合の結果である。ピン穴深さＬ2が浅い場合には、浅くした割合だけ総断面積（即ち、溝１０の断面積）を小さくすることができる。
【００３２】
次に、図７Ａ〜図７Ｄを用いて、本発明の第２実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造を説明する。図７Ａは図１のＸ矢視図、図７Ｂは図１のＹ矢視図である。図７Ｃは図７Ｂのｂ−ｂ断面図、図７Ｄは図７Ａのｃ−ｃ断面図である。
【００３３】
本実施例は、第１実施例の制御棒のハンドル５に、２つの楕円孔１１を追加したものである。図７Ｂに示すように、楕円孔１１はピン９の両端部に設けられている。即ち、一方の楕円孔１１は、ピン９の先端部（図７Ｂの右端部）に設けられ、溝１０及びピン穴１２と連通している。他方の楕円孔１１は、ピン９の溶接部（図７Ｂの左端部）１５に隣接して設けられ、溝１０及びピン穴１２と連通している。
【００３４】
本実施例でも、図７Ｄに矢印で示すような水の流れ１６を積極的に発生させることができるので、第１実施例と同じ効果が得られる。即ち、制御棒の原子炉内の滞在期間が長期化しても、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持しつつ、ピン９周りの隙間部の腐食環境を確実に改善できる。これにより、制御棒の健全性を向上して、信頼性を向上できる。
【００３５】
本実施例の場合、楕円孔１１が溝１０及びピン穴１２と連通しているため、水の流れ１６は第１実施例よりも流れ易くなるので、更に効果的となる。即ち、楕円孔１１は、溝１０及びピン穴１２内の水の流れを促進する機能を有する。また、図７Ｄに示すように、楕円孔１１では、円孔８ａから流れてくる水の流れ１６の他に、直接流入する水の流れ１６ａも存在する。この水の流れ１６ａは、楕円孔１１における水の流れ１６を促進する助けとなる。この作用も、ピン９周りの隙間部における腐食環境の改善に寄与する。
【００３６】
また、第１実施例では、ピン穴１２はピン９の両端部で閉じているため、炉水を循環させるためのポンプの故障によって腐食が発生した場合、図６で説明した応力１４はピン９の両端部で大きくなる。本実施例の場合、楕円孔１１がピン９の両端部に設置されているため、ピン９の両端部に応力１４が作用する部位５ａが存在しない。従って、ポンプの故障などによりピン９とピン穴１２との隙間で仮に腐食が生じた場合でも、隙間周辺の部位に作用する応力１４を低減できる。これも応力腐食割れの発生の抑制に寄与する。
【００３７】
次に、図８Ａ〜図８Ｄを用いて、本発明の第３実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造を説明する。図８Ａは図１のＸ矢視図、図８Ｂは図１のＹ矢視図である。図８Ｃは図８Ｂのｂ−ｂ断面図、図８Ｄは図８Ａのｃ−ｃ断面図である。
【００３８】
本実施例は、第１実施例でハンドル５に溝１０を設けた代わりに、ピン９に溝１０ａを設けたものである。図８Ｃに示すように、ピン９の上端部及び下端部に溝１０ａが設けられている。即ち、２つの溝１０ａは、制御棒の軸方向における上流側及び下流側に、ピン９とピン穴１２との隙間に隣接して配置される。図８Ｄに示すように、溝１０ａは円孔８ａからピン９の端部付近まで形成されている。
【００３９】
本実施例でも、図８Ｄに矢印で示すような水の流れ１６を積極的に発生させることができるので、第１実施例と同じ効果が得られる。即ち、制御棒の原子炉内の滞在期間が長期化しても、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持しつつ、ピン９周りの隙間部の腐食環境を改善できる。これにより、制御棒の健全性を向上して、信頼性を向上できる。更に、本実施例では、ピン９に溝１０ａを設けることにより、第１実施例よりも溝の加工が容易となるので、制御棒の加工時間及び加工費を更に低減できる。
【００４０】
尚、以上の実施例では、ハンドル５におけるガイド用ローラのピン周りに溝を設けた例を説明したが、落下速度リミッタ２におけるガイド用ローラのピン周りに同様な溝を設けても、同様な効果が得られる。また、図９に示す例のように、下部支持板２ａにおけるガイド用ローラのピン周りに同様な溝を設けても、同様な効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、制御棒の原子炉内の滞在期間がより長期化しても、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持しつつ、ガイド用ローラの隙間部の腐食環境を確実に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による沸騰水型原子炉用制御棒の一実施例の概略構成図。
【図２】図１のａ−ａ矢視図。
【図３Ａ】図１のＸ矢視図で、本発明の第１実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図３Ｂ】図１のＹ矢視図で、本発明の第１実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図３Ｃ】図３Ｂのｂ−ｂ断面図。
【図３Ｄ】図３Ａのｃ−ｃ断面図。
【図４】冷却水の流速と腐食試験によるピンの質量増加量との関係を求めた測定例を示す図。
【図５】腐食減少率と隙間断面積との関係を求めた測定例を示す図。
【図６】腐食に伴ってハンドルに作用する応力の説明図。
【図７Ａ】図１のＸ矢視図で、本発明の第２実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図７Ｂ】図１のＹ矢視図で、本発明の第２実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図７Ｃ】図７Ｂのｂ−ｂ断面図。
【図７Ｄ】図７Ａのｃ−ｃ断面図。
【図８Ａ】図１のＸ矢視図で、本発明の第３実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図８Ｂ】図１のＹ矢視図で、本発明の第３実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図８Ｃ】図８Ｂのｂ−ｂ断面図。
【図８Ｄ】図８Ａのｃ−ｃ断面図。
【図９】図１において、落下速度リミッタの代わりに下部支持板を設けた沸騰水型原子炉用制御棒の一例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１…制御棒、２…落下速度リミッタ、２ａ…下部支持板、３…中性子吸収棒、４…タイロッド、５…ハンドル、６…ブレード、６ａ…シース、６ｂ…開口、
７…燃料チャンネルボックス、８…ローラ、８ａ…円孔、９…ピン、１０，10ａ…溝、１１…楕円孔、１２…ピン穴、１５…溶接部、１６，１６ａ…水の流れ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰水型原子炉内において原子炉の出力を制御するための沸騰水型原子炉用制御棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型原子炉の炉水は、放射線照射による水の分解で生成される酸素，過酸化水素等が存在するため、炉内構造物にとって腐食環境としてのポテンシャルが存在することが一般に知られている。この腐食環境を改善する従来技術として、炉水中に水素を注入する方法が、特開平９−２２２４９５号公報に記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、水素を注入する方法の場合、原子炉内の水が循環し易い部位では非常に有効であるが、水が循環し難い部位では効果が少ないと考えられる。例えば、制御棒をその軸方向に摺動させるためのガイド用ローラにおけるピンとピン穴との隙間は、水が循環し難い部位に相当する。現在の原子炉の運転期間であれば、上記隙間における腐食は問題とはならない。しかし、原子炉が更に高出力化され、制御棒の原子炉内の滞在期間が更に長期化する場合、上記隙間における腐食が懸念される。
【０００４】
この隙間における環境の改善方法として、単に隙間を大きくすることにより隙間部の水を入れ替える方法が考えられる。しかし、単にピンとピン穴との隙間を大きくすると、ピンを正確な位置に固定できないので、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能が著しく低下する可能性がある。
【０００５】
本発明の目的は、制御棒の原子炉内の滞在期間が更に長期化する場合でも、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持しつつ、ガイド用ローラの隙間部の腐食環境を確実に改善できる沸騰水型原子炉用制御棒を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、横断面が概略十字形のタイロッドと、該タイロッドの各辺に取り付けられ横断面が概略Ｕ字形のシースと、該シースの内側に配置された中性子吸収棒と、制御棒の軸方向における前記シースの一端に設けられたハンドルと、前記軸方向における前記シースの他端に設けられた下部支持板又は落下速度リミッタとを備えた沸騰水型原子炉用制御棒において、前記ハンドル、前記下部支持板、又は前記落下速度リミッタのうち少なくとも１つが、ピンと、該ピンが挿入されるピン穴と、前記ピンを中心に前記軸方向に回転するローラとからなる摺動構造物（ガイド用ローラ）を備え、前記ピンと前記ピン穴との隙間に水の流れを生じさせるための空間（溝）が、前記隙間に隣接して設けられている。
【０００７】
好ましくは、前記空間は、前記軸方向における上流側及び下流側の２箇所に設けられている。また、好ましくは、前記空間は、前記ピンの端部付近まで形成されている。
【０００８】
本発明によれば、隙間に水の流れを生じさせるための空間の作用により、隙間部の水を効果的に入れ替えることができる。これにより、隙間部における放射線照射による水の分解で生成される酸素，過酸化水素等の増加を防ぐことができる。従って、制御棒の原子炉内の滞在期間が更に長期化しても、ガイド用ローラの隙間部の腐食環境を確実に改善できる。
【０００９】
また、空間が設けられていない隙間の部分において、ピンはピン穴により所定の位置に位置決めされるので、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持できる。更に、制御棒の製造時に洗浄が不足していた場合には、原子炉内で上記隙間部の水を入れ替えることにより、洗浄効果も期待できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による沸騰水型原子炉用制御棒の一実施例を図面を用いて説明する。本制御棒は、沸騰水型原子炉の炉心に挿入されて、原子炉の出力を制御するためのものである。図１は、本制御棒の概略構成図で、軸方向の中央部を省略して示している。図２は、図１のａ−ａ矢視図で、本制御棒を燃料チャンネルボックスの間に挿入した状態を示している。
【００１１】
図１に示すように、制御棒１は、横断面（軸方向に垂直な断面）が概略十字形をしており、軸心（中心軸）から四方に延びる４つのブレード６を有している。ステンレス鋼製のハンドル５がブレード６の上端に設けられ、落下速度リミッタ２がブレード６の下端に設けられている。
【００１２】
各ブレード６は、制御棒の軸心に配置されたステンレス鋼製のタイロッド４に両端部が取り付けられた概略Ｕ字状のシース６ａと、シース６ａの内側に配列された中性子吸収棒（中性子吸収体）３とから構成される。各ブレード６は、その側面に多数の開口６ｂを備え、この開口６ｂを通して冷却水がブレード内を流れるように構成されている。タイロッド４も、概略十字形の横断面を有する。
【００１３】
ハンドル５はタイロッド４の上部に溶接で取り付けられ、下部支持板２はタイロッド４の下部に溶接で取り付けられる。シース６ａの上端部は、ハンドル５の下部に嵌合され、溶接で取り付けられる。シース６ａの下端部は、下部支持板２の上部に嵌合され、溶接で取り付けられる。中性子吸収棒３は、ハンドル５と下部支持板２との間の領域で且つシース６ａの内側の領域に一列に配置されて保持される。シース６ａの材質としては、ステンレス鋼(SUS304，SUS316L）などが用いられる。中性子吸収棒３は、主に炉心内の熱中性子を吸収するためのもので、その材質としては、Ｂ4Ｃ，Ｈｆ などが用いられる。
【００１４】
制御棒１は、図２に示すように、燃料チャンネルボックス７の間に挿入され、原子炉の起動，運転，停止の各状態に応じて、その挿入量が調整される必要がある。即ち、制御棒１はその軸方向に移動される必要がある。この制御棒の軸方向移動を補助するために、ハンドル５を構成する４つの翼部はそれぞれにガイド用ローラ（摺動構造物）を備えており、落下速度リミッタ２も周方向の４箇所にガイド用ローラを備えている。図２に示すローラ８は、ガイド用ローラの構成要素の一部である。
【００１５】
図２は、ハンドル５のローラ８が、四角筒状の燃料チャンネルボックス７の外表面に接している状態を示す。このようなローラを備えることにより、制御棒１及び燃料チャンネルボックス７に傷を付けずに、制御棒１を容易に移動させることができる。尚、図２において、燃料チャンネルボックス７内の燃料棒，シース６ａ内の一部の中性子吸収棒３は、簡単のために省略している。
【００１６】
次に、図３Ａ〜図３Ｄを用いて、本発明の第１実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造を説明する。図３Ａは図１のＸ矢視図、図３Ｂは図１のＹ矢視図である。図３Ｃは図３Ｂのｂ−ｂ断面図、図３Ｄは図３Ａのｃ−ｃ断面図である。
【００１７】
図３Ｂに示すように、ハンドル５の側面には円孔８ａが設けられており、ローラ８がピン９を中心に回転するように、円孔８ａ内に設置されている。ローラ８の回転方向（図３Ｂの上下方向）が制御棒１の移動方向（軸方向）となるように、ピン９は制御棒の軸方向に垂直な方向に設置される。
【００１８】
図３Ｄに示すように、ピン９の左端部は、ハンドル５に溶接で固定される。図３Ｄの１５がピン９の溶接部を示す。図３Ｃに示すように、ピン９が挿入されるピン穴１２の上部及び下部に溝１０が設けられている。即ち、２つの溝１０は、制御棒の軸方向における上流側及び下流側に、ピン９とピン穴１２との隙間に隣接して配置される。換言すれば、２つの溝１０は、隙間の上流側及び下流側において、隙間に連通している。図３Ｄに示すように、溝１０は円孔８ａからピン９の端部付近まで形成されている。ガイド用ローラ（摺動構造物）は、ピン９，ピン穴１２，ローラ８から構成される。
【００１９】
ハンドル５に溝１０を加工する方法としては、放電加工，ドリル加工，エンドミルによる加工などを用いることができる。放電加工では、マイクロクラックの発生を抑制するために、仕上加工が必要となる。ドリル加工では、溝の寸法が小さい場合、溝を加工した後でピン穴を加工できる。溝の寸法が大きい場合、溝を先に加工すると、ピン穴の位置精度を確保することが困難となる。また、ピン穴を先に加工すると、ドリルがピン穴方向に逃げるので溝の寸法精度を確保することが困難となる。従って、溝が大きい場合には、ピン穴を先に加工し、溝をエンドミルで少しずつ加工する方法が好ましい。
【００２０】
制御棒１が原子炉内に設置された場合、冷却水は制御棒の軸方向（図３Ｃ及び図３Ｄの上下方向）に流れる。従って、２つの溝１０を図３Ｃ及び図３Ｄのように設けることにより、図３Ｄに矢印で示すような水の流れ１６を積極的に発生させることができる。即ち、溝１０は、ピン９とピン穴１２との隙間に水の流れを生じさせる機能（この隙間の水の流れを促進させる機能）を有する。この場合、ローラ８と円孔８ａとの間の空間の下部から隙間内に侵入した水は、溝１０を通して、ローラ８と円孔８ａとの間の空間の上部に流出する。
【００２１】
このように冷却水の流路を形成する溝１０をピン穴１２の上部及び下部に設けることにより、ピン９とピン穴１２との隙間の水を効果的に入れ替えることができる。従って、制御棒の原子炉内の滞在期間が長期化しても、ピン９周りの隙間部の腐食環境を確実に改善できる。これにより、制御棒の健全性を向上して、信頼性を向上できる。更に、溝１０が設けられていない隙間の部分では、ピン９はピン穴１２により所定の位置に位置決めされるので、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能は維持される。
【００２２】
ここで、溝１０の好ましいサイズについて説明する。図４は、制御棒のハンドル５にピン９を設置した状態で、冷却水の流速を変えて実施した腐食試験結果の一例を示す。横軸は制御棒の周辺における冷却水の流速ｘを、縦軸は腐食試験によるピン９の質量増加量ｙをそれぞれ示す。正の質量増加量ｙは、腐食生成物が生じたことでピン９の質量が増加したことを意味する。即ち、質量増加量ｙは、ピン９の腐食量に対応する。
【００２３】
試験条件としては、ピン９の直径３.１８mm，ピン穴１２の直径３.２mm，ピン穴１２の深さＬ2 ＝１１mm（図３Ｄ参照）、冷却水の温度２８８℃，冷却水の溶存酸素濃度３２ppm である。ピン穴１２の上部及び下部に設けた溝１０の断面形状は、幅２mm×深さ１mmである。図３ＤのＬ1 は約７.９mm で、冷却水の温度及び溶存酸素濃度は実際の原子炉における典型的な値とした。このような条件下で、約２００時間の腐食試験を実施した。
【００２４】
図４で、▲印は溝無しの場合を、●印は溝有りの場合をそれぞれ示す。溝無しの場合、ピン９とピン穴１２との隙間は片側０.０１mmで、隙間の断面積は０.１mm2 である。この隙間断面積は、実機の値とほぼ等しい。溝有りの場合、隙間と溝の総断面積は４.３mm2である。
【００２５】
図４に示すように、溝無しの場合、冷却水の流速ｘが変化しても、質量増加量ｙは０.０７mgのままでほとんど変わらない。一方、溝有りの場合、冷却水の流速ｘの増加に伴って質量増加量ｙは減少する。この場合における流速ｘと質量増加量ｙとの関係は、図４に破線で示すβ(ｙ＝−０.７６９ｘ＋０.０７)で近似できる。即ち、溝無しの場合、ピン９とピン穴１２との隙間において水の流れがほとんど無く、溝有りの場合、ピン９とピン穴１２との隙間において水の流れが存在することを示している。
【００２６】
実機では、制御棒１と燃料チャンネルボックス７との間に、下から上へ向かう水の流れ（流速：約０.２ｍ／ｓ以上）が存在する。流速０.２ｍ／ｓにおける質量増加量を０mgとするためには、質量増加量ｙの流速ｘに対する負の変化率（以下、腐食減少率という）を、−０.３５mg／(ｍ／ｓ)以上に大きな負の値にする必要がある。この境界線α(ｙ＝−０.３５０ｘ＋０.０７)を、図４に実線で示す。
【００２７】
図５は、上記腐食減少率ｚと隙間断面積Ｓとの関係を求めた結果である。尚、この隙間断面積Ｓは、ピン９とピン穴１２との隙間の断面積と、溝１０の断面積との総和を示している。腐食減少率ｚと隙間断面積Ｓとの関係は、ｚ＝−0.179Sで近似できる。図５から、−０.３５mg／(ｍ／ｓ）以上の腐食減少率を得るためには、隙間断面積Ｓを１.９６mm2以上にする必要があることが解る。実機でのピン９とピン穴１２との隙間０.０１mm(隙間断面積０.１mm2）を考慮すると、溝
１０の断面積は、１.８６mm2以上にすることが好ましい。
【００２８】
次に、ピン穴１２に溝１０を設けたことによる他の効果について説明する。例えば、原子炉内の水（炉水）を循環させるためのポンプの故障などにより、炉水を循環できなくなった場合には、溝１０を設けた構造でも腐食が急激に進む可能性がある。このような場合、ピン９とピン穴１２との隙間で腐食生成物が成長し、図６に示すように、ハンドル５を押し広げる力１３が発生する。尚、図６は、図３Ｃと同じ断面を示しており、ローラ８は省略している。
【００２９】
この場合、ハンドル５で割れが発生する位置は最も板厚が薄い部位５ａであり、部位５ａに作用する応力１４がハンドル５の構成部材の引張応力以上になった場合に割れが発生すると考えられる。このような現象に対して、本実施例のようにピン穴１２に溝１０を設けることにより、ハンドル５は力１３に対して変形し易くなる。このため、部位５ａに作用する応力１４は、溝１０が無い場合に比べて小さくなる。即ち、ピン９とピン穴１２との隙間で仮に腐食が生じた場合でも、部位５ａに作用する応力１４を低減できるので、ハンドル５における応力腐食割れの発生を抑制することができる。
【００３０】
図４で説明した総断面積４.３mm2は、炉水を循環させるポンプの故障に起因する腐食によって発生する応力１４及び地震時の荷重を考慮して求めた好ましい値である。この総断面積に対応する好ましい溝１０の寸法は、幅２mm，深さ１mmである。
【００３１】
尚、上記した検討結果は、ピン穴深さＬ2 が実機と同じ１１mmである場合の結果である。ピン穴深さＬ2が浅い場合には、浅くした割合だけ総断面積（即ち、溝１０の断面積）を小さくすることができる。
【００３２】
次に、図７Ａ〜図７Ｄを用いて、本発明の第２実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造を説明する。図７Ａは図１のＸ矢視図、図７Ｂは図１のＹ矢視図である。図７Ｃは図７Ｂのｂ−ｂ断面図、図７Ｄは図７Ａのｃ−ｃ断面図である。
【００３３】
本実施例は、第１実施例の制御棒のハンドル５に、２つの楕円孔１１を追加したものである。図７Ｂに示すように、楕円孔１１はピン９の両端部に設けられている。即ち、一方の楕円孔１１は、ピン９の先端部（図７Ｂの右端部）に設けられ、溝１０及びピン穴１２と連通している。他方の楕円孔１１は、ピン９の溶接部（図７Ｂの左端部）１５に隣接して設けられ、溝１０及びピン穴１２と連通している。
【００３４】
本実施例でも、図７Ｄに矢印で示すような水の流れ１６を積極的に発生させることができるので、第１実施例と同じ効果が得られる。即ち、制御棒の原子炉内の滞在期間が長期化しても、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持しつつ、ピン９周りの隙間部の腐食環境を確実に改善できる。これにより、制御棒の健全性を向上して、信頼性を向上できる。
【００３５】
本実施例の場合、楕円孔１１が溝１０及びピン穴１２と連通しているため、水の流れ１６は第１実施例よりも流れ易くなるので、更に効果的となる。即ち、楕円孔１１は、溝１０及びピン穴１２内の水の流れを促進する機能を有する。また、図７Ｄに示すように、楕円孔１１では、円孔８ａから流れてくる水の流れ１６の他に、直接流入する水の流れ１６ａも存在する。この水の流れ１６ａは、楕円孔１１における水の流れ１６を促進する助けとなる。この作用も、ピン９周りの隙間部における腐食環境の改善に寄与する。
【００３６】
また、第１実施例では、ピン穴１２はピン９の両端部で閉じているため、炉水を循環させるためのポンプの故障によって腐食が発生した場合、図６で説明した応力１４はピン９の両端部で大きくなる。本実施例の場合、楕円孔１１がピン９の両端部に設置されているため、ピン９の両端部に応力１４が作用する部位５ａが存在しない。従って、ポンプの故障などによりピン９とピン穴１２との隙間で仮に腐食が生じた場合でも、隙間周辺の部位に作用する応力１４を低減できる。これも応力腐食割れの発生の抑制に寄与する。
【００３７】
次に、図８Ａ〜図８Ｄを用いて、本発明の第３実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造を説明する。図８Ａは図１のＸ矢視図、図８Ｂは図１のＹ矢視図である。図８Ｃは図８Ｂのｂ−ｂ断面図、図８Ｄは図８Ａのｃ−ｃ断面図である。
【００３８】
本実施例は、第１実施例でハンドル５に溝１０を設けた代わりに、ピン９に溝１０ａを設けたものである。図８Ｃに示すように、ピン９の上端部及び下端部に溝１０ａが設けられている。即ち、２つの溝１０ａは、制御棒の軸方向における上流側及び下流側に、ピン９とピン穴１２との隙間に隣接して配置される。図８Ｄに示すように、溝１０ａは円孔８ａからピン９の端部付近まで形成されている。
【００３９】
本実施例でも、図８Ｄに矢印で示すような水の流れ１６を積極的に発生させることができるので、第１実施例と同じ効果が得られる。即ち、制御棒の原子炉内の滞在期間が長期化しても、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持しつつ、ピン９周りの隙間部の腐食環境を改善できる。これにより、制御棒の健全性を向上して、信頼性を向上できる。更に、本実施例では、ピン９に溝１０ａを設けることにより、第１実施例よりも溝の加工が容易となるので、制御棒の加工時間及び加工費を更に低減できる。
【００４０】
尚、以上の実施例では、ハンドル５におけるガイド用ローラのピン周りに溝を設けた例を説明したが、落下速度リミッタ２におけるガイド用ローラのピン周りに同様な溝を設けても、同様な効果が得られる。また、図９に示す例のように、下部支持板２ａにおけるガイド用ローラのピン周りに同様な溝を設けても、同様な効果が得られる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、制御棒の原子炉内の滞在期間がより長期化しても、ガイド用ローラによる制御棒の摺動機能を維持しつつ、ガイド用ローラの隙間部の腐食環境を確実に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による沸騰水型原子炉用制御棒の一実施例の概略構成図。
【図２】図１のａ−ａ矢視図。
【図３Ａ】図１のＸ矢視図で、本発明の第１実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図３Ｂ】図１のＹ矢視図で、本発明の第１実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図３Ｃ】図３Ｂのｂ−ｂ断面図。
【図３Ｄ】図３Ａのｃ−ｃ断面図。
【図４】冷却水の流速と腐食試験によるピンの質量増加量との関係を求めた測定例を示す図。
【図５】腐食減少率と隙間断面積との関係を求めた測定例を示す図。
【図６】腐食に伴ってハンドルに作用する応力の説明図。
【図７Ａ】図１のＸ矢視図で、本発明の第２実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図７Ｂ】図１のＹ矢視図で、本発明の第２実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図７Ｃ】図７Ｂのｂ−ｂ断面図。
【図７Ｄ】図７Ａのｃ−ｃ断面図。
【図８Ａ】図１のＸ矢視図で、本発明の第３実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図８Ｂ】図１のＹ矢視図で、本発明の第３実施例におけるハンドルのガイド用ローラ周りの詳細構造図。
【図８Ｃ】図８Ｂのｂ−ｂ断面図。
【図８Ｄ】図８Ａのｃ−ｃ断面図。
【図９】図１において、落下速度リミッタの代わりに下部支持板を設けた沸騰水型原子炉用制御棒の一例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１…制御棒、２…落下速度リミッタ、２ａ…下部支持板、３…中性子吸収棒、４…タイロッド、５…ハンドル、６…ブレード、６ａ…シース、６ｂ…開口、
７…燃料チャンネルボックス、８…ローラ、８ａ…円孔、９…ピン、１０，10ａ…溝、１１…楕円孔、１２…ピン穴、１５…溶接部、１６，１６ａ…水の流れ。
Claims (7)
- 横断面が概略十字形のタイロッドと、該タイロッドの各辺に取り付けられ横断面が概略Ｕ字形のシースと、該シースの内側に配置された中性子吸収棒と、制御棒の軸方向における前記シースの一端に設けられたハンドルと、前記軸方向における前記シースの他端に設けられた下部支持板又は落下速度リミッタとを備えた沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記ハンドル、前記下部支持板、又は前記落下速度リミッタのうち少なくとも１つが、ピンと、該ピンが挿入されるピン穴と、前記ピンを中心に前記軸方向に回転するローラとからなる摺動構造物を備え、
前記ピンと前記ピン穴との間に形成される隙間に連通する溝が、前記ハンドル、前記下部支持板、又は前記落下速度リミッタのうち少なくとも１つ、及び前記ピンのいずれかに設けられていることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。 - 請求項１において、前記溝は、前記軸方向における上流側及び下流側の２箇所に設けられていることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
- 請求項１又は２において、前記溝は、前記ピンの端部付近まで形成されていることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
- 請求項１乃至３の何れかにおいて、前記ハンドルは、前記ピンの端部付近に開口部を備えていることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
- 横断面が概略十字形のタイロッドと、該タイロッドの４辺にそれぞれ取り付けられ横断面が概略Ｕ字形のシースと、該シースの内側に配置された中性子吸収棒と、前記シースの上端に設けられたハンドルと、前記シースの下端に設けられた下部支持板又は落下速度リミッタとを備えた沸騰水型原子炉用制御棒において、 前記ハンドルを構成する４つの翼部のそれぞれが、ピンと、該ピンが挿入されるピン穴と、前記ピンを中心に前記軸方向に回転するローラとからなるガイド用ローラを備え、
前記ピンと前記ピン穴との間に形成される隙間に連通する溝が、前記翼部のそれぞれ、又は前記ピンに、２箇所に、設けられていることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。 - 請求項５において、前記下部支持板又は前記落下速度リミッタの少なくとも一方が、第２ピンと、該第２ピンが挿入される第２ピン穴と、前記第２ピンを中心に前記軸方向に回転する第２ローラとからなる第２のガイド用ローラを備え、前記第２ピンと前記第２ピン穴との間に形成される第２隙間に連通する第２溝が、前記下部支持板又は前記落下速度リミッタの少なくとも一方、及び前記第２ピンいずれかに、２箇所に、設けられていることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
- 横断面が概略十字形のタイロッドと、該タイロッドの４辺にそれぞれ取り付けられ横断面が概略Ｕ字形のシースと、該シースの内側に配置された中性子吸収棒と、前記シースの上端に設けられたハンドルと、該ハンドルに設けられ制御棒をその軸方向に摺動させるためのガイド用ローラとを備えた沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記ガイド用ローラのピンとピン穴との間に形成される隙間に連通する溝が、前記ハンドル及びピンのいずれかに、前記軸方向における上流側及び下流側の２箇所に、設けられていることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
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