JP4414436B2 - 沸騰水型原子炉の制御棒および制御棒ブレード - Google Patents

Description

本発明は、沸騰水型原子炉の制御棒および制御棒ブレードに関する。制御棒ブレードは、吸収剤を受容するよう構成された複数のチャンネルと、前記チャンネルの出口を含む凹部を有する自由縁部と、前記凹部の少なくとも一部をシールするよう、少なくとも一回の溶接により設けられるように配されたカバー要素とを有する。

従来、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の制御棒は、中心部と、該中心部から延設された４枚の制御棒ブレードから構成され、それぞれ隣接する制御棒ブレードに対して直角になるように設けられている。従来の制御棒ブレードは、鋼板材から形成されており、その自由縁部には、長手方向に圧延された凹部が形成されている。複数のチャンネルには、列状に孔があけられている。チャンネルの径は、十分な壁厚を得るため、金属板の厚さよりも小さくされている。チャンネルは、制御棒ブレードの自由縁部から制御棒の中心部に向けて延設されており、適正な吸収材がチャンネルに供給される。吸収材を、粉末状あるいはピンの形態としてもよい。吸収材は、凹部の脚部を回転させることで封入され、脚部の端面が長手方向の溶接接合部において溶接され、凹部に密封耐圧シールが施される。

脚部を十分長くして、一緒に回転させるため、制御棒ブレードの縁部の凹部を比較的深くする必要がある。溶接時、制御棒ブレードの自由縁部は丸くされるため、制御棒ブレードの端面からある程度の距離をおいて吸収材を供給する必要がある。制御棒ブレードの反応度効果を向上させるため、吸収材を端面に近接させることが望ましい。

スウェーデン特許出願公告第５１９３３１号明細書では、吸収材を受容するよう配されている、複数のチャンネルを有する制御棒ブレードが示されている。制御棒ブレードは、底面に前記チャンネルの出口を含む凹部が形成された自由縁部を有する。カバー要素は、縁部をシールするため、凹部に取り付けられるように配されている。このカバー要素は、ほぼＴ字状をなし、凹部の開口部を塞ぐカバー部と、凹部の底面に対してカバー要素を支持するように配された支持部とを有する。カバー要素は、二つの長手方向の溶接接合部において凹部に設けられる。支持部の幅は、チャンネルの出口の幅よりも小さい。従って、チャンネルの出口はシールされず、支持部の両端に延設された通路を介して互いに接続されている。

延設通路には、稼働時においてチャンネル間が均圧化され、溶接時において溶接接合部の根元側へ保護ガスが供給されるような構成となっている。カバー要素は、制御棒ブレードで使用されるようになっており、例えば吸収ピンのような固体の吸収材が設けられている。粉末の吸収材を使用する場合、その粉末が溶接中に巻き上がり、溶接接合部に混入する恐れがある。

研究発表３３９２５／９２において、自由縁部に窪んだ凹部が形成された制御棒ブレードが示されており、この凹部をシールするため、概ね対応する窪み形状を有するカバー要素が凹部に配される。このカバー要素は、凹部の開口部をシールするよう配されたカバー部と、対応する窪み部壁面に当接するよう配された凸部接触面を有する、支持部と、からなる。カバー要素は、二つの長手方向溶接接合部において凹部に設けられる。支持部の接触面は、取り付けられた状態において、支持部と凹部の壁面との間に縦通路が形成されるように、面取りされている。上記通路により、稼働中は均圧化が得られるよう、チャンネル間に核分裂ガスが自由に流れるようになっている。カバー要素は、溶接接合部と接続された二つの延設通路を有する。上記延設通路により、溶接中、溶接接合部の根元側への保護ガスの供給が可能となる。

カバー要素は、吸収材が供給されたチャンネルが延設通路に接続されず、溶接接合部の根元側への保護ガスの供給が可能な形状を有する。これにより、制御棒ブレードは、粉末の吸収材の供給にも適している。しかし、カバー要素の形状は比較的複雑なので、製造も困難である。さらに形状が凹部であるため、少なくとも局部的に、制御棒ブレードの端面から比較的大きく離れた箇所においてチャンネルが開く。高い反応度効果を達成させるため、制御棒ブレードの端面に近接した吸収材料が配置される可能性はかなり低下する。

本発明は、稼働時における高い反応度効果をもたらし、吸収材の巻き上がりや溶接接合部への混入などのリスクを発生させることなくシールできるよう構成された、制御棒ブレードを供給することを目的とする。

上記目的は、以下の特徴を有する、前記制御棒ブレードにより達成される。すなわち、制御棒ブレードは、カバー要素の溶接に先立ち、チャンネルの出口が覆われるような位置において凹部の底面に対して設けられるプロファイル要素を有する。プロファイル要素は、チャンネルの出口をシールするように提供されているため、溶接時の吸収材の巻上がりや、溶接接合部への混入が防止される。巻き上げられた吸収材が混入された、不具合を有する溶接接合部の凹部にカバー要素が設けられるというリスクが軽減される。

本発明の好ましい実施形態において、プロファイル要素の幅は、底面の幅に概ね対応している。上記幅のプロファイル要素は、底面の側壁間の適正位置に適合する形状により、簡単に設置される。プロファイル要素は、チャンネルのすべての出口を確実に塞ぐことができる。プロファイル要素は、対応するほぼ平面をなす底面に対して設けられるように配されている、ほぼ平坦な面を有することが望ましい。プロファイル要素と凹部は、比較的単純な形状とする。プロファイル要素には、ほぼ平坦な面から上向きに突出している、少なくとも一つの湾曲側部を設けることができる。プロファイル要素は、適正位置への設置がさらに簡単になるような形状とされる。吸収材が溶接中にプロファイル要素を通過するリスクはさらに軽減される。

本発明のさらに望ましい実施形態において、プロファイル要素の厚さは０．２ｍｍから０．５ｍｍの範囲にある。これによれば、プロファイル要素の主な目的は、溶接中に吸収材をチャンネル内に保持し、巻き上がりや溶接接合部への混入を防ぐことにある。材料を適切に選択することで、比較的薄いプロファイル要素によって対応される。薄いプロファイル要素は、吸収材のスペースを実質的に侵すことなく、吸収材を制御棒ブレードの自由端面近くに供給する可能性を実質的に軽減することもない。ただし、プロファイル要素は、曲げや変形などのリスクを発生させることなく、供給中に操作可能な厚みを有する必要がある。さらに、プロファイル要素は、前記凹部の全長に沿って連続して突出している。プロファイル要素には接合部がないため、吸収材の巻上がりや溶接接合部への混入といった局部的な弱化のリスクが最低限となる。従って、延設されたひとつのプロファイル要素が凹部に設けられた後、カバー要素が溶接によって凹部に取り付けられる前に吸収材がチャンネルに供給される。プロファイル要素は、金属から製造されることが望ましい。さらに、金属材料はステンレス鋼であることが望ましい。複数種のステンレス鋼は、上記のような使用に適した性質を有している。

本発明の別の好ましい実施形態において、カバー要素は、凹部に設けられる際、プロファイル要素の表面と当接するように配された表面を有する。カバー要素とプロファイル要素との接触により、プロファイル要素が所望位置に確実に保持される。従って、カバー要素によっても、後続の溶接工程において適正位置が達成される。前記プロファイル要素とカバー要素の接触面は、概ね平坦である。

本発明のさらに別の好ましい実施形態において、カバー要素は、凹部の開口部を塞ぐカバー部と、該凹部の幅よりも小さな幅の支持部とを有する。断面が概ねＴ字状のカバー要素は単純な工程で廉価に製造することができる。従って、カバー部が凹部に配され、これによって凹部の開口部が覆われる。ただし、カバー要素の縁部と凹部の脚部に狭い隙間が形成される。上記隙間により、延設され、支持部の両側に形成されている通路への保護ガスの供給が可能となる。上記のような保護ガスの供給により、カバー要素の縁部と脚部の内面との溶接が容易に実施されるとともに、良質な溶接接合部が容易に形成される。溶接接合部は、ＴＩＧ−バーナーによって実現される。

本発明の別の好ましい実施形態において、凹部は、プロファイル要素が凹部に設けられた後、その下部において少なくとも二つの隣接するチャンネル間に伸張する通路を形成するように配された溝を有する。プロファイル要素は、カバー要素の支持部の両側にあるプロファイル要素の外側にある、通路同士を分割する、壁を形成している。この通路は、プロファイル要素の内側に配され、チャンネルを相互接続させることを目的とする。すべてのチャンネルを相互接続させる通路により、カバー要素が溶接される前に実施されるチャンネルの圧力試験が促進される。上記通路は、チャンネル内で圧力が概ね等しくなるよう、稼働中に発生する核分裂ガスの供給も目的としている。

本発明のさらに別の好ましい実施形態において、前記吸収材は粉末状である。粉末状の吸収剤が使用される場合、吸収材の巻き上げが問題となる。従って、本発明の制御棒ブレードは、粉末状の吸収材を使用する場合に適合している。吸収材は、粉末状の炭化ボロンである。炭化ボロンは、通常、吸収材としてよく使用されている。制御棒ブレードのチャンネルに、粉末状吸収材と固体吸収材との組み合わせを供給してもよい。固体供給材を、熱間静圧圧縮あるいは焼結された炭化ボロンピンやハフニウムピンなどとしてもよい。チャンネルに、ケースに入れられた粉末状の炭化ボロンを供給することもできる。従って、制御棒ブレードは、粉末状の吸収材の受容に特に適した構造となっている。しかし、上記構造は、固体の吸収材あるいはケースに入れられた粉末状の吸収材の供給に限定されることはない。

本発明は、沸騰水型原子炉の制御棒に関する。上記制御棒は、通常４枚の制御棒ブレードを有し、隣接する制御棒ブレード同士が直角に配されている。制御棒ブレードが設けられた制御棒により、稼働中に高い反応度効果が得られるとともに、制御棒ブレードの端面が、良質な溶接接合部によって封入される。

本発明の好ましい実施形態は、添付の図面を参照して後述する例として説明される。

図１は、沸騰水型原子炉（ＢＭＲ）の中性子流束を制御する制御棒１を示す。この制御棒１は、互いに直角を成すように配されている４枚の制御棒ブレード２を有する。制御棒ブレード２は、孔があけられ、列状の複数のチャンネル３を有し、該チャンネルは、制御棒ブレード２の自由縁部と、制御棒ブレード２同士が接触する中心部との間に延設されている。制御棒ブレード２は、シート材、望ましくはスチールのような金属で製造されており、７−８ｍｍの厚さを有する。制御棒ブレード２に孔をあけることでチャンネル３が形成され、その径は約５−６ｍｍである。

図２は、制御棒ブレード２の縁部、プロファイル要素４、カバー要素５を示し、これらにより縁部がシールされる。従って、制御棒ブレード２は、シート材からなり、その自由端面には、フライス加工によりほぼＵ字形状を有する第一トラック６が設けられている。第一トラック６は、シート材の自由端面のほぼ全面に沿って延設されている。そして第一のＵ字形状トラック６の中央にフライス加工を施すことで、第二の狭小三角形状トラック７が形成される。第一トラック６および第二トラック７により、制御棒ブレード２の自由縁部に凹部８が形成される。該凹部８は、直立脚部９によって横方向に制限されている。第一トラック６および第二トラック７を形成するフライス加工の後あるいは前に、円形断面を有する多くの直線チャンネル３が制御棒ブレード２に孔をあけることで形成されている。従って、チャンネル３は、制御棒ブレード２の自由縁部と、制御棒ブレード２同士が接触する中央との間に延設される。チャンネル３の径は、第一トラック６の幅より小さく、第二トラック７の幅より大きい。中央に設けられた第二トラック７は、凹部８におけるチャンネル３の出口間の領域においてのみ、延長される。図２では、６個のチャンネル３の出口が示されている。チャンネル３に、粉末状の吸収材１０が供給される。粉末状の吸収材１０は、炭化ボロンであることが望ましい。しかし、制御棒ブレードのチャンネル３は、粉末状の供給材１０の供給のみに限定されることはなく、粉末状の吸収材と固体の吸収材との組み合わせを供給してもよい。固体の吸収材は、熱間静圧圧縮あるいは焼結された炭化ボロンピンやハフニウムピンとしてもよい。制御棒ブレードのチャンネル３に、固体吸収材のみ、あるいはケース内の粉末状吸収材のみを供給してもよい。

図２は、前記チャンネル３の出口が塞がれる位置で凹部８に設けられるよう配された、延設され概ね板状のプロファイル要素４を示す。プロファイル要素４は、スチールなどの金属から作られ、約０．１〜０．５ｍｍの厚さを有する。プロファイル要素４の長さと幅は、凹部８の長さと幅にほぼ対応するようことが望ましい。図２は、取り付けられた状態で、凹部８の開口部をシールするように配されているカバー要素５を示す。カバー要素５の長さは、凹部８の長さに対応している。カバー要素５には、凹部８の幅にほぼ対応する幅のカバー部１２が設けられている。カバー部１２の上面は、取り付け状態において制御棒ブレードの端面が形成されるような構成となっている。図２において、カバー要素５の支持部１３が破線によって示されている。該支持部１３は、カバー要素５の全長にわたり、連続して延設されており、その幅は凹部８より小さい。

図３は、図２の線Ａ−Ａに沿った断面図を示し、Ｕ字状の第一トラック６および三角形状の第二トラック７の構造や深さが、図２よりも明確に示されている。プロファイル要素４は、図面において下向きの第一面４ａを有する。この第一面４ａは、第一トラック６の底面６ａとほぼ対応する形状を有し、ほぼ平面状である。プロファイル要素４は、その両縁部に、第一面４ａから上向きに突出する曲部４ｃを有する。曲部４ｃは、ほぼ平面状の底面６ａから僅かに離間して上向きに形成され、Ｕ字状第一トラック６に追従するように配されている。プロファイル要素４は、凹部８の所望位置に容易に配されるような適合形状とされる。プロファイル要素４により、適正な余裕で前記位置においてチャンネル３の出口が塞がれる。カバー要素５は、概ねＴ字状の断面を有する。カバー部１２の上部は、特定の圧力で核分裂ガスを封入するように設定された壁厚である、概ね矩形の断面を有する。カバー要素５の支持部１３の下部は、三角形状第二トラック７より幅の大きな矩形断面を有する。支持部１３は、平面下部接触面１３ａが、カバー部１２の上面と脚部９の端面とが同一面となったときに、プロファイル要素４の対応平面第二上部接触面４ｂと当接されるような高さを有する。このように、チャンネル３に粉末吸収材１０が供給される。

図４は、プロファイル要素４とカバー要素５とが取り付けられた、制御棒ブレード２の縁部の断面を示す。取り付け工程には、制御棒ブレード２の凹部８にプロファイル要素４を設ける工程を含む。従って、プロファイル要素の第一面４ａは、Ｕ字状第一トラック６の底面６ａの形状にほぼ対応した形状を有する。プロファイル要素４は容易に凹部８の適正位置へ設けられ、すべてのチャンネル３の出口が塞がれる。プロファイル要素４は、定位置において三角形状の第二トラック７も塞ぐ。従って、第一通路１５がプロファイル要素４の下部に形成され、チャンネル３の出口に関連して、チャンネル３が各々と接続される。そして、カバー要素５が凹部８に設けられる。支持部１３の幅は、凹部８の幅より小さく、第二延設通路１６ａ、１６ｂは、この支持部１３の両端に設けられる。プロファイル要素４が三角形状第二凹部７の上部に位置するため、第二通路１６ａ、１６ｂは第一通路１５から分離される。カバー要素５が凹部８に設けられると、支持部の下部平面１３ａがプロファイル要素の平面第二上部表面４ｂに当接する。支持要素の接触面１３ａは、三角形状トラック７の幅よりも大きな幅を有する。カバー要素５とプロファイル要素４との接触により、プロファイル要素４が凹部８の所望位置に保持される。

Ｕ字状第一トラック６の開口部の幅は、カバー部１２の幅にほぼ対応している。カバー要素５が凹部８に設けられると、狭小でほぼ均一な隙間がカバー部１３の縁部と凹部８の脚部９の両側に形成される。上記隙間により、延設された通路１６ａおよび１６ｂに保護ガスが供給される。そして、カバー部１２の縁部は、脚部９の内面とともにＴＩＧバーナー等によって溶接され、延設された溶接接合部１７が二箇所に形成される。従って、通路１６ａ、１６ｂによって溶接中に溶接接合部１７の根元側に不活性ガスを供給することができる。このため、良質な溶接接合部１７を確実に形成することができる。プロファイル要素４によって溶接中に凹部８のチャンネル３の出口が覆われるため、また、確実に、チャンネル内で粉末吸収材１０が巻き上がらず、溶接接合部１７へ到達できないよう、なされる。よって、粉末吸収材１０が溶接混合部１７へ混入し、溶接接合部の質を低下させるようなリスクが発生することもない。従って、上記プロファイル要素４の使用により、粉末状の吸収材１０が使用された場合でも、良質な溶接接合部１７が確実に形成される。

溶接後、制御棒ブレードのシール試験が実施される。図示しない漏れ検出チャンネルを介して真空ポンプを接続させ、前記チャンネル３のうちの一つと連通させる。すべてのチャンネル３は、第一通路１５を介して相互に接続されているため、すべてのチャンネル３を効果的に真空ポンプで吸引することができる。第一通路１５は、稼働中、チャンネル３間に核分裂ガスを流通させる役割を担う。稼動中に形成された核分裂ガスによる過圧が、制御棒ブレード２のすべてのチャンネル３間にほぼ均一に供給される。

本発明は、図面に示された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲において、任意に変更を加えることができる。凹部には、Ｕ字状第一トラック６および三角形状第二トラック７を必ずしも含める必要はなく、機能的な任意の形状とすることができる。

４枚の制御棒ブレードを有する沸騰水型原子炉に使用される制御棒の斜視図である。 本発明における制御棒ブレード、プロファイル要素およびカバー要素の自由縁部を示す図である。 図２の線Ａ−Ａに沿った断面を示す図である。 プロファイル要素とカバー要素とが組み付けられた、制御棒ブレードの自由縁部を示す断面図である。

Claims (15)

1. 沸騰水型原子炉の制御棒ブレードにおいて、
   制御棒ブレード（２）は、吸収材（１０）を受容するように配された複数のチャンネル（３）と、前記チャンネル（３）の出口を構成する凹部（８）を有する自由縁部と、前記凹部（８）の少なくとも一部が塞がれるように、少なくとも一回の溶接によって設けられるカバー要素（５）とを含み、
   前記制御棒ブレード（２）は、前記カバー要素（５）の前記溶接に先立ち、前記チャンネル（３）の出口が覆われるような位置において前記凹部（８）の底面（６ａ）に対して設けられるプロファイル要素（４）を有する、ことを特徴とする、制御棒ブレード。
2. 前記プロファイル要素（４）の幅は、前記底面（６ａ）の幅に概ね対応している、ことを特徴とする、請求項１に記載の制御棒ブレード。
3. 前記プロファイル要素（４）は、対応するほぼ平面をなす底面（６ａ）に対して設けられるように配されている、ほぼ平坦な面（４ａ）を有する、ことを特徴とする、請求項１または２に記載の制御棒ブレード。
4. 前記プロファイル要素（４）は、前記ほぼ平坦な面（４ａ）から上向きに突出している、少なくとも一つの湾曲側部（４ｃ）を有する、ことを特徴とする、請求項１から３のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
5. 前記プロファイル要素（４）の厚さは、０．２ｍｍから０．５ｍｍの範囲にある、ことを特徴とする、請求項１から４のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
6. 前記プロファイル要素（４）は、前記凹部（８）の全長に沿って連続して突出している、ことを特徴とする、請求項１から５のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
7. 前記プロファイル要素（４）は、金属から製造される、ことを特徴とする、請求項１から６のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
8. 前記カバー要素（５）は、前記凹部（８）に設けられる際、前記プロファイル要素（４）の表面（４ｂ）と当接するように配された表面（１３ａ）を有する、ことを特徴とする、請求項１から７のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
9. 前記プロファイル要素（４）と前記カバー要素（５）の前記接触面（４ｂ、１３ａ）は、概ね平坦である、ことを特徴とする、請求項８に記載の制御棒ブレード。
10. 前記カバー要素（５）は、前記凹部（８）の開口部を塞ぐカバー部（１２）と、前記凹部（８）の幅よりも小さい幅を有する支持部（１３）と、を有する、ことを特徴とする、請求項１から９のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
11. 前記凹部（８）は、前記プロファイル要素（４）が前記凹部（８）に設けられた後、その前記プロファイル要素（４）の下部において隣接する前記チャンネル（３）間に伸張する通路（１５）を形成するように配された溝（７）を有する、ことを特徴とする、請求項１から１０のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
12. 前記カバー要素（５）は、二つの長手方向の溶接接合部（１７）により前記制御棒ブレード（２）の縁部において取り付けられるよう配されている、ことを特徴とする、請求項１から１１のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
13. 前記吸収材（１０）は、粉末状である、ことを特徴とする、請求項１から１２のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレード。
14. 前記吸収材（１０）は、炭化ボロンである、ことを特徴とする、請求項１３に記載の制御棒ブレード。
15. 少なくとも請求項１から１４のうちいずれか一項に記載の制御棒ブレードを有する、沸騰水型原子炉用制御棒。

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