JP4997023B2 - 制御棒およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、制御棒およびその製造方法に係り、特に、沸騰水型原子炉に用いるのに好適なタイロッド、ハンドル、下部支持部材およびシースを有する制御棒およびその製造方法に関する。

沸騰水型原子炉に用いられる制御棒は、原子炉の運転中において燃料集合体が装荷された炉心に挿入されて原子炉出力を制御する。制御棒は、運転サイクルの末期には炉心から全て引抜かれる。その制御棒の一例が、特開平９−６１５７６号公報に記載されている。この制御棒は、ブレードを構成するシース内に中性子吸収部材である扁平なハフニウム筒状体を配置している。２本のハフニウム筒状体が制御棒の軸方向に存在する。特開平９−６１５７６号公報は、その制御棒の製造について以下のように説明している。

ハンドルがタイロッドの上端部に取り付けられる。ハンドルは、ハンドル本体およびハンドル本体から下方に向かって伸びる上部舌状部を有する。下部支持部材本体および下部支持部材本体から上方に向って伸びる下部舌状部を有する下部支持部材が、タイロッドの下端部に取り付けられる。ハンドル、タイロッドおよび下部支持部材の集合体をフレームと称する。

ハンドルの上部舌状部が上部ハフニウム筒状体の上端部に挿入され、上部ハフニウム筒状体が上部舌状部にピンで固定される。下部支持部材の下部舌状部が下部ハフニウム筒状体の課端部に挿入され、下部ハフニウム筒状体が下部下状部位にピンによって固定される。上部舌状部に取り付けられた複数の上部ハフニウム筒状体、および下部舌状部に取り付けられた複数の下部ハフニウム筒状体が、横断面がＵ字状であるステンレス鋼製のシース内に挿入される。その後、シースの上端、下端および側端が、ハンドル、下部指示部材およびタイロッドにそれぞれ溶接される。シースの側端部には制御棒の軸方向に複数のタブ（突起部）が形成されており、これらのタブがタイロッドに溶接される。

シースおよび複数のハフニウム筒状体で１つのブレードが形成される。制御棒は、タイロッドから四方に伸びる４枚のブレードを有する。沸騰水型原子炉で用いられる制御棒は、横断面が十字形をしている。

特開平９−６１５７６号公報

一般に、溶接を行うと溶接部には圧縮の塑性ひずみが発生する。圧縮塑性ひずみは、変形が拘束されない部位では収縮変形を生じさせる。一方、変形が拘束される部位では引張り残留応力が発生する。

上記の制御棒においては、最初に、タイロッドとシースのタブとの溶接が行われる。この溶接部には引張残留応力、およびその溶接部の周囲には圧縮残留応力がそれぞれ発生する。次に、ハンドルとシースおよび下部支持部材とシースのそれぞれの溶接が行われる。これらの溶接によって生じる、制御棒軸方向におけるシースの変位が、上記タブとタイロッドの溶接部で拘束されるため、シースの広い領域に渡って引張残留応力が発生する。

沸騰水型原子炉では、制御棒は運転期間中に中性子照射を受ける。発生因子である環境、材料および引張応力が重畳すると応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生することがある。さらに発生したき裂が進展することがある。ＳＣＣは、３つの発生因子のうち一つを取り除くことにより発生を抑制できることが知られている。引張残留応力を低く抑え、さらには圧縮応力化することは、ＳＣＣの発生を抑制するため、および万一発生した場合であってもその進展を止めるために重要である。

本発明の目的は、シースにおけるき裂の発生を防止できる制御棒およびその製造方法を提供する。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、シース部材のハンドル側の端部に軸方向の圧縮残留応力が付与されていることにある。この端部に軸方向の圧縮残留応力が付与されているので、シース部材におけるき裂の発生を防止することができる。

上記した目的は、シース部材の軸方向全長に亘って軸方向の圧縮残留応力が付与されていることによっても達成できる。シース部材の軸方向全長に亘って軸方向の圧縮残留応力が付与されているので、シース部材におけるき裂の発生を防止することができる。

上記した目的は、シース部材とタイロッドの溶接が終了した後、およびシース部材とタイロッド、ハンドルおよび下部支持部材の溶接が終了した後のいずれかにおいて、タイロッドに熱入射を行ってタイロッドの一部をタイロッドの軸方向に溶融させ、タイロッドの溶融した部分を凝固させてその軸方向に伸びる溶融部をタイロッドに形成することによっても達成できる。溶融部の形成によってタイロッドの軸方向の収縮変形が大きくなり、シース部材に軸方向における収縮変形をもたらす。この結果、シース部材に圧縮残留応力が付与され、シース部材にき裂が発生することを防止できる。

本発明によれば、シース部材にき裂が発生することを防止することができる。

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を、図１および図２を用いて説明する。本実施例の制御棒１は、沸騰水型原子炉に用いられる。なお、後述の実施例２〜５の制御棒も沸騰水型原子炉に適用される。制御棒１は、タイロッド２、ハンドル３、下部支持部材５および４枚のブレード７を有する。ハンドル３は、下方に伸びる複数の上部舌状部４を含んでいる。下部支持部材５は、上方に伸びる複数の下部舌状部６を含んでいる。ハンドル３および下部支持部材５は横断面が十字形をしている。制御棒１は、図２に示すように、横断面が十字形をしており、４枚のブレード７がタイロッド２から四方に伸びている。各ブレード７は、中性子吸収部材である複数の扁平な上部ハフニウム筒状体９Ａおよび複数の扁平な下部ハフニウム筒状体９Ｂを、横断面がＵ字状をした、ステンレス鋼製のシース８内に配置している。各シース８は、側端部に、制御棒１の軸方向に配置された複数のタブ１０を有する。各タブ１０はタイロッド２に溶接されている。シース８の上端はハンドル３に、シース８の下端は下部支持部材５に溶接にて取り付けられている。それぞれの上部舌状部４が別々の上部ハフニウム筒状体９Ａの上端部内に挿入され、各上部ハフニウム筒状体９Ａがピン１１によって上部舌状部４に取り付けられている。それぞれの下部舌状部６が別々の下部ハフニウム筒状体９Ｂの上端部内に挿入され、各下部ハフニウム筒状体９Ｂがピン１１によって下部舌状部６に取り付けられている。

制御棒１の製造は以下に説明する製造方法によって行われる。タイロッド２の上端に十字形をしたハンドル３が、タイロッド２の下端に十字形をした下部支持部材５が溶接により取り付けられる。その後、上部ハフニウム筒状体９Ａが上部舌状部４に取り付けられ、下部ハフニウム筒状体９Ｂが下部舌状部６に取り付けられる。上部ハフニウム筒状体９Ａおよび下部ハフニウム筒状体９ＢがＵ字状のシース８の内面の間に配置された状態で、シース８の側端、すなわち、タブ１０がタイロッド２に向かって移動される。各タブ１０がタイロッド２の表面に重ねられる。

シース８をタイロッド２、ハンドル３および下部支持部材５に溶接する前に、タイロッド２、ハンドル３および下部支持部材５によって構成されるフレームを、加熱領域１２（図１参照）で加熱する。加熱領域１２は、少なくともシース８の上端とシース８の下端の間でタイロッド２に存在する。そのフレームの加熱は、フレームの温度がシース８の温度よりも高くなるように行われる。この加熱は、バーナーの火炎をフレーム全体にあてることにより行われる。フレームの加熱後に、シース８が、タイロッド２、ハンドル３および下部支持部材５に溶接される。まず、シース８とタイロッド２の溶接が行われる。シース８の両側端に位置し、タイロッド２を間に介在させて向かい合いタイロッド２の軸方向において中央に位置する２つのタブ１０が、溶接トーチを用いてタイロッド２に溶接される。タイロッド２の両面において、溶接されたそれらのタブ１０からハンドル３および下部支持部材５に向かって、順次、他のタブ１０が溶接トーチを用いてタイロッド２に溶接される。

シース８とタイロッド２の溶接を、図２を用いて具体的に説明する。制御棒１は４枚のシース８を有しており、これらのシース８をタイロッド２に溶接する場合には、タイロッド２の軸方向において８箇所で溶接を行う必要がある。図２に示すように、ある横断面での８箇所の溶接位置に対してトーチ１３がそれぞれ配置され、これらの溶接トーチ１３を用いた、タブ１０とタイロッド２の溶接が、それぞれ行われる。８個の溶接トーチ１３を用いて８箇所の溶接を行うので、タイロッド２とシース８の溶接に要する時間を短縮することができる。もし、タイロッド２の周囲の８箇所に溶接トーチ１３が配置できない場合には、シース８を１枚ずつ順番にタイロッド２に溶接してもよい。シース８を１枚ずつタイロッド２に溶接する場合には、フレームを加熱して１枚目のシース８とタイロッド２、シース８とハンドル３、およびシース８と下部支持部材５の溶接を終了させ、その後、順次、他のシース８の溶接を行う。

シース８とタイロッド２の溶接が終了した後、シース８の上端部とハンドル３、およびシース８の下端部と下部支持部材５の溶接が行われる。シース８とハンドル３及び下部支持部材５の溶接が完了した後、溶接にて接合された、制御棒１の中間製品は、低温状態になって全体が一様な温度になるまで長時間（例えば、１２時間）放置される。この時間が経過した後、制御棒１の製造工程が終了する。製造された制御棒１は、制御棒１の軸方向において、シース８の全長に亘って圧縮残留応力が付与されている。制御棒１のシース８には、図３に示すように、制御棒１の軸方向において、実線１４で示す残留応力の分布が形成される。実線１４で示される、制御棒１の軸方向における残留応力分布は、圧縮残留応力である。このような圧縮残留応力がシース８の軸方向全長に亘って形成されるためシース８にき裂が生じる危険性を解消することができる。図３において、破線１５で示される残留応力分布は、従来の制御棒（特開平９−６１５７６号公報記載の制御棒）に対するものである。従来の制御棒では、破線１５で示されるように、シース８の上端部および下端部に引張残留応力が形成される。シース８の軸方向全長をＬ０および引張残留応力が生じる領域のタイロッド２の軸方向における長さをＬ１としたとき、引張残留応力が生じる領域の、シース８の上端および下端からのそれぞれの長さＬ１は０．２Ｌ０となる。特に、従来の制御棒では、炉心に挿入されている期間が長いシース８の上端部にき裂が発生している。制御棒１は、シース８の上端部および下端部に圧縮残留応力が付与されるので、シース８の上端部でき裂が発生することが防止できる。

制御棒１において、シース８の上端部および下端部に圧縮残留応力が付与されるメカニズムを、図４を用いて説明する。タイロッド２の軸方向と直交してブレード７が伸びている方向におけるタイロッド２内部の応力評価ライン１６、およびブレード７が伸びているその方向におけるシース８内部の応力評価ライン１７を想定する。変形の拘束を行わずに自由に伸縮できる状態で置かれたフレームを、全体が一様な温度になるように加熱して、フレーム全体の温度を上昇させると、フレームは応力を生じることなく軸方向に一様に膨張する。この状態において、タイロッド２とシース８の溶接前での、応力評価ライン１６に沿った制御棒の軸方向における応力分布１８は０である。また、タイロッド２とシース８の溶接前での、応力評価ライン１７に沿った制御棒の軸方向における応力分布１９も０である。

フレームの加熱後にタブ１０とタイロッド２を溶接により接合し、ハンドル３および下部支持部材５にシース４の上端部および下端部を開先合わせして溶接を行う。これらの溶接終了後に放置しておくと、シース８とフレームは溶接部でつながっているため、熱伝導によりフレームからシース８に熱が移動する。また、周囲の空気との熱伝達によりシース８とフレームの温度は十分に時間が経過した後には周囲の温度と等しくなる。シース８およびフレーム全体の温度が室温まで降下すると、タイロッド２とシース８の溶接後におけるタイロッド２の応力分布１８は、図４に示すように、値Ｔの引張応力になる。その溶接後のシース８の応力分布１９は、図４に示すように、値Ｓの圧縮応力になる。すなわち、タイロッド２には制御棒の軸方向におけるの引張残留応力が付与され、シース８の軸方向全長に亘ってその軸方向における圧縮残留応力が付与される。特に、本実施例は、シース８とフレームの溶接を開始するときに、シース８の温度がタイロッド２の温度よりも低くなっているので、フレームおよびシース８の温度が常温まで低下したときに、シース８の軸方向の全長に亘って、その軸方向の圧縮残留応力を付与できるのである。

フレームの加熱後にシース８の上端部よび下端部に圧縮残留応力が付与されるメカニズムについて説明する。図３において、シース端部で発生している引張残留応力は、モックアップ試験体を製作して測定したところ最大で１８０ＭＰａであった。したがって、シースに絶対値が１８０ＭＰａよりも大きくなる圧縮応力が生じるようなひずみを付与すれば良い。

加熱前のフレームのハンドル３と下部支持部材５との間隔をＬｔ（ｍｍ）とする。フレームに溶接される前のシースの長さを（Ｌｔ＋ｄ）（ｍｍ）とする。また、図２に図示している、タイロッド２の横断面積をＡ（ｍｍ^２）、４枚分のシースの横断面積をＢ（ｍｍ^２）とする。タイロッド２及びシース８は、それぞれ同じ材料であるＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼で構成されている。ＳＵＳ３１６Ｌステンレス鋼のヤング率をＥ（ＭＰａ）、線膨張係数をα（１／℃）とする。

図５の（Ａ）から（Ｃ）はタイロッド２及びシース８を模式的に棒で表している。図５（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）において、タイロッド２は便宜的にタイロッド２Ａで表し、シース８も便宜的にシース８Ａで表している。

図５（Ａ）は、タイロッド２、ハンドル３及び下部支持部材５とシース８の溶接前でフレームも加熱されていない状態を、模式的に表している。タイロッド２Ａの長さはＬｔ（ｍｍ）であり、シース８Ａの長さは（Ｌｔ＋ｄ）（ｍｍ）である。それぞれの横断面には応力は発生していない。タイロッド２は横断面積がＡである棒状のタイロッド２Ａで模擬され、ブレード７に設けられた４枚のシース８は横断面積がそれぞれＢ／４である棒状の４本のシース８Ａで模擬されている。

図５（Ｂ）は、タイロッド２、ハンドル３及び下部支持部材５とシース８の溶接前でフレームを加熱した状態を、模式的に表している。加熱温度を調節してフレームの軸方向の伸びをｄ（ｍｍ）にする。フレームの加熱が完了した段階でも、フレームに伸び変形は発生するが、応力は発生していない。この段階でタイロッド２とシース８の溶接、ハンドル３とシース８の溶接、及び下部支持部材５とシース８の溶接を行う。

図５（Ｃ）は、タイロッド２、ハンドル３及び下部支持部材５とシース８の各溶接が完了し、さらにフレーム全体の温度が初期温度まで降下した時点の状態を、模式的に表している。フレームとシース８は溶接部で接続されているため、軸方向の長さは等しくなる。シース８Ａの初期状態からの収縮量をδＬとする。タイロッド２Ａの初期状態からの伸び量は（ｄ−δＬ）である。

この状態において、タイロッド２Ａの横断面には、Ｅ×（ｄ−δＬ）／Ｌｔ（ＭＰａ）の引張応力が発生する。シース８Ａの横断面には、Ｅ×δＬ／（Ｌｔ＋ｄ）（ＭＰａ）の圧縮応力が発生する。それぞれの横断面における内力は、それぞれの横断面積を乗じた値になり、タイロッド２Ａでは、（Ｅ×（ｄ−δＬ）／Ｌｔ）×Ａの引張力、シース８Ａでは、（Ｅ×δＬ／（Ｌｔ＋ｄ））×Ｂの圧縮力となる。内力のつりあいを考えると、タイロッド２Ａの引張力とシース８Ａの圧縮力は絶対値が等しくなる必要があり、（１）式が成り立つ。

（Ｅ×（ｄ−δＬ）／Ｌｔ）×Ａ＝（Ｅ×δＬ／（Ｌｔ＋ｄ））×Ｂ …（１）
（１）式を整理することによって（２）式が得られる。

δＬ／（Ｌｔ＋ｄ）＝ｄ／（（（Ａ＋Ｂ）／Ａ）×Ｌｔ＋ｄ） …（２）
（２）式の左辺は、図５（Ｃ）の状態でシース８Ａに発生している圧縮ひずみである。（２）式の右辺は収縮量δＬを含んでいない。シース８Ａに発生している歪みにヤング率を乗じることにより応力を求めることができる。フレームを加熱した後にフレームとシース８Ａを溶接し、全体が初期温度になることによりシース８Ａに発生する応力をσｔｈとしたとき、応力σｔｈは絶対値が（３）式で与えられる圧縮応力となる。

σｔｈ＝Ｅ×ｄ／（（（Ａ＋Ｂ）／Ａ）×Ｌｔ＋ｄ） …（３）
モックアップ試験体で測定されたシース部の引張残留応力の最大値である１８０ＭＰａよりも、（３）式で与えられる圧縮応力の絶対値が大きい場合には、シース８Ａの残留応力は圧縮応力になる。すなわち、シース８Ａの伸び量ｄを含む（４）式の不等式が成り立つ場合には、シース８Ａの残留応力を圧縮応力にすることができる。

σｔｈ＜Ｅ×ｄ／（（（Ａ＋Ｂ）／Ａ）×Ｌｔ＋ｄ） …（４）
ここで、加熱によるフレームの伸び量ｄは、初期温度と加熱完了時の温度差をΔＴ（℃）としたとき、（５）式で求めることができる。

ｄ＝α×ΔＴ×Ｌｔ …（５）
（５）式を（４）式に代入し、温度差ΔＴについて整理すると、（６）式が得られる。

ΔＴ＞（１／α）×（（Ａ＋Ｂ）／Ａ）／（Ｅ／σｔｈ−１） …（６）
ここで、ＳＵＳ３１６Ｌオーステナイト系ステンレス鋼では、ヤング率Ｅは１９５０００（ＭＰａ）、線膨張係数αは１．５２×１０^−５（１／℃）である。タイロッド２の横断面積をＡは４２０（ｍｍ^２）、４枚分のシース８の横断面積をＢは６３２（ｍｍ^２）である。また、σｔｈ＝１８０（ＭＰａ）とする。これらの値を（６）式に代入することによって（７）式が得られる。

ΔＴ＞１５２（℃） …（７）
したがって、シース８の初期温度が２０℃の場合には、フレームの温度を温度差ΔＴが１５２℃よりも大きくなるように、すなわち、フレームを１７２℃よりも高くなるように加熱して、その後にシース８とフレームの溶接を行うことにより、シース８の各端部の引張残留応力をそれぞれ圧縮にすることができる。

一例として、フレームの加熱を行わないで溶接したときに、シース８の端部に１８０ＭＰａの引張応力が発生した構造に対して、シース８の初期温度が２０℃で、フレームを２００℃まで加熱し、その後にフレームとシース８の溶接を行った場合を想定する。その溶接を開始する時点におけるシース８とフレームの温度差ΔＴは、１８０℃になる。ここで、加熱前のフレームのハンドル３と下部支持部材５の間隔Ｌｔを、３６００（ｍｍ）とする。このとき、（５）式から、フレームの伸び量ｄは９．８５ｍｍになる。シース８の軸方向の長さは、発生させる温度差を考慮して、シース部材の加工の段階で３６０９．８５（ｍｍ）になるようにしておく。このとき、ハンドル３とシース８、または下部支持部材５とシース８の間に隙間は生じない。次に、タイロッド２とシース８、ハンドル３とシース８、及び下部支持部材５とシース８の溶接を行う。これらの溶接が完了した後に全体の温度が降下した時点での残留応力は、初期温度になった状態で、３２ＭＰａの圧縮応力になる。また、シース８上で、シース８の端部から離れたシース８の中央部付近では、端部よりも絶対値が大きい、すなわち、絶対値が３２ＭＰａよりも大きい圧縮残留応力になる。なお、シース８とハンドル３及び下部支持部材５の各溶接において、溶接入熱によりシース８の端部は溶融する。このため、シース８の長さは、３６０９．８５ｍｍよりも長く設定する。例に示したように０．０１ｍｍのオーダーの寸法精度は必要ない。例えば３６１５ｍｍとしてもよい。このとき、シース８の両端部はハンドル３及び下部支持部材５のそれぞれと２．５７５ｍｍ（＝（３６１５−３６０９．８５）／２）の幅で重なるが、例えばＴＩＧ溶接の場合には、溶融幅が約６ｍｍあるため、余分なシース部材は溶接時に溶かして溶着部とすることが可能である。

なお、シース８に形成されるタブ１０の数が多い場合には、タイロッド２にタブ１０を順次溶接するに伴って、加熱されたフレームの温度が低下する場合がある。このときには、タブ１０の溶接が行われていないフレーム上の領域を再度加熱してタブ１０、ハンドル３および下部支持部材５の溶接を行えばよい。

また、最初にフレーム全体を加熱するのではなく、シース８のタブ１０とタイロッド２の溶接を行うとき、タイロッド２における、ある溶接が完了したタブ１０と、溶接が進行する方向でこれと隣り合うタブとの間の１スパンの領域を加熱しながら、後者のタブを溶接する。このように順次、１スパンごとに加熱とタブの溶接を行っても良い。これによって、フレーム全体を加熱した場合において、ハンドル３または下部支持部材５に近いタブ１０に到達したときにフレームの温度が低下することを避けることができる。

フレームの加熱は、バーナーの火炎の替りに、例えば高周波誘導加熱を利用することも可能である。高周波誘導加熱を用いることによって、フレームを短時間に高い温度に予熱することが可能である。この高周波誘導加熱において、例えば、フレーム全体を一度に加熱できる高周波誘導加熱用のコイルを用いる。また、タイロッド２の軸方向に隣り合うタブ間の長さを有する高周波誘導加熱用のコイルを用いてもよい。

タブ１０のタイロッド２への溶接は、例えば、ハンドル３に最も近いタブ１０から下部支持部材５側に向かって順次行うことによっても可能である。逆に、下部支持部材５側からハンドル３に向かってタブ１０を溶接しても良い。

複数のタブ１０のタイロッド３への溶接を、タイロッド４の軸方向における中央部に位置するタブからハンドル２および下部支持部材３付近に位置するタブに向かって順次行うことにより、タイロッド２の中央位置に対して、対称を保ちながら溶接を進めることができる。このため、タイロッド２の曲がり等の溶接変形を小さく抑えることができる。

溶接部の加熱は、例えば炭素鋼の溶接では予熱として一般的に行われている。このため、フレームを加熱する本実施例は、新たに設備を準備することなく残留応力の改善を行うことができる。したがって、割れを起こさない好ましい残留応力分布を持った制御棒をコストの増加を抑えて製作することが可能になる。

制御棒１においてハンドル３、下部支持部材５及びタイロッド２とシース８の溶接は入熱量が小さいため、溶接変形の発生はほとんど見られない。このため、シース８とハンドル３、及びシース８と下部支持部材５のそれぞれの溶接が終了した後にシース８とタイロッド２の溶接を行っても、本実施例と同等の圧縮残留応力をシースに付与することができる。

本発明の他の実施例である制御棒を、図６を用いて説明する。本実施例の制御棒１Ａはタイロッド２の下部領域での加熱を省略して製造される。

従来の制御棒は、引張残留応力が発生している最も広い領域が引張残留応力になるのは、前述したように、シース８の上端部および下端部である（図３参照）。シースにき裂が生じる箇所は、前述したように、シース８の上端部である。このため、本実施例は、フレームのタイロッド２の上端部（例えば、シース８の上端から０．２Ｌ０の範囲）を加熱し、その後、実施例１と同様に、タブ１０をタイロッド２に溶接し、シース８の上端および下端をハンドル３および下部支持部材５にそれぞれ溶接する。シース８の下端部には引張残留応力が形成されているが、１つの運転サイクルにおいてシース８の下端部が原子炉の炉心内に挿入されている期間は短いので、シース８の下端部にはき裂が発生しない。

制御棒１Ａは、シース８でき裂が発生するシース８の上端からＬ１の長さの領域で、シース８に軸方向の圧縮残留応力を付与することができる。このため、実施例１の制御棒１に比べてタイロッド３の加熱領域が少なくなるので、制御棒１Ａの製造に要する時間を短縮することができる。本実施例は、実施例１で生じる効果も得ることができる。

本発明の他の実施例である制御棒の製造方法を、図７を用いて説明する。実施例１と同様にして、タイロッド２にハンドル３および下部支持部材５を溶接して、制御棒のフレームを構成する。本実施例の制御棒１Ｂの製造方法においては、引張装置２１を使用する。

引張装置２１の構成を簡単に説明する。引張装置２１は、剛性が高いフレーム部材２２、荷重付加軸２５および軸回転装置２６を備えている。フレーム部材２２は、平行に配置された梁部材２３，２４を有する。梁部材２３，２４にそれぞれ設けられる引張機構３０は、荷重付加軸２５、軸回転装置２６、保持部材２７およびＵ字状をした荷重付加冶具２８を有する。荷重付加軸２５が、梁部材２３，２４を貫通し、梁部材２３，２４に設けられた軸回転装置２６に噛み合っている。Ｕ字状をした４個の荷重付加冶具２８が、荷重付加軸２５の一端部に設けられた保持部材２７に取り付けられている。それぞれの荷重付加冶具２８にはピン２９が取り付けられる。荷重付加軸２５は外面にネジを形成しており、このネジが軸回転装置２６に設けられたウォームギアと噛み合っている。

制御棒１Ｂのフレームが、梁部材２３と梁部材２４の間に配置される。梁部材２３に設けられた引張機構３０の４個の荷重付加冶具２８を、それぞれピン２９を用いてハンドル３に取り付ける。梁部材２４に設けられた引張機構３０の４個の荷重付加冶具２８が、それぞれピン２９を用いて下部支持部材５に取り付けられる。少なくとも一方の軸回転装置２６を回転させて該当する荷重付加軸２５をタイロッド２の軸方向に移動させ、ハンドル３と下部支持部材５をその軸方向に引張る。これにより、軸方向の引張応力がフレームに付与される。フレーム、特に、タイロッド２に引張応力が付与されている状態を保持し、実施例１と同様に、シース８の複数のタブ１０をタイロッド２に順次溶接する。その後、シース８の上端とハンドル３の溶接、およびシース８の下端と下部保持部材５の溶接が行われる。シース８のフレームへの全ての溶接が終了した後、軸回転装置２６を逆方向に回転させ、フレームに加えていた引張力を解除する。それぞれの荷重付加冶具２８がハンドル３および下部支持部材５から取り外される。

本実施例の製造方法によって製造された制御棒１Ｂにおいて、シース８に軸方向の圧縮残留応力が付与されるメカニズムを、図８を用いて説明する。引張装置２１によって軸方向の引張応力を付与したフレームを構成するタイロッド２にシース８の開先を合せた状態では、シース８には軸方向の応力は発生していない。すなわち、応力評価ライン１７に沿った制御棒の軸方向における応力分布１９は０である。これに対し、タイロッド２には、引張装置２１の引張力によって値Ｔ１の軸方向の引張応力が生じている。すなわち、応力評価ライン１６に沿った制御棒の軸方向における応力分布１８は値Ｔ１の引張応力である。前述したシース８とフレームの溶接が終了した後、引張装置２１によってタイロッド２に作用していた引張力を除去することによって、シース８には軸方向の圧縮の変位が付加される。この結果、タイロッド２には値Ｔ１よりも減少した値Ｔ２の軸方向の引張残留応力が生じ、シース８に生じる応力分布１９は、値Ｓの軸方向の圧縮残留応力となる。

本実施例で製造された制御棒１Ｂも、シース８の軸方向全長に亘って圧縮残留応力が付与されている。このため、シース８におけるき裂の発生を防止できる。さらに、本実施例は、引張装置２１を用いているので、タイロッド２の伸びがタイロッド２の中心軸に沿って一様に発生する。フレームに曲げ変形のように製品の寸法精度に悪影響を与える変形を発生させずに、フレームへ引張力を付与することが容易に可能となる。その結果、完成した制御棒の寸法精度を確保することができる。

引張装置２１によってフレームに付与された引張荷重は、シース８とフレームの溶接が完了する前、例えばシース８の複数のタブ１０のうち一部のタブ１０の溶接が終わった時点で解除しても良い。この場合には、引張荷重を付加した状態でタブ１０の溶接が行われた軸方向の範囲では、その溶接によってシース８に生じる軸方向の引張応力を低減することができる。また、引張残留応力の低減を必要とする領域でタブ１０の溶接を行うときにのみ、タイロッド２に引張荷重を付加しても、シース８の上端部に軸方向の圧縮残留応力が付与される。

軸方向においてタイロッド２の途中に荷重付加治具２８を取り付けてタイロッド２に局所的に引張荷重を付加しても良い。例えば、タイロッド２に引張荷重を付加する位置に荷重付加治具２８を予め取り付けておく。タイロッド１の軸方向の中央部に位置するタブ１０からタイロッド２と接合する溶接を開始して、ハンドル２の近くのタブ１０が溶接される状態になったときに、その荷重付加治具２８に引張荷重を付加してタイロッド２に引張荷重を与える。次に残りの位置でのタブ溶接およびシース８とハンドル３および下部支持部材５の溶接を行う。付加していた引張荷重を取り除くことによって、タブの溶接中に引張荷重を付加していたタイロッド２の領域における引張残留応力を低減することができる。

また、シース８とフレームのすべての溶接が完了した後にハンドル３と下部支持部材５をタイロッド１に軸方向の引張応力が発生するように引張荷重を付加した後にこの引張荷重を除去しても良い。この場合には、シース８とフレームのすべての溶接部に塑性変形が発生し、それにより引張残留応力が低減される。溶接部で引張応力が発生している領域に引張荷重が付加されると、引張残留応力が発生している領域では、他の領域よりも低い引張荷重で引張側の降伏が起きる。このため、引張荷重を除去した後で溶接部には引張の塑性ひずみが残留する。引張の塑性ひずみによる変形が周囲の領域で拘束された場合には、その塑性ひずみは残留圧縮応力になる。すなわち、シース８の上端部に圧縮残留応力を付与することができる。

本発明の他の実施例である制御棒の製造方法を、図９を用いて説明する。実施例１と同様にして、タイロッド２にハンドル３および下部支持部材５を溶接して、制御棒のフレームを構成する。このフレームに、実施例１と同様に、上部ハフニウム筒状体９Ａおよび下部ハフニウム筒状体９Ｂが取り付けられる。本実施例の制御棒１Ｃの製造方法においては、圧縮装置３１を使用する。

圧縮装置３１の構成を、図９および図１０を用いて簡単に説明する。圧縮装置３１は、荷重付加軸３２、軸回転装置３３、梁部材３４および爪部材３５を備えている。軸回転装置３３および梁部材３４は２つずつ設けられる。荷重付加軸３２は、外面にネジが切ってある。各軸回転装置３３は、荷重付加軸３２と噛み合うウォームギアが設けられ、荷重付加軸３２に移動可能に取り付けられる。梁部材３４は軸回転装置３３に取り付けられる。一対の爪部材３５が梁部材３４に設けられる。

フレームに溶接するシース８に圧縮装置３１を取り付け、この圧縮装置３１によりシース８に軸方向において圧縮変形を与える。この圧縮変形によってシース８に軸方向の圧縮応力が付与される。圧縮装置３１のシース８への取り付けを、説明する。荷重付加軸３２の一端部に存在する梁部材３４に設けられた一対の爪部材３５が、シース８の一端部に形成された２つの冷却孔３６内に挿入され、シース８に引っ掛けられる。荷重付加軸３２の他端部に存在する他の梁部材３４に設けられた一対の爪部材３５が、シース８の他端部に形成された２つの冷却孔３６内に挿入され、シース８に引っ掛けられる。軸回転装置３３を駆動して荷重付加軸３２を回転させ、一対の梁部材３４間の距離を狭くする。これにより、シース８に軸方向の圧縮応力が付与される。

上記の圧縮応力が付与されたシース８が、実施例１と同様にして、タイロッド２、ハンドル３および下部支持部材５に溶接される。シース８とフレームとの全ての溶接が終了した時点で、軸回転装置３３を逆方向に回転させ、シース８に付与している圧縮力を取り除く。

本実施例の製造方法によって製造された制御棒１Ｃにおいて、シース８の軸方向全長に亘って軸方向の圧縮残留応力が付与されるメカニズムを、図１１を用いて説明する。フレームを構成するタイロッド２に軸方向に圧縮応力を付加したシース８の開先を合せた状態では、応力評価ライン１６に沿った制御棒の軸方向における応力分布１８は０である。シース８には、応力評価ライン１７に沿った制御棒の軸方向における応力分布１９は値Ｓの圧縮応力となる。この状態で、シース８とタイロッド２、ハンドル３および下部支持部材３のそれぞれの溶接を行う。シース８とフレームの全ての溶接が終了した後、圧縮装置３１によってシース８に付加していた軸方向の圧縮荷重が取り除かれる。これによって、シース８に付加されていた軸方向変位が解消される。タイロッド２には軸方向の引張の変位が付加さる。この結果、タイロッド２の応力分布１８は値Ｔの引張残留応力となる。また、シース８に生じる応力分布１９は値Ｓの圧縮残留応力が付与される。本実施例によれば、シース８の軸方向全長に渡って軸方向の圧縮残留応力が付与される。シース８にき裂が生じることを防止できる。

シース８はタイロッド２と比較すると薄板である。そのため、実施例３においてタイロッド２に引張荷重を負荷する装置よりも小さい装置で、シース８に圧縮荷重を負荷することができる。

本発明の他の実施例である制御棒の製造方法を、図１２を用いて説明する。本実施例の製造方法で製造された制御棒１Ｄは、タイロッド２の表面に溶融部３７を形成している。溶融部３７は、例えば、ノンフィラーの溶融部であり、固まっている。

制御棒１Ｄを製造する方法について説明する。実施例１と同様に、タイロッド２、ハンドル３および下部支持部材５が一体化されたフレームが形成される。その後、シース８の複数のタブ１０がタイロッド２に順次溶接される。シース８の上端がハンドル３に、シース８の下端が下部支持部材５にそれぞれ溶接される。上部ハフニウム筒状体９Ａおよび下部ハフニウム筒状体９Ｂが、シース８内に配置される。制御棒１Ｄの製造方法におけるここまでの工程は、従来の制御棒の製造工程と同じである。

本実施例では、シース８のフレームへの溶接が全て終了した後、タイロッド２の表面に溶融部３７を形成する。この溶融部３７は、ハンドル３から下部支持部材５に向ってタイロッド２の軸方向に延びている。溶融部３７の形成は、以下のようにして行われる。溶接トーチの火炎をタイロッド２の表面に当てながらその溶接トーチをタイロッド２の軸方向に沿って移動させる。その火炎の照射によってタイロッド２の表面に入熱（熱入射）が行われ、タイロッド２の上端からその下端に向う一層一パスの溶融部３７が形成される。タイロッド２の軸方向における同じ位置でタイロッド２の周囲に４つの溶接トーチを配置し、これらの溶接トーチを一緒にタイロッド２の軸方向に移動させることによって、４本の溶融部３７を同時にタイロッド２の表面に形成することができる。溶融部３７が固まるときにその溶融部３７に沿ってタイロッド２の表面に収縮変形が生じる。溶融部３７に沿ったタイロッド２の収縮変形は、シース８に、軸方向において収縮する変形を発生させる。このシース８の軸方向における収縮変形により、シース８に軸方向の圧縮残留応力がシース８の全長に亘って付与される。このため、シース８にき裂が発生することを防止できる。

溶融部３７を形成するためのタイロッド２の溶融は、シース８とタイロッド２の溶接が終了した後でシース８とハンドル３および下部支持部材５の溶接前、およびシース８とタイロッド２、ハンドル３および下部支持部材５の各溶接が終了した後の、いずれかで行われる。

タイロッド２の表面に形成される溶融部３７は、図１３に示す制御棒１Ｅのように、タイロッド２の軸方向に不連続な溶融部３７Ａとしてタブ１０とタイロッド２の各溶接部に沿ってその溶接部の近傍に形成しても良い。このような溶融部３７Ａの形成によっても、シース８の軸方向全長に亘って軸方向の圧縮残留応力を付与することができる。このため、シース８にき裂が生じることを防止することができる。

制御棒１Ｅのシース８において引張残留応力が低減でき、圧縮残留応力が付与できるメカニズムを、図１４を用いて説明する。シース８のタブ１０とタイロッド２の溶接部３８では、溶接線方向において溶接部３８で引張応力、およびこの溶接部３８の周囲で圧縮応力となる残留応力分布３９が形成される。溶融部３７により発生する応力分布４０における圧縮応力の領域が溶接部３８によって発生した引張応力の領域に重なるように、溶融部３７をタイロッド２の表面に形成することによって、応力分布３９の引張応力と応力分布４０の圧縮応力を重ね合せることができる。このため、応力分布３９の引張応力が応力分布４０の圧縮応力によって低減される。制御棒１Ｅは、タイロッドの軸方向全長にわたって溶融部３７を形成する場合よりも短い溶融部３７Ａによって図３の実線１４に示すようにシース８の上端部および下端部に圧縮残留応力を付与することができる。制御棒１Ｅは制御棒１Ｄに比べてタイロッド２の表面に溶融部を形成するために要する時間を短縮することができる。

制御棒１Ｅにおいて、溶融部３７Ａ相互間に存在するタイロッド２の領域の温度が低いほど、溶融部３７Ａの形成によるタイロッド２の軸方向における収縮変形が大きくなる。このため、制御棒１Ｅの製造においては、シース８とフレームの全ての溶接が終了した時点から十分な時間を置いて、シース８およびフレームの温度が室温まで下がった後に複数の溶融部３７Ａを形成する作業を開始することが望ましい。制御棒１Ｄにおいて、４本の溶融部３７を１本ずつタイロッド２の表面に形成する場合には、１本の溶融部３７を形成した後、シース８およびフレームの温度が室温まで低下した後に、次の溶融部３７をタイロッド２の表面に形成することが望ましい。このような溶融部３７の形成によって、制御棒１Ｄのタイロッド２の軸方向における収縮変形が大きくなる。それだけ、シース８に付与される圧縮残留応力が大きくなる。

ハンドル３に最も近い溶接部３８とその次にハンドル３に近い溶接部３８の間でタイロッド２の表面に溶融部を形成することによって、シース８の上端部における引張残留応力を圧縮残留応力に変えることができる。

タイロッド２の表面での溶融部の形成は、溶接金属（溶融する金属）の供給を行わないＴＩＧトーチを用いた入熱により形成することができる。タイロッド２の表面で溶接金属の供給を行いながら溶融部を形成した場合には、溶接金属の収縮力を利用することができるため、タイロッド２の収縮変形が大きくなる。このため、シース８に付与される圧縮残留応力も大きくすることができる。

溶融部３７および複数の溶融部３７Ａをタイロッド２の表面に形成することも可能である。これにより、シース８引張残留応力をより効果的に低減することができ、シース８の軸方向全長に亘って軸方向の圧縮残留応力を効果的に付与することができる。溶融部３７および溶融部３７Ａをタイロッド２に形成する場合には、溶融部３７を形成した後、溶融部３７Ａを形成すると良い。

タイロッド２に溶融部３７または溶融部３７Ａを形成すると、タイロッド２ではデンドライド組織の間隔が広がる。このため、デンドライド組織が入熱を受けていない母材部よりも広くなるようにタイロッド２に溶融部３７または溶融部３７Ａを形成することにより、シース８に圧縮残留応力を付与することができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の制御棒を製造する過程において、タイロッドを加熱する工程を示す説明図である。 図１に示す制御棒の横断面において、シースとタイロッドの溶接時における溶接トーチの配置を示す説明図である。 図１に示す制御棒および従来例の制御棒のシースに発生する残留応力の分布を示す説明図である。 図１に示す制御棒の溶接前後の応力分布を示す説明図である。 図１に示す制御棒のタイロッド及びシースを模式的に示しており、（Ａ）はタイロッド、ハンドル及び下部支持部材とシースの溶接前でフレームも加熱されていない状態を、模式的に示す説明図、（Ｂ）はタイロッド、ハンドル及び下部支持部材とシースの溶接前でフレームを加熱した状態を、模式的に示す説明図、（Ｃ）はタイロッド、ハンドル及び下部支持部材とシースの各溶接が完了し、さらにフレーム全体の温度が初期温度まで降下した時点の状態を模式的に示す説明図である。 本発明の他の実施例である実施例２の制御棒を製造する過程において、タイロッドを加熱する工程を示す説明図である。 本発明の他の実施例である制御棒の製造方法を示す説明図である。 図７の方法で製造された制御棒の溶接前後の応力分布を示す説明図である。 本発明の他の実施例である制御棒の製造方法を示す説明図である。 図９に示す圧縮装置のシースへの取り付け状態を示し、（Ａ）は図９のIX部の拡大図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 図９の方法で製造された制御棒の溶接前後の応力分布を示す説明図である。 本発明の他の実施例である制御棒の製造方法を示す説明図である。 本発明の他の実施例である制御棒の製造方法を示す説明図である。 図９の方法で製造された制御棒のタブの溶接部付近における残留応力分布を示す説明図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｅ…制御棒、２…タイロッド、３…ハンドル、５…下部支持部材、７…ブレード、８…シース、９Ａ…上部ハフニウム筒状体、９Ｂ…下部ハフニウム筒状体、１０…タブ、１２，２０…加熱領域、２１…引張装置、３１…圧縮装置、３７，３７Ａ…溶融部。

Claims (24)

1. タイロッドと、前記タイロッドの一端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの他端部に取り付けられた下部支持部材と、前記タイロッド、前記ハンドルおよび前記下部支持部材に取り付けられ、前記タイロッドから四方に延びて横断面がＵ字状をしている４つのシース部材と、各前記シース部材内に配置された中性子吸収部材とを備え、
   前記シースの前記ハンドル側の端部に圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする制御棒。
2. タイロッドと、前記タイロッドの一端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの他端部に取り付けられた下部支持部材と、前記タイロッド、前記ハンドルおよび前記下部支持部材に取り付けられ、前記タイロッドから四方に延びて横断面がＵ字状をしている４つのシース部材と、各前記シース部材内に配置された中性子吸収部材とを備え、
   前記シースの軸方向全長に亘って圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする制御棒。
3. 前記タイロッドに軸方向の引張残留応力が付与されている請求項１または請求項２に記載の制御棒。
4. タイロッドと、前記タイロッドの一端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの他端部に取り付けられた下部支持部材と、前記タイロッド、前記ハンドルおよび前記下部支持部材に取り付けられ、前記タイロッドから四方に延びて横断面がＵ字状をしている４つのシース部材と、各前記シース部材内に配置された中性子吸収部材とを備え、
   前記タイロッドの軸方向に伸びて前記タイロッドが溶融して固まった溶融部が、前記タイロッドの表面に形成されていることを特徴とする制御棒。
5. 前記溶融部は前記シース部材の上端と前記シース部材の下端の間で連続して形成されている請求項４に記載の制御棒。
6. 前記溶融部は前記タイロッドの軸方向に断続的に形成されており、この溶融部は前記タイロッドと前記シース部材の溶接部と並んで配置されている請求項４に記載の制御棒。
7. 前記溶融部を形成するために前記タイロッドに入熱を行った入熱領域におけるデンドライド組織の間隔が、前記タイロッドにおける、前記入熱領域以外の領域における前記デンドライド組織のそれよりも広くなっている請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載の制御棒。
8. タイロッドの一端部にハンドルを取り付けて前記タイロッドの他端部に下部支持部材を取り付けることによってフレーム部材を製作し、前記フレーム部材に中性子吸収部材を取り付け、前記フレーム部材の前記タイロッドを加熱し、横断面がＵ字状をしているシース部材を、前記シース部材内に前記中性子吸収部材が存在する状態で、加熱された前記タイロッド、前記ハンドルおよび前記下部支持部材に、前記シース部材を溶接することを特徴とする制御棒の製造方法。
9. 前記加熱によって前記タイロッドの温度が前記シース部材の温度よりも高くなる請求項８に記載の制御棒の製造方法。
10. 前記タイロッドの加熱が火炎バーナーにより行われる請求項８または請求項９に記載の制御棒の製造方法。
11. 前記タイロッドの加熱が高周波誘導加熱により行われる請求項８または請求項９に記載の制御棒の製造方法。
12. 前記タイロッドの加熱は、前記シースの前記ハンドル側の端部に対応する領域で行われる請求項８に記載の制御棒の製造方法。
13. 前記タイロッドへの前記シース部材の溶接は、前記タイロッドの軸方向に配置され、前記シース部材の一部である複数の突起部を、前記タイロッドに溶接することである請求項８ないし請求項１２のいずれか１項に記載の原子炉用制御棒の製造方法。
14. 前記タイロッドの加熱の範囲は、前記タイロッドに溶接される前記突起部付近である請求項１３に記載の制御棒の製造方法。
15. タイロッドの一端部にハンドルを取り付けて前記タイロッドの他端部に下部支持部材を取り付けることによってフレーム部材を製作し、前記フレーム部材に中性子吸収部材を取り付け、前記タイロッドの軸方向の引張力を前記タイロッドに加え、横断面がＵ字状をしているシース部材を、前記シース部材内に前記中性子吸収部材が存在しかつ前記引張力が前記タイロッドに加わえられている状態で、前記タイロッド、前記ハンドルおよび前記下部支持部材に溶接することを特徴とする制御棒の製造方法。
16. 前記引張力は、引張装置を用いて前記ハンドルおよび前記下部支持部材を反対方向に引っ張ることによって、前記タイロッドに加えられる請求項１５に記載の制御棒の製造方法。
17. タイロッドの一端部にハンドルを取り付けて前記タイロッドの他端部に下部支持部材を取り付けることによってフレーム部材を製作し、前記フレーム部材に中性子吸収部材を取り付け、前記タイロッドの軸方向の圧縮力を横断面がＵ字状をしているシース部材に加え、その圧縮力が加えられている前記シース部材を、前記シース部材内に前記中性子吸収部材が存在する状態で、前記タイロッド、前記ハンドルおよび前記下部支持部材に溶接することを特徴とする制御棒の製造方法。
18. 前記圧縮力は、圧縮装置を用いて前記シース部材を前記軸方向に圧縮することによって、前記シース部材に加えられる請求項１７に記載の制御棒の製造方法。
19. タイロッドの一端部にハンドルを取り付けて前記タイロッドの他端部に下部支持部材を取り付けることによってフレーム部材を製作し、前記フレーム部材に中性子吸収部材を取り付け、横断面がＵ字状をしているシース部材を、前記シース部材内に前記中性子吸収部材が存在する状態で、前記タイロッド、前記ハンドルおよび前記下部支持部材に溶接し、前記シース部材と前記タイロッドの溶接が終了した後、および前記シース部材と前記タイロッド、前記ハンドルおよび前記下部支持部材の溶接が終了した後のいずれかにおいて、前記タイロッドに熱入射を行って前記タイロッドの一部を前記タイロッドの軸方向に溶融させ、前記タイロッドの溶融した部分を凝固させて前記軸方向に伸びる溶融部を前記タイロッドに形成することを特徴とする制御棒の製造方法。
20. 前記熱入射は前記シース部材の一端と前記シース部材の他端との間で前記タイロッドに対して連続して行われる請求項１９に記載の制御棒の製造方法。
21. 前記タイロッドへの前記シース部材の溶接は、前記タイロッドの軸方向に配置され、前記シース部材の一部である複数の突起部を、前記タイロッドに溶接することであり、
    前記熱入射は、前記軸方向において不連続で、前記突起部と前記タイロッドの溶接部に沿って行われる請求項１９に記載の制御棒の製造方法。
22. 前記熱入射はＴＩＧトーチを用いて行われる請求項１９ないし請求項２１のいずれか１項に記載の制御棒の製造方法。
23. 前記熱入射は溶融する金属を供給しながら行われる請求項１９ないし請求項２１のいずれか１項に記載の制御棒の製造方法。
24. 前記タイロッドから四方に伸びる４枚の前記シース部材と前記タイロッドの溶接が、一緒に行われる請求項８ないし請求項２３のいずれか１項に記載の制御棒の製造方法。

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