JP5075357B2 - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Description

本発明は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に適用される原子炉用制御棒に係り、特にハフニウム（Ｈｆ）またはその合金を中性子吸収材とする制御棒に関するものである。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の制御棒は、断面が縦長な４枚の翼（ウイング）を十字型に組立てて構成され、炉心はその各翼を挟むように断面方形に形成された４体の燃料集合体配列のセルを多数配置して構成されている。

従来、このような制御棒の中で、長寿命型制御棒として、フラックスストラップ型ハフニウム制御棒が知られている。この制御棒はハフニウム（Ｈｆ）またはその合金からなる１対の板状体（以下、「ハフニウム板」と称する。）を対向させ、これらのハフニウム板を中性子吸収要素として金属（ステンレス鋼（ＳＵＳ））のシース内に収容した構成とされている。

図１８〜図２０は、従来実用化されているハフニウム制御棒を示している。図１８は、ハフニウム制御棒の斜視図であり、図１９は主要部横断面図であり、図２０は対向する２枚のハフニウム板の間隔を保持するするスペーサ部と軸からなる保持部材（以下、「コマ」と称する。）であって、シースの内部に保持する部材の斜視図である。

これらの図に示すように、制御棒１は、ハンドル３を含む十字型の先端構造材４と、４枚の翼（ウイング）２と、末端構造材５とが、中央構造材（タイロッド）６に固着されて形成されている。下部構造材５には、結合部材異常分離時に制御棒が炉心から落下する際の速度を抑制する速度制限部材（スピードリミッタ）１４が設けられている。

各ウイング２は、深いＵ字状の横断面を有するシース７の内部に２枚のハフニウム板１０を保持部材（コマ）１２で一体型とされた一体型中性子吸収要素が収納されて構成されている。シース７には規則的に通水孔９が穿設されている。通常、通水孔９は制御棒挿入方向（軸方向）と直角方向に２個ずつペアとなって軸方向に規則的に配列されている。なお、一部の通水孔９はシース７とハフニウム板１０とを貫通する「重複孔」となっている。

ハフニウムとステンレス鋼とは熱膨張係数が大幅に異なるため、一体型中性子吸収要素は制御棒の挿抜方向に複数に分割され、コマ１２の軸１２ｂを通してシース７で保持されている。そして、コマ１２のディスク１２ａによりハフニウム板１０の位置決めがなされ、ハフニウム板１０間に通水用のギャップ１１が形成されている。

従来、このようなハフニウム板を適用した制御棒構成として、急速挿入などの衝撃に対する機械的特性の改良案、あるいは腐食問題を改良する等の提案がされている（例えば、特許文献１，２等参照）。
特開平１０−１０４３８２号公報 特開平１１−１１８９７２号公報

上述した従来の制御棒の構成においては、コマがハフニウム板の軸方向の位置決めと対向するハフニウム板間の隔確保持を兼用する構成とされている。また、ハフニウム板を固定するコマをシースに全体的に溶接して固定する構成となっている。そして、コマもシースもステンレス鋼製とされている。

このような構成においては、シース内に冷却材である水（特に下方から上方に向う水）が流入し難く、溶接部が腐食し易くなって割れが生じたり、さらに割れが貫通してしまう可能性があった。

また、腐食生成物がシース内に入っていくと、ハフニウム板とシースとが密着状態となり、軸方向に動かなくなり、ハフニウム板が照射伸びをした際に外側のシースも同時に引張られる状態となり、初期の腐食に応力がかかってステンレス製のシースにおいて、ひび割れが大きくなる可能性があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ハフニウム板を強く拘束せず、シース内に水が流入し易く腐食等を防止することができ、ハフニウム板の照射伸び等に対する移動余裕を確保するとともに、シースの健全性向上等を図ることができる原子炉用制御棒を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明では、先端構造材と、末端構造材とを、中央構造材であるタイロッドを介して連結し、このタイロッドにウイングを形成する複数枚の断面Ｕ字形のシースを連結し、このシース内にハフニウムもしくはハフニウム合金からなる中性子吸収体を装填し、この中性子吸収体を制御棒軸方向で複数の中性子吸収要素に区分し、その各中性子吸収要素の中性子吸収特性をその区分における中性子照射量に応じて定めた原子炉用制御棒において、前記中性子吸収要素は、前記制御棒軸方向に垂直な方向に対向して配置される２枚の板状部材であり、前記中性子吸収体を軸方向に支持する位置決め部材と、前記各シース内で対向する前記中性子吸収要素同士の間隔を保持する間隔保持部材とを互いに異なる構造部または部品として構成し、前記位置決め部材は、前記タイロッドに一端が支持され他端が対向する前記各中性子吸収要素同士の間隔に嵌合挿入されたステーであり、前記間隔保持部材は、互いに対向する前記中性子吸収要素の対向面に形成された孔に挿入されたピン状部材であることを特徴とする原子炉用制御棒を提供する。

本発明によれば、ハフニウム板の軸方向の位置決め用部材と、対向するハフニウム板間の隔確保持部材とを別部材として構成し、溶接部を減少または省略することにより、ハフニウム板を強く拘束せず、シース内に水が流入し易く腐食等の防止機能を高めることができ、かつハフニウム板の照射伸び等に対する移動余裕を確保するとともに、シースの健全性向上等を図ることができる。

以下、本発明に係る原子炉用制御棒の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の構成において、従来の構成と同一または対応する部位については図１８〜図２０と同一の符号を付して説明する。

［第１実施形態（図１〜図５）］
図１は本発明の第１実施形態による原子炉用制御棒の全体構成を示す側面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。

図１に示すように、本実施形態の制御棒１は、ハンドル３を含む十字型の先端構造材４と、４枚の翼（ウイング）２と、末端構造材５とが、中央構造材（タイロッド）６に固着されて形成されている。下部構造材５には結合部材異常分離時に制御棒が炉心から落下する際の速度を抑制する速度制限部材（スピードリミッタ）１４が設けられている。

各ウイング２は深いＵ字状の横断面を有するシース７の内部に２枚のハフニウム板１０を収容して構成された一体型中性子吸収要素とされ、シース７には規則的に通水孔９が穿設されている。

通水孔９は制御棒挿入方向（軸方向）と直角方向に２個ずつペアとなって軸方向に規則的に配列されている。なお、一部の通水孔９はシース７とハフニウム板１０とを貫通する「重複孔」となっている。

一体型中性子吸収要素としてのハフニウム板１０は制御棒の挿抜方向に複数に分割されるとともに、相対する１対のハフニウム板１０間には通水用のギャップ１１が形成されている。

このように、先端構造材４と、末端構造材５とが、中央構造材であるタイロッド６を介して連結され、このタイロッド６にウイング２を形成する複数枚の断面Ｕ字形のシース７が連結され、このシース７内にハフニウムもしくはハフニウム合金からなる中性子吸収要素としてのハフニウム板１０が装填されている。なお、本実施形態では、ハフニウム板１０は軸方向に例えば８分割とされ、各ハフニウム板１０の軸方向長さは例えば４０ｃｍとされている。

このハフニウム板１０は制御棒１の軸方向で複数の中性子吸収要素に区分され、その各中性子吸収要素の中性子吸収特性がその区分における中性子照射量に応じて定められている。

この構成のもとで、ハフニウム板１０を軸方向に支持する位置決め部材と、各シース７内で対向するハフニウム板１０同士の間隔を保持する間隔保持部材とが、互いに異なる構造部または部品として構成されている。

位置決め部材は図２に示すように、略一定径の位置決めピン２１として構成され、１枚のハフニウム板１０の中央部に設けられている。すなわち、本実施形態では、位置決めピン２１が各シース７の対向部間を貫通して、シース７のみに軸方向一端部のみが溶接部２１ａにより溶接されてシースと一体型となるように構成されている。

この位置決めピン２１はステンレス鋼製で、例えば全長に亘って一定径とされたピン構造のものであり、軸方向の他端側部位はシース７に対して非溶接とされている。この位置決めピン２１は対向する１対のハフニウム板１０に対して中央位置に１個だけ設けられている。

このように、位置決めピン２１はハフニウム板１０の固定用として専用の一定径のものであり、ウイング２の外側に位置する一端側だけの全周がシース７に溶接されており、スペーサの役割は有しない。

図３は、ステンレス製の位置決めピン２１の第２例を示している。この位置決めピン２１は、雄部材と雌部材からなる１対の対向するねじ部材２２，２３として構成され、１対のねじ型ピンとして構成されている。

また、図４はステンレス製の位置決めピン２１の第３例を示している。この位置決めピン２１も、雄部材２４と雌部材２５からなる１対の互いに先端が嵌合し得る部材から構成されており、雄部材２４の嵌合部が雌部材２５よりも大径とされており、この雄部材２４の嵌合部を冷却して雌部材２５に嵌合することにより、１対の冷やし嵌め型ピンとして構成されている。

一方、本実施形態では、図５に示すように、各シース７内で対向するハフニウム板１０同士の間隔を保持する間隔保持部材が、専用のスペーサ２６として設けられている。このスペーサ２６は、位置決めピン２１と異なる配置で、各シース７内の互いに対向するハフニウム板１０の間に非溶接で挿入配置されたピン状のスペーサ２６とされ、例えばハフニウム板１０の中央位置に１個設けられている。

詳述すると、図５（ａ）は、専用のスペーサ２６の構成を示し、図５（ｂ）はスペーサ２６の一部（図５（ａ）のＣ部）を拡大して示している。このスペーサ２６はハフニウム製とされ、例えばハフニウム板１０に上下配置で計４個設けられている。このスペーサ２６はハフニウム板１０同士の間の間隔を専ら確保する機能を有するピン状のものであり、軸方向の一端側が大径部２７となっている。この大径部２７がハフニウム板１０の外面側に設けられた凹部２０に嵌合されている。そして、このスペーサ２６の大径部２７の肉厚寸法は、ハフニウム板１０の凹部２０の深さ寸法より大きく形成されており、この寸法のギャップによりハフニウム板１０とシース７との間に隙間２８が生じる構成となっている。この隙間２８部位には冷却材である水が流入するようになっている。したがって、従来のようにコマが溶接固定されているものと異なり、腐食生成物が溜まらない構成となっている。

このような本実施形態の構成によれば、ハフニウム板１０の軸方向の位置決め用部材と、対向するハフニウム板１０間の隔確保持部材とを別部材として構成し、一部溶接構造として溶接部を減少したことにより、ハフニウム板１０を強く拘束せず、シース７内に水が流入し易くなり、腐食等を防止することができる。そして、ハフニウム板１０の照射伸び等に対する移動余裕を確保することができるとともに、シース７の健全性向上等を図ることができる。

［第２実施形態（図６）］
図６は本発明に係る制御棒の第２実施形態を示す全体構成図である。なお、本実施形態は基本的に第１実施形態と略同一の構成であるから、同一構成部分については図６に図１と同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と異なる点は、ハフニウム板１０の分割数を変えた点である。すなわち、本実施形態では、ハフニウム板１０は１６分割とされ、第１実施形態の倍となっている。そして、ハフニウム板１０の軸方向長Ｌさは、第１実施形態の長さの２分の１、すなわち略２０ｃｍとなっている。なお、１枚のハフニウム板１０について、位置決めピン２１は一つ、スペーサ２６は４つで第１実施形態と同一配置となっている。

本実施形態によっても、ハフニウム板１０の軸方向の位置決め用部材と、対向するハフニウム板１０間の隔確保持部材とを別部材として構成し、溶接部を一部溶接として溶接部を減少することにより、ハフニウム板１０を強く拘束せず、シース７内に水が流入し易く腐食等を防止することができ、ハフニウム板１０の照射伸び等に対する移動余裕を確保するとともに、シース７の健全性向上等を図ることができる。

［第３実施形態（図７〜図９）］
図７は本発明の第３実施形態による制御棒１の要部を示す拡大図であり、図８および図９は図７のＤ−Ｄ断面図およびＥ−Ｅ断面図である。なお、本実施形態も基本的には第１実施形態と略同一の構成であるから、第１実施形態と同一構成部分については図示を省略し、同一または対応部分には図１と同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態の位置決め部材は、タイロッド６に一端が支持され、他端が各ハフニウム板１０の内部に嵌合挿入されたステー２９とされている。このステー２９は図９に示すように、タイロッド６に溶接部３０を介して接合された板状基部３１の先端にコマ状の固定ピン３２を設け、このコマ状の固定ピン３２に孔３３を穿設した構成となっている。板状基部３１の厚さは１対のハフニウム板１０の離間寸法に相当している。

また、固定ピン３２の肉厚は１対のハフニウム板１０の両外面間の配置幅と略同一となっている。さらに、固定ピン３２の先端には板状基部３１と同一厚さの先端板部３４が一体に形成されている。このステー２９の固定ピン３２がハフニウム板１０に穿設された孔３３に嵌合挿入されることにより、ハフニウム板１０の軸方向位置が決められる。

また、図８および図９に示すように、１対のハフニウム板１０，１０の軸直角方向の両端部１０ａ，１０ｂは互いに離間する方向（外方向）に部分的に折曲されている。この折曲した両端部１０ａ，１０ｂがシース７の内面に当接することにより、これら端部１０ａ，１０ｂ以外のシース７とハフニウム板１０との間には隙間３６が形成されている。

すなわち、各シース７の内面とこのシース７内に挿入されたハフニウム板１０の両端部１０ａ，１０ｂに外向きに凸部が形成された状態となり、これにより両端部１０ａ，１０ｂを除くハフニウム板１０には軸方向略全体に亘ってシース７との間に隙間３６が形成されている。

このように、本実施形態ではハフニウム板１０の外面の一部に隙間３６の一部を塞ぎ、シース７とハフニウム板１０とを当接させる凸部が形成された構成となっている。

一方、図９に示すように、間隔保持部材としてのスペーサ２６は、形状的には従来のスペーサと同様のピン状部材として構成されているが、シース７に対しては非溶接であり、互いに対向するハフニウム板１０の対向面に形成された孔３７に挿入され、シース７の対向面間に隙間をあけて配置されている。

このように、タイロッド６にステー２９を溶接により連結し、ステー２９の先端に孔３７が穿設され、さらに固定ピン３２が設けられている。固定ピン３２は、スペーサ２６と類似の構成となっており、その部分に孔３３があり、冷却材である水を通すことが可能となっている。この孔３７は、外部と貫通すとともに、上記の隙間とも連通している。

なお、シース７には、シース７だけの孔（長円の孔）３８が複数形成されるとともに、シース７およびハフニウム板１０の全体を貫通する全体貫通孔（真円の孔）３９が少数形成されている。また、シース７の対タイロッド６接触部には断続的に切欠４０が形成されている。

本実施形態によっても、ハフニウム板１０の軸方向の位置決め用部材と、対向するハフニウム板１０間の隔確保持部材とを別部材として構成し、溶接部３０を減少または省略することにより、ハフニウム板１０を強く拘束せず、シース７内に水が流入し易く腐食等を防止することができ、ハフニウム板１０の照射伸び等に対する移動余裕を確保するとともに、シース７の健全性向上等を図ることができる。

［第４実施形態（図１０〜図１２）］
図１０は、本発明の第４実施形態の要部を示す拡大図であり、図１１および図１２は図１０のＦ−Ｆ断面図およびＧ−Ｇ断面図である。

これらの図に示すように、本実施形態の構成は第３実施形態と略同様である。したがって、第３実施形態と同一部分には図に同一符号を付し、説明を省略する。

本実施形態が第３実施形態と異なる点は、シース７の両端を折曲することではく、内面にディンプル４１を加えてシース７とハフニウム板１０との間に隙間３６を形成した点にある。このディンプル４１は、例えばシース７の両端付近を内側に押圧変形させた構成である。これにより、各シース７の内面と、このシース７内に挿入されたハフニウム板１０との間には軸方向略全体に亘って隙間３６が形成されている。すなわち、本実施形態もシース７の内面の一部に隙間３６の一部を塞いでシース７とハフニウム板１０とを当接させる凸部が形成された構成となっている。

本実施形態によっても、ハフニウム板１０の軸方向の位置決め用部材と、対向するハフニウム板１０間の隔確保持部材とを別部材として構成し、溶接部を減少または省略することにより、ハフニウム板１０を強く拘束せず、シース７内に水が流入し易く腐食等を防止することができ、ハフニウム板１０の照射伸び等に対する移動余裕を確保するとともに、シース７の健全性向上等を図ることができる。

［第５実施形態（図１３〜図１５）］
図１３は、本発明の第５実施形態を示す全体図である。図１３のＨ−Ｈ線断面図である。図１４は図１３のＨ−Ｈ線断面図、図１５は斜視図である。

本実施形態の制御棒においても第１実施形態と同様に、先端構造材４と末端構造材５とは、中央構造材であるタイロッド６を介して連結され、このタイロッド６にウイング２を形成する複数枚の断面Ｕ字形のシース７を連結した構成となっている。そして、このシース７内にハフニウム板１０が装填されている。

ハフニウム板１０は制御棒軸方向で複数の中性子吸収要素に区分され、その各ハフニウム板１０の中性子吸収特性をその区分における中性子照射量に応じて定めた原子炉用制御棒として構成されている。

タイロッド６とハフニウム板１０とは互いに隣接部位で蟻溝４２とタブ４３とを介して軸方向の移動を拘束する嵌合部により連結されている。そして、タイロッド６とハフニウム板１０とは、蟻溝４２およびタブ４３からなる嵌合部と異なる部位にて断続的に溶接部により接合されている。

このように、タイロッド６には蟻溝４２が形成され、ハフニウム板１０にはあり溝４２に嵌合される突起であるタブ４３が形成されている。これらにより、軸方向の移動を拘束する嵌合部が形成され、これらの嵌合部は各ハフニウム板１０に対して１箇所ずつ配置されている。

本実施形態によっても、ハフニウム板１０の軸方向の位置決め用部材と、対向するハフニウム板１０間の隔確保持部材とを別部材として構成し、溶接部を減少または省略することにより、ハフニウム板１０を強く拘束せず、シース７内に水が流入し易く腐食等を防止することができ、ハフニウム板１０の照射伸び等に対する移動余裕を確保するとともに、シース７の健全性向上等を図ることができる。

［第６実施形態（図１６、図１７）］
図１６は、本発明の第６実施形態を示す全体図である。図１７は図１６のＩ−Ｉ線断面図である。

本実施形態では、第５実施形態と略同様に蟻溝４２およびタブ４３を介してタイロッド６とハフニウム板１０とが連結された構成であり、第５実施形態と同一構成部分には、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第５実施形態と異なる点は、軸方向の移動を拘束する蟻溝４２およびタブ４３からなる嵌合部が各ハフニウム板１０に対して近接した２箇所ずつに配置されている点である。他の構成は第５実施形態と同様である。

本実施形態によっても、ハフニウム板１０の軸方向の位置決め用部材と、対向するハフニウム板１０間の隔確保持部材とを別部材として構成し、溶接部を減少または省略することにより、ハフニウム板１０を強く拘束せず、シース７内に水が流入し易く腐食等を防止することができ、ハフニウム板１０の照射伸び等に対する移動余裕を確保するとともに、シース７の健全性向上等を図ることができる。

本発明の第１実施形態による原子炉用制御棒の全体構成を示す側面図。 図１のＡ−Ａ線断面図。 第１実施形態における変形例を示す図。 第１実施形態における他の変形例を示す図。 図１のＢ−Ｂ線断面図。 本発明の第２実施形態を示す全体図。 本発明の第３実施形態の要部を示す拡大図。 図７のＤ−Ｄ線断面図。 図７のＥ−Ｅ線断面図。 本発明の第４実施形態の要部を示す拡大図。 図１０のＦ−Ｆ線断面図。 図１０のＧ−Ｇ線断面図。 本発明の第５実施形態を示す全体図。 図１３のＨ−Ｈ線断面図。 図１４の斜視図。 本発明の第６実施形態を示す全体図。 図１６のＩ−Ｉ線断面図。 従来のハフニウム制御棒を示す斜視図。 従来のハフニウム制御棒の主要部を示す横断面図。 従来のハフニウム制御棒のコマを示す斜視図。

符号の説明

１ 制御棒
２ ウイング
３ ハンドル
４ 先端構造材
５ 末端構造材
６ タイロッド
７ シース
９ 通水孔
１０ ハフニウム板
１４ スピードリミッタ
２１ 位置決めピン
２２，２３ ねじ部材
２４ 雄部材
２５ 雌部材
２６ スペーサ
２７ 大径部
２８ 隙間
２９ ステー
３０ 溶接部
３２ 固定ピン
３３ 孔
３７ 孔
３８ 孔（長円の孔）
３９ 孔（真円の孔）
４０ 切欠
４１ ディンプル
４２ 蟻溝
４３ タブ

Claims (2)

1. 先端構造材と、末端構造材とを、中央構造材であるタイロッドを介して連結し、このタイロッドにウイングを形成する複数枚の断面Ｕ字形のシースを連結し、このシース内にハフニウムもしくはハフニウム合金からなる中性子吸収体を装填し、この中性子吸収体を制御棒軸方向で複数の中性子吸収要素に区分し、その各中性子吸収要素の中性子吸収特性をその区分における中性子照射量に応じて定めた原子炉用制御棒において、
   前記中性子吸収要素は、前記制御棒軸方向に垂直な方向に対向して配置される２枚の板状部材であり、
   前記中性子吸収体を軸方向に支持する位置決め部材と、前記各シース内で対向する前記中性子吸収要素同士の間隔を保持する間隔保持部材とを互いに異なる構造部または部品として構成し、
   前記位置決め部材は、前記タイロッドに一端が支持され他端が対向する前記各中性子吸収要素同士の間隔に嵌合挿入されたステーであり、
   前記間隔保持部材は、互いに対向する前記中性子吸収要素の対向面に形成された孔に挿入されたピン状部材であることを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 前記各シースの内面と当該シース内に挿入された中性子吸収要素との間には軸方向略全体に亘って隙間が形成されており、
   前記シースの内面の一部または前記中性子吸収要素の外面の一部に前記隙間の一部を塞いで前記シースと前記中性子吸収要素とを当接させる凸部が形成されている請求項１記載の原子炉用制御棒。

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