JP5091069B2 - 制御棒 - Google Patents

Description

本発明は、制御棒に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な制御棒に関する。

複数の制御棒は、沸騰水型原子炉運転停止時に、沸騰水型原子炉の炉心内に全挿入されている。この制御棒は、横断面が十字形をしており、炉心に装荷された４体の燃料集合体の相互間に挿入される。沸騰水型原子炉の起動時において、制御棒は炉心から引抜かれる。定格出力運転時には、原子炉出力を調整するために用いられる複数の制御棒以外の制御棒は全て炉心から全引抜きされている。

沸騰水型原子炉に用いられる制御棒は、軸心に配置されたタイロッドから四方に４枚のブレードが伸びている（特開平９−６１５７６号公報参照）。１つのブレードは、両側端がタイロッドに取り付けられて横断面がＵ字状をしているシース、及びシース内に配置された複数の中性子吸収部材を有する。中性子吸収部材は中性子吸収材であるハフニウムで構成されている。タイロッドの上端にはハンドル部材が取り付けられ、シースの上端がハンドル部材に溶接されている。タイロッドの下端には下部支持部材が取り付けられ、シースの下端が溶接されている。

中性子吸収棒の耐圧性の向上及び中性子吸収材量の増大を図るため、横断面が正方形をした複数の環状部材を水平方向に並べて結合し１つのブレードを形成した制御棒が提案されている（特開平１−２５４８９５号公報参照）。各管状部材内には中性子吸収材が充填されている。この制御棒は、軸心にタイロッドを配置して、複数の管状部材を結合した４つのブレードを、タイロッドから四方に伸びるように、タイロッドに取り付けている。タイロッドの上端にはハンドル部材が取り付けられ、タイロッドの下端には下部支持部材を取り付けている。各管状部材はハンドル部材と下部支持部材の間に配置されている。

沸騰水型原子炉に用いられる制御棒の他の例が、特表２００２−５３３７３６号公報に説明されている。この制御棒は、４枚の各ブレードを、板材及び板材に開けた孔部内に中性子吸収材を充填して構成している。水平方向または上下方向に孔部が形成されている（図２ａ及び図２ｄ参照）。

原子炉の定格出力運転時に炉心から全引抜きされている制御棒は、原子炉の運転を停止させるための制御棒である。この制御棒は、比較的高い中性子価値を有する。その定格出力運転時に原子炉出力を調整するために用いられる制御棒は、炉心内のコントロールセルに挿入されており、炉心の中性子束分布を調整して原子炉出力を制御する。後者の制御棒は、長期間炉心に挿入されているため、長い実用寿命を有する必要がある。

近年、制御棒において照射誘起型応力腐食割れ（Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking：ＩＡＳＣＣ）が原因と考えられる制御棒構造部材の劣化現象が認められている。その一事例は、平成１８年５月３１日付けの経済産業省原子力安全・保安院の報告書である「沸騰水型原子力発電所のハフニウム型制御棒のひび等に関する調査報告書の公表等について」及び別添の「沸騰水型原子力発電所のハフニウム型制御棒のひび等に関する調査報告書（概要）」で公表されている（原子力安全・保安院のホーム頁http://www.nisa.meti.go.jpの「事故・トラブル情報（過去の事故・トラブル情報）」参照）。

特開平９−６１５７６号公報 特開平１−２５４８９５号公報 特表２００２−５３３７３６号公報 原子力安全・保安院のホーム頁（http://www.nisa.meti.go.jp）の「事故・トラブル情報（過去の事故・トラブル情報）」、「沸騰水型原子力発電所のハフニウム型制御棒のひび等に関する調査報告書の公表等について」（平成１８年５月３１日）及び別添の「沸騰水型原子力発電所のハフニウム型制御棒のひび等に関する調査報告書（概要）」 P. Scott et al, "A review of irradiation assisted stress corrosion cracking", Journal of Nuclear Materials 211 (1994), page 101-122

ＩＡＳＣＣは、中性子照射量、付加応力及び環境条件の三要因が重なって発生すると考えられている。一般的に、沸騰水型原子炉に用いられる制御棒では、中性子照射量は、制御棒の軸方向においてタイロッドの下端部から上端部に向かうほど、大きくなる傾向がある。連続的な付加応力の発生要因の一つとして、制御棒製作時の溶接の施工に伴う残留応力の影響が考えられている。さらに、環境条件としては、制御棒の複数の構造部材が炉心内の冷却水中において非常に狭い間隔で対向している構成、すなわち、隙間環境の形成がＩＡＳＣＣに関与する可能性が考えられている。

ＩＡＳＣＣ現象に関する一般的な説明が、P. Scott et al, “A review of irradiation assisted stress corrosion cracking”, Journal of Nuclear Materials 211 (1994), page 101-122になされている。

特表２００２−５３３７３６号公報の図２ａに記載された制御棒は、各ブレードを構成するステンレス鋼の板材に複数の横孔を開けてこれら横孔内に中性子吸収材を充填しているので、冷却水が存在する隙間環境が少なくとも形成されていない。このため、特表２００２−５３３７３６号公報の図２ａに記載された制御棒は、隙間環境が形成されていないことに起因したＩＡＳＣＣの発生確率が著しく低減される。しかしながら、この制御棒では、横孔内に中性子吸収材を充填した後、全ての横孔の開放端を溶接にて塞ぐ必要がある。これは、より長期間に亘って中性子が照射されて中性子照射量が多くなる、中性子吸収材の充填領域の上端部に溶接部が形成されることになる。制御棒に接触する冷却水の溶存酸素濃度が高くなるなど環境が悪化した場合には、中性子吸収材の充填領域の上端部に位置する各横孔の溶接部でＩＡＳＣＣが発生する可能性がある。

特表２００２−５３３７３６号公報の図２ｄに記載された制御棒は、ステンレス鋼の板材に中性子吸収材を充填する複数の縦孔を形成している。これらの縦孔は制御棒の軸方向に長く伸びている。したがって、制御棒の軸方向において、ステンレス鋼の板材に長い縦孔を形成することが困難である。

本発明の目的は、照射誘起型応力腐食割れを防止でき、且つ製造が容易である制御棒を提供することにある。

上記した目的を達成する本発明の特徴は、横断面が十字形をしており、互いに溶接にて結合されて軸方向に並んで配置された複数のセグメントを備え、
最も上方に位置する前記セグメントである第１セグメントが、１枚の金属板から加工された、ハンドル部及び前記軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している複数の中性子吸収材充填部をそれぞれ有する一対のブレードエレメントを十字形に組み合せて構成され、
最も下方に位置する前記セグメントである第２セグメントが、下部支持部及び前記軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している複数の中性子吸収材充填部をそれぞれ有する一対のブレードエレメントを十字形に組み合せて構成され、
前記第１セグメントと前記第２セグメントの間に配置された他の前記セグメントである少なくとも１つの第３セグメントは、前記軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している４つの中性子吸収材充填部を、十字形に組み合せて構成され、
前記セグメント同士の結合が、隣り合う前記セグメントの前記中性子吸収材充填部同士を溶接することによって行われたことにある。

最も上方に位置する第１セグメントが、１枚の金属板から加工された、ハンドル部及び軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している複数の中性子吸収材充填部をそれぞれ有する一対のブレードエレメントを十字形に組み合せて構成されているので、ハンドル部と中性子吸収材充填部を結合する溶接が不要になる。このため、制御棒の照射誘起型応力腐食割れを防止することができる。

制御棒が軸方向に配置した複数のセグメントを含んでいるので、各セグメントに形成された軸方向に伸びる各中性子吸収材充填孔の軸方向における長さを短くすることができる。このため、各中性子吸収材充填孔の加工が容易になり、制御棒の製造を容易に行うことができる。最も上方に位置するセグメントである第１セグメントが１枚の金属板から加工され、第１セグメントの下端部が他のセグメントの上端部と溶接されるので、溶接部が、中性子照射量が多くなる制御棒の上端部に形成されない。したがって、制御棒における照射誘起型応力腐食割れの発生が防止される。

本発明によれば、照射誘起型応力腐食割れを防止でき且つ制御棒の製造を容易に行うことができる。

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である実施例１の制御棒を、図１から図８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制御棒である。

横断面が十字形をしている制御棒１は、４枚のブレード２、ハンドル３、下部支持部材４及び速度リミッター５を備えている。４枚のブレード２は、制御棒１の軸心から四方に向かって伸びている。ハンドル３は４枚のブレード２の上端に設けられ、下部支持部材４は４枚のブレード２の上端に設けられる。この制御棒１は、軸方向に４つのセグメント、すなわち、上端部セグメント６、２つの中央セグメント２７，３７及び下端部セグメント３８を有する。これらのセグメントは、上端から、上端部セグメント６、中央セグメント２７，３７及び下端部セグメント３８の順に配置され、隣同士のセグメントは互いに溶接によって結合されている。各セグメントの具体的な構造を以下に説明する。

上端部セグメント６は、図２に示すように、ブレードエレメント７及び１７を組み合せて構成される。ブレードエレメント７は、図３に示すように、ステンレス鋼製の金属板８を有している。この金属板８には、中性子吸収材充填部９，１１及びハンドル部１３が形成されている。金属板８は、上端部セグメント６の筺体であって、ブレード２の筺体の一部を構成している。中性子吸収材充填部９，１１には、それぞれ、中性子吸収材充填部９，１１の下端から上方に向かって伸びる複数の中性子吸収材充填孔１６が形成されている。ハンドル部１３が、中性子吸収材充填孔１６の上端より上方で中性子吸収材充填部９，１１につながっている。ハンドル部１３及び中性子吸収材充填部９，１１は、溶接にて一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作される。ハンドル部１３には、燃料交換機のフックが挿入される開口部１５が形成されている。開口部１５の上端には溝１４が形成される。中性子吸収材充填部９及び１１の、互いに向かい合っている側面に、突起部１０，１２がそれぞれ形成されている。

金属板８の肉厚はＴであり、中性子吸収材充填部９及び１１の、水平方向における幅はＷである。中性子吸収材充填部９及び１１の側面を基点にした、突起部１０，１２の水平方向の幅は、それぞれＷ１である。突起部１０と突起部１２の間に形成された間隙Ｇの水平方向における幅は、金属板８の肉厚と同じＴである。中性子吸収材充填部９及び１１の、互いに向かい合っている側面の間の水平方向での幅は、間隙Ｇのその幅よりも広い（２Ｗ１＋Ｔ）である。

ブレードエレメント１７も、図４に示すように、ステンレス鋼製の金属板１８を有している。この金属板１８には、中性子吸収材充填部１９，２０及びハンドル部２１が形成されている。金属板１８も、上端部セグメント６の筺体であって、ブレード２の筺体の一部を構成する。中性子吸収材充填部１９，２０には、それぞれ、中性子吸収材充填部１９，２０の下端から上方に向かって伸びる複数の中性子吸収材充填孔１６が形成されている。ハンドル部２１が、中性子吸収材充填孔１６の上端より上方で中性子吸収材充填部１９，２０につながっている。ハンドル部２１及び中性子吸収材充填部１９，２０も、溶接にて一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作される。ハンドル部２１には、燃料交換機のフックが挿入される開口部２３が形成されている。ハンドル部２１の上端部には溝２２が形成される。中性子吸収材充填部１９及び２０は、下端部において連結部２４でつながっている。連結部２４は金属板１８の一部である。

金属板１８の肉厚はＴであり、中性子吸収材充填部１９及び２０の、水平方向における幅はＷである。中性子吸収材充填部１９及び２０の、互いに向かい合っている側面の間の水平方向での幅は、中性子吸収材充填部９及び１１の、互いに向かい合っている側面の間の水平方向での幅と同じく、（２Ｗ１＋Ｔ）である。連結部２４の高さはＬ１であり、ブレードエレメント７に形成される突起部１０，１２の高さも、それぞれＬ１である。

ブレードエレメント１７のハンドル部２１が、ブレードエレメント７に直交した状態で、ブレードエレメント７の下端から、ブレードエレメント７の突起部１０と突起部１２の間に形成された間隙Ｇ内に挿入される。さらに、ハンドル部１３の溝１４にハンドル部２１が嵌め合わされ、ハンドル部２１の溝２２にハンドル部１３が嵌め合される。このとき、ブレ−ドエレメント１７の連結部２４は、突起部１０と突起部１２の間に位置している。ブレードエレメント７とブレードエレメント１７が直交して嵌め合された状態で、突起部１０及び１２が連結部２４に溶接にて結合される（図２参照）。２５が突起部１０と連結部２４の溶接部である。溝１４と溝２２で嵌め合わされているハンドル部１３とハンドル部２１は溶接されない。

中性子吸収材充填部９，１１，１９及び２０のそれぞれに形成された各中性子吸収材充填孔１６内には、中性子吸収材が充填される。

中央セグメント２７，３７は、図５に示すように、ブレードエレメント２８及び３１を組み合せて構成される。ブレードエレメント２８は、図６に示すように、ステンレス鋼製の金属板５６を有している。この金属板５６には、中性子吸収材充填部２９及び突起部３０が形成されている。金属板５６は、中央セグメントの筺体であり、ブレード２の筺体の一部を構成する。中性子吸収材充填部２９には、中性子吸収材充填部２９の下端から上方に向かって伸びる複数の中性子吸収材充填孔１６が形成されている。突起部３０は、金属板５６の一部が突出して形成され、中性子吸収材充填部２９の一側面から突出している。突起部３０の高さはＬ１であり、突起部３０の水平方向の幅はＷ１である。中性子吸収材充填部２９の水平方向における幅はＷであり、中性子吸収材充填部２９の肉厚はＴである。中性子吸収材充填部２９の高さはＬｐである。中性子吸収材充填部２９の下端から中性子吸収材充填孔１６の上端までの高さ、すなわち、中性子吸収材充填孔１６の深さ（軸方向の長さ）はＬｈである。Ｌｐ及びＬｈは、Ｌｐ＞Ｌｈの関係にある。上端部セグメント６の中性子吸収材充填部９，１１，１９及び２０にそれぞれ形成された各中性子吸収材充填孔１６の深さもＬｈである。

ブレードエレメント３１は、図７に示すように、ステンレス鋼製の金属板３２を有している。金属板３２には、中性子吸収材充填部３３，３４及び連結部３５が形成されている。金属板３２も、中央セグメントの筺体であり、ブレード２の筺体の一部を構成する。中性子吸収材充填部３３，３４には、それぞれ、中性子吸収材充填部３３，３４の下端から上方に向かって伸びる複数の中性子吸収材充填孔１６が形成されている。連結部３５が、ブレードエレメント３１の下部において、中性子吸収材充填部３３と中性子吸収材充填部３４をつないでいる。中性子吸収材充填部３３，３４及び連結部３５は、溶接にて一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作される。中性子吸収材充填部３３，３４の肉厚はＴであり、中性子吸収材充填部３３，３４の、水平方向における幅はそれぞれＷである。中性子吸収材充填部３３，３４の高さはＬｐであり、それぞれの中性子吸収材充填孔１６の深さ（軸方向の長さ）はＬｈ（＜Ｌｐ）である。連結部３５の高さはＬ１である。

２つのブレードエレメント２８、及びブレードエレメント３１を以下のように組み合せることによって、中央セグメント２７，３７を得ることができる。２つのブレードエレメント２８が、ブレードエレメント３１と直交するように配置される。一直線上に配置された各ブレードエレメント２８の各突起部３０は、互いに向い合うように配置され、ブレードエレメント３１の連結部３５の水平方向における中央部に面している。この状態で、各ブレードエレメント２８の各突起部３０が、ブレードエレメント３１の連結部３５の側面に溶接される。３６が、突起部３０と連結部３５の溶接部である。中央セグメント２７，３７の各中性子吸収材充填部に形成されたそれぞれの中性子吸収材充填孔１６内に中性子吸収材が充填される。中央セグメント２７，３７において、向かい合っている一対の中性子吸収材充填部２９の側面の間に形成された間隙の水平方向における幅は、（２Ｗ１＋Ｔ）である。また、向かい合っている中性子吸収材充填部３３の側面と中性子吸収材充填部３４の側面の間に形成された間隙の水平方向における幅も、（２Ｗ１＋Ｔ）である。

下端部セグメント３８は、図８に示すように、ブレードエレメント３９及び４５を組み合せて構成されている。ブレードエレメント３９は、ステンレス鋼製の金属板４０を有する。金属板４０には、中性子吸収材充填部４１，４２及び下部支持部４３が形成されている。金属板４０は、下端部セグメント３８の筺体であり、ブレード２の筺体の一部を構成する。中性子吸収材充填部４１，４２には、それぞれ、中性子吸収材充填部４１，４２の上端から下方に向かって伸びる複数の中性子吸収材充填孔１６が形成されている。連結部４４を有する下部支持部４３が中性子吸収材充填部４１と中性子吸収材充填部４２をつないでいる。中性子吸収材充填部４１，４２及び下部支持部４３は、溶接にて一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作される。図示されていないが、連結部４４の上部には、溝２２のような上端が開放されている溝が形成されている。

ブレードエレメント４５は、ステンレス鋼製の金属板４６を有する。金属板４６には、中性子吸収材充填部４７，４８及び下部支持部４９が形成されている。金属板４６も、下端部セグメント３８の筺体であり、ブレード２の筺体の一部を構成する。中性子吸収材充填部４７，４８には、それぞれ、中性子吸収材充填部４７，４８の上端から下方に向かって伸びる複数の中性子吸収材充填孔１６が形成されている。連結部５０を有する下部支持部４９が中性子吸収材充填部４７と中性子吸収材充填部４８をつないでいる。中性子吸収材充填部４７，４８及び下部支持部４９は、溶接にて一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作される。図示されていないが、連結部５０の下部には、溝１４のような下端が開放されている溝が形成されている。

金属板３９，４６の肉厚はＴであり、中性子吸収材充填部４１，４２，４７及び４８のそれぞれの水平方向における幅はＷである。連結部４４，５０の高さはＬ１である。各中性子吸収材充填部に形成された中性子吸収材充填孔１６の深さはＬｈである。向かい合っている中性子吸収材充填部４１の側面と中性子吸収材充填部４２の側面の間に形成された間隙の水平方向における幅、及び向かい合っている中性子吸収材充填部４７の側面と中性子吸収材充填部４８の側面の間に形成される間隙の水平方向における幅は、いずれも（２Ｗ１＋Ｔ）である。

ブレードエレメント３９の下部支持部４３が、ブレードエレメント４５に直交した状態で、ブレードエレメント４５の下部支持部４９に嵌め合わされる。すなわち、連結部４４の、上向きの溝が形成された部分と連結部５０の、下向きの溝が形成された部分がお互いに嵌め合わされる。図８はこの状態を示している。直交している連結部４４と連結部５０が溶接によって結合される。５１がこの溶接部である。

中性子吸収材充填部４１，４２，４７及び４８のそれぞれに形成された各中性子吸収材充填孔１６内には、中性子吸収材が充填される。

各セグメントに形成された中性子吸収材充填孔１６の内径は、中性子吸収材が中性子を吸収することによって生じるヘリウムの蓄積に起因した中性子吸収材充填孔１６の内圧増大に耐えられる肉厚が、中性子吸収材充填孔１６と筺体である金属板の外面との間、及び隣接する中性子吸収材充填孔１６の間に、それぞれ、形成されるように、決定される。

次に、各セグメントの結合方法を、図９及び図１０を用いて説明する。ここでは、上端部セグメント６及び中央セグメント２７を例に挙げ、上端部セグメント６の中性子吸収材充填部９と中央セグメント２７の中性子吸収材充填部２９の結合について説明する。

上端部セグメント６は、中性子吸収材充填部９の下端、すなわち、中性子吸収材充填孔１６の開放端が上向きになるように支持台（図示せず）の上に置かれる。中性子吸収材５２が開放端から各中性子吸収材充填孔１６内に充填される（図９（Ａ）参照）。中性子吸収材５２の充填は、中性子吸収材充填部９に形成された各中性子吸収材充填孔１６だけでなく、中性子吸収材充填部１１，１９及び２０に形成された全ての中性子吸収材充填孔１６に対して行われる。上端部セグメント６において、全ての中性子吸収材充填孔１６内への中性子吸収材５２の充填が終了した後、端栓５３が中性子吸収材充填孔１６に挿入される。端栓５３の先端部は、中性子吸収材充填孔１６内への挿入性を高めるために直径が細くなっている。

中性子吸収材充填部９の全ての中性子吸収材充填孔１６に対して端栓５３が挿入される（図９（Ｂ）参照）。その後、全ての端栓５３は一個ずつ全周が金属板８に溶け込むように金属板８に溶接される（図９（Ｃ）参照）。個々の端栓５３が全周を金属板８に溶接されるので、隣り合う中性子吸収材充填孔１６が互いに連通することを防止できる。５４は端栓５３と金属板８の溶接部である。各中性子吸収材充填孔１６の一次封止部がこれらの溶接部５４によって形成される。金属板８に溶接された各端栓５３及び端栓５３の溶接部５４の上端部に対して機械加工が施され、各端栓５３及び各溶接部５４の上端部が研削される。この機械加工によって、中性子吸収材充填部９に溶接開先部５５が形成される（図９（Ｄ）参照）。以上に述べた作業は、上端部セグメント６の他の中性子吸収材充填部、すなわち、中性子吸収材充填部１１，１９及び２０に対しても行われる。

さらに、図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）及び図９（Ｄ）に示す各作業は、中央セグメント２７，３７及び下端部セグメント３８の各中性子吸収材充填部に対しても実施される。

図９に示す前作業が終了した後、上端部セグメント６と中央セグメント２７の結合を、図１０を用いて説明する。中央セグメント２７の、溶接開先部５５が形成された端部とは反対側に位置する端部に、溶接開先部５７を形成する。上端部セグメント６の中性子吸収材充填部９に形成された溶接開先部５５と中央セグメント２７の中性子吸収材充填部２９に形成された溶接開先部５７が向かい合うように、上端部セグメント６及び中央セグメント２７を配置する（図１０（Ａ）参照）。このとき、上端部セグメント６の他の３つの中性子吸収材充填部に形成された各溶接開先部５５も、中央セグメント２７の他の３つの中性子吸収材充填部に形成された各溶接開先部５７に向き合っている。中性子吸収材充填部９の溶接開先部５５と中性子吸収材充填部２９の溶接開先部５７を接触させる（図１０（Ｂ）参照）。他の中性子吸収材充填部９の溶接開先部５５も他の中性子吸収材充填部２９の溶接開先部５７と接触する。その後、中性子吸収材充填部９の溶接開先部５５及び中性子吸収材充填部２９の溶接開先部５７において、溶接が行われる。この結果、中性子吸収材充填部９と中性子吸収材充填部２９が結合される（図１０（Ｃ）参照）。溶接開先部５５と溶接開先部５７の溶接部は、各中性子吸収材充填孔１６に対する二次封止部となる。溶接開先部５５と溶接開先部５７の溶接部の表面は、上端部セグメント６及び中央セグメント２７のそれぞれの金属板の表面よりも低くなっている。このため、制御棒１の引き抜き等の操作を行う場合、その溶接部が炉心に装荷された燃料集合体のチャンネルボックスに、直接、接触することを防止することができる。

中性子吸収材充填部１１及び他の中性子吸収材充填部２８、中性子吸収材充填部１９及び中性子吸収材充填部３３、及び中性子吸収材充填部２０及び中性子吸収材充填部３４のそれぞれにおいて、溶接開先部５５と溶接開先部５７が溶接される。これらの溶接が終了したとき、上端部セグメント６及び中央セグメント２７は一体化される。

図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）の各作業は、中央セグメント２７と中央セグメント３７、及び中央セグメント３７と下端部セグメント３８に対して、順次、実行される。ただし、中央セグメント３７と下端部セグメント３８の結合は、中央セグメント３７の下端に形成された溶接開先部５５と、下端部セグメント３８の上端に形成された溶接開先部５５とを溶接することによって行われる。

全てのセグメント間において、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）の各作業が終了したとき、本実施例の制御棒１が完成する。制御棒１において、ハンドル３はハンドル部１３及び２１を含んでおり、下部支持部材４は下部支持部４３及び４９を含んでいる。１つのブレード２は、中性子吸収材充填部９，２９及び４１を含んでいる。他のブレード２は、中性子吸収材充填部１１，２９及び４２を含んでいる。さらに他のブレード２は、中性子吸収材充填部１９，３３及び４７を含んでいる。残りのブレード２は、中性子吸収材充填部２０，３４及び４８を含んでいる。速度リミッター５は下部支持部４３及び４９の下端に取り付けられる。

図１１は、制御棒１のブレード２の縦断面を示している。上端部セグメント６の中性子吸収材充填部９，１１，１９及び２０では、全ての中性子吸収材充填孔１６内に中性子吸収材５２であるハフニウム５２Ａが充填されている。中央セグメント２７の中性子吸収材充填部２８，３３及び３４，中央セグメント３６の中性子吸収材充填部２８，３３及び３４及び下端部セグメント３７の中性子吸収材充填部４１，４２，４７及び４８では、最も外側に位置している中性子吸収材充填孔１６にも、ハフニウム５２Ａが充填されている。また、中央セグメント２７の中性子吸収材充填部２８，３３及び３４，中央セグメント３６の中性子吸収材充填部２８，３３及び３４及び下端部セグメント３７の中性子吸収材充填部４１，４２，４７及び４８では、残りの中性子吸収材充填孔１６内に中性子吸収材５２である炭化ホウ素５２Ｂの粉末（またはペレット）が充填されている。

沸騰水型原子炉では、炉心の中性子束分布を調整して原子炉出力を制御する原子炉出力調整用の制御棒は、原子炉の運転期間中に、長期において炉心に挿入されている。特に、この制御棒では、制御棒１の上端部が長期間に亘って炉心内に挿入されている。沸騰水型原子炉に用いられる原子炉出力調整用の制御棒が原子炉の運転期間中に受ける高速中性子の照射量は、図１２に示すように、軸方向における制御棒の中性子吸収材有効長の下端からその有効長の上端に向かうほど、増大する。特に、中性子吸収材有効長の上端部では、高速中性子の照射量が最も大きくなる。このため、制御棒の上端部に至るほど、制御棒の構造材の劣化のポテンシャルが高くなる。中性子吸収材有効長は、制御棒において中性子吸収材が充填された領域の軸方向の長さを意味している。本実施例の制御棒１における中性子吸収材有効長はＬａである（図１参照）。制御棒１の中性子吸収材有効長Ｌａは、下端部セグメント３８に形成された中性子吸収材充填孔１６の下端から上端部セグメント６に形成された中性子吸収材充填孔１６の上端までの、制御棒１の軸方向における長さであり、実質的には、各セグメントに形成された中性子吸収材充填孔１６の軸方向の長さＬｈの４倍になっている。

制御棒１は、ハンドル部１３及び中性子吸収材充填部９，１１が、溶接で一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作され、ハンドル部２１及び中性子吸収材充填部１９，２０も、溶接で一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作されているので、ハンドル２と中性子吸収材充填部９，１１，１９及び２０の間に溶接部が存在していない。中性子吸収材充填部９，１１，１９及び２０においても、下端部を除いて、溶接部が形成されていない。さらに、制御棒１では、特開平９−６１５７６号公報に記載された制御棒において形成されている、冷却水が存在する隙間環境が、存在しない。特開平９−６１５７６号公報に記載された制御棒では、その隙間環境がシースと中性子吸収部材との間に形成されている。

このように、従来の制御棒のようにシースが設けられていなくて隙間環境が形成されておらず、さらに、ハンドル２と上端部セグメント６の各中性子吸収材充填部の溶接部が存在しない制御棒１は、ＩＡＳＣＣの発生を防止することができる。高速中性子の照射量が最も高くなるハンドル部１３の上端部とハンドル部２１の上端部は、溝１４及び溝２２の部分で前述したように嵌め合い構造となっており、互いに溶接されていないので、その部分でのＩＡＳＣＣの発生確率は実質的に０である。本実施例は、特表２００２−５３３７３６号公報の図２ａに記載された制御棒のように、中性子吸収材を充填した横孔を塞ぐ溶接部を、中性子照射量が多い、中性子吸収材の充填領域の上端部に形成していないので、ＩＡＳＣＣの発生を防止することができる。

沸騰水型原子炉のスクラム時において、制御棒１は炉心内に緊急挿入される。スクラムが終了したときに、制御棒１が受ける軸荷重を図１３に示す。図１３は、制御棒１が受けるその軸荷重を制御棒１の中性子吸収材有効長に対応して示している。スクラム終了時における制御棒１が受ける軸荷重は、中性子吸収材有効長の上端からその下端に向うほど、大きくなっている。

一般的に、構造強度を確保する上で、溶接部は、欠陥ポテンシャルを考慮し、溶接部以外の部分の強度部材よりも安全係数を大きくして設計されている。このため、制御棒においては、スクラム時における軸荷重が大きくなる中性子吸収材有効長の下端付近に溶接部を形成しないことが望ましい。

本実施例の制御棒１では、中性子吸収材充填部４１，４２及び下部支持部４３が、溶接で一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作され、さらに、中性子吸収材充填部４７，４８及び下部支持部４９が、溶接で一体化された構造ではなく、１枚の金属板を機械加工することによって製作されている。このため、制御棒１は、下部支持部材４と中性子吸収材充填部４１，４２，４７及び４８を結合する溶接部が存在しないので、スクラム終了時に受ける軸荷重に対して余裕のある強度を確保することができる。

本実施例は、前述したように、それぞれの中性子吸収材充填孔１６に挿入した各端栓５３の全周を各セグメントの金属板に溶接して一次封止部を形成し、隣接するセグメントの向かい合った端部同士の溶接により、一次封止部を被う二次封止部を形成している。このため、制御棒１における各中性子吸収材充填孔１６の密封性は、より強固になる。

本実施例では、４つのセグメント、すなわち、上端部セグメント６、２つの中央セグメント２７，３６及び下端部セグメント３７を結合して制御棒１を構成している。このため、それらのセグメントに形成される中性子吸収材充填孔１６の軸方向の長さを短くすることができるので、各中性子吸収材充填孔１６の加工を容易に行うことができる。各中性子吸収材充填孔１６の加工に要する時間も短くなる。したがって、制御棒１の製造が容易になり、その製造に要する時間も短縮される。

本実施例の制御棒１は、前述したように、軸方向に並べて配置した４つのセグメントを結合して構成しているので、軸方向の高速中性子の照射量に基づいて適切な中性子吸収材５２を軸方向に配置することができる。具体的には、高速中性子の照射量が多い上部セグメント６では、核燃料物質（例えば、ウラン２３５）の核分裂に寄与する熱中性子の照射量も多くなる。したがって、上部セグメント６に形成された各中性子吸収材充填孔１６には、中性子吸収反応の持続期間が長いハフニウム５２Ａを充填する。中央セグメント２７，３７及び下端部セグメント３８では、最も外側に位置している中性子吸収材充填孔１６を除いた他の全ての中性子吸収材充填孔１６に中性子吸収断面積がハフニウムよりも大きな炭化ホウ素５２Ｂを充填する。４つのセグメントを結合して構成された制御棒１では、上記のように、中性子の照射量に合せて、特性の異なる中性子吸収材を軸方向に配置することができる。

本実施例では、制御棒の軸方向に４つのセグメントを配置しているが、中央セグメントを１つにして３つのセグメントで制御棒を構成することも可能である。さらに、中央セグメントを３つ以上設けることも可能である。

本実施例の制御棒１では、２つ（または３つの）ブレードエレメントを溶接して各セグメントを構成した後、セグメント同士を溶接している。しかしながら、軸方向に配置されて隣接するセグメントの中性子吸収材充填部同士を先に溶接し、全てのセグメントの中性子吸収材充填部同士の溶接が終了した後、各セグメントにおいて２つ（または３つの）ブレードエレメント同士を溶接して、制御棒１を製造しても良い。このような手順で溶接を行うことによって、制御棒１の各ブレードにおける熱ひずみの発生を軽減することができる。

制御棒１のハンドル３の他の構造例を、図１４及び図１５を用いて説明する。制御棒１のハンドル３は、ハンドル部１３の上端部とハンドル部２１の上端部を、前述したように、溝１４及び溝２２の部分で互いに嵌め合わせる構造をとっている。このため、この嵌め合い構造の部分で、ハンドル部１３とハンドル部２１の間に極めて狭い隙間が長い範囲に亘って形成されている。この隙間には炉心内の冷却水が侵入する。

制御棒１のハンドル部１３を図１４（Ａ）に示すハンドル部１３Ａに替え、ハンドル部２１を図１４（Ｂ）に示すハンドル部２１Ａに替える。ハンドル部１３Ａに形成された溝１４Ａは、両側面にそれぞれ曲面で形成されたへこみ部６０及び突起部６１を形成している。へこみ部６０は突起部６１の上方に位置する。へこみ部６０の上端から突起部６１の下端に掛けて、Ｓ字状の側面が形成される。向かい合った突起部６１間に形成される、最も狭くなる部分での溝１３Ａの幅Ｗ３はハンドル部２１Ａの肉厚であるＴになっている。溝１４Ａの底面、すなわち、溝１４Ａにおけるハンドル部１３Ａの下面は、図１５に示すように、下方に膨らむ曲面６２を形成している。

ハンドル部２１Ａに形成された溝２２Ａは、両側面にそれぞれ曲面で形成されたへこみ部６３及び突起部６４を形成している。へこみ部６３は突起部６４の下方に位置する。へこみ部６３の下端から突起部６４の上端に掛けて、Ｓ字状の側面が形成される。向かい合った突起部６４間に形成される、最も狭くなる部分での溝２２Ａの幅Ｗ４はハンドル部１３Ａの肉厚であるＴになっている。溝２２Ａの底面、すなわち、溝２２Ａにおけるハンドル部２１Ａの上面は、図１５に示す形状とは逆に、上方に膨らむ曲面を形成している。

ブレードエレメント７とブレードエレメント１７を組み合せて上端部セグメント６を構成するとき、溝１４Ａ内にハンドル部２１Ａが嵌め合わされ、溝２２Ａ内にハンドル部１３Ａが嵌め合わされる。このとき、ハンドル部１３Ａとハンドル部２１Ａの接触箇所、ハンドル部１３Ａと突起部６４の接触箇所及びハンドル部２１Ａと突起部６１の接触箇所は、それぞれ、線接触になる。したがって、制御棒１で形成されたハンドル部１３とハンドル部２１の間の隙間構造が解消できる。この隙間構造の解消により、本実施例はＩＡＳＣＣの発生確率を著しく低減することができる。

本発明の他の実施例である実施例２の制御棒を、図１６を用いて説明する。本実施例の制御棒１Ａも沸騰水型原子炉に用いられる制御棒である。制御棒１Ａも横断面が十字形をしている。

図１６には図示されていないが、本実施例の制御棒１Ａも、実施例１の制御棒１と同様に、４枚のブレード２、ハンドル３、下部支持部材４及び速度リミッター５を備えており、４枚のブレード２は制御棒１Ａの軸心から四方に向かって伸びている。制御棒１Ａも、制御棒１と同様に、上端部セグメント６、中央セグメント２７，３７及び下端部セグメント３８を接合して構成される。制御棒１では、上端部セグメント６の中性子吸収材充填部９，１１，１９及び２０の各下端、中央セグメント２７の中性子吸収材充填部２９，３３及び３４の各上端及び各下端、中央セグメント３７の中性子吸収材充填部２９，３３及び３４の各上端及び各下端、及び下端部セグメント３８の中性子吸収材充填部４１，４２，４７及び４８の各上端は、軸方向において同じ位置に存在する。

これに対して、制御棒１Ａでは、上端部セグメント６の中性子吸収材充填部９，１１，１９及び２０の各下端は、軸方向において異なる位置に存在する。中央セグメント２７の中性子吸収材充填部２９，３３及び３４の各上端は、中性子吸収材充填部９，１１，１９及び２０の各下端の位置に合せて、軸方向の異なる位置に存在する。中央セグメント２７の中性子吸収材充填部２９，３３及び３４の各下端も、軸方向において異なる位置に存在する。中央セグメント３７の中性子吸収材充填部２９，３３及び３４の各上端は、中央セグメント２７の中性子吸収材充填部２９，３３及び３４の各下端の位置に合せて、軸方向で異なる位置に存在する。中央セグメント３７の中性子吸収材充填部２９，３３及び３４の各下端も、軸方向において異なる位置に存在する。下端部セグメント３８の中性子吸収材充填部４１，４２，４７及び４８の各上端は、中央セグメント３７の中性子吸収材充填部２９，３３及び３４の各下端の位置に合せて、軸方向で異なる位置に存在する。図１６は、制御棒１Ａの上端部セグメントの１つのブレードエレメントであるブレードエレメント１７を示している。中性子吸収材充填部１９の下端は、中性子吸収材充填部２０の下端よりもＬｄだけ下方に位置している。

制御棒１Ａは、上端部セグメント６、中央セグメント２７，３７及び下端部セグメント３８のそれぞれの境界の位置が制御棒１と異なっている以外は、制御棒１と同じ構成を有する。

本実施例は、実施例１で生じる各効果を得ることができる。本実施例は、各セグメントにそれぞれ含まれている各中性子吸収材充填部の下端（または上端）の位置が異なっているので、制御棒１Ａが炉心に挿入されているとき、４枚のブレードに形成された、隣り合うセグメント同士の境界の位置が、炉心の軸方向において異なった位置に存在する。このため、炉心に挿入されている制御棒１Ａの挿入された高さの範囲内で、炉心の軸方向のどの位置においても、この制御棒１Ａに含まれる中性子吸収材５２が必ず存在する。この制御棒１Ａは、その挿入高さの範囲内で、ほぼ一様に中性子を吸収することができる。

本発明の好適な一実施例である、沸騰水型原子炉に適用される実施例１の制御棒の斜視図である。 図１に示す上端部セグメントの斜視図である。 上端部セグメントを構成する一つのブレードエレメントの斜視図である。 上端部セグメントを構成する他のブレードエレメントの斜視図である。 図１に示す中央セグメントの斜視図である。 中央セグメントを構成する一つのブレードエレメントの斜視図である。 中央セグメントを構成する他のブレードエレメントの斜視図である。 下端部セグメントを構成する一つのブレードエレメントの斜視図である。 上端部セグメントの一つの中性子吸収材充填部に形成された各中性子吸収材充填孔を密封する作業工程を示す説明図であり、（Ａ）は各中性子吸収材充填孔に中性子吸収材を充填した状態を示す説明図、（Ｂ）は各中性子吸収材充填孔に端栓を挿入した状態を示す説明図で、（Ｃ）は各端栓を溶接した状態を示す説明図、及び（Ｄ）は各端栓の端面に溶接開先部を形成した状態を示す説明図である。 上端部セグメントの一つの中性子吸収材充填部と中央セグメントの一つの中性子吸収材充填部を溶接により結合する作業工程を示す説明図であり、（Ａ）は上端部セグメントの中性子吸収材充填部と中央セグメントの中性子吸収材充填部を対向させて配置した状態を示す説明図、（Ｂ）は上端部セグメントの中性子吸収材充填部と中央セグメントの中性子吸収材充填部を接触させた状態を示す説明図、及び（Ｃ）は上端部セグメントの中性子吸収材充填部と中央セグメントの中性子吸収材充填部を溶接により結合した状態を示す説明図である。 溶接によって結合された４つのセグメントを含む、制御棒の１つのブレードの縦断面図である。 制御棒の中性子吸収材有効長と高速中性子の照射量の関係を示す特性図である。 制御棒の中性子吸収材有効長とスクラム終了時における軸荷重の関係を示す特性図である。 図１に示すハンドルの他の構成例を示す斜視図であり、（Ａ）は図３に示すハンドル部の他の構成例を示す斜視図、及び（Ｂ）は図４に示すハンドル部の他の構成例を示す斜視図である。 図１４（Ａ）のＸ−Ｘ断面図である。 本発明の他の実施例である、沸騰水型原子炉に適用される実施例２の制御棒の上部の構成図である。

符号の説明

１，１Ａ…制御棒、２…ブレード、３…ハンドル、４…下部支持部材、６…上端部セグメント、７，１７，２８，３１，３９，４５…ブレードエレメント、８，１８，３２，４０，４６，５６…金属板、９，１１，１９，２０，２９，３３，３４，４１，４２，４７，４８…中性子吸収材充填部、１０，１２，３０…突起部、１３，２１…ハンドル部、１６…中性子吸収材充填孔、２４，３５，４４，５０…連結部、２５，２６，３６，５１，５４…溶接部、２７，３７…中央セグメント、３８…下端部セグメント、５２…中性子吸収材、５２Ａ…ハフニウム、５２Ｂ…炭化ホウ素、５３…端栓。

Claims (5)

1. 横断面が十字形をしており、互いに溶接にて結合されて軸方向に並んで配置された複数のセグメントを備え、
   最も上方に位置する前記セグメントである第１セグメントが、１枚の金属板から加工された、ハンドル部及び前記軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している複数の中性子吸収材充填部をそれぞれ有する一対のブレードエレメントを十字形に組み合せて構成され、
   最も下方に位置する前記セグメントである第２セグメントが、下部支持部及び前記軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している複数の中性子吸収材充填部をそれぞれ有する一対のブレードエレメントを十字形に組み合せて構成され、
   前記第１セグメントと前記第２セグメントの間に配置された他の前記セグメントである少なくとも１つの第３セグメントは、前記軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している４つの中性子吸収材充填部を、十字形に組み合せて構成され、
   前記セグメント同士の結合が、隣り合う前記セグメントの前記中性子吸収材充填部同士を溶接することによって行われたことを特徴とする制御棒。
2. 前記第２セグメントは、１枚の金属板から加工された、前記下部支持部及び前記複数の中性子吸収材充填部をそれぞれ有する前記一対のブレードエレメントを含んでいる請求項１に記載の制御棒。
3. 前記セグメントに形成された各々の前記中性子吸収材充填孔の、前記中性子吸収材の充填時に開放されている端部にそれぞれ挿入した各端栓の全周を、前記セグメントの筐体に溶接することによって、前記セグメントに第１封止部を形成している請求項１または２に記載の制御棒。
4. 前記セグメント同士の結合が、溶接によって前記第１封止部を被う第２封止部を形成することによって行われた請求項３に記載の制御棒。
5. 前記第１セグメントに形成されたそれぞれの前記中性子吸収材充填孔内に充填された前記中性子吸収材がハフニウムであり、前記第２及び第３セグメントに形成された複数の中性子吸収材充填孔のうち、少なくとも、前記第２及び第３セグメントの外側端部に位置する前記中性子吸収材充填孔を除いた複数の前記中性子吸収材充填孔に、異なる前記中性子吸収材である炭化ホウ素を充填している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の制御棒。

Images