JP5184106B2 - 原子炉用制御棒の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、加圧水型原子炉等で燃料の燃焼（核分裂の進行）を制御するために使用される原子炉用制御棒の製造方法および原子炉用制御棒に関する。

制御棒は、クラスタ状に束ねられて上部支持構造物の中を通って燃料集合体の上方から吊り下げられている。通常は、原子炉の定格（１００％）運転時には先端部（燃料集合体内へ挿入する際の先端、使用時は下側となる）を残して燃料集合体の上部に引き上げられた状態とされ、停止時には燃料集合体の制御棒案内管内に完全に挿入された状態とされる。

そして、燃料集合体の上部に引き上げられた状態では、先端部を除く制御棒の大部分は、燃料集合体の上部に位置する制御棒クラスタ案内管内に挿入された状態とされる。
しかしながら、この領域は、燃料集合体内を上向きに流れてきた冷却水が原子炉出口ノズルに流れ込む場所であるため、冷却水の流れの強さや方向が不規則かつ激しく変化しており、このため制御棒やその周囲にある制御棒クラスタ案内管等の部材も不規則かつ激しく振動している。

この結果、制御棒クラスタ案内管内に挿入された部分の制御棒は、そのままでは周囲の部材と相互に激しく擦れ合って、制御棒の被覆管が損傷するおそれがあるので、制御棒の被覆管の外周面には、クロムメッキ等の耐摩耗材によるコーティングが施されていた。

ところが、近年になってメッキする必要がないと思われていた制御棒の先端部にも燃料の案内管との摩擦が原因と見られる摩耗が認められるようになった。

これに対して、制御棒の先端部の一定部分にメッキ等の耐摩耗性のコーティングを施すことが提案されている（特許文献１）。
しかしながら、特許文献１に示された技術では、コーティングの範囲は、下部端栓の溶接部近傍を除いた範囲に限られていた。これは、溶接部近傍にもメッキを行うと、溶接部分にまでメッキが施され、溶接に際して溶接部にコーティング材が混入して、溶接性が悪化するという問題があったためである。

また、制御棒の被覆管にメッキを施す場合、被覆管の上端は、メッキ液の液面の上で、チャック等のつかみ治具で把持された状態にあるため、上端部にはメッキが施されない領域が残され、また、メッキ液の液面付近では、メッキ中の電気分解により気泡が発生して液面が波打つため、メッキの不安定な領域が形成されることを避けることができなかった（以下、メッキが施されない領域およびメッキの不安定な領域を総称して、「非メッキ領域」と言う）。そして、このような非メッキ領域は、耐摩耗性の弱点となる。

そこで、この問題を解決するために、所望長さよりも長い被覆管を用意し、その外周面をメッキした後に、所望長さに切断する方法が提案されている（特許文献２）。
特許文献２の方法によれば、被覆管の一部に非メッキ領域が形成されても、非メッキ領域は所望の長さの被覆管となる箇所から外れているため、非メッキ領域を切り離すことにより、非メッキ領域のない所望長さの被覆管を取得することができる。
しかしながら、切断する際の衝撃によっては、被覆管の管端となる切断部のメッキ層が剥離するというおそれがあり、また被覆管を不要に長く製造する必要があり、材料が無駄になることや製造上の問題があった。
特開平１１−１５３６８５号公報 特開２００１−６６３９１号公報

そこで、本発明は、被覆管あるいは端栓の全外周面に均一なメッキ層を確実に形成させると共に、被覆管と端栓とを溶接して原子炉用制御棒を製造する場合に溶接性が悪化することがなく、耐摩耗性に優れた原子炉用制御棒を得ることができる原子炉用制御棒の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、被覆管や端栓の外周面に、メッキによるコーティングを施す際に、特定のメッキ用治具を用いることにより、上記課題が解決できることを見出し、発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、その請求項１において、
原子炉用制御棒の被覆管とほぼ同じ外径を有する被覆管メッキ用治具、および、原子炉用制御棒の端栓とほぼ同じ外径を有する端栓メッキ用治具を、それぞれ、前記被覆管の開口部の端面、および、前記端栓の被覆管との接合面に密着させて一体化させる一体化工程と、
前記被覆管メッキ用治具と一体化された被覆管を、前記被覆管メッキ用治具を上側にして、前記被覆管メッキ用治具と前記被覆管との密着部が、メッキ液液面より下になるようにメッキ液に浸漬してメッキ層を形成させ、前記端栓メッキ用治具と一体化された端栓を、前記メッキ液に浸漬してメッキ層を形成させるメッキ工程と、
外周面にメッキ層が形成された前記被覆管、および、前記端栓を、前記各メッキ用治具と分離させる分離工程と、
前記分離工程で得られた被覆管と端栓とを突き合わせて溶接する溶接工程と
を有していることを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法を提供する。

本請求項の発明においては、被覆管とほぼ同じ外径を有する被覆管メッキ用治具を被覆管の開口端部の端面に密着させて被覆管と一体化させる、および端栓とほぼ同じ外径を有する端栓メッキ用治具を端栓の被覆管接合面に密着させて端栓と一体化させ、被覆管メッキ用治具と一体化された被覆管を、被覆管メッキ用治具を上側にして、被覆管メッキ用治具と被覆管との密着部が、メッキ液液面より下になるようにメッキ液に浸漬して、外周面にメッキ層を形成させ、また、端栓メッキ用治具と一体化された端栓を、メッキ液に浸漬して外周面にメッキ層を形成させるため、被覆管および端栓の全外周面をメッキ液中に浸漬させることができ、被覆管あるいは端栓の全外周面に均一なメッキ層を確実に形成することができる。

しかも、被覆管と端栓とを溶接するときの接合面となる被覆管の開口端部の端面と端栓の被覆管との接合面とは、被覆管メッキ用治具あるいは端栓メッキ用治具によりマスキングされて、メッキ層が形成されるのを防いでいる。このように、被覆管の開口端部の端面と端栓の被覆管との接合面にメッキ層が形成されていないため、分離された被覆管と端栓とを突き合わせて溶接して原子炉用制御棒を製造する工程において、溶接性が悪化することがなく、また溶接部のわずかな領域を除いて、実質的に全外周面にメッキが施された原子炉用制御棒を製造することが可能であるため、溶接部分も含めて耐摩耗性に優れた原子炉用制御棒を提供することができる。

また、特許文献２のように被覆管を切断する必要がないので、材料の無駄を防止でき、製造コストが安価になる。
なお、ここで、各メッキ用治具の外径が、それぞれ、被覆管あるいは端栓の外径とほぼ等しいとは、被覆管あるいは端栓の外径の±１０％程度の公差でほぼ等しいことを意味している。

メッキ用治具としては、後述する実施形態に示すように、被覆管の外径とほぼ等しい外径を有する本体部および被覆管の内径とほぼ等しい外径を有する挿入部から成るものを例示することができるが、上述のようにメッキ時に被覆管あるいは端栓と一体化して被覆管あるいは端栓を保持し、被覆管あるいは端栓の全外周面にメッキ層を形成することができるものであれば、その構成は特に限定されるものではない。

なお、外周面にメッキ層が形成された被覆管あるいは端栓を、各メッキ用治具と分離する方法としては、通常の金属部材切断用カッター等を用いる方法をあげることができる。
なお、分離する際に微小なメッキ層の剥離が生じる恐れがあるため、図２、図３に示すように、各メッキ用治具の被覆管または端栓と接する箇所に、予め面取りを施しておくことが好ましい。面取りを施すことにより、各メッキ用治具と被覆管または端栓とが接する箇所ではメッキ厚が薄くなるため、わずかな力を加えただけで容易にメッキ用治具と分離することができる。

請求項２に記載の発明は、
前記被覆管メッキ用治具と前記被覆管、あるいは、前記端栓メッキ用治具と前記端栓が、同一材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒の製造方法である。

本請求項の発明においては、被覆管メッキ用治具と被覆管、あるいは、端栓メッキ用治具と端栓が、同一材料で形成されているため、各メッキ用治具と被覆管または端栓とが接する箇所でメッキ面に乱れを生じることがなく、均一なメッキ層を形成させることができる。

請求項３に記載の発明は、
前記被覆管および前記端栓の材料が、オーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子炉用制御棒の製造方法である。

本請求項の発明は、被覆管および端栓の材料を、オーステナイト系ステンレス鋼としたため、原子炉用制御棒の耐摩耗性のコーティング材として一般的に好ましく適用されるクロムメッキによるコーティングを行った場合、被覆管と端栓とを、溶接性を悪化させることなく溶接することができる。即ち、被覆管および端栓の材料自体に、予め、クロムが含有されているため、各々メッキコーティングされた被覆管と端栓とを溶接して制御棒とする際に、クロムメッキからのクロムが、溶接ビード部に混入しても、その悪影響を少なくすることができ、溶接性を悪化させることがない。

請求項４に記載の発明は、
前記メッキ層の厚みが、７．５〜１５μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の原子炉用制御棒の製造方法である。

メッキ層の厚みが厚くなり過ぎると、メッキ用治具の取り外しが困難になるため、メッキ層の厚みは、１５μｍ以下であることが好ましい。
一方、優れた耐摩耗性を発揮させるためには、メッキ層には一定以上の厚みが必要であり、メッキ層の厚みとしては、７．５μｍ以上であることが好ましい。

本発明においては、被覆管および端栓の全外周面に均一なメッキ層を確実に形成させることができる。また、被覆管と端栓とを溶接して原子炉用制御棒を製造する場合に溶接性が悪化することがなく、耐摩耗性に優れた原子炉用制御棒を製造することができる。
さらに、材料費を節減することができ、製造費が安価になる。

以下、本発明をその最良の実施の形態につき、具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

最初に、メッキコーティングの施された被覆管の製造方法について、図１、図２を用いて説明する。本実施の形態における被覆管１の製造方法は、被覆管メッキ用治具３を用いる点に特徴があり、一体化工程、メッキ工程および分離工程からなる。
なお、図１は、本発明に係る原子炉用制御棒の被覆管における一体化工程を示す概略的説明図であり、図２は、被覆管におけるメッキ工程を示す概略的説明図である。
図１、図２において、１は被覆管であり、３は被覆管メッキ用治具である。被覆管メッキ用治具３は、挿入部３ａと本体部３ｂとからなる。そして、４はメッキ層である。

被覆管メッキ用治具３は、挿入部３ａと本体部３ｂとからなる。挿入部３ａの外径は、精密な機械加工で被覆管１の内径よりも僅かに小さいか、あるいは事実上同一とされ、被覆管メッキ用治具３の挿入部３ａを被覆管１の管端内に挿入したときには挿入部３ａと被覆管１の管端とが嵌合される。
被覆管メッキ用治具３の挿入部３ａの先端には小さな丸味が形成されて被覆管１内に挿入し易くなっている。被覆管メッキ用治具３の本体部３ｂの外径は、被覆管１の外径と同寸法に形成され、挿入部３ａを被覆管１に挿入したときに被覆管１の外周面と被覆管メッキ用治具３の外周面とは面一となる。被覆管メッキ用治具３は、被覆管１と同一材料であるクロムを含有するオーステナイト系ステンレス鋼で形成されている。
なお、図１、図２においては、挿入部３ａがよく分かるように、便宜上、被覆管１の内壁と離れた状態で示してある。

一体化工程では、一端に上部端栓（図示せず）が溶接して取り付けられた被覆管１の他端に被覆管メッキ用治具３を取り付ける。被覆管メッキ用治具３の挿入部３ａを被覆管１の管端内に完全に挿入し、被覆管１の開口端部の端面と被覆管メッキ用治具３の本体部３ｂの端面とを突き合わして両端面を密着させることにより、被覆管１と被覆管メッキ用治具３とを一体化させる。

メッキ工程では、被覆管１を上下反転させて被覆管メッキ用治具３を上側に位置させ、被覆管メッキ用治具３の上部と被覆管１の下部とで支えた状態で、被覆管１の全部および被覆管メッキ用治具３の一部をメッキ槽（図示せず）内のメッキ液（図示せず）に浸漬して、メッキを行う。被覆管メッキ用治具３の一部を浸漬するのは、被覆管１の一部に非メッキ領域ができるのを防止するためである。被覆管と被覆管メッキ用治具との両端面は密着されているため、両端面にメッキ液が入ることがなく、両端面はメッキが施されない。
メッキ層４の厚みが７．５〜１５μｍとなった時点でメッキを完了し、メッキ液から引き上げる。メッキ液から引き上げられた被覆管１の全外周面およびメッキ用治具３の本体部３ｂの一部の外周面には、図２に示すように、メッキ層４が形成されている。

分離工程では、被覆管１の全外周面およびメッキ用治具３の本体部３ｂの一部の外周面に形成されたメッキ層４と共に、金属部材切断用カッターを用いて、被覆管１からメッキ用治具３を取り外す。この時、メッキ用治具３の被覆管１と接する箇所には、予め面取りが施されているため、容易に取り外しができる。以上により、全外周面にメッキ層４が形成された被覆管１を取得することができる。

次に、メッキコーティングの施された下部端栓の製造方法について、図３を用いて説明する。この製造方法には下部端栓２用の端栓メッキ用治具５が用いられ、被覆管の場合と同じく、一体化工程、メッキ工程および分離工程からなる。
なお、図３は、本発明に係る原子炉用制御棒の端栓におけるメッキ工程を示す概略的説明図である。
図３において、２は端栓であり、５は端栓メッキ用治具である。端栓２は、挿入部２ａと本体部２ｂとからなる。そして、４はメッキ層である。

端栓メッキ用治具５は、円筒状に形成され、内径は、精密な機械加工で下部端栓２の挿入部２ａの外径よりも僅かに大きいか、あるいは事実上同一とされ、下部端栓２の挿入部２ａを端栓メッキ用治具５内に挿入したときに挿入部２ａと端栓メッキ用治具５の管端とが嵌合されるようになっている。
端栓メッキ用治具５の外径は、下部端栓２の外径（最大の外径）と同寸法に形成され、下部端栓２の挿入部２ａを端栓メッキ用治具５に挿入したときに下部端栓２の外周面と端栓メッキ用治具５の外周面とが面一となる。端栓メッキ用治具５は、下部端栓２と同一材料であるクロムを含有するオーステナイト系ステンレス鋼で形成されている。
なお、図３においては、下部端栓２の挿入部２ａがよく分かるように、便宜上、端栓メッキ用治具５の内壁と離れた状態で示してある。

下部端栓２の製造方法の手順については、前記の被覆管１の製造方法と同様に手順で行われる。一体化工程では、下部端栓２の挿入部２ａを端栓メッキ用治具５内に完全に挿入し、下部端栓２の本体部２ｂの端面と端栓メッキ用治具５の端面とを突き合わして密着させることにより、下部端栓２と端栓メッキ用治具５とを一体化する。

メッキ工程では、一体化された下部端栓２と端栓メッキ用治具５とを上下から押さえながら、全体をメッキ槽内のメッキ液に浸漬して、メッキを行う。
メッキ層４の厚みが７．５〜１５μｍとなった時点でメッキを完了し、メッキ液から引き上げる。メッキ液から引き上げられた下部端栓２およびメッキ用治具５の全外周面には、図３に示すように、メッキ層４が形成されている。

分離工程では、下部端栓２およびメッキ用治具５の全外周面に形成されたメッキ層４と共に、金属部材切断用カッターを用いて、下部端栓２からメッキ用治具５を取り外す。この時、メッキ用治具５の端栓と接する箇所には、予め面取り処理が施されているため、容易に取り外しができる。以上により、全外周面にメッキ層４が形成された下部端栓２を取得することができる。

上記の各製造方法により取得された被覆管１および下部端栓２を溶接することにより原子炉用制御棒とすることができる。
具体的には、図４に示すように、下部端栓２の挿入部２ａを、被覆管１の管端に完全に挿入し、下部端栓２の本体部２ｂの端面と被覆管１の端面を突き合わせ、密着させる。なお、図４においては、突き合わせの状況がよく分かるように、便宜上、下部端栓２の本体部２ｂの端面と被覆管１の端面との密着部を、離れた状態で示してある。また同様に、挿入、密着された下部端栓２の挿入部２ａと被覆管１の内壁とを、離れた状態で示してある。

次いで、下部端栓２と被覆管１の突き合わせ個所を周方向にＴＩＧ溶接して被覆管１を密封する。溶接ビード部や溶接により生じたバリ等は、研磨で取り去って表面を平坦かつ溶接個所の外径を非溶接部の外径以下にする。これにより緊急時の炉心挿入の際に、溶接箇所がスムーズな挿入の阻害となることがなくなる。

本発明に係る原子炉用制御棒の被覆管における一体化工程を示す概略的説明図である。 本発明に係る原子炉用制御棒の被覆管におけるメッキ工程を示す概略的説明図である。 本発明に係る原子炉用制御棒の端栓におけるメッキ工程を示す概略的説明図である。 本発明に係る原子炉用制御棒における溶接前における概略的説明図である。

符号の説明

１ 被覆管
２ 下部端栓
２ａ 下部端栓の挿入部
２ｂ 下部端栓の本体部
３ 被覆管メッキ用治具
３ａ 被覆管メッキ用治具の挿入部
３ｂ 被覆管メッキ用治具の本体部
４ メッキ層
５ 端栓メッキ用治具

Claims (4)

1. 原子炉用制御棒の被覆管とほぼ同じ外径を有する被覆管メッキ用治具、および、原子炉用制御棒の端栓とほぼ同じ外径を有する端栓メッキ用治具を、それぞれ、前記被覆管の開口部の端面、および、前記端栓の被覆管との接合面に密着させて一体化させる一体化工程と、
   前記被覆管メッキ用治具と一体化された被覆管を、前記被覆管メッキ用治具を上側にして、前記被覆管メッキ用治具と前記被覆管との密着部が、メッキ液液面より下になるようにメッキ液に浸漬してメッキ層を形成させ、前記端栓メッキ用治具と一体化された端栓を、前記メッキ液に浸漬してメッキ層を形成させるメッキ工程と、
   外周面にメッキ層が形成された前記被覆管、および、前記端栓を、前記各メッキ用治具と分離させる分離工程と、
   前記分離工程で得られた被覆管と端栓とを突き合わせて溶接する溶接工程と
   を有していることを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
2. 前記被覆管メッキ用治具と前記被覆管、あるいは、前記端栓メッキ用治具と前記端栓が、同一材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒の製造方法。
3. 前記被覆管および前記端栓の材料が、オーステナイト系ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子炉用制御棒の製造方法。
4. 前記メッキ層の厚みが、７．５〜１５μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の原子炉用制御棒の製造方法。

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