JP5305716B2 - 原子炉制御棒 - Google Patents

Description

本発明は、中性子吸収材を有し原子炉の出力制御に用いる原子炉制御棒に関する。

沸騰水型軽水炉の原子炉制御棒は、原子炉圧力容器の炉心に装荷される複数の燃料集合体のうち隣接する４体で形成される間隙部を上下方向に移動するため、支持部材に４つのブレードを取り付けて構成され、十字型の横断面を有している。ブレードは、中空のシースと、シースに内蔵された中性子吸収部材から構成される。中性子吸収部材としてはボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）、ハフニウム（Ｈｆ）、またはこれらを組み合わせて用いるタイプがある。主に、ボロンカーバイドは粉末状、ハフニウムは板材または棒材として用いる。ハフニウムはボロンカーバイドに比べると中性子照射によって劣化しにくいため、ハフニウム制御棒はボロンカーバイド制御棒に比して長寿命である。

従来のハフニウム制御棒の構造について、図１０、図１１を用いて説明する。図１０はハフニウム制御棒１００の概要を示す部分分解斜視図、図１１はハフニウム制御棒のブレード１１０を長軸方向に垂直な平面で切断した要部拡大横断面図である。

十字型の支持部材１０１に４枚のブレード１１０が取り付けられており、支持部材１０１とブレード１１０の下端には制御棒駆動機構（図示せず）と接続されるコネクタ１０２とカップリング・ソケット１０３が取り付けられている。また、支持部材１０１とブレード１１０の上端にはハンドル１０４が取り付けられている。ブレード１１０は中空のシース１１１、シース１１１の内側に取り付けられたハフニウム板１１２から構成され、またシース１１１にはシース１１１内に冷却材を流通させるための冷却孔１１３が複数設けられている。

図１１を用いて、ブレード１１０の構造について詳しく説明する。実質的にＵ字型の横断面に形成されたシース１１１の内側にハフニウム板１１２が取り付けられ、ハフニウム板固定部材１１４を用いてハフニウム板１１２をシース１１１に固定している。ハフニウム板固定部材１１４はシース１１１、ハフニウム板１１２を貫通しており溶接によって取り付けられている。また、ハフニウム制御棒１００の発生熱を効率よく除去できるように、シース１１１の内側に冷却材流路１１５が確保されている。

このような制御棒に関して、中性子吸収部材としてハフニウムとボロンカーバイドを組み合わせたものを使う場合、筒状の被覆管にハフニウム部材と粉末状のボロンカーバイドを充填し、シースの内部に被覆管を複数並べて配置して用いる。このような制御棒は、相対的に照射量が高い部分にハフニウム部材を配置し、残りの部分にボロンカーバイドを充填するが、ボロンと中性子の反応によるトリチウムの生成等に起因したスエリングが懸念されていた。これに対して、例えば特許文献１に記載された原子炉制御棒用中性子吸収要素が知られている。

その一方で、制御棒のシースは上述のようなスエリングの懸念がないため、耐ＳＣＣ（応力腐食割れ）性に優れたステンレスが用いられている。しかし、ハフニウム制御棒はボロンカーバイド制御棒よりも長期間使用されるため、中性子照射量が高く、ステンレス製であるシース部分の照射脆化がより顕著である。そのため、照射脆化、溶接部位の残留応力、運転中の熱応力等の組み合わせによって起こるＩＡＳＣＣ（照射誘起応力腐食割れ）が起こる可能性がボロンカーバイド制御棒よりも高くなってしまうという課題があった。

このような課題を解決するための発明として、例えば特許文献２記載に記載された構成のオーステナイト系ステンレス鋼の製造方法が知られている。
特開平４−５８１９３号公報 特開２００５−２９０４８８号公報

上述した課題に加えて、近年、発電効率向上を目的として燃料密度を高める研究開発が進められており、現行の９×９燃料バンドルから１０×１０燃料バンドルへの移行などが予想され、新たな課題も着目されている。すなわち、燃料バンドル移行が実現されると、燃焼密度が高くなり、また燃料棒と制御棒の距離が短くなるため制御棒の照射速度が増加する。さらに、プラント運転効率向上のために定期検査の実施スパン延長も検討されており、それに伴った１サイクルの照射量増加も予想される。

本発明は上述した課題を鑑みてなされたものであり、従来よりもさらに厳しい照射環境においてもＩＡＳＣＣの発生を防止するべく、さらに耐照射性及び信頼性に優れた原子炉制御棒を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による原子炉制御棒は、ブレードと、このブレードを支持する支持部材と、を備える原子炉制御棒であって、前記ブレードは前記ブレードはジルコニウムまたはジルコニウム合金製のシースと、ハフニウムから構成され固定部材によって前記シースの内面に固定された中性子吸収部材から構成されることを特徴とする。

本発明の原子炉制御棒によれば、ハフニウムを中性子吸収材として使用する原子炉制御棒のブレードにジルコニウムまたはジルコニウム合金を用いることによって、従来よりも耐照射性に優れかつシースと中性子吸収材との間で発生する熱応力が少なく信頼性に優れた原子炉制御棒を提供することができる。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

本発明の第１の実施例による原子炉制御棒の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施例による原子炉制御棒を長軸方向に垂直な平面で切断し、ブレード部分を拡大した要部拡大横断面図である。

十字型の支持部材１にジルコニウム（Ｚｒ）またはジルコニウム合金を用いた中空のシース２が取り付けられている。このシース２の内側にハフニウムの板材またはハフニウムの棒材を複数並べて構成された中性子吸収部材３が取り付けられている。中性子吸収部材固定部材４は、シース２および中性子吸収部材３を貫通して溶接取り付けされ、中性子吸収部材３をシース２に固定している。シース２の内側の冷却材流路５には、原子炉運転中に一次冷却材が流通し、一次冷却材がブレード１０の熱を除去する。

シース２に用いるジルコニウム合金には、例えばスズ（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）等を添加したジルカロイ２、ジルカロイ４、またはこれらに近似した組成を有する合金を用いる。ジルカロイ２、ジルカロイ４はそれぞれ米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）の定めるジルコニウム合金の規格である。ジルカロイ２、ジルカロイ４の組成を表１に示す。

以下、本実施例による作用について説明する。ジルコニウムの中性子吸収断面積はステンレス鋼の約１／１５であり、耐照射性に優れている。また、ジルコニウムとハフニウムは共にチタン族元素であり、中性子吸収断面積の他は類似した物性を有することが知られている。よって、ジルコニウムまたはジルコニウム合金製のシース２と中性子吸収部材３との間で発生する熱応力は、従来のステンレス製シースとハフニウム板との間で発生する熱応力よりも小さい。従って、ステンレス製シースを用いた従来の原子炉制御棒よりも信頼性に優れたものとなる。

また、ジルコニウムは六方最密充填構造であるが、チタン（Ｔｉ）と同様に集合組織を加工・熱処理によって制御可能である。集合組織の制御によって組織配列の方向を制御し、シース２の照射成長によりシース２と他の構造物との間に応力が発生することを防止することができる。その理由について、図２を用いて詳細に説明する。

図２は組織配列を制御したシース２の概要を示す要部拡大斜視図である。なお、簡潔な図示のため、中性子吸収部材３、中性子吸収部材固定部材４は省略して示している。

結晶格子２０は、シース２の加工・熱処理によって得られたシース２の組織配列を概念的に示している。シース２の組織配列は、結晶格子２０に示すように、ｃ軸２１がシース２の厚さ方向となるように制御されている。

このような組織配列の制御による効果を以下説明する。六方最密充填構造であるジルコニウムは、照射によって生じた空孔がｃ軸２１と垂直な面に集まり、ｃ軸２１と垂直な方向に照射成長して伸びを生じる。図２に示した組織配列においては、上下方向である方向２２、横方向である方向２３に伸びが生じる。方向２２に関してはシース２の上部が、方向２３に関しては支持部材１と反対側の湾曲部側が伸びに対して拘束されていないため、自由に伸びることができる。したがって、上述したように照射成長による応力発生を回避することができる。

また、ジルコニウムまたはジルコニウム合金製のシース２を用いることにより、チャンネルボックスのシャドーコロージョンを防止することが可能である。シャドーコロージョンとは、ジルコニウムを用いた構造物について、ジルコニウム以外の金属と対向した面が顕著に腐食する現象である。シャドーコロージョンは、ジルコニウムを用いたチャンネルボックスにおいて、従来の原子炉制御棒のステンレスシースと対向する面での発生が報告されている。本実施例のようにジルコニウムまたはジルコニウム合金製のシース２を用いることにより、チャンネルボックスの対向面もジルコニウムとなるため、チャンネルボックスのシャドーコロージョンを防止することが可能である。

また、ジルカロイ２、ジルカロイ４よりも多量の鉄をジルコニウムに添加することにより、組織中に鉄を析出させ、析出強化させることが可能である。鉄の添加量は、実験によって０．５質量％までは析出物の密度が上昇し、０．５質量％を超えて添加すると析出物が巨大化することが判明している。鉄の析出物は照射が進むに連れて固溶して小さくなっていくが、密度が高いほど析出物の固溶に時間がかかり、析出硬化を長期間維持することができるため、鉄の析出物の密度はより高いほうが好ましい。

さらに、ジルコニウムにニオブ（Ｎｂ）を添加することによって耐食性が向上することが知られており、例えば重水炉の圧力管にはジルコニウム−２．５％ニオブ合金が採用されている。さらに、ニオブを添加することによって前述した六方晶金属の照射成長を抑制することが可能である。よって、シースにニオブを添加することによって耐食性を向上させ、また照射成長の抑制効果を得ることができる。図３にジルコニウム−ニオブの二元系状態図を示す（Binary Alloy Phase Diagrams Second edition, ASM International， edited by T.B.Massalski（1990）より引用）。ニオブは、図３に示す二元系状態図から読み取れる通り、０．６質量％まではジルコニウムに固溶する。

なお、上述した鉄の添加とニオブの添加については、鉄のみまたはニオブのみを添加した場合はそれぞれの効果を奏するが、鉄とニオブの双方を添加した場合は鉄の析出による強化とニオブによる耐食性向上の２つの効果を同時に得ることが可能である。

以上説明したように、本実施例の原子炉制御棒によれば、ジルコニウムまたはジルコニウム合金製のシース２の採用により、原子炉制御棒の耐照射性を向上させるとともに、シース２と中性子吸収部材３との間の熱応力の発生の防止、シース２の組織配列制御による熱応力の発生の防止、チャンネルボックスのシャドーコロージョンの防止といった効果が得られ、信頼性を向上することが可能である。

本発明の第２の実施例による原子炉制御棒について、図４を用いて説明する。図４は、本実施例による原子炉制御棒のジルコニウム−ハフニウムブレード３１を長軸方向に垂直な平面で切断した要部拡大横断面図である。なお、第１の実施例と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例においては、支持部材１にジルコニウム−ハフニウム合金製のジルコニウム−ハフニウムブレード３１が取り付けられている。ジルコニウム−ハフニウムブレード３１はハフニウムを含有しており中性子吸収材として機能する。

本実施例のジルコニウム−ハフニウムブレード３１は、自身が中性子吸収材として機能するため、内部に中性子吸収部材を取り付ける必要がなく、中性子吸収部材固定部材が不要である。そのため、従来の原子力制御棒に比較して溶接部位を減らすことができ、またシースと中性子吸収部材との間に熱応力が発生することもなくなるため、信頼性が向上する。さらに、ハフニウムはジルコニウムよりも良好な耐食性を有するため、ジルコニウム合金にハフニウムを添加することで耐食性を向上させることができる。

また、ハフニウムはチタン、ジルコニウムと同様に六方最密充填構造を有し、ジルコニウムと同様に組織配列を制御可能であるため、ジルコニウム−ハフニウム合金を用いたシースにおいても、第１の実施例で説明したように組織配列を制御することで照射成長による応力発生を回避することが可能である。

なお、図４では中性子吸収ブレード３１は板材を屈曲させてＵ字型形状を有するものとして図示しているが、図５に示すようなコの字型や、あるいは図６、図７に示すように肉厚の板材に縦穴３２を一つあるいは複数設けただけの簡素な形状・構造とすることができる。また、必要に応じて冷却孔を設けてもよい。

また、図８に示すように、平板形状のジルコニウム−ハフニウム合金を支持部材１に取り付けて中性子吸収ブレード４１とすることも可能である。ジルコニウム−ハフニウム合金の加工をする必要がなくなり、図４に示す中性子吸収ブレード３１よりもさらに簡素な形状とすることが可能である。

さらに、図９（ａ）、図９（ｂ）に、平板形状の中性子吸収ブレードの支持部材への取り付け性を向上させた変形例を示す。図９（ａ）においては、平板の一端を凹型形状に成型した中性子吸収ブレード４１ａを用いており、この凹型形状部分に支持部材１を嵌入して取り付ける。また、図９（ｂ）においては中性子吸収ブレード４１の取り付け部に凹部を設けた支持部材１ａを用い、この凹部に中性子吸収ブレードを嵌入して取り付ける。図８に示した支持部材１と中性子吸収ブレード４１の取り付けは溶接などによって取り付けを行うが、図９（ａ）および図９（ｂ）に示した変形例によれば、支持部材１とブレード４１を係合させることで、溶接に代えてボルトなどによる取り付けが可能となり、溶接部への負荷集中を回避することが可能となる。

なお、本実施例においてジルコニウム−ハフニウムブレードに適用されるジルコニウム−ハフニウム合金は、ジルコニウム単体にハフニウムを添加して合金とするよりも容易に製造することが可能である。その理由について以下説明する。

ジルコニウムとハフニウムはそれぞれジルコニウム鉱石（ジルコン、バデレアイト）に含有されるが、ジルコニウムとハフニウムは類似した物性を有するために分離が困難である。そのため、ジルコニウム及びハフニウムを得るには、ジルコニウム鉱石からハフニウム以外の不純物を除去した後にジルコニウムとハフニウムを分離するための特殊な分離工程を行う必要がある。しかし、ハフニウム以外の不純物は一般的な電解精錬で取り除くことが可能である。そのため、ジルコニウム鉱石を電解精錬してジルコニウムとハフニウム以外の元素を除去し、所望の合金元素を添加すればジルコニウム−ハフニウム合金を得ることができる。また、ハフニウムの存在比を高めるためにハフニウム濃縮を行ってもよい。このように、ジルコニウム−ハフニウム合金はジルコニウムおよびハフニウム各々の単体よりも容易にかつ低コストで製造することが可能である。

以上説明したように、本実施例によるジルコニウム−ハフニウムブレード３１を採用した原子炉制御棒によれば、第１の実施例と同様の効果を奏するとともに、原子炉制御棒を簡素な構造とすることができ、また従来よりも容易かつ低コストに生産することが可能である。

以上本発明の実施例について図を参照して説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で第１および第２の実施例を組み合わせ、またいろいろの変形を採ることができる。例えば、第２の実施例に示した中性子吸収ブレード３１に中性子吸収部材３と中性子吸収部材固定部材４を取り付ける、第１の実施例に示したようにニオブを添加する、あるいは第１の実施例によるブレードと第２の実施例によるブレードを組み合わせて用いるなどしてもよい。当業者にあっては、具体的な実施例において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種種の変形・変更を加えることが可能である。

第１の実施例による原子炉制御棒の要部拡大横断面図。 第１の実施例による原子炉制御棒のシース２の組織配列の概要を示す要部拡大斜視図。 ジルコニウム−ニオブの二元系状態図。 第２の実施例による原子炉制御棒の要部拡大横断面図。 第２の実施例の別の一例による原子炉制御棒の要部拡大横断面図。 第２の実施例の別の一例による原子炉制御棒の要部拡大横断面図。 第２の実施例の別の一例による原子炉制御棒の要部拡大横断面図。 第２の実施例の別の一例による原子炉制御棒の要部拡大横断面図。 （ａ）（ｂ）第２の実施例の別の例による原子炉制御棒の要部拡大横断面図。 従来の原子炉制御棒の部分分解斜視図。 従来の原子炉制御棒の要部拡大横断面図。

符号の説明

１、１ａ 支持部材
２ シース
３ 中性子吸収部材
４ 中性子吸収部材固定部材
５ 冷却材流路
１０ ブレード
２０ 結晶格子
２１ ｃ軸
２２、２３ 方向
３１、４１、４１ａ、４２ｂ ジルコニウム−ハフニウムブレード
３２ 縦穴
１００ ハフニウム制御棒
１０１ 支持部材
１０２ コネクタ
１０３ カップリング・ソケット
１０４ ハンドル
１１０ ブレード
１１１ シース
１１２ ハフニウム板
１１３ 冷却孔
１１４ ハフニウム板固定部材
１１５ 冷却材流路

Claims (3)

1. ブレードと、
   このブレードを支持する支持部材と、を備える原子炉制御棒であって、
   前記ブレードはジルコニウムまたはジルコニウム合金製のシースと、ハフニウムから構成され固定部材によって前記シースの内面に固定された中性子吸収部材から構成されることを特徴とする原子炉制御棒。
2. 前記ブレードまたは前記シースはニオブが添加され、そのニオブは０．６質量％以下であることを特徴とする請求項１記載の原子炉制御棒。
3. 前記ブレードまたは前記シースは鉄が添加され、その鉄は０．５質量％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の原子炉制御棒。

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