JP5308744B2

JP5308744B2 - 制御棒

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Publication number: JP5308744B2
Application number: JP2008220688A
Authority: JP
Inventors: 敦志渡辺; 陽一和田; 範夫川島; 浩一町田
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2028-08-29
Also published as: JP2010054394A

Description

本発明は、制御棒に係り、特に、沸騰水型原子炉に用いられる制御棒に適用するのに好適な制御棒の構造に関する。

沸騰水型原子炉で用いられる従来の制御棒の構造及びこれが設置される環境について説明する。沸騰水型原子炉は、複数の燃料集合体が装荷された炉心を原子炉圧力容器内に有している。これらの燃料集合体内に存在する核燃料物質に含まれたウラン２３５が、中性子を吸収して核分裂を起こし、熱を発生する。炉心に供給された炉水（冷却水）は、その熱によって加熱されて沸騰し、一部が蒸気になる。炉心内では、上記の核分裂によって新たに発生する中性子が他のウラン２３５を分裂させる連鎖反応が起きている。

核分裂の連鎖反応量を制御するため、中性子吸収材を内部に収納する制御棒が利用される。このうち、沸騰水型原子炉で通常使用される制御棒は、横断面が十字形をしており、４体の燃料集合体のチャンネルボックスの相互間に形成される間隙（飽和水領域）内に挿入される。４体の燃料集合体にて構成される１つのセル当たり１体の制御棒が設けられる。ほぼ１つのセル毎にそれら４体の燃料集合体の下方に制御棒案内管が配置される。制御棒案内管は、原子炉圧力容器内に設置される。制御棒は、セル内の４体の燃料集合体の各チャンネルボックス、及び制御棒案内管をガイド部材として利用する。また、制御棒は、下端部が制御棒駆動機構に連結され、制御棒駆動機構の駆動操作によって炉心に挿入され、炉心から引抜かれる。制御棒は、反応度制御及び出力分布の調整に用いられる重要機器である。

沸騰水型原子炉に用いられる従来の制御棒の構造を簡単に説明する。この制御棒は、ハンドルがタイロッドの上端部に、落下速度リミッタがタイロッドの下端部にそれぞれ接合され、タイロッドの中心軸に位置するタイロッドから四方に伸びる４枚のブレードを有している。各ブレードは、タイロッドに取り付けられたＵ字状のシースを有し、このシース内に、中性子吸収材を収納した複数の中性子吸収棒を配置している（特許文献１参照）。特許文献１は、さらに、シースの軸方向においてシースの端面に複数の突出部を形成し、これらの突出部をタイロッドにレーザ溶接によって接合することを記載している。突出部を設けることによって、シースは軸方向においてタイロッドに断続的に溶接される。また、中性子吸収棒の替りに、タイロッドに接合されるＵ字状のシース内にハフニウム板を配置した制御棒も知られている（特許文献２，特許文献３参照）。

シースの応力腐食割れ（ＳＣＣ）を防ぐために、ハフニウムを含む希釈合金板内に複数の中性子吸収棒を挿入して構成された中性子吸収部材とシースの間に形成される間隙を所定幅に保持した制御棒が、特許文献４に記載されている。その間隙の保持は、シースに形成された複数の窪み部の内面を中性子吸収部材の表面に接触させることによって行われる。ハフニウム板で構成された中性子吸収部材とシースの間の間隙を所定幅に保持する技術は、特許文献５及び特許文献６にも記載されている。

特開２００２−２５７９６８号公報特開平２−１０２９９号公報特開平８−１０５９８９号公報特開平１−２８４７９６号公報特開昭６０−６０５８５号公報特開平４−２８９４９０号公報

近年、沸騰水型原子炉に用いられる制御棒においてシース表面に微小なひびが生じる事象が報告されている。発明者らは、このひびが放射線照射，応力及び隙間の３つの要因が重畳した時に引き起こされる照射誘起型応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）であると考えた。すなわち、制御棒が原子炉の炉心内に挿入されるため、核燃料の核分裂反応により発生する中性子及びγ線のシースへの照射による材料劣化及び酸化環境，制御棒の製造工程中におけるシースとタイロッド及びシースとハンドルの各溶接によりシースに発生する引張残留応力、及びシースと内部の中性子吸収部材（例えば、ハフニウム楕円管）の間の隙間腐食環境の３つの要因が重なってシースに作用する。したがって、シースの表面がＩＡＳＣＣによってひびの発生しやすい環境にさらされていることが懸念される。

本発明の目的は、シースにおけるひびの発生を抑制できる制御棒を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の特徴は、ハフニウム部材の両端とシースの内面との間に形成される各間隙の幅Ｇが０.２mm＜Ｇ≦１.０mmを満たすように、ハフニウム部材の両側面と前記シースの内側の間に間隙部材を配置することにある。

本発明によれば、沸騰水型原子炉の制御棒において、シース表面に発生する照射誘起型応力腐食割れを抑制し、制御棒の信頼性の向上および原子炉の継続的な安定運転が可能となる。

ＩＡＳＣＣは、放射線照射，応力及び隙間のどれか１つの要因を除くことにより防ぐことができる。しかしながら、制御棒は炉心内に挿入されるので放射線の照射環境を取り除くことは困難である。特に、制御棒のシースは、図２に示すように、そのシース内に配置された中性子吸収部材であるハフニウム部材（例えばハフニウム楕円管）の上端部、すなわち、ハフニウム部材の上端の位置とこの上端から下方に向かってシース全長の１／１０の位置の間の範囲において原子炉の運転中での累積の中性子照射量が最も大きくなる。これは、その範囲が中性子の高い領域である炉心の軸方向での中央部に位置する期間が長く、また、炉心から引き抜かれる時期が最も遅いからである。原子炉を起動するときに炉心に挿入されていた多数の制御棒の大部分は、昇温昇圧過程が終了した時点で炉心から全引き抜されている。原子炉出力を上昇させる時点では、一部の制御棒のみが炉心に挿入されている。これらの制御棒は出力調節用の制御棒である。この出力調節用の制御棒の、ハフニウム部材の上端の位置とこの上端から下方に向かってシース全長の１／１０の位置の間の範囲で、累積の中性子照射量が最も大きくなる。

隙間腐食環境は、原子炉内の冷却材に含まれる不純物及び腐食生成物などがシースとハフニウム楕円管の間に形成される隙間部に堆積されることによって、シースに腐食をもたらすと、発明者らは考えている。図３は、従来の沸騰水型原子炉の制御棒におけるハフニウム楕円管の長手方向軸に垂直な断面のうち、タイロッドおよびブレード１枚の部分（シースとハフニウム楕円管）を示す図である。シースとハフニウム楕円管の間の隙間（Ｇ０）は、設計値に基づいて製作される。原子炉の運転中に制御棒が炉心に挿入されているとき、シース内でのハフニウム楕円管の位置が変化し、ハフニウム楕円管の一つの側面側の隙間の幅が狭くなり、他方の側面側の隙間の幅が広くなる可能性がある。隙間の幅（Ｇ０）が狭くなると、腐食生成物等が堆積しやすくなる。

そこで、発明者らは、原子炉運転中でもハフニウム部材の両側面側で所定幅の間幅を確保することが望ましいと考えた。これにより、ハフニウム部材とシース間の腐食環境を改善し、シースの耐ＩＡＳＣＣを向上させることができ、シースにおけるひびの発生を抑制できるのである。好ましくは、その所定幅を、中性子照射量が大きいハフニウム部材の上端の位置とこの上端からシースの全長の１／１０の位置の間の範囲で形成すると良い。詳細を以下に説明する。

発明者らは、ハフニウム楕円管とシースの間に形成される間隙を２枚のステンレス鋼板の相互間に形成して模擬し、隙間腐食試験を行った。隙間腐食試験では、図４（ｂ）に示すように、対向するステンレス鋼８を拘束具１６で固定した試験片を用いた。この隙間腐食試験では、対向しているステンレス鋼８間の隙間の幅を０mm，０.１mm，０.２mm及び０.３mmの４通りに変え、各幅に対してステンレス鋼に放射線であるγ線を照射した場合及び照射しない場合の両方について実施した。さらに、隙間腐食試験において、これらのステンレス鋼板は、腐食生成物模擬材を添加した水、及びそれを添加しない水に浸漬し、この浸漬時間をそれぞれ５００時間，１０００時間及び１５００時間と変えた。水の温度は２８０℃である。この隙間腐食試験の結果を、図４（ａ）に示す。図４（ａ）において、ステンレス鋼板にひびが発生しない場合を×で、ステンレス鋼板にひびが発生した場合を●，■及び□で示している。●は、腐食生成物が水に添加されており２００００Ｇｙ／ｈｒでγ線が照射されている場合である。■は、腐食生成物が水に添加されておりγ線が照射されていない場合である。□は、腐食生成物が水に添加されていなくγ線が照射されていない場合である。以上の隙間腐食試験の結果、発明者らは、ハフニウム楕円管とシースの間に形成される間隙の幅Ｇが０.２mmより広い場合に、シースにひびが発生しないことを新たに見出した。制御棒の、炉心に装荷された燃料集合体間への挿入性を考慮し、その間隙の幅Ｇは１.０mm以下にしなければならない。したがって、ハフニウム部材とシースの間に形成される間隙の幅Ｇは、０.２mm＜Ｇ≦１.０mmを満足する必要がある。

０.２mm＜Ｇ≦１.０mmを満足する構成としては、シースの一部を内側に窪ませる構成、ハフニウム部材の側面に外側に向かう突起を形成する構成、及び上記条件を満足させる幅Ｇを有する部材をシースとハフニウム部材の間に挿入する構成、のいずれかを採用できる。しかしながら、上記のいずれの構成を採用した場合であっても、シース４とハフニウム部材５が接触する、又はシースとハフニウム部材の間に挿入された部材がシーム及びハフニウム部材に接触することになる。このような接触が生じる場合、接触点の近傍では０.２mm＜Ｇ≦１.０mmの条件を満たすことができず、隙間腐食が発生することが懸念された。

そこで、発明者らは、さらに、シースとハフニウム楕円管とが接触する構成、又は、シースとハフニウム楕円管の間に挿入された部材がシース又はハフニウム楕円管と接触する構成を、２枚のステンレス鋼板に棒材を挟んで模擬し、隙間腐食試験を行った。隙間腐食試験では、図６（ａ）に示すように、対向するステンレス鋼８の間に棒部材９を挟んで接触させ、ステンレス鋼８を拘束具１６で固定した試験片を用いた。この隙間腐食試験では、半径を変えた棒部材９を用い、各棒部材９とステンレス鋼８を接触させた試験片を、２８０℃の高温水中に浸漬し、γ線を照射して実施した。この隙間腐食試験の結果、棒材の半径ｒ＝２.５mmの時に腐食が発生しないことがわかった。つまり、シースとハフニウム楕円管とが接触する場合、またはシースとハフニウム部材の間に挿入された部材がシース及びハフニウム部材と接触する場合であっても、隙間腐食が発生しない条件があることを、新たに見出した。このような実験結果は、接触点からの隙間奥行きの距離ｄと、隙間奥行きの距離ｄにおける隙間幅ｈとを最適化することによって、接触点近傍でも隙間腐食を防止できることを示している。詳細を以下に示す。

（１）本発明においては、シース又はハフニウム部材の少なくともどちらか一方の表面に半径が２.５mm以下の円状の突起を設けることで、隙間腐食の発生を抑制する。
（２）本発明においては、シース又はハフニウム部材の少なくともどちらか一方の表面に仰角が１１.３度以上の錐体状の突起を設けることで、隙間腐食の発生を抑制する。
（３）本発明においては、シースとハフニウム部材とが接触する部位に設けた突起において、接触面と垂直方向の突起断面形状は、接触部材からの距離が０.１mmより小さい部分の距離は２.０mm以下とすることで隙間腐食の発生を抑制する。

以上の検討結果に基づいた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，図５，図７に基づいて以下に説明する。本実施例の制御棒１１は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒である。この制御棒１１は、図１に示すように、横断面が十字形をしていて軸心にタイロッド１が配置され、このタイロッド１から四方に伸びる４枚のブレード１２を有する。ハンドル２がタイロッド１の上端部に取り付けられ、下部支持部材３がタイロッド１の下端部に取り付けられる。下部支持部材３は、下部支持板または落下速度リミッタである。ローラ１３が回転可能に下部支持部材３に取り付けられる。このローラ１３は、炉心に装荷されている燃料集合体のチャンネルボックスの外面と接触し、制御棒１１を燃料集合体間で円滑に移動させる機能を有する。

各ブレード１２は、横断面がＵ字状をしているシース４，扁平な筒、例えば楕円形状の筒であるハフニウム部材５Ｕ，５Ｌを有する。シース４はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６Ｌ等）によって構成される。シース４の上端はハンドル２に溶接され、シース４の下端は下部支持部材３に溶接されている。シース４のＵ字の両端部には、複数のタブ（突出部）１８が軸方向において所定の間隔を置いて形成されている。タブ１８は、シース４の一部であるが、タイロッド１側に向かって突出している部分である。これらのタブ１８は溶接にてタイロッド１に接合されている。上記したシース４とタイロッド１，ハンドル２及び下部支持部材３との接合は、例えば、レーザ溶接によって行われる。

１つのブレード１２のシース４内に形成される空間内に、２つのハフニウム部材５Ｕ及び２つのハフニウム部材５Ｌが配置されている。ハフニウム部材５Ｕはハフニウム部材５Ｌの上方に位置しており、これらの軸方向の長さは同じである。ハフニウム部材５Ｕは、ハンドル２の下端部に形成された舌状部２ａにピン６で取り付けられている。ハフニウム部材５Ｌは、下部支持部材３の上端部に形成された舌状部３ａにピン６で取り付けられている。ハフニウム部材５Ｕは上端部がハンドル２に取り付けられ、ハフニウム部材５Ｌが下部支持部材３に取り付けられている。これらのハフニウム部材は中性子吸収部材である。ＢＷＲの運転中においてハフニウム部材５Ｕ，５Ｌが熱膨張してもそれらのハフニウム部材が互いに接触しないように、ハフニウム部材５Ｕの下端とハフニウム部材５Ｌの上端との間のギャップ（図示せず）が形成されている。

制御棒１１は、ＢＷＲの原子炉圧力容器内に配置され、原子炉出力を制御するために、複数の燃料集合体が装荷された炉心内に制御棒駆動機構（図示せず）によって出し入れされる。制御棒１１は、下部支持部材３の下端部に設けられたコネクタ１７によって原子炉圧力容器の底部に設けられた制御棒駆動装置に連結される。制御棒駆動装置は、制御棒１１の炉心内への挿入操作、及び制御棒１１の炉心からの引き抜き操作を行う。原子炉圧力容器内を流れる冷却水（冷却材）は、シース４に形成された一部の開口１４及びシース４の最下端部に形成された複数の開口９Ｌからシース４内に流入し、ハフニウム部材５Ｕ，５Ｌを冷却して他の開口１４（特に上端部に位置する開口１４）及びシース４の最上端部に形成された複数の開口９Ｕからシース４の外に流出する。シース４内に流入した冷却水は、ハフニウム部材５Ｕに設けられた小径の開口１３を通ってハフニウム部材５Ｕ内に流入し、また、ハフニウム部材５Ｌに形成された小径の開口１５を通ってハフニウム部材５Ｌ内に流入する。このように、冷却水がハフニウム部材５Ｕ，５Ｌ内に流入することによって、これらのハフニウム部材の冷却効果が増大される。

シース４は、図５に示すように、シース４の一部を内側に窪ませた複数の窪み部（間隙保持部材）１０を形成している。本実施例における間隙保持部材はシース４と一体になった窪み部１０である。これらの窪み部１０はシース４の対向する側壁部にそれぞれ形成され、各側壁部に形成された窪み部１０はハフニウム部材５Ｕの両側の側面にそれぞれ接触している。ハフニウム部材５Ｕは、両側に位置する窪み部１０に挟まれてシース４内で所定の位置に配置される。したがって、ハフニウム部材５Ｕの両側の側面とこれらの側面に向かい合っているシース４の内面（窪み部１０を除くシースの内面）との間に形成される各間隙の幅Ｇは、ＢＷＲの運転中において、０.２mm＜Ｇ≦１.０mmの範囲に保持されるように構成される。

本実施例のシース４の窪み部１０は、半径ｒの円形状の突起部である。シースの窪み部１０とハフニウム部材５Ｕの接触点からの隙間奥行き距離をｄとし、隙間奥行き距離ｄでの隙間幅（窪み部１０とハフニウム部材５Ｕとの距離）をｈとする（図７参照）。図８は、円形状の窪み部１０の半径ｒを１.０mm，２.５mm，３.０mm、４.０mm及び５.０mmの５通りに変えた場合の、隙間奥行き距離ｄと隙間幅ｈとの関係を示す。前述の通り、隙間腐食試験において半径（ｒ）が２.５mmの棒材を用いた場合、腐食の発生が見られなかった。このことから、半径ｒ＝２.５mmでの隙間幅ｈと隙間奥行きｄの相関より隙間幅が大きい範囲では腐食が抑制できることになる。つまり、半径が２.５mm以下の円形状の窪み部１０をシース４に設けた場合、隙間腐食を防止することができ、シース４のひびの発生を抑制できる。具体的には、半径が１.０mm等の円形状の窪み部１０をシース４に設けた場合も、隙間腐食を抑制できる条件を満たすことになる。前述の通り、シース４におけるひびの発生を抑制するためには、ハフニウム部材５Ｕとシース４の間に形成される間隙の幅Ｇが０.２mm＜Ｇ≦１.０mmを満足しなければならない。このため、シース４に円形状の窪み部１０を設ける場合、その半径は０.１mmより広いことが必要となる。したがって、窪み部１０の半径ｒは、０.１mm＜ｒ≦２.５mmを満足することが必要となる。

本実施例では、シース４に形成される窪み部１０を間隙保持部材としたが、ハフニウム部材５Ｕの両側の側面に複数の突起部を形成してこの突起部を間隙保持部材とする構成であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。ハフニウム部材５Ｕに突起部を設ける場合、この突起部は、本実施例と同様、半径ｒが０.１mm＜ｒ≦２.５mmを満たす円形突起部となる。ハフニウム部材５Ｕに形成される突起部が、シース４の内側側面に接触する。

本実施例では、円形状の窪み部１０は、シース４と同じ材質で一体で形成された構成であるが、窪み部１０をシース４と異なる材質で作製した場合であっても同様の効果を得ることができる。また、本実施例では、図５に示すように、円形状の窪む部１０は、シース４の一部を内側に窪ませた形状を有するが、断面形状が円形となる球形の窪み部を有する場合であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。さらに、窪み部１０がハフニウム部材５Ｕと接触する先端部の形状を本実施例と同様の形状であれば、窪み部１０全体の形状によらず本実施例と同様の効果を得ることができる。ここで、先端部とは、窪み部１０とハフニウム部材５Ｕが接触する点から１.０mmの範囲（ｄ＝１.０mm）を示す。

円形状の窪み部１０の半径が３.０mm等の場合、シース４とハフニウム部材５Ｕとの間に隙間腐食が発生する腐食懸念域となるため、隙間幅を大きくする方策を検討する。しかし、図１２に示すように、隙間奥行きが１.０〜２.０mmの領域での腐食発生頻度は５０％以下と小さいので、部材の使用期間が短い場合等は半径の大きい突起を使用することも可能である。

本実施例の制御棒１１によれば、ハフニウム部材の外面両端とシースの内面との間に間隙部材を設けてハフニウム部材の外側壁面とシースの内側壁面との幅Ｇが０.２mm＜Ｇ≦１.０mmを満足する構成としているため、その間隙間を流れる冷却材に含まれる不純物及び腐食生成物が間隙間に堆積することを防止できる。このため、間隙内の腐食環境を改善でき、シースの隙間腐食の発生を防止でき、シースのひびの発生を防止できる。

本実施例の制御棒１１によれば、間隙部材とハフニウム部材とが接触する（又は、間隙部材とシースとが接触する）場合であっても、間隙内の腐食環境を改善でき、シースの隙間腐食の発生を防止でき、シースのひびの発生を防止できる。

本実施例の制御棒１１によれば、窪み部１０は内面及び外面共に球面になっているので、窪み部１０の内面がハフニウム部材５Ｕの側面と接触する接触面積は極めて小さくなる。このため、窪み部１０と接触するハフニウム部材５Ｕの接触部の、冷却水による冷却に支障が生じない。

本発明の他の実施例である実施例２の制御棒を、図９を用いて説明する。ＢＷＲに用いられる本実施例の制御棒１１Ａは、実施例１の制御棒１１において、シース４に円形状の窪み部１０を形成する変わりに、仰角θの錐体状突起部（間隙保持部材）１０Ａをシース４に形成した構成を有する。仰角θが１１.３°以上である錐体状突起部１０Ａの場合、隙間奥行きｄが１.０mm以下の領域で、隙間幅ｈが０.２mm以下を満足することができる。本実施例の錐体状突起部１０Ａは、ハフニウム部材５Ｕの外側面と錐体状突起部１０Ａの側面との仰角θが１１.３°以上の錐体状である。これらの錐体状突起部１０Ａは、シース４の対向する側壁部にそれぞれ形成され、各側壁に形成された錐体状突起部１０Ａが、ハフニウム部材５Ｕの両側の側面（外面）に接触する。錐体状突起部１０Ａは、シース４と一体となっている。制御棒１１Ａの他の構成は、実施例１の制御棒１１と同じである。

本実施例では、間隙保持部材がシース４に形成される錐体状突起部１０Ａであったが、ハフニウム部材５Ｕの両側の側面に複数の錐体状突起部を形成してこの突起部を間隙保持部材とする構成であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。ハフニウム部材５Ｕに突起部を設ける場合、この突起部は、本実施例と同様、仰角θが１１.３°以上である錐体状突起部となる。ハフニウム部材５Ｕに形成される錐体状突起部が、シース４の内側側面に接触する。

本実施例も、実施例１で生じる効果を得ることができる。

また、錐体と球体では断面形状が異なるが、球体に比べて、隙間奥行きの浅い地点での隙間幅が錐体状のほうが広いため、本実施例の場合、より隙間腐食を防止できる。

本発明の他の実施例である実施例３の制御棒を、図１０を用いて説明する。ＢＷＲに用いられる本実施例の制御棒１１Ｂは、実施例１の制御棒１１において、シース４に円形状の窪み部１０を形成する変わりに、不定形の突起部（間隙保持部材）１０Ｂをシース４に形成した構成を有する。間隙保持部が定形でない形状の場合、突起部１０Ｂとハフニウム部材５Ｕの間の距離（高さＨ）が０.２mm以下となる領域が、突起部１０Ｂとハフニウム部材５Ｕが接触する点から１.０mm以内の領域であることが必要となる。本実施例の不定形の突起部１０Ｂは、突起部１０Ｂとハフニウム部材５Ｕが接触する点から１.０mm以内の領域において、高さＨが０.２mm以下であり、かつ、突起部１０Ｂとハフニウム部材５Ｕの接触点から１.０mmより外側の領域において、高さＨが０.２mmより大きくなるような形状を有する。さらに、ハフニウム部材５Ｕとシース４の間に形成される間隙の幅Ｇが０.２mm＜Ｇ≦１.０mmを満足しなければならないため、接触点から１.０mmより外側の領域では、高さＨが１.０mmを満たすことが必要となる。従って、突起部１０Ｂとハフニウム部材５Ｕの接触点から１.０mmより外側の領域では、高さＨが０.２mm＜Ｈ≦１.０mmを満たすことが必要となる。

さらに、突起部１０Ｂとハフニウム部材５Ｕが接触する点から１.０mm以内の領域において、高さＨが、図８に示す腐食抑制制限領域となることが必要となる。つまり、接触点から１.０mm以内の領域において、高さＨが、半径ｒ＝２.５mmの円形突起部を有する場合の隙間幅ｈよりも広くなることが必要となる。これらの突起部１０Ｂはシース４の対向する側壁部にそれぞれ形成され、各側壁部に形成された突起部１０Ｂが、ハフニウム部材５Ｕの両側の側面（外面）にそれぞれ接触している。制御棒１１Ｂの他の構成は、実施例１の制御棒１１と同じである。

本実施例では、間隙保持部材がシース４に形成される不定形の突起部１０Ｂであったが、ハフニウム部材５Ｕの両側の側面に複数の不定形の突起部を形成してこの突起部を間隙保持部材とする構成であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。ハフニウム部材５Ｕに突起部を設ける場合、この突起部は、本実施例と同様、突起部１０Ｂとハフニウム部材５Ｕが接触する点から１.０mm以内の領域において、高さＨが０.２mm以下であり、突起部１０Ｂとハフニウム部材５Ｕの接触点から１.０mmより外側の領域において、高さＨが０.２mmより大きくなるような形状を有する。ハフニウム部材５Ｕに形成される突起部が、シース４に接触する。

本実施例も、実施例１で生じる効果を得ることができる。

本発明の他の実施例である実施例４の制御棒を、図１１を用いて説明する。ＢＷＲに用いられる本実施例の制御棒１１Ｃは、実施例１の制御棒１１において、シース４に円形状の窪み部１０を形成する代わりに、シース４とハフニウム部材５Ｕの間に複数の円形の棒部材（間隙保持部材）１０Ｃを設けた構成を有する。本実施例の棒部材１０Ｃは、その半径が０.１mm＜ｒ≦２.５mmの円柱状の棒材である。これらの棒部材１０Ｃはシース４の対向する側壁部にそれぞれ形成され、各側壁部に形成された棒部材１０Ｃが、ハフニウム部材５Ｕの両側の側面（外面）にそれぞれ接触している。制御棒１１Ｂの他の構成は、実施例１の制御棒１１と同じである。

本実施例では、間隙保持部材がシース４に形成された棒部材１０Ｃであるが、ハフニウム部材５Ｕの両側の側面に複数の棒部材を設け、この棒部材を間隙保持部材とする構成であっても、本実施例と同様の効果を得ることができる。この場合、ハフニウム部材５Ｕに設けられる棒部材が、シース４の内側側面に接触する。

本実施例も、実施例１で生じる効果を得ることができる。円柱状の棒部材１０Ｃをハフニウム部材５Ｕとシース４の間に配置しているので、棒部材１０Ｃがハフニウム部材５Ｕ及びシース４と接触する部分の面積が非常に小さくなる。円柱状の棒部材の代わりに球部材をハフニウム部材５Ｕとシース４の間に配置してもよい。

本発明の他の実施例である実施例５の制御棒を、図１３，図１４を用いて説明する。ＢＷＲに用いられる本実施例の制御棒１１Ｄは、実施例１の制御棒１１において、シース４に円形状の窪み部１０を形成する位置を、累積の中性子照射量が大きくなる長さの範囲とした構成を有する。

シース４の軸方向の全長をＬ₀、及びハフニウム部材５Ｕの上端から下方に向かう長さをＬａとしたとき、長さＬａはＬ₀／１０で表される。複数の窪み部１０は、シース４の軸方向においてハフニウム部材５Ｕの上端の位置と上端から下方に長さＬａ（＝Ｌ₀／１０）だけ下がった位置の間に形成されている。その長さＬａの範囲において、窪み部１０はシース４の一方の側壁部に軸方向に少なくとも１個形成される。例えば、窪み部１０を制御棒１１の軸方向において１個形成する場合には、その軸方向において、ハフニウム部材５の上端から下方に向かってＬａ／２の位置に配置することが望ましい。

累積の中性子照射量がもっとも大きくなる長さＬａの範囲に窪み部１０をシース４に形成するので、その範囲においてハフニウム部材５Ｕの両側でシース４との間に形成される各間隙の幅Ｇを、ＢＷＲの運転中、０.２mm＜Ｇ≦１.０mmに保持することができる。このため、開口９Ｕに向かう冷却水の流量が増大するので、冷却水に含まれる不純物及び腐食生成物がそれらの間隙内に堆積することを防止することができる。すなわち、間隙内の腐食環境が改善され、その範囲でのシース４の隙間腐食の発生が防止でき、シース４におけるひびの発生を防止することができる。

ハフニウム部材５Ｌの下端部においてハフニウム部材５Ｌとシース４との間に形成される間隙の幅Ｇが０.２mm以下になったとしても、その部分の累積中性子照射量が少ないので、その部分においてシース４にひびが発生することはない。

シース４の軸方向においてハフニウム部材５Ｕの上端の位置と上端から下方に長さＬａ（＝Ｌ₀／１０）だけ下がった位置よりも下方で、窪み部１０を軸方向に２箇所以上形成することによって、ハフニウム部材５Ｕの両側でシース４との間に形成される間隙、及びハフニウム部材５Ｌの両側でシース４との間に形成される間隙のそれぞれの幅を、軸方向の全ての位置で０.２mm＜Ｇ≦１.０mmに保持することができる。しかしながら、シース４の軸方向においてハフニウム部材５Ｕの上端から長さＬａの範囲に窪み部１０を形成しない場合には、その長さＬａの範囲でハフニウム部材５Ｕの少なくとも一方の側の間隙の幅Ｇが０.２mm以下になる可能性があり、シース４にひびが発生し易くなる。このため、その長さＬａの範囲においては、シース４のそれぞれの側壁にハフニウム部材５Ｕの両側面にそれぞれ接触する窪み部１０を形成する必要がある。

本実施例も、実施例１で生じる効果を得ることができる。

本発明の好適な一実施例である実施例１の制御棒の側面図である。制御棒のシース軸方向における中性子照射量の分布を示す特性図である。従来の制御棒の断面図である。シースを模擬した隙間腐食試験に関し、（ａ）が隙間腐食試験結果の一例を示す説明図であり、（ｂ）が隙間腐食試験に用いた試験片の模式図である。実施例１の制御棒に関し、（ａ）が図１のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）がシースの窪み部付近の拡大図である。シースを模擬した隙間腐食試験に関し、（ａ）が隙間腐食試験に用いた試験片の斜視図であり、（ｂ）がこの試験片をＡ方向から見た模式図である。実施例１におけるシースの窪み部の拡大図である。実施例１における隙間奥行き距離と隙間幅の関係を示す特性図である。本発明の他の実施例である実施例２のシースの突起部付近の拡大図である。本発明の他の実施例である実施例３のシースの突起部付近の拡大図である。本発明の他の実施例である実施例４のシースの突起部付近の拡大図である。シースを模擬した隙間腐食試験結果の一例であり、隙間奥行きと腐食発生頻度の関係を示す特性図である。本発明の他の実施例である実施例５の制御棒の断面図である。図１３の制御棒をＡ方向から見た断面図である。

符号の説明

１タイロッド
２ハンドル
３下部支持部材
４シース
５Ｕ，５Ｌハフニウム部材
６ピン
１０窪み部（間隙保持部材）
１０Ａ錐体状突起部（間隙保持部材）
１０Ｂ突起部（間隙保持部材）
１０Ｃ棒部材（間隙保持部材）
１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ制御棒
１２ブレード

Claims

タイロッドと、前記タイロッドの上部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの下端部に取り付けられた下部支持部材と、上端部が前記ハンドルに取り付けられ、下端部が前記下部支持部材に取り付けられ、さらに前記タイロッドに取り付けられ、かつ横断面がＵ字状をしていて前記タイロッドから四方に伸びる４つのシースと、それぞれのシース内に配置されたハフニウム部材を備え、
前記ハフニウム部材の両端と前記シースの内面との間に形成される各間隙の幅Ｇが０.２mm＜Ｇ≦１.０mmを満たすように、前記ハフニウム部材の両側面と前記シースの内側の間に配置される間隙部材を備え、
前記間隙部材は、前記シース又は前記ハフニウム部材の少なくとも一方に形成され、その先端部が０.１mm＜ｒ≦２.５mmを満たす半径ｒの円形状の突起部、又は前記シースと前記ハフニウム部材の間に設けられた、０.１mm＜ｒ≦２.５mmを満たす半径ｒの円柱状の棒部材であることを特徴とする制御棒。
前記シースに形成された突起部は、
前記ハフニウム部材と接触する点から１.０mm以内の領域では、前記ハフニウム部材との距離Ｈが２.０mm以下であり、前記ハフニウム部材との接触点から１.０mmより外側の領域では、前記ハフニウム部材との距離Ｈが０.２mm＜Ｈ≦１.０mmを満たすことを特徴とする請求項１に記載の制御棒。
前記ハフニウム部材に形成された突起部は、
前記シースと接触する点から１.０mm以内の領域では、前記シースとの距離Ｈが２.０mm以下であり、前記シースとの接触点から１.０mmより外側の領域では、前記シースとの距離Ｈが０.２mm＜Ｈ≦１.０mmを満たすことを特徴とする請求項１に記載の制御棒。
前記間隙部材は、前記シースの軸方向における前兆をＬ0としたとき、前記ハフニウム部材の上端の位置と、前記軸方向において前記ハフニウム部材の上端から下方に向かってＬ0／１０下がった位置との間に形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御棒。
前記ハフニウム部材は、扁平な筒状のハフニウム部材であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の制御棒。