JP5373512B2 - 原子炉用制御棒 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰水型原子炉（以下「ＢＷＲ」と記載）において、出力の制御や原子炉の停止を行うための制御棒に関する。

沸騰水型原子炉の制御棒は、炉心部に装荷された複数の燃料集合体の間に設けられ、制御棒を出し入れすることで、中性子の量を調整して核燃料物質の核分裂の数を制限し、原子炉出力を制御する。

ＢＷＲで用いられている制御棒は、水平断面が十字型をしており、ボロンカーバイト（以下「Ｂ_４Ｃ」と記載）やハフニウム（以下「Ｈｆ」と記載）等の中性子吸収材を充填した４枚の翼を有する。

図１５は、従来の制御棒の一例を示す。各翼55は、シース58に覆われた中性子吸収材56から構成される。中性子吸収材とシースの間には間隙が存在し、この間隙部に炉水が浸入することにより、隙間腐食が発生しやすくなる。さらに、溶接等による引張残留応力や中性子照射による材料の脆化が重畳すると、応力腐食割れが発生することもある。

特許文献１に記載された制御棒は、円形管外側の四隅に角部分を設けて外形をほぼ正方形にした管状部材の中に、中性子吸収材を封入した中性子吸収棒を並列させ、隣り合う角部分同士を溶接して、一枚の翼を構成している。この制御棒は、シースがないため、従来型の制御棒に比べて中性子吸収材の充填量を増加させることができ、かつ、制御棒構造の剛性を得ることができる。

また、特許文献２に記載された制御棒は、図１４に示すように、中性子吸収材を充填した円形管93を断面が角型をなす方形管94内に配置し、この方形管と方形管との間に中性子吸収材を充填した円形管93を更に配置し、短尺の結合部材91により方形管同士を結合して、1枚の翼を構成している。この構造によると、巨大地震の場合でも結合部材91に設けた応力開放部を選択的に破損させることができ、制御棒構造としての健全性を保つことが可能となる。

特開平１−２５４８９５号公報 特開２００８−２６１６７３号公報

特許文献１に記載の制御棒は、円形管外側の四隅に角部分を設け、外形をほぼ正方形にした管状部材に中性子吸収材を封入し、それを並列させて溶接することにより、制御棒の翼を構成する。このため、溶接の工数が増加し、製造コストが増加する。また、溶接による残留応力を適切に処理しなければ、応力腐食割れのリスクが高まる。

特許文献２に記載の制御棒は、シースに類する結合部材を有する。この結合部材は、角型の方形管同士を接続し、その間に中性子吸収材封入管を挟持する。結合部材及び中性子吸収材封入管は、炉水中に曝露される。また、角型の方形管内部に配置された中性子吸収材封入管も、方形管の上端部及び下端部から炉水が流入するため、結合材に挟持された部分と同様に炉水中に曝露される。

炉水中に曝露された翼の構成部分には間隙が存在し、そこから隙間腐食及び応力腐食割れが生じやすくなる。この対策として、炉水の通水性を確保するためのディンプルを設けているが、クラッドの堆積や隙間腐食の発生を完全に抑制することは難しい。また、方形管部は、翼を構成する強度部材の役割を担っており、制御棒の剛性を高めるためには十分な厚さを必要とするので、中性子吸収材を収納するスペースが減少して充填量が減少する。

本発明の目的は、間隙をなくし応力腐食割れの発生を抑制する、原子炉用制御棒を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明は、制御棒の各翼に間隙が存在しない構造になっているところを特徴とし、中性子吸収材を密閉封入した円形管を、異形管内に挿入して異形管を円形管の外側に密着させ、さらに、異形管の上部をハンドルで、下端部を下部支持部材で、それぞれ密閉して接合することにより、翼内部は炉水から完全に隔離され、BWRの運転中における制御棒の応力腐食割れの発生を抑制することが可能になる。

また、各翼は、中性子吸収材を封入した円形管の外側面と異形管を密着させずに、異形管の上部をハンドルで、下部を下部支持部材で、それぞれ密閉して接合することでも、上記した目的を達成することができる。

さらに、翼には、円形管と異形管を組み合わせて製造されたハニカムパイプと呼ばれる既製品を用いることも可能である。ハニカムパイプの異形管部内に配置された円形管部に中性子吸収材を封入し、上部をハンドルで、下部を下部支持部材で、それぞれ密閉して接合することでも、上記した目的を達成することができる。

さらに、制御棒の翼全長を少なくとも上部、中部および下部に分け、中性子吸収材を短尺の円形管に封入し、その短尺円形管を短尺の異形管内に挿入し、短尺異形管を短尺円形管の外側に密着もしくは密着させずに、異形管の両端部を密閉した翼ブロック、又は一端を密封した翼ブロック、又は両端が開放した翼ブロックを構成し、翼ブロック連結して翼を構成し、ハンドルと下部支持部材間に配置し、上端部はハンドル、および前記異形管の下端部は下部支持部材によってそれぞれを密閉して接合しても上記した目的を達成することができる。

なお、この翼ブロックを用いた構造とした場合には、中性子照射量が多く条件が厳しい制御棒上部には、Heを放出しないHfなどの中性子吸収材を用い、中性子照射量が少ない制御棒下部には、B₄Cなどの中性子吸収材を用いる、というように、中性子吸収材の種類や量さらにプレナムの寸法などを容易に変えることが可能となる。これにより、中性子吸収材の材料コストを抑えることが可能になる。

なお、接合には、例えば溶接などがある。

本発明によれば、間隙をなくし応力腐食割れの発生を抑制することが可能な原子炉用制御棒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の制御棒の模式図である。 中性子吸収材を封入した円形管を並列させて異形管内へ挿入する模式図である。 圧延により中性子吸収材を封入した円形管の外側面に異形管を密着させる際の模式図である。 プレスにより中性子吸収材を封入した円形管の外側面に異形管を密着させる際の模式図である。 引抜き加工により中性子吸収材を封入した円形管の外側面に異形管を密着させる際の模式図である。 圧延、プレス、引抜き加工等により中性子吸収材封入円形管の外側に異形管を密着させた翼部の模式図である。 図６に示す翼部のＡ−Ａ断面の模式図である。 中性子吸収材を封入した円形管の外側面に異形管を密着させない翼を用いた制御棒の模式図である。 円形管と異形管を組み合わせて製造されたハニカムパイプと呼ばれる既製品の正面図一例である。 中性子吸収材を封入した円形管の外側面に異形管を密着させた翼ブロックを用いた制御棒の模式図である。 中性子吸収材を封入した円形管の外側面に異形管を密着させない翼ブロックを用いた制御棒の模式図である。 翼ブロックの模式図である。 翼ブロックを連結して制御棒の翼を構成する際の模式図である。 特許文献２の翼部水平断面図である。 従来使用されている原子炉用制御棒の斜視図である。

次に本発明を実施するための形態である実施例について説明するが、本発明は、以下に説明する実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
本発明の好適な一実施例である制御棒を、図1から図7を用いて説明する。実施例１の制御棒1はBWRに用いられる。

制御棒1は水平断面が十字形をしており、軸心から四方に伸びる４枚の翼2を有する。図1は、４枚の翼2のうちの１枚を制御棒に取り付ける際の模式図を示している。各翼2にはハンドル3と下部支持部材4が、それぞれ取り付けられる。翼2の側面は、タイロッド5に断続的に又は全長にわたり溶接して取り付けられる。なお、図１には、断続的に溶接接合した例が示されている。

円形管12内に中性子吸収材11が密閉封入される（図２参照）。中性子吸収材11としては、粉末状B₄C、連通孔を有したB₄C焼結体又はHf等を用いる。中性子吸収材としてB₄Cを用いた場合、中性子吸収によりヘリウムガス（以下「He」と記載する。）を発生するため円形管12の内圧が増加する。一般に円形管12は、内圧に対する強度が高いことが知られており、中性子吸収材11の封入量を最適化することで、内圧による破損の可能性をなくすことが可能になる。

ハンドル3に近い円形管12上部では、中性子の照射量が多く、中性子吸収によるHeの発生量が多くなる。しかし、下部支持部材4に近い円形管12下部では、中性子の照射量が少ないため、Heの発生量も少ない。このことから、上部は中性子吸収材の密度を高くし、下部は密度を低くすることで、全体として均一の内圧分布にすることが可能になる。円形管内での内圧上昇や体積膨張が生じても、円形管自体が変形することがないように、プレナム寸法の設定には十分に注意することが好ましい。

翼2は、図２に示すように、異形管13内に中性子吸収材11を密閉封入した円形管12を並列させて挿入して構成される。この異形管13は、中性子吸収材を封入した円形管12の外側に密着させることで熱伝導性を高める。

図３〜５は、それぞれ異形管13を円形管12に密着させる方法を示す。図３は、圧延ロール31により異形管13を円形管12の外側面に密着させる方法を示した模式図である。この方法では、長尺の翼2を連続的に密着させることが可能となる。図４は、プレス成形により密着させる方法を示した模式図である。この方法では、プレス金型32のサイズにより密着させる範囲が固定されるが、図１１から１３に示す翼ブロック21、22および23の短尺異形管を短尺円形管に密着させるには有用である。

図５は、引抜き加工により異形管13の寸法を絞り、かつダイス33の形状を徐々に変えていくことで、異形管13が円形管12に密着する形状を段階的に得る方法を示した模式図である。圧延による方法と同様に、連続的に異形管13を円形管12に密着させ、長尺の翼2を得ることが可能である。図６は、異形管13を中性子吸収材封入円形管12に密着させた翼2の模式図を示す。図７は、図６のＡ−Ａ断面を示す。異形管13を円形管12に密着させることにより、熱伝導性を高めるだけでなく、円形管12の位置を拘束することも可能になる。

ハンドル3及び下部支持部材4の水平断面も十字形をしている。ハンドル3は、軸心から四方に向かって伸びており、図１に示すハンドル嵌め込み部6を有し、この部分を翼2の上部に嵌め込む。下部支持部材4も同様に、軸心から四方に向かって伸びており、下部支持部材嵌め込み部7を有し、この部分を翼2の下部に嵌め込み、密閉して接合する。このように翼2を形成することにより、翼2の内部を炉水から完全に水密空間とすることが可能になる。

制御棒1の上部は、中性子照射量が多く厳しい使用環境になり、溶接接合部には、高い信頼性が望まれる。ハンドル嵌め込み部6と翼2の上部を密閉して溶接接合させた後、熱間等方圧接合（以下「HIP接合」と記載）を用いることで、ハンドル嵌め込み部6及び異形管13が、また、異形管13及び円形管12が拡散接合し、接合部の高い信頼性と水密性を得ることが可能になる。このHIP接合は、翼2の上部だけでなく、下部支持部材嵌め込み部7と翼2の下部に対して行ってもよい。

円形管12の外側面に密着させるように異形管13を加工した密着部9、また、異形管と、ハンドル3、下部支持部材4及びタイロッド5との溶接接合した部分には、溶接による引張残留応力が存在するため、ウォータージェットピーニング（以下「ＷＪＰ」と記載）又はショットピーニング（以下「ＳＰ」と記載）等による圧縮応力の付与を行うことにより、応力状態を改善するのが好ましい。

［実施例２］
次に、実施例２の制御棒について、図８を参照して説明する。実施例２の制御棒1も、ＢＷＲに用いられる。

実施例２の制御棒は、中性子吸収材11を封入した円形管12が異形管13内に挿入された状態で、熱の伝導性が十分に良好である。ここでは、図８に示すように異形管13と円形管12は密着させずに異形管13の形状をそのままにして、ハンドル嵌め込み部6を翼2の上部に、下部支持部材嵌め込み部7を翼2の下部に、それぞれ嵌め込み、溶接で密閉接合することにより、翼2の内部を炉水から完全に水密空間にすることが可能になる。

この場合にも、異形管13と、ハンドル3、下部支持部材4及びタイロッド5との溶接接合した部分には、溶接による引張残留応力が残るため、ＷＪＰ又はＳＰ等により圧縮応力の付与を行って、応力状態を改善するのがよい。

［実施例３］
次に、実施例３に係る制御棒について、図９を参照して説明する。実施例３の制御棒も、ＢＷＲに用いられるものである。

実施例３では、円形管と異形管を組み合わせて製造したハニカムパイプ14と呼ばれる既製品を利用する例である。図９a）は異形管部42の形状が矩形、図９b)は異形管部42が楕円形状である。ハニカムパイプ14の円形管部41に中性子吸収材11を封入し、中性子吸収材11を封入した円形管部41に異形管部42を図３、４及び５に示すような方法で密着させる。このハニカムパイプ14の上部にハンドル嵌め込み部6を、下部に下部支持部材嵌め込み部7を、それぞれ嵌め込み溶接で密閉接合して翼2を形成することにより、翼2の内部を炉水から完全に水密空間にすることが可能になる。

この場合も、円形管部41の外側面に密着させるように異形管部42を加工した密着部9、また、異形管部42と、ハンドル3、下部支持部材4及びタイロッド5と溶接接合した部分には、溶接による引張残留応力が存在するので、WJPやSP等による圧縮応力の付与を行って応力状態を改善するのがよい。

同様に、ハニカムパイプ14の円形管部41に中性子吸収材11を封入し、中性子吸収材11を封入した円形管部41が異形管部42内に配置された状態で、熱の伝導性が十分に良好である場合には、異形管部42は、中性子吸収材11を封入した円形管部41に密着することなく、ハンドル嵌め込み部6をハニカムパイプ14の上部に、下部支持部材嵌め込み部7をハニカムパイプ14の下部に、それぞれ嵌め込み溶接で密閉接合して翼2を形成することにより、翼2の内部を炉水から完全に水密空間にすることが可能になる。

この場合にも、異形管と、ハンドル3、下部支持部材4及びタイロッド5と溶接接合した部分には、溶接による引張残留応力が存在するので、WJPやSP等による圧縮応力の付与を行って応力状態を改善するのが好ましい。

［実施例４］
実施例４の制御棒について、図１０から図１３を用いて説明する。実施例４の制御棒についても、BWRに用いられるものである。

実施例１から実施例３では、制御棒の４枚の各翼が全長にわたり１枚であるが、実施例４では、１枚の翼の全長が、少なくとも上部、中部及び下部に分割された構造のものとなっている。中性子吸収材11を封入した短尺円形管15を短尺異形管16内に挿入し、短尺円形管15の外面へ短尺異形管16を密着させる。その後、異形管上端部及び下端部を封止して密封翼ブロック21aを製造し、このブロックを、図１０に示すように、ハンドル3と下部支持構造4の間に配置し、それぞれ溶接で密閉接合して翼全長を構成する。

ここでは、例えば、図１２ａ）に示すように異形管底部連結部材24により異形管の一端のみを封止した一端密封翼ブロック22aを製造すると共に、及び異形管底部連結部材24を用いないで両端が開放した翼ブロック23aの２種類のブロックを製造するようにしてもよい。そして、図１３ａ）に示すように、上部及び中部に一端密封翼ブロック22aを、下部に両端開放翼ブロック23aを用いて溶接で密着接合して連結させ、ハンドル3と下部支持部材4の間で、ハンドル嵌め込み部6及び下部支持部材嵌め込み部7を、それぞれ上下から嵌め込み密閉接合して、翼全長を構成することにより、翼2の内部を炉水から完全に水密空間にすることが可能になる。

上記の場合にも、中性子吸収材11を封入した短尺円形管15を短尺異形管16内に挿入しただけで熱の伝導性が良好な場合には、短尺円形管15の外面へ短尺異形管16を密着させることなく、上記した場合と同様の作業を行って、翼2の内部を炉水から完全に水密空間にすることが可能である。図１１及び図１３ｂ）は、この場合の様子を示している。

なお、上記の翼ブロックを用いる場合では、中性子照射量が多く照射条件が厳しい制御棒上部のブロックと、照射量が少なく条件が緩い制御棒下部のブロックで、中性子吸収材の種類と量、更にプレナムの寸法を調整することが可能となり、中性子吸収材の効果的な配置が容易化されると共に、材料コストの低下を図ることができる。

また、翼ブロックを用いた場合にも、短尺円形管15の外側面に密着させるように加工した短尺異形管16の密着部9、更にハンドル3、下部支持部材4、タイロッド5及び翼ブロック21 、22 、23を溶接接合した連結部等の引張残留応力が存在する領域に、WJPやSPなどによる圧縮応力の付与を行い、応力状態を改善することが好ましい。

本発明は、BWR用の制御棒に適用することができる。

1…制御棒、2…翼、3…ハンドル、4…下部支持部材、5…タイロッド、6…ハンドル嵌め込み部、7…下部支持部材嵌め込み部、8…溶接部、9…密着部、11…中性子吸収材、12…円形管、13…異形管、14…ハニカムパイプ、15…短尺円形管、16…短尺異形管、21…両端密閉翼ブロック、22a,22b…一端密閉翼ブロック、23a,23b…両端開放翼ブロック、24…翼ブロック底部連結部材、31…圧延ロール、32…金型、33…ダイス、41…円形管部、42…異形管部、51…従来型制御棒、52…タイロッド、53…ハンドル、54…下部支持部材、55…翼、56…板状中性子吸収材、57…冷却孔、58…シース、91…結合部材、92…センタポスト、93…円形管、94…方形管

Claims (12)

1. 制御棒軸心から四方に伸びる４枚の翼と、前記翼の上端部に取り付けられたハンドルと、前記翼の下端部に取り付けられた下部支持部材と、を有する制御棒において、
   前記各翼は、
   中性子吸収材を密閉封入し、前記中性子吸収材による中性子吸収で発生したＨｅガスによる内圧の増大に対して十分な強度を備える円形管と、
   前記円形管を並列に配置した円形管群の外側に密着して前記円形管群を囲う異形管と、を備えて、
   前記異形管の上端部は前記ハンドルに、前記異形管の下端部は前記下部支持部材に、それぞれ翼内部を炉水から水密となるように接合されており、
   前記円形管及び前記異形管は、予め組み合わせて製作された既製品であるハニカムパイプであることを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 制御棒軸心から四方に伸びる４枚の翼と、前記翼の上端部に取り付けられたハンドルと、前記翼の下端部に取り付けられた下部支持部材と、を有する制御棒において、
   前記各翼は、
   中性子吸収材を密閉封入し、前記中性子吸収材による中性子吸収で発生したＨｅガスによる内圧の増大に対して十分な強度を備える円形管と、
   前記円形管を並列に配置した円形管群の外側に密着しない状態で前記円形管群を囲う異形管と、を備えて、
   前記異形管の上端部は前記ハンドルに、前記異形管の下端部は前記下部支持部材に、それぞれ翼内部を炉水から水密となるように接合されており、
   前記円形管及び前記異形管は、予め組み合わせて製作された既製品であるハニカムパイプであることを特徴とする原子炉用制御棒。
3. 請求項１又は２に記載された原子炉用制御棒において、
   前記各翼は、縦方向に複数個の分割された翼ブロックから構成され、
   前記各翼ブロックは、前記円形管と前記異形管とを備えて、
   前記異形管の上端部は、前記翼ブロックの最上段の前記異形管の上端部であり、前記異形管の下端部は、前記翼ブロックの最下段の前記異形管の下端部であることを特徴とする原子炉用制御棒。
4. 請求項１又は２に記載された原子炉用制御棒において、
   前記各翼は、少なくとも縦方向に上段、中段、下段の翼ブロックから構成されていることを特徴とする原子炉用制御棒。
5. 請求項１又は２に記載された原子炉用制御棒において、
   前記各翼は、両端を密閉した翼ブロック又は一端を密閉した翼ブロック又は両端を開放した翼ブロックを組み合わせて構成されていることを特徴とする原子炉用制御棒。
6. 請求項３から５のいずれかに記載された原子炉用制御棒において、
   前記各翼は、縦方向に配置された前記翼ブロック内の円形管に封入する前記中性子吸収材の種類若しくは量又はプレナムの寸法を中性子照射量に合わせて調整した翼ブロックから構成されていることを特徴とする原子炉用制御棒。
7. 請求項１又は２に記載された原子炉用制御棒において、
   前記円形管自体が、中性子吸収材から構成されていることを特徴とする原子炉用制御棒。
8. 請求項１又は２に記載された原子炉用制御棒において、
   前記円形管の素材は、ハフニウム基合金若しくはガドリニウム基合金又はカドミウム基合金であることを特徴とする原子炉用制御棒。
9. 請求項１に記載された原子炉用制御棒において、
   前記円形管群の外側面に前記異形管が密着した状態は、プレス成形、圧延、引抜きのいずれかの手段により加工されたものであることを特徴とする原子炉用制御棒。
10. 請求項１又は２に記載された原子炉用制御棒において、
    前記ハンドルの嵌め込み部と前記各翼の上端部および下部支持部材嵌め込み部と前記各翼部の下端部の取付けは、熱間等方圧接合を適用することにより、前記嵌め込み部及び前記異形管が、また、前記異形管及び前記円形管が拡散結合していることを特徴とする原子炉用制御棒。
11. 請求項１又は２に記載された原子炉用制御棒において、
    前記制御棒が完成した後、ウォータージェットピーニング又はショットピーニングを適用して、前記原子炉制御棒の製造の際の溶接部又は加工部に圧縮残留応力が付与されていることを特徴とする原子炉用制御棒。
12. 請求項１又は２に記載された原子炉用制御棒において、
    前記中性子吸収材に、粉末状Ｂ_４Ｃ、連通孔を有したＢ_４Ｃ焼結体又はＨｆを用いていることを特徴とする原子炉用制御棒。

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