JP5762721B2 - 原子炉用制御棒の表面処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉用制御棒の製造工程に生じた残留応力を改善するための表面処理技術に関する。

原子炉用制御棒は、中性子吸収材を内部配置した細長いＵ字形状のブレードが十字型に形成され、原子炉の出力分布の調整および炉心反応度の制御を行うものである。
このブレードには、ステンレス鋼薄板を曲げ加工しさらに溶接する製造プロセスにおいて、引張残留応力が発生する。そして、炉水環境内においてこの引張残留応力が、ブレードに応力腐食割れを生じさせる懸念があり、この引張残留応力を改善する要請がある。
そのような引張残留応力を改善する方法として、研磨材が塗布された工具を回転させ押付けることで表面に塑性変形を起こし、引張残留応力を圧縮応力に改善する方法が知られている（例えば、特許文献１，２）。

特開平８−１７４４２２号公報 特開２００７−１７８１５７号公報

ところで、磨き施工後の表面粗さと残留応力との間には、有意な相関関係の存在することが知られている。一方、前記した引張残留応力の改善作業は、全て手作業で行われていることを鑑みると、引張残留応力を全体にわたり均一に改善させることは困難といえる。特に制御棒のブレードのＵ字形状のＲ部への均一な磨き施工は困難であるといえる。
よって従来において、制御棒における引張残留応力の改善品質は、作業者の技量の熟練度に依存せざるをえない課題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、均一な磨き施工が困難な構造を有する原子炉用制御棒に対し、自動化した表面処理技術を提供することを目的とする。

原子炉用制御棒の表面処理装置において、回転する研磨材を装着したツールと、原子炉用制御棒の表面に当接する前記研磨材の当接力を検知する検知手段と、前記当接力が所定範囲となるようにかつ前記ツールが前記表面を走査するように、前記検知手段の固定される架台を移動させる表面走査手段と、前記検知手段に設けられこの検知手段に対して前記ツールを着脱自在に連結する連結部と、前記原子炉用制御棒の平坦部用の研磨材を装着した前記ツール及びそのＲ部用の研磨材を装着した前記ツールの載置台と、制御棒の平坦部を前記平坦部用の研磨材で研磨した後に前記ツールを前記載置台に移動させ、前記ツールを前記Ｒ部用の研磨材を装着したものに交換するように前記連結部を動作させ、制御棒のＲ部を研磨するように前記表面走査手段を動作させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、均一な磨き施工が困難な構造を有する原子炉用制御棒に対し、自動化した表面処理技術が提供される。

本発明に係る原子炉用制御棒の表面処理装置の実施形態を示す構成図。 実施形態において当接力を検知する原理の説明図。 （Ａ）〜（Ｃ）は実施形態に係る原子炉用制御棒の表面処理装置の動作説明図。 （Ｄ）〜（Ｆ）は実施形態に係る原子炉用制御棒の表面処理装置の動作説明図。 実施形態に係る原子炉用制御棒の表面処理装置の制御を示すフローチャート。 （Ａ）は装着される研磨材の他の実施形態を示す側面図、（Ｂ）は図６（Ａ）のＢ−Ｂ断面を示す断面図、（Ｃ）は偏心機能を施した研磨材の側面図、（Ｄ）は図６（Ｃ）のＤ−Ｄ断面を示す断面図。 （Ａ）は原子炉用制御棒の斜視図、（Ｂ）はブレードの断面図、（Ｃ）はブレード面に対する研磨材の軌跡の説明図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、図７を参照して、本発明が適用される原子炉用制御棒の説明を行う。図７（Ａ）に示すように、原子炉用制御棒４０（以下、単に「制御棒４０」ともいう）は、軸心部となるタイロッド４１から、断面十字型になるようにブレード４２が形成されている。そして、図７（Ｂ）の断面図に示されるように、ブレード４２は、ステンレス鋼板をＵ字形状にしたシース４３の末端が、タイロッド４１に溶接されるとともに、その内部に複数の中性子吸収材４４が配置されている。

なお、制御棒４０は、表面処理を施すのに際し、その長手方向の両端をクランプするクランプ装置（図示略）に保持される。そして、このクランプ装置は、タイロッド４１を中心に任意の角度に回転させ、表面処理装置１０に対向するブレード４２の面を切り替えることができる。

図１に示すように、原子炉用制御棒の表面処理装置１０（以下、単に「装置１０」という）は、回転する研磨材３５を装着したツール３０と、原子炉用制御棒４０（図７）の表面に当接する研磨材３５の当接力を検知する検知手段２０と、前記当接力が所定範囲になるようにツール３０をその表面に走査させる架台１１と、を備えている。
そして、連結部１２は、検知手段２０及びツール３０を着脱自在に連結している。

検知手段２０は、ツール３０を支持する支持部材２２と、架台１１に対する支持部材２２の変位を一方向に規制する規制部材２１と、支持部材２２及び架台１１を弾性的に結合する弾性部材２４と、弾性部材２４の付勢力ΔＷ又は変形量ΔＹを当接力として検出する検出器２３と、を有している。
ここで、検出器２３は、具体的には、弾性部材２４の付勢力ΔＷを検出するロードセル又は、弾性部材２４の変形量ΔＹを検出する変位センサである。
また、弾性部材２４には、研磨材３５の回転振動により励振しないように、図示略のダンパー機能が付与されている。

ここで、図２を参照して装置１０における研磨材３５の当接力を検知する原理を説明する。
研磨材３５が制御棒４０に当接していない状態（図１の実線部及び図２の一点鎖線部）を原点にとった場合、この研磨材３５が制御棒４０に当接することで発生した弾性部材２４の付勢力ΔＷ又は変形量ΔＹは、この弾性部材２４の弾性係数ｋとして、次式の関係を示す。
ΔＷ＝ｋ・ΔＹ （１）

ここで、図２中、下方向に作用する付勢力ΔＷは、制御棒４０に対する研磨材３５からの当接力に相当する。従って、研磨材３５の当接力は、弾性部材２４の付勢力ΔＷを検出することにより導くことができ、又は変形量ΔＹを検出し上記式（１）から導くこともできる。そして、研磨材３５の当接力を調整しようとする場合は、制御棒４０の表面と架台１１との間隔を調整することにより行うことができる。

ツール３０は、図１に示すように、Ｚ軸回りに研磨材３５を支持する筐体３１に、モータ３２が固定されている。そして、このモータ３２の回転動力は、伝達ベルト３３を介して、プーリ３４に伝達され、このプーリ３４と同軸に設けられる研磨材３５を回転させる。
ここでモータ３２は、研磨材３５に付与する当接力が変動しても、その回転数が設定値になるように等速回転制御されるものである。

研磨材３５は、肉厚な円形ディスク形状を有し、そのセンター穴に、プーリ３４と一体形成された軸体（図示略）を貫通させ固定されている。この研磨材３５は、弾性のある不織布構造の合成繊維に砥粒を付着させたものであり、例えば、３Ｍ社製のスコッチ・ブライト（登録商標）ＣＮＳ製品を好適に用いることができる。
回転する研磨材３５の外周面を、制御棒４０の表面に押し当てながら移動させると、引張残留応力が圧縮応力に改善されることになる。

研磨材３５は、研磨対象（例えば制御棒の平坦部及びＲ部）によって研磨条件が変化するために、使い分けることが好ましい。また、研磨材３５の回転数は、研磨面の品質を大きく左右する因子であるので、一定範囲内の変動は許容するが、ある許容値以上の変動が生じた場合には自動的に研磨施工を中断させることが望ましい。

表面走査手段１３は、制御棒の近傍空間の任意の位置に任意の角度で架台１１を設定することができ、設定した二点間において架台１１を等速直線移動させることができるものである。さらに、表面走査手段１３は、そのように設定した二点間を等速直線移動する過程において、後記する制御手段１４の指令に従って、制御棒４０の表面と架台１１との間隔を調整しながら移動できるようになっている。
表面走査手段１３は、具体的には、多間接型のマニュピュレータ等で実現することができるが、これに限定されることはない。

図７（Ｃ）を参照して、ブレード４２面を走査する研磨材の軌跡を説明する。
このように架台１１（図１）は、制御棒４０の表面を研磨材３５が、軸心部からブレード先端部に向かう方向を往復するように走査される（適宜、図３（Ａ）（Ｂ）参照）。そして研磨材３５は、軸心方向にスライドして、再び軸心部からブレード先端部に向かう方向を往復する。このように、架台１１の往復により形成される研磨領域ｃ１，ｃ２，ｃ３が、前回の往復による研磨領域と重なり代を有するように、研磨材３５の軸心方向のスライド幅が決定される。

制御棒４０の表面に存在する引張残留応力は、軸心方向に沿って線状に連なる傾向にある。このために、その線状の方向に、研磨材３５の回転軸の方向をあわせ、その線状の垂直方向に架台１１を往復させて研磨施工を行う。
なお、重なり代量の決定は、ツール３０の先端に取付けられた画像センシング機構（図示略）により、研磨面表面の反射光の光度の差異によって研磨領域ｃ１，ｃ２，ｃ３を自動認識することにより行われる。そして、重なり代を必要最低限にすることで研磨施工を効率よく実施することができる。

制御手段１４は、研磨材３５の回転数をモータ３２に指示したり、設定された研磨材３５の移動速度、当接力、磨き方向及び磨き回数に従って架台１１の表面走査手段１３を動作させたり、検知手段２０からの信号（付勢力ΔＷ又は変形量ΔＹ）に基づいて架台１１の軌道を修正したり、連結部１２における検知手段２０及びツール３０を着脱する指示をしたりするものである。

また、制御手段１４は、走査した架台１１の位置情報を記憶する記憶手段と、過去の位置情報及び現在の位置情報を対比して研磨材３５の磨耗量を演算する演算手段とを有し、前記演算結果に基づいて研磨材３５の回転数を変更し周速度を制御する機能を有している。さらに、前記磨耗量が規定値を超えたところでツール３０を交換する命令を表面走査手段１３に指令する機能を有している。

つまり、研磨材３５が磨耗した場合、磨耗前の状態に比べて減少半径分だけ架台１１の位置が制御棒４０の表面に近接することになる。この減少半径分は、磨耗前の架台１１の位置情報と、磨耗後の架台１１の位置情報とから導くことができる。もしくは、研磨材３５の減少半径を、ツール３０に設けた距離センサ（図示略）により直接検出することもできる。

また、研磨材３５が磨耗すると、回転数が一定の状況下では、研磨材３５の周速度が減少するが、研磨面の均一性を維持する観点からは、この周速度が一定であることが望まれる。そこで、この研磨材３５の減少半径分に対応して、モータ３２の回転数を増加させる制御を行うことができる。
また、減少半径が規定値を超えたところで、研磨材３５の寿命が尽きたことを判断し、交換のタイミングを見極めることができる。

図３（Ａ）〜（Ｃ）及び図４（Ｅ）（Ｆ）に示すように、制御棒４０の平坦部及びＲ部を研磨する場合は、それぞれ別々の研磨材３５（３５Ａ，３５Ｂ）を用いる。
これは平坦部とＲ部では研磨材３５の接触面積が異なるため同一の当接力であっても均一な研磨にならないからである。そこで平坦部からＲ部に研磨領域が変化する際に、自動的に研磨材種類を交換し、研磨材３５の回転半径を変えて均一な当接力による研磨施工が可能となる。

図４（Ｄ）に示すように、載置台３６には、制御棒の平坦部用の研磨材３５Ａを装着したツール３０Ａ及びそのＲ部用の研磨材３５Ｂを装着したツール３０Ｂが載置される。その他、寿命が尽きた研磨材３５を交換するためのツール３０も載置されている。
平坦部と曲線部との境界部分の検出は、レーザ位置検出センサ等により、研磨施工対象物の形状を事前センシングにより認識して行える。このように、境界部分の識別を自動で実施することにより、研磨材の交換や種類の選別を自動的に行うことができる。

図５のフローチャートを参照して装置１０の制御動作を説明する。
まず、制御手段１４は、表面走査手段１３の走査プログラムをロードし（Ｓ１１）、さらに選択された研磨材３５の当接力の設定値をロードする（Ｓ１２）。そして、この走査プログラムを実行して（Ｓ１３）、この選択された研磨材３５が対象とする研磨領域（制御棒の平坦部）の研磨を開始する（Ｓ１４：Ｎｏ）。

そして、検知手段２０が出力する当接力に係る信号（付勢力ΔＷ又は変形量ΔＹ）が、許容範囲内である場合は（Ｓ１５：Ｎｏ）、走査プログラムに従って架台１１は制御棒４０の表面との間隔を維持したまま走査される（Ｓ１３，Ｓ１４：Ｎｏ）。そして、許容範囲から外れた場合は（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、許容範囲内になるように、架台１１と制御棒４０の表面との間隔が調整され（Ｓ１６）、調整後の位置情報を記憶する（Ｓ１７）。

なお、架台１１と制御棒４０の表面との間隔の調整量は、研磨材３５の摩滅量と関連しているので、研磨材３５の周速度が一定になるようにその回転速度を設定し直す（Ｓ１８）。このようにして、選択された研磨材３５が対象とする研磨領域の研磨を継続しつつ（Ｓ１９：Ｎｏ）、間隔の調整量が大きくなって許容範囲外となった場合は、研磨材３５の寿命が尽きたとしてツール３０を交換する（Ｓ２０）。

そして、選択された研磨材３５が対象とする研磨領域（制御棒の平坦部）の研磨を終了した場合は（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、次に制御棒のＲ部を研磨するためのツール３０に交換し（Ｓ２１：Ｎｏ，Ｓ２２）、Ｓ１２からＳ２１までのフローを繰り返す。そして、制御棒の全領域の研磨が終了したところでプログラムを終了させる（Ｓ２１：Ｙｅｓ）。

図６を参照して装着される研磨材の他の実施形態を説明する。
ツール３０（図１）においては、回転軸３７に対し複数の研磨材３５を積層して装着することができる。これにより、架台１１の走査距離を短縮して、制御棒の表面処理を効率化することができる。

しかし、研磨材３５を積層体で構成した場合、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、各研磨材３５の径のばらつきにより、積層体の周面において段差が生じる場合がある。
このような、段差の存在をそのままにすると、制御棒の表面に研磨ムラを生じさせ、研磨品質の低下につながる。

そこで、図６（Ｃ）（Ｄ）に示すように、偏心手段３８により研磨材３５の各々を偏心させ、このような段差の無い部分が形成されるようにした。このように、研磨材３５の積層体の少なくとも一部分において、段差を解消することにより、制御棒の表面の研磨ムラが相当解消されることが明らかになっている。

このような段差の存在を認識するために、当接面から研磨材３５の各々に付与される反力をそれぞれ個別に検出するセンサを設けることが考えられる。そして、この個別のセンサから出力される荷重値が均一になるように偏心手段３８を調整する。

本発明は前記した実施形態に限定されるものでなく、共通する技術思想の範囲内において、適宜変形して実施することができる。
例えば、表面処理装置は、コンピュータによって各手段を各機能プログラムとして実現することも可能であり、各機能プログラムを結合して表面処理プログラムとして動作させることも可能である。

１０…表面処理装置、１１…架台、１２…連結部、１３…表面走査手段、１４…制御手段、２０…検知手段、２１…規制部材、２２…支持部材、２３…検出器、２４…弾性部材、３０，３０Ａ，３０Ｂ…ツール、３１…筐体、３２…モータ、３３…伝達ベルト、３４…プーリ、３５，３５Ａ，３５Ｂ…研磨材、３６…載置台、３７…回転軸、３８…偏心手段、４０…原子炉用制御棒、４１…タイロッド、４２…ブレード、４３…シース、４４…中性子吸収材、ｃ１，ｃ２，ｃ３…研磨領域、ΔＹ…変形量、ΔＷ…付勢力。

Claims (6)

1. 回転する研磨材を装着したツールと、
   原子炉用制御棒の表面に当接する前記研磨材の当接力を検知する検知手段と、
   前記当接力が所定範囲となるようにかつ前記ツールが前記表面を走査するように、前記検知手段の固定される架台を移動させる表面走査手段と、
   前記検知手段に設けられこの検知手段に対して前記ツールを着脱自在に連結する連結部と、
   前記原子炉用制御棒の平坦部用の研磨材を装着した前記ツール及びそのＲ部用の研磨材を装着した前記ツールの載置台と、
   制御棒の平坦部を前記平坦部用の研磨材で研磨した後に前記ツールを前記載置台に移動させ、前記ツールを前記Ｒ部用の研磨材を装着したものに交換するように前記連結部を動作させ、制御棒のＲ部を研磨するように前記表面走査手段を動作させる制御手段と、を備えることを特徴とする原子炉用制御棒の表面処理装置。
2. 請求項１に記載の原子炉用制御棒の表面処理装置において、
   前記検知手段は、
   前記ツールを支持する支持部材と、
   前記架台に対する前記支持部材の変位を一方向に規制する規制部材と、
   前記支持部材及び前記架台を弾性的に結合する弾性部材と、
   前記弾性部材の付勢力又は変形量を前記当接力として検出する検出器と、を有することを特徴とする原子炉用制御棒の表面処理装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の原子炉用制御棒の表面処理装置において、
   前記走査した架台の位置情報を記憶する記憶手段と、
   過去の位置情報及び現在の位置情報を対比して前記研磨材の磨耗量を演算する演算手段と、を備え、
   前記演算結果に基づいて前記研磨材の回転数を変更し周速度を制御することを特徴とする原子炉用制御棒の表面処理装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の原子炉用制御棒の表面処理装置において、
   前記走査した架台の位置情報を記憶する記憶手段と、
   過去の位置情報及び現在の位置情報を対比して前記研磨材の磨耗量を演算する演算手段と、を備え、
   前記磨耗量が規定値を超えたところで前記ツールを交換することを特徴とする原子炉用制御棒の表面処理装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の原子炉用制御棒の表面処理装置において、
   前記ツールは、
   複数の研磨材を積層して装着し、
   この積層体の周面において段差の無い部分が形成されるように前記研磨材の各々を偏心させる偏心手段を有することを特徴とする原子炉用制御棒の表面処理装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の原子炉用制御棒の表面処理装置において、
   前記架台は、原子炉用制御棒の表面を前記研磨材が、軸心部からブレード先端部に向かう方向を往復するように走査され、
   この往復による研磨領域が前回の往復による研磨領域と重なり代を有することを特徴とする原子炉用制御棒の表面処理装置。

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