JP6059107B2 - 原子炉用制御棒の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉用制御棒の製造方法に係わり、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な原子炉用制御棒の製造方法に関する。

沸騰水型原子炉に用いられる原子炉用制御棒は、横断面が十字形をしており、原子炉の運転中において燃料集合体が装荷された炉心に出し入れされて原子炉出力を制御する。原子炉用制御棒は、運転サイクルの末期には炉心から全て引抜かれる。

特許文献１に原子炉用制御棒の一例が記載されている。この原子炉用制御棒は、シース内側に中性子吸収材である扁平なハフニウム筒状体を配置しブレードを構成している。２本のハフニウム筒状体が原子炉用制御棒の軸方向に設けられている。特許文献１において、ハンドルがタイロッドの上端部に取り付けられ、下部支持部材が下端部に取り付けられている。ハンドルは、ハンドル本体およびハンドル本体から下方に向かって伸びる上部舌状部を有する。また、下部支持部材は、下部支持部材本体および下部支持部材本体から上方に向かって伸びる下部舌状部を有する。ハンドル、タイロッドおよび下部支持部材の集合体をフレームと称する。

ハンドルの上部舌状部が上部ハフニウム筒状体の上端部に挿入され、上部ハフニウム筒状体がハンドルに固定される。また、下部支持部材の下部舌状部が下部ハフニウム筒状体の下端部に挿入され、下部ハフニウム筒状体が下部支持部材に固定される。上部舌状部に取り付けられた複数の上部ハフニウム筒状体、および下部舌状部に取り付けられた複数の下部ハフニウム筒状体が、横断面がＵ字状であるステンレス鋼製のシース内に挿入される。その後、シースの上端、下端および側端が、ハンドル、下部支持部材およびタイロッドにそれぞれ溶接される。シースの側端部には原子炉用制御棒の軸方向に複数の突出部（タブ）が形成されており、これらのタブがタイロッドに溶接される。シースおよび複数のハフニウム筒状体で１つのブレードが形成され、原子炉用制御棒はタイロッドから四方に伸びる４枚のブレードを有する。

従来のタイロッドとシースの溶接方法を図６に示す。図６はブレードのシース外側から溶接施工する方法を示す模式図である。本溶接方法は、Ｕ字状シースの両側端部に設けられたタブがタイロッド軸方向の同じ位置に設けられた従来の原子炉用制御棒の製造に適用されてきた。図６に示した溶接はレーザー溶接を示しており、図示していないレーザー溶接装置から光ファイバケーブル１８を介してレーザー溶接トーチ１７からレーザービーム１６が出射されてタイロッド２の開先に支持されたシース４のタブ１２Ａをタイロッド２に溶接する。溶接部１５には図示していないフィラーワイヤー供給装置からワイヤ状の溶加材が加えられる。

溶接部１５はシース４外側のレーザービーム照射面からシースおよびタイロッド内側に拡がる。溶接部１５がシース４の厚さを貫通するとタイロッド２とシース４の接合部のシース内側には裏波１９Ａが形成される。

溶接部１５の温度はシース内側の裏波１９Ａ側よりもレーザービーム１６を照射したシース外側の方が高い。そのため、レーザービーム１６を照射したシース外側では融合不良のような溶接欠陥の発生は見られない。一方、タブ１２Ａにおいて、レーザービーム照射面と反対側の裏波１９Ａでは、裏波１９Ａの幅はレーザービーム１６を照射したシース外側の溶接部の幅よりも狭い。裏波１９Ａの幅を大きくする場合には溶融領域を大きくすれば良いが、シース４の厚さはタイロッド２と比較すると薄いため、溶融領域の増大に伴いタブの溶融が起こり得るため、溶接施工条件を正確に管理する必要がある。

特開平９−６１５７６号公報

特許文献１に記載された原子炉用制御棒では、シースの側端部に形成された複数の突出部からなるタブとタイロッドが溶接により接合される。シースのタブとタイロッドの溶接部において、入熱した側の反対側に形成される溶接部領域は裏波と呼ばれる。

特許文献１に記載された原子炉用制御棒では、シースに設けられたタブはブレードの両面で軸方向に同じ位置に配置されている。そのため、シースに設けられたタブとタイロッドとの溶接は、ブレードのシース外側から入熱して実施される。

一般に、シースとタイロッドの溶接部では、シースとタイロッドが互いに完全に溶融され一体化して接合される。原子炉用制御棒の品質の信頼性を確保するためには、ブレード内部に形成されるシースに設けられたタブとタイロッドとの溶接部に未溶着などの欠陥がないことが好ましい。従来の原子炉用制御棒では溶接部の裏波はシース内側に形成され、溶接後にシースによって遮られて外観観察などの検査を行うことができない。また、裏波の形成はブレードの外側から管理する溶接条件で形成される。ブレードの外側からの溶接入熱では、溶接中の溶接部温度は入熱を受ける外側が内側と比較すると高温になるため外側は十分に溶融することができる。一方、内側に完全な裏波を形成させるためには溶接施工条件の管理が必要である。

原子炉用制御棒では、シース端部に設けたタブとタイロッドの溶接部においてブレード内側に未溶着部がある場合にはその部分が隙間環境となり、さらに溶接による引張残留応力と原子炉内における中性子照射により応力腐食割れが発生する場合がある。タイロッドとタブのシース内側の接合部において、未溶着のような溶接欠陥を発生させない製造方法の製造方法を適用した原子炉用制御棒の提供が課題とされている。

本発明の目的は、タイロッドとタブのシース内側の接合部において、未溶着のような溶接欠陥を発生させない製造方法の製造方法を適用した原子炉用制御棒を提供することにある。

本発明は、タイロッドと、タイロッドの一端部に取り付けられたハンドルと、タイロッドの他端部に取り付けられた下部支持部材と、Ｕ字状横断面を有し両側端部がタイロッドに接合され上端部がハンドルに接合され下端部が下部支持部材に接合されてタイロッドから四方に伸びている複数のシースと、シース内に配置された中性子吸収部材とを有するブレードとを備えた原子炉用制御棒において、シースの両側端部のうちの一つの側端部である第１側端部にタイロッドに向かって突出した複数の第１突出部が形成され、シースの他の側端部である第２側端部にタイロッドに向かって突出した複数の第２突出部が形成され、第１突出部は第２突出部に対してタイロッド軸方向に互いにずれて配置され、第１突出部とタイロッドの第１溶接部の裏面が、タイロッドと第２側端部の間でタイロッドの軸方向において隣り合う第２突出部の間に形成された第２開口部に対向し、第２突出部とタイロッドの第２溶接部の裏面が、タイロッドと第１側端部の間でタイロッドの軸方向に隣り合う第１突出部の間に形成された第１開口部に対向し、シースの第１突出部とタイロッドの溶接は、溶接入熱する溶接手段を第２開口部側に配置してシース内側から溶接入熱し、シースの第２突出部とタイロッドの溶接は、溶接入熱する溶接手段を第１開口部側に配置してシース内側から溶接入熱して接合することを特徴とする。

本発明は、シースの第１突出部とタイロッドの溶接は、溶接入熱する溶接手段を第２開口部側に配置してシース内側から溶接入熱し、シースの第２突出部とタイロッドの溶接は、溶接入熱する溶接手段を第１開口部側に配置してシース内側から溶接入熱して接合することにより、タイロッドとタブのシース内側の接合部において、未溶着のような溶接欠陥のない原子炉用制御棒を製造することができる。

本発明の実施例１の原子炉用制御棒の側面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す原子炉用制御棒のタイロッドとシースの溶接部の拡大図である。 図３のＯ−Ｏ断面図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 図３のＣ−Ｃ断面図である。 図３のＤ−Ｄ断面図である。 従来例のレーザー溶接方法を示す模式図である。 本発明の実施例１におけるレーザー溶接方法を示す模式図である。 本発明の実施例２におけるレーザー溶接方法を示す模式図である。 本発明の実施例３におけるシースの広開口部を示す模式図である。 本発明の実施例４におけるシース内側の未溶着部を示す模式図である。 本発明の実施例４におけるシース内側未溶着部の補修方法を示す模式図である。

本発明を、以下に実施例と図面を用いて説明する。

本発明の実施例１の原子炉用制御棒を、図１〜図５、図７を用いて説明する。実施例１で説明する原子炉用制御棒は沸騰水型原子炉に用いられる原子炉用制御棒である。

図１に実施例１の原子炉用制御棒を示す。実施例１の原子炉用制御棒１は、横断面が十字形をしていて軸心にタイロッド２が配置され、このタイロッド２から四方に伸びる４枚のブレード３を有する。ハンドル５がタイロッド２の上端部に取り付けられ、下部支持部材６がタイロッド２の下端部に取り付けられる。

各ブレード３は、横断面がＵ字状をしているシース４、扁平な筒状体であり中性子吸収部材であるハフニウム部材７Ａ、７Ｂを有する。シース４はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４またＳＵＳ３１６Ｌ等）によって構成される。シース４の上端はハンドル５に溶接され、シース４の下端は下部支持部材６に溶接されている。

断面Ｕ字状のシース４の両側端部には、複数のタブ１２Ａ、１２Ｂがタイロッド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１２Ａ、１２Ｂはシース４の一部であって、シース４の対向する側端部にそれぞれ形成されタイロッド２側に向かって突出している。シース４の一側端部である第１側端部に形成される第１突出部である複数のタブ１２Ａのタイロッド２軸方向におけるそれぞれの位置と、シース４の他の側端部である第２速端部に形成される第２突出部である複数のタブ１２Ｂのタイロッド２軸方向におけるそれぞれの位置は異なっている。すなわち、タブ１２Ａのタイロッド軸方向における位置と、タブ１２Ｂのタイロッド軸方向における位置は、タイロッド２軸方向においてオフセット（ずれ）を有している。これにより、タブ１２Ａのタイロッド軸方向の位置にはタブ１２Ｂが存在しておらず、タブ１２Ｂのタイロッド軸方向の位置にはタブ１２Ａが存在しない構造をもつ。

図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。タイロッド２の角部にはシース４に設けられたタブを支持する矩形状の開先１４が設けられている。１枚のブレード３において、シース４のタブ１２Ａの反対側の面にタブは存在しておらず開口部１３Ａが形成されている。

タイロッド２とシース４のタブ１２Ａ，１２Ｂを介した接合部の詳細を、図３から図５を用いて説明する。図３は、図１に示す原子炉用制御棒のタイロッドとシースの溶接部の拡大図である。図４は、図３のＯ−Ｏ断面図である。また、図５Ａは図３のＢ−Ｂ断面図、図５Ｂは図３のＣ−Ｃ断面図、図５Ｃは図３のＤ−Ｄ断面図である。

シース４はタイロッド２とタブ１２Ａ，１２Ｂを介して溶接部１５で接合される。タイロッド２の両面で溶接部１５の位置が軸方向に互い違いにオフセットした配置となる。

図５Ａ、５Ｂ、５Ｃは、各々図３に示したＢＢ断面、ＣＣ断面、ＤＤ断面を示す。図５Ａでは、ブレード３のタブ１２Ａの反対面は開口部１３Ａになっている。図５Ｂでは、ブレード３のタブ１２Ｂの反対面は開口部１３Ｂになっている。図５Ｃにはタブおよび溶接部は存在しない。

次に、図５Ａ〜５Ｃに示した溶接部１５を形成する溶接方法について説明する。図７は、本発明の実施例１におけるレーザー溶接方法を示す模式図である。

実施例１の製造方法は、タイロッド２とシース４の溶接をタイロッド２とシース４の開口部１３Ａの側からの入熱により実施することを特徴としている。図７に示すように配置した光ファイバケーブル１８に接続された溶接手段であるレーザー溶接トーチ１７からレーザービーム１６をタイロッド２とシース４の設置部にシース４の内側から照射して溶接部１５を形成する。

レーザービーム照射時の溶接部の温度は、レーザービームが照射されているシース４の内側の方が外側よりも高くなる。そのため、シース４の内側は十分に溶融されて溶接欠陥は発生しない。実施例１の溶接方法により、裏波１９Ｂはシース４の外面に形成される。一方、シース４の内側は溶融された溶接面になる。裏波１９Ｂとなるシース４の外側では、仮に裏波側に欠陥が発生したとしてもシース４の外側であるため目視検査が容易であり、欠陥を容易に検出することができる。また、シース４の外側であるため、グラインダによる欠陥の削除および補修溶接を容易に実施することができる。

レーザー溶接を実施する範囲は、図３に示したようにタブ１２の幅を包含するように設定する。これによりタブ１２の端部の溶け込み不足などの溶接欠陥を抑制することができる。レーザー溶接による溶接部がタブ１２の端部を通過した時点でレーザービーム照射を停止させる。

以上は一つのタブを対象にその溶接方法を述べた。上記の溶接方法をシース４両側端部に設けたタブ１２Ａ、１２Ｂに順次実施していくことにより、シース４の内側では溶接部が十分に溶融して溶け込み不足を生じない原子炉用制御棒を製作できる。

以上によりシース内部の溶接部に溶け込み不足が生じない原子炉用制御棒を製作することができる。また、裏波が生じるシース外側には目視検査を実施し、さらに欠陥を検出した場合にはそれを補修することにより溶接欠陥がない原子炉用制御棒を製作することができる。この原子炉用制御棒は溶接部に溶け込み不足の欠陥がないため、それを起点とした応力腐食割れの発生を防止することができる。

また、レーザー溶接の実施にあたって、裏波を形成する側の面およびレーザービーム照射する側の面に、不活性ガスのアルゴンを吹き付けた状態で溶接を開始し、溶接中は溶接部が不活性ガスでシールドされている環境を保ち、溶接終了後に当該の不活性ガスの吹き付けを停止することにより、溶接部表面の酸化を抑制することができ、高品質な溶接部を確保することができる。

なお、実施例１では溶接方法としてレーザー溶接を適用したが、他の溶接方法の適用も可能である。例えば、ＴＩＧ溶接によりタブとタイロッドを接合することができる。溶接手段がＴＩＧ溶接用トーチに代わる以外は、上記の方法による施工でシース内に溶接欠陥を発生させない溶接部を設けることができる。

本発明の実施例２の原子炉用制御棒を、図８を用いて説明する。図８は、本発明の実施例２におけるレーザー溶接方法を示す模式図である。

実施例２では、シース４とその端部に設けたタブ１２Ａは実施例１に記載のものと同じである。シース４のタブ１２Ａと向かい合うタイロッド２の形状が異なる。実施例２のタイロッド２は、タイロッド２端部に第３突出部、第４突出部であるシース４厚さと同じ厚さを持つ突起部２２が設けてあり、タイロッド２に設けた突起部２２とシース４に設けたタブ１２Ａ、１２Ｂとを突合せて溶接したものである。

実施例１に示したタイロッド２側に開先１４を設けタブ１２Ａを突合せて溶接する場合と比較すると、実施例２ではタブ１２Ａ、１２Ｂとタイロッド２とを溶融させ溶着させるために必要な溶融領域が小さくて済む。そのため、溶接により溶接部に発生する残留応力および変形をより小さくできる利点がある。

実施例２では、タイロッド２に設けた突起部２２とシース４に設けたタブ１２Ａ、１２Ｂとを突合せた状態で仮留めし、シース内側から入熱することによりシース内部に溶け込み不足による欠陥を発生させることなくシース４とタイロッド２とを接合することができる。

本発明の実施例３の原子炉用制御棒を、図９を用いて説明する。図９は、本発明の実施例３における広開口部を持つシースを示す模式図である。

原子炉用制御棒を構成するブレード３、シース４およびタイロッド２の構成は実施例２に記載したものと同一である。実施例３では、シース４においてタブ１２Ａを有する側と向かい合うシース端部の形状、およびタブ１２Ｂを有する側と向かい合うシース端部の形状が実施例２と異なる。実施例３の原子炉用制御棒では、タブ１２を有する側と向かい合うシース端部の形状が、図９に示すようにタイロッド２とシース４の間隔が広くなる広開口部２３として加工されている。その他の条件は実施例２と同じである。

シース４の内側からの入熱によりシース４に設けたタブ１２Ａ、１２Ｂおよびタイロッド２に設けた突起部２２を溶融させ、融合させることにより接合する。このとき、溶接トーチをシース内部に向けるにあたってタブ１２Ａ、１２Ｂと反対側のシースの端部はタイロッド２とシース４の端部の間隔が広くなるような形状に加工されているため、溶接トーチの取扱いの自由度を増し、溶接作業を容易に行うことができる。

さらに、実施例３の方法では、タイロッド２とシース４との間隔が広くなっていることから、裏波の検査およびシース内側からの入熱による補修が容易になる利点がある。

本発明の実施例４の原子炉用制御棒を説明する。実施例４は、シース４に設けたタブ１２とタイロッド２とをシース外側からの入熱により溶接した後、溶接後の裏波部の検査により裏波部に未溶着部が検出された場合の、補修方法に本発明を適用した事例を示す。

図１０は、本発明の実施例４におけるシース内側の未溶着部を示す模式図である。図１１は、本発明の実施例４におけるシース内側未溶着部の補修を示す模式図である。

原子炉用制御棒を構成するブレード３、シース４およびタイロッド２の構成は実施例１に記載したものと同一である。

図１０は、従来例と同様に、タブ１２Ａとタイロッド２とをシース外側からの入熱により溶接している状況を示す。溶接入熱が小さい場合には溶接部１５はシース４の厚さを貫通せず、シース内側には未溶着部２０が形成される。未溶着部２０は、シース４とタイロッド２のタブ１２を介した溶接が完了した後に、開口部１３Ａからの目視検査により容易に検出することができる。

補修方法は、最初に小型ディスクグラインダを開口部１３Ａからシース４とタイロッド２の間に設置し、グラインダを回転させて未溶着部を削りとる。次に小型ディスクグラインダを取り外す。次に図１１に示すように、レーザー溶接トーチ１７から削りとり部位の溶融を行う。このとき、図示していない溶加材を送給して溶着させる。この補修後に再度外観検査を実施して、欠陥が確認できない場合には溶接が完了する。

なお、当初の目視検査で検出された欠陥がレーザー溶接により溶融できる範囲内の大きさである場合には、小型ディスクグラインダによる研削を行わずに、欠陥が発生した領域に溶加材を給送しながら再溶融させて補修しても良い。

この補修溶接では、裏波側に生じた溶け込み不足領域を再溶融させれば良いため、従来例のようにシース厚さを溶接部が貫通するような高い入熱を初めから適用する必要はなく、図１１の補修溶接パス２１のように、補修段階で溶接部表面付近を溶融させれば十分である。

本方法によれば、シース内側からの入熱による溶接は欠陥が発生した範囲のみに限られる。また、入熱は溶接部がシースを貫通するような高い値に設定する必要がなく、従来の方法から大きく変更を要する部分が少ないため、従来の溶接施工設備をそのまま用いることができる利点がある。

以上の実施例１から実施例４の原子炉用制御棒では、中性子吸収材として楕円円筒形状をしたハフニウム部材を用いた原子炉用制御棒を対象にした。中性子吸収材として棒状のハフニウム部材を用いたものであっても、シースとタイロッドとがタブを介して接合されている場合には、同様の製造方法を適用することができる。

１…原子炉用制御棒
２…タイロッド
３…ブレード
４…シース
５…ハンドル
６…下部支持部材
７Ａ、７Ｂ…ハフニウム部材
１０…シース冷却孔
１１…ハフニウム部材冷却孔
１２Ａ、１２Ｂ…タブ
１３Ａ、１３Ｂ…開口部
１４…開先
１５…溶接部
１６…レーザービーム
１７…レーザー溶接トーチ
１８…光ファイバケーブル
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ…裏波
２０…未溶着部
２１…補修溶接パス
２２…突起部
２３…広開口部

Claims (7)

1. タイロッドと、前記タイロッドの一端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの他端部に取り付けられた下部支持部材と、Ｕ字状横断面を有し両側端部が前記タイロッドに接合され上端部が前記ハンドルに接合され下端部が前記下部支持部材に接合されて前記タイロッドから四方に伸びている複数のシースと、該シース内に配置された中性子吸収部材とを有するブレードとを備えた原子炉用制御棒において、前記シースの前記両側端部のうちの一つの側端部である第１側端部に前記タイロッドに向かって突出した複数の第１突出部が形成され、前記シースの他の側端部である第２側端部に前記タイロッドに向かって突出した複数の第２突出部が形成され、前記第１突出部は前記第２突出部に対して前記タイロッドの軸方向に互いにずれて配置され、前記第１突出部と前記タイロッドの第１溶接部の裏面が、前記タイロッドと前記第２側端部の間で前記タイロッドの軸方向において隣り合う前記第２突出部の間に形成された第２開口部に対向し、前記第２突出部と前記タイロッドの第２溶接部の裏面が、前記タイロッドと前記第１側端部の間で前記タイロッドの軸方向において隣り合う前記第１突出部の間に形成された第１開口部に対向し、
   前記シースの前記第１突出部と前記タイロッドの溶接は、溶接入熱する溶接手段を前記第２開口部側に配置して前記シースの内側から溶接入熱し、
   前記シースの前記第２突出部と前記タイロッドの溶接は、溶接入熱する溶接手段を前記第１開口部側に配置して前記シースの内側から溶接入熱して接合することを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
2. 請求項１に記載された原子炉用制御棒の製造方法において、前記タイロッドは、前記シースの第１突出部に対向して前記シースの前記第１側端部に向かって伸びる第３突出部を形成しており、さらに、前記シースの第２突出部に対向して前記シースの前記第２側端部に向かって伸びる第４突出部を形成しており、
   前記第１溶接部が前記第１突出部と前記第３突出部の溶接部を形成し、前記第２溶接部が前記第２突出部と前記第４突出部の溶接部を形成するとともに、
   前記溶接部の溶接は、溶接入熱する前記溶接手段を前記開口部側に配置して前記シースの内側から溶接入熱して接合することを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
3. 請求項１に記載された原子炉用制御棒の製造方法において、前記第１開口部の前記第２溶接部の裏面に対向している部分では、前記タイロッドの軸心に直交する方向における幅が、前記第２溶接部の裏面に対向している部分以外の前記第１開口部の前記タイロッドの軸心に直交する方向における幅よりも広く形成され、前記第２溶接部の溶接は当該第１開口部側から実施され、
   前記第２開口部の前記第１溶接部の裏面に対向している部分では、前記タイロッドの軸心に直交する方向における幅が、前記第１溶接部の裏面に対向している部分以外の前記第２開口部の前記タイロッドの軸心に直交する方向における幅よりも広く形成され、前記第１溶接部の溶接は当該第２開口部側から実施されることを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
4. 前記請求項１乃至３のいずれか一項に記載された原子炉用制御棒の製造方法において、溶接方法をレーザー溶接とすることを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
5. 前記請求項１乃至３のいずれか一項に記載された原子炉用制御棒の製造方法において、溶接方法をアーク溶接とすることを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
6. 前記請求項１乃至５のいずれか一項に記載された原子炉用制御棒の製造方法において、溶接中のタイロッドおよびシースの突出部の溶接入熱されている面およびその反対側の面は、不活性ガスの雰囲気に曝されていることを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
7. タイロッドと、前記タイロッドの一端部に取り付けられたハンドル及び他端部に取り付けられた下部支持部材と、Ｕ字状横断面と前記タイロッドに対向する側端部を有し前記タイロッドから四方に伸びている複数のシースと中性子吸収部材とを有するブレードとを備え、前記シースの前記側端部に前記タイロッドに向かって突出した複数の突出部が形成され、前記シースの前記側端部と前記タイロッドを溶接して溶接部を形成する原子炉用制御棒の製造方法において、
   前記タイロッドと前記シースの突出部の溶接が前記シースの外側から実施され、溶接後に前記溶接部の裏波部に溶接欠陥が検出されたときに、前記溶接部の欠陥の補修溶接を、請求項１に記載された原子炉用制御棒の製造方法を用いて前記シースの内側から行うことを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。

Images