JPH02122299A - 正方形横断面の管および二重レーザ溶接法の使用による制御棒の中性子吸収部材の製造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は原子炉制御棒に関するものである。更に詳しく
言えは本発明は、中性子吸収物質を収容するための円柱
状空間を有する正方形横断面の管同士を溶接して所要の
制御棒構造を形成することによる原子炉制御棒の製造方
法および製造装置に関する。

先行技術の説明 原子炉内には、中性子を吸収して核反応の停止または調
節を行うための毒物質を含んだ制御棒か存在している。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）において通例使用される制御
棒は十字形を成していて、燃料チャネル間に形成された
相補的な十字形の空隙内に挿入される。従来の制御棒に
は、主として２種の構造のものかある。

第１の構造を有する制御棒においては、複数の密閉され
た中空管か十字形制御棒の中心軸に沿って互いに並列し
た状態て配置されている。それらの管は鉛直方向に伸ひ
、その両端はプラグによって封鎖され、かつ内部には炭
化ホウ素のごとき中性子吸収物質か封入されている。か
かる管全体が金属製の外被の内部に収容されている。す
なわち、この外被が管の外側を完全に包囲しているので
ある。中心の連結棒を介して外被と」二部および下部の
支持構造物とを接合することにより、上記の管は互いに
並列した状態で閉込められる。このように、上部および
下部の支持構造物と外被との協力によって並列状態の管
に所要の十字形か付与されるのが通例である。

このような従来の構造に関して注意すべき点は、中性子
吸収物質を収容した管は制御棒の結合性に全く寄与しな
いことである。それどころか、組立後の制御棒を結合状
態に保つため、中心連結棒をはじめとする独立の比較的
重い構造部材か必要とされるのである。

もう１つの従来構造においては、穴あけを施したむくの
ステンレス鋼部材か使用される。かかるむくのステンレ
ス鋼部材は、上記のことき外被と同し長さおよび幅を有
している。かかるむくのステンレス鋼部材には、制御棒
の側端から十字形の中心に向かって伸びる複数の水平穴
が正確に設けられる。これらの水平穴はカン１〜リルを
用いた穴あけによって形成され、その結果として中性子
吸収物質を収容するための正確に整列した円柱状空間か
規定されることになる。このような水平穴を設けた制御
棒は、管と外被とから成る制御棒よりもやや多量の中性
子吸収物質を収容することがてきる。

いずれの制御棒構造においても、中性子吸収物質の量を
できるたけ多くすること、制御棒に所要の構造剛性を付
与すること、かつまた通常の制御棒駆動機構によって急
□速に移動させ得る程度に重量を制限することが試みら
れてきた。更にまた、全ての制御棒は炭化ホウ素、ハフ
ニウムおよびその他の中性子吸収物質のことき毒物質の
閉込めを可能にしなけれはならないか、これは毒物質の
損失や原子炉の汚染を防止するためである。かかる閉込
めを行うための制御棒は、実用寿命の初期においてはシ
ステムの外圧に耐えると共に、実用寿命の終期において
は原子崩壊によって生じる内圧に耐えるものでなけれは
ならない。

原子崩壊によって生しる内圧に関して述べれζ」、原子
炉用毒物質の多くが元素変換を受ける。たとえは、炭化
ホウ素が中性子を吸収すると、最終的にヘリウムが生成
する。かかるヘリウムの蓄積は高い圧力を生しる。それ
と同時に、炭化ポウ素は膨張および焼結を示す。このよ
うなガス発生および焼結の結果として、局在するボケッ
１へ内には極めて高い圧力下でカスが蓄積することにな
る。

最新の原子炉内に使用される制御棒には、大別して２種
のものがある。第１のものは原子炉を停止させるための
制御棒てあって、これらは比較的高い中性子吸収価値を
有するように設計されるのが通例である。かかる制御棒
は、長期間にわたって大きい中性子フルエンスに耐える
ようには設計されていない。

第２のものは制御セル位置に配置するための制御棒であ
って、これらは原子炉の中性子束分布を調節する目的を
もって設計されたものである。これらの制御棒は、大き
い中性子フルエンスの下で長い実用寿命を有するもので
なけれはならない。

制御棒の構造は、これら２種の制御棒のいずれにも対応
し得ることが必要である。

関連出願の説明 １９８７年３月３０日にデイクソン（Ｄｉｘｏｎ＞等の
名義で提出された、「制御棒Ｊと称する同時係属米国特
許出願第０７　、、、’　０３１６３３号の明細書中に
は、本発明に従って製造すべき制御棒が記載されている
。かがる制御棒の構造は、本明細書に添付された図面中
の第１および７図に示されている。

要約して述べれは、上記の制御棒は互いに並列した状態
で配置された一連の管から成っている。

従来通り、かかる管は円柱状の内部空間を含んでいる。

他方、従来のものとは異なり、ががる管はいずれも正方
形の外部横断面形状を看している。

上記の特許出願明細書中に記載の通り、正方形横断面の
管同士をレーザ溶接技術に従って溶接することにより、
制御棒用の平面状中性子吸収部材を形状することが提唱
されている。こうして接りされた管は新規て経済的な制
御棒部材を形成するのである。

」１記のごとき管構造の利点は、かがる管が制御棒の内
部に使用される中性子吸収用毒物質に対する優れた圧力
容器を成すことにある。このような圧力容器は、従来の
構造物に比へて、１０％も多い量の中性子吸収用毒物質
を収容し得る。かがる管はまた全体的に軽量である。更
にまた、強度が大きいため、それらはハフニラ１、のご
とき重い中性子吸収物質を収容することもできる。

かかる管構造によれは、制御棒を挿入する原子炉内の位
置に応じて毒物質の収容状態を変更することがてきる。

また、かがる管構造は比強度が比較的大きいため、それ
から構成された制御棒は急速な制御棒移動（スクラム）
時や地震荷重の発生時に見られるような各種の予測され
る荷重に耐え得るのである。

上記のごとき管は、標準的な管製造技術によって製造し
得るという利点をも有している。先行技術の場合とは異
なり、管を包囲するための外被け不要となる。また、カ
ンドリルによって互いに並列した穴を正確に形成するこ
とも不要となる。上記のことき管構造によれは、正確に
整列しながら鉛直方向に伸びる円柱状空間か得られるの
である。

正方形横断面の管は、中性子吸収物質用の容器をそれぞ
れに規定する。その結果、たとえ漏れが生じても、それ
は特定の管のみに局限される。かかる管同士を溶接すれ
ば、剛性の平面状部材が形成される。ぞの場合の溶接は
かと部分を利用して行われるため、所要の管状容器か悪
影響を受けることは決してない。その北、製造された制
御棒は耐摩耗性の構造を有している。好適な実施の態様
においては、かど部分が外方にまで広がっている結果、
それらのかど部分か最初に接触して摩耗する部位を成す
のである。

全ての溝および溶接部は制御棒の移動方向くすなわち軸
方向〉に沿って伸びている。その結果、制御棒か障害物
に引っ掛かる傾向は低減することになる。要するに、高
い制御棒価値および高いフルエンストヘルに対処し得る
ような融通自在の制御　４ 御棒か得られるのである。

１９８８年４月１９日にティクソン（Ｄｉｘｏｎ）等の
名義で提出された、［原子炉燃１ト１棒内に封入される
中性子吸収材」と称する米国特許出願第１８３５５８号
の明細書中には、制御棒内に配置される炭化ホウ素の封
入物が提唱されている。簡華に述へれば、正方形横断面
の管に設けられた円柱状空間内に配置するのに先立ち、
炭化ホウ素か金属缶内に封入される。かかる封入物が小
区画室の形成をもならず結果、炭化ホウ素中に空所が生
し、それにより制御棒の長さ方向に沿って中性子吸収材
の異なる空間か生しることは防止される。

以下の説明中においては、これらの関連出願明細書中に
開示された製品を協同的に使用しながら制御棒の製造装
置および製造方法が記載される。

発明の要約 本発明に従えは、十字形の横断面形状を有する制御棒の
製造装置および製造方法が提供される。

制御棒それ自体は、円柱状の内部空間および正方形の外
部横断面形状を有する個別の管から成っている。かかる
管の内部に設（〕られな円柱状空間内には、区分された
中性子吸収用毒物質か含まれている。完成後の制御棒構
造においては、」１記のことき正方形横断面の管を互い
に並列した状態で溶接することにより、十字形横断面の
制御棒を構成する平面状の中性子吸収部材か形成されて
いる。

本発明の方法においては、中性子吸収用の毒物質を封入
した管の両端に位置するそれぞれのプラグに穴か設けら
れる。次いて、それらの穴にめねしか切られる。他方、
十字形の横断面を持った前方ジグ部材およびやはり十字
形の横断面を持った相補的な後方ジグ部材か用意される
。これらの前方ジグ部材および後方ジグ部材には一連の
相補的なおねし部材が装備されている。これらのおわじ
部材を上記のごとき相補的なねし穴にねじ込むことによ
り、上記のジグ部材との協力下で全ての管は最終的に製
造される制御棒の形態を成しながら保持される。なお、
前方ジグ部材と後方ジグ部材とは縦方向に仲ひるスチフ
ナ部材によって連結される。

上記のこときおねし部材は管の収縮度の違いに対処する
ことができる。詳しく述べれば、前方ジグ°部材および
それのおねじ部材は溶接すべき正方形横断面の管の前端
と前方ジグ部材との間に一定の距離を維持するように形
成されている。他方、後方ジグ部材およびそれのおねし
部材は正方形横断面の管の後端と後方ジグ部材との間の
距離が変化し得るように形成されている。正方形横断面
の管のかど部分間の境界面に沿ってレー→ノー溶接を行
う際には、管の前端から後端にまてわたる縦方向の収縮
度に相違を生しることがあるのである。

上記のごとき十字形横断面のジグおよび正方形横断面の
管から成るジグ集合体が、一連のく好ましくは１３個の
）取イ」具を通して引抜かれる。各々の取付具は、互い
に対向した１対の鉛直ローラおよび］対の水平ローラを
含んでいる。これらの互いに対向した１対の鉛直ローラ
および１対の水平ローラがジグ集合体の平面状部分を捕
捉し、それによって正方形横断面の管を保持する。

互いに対向した各対のローラは中央部に間隙を規定して
いる。すなわち、互いに対向した１対の水平ローラは中
央部に鉛直方向の間隙を規定しており、まｌ：互いに対
向した１対の鉛直ローラは中央部に水平方向の間隙を規
定している。取付具のローラ中にこれらの間隙が設けら
れていることにより、水平ローラまたは鉛直ローラに対
して垂直なジグ集合体の平面状部分かローラ中を通過し
得ることになる。

溶接すべき管を装着しなジグの経路の正確な位置合ぜを
達成するため、通例は１３個の取付具が使用される。７
番１」および８番目の取付具の間においては、製造中の
制御棒の上方に直立した部分の両側に１対のレーザ溶接
ヘットが配置されている。一方のレーザ溶接ヘットは、
ジグにより支持された正方形横断面の管から成る直立部
分の一方の側面に向けられている。他方のレーザ溶接へ
ンドは、ジグにより支持された正方形横断面の管から成
る直立部分の他方の側面に向けられている。

この場合、レーサビームは正方形横断面の管の間に規定
された境界面に対して５°の入射角で投射］　８ されることが好ましい。このような入射角を使用ずれは
、ジグの両側に位置する１対の実質的に対向したレーザ
溶接ヘッド間において間隙の存在および高さの一致が同
時に発生した場合でも、一方のレーザ溶接ヘッドからの
出カニネルキーか他方のレーザ溶接ヘッドに損害を与え
ることはないのである。

各々のレーザ溶接ヘッドにはトラッキング部材が装備さ
れている。このトラッキング部材は、正方形横断面の管
のかと部分間に規定された境界面を探知するように働く
。

先ず最初に、レーザ溶接ヘッドが溶接すべき特定の境界
面に向けて配置される。かかる配置の後、ジグ中に管を
装着して成るジグ集合体が取イτ１具を通して引抜かれ
る。かかる引抜きに際し、ジグ集合体はレーザ溶接ヘッ
ドの近傍を通過する。その際、レーザ溶接ヘッドは管の
間に規定された境界面を探知し、そして溶接が行われる
。

次に、ジグによって支持された管同士を溶接するための
手順を説明しよう。通例、制御棒の中心部に（一般に１
連結部４’Ａ’　ｈと呼はれる）十字形の部材か所定の
間隔をもって配置される。なお、従来の制御棒構造にお
いては、中心の連結棒は制御棒を緊張状態に保持するた
めの構造部材を成していたことが思い起こされよう。

このように連結部材を配置した後、制御棒全体を形成す
るために必要な全ての管がジグ中に装着される。次いで
、ゆがみを最小限に抑えるための特定の手順に従って溶
接か行われる。

正方形横断面の管は幾つかの群に分けて溶接されるが、
それらの管群は十字形の中心連結部材に隣接することは
あっても接合されることはない。

先ず最初に、各管群中の１本の管が直立部分の一方の側
において下方の管に溶接されるのと同時に、直立部分の
他方の側において上方の管に溶接される。次の溶接パス
によれば、直立部分の一方の側において上方の管に対す
る溶接か行われるのと同時に、直立部分の他方の側にお
いて下方の管に対する溶接か行われる。このような手順
に従えは、管の縦方向収縮がもたらす効果が最小限に抑
えられ、そして最も重要なことには管の縦方向ゆがみが
防止されるのである。

各々の平面状部材を構成する管は、５本、３本および９
本の管群に分けて溶接されることか好ましい。その後、
５本の管群が中心連結部材に接合される。次いて上記の
管群同士を溶接した後、制御棒の一端に位置するハンド
ルおよび制御棒の他端に位置する速度制限器を含む末端
部材を溶接によって接合すれば、制御棒の組立作業は完
了する。

発明の目的、特徴および利点 本発明の目的の１つは、完成した制御棒中における配置
状態で正方形横断面の管を保持するためのジグを提供す
ると共に、溶接に際してそれらの管が示す（特に縦方向
の）収縮度の違いに対処することにある。

本発明に基づくジグの利点の１つは、制御棒を構成する
正方形横断面の管の全部をジグ中に一度に装着し得るこ
とである。ひとたびジグ中に装着してしまえは、全ての
管の溶接は実質的に連続作業として実施することかでき
る。このような連続作業は、速度制限器およびハンｌ〜
ルの取付けを除りは、追加の組立工程を必要とせずに実
施されるのである。

本発明に基づくジグのもう］つの利点は、支持された正
方形横断面の管の間における（特に縦方向の）収縮度の
違いに対処し得ることである。詳しく述べれは、ジグの
前端部と正方形横断面の管との間には一定の距離を維持
すると共に、ジグの後端部と正方形横断面の管との間の
距離を自由に変化させ得ることにより、縦方向の溶接に
際して管同士を互いに順応させることができる。その結
果、溶接された管か縦方向に沿ってゆがむ傾向は最小限
に抑えられるのである。

本発明のもう１つの目的は、レーザ溶接に際して本発明
のジグを支持しながら引抜くことを可能にする一連の取
イ」具を提供することにある。かかる目的を達成するた
め、互いに対向した１対の鉛直ローラおよび互いに対向
した１対の水平ローラを有するような取付具か開示され
る。

１組の互いに対向したローラを有する取付具の利点は、
自動化されたレーザ溶接の実施を可能にする厳密な位置
合ぜが達成されることである。連続的な溶接封止部を形
成するためには、−上記のこときレーザ溶接における許
容差は１０００分の１インチ程度に制限することが必要
である。上記のごとき取付具とトラッキンク可能なレー
ザ溶接ヘッドとを併用すれば、正方形横断面の管のかと
部分間に信頼度の高い連続溶接部を形成することがてき
るのである。

本発明の更にもう１つの目的は、ジグと取付具との協力
関係を開示することにある。好適な実施の態様に従えば
、上記のごときレーザ溶接ヘッドは十字形制御棒の全組
立時間の１／４に等しい時間にわたって」ニガに直立し
た部分を溶接するために使用される。かかる上方に直立
した部分を取替えるためには、一連の取付具の外部にジ
グを引出しそれらの取付具に対してジグを９０°だけ回
転させ、次いてされらの取付具申にジグを再挿入ずれは
よい。このようなジグ回転操作は、制御棒溶接作業中に
何度でも容易に行うことかてきる。

本発明の更にもう１つの目的は、レーザ溶接ヘラ１〜の
好適な配置を開示することである。好適な実施の態様に
従えは、レーザ溶接ヘラ１〜は実質的に互いに向かい合
った状態で配置される。その場合、一方のレーザ溶接ヘ
ラｌへからのビームが他方のレーザ溶接ヘットに損害を
与−えるのを防止するため、それらのヘラ１−には５°
の入射角が付与される。５°の入射角を使用すれば、互
いに対向したビーム間に溶接すべき材料が存在しない場
合でも、２個のレーザ溶接ヘットからのビームが互いに
相手側に損害を与えることは起こり得ないのである。

本発明のその他の目的、特徴および利点は、添付の図面
を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって自
ら明らかとなろう。

発明の詳細な説明 先ず第１図を見ると、本発明の対象となる複合制御棒の
実際の一断面が示されている。通常、本発明自体は寸法
に依存しないものと解されるが、原子炉の構造との関連
から見れは本発明における寸法は重要であることを指摘
しておきたい。

かかる制御棒としては、様々な寸法を持ったものを製造
することかできる。たとえば、０．２６０インチの横断
面寸法を有しかつ内径０２０４インチの円柱状空間を含
む正方形横断面の管が使用される。あるいはまた、０．
３１２インチの横断面寸法を有しかつ内径０．２５０イ
ンチの円柱状空間を含む正方形横断面の管も使用される
。それらの管に含まれる円筒は、それぞれ０．０２］イ
ンヂおよび０．０２４インチの側壁厚さを有している。

上記の寸法かられかる通り、かかる管の横断面寸法はそ
れに含まれる円筒の直径を僅かに越えている。

勿論、その他の寸法も使用することかできる。

言うまでもないか、沸騰水型原子炉においては、正方形
横断面の燃料チャネルの内部に燃料パン１ヘルが収容さ
れている。これらの燃料チャネルは互いに並列した状態
て配置され、そしてそれらの間に十字形の横断面を持っ
た空隙を形成している。

沸騰水型原子炉の場合、制御棒はそれの底部から上方に
向かって挿入される。かかる挿入に際し、制御棒は燃料
チャネル間に形成された十字形横断面の空隙を通過する
。それ故、制御棒それ自体も十字形の横断面形状を有す
るわけである。

ここで幾つかの寸法を述へておくことは有益であろう。

通例、制御棒の長さは１７４インチである。また、原子
炉内に挿入される燃料棒の長さは１４４〜１５０インチ
の範囲内にある。通例、隣接する燃料チャネル間の空隙
は１／２インチ程度である。

制御棒を移動さぜる機構は公知であって、それを交換す
るには高い費用がかかる。それ故、新しい制御棒は制御
棒駆動装置、燃料および炉心支持機構の実質的な変更を
必要としないような寸法および重量を有することが肝要
である。

通例、制御棒（第７図参照）は制御棒駆動装置によって
精密に移動させられ、それによって原子炉の燃焼状態を
調節するための部分的挿入位置を占める。更にまた、原
子炉の緊急停止（スクラム）のため、制御棒は任意の現
在位置から急速に移動して原子炉内に完全に挿入された
状態に達することも必要である。ある種の原子炉におい
ては、全長］２フィーｌ〜の制御棒を１．６秒で燃料チ
ャネル間の空隙内に挿入することがてきなりればならな
い。従って、制御棒の製造に際しては加速力および減速
力も考慮に入れる必要がある。その上、制御棒は予想さ
れる地震荷重に耐えるたけの剛性も有していなければな
らない。

地震に関しては、設計に際して想定される［最悪の場合
Ｊのシナリオ中に２つの条件を同時に考慮することが必
要である。第一に、原子炉に加わる地震荷重の最も重要
な成分は水平方向の動的な成分であるから、地震に際し
ては個々の燃料チャネルが弓状に変形することが予想さ
れる。第二に、地震に際しては原子炉の緊急停止が所望
されることになる。それ故、制御棒は座屈を回避するの
に十分な柱強度を有すると共に、燃料チャネル間の空隙
を通過するのに十分なたけのたわみ性を有していなけれ
ばならない。

以」二、本発明が適用される環境を説明したので、制御
棒それ自体の構造は比較的簡単に理解されるはすである
。

再ひ第１図に関連して説明ずれは、正方形横断面の管２
ＯＡ、２０Ｂ、２０Ｃおよヒ’　２０　Ｄが互いに並列
した状態で示されている。管２０　Ｃを例に取って説明
ずれは、正方形横断面の管の基本的な４Ｍ造を容易に理
解することができょう。

通例、各々の管は一定側壁厚さの円筒３ｏを含んでいる
。更にまた、かがる円筒には４個のがと部分か付加され
ている。こｈらのがと部分は３１．３２．３３および３
４として表わされている。

かど部分３］、３２．３３および３４の各々と室側壁厚
さの円筒３０との間には破線が引いである。この破線は
、円筒３０がその内部に規定される円柱状空間４０の全
周にわたって一定の側壁厚さ３６を有することを示して
いる。このような定の側壁厚さ３６が確保されることに
より、制御棒グ）構造に関して要求される閉込め用の耐
圧容器か得られることになる。

かと部分３］、３２．３３および３１↑はまた、少なく
とも２つの追加目的のためにも役立つ。

第一に、かど部分は上記の管に所要の正方形横断面を付
与するために役立つ。それ故、複数の管同士を互いに並
列した状態て溶接することがてきるのである。

第二に、かど部分は摩耗点を構成する。燃１′−１チャ
ネルと制御棒の側板との間に接触か起こる場合、先ず最
初に接触するのはそれぞれのかと部分３１．３２．３３
および３４である６、従って、管中に含まれる円筒は損
傷や摩耗を全く受りることかない（第１図中の間隔６５
に注意されたい）。

更にまた、後記に説明されることく、かと部分か厚くな
っている結果として、熱間圧縮された中性子吸収用毒物
質を閉込めるために要求される管の構造強度か溶接によ
って損われることも回避される。

金属製の圧力容器においては、鋭く交わる表面は回避す
べきことが知られている。それ故、各々のかと部分には
すみ肉５］および５２か設けられている。これらのすみ
肉は、それぞれのかど部分と円筒の側面との間の移行部
を規定する。同様に２　つ かと部分の区域５３には面取りおよび丸みっけが施され
ている。このように、がと部分が鋭利でないため、かか
る管はなとえは引抜きをはじめとする管製造技術に適合
するものと言える。

第１図、とりわけ管２０　Ｂおよび２ＯＣ間の区域６０
を見ると、溶接金属を設置した状態が示されている。管
２０Ｂおよび２０Ｃの間には、面取りおよび丸みっけを
施されたかど部分同士が互いに隣接することにより、溶
接金属導入のために好都合な空隙か形成されることがわ
かる。図示のごとく、溶接金属は斜線を施したくさび形
の区域６０を成して溶込んている。

このようなくさび形の溶接金属区域に関しては、それか
かと部分のみに溶込んでいることか認められよう。すな
わち、それは円柱状空間４０の周囲に必要とされる一定
側壁厚さの円筒３０に対しては溶込みや干渉を示さない
のである。

更にまた、管２０Ｂおよび２０Ｃの間には概してＶ字形
の溝か形成されることも理解されよう。

このようなＶ字形の溝は自動溶接装置によるトラッキン
ク目的のためには理想的である。その結果、」二記のこ
とき制＃棒は自動溶接技術（好ましくけレーザ溶接操作
）によって直接に製造することがてきるのである。

次に第２図を整照しながら、正方形横断面の管への装填
および刺止操作を説明しよう。第２図には、管Ｔ中に缶
Ｃを装填するところが示されている。言うまでもないが
、管１゛はその長さ１３向に沿って配置された缶Ｃ２〜
Ｃｎ（図示せず）を禽んている。本明細書中に例示され
た長さの管について述べれは、約１２個の缶Ｃ５〜Ｃ１
□　（やはり図示せず）を使用することができる。なお
、かがる管の−・部にハフニウムを装填することが望ま
しい場合もある。このような場合には、管の内部に円柱
状のハフニウムを配置ずれはよい。かがるハフニウム円
柱としては、缶の長さより短い長さを有するものから、
管の全長に等しい長さを有するものにまでわたる各種の
ものを使用することができる２、次いて、プラグＰか装
着さｔしる。好適な実施の態様に、従えは、第２図の管
は厳密に管理された内径７０を有するように形成されて
いる。同様に、プラグＰも厳密に管理された外径７２（
第３図参照）を有するように形成されている。これらの
内径および外径は、通例１ミル程度の隙間を与えるよう
に設定される。本明細書中に開示されるレー→ノー溶接
操作に適応させるためには、このような小さい隙間か要
求されるのである。次に、管の端部を封止するためのレ
ーザ溶接操作を第３図に関連して説明しよう。

第３図には、缶Ｃを含んた管Ｔの端部が示されている。

ここに図示された実施の態様においては、プラグ１〕と
缶Ｃとの間にプレナムチェンバＧが設げられている。こ
のブレナムヂエンバＧは、当業界において公知の通り、
放射線照射によって炭化ホウ素から生成されたヘリウム
を集めるなめに役立つ。

図かられかる通り、管Ｔの内径７０とプラグＰの外径７
２との間において、レーザビームＬ、を用いてレーザ溶
接が行われる。

この場合に使用されるレーザ溶接操作について簡単に説
明しておこう。この場合の溶接に際しては、不活性カス
による保護などは行わないことか好ましい。従って、か
かる溶接に際して使用される溶接材料はプラグＰの金属
および管Ｔの金属のみである。

更にまた、レーザビームＬ　、が所期の溶接効果を達成
するためには、管Ｔの内径７０と１ラクＰの外径７２と
の間における隙間が厳密な制限範囲内になければならな
い。さもないと、レーザビームのエネルギーが管Ｔの内
部に通過してしまい、従って溶接部が形成されなくなる
。

このようにして、一連の封止された管か作製される。次
いて、これらの管かジグ中に装着される。

その後、ジグ中に管を装着して成るジグ集合体が取付具
を通して引抜かれる。このように取付具を通して引抜か
れる間に溶接が行われるのである。

下記においては、先ず第４Ｂおよび４Ｃ図に関連して取
付具が説明される。第４Ｂ図に関連した説明はジグの全
体的な構造に関するものである。

また、第４Ｃ図に関連した説明は溶接に際して個々の管
Ｔか示す縦方向収縮度の違いに対処する手段に関するも
のである。その後、第４Ａおよび４Ｂ図に関連して、整
列した取付具を通して上記のこときジグ集合体を引抜く
操作か説明される。

先ず第４Ｂ図を見ると、本発明のジグが示されている。

詳しく述へれは、右側に前方ジグ部材Ｊ。

か示されているが、これは十字形の形状を有している。

この十字形は完成した制御棒の最終横断面と同し寸法を
有するものである。また、左側には後方ジグ部材Ｊ２か
示されている。この後方ジグ部材、１２は前方ジグ部材
Ｊ１に対して相補的なものである。

ジグ部材、１□およびＪ２の間には、完全な制御棒を形
成するのに十分な数の正方形横断面の管Ｔが支持されて
いる。すなわち、溶接の開始前において全ての菅Ｔがジ
グ部材Ｊ１およびＪ２の間に装着されるのである。それ
らをひとたびジグ中に装着してしまえは、図示のことき
ジグ集合体を分解することなしに溶接を続行することか
できる。

図かられかる通り、ジグ部材Ｊ１および１Ｊ２の３・１ 間には側板Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ、が支持されてい
る。ジグ部材Ｊ、および、Ｊ２の間にはまた、十字形の
部材５０が配置されているが、これらは「連結部材」を
成すものである。

従来の制御・棒構造においては、制御棒の中心部は制御
棒を緊張状態に保持するように働く連結棒として使用さ
れていたことが思い起こされよう。

すなわち、それは制御棒の両端同士を連結するための重
要な構造部材を成していなのである。

図示のごとき構造においては、管Ｔが所要の構造部材を
構成する。それ故、ジグの長さ方向に沿って「連結部材
」またはスペーザ部材を間欠的に配置すれば事足りるの
である。

次に第４Ｃ図を見ると、側板Ｓ１の一部分を構成する個
々の管下の実際の支持方法が示されている。詳しく述べ
れば、それぞれのプラグの中心部にめねしを切った穴１
０２が設けられる。かかるねし穴におねじ部材１０４か
ねじ込まれる。これらのおねし部材１０４は前方ジグ部
材Ｊ１に固定されている結果、正方形横断面の管の前端
１０６は全ての管下について前方ジグ部材、Ｊ１から同
じ距離に維持されることになる。

他方、全ての管Ｔの後端は別のやり方で取付けられる。

詳しく述へれは、個々の管Ｔの後端にはおねし部材１　
］、　Ｏかねし込まれる。ねしを切らない穴１］２によ
り、管Ｔは後方ジグ部材Ｊ２に支持される。それ故、管
′Ｆの後端］１４は後方ジグ部材Ｊ２に対して前後に移
動し得ることがわかる。

後方ジグ部材Ｊ２はスチフナ部材８０によって保持され
ているから、縦方向の収縮か起こる場合には、個々の管
Ｔか後方ジグ部材Ｊ２に対して前後に移動することにな
る。

以」二、ジグについて説明したので、次に第４Ａ〜４Ｄ
図を参照しながら上記のこときジグを引抜く際に使用さ
れる取付具について説明しよう。

先ず第４Ａ図を見ると、典型的な取付具Ｆか示されてい
る。取付具Ｆは基板構造物１２０を含んている。かかる
基板構造物１２０には適当なローラ末端支柱１２２か支
持されている。取付具Ｆは互いに対向した１対の水平ロ
ーラ１３０および１３２を含んている。取付具Ｆはまた
、互いに対向した１対の鉛直ローラ１４０および１４２
をも含んでいる。

第４Ｂ図に関連して述へな通り、ジグは全体として十字
形の形状を有することが思い起こされよう。それ故、ジ
グの直立部分は水平ローラ１３０および１３２を貫通す
ることが必要であると共に、ジグの水平部分は鉛直ロー
ラ１４０および１４２を貫通ずることか必要である。

そのため、水平ローラ１３０および１３２中には鉛直方
向の間隙１５０および１５２がそれぞれ設けられており
、また鉛直ローラ１４０および１４２中には水平方向の
間隙（図示せず）が設けられている。その結果、ケーブ
ル１００の使用により、取付具Ｆを通してジグを容易に
引抜くことが可能となるのであるく第４Ａ、４Ｂおよび
４Ｃ図参照）。

次に、第４Ｄ図に関連して本発明の溶接装置を説明しよ
う。すなわち、ケーブル］、　ＯＯの使用により、（前
方ジグ部材Ｊ１を含む）ジグが１３個のｌＩ！ｉ！（１
具Ｆ１〜Ｆ＋３を通して引抜かれる。

７番目および８番目の取（＝１具の間にはレーザ溶接ヘ
ットＬ１およびＬ　２か配置されている。これらのレー
ザ溶接ヘッドは、それぞれの管］゛の間に規定された境
界面をなとりなから、管下の全長にわたって溶接を行う
。

レーザ溶接ヘッド■、１および＋−２はいずれも遠隔操
作される。かかる遠隔操作の原理は、１９８７年２月２
４日イ寸けのシー　エム　ベニ−（Ｃ，ＭＰｅｎｎｙ）
等の米国特許箱４　／１．６５９１７号明細書を参照す
ることによって十分に理解されよう。

次の第４Ｆ図には、レーザ溶接ヘッドＬ１およびＬ２が
示されている。これらのレーザ溶接ヘットはジグ集合体
の直立部分に作用し、かつかかる直立部分の側面に対し
て５°の入射角を有している。詳しく述べれは、レーザ
溶接ヘットＬ１および１−２は製造中の制御棒の側板Ｓ
１およびＳ３に対して作用する。このような状態に配置
されている結果、レーザ溶接ヘッドＬ１およびＬ２は側
板Ｓ２およびＳ４に対する溶接は行わないのである。

次に、第４Ｇ図を参照しながら取付具Ｆ１〜Ｆ１３に対
してジグ°集合体を回転する操作を説明りよう。

すなわち、ジグ集合体を取付具Ｆ１〜Ｆ＋３の外部に引
出した後、通例は９０°の間隔てジグ集合体か回転させ
られる。第４Ｇ図に示されることくにジグ°集合体を９
０°たけ回転さぜれは、側板ＳｌおよびＳ３は水平状態
になり、そして側板Ｓ２およびＳ４か直立状態となる。

その結果、レーサ溶接ヘッＩ−Ｌ　、およびＬ　２によ
って側板Ｓ２およびＳ４を溶接することが可能となる。

このようにしてジグ集合体を回転させることにより、制
御棒の側板Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４のそれぞれにつ
いて溶接を実施し得ることか理解されよう。

第５Ａ図の詳細図を見ると、本発明の追加の特徴を理解
することができる。この図には、側板Ｓ１およびＳ３の
個々の管Ｔか示されている。これらの側板Ｓ１およびＳ
３の間には、連結部材５０か間欠的に配置されている。

図かられかる通り、本発明の溶接装置には下部ローラ２
０１．２０２および２０３か含まれている。同様に、上
部ローラ２１１．２１２および２１３もまた含まれてい
る。

これらのローラはレーザ溶接ヘラＦ　Ｌ　＋およびＬ２
の位置に配置されている。

次に、上記のこときＬ部ローラおよび下部ローラの目的
について説明しよう。通例、これらのローラは（矢印２
１０および２２０によって略示されるような）共通のマ
ニポル１〜から及はされる空気圧の作用下にある。共通
のマニホルドに連結されたビス）・ンが及ぼずそれらの
空気圧は、個ノＺの管Ｔ同士を圧迫する。このような圧
迫作用により、それぞれの管Ｔの間における間隙か確実
に排除される。もし間隙か存在すると、溶接を行うため
に必要な高エネルギーのレーザビームはその間隙を通過
するから、溶接は行われないことになる。

次に第５Ｂ図を見ると、追加の細部か示されている。す
なわち、連結部材５０が支持片２３０によって支持され
ている。支持片２３０は末端ピン２３１〜２３４を含ん
でいる。連結部材５０は１対の支持片２３０の間に捕捉
される。これらの支持片を取囲むようにして４個の車輪
２４１．２４２．２４３および２４４か配置されている
。これらの車輪により、初期溶接に際しては連結部材５
０が側板Ｓ１．Ｓ２、Ｓ３およびＳ４と整列した状態に
保持されるのである。

個々の管Ｔかたわみ性を有することは自明であろう。ま
た、レーザ溶接に際して加熱およびそれに続く冷却を受
けた溶接部が収縮することも判明している。それ故、溶
接に際して特別な対策を講しなければ、最終的に得られ
る制御棒にゆがみか生しることは明らかである。

残念ながら、最新の原子炉工学においては制御棒構造の
全体にわたって直線性か要求されている９それ故、かか
る所要の直線性を確保するための溶接方法を開発するこ
とが重要な課題てあった。

直線性を維持するための基本的な着想は、３本の正方形
横断面の管同士を一度に溶接することにある。通例、一
方の側において中央の管の上側のかど部分が上方の管に
溶接されるのと同時に、他方の側において中央の管の下
側のかと部分が下方の管に溶接される。

第６Ａ図に関連して説明すれは、管Ｔは最初に３本の群
を成して溶接される。先ず、３本の管Ｔは溶接部３０１
において溶接される。一方の溶接部３０１によれは、中
央の管Ｔの一方の側が上方の管′Ｆに接合される。それ
と同時に、中央の管Ｔの他方の側か下方の管′Ｆに接合
されるわけである。

次いて、中央の管Ｔの残りの側か溶接部３０２において
溶接される。

接合すべき管Ｔの数が増加するのに伴い、同様な溶接手
順か続行される。詳しく述べれば、５本の管Ｔの場合に
は、第６Ｂ図中の番号３１１〜３１４によって示された
順序に従って溶接が行われる。また、９本の管Ｔの場合
には、第６Ｃ図中の番号３２１〜３２８によって示され
た順序に従って溶接か行われる。

」−記のことき溶接手順によれは、好ましくは奇数本（
すなわち、３本、５本または９本）の管同士か接合され
ることが理解されよう。

次の第６Ｂ図には、かかる管群を連結部材に接合するた
めの溶接手順が示されている。先ず、５木の管Ｔから成
る第１の管群が溶接部５４１によって連結部材に接合さ
れるが、かかる溶接は両側から同時に行われる。次いて
、やはり５木の管Ｔから成る同様な管群が溶接部５４２
によって連結部材の反対端に接合される。

次に、ジグ集合体が９０°た（“）回転させられる。

その後、５本の管から成る２つの管群を同様にして接合
すれば十字形の構造物が得られることになる。

各側板について１４本の管（全体て５６木の管）を有す
る制御棒の場合には、引続いて９本の管から成る管群が
追加される。すなわち、溶接部５４５により、９本の管
から成る管群が一方の側において側板Ｓ１に接合され、
またやはり９木の管から成る管群が他方の側において側
板Ｓ３に接合される。次いて、溶接部５４６において残
りの側が接合される。側板Ｓ２およびＳ４についても同
様な操作が繰返される。

各側板について１７木の管（全体で６８本の管）を有す
る制御棒の場合には、同様な溶接手順に従って３本の管
から成る管群が追加される。なお、かかる３本の管群は
５本の管群と９本の管群との間に配置されることか好ま
しい。

次の第７図を見ると、完成した制御棒が示されている。

この制御棒は、間欠的に配置された連結部材５０並びに
４枚の側板Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３およびＳ４を含んでいる。

通例、制御棒の一端にはハンドルＨか取付けられている
。また、制御棒の他端には速度制限器Ｖが取付けられて
いる。なお、速度制限器Ｖはそれの平面部分Ｖ１、■２
、■３および■４を介して取付りられている。

以上により、正方形横断面の管かち制御棒を製造するた
めの方法および装置か完全に説明されたことになる。な
お、本発明方法において様々な変更態様が可能であるこ
とは当業者にとって自明てあろう。

上記のごとき複雑な製造方法か必要となるのは、個々の
管Ｔか押出しによって形成し得るのに対し、本明細書中
に記載された構造を有する平面状部材は押出しによって
形成し得ないためであることか容易に理解されよう。更
にまた、中性子吸収用毒物質を収容するための円柱状内
部空間は管の長手方向に沿って伸びていることがわかる
。このように円柱状内部空間が長手方向に沿って伸びか
つ増大した容積を有する結果として、より高い中性子吸
収価値およびより長い寿命を有する制御棒が上記のこと
き方法によって容易に製造されるわりである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の対象を成す制御棒を構成する一連の正
方形横断面の管を示す断面図、第２図は中性子吸収用毒
物質を収容した一連の缶を正方形横断面の管中に装填し
ているところを示す斜視図第３図は正方形横断面の管を
封止する操作を示す略図、第４Ａ図は本発明のジグ集合
体を案内してレーザ溶接装置の近傍を通過させるために
使用される取付具の斜視図、第４Ｂ図は製造すべき制御
棒を構成する正方形横断面の管の全部をジグ中に支持し
て成るジグ集合体の斜視図、第４Ｃ図は溶接に際して正
方形横断面の管か示す縦方向収縮度の違いに対処する手
段を示す第７１．　Ｂ図のジグ集合体の部分略図、第４
Ｄ図は第４Ａ図に示されたような６個の取付具を通して
第４Ｂ図のジグ集合体を引抜きなからレーザ溶接装置に
よって溶接を行うところを示す斜視図、第４Ｅ図は本発
明において使用されるレーザ溶接装置の斜視図、第４Ｆ
図は制御棒の平面状部材に対するレーザビームの入射角
を示す略図、第４Ｇ図は制御棒の複数の平面状部材に対
する溶接を行うためにジグ集合体を取付具の外部に引出
して回転させる操作を示す略図、第５Ａ図はレーザ溶接
ヘットの近傍において溶接すべき正方形横断面の管同士
が上部ローラおよび下部ローラによって鉛直方向に圧迫
されることを示す制御棒の直立部分の詳細図、第５Ｂ図
は制御棒の連結部材を支持するための支持機構を示す詳
細図、第５Ｃ図は溶接に際して連結部材を適正な位置に
保持するための取付具の側面図、第６Ａ〜６Ｄ図は互い
に並列した状態で配置された１群の正方形横断面の管の
間における好適な溶接順序を示す詳細図、そして第７図
はハンドル、速度制限器および（溶接された正方形横断
面の管から成イ））側板を含む完成した制御棒の部分切
欠き斜視図である。 図中、２０Ａ〜２０ｒ）は正方形横断面グ）管、３０は
円筒、３１〜３４はかと部分、４０は円柱状空間、５０
は連結部材、８０はスヂフナ部材、１００はケーブル、
１０２はねし穴、１０４はおねし部材、１０６は管の前
端、］、］、Ｏはおねし部材、］１２は穴、１１４は管
の後端、１２０は基板構造物、１２２はローラ末端支柱
、］３０および］３２は水平ローラ、１４０および１４
２は鉛直ローラ、１．５０および１５２は間隙、３０１
および３０２は溶接部、３１１〜３１４は溶接部、３２
１〜３２８は溶接部、Ｃは缶、Ｆ（Ｆ、〜Ｆ１３）は取
付具、Ｇはプレナムヂエンバ、■１はハンドル、Ｊｌは
前方ジグ部材１．Ｊ　２は後方ジグ部材、ｌ−２１およ
びＬ２はレーサ溶接ヘッ１−１Ｐはプラグ、８１〜Ｓ４
は平面状部材または側板、１゛は正方形横断面の管、そ
してＶは速度制限器を表わず。 ＦＩＧ　６Ａ ヨ」

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（ａ）中性子吸収用毒物質を閉込めるための円柱状
   内部空間を有すると共に、正方形の外部横断面形状を有
   する結果として互いに並列した状態で溶接により接合し
   得るような複数の管を用意し、（ｂ）前記円柱状内部空
   間に中性子吸収用毒物質を充填し、（ｃ）前記管にプラ
   グを取付けることによって前記管の内部に前記中性子吸
   収用毒物質を封入し、（ｄ）前記管を互いに並列した状
   態で保持して平面状部材を形成するために役立つと共に
   、前記管の一端を互いに並列した状態で保持するための
   前端部および前記管の他端を互いに並列した状態で保持
   するための後端部を含むようなジグを用意し、（ｅ）互
   いに隣接した管の側面同士が整列した状態で前記管を前
   記ジグ中に装着し、（ｆ）前記管の間に規定された１つ
   の境界面に向けて配置されたレーザ溶接装置を用意し、
   （ｇ）前記ジグ中に装着された前記管が形成する平面状
   部材を支持して前記レーザ溶接装置の近傍を通過させる
   ために役立つ互いに対向したローラを具備した取付具を
   前記レーザ溶接装置の両側に配置し、（ｈ）互いに対向
   した前記ローラ間および前記レーザ溶接装置の近傍を通
   過させながら、前記取付具を通して前記管の装着された
   前記ジグを引抜き、そして（ｉ）前記引抜き工程中にお
   いて前記レーザ溶接装置により前記管同士を溶接する諸
   工程から成ることを特徴とする、複数の管から十字形制
   御棒の平面状部材を組立てるための方法。 ２、前記管を互いに並列した状態で保持するための前記
   ジグにおいて、前記前端部は前記管と前記前端部との距
   離を一定に維持する一方、前記後端部は溶接に際して前
   記管の間における相対運動を可能にする請求項１記載の
   方法。 ３、前記レーザ溶接装置が第１および第２のヘッドを含
   んでいて、前記第１および第２のヘッドは前記管の間に
   規定された前記境界面の両側端に向けられている請求項
   １記載の方法。 ４、前記レーザ溶接装置の両側に複数の取付具が配置さ
   れる請求項１記載の方法。 ５、前記ジグ中に装着された前記管が形成する平面状部
   材を支持して前記レーザ溶接装置の近傍を通過させるた
   めに役立つ互いに対向した第１のローラ対および互いに
   対向した第２のローラ対を前記取付具が具備していて、
   前記第１のローラ対は水平方向に沿って配置されかつ前
   記第２のローラ対は鉛直方向に沿って配置されていると
   共に、前記第１のローラ対は鉛直方向の間隙を規定しか
   つ前記第２のローラ対は水平方向の間隙を規定している
   結果、十字形の形状を成して前記管を装着した前記ジグ
   を引抜くことができる請求項１記載の方法。 ６、中性子吸収用毒物質を閉込めるための円柱状内部空
   間を有すると共に、正方形の外部横断面形状を有する結
   果として互いに並列した状態で接合し得るような複数の
   管から十字形制御棒の平面状部材を組立てるための装置
   において、（ａ）前方ジグ部材、後方ジグ部材、および
   前記前方ジグ部材と前記後方ジグ部材とを互いに離隔し
   た状態に保持するための少なくとも１個のスチフナ部材
   から成っていて、前記管を互いに並列した状態で保持す
   るために役立つジグ、（ｂ）前記管を前記前方ジグ部材
   に対して固定状態で取付けるための手段、（ｃ）前記管
   を前記後方ジグ部材に対して支持するための手段、（ｄ
   ）前記管の間に規定された１つの境界面に向けて配置さ
   れたレーザ溶接装置、（ｅ）前記ジグ中に装着された前
   記管を支持して前記レーザ溶接装置の近傍を通過させる
   ために役立つ互いに対向したローラをそれぞれに具備し
   、かつ前記レーザ溶接装置の両側に配置された少なくと
   も２個の取付具、並びに（ｆ）前記取付具を通して前記
   管の装着された前記ジグを引抜くことによって前記管の
   レーザ溶接を可能にするような、前方ジグ部材および前
   記後方ジグ部材に取付けられた引抜き手段の諸要素から
   成ることを特徴とする装置。 ７、前記前方ジグ部材および前記後方ジグ部材がいずれ
   も十字形の形状を有していて、前記管は前記前方ジグ部
   材および前記後方ジグ部材の間に十字形の形状を成して
   装着される請求項６記載の装置。 ８、前記取付具の各々が互いに対向した第１のローラ対
   および互いに対向した第２のローラ対を具備していて、
   前記第１のローラ対は水平方向に沿って配置されかつ前
   記第２のローラ対は鉛直方向に沿って配置されていると
   共に、前記第１のローラ対は鉛直方向の間隙を規定しか
   つ前記第２のローラ対は水平方向の間隙を規定している
   結果、十字形の形状を成して前記管を装着した前記ジグ
   を引抜くことが可能である請求項６記載の装置。 ９、（ａ）中性子吸収用毒物質を閉込めるための円柱状
   内部空間を有すると共に、正方形の外部横断面形状を有
   する結果として互いに並列した状態で溶接により接合し
   得るような少なくとも３本の管を用意し、（ｂ）前記円
   柱状内部空間に中性子吸収用毒物質を充填し、（ｃ）前
   記管にプラグを取付けることによって前記管の内部に前
   記中性子吸収用毒物質を封入し、（ｄ）中央の管の一方
   の側に第１の隣接管を配置しかつ前記中央の管の他方の
   側に第２の隣接管を配置しながら前記管を互いに並列し
   た状態で保持して平面状部材を形成するために役立つと
   共に、前記管の一端を互いに並列した状態で保持するた
   めの前端部および前記管の他端を互いに並列した状態で
   保持するための後端部を含むようなジグを用意し、（ｅ
   ）互いに隣接した管の側面同士が整列した状態で前記管
   を前記ジグ中に装着し、（ｆ）互いに並列状態で保持さ
   れた前記管の両側に配置されたレーザ溶接装置を用意し
   、そして（ｇ）第１の溶接操作により、一方の側におい
   て前記中央の管の１つのかど部分を前記第１の隣接管に
   溶接すると同時に、他方の側において前記中央の管の対
   角線に沿って向かい合ったかど部分を前記第２の隣接管
   に溶接する諸工程から成る結果として、前記管の両側に
   おける溶接部の収縮が均等化されることによって前記管
   の直線性が維持されることを特徴とする、複数の管から
   十字形制御棒の平面状部材を組立てるための方法。 １０、第２の溶接操作により、前記一方の側において前
   記中央の管のもう１つのかど部分を前記第２の隣接管に
   溶接すると同時に、前記他方の側において前記中央の管
   の対角線に沿って向かい合ったかど部分を前記第１の隣
   接管に溶接する工程が追加包含される結果として、前記
   中央の管の４つのかど部分の全てが前記第１および第２
   の隣接管に溶接される請求項９記載の方法。 １１、前記第１および第２の溶接操作により少なくとも
   ３本の管を互いに並列した状態で溶接して第１の管群を
   形成し、前記第１および第２の溶接操作により少なくと
   も３本の管を互いに並列した状態で溶接して第２の管群
   を形成し、次いで前記第１および第２の管群を互いに並
   列した状態で配置しかつ両者の接触部に位置するかど部
   分同士を両側から同時に溶接することによって前記第１
   および第２の管群同士を接合する諸工程が追加包含され
   る請求項１０記載の方法。 １２、前記管の数が奇数である請求項９記載の方法。