JPH0277690A - 制御棒 - 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、原子炉において利用される制御棒に関する。

詳しくは、ハフニウムがステンレス鋼に摩擦溶接されそ
の溶接部には制御棒の動きの動力学によって張力又は圧
縮力のみがかかるような構造の制御棒に関する。

先行技術の要約 ハフニウムは、高い比重（１３，１）と極めて高い熱中
性子断面積（１１５バーン；１バーンはＩ　Ｘ　１０”
　ｃｊ）とを有する原子量７２の金属元素であって、寿
命の長い中性子吸収材であることから原子炉用制御棒に
一般的に用いられている。

いうまでもなくハフニウムは重く、その比重値の１３，
１は鉛（比重１１．３５）より高い。中性子の観点から
すればハフニウムを原子炉用制御棒の一部に含めるのが
望ましいが、一方、その重いことと従来型制御棒のステ
ンレス鋼と複雑に接合できないこととから、制御棒の一
部とするにはもっとも望ましくない。

ステンレス鋼は、大抵の制御棒の構造要素部分を構成す
るのに用いられる物質である。ハフニウムはステンレス
鋼への従来型の溶接には適していない。簡単にいえば、
溶接する金属を溶融状態まで加熱する従来型溶接中にそ
の高熱によりハフニウムはステンレス鋼との間にもろい
金属間化合物を形成する。このもろい金属間化合物は溶
接部に要求される延性と張力及び圧縮力に関する一般的
性質とを欠いている。

制御棒は一般的にはステンレス鋼から作られる。

ステンレス鋼は炭化ホウ素（Ｂａ　Ｃ）のような中性子
吸収材を収納するために用いられ、炭化ホウ素は原子炉
の制御用に利用される。

残念なことに、炭化ホウ素は高中性子束及び他の放射線
の存在により分解されるとガスを分離する。典型的には
、原子炉制御棒は、炭化ホウ素が放射線にさらされたと
きに生成するガスにより同時に高熱と高圧にさらされる
。その上、炭化ホウ素は高寿命吸収材ではない。

炭化ホウ素吸収材を有する制御棒に長寿命吸収材として
ハフニウムを少量加えることは知られている。この少量
のハフニウムを加えて得られる複合制御棒は妥当なコス
トで最適寿命を持つことになる。

残念なことに、ハフニウムはステンレス鋼に接合できな
いことと密度が高いこととから、ハフニウムをステンレ
ス鋼製の制御棒構造部分に接合することは普通には困難
である。この困難は、収納の目的でハフニウムをステン
レス鋼で囲周しようとする現在の手法に由来している。

原子炉がスクラム（ＳＣＲＡＭ　）で緊急停止する場合
、制御棒は比較的瞬時に挿入される。３．６ｍ（１２フ
イート）台の長さの制御棒を原子炉内に完全に挿入する
のに要する時間は２秒未満である。

ハフニウムの小片（比重１３．１）はステンレス鋼（比
重７．９）よりもかなり密なので、制御棒の加速の変化
時に周囲のステンレス鋼に動荷重を加えることになる。

例えば、初期加速の際、重力の３０倍までの力がかかる
可能性がある。制御棒を完全に挿入して原子炉構造を急
停止するときには、少なくとも重力の２００倍までの力
が存在し得る。したがって、収納されたハフニウムが原
子炉制御枠内で周囲のステンレス鋼部分に対し事実老少
しでも動くことができれば、ステンレス鋼製制御棒収納
構造部に破損が生じることになる。この破損には、圧力
のかかった炭化ホウ素を収納しているステンレス鋼管体
部の破壊も含む。このような破損は放射性粒子を蒸気サ
イクルを通じて原子炉全体に運ぶことになり得るので受
入れられない。

いわゆる摩擦溶接は公知の溶接方法である。摩擦溶接は
、２個の金属片を相対的に回転させながら同時に互いに
力を加えることから成る。回転と加力とは一般に摩擦が
これら２個の相対的に回転する金属間の金属界面で塑性
金属流れ押出し現象を生じさせるまで継続される。この
ような溶接の一部として、溶接界面に塑性流れが発生し
、高温物質の流れが溶接界面部を形成する。

高温塑性金属物質が溶接界面部から押し出された時点で
、溶接される２個の金属片間の相対回転を停止し、２個
の金属片を一緒に保持している力は維持する。冷却過程
中にこれら２個の接合される物質内に溶接が生じる。

ハフニウムのステンレス鋼への溶接は知られていない。

本発明者は今までにハフニウムをステンレス鋼に溶接し
ようとする企てが成されたことを知らない。ハフニウム
とステンレス鋼とが張力、圧縮力、延性、及び塑性につ
いて貧弱な特質しか持たないもろい金属間化合物を形成
することは知られている。我々は、ハフニウムのステン
レス鋼への摩擦溶接が高抗張力を有する溶接部を生成す
ることを発見した。しかし、この溶接部は従来の溶接部
の応力に対して受は入れられている延性には概して欠け
ている。

この発見を利用して、溶接部でハフニウムにかかる荷重
が張力又は圧縮力のみとなるように、ハフニウムを制御
棒内に局限することとした。したがって、本発明者は、
ハフニウムをステンレス鋼に直接溶接した原子炉用制御
棒をここに初めて開示するものである。

本発明者は、ここに開示した溶接の成功がハフニウムと
ステンレス鋼との間の極めて薄い金属結合部の存在によ
るものと推測する。この結合部はこれら２種類の金属の
間の比較的薄い界面部に発生する。これら２種類の金属
の摩擦溶接のプロセスは比較的高抗張力を有する小さな
薄い金属間領域を形成するために本発明者が見い出した
ものである。

発明の要約 原子炉の反応の減速及び制御用の制御棒構造において、
ハフニウムをステンレス鋼に溶接した制御棒構造が開示
される。典型的には、上記制御棒はその動きが原子炉の
内方へ及び原子炉から外方、へのその長手に沿った軸方
向の動きに限られる。

上記ハフニウムは、制御棒の軸方向の動き以外に上記制
御棒構造に対して相対的に動かないように、ステンレス
鋼製の照影被覆体によって上記制御棒構造内に囲まれる
。上記ハフニウムは更に、制御棒の動きから生じる動的
分電による張力又は圧縮力のどちらかが溶接部にかかる
ように、上記制御棒の上記ステンレス鋼に摩擦溶接され
る。ハフニウムの溶接されたステンレス鋼は今度は、上
記制御棒の外周の残りの鋼製要素部分に通常の溶接又は
機械的方法で連結される。その結果として、原子炉のス
クラムによる制御棒の急速な加減速に際して普通に生じ
る荷重のような、制御棒の急速な挿入時に動的荷重に耐
え得る、溶接ハフニウム付きのしっかりした制御棒構造
が得られる。

発明の目的、特徴及び利点 本発明の一つの目的は、ハフニウムのステンレス鋼への
溶接により作られる原子炉用吸収棒を開示することにあ
る。すなわち、４．８ｍｍ（３／１６インチ）程度の直
径のハフニウム棒をほぼ同一の直径のステンレス鋼棒に
対して相対的に回転させる。上記相対的回転中、上記２
金属片を相互に相手方に押し付ける力をかける。制御棒
の上記相互押し付は力は意図した溶接界面部に塑性流れ
が生じるまで維持する。環状に押し出された塑性物質部
が上記の相対的に回転する金属片の回りに形成される。

この環状部が形成されたら、上記相対的回転を停止する
。但し２金属片の相互押し付は力は維持する。この押し
付は力についてはこの後に続く冷却時間中維持しておく
。２金属片の間の溶接部は薄い２金属間界面部に生じる
。

上記のプロセスの利点は、ステンレス鋼とハフニウムと
の確実な溶接結合が初めて得られることである。この溶
接結合は延性が低いが、比較的高い抗張力を有する。

本発明の更に一つの目的は、制御棒に利用された摩擦溶
接を開示することである。本発明のこの面によれば、溶
接されたハフニウム部材は、制御棒の動的動きに際して
引張力又は圧縮力がかかるように、局限される。この局
限は、ハフニウムが制御棒の動きの方向にめみ自由であ
るように、好ましくは上記ハフニウムをステンレス鋼で
囲むことにより行う。

上記溶接部は、制御棒の動的動きに際して張力又は圧縮
力のみがそこにかかるように、上記閉眼したハフニウム
に対して設けられる。せん断力又は曲げ力が溶接部に存
在するような構成にはしない。

本発明のこの面の利点は、制御棒構造内で利用できるよ
うに、比較的にもろいが高い抗張力を有する、ハフニウ
ムのステンレス鋼への摩擦溶接部が配向さ九ていること
である。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面を参照し
た以下の説明により一層明らかになろう。

図面を参照した発明の詳細な説明 第１Ａ図は、ステンレス鋼棒１４のハフニウム片１６へ
の摩擦溶接を示す略図である。ステンレス鋼棒１４を矢
印２０の方向に回転する回転チャック１８の内部に置き
、ハフニウム棒１６をジグ１７内に静止（不動）状態に
保持する。２部材間の相対回転中、ベクトル２２及び２
３により表される力を溶接界面部にわたってかける。

好ましくは、２個の棒１４及び１６の寸法を直径３．０
４８ｍ層（０，１２インチ）から７．６２鰭（０，３０
インチ）までとする。上記静止ハフニウム棒に対して上
記回転チャックを相対的に回転させる。上記ジグと上記
回転チャックとの間の力は、２金属間金属形成拡散を含
む界面部を形成するのに十分な大きさとする。

上記の棒１４及び１６には尖端部を持たせるのが好まし
い。すなわち、上記の棒に各々円錐状表面を持たせる。

この円錐状表面がいわゆる摩擦溶接の際の最初の接触点
となる。

第１Ｂ図にお−いて、環状部２６が上記２個の棒１４及
び１６の間に出来るまで上記２個の棒の間の相対的な回
転が継続される。この環状部は１層の塑性流動物質から
成る。この塑性流動物質は上記２種類の金属間の界面部
から流出し、酸化されていない純粋な金属界面部を露出
する。これによりきれいな溶接部が形成できる。

第１Ｃ図においては、上記チャック部材１８の上記ジグ
部材１７に対する回転が終わっている。

この時点では棒１４と１６との間に相対的動きはない。

同じくこの時点に棒１４と１６との間の力は維持される
。高熱が存在するため金属結合が形成される。この金属
結合は狭い拡散界面部から成る。

ハフニウムとステンレス鋼とが一体に溶接されたときの
結果としての結合部を検査したところ、３５１５ｋｇ／
ｃＪ　（１平方インチ当たり５０．０００ボンド）を超
える規模の比較的高い抗張力が生じていることが分かっ
た。しかし、この溶接部は延性に欠けている。特に、上
記２個の棒の一方が万力により保持されている場合、他
方の棒を溶接部での曲げにより破損することがあり得る
。

上記溶接部の破壊検査により、上記溶接部の成るものは
要素金属のいずれよりも抗張力が劣ることが示されてい
る。時には上記溶接部に破損が生じそこに生成された金
属融合結合部が顕出することがある。３５１５ｋｇ／ｃ
ｄ　（１平方インチ当たり５０．０００ポンド）より大
きい抗張力が得られる。

読者は、ここに示す摩擦溶接が、溶接対象の２種類の金
属の仕様がステンレス鋼とハフニウムであることを除い
ては、従来通りであることを理解されよう。

第２図には、制御棒の吸収材要素が示されている。上記
要素には底部端栓４２と頂部端栓４４とを有するステン
レス鋼製外部照影彼覆管４０を含む。頂部端栓４４はハ
フニウム棒４６に摩擦溶接されており、ハフニウム棒４
６はステンレス鋼管４０の内径に嵌合する寸法にしであ
る。

上記の管の密封方法は容易に理解されよう。底部端栓４
２と頂部端栓４４とは溶接部４８および４９において上
記の管の底部と頂部とにそれぞれ通常の方法で溶接され
ている。

第１Ａ図から第１Ｃ図までのプロセスにより作られた摩
擦溶接部５０は、溶接された材料の薄い金属結合又は界
面部を形成する。

制御棒移動軸は略図的に方向５２で示されていることが
理解されよう。好ましくは、制御棒の挿入は上向きがよ
い。

ハフニウム棒４６は、引張力又は圧縮力のみが溶接部５
０にかかるように、局限されていることが見えよう。上
記溶接部５０にはせん断及び曲げは存在しない。上記摩
擦溶接部に対する荷重を制限するこの能力によって、こ
こに開示の適用例におけるような利用が可能となる。

ここに例示した制御棒構造の主旨により他の実施例を形
成することも可能であることが理解されよう。

第３図においては、上記第１Ａ図から第１Ｃ図までに示
す摩擦溶接プロセスにより溶接界面部６６において溶接
されたハフニウム棒６２を端部に有する制御棒６０を示
す。

キャップ６７が溶接部６９において制御棒の外側に溶接
される。このようにして、従来型の炭化ホウ素６３が制
御棒の内部に閉じ込められる。

再び、制御棒の動きは第３図に示す制御棒の軸方向５２
に制限されている。したがって、溶接部５０にはハフニ
ウム棒６２により張力又は圧縮力のいずれかしかかから
ない。曲げ又はせん断は溶接界面部においては、はっき
りと分かる程度には存在しない。

最後に、第４図に代替実施例を示す。特に、炭化ホウ素
７２を収納するステンレス鋼制御棒７０には端栓７４が
従来通りのステンレス鋼溶接部７５により配設されてい
る。上記端栓７４の頂部はあらかじめハフニウム棒７８
に摩擦溶接されている。ハフニウム棒７８にはその上部
において歯部７９が形成されている。連結部７９は制御
棒の上部からの対応するＬ字形の歯部と噛み合うように
形成され、これによりハフニウム棒７＆の頂部において
機械的結合が行われる。

このようにして、図から明らかなように、ハフニウム棒
７８はその一端が上記吸収棒の端栓７４に溶接され、他
端が上記制御の反対端に機械的に結合されている。ハフ
ニウムが鋼の約２倍の密度を有することを認識すれば、
炭化ホウ素を収納していて一般に加圧され非常に高温に
熱せられるステンレス鋼制御棒に対してハフニウムを静
止状態に維持することの重要性が理解できよう。簡単に
いうと、もしハフニウムがかなり相対的に動くことがで
きるようになっていると、制御棒に過大な応力が生じ得
る。この過大な応力により、破損が生じ、ひいては炭化
ホウ素又は他の中性子吸収材の粒子が沸騰水型原子炉の
水中へと遊離し、結果として原子炉プラント全体が汚染
されることにもなり得る。なお、当業者には例示した溶
接部を他の無数の構成にし得ることが理解されよう。た
だ、溶接されたハフニウムとステンレス鋼とが張力又は
圧縮力のみを受けるように局限されることが重要である
。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図、第１Ｂ図及び第１Ｃ図は、摩擦溶接部を生成
するプロセスを示す一連の説明図である。 第２図は、制御棒の吸収材棒部分及び中空円筒部分を示
す側断面図で、円筒内部にはハフニウム棒が本発明によ
る好ましい装置及びプロセスにより保持されていること
を示す。第３図は、制御棒に挿入されたハフニウム棒の
別の実施例を示す側断面図である。第４図は、制御棒の
上部及び下部間の機械的ロック部を含む、制御棒の端部
にハフニウムを取り付けた他の実施例を示す側断面図で
ある。 （主な符号の説明） １４ニステンレス鋼部材 １６：ハフニウム部材 １７：ジグ １８：回転チャック ２６：環状部 ４０ニステンレス鋼管（外部照影被覆管）４２：底部端
栓 ４４：頂部端栓 ４６：ハフニウム棒 ５０：摩擦溶接部 ６０：制御棒 ６２：ハフニウム棒 ６３：炭化ホウ素 ６７：キャップ ７０：制御棒 ７２：炭化ホウ素 ７４：端栓 ７８：ハフニウム棒

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、核反応を制御するために原子炉の内方への挿入及び
   外方へ引抜きのために軸方向に沿って動かされる、中性
   子吸収毒物質封入用ステンレス鋼製本体部を有する制御
   棒において、 （イ）ハフニウム部材と、 （ロ）摩擦溶接により作られる薄い拡散界面部によって
   上記ハフニウム部材に結合され、かつ上記軸方向に上記
   ハフニウム部と直列に配列されたステンレス鋼部材であ
   って、上記拡散界面部が上記制御棒の動く軸方向に対し
   て垂直に配置されているステンレス鋼部材と、 （ハ）上記ハフニウム部材の動きを上記制御棒の上記軸
   方向に沿った動きに制限する手段と、 （ニ）上記制御棒が動く際に上記ハフニウム部材と上記
   ステンレス鋼部材との間の溶接部に圧縮力又は張力がか
   かり、それにより上記制御棒の動的動きの際に上記の薄
   い拡散界面部に張力又は圧縮力がかかるようにするため
   に、上記ステンレス鋼部材を上記制御棒の残りの部分に
   取り付ける手段とを有することを特徴とする制御棒。 ２、上記ステンレス鋼部材を上記制御棒の残りの部分に
   取り付ける上記手段が通常の溶接部から成る請求項１記
   載の制御棒。 ３、上記ステンレス鋼部材を上記制御棒の残りの部分に
   取り付ける上記手段が機械的取付部から成る請求項１記
   載の原子炉用制御棒。 ４、移動軸に沿った原子炉の内方へ及び外方への動きに
   よって核反応を制御する制御棒において、 （イ）核反応制御用中性子吸収毒物質を収納するための
   中空内部を有するステンレス鋼製本体部と、 （ロ）上記ステンレス鋼製本体部内に収納される中性子
   吸収毒物質と、 （ハ）上記ステンレス鋼製本体部に接合するためのハフ
   ニウム部材と、 （ニ）摩擦溶接により作られる薄い拡散界面部により上
   記ハフニウム部材に接合され、かつ上記移動軸方向に上
   記ハフニウム部材と直列に配列されたステンレス鋼部材
   であって、該拡散界面部が上記移動軸方向に対して垂直
   に配置されているステンレス鋼部材と、 （ホ）上記移動軸方向の動きにより上記制御棒に動的荷
   重がかかるときに上記薄い拡散界面部に張力又は圧縮力
   のみがかかるようにするために、上記ステンレス鋼部材
   に取り付けられたハフニウム部材の動きを上記制御棒の
   移動軸方向に沿った動きに制限する手段と、（ヘ）上記
   制御棒の動的動きの際に上記ハフニウム部材と上記ステ
   ンレス鋼部材との間の溶接部に圧縮力又は張力がかかる
   ようにするために、上記ステンレス鋼部材を上記制御棒
   の残りの部分に取り付ける手段とを有することを特徴と
   する制御棒。 ５、上記ステンレス鋼部材を上記制御棒の残りの部分に
   取り付ける上記手段が溶接結合部から成る請求項４記載
   の制御棒。 ６、上記ステンレス鋼部材を上記制御棒の残りの部分に
   取り付ける上記手段が溶接部から成る請求項４記載の制
   御棒。 ７、上記ハフニウム部材の動きを上記制御棒の移動軸方
   向に沿った動きに制限する上記手段が上記ハフニウム部
   材を囲む管から成る請求項４記載の制御棒。 ８、上記ハフニウム部材が円筒形であって、上記管の内
   部に嵌合している請求項７記載の制御棒。