JPS5960285A - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は水Ｃａ型原子炉に使月１さノ１でいる制御枠に
係り、特に現用のポイズンチューブに代る画用。

な中性子吸収体を一用いた制御棒に関する。

〔発明の］゛々術的背甲とその問題点、］水冷型原子炉
におりる制御棒ニ１、原イ炉の中性子うち余分な中Ｆ（
・子音吸収［７て核分裂の連鎖反応を調整−する作用ｋ
・なすものである。この制御１棒けｈＦ、　Ｔ炉の燃刺
隼合体の間に間かれ、炉の長袖方向（ト下方向）に移動
１１能に数句けられている。十記制御棒（１）は図に示
すように上方から見る上申字形をしたブレード（２）と
、この上部に固定された吊り上げハンドル（３）と、下
部に取付けられた支持体（４）とに」、って形成されて
いる。この支持体（４）の底部しま、緊急時に制御棒の
移動＜　＋＋；ｒ下）がゆるやかに行なえるように円板
状のスピー　トリミッタ（５）が形成さｔ］ている。な
お（６）　＆Ｊ制御棒（１）をｌＴ動さ−するときのガ
イドローラ、（力Ｖ１制御棒駆動機＋ｉｌｌに牌続する
７’Ｌ　Ｗ、）のカップリングソケットである。

１−記ブレード（２）は内部が中空に形成されており、
この中にＶ１多数のポイズンブー＝１．−ブ（８）がブ
１／−ド（２）の各面に沿って並べて配向されている。

との４ミイズンチユーブ（４）＆よ第２１ゾ１に示−す
ように断面が１１を１円筒形のステンレス鋼管で形成さ
れていると共に、その内部には中性子吸収材（９）とな
る約１０１００ｌ１平吻も“ｌ径）のボロンカーノくイ
ト（Ｂ４　Ｃ）が充填蜜月されている。このボｊｆｆン
カーノ２イトｔよ全体の充填密度約７０係で充填されて
いるので、その−Ｊ二下の＃動は少ないが、この移動全
史に抑えるために、ポイズンチューブ（８）の名所に中
性子吸収体移１ｉ１１防ＩＩ−，休ａ旬ヲボイズンチコ
ー−ブ（８）の一部全くびれ変形させて固定しである。

このボイズンヂｊ−ブ（８）ハ使用中にゼ習１するので
この過熱全避けるために第１図に示すようにブレード（
２）複数個所に冷却孔（１１）が開孔へれでいるー このように形成さｉまた制ｆｌｌｌｌ控（１＋　’ｆ二
原子炉内に装ｇ’ｔ　ｌ　”Ｃ駆ｎＲＩさナルト、原子
炉内）余分な中性−Ｔ１．ｊブｌ／−ド（２）およびボ
イズンヂコーブ（８）ヲ介し７で中性ｒ吸収＋（（９）
であるボロンカーバイトに吸収されて正常な運転が持続
される。

ところで中性子吸収層（９）　２：　ｔ、て用いられて
いる−１；配ボロンカーバイトは、粉末゛であることが
らその飛散全同市するためボイズンブユープ（８）ジオ
第２図に示すように、その端部ヲ＝１〜１着体（＋２に
よって完全に−１：′［着１．．である。このように刊
憎されたボロンカ−バイトし１１嘔卸Ｊ中にＶ、軸がｅ
ｆイうみ中性子吸ＩＩンイ４移ｇｌｌ＋　ｌ＋）１１１
体（１０の上方近傍にのみ集中（２てし、すい、第３図
に示すように空間０階が形成され易く、極端な場合にＬ
Ｊｌ、移動防１）・休Ｏｔ′ｌｌの下方にボロンカ−バ
イトが存在１−なくなり中性子吸収作用か−・部におい
で失なわれてし、１う場合がある。従って制御棒（１）
の寿命が短縮されてしまうだけでなく、制御棒（１）の
出入による原子炉出力の制御が困・誰になるという問題
点がある。

またボロンカーバイ）　ｌｌＪ中性中性状吸収断面積き
いので吸収体としてｔ」有利であるが、中性子と反応−
すると（ｎ・α）反応でα線、即ちヘリウム原子が生成
される。このヘリウＪ−は、ポイズンチューブ（８）内
の空間（１（資）に放出さｔｌてポイズンデユープ（８
）の内圧を昇進さ辻る。またボロンと中性子の反応によ
り生成され／こリブーウノ・（液体）と、このときの反
応熱によりボロンカーバイトの粉末が膨潤１７て、ボイ
ズンブユーブ（８）を破裂に至らしめる可能性も考えら
れる１、 このようなことからボｒ１ンをステンレス中に固溶、あ
るいは析出させてボロンスｊ゛ンレス合金で［１１（テ
を子吸収体を成形し制徊１梓に組立てたものも開発され
ている。

しかしガから、この場合には十分な１禰のボロンをステ
ンレス内−＼混合することができず、しかも制御棒に組
立てる際に横断面十字形を形成させる１゛ｆ？などにお
いて溶接手接が必要となり、この溶接部分でのヘリウム
が結晶粒界に集合して粒界破断が発生］７て好寸しくな
いことから採用されるには至っていが匠、 〔発明の目的〕 Ａ・発明の１従来のボロンカーパイ）’ｌｒ−用いたポ
イズンでの問題六′、、ｉ全改善ｌ〜、中性子吸収作用
の偏りがなく全体に均一で、しかも機械的強度や４食性
に優れて中性子の吸収寿命に一向」二さ−ｌ−ると共に
、ジノ造が容易で昭産性に優れ、安価な制御棒を４是供
−（゛るものである。

し発明の析Ｉ、要〕 ４・発明Ｖ」水玲ｉ＜すＪｌ；ｉ、１炉の制御棒におい
て、中性了吸１１Ｖ体が少なくとも内表面および外表面
にジルコ、−、ラム合金を被覆【７たハフニウム管で形
成され−しいる制御棒である。

なお本発明においてハフニウム貸金ジルコニウム・合−
金で、？＃覆するのは、もしハフニウノ・管が腐食し“
Ｃ酸化物が生成シフ、炉水中に？？遊［また際に生じる
１ｉ７子炉の出力の低下を防ぐ為である。

また本発明に用いるバフニウムは中性子との反応が（ｎ
・γ）反応であるため、（ｎ・α）反応のようにヘリウ
ムの発生がな（、Ｉ’ＷＲ系即ち高温高圧水での耐食性
はジルコニウム合金と同等もしくはそれ以−１−に良好
であり、中性子吸収断面積も太きく、シかもジルコニウ
ム金属の精製に伴なう副産物として容易に得られるもの
である。またハフニウム管の表面に保護層として被覆す
るジルコニウム合金としてＣ１例えばジルカロイ−２あ
るいはジルカロイ−４などが挙られ、これらは高温水中
での耐食性に優れ原子炉内構造材として広く用いられて
いるものである。ｔｌここの保護層となるジルコニウム
合金層の厚τ＼シ」−１中＋１子吸収能の低下を避ける
ため５〜５（！ＯＩ’ｍ　ｌ’７ｉｉ　ＩＪ）−が好ま
しい。

〔発明の効果〕

本発明による制御棒は、従来品にくらべ構成が筒中で作
業性が良＜　’７３産に適すると共に、安価に出来る特
徴がある６更に中性イ吸収材が制御棒ブレードに均一に
配置されるので中性イ吸収作用が均一で目、つ中性子・
吸収効率が良く、シかも経時変化′ｆｒ：きたさ々いと
いう特徴を有る。しかも、ステンレスチューブ中にボロ
ンを充填した従来のポイズンチューブの様にヘリウムガ
スの蓄積による内圧高謄、ボロンカーバイトの膨潤によ
るステンレスチューブの破損の心配もない。

さらに、ハフニウムは６種の安定核種があり、それぞれ
が中性子吸収材として有効に（ｎ−ｒ　）反応をおこす
ため、（ｎ・γ）連鎖反応により長期にわたり中性子吸
収能力を保持することができる０、従って経時変化によ
り中性子吸収能が低下することは少々い。しかもハフニ
ウム全管状にし、管内に冷却水衡流すことにより（ｎ・
γ）反応による１発熱をとり去ることができる。、また
、前に述べたように、ハフニウムｔよ高圧高温水中での
耐食性はジルコニウム合金と同等に良好であるが、Ｂｗ
Ｒで実積のあるジルカロイで被覆することにより、吸収
能の存続も含めて長寿命に使用できる。

また、制御棒の置かれている炉心の位置および中性子吸
収材の置かれているブレード内での位置により要求され
る中性子吸収能力が異たる場合がある。この場合は、ハ
フニウム管の肉厚ｆ：調整することにより、要求さノす
る吸収能の不均一さに応じることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を図面を参照しながら詳細に説明する。

第４図は、本発明の代表的Ａ例金示すもので、ジルカロ
イ−４から成る表面保護層付ハフニウム中性子吸収材を
制御棒素−了（８）とした制御棒（１）全一部切欠いて
示した余１視図である。卯、５図は該制御棒素（（８）
を半切に切欠いて示した余１視図であり、ジルカロイ−
４から成る保「ψ層（８２）　（８３）と中性子吸収材
であるハフニウム（８４）で構成されている。該ジルカ
ロイ−４より成る保護層（８２）ｉｄ：、その厚さは／
Ｊｉｉに限定されないが、保藷層の存在が中性子吸収材
としてのハフニウムの能力舎低下させないように５〜５
００μｍの範囲の厚さが整寸しい。

上記構造の複合制御棒素子（８）の製造方法の１例につ
いて説明する。即ち、ハフニウムを溶解、鍛造し、これ
に切削加工歪〜施して、外径２００喘φ内径５０ｆｌφ
長さ４５０間の中空ビレットをつくる。また１冒厚さの
ジルカロイ−４の板材を、内径２００ＷＩＩＩｌφ長さ
４５０鰭の管状の形になるようにシーム溶接し、ハフニ
ウムビレットの外側Ｋかぶせる１、同様に、ＩＩＲＩＩ
＋厚さのジルカロイ−４の板材を夕１径５０ｍｍφ長さ
４５０ｍの管状の形に々るようにシーム溶接し、ハフニ
ウノ、ビレットの内側にはめこむ。その」二で更に端面
におけるハフニウムビレットとジルカロイ−４板との境
界部を真空中でエレクトロビーム溶接あるいはレーザビ
ーム溶接により溶接する。

溶接は充分に高真空中で行ない真空チーヤンバー内に設
置した回転台上に複合ビレットの端面がエレクトロンビ
ームあるいはレーザビームに垂直になる様に設置“し複
合ビレット端面のハフニウムビレットとジルカロイ−４
板との境界部にエレクトロンビームあるいはレーザビー
ムが正確に入射する様に回転台と溶接チャンバー外部よ
り稼動させる。

即チ、ハフニウムビレットとジルカロイ−４との境界部
に関して、入射ビームの中心を通過させることにより境
界部の溶接を完了する。

例えば加速電圧を１００ＫＶのエレクトロンビーム溶接
によると、溶接加工速度２３０ｍ＋／ｍｉｎの場合、電
子電流と溶は込み深さとの関係は次の様である。

又、例えば溶接加工速度ｋ　１００ｍｍ／ｍｉｎとする
と上記の関係は次の様になる。

上記の如き溶接により両端の境界部を溶接することによ
り一体化した複合ビレットは、その後の通常の熱間押出
し加工によりハフニウムビレットとジルカロイ−４とは
複合ビレット長さ方向の全境界面にわたり、完全に一体
化される。Ｌまたがって、溶接後の複合ビレットは通常
の中休ビレットと回一方法で押し２出し７加［ｒ及びそ
の後の複数回の圧延により製″′ｉｖ全行ない、約２５
μｍ厚さのジルカロイ−４を外表面および内表面にライ
ニングしたハフニウム管がイＩＩられる。

この場合の出来上り寸法の１例は下記の通りである。

複合制御棒素子外径　　　　４．８０　ｍｍφ複合複合
制御棒内子内径　　４４１４■φハフニウム部が寸法外
径　　４．７８ｗφハフニウム部が寸法内径　　１．１
６ｗφジルカロイー４厚さ　　　　０．０２關なお、上
記製管加工前に複合ビレットの両端部のハフニウムビレ
ット七ジルカロイ−４との接触部を一周にわたり溶接し
た桜、ハフニウムビレットとジルカロイ−４との接触面
全面にわたり冶金的嵌合が完了する様に拡散処理をする
ことは更に好ましい。（の理由は熱間圧延上りにジルカ
ロイ−４より成る保護層部分の肉厚を周方向に精度よく
制御するためである。

拡散処理の条件は円筒と外筒で冶金結合が出来ればいず
れでも良いが、例えば真空中７００℃８時間保持で全接
触面において冶金結合が完了する。

上記製造方法によると、ハフニウムビレットとジルカロ
イ−４とは両端が溶接されて１体化していることによｐ
熱間押し出しに際し、ハフニウムビレットのみ、あるい
はジルカロイ−４のみが単独に、あるいは長手方向にズ
レを生じて装管されることが無く、更にまたハフニウム
ビレットとジルカロイ−４との境界が真空に保持されて
いる為に、押し出し後の界面に不純物介在物が混合し密
着性劣化及び長期的にみて機械的性質の低下、耐食性劣
化金もたらすことは無い。

上記のように、ジルカロイ−４ｆ：外面および内面にラ
イニングしたハフニウム管がイ！Ｉられるが、その端面
部分にだけはハフニウムが露出しているうそのため最終
的な二り程として、十８「シ端面にジルカロイ−４から
成る穴あき端栓を溶接する事が好ま（７い。溶接は真空
中でエレクトロビーノ・溶接あるいけレーザビームによ
り行う。第６図に紋穴あき端栓（８５）の−例を示す。

紋穴あき端栓（８５）はたとえげ外径４８０解φ内径１
．１４ｍｍφ厚さ１．ＯＯ＋＋＋ｍとＩ７．１鰭厚さの
ジルカロイ−４板材より打抜加工して得らｉ］る。

上記のような工程により、ジルカロイ−４から成る表面
保護層付ノ・フニウム管である複合制御棒素子（８）ヲ
得ることができる。

なお、上記実施例では、中性子吸収利であるノ・フニウ
ムの表面保護層としてジルカロイ−４を用いた場合を示
したが、その他にジルカロイ−２゜Ｚｒ−２，５１Ｎｂ
　系合金、Ｚｒ　１％Ｎｂ系合金、およびオーゼナイト
などのジルコニウム基合金′ｆｆ表面保護層拐料とＬ７
て用いても、上記実施例同様の効果を得ることができる
。

寸た第６図に穴あき端栓（８５）の−例を示したが、そ
の他に、第７図のような形状のもの（８６）でもよい。

さらに本発明による複合制御棒素子（８）の製造工程中
に次のような熱処理工程を加えると、ノ・フニウムとジ
ルコニウム合金の密着性およびジルコニウム合金から成
る表面保Ｗ＠層の耐食性が向上する。

即ち、８００℃以」−の温度領域に加熱し、急冷する。

このような熱処理は、製造工程のてこで行ってもよいが
、熱間押出しの際あるいは、複合制御棒素子（８）の形
状とがった後に施行することが望ましい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、制御棒の一部合切欠いて内部を示した斜視図
、第２図は従来のポイズンチューブの一部を拡大（７て
示す拡大断面図、第３図は第２図のポイズンチューブの
中性子吸収素子の移動状態を示す断面図、第４図は本発
明による制御棒の一部を切欠いて内部全示した全１袴１
図、第５図は本発明による複合制御棒素子を半切に切欠
いて示した斜視図、第６図、第７図は本発明による複合
制御棒素子の穴あき端栓の一例を示した斜視図である。 ｌ・・・制御棒　　　　　２・・・ブレード３・・・つ
す上ケノ・ンドル ４・・・支持体　　　　　　５・・・スピードリミツタ
６・・ガイドローラ　　　７・・・カップリングソケッ
ト８・・・ポイズンデユープ ９・・・中性子吸収材Ｂ４Ｃ ｌｏ・・・中性子吸収体移動防止体 １１・・・冷却孔　　　　１２・・・封着体１３・・・
空間 ８】・・・本発明による複合制御棒素子８２．８３・・
・ジルカロイ−４ ８４・・・ハフニウノ、 ８５　、Ｒ６・・・穴あき端栓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　水冷型原子炉における制御棒において、中性
   子吸収体が、少なくとも内表面及び外表面にジルコニウ
   ノ、合金を被覆Ｉ７たハフニウト管で形成され−Ｃいる
   こと５Ｃ特徴とする制御棒。