JP2009042006A

JP2009042006A - 沸騰水型原子炉用制御棒

Info

Publication number: JP2009042006A
Application number: JP2007205901A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Kobayashi; 一樹小林; Takayuki Arakawa; 貴行荒川; Koichi Machida; 浩一町田; Toraki Sakuma; 寅喜佐久間; Yoshiharu Kikuchi; 義春菊地
Original assignee: Hitachi-GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Vernova Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-07
Also published as: JP5171151B2

Abstract

【課題】シースとハンドルとの溶接部近傍の照射誘起型応力腐食割れに対する耐久性に優れた沸騰水型原子炉用制御棒を提供する
【解決手段】断面十字形状のタイロッド１と、断面Ｕ字形状に形成されタイロッド１の十字断面の各先端部を挟んでＵ字開口部が溶接されるシース２と、タイロッド１の軸方向の上端部に設けられタイロッド１とシース２とに溶接されるハンドル３と、タイロッド１の軸方向の下端部に設けられタイロッド１とシース２とに溶接される下部支持部材４と、シース２のＵ字形の内部に収納された中性子吸収材５とから構成される沸騰水型原子炉用制御棒において、シース２とハンドル３を部分溶接する。また、シース２の上端部に切れ込みを設けるか、シース２の溶接部近傍に長穴を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰水型原子炉用制御棒に係り、特に、照射誘起型応力腐食割れを軽減するのに好適な沸騰水型原子炉用制御棒に関する。

一般に、沸騰水型原子炉における核分裂の連鎖反応量を制御するため、中性子吸収材を内部に収納する制御棒が利用される。この制御棒は、十字断面を有しており、鉛直方向に立設した４つの筒状の燃料チャンネルボックス間に形成される十字型の隙間に鉛直方向に移動させて挿入される。

沸騰水型原子炉用制御棒は、断面十字形状のタイロッドと、断面Ｕ字形状に形成され内部に中性子吸収材を収納しタイロッドの十字断面の各先端部を挟んでＵ字開口部が溶接されるシースと、タイロッドの軸方向の上端部に設けられタイロッドとシースとに溶接されてなるハンドルと、タイロッドの軸方向の下端部に設けられタイロッドとシースとに溶接される下部支持部材とを備えて構成されている（例えば、特許文献１）。

このような沸騰水型原子炉用制御棒においてハンドルとシースとの溶接接合は、タイロッドと同様に十字形に形成されたハンドルの下端をシースのＵ字形の内側に挿入し、ハンドルの下端部にシースの板厚に合わせて設けられた段差部にシースの上端部をはめ合わせ、そのはめ合わせ部を全長に渡って溶接するようにしている。

特開平２００３−１８５７７７

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ハンドルとシースとの部材間のはめ合わせ部を全長に渡って溶接しているため、溶接部近傍には引張残留応力が存在し、照射誘起型応力腐食割れを起こすおそれがある。

照射誘起型応力腐食割れは、応力、照射環境、腐食環境が重なることにより生じるため、原子炉の安全な運転を維持するために、照射誘起型応力腐食割れに対する耐久性に関して改善する必要がある。

本発明は、シースとハンドルとの溶接部近傍の照射誘起型応力腐食割れに対する耐久性に優れた沸騰水型原子炉用制御棒を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の沸騰水型原子炉用制御棒は、断面十字形状のタイロッドと、断面Ｕ字形状に形成され内部に中性子吸収材を収納しタイロッドの十字断面の各先端部を挟んでＵ字開口部が溶接されるシースと、タイロッドの軸方向の上端部に設けられタイロッドとシースとに溶接されるハンドルと、タイロッドの軸方向の下端部に設けられタイロッドとシースとに溶接される下部支持部材とを備える沸騰水型原子炉用制御棒において、シースのＵ字形の内側にハンドルが挿入され、ハンドルとシースとの溶接影響部は、シースの溶接残留応力を低減可能な残留応力低減構造を有することを特徴とする。

すなわち、ハンドルとシースとの溶接影響部に、残留応力低減構造を有することから、シースの溶接部近傍の引張残留応力を低減できるので、照射誘起型応力腐食割れを発生させる３つの因子のうちの応力を低減でき、照射誘起型応力腐食割れに対する耐久性を向上することができる。

この場合において、残留応力低減構造は、ハンドルとシースとの溶接が溶接線の方向に沿って部分溶接された構造とすることができる。これによれば、シースのＵ字形の全長に渡って溶接する場合と比べて溶接長さが短いためシースの溶接部近傍に発生する引張残留応力を低減することができる。

この場合において、部分溶接を除く端部に切れ込み部を設けた構造とすることができる。これによれば、Ｕ字形の全長に渡って溶接する場合と比べて溶接長さが短いためシースの溶接部近傍に発生する引張残留応力を低減することができるとともに、溶接線に沿う方向の非溶接部の隙間が削除されたことから溶接部の隙間腐食を低減できる。

また、残留応力低減構造は、ハンドルとシースとの溶接線の方向に沿ってシースに長穴を設けた構造とすることができる。これによれば、長穴の中央部付近の端部が自由端に近くなるため、溶接時の引張残留応力を緩和することができる。ここで、長穴の溶接線の方向の長さの総和は、ハンドルとシースとの溶接長さの総和の１１％以上とし、長穴が設けられた位置のシースの断面積は、制御棒スクラム時の引張り荷重に耐えうる断面積を有することが望ましい。

本発明によれば、シースとの溶接部近傍の引張残留応力を低減でき、照射誘起型応力腐食割れに対する耐久性に優れた沸騰水型原子炉用制御棒を提供することができる。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の一実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒の構成を示す斜視図、図２は沸騰水型原子炉用制御棒の正面図、図３（ａ）、（ｂ）はシースとハンドルの溶接部を示す部分拡大図である。

図１に示すように、本実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒は、断面十字形状のタイロッド１と、断面Ｕ字形状に形成されタイロッド１の十字断面の各先端部を挟んでＵ字開口部が溶接されるシース２と、タイロッド１の軸方向の上端部に設けられタイロッド１とシース２とに溶接されるハンドル３と、タイロッド１の軸方向の下端部に設けられタイロッド１とシース２とに溶接される下部支持部材４と、シース２のＵ字形の内部に収納された中性子吸収材５（例えば、ハフニウムフラットチューブ等）と、下部支持部材４に溶接され図示していない制御棒駆動機構装置と連結するためのコネクタ６とから構成されている。

ハンドル３及び下部支持部材４は９０度の角度間隔で放射状に突出して十字形を形成する４個の腕状部から構成されている。ハンドル３及び下部支持部材４を連結するタイロッド１は断面十字形状の４個の放射状に突出する腕状部の長さがハンドル３及び下部支持部材４から突出する腕状部に対して比較的短く形成されている。本実施形態においてはタイロッド１の下部に下部支持部材４を設けているが、これに代えて落下速度リミッタを設けてもよい。

図２に示すように、冷却孔７はシース２の上端部近傍に溶接線の方向に沿って複数個設けられ、中性子吸収材５の取り付け位置を確認できるようにしている。また、冷却孔８は中性子吸収材５の冷却孔９と同軸に複数設けられている。ハンドル３には中性子吸収材５を吊り下げるための舌状部１０が設けられ、下部支持部材４には中性子吸収材５と結合するための舌状部１１が設けられている。また、ハンドル３にはローラ１２が回転可能に軸支され、図示していない４つの筒状の燃料チャンネルボックスの間に形成される十字型の隙間を制御棒が滑らかに挿入されるようにしている。

図３（ａ）に示すように、シース２のＵ字形の内側にはハンドル３が挿入され、シース２のハンドル３を挟む両面の上端部には凸状部が設けられ、この凸状部とハンドル３の下部に設けられた段差部に重ね合わせて部分溶接（例えば、ＴＩＧ溶接等）された溶接部１３が設けられている。また、図３（ｂ）に示すように異なる２箇所を部分溶接した溶接部１４、１５を設けてもよい。このとき、制御棒スクラム時の引張り荷重に耐えるため、溶接部１３の長さ（Ｌ１）及び溶接部１４、１５の長さの和（Ｌ２＋Ｌ３）は、シース２の凸状部の全長（Ｌ０）の２０〜６５％とする。

この構成によれば、シース２の凸状部を全長に渡って溶接する場合と比べて溶接長さが短いためシース２の溶接部近傍に発生する引張残留応力を低減できるので、照射誘起型応力腐食割れに対する耐久性を向上することができる。

本実施形態においては、シース２とハンドル３とをＴＩＧ溶接しているが、ＹＡＧレーザ光又はＣＯ_２レーザ光による溶接方法等を用いてもよい。また、図３（ａ）、（ｂ）は、シース２のＵ字形の一面の溶接部について示しているが、ハンドル３を挟んで反対側の面についても図３（ａ）、（ｂ）と対象な位置に溶接部が設けられている。また、溶接部は１箇所又は２箇所に設けたが、必要に応じて複数箇所に設けてもよい。

（実施形態２）
図４（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒のシースとハンドルの溶接部を示す部分拡大図、図４（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。図示のように、本実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒が実施形態１と異なる点は、冷却孔７に代えてシース２の上端部に切れ込み部１６を設けたことにある。その他の構成は図１、２、３と同じであるから、詳細な説明を省略する。

図４（ａ）に示すように、切れ込み部１６は角部が円弧状に形成された矩形の凹部であり、切れ込み部１６を除く上端部の凸状部位をハンドル３下部に設けられた段差部に重ね合わせて溶接された溶接部１９、２０が設けられている。また、図４（ｂ）に示すように、シース２の上端部の異なる２箇所に切れ込み部１７、１８を設け、切れ込み部１７、１８を除くシース２の上端部の凸状部位をハンドル３下部に設けられた段差部に重ね合わせて溶接された溶接部２１、２２、２３を設けてもよい。このとき、制御棒スクラム時の引張り荷重に耐えうる長さとするため、溶接部１９と２０の長さの和（Ｌ４＋Ｌ５）及び溶接部２１、２２、２３の長さの和（Ｌ６＋Ｌ７＋Ｌ８）は凸状部の全長（Ｌ０）の２０〜６５％とする。また、シース２に発生する引張残留応力を有効に低減し、所定の強度を確保するため、切れ込み部１６、１７、１８のタイロッド１の軸方向の長さ（Ｌ９）は、２０ｍｍ以下とする。

この構成によれば、シース２の凸状部を全長に渡って溶接する場合と比べて溶接長さが短いためシース２の溶接部近傍に発生する引張残留応力を低減できる。また、実施形態１と比較して溶接線に沿う方向の非溶接部の隙間が削除されたことから、溶接部の隙間腐食を低減できる。

本実施形態では、切れ込み部１６、１７、１８の形状を角部に曲率を設けた矩形としたが、引張残留応力を緩和できるものであればこれに限るものではない。

（実施形態３）
図５（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒のシースとハンドルの溶接部を示す部分拡大図、図５（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。図示のように、本実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒が実施形態１と異なる点は、冷却孔７に代えて溶接線の方向に長く形成された矩形の穴２４を設け、シース２の凸状部位をハンドル３の下部に設けられた段差部に重ね合わせて全長（Ｌ０）にわたって溶接された溶接部２５を有していることにある。

図５（ａ）に示すように、穴２４は矩形の角部が円弧状に形成され、溶接部２５と舌状部１０の下端との間に配置される。また、図５（ｂ）に示すように、溶接線の方向の異なる２箇所に穴２６、２７を設けてもよい。このとき、穴２４の長さ（Ｌ１０）又は穴２６、２７の長さの和（Ｌ１１＋Ｌ１２）は溶接部２５の全長（Ｌ０）の１１％以上に設定される。また、穴２４又は穴２６、２７が設けられた位置からシース２が残存する最も短い部分の長さ（Ｌ１３＋Ｌ１４）又は（Ｌ１５＋Ｌ１６＋Ｌ１７）が、凸状部の全長（Ｌ０）の２０〜６５％とすれば、制御棒スクラム時の引張り荷重に耐えうる断面積を有することができる。

従来、溶接部近傍に設けられた冷却孔の溶接線の方向の長さの総和は溶接部長さの約１０％となっている。これに対して、本実施形態では、例えば、図５（ａ）において、穴２４の溶接線の方向の長さは溶接部の長さの総和の１１％以上であり、穴２４の中央部付近の端部がより自由端に近くなるため、溶接部２５と穴２４の間のシース表面に生じる引張残留応力及び穴２４に対して溶接部２５と反対側のシースの表面に生じる引張残留応力を緩和することができる。

また、シース２に発生する引張残留応力を有効に低減するため、穴２４又は穴２６、２７の下端部から溶接部までのタイロッド１の軸方向の長さ（Ｌ１８）は３０ｍｍ以下の範囲に配置される。また、本実施形態の穴２４又は穴２６、２７は矩形に形成されているが、長穴であればよく、例えば、長円径等に形成することができ、引張残留応力を緩和することができるものであればこれに限るものではない。

本実施形態の溶接部２５は全長（Ｌ０）にわたって溶接しているが、実施形態１のように１箇所又は複数箇所に部分溶接してもよい。また、穴の数を１箇所又は２箇所に設けたが、必要に応じて複数箇所に設けてもよい。

本発明の一実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒の構成を示す斜視図である。沸騰水型原子炉用制御棒の正面図である。シースとハンドルの溶接部を示す部分拡大図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒のシースとハンドルの溶接部を示す部分拡大図、及び（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施形態の沸騰水型原子炉用制御棒のシースとハンドルの溶接部を示す部分拡大図、及び（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。

符号の説明

１タイロッド
２シース
３ハンドル
４下部支持部材
５中性子吸収材
６コネクタ

Claims

断面十字形状のタイロッドと、断面Ｕ字形状に形成され内部に中性子吸収材を収納し前記タイロッドの十字断面の各先端部を挟んでＵ字開口部が溶接されるシースと、前記タイロッドの軸方向の上端部に設けられ前記タイロッドと前記シースとに溶接されるハンドルと、前記タイロッドの軸方向の下端部に設けられ前記タイロッドと前記シースとに溶接される下部支持部材とを備える沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記シースのＵ字形の内側に前記ハンドルが挿入され、前記ハンドルと前記シースとの溶接影響部は、前記シースの溶接残留応力を低減可能な残留応力低減構造を有することを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
請求項１に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記残留応力低減構造は、前記ハンドルと前記シースとの溶接が溶接線の方向に沿って部分溶接された構造であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
請求項２に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記残留応力低減構造は、前記部分溶接を除く前記シースの端部に切れ込み部を設けた構造であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
請求項２又は３に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記部分溶接の溶接長さの総和は、制御棒スクラム時の引張り荷重に耐えうる長さであることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
請求項２又は３に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記部分溶接の溶接長さの総和は、前記シースのＵ字形の直線部の全長の２０〜６５％であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
請求項１に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記残留応力低減構造は、前記ハンドルと前記シースとの溶接線の方向に沿って前記シースに長穴を設けた構造であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
請求項６に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記長穴の前記溶接線の方向の長さの総和は、前記ハンドルと前記シースとの溶接長さの総和の１１％以上であることを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。
請求項６乃至７のいずれか一項に記載の沸騰水型原子炉用制御棒において、
前記長穴が設けられた位置の前記シースの断面積は、制御棒スクラム時の引張り荷重に耐えうる断面積を有することを特徴とする沸騰水型原子炉用制御棒。