JPH01132992A

JPH01132992A - 原子炉用制御棒

Info

Publication number: JPH01132992A
Application number: JP62290505A
Authority: JP
Inventors: Masanori Sugano; 菅野　真紀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-11-19
Filing date: 1987-11-19
Publication date: 1989-05-25
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: JP2505829B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、原子炉の出力を調節制御する原子炉用ｉ！１
１１１１１棒に係り、特にハフニウム板トラップ型の長
寿命の原子炉用制御棒に関する。

（従来の技術）従来、この種の原子か用制御棒は、第６図に示すように
、中央タイロッド１０１の四方に、計４枚のウィング１
０２を固定して構成されている。

各ウィング１０２は、細長いＵ字形シース１０４のＵ字
状開口端を中央タイロッド１０１の各十字状端部に溶接
部１０３の溶接により取付けて形成し、ウィング１０２
内には中性子吸収棒１０５を内蔵している。中性子吸収
棒１０５はステンレス製の被覆管１０６内にボロンカー
バイド（Ｂ４Ｃ）１０７の粉末を充填すると共に、被覆
管１０６内に粉末移動防止用の仕切法を管軸方向に一定
間隔で配置している。

中性子吸収棒１０５内に充填されたボロンカーバイド１
０７は、中性子を吸収して中性子吸収能力が次第に失わ
れるとともに、失われる間にボロン１０（１０Ｂ）が中
性子と反応してヘリウムガスを発生させるので、被覆ｆ
ｆ１０６内の圧力を上界させ、制御棒の寿命が比較的短
い。

そして、最近では、中性子吸収材料としてハフニウムが
優れていることから、制御棒の長寿命化の点でボロンカ
ーバイド１０７の代替え材として採用されつつある。し
かし、ハフニウムは非常に高価であるから、ハフニウム
の使用は可能なかぎり少量であることが望ましく、そう
したことからハフニウム板トラップ型制御棒が主流にな
りつつある。

ハフニウムの長所は、ａ温高圧の原子炉内で被覆材なし
で使用できる点と、ボロンカーバイド１０７等に比較し
て格段に長寿命である点とにある。

ところが、中性子吸収能力がボロンカーバイド１０７に
比較してやや小さいことと、比重が大きいためにアリ御
棒が重くなり、従来の制御棒駆動機構がそのまま使用で
きなくなる虞れがあるという問題がある。

そのため、トラップ型制御棒では第７図および第８図に
示すように、板状の２枚のハフニウム板１０８１７１に
中性子減速材である水を通水させるようになっている。

ハフニウム板１０８の間に水が存在すると、水自体の中
性子減速効果により制御棒の反応度価値が上昇するので
、その分ハフニウム板１０８を薄くすることができる。

このために、水が一定伍確保できるように、ハフニウム
板１０８及びシース１０４の間に支持スペーサ１０９を
設置している。

こうした従来のハフニウム板トラップ型制御棒において
支持スペーサ１０９をシース１０４に結合する場合は、
原子炉機器ＦＪ造の溶接に非常によく用いられているＴ
ＩＧ溶接方法が採用されている。ところが、このＴＩＧ
溶接方法によると、溶接部の入熱量が大きいために変形
が大きく、例えば４体の燃料チャンネル間の狭隘な十字
状挿脱路を制御棒が高速で挿入、引扱きされる場合には
支障を来たし、特に、スクラム特性に悪い影響を与える
。

そのため、第７図に示すように、支持スペーサ１０９と
シース１０４との溶接部分では、シース１０４外面にそ
の内方へ若干窪む凹部１０４ａを形成し、この四部１０
４ａにて変形誤差を許容できるようにして構成している
。

また、第８図に示すように、位置決めのために、シース
１０４に開穿したシース孔１１０に、支持スペーサ１０
９の表実両面の突部１０９ａを嵌入し、この嵌入部をＴ
ＩＧ溶接する場合には、狭隘な十字状制御棒挿脱への制
御棒の１ｉＶｌ脱に支障を与えて不適当なものとなる虞
れがある。

（発明が解決しようとする問題点）しかして、制御棒は、本来、原子力燃料を収容するジル
カロイ製の複数の燃料チャンネル間の狭隘な十字状間隙
の制御棒挿脱路内で炉心への挿脱動作を行なうように設
計されており、地震時等の緊急時に制御棒を一気に挿入
するスクラム作動が円滑に行なわれなければならない。

すなわち、制御棒に変形があると、制御棒が高速で挿入
、引扱きされる場合には支障を来たし、特に、地震時等
の緊急時に一気に制御棒を挿入するスクラム特性に悪い
影響を与えるもので、このような溶接変形が生ずること
は長さが約４ｍの制御棒がチャンネル間で７リクシヨン
を起こすことになる。

そして、従来型のυＪｗＪ棒では、中央タイロッド１０
１とシース１０４との間を抵抗溶接で結合するために変
形が少なかったが、上述したように、ハフニウム板トラ
ップ型制御棒では、ハフニウム板１０８をシース１０４
内に固定し、また、中性子減速材である水のｍを確保す
べく、ハフニウム板１０８相互の対向間隔を保持するた
めの支持スペーサ１０９を、上述のスポット溶接によっ
て行ない、更にそれに加えてスポット溶接をシース１０
４内で行なう必要があり、そのため、−膜内にはＴＩＧ
溶接が採用されていたのである。

しかしながら、ＴＩＧ溶接を行なう場合は、前述したよ
うに、変形が大きいために、変形量え治具若しくは水冷
治具等を使用して変形量をミニマム化する必要がある。

更に、ＴＩＧ溶接は、溶接速度がｄく、また、深い溶込
みが得られるために、−膜内に変形量を小さくすること
は治工具を使用しても限界があった。

そこで本発明は、上述した諸事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は溶接変形が少ないハフニウム板トラップ
型等の原子炉用制御棒を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明は抵抗溶接の方がＴＩＧ溶接よりも溶接部への入
熱量が少なく、溶接部の変形が小さい点に着目してなさ
れたものである。

すなわち、本発明は、十字状の中央タイロッドの各側端
部にＵ字状のシースのＵ字状開口端をそれぞれ固着し、
各シース内にはその厚さ方向に複数のハフニウム板を対
向配置して内蔵し、これら対向するハフニウム板相互間
に支持スペーサを介在させてハフニウム板を支持させる
と共に、各シース内のハフニウム板相互の対向間隙を水
等の減速材を通水させる流路に形成し、上記スペーサの
突部を上記シースの固定孔内に嵌入し、この嵌入部を抵
抗溶接もしくはレーザ溶接により溶接固定したことを特
徴とする。

（作用）支持スペーサの固定用突部がシースの固定孔に嵌合され
る嵌入部は抵抗溶接もしくはレーザ溶接により固着され
るので、その溶接部の入熱量が低く、シースの変形を防
止し、制御棒の真直度を確保することができる。

（実施例）以下本発明の実施例を第１図〜第５図に基づいて説明す
る。

第５図は本発明に係る原子炉用ｂＪ　Ｉｆｆ棒の一実施
例の全体構成を一部切欠して示す外観斜視図であり、図
において、横断面形状が十字状の中央タイロッド１の各
十字状突出端部にはウィング３がそれぞれ固定され、ウ
ィング３の側面には、原子炉用制御棒が原子炉の炉心内
に挿入されたときに中性子減速材の炉水をウィング３内
部に導入する導入孔３ａを軸方向に所要のピッチで多数
穿設しており、各ウィング３の図中下端には末端構造材
４を、その上端には先端構造材５をそれぞれ固定し、末
端構造材４の下端にはスピードリミッタ−６を設けてい
る。

各ウィング３は第５図のＩ−Ｉ線端面図の第１図に示す
ようにＵ字状のシース７のＵ字状開口端部と十字状の中
央タイロッド１の各突出端部に溶接部２を介して固着し
ており、各シース７内には中性子吸収材であるハフニウ
ム（Ｈｆ）によりなるハフニウム板８をウィング３の厚
さ方向に所要の間隙をおいて対向配置して内蔵し、これ
ら対向配置されたハフニウム板８の対向間隙間には支持
スペーサ９を介在させて、ハフニウム板８の対向間隙を
導入孔３ａよりブレード３内部に導入された炉水をブレ
ード３の軸方向に流す流路に形成している。

支持スペーサ９は第１図に示すように横断面形状がほぼ
十字状に形成され、その図中十字状横軸部はブレード３
の厚さ方向で対向するハフニウム板８の相互間に介在さ
れて、その対向間隙を炉水を通水させる流路に形成され
、支持スペーサ９の第１図中子字状縦軸はハフニウム板
８の４通孔を口過してシース７の円形の固定孔１０内に
嵌入される突部９ａ、９ｂを突設している。また、この
支持スペーサ９はブレード３の幅方向に所要のピッチで
複数個配設されている。すなわち、固定孔１０は、シー
ス７及びハフニウム板８内に配置する支持スペーサ９の
位δ決めの目印となると共に、支持スペーサ９の突部９
ａ、９ｂが嵌入され、その嵌入部分で抵抗溶接、あるい
はレーザ溶接されるように構成されている。

次に第２図および第３図に基づいて、抵抗溶接により支
持スペーサ９の突部９ａ、９ｂをシース７の固定孔１０
内に嵌入させて固定する方法を説明する。

まず、第２図に示すように支持スペーサ９の突部９ａ、
９ｂをハフニウム板８およびシース７の固定孔８ａ、１
０内に嵌入し、次にこれら嵌入部におけるシース７の外
側両面、すなわち、図中上下両方から抵抗溶接用電極１
１で狭圧、通電し、嵌入部局りに円周状に溶接部１２を
形成する。しかし、このような抵抗溶接では、支持スペ
ーサ９に抵抗溶接用電極１１が接触すると、単に電流が
通過するにとどまり、溶接部１２部分にジュール熱を発
生しないから、支持スペーサ９と抵抗溶接用電極１１と
の間には適当なギャップを設定する必要がある。そのギ
ャップαとしては第２図に示すように０．２〜０．７ｔ
ｘｔｘの間隔をシース７の固定孔１０の外面とスペーサ
９の各突部９ａ、９ｂの先端面との間に設定する。シー
ス７の板厚は一般的に約１．１〜１．４ｍｍであるので
、その板厚の半分である０、５５〜０．７ｍがギャップ
αとしては適切である。また、固定孔１０の孔径を大き
くすると、抵抗溶接用電極１１の径も大きくして大型化
する必要があり、コスト高となるのでシース７の板厚が
１ｍｍｉｙＩ後とした場合には、固定孔１０の径として
３ｍ±１履に設定すれば、抵抗溶接用電極１１を大型化
せずに、最適であることが、鋭意研究の結果判明した。

すなわち、抵抗溶接の場合、通電時間、電極加圧力、溶
接電流が溶接条件の３大要素とされているが、原子炉内
で使用される機器に対しては、酸化スケールが付着せず
、また、内散りが発生しない条件で溶接する必要がある
。

ところで、一般に、制御棒用の抵抗溶接用電極１１とし
てはその径が３〜６ａｍのものが使用されているので、
その実験データによると、抵抗溶接用電極１１の加圧が
３５０〜５５０ｋｏｆ／点で最も内散りが少ない適切な
条件であり、これより少ない場合は接触抵抗が増加して
一層多くのジュール熱を発生する場合があり、安定した
抵抗溶接を行なうことができない。

一方、上記加圧が大きすぎると、シース７の外面が窪み
、所定の剪断引張り応力が得られないので、上述した電
極加圧力が適切といえる。

しかし、抵抗溶接は、その電極を溶接部に加圧するから
、その板には多少の窪みが生ずるのが一般的であり、上
述したように３５０〜５５０　ｋａｆＺ点であると、そ
の窪みは、例えば約０．２ｍ＋である。また、支持スペ
ーサ９を位置決めする必要があるから、インロ一部を設
けて、短段取りで組立てる必要がある。抵抗溶接を行な
う場合には、０．２〜０．７履のギャップが必要である
。

また、第３図に示すように、シース７の固定孔１０の径
ｄが、例えば２ＪＩＩＩ未満のように小さ過ぎる場合に
はシース７の固定孔１０の孔開は作業でドリルの破損が
起こりやすいばかりでなく、孔径が小さいために支持ス
ペーサ９をシース７の中へ挿入しにくく、多くの作業時
間を費やしてしまう。

逆に孔径を大きくし過ぎると、溶接部１２での溶接部分
範囲の径りも大きくしなければならず、必然的に抵抗溶
接用電極１１の径を大きくせざるを得ない。

したがってシース７の板厚が１．１〜１．４１Ｉｍに対
する適正溶接条件は、Ｔ１極加圧力が３５０〜５５０ｋ
ｇｆ／点、電流が６５００〜８５００Ａ、通電時間が１
０〜１５サイクルであり、この範囲内では最大でも支持
スペーサ９の孔径は４＃以内にとどめるへきものである
。

以上の研究結果から、固定孔１０の孔径は２〜４ＪＩｍ
が最適といえる。

特に、こうした抵抗溶接（スポット溶接）による場合に
は、変形が少ないのはもちろんのこと、従来から適用さ
れている抵抗溶接を行なうことができるから、短段取り
、スポット溶接の自動化を図るうえで非常に有利である
。

第４図はレーザ溶接により支持スペーサ９をシース７に
固定する実施例を示している。

本実滴例は溶接箇所において、レーザ光２１をレーザ用
集光レンズ２２にて集光し、凸ビードとならないように
、０．２〜０．７ｍｍ＋の凹部形状としてＣＯ２レーザ
溶接を行なうのであり、これによると、変形がなく、表
面からは隙間のない溶接ビードが得られる。

次に、ＴＩＧ溶接とレーザ溶接との溶接箇所における入
熱量を比較する。

ＴＩＧ溶接の場合は、溶接電流（１）が８０Ａ、溶接速
度（Ｅ）が６０ｍ／分、溶接電圧（Ｖ）が■ から、Ｑ−７２００Ｊ／ｃＩＲの入熱ｍとなる。

一方、レーザ溶接の場合は、同様に計算すると、デフォ
ーカスが零、シールドガスとしてアルゴンを使用し、出
力が２ＫＷ、溶接速度が２７ＦＬ／分、であると、Ｑ−６００Ｊ／ｃｍの入熱量となる。

したがって、レーザ溶接の場合は、抵抗溶接の場合に比
較し、約１７１２の入熱借で溶接が行なえるため、溶接
変形が非常に少ないことが明らかである。

特に、こうしたレーザ溶接によった場合には、溶接変形
が少ないのは勿論のこと、短時間で溶接でき、また、Ｎ
ＣＩＩＩＩＩｌのスライドを使用することで自動的に溶
接できる利点がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、支持スペーサの突部がシ
ースの固定孔内に嵌入される嵌入部を、溶接部の入熱量
が少ない抵抗溶接もしくはレーザ溶接により固定するの
で、この嵌入部の変形を低減することができ、原子炉用
制御棒の真直度の向上を図ることができる。

その結果、原子炉スクラム時における原子炉用制御棒の
高速の挿入にも支障がなく、地震時等の緊急時に一気に
制御棒を挿入するスクラム特性に悪い影響を与えること
がない等の優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は第５図のＩ−Ｉ線端面図、第２図は抵抗溶接を
行なう場合の第１図の要部断面図、第３図は第２図の要
部正面図、第４図はレーザ溶接による他の実施例の要部
断面図、第５図は本発明に係る原子炉用制御棒の全体を
示す外観斜視図、第６図〜第８図は各従来例の１つのウ
ィングの断面図、第９図は第７図および第８図で示す従
来例のＴｒＧ溶接によるシースの変形の一例を表わす部
分断面図である。１・・・中央タイロッド、２・・・溶接部、３・・・ウ
ィング、４・・・末端構造材、５・・・先端構造材、６
・・・スピードリミッタ−１７・・・シース、８・・・
ハフニウム板、９・・・支持スペーサ、９ａ、９ｂ・・
・突部、１０・・・固定板、１１・・・抵抗溶接用電極
、１２・・・溶接部、２１・・・レーザ光、２２・・・
レーザ用集光レンズ、１０１・・・中央タイロッド、１
０２・・・ウィング３．１０３・・・溶接部、１０４・
・・シース、１０５・・・中性子吸収棒、１０６・・・
被覆管、１０７・・・ボロンカーバイド、１０８・・・
ハフニウム板、１０９・・・支持スペーサ、１１０・・
・シース孔。代理人弁理士　　則　近　　憲　佑

Claims

【特許請求の範囲】１、十字状の中央タイロッドの各側端部にＵ字状のシー
スのＵ字状開口端をそれぞれ固着し、各シース内にはそ
の厚さ方向に複数のハフニウム板を対向配置して内蔵し
、これら対向するハフニウム板相互間に支持スペーサを
介在させてハフニウム板を支持させると共に、各シース
内のハフニウム板相互の対向間隙を水等の減速材を通水
させる流路に形成し、上記スペーサの突部を上記シース
の固定孔内に嵌入し、この嵌入部を抵抗溶接もしくはレ
ーザ溶接により溶接固定したことを特徴とする原子炉用
制御棒。２、支持スペーサの突部をシースの固定孔内に嵌入させ
る嵌入部は、上記支持スペーサの突部先端と上記シース
の固定孔の外側開口端との間には０．２〜０．７ｍｍの
ギャップを設けて抵抗溶接される特許請求の範囲第１項
記載の原子炉用制御棒。３、シースの固定孔は直径が２〜４ｍｍの円形孔である
特許請求の範囲第２項記載の原子炉用制御棒。