JPH07128475A - 原子力発電プラント用制御棒駆動機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】コバルトを用いることなくコバルト基合金と同
等の耐摩耗性を得ることができる合金を用いる。コバル
ト基合金と同等の耐摩耗性を得ることは、摺動部材に鉄
基とニッケル基の異種材料を適用する。 【効果】軽水炉用の制御棒駆動機構に使用することによ
り、放射能を従来より低減し、より安全な原子力プラン
トを製造することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、制御棒駆動機構のピ
ン，ローラ及びスピンドルヘッドのシャフト，ブッシュ
を対象とし、耐摩耗性に優れたコバルトフリー材を用い
た制御棒駆動機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の制御棒駆動機構のガイドローラ／
ピンにはコバルト基合金（通称 ステライト）が使用さ
れていたが、コバルトが金属表面から炉水中に溶出し放
射化するため周辺機器の放射線上昇の要因となってい
た。

【０００３】コバルトを含まない合金は、特公昭63−10
8295号公報に記載のように、ローラに金属、ピンにＦｅ
基合金を用いその表面を窒化して耐摩耗性を確保してい
るものが一例としてあげられる。

【０００４】しかし、ピンの表面は窒化層であるため衝
撃等の力が加わると窒化層が剥離し耐摩耗性が確保でき
ない可能性が有る。また、ピンの表面を窒化する作業が
加わるため経済的でない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の軽水炉用制御棒
駆動機構のガイドローラ／ピン及びスピンドルヘッドに
は、コバルト基合金（通称 ステライト）が用いられて
いる。

【０００６】しかし、コバルト基合金は軽水炉の炉水に
接している上、摺動するため金属表面からのコバルトが
炉水中に溶出する。これらのコバルトは炉水中に入り込
み⁶⁰Ｃｏとなり、配管，タービン、その他の機器に循環
付着するため、軽水炉プラント定検作業中の従事者の被
ばくの要因となっている。

【０００７】本発明の目的は、ガイドローラ／ピン及び
スピンドルヘッドにコバルトを含まない合金を使用し、
耐摩耗性に優れた軽水炉用制御棒駆動機構を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、コバルトを
用いることなくＣｏ基合金と同等の耐摩耗性を得ること
ができる合金を用いることにより達成される。

【０００９】従来、コバルトフリー材は、Ｆｅ基合金，
Ｎｉ基合金が開発されていたが、同種材同士で優れた耐
摩耗性を示す材料は得られていない。今回、摺動部材に
異種材料を適用することにより、耐摩耗性がはかれるこ
とが実験上確認出来、コバルト基合金と同等の特性が得
られることが判明した。

【００１０】

【作用】本発明の制御棒駆動機構に用いる合金成分の含
有量限定理由について述べる。 ａ）Ｎｉ基合金 Ｃｒは耐食性を維持するために含有量は、１０％は必要
である。但し、多量の含有はフェライトの生成を促すた
め最大でも２０％とする。このため含有量を、１０〜２
０％とした。

【００１１】Ｂ，Ｓｉは、ともに高硬度の金属間化合物
を形成し、合金中に析出し合金の硬さを向上させる。Ｂ
０.０５％ 以下，Ｓｉ３以下となると硬さが低下し、ま
た、Ｂ１.５％ 以上，Ｓｉ７％以上になると合金の靭性
が低下する。このため含有量を、Ｂ０.０５〜１.５％，
Ｓｉ３〜７％とした。

【００１２】ＦｅはＮｉと同族の元素で、しかもＮｉに
比べ安価であるため経済性を考慮すると多く含有させる
のが好ましい。しかし、含有量が２０％を越えると合金
の硬さが低下する。このため含有量を、２〜２０％とし
た。

【００１３】Ｗは、合金の基質部に分散し、硬さおよび
耐熱性を向上させる働きを有するが含有量が５％を越え
ると合金の靭性が低下する。このため、含有量を５％以
下とする。最も好ましい含有量は、１〜４％である。

【００１４】上記に説明したような組成のＮｉ基合金を
供することにより得られる。

【００１５】ｂ）Ｆｅ基合金 Ｃは合金の硬さを向上させるが、含有量が０.３％ 以上
ではクロムと結合し、炭化物を作り耐食性が劣るためＣ
の含有量を０.３％ 以下とした。

【００１６】Ｎｉは、含有量が７％未満であると組織が
安定しない。Ｎｉの、含有量が多くなると耐食性は向上
するが経済性を考えて４０％程度が好ましいため、含有
量を７〜４０％とした。

【００１７】Ｃｒは耐食性を維持するために１０％は必
要である。但し、２８％を越えると炭素との結合が多く
なり脆くなる。最も好ましい含有量は、１５〜２８％で
ある。

【００１８】Ｓｉは、２％未満であると充分な硬さと耐
食性が得られず、８％を越えると脆くなり加工性が悪く
なる。このため含有量を２〜８％とした。

【００１９】Ｍｎは、含有量が３％未満であると充分な
加工硬化性が得られず、１２％を越えると耐食性が悪く
なる。このため、含有量を３〜１２％とした。

【００２０】上記に説明したような組成のＦｅ基合金を
供することにより得られる。

【００２１】

【実施例】原子炉の起動・停止，反応度補償，負荷追従
などの制御は、炉心への制御棒の挿入・引抜により行わ
れ制御棒は、制御棒駆動機構により駆動される。

【００２２】沸騰水型原子炉における制御棒の駆動には
大きく分けて二種類ある。

【００２３】一つは通常の原子炉起動・停止，反応速度
補償のための比較的遅い速度での駆動であり、もう一つ
は原子炉の緊急停止のための制御棒高速挿入駆動であ
る。

【００２４】沸騰水型原子炉では、図１に制御棒駆動機
構の断面図を示す様に、制御棒駆動機構は原子炉圧力容
器１の下部の制御棒駆動機構ハウジングに取付けられ、
そのフランジ部でボルトにより固定される。

【００２５】通常駆動時は電動機８の回転が駆動軸７を
介してボールねじ軸６に伝達される。ボールねじ軸６に
は、ボールナット５が係合しており、ねじ軸の正逆回転
に応じて上下に移動する。ボールナット５の上には、中
空ピストン４が自重により着座している。中空ピストン
４の上端は、バイオネットカップリング９により制御棒
３と結合しているので、電動機８の回転に応じて、制御
棒３の炉心への挿入・引抜が行われる。

【００２６】また、制御棒３を精度良く円滑に作動させ
るために、中空ピストン４，ボールねじ軸６等を支持す
る案内用のピン／ローラ１０〜１８が設けられている。

【００２７】上記ピン／ローラ１０〜１８の一例を、図
２に示す。ピン２３は、ローラ２２を通して固定部２１
の回転止めで固定されている。ピン２３の外周部は、ロ
ーラ２２の内周部と摺動摩擦しており、またローラ２２
の外周部と中空ピストン４，ボールねじ軸６等が接触し
摺動している。

【００２８】表１に示した化学組成の合金を供試材とし
高温水中摩耗試験及び衝撃試験を実施した。Ａ，Ｂはニ
ッケル基合金、Ｃは鉄基合金、Ｄは比較材として、コバ
ルト基合金である。

【００２９】

【表１】

【００３０】摩耗試験は、図３に示す様な高温高圧水中
でSUS316L 製円筒スリーブ３１にガイドローラ３４／ピ
ン３５を組合せたものを一定荷重で押しつけて円筒スリ
ーブの回転により実施した。

【００３１】摩耗試験は、荷重１０kgf ，雰囲気２８９
℃純水中で実施し、試験前後の重量減量を測定すること
により耐摩耗性の評価を行った。表２に高温水中摩耗試
験結果を示す。

【００３２】

【表２】

【００３３】摩耗量は、Ｎo.１〜４とも全てステライト
と同程度か、少ないことがわかる。詳細に記述すると、
Ｎｉ基合金同志で硬度を変えたもの（Ｎo.１）及びＮｉ
基（硬度高）とＦｅ基合金の組合せのもの（Ｎo.３）が
ステライトに比べ耐摩耗性が優れており、Ｎｉ基（硬度
低）とＦｅ基合金の組合せのもの（Ｎo.２）がステライ
トと同程度であることが確認された。

【００３４】繰り返し衝撃試験は、図４に示す様なガイ
ドローラ４２／ピン４３の上に落下錘４１を一定の高さ
から自由落下させて衝撃力を加えることにより実施し
た。

【００３５】試験は、荷重１０kgf 、雰囲気室温大気中
で行い、衝撃を繰返し与えて、ガイドローラの破壊した
回数で評価した。表３に繰り返し衝撃試験試験結果を示
す。

【００３６】

【表３】

【００３７】破壊までの繰り返し数は、Ｎo.１〜４とも
全てステライトと同程度であることが確認された。

【００３８】上記、試験により、耐摩耗性及び衝撃がス
テライトと同程度か優れていることが確認された。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、軽水炉用の制御棒駆動機構の
ピン／ローラに、Ｃｏ基合金と同等の耐摩耗性，耐食
性、及び靭性を有し、また、高価な元素を含まず経済性
にも優れた合金を使用することにより放射能を従来より
低減し、より安全な原子力プラントを製造することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る制御棒駆動機構の断面図。

【図２】ピン／ローラの一例を示す断面図。

【図３】高温水中摩耗試験方法を示した説明図。

【図４】繰り返し衝撃強度試験方法を示した説明図。

【符号の説明】

１…圧力容器、２…筒体、３…制御棒、４…中空ピスト
ン、５…ボールナット、６…ボールねじ軸、７…駆動
軸、８…電動機、９…バイオネットカップリング、１０
〜１８…ピン／ローラ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 邦男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制御棒駆動機構に装着される案内用のピン
   ／ローラの組合せにおいて、ローラにＮｉ−Ｃｒ−Ｂ−
   Ｓｉ−Ｆｅ−Ｗ系のＮｉ基合金、ピンにＦｅ−Ｃｒ−Ｎ
   ｉ−Ｓｉ−Ｍｎ系のＦｅ基合金を用いることにより耐摩
   耗性を持たせたことを特徴とする制御棒駆動機構。
2. 【請求項２】請求項１において、ローラにＣｒ１０〜１
   ５％，Ｂ０.０５〜１.５％，Ｓｉ３〜７％，Ｆｅ２〜２
   ０％，Ｗ２〜４％及び残部Ｎｉの化学組成からなるＮｉ
   基合金，ピンにＣ０.３％ 以下，Ｎｉ７〜４０％，Ｃｒ
   １５〜２８％，Ｓｉ２〜８％，Ｍｎ３〜１２％及び残部
   Ｆｅの化学組成からなるＦｅ基合金を用いた制御棒駆動
   機構。
3. 【請求項３】請求項１において、ローラにＣｒ１５〜２
   ０％，Ｂ０.０５〜１.５％，Ｓｉ５〜１０％，Ｆｅ２〜
   ２０％，Ｗ１〜３％，Ｓｎ０.５〜１.０％及び残部Ｎｉ
   の化学組成からなるＮｉ基合金を用い、ピンにＣ０.３
   ％ 以下，Ｎｉ７〜４０％，Ｃｒ１５〜２８％，Ｓｉ２
   〜８％，Ｍｎ３〜１２％及び残部Ｆｅの化学組成からな
   るＦｅ基合金を用いた制御棒駆動機構。
4. 【請求項４】制御棒駆動機構のスピンドルヘッドにおけ
   るシャフトとブッシュの組合せにおいて、前記ブッシュ
   にＮｉ−Ｃｒ−Ｂ−Ｓｉ−Ｆｅ−Ｗ系のＮｉ基合金、前
   記シャフトにＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｓｉ−Ｍｎ系のＦｅ基
   合金を用いることにより耐摩耗性を持たせたことを特徴
   とする制御棒駆動機構。
5. 【請求項５】請求項４において、前記ブッシュにＣｒ１
   ０〜１５％，Ｂ０.０５〜１.５％，Ｓｉ３〜７％，Ｆｅ
   ２〜２０％，Ｗ２〜４％及び残部Ｎｉの化学組成からな
   るＮｉ基合金，前記シャフトにＣ０.３％ 以下，Ｎｉ７
   〜４０％，Ｃｒ１５〜２８％，Ｓｉ２〜８％，Ｍｎ３〜
   １２％及び残部Ｆｅの化学組成からなるＦｅ基合金を用
   いた制御棒駆動機構。
6. 【請求項６】請求項４において、前記ブッシュにＣｒ１
   ５〜２０％、Ｂ０.０５〜１.５％，Ｓｉ５〜１０％，Ｆ
   ｅ２〜２０％，Ｗ１〜３％，Ｓｎ０.５〜１.０％及び残
   部Ｎｉの化学組成からなるＮｉ基合金を用い、前記シャ
   フトにＣ０.３ ％以下，Ｎｉ７〜４０％，Ｃｒ１５〜２
   ８％，Ｓｉ２〜８％，Ｍｎ３〜１２％及び残部Ｆｅの化
   学組成からなるＦｅ基合を用いた制御棒駆動機構。