JPH0721544B2 - 原子炉制御棒の一部を成している細長い平面状部材、及び原子炉用の制御棒 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、原子炉用の制御棒に関する。更に詳しく言え
ば、正方形の横断面を有する管状部材を長手方向に沿っ
て溶接して成る複合材料から構成されていると共に、防
水性の外被によって保護された原子炉用の制御棒が開示
される。

［問題点の記載］ 原子炉においては、腐食を防止するために入念な予防策
が講じられている。このような予防策の多くは、通常の
蒸気発電所において採用されている腐食防止対策と同じ
ものである。このような対策の１つとして、、発電用水
をできるだけ純粋な状態に保つことが挙げられる。

原子炉において腐食がもたらす危険性は、通常の蒸気発
電所において腐食がもたらす危険性よりも大きい。即
ち、腐食は原子炉及びそれの関連系統に直接的な損傷を
もたらすばかりでなく、腐食によって生成又は放出され
る不純物が放射性を呈するという問題がある。このよう
な放射性不純物は汚染の媒体として作用するのであっ
て、それら放射性不純物は、蒸気サイクルにより元来の
腐食発生部位から遠く離れた発電所内の部位にまで運ば
れることになる。要するに、原子炉発電所においては、
腐食はほとんど許容し得ないものである。

上述のような入念な予防策にもかかわらず、一般的な表
面腐食に加え、原子炉は割れ及び（場合によっては）構
造の破壊をもたらす３種の腐食を受ける。それらの腐食
とは、応力腐食割れ、照射促進応力腐食割れ及び隙間腐
食割れである。

互いに接合された部材、とりわけ溶接された部材には隙
間腐食割れの危険がある。この種の割れに際しては、２
つの接合された部材の間に存在している（本来ならば閉
塞されている）空隙に水が侵入する。隙間腐食割れが起
こり易い部位の実例としては、蒸気サイクル用水の侵入
を許容する割れ目又はピンホールを有している接合面の
間の溶接部が挙げられる。

ひとたび閉塞部に侵入した水は、その閉塞部に停滞す
る。通例、このような水は閉塞された環境中において、
金属と反応して酸性になる。その結果として腐食が起こ
り、そして腐食生成物が生み出される。

このような腐食生成物は、最初に水が侵入した閉塞空間
よりも大きな体積を占める。このようなわけで、腐食生
成物は接合された部材同士を引き離すようなくさび作用
を及ぼす。こうして大きな局所応力が生じると共に、こ
の局所応力が侵食性の局所的な酸性環境中において起こ
る結果、隙間によって誘起された応力腐食割れが生じる
のである。

溶接された部材には常に、隙間腐食割れの可能性が存在
する。隙間腐食割れを確実に防止するためには、溶接部
の完全な非破壊試験が通例採用される。しかしながら、
溶接部が製品の主要な構成要素を成している場合には、
非破壊試験のみで十分な安全余裕（予防策）が得られる
とは言えない。特に、互いに並列した溶接部が短い間隔
で繰り返されているような場合には、隙間腐食割れを防
止するために安全余裕（マージン）が更に必要となるこ
とがある。

ところで、正方形の外部横断面形状を有する管状部材か
ら制御棒を形成することが提唱されている。このような
正方形横断面の管状部材同士は、制御棒の長手方向に沿
って伸びている多数の連続溶接部によって接合されてい
る。このような目的のために、レーザ自動溶接が提唱さ
れている。詳しくは、1987年３月30日に出願された「制
御棒」と称するディクソン（Dixon）等の米国特許出願
番号第031633号の明細書を参照されたい。

「先行技術の説明」 平板状のステンレス鋼部材から制御棒を構成することは
公知である。これらのステンレス鋼部材は制御棒の平面
内に延在していると共に、互いに並列した状態で綿密に
且つ正確に形成されている複数の孔を含んでいる。これ
らの孔は、いわゆる「ガン・ドリル」を用いて形成され
ていることが普通である。

互いに並列した状態で孔が形成された後、孔内に原子炉
用の毒物質が充填される。その後、通例はステンレス鋼
製のプラグを圧入して溶接することにより、孔は密閉さ
れる。このような毒物質（例えば、炭化ホウ素）は遅い
中性子を吸収する。

残念ながら、上述のような制御棒は、封入されている中
性子吸収毒物の原子崩壊によって発生する圧力下で割れ
を生じることが知られている。その上、加圧された中性
子吸収毒物によって加えられる応力のため、このような
制御棒は通常の応力腐食割ればかりでなく、照射促進応
力腐食割れをも生じ易いのである。

又、保護構造用の外被内に制御棒を封入することも公知
である。この点に関しては、スペッカ（Specker）の米
国特許番号第4285769号の明細書を参照されたい。

スペッカの制御棒構造においては、円形の外部横断面形
状を有する円筒形の管の内部に中性子吸収毒物が封入さ
れている。そして、上述の管は外被の内部に収容されて
いる。管を収容している外被は、２つの相異なる目的の
ために役立つ。

第１に、このような外被は構造用のものである。即ち、
このような外被は、引張力及び圧縮力を受けながら制御
棒の上部から下部にまで伸びており、上述の管を並列状
態で包囲していると共に、それらの管を合体状態に保っ
ている。尚、並列状態の管同士は、それ以外の方法では
接合されていない。即ち、互いに分離した各々の外被
は、中性子吸収毒物を含有している管を平面状部材の形
態に保持しているのである。

第２に、このような外被は水が制御棒内に即座に侵入す
ることを許容するものである。即ち、水は外被の内部に
侵入し、そして中性子吸収毒物を含有している管を包囲
する。このような水の侵入が起こる結果、制御棒の毒物
を含有している管の周囲においては、追加の中性子減速
が起こる。このような追加の減速は、個々の毒物を含有
している管の内部における中性子捕獲の向上をもたらす
ことになる。

上述のような外被は水の侵入を妨げないので、毒物を含
有している管は、隙間腐食割れ、応力腐食割れ及び照射
促進応力腐食割れを生じることがある。更に又、これら
の外被は構造用のものであって、引張力及び圧縮力の両
方を受けるので、その閉塞区域（例えば、外被と制御棒
支持構造物との間における点溶接部の周囲）は隙間腐食
割れの生じ易い部位となる。

［発明の要約］ ４つの平面状部材を含んでいる十字形の原子炉用制御棒
において、隙間腐食割れに対する予防策として役立つ外
被が提供される。このような制御棒を構成している４つ
の平面状部材の各々は、内部に封入された中性子吸収毒
物を含んでいる並列状態の管状部材から構成されている
ことが好ましい。各々の管状部材は正方形の外部横断面
形状を有している。これらの正方形横断面の管状部材同
士を溶接することによって、制御棒の平面状部材が形成
されている。本発明に従えば、構造用の平面状部材の周
囲に保護外被が巻き付けられている。この保護外被は平
面状部材を包囲していると共に、原子炉内の周囲圧力に
よって生じる圧縮力の作用下で平面状部材に押し付けら
れている。この外被は、互いに並列した状態で溶接され
た正方形横断面の管状部材に原子炉水が接触するのを防
止することによって、隙間腐食割れに対する追加のマー
ジンを提供する。この外被は引張力を受けていないの
で、通常の応力腐食割れも、照射促進応力腐食割れも生
じることがない。

［発明の目的、特徴及び利点］ 本発明の目的の１つは、隙間腐食割れに対するマージン
を提供するために、構造的に一体を成している制御棒の
周囲に巻き付けられた保護外被を提供することにある。
詳しく述べれば、中性子吸収毒物を収容するための円柱
状空間を内部に規定し且つ正方形の外部横断面形状を有
する複数の管状部材が互いに並列した状態で溶接され
る。このように並列状態で溶接された管状部材は、平面
状部材を形成しているが、これは十字形制御棒の通例４
つの側板の１つとして使用し得るものである。このよう
な平面状部材の周囲に、厚さ約0.005インチ〜0.015イン
チの薄いステンレス鋼膜から成っている外被が巻き付け
られている。この外被を制御棒のハンドル、先端部材及
び中心軸に水密状態で溶接することにより、制御棒の平
面部材が完全に包囲されている。これらの溶接部によ
り、正方形横断面の管状部材の間における溶接部の隙間
への水の侵入が防止されることになる。

この外被の利点の１つは、制御棒が原子炉内に配置され
た場合に、加熱された冷却水がもたらす原子炉内の周囲
圧力が外被を制御棒にしっかりと押し付けることであ
る。その結果、圧縮力の作用下で外被は、制御棒の側面
に密着した状態に保持されることになる。

この外被のもう１つの利点は、外被が圧縮力しか受けな
いので、通常の応力腐食割れも、照射促進応力腐食割れ
も生じないことである。要するに、本発明に係る外被
は、隙間腐食割れに対するマージンを提供すると共に、
原子炉において普通に見られるその他の腐食割れが外被
自体に生じることもないわけである。

本発明のもう１つの目的は、互いに並列した状態で設け
られた複数の水平孔を含んでいる平板状のステンレス鋼
部材から形成されている制御棒における漏れ及び汚染を
防止するための技術を提供することにある。即ち、連続
した膜から成っている外被が、本発明に従って上述のよ
うな制御棒に巻き付けられる。その際、外被はいずれの
部分も引張力を受けないように、緩く巻き付けられる。
外被を巻き付けた制御棒が運転圧力下にある原子炉内に
配置された場合に、外被全体が圧縮力のみを受けること
になり、従って、上述のような応力腐食割れを生じるこ
とはない。このようなわけで、制御棒の割れによって生
じた汚染物は、外被の内部に閉じ込められ、従って、そ
れを媒体とする原子炉の汚染は防止されることになる。

本発明のその他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な
説明及び添付の図面を参照することによって明らかとな
ろう。

［実施例］ 先ず第１図を参照すると、本発明に従って製造された制
御棒が示されている。通例、このような制御棒は、互い
に隣接している４つの燃料バンドルの間の空隙に挿入さ
れるが、これらの燃料バンドルは図示されていない。こ
の制御棒は十字形の横断面形状を有している。このよう
な十字形横断面の制御棒は、１つの十字形部材50から伸
びている平面状部材S₁、S₂、S₃及びS₄を含んでいる。こ
れらの平面状部材は、正方形の外部横断面形状を有する
管状部材Ｔを互いに並列した状態で接合することによっ
て形成されている。このような構造は第２図に最も良く
示されている。

第３図を参照すると、制御棒を構成している正方形横断
面の管状部材Ｔが示されている。詳しく述べれば、各々
の管状部材は、一定の側壁厚さを有する円筒形の管36を
含んでいる。この一定の側壁厚さの管36に４つのコーナ
（角）部31、32、33及び34が付加されている。これらの
コーナ部によって、管状部材に正方形の外部横断面形状
が付与されるのである。

管36の直径は、コーナ部が規定する外部寸法よりも小さ
くなっている。例えば、管36はコーナ部31とコーナ部34
との間に引かれた直線よりも距離Ｄだけ内側に位置して
いることが認められよう。又、コーナ部32とコーナ部33
との間においても同様な関係が見られる。

上述のような管状部材同士は構造的に接合されている。
このような接合は溶接部60によって達成されている。通
例、溶接部60はレーザ溶接技術によって形成されてい
る。

互いに並列した状態で溶接された管状部材は、構造的に
一体を成している平面状部材を形成していることが理解
されよう。

再び第１図に関連して説明すれば、残念ながら、上述の
ような手順によって製造された制御棒は、長手方向に沿
って互いに並列した状態にある多数の溶接部を含んでい
ることが認められよう。このような溶接部は、平面状部
材S₁〜S₄の両側に存在していると共に、平面状部材S₁〜
S₄の全長にわたって伸びている。このような溶接部の完
全性は非破壊試験によって検査することができるとは言
え、このような溶接部の累積長さを考えると、隙間腐食
割れの起こる部位が存在する可能性は、完全には排除す
ることができない。

添付の図面、特に第１図に関連して説明すれば、平面状
部材S₁、S₂、S₃及びS₄の外面を直接に覆うようにして外
被（膜）70が配置されている。外被70は、制御棒の中心
に沿って十字形部材50に接合されている。外被70は又、
下端において速度制限器の平面部分V₁〜V₄に接合されて
いると共に、上端においてハンドルＨに接合されてい
る。

外被70は、原子炉環境において使用するのに適したステ
ンレス鋼で作成されている厚さ0.005インチ〜0.015イン
チの膜から成っていることが好ましく、又、平面状部材
S₁〜S₄の外側に緩く巻き付けられていることが好まし
い。このように緩く巻き付けておけば、制御棒が原子炉
内の圧力を受けた場合に、外被のいかなる部分も引張力
を受けることがないのである。

上述のような外被は構造用のものではない。即ち、この
ような外被は、中性子吸収毒物を含有している正方形横
断面の管状部材を互いに並列した状態で合体保持するた
めの役目は有していないのである。

上述のような外被は、下記のような４つの性質を有して
いさえすればよい。

第１に、このような外被は、防水性のものでなければな
らない。即ち、外被は、原子炉水が管状部材の間の溶接
部60の外面に接触することを防止する必要がある。

第２に、このような外被は、原子炉内に配置された場合
に圧力の作用下で変形可能なものでなければならない。
このように圧力下で変形可能である結果、外被は制御棒
の外面に密着することになる。即ち、それは平面状部材
S₁、S₂、S₃及びS₄の外面を覆うと共に、原子炉内の圧力
によってそれらの平面状部材に押し付けられるわけであ
る。

第３に、このような外被は、圧縮力のみを受けるもので
なければならない。このように圧縮力のみしか受けない
という条件は、原子炉の外部及び内部のいずれにおいて
も達成されなければならない。

外被が圧縮力のみしか受けないという特徴は、直ちに明
らかとはならない利点を有している。即ち、通常の応力
腐食割れ及び照射促進応力腐食割れが起こるためには、
特に引張力の存在が必要である。制御棒の平面状部材上
に外被を配置し、そして原子炉内の圧力によりその外被
を平面状部材に押し付けた場合には、引張力ではなく、
圧縮力が発生する。このような圧縮条件下では、通常の
応力腐食割れも照射促進応力腐食割れも起こらないので
ある。

最後に、このような外被は、通例予想される程度の摩擦
による破損に耐え得るだけの厚さを有していなければな
らない。本発明の目的にとっては、外被の厚さは0.005
インチ〜0.015インチの範囲内にあれば十分であると考
えられる。

以上、好適な実施例に従い、管状部材を互いに並列した
状態で溶接して成っている制御棒構造に関連して本発明
を説明した。とは言え、本発明の技術は、他の構造を有
している制御棒に対しても適用し得ることが理解されよ
う。即ち、制御棒の平面状部材としてステンレス鋼製の
平板を使用し、且つガン・ドリルによって並列状態で設
けられた孔の内部に中性子吸収毒物を封入して成ってい
るような制御棒に対しても、本発明の技術を適用し得る
のである。上述のような孔をプラグで密閉して毒物（例
えば、炭化ホウ素）を封入した場合、中性子を吸収して
毒物が原子崩壊を起こすと、高い圧力が生じる。このよ
うな圧力は割れを引き起こすことがある。

本発明において使用される外被は、上述のような制御棒
の表面に対する二次的な封止（シール）手段としても役
立つ。即ち、外被を緩く巻き付け、そして運転中の原子
炉内の圧力に暴露して外被に圧縮力を作用させた場合に
は、制御棒の割れに対処するための二次的な封止手段が
得られるのである。このような封止手段は、前述の場合
と全く同様に作用する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って製造された制御棒を直立状態で
示す等角図である。 第２図は線２−２に関する第１図の制御棒の断面図であ
る。 第３図は平面状部材S₁の部分拡大図であって、制御棒の
上に配置されている外被を示す図である。 第４図は本発明に従って外被によって完全に包囲されて
いる平面状部材S₄の断面図である。 ［主な符号の説明］ 31〜34……コーナ部、36……一定側壁厚さの管、50……
十字形部材、60……溶接部、70……外被、S₁〜S₄……平
面状部材、Ｔ……管状部材、V₁〜V₄……速度制限器の平
面部分。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】核反応を制御するために原子炉の炉心内に
   挿入すべき原子炉制御棒の一部を成している細長い平面
   状部材であって、 円柱状空間を画定していると共に正方形の断面外形を有
   している複数の管であって、該管の各々は、中性子吸収
   毒物を収容するための円柱状空間を内部に画定するのに
   十分な一定の側壁厚さを有する円筒を画定している、複
   数の管と、 前記一定の側壁厚さの円筒と一体に形成されており、前
   記一定の側壁厚さの円筒の前記側壁に対して90゜の間隔
   で前記円筒の外側に配置されているコーナ部であって、
   ４つの該コーナ部は、前記一定の側壁厚さの円筒に前記
   円柱状空間の各々内に閉じ込められた中性子吸収毒物の
   厚さの増大した空間を画定している、コーナ部とを備え
   ており、 前記管は、前記制御棒の前記細長い平面状部材を形成す
   るために前記コーナ部において溶接することにより互い
   に並列した関係で接合されており、 前記制御棒の前記平面状部材は、引張力を受けることな
   く前記平面状部材の周囲に締め付けられている柔軟な外
   被を備えており、該外被は、前記互いに並列した関係で
   溶接された正方形の断面外形の管を水密状態で包囲する
   ように、該外被の末端において前記制御棒に締め付けら
   れている、原子炉制御棒の一部を成している細長い平面
   状部材。
2. 【請求項２】少なくとも１つの細長い平面状部材を含ん
   でいる原子炉用の制御棒であって、 円柱状空間を画定していると共に正方形の外形断面を有
   している複数の管であって、該管の各々は、中性子吸収
   毒物を収容するための円柱状空間を内部に画定するのに
   十分な一定の側壁厚さを有する円筒を画定している、複
   数の管と、 該管の各々に配置されていると共に前記一定の側壁厚さ
   の円筒の所で前記管の各々と一体に形成されており、前
   記一定の側壁厚さの円筒の前記側壁に対して90゜の間隔
   で前記円筒の外側に配置されているコーナ部であって、
   該コーナ部は、前記一定の側壁厚さの円筒に厚さの増大
   した空間を画定しており、複数の前記管は、前記制御棒
   の前記細長い平面状部材を形成するために前記コーナ部
   において互いに並列した関係で溶接されており、中性子
   吸収毒物が前記円柱状空間の各々内に閉じ込められてい
   る、コーナ部と、 引張力を受けることなく前記制御棒の前記平面状部材の
   周囲に巻き付けられている外被であって、該外被は、前
   記管の間の溶接部への水の侵入を防止するように該外被
   の末端において水密関係で溶接されており、これにより
   隙間腐食割れに対する安全余裕をもたらしている、外被
   とを備えており、 前記制御棒と前記外被とは、原子炉内の運転圧力を受け
   ており、これにより前記外被は、圧縮力のみの作用下で
   前記制御棒に押し付けられている原子炉用の制御棒。