JPS5935185A - 制御棒の中性子吸収体およびその製造方法 - 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〕 本発明は水冷型原子炉における制御棒に使用されている
現用のポイズンチューブに代る新規な中性子吸収体およ
びその製造方法に関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

水冷型原子炉における制御棒は、原子炉の中性子のうち
余分な中性子を吸収して核分裂の連鎖反応を調整する作
用をなすものである。この制御棒は原子炉の燃料集合体
の間に置かれ、炉の長軸方向（上下方向）に移動可能に
取付けられている。上記制御棒１は第１図に示すように
上方から見ると十字形をしたグレード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とによって形成されている。この支持体
４の底部は、緊急時に制御棒の移動（下降）がゆるやか
に行なえるように円板状のスピードリミッタ５が形成さ
れている。なお６は制御棒１を上下動させるときのガイ
ドローラ、７は制御棒駆動機構に接続するだめのカップ
リングソケットである。

上記グレード２は内部が中空に形成されており、この中
には多数のポイズンチューブ８がグレード２の各面に沿
って並べて配置されている。

このポイズンチー−プ４は第２図に示すように断面がほ
ぼ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１００μｍ（平均粒
径）のゾロンカーバイト（Ｂ４Ｃ）が充填密封されてい
る。このゾロンカーバイトは全体の充填密度約７０％で
充填されているので、その上下の移動は少ないが、この
移動を更に抑えるために、ポイズンチューブ８の各所に
中性子吸収材移動防止体１０をポイズンチューブ８の一
部をくびれ変形させて固定しである。このポイズンチュ
ーブ８は使用中に昇温するのでこの過熱を避けるために
第１図に示すようにグレード２の複数個所に冷却孔ＩＩ
が開孔されている。

このように形成された制御棒りを原子炉内に装着して駆
動させると、原子炉内の余分な中性子はグレード２およ
びポイズンチューブ８を介して中性子吸収材９である。

＋ｐコロン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材９として用いられている上記ボロ
ンカーバイトは、粉末である。ことからその飛散を防止
するためにポイズンチューブ８は第２図に示すように、
その端部を封着体１２によって完全に封着しである。こ
のように封着されたゾロンカーバイトは駆動中に移動が
進み中性子吸収材移動防止体１０の上方近傍にのみ集中
してしまい第３図に示すように空間１３が形成され易く
、極端な場合には、移動防止体１０の下方にポロンカー
バイトが存在しなくなシ中性子吸収作用が一部において
失なわれてしまう場合がある。従って制御棒りの寿命が
短縮されてしまうだけでなく、制御棒ｌの出入による原
子炉出力の制御が困難になるという問題点がある。

またポロンカーバイトは中性子吸収断面積が大きいので
°吸収体としては有利であるが、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。

このヘリウムは、ポイズンチューブ８内の空間１３に放
出されてポイズンチューブ８の内圧を昇進させる。また
ゾロンと中性子の反応によシ生成されたリチウム（液体
）と、このときの反応熱によシボロンカーバイトの粉末
が膨潤して、ポイズンチューブ８を破裂に至らしめる可
能性も考えられる。

このようなことからゾロンをステンレス中に固溶、ある
いは析出させてボロンステンレス合金で中性子吸収体を
成形して制御棒に組立てたものも開発されている。

しかしながら、この場合には十分な量のがロ５− ンをステンレス内へ混合することができず、しかも制御
棒に組立てるには横断面十字形を形成させることなどに
おいて溶接手段が必要となシ、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して好ましくな
いことから採用されるには至っていない。

〔発明の目的〕

本発明は、従来のポロンカーバイトを用いたポイズンチ
ューブの問題点を改善し、中性子吸収作用の偏りが々く
全体に均一で、しかも機械的強度や耐食性に優れて中性
子の吸収寿命を向上させると共に、製造が容易で量産性
に優れ、安価な制御棒の中性子吸収体およびその製造方
法を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明は水冷型原子炉における制御棒の中性子吸収体に
おいて、前記中性子吸収体が、ジルコニウム合金を被覆
したハフニウム棒で形成されていることを特徴とする制
御棒の中性子吸収体を第１の要旨とするものである。

６一 更に本発明は、ハフニウムビレットの外周に、ジルコニ
ウム合金層を設け、その外周の合せ口部または／および
両端面の境界部を真空中で溶接して、複合ビレットを形
成した後、該ビレットを押出等の製線加工を行なって所
望の線径とすることを特徴とする制御棒の中性子吸収体
製造方法を第２の要旨とするものである。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明における中性子吸収体は、ジルコニウム合金を被
覆したハフニウム棒で形成され、この中性子吸収体はハ
フニウムビレットの外周にジルコニウム合金層を設けた
複合ビレットを製線加工して所望の線径としたものであ
る。

なお本発明においてハフニウム棒をジルコニウム合金で
被覆するのは、もしハフニウム棒が腐食して酸化物が生
成し、炉水中に浮遊した際に生じる原子炉の出力低下を
防ぐ為である。

ハ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く、Ｂ
ＷＲ条件、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上に良好であり、中性子吸収断
面積も大きく、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
ム棒の表面に保護層として被覆するジルコニウム合金と
しては、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。また
この保護層となるジルコニウム合金層の厚さは、中性子
吸収能の低下を避けるため５〜５００μｍ程度が好まし
い。

次に本発明の中性子吸収体の製造方法について説明する
。

第４図（Ａ）に示すようにハフニウムビレット１４と、
ジルコニウム合金板Ｉ５を用意し、これを同図（Ｂ）に
示すようにハフニウムビレット１４の外周に１周巻付け
る。

このように組合せたものを真空チャンバー内に入れ、巻
付けたジルコニウム合金板１５０合せ口部１６に沿って
溶接を行なう。この後、真空チャンバー内の回転台に複
合したビレットを取付け、その両端面のハフニウムビレ
ットＩ４と、巻付けたジルコニウム合金板Ｉ５との境界
部１７を真空中で溶接して同図（Ｃ）に示すように一体
化した複合ビレット１８を形成する。

この場合、真空中における溶接方法としては、エレクト
ロンビーム溶ｓ、ｓるいはレーザビーム溶接を行ない、
これらビームが合せ口部１６や境界部１７に対して垂直
になるように照射する。

また溶接条件については、例えば加速電圧を１００　ｋ
Ｖのエレクトロンビーム溶接による場合、溶接加工速度
２３０　ｍ＋＋／ｍｉｎとすると、電子電流と溶は込み
深さの関係は次表のようになる。

−９＝ 壕だ、例えば溶接加工速度を１００ｗ〆ｍｉｎとすると
、上記の関係は次表のように々る。

上記の如き溶接によシ合せ口部１６および両端面の境界
部１７を溶接することによシ一体化した複合ビレット１
８は、更に熱間押出、圧延等の製線加工を行なって、同
図（Ｄ）に示すようにハフニウム棒１４ａの外周に・ゾ
ルコニウム合金層１５ａを被覆した所望の線径の中性子
吸収体１９が得られる。

この製線加工において、複合ビレット１８は、ハフニウ
ムビレット１４とジルコニウム合金板１５とが一体化さ
れ、押出しの際にノ１フニウムビレット１４のみや、あ
るいはジルコニウム合金板１５のみが単独に、若しくは
長手方向にズ１０− しを生じて製線さねることがない。またハフニウムビレ
ット１４とジルコニウム合金板１５との間の境界は真空
に保持されているため、押出し後の境界面に不純物介在
物が混合し、密着性の劣化や長期的に見た機械的性質の
低下、および耐食性劣下をもたらすことは無い。

また複合ビレット１８を形成する他の方法としては、第
５図（Ａ）に示すように先ずハフニウムビレット１４と
、ジルコニウム合金円筒１５′とを用意して、ハフニウ
ムビレット１４をジルコニウム合金円筒１５′内に挿着
し、同図（Ｂ）に示すように組合せる。次にこれを真空
チャンバー内に入れて、両端面の境界部１７をエレクト
ロンビーム溶接、あるいはレーザビーム済。弧、＜ヨリ
溶接して同図（Ｃ）に示すように一体化された複合ビ１
ノット１８を形成する方法でも良い。

なお複合ビレット１８を形成した後、製線加工前にハフ
ニウムビレット１４とジルコニウム合金円筒１５’との
接触面全周にわたって冶金的結合が得られるように拡散
処理することは更に好ましい。この拡散処理は、例えば
真空中７００℃で８時間保持すれば、全接触面において
冶金結合を完了することができる。このように拡散処理
することによシ、熱間圧延工程でゾルコニウム合金層１
５ａの肉厚を周方向に均一に制御することができる。

このようにして得られた中性子吸収体１９は第６図に示
すように、中空のブレード２内に、上下方向に沿って複
数本、並列して収納し、制御棒１を組立てる。

寸だ制御棒の置かれている炉心の位置および中性子吸収
体の置かれているグレード内の位置によシ、要求される
制御能力が異なる場合がある。この場合ハフニウム棒の
太さを位置によシ変えることによシ要求される制御能力
を調整することができる。また本発明の中性子吸収体は
、単独で使用する場合に限らず、従来のポイズンチュー
ブと組合せて、制御棒を組立てても良い。

〔発明の実施例〕

実施例１ 第４図（Ａ）に示すように外径１５０ｍｍφ、長さ４５
０唾の純ハフニウムビレット１４と、厚さ３脇、寸法１
５０πＸ４５０ｗｎのゾルカロイ−４からなるジルコニ
ウム合金板１５とを用意し、これを純ハフニウムビレッ
ト１４の外周に１周巻付けた後、真空チャンバー内でエ
レクトロンビーム溶接して、長手方向に沿ったジルコニ
ウム合金板１５の合せ回部１６と、両端の境界部１７を
溶接して、同図（Ｃ）に示す如き複合ビレット１８を形
成した。

この場合の溶接条件は、加速電圧１００ｋＶ。

電子電流５ｍＡ、溶接加工速度２３０　ｗ／ｍｉｎで行
なった。

このようにして得られた複合ビレット１８を、熱間押出
し、および数回の圧延によシ製線して、ハフニウム棒１
４ａの外周にジルコニウム合金層１５ａを被覆した中性
子吸収体１９を製造した。この仕上シ寸法は下記の通シ
であった。

中性子吸収体の外径：４．８０ｍｍφ ハフニウム棒の外径：４．７０ｗｎφ １３− ジルコニウム合金層の厚さ　：　４００〜５００μｍ実
施例２ 第５図（Ａ）に示すように外径１５０咽φ、長さ４５０
ｍｍの純ハフニウムビレット１４と、外径１５６．５ｗ
ｎφ、内径１５０．　Ｏｔｎｒｎφ、長さ４５０Ｗｎの
ジルカロイ−４からなるジルコニウム合金円筒１５′と
を用意し、この中に純ハフニウムビレット１４を挿着し
て組合せた後、これを真空チャンバー内に入れて両端の
境界部１７を、上記実施例１と同様の溶接条件でエレク
トロンビーム溶接を行ない、複合ビレット１８を製造し
た。

次にこの複合ビレット１８を真空中で７００℃、８時間
熱処理した後、熱間押出し圧延を行なって下記寸法の中
性子吸収体１９を製造した。

中性子吸収体の外径：４．８０ｍｍφ ハフニウム棒の外径：４．７０＋ｏ＋φジルコニウム合
金層の厚さ　：　４５０〜５００μｍ〔発明の効果〕 以上説明した如く、本発明に係わる制御棒の中性子吸収
体およびその製造方法によれば、ジ１４− ルコニウム合金を被覆したハフニウム棒で形成されてい
るので、グレード内に均一に配置され、従来のボロンカ
ーバイトを用いたポイズンチー−グの如く、使用中に偏
りがなく、経時劣化のない均一な中性子吸収作用を行な
うことができる。また中性子吸収材となるハフニウムは
中性子照射によって（ｎ・γ）反応であるのでヘリウム
ガスの発生や膨潤もなく機械的強度に優れていると共に
、耐食性に優れ中性子吸収寿命を向上させることができ
る。

更に本発明方法は、ハフニウムビレットとジルコニウム
合金板または円筒とを組合せて一体に溶接した複合ビレ
ットを製線加工するので、量産性に優れ、安価であると
共に、仕上シ寸法が均一で、境界面への不純物の介在も
なく密着性に優れているなど顕著な効果を有するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は制御棒の一部を切欠し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１５− 一部を拡大して示す縦断面図、第３図は第２図のポイズ
ンテー−グ内のボロンカーバイトの移動状態を示す縦断
面図、第４図（Ａ）乃至同図（Ｄ）は本発明の一方法に
より中性子吸収体を製造する工程を順次示す斜視図、第
５図（Ａ）乃至同図（Ｄ）は本発明の他の方法によシ中
性子吸収体を製造する工程を順次示す斜視図、第６図は
本発明の中性子吸収体を組込んだ制御棒の一部を示す水
平断面図である。 ｌ・・・制御棒、２・・・グレード、３・・・吊シ上げ
ハンドル、４・・・支持体、８・・・ポイズンチューブ
、９・・・中性子吸収材、１ｏ・・・移動防止体、１２
・・・封着体、１３・・・空間、１４・・・ハフニウム
ビレット、１４ａ・・・ハフニウム棒、１５・・・ジル
コニウム合金板、１５′・・・ジルコニウム合金円筒、
１５ａ・・・ジルコニウム合金層、１６・・・合せ口部
、１７・・・境界部、１８・・・複合ビレット、１９・
・・中性子吸収体、２０・・・溶接部。 市願人代堪人　　弁理士　鈴　江　武　彦＝１６− ｊＩ２図　　第３図 第１頁の続き ■発　明　者　桜永友信 横浜市鶴見区末広町２丁目４番 地東京芝浦電気株式会社京浜事 某所内 手続補正書 ４ゎｐ８・１Ａ・−８Ｂ 特許庁長官　　若　杉　和　夫　　殿 ■、事件の表示 特願昭５７−１４６４１２号 ２、発明の名称 制御棒の中性子吸収体およびその製造方法３、補正をす
る者 事件との関係　特許出願人 （３０７）　　東京芝浦電気株式会社 ４、代理人 ６　補正の対象 明細書 ７補正の内容 （１）　　明細書の特許請求の範囲を別紙の如く訂正す
る。 （２）明細書中第７貞１行目、同頁１１１行目第８頁１
７行目、第９頁３行目、第１０頁下がら４行目、同頁下
から２〜１行目、第１１頁１〜２行目、同頁８〜９行目
、同頁１ｏ行目、同頁１８８行目第１５負１１行目及び
第１６頁１３〜１４行目において、［ハフニクムビレッ
ト」とあるを「ハフニウム棒」と訂正する。 （３）　　明細書中框７頁３〜４行目にかけて、「・・
・境界部を真空中で溶接して・・・」とあるな「・・・
境界部を接合して・・・」と訂正する。 （４）　　明細書中框７頁４行目、同頁１２２行目第９
貫２行目、同頁６行目、第１０頁下から９行目、同頁下
から５行目、第１１頁７行目、同頁１５〜１６行目、同
頁１７７行目第１３頁９〜１０行目、同頁１４４行目第
１４頁１１行目、同頁１２２行目第１５負１３行目及び
第１６頁１７行目において、「複合ビレット」とあるを
「複合棒」と訂正する。 （５）明細書中框７頁４〜５行目にかけて、［・・・該
ビレットを押出等・・・」とあるを１・・・該複合棒に
押出等・・・」と訂正する。 （６）　　明細書中框９頁２行目において、「複合した
ビレット」とあるを１複合棒」と訂正する。 （７）　　明細書中框９頁４〜５行目にかけて、［・・
・境界部１７を真空中で溶接して・・・］とあるを「・
・境界部１７を接合（例えば真空中で溶接）して・・・
」と訂正する。 （８）明細＠第９頁６行目の「形成する。」の後に下記
文を追加する。 記 なお、接合は真空中での溶接以外に、ろう付け、口付は
等で行なってもよい。 （９）　　明細書中筒１３負２行目、同頁５行目、第１
４頁４行目及び同頁７〜８行目に「純ハフニウムビレッ
ト」とあるを「純ハフニクム棒」と訂正する。 ２、特許請求の範囲 （１）水冷型原子炉における制御棒の中性子吸収体にお
いて、前記中性子吸収体が、ジルコニウム合金を被覆し
たハフニウム棒で形成されていることを特徴とする制御
棒の中性子吸収体。 （２）　　ハフニウム棒の外周に、ジルコニウム合金層
を設け、その外周の合せ口部または／および両端面の境
界部を接合して複合棒を形成した後、該複合棒に押出し
等の製線加工を行なって所望の線径とすることを特徴と
する制御棒の中性子吸収体製造方法。 （３）　　複合棒を、ハフニウム棒の外周にジルコニウ
ム合金板を巻付けた後、この長手方向に沿ったジルコニ
ウム合金板の合せ口部を接合し、しかる後、両端面の境
界部を接合して一体に形成することを特徴とする特許請
求の範囲第２項記載の制御棒の中性子吸収体製造方法。 （４）複合棒を、ジルコニウム合金中窄管内にハフニウ
ム棒を挿着した後、その両端面の境界部を接合して一体
に形成することを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
の制御棒の中性子吸収体製造方法。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）水冷型原子炉における制御棒の中性子吸収体にお
   いて、前記中性子吸収体が、ノルコニウム合金を被覆し
   たハフニウム棒で形成されでいることを特徴とする制御
   棒の中性子吸収体。
2. （２）　　ハフニウムビレットの外周に、ジルコニウム
   合金属を設け、その外周の合せ目部または／および両端
   面の境界部を真空中で溶接して複合ビレットを形成した
   後、該ビレットを押出し等の製線加工を行なって所望の
   線径とすることを特徴とする制御棒の中性子吸収体製造
   方法。
3. （３）　　Ｗ合ビレットを、ハフニウムビレットの外周
   にジルコニウム合金板を巻付けた後、この長手方向に沿
   ったジルコニウム合金板の合せ目部を真空中で溶接し、
   しかる後、両端面の境界部を真空中で溶接して一体に形
   成することを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の制
   御棒の中性子吸収体製造方法。
4. （４）複合ビレットを、ジルコニウム合金中空ビレット
   内にハフニウム棒を挿着した後、その両端面の境界部を
   真空中で溶接して一体に形成することを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の制御棒の中性子吸収体製造方法
   。