(57)【要約】【課題】  すき間部及び溶接部を排除し、ＳＣＣ及びＩＡＳＣＣを防止可能な原子炉用制御棒及び原子炉用制御棒の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る原子炉用制御棒は、中性子吸収材充填孔を有するブレード領域と、ブレード領域を支持するタイロッド領域と、ブレード領域及びタイロッド領域のそれぞれの長さ方向の端部の一方に設けられたハンドル領域と、を有する一つの部材から構成されており、この部材が溶融凝固組織を有することを特徴とする。上記特徴を有する原子炉用制御棒を、金属積層造形法によって作製する。【選択図】図５
2020063906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子吸収材充填孔を有するブレード領域と、
前記ブレード領域を支持するタイロッド領域と、
前記ブレード領域及び前記タイロッド領域のそれぞれの長さ方向の端部の一方に設けられたハンドル領域と、を有する一つの部材から構成されており、前記部材が溶融凝固組織を有することを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項２】
前記タイロッド領域に開口部を有することを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
【請求項３】
４つの前記ブレード領域と前記タイロッド領域とで十字の形状の横断面を構成することを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
【請求項４】
３つの前記ブレード領域と前記タイロッド領域とでＹ字の形状の横断面を構成することを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
【請求項５】
前記原子炉用制御棒を、長さ方向に２つの領域に分割し、前記２つの領域のうち、前記ハンドル領域に近く、中性子の照射量が多い方の領域を上部領域とし、残りの領域を下部領域としたときに、
前記上部領域にある前記中性子吸収材充填孔に中性子吸収材が充填され、前記下部領域にある前記中性子吸収材充填孔には中性子吸収材が充填されていないことを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
【請求項６】
前記下部領域にある前記中性子吸収材充填孔に、前記上部領域にある前記中性子吸収材充填孔に充填されている前記中性子吸収材を保持するための保持具が充填されていることを特徴とする請求項５記載の原子炉用制御棒。
【請求項７】
前記保持具が、多孔質粉末、棒状部材又は弾性体であることを特徴とする請求項６記載の原子炉用制御棒。
【請求項８】
前記ブレード領域及び前記タイロッド領域の、前記ハンドル領域が設けられている端部と反対側の端部に端栓が設けられ、
前記端栓に、前記原子炉用制御棒の駆動を制御する制御棒駆動装置が接続されていることを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。
【請求項９】
前記中性子吸収材充填孔を、中性子が照射される領域よりも長くし、前記端栓及び前記制御棒駆動装置が、前記中性子が照射される領域の外に設けられていることを特徴とする請求項８記載の原子炉用制御棒。
【請求項１０】
前記部材の化学組成が、質量％で、１６〜２６％のＣｒと、８〜２２％のＮｉと、０．０２〜０．４％のＯと、０．０８〜０．００５％のＣと、０．１〜０．００２％のＮと、を含み、
０．２〜２．８％のＺｒ、０．４〜５．０％のＴａ及び０．２〜２．６％のＴｉのうちの少なくとも１種を更に含み、
残部がＦｅ及び不可避不純物からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項１１】
前記部材の平均結晶粒径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項１２】
前記部材が析出物を有し、前記析出物のうち、平均粒径が１５ｎｍのものが、４．３×１０２１ｍ−３以上の数密度で析出していることを特徴とする請求項１１記載の原子炉用制御棒。
【請求項１３】
前記析出物が、Ｚｒ、Ｔａ又はＴｉを含む酸化物であることを特徴とする請求項１２記載の原子炉用制御棒。
【請求項１４】
中性子吸収材充填孔を有するブレード領域と、
前記ブレード領域を支持するタイロッド領域と、
前記ブレード領域及び前記タイロッド領域のそれぞれの長さ方向の端部の一方に設けられたハンドル領域と、を有する一つの部材から構成された原子炉用制御棒の製造方法であって、
前記原子炉用制御棒の上端となる前記ハンドル領域から、前記ブレード領域及び前記タイロッド領域の順で、金属積層造形によって作製することを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉用制御棒及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉用の制御棒は、沸騰水型原子炉の運転停止時や炉心出力の調整に用いられる原子炉内機器の一つである。一般的な制御棒の構成は、以下の通りである。すなわち、制御棒は、横断面が十字型をしており、その外観は、十字型の軸心から翼が伸びたような形状を有している。一般に、軸心の部分をタイロッドと称し、翼の部分をブレードと称している。制御棒は、炉心に装荷された４体の燃料集合体の相互間に挿入される。原子炉の起動時には、制御棒は炉心から引き抜かれる。定格出力運転時は、原子炉炉心出力の調整に用いられている制御棒以外の制御棒は、炉心から引き抜かれた状態となっている。非常時には水圧を利用して全ての制御棒が挿入される構造になっている（原子炉スクラム）。
【０００３】
沸騰水型原子炉用の制御棒は、さらにそれぞれのブレードを囲むようにして設けられた、断面Ｕ字型のシースを有している。タイロッド及びブレードとシースとで囲まれた空間には、中性子吸収材（ボロンカーバイトの粉末や、ハフニウムの丸棒又は板）がハンドルに吊りさげられて保持されている。ハンドル及びシースは、一般に、溶接によってタイロッドに固定される。シースの一部には、内包した中性子吸収材を冷却するための穴が設けられている。板型の中性子吸収材を用いている制御棒では、シースと中性子吸収板の間でスポット溶接が施されているものもある。
【０００４】
一般に、制御棒の材料は、主としてオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３１６Ｌが用いられている。この材料は特定の環境において応力腐食割れ（Ｓｔｒｅｓｓ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ；以下、「ＳＣＣ」と称する。）感受性を持つことが知られている。さらに、原子炉内では、多量の中性子照射を受けることによってＳＣＣ感受性が助長する、照射誘起応力腐食割れ（Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｓｔｒｅｓｓ  Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ  Ｃｒａｃｋｉｎｇ；以下）「ＩＡＳＣＣ」と称する。）が発現することが知られている。
【０００５】
ＳＣＣ（ＩＡＳＣＣ）は、材料因子、力学因子、環境因子の３条件同時に揃ったときに発生するとされている。さらに、ＩＡＣＣでは、上記３つの因子に加えて中性子照射量が発生因子として加わる。材料因子としては、溶接時に不純物炭素がクロム（Ｃｒ）炭化物を生成することがＳＣＣの要因とされており、不純物炭素を減少させる対策がなされてきた。力学因子については、引張応力下において発生することが知られているため、ピーニング法による表面応力の圧縮化や磨き加工による対策がなされてきた。環境因子については、溶存酸素濃度や塩化物イオンが原因となるため、水素注入法や貴金属注入法などが行われてきた。中性子照射量を減らす対策としては、制御棒の配置を変えることにより対策がなされてきた。しかし現状では原子炉内構造物におけるＳＣＣ現象は初期のプラントと比較して減少しているが、その発生機構や完全な抑制に関しては現在も確定しておらず対策が要求されている。
【０００６】
従来のシースとタイロッドを溶接によって接合した構成の制御棒では、シースとタイロッド間及びシースと中性子吸収材間に腐食生成物が蓄積し、すき間腐食が起こりやすい環境になる。また、シースと中性子吸収板とをスポット溶接している構造では、スポット溶接部に残留応力が生じているため、微小なひびが発生しやすい。そのため、粒界腐食や溶接残留応力によって発生した微小なひびが照射等の影響を受けることで、ＩＡＳＣＣにより進展することで損傷にいたる事例が報告されている。この事例は、平成１８年５月３１日付けの経済産業省原子力安全・保安院の報告書「沸騰水型原子力発電所のハフニウム型制御棒のひび等に関する調査報告書」に公開されている。
【０００７】
上述したように、制御棒を構成する部材間のすき間や溶接部を起点とするＳＣＣ及びＩＡＳＣＣを防止するためには、できる限り部材のすき間や部材に生じる応力を低減する必要がある。溶接部を低減してＩＡＳＣＣを防止する技術として、特許文献１には、横断面が十字形をしており、互いに溶接にて結合されて軸方向に並んで配置された複数のセグメントを備え、最も上方に位置するセグメントである第１セグメントが、１枚の金属板から加工された、ハンドル部及び軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している複数の中性子吸収材充填部をそれぞれ有する一対のブレードエレメントを十字形に組み合せて構成され、最も下方に位置するセグメントである第２セグメントが、下部支持部及び軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している複数の中性子吸収材充填部をそれぞれ有する一対のブレードエレメントを十字形に組み合せて構成され、第１セグメントと第２セグメントの間に配置された他のセグメントである少なくとも１つの第３セグメントは、軸方向に伸びて中性子吸収材が充填された複数の中性子吸収材充填孔を形成している４つの中性子吸収材充填部を、十字形に組み合せて構成され、セグメント同士の結合が、隣り合うセグメントの中性子吸収材充填部同士を溶接することによって行われたことを特徴とする制御棒が開示されている。特許文献１によれば、ハンドル部と中性子吸収材充填部を結合する溶接が不要になるため、制御棒の照射誘起型応力腐食割れを防止することができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０‐７１７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に示される制御棒は、ブレードを構成するステンレス鋼の板材を軸方向で分割したセグメントとし、各セグメントに縦孔を設けその縦孔に中性子吸収材を充填し、最終的に各セグメントを溶接接合することで、制御棒を完成する。各セグメントでは、さらに、向かい合うブレードと接続するための架橋が設けられており、架橋間は溶接により接合される。特許文献１は、制御棒を長さ方向で分割しているため、長尺な孔加工を不要とし、高い加工精度を発揮することが出来る。しかしながら、各セグメントを溶接で結合するため、溶接部を起点としたＳＣＣ及びＩＡＳＣＣの発生の可能性を十分に排除することができない。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑み、すき間部及び溶接部を排除し、ＳＣＣ及びＩＡＳＣＣを防止可能な原子炉用制御棒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記目的を達成するため、中性子吸収材充填孔を有するブレード領域と、ブレード領域を支持するタイロッド領域と、ブレード領域及びタイロッド領域のそれぞれの長さ方向の端部の一方に設けられたハンドル領域と、を有する一つの部材から構成されており、上記部材が溶融凝固組織を有することを特徴とする原子炉用制御棒を提供する。
【００１２】
また、本発明は、前述した特徴を有する原子炉用制御棒の製造方法であって、制御棒の上端となるハンドル領域から、ブレード領域及びタイロッド領域の順で、金属積層造形によって作製することを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明のより具体的な構成は、特許請求の範囲に記載される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、すき間部及び溶接部を排除し、ＳＣＣ及びＩＡＳＣＣを防止可能な原子炉用制御棒及びそのような原子炉用制御棒の製造方法を提供することができる。
【００１５】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１に係る原子炉用制御棒と燃料集合体の一例を示す断面模式図である。
【図２】図１のブレード領域の先端形状の他の例を示す断面模式図である。
【図３】本発明に係る原子炉用制御棒と燃料集合体の他の例を示す断面模式図である。
【図４】図３の１つのブレード領域を拡大する模式図である。
【図５】図１のＡ‐Ａ´線断面図である。
【図６】実施例１で作製した試作品の電子顕微鏡観察写真である。
【図７】実施例１で作製した試作品の析出物のＸＲＤパターンを示す図である。
【図８】実施例２に係る原子炉用制御棒の断面図である。
【図９】本発明に係る原子炉用制御棒の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について図面を用いて詳述する。
【００１８】
［本発明の基本思想］
上述したように、原子炉用制御棒（以下、単に「制御棒」とも称する。）は、大別するとタイロッド、ブレード及びハンドルを構成する部材に分かれる。従来は、これらの部材を個々に用意して溶接等で接合していたため、部材の間に存在するすき間部及び溶接部を排除することができず、このすき間部及び溶接部を起点として、ＳＣＣ及びＩＡＳＣＣが発生する可能性があった。本発明では、金属粉末を原料とする金属積層造形法（単に「積層造形法」又は「３次元金属積層造形法」とも称する。）によって、タイロッド、ブレード及びハンドルを構成する部材が一体となった制御棒（「一体成形品」又は「シームレス制御棒」とも称する。）を作製する。このような構成によれば、腐食環境や重度の中性子が重畳する領域において、すき間部及び溶接部を確実に排除することができる。したがって、すき間部及び溶接部を起点とするＳＣＣ及びＩＡＳＣＣを確実に防止することができる。
【００１９】
金属積層造形法は、３次元形状を有する部材を直接得られる手法として知られている。その方式は、大別すると、予め層状に形成した粉末（粉末床）をレーザー又は電子線等のエネルギーの照射により局所溶融・凝固することによって形状を得る粉末溶融積層法と、粉末を噴射しながらエネルギーの照射によって溶融・凝固する溶融堆積法があり、何れにおいても粉末の溶融・凝固により３次元積層造形体を形成することができる。
【００２０】
溶融・凝固して形成された金属層は、溶融凝固組織（急冷凝固組織）を有する。また、造形物の表面は、レーザー又は電子線等の走査方向に沿って跡（模様）が見られる。これらは、金属層の表面を顕微鏡（光学顕微鏡等）観察することで確認することができる。したがって、金属積層造形法によって製造された本発明の原子炉用制御棒は、外観上の特徴として、溶融凝固組織を有すること及び表面に模様を有することが挙げられる。以下、実施例に基づいて、本発明に係る原子炉用制御棒について詳述する。
【実施例１】
【００２１】
以下、本発明に係る制御棒の構成について、詳述する。図１は本発明に係る原子炉用制御棒と燃料集合体の一例を示す横断面模式図である。図１に示すように、本発明に係る制御棒１ａは、４つのブレード領域４ａ〜４ｄと、４つのブレード領域４ａ〜４ｄを支持するタイロッド領域５を有する。上述したように、従来はブレード及びタイロッドは別部材であり、溶接等によって接合されていたが、本発明に係る制御棒１ａは、これらが一つの部材で構成されている。本発明の制御棒１ａにおいて、従来のブレード部材に該当する領域を「ブレード領域」と称し、従来のタイロッド部材に該当する領域を「タイロッド領域」と称する。また、図１には図示していないが、制御棒１ａのブレード領域４ａ〜４ｄ及びタイロッド領域５のそれぞれの長さ方向の端部の一方には、ハンドル領域が設けられている。ハンドル領域は、制御棒１ａの輸送用等のために使用される領域である。ハンドル領域は、後述する図５に記載される。
【００２２】
図１に示す制御棒１ａは、４つのブレード領域４ａ〜４ｄとタイロッド領域５とで十字の形状の横断面を構成しており、燃料集合体（図示せず）が収容された４つのチャンネルボックス２０の間に挿入される。ブレード領域４ａ〜４ｄには、中性子吸収材が充填される円柱形状の中性子吸収材充填孔３が設けられている。なお、中性子吸収材充填孔３は、図１では１枚のブレード（ブレード領域４ａ）にのみ設けられているが、実際には４枚のブレードに同数設けられている。中性子吸収材充填孔３の数は、炉心の出力等によって適宜変更される。
【００２３】
図２は図１のブレード領域の先端部の別の態様を示す模式図である。図１において、ブレード領域４ａの先端部６ａは、角型（四角）形状を有している。この先端部分の形状は、図１に示す角型形状の他、上面から見たときに円弧形状であってもよい。円弧形状は、角型形状よりも応力集中を緩和することができるため、より好ましい。
【００２４】
図１に示すように、隣り合う各ブレード領域は、直角をなすように構成されている。ブレード領域４ａ〜４ｄとタイロッド領域５とがなす角部（図１のＸ部分）は、腐食生成物が堆積しやすい部分であるため、この部分の角を丸くして円弧形状とすることが好ましい。角部を円弧形状とする手法として、金属積層造形法を用いてニアネットシェイプ構造を造形し、すみ部を円弧形状とすることが考えられる。造形後、グラインダー加工などを用いることで、精度よくすみ部を円弧形状とすることが可能となる。
【００２５】
図３は本発明に係る原子炉用制御棒と燃料集合体の他の例を示す横断面模式図である。図３は、炉心構造を、図１に示す構造より稠密化した構成としている。図３に示す態様では、燃料棒２２の充填密度を上げるためにチャンネルボックスの横断面の形状を六角形としており、３つの六角形のチャンネルボックス２１の間に収まるよう、制御棒１ｂの横断面の形状をＹ字の形状としている。横断面Ｙ字形状の形状制御棒１ｂは、複数の燃料棒２２をまとめた燃料集合体を囲む３つのチャンネルボックス２１の間に挿入される。
【００２６】
図４は図３の１つのブレード領域を拡大する模式図である。図１に示す制御棒１ａと同様に、制御棒１ｂは、中性子吸収材充填孔３を備える３つのブレード領域４と、それらを支持する中心部のタイロッド領域５とで構成されている。各ブレード領域４における中性子吸収材充填孔３の数は、同数である。この中性子吸収材充填孔３の数は、炉心の出力等に合わせて変更される。図４において、ブレード領域４の先端部分６の形状は、上面から見たときに角型形状となっているが、上述したように、応力緩和の観点から、図２のような円弧形状がより好適である。
【００２７】
図３において、隣り合う各ブレード領域４は、１２０度をなすように構成されている。図１の場合と同様に、角部は腐食生成物が蓄積しやすいため、円弧形状とすることが好ましい。作製方法は、上述した通りである。
【００２８】
図５は図１のＡ‐Ａ´線断面図である。図５に示すように、ブレード領域４及びタイロッド領域５のぞれぞれの長さ方向の端部の一方（上端）には、制御棒１ａの運搬の際の支持部等として用いられるハンドル７が設けられている。ハンドル７を含む制御棒１ａの上端部分を、ハンドル領域８とする。ハンドル領域８の下部に、中性子吸収材充填孔３を有するブレード領域４及びタイロッド領域５が設けられている。なお、図２のＢ‐Ｂ´線断面も、図５に示す構成を有する。
【００２９】
制御棒１ａは、炉心に挿入した状態における中性子の照射量によって、２つの領域に分けられる。すなわち、挿入状態において炉心部に近く（ハンドル領域８に近く）、高い中性子照射を受ける領域（高い中性子吸収能力が要求される領域）９と、炉心部から離れており、中性子の照射量がほとんど無い領域（中性子吸収能力の不要な領域）１０とに分けられる。領域９を「高照射領域９」、領域１０を「低照射領域」と称する。
【００３０】
中性子吸収材充填孔３は、ブレード領域４の上端から下端までを貫通している。中性子吸収材充填孔３のうち、高照射領域９には中性子吸収材を充填する必要があるが、低照射領域１０には中性子吸収材を充填する必要が無い。そこで、高照射領域９の中性子吸収材充填孔３には、従来の中性子吸収材を充填し、低照射領域１０の中性子吸収材充填孔３には、中性子吸収材を充填せず、高照射領域９の中性子吸収材充填孔３に充填された中性子吸収材を下部から支えるための保持具１１を設けることが好ましい。中性子吸収材ではない保持具１１は、「ダミー材」と称することもできる。
【００３１】
中性子吸収材充填孔３に充填される中性子吸収材としては、一般的に用いられるボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）の粉末又はペレットや、ハフニウム（Ｈｆ）の棒材が好適である。中性子吸収材にボロンカーバイドを使用した場合、（ｎ，α）反応によりヘリウム（Ｈｅ）ガスが発生し、中性子吸収材充填孔３の内圧が上昇する可能性がある。そこで、低照射領域１０に設けられる保持具１１としては、中性子吸収材から発生するヘリウムガスを外部へ逃がすことができるよう、空隙を有する構造を用いることが好ましい。例えば、多孔質粉末を充填するか、棒状部材又は弾性体（ばね）を詰めておくことが好ましい。
【００３２】
図５に示すように、中性子吸収材充填孔３のハンドル領域８と反対側の端部（下端）１２は、中性子吸収材や保持具１１を中性子吸収材充填孔３に封止するために端栓接合されている。端栓接合部は、低照射領域１０に設けられることから、端栓接合部においてすき間部及び溶接部が生じても、ＩＡＳＣＣ発生の起点とはならない。高照射領域９に該当する制御棒１ａの上端から端栓接合部までは、金属積層造形法を用いて一体構造物として製造される。この結果、制御棒１ａにおいて、中性子照射量が高く、ＩＡＳＣＣの発生が危惧される領域から、ＩＡＳＣＣ発生の起点となりうるすき間及び溶接部を排除することが可能となり、優れた耐ＩＡＳＣＣ性を有する制御棒を提供することが可能となる。
【００３３】
中性子吸収材充填孔３の末端は端栓接合され封止された後に、制御棒１ａを駆動するための制御棒駆動装置１３を有する駆動系領域１４に接合される。この接合は、レーザー溶接やＴＩＧ溶接等によって溶接される。上述した端栓接合部と同様、駆動系領域１４は中性子の照射量が極めて低い領域であり、溶接部が残存していてもＳＣＣ及びＩＡＳＣＣの発生は危惧されない。
【００３４】
図９は本発明に係る原子炉用制御棒の製造方法の一例を示すフローチャートである。図９に示すように、本発明に係る制御棒１ａの製造方法は、Ｓ１：ハンドル領域８の造形、Ｓ２：ブレード領域４及びタイロッド領域５の造形、Ｓ３：未溶融粉末（原料金属粉末）の除去、Ｓ４：中性子吸収材充填孔への中性子吸収材及び保持具の充填、Ｓ５：中性子吸収材充填孔の封止及びＳ６：制御棒駆動装置の接合の順で行われる。
【００３５】
図５に示す構造の制御棒１ａを金属積層造形法によって作製するためには、ステージ上に金属粉末を積層する際に、ハンドル領域８を下端とし、端栓接合部１２を上端として積層していく。すなわち、図５の上端から下端に向かって積層していくことになる。積層完了後、中性子吸収材充填孔３に残った未溶融の粉末原料を取り除く。粉末の取り除きには、ショットピーニングや酸洗浄等の手法を用いることが未溶融粉末の除去率を上げる上で好適である。ここまで完了した後に、前述した通り、中性子吸収材充填孔３に中性子吸収材及び保持具１１をこの順で充填しに、端栓接合で封止し、別途製造した駆動系領域１４を接合する。
【００３６】
制御棒１を構成する材料としては、得に限定は無いが、以下に示す高い耐中性子照射性を有する合金を用いることによって、より高い耐ＩＡＳＣＣ性を有する制御棒を提供することが可能である。好ましい合金組成は、質量％で、１６〜２６％のＣｒと、８〜２２％のＮｉと、０．０２〜０．４％のＯと、０．０８〜０．００５％のＣと、０．１〜０．００２％のＮと、を含み、０．２〜２．８％のＺｒ、０．４〜５．０％のＴａ及び０．２〜２．６％のＴｉのうちの少なくとも１種を更に含み、残部がＦｅ及び不可避不純物からなる。
【００３７】
上記組成中、母相の主要な構成元素であるＦｅ、Ｃｒ及びＮｉは、比較的反応性が低いが、添加元素であるＺｒ、Ｔａ及びＴｉは、他の金属元素や不純物元素（酸素（Ｏ）等）と結合し、結合して形成された化合物が析出しやすい。
【００３８】
上記組成を有する合金を用いて、金属積層造形法によって制御棒１ａを試作した。作製した試作品の合金の組成を以下の表１に示す。
【００３９】
【表１】
2020063906.tif 000003
【００４０】
図６は実施例１で作製した試作品の電子顕微鏡観察写真（ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察写真）である。観察結果から、母相の平均結晶粒径が１０μｍ以下（５μｍ程度）まで微細化されていることがわかる。これは、母相中に分散された析出物によって結晶粒径が微細化されるためであると考えられる。このような微細な結晶粒を有することは、金属積層造形法で作製したことに起因する特徴である。
【００４１】
試作品のＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による分析結果から、添加元素を含む析出物が微細に分散していることが確認された。抽出残渣法を使用して、析出物のみを取り出し、Ｘ線回折（ＸＲＤ）装置を用いて析出相の同定を行った。図７は試作品の析出物のＸＲＤパターンを示す図であり、表２に析出物の組成を示す。図７及び表２に示すように、析出物は、合金の添加元素であるＺｒの酸化物（ＺｒＯ又はＺｒＯ２）であることが分かる。
【００４２】
【表２】
2020063906.tif 000004
【００４３】
表３に、試作品の母相の平均結晶粒径及び最大結晶粒径と、析出物の平均粒径及び数密度を示す。
【００４４】
【表３】
2020063906.tif 000005
【００４５】
表３に示すように、析出物は、平均粒径が１５ｎｍのものが４．３×１０２３ｍ−３以上の数密度で析出していることがわかる。
【００４６】
前述のとおり、従来別部材で構成していたブレード、タイロッド及びハンドルを一つの部材とした本発明に係る制御棒は、新規なものである。公知の文献である特表２００２‐５３３７３６号公報には、中心及び吸収ブレードが十文字状に配置された沸騰水型原子炉用制御棒が開示されており、図面を参照すると、ブレード、タイロッド及びハンドルが一つの部材で構成されているようにも見えるが、具体的な製造方法については何ら開示されていない。また、本発明に係る制御棒の中性子吸収材充填孔に相当する横孔状の吸収チャンネル（図２ａ等に記載）は、溶接等によって封止されることが記載されており（段落００２０）、すき間部及び溶接部を排除できていない構成を有している。さらに、図２ｄには、本発明と同様に、縦孔状の吸収チャンネルを有する制御棒が開示されているが、部材にこのような縦孔を精度良く設けることは、極めて困難である。
【００４７】
別の公知文献である特開２０１３‐８８１５７号公報に示される制御棒は、ブレードをＨＩＰ処理により一体構造物として作製している。これは、中性子吸収材を内包する長尺の矩形管を複数本並べ、カバー板と呼ばれる薄板で挟み込みＨＩＰ処理によって拡散接合することで縦孔を有するブレードを作製する。ブレード間は向かい合うブレードと架橋部で結合され、架橋部は溶接により接合される。したがって、架橋部においてすき間部及び溶接部を排除できていない構成を有している。
【００４８】
別の公知文献である特開２０１５‐２０３６３６号公報には、金属積層法によって製造された炉心構成要素が開示されているが、高速増殖炉用の制御棒であり、本発明の対象であるブレード、タイロッド及びハンドルを有する沸騰水型原子炉用制御棒とは構成が異なる。
【実施例２】
【００４９】
上述した実施例１に係る制御棒１ａは、ＩＡＳＣＣの発生が危惧される高照射領域９においてすき間部及び溶接部を排除し、高い耐ＩＡＳＣＣ性を有する構造としている。図８は実施例２に係る原子炉用制御棒の断面図である。図８は、制御棒の、図１におけるＡ‐Ａ´線断面図に相当する部分の断面図である。実施例２に係る制御棒１ｃの実施例１の制御棒１ａと異なる部分は、タイロッド領域５に開口部１５を設けている点にある。このようにタイロッド領域５に開口部１５を設けることで、制御棒の剛性を小さくすることができる。
【００５０】
ブレード領域、タイロッド領域及びハンドル領域を一体物として製造すると、剛性が高い構造となる。制御棒は、その機能上、地震時に急速に炉心内に挿入される必要がある。制御棒の周囲を囲むチャンネルボックスは、ジルコニウム合金製である。ジルコニウム合金の引張強さ及び伸びは、それぞれ、４１０ＭＰａ、２０％以上であり、柔軟なジルコニウム合金からなるチャンネルボックスは、地震の揺れにより反りが生じる。制御棒は、チャンネルボックスの反りに沿って、制御棒自身も反りを発生しながら炉心に挿入される。そのため、制御棒の剛性が高いと、制御棒の反りがチャンネルボックスの反りと比較して小さくなるため、チャネルボックスと衝突し、損傷や破損を発生し、最悪の場合挿入不良を起こす可能性が高まる。
【００５１】
そこで、制御棒の剛性をチャンネルボックスに合わせるために、図８に示す本実施例に係る制御棒１ｃは、タイロッド領域５に開口部１５を設けている。従来のように、ブレード及びタイロッドを別部材として用意した後に接合する方法では、それぞれの部材の接合部となる部分に開口部を作ることは困難であった。金属積層造形法では、粉末を積層していくため、図８に示す構造を容易に製造することが可能である。このようにタイロッド領域５に開口部１５を設けることによって、すき間構造及び溶接部を排除し、高い耐ＳＣＣ及びＩＡＳＣＣを発揮すると共に、構造上適切な剛性を有する制御棒を提供することが可能となる。
【００５２】
図８において、開口部１５は、制御棒１の縦断面を見たときに、四角形状を有しているが、円弧形状とすると、角部に腐食生成物が蓄積することを防止することができるため、より好ましい。その他の構造及び製造方法に関しては、実施例１と同様である。
【００５３】
以上、説明したように、本発明によれば、すき部及び溶接部を排除し、ＳＣＣ大尾ＩＡＳＣＣを防止可能な原子炉用制御棒及びそのような特徴を有する原子炉用制御棒の製造方法を提供することができることが実証された。
【００５４】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、た、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１ａ，１ｂ，１ｃ…制御棒、２０，２１…チャンネルボックス、２２…燃料棒、３…中性子吸収材充填孔、４，４ａ〜４ｄ…ブレード領域、５…タイロッド領域、６，６ａ，６ｂ…ブレード先端、７…ハンドル、８…ハンドル領域、９…高照射領域、１０…低照射領域、１１…保持具、１２…端栓接合部、１３…制御棒駆動装置、１４…駆動系領域、１５…開口部。
【図１】
2020063906.tif 000006
【図２】
2020063906.tif 000007
【図３】
2020063906.tif 000008
【図４】
2020063906.tif 000009
【図５】
2020063906.tif 000010
【図６】
2020063906.tif 000011
【図７】
2020063906.tif 000012
【図８】
2020063906.tif 000013
【図９】
2020063906.tif 000014