(57)【要約】【課題】変形を極力少なくすると共に、実機使用時の照射による成長を抑制し、耐食性を向上させることにより長寿命化、高品質化を実現できる原子炉制御棒用複合材および製造方法を提供する。【解決手段】中性子吸収材として、結晶方位のＣ軸の向きを制御したハフニウム板２１を用い、このハフニウム板２１の表面にジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を摩擦攪拌接合、拡散接合、溶射或いは爆着により被覆させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶方位のＣ軸の向きを制御したハフニウム板材の片面又は両面を、ジルコニウム又はジルコニウム合金で被覆したことを特徴とする原子炉制御棒用複合材。
【請求項２】
前記ハフニウム板材の結晶方位のＣ軸の向きを板長さ方向、板幅方向、板厚方向から選択された一方向に揃えたことを特徴とする請求項１記載の原子炉制御棒用複合材。
【請求項３】
前記ハフニウム板材の結晶方位のＣ軸の向きをランダムにしたことを特徴とする請求項１記載の原子炉制御棒用複合材。
【請求項４】
結晶方位のＣ軸の向きを制御したハフニウム板材の片面又は両面に、ジルコニウム又はジルコニウム合金を摩擦攪拌接合、拡散接合、溶射、爆着から選択された一手段により被覆させたことを特徴とする原子炉制御棒用複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉等に適用される原子炉制御棒用複合材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸騰水型原子炉等に適用される原子炉制御棒１は、例えば図７に示すように、ハンドル３を先端部に形成した先端構造材４と末端構造材５とを結合するタイロッド６と、このタイロッド６から放射状に突き出し、その外郭部が深いＵ字形断面のシース７によって構成され、冷却孔９が形成されたウイング２と、シース7の内部に収容され、タイロッド６の軸心と平行に配列された複数の中性子吸収要素８を有する構成とされている。
【０００３】
従来、このような制御棒１の中で、長寿命型制御棒としてフラックスストラップ型ハフニウム制御棒が知られている。この制御棒は図８および図９に示すように、ハフニウム又はハフニウム合金からなる一対の板状体（以下、ハフニウム金属板という）１０を対向させ、これらのハフニウム金属板１０を中性子吸収要素としてシース７内に収容した構成とされている。
【０００４】
すなわち、このフラックストラップ型ハフニウム制御棒１は、中性子吸収要素をウイング２の軸方向に分割して各分割区分のハフニウム金属板１０の厚さを各区分における中性子吸収量に応じて定めたもので、これにより制御棒全体にわたり中性子吸収体の核的寿命を均一化したものである。
【０００５】
つまり、各ウイング２は、図８および図９に示すように、ウイング２の外殻を形成するシース７の内面に複数の固定部材であるコマ１２を用いてハフニウム金属板１０を対向状態で溶接固定した構成とされている。また、シース７はタイロッド６にスポット溶接により保持されている。
【０００６】
上記のような従来のフラックスストラップ型ハフニウム制御棒１では、コマ１２の上端部とシース７を溶接することにより変形を生じ、シース７の薄肉板はハフニウム金属板１０側に倒れ込みシース７に引張の残留応力を生じる。このような状態で使用すると引張の残留応力と高温水に水環境によってシース７に応力腐食割れを生じる原因となる。また、溶接によるシース７の変形によりシース７とハフニウム金属板１０との隙間がなくなって隙間腐食の原因にもなる可能性があり、制御棒の信頼性低下につながる問題点がある（特許文献１参照）。
【０００７】
かかる問題点を解決するため、制御棒１の中性子吸収材として、ハフニウム板の片面又は両面に、ジルコニウム板を熱間圧延により接合した複合材を用いることが開示されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１１３６６４号公報
【特許文献２】特開２００８−２０３１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の複合材によれば、減速材である高温高圧水にハフニウム板が接しないため中性子吸収材の腐食等を防止できると共に、制御棒の各部位の残留応力を低減して変形を少なくすることにより、応力腐食割れを防止して長寿命化を図ることができる。
【００１０】
しかしながら、上記複合材においても他の複合材と同様に、実機使用時に照射により制御棒が成長し、ウイングの先端が炉内機器と接触してしまうという課題があった。
【００１１】
また、今日、制御棒の更なる長寿命化、品質の高安定性が求められている。
【００１２】
そこで、本発明は、変形を極力少なくすると共に、実機使用時の照射による成長を抑制し、耐食性を向上させることにより長寿命化、高品質化を実現できる原子炉制御棒用複合材および製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するため、本発明の原子炉制御棒用複合材は、結晶方位のＣ軸の向きを制御したハフニウム板材の片面又は両面を、ジルコニウム又はジルコニウム合金で被覆したことを特徴とする。
【００１４】
また、上述の目的を達成するため、本発明の原子炉制御棒用複合材の製造方法は、結晶方位のＣ軸の向きを制御したハフニウム板材の片面又は両面に、ジルコニウム又はジルコニウム合金を摩擦攪拌接合、拡散接合、溶射、爆着から選択された一手段により被覆させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の原子炉制御棒用複合材によれば、実機使用時の照射による成長を抑制し、耐食性を向上させることにより、長寿命化、高品質化を図ることができる。
【００１６】
また、本発明の原子炉制御棒用複合材の製造方法によれば、更なる長寿命化、品質の高信頼性が可能な制御棒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る制御棒用複合材の断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る制御棒用複合材の斜視模式図。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る制御棒用複合材の斜視模式図。
【図４】本発明の第４の実施形態に係る制御棒用複合材の斜視模式図。
【図５】本発明の第５の実施形態に係る制御棒用複合材の斜視模式図。
【図６】本発明の第６の実施形態に係る制御棒用複合材の製造方法を説明するための概念図。
【図７】従来の制御棒本体を示す一部切断斜視図。
【図８】従来の制御棒のウイングの一部を切り欠いて示した正面図。
【図９】従来の制御棒のウイングの一部を切り欠いて示した横断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る原子炉制御棒用複合材および製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る制御棒用複合材の断面図を示すものである。
【００２０】
この制御棒用複合材２０は、中性子吸収材として、結晶方位のＣ軸の向きを制御したハフニウム板２１を用い、このハフニウム板２１の表面にジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を被覆させた構造としている。
【００２１】
従来の構造ではＵ字シース、支持コマ等はステンレス鋼が使用されており、それらをＴＩＧ溶接により接合するものであり、溶接によるシース板へ引張側の高い残留応力が生じた状態で原子炉の高温炉水の環境にさらされるとステンレス鋼では応力腐食割れが発生し、制御棒の機能を損なってしまう可能性がある。
【００２２】
このため、本実施の形態では、ハフニウム板２１表面に、燃料被覆管で照射特性の優れたジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を被覆させて層構造となった制御棒用複合材２０を用いて十字型構造を形成することにより、制御棒の各部位の残留応力を低減させると共に、高温水と接する部材の優れた腐食特性を維持できるため、腐食の防止が可能となる。
【００２３】
また、本実施形態では、結晶方位のＣ軸の向きを制御したハフニウム板２１を用いる。
【００２４】
ハフニウムは、ジルコニウムと同族元素であって同じ六方最密（ｈｃｐ）構造を有する。ジルコニウムについては、製造プロセスと照射速度や水素脆化の相関に関する研究がなされているが、ハフニウムについては、これまで、照射速度や水素化脆化等に対する結晶方位の影響について不明な点が多かった。
【００２５】
そこで、本発明者らがハフニウムにおける熱間圧延や熱処理による組織の変化を調査・研究したところ、圧延率３０％、５０％で熱間圧延した後の組織は、共に（０００２）面（Ｃ軸に対して垂直な面）がＴ方向（圧延方向と垂直の方向）に約４５°傾いた組織となった。熱間圧延後にさらに７００〜９００℃で熱処理を施すと、圧延組織が消失し、熱間圧延後Ｔ方向に傾いていた（０００２）面の集合組織が板厚方向に近づいていた。従って、ハフニウムは３０％以上の圧延を加えた場合、７００℃以上で再結晶が起こり、圧延組織が消失して集合組織が変化することが判明した。
【００２６】
上記の知見より、例えば、熱間圧延後にさらに７００℃未満で熱処理を施し、圧延方向に対して垂直方向に板を取り出す、または熱間圧延後に熱間圧延方向に対して垂直方向に圧延方向を変え長板とした後にさらに７００℃未満で熱処理を施すことにより、ハフニウム板２１におけるハフニウム結晶の（０００２）面を板厚方向に揃える（即ち、ハフニウム板２１におけるハフニウム結晶方位のＣ軸の向きを板長さ方向（制御棒長手方向）に揃える）ことができる。
【００２７】
このように、結晶方位のＣ軸の向きを制御したハフニウム板２１を用いることにより、照射成長が抑制され、耐食性も向上するため長寿命化を実現できる。
【００２８】
以上のことにより、制御棒の長寿命化、高品質化を図ることができ、信頼性を向上することが可能となる。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る制御棒用複合材を示すものである。
【００３０】
この制御棒用複合材では、図１のハフニウム板２１として、ハフニウム結晶構造２５におけるＣ軸２７の向きを板長さ方向（制御棒長手方向）に揃えたハフニウム板２１ａを用いている。
【００３１】
ハフニウム結晶構造２５におけるＣ軸２７の向きを板長さ方向（制御棒長手方向）に揃えるには、上述したように、圧延率３０％、５０％で熱間圧延後にさらに７００℃未満で熱処理を施せば良い。
【００３２】
このように板長さ方向に結晶方位のＣ軸２７の向きを揃えたことにより、板長さ方向の照射成長等が抑制され、原子炉運転中の制御棒が引抜き状態においても燃料有効位置に侵入することを防ぐことができる。このため、制御棒の寿命を延ばすことができる。
【００３３】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る制御棒用複合材を示すものである。以下、第２の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００３４】
この制御棒用複合材では、図１のハフニウム板２１として、ハフニウム結晶構造２５におけるＣ軸２７の向きを板幅方向（制御棒幅方向）に揃えたハフニウム板２１ｂを用いている。
【００３５】
ハフニウム結晶構造２１におけるＣ軸２７の向きを板幅方向（制御棒幅方向）に揃えるには、上述したように、圧延率３０％、５０％で熱間圧延後にさらに７００℃未満の温度で熱処理を施せば良い。
【００３６】
このように板幅方向に結晶方位のＣ軸２７の向きを揃えたことにより、板幅方向の照射成長等が抑制され、炉内機器とウイングの先端部との接触を回避することが可能となり、制御棒の損傷寿命を延ばすことができる。
【００３７】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る制御棒用複合材を示すものである。
【００３８】
この制御棒用複合材では、図１のハフニウム板２１として、ハフニウム結晶構造２５におけるＣ軸２７の向きを板厚方向に揃えたハフニウム板２１ｃを用いている。
【００３９】
ハフニウム結晶構造２５におけるＣ軸２７の向きを板厚方向に揃えるには、熱間圧延後にさらに７００〜９００℃で熱処理を施すことにより、ハフニウム板２１ｃにおけるハフニウム結晶方位のＣ軸の向きを板厚方向に揃えることができる。
【００４０】
このように板厚方向に結晶方位のＣ軸２７の向きを揃えたことにより、板厚方向の照射成長等が抑制され、炉内機器とウイングとの接触を回避することが可能となり、制御棒の損傷寿命を延ばすことができる。
【００４１】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る制御棒用複合材を示すものである。
【００４２】
この制御棒用複合材では、図１のハフニウム板２１として、ハフニウム結晶構造２５におけるＣ軸２７の向きをランダムにしたハフニウム板２１ｄを用いている。
【００４３】
ハフニウム結晶構造２５におけるＣ軸２７の向きをランダムにするには、板厚を使用寸法にした後、固溶熱処理（β変態温度（１７４３℃）以上）と急冷凝固を実施すればよい。
【００４４】
このように結晶方位をランダムにすることにより、照射成長の異方性がなくなり、特性方向の照射成長等を抑制できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことができる。
【００４５】
（第６の実施の形態）
次に、本発明の第６の実施の形態に係る制御棒用複合材の製造方法について説明する。
【００４６】
図６は、図１の制御棒用複合材２０におけるジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３の形成方法の一例としての摩擦攪拌接合を説明する概念図である。
【００４７】
本実施の形態では、先端に突起のある円筒状のジルコニウム又はジルコニウム合金からなる工具３１を回転させながら荷重をかけることによって、接合させる部材（母材）であるハフニウム板２１の接合部３３に貫入させる。これによって摩擦熱を発生させて母材を軟化させるとともに、工具の回転力によって接合部周辺を塑性流動させて練り混ぜることで、摩擦攪拌接合によってハフニウム板２１と工具３１材であるジルコニウム又はジルコニウム合金とを一体化させる。
【００４８】
図１に示す制御棒用複合材２０におけるジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を摩擦攪拌接合を用いて形成することにより、１）歪みが小さく残留応力も少ない、２）熟練を要せず接合でき、接合部の品質が安定する、３）接合にともなう変形が無い、４）接合雰囲気にシールドガスを必要としない、５）機械的性質、特に、疲労特性に優れている、６）高速接合が可能である、７）気孔、割れなど溶融溶接で発生しやすい欠陥が発生しない、８）接合部は、柱状晶などの組織は生成せず、塑性流動による結晶微細化を生じる、９）接合に要するエネルギー効率が高い、という効果が得られる。
【００４９】
このようにして得られた制御棒用複合材２０を用いることにより、高温高圧水にハフニウム板２１が接することがなく、中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことができる。
【００５０】
（第７の実施の形態）
次に、本発明の第７の実施の形態に係る制御棒用複合材の製造方法について説明する。
【００５１】
本実施の形態では、図１に示す制御棒用複合材２０におけるジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を拡散接合を用いて形成したものである。
【００５２】
拡散接合は、母材を溶融させることなく加熱・加圧保持し、接合面を横切って接合界面の原子を拡散させ、金属学的に完全な接合部を得る方法である。
【００５３】
制御棒用複合材２０におけるジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を拡散接合を用いて形成することにより、１）歪みや変形の発生が微小である、２）寸法精度が極めて良好である、３）広い面積の接合が出来る、という効果が得られる。
【００５４】
このようにして得られた制御棒用複合材２０を用いることにより、高温高圧水にハフニウム板２１が接することがなく、中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことができる。
【００５５】
（第８の実施の形態）
次に、本発明の第８の実施の形態に係る制御棒用複合材の製造方法について説明する。
【００５６】
本実施の形態では、図１に示す制御棒用複合材２０におけるジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を溶射を用いて形成したものである。
【００５７】
溶射とは、材料を加熱・溶解し、接合させる部材（母材）に吹き付け皮膜を形成する表面処理法の一種である。
【００５８】
制御棒用複合材２０におけるジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を溶射を用いて形成することにより、１）液滴や粒子が皮膜生成の単位であるため、他の多くの表面処理法と比較し製膜速度が速く、厚膜が比較的簡単に作製できる、２）基材に熱影響による変形、歪みを起こさない、３）ドライプロセスであるため、集塵機等で廃棄物が捕集可能であり、原則的には廃液や有毒ガス等の発生が無い、という効果が得られる。
【００５９】
このようにして得られた制御棒用複合材２０を用いることにより、高温高圧水にハフニウム材２１が接することがなく、中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことができる。
【００６０】
（第９の実施の形態）
次に、本発明の第９の実施の形態に係る制御棒用複合材の製造方法について説明する。
【００６１】
本実施の形態では、図１に示す制御棒用複合材２０におけるジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を爆着を用いて形成したものである。
【００６２】
爆着とは、二種類の金属を火薬による瞬間的で高エネルギーな爆発力によって高速で衝突させ、異種金属を冶金的に接合させる方法である。火薬は点火されると、そのときに発生した大きな圧力によって原子レベルで二種類の金属を互いに接合させる。
【００６３】
制御棒用複合材２０におけるジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜２３を爆着を用いて形成することにより、１）結合面は波状になるので、接触面が広くなり、非常に強い結合が得られる、２）爆着は溶接等とは異なり、材料同士が冷間で接着されるため材料同士が熱で変化しない、３）その圧着界面が金属間化合物を呈し、爆着部の強さは通常母材より高い、という効果が得られる。
【００６４】
このようにして得られた制御棒用複合材２０を用いることにより、高温高圧水にハフニウム板２１が接することがなく、中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことができる。
【符号の説明】
【００６５】
１…制御棒、２…ウイング、３…ハンドル、４…先端構造材、５…末端構造材、６…タイロッド、７…シース、１０…ハフニウム金属板、１２…コマ、２０…制御棒用複合材、２１…ハフニウム板、２３…ジルコニウム膜又はジルコニウム合金膜、２５…ハフニウム結晶構造、２７…Ｃ軸、３１…工具、３３…接合部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010216881.tif 000009
【図８】
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【図９】
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