(57)【要約】  実施形態によれば、原子炉用制御棒（５０）は、上下方向に延びる軸のまわりに放射状に周方向の間隔をあけて配置された平板状の複数のウィング部（４）と、ウィング部（４）を中央で結合する中央結合部（３）とを備える。ウィング部（４）はそれぞれウィング表面構造部材（５ａ）とウィング表面構造部材（５ａ）内に内包された中性子吸収部材（１０）とを有する。中央結合部（３）およびウィング表面構造部材（５ａ）の少なくとも一部はＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材を構造材料とする。ウィング表面構造部材（５ａ）の中央結合部（３）側の端部がＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材によって封止されていることでもよい。また、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材におけるＳｉＣ繊維の配向方向は、ウィング部（４）の長手方向となす角度をθとしたときに、各ＳｉＣ繊維に関するｃｏｓ２θの全ＳｉＣ繊維に亘る算術平均が１／２以上であることでもよい。
2014050094.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下方向に延びる軸のまわりに放射状に周方向の間隔をあけて配置されて前記軸の方向および放射方向に広がる平板状であって、ウィング表面構造部材と前記ウィング表面構造部材内に内包されて中性子吸収物質を含む中性子吸収部材とを有する複数のウィング部と、
前記複数のウィング部を中央で結合する中央結合部と、
を備える原子炉用制御棒であって、
前記中央結合部および前記ウィング表面構造部材の少なくとも一部はＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材を構造材料とすることを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項２】
前記ウィング表面構造部材の前記中央結合部側の端部が前記ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材によって封止されていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
【請求項３】
前記ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材におけるＳｉＣ繊維の配向方向は、前記中央結合部の長手方向となす角度をθとしたときに、各ＳｉＣ繊維に関するｃｏｓ２θの全ＳｉＣ繊維に亘る算術平均が１／２以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子炉用制御棒。
【請求項４】
前記中性子吸収部材は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材を構造材料として前記ウィング表面構造部材内に配列されて前記中性子吸収物質を内包する複数のアブソーバ管を有し、
前記アブソーバ管に使用されている前記ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材におけるＳｉＣ繊維の配向方向は、前記アブソーバ管の周方向となす角度をφとしたときに、各ＳｉＣ繊維に関するｃｏｓ２φの全ＳｉＣ繊維に亘る算術平均が１／２以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項５】
前記ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材におけるＳｉＣ繊維の配向方向は、軸方向および軸方向に直角方向の２種類であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の原子炉用制御棒。
【請求項６】
前記ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材は、各ＳｉＣ繊維に関するｃｏｓ２θの全ＳｉＣ繊維に亘る算術平均が１／２以上であるように調整された強化シートを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項７】
前記ウィング部は、ＳｉＣ材またはＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材を構造材料として平板状に配置されて前記中性子吸収物質を内包する複数の収納管を有し、
前記ウィング表面構造部材は、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材材料が前記複数の収納管の表面を覆うようにモールドされて形成されている、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子炉用制御棒。
【請求項８】
前記中性子吸収部材は、前記中性子吸収物質を内包して上下が密閉された複数の内管を有することを特徴とする請求項７に記載の原子炉用制御棒。
【請求項９】
前記複数の収納管は、ＳｉＣ製の長繊維あるいはＳｉＣ製の織物によって結束されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の原子炉用制御棒。
【請求項１０】
前記中性子吸収物質は、Ｂ４Ｃを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項１１】
前記中性子吸収物質は、ＨｆまたはＨｆ合金を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の原子炉用制御棒。
【請求項１２】
複数の収納管のそれぞれに中性子吸収物質を含む中性子吸収部材を収納する収納ステップと、
前記収納ステップの後に前記複数の収納管を平板状に配置し結束する配置ステップと、
前記配置ステップの後に前記複数の収納管の表面を覆うようにＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材材料からなるモールドによりウィング表面構造部材を形成するウィング要素製作ステップと、
を有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】
本発明の実施形態は、軽水冷却型原子炉に適用される原子炉用制御棒および原子炉用制御棒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では制御棒は正方格子状に配列した４本の燃料集合体間の間隙に配されて挿入引抜きされる。そのため、制御棒は十字型であり、四方にウィング部を有する形状となっており、このウィング部内に中性子吸収部材を有する構造となっている。【０００３】
ウィング部はその断面が深いＵ字型のシースをウィング表面構造部材として、その内部に、中性子吸収部材を有する構造となっており、従来の制御棒ではステンレス鋼製のシースなど金属材料が用いられている。中性子吸収部材には、中性子吸収断面積の大きいホウ素やハフニウムなどの元素を多く含む物質が用いられる。【０００４】
たとえば、ホウ素を用いるものではボロンカーバイド（Ｂ４Ｃ）が吸収材として用いられ、Ｂ４Ｃの粉末あるいはペレットをステンレス鋼製のアブソーバ管に封入した中性子吸収棒を構成し、これをシース内に配置したものがある。【０００５】
またハフニウム（Ｈｆ）を用いるものでは、Ｈｆ金属もしくはＨｆ合金を用いてこれを板状にしたものや扁平なチューブ状にしたもの、あるいは棒状にしたものをシース内に収納したものなどが用いられる。【０００６】
制御棒は炉心下部から水圧駆動や電動駆動によって制御棒駆動機構により挿入引抜きされ、緊急時にはアキュムレータに蓄えられたガス圧などにより挿入される。【０００７】
このようにＢＷＲの制御棒駆動機構は制御棒下部にあるため、制御棒駆動機構による挿入時の駆動力の余裕を確保する観点からは制御棒の重量は軽いほうが望ましい。【０００８】
また、燃料の高燃焼度化のために燃料の濃縮度を上げるなどの今後の動向を考えると、制御棒価値を増大させる対応が考えられる。しかしながら、そのためにたとえばＨｆ量を増やすなどの対応をとれば、Ｈｆは密度１３．３ｇ／ｃｍ２と大きいためにその分制御棒重量が増加し、重量の制限から既存炉への適用が容易にはできない可能性があった。【０００９】
また、Ｈｆを用いた制御棒ではステンレス鋼製のシース内にＨｆを装填したものがあるが、ステンレス鋼とＨｆの異種金属間で腐食が進むことで、腐食生成物によってＨｆとステンレス鋼シースとの間の擦動摩擦が大きくなり、Ｈｆの膨張（照射成長や熱膨張）とステンレス鋼シースの膨張の差からステンレス鋼シースに応力がかかり、ステンレス鋼シースが破損する事例があった。【００１０】
また、ＢＷＲでは燃料集合体がＺｒ合金製のチャンネルボックスで囲まれているが、従来のステンレス鋼シース制御棒（異種金属）と対向する面が顕著に腐食する、シャドーコロージョン現象が報告されている。【００１１】
さらには、大規模な自然災害などの被害によって電源喪失などの重大事象に至った場合、炉心の冷却設備が作動しなければ、制御棒の挿入により原子炉を停止することができても、燃料内の核分裂生成物による崩壊熱などにより原子炉内が高温となる可能性がある。【００１２】
ＢＷＲの原子炉内構造物においては、燃料棒及びチャンネルボックスにはＺｒ合金、制御棒にはステンレス鋼など、いずれも金属材料が主に用いられてきた。これら金属材料は高温の水蒸気と金属−水反応により酸化し、水素の気体を発生させる。水素発生が進むと格納容器内の水素濃度が高まり、条件によっては水素燃焼により格納容器の健全性を損なう可能性があった。【００１３】
また、原子炉の冷却がさらに長期間なされなかった場合、崩壊熱による炉心の加熱が進み、異常に高温となる可能性がある。従来の制御棒構造材のステンレス鋼の融点は約１４００℃程度である。一方、燃料被覆管及びチャンネルボックスはＺｒ合金で構成されており、Ｚｒの融点は約１８５０℃程度である。【００１４】
炉心内温度の上昇が続けば、制御棒が燃料集合体より先に溶け、炉心から溶け落ちてしまう可能性がある。もしこのような事態となった場合、その後冷却のため注水が可能となった際、制御棒のない炉心に水が入ることとなり、水は中性子の減速材として働いて意図せず臨界となってしまう可能性がある。【００１５】
そのため、制御棒の構造を保つ構造材は、少なくとも燃料集合体やチャンネルボックスが構造を保っている間は、形状を維持できる程度の耐熱性を備えていることが望ましい。【００１６】
Ｈｆ制御棒に関して、Ｈｆ中性子吸収部材とステンレス鋼シースとの間の異種金属間の熱応力や照射成長差による破損の防止、およびチャンネルボックスとステンレス鋼シースとの間の異種金属腐食によるシャドーコロージョン防止を目的として、制御棒のシースをＺｒとする、あるいはＨｆ−Ｚｒ合金をウィング部とする構成が提案されている。【００１７】
また、原子炉の制御棒に高温材料を使った例としては、高温ガス炉に対するもので本発明の対象とする制御棒とは異なるものではあるが、Ｃ／Ｃ複合材及びＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いる提案がされている。【００１８】
高温ガス炉と異なる点として沸騰水型軽水炉では制御棒が高温の水と常に接触しているという点があり、この水により炭素繊維（Ｃ繊維）などは酸化され強度を著しく低下させる。【００１９】
原子炉の構造材一般としてＳｉＣを用いるものとしては、中性子照射に対して安定な１１Ｂ同位体を含むＳｉＣ材料の適用例として提案されている。対象が軽水炉の制御棒に関するものである場合は、材料の強度や照射挙動に悪影響のない範囲であれば、中性子吸収を増やす意味で、むしろ中性子吸収断面積の大きい１０Ｂ同位体をある程度含むことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特開２００９−２５０８８４号公報
【特許文献２】特開２０１１−５９０８６号公報
【特許文献３】特開２００７−２６９６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
制御棒の反応度価値を高めるためにＨｆなどの中性子吸収材の量を増やすと、制御棒重量が増加し、既存炉への適用が容易にはできない可能性があった。また、Ｈｆ制御棒においてはステンレス鋼シースとの間での腐食が進むことにより、シースが破損する可能性があった。【００２２】
大規模な自然災害などによって電源喪失などの重大事象におちいった場合に、炉心の冷却設備が作動しないと、燃料被覆管や制御棒構造材などとの金属−水反応によって水素が発生し、水素燃焼により格納容器の健全性を損なう可能性があった。また、さらに長期間炉心が冷却されなかった場合に、燃料集合体より融点の低い制御棒が先に溶け落ちる可能性があった。【００２３】
そこで、本発明の実施形態は、軽量で、かつ通常状態を超える高温状態でも反応度制御が可能な原子炉用制御棒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】
【００２４】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態は、上下方向に延びる軸のまわりに放射状に周方向の間隔をあけて配置されて前記軸の方向および放射方向に広がる平板状であって、ウィング表面構造部材と前記ウィング表面構造部材内に内包されて中性子吸収物質を含む中性子吸収部材とを有する複数のウィング部と、前記複数のウィング部を中央で結合する中央結合部と、を備える原子炉用制御棒であって、前記中央結合部および前記ウィング表面構造部材の少なくとも一部はＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材を構造材料とすることを特徴とする。【００２５】
また、本発明の実施形態に係る原子炉用制御棒の製造方法は、複数の収納管のそれぞれに中性子吸収物質を含む中性子吸収部材を収納する収納ステップと、前記収納ステップの後に前記複数の収納管を平板状に配置し結束する配置ステップと、前記配置ステップの後に前記複数の収納管の表面を覆うようにＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材材料からなるモールドによりウィング表面構造部材を形成するウィング要素製作ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の実施形態によれば、軽量で、かつ通常状態を超える高温状態でも反応度制御が可能な原子炉用制御棒を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒とその周囲の燃料集合体の水平断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒の水平断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒の一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の水平断面図である。
【図５】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の一部を切り欠いて示す部分斜視図である。
【図６】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒の効果を説明するための各材料特性の比較表である。
【図７】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第１の変形例の水平断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第２の変形例の水平断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第３の変形例の水平断面図である。
【図１０】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第４の変形例の水平断面図である。
【図１１】第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第５の変形例の水平断面図である。
【図１２】第２の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の一部を切り欠いて示す部分斜視図である。
【図１３】第２の実施形態に係る原子炉用制御棒のＳｉＣ繊維方向の影響説明のための概念図である。
【図１４】第３の実施形態に係る原子炉用制御棒とその周囲の燃料集合体の水平断面図である。
【図１５】第３の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管の立断面図である。
【図１６】第３の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管の一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図１７】第４の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管の一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図１８】第５の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管に用いるＳｉＣ繊維シートを示す概念図である。
【図１９】第６の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管の立断面図である。
【図２０】第７の実施形態に係る原子炉用制御棒の部分的な正面図である。
【図２１】第７の実施形態に係る原子炉用制御棒の図２０の第XXI-XXI線矢視平断面図である。
【図２２】第８の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の水平断面図である。
【図２３】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の構成を示す概念的斜視図である。
【図２４】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部とタイロッドとの接続部を示す横断面図である。
【図２５】第８の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部とタイロッドとの接続部の変形例を示す横断面図である。
【図２６】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒の製造方法の手順を示すフロー図である。
【図２７】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒の製造方法の手順の一部を示す概念図であり、（ａ）は図２６のステップＳ１、（ｂ）は図２６のステップＳ２およびステップＳ３の状態を示す。
【図２８】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の構成要素である収納管に収納する中性子吸収部材の第１の変形例を示す立断面図である。
【図２９】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の構成要素である収納管に収納する中性子吸収部材の第２の変形例を示す立断面図である。
【図３０】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の収納管の配置の第１の変形例を示す斜視図である。
【図３１】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の収納管の配置の第２の変形例を示す斜視図である。
【図３２】第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の収納管の配置の第３の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る原子炉用制御棒について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００２９】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒とその周囲の燃料集合体の水平断面図である。原子炉用制御棒５０は、４本の燃料集合体１００の中央に配されている。燃料集合体１００は、正方に配列された複数の燃料棒１０２と、これらの燃料棒１０２の外側を包囲している角筒状のチャンネルボックス１０１を有する。
【００３０】
原子炉用制御棒５０は、ローラ８を有しており、ローラ８により、隣接する４つのチャンネルボックス１０１の外壁面との間隔を保持し、また、挿入引抜きをスムーズにしている。
【００３１】
図２は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒の水平断面図である。原子炉用制御棒５０は、長手方向に延びるタイロッド３と、タイロッド３を中心に９０度ずつの角度に配された４つのウィング部４を有する。ウィング部４は、中性子吸収部材１０と、中性子吸収部材１０を内包するシース５をウィング表面構造部材５ａとして有する。
【００３２】
シース５は、外形が平板状であり、タイロッド３と並行に延びており、片側がタイロッド３に結合されている。また、ウィング部４に取り付けられたローラ８は、シース５、中性子吸収部材１０を貫通してウィング部４の両側に突出している。
【００３３】
図３は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒の一部を切り欠いて示す斜視図である。上部にはハンドル９を有する上端構造部材１が、また、下部にはスピードリミッタ２６を有する下端構造部材２が設けられている。上端構造部材１と下端構造部材２とは、タイロッド３により連結されている。
【００３４】
上端構造部材１および下端構造部材２は、シース５と同様に水平断面をとるとタイロッド３を中心とした十字型の形状、すなわち、４つのウィング部４を形成している。ローラ８は、このウィング部４のうち上端構造部材１に設けられている。
【００３５】
シース５内には、中性子吸収部材１０が収納されている。中性子吸収部材１０としては、たとえば、板状のハフニウムが用いられる。シース５には、原子炉冷却材がシース５内を通過できるように複数の冷却孔を設けることもできる。
【００３６】
図４は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の水平断面図である。また、図５は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の一部を切り欠いて示す部分斜視図である。
【００３７】
シース５は、長方形の横断面形状をもち、内部に中性子吸収部材１０を収納している。シース５には、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材が用いられており、ＳｉＣ繊維１６は、図５に示すように、タイロッド３の長手方向とこれに直交する方向の２種類の配向方向のものが組み合わされており、タイロッド３の長手方向のものの数が多くなっている。
【００３８】
ここで、ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材（ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材）とは、ＳｉＣ材のマトリックス中にＳｉＣ材製の繊維を包含させることにより両者の相乗効果で強度が向上した複合材をいう。
【００３９】
なお、図示していないが、タイロッド３にも、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材が用いられており、ＳｉＣ繊維１６は、タイロッド３の長手方向とこれに直交する方向の２種類の配向方向のものが組み合わされており、タイロッド３の長手方向のものの数が多くなっている。
【００４０】
ＳｉＣ繊維１６の配向をコントロールしたＳｉＣ／ＳｉＣ複合材の製造法としては、たとえば、繊維配向をコントロールしてＳｉＣ繊維で平織りなどによりシートを構成した後に、シート中のＳｉＣ繊維間にＳｉＣマトリックスを構成する方法がある。
【００４１】
ＳｉＣマトリックスを構成する方法は、トリクロロメチルシラン（ＣＨ３ＳｉＣｌ３）などの原料ガスを加熱しながら繊維間に通すことによってＳｉＣマトリックスを形成（ＣＨ３ＳｉＣｌ３→ＳｉＣ＋３ＨＣｌ↑）する化学気相溶浸（ＣＶＩ）法であってもよい。
【００４２】
また、ポリカルボシラン（たとえば（−ＳｉＨ（ＣＨ３）ＣＨ２−）ｎ）などの原料ポリマーを繊維間に含浸させ、焼成によりＳｉＣマトリックスを形成（（−ＳｉＨ（ＣＨ３）ＣＨ２−）→ＳｉＣ＋ＣＨ４↑＋Ｈ２↑）するポリマー含浸焼成（ＰＩＰ）法であってもよい。
【００４３】
あるいは、これらの方法の組み合わせ、あるいは、溶融金属含浸（ＭＩ）法など他のマトリックス形成方法との組み合わせであってもよい。
【００４４】
タイロッド３と上端構造部材１、タイロッド３と下端構造部材２、タイロッド３とシース５との接合は、ろう付けや拡散接合であってもよく、あるいは、ボルトやナットによる接合であってもよい。
【００４５】
中性子吸収部材１０はたとえばＨｆ金属製のＨｆ板６でよい。中性子吸収部材１０はシース５の内側にネジ部材などによって固定されているが、照射成長や熱膨張などによる中性子吸収部材１０の変形を吸収するため、固定部には遊びを持たせてもよい。
【００４６】
図６は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒の効果を説明するための各材料特性の比較表である。ＳｉＣ、ステンレス鋼およびジルコニウム（Ｚｒ）について、密度および融点について対比している。
【００４７】
密度は、ステンレス鋼が７．７〜７．９ｇ／ｃｃ、Ｚｒが６．５ｇ／ｃｃに対してＳｉＣは３．２ｇ／ｃｃと半分以下である。融点は、ステンレス鋼が約１４００℃、Ｚｒが１８５２℃に対して、ＳｉＣは熱分解温度にして約２７００℃とはるかに高い温度であり、Ｚｒやステンレス鋼を材料とする燃料集合体や構造部材が溶融する前に、ＳｉＣを材料とする部材が崩壊することはない。
【００４８】
ＳｉＣは、化学的にも安定であり、高温水蒸気中でも極めて酸化しにくいことから、高温水蒸気との反応による水素発生が極めて小さいことが言える。このため、炉内構造物の一部である制御棒にＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いることで、炉心内の金属量を減らすことができる。
【００４９】
この結果、原子炉内の異常加熱時の水素発生量を抑制することができる。水素発生量を抑制することで、水素燃焼あるいは水素爆発による格納容器の健全性への影響を抑えることができる。
【００５０】
ＳｉＣはセラミックスであり脆性材料であるが、繊維強化材とすることで靭性を高めることができる。繊維強化セラミックスには他にもＣ／Ｃ複合材やＣ／ＳｉＣ複合材などがあるが、これらの炭素繊維強化複合材は、高温の水で炭素が酸化され、強度を著しく低下させる場合があり、軽水炉での炉内構造物の材料として用いるには課題が多い。
【００５１】
また、ＳｉＣは非金属材料であるため、異種金属間が近接することによる腐食を防ぐことができる。これにより、腐食生成物の発生によるＨｆ板６とシース間の擦動摩擦の増加を防ぐことができ、制御棒の構造の信頼性をより向上できる。また非金属材料であるため、Ｚｒ製チャンネルボックスとの異種金属間のシャドーコロージョンも防ぐことができる。
【００５２】
このように、炉内環境での化学的な安定性を考慮し、繊維強化セラミックスの中でも特にＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いることのメリットが大きい。
【００５３】
本実施形態ではＳｉＣ／ＳｉＣ複合材をシース５に用いることで腐食生成物の発生を抑えることができるが、それでも何らかの理由により発生した腐食生成物がシース５内に入り込む可能性もある。このようなとき、Ｈｆ板６とシース５が密着状態となって擦動摩擦が大きくなって軸方向に動かなくなり、Ｈｆ板６が照射伸びをした際に外側のシース５も同時に引っ張られる状態となる。
【００５４】
このため、原子炉用制御棒５０の強度は水平方向に対しての強度と比較して、原子炉用制御棒５０軸方向に対しての強度に相対的により強い強度が求められることになる。シース５およびタイロッド３に用いられているＳｉＣ／ＳｉＣ複合材において、ＳｉＣ繊維１６は、タイロッド３の長手方向のものの数が多くなっており、原子炉用制御棒５０の軸方向に対して相対的により強い強度が確保されている。
【００５５】
本発明の実施形態では、タイロッド３、シース５のような主要部分にＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いることにより、軽量化が図られ、かつ、高融点のみならず、さらなる構造強度を確保しており、通常状態を超える高温状態でも燃料集合体の反応度制御が可能な原子炉用制御棒を提供することができる。
【００５６】
なお、第１の実施形態では、水平断面がコの字形をしたシース５の場合を示したが、これに限定されない。図７は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第１の変形例の水平断面図である。このように横断面が深いＵ字型に屈曲した形状に直接焼成などにより形成してもよい。
【００５７】
図８は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第２の変形例の水平断面図である。このように制御棒水平方向の端が解放された構造であってもよく、必要に応じてウィング両面に位置する２枚のシース５をコマ１１で補強してもよい。この場合、シース５をつなぐコマ１１はシース５と同様にＳｉＣ／ＳｉＣ複合材であることが望ましい。また、中性子吸収部材１０はシース５内に間隙を持っても良く、この間隙に炉水が通るようシース５に冷却孔をあけてもよい。
【００５８】
図９は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第３の変形例の水平断面図である。ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材でウィング片面ずつを生成し、それらを接合して深いＵ字型あるいはこの２枚の板の端部を幅の狭い板で接合したシース５を構成する。これらの２枚のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材の接合は、図９のようにボルト１２とナット１３による固定であってもよい。ボルト１２やナット１３などは制御棒の構造を維持するものであるため、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材であることが望ましい。
【００５９】
図１０は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第４の変形例の水平断面図である。チタン（Ｔｉ）などを含む合金ろう材によるろう付け部１４を設け接合してよい。
【００６０】
図１１は、第１の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の第５の変形例の水平断面図である。図１１のように拡散接合部１５を有する固相接合によるものであってもよい。
【００６１】
［第２の実施形態］
図１２は、第２の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の一部を切り欠いて示す部分斜視図である。本実施形態におけるシース５に使用されているＳｉＣ／ＳｉＣ複合材のＳｉＣ繊維１６の配向方向は、タイロッド３の延長方向である鉛直方向に対して傾きを有する２つの方向のものが組み合わされている。
【００６２】
図１３は、第２の実施形態に係る原子炉用制御棒のＳｉＣ繊維方向の影響説明のための概念図である。ＳｉＣ繊維１６の方向とのなす角がθの方向に引張応力σが掛かっている場合に、複合材に掛かる応力は、次のようにＳｉＣ繊維１６に平行・垂直な成分に分けることができる。
【００６３】
【数１】
2014050094.tif 000003
【００６４】
右辺１行１列目の要素は、ＳｉＣ繊維１６の方向の応力、右辺２行２列目の要素は、ＳｉＣ繊維１６の方向に垂直方向の応力、右辺１行２列目および２行１列目の要素はせん断応力である。
【００６５】
これら応力のうち最も強度の弱い成分で破壊に至るとすると、ＳｉＣ繊維１６に垂直な成分の強度が最も弱く、その成分で破壊に至ると考えられる。すなわち、ＦｒをＳｉＣ繊維１６に垂直な方向への引張強度とすると、破壊条件は、σ・ｓｉｎ２θ＞Ｆｒすなわち、σ＞Ｆｒ／ｓｉｎ２θとあらわすことができる。これらから、ＳｉＣ繊維１６の方向とのなす角度がθの方向（図１３中のｚ方向）に引張応力σが掛かっている場合、その引張強度は近似的にＦｒ／ｓｉｎ２θと表される。同様に、負荷直角方向（図１３中のｘ方向）の引張強度はＦｒ／ｃｏｓ２θと表される。
【００６６】
このため、負荷方向の強度を負荷垂直方向の強度以上とするには、Ｆｒ／ｓｉｎ２θ≧Ｆｒ／ｃｏｓ２θから１≧ｔａｎ２θ、すなわち、ｃｏｓ２θ≧１／２となるように配向すればよい。繊維の配向方向が一方向以上ある場合は、近似的に各繊維に関しての算術平均で評価する。
【００６７】
すなわち、ｃｏｓ２θ≧１／２であれば、ＳｉＣ繊維１６の方向の応力がＳｉＣ繊維１６の方向に垂直方向の応力よりも大きくなる。このことから、主たる応力方向に対する各ＳｉＣ繊維１６の方向のなす角度をθとしたときに、全てのＳｉＣ繊維１６についてのｃｏｓ２θの平均が１／２以上となるようにＳｉＣ繊維の配向方向を調整することにより、強度を確保することができる。
【００６８】
［第３の実施形態］
図１４は、第３の実施形態に係る原子炉用制御棒とその周囲の燃料集合体の水平断面図である。シース５内に、タイロッド３の長手方向と平行に伸びた複数のアブソーバ管３０が、ウィング部４の中心側から外側に向けて配列されている。
【００６９】
図１５は、第３の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管の立断面図である。アブソーバ管３０は、円筒状に延びた被覆管２５、被覆管２５の上部を密閉する上部端栓２１ａ、被覆管２５の下部を密閉する下部端栓２１ｂ、被覆管２５、上部端栓２１ａおよび下部端栓２１ｂで構成される密閉空間内に配された複数のＢ４Ｃペレット２３、および密閉空間内で各Ｂ４Ｃペレット２３の上下に隣接して配置されて、各Ｂ４Ｃペレット２３を上下方向に押し付けるバネ２４を有する。
【００７０】
なお、図１５では、Ｂ４Ｃペレット２３とバネ２４が交互に配されている例を示したが、Ｂ４Ｃペレット２３が意図せずにアブソーバ管３０内を移動することを防止できれば、交互とすることに限らない。たとえば、数個のＢ４Ｃペレット２３ごとにバネ２４を配置して上下方向に押し付けることでもよい。
【００７１】
図１６は、第３の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管の一部を切り欠いて示す斜視図である。
【００７２】
Ｂ４Ｃは、１０Ｂ（ｎ、α）反応により中性子を吸収するため、中性子吸収に伴いＨｅが発生する。このために、中性子吸収が進むとＢ４Ｃを封入しているアブソーバ管３０の被覆管２５内のＨｅガスによる内圧が高まり、被覆管２５にガス内圧による負荷をかけることになる。円筒状の構造物に内圧がかかった場合には周方向の応力が大きくなるため、被覆管２５には周方向により強度が求められることになる。
【００７３】
アブソーバ管３０の被覆管２５は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を使用している。ＳｉＣ繊維は、アブソーバ管３０の長手方向に垂直方向のＳｉＣ繊維１６ａ、およびアブソーバ管３０の長手方向に平行方向のＳｉＣ繊維１６ｂからなり、アブソーバ管３０の長手方向に垂直方向のＳｉＣ繊維１６ａの量が半数以上を占めている。
【００７４】
この場合、アブソーバ管３０に使用されているＳｉＣ／ＳｉＣ複合材におけるＳｉＣ繊維がアブソーバ管３０の周方向となす角度をφとしたときに、各ＳｉＣ繊維１６ａ、１６ｂに関するｃｏｓ２φの全ＳｉＣ繊維に亘る算術平均は、１／２以上となる。
【００７５】
本実施形態では、アブソーバ管３０にＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いることにより、軽量化が図られ、かつ、高融点のみならず、さらなる構造強度を確保しており、通常状態を超える高温状態でもアブソーバ管３０が融解して中性子吸収部材１０が逸失する事態を防ぐことができる。また、従来のステンレス鋼材に代えてＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いることにより、原子炉用制御棒５０の重量を低減でき、炉心への挿入性を向上させることができる。
【００７６】
［第４の実施形態］
図１７は、第４の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管の一部を切り欠いて示す斜視図である。本実施形態は、第３の実施形態の変形であり、アブソーバ管３０の被覆管２５に使用するＳｉＣ／ＳｉＣ複合材におけるＳｉＣ繊維の方向を変えたものである。
【００７７】
本実施形態においては、アブソーバ管３０の軸方向に対して斜め方向にスパイラル状に巻かれたＳｉＣ繊維１６ｃを有するＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を使用しており、方向の異なるスパイラル状のＳｉＣ繊維１６ｃを交差させて形成している。
【００７８】
ここで、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材におけるＳｉＣ繊維１６ｃがアブソーバ管３０の周方向となす角度をφとしたときに、各ＳｉＣ繊維１６ｃに関するｃｏｓ２φの全ＳｉＣ繊維１６ｃに亘る算術平均が、１／２以上となるような向きに、ＳｉＣ繊維１６ｃの方向を設定する。なお、ＳｉＣ繊維１６ｃがアブソーバ管３０の周方向となす角度φは、図１７に示すように、位置Ｐにおいてアブソーバ管３０に外接する平面２００内における、アブソーバ管３０の中心軸を平面２００上に投影した直線２０１に位置Ｐにおいて直交する直線２０２と、位置ＰでのＳｉＣ繊維１６ｃの接線２０３とのなす角度として定義できる。
【００７９】
なお、図１７では、ＳｉＣ繊維１６ｃの方向は、右回り、左回りが対称なように表示しているが、個々の角度をφｉとして、ｃｏｓ２φｉの全ＳｉＣ繊維１６ｃに亘る平均値が１／２以上であれば、それぞれの向きが一致している必要はない。
【００８０】
以上のように、本実施形態によって、軽量化が図られ、かつ、通常状態を超える高温状態でもアブソーバ管３０が融解して中性子吸収部材１０が逸失する事態を防ぐことができ、また、従来のステンレス鋼材に代えてをＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いることにより、原子炉用制御棒５０の重量を低減でき、炉心への挿入性を向上させることができる。
【００８１】
［第５の実施形態］
図１８は、第５の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管に用いるＳｉＣ繊維シートを示す概念図である。
【００８２】
本実施形態は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材をシート状に形成したＳｉＣ／ＳｉＣ複合材シート１７を使用している。１枚のシートは、ＳｉＣ繊維１６が斜め方向に形成されている。このシートを裏返すとＳｉＣ繊維１６が反対の斜め方向に形成されることになり、両者を重ねることによって交差したＳｉＣ繊維１６を有する１組のシートを得ることができる。
【００８３】
この１組のシートを、たとえば、ウィング部４のシース５、あるいはアブソーバ管３０の被覆管２５に貼り付けることにより、強度を向上させることができる。また、これらのシートを多数枚貼り合わせることによりシース５やアブソーバ管３０を形成することでもよい。
【００８４】
ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材シート１７におけるＳｉＣ繊維１６の方向は、縦方向に４５°より大きな角度をつけておけば、強度を確保する方向をＳｉＣ／ＳｉＣ複合材シート１７の縦方向とすることにより、ｃｏｓ２φの全ＳｉＣ繊維１６に亘る算術平均が、１／２以上となるような向きに、ＳｉＣ繊維１６の方向が設定されることになる。
【００８５】
以上のように、シート状に形成された本実施形態によって、シース５やアブソーバ管３０の強度を確保、向上させる上で、容易な取扱いによって同等の機能を確保することができる。
【００８６】
［第６の実施形態］
図１９は、第６の実施形態に係る原子炉用制御棒のアブソーバ管の立断面図である。本実施形態は、第３の実施形態あるいは第４の実施形態の変形であり、アブソーバ管３０内には、上下端のアイアンウール２２に挟まれた領域に、Ｂ４Ｃ粉末１８が封入され、それらの移動を制限する目的で金属球１９が軸方向各所に配置されている。
【００８７】
金属球１９が移動することを防ぐため、アブソーバ管３０には球止め２７が設けられている。金属球１９は、球止め２７で位置が固定されている。これらの構成は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材製の管を複数本用意し、Ｂ４Ｃ粉末１８および金属球１９を装填後に、接合することにより可能である。接合方法はろう付けであってもよいし、拡散接合であってもよい。
【００８８】
以上のように、本実施形態によって、軽量化が図られ、かつ、通常状態を超える高温状態でもアブソーバ管３０が融解して中性子吸収部材１０が逸失する事態を防ぐことができ、また、従来のステンレス鋼材に代えてをＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いることにより、原子炉用制御棒５０の重量を低減でき、炉心への挿入性を向上させることができる。
【００８９】
［第７の実施形態］
図２０は、第７の実施形態に係る原子炉用制御棒の部分的な正面図である。また、図２１は、第７の実施形態に係る原子炉用制御棒の図２０の第XXI-XXI線矢視平断面図である。
【００９０】
本実施形態は、第１の実施形態ないし第６の実施形態の変形である。実施形態１で説明したように、４つのウィング部４は、中央の連続的に上下に延びているタイロッド３に接続されている。一方、本実施形態においては、タイロッド３に代えてタイクロス３ａが設けられている。
【００９１】
図２０、図２１に示すように、４枚のウィング部４は、上下に延びる一方の辺で接続されている。中央部には、相互に上下方向に間隔をおいて複数のタイクロス３ａが設けられている。４枚のウィング部４は、間隔をおいて設けられたタイクロス３ａで接続されている。
【００９２】
以上のように、構成された本実施形態によっても、同様に、軽量化が図られ、かつ、通常状態を超える高温状態でもアブソーバ管３０が融解して中性子吸収部材１０が逸失する事態を防ぐことができ、また、従来のステンレス鋼材に代えてをＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を用いることにより、原子炉用制御棒５０の重量を低減でき、炉心への挿入性を向上させることができる。
【００９３】
［第８の実施形態］
図２２は、第８の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の水平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態におけるウィング部４（図２）のシース５は、タイロッド３と結合した状態では、中性子吸収部材１０の周囲を包囲している。しかし、シース５単独では、タイロッド３と結合する側は開放されている。
【００９４】
一方、本第８の実施形態におけるシース５は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材製であり、さらに、タイロッド３と結合する側も、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材の封止部５ｂで封止されている。すなわち、本第８の実施形態におけるシース５は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材製の封止部５ｂを有するシース５単独で、中性子吸収材１０を内包している。
【００９５】
以上のように構成された本実施形態においては、タイロッド３がＳｉＣ／ＳｉＣ複合材ではない場合に、通常状態を超える高温状態でタイロッド３が溶解したときであっても、中性子吸収部材１０が逸失する事態を防ぐことができる。
【００９６】
あるいは、タイロッド３もＳｉＣ／ＳｉＣ複合材である場合でも、シース５とタイロッド３との結合が、たとえば機械的荷重等によって万が一解かれた場合でも、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材製のシース５単独での中性子吸収材１０の内包状態は維持され、中性子吸収部材１０が逸失する事態を防ぐことができる。
【００９７】
もしくは、タイロッド３とシース５をＳｉＣ／ＳｉＣ複合材で一体的に形成し、シース５に内包される中性子吸収材の封止部材としてタイロッド３自体を用いることもできる。この場合、タイロッド３とシース５が一体的にＳｉＣ／ＳｉＣ複合材で形成されていることにより、通常状態を超える高温状態でもタイロッド３が溶解する事態を防ぐことができる。また機械的荷重等によりシース５とタイロッド３の結合が解かれるような事態が生じる可能性を低くできる。
【００９８】
なお、本実施形態おいてＳｉＣ／ＳｉＣ複合材製のシース５内に内包・封入される中性子吸収材としては、Ｂ４Ｃ粉末やＢ４Ｃペレットのほか、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金やＨｆ金属などの板を用いることができる。
【００９９】
［第９の実施形態］
図２３は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の構成を示す概念的斜視図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。ウィング部４は、扁平で縦長の直方体形状であり、複数の収納管４１、収納管４１の蓋である収納管蓋４２およびこれらの周囲を包囲するウィング表面構造部材５ａである収納管外部モールド４４を有する。複数の収納管４１は、互いに並列に平板状に並んでいる。
【０１００】
収納管外部モールド４４の一方の側部には、タイロッド３と結合するための複数の結合孔４４ａが形成されている。結合孔４４ａは、ネジが形成されていない貫通孔である。なお、貫通孔には限定されず、タイロッド３と結合できれば、ネジが形成された穴でもよい。
【０１０１】
図２４は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部とタイロッドとの接続部を示す横断面図である。タイロッド３の横断面は、図２４に示すように、周方向の９０度間隔の４つの方向のそれぞれについて、ウィング部４と結合するためにウィング部４の側部を挟むように凹部形状のタイロッド接続部４８ａが形成されている。
【０１０２】
それぞれのタイロッド接続部４８ａの凹部の２つの突出部には、ウィング部４の結合孔４４ａと対応する位置に結合のための貫通孔が形成されている。タイロッド接続部４８ａに形成された貫通孔およびこれに対応して収納管外部モールド４４に形成された結合孔４４ａを結合材４４ｂが貫通している。結合材４４ｂはたとえば、貫通するボルトと、この反対側に取り付けられたナットの組合せでよい。この場合、ナットは締付後にボルトとの間に緩み止めの処理をされる。
【０１０３】
なお、図示していないが、ウィング部４と上端構造部材１との接続、ウィング部４と下端構造部材２との接続も同様に行うことができる。
【０１０４】
図２５は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部とタイロッドとの接続部の変形例を示す横断面図である。タイロッド３の横断面は、図２５に示すように、周方向の９０度間隔の４つの方向のそれぞれについて、ウィング部４と結合するためにウィング部４の側部に挿入されるように凸部形状のタイロッド接続部４８ｂが形成されている。
【０１０５】
一方、ウィング部４の一方の側部は、凹部形状に形成されている。この凹部形状に形成されている部分と、タイロッド接続部４８ｂには、対応する位置に互いに結合するための貫通孔が形成されている。タイロッド接続部４８ｂに形成された貫通孔およびこれに対応して収納管外部モールド４４に形成された結合孔４４ａを結合材４４ｂが貫通している。
【０１０６】
図２６は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒の製造方法の手順を示すフロー図である。特に収納管４１に注目したステップを中心に示している。
【０１０７】
まず、収納管４１に中性子吸収部材４５（図２７参照）を収納する（ステップＳ１）。中性子吸収部材４５を収納した後に収納管４１に収納管蓋４２をかぶせる（ステップＳ２）。このようにして中性子吸収部材４５が内蔵された複数の収納管４１を複数、長手方向を平行にして平板状に並べる。また、並べた結果は、平面的に複数の収納管４１が互いに密着し、かつ全体がウィング部４の空間におさまるような長方形であるように配置する。この後に並べられた複数の収納管４１を結束する（ステップＳ３）。
【０１０８】
ステップＳ３の後に、平板状に並べられた収納管４１の外側を、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材によってモールドしてウィング表面構造部材５ａである収納管外部モールド４４を付加する（ステップＳ４）。収納管外部モールド４４の外形は、一方向に長く延びた平板状となるように形成される。この際、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材によるモールドの際の型を、収納管外部モールド４４の一方の側部に互いに間隔をあけて結合孔４４ａが形成されるような形状とする。
【０１０９】
なお、結合孔４４ａの形成は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材によるモールドの際に接合しろを設けて、焼結後に収納管外部モールド４４に孔あけ加工を施すことによってもよい。あるいは、ねじ穴を形成する型を用いて成型、焼結することでもよい。あるいは、ろう付けや拡散接合などによるものであってもよい。また、下部構造材、タイロッドあるいはハンドル等の内部に中性子吸収部材４５などを内包する必要のない部品は、短繊維ＳｉＣ強化のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材などを用いて成形・焼成により形成されたものを用いることができる。
【０１１０】
なお、収納管４１の製造、およびＳｉＣ／ＳｉＣのモールドによる収納管外部モールド４４の形成の際のＳｉＣ焼成プロセスは、特定の方法に限定されず必要な強度や製造プロセスの制約などにより公知の方法から適切なものを選択することでよい。たとえば、水や有機溶媒などにケイ素（Ｓｉ）や炭素（Ｃ）の原料粉末を分散させたスラリーを金型に充填後乾燥して成形し、ホットプレス法などにより加圧焼結することで形成する製法であってもよい。
【０１１１】
この際、原料中に短繊維のＳｉＣを混合することで強度を向上することができる。その他、必要に応じて焼結助剤を用いた常圧焼結法、熱間等方圧プレス（ＨＩＰ）法、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法、反応焼結法などにより必要な形状のＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を形成してもよい。ステップＳ４の後に、ステップＳ４で作成されたウィング部４をタイロッド３に取り付ける（ステップＳ５）。
【０１１２】
図２７は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒の製造方法の手順の一部を示す概念図であり、（ａ）は図２６のステップＳ１、（ｂ）は図２６のステップＳ２およびステップＳ３の状態を示す。
【０１１３】
図２７（ａ）に示すように、中性子吸収部材４５は、円柱形状である。中性子吸収部材４５は、中性子吸収断面積の大きい金属からなる。具体的には、たとえば、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金、あるいは、Ｈｆ金属でもよい。なお、中性子吸収部材４５は円柱形状には限定されずたとえば多角柱などでもよい。
【０１１４】
収納管４１は、外形が四角柱形状であり、内部には、縦長で中性子吸収部材４５を収納可能な空間である収納部４１ａが形成されている。ステップＳ１においては、この収納部４１ａに中性子吸収部材４５を収納する。収納管４１の材質は、ＳｉＣである。ただし、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材でもよい。なお、収納管４１の外径は円柱状でもよい。
【０１１５】
図２７（ｂ）に示すように、中性子吸収部材４５が収納された収納部４１ａは、長手方向に平行に、また、収納部４１ａの入口を同一方向に入口側の面の高さを揃えて、横方向に互いに密着して板状に並べ、ＳｉＣの長繊維である収納管結束線４３によって結束する。結束は、このように収納管結束線４３によってもよいし、あるいは、ＳｉＣ繊維からなる織物状のシートを巻いてもよい。
【０１１６】
この後、収納管４１の収納部４１ａの入口に共通の収納管蓋４２をかぶせることによって収納管４１の収納部４１ａの入口を閉じる。収納管蓋４２の材質は、ＳｉＣである。ただし、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材でもよい。
【０１１７】
収納管蓋４２は、かぶせた後に収納管４１と結束する。なお、収納管蓋４２は、共通でなく、各収納管４１のそれぞれごとに設けてもよい。また、収納管蓋４２をかぶせて結束することには限定されない。たとえば、収納管蓋４２にオネジを形成し、収納管４１の収納部４１ａの入口にメネジを形成して、ねじ込みによって蓋をすることでもよい。また、収納管蓋４２をかぶせた後に、必要に応じて収納管蓋４２と収納管４１との間をろう付けや拡散接合などにより密封してもよい。
【０１１８】
図２８は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の構成要素である収納管に収納する中性子吸収部材の第１の変形例を示す立断面図である。中性子吸収部材４６は、内管４６ａおよび内管４６ａ内に収納されたＢ４Ｃ粉末４６ｂを有する。
【０１１９】
内管４６ａは、底を有する筒部、および蓋部を有する。内管４６ａの材料は、たとえば、オーステナイト系ステンレス鋼でよい。Ｂ４Ｃは、中性子を吸収する１０Ｂを含む。
【０１２０】
内管４６ａ内にＢ４Ｃ粉末４６ｂを封入した後に、内管４６ａの筒部に蓋部を取り付けて密閉する。密閉のためには、筒部と蓋部とを溶接することでよい。
【０１２１】
図２９は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の構成要素である収納管に収納する中性子吸収部材の第２の変形例を示す立断面図である。中性子吸収部材４７は、内管４７ａ、内管４７ａ内に収納されたＢ４Ｃペレット４７ｂおよび内管４７ａ内の端部に設けられてＢ４Ｃペレット４７ｂの移動を拘束するばね４７ｃを有する。
【０１２２】
Ｂ４Ｃペレット４７ｂは、内管４７ａ内に一部空間を残して充填する。すなわち、ホウ素の中性子との反応により発生したガスによる内圧の極度の上昇を抑制するために、内管４７ａ内にプレナムを形成するようにＢ４Ｃペレット４７ｂを充填する。このプレナムにばね４７ｃを配設する。
【０１２３】
なお、ばね４７ｃの位置は、端部に限定されず、Ｂ４Ｃペレット４７ｂ間に挟まれていてもよい。また、ばね４７ｃは、複数の位置に設けられていてもよい。
【０１２４】
以上のように構成された本実施形態、第１の変形例および第２の変形例においては、以下のような効果がある。
【０１２５】
複数の収納管４１がウィング部４の構成要素であることにより、それぞれの収納管４１での中性子吸収部材４６または中性子吸収部材４７が独立して収納されている。したがって、仮に一つの収納管４１が破損に至った場合でも、他の収納管４１に収納されている中性子吸収部材４６または中性子吸収部材４７には影響が伝搬しにくい。
【０１２６】
また、ＳｉＣ／ＳｉＣのモールドを行う前に、収納管４１どうしを収納管結束線４３によって、あるいは、ＳｉＣ繊維からなる織物状のシートによって結束することによって、それぞれの収納管４１同士の位置関係を保持することにより原子炉用制御棒５０の形状を維持することができ、制御棒の強度を向上するとともに、事故時に炉心が高温状態となった場合においても炉心内における中性子の吸収機能を維持することができる。
【０１２７】
また、モールドを行う前に収納管４１に収納管蓋４２をとりつけることによって、収納管４１の収納部４１ａにＳｉＣ原料が侵入するのを防止することができる。
【０１２８】
図３０は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の収納管の配置の第１の変形例を示す斜視図である。図２３に示す収納管４１は、ウィング部４の長手方向に亘るそれぞれ１本の長い収納管であるが、本変形例では、適切な長さの収納管４１をウィング部４の長手方向に並べている。このように、収納管４１の長さを適切な長さに設定することによって、収納管４１の製造の差異の条件が多様化する。また、収納管４１内に収納される中性子吸収部材の量が分散されることによって、１つの収納管４１の破損時の影響を低減させることができる。
【０１２９】
図３１は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の収納管の配置の第２の変形例を示す斜視図である。本変形例では、収納管４１がウィング部４の長手方向に対して垂直方向に並べられている。このように、収納管４１をウィング部４の長手方向に対して垂直方向に並べることによって、ウィング部４の長手方向に対して垂直方向の強度が増加する。したがって、本変形例は、ウィング部４の長手方向に対して垂直方向に曲げ荷重がかかるような場合に有効である。
【０１３０】
図３２は、第９の実施形態に係る原子炉用制御棒のウィング部の収納管の配置の第３の変形例を示す斜視図である。本変形例では、ウィング部４の長手方向に配された収納管４１と、ウィング部４の長手方向に対して垂直方向に配された収納管４１とが組み合わさって並べられている。このように、収納管４１をウィング部４の長手方向のものと、ウィング部４の長手方向に対して垂直方向のものとを組み合わせて並べることによって、ウィング部４の長手方向に対して垂直方向のいずれの強度も確保することができる。
【０１３１】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、ウィング部４は４枚あって周方向に９０°間隔に配されている場合を示したが、４枚、９０°に限定されず、複数のウィング部４が９０°以外の周方向間隔に配されている場合でも本発明は適用できる。また、ＢＷＲの例について説明したが、同様の構成、効果があればＢＷＲに限定されない。
【０１３２】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、シース５のタイロッド３と結合する側もＳｉＣ／ＳｉＣ複合材で封止されているという第８の実施形態の特徴と、第２ないし第７の各実施形態の特徴とを組み合わせてもよい。
【０１３３】
また、１体の制御棒に複数種の中性子吸収部材１０を含むようにしてもよい。すなわち、たとえば、中性子吸収部材１０は、Ｈｆ板６、Ｂ４Ｃ粉末１８、Ｂ４Ｃペレット２３などをそれぞれのウィングに用い、これらを組み合わせてもよい。
【０１３４】
また、実施形態では、中性子を吸収するものとして、Ｈｆ、Ｂを例にとって示したがこれに限定されない。たとえば、ガドリニウム（Ｇｄ）、タングステン（Ｗ）などでもよい。また、金属以外でも、炉心内において安定で、原子炉冷却材等との両立性があるものであれば、その水素化物、あるいはその酸化物などでもよい。また、これらの組合せでもよい。
【０１３５】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【０１３６】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１３７】
１…上端構造部材、２…下端構造部材、３…タイロッド（中央結合部）、３ａ…タイクロス（中央結合部）、４…ウィング部、５…シース、５ａ…ウィング表面構造部材、５ｂ…封止部、６…Ｈｆ板、８…ローラ、９…ハンドル、１０…中性子吸収部材、１１…コマ、１２…ボルト、１３…ナット、１４…ろう付け部、１５…拡散接合部、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…ＳｉＣ繊維、１７…ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材シート、１８…Ｂ４Ｃ粉末、１９…金属球、２１ａ…上部端栓、２１ｂ…下部端栓、２２…アイアンウール、２３…Ｂ４Ｃペレット、２４…バネ、２５…被覆管、２６…スピードリミッタ、２７…球止め、３０…アブソーバ管、４１…収納管、４１ａ…収納部、４２…収納管蓋、４３…収納管結束線、４４…収納管外部モールド、４４ａ…結合孔、４４ｂ…結合材、４５…中性子吸収部材、４６…中性子吸収部材、４６ａ…内管、４６ｂ…Ｂ４Ｃ粉末、４７…中性子吸収部材、４７ａ…内管、４７ｂ…Ｂ４Ｃペレット、４７ｃ…ばね、４８ａ、４８ｂ…タイロッド接続部、５０…原子炉用制御棒、１００…燃料集合体、１０１…チャンネルボックス、１０２…燃料棒
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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