(57)【要約】【課題】シースとハンドルの隙間に亜鉛層を設けることで隙間腐食を抑制すると共に、亜鉛層の溶出後も隙間腐食を抑制することができる制御棒及びこれを備えた沸騰水型原子炉を提供する。【解決手段】制御棒３は、タイロッド７と、タイロッド７の上端部に接合されたハンドル８と、タイロッド７の下端部に接合された支持部材９と、タイロッド７の４つの側端部にそれぞれ接合されると共にハンドル８及び支持部材９に接合された４つのシース１０と、４つのシース１０に収納された複数のハフニウム部材１１とを備える。シース１０は、その水平断面がＵ字形状であって、ハンドル８の一部を被覆する被覆部１６を有している。シース１０の被覆部１６は、その内面とこれに対向するハンドル８の外面との間隔ｄが０．３ｍｍ以上且つ１．０ｍｍ以下となるように設定され、間隔ｄと同じ厚さの亜鉛層１９が介在した状態でハンドル８に接合される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タイロッドと、前記タイロッドの上端部に接合されたハンドルと、前記タイロッドの下端部に接合された支持部材と、前記タイロッドの複数の側端部にそれぞれ接合されると共に前記ハンドル及び前記支持部材に接合された複数のシースと、前記複数のシースに収納された複数の中性子吸収部材とを備えた制御棒において、
前記シースは、その水平断面がＵ字形状であって、前記ハンドルの一部を被覆する被覆部を有し、
前記シースの前記被覆部は、その内面とこれに対向する前記ハンドルの外面との間隔が０．３ｍｍ以上且つ１．０ｍｍ以下となるように設定され、前記間隔と同じ厚さの亜鉛層が介在した状態で前記ハンドルに接合されたことを特徴とする制御棒。
【請求項２】
請求項１に記載の制御棒において、
前記シースの前記被覆部及び前記亜鉛層を貫通する複数の貫通孔を有することを特徴とする制御棒。
【請求項３】
請求項１に記載の制御棒において、
前記亜鉛層は、前記シースの前記被覆部の内面にメッキによって形成されたことを特徴とする制御棒。
【請求項４】
請求項１に記載の制御棒において、
前記亜鉛層は、前記シースの前記被覆部の内面と前記ハンドルの外面の間に介在した状態にてスポット溶接で接合された亜鉛板であることを特徴とする制御棒。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の制御棒を備えたことを特徴とする沸騰水型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御棒及びこれを備えた沸騰水型原子炉に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉は、複数の燃料集合体が装荷された炉心と、この炉心を内包する原子炉圧力容器と、この原子炉圧力容器を格納する原子炉格納容器とを備えている。燃料集合体内の核燃料物質は、中性子を吸収して核分裂を起こし、熱を発生する。原子炉圧力容器内の冷却水（原子炉冷却材）は、炉心で発生した熱によって加熱されて沸騰し、一部が蒸気になる。
【０００３】
原子炉圧力容器内の炉心では、ある核分裂によって発生した中性子が他の核分裂を生じさせる連鎖反応が起きる。核分裂の連鎖反応量を制御するために、中性子吸収部材を内部に収納した制御棒が使用される。制御棒は、その下端部に連結された制御棒駆動機構によって、原子炉圧力容器内の炉心に挿入されたり、炉心から引き抜かれたりする。制御棒は、炉心の反応度制御及び出力分布調整に用いられる重要機器である。
【０００４】
沸騰水型原子炉に一般的に使用される燃料集合体は、その水平断面が四角形状である。制御棒は、その水平断面が十字形状であり、４体の燃料集合体の相互間に形成された間隙（飽和水領域）に挿入される。制御棒は、水平断面が十字形状であるタイロッドと、タイロッドの上端部に接合されたハンドルと、タイロッドの下端部に接合された支持部材と、タイロッドの４つの側端部にそれぞれ接合されると共にハンドル及び支持部材に接合された４つのシースと、４つのシースに収納された複数の中性子吸収部材（詳細には、例えば板状、棒状、若しくは楕円管状のハフニウム部材、又はボロン部材）とを備えている。
【０００５】
各シースは、その水平断面がＵ字形状であって、ハンドルの一部を被覆する被覆部を有している。シースの被覆部の内面とこれに対向するハンドルの外面との間で隙間が形成される。この隙間は、一般的に、その水平方向の間隔が０．１ｍｍ未満であり、冷却水の流通量が僅かである。また、シースの被覆部とハンドルの溶接接合に伴い、シースの被覆部に引張残留応力が発生する。また、シースの被覆部を含む上側部分は、下側部分と比べ、放射線の照射量が多くなっている。それらの要因の重複により、シースの被覆部の内面は、腐食反応が進行しやすい環境となっている。以下、その詳細を説明する。
【０００６】
放射線の照射によって冷却水が分解されると、酸素などの酸化剤が生成される。生成された酸化剤は、シースの表面から電子を奪う還元反応によって消費される。シースの被覆部の内面側の冷却水は、シースの被覆部の外面側の冷却水より、放射線の吸収線量が少ないため、酸化剤の生成量が少ない。さらに、上述したようにシースの被覆部の内面側における冷却水の流通量が僅かであるため、シースの被覆部の内面側の冷却水に含まれる酸化剤が消費されて少なくなる。そのため、シースの被覆部の内面の電極電位が、シースの被覆部の外面の電極電位より卑になり、酸化剤濃淡電池が形成される。すなわち、シースの被覆部の内面がアノードに固定され、シースの被覆部の外面がカソードに固定される。これにより、シースの被覆部の内面が優先的に溶出する現象（隙間腐食）が進行する。
【０００７】
特許文献１では、シースの表面から溶出する金属（クロム）より酸化還元電位が小さい金属として例えば亜鉛を選定し、この亜鉛の皮膜（亜鉛層）をシースの被覆部の内面に形成する。亜鉛層が犠牲溶出することにより、隙間腐食を抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−１６４５０８号公報（段落００５８等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術では、亜鉛層の溶出後（消失後）が考慮されていなかった。すなわち、例えば、シースの被覆部の内面とこれに対向するハンドルの外面との間隔が０．１ｍｍ未満であって、この間隔と同じ厚さの亜鉛層が設けられていた場合は、亜鉛層の溶出後に隙間腐食を抑制することができない。
【００１０】
本発明の目的は、シースとハンドルの隙間に亜鉛層を設けることで隙間腐食を抑制すると共に、亜鉛層の溶出後も隙間腐食を抑制することができる制御棒及びこれを備えた沸騰水型原子炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、タイロッドと、前記タイロッドの上端部に接合されたハンドルと、前記タイロッドの下端部に接合された支持部材と、前記タイロッドの複数の側端部にそれぞれ接合されると共に前記ハンドル及び前記支持部材に接合された複数のシースと、前記複数のシースに収納された複数の中性子吸収部材とを備えた制御棒において、前記シースは、その水平断面がＵ字形状であって、前記ハンドルの一部を被覆する被覆部を有し、前記シースの前記被覆部は、その内面とこれに対向する前記ハンドルの外面との間隔が０．３ｍｍ以上且つ１．０ｍｍ以下となるように設定され、前記間隔と同じ厚さの亜鉛層が介在した状態で前記ハンドルに接合される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、シースとハンドルの隙間に亜鉛層を設けることで隙間腐食を抑制すると共に、亜鉛層の溶出後も隙間腐食を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態における沸騰水型原子炉の構造を表す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における制御棒の構造を表す斜視図である。
【図３】図２中部分IIIを拡大した側面図であり、本発明の第１の実施形態におけるシース、ハンドル、及びタイロッドが互いに接合された部分を示す。
【図４】図３中断面矢視IV−IVによる断面図であり、本発明の第１の実施形態におけるシース及びハンドルが互いに接合された部分を示す。
【図５】図４中部分Ｖを拡大した断面図であり、本発明の第１の実施形態におけるシースの内面とハンドルの外面の間の亜鉛層を示す。
【図６】本発明の第２の実施形態におけるシース、ハンドル、及びタイロッドが互いに接合された部分を示す側面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態におけるシースの内面とハンドルの外面の間の亜鉛層を示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態におけるシース、ハンドル、及びタイロッドが互いに接合された部分を示す側面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態におけるシースの内面とハンドルの外面の間の亜鉛層を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の第１の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１５】
まず、本実施形態の沸騰水型原子炉の構造について説明する。図１は、本実施形態における沸騰水型原子炉の構造を表す概略図である。
【００１６】
本実施形態の沸騰水型原子炉は、複数の燃料集合体１が装荷された炉心と、この炉心を内包する原子炉圧力容器２と、炉心の反応度制御及び出力分布調整に用いられる複数の制御棒３と、原子炉圧力容器２内の冷却水を循環させる再循環ポンプ４と、原子炉圧力容器２を格納する原子炉格納容器５とを備えている。制御棒３は、その下部に連結された制御棒駆動機構（図示せず）によって、原子炉圧力容器２内の炉心に挿入されたり、炉心から引き抜かれたりする。
【００１７】
燃料集合体１内の核燃料物質は、中性子を吸収して核分裂を起こし、熱を発生する。原子炉圧力容器２内の冷却水（原子炉冷却材）は、炉心で発生した熱によって加熱されて沸騰し、一部が蒸気になる。
【００１８】
原子炉格納容器５は、水を蓄えた圧力抑制プール６を有している。圧力抑制プール６で蓄えられた水は、事故発生時に蒸気を冷却して圧力の上昇を抑えるか、若しくは原子炉圧力容器２に補給するためのものである。
【００１９】
次に、本実施形態の制御棒３の構造について説明する。図２は、本実施形態における制御棒の構造を表す斜視図である。図３は、図２中部分IIIを拡大した側面図であり、本実施形態におけるシース、ハンドル、及びタイロッドが互いに接合された部分を示す。なお、図３において、便宜上、亜鉛層の範囲をハッチングで示す。図４は、図３中断面矢視IV−IVによる断面図であり、本実施形態におけるシース及びハンドルが互いに接合された部分を示す。図５は、図４中部分Ｖを拡大した断面図であり、本実施形態におけるシースの被覆部の内面とハンドルの外面の間の亜鉛層を示す。
【００２０】
本実施形態の制御棒３は、水平断面が十字形状であって上下方向（図２中上下方向）に延在するタイロッド７と、タイロッド７の上端部に接合されたハンドル８と、タイロッド７の下端部に接合された支持部材９（詳細には、落下速度を抑制する落下速度リミッタ）と、タイロッド７の４つの側端部にそれぞれ接合されると共にハンドル８及び支持部材９に接合された４つのシース１０と、４つのシース１０に収納された複数の棒状のハフニウム部材１１（中性子吸収部材）とを備えている。シース１０（但し、後述する被覆部以外の部分）には複数の冷却孔（貫通孔）１２が形成されている。冷却孔１２は、シース１０の内面とハフニウム部材１１の間で形成された冷却流路に連通している。
【００２１】
ハンドル８は、ステンレス鋼製で、その下端部を含む大部分の水平断面が十字形状であり、上方から見た場合に軸心の位置や軸心から側端部への向きが重なり合うようにタイロッド７と接合されている。支持部材９は、その上端部を含む大部分の水平断面が十字形状であり、上方から見た場合に軸心の位置や軸心から側端部への向きが重なり合うようにタイロッド７と接合されている。
【００２２】
各ハフニウム部材１１は、その上部に形成された突起部１３を有している。突起部１３は、その先端側の幅寸法（又は径寸法）が根元側の幅寸法（又は径寸法）より大きくなるように構成されている。ハンドル８の下部には、ハフニウム部材１１の突起部１３と嵌合する溝１４が形成されている。突起部１３と溝１４が嵌合することにより、ハフニウム部材１１がハンドル８の下部に吊り下げられている。
【００２３】
各シース１０は、ステンレス鋼製で、その水平断面がＵ字形状である。また、各シース１０は、タイロッド７の側端部の一部を被覆する被覆部１５と、ハンドル８の一部を被覆する被覆部１６とを有している。そして、各シース１０の被覆部１５とタイロッド７の側端部は、上下方向に任意の間隔で溶接が行われて互いに接合されている。また、各シース１０の被覆部１６とハンドル８は、水平方向に任意の間隔で形成された複数（図示では３つ）のアーク溶接部１７及び複数（図示では３つ）のスポット溶接部１８によって互いに接合されている。
【００２４】
ここで、本実施形態の大きな特徴として、各シース１０の被覆部１６は、その内面とこれに対向するハンドル８の外面との間隔ｄが０．３ｍｍ以上且つ１．０ｍｍ以下となるように設定され、この間隔と同じ厚さ（但し、公差を含む）の亜鉛層１９が介在した状態でハンドル８に接合されている。亜鉛層１９は、亜鉛溶融メッキによって、シース１０の被覆部１６の内面に形成されている。また、亜鉛層１９は、図３で示すように、シース１０の被覆部１６の全領域に対応する範囲に形成されている。なお、亜鉛は、シース１０の表面から溶出する金属（クロム）より酸化還元電位が小さい金属類のうちの一つであり、それらの中でも溶出しやすいものである。
【００２５】
以上のように構成された本実施形態においては、製造公差により、亜鉛層１９の内面（但し、スポット溶接部１８以外の部分の内面）とこれに対向するハンドル８の外面との間で隙間が形成されて、この隙間の間隔が０．１ｍｍ未満であっても、亜鉛層１９が犠牲溶出するので、シース１０の被覆部１６の内面からの溶出（すなわち、隙間腐食）を抑制することができる。そして、亜鉛層１９の溶出後（消失後）、シース１０の被覆部１６の内面とこれに対向するハンドル８の外面との間で隙間が形成されても、この隙間の間隔が０．３ｍｍ以上且つ１．０ｍｍ以下に設定されているから、隙間腐食を抑制することができる。言い換えれば、亜鉛層１９の溶出によって隙間幅が拡大するので、隙間腐食を抑制することができる。なお、一般的に、部材間の隙間幅が０．３ｍｍ以上であれば、冷却水の流通量をある程度確保するので、酸化剤濃淡電池の形成を妨げて隙間腐食を抑制できることは、よく知られている。また、燃料集合体１の間への制御棒３の挿入性を考慮すれば、前述した隙間幅ｄを１.０ｍｍ以下にする必要がある。
【００２６】
したがって、本実施形態においては、隙間腐食を抑制できるので、信頼性を高めることができる。また、メンテナンスにかかる手間やコストを低減することができる。
【００２７】
また、本実施形態においては、例えば、亜鉛層１９が介在しない状態で、シース１０の被覆部１６とハンドル８を接合する場合と比べ、製造性が良好となる。また、亜鉛層１９から溶出した亜鉛は、冷却水と共に搬送されるものの、悪影響を及ぼさず、むしろ、放射性物質の付着抑制効果などを有している。
【００２８】
本発明の第２の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。
【００２９】
図６は、本実施形態におけるタイロッド、ハンドル、及びシースが互いに接合された部分を示す側面図であり、上述した第１の実施形態の図３に対応する。なお、図６において、便宜上、亜鉛層の範囲をハッチングで示す。図７は、本実施形態におけるハンドルとシースの間の亜鉛層を示す断面図であり、上述した第１の実施形態の図５に対応する。
【００３０】
本実施形態の制御棒３は、シース１０の被覆部１６（但し、スポット溶接部１８以外の部分）を貫通する複数の貫通孔２０Ａと、これら貫通孔２０Ａと同じ位置にて亜鉛層１９を貫通する複数の貫通孔２０Ｂとを有している。
【００３１】
以上のように構成された本実施形態においても、第１の実施形態と同様、シース１０とハンドル８の隙間に亜鉛層１９を設けることで隙間腐食を抑制すると共に、亜鉛層１９の溶出後も隙間腐食を抑制することができる。また、本実施形態においては、貫通孔２０Ａ，２０Ｂに冷却水が出入りすることにより、亜鉛層１９の溶出を早めることができ、隙間幅の拡大を早めることができる。
【００３２】
なお、第２の実施形態においては、シース１０の被覆部１６及び亜鉛層１９を貫通する複数の貫通孔２０Ａ，２０Ｂを有する場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、初期状態として、シース１０の被覆部１６を貫通する複数の貫通孔２０Ａのみを有してもよい。そして、時間の経過に伴い、貫通孔２０Ａに出入りする冷却水によって亜鉛層１９が溶出し、亜鉛層１９の貫通孔を形成してもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。
【００３３】
また、第１及び第２の実施形態において、亜鉛層１９は、シース１０の被覆部１６の内面に亜鉛溶融メッキによって形成された場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。亜鉛層１９は、例えば、真空蒸着、イオンプレーティング、又はスパッタリング等であるＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着法）で形成されてもよいし、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）で形成されてもよい。また、溶射や拡散浸透処理で形成されてもよい。これらの変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。
【００３４】
本発明の第３の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同等の部分は同一の符号を付し、適宜、説明を省略する。
【００３５】
図８は、本実施形態におけるタイロッド、ハンドル、及びシースが互いに接合された部分を示す側面図であり、上述した第１の実施形態の図３に対応する。なお、図８において、便宜上、亜鉛層の範囲をハッチングで示す。図９は、本実施形態におけるハンドルとシースの間の亜鉛層を示す断面図であり、上述した第１の実施形態の図５に対応する。
【００３６】
本実施形態の制御棒３では、亜鉛層１９Ａは、シース１０の被覆部１６の内面とハンドル８の外面の間に介在した状態にてスポット溶接で接合された亜鉛板である。また、亜鉛層１９Ａは、図８で示すように、シース１０の被覆部１６の一部の領域（詳細には、複数のスポット溶接部１８に沿った領域）に対応する範囲で設けられている。
【００３７】
以上のように構成された本実施形態においても、第１の実施形態と同様、シース１０とハンドル８の隙間に亜鉛層１９Ａを設けることで隙間腐食を抑制すると共に、亜鉛層１９Ａの溶出後も隙間腐食を抑制することができる。また、本実施形態においては、第１の実施形態と比べ、亜鉛層１９Ａの消失を早めることができる。また、亜鉛溶融メッキを不要とすることができる。
【００３８】
なお、第３の実施形態においては、特に説明しなかったが、シース１０の被覆部１６（詳細には、亜鉛層１９Ａが隣接していない部分）を貫通する複数の貫通孔を有してもよい。このような変形例では、亜鉛層１９Ａの消失、すなわち隙間幅の拡大をさらに早めることができる。
【００３９】
また、第１〜第３の実施形態において、制御棒３は、中性子吸収部材として、棒状のハフニウム部材１１を備えた場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。棒状のハフニウム部材１１に代えて、例えば、板状若しくは楕円管状のハフニウム部材、又はボロン部材を備えてもよい。これらの変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また、第１〜第３の実施形態において、燃料集合体１の水平断面が四角形状であり、制御棒３の水平断面が十字形状である場合を例にとって説明したが、これに限られず、本発明の趣旨及び技術思想を逸脱しない範囲内で変形が可能である。例えば、燃料集合体の水平断面が六角形状であり、制御棒の水平断面がＹ字形状であってもよい。すなわち、タイロッドの水平断面がＹ字形状であり、タイロッドの側端部に接合されたシースが３つであってもよい。このような変形例においても、上記同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４１】
３                制御棒
７                タイロッド
８                ハンドル
９                支持部材
１０              シース
１１              ハフニウム部材（中性子吸収部材）
１６              被覆部
１９，１９Ａ      亜鉛層
２０Ａ，２０Ｂ    貫通孔
【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】
2019090673.tif 000009
【図８】
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【図９】
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