(57)【要約】【課題】従来よりさらに高温強度、耐食性および耐ＩＡＳＣＣ性を向上させて、き裂の発生等を抑制することができ、信頼性の向上を図ることのできる原子炉用制御棒を提供する。【解決手段】原子炉用制御棒１は、シース３、タイロッド４、コマ５、ハンドル６のうちの少なくともいずれかを、平均結晶粒径を０．１μｍ以上１０μｍ以下としたオーステナイト系ステンレス鋼によって構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子吸収材を覆うシースと、前記シースと前記中性子吸収材とを固定するコマと、前記シースを所定位置に保持するタイロッドと、前記タイロッドの上部に設けられたハンドルとを具備した原子炉用制御棒であって、
前記シース、前記コマ、前記タイロッド、前記ハンドルのうちの少なくともいずれかを、平均結晶粒径を０．１μｍ以上１０μｍ以下としたオーステナイト系ステンレス鋼によって構成したことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項２】
請求項１記載の原子炉用制御棒であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は、０．３質量％以上１．５質量％以下のＴｉ、Ｎｂ、Ｚｒから選択された一部材を添加したものであることを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項３】
請求項１記載の原子炉用制御棒であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒのいずれか２種以上を、添加量の合計が、０．３質量％以上１．５質量％以下となるように添加したものであることを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか１項記載の原子炉用制御棒であって、
前記オーステナイト系ステンレス鋼は、冷間加工工程、熱処理工程、冷却工程の順に行うことによって結晶粒を微細化したものであることを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項５】
請求項１〜４いずれか１項記載の原子炉用制御棒であって、
前記シース、前記タイロッドおよび前記コマの接合部の少なくともいずれかを、摩擦圧接溶接によって接合したことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項６】
請求項１〜４いずれか１項記載の原子炉用制御棒であって、
前記シース、前記タイロッドおよび前記コマの接合部の少なくともいずれかを、レーザー溶接によって接合したことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項７】
請求項１〜４いずれか１項記載の原子炉用制御棒であって、
前記シース、前記タイロッドおよび前記コマの接合部の少なくともいずれかを、電子ビーム溶接によって接合したことを特徴とする原子炉用制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉に配設され、原子炉出力の制御、原子炉の緊急停止等に使用され原子炉用制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、原子力発電所では原子炉出力を制御する場合に、中性子吸収断面積の大きい材料を用いた制御棒を挿入している。この制御棒は原子炉を緊急に停止するときにも使用されるなど重要な役割を担っている。従って安定にかつ安全に稼動することが大切であり、そのためには材料健全性を維持する必要がある。
【０００３】
中性子吸収断面積の大きい材料としては、例えばハフニウムが使用されている。このハフニウムは、強度が十分でないため、シースによって覆い、このシースをタイロッドによって十字状に配置し、タイロッドの上部にハンドルを設けた構成等とされている。なお、シースとハフニウムとの固定はコマによって行われるようになっている。上記のシース、タイロッド、コマ、ハンドル等には、従来ＳＵＳ３１６Ｌ鋼等を使用している。
【０００４】
最近、上記したハフニウム板型制御棒のシースおよびタイロッドにおいて、き裂の発生が認められている。使用されているＳＵＳ３１６Ｌ鋼は熱鋭敏化による応力腐食割れ（ＳＣＣ）を発生しにくい材料であるが、高速中性子照射量が１×１０21個/ｃｍ2を超えると照射によるＳＣＣ、即ち照射誘起型応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ）を発生することが分かっており、き裂発生の原因の一つとして挙げられている。加えて、溶接による残留応力、腐食生成物および水環境も原因として挙げられており、これらの複合効果によって発生したと考えられている。また、上記のＳＵＳ３１６Ｌ鋼のようなオーステナイト系ステンレス鋼材に対して、温度９００℃〜１２００℃で溶体化処理を実施した後に４５０℃以下まで急冷し、さらに時効処理を施すことによって、耐照射性の高いオーステナイト系ステンレス鋼材を得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００５−２９０４８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
原子炉用制御棒は、原子炉出力制御を行うとともに緊急停止の場合に使用されるため、不具合無く稼動することが望ましい。このため、従来よりさらに高温強度、耐食性および耐ＩＡＳＣＣ性を向上させて、き裂の発生等を抑制することができ、信頼性の向上を図ることが要求される。
【０００６】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、従来よりさらに高温強度、耐食性および耐ＩＡＳＣＣ性を向上させて、き裂の発生等を抑制することができ、信頼性の向上を図ることのできる原子炉用制御棒を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、中性子吸収材を覆うシースと、前記シースと前記中性子吸収材とを固定するコマと、前記シースを所定位置に保持するタイロッドと、前記タイロッドの上部に設けられたハンドルとを具備した原子炉用制御棒であって、前記シース、前記コマ、前記タイロッド、前記ハンドルのうちの少なくともいずれかを、平均結晶粒径を０．１μｍ以上１０μｍ以下としたオーステナイト系ステンレス鋼によって構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、従来よりさらに高温強度、耐食性および耐ＩＡＳＣＣ性を向上させて、き裂の発生等を抑制することができ、信頼性の向上を図ることのできる原子炉用制御棒を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１，２は、本発明の一実施形態に係る原子炉用制御棒１の構成を示すものである。この原子炉用制御棒１は、中性子吸収断面積の大きいハフニウム２を使用している。
【００１０】
上記ハフニウム２は、強度が十分でないため、図２に示すように、ハフニウム２の周囲は、横断面形状が略Ｕ字状とされたシース３によって覆われている。そして、このように構成された４つのシース３の開放側端部を、横断面形状が略十字状とされたタイロッド４に固着することによって、シース３によって覆われたハフニウム２が略十字状に配置された原子炉用制御棒１が構成されている。なお、シース３とハフニウム２との固定は、コマ５によって行われるようになっている。
【００１１】
また、図１に示すように、タイロッド４の上部には、ハンドル６が設けられ、下部には落下速度リミッタ７が設けられている。シース３には、多数の冷却孔８が設けられており、冷却水はこれらの冷却孔８を通じてシース３内部を通流するようになっている。
【００１２】
本実施形態では、上記構成の原子炉用制御棒１のうち、シース３、タイロッド４、ハンドル５、コマ６が、平均結晶粒径が０．１μｍ以上、１０μｍ以下のオーステナイト系ステンレス鋼によって構成されている。なお、シース３、タイロッド４、ハンドル５、コマ６のうち、少なくともいずれか１つを、平均結晶粒径が０．１μｍ以上、１０μｍ以下のオーステナイト系ステンレス鋼によって構成してもよい。
【００１３】
図３は、縦軸を引張強度（ＭＰａ）、横軸を結晶粒径（μｍ）として、オーステナイト系ステンレス鋼の引張強度と結晶粒径との関係を調べた結果を示すものである。以下に示すホールペッチの法則
σy ＝σ0ｋｄ-1/2 
σy：降状強さ、σ0：単結晶の降状強さ、ｋ：定数、ｄ：結晶粒径
より、強度は粒径が小さくなるほど上昇する傾向をもつことが分かっており、図３の結果からもその傾向は認められ、結晶粒径の微細化による強度向上が認められた。この結晶粒径の微細化による強度向上は、図３に示されるように、結晶粒径が１０μｍ以下程度となると顕著になり、数μｍ以下となるとさらに顕著になっている。
【００１４】
図４（ａ）〜（ｄ）は、縦軸をＣｒ濃度（質量％）、横軸を粒界からの距離（μｍ）として、温度５００℃において、イオン模擬照射した場合のオーステナイト系ステンレス鋼における結晶粒界部のＣｒ濃度変化を調べた結果を示すものである。図４（ａ）は、イオン照射前、図４（ｂ）は、平均結晶粒径７０μｍ（通常粒径材）の場合のイオン照射後、図４（ｃ）は、平均結晶粒径１２μｍの場合のイオン照射後、図４（ｂ）は、平均結晶粒径７μｍの場合のイオン照射後の粒界部のＣｒ濃度を示している。
【００１５】
図４（ｂ）に示されるように、平均結晶粒径７０μｍの通常粒径材の場合及び平均結晶粒径１２μｍの場合は模擬照射よって結晶粒界部のＣｒ濃度が１５質量％以下まで減少している。一方、平均結晶粒径７μｍの微細化材の場合は、模擬照射後もＣｒ濃度がほとんど減少せず、２０質量％程度を維持している。一般に、結晶粒界部のＣｒ濃度が１２質量％以下になるとＳＣＣが発生しやすくなるため、模擬照射後もＣｒ濃度がほとんど減少しない平均結晶粒径７μｍの微細化材はＩＡＳＣＣを発生しにくい材料と考えられる。以上の結果から、耐ＩＡＳＣＣ性の観点からは、平均結晶粒径１０μｍ以下としたオーステナイト系ステンレス鋼が好ましい。
【００１６】
図５は、縦軸を腐食量（ｇ／ｍ2ｈ）として、６５％硝酸沸騰溶液に浸漬した時の腐食量を調べた結果を示すものである。通常粒径材のＳＵＳ３１６Ｌ鋼、ＳＵＳ３０４鋼、ＳＵＳ３１０Ｓ鋼では、いずれもある程度の腐食量があったが、結晶粒を１０μｍ以下に微細化したオーステナイト系ステンレス鋼（結晶粒径微細化材）の腐食量は、極めて小さかった。
【００１７】
以上のように、結晶粒を微細化して平均結晶粒径１０μｍ以下としたオーステナイト系ステンレス鋼は、通常粒径材に比べて優れた材料特性を持っている。このため、平均結晶粒径が１０μｍ以下のオーステナイト系ステンレス鋼によって、シース３、タイロッド４、コマ５、ハンドル６の少なくともいずれかを構成することによって、高温強度、耐食性および耐ＩＡＳＣＣ性の高い原子炉用制御棒１とすることができる。これによって、材料健全性をより長く維持することが可能となり、使用寿命を延ばすことができ、信頼性の向上も図ることができる。また、オーステナイト系ステンレス鋼の平均結晶粒径を０．１μｍ未満とすることは、困難であるため、平均結晶粒径は０．１μｍが下限となる。
【００１８】
次に、図６を参照して、冷間加工と熱処理の制御により、オーステナイト系ステンレス鋼の組織を微細化させる製造工程例を示す。
【００１９】
オーステナイト系ステンレス鋼の組織を微細化させる製造工程は、１回目の微細化工程と２回目の微細化工程の２工程で行う。まず、Ｃｒを含む材料１０を、冷間圧延機１２にかけ冷間加工３５％以上となるように圧延させる冷間加工工程を行う（１０１）。次に、冷間加工した材料1０を電気炉１３において温度８００℃〜９５０℃まで加熱し保持する加熱工程を行う（１０２）。この後、電気炉１３を開けて空冷もしくは材料１０を取り出し水冷を行い冷却する冷却工程を行う（１０３）。ここまでが１回目の微細化工程となる。
【００２０】
次に、冷却した材料1０を再度、冷間圧延機１２にかけ、１回目の冷間加工率と同等もしくはそれ以上の冷間加工工程を行う（１０４）。次に、材料1０を電気炉１３に設置し、温度８００℃〜９５０℃まで加熱し保持する加熱工程を行う（１０５）。この後、加熱した材料1０の冷却を行う冷却工程を行う（１０６）。この冷却工程は、例えば、熱電対１３及び温度測定器１４で材料１０の温度を測定しながら、ファン１５を用いて冷却速度を制御して行う。この冷却速度は、例えば、粒界部Ｃｒ濃度を濃縮できる条件、即ち温度８００℃から５００℃の間を１℃／秒から５０℃／秒とする。これらが２回目の微細化工程となる。
【００２１】
以上の微細化工程によって、材料１０の粒度は微細化され、高温強度、耐食性および耐ＩＡＳＣＣ性が改善された材料を製造することができる。
【００２２】
結晶粒微細化は、材料を加工することによって、オーステナイト（γ）系からマルテンサイト（α‘）系へ変態させた後、再結晶化熱処理によって、マルテンサイト（α‘）系からオーステナイト（γ）系へ逆変態させ、急冷することによって製造することができる。
【００２３】
このとき、再結晶化熱処理時の温度は８００℃〜９５０℃が最適であり、基本的にはこの温度によって粒径成長を制御するが、それと同時にＴｉ、ＮｂおよびＺｒ等を微量添加することでピン止め効果を狙うことができ、粒径成長を抑制することができる。実際にＴｉ添加の効果を調べたところ、Ｔｉ添加無しの場合平均結晶粒径は１０〜２０μｍであったが、Ｔｉを質量比０．３%添加することによって、平均結晶粒径を４．８μｍとすることができ、Ｔｉを質量比０．６%添加することによって、平均結晶粒径を４．５μｍまで小さくすることができた。この結果では、Ｔｉの添加量を多くすると平均結晶粒径が微細化しているが、材料の安定化の観点からは、添加量には上限がある。したがって、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒ等添加量は、化学成分のＣｒおよびＮｉ当量から推定して、０．３質量％以上１．５質量％以下が最適と考えられる。なお、Ｔｉ、ＮｂおよびＺｒは、これらのうち２種以上を添加してもよい。この場合、添加量の合計が、０．３質量％以上１．５質量％以下となるようにする。図７に、Ｔｉ添加の効果を調べた際の材料の顕微鏡写真を示す。図７（ａ）は、Ｔｉ添加無しの場合（平均結晶粒径１０〜２０μｍ）、図７（ｂ）は、Ｔｉを０．３質量％添加した場合（平均結晶粒径４．８μｍ）、図７（ｃ）は、Ｔｉを質量比０．６質量％添加した場合（平均結晶粒径４．５μｍ）である。
【００２４】
上記のようにして結晶粒を微細化した結晶粒微細化材は、温度が１０００℃前後になると結晶粒径の成長が起きる。このため、接合部の溶接温度を１０００℃以下とすることができ、かつ溶接時間が短い溶接方法を用いることが望ましい。摩擦圧接法は、溶接温度を低くし、かつ短い時間で溶接行うことが可能であるため、結晶粒微細化材に適した溶接方法といえる。図８に、シース３とコマ５との接合を、摩擦圧接溶接によって行う実施形態を示す。この摩擦圧接溶接では、コマ５を主軸チャック２１に固定し、シース３を心押クランプ２２に固定する。そして、主軸チャック２１を回転させながら、コマ５をシース３に圧接し接合させる。シース３およびタイロッド４の溶接部も同様に接合する。
【００２５】
レーザー溶接は、短い時間で溶接を行うことが可能であるため、結晶粒微細化材に適した溶接方法といえる。図９にシース３とコマ５との接合を、レーザー溶接によって行う実施形態を示す。レーザー溶接では、レーザー光３１を、反射鏡３２および集光レンズ３３を用いて、シース３とコマ５との溶接個所へ当てる。これによって、結晶粒径の成長を抑えながら短時間にて溶接を行うことができる。シース３およびタイロッド４の溶接部も同様に接合する。
【００２６】
電子ビーム溶接は、短い時間で溶接を行うことが可能であるため、結晶微細化材に適した溶接方法といえる。図１０にシース３とコマ５との接合を、電子ビーム溶接によって行う実施形態を示す。電子ビーム溶接では、真空室４１内の試料移動装置４２上にシース３およびコマ５を設置する。そして、電子銃４３より放出された電子に、陰極４４および陽極４５を用いて高電圧をかけ、この電子を、集束レンズ４７および偏向コイル４８を用いて集束及び偏向させて溶接部に衝突させる。これによって、シース３とコマ５との接合部を加熱して溶接する。この電子ビーム溶接によれば、結晶粒径の成長を抑えながら短時間にて溶接を行うことができる。なお、図１０において４５は格子、４９は観察用顕微鏡である。シース３およびタイロッド４の溶接部も同様に接合する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る原子炉用制御棒の概略構成を示す斜視図。
【図２】図１の原子炉用制御棒の要部概略構成を示す要部拡大斜視図。
【図３】引張強度の粒径依存性を調べた結果を示す特性図。
【図４】イオン模擬照射した場合の粒界Ｃｒプロファイルを示す特性図であり、（ａ）はイオン照射前、（ｂ）〜（ｄ）はイオン照射後で（ｂ）は粒径７０μｍ、（ｃ）は粒径１２μｍ、（ｄ）は粒径７μｍの場合を示す。
【図５】６５％硝酸沸騰溶液浸漬試験における材料の腐食量を示す特性図。
【図６】結晶粒径微細化の工程例を示す説明図。
【図７】Ｔｉ添加の効果を調べた際の材料の顕微鏡写真であり、（ａ）はＴｉ添加無、（ｂ）はＴｉ０．３質量％、（ｃ）はＴｉ０．６質量％の場合を示す。
【図８】摩擦圧接による実施形態の構成を示す説明図。
【図９】レーザー溶接による実施形態の構成を示す説明図。
【図１０】電子ビーム溶接による実施形態の構成を示す説明図。
【符号の説明】
【００２８】
１……制御棒、２……ハフニウム、３……シース、４……タイロッド、５……コマ、６……ハンドル、７……落下速度リミッタ、８……冷却孔。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図７】
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