(57)【要約】【課題】機械的な健全性を確保しつつ長寿命化を実現できること。【解決手段】シース７を中央構造材６に固着して複数のウイング２を構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材を固着すると共に、ハフニウム板１０を中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素３１をシース内に配列し、前記一体型中性子吸収要素は、貫通孔３３、３４に挿通されてシースに固着される軸部３２Ｂと、ハフニウム板１０の間隔を保持するスペーサ部３２Ａとを備えた保持部材３２により荷重が保持される原子炉用制御棒３０において、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、ハフニウム板１０の厚さがシース７の厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素では、貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間に設けられた孔間隙３７が、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素よりも大きく形成されたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、板状のハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、
前記一体型中性子吸収要素は、当該一体型中性子吸収要素に形成された貫通孔に挿通されて前記シースに固着される軸部と、当該一体型中性子吸収要素の前記中性子吸収材の間隔を保持するスペーサ部とを備えた保持部材により荷重が保持される原子炉用制御棒において、
制御棒挿抜方向に配列された複数の前記一体型中性子吸収要素のうち、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、前記中性子吸収材の厚さが前記シースの厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素では、前記貫通孔と前記保持部材の前記軸部との間に設けられた孔間隙が、制御棒挿入末端側に位置する前記一体型中性子吸収要素よりも大きく形成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項２】
制御棒挿入先端側に位置する前記各一体型中性子吸収要素では、挿入先端側と挿入末端側にそれぞれ一対の保持部材が設けられ、
挿入末端側または挿入先端側のいずれか一方における前記保持部材の軸部と当該一体型中性子吸収要素の貫通孔との孔間隙が、他方における前記保持部材の前記軸部と前記貫通孔との孔間隙よりも大きく形成された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】
制御棒挿入先端側に位置する前記各一体型中性子吸収要素では、挿入末端側または挿入先端側のいずれか一方における一対の保持部材の軸部が、他方における一対の保持部材の軸部よりも細く形成されたことを特徴とする請求項２記載の原子炉用制御棒。
【請求項４】
制御棒挿入先端側に位置する前記各一体型中性子吸収要素では、挿入末端側または挿入先端側のいずれか一方における一対の保持部材の軸部が挿通する前記一体型中性子吸収要素の貫通孔が、他方における一対の前記保持部材が挿通する前記貫通孔よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項２記載の原子炉用制御棒。
【請求項５】
制御棒挿入先端側に位置する前記各一体型中性子吸収要素では、挿入末端側または挿入先端側のいずれか一方における一対の保持部材の軸部が挿通する貫通孔が、制御棒挿抜方向に延びる長孔であることを特徴とする請求項４記載の原子炉用制御棒。
【請求項６】
制御棒挿入先端側に位置する前記各一体型中性子吸収要素の全てにおいて、保持部材の軸部が挿通する貫通孔と前記保持部材の軸部との間に設けられる孔間隙は、挿入末端側を統一的に挿入先端側より大きくするか、あるいは挿入先端側を統一的に挿入末端側より大きくすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の原子炉用制御棒。
【請求項７】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、板状のハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、
前記一体型中性子吸収要素は、当該一体型中性子吸収要素に形成された貫通孔に挿通されて前記シースに固着される軸部と、当該一体型中性子吸収要素の前記中性子吸収材の間隔を保持するスペーサ部とを備えた保持部材により荷重が保持される原子炉用制御棒において、
前記保持部材の前記軸部は、スペーサ部側から前記中性子吸収材の厚さよりも所定寸法長く形成されて、前記中性子吸収材の厚さ方向の微妙な移動を可能とする大径部と、前記シースの厚さと略等しく形成されて、当該シースの前記装着孔に挿通される小径部とを備え、
当該小径部の先端が前記シースの外面に固着されて、当該シースと前記中性子吸収材とが制御棒挿抜方向に相対移動可能に設けられたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項８】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、平管状のハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、
前記シースは、前記一体型中性子吸収要素に形成された貫通孔に挿通されて当該シースに固着される保持部材を用いて、シース間隔が保持される原子炉用制御棒において、
制御棒挿抜方向に配列された複数の前記一体型中性子吸収要素のうち、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、前記中性子吸収材の厚さが前記シースの厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素では、前記貫通孔と前記保持部材との間に設けられた孔間隙が、当該一体型中性子吸収要素を前記先端構造材に固定する固定部から離れるにしたがって順次大きく形成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項９】
制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素に設けられた最大の孔隙間は、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素において、当該一体型中性子吸収要素を末端構造材に固定する固定部から離れるにしたがって順次大きく形成された、貫通孔と保持部材との間に設けられた孔隙間のうちの最大の孔隙間よりも大きく形成されたことを特徴とする請求項８に記載の原子炉用制御棒。
【請求項１０】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、ハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、
前記シース、前記一体型中性子吸収要素には、水を出入させる通水孔が設けられた原子炉用制御棒において、
制御棒挿抜方向に配列された複数の前記一体型中性子吸収要素のうち、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、前記中性子吸収材の厚さが前記シースの厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素では、前記シースに形成される前記通水孔が制御棒挿抜方向に段違いに配置されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項１１】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、ハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、
前記シース、前記一体型中性子吸収要素には、水を出入させる通水孔が設けられた原子炉用制御棒において、
制御棒挿抜方向に配列された複数の前記一体型中性子吸収要素のうち、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、前記中性子吸収材の厚さが前記シースの厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素では、前記シースのみに設けられた通水孔の大きさが、前記シース及び前記中性子吸収材に重複して設けられた重複通水孔よりも小さく形成されたことを特徴とす原子炉用制御棒。
【請求項１２】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、ハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、
前記シース、前記一体型中性子吸収要素には、水を出入させる通水孔が設けられた原子炉用制御棒において、
制御棒挿抜方向に配列された複数の前記一体型中性子吸収要素のうち、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、前記中性子吸収材の厚さが前記シースの厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素では、
前記シースを前記中央構造材に溶接する溶接位置が、前記シースの前記通水孔から離間して配置されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項１３】
前記シースに設けられる通水孔のうち、前記シースを中央構造材に溶接する溶接位置に近接して設けられる予定の前記通水孔を廃止することを特徴とする請求項１２に記載の原子炉用制御棒。
【請求項１４】
前記シースを中央構造材に規則的な間隔で溶接する溶接点のうち、前記シースに設けられた通水孔に隣接して設けられる予定の溶接点を廃止することを特徴とする請求項１２に記載の原子炉用制御棒。
【請求項１５】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、ハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、
前記一体型中性子吸収要素に形成された貫通孔に挿通されて前記シースに固着される保持部材が、前記一体型中性子吸収要素における制御棒挿抜方向に複数対設けられる原子炉用制御棒において、
前記一対の保持部材のそれぞれが、制御棒挿抜方向に段違いに配置されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項１６】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、ハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容する原子炉用制御棒において、
前記ウイングについて前記シースを前記中央構造材に溶接する溶接点の制御棒挿抜方向配置が、一のウイングと他のウイングとの間で段違いとなるように配置されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
【請求項１７】
横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、ハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、
前記一体型中性子吸収要素に形成された貫通孔に挿通されて前記シースに固着される保持部材と前記貫通孔との間に孔隙間が設けられ、
前記シース、前記一体型中性子吸収要素には、水を出入させる通水孔が設けられた原子炉用制御棒の健全性予測方法において、
運転サイクルが進むごとに、制御棒挿抜方向に位置する複数の前記通水孔を観察することによって、前記シースの通水孔と前記一体型中性子吸収要素の通水孔または端部との位置ずれを測定し、
この位置ずれに起因する前記孔隙間の残存余裕を求め、この残存余裕が次に運転サイクル終了時点で確保されるか否かを評価することを特徴とする原子炉用制御棒の健全性予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハフニウム（Ｈｆ）の金属又はその合金を中性子吸収材とする原子炉用制御棒及びその健全性予測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の制御棒は、縦長の４枚の翼（ウイング）を断面十字型に組み立てて構成される。炉心は、断面方形に形成された４体の燃料集合体が制御棒の各ウイングを挟むように配列されて一つのセルとされ、このセルが多数配置されて構成される。このような原子炉用制御棒には、長寿命化の要請から、ハフニウムを主な中性子吸収材とする「ハフニウム制御棒」が知られている。この「ハフニウム制御棒」は、１〜２ｍｍ程度の厚さのハフニウム板を２枚、間隙をあけて対向させて一体型中性子吸収要素とし、この一体型中性子吸収要素を、各ウイングの外形を構成するステンレス鋼（ＳＵＳ）製のシース内に収納した構成である。この制御棒を炉心中で使用している状態では、ハフニウム板の上記間隙の部分に水が満たされる。この水は、両側のハフニウム板から入ってきた高速中性子を減速させ、この減速された中性子をハフニウム板に効率良く吸収させるものである。この水が高速中性子を減速して捕獲する構成であることから、上記制御棒は「ハフニウムトラップ型制御棒」と呼ばれている。
【０００３】
このようなハフニウムトラップ型の原子炉用制御棒が特許文献１に記載され、更に、急速挿入などの衝撃に対する機械的特性を改良したものが特許文献２に、長寿命化に伴う腐食問題を改良したものが特許文献３に、それぞれ記載されている。
【０００４】
図１０は、特許文献１にて開示され、実用化された原子炉用制御棒の概要を示し、（Ａ）は一部を切り欠いて示す斜視図、（Ｂ）は図１０（Ａ）の一ウイングを示す横断面図、（Ｃ）は図１０（Ｂ）における保持部材を示す斜視図である。図１０に示すように、この原子炉用制御棒１は、ハンドル３を含む先端構造材４、４枚の翼（ウイング）２、及び末端構造材５が中央構造材（タイロッド）６に固着されて十字型に形成される。末端構造材５には、結合部異常分離時に制御棒１が炉心から落下する際の速度を抑制する速度制限部材（Ｓｐｅｅｄ  ｌｉｍｉｔｅｒ）が設けられているが、この図では省略されている。
【０００５】
各ウイング２は、深いＵ字状の横断面を有するステンレス鋼（ＳＵＳ）製のシース７の内部に、中性子吸収材としての２枚のハフニウム板１０を保持部材１２でシース７と一体化した複数の一体型中性子吸収要素１４が収納されて構成される。また、シース７には規則的に通水孔９が設けられている。この通水孔９は、通常、制御棒挿抜方向（つまり原子炉用制御棒１の軸方向）と直角方向に２個ずつペアとなって、制御棒挿抜方向に規則的に配列されている。
【０００６】
上記ハフニウム板１０は、ハフニウムの金属、またはハフニウムをジルコニウムやチタン等の希釈材で希釈したハフニウム合金から成る。また、上記保持部材１２は駒のような形状であり、対向する２枚のハフニウム板１０の間隙を保持するスペーサ部１２Ａと、このスペーサ部１２Ａに一体成形された軸部１２Ｂとを備えて成る。
【０００７】
ハフニウム板１０とステンレス鋼（ＳＵＳ）製のシース７とでは熱膨張係数が大幅に異なるため、その問題を解決すべく、図１１に示すように、一体型中性子吸収要素１４は、制御棒挿抜方向に分離して複数個配列され、それぞれの一体型中性子吸収要素１４が保持部材１２によってシース７に保持されている。一体型中性子吸収要素１４の制御棒挿抜方向の配列数は、原子炉内における制御棒１の中性子被照射量に関する従来からの管理の習慣に従って偶数個とされており、図１２に代表的な例を示す。
【０００８】
図１２（Ａ）では、一体型中性子吸収要素１４は、制御棒挿抜方向に等間隔で８個配列され、各一体型中性子吸収要素１４毎に、制御棒挿入先端側から挿入末端へ向かってハフニウム板１０の厚さが順次薄くなるように構成されている。これは、原子炉用制御棒１においては、制御棒挿入先端側ほど中性子照射量が多く、この領域で反応度価値（中性子吸収能力）を高める必要があるからである。また、図１２（Ｂ）では、一体型中性子吸収要素１４は、制御棒挿抜方向に８個配列されているが、そのハフニウム板１０は、制御棒挿入先端側から２個ずつ同じ厚さで挿入末端側へ向かって薄く形成されている。原子炉用制御棒１において、挿入先端側から中性子吸収材の全長Ｌの１／２ないし６／８の領域では、通常、シース７の厚さに比べてハフニウム板１０の方が厚くなっている。図１２（Ｃ）では、一体型中性子吸収要素１４は軸方向に同じ長さで２個配列され、そのハフニウム板１０は、制御棒挿入先端側でシース７よりも厚く、挿入末端側でシース７と同程度か若干薄くなっている。
【０００９】
尚、図１１は図１２（Ｂ）に相当するものの例であって、図１１（Ａ）は、図１０（Ａ）の原子炉用制御棒において前面のシースを切り欠いて示す正面図、図１１（Ｂ）は、中性子吸収材であるハフニウム板の厚さ分布及び反応度価値を示す図である。
【００１０】
図１３（Ａ）は、図１１（Ａ）の要部拡大正面図、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）の一対のハフニウム板（一体型中性子吸収要素）を拡大して示す正面図、図１３（Ｃ）は、図１３（Ｂ）のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。前述のように、一体型中性子吸収要素１４は保持部材１２によってシース７に保持され、この保持部材１２は、スペーサ部１２Ａ及び軸部１２Ｂを備えてなる。軸部１２Ｂは、一体型中性子吸収要素１４の２枚のハフニウム板１０に形成された貫通孔１３と、シース７に形成された装着孔８に挿通され、シース７の外面から突出しないように当該外面に溶接により固着される。また、スペーサ部１２Ａは、一体型中性子吸収要素１４の２枚のハフニウム板１０間に配置されて、これらのハフニウム板１０の間隙を水ギャップ１１として保持する。この水ギャップ１１に満たされる水が、前述の如く高速中性子を減速する。
【００１１】
また、ハフニウム板１０とステンレス鋼製のシース７とは、熱膨張係数が３倍程度異なる。このため、ハフニウム板１０の貫通孔１３の直径は、保持部材１２の軸部１２Ｂの直径よりも大きく形成されて、両者間に孔間隙１６が設けられている。これにより、原子炉運転に際しての熱サイクルにおける膨張と収縮によっても、ハフニウム板１０とシース７との干渉が回避される。
【００１２】
図１４（Ａ）は図１０（Ａ）の原子炉用制御棒の一ウイングを拡大して示す正面図であり、図１４（Ｂ）、図１４（Ｃ）、図１４（Ｄ）は、図１４（Ａ）のＸＩＶＢ−ＸＩＶＢ線、ＸＩＶＣ−ＸＩＶＣ線、ＸＩＶＤ−ＸＩＶＤ線にそれぞれ沿う断面図である。保持部材１２は、図１３にも示すように、一つの一体型中性子吸収要素１４における挿入先端側と挿入末端側に一対ずつ設けられている。シース通水孔９Ａは、図１４（Ｄ）に示すように、シース７にのみ形成されたものである。また、重複通水孔９Ｂは、図１４（Ｃ）に示すように、シース７及びハフニウム板１０に同軸状態で重複して設けられたものである。これらのシース通水孔９Ａ及び重複通水孔９Ｂが、前記通水孔９を構成する。更に、シース７を中央構造材６に溶接する溶接点１５は、中央構造材６における制御挿抜方向に等間隔に設けられている。
【００１３】
図１５は、図１０に示す原子炉用制御棒と考え方を若干異にする設計で実用化されたハフニウムトラップ型の原子炉用制御棒の例である。この原子炉用制御棒２１では、深いＵ字状のシース７の内部に、一体型中性子吸収要素２４を構成する中性子吸収材である「平板化されたハフニウム管２０」（フラットチューブ、平管と呼ばれることがある）がウイング２の幅方向に２個、制御棒挿抜方向に２個、分離して収納されている。制御棒挿抜方向の分離位置は、おおよそ中性子吸収材の全長Ｌの１／２付近である。この種の設計では、図１５（Ｃ）に示すように、ウイング２の厚さ方向におけるハフニウム管２０の間隔は、このハフニウム管２０を構成する各ハフニウム板２０Ａ、２０Ｂが側端で曲げられて固着されているため、図１０（Ｃ）のような駒形状の保持部材１２を用いる必要はなく、この保持部材１２の軸部１２Ｂのみからなる保持部材２２を用いればよい。
【００１４】
この保持部材２２は、一体型中性子吸収要素２４のハフニウム管２０に形成された貫通孔２３に挿通されて、両端がシース７に固着され、このシース７の対向する間隔を保持する。この一体型中性子吸収要素２４においても、上記貫通孔２３と保持部材２２との間には孔間隙２６が設けられて、ハフニウム管２０とステンレス鋼製のシース７との熱膨張差を吸収できるようになっている。また、一体型中性子吸収要素２４は、挿入先端側では先端構造材４に、挿入末端側では末端構造材５に、それぞれの固定部２７を用いて固定される。更に、一体型中性子吸収要素２４及びシース７には、前記原子炉用制御棒１と同様な通水孔９が形成されている。
【特許文献１】特開昭６２−２３５５９５号公報
【特許文献２】特開平１０−１０４３８２号公報
【特許文献３】特開平１１−１１８９７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところが、上述のようなハフニウムトラップ型の原子炉用制御棒１、２１にあっては、シース７等の構造材と、ハフニウムを主な中性子吸収材とする一体型中性子吸収要素１４、２４との中性子照射による照射成長、並びに運転開始から停止までの運転サイクルにおける制御棒各部位、特に上記シース７、一体型中性子吸収要素１４、２４の挙動を考慮したとき、長寿命化に伴う機械的な健全性の確保についてさらなる改良の余地があることが判明した。
【００１６】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、機械的な健全性を確保しつつ長寿命化を実現できる原子炉用制御棒、及び原子炉用制御棒の健全性予測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、横断面がＵ字状をなす長尺のシースの開口部を、中央構造材に固着して複数のウイングを構成し、このウイングの炉心挿入方向先端側に先端構造材を、挿入末端側に末端構造材をそれぞれ固着すると共に、板状のハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、前記シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、前記一体型中性子吸収要素は、当該一体型中性子吸収要素に形成された貫通孔に挿通されて前記シースに固着される軸部と、当該一体型中性子吸収要素の前記中性子吸収材の間隔を保持するスペーサ部とを備えた保持部材により荷重が保持される原子炉用制御棒において、制御棒挿抜方向に配列された複数の前記一体型中性子吸収要素のうち、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、前記中性子吸収材の厚さが前記シースの厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素では、前記貫通孔と前記保持部材の前記軸部との間に設けられた孔間隙が、制御棒挿入末端側に位置する前記一体型中性子吸収要素よりも大きく形成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る原子炉用制御棒では、板状のハフニウムを主な中性子吸収材とする複数の一体型中性子吸収要素を、シース内に当該シースの長手方向に列状に収容し、上記一体型中性子吸収要素は、この一体型中性子吸収要素に形成された貫通孔に挿通されてシースに固着される軸部と、一体型中性子吸収要素の中性子吸収材の間隔を保持するスペーサ部とを備えた保持部材により荷重が保持される。さらに、この原子炉用制御棒によれば、制御棒挿抜方向に配列された複数の一体型中性子吸収要素のうち、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、中性子吸収材の厚さがシースの厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素では、前記貫通孔と前記保持部材の前記軸部との間に設けられた孔間隙が、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素よりも大きく形成されている。従って、原子炉用制御棒への長期間に亘る中性子照射によって、特に、制御棒挿入先端側に位置するシース及び一体型中性子吸収要素の中性子吸収材が照射成長した状態であっても、原子炉用制御棒の温度が例えば低下した場合に、中性子吸収材に対するシースの収縮を良好に確保でき、このシースに亀裂等が生ずることを防止できる。この結果、機械的な健全性を確保しつつ、原子炉用制御棒の長寿命化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。また、各実施の形態において、前記背景技術（従来技術）と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００２０】
［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図３）
図１は、本発明に係る原子炉用制御棒の第１の実施の形態における主要部を示し、（Ａ）が一ウイングを部分的に示す正面図、（Ｂ）が図１（Ａ）の前面のシースを切り欠いて一体型中性子吸収要素を示す正面図である。図２（Ａ）、（Ｂ）が図１（Ｂ）のＩＩＡ−ＩＩＡ線、ＩＩＢ−ＩＩＢ線にそれぞれ沿う断面図、（Ｃ）、（Ｄ）が図１（Ａ）のＩＩＣ−ＩＩＣ線、ＩＩＤ−ＩＩＤ線にそれぞれ沿う断面図である。
【００２１】
本実施の形態の原子炉用制御棒３０は、横断面が深いＵ字形状をなす長尺のシース７の開口部を中央構造材６に固着して複数のウイング２を構成し、このウイング２の炉心挿入方向先端側に先端構造材４を、挿入末端側に末端構造材５をそれぞれ固着すると共に、中性子吸収材としての２枚のハフニウム板１０を備えてなる一体型中性子吸収要素３１が、シース７の長尺方向に複数個配列して収容されて構成されたものである。この一体型中性子吸収要素３１は、原子炉用制御棒３０の挿抜方向に同一長さ（例えば４５ｃｍ程度）で、シース７の長尺方向に例えば８個配列されている。
【００２２】
各一体型中性子吸収要素３１は、挿入先端側、挿入末端側に各一対設けられた保持部材３２によってシース７に荷重が保持される。つまり、保持部材３２は、スペーサ部１２Ａと同一形状のスペーサ部３２Ａと、軸部１２Ｂとは異なる形状の軸部３２Ｂとを有してなる。スペーサ部３２Ａは、一体型中性子吸収要素３１の２枚のハフニウム板１０間に配置されて、これらのハフニウム板１０の間隙を水ギャップ１１として保持する。また、軸部３２Ｂは、一体型中性子吸収要素３１における２枚のハフニウム板１０の挿入先端側に設けられた貫通孔３３、または挿入末端側に設けられた貫通孔３４に挿通され、更にシース７の装着孔８に挿通されて、先端がこのシース７の外面から突出しないようにして当該外面に溶接等により固着される。このようにして、軸部３２Ｂは、対向するシース７の間隔を保持すると共に、ハフニウム板１０の荷重をシース７に保持させる。
【００２３】
制御棒挿抜方向に複数個（例えば８個）配列された一体型中性子吸収要素３１のうち、挿入先端から１／４乃至３／４程度の範囲に位置する一体型中性子吸収要素（以下、「制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素」と称する）３１では、ハフニウム板１０の板厚がシース７の板厚よりも厚く形成されている。これは、この制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１の反応度価値、つまり原子炉の反応度を制御する中性子吸収能力を高め、且つ高い中性子照射を受けても上記反応度価値を良好に維持できるようにするためである。
【００２４】
このような制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１では、この一体型中性子吸収要素３１における挿入先端側の貫通孔３３と挿入末端側の貫通孔３４のうちのいずれか一方、本実施の形態では貫通孔３４が他方の貫通孔３３よりも大きく形成されている。具体的には、貫通孔３４は、図１（Ｂ）に示すように、制御棒挿抜方向に延びる長孔であり、この長孔の長軸が、真円形状の貫通孔３３及び保持部材３２の軸部３２Ｂのそれぞれの直径よりも大きく設定されている（図２（Ａ））。長孔である貫通孔３４の短軸は、図１（Ｂ）及び図２（Ｂ）に示すように、貫通孔３３の直径とほぼ等しく設定されている。この貫通孔３３は、従来の貫通孔２３と略同一の直径である。
【００２５】
このように形成されることで、貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間に設けられる制御棒挿抜方向の孔間隙３７は、貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間に設けられる制御棒挿抜方向の孔間隙３６よりも大きく形成される。この孔間隙３６は、従来の一体型中性子吸収要素１４におけるハフニウム板１０の貫通孔２３と保持部材１２の軸部１２Ｂとの間の孔間隙２６と略同一寸法である。
【００２６】
また、制御棒挿抜方向に複数配列された一体型中性子吸収要素３１のうち、上記制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１を除いた、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素３１においては、挿入先端側と挿入末端側に保持部材３２が各一対設置され、この保持部材３２の軸部３２Ｂが挿通するハフニウム板１０の貫通孔（不図示）は、上記貫通孔３３と略等しく設定される。従って、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１におけるハフニウム板１０の貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの上記孔間隙３７は、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素３１におけるハフニウム板１０の上記貫通孔と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間に設けられる孔間隙（不図示）よりも大きく形成されることになる。
【００２７】
上述のように、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１において、挿入末端側の貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の上記孔間隙３７が、挿入先端側の貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の上記孔間隙３６よりも大きく設定されたことで、ステンレス鋼製のシース７とハフニウム板１０との熱膨張係数の相違及び中性子照射による照射成長の相違を十分に吸収することができ、熱膨張・熱収縮に伴うシース７のハフニウム板１０に対する移動が可能となる。
【００２８】
つまり、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１ではハフニウム板１０がシース７よりも厚く形成され、曲り難さが厚さの３乗に比例することから、両者に何等かの横の力が作用した場合、ハフニウム板１０は殆ど曲がらず、シース７が曲がりやすいことが判る。
【００２９】
このような認識の下に、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１の上記孔間隙３７が小さすぎた場合を仮定して、原子炉用制御棒３０の原子炉内挙動を熱サイクルの面で考える。原子炉用制御棒３０は、未照射のものであって、低温時と高温時でシース７とハフニウム板１０に応力が発生していないものとする。中性子照射が進んだとき、シース７を構成するステンレス鋼は等方の結晶であるため、照射成長、熱膨張係数、及び強度の公知のデータを利用できるが、ハフニウム板１０を構成するハフニウムは、ジルコニウムと同様に六方晶であり、照射成長、熱膨張係数、及び強度が加工方法により変化するため、製造条件が十分に公開されていない場合には、照射成長、熱膨張係数及び強度の公知データを確実に適用できるか否かが曖昧となる。
【００３０】
制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１の上記孔間隙３７に余裕が無い状態で、ハフニウム板１０とシース７に高温運転時に応力が発生していない場合を想定すると、ステンレス鋼の熱膨張係数がハフニウムより３倍程度大きいので、原子炉が停止して温度が下がると、厚いハフニウム板１０は曲がりもせず、ほとんど収縮もしないが、シース７は大幅に収縮しようとする。このため、シース７は制御棒挿抜方向と、この制御棒挿抜方向に対する直角方向（横断面方向）に引きちぎられるようなせん断力を受けることになる。このようなせん断力は、シース７と中央構造材６により分担することになる。
【００３１】
設計によって異なるが、原子炉用制御棒３０では、シース７に通水孔９がない横断面で考えると、そのせん断力の分担は、中央構造材６が２５〜３５％程度、シース７が７５〜６５％である。上記せん断力によるせん断応力がシース７に発生すると、中央構造材６にも伝えられるので、シース７が万一引きちぎられたときには、より弱い中央構造材６は比較的容易に軸方向、及びこの軸方向に対する直角方向に切断される恐れがある。上述のようなせん断応力を発生しやすい場所は、シース７に通水孔９が存在している箇所で、しかも、この通水孔９がシース７と中央構造材６の溶接点に近接している箇所であると考えられる。
【００３２】
しかしながら、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１の上記孔間隙３７に余裕がある場合には、ハフニウム板１０に対するシース７の熱収縮に伴う移動が可能となり、シース７の万一の切断を確実に防止できる。
【００３３】
なお、上述の仮定とは逆に、ハフニウム板１０とシース７に低温状態で応力が発生していない場合に原子炉が高温出力運転になると、ハフニウム板１０よりもシース７が伸びるので、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１の上記孔間隙３７が小さすぎる場合であっても、薄くて曲がりやすいシース７が外側に向かって若干膨らむだけであり、シース７が引きちぎられることは考えられない。
【００３４】
このように、制御棒挿入先端側に位置する全ての一体型中性子吸収要素３１では、挿入末端側の貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３７が、挿入先端側の貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３６よりも統一して大きく形成されて、挿入先端側の保持部材３２がハフニウム板１０とシース７との相対移動を規制し、挿入末端側の保持部材３２がハフニウム板１０とシース７との相対移動を許容するよう構成されている。これにより、制御棒挿抜方向に隣接するそれぞれの一体型中性子吸収要素３１が境界において衝突することが防止される。
【００３５】
あるいは、制御棒挿入先端側に位置する全ての一体型中性子吸収要素３１において、上述とは逆に、挿入先端側の貫通孔３３が挿入末端側の貫通孔３４よりも制御棒挿抜方向に大きく、例えば同方向に延びる長孔に形成され、従って、貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の制御棒挿抜方向の孔間隙３６が、貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の制御棒挿抜方向の孔間隙３７よりも統一して大きく形成されてもよい。この場合には、挿入末端側の保持部材３２がハフニウム板１０とシース７との相対移動を規制し、挿入先端側の保持部材３２がハフニウム板１０とシース７との相対移動を許容する構成となる。この場合にも、制御棒挿抜方向に隣接するそれぞれの一体型中性子吸収要素３１が、境界において衝突することが防止される。
【００３６】
なお、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１において、挿入末端側の貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３７と、挿入先端側の貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３６との両者が、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素３１におけるハフニウム板１０の貫通孔と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間に設けられる孔間隙（不図示）よりも大きく形成されてもよい。
【００３７】
ここで、上記保持部材３２の軸部３２Ｂは、図３に示すように、一体型中性子吸収要素３１の２枚のハフニウム板１０の貫通孔３３、３４を挿通する大径部３８と、シース７の装着孔８を挿通する小径部３９とを備えて構成される。大径部３８は、小径部３９よりも若干大径に形成されて、両者の境界に段差部４０が設けられる。小径部３９は、シース７の厚さとほぼ等しい長さに設定されて、その先端がシース７の外面に溶接等により固着される。また、大径部３８は、スペーサ部３２Ａから上記段差部４０に至る長さの領域であり、その長さは、ハフニウム板１０の厚さｔよりも所定寸法δだけ長く設定されている。この所定寸法δの値は、例えば０．２〜０．６ｍｍである。
【００３８】
大径部３８がハフニウム板１０の厚さｔよりも所定寸法δだけ長く設定されたことで、ハフニウム板１０とシース７との間、及びハフニウム板１０と保持部材３２のスペーサ部３２Ａとの間に微小な隙間が形成され、ハフニウム板１０は厚さ方向に微小移動可能に設けられる。これにより、ハフニウム板１０とシース７とが制御棒挿抜方向に相対移動可能に構成されて、前記孔間隙３７を利用した熱収縮に伴うシース７の移動が可能となり、また、原子炉用制御棒３０の操作時にハフニウム板１０がシース７に対して移動できるので、ハフニウム板１０とシース７との間に腐食生成物が付着することが防止される。
【００３９】
なお、保持部材３２の小径部３９の先端をシース７の外面に溶接する際に、シース７の内面を保持部材３２の段差部４０に当接することで、保持部材３２のスペーサ部３２Ａとシース７との距離を大径部３８の長さに一致させることが可能となり、ハフニウム板１０とシース７、スペーサ部３２Ａとの間に摩擦力が生ずることが防止される。また、上記大径部３８及び小径部３９を備えてなる軸部３２Ｂを有する保持部材３２は、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１に限らず、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素３１に適用されてもよい。
【００４０】
図１（Ａ）、（Ｂ）、図２及び図１４に示すように、原子炉用制御棒３０の一体型中性子吸収要素３１及びシース７には、シース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃが通水孔９として設けられている。検査用通水孔９Ｃは、一体型中性子吸収要素３１の制御棒挿抜方向両端部に対応してシース７に形成され、後述のごとく、一体型中性子吸収要素３１におけるハフニウム板１０の照射成長を測定するために主に使用される。シース通水孔９Ａからの水の導入によって、シース７及びハフニウム板１０が冷却される。また、重複通水孔９Ｂ及び検査用通水孔９Ｃから一体型中性子吸収要素３１のハフニウム板１０間の水ギャップ１１へ水が導入され、この水が高速中性子の減速用、及びハフニウム板１０の冷却用に利用される。
【００４１】
上記シース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃのうち、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１に対応してシース７に形成されるシース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃは、制御棒挿抜方向に対し直角な方向に２個並設されず、制御棒挿抜方向に段違いに設けられる。シース７にシース通水孔９Ａ等が上述のように２個並設されると、シース通水孔９Ａ等を含むシース７の横断面ではせん断応力が約３０％程度増大するが、シース通水孔９Ａなどの通水孔９を制御棒挿抜方向に段違いに配置することで、上記せん断応力の増大が抑制されて、シース７の強度が向上する。
【００４２】
また、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１では、シース７を中央構造材６に溶接する溶接点１５は、上記シース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃから所定距離以上に離間して設けられる。この所定距離は、溶接点１５と通水孔９Ａ、９Ｂ、９Ｃとの最も接近する縁どうしの距離が２０ｍｍ程度に設定される。上記溶接点１５近傍では残留応力が生じており、この溶接点１５近傍へシース通水孔９Ａなどの通水孔９付近に生じたせん断応力が伝播されると、溶接点１５近傍における残留応力除去を実施しない限り、中性子照射に伴って溶接点１５近傍に応力腐食割れが生ずる恐れがある。しかし、上記溶接点１５とシース通水孔９Ａ等の通水孔９とが離間して設けられたことで、上述の残留応力除去工程を廃止でき、且つ中央構造材６の健全性を確保できる。
【００４３】
次に、図４を用いて、一体型中性子吸収要素３１のハフニウム板１０を構成するハフニウムの照射成長に関するデータの取得方法と、原子炉用制御棒３０の健全性予測方法について説明する。
【００４４】
一体型中性子吸収要素３１における挿入先端側の一対の保持部材３２と、挿入末端側の一対の保持部材３２との間に存在する２個の重複通水孔９Ｂ間の、制御棒挿抜方向の距離ｄ１をシース７の側面側から測定して、このシース７の中性子照射による照射成長量を検出する。次に、これらの重複通水孔９Ｂのそれぞれについて、シース孔９Ｂ１とハフニウム孔９Ｂ２との相対的な位置ずれ量ｅ１、ｅ２を測定して、シース７とハフニウム板１０との照射成長の差異を求める。そして、上記距離ｄ１と位置ずれ量ｅ１、ｅ２とに基づき、ハフニウム板１０の照射成長量ｄ２を、ｄ２＝ｄ１＋ｅ１＋ｅ２として求める。これにより、特定の条件で製作されたハフニウムが高い中性子照射量を受けたときの照射成長に関するデータを、簡単な非破壊測定方法によって、原子炉用制御棒３０の健全性を確保しつつ実用状態で取得することが可能となる。
【００４５】
上述のようなハフニウムの照射成長に関するデータの取得は、単一の一体型中性子吸収要素３１に対応してシース７に設けられた検査用通水孔９Ｃ間の距離ｄ３を測定すること等によっても実現可能である。つまり、まず上記距離ｄ３を測定し、次に各検査用通水孔９Ｃにおいてシース孔９Ｃ１とハフニウム板１０の端面９Ｃ２との相対的な位置ずれ量を求め、これらの値から、上述と同様にして、当該一体型中性子吸収要素３１のハフニウム板１０の照射成長量を測定してもよい。
【００４６】
このようなハフニウムの照射成長に関するデータの取得は、原子炉停止時に、測定用の原子炉制御棒３０を原子炉から取り出すことで実施される。そして、上述のハフニウムの照射成長に関するデータ取得の際に求めた、シース７とハフニウム板１０との位置ずれ量（照射成長の差異）に関するデータから、原子炉制御棒３０の健全性を予測する。
【００４７】
つまり、原子炉の運転サイクルが進むごとに、それぞれ２個の重複通水孔９Ｂまたは検査用通水孔９Ｃを観察して、重複通水孔９Ｂにあっては、シース孔９Ｂ１とハフニウム孔９Ｂ２との相対的な位置ずれ量ｅ１、ｅ２を求め、検査用通水孔９Ｃにではシース孔９Ｃ１とハフニウム板１０の端面９Ｃ２との相対的な位置ずれ量を求める。そして、これらの位置ずれ量から、ハフニウム板１０の貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３７の残存余裕を求め、この残存余裕が次の運転サイクル終了時点で確保されるか否かを評価する。
【００４８】
上記孔間隙３７に十分な残存余裕が確保されていると評価した場合には、検査（測定）対象の一体型中性子吸収要素３１を備えた原子炉制御棒３０、及び当該原子炉制御棒３０と同程度の中性子照射を受けた原子炉制御棒３０を再度原子炉内へ装荷する。また、孔間隙３７に十分な残存余裕が確保されていないと評価した場合には、検査（測定）対象の一体型中性子吸収要素３１を備えた原子炉制御棒３０、及び当該原子炉制御棒３０と同程度の中性子照射を受けた原子炉制御棒３０を使用済み制御棒と判定して、原子炉内への再装荷を諦める。このようにして、原子炉制御棒３０の健全性を確保しつつ、当該原子炉制御棒３０の寿命を最大限まで使用して長寿命化を実現する。
【００４９】
以上のように構成されたことから、上記実施の形態によれば、次の効果（１）〜（７）を奏する。
【００５０】
（１）制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１は、ハフニウム板１０の通水孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間に設けられた孔間隙３７が、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素３１よりも大きく形成されている。従って、原子炉用制御棒３１への長期間にわたる高い中性子照射によって、特に制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素のハフニウム板１０、及びこの一体型中性子吸収要素３１に対応するシース７が照射成長した状態であっても、ハフニウム板１０に対するシース７の熱収縮を良好に確保でき、このシース７に亀裂等が生ずることを防止できる。この結果、特にシース７の機械的な健全性を確保しつつ、原子炉用制御棒３１の長寿命化を実現できる。
【００５１】
（２）制御棒挿入先端側に位置する全ての一体型中性子吸収要素３１では、挿入末端側の貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３７が、挿入先端側の貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３６よりも統一して大きく形成され、あるいは、挿入先端側の貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３６が、挿入末端側の貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３７よりも統一して大きく形成されている。この結果、この制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１にあっては、制御棒挿抜方向に隣接するそれぞれの一体型中性子吸収要素３１が、境界において衝突することを防止できる。
【００５２】
（３）保持部材３２の軸部３２Ｂにおける大径部３８が一体型中性子吸収要素３１のハフニウム板１０の厚さｔよりも所定寸法δだけ大きく設定されたので、ハフニウム板１０とシース７とが制御棒挿抜方向に相対移動可能となる。この結果、孔間隙３７を利用した熱収縮に伴うシース７の移動が可能となり、更に、原子炉用制御棒３０の操作時に、一体型中性子吸収要素３１のハフニウム板１０がシース７に対し移動できるので、このハフニウム板１０とシース７との間に腐食生成物が付着することを防止できる。
【００５３】
（４）制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１では、シース７に形成されるシース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃが制御棒挿抜方向に段違いに設けられたことから、シース７におけるせん断応力の増大が抑制されて、このシース７の強度を向上させることができる。
【００５４】
（５）制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素３１では、シース７を中央構造材６に溶接する溶接点１５が、シース７のシース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃから所定距離以上離間して設けられたことから、シース７のシース通水孔９Ａなどの通水孔９近傍に生じたせん断応力が上記溶接点１５近傍へ伝播されにくい。このため、溶接点１５近傍の残留応力除去工程を省略でき、しかも中央構造材６の健全性を確保できる。
【００５５】
（６）運転サイクルが進むごとに、制御棒挿抜方向に位置する重複通水孔９Ｂ間の距離ｄ１、あるいは検査用通水孔９Ｃ間の距離ｄ３を測定し、重複通水孔９Ｂにあってはシース孔９Ｂ１とハフニウム項９Ｂ２との位置ずれ量、検査用通水孔９Ｃにあってはシース孔９Ｃ１とハフニウム板１０の端面９Ｃ２との位置ずれ量を測定し、これらの位置ずれ量により、一体型中性子吸収要素３１の貫通孔３４と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３７における残存余裕を求める。そして、この孔間隙３７の残存余裕が次の運転サイクル終了時に確保されるか否かを評価することで、原子炉制御棒３０の健全性を確保しつつ、当該原子炉制御棒３０を長寿命化できる。この結果、強い放射能を帯びた使用済み制御棒という巨大な放射性廃棄物の発生量を抑制することができる。
【００５６】
（７）運転サイクルが進むごとに重複通水孔９Ｂ間の距離ｄ１を求め、これらの各重複通水孔９Ｂにおいてシース孔９Ｂ１とハフニウム孔９Ｂ２との位置ずれ量を求めて、一体型中性子吸収要素３１におけるハフニウム板１０の照射成長量を検出する。あるいは、同様にして検査用通水孔９Ｃからの距離ｄ３を求め、これらの各検査用通水孔９Ｃにおいてシース孔９Ｃ１とハフニウム板１０の端面９Ｃ２との位置ずれ量を求め、一体型中性子吸収要素３１におけるハフニウム板１０の照射成長量を検出する。このようにして、ハフニウムの照射成長に関するデータを、原子炉用制御棒３０の健全性を確保しつつ実用状態で、簡単な非破壊測定方法を用いて取得することができる。
【００５７】
［Ｂ］第２の実施の形態（図５）
図５は、本発明に係る原子炉用制御棒の第２の実施の形態における一ウイングを部分的に示す正面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００５８】
この第２の実施の形態の原子炉用制御棒５０が前記第１の実施の形態の原子炉用制御棒３０と異なる点は、まず、制御棒挿入先端側に位置する各一体型中性子吸収要素５１において、挿入末端側における一対の保持部材５２の軸部５２Ｂが、挿入先端側における保持部材３２の軸部３２Ｂよりも細く形成されている点である。これにより、各一体型中性子吸収要素３１におけるハフニウム板１０の挿入末端側の貫通孔３４と保持部材５２の軸部５２Ｂとの間の孔間隙５４が、ハフニウム板１０の挿入先端側の貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３６よりも大きく形成される。これにより、シース７の熱収縮時に、当該シース７がハフニウム板１０に対し相対移動可能となる。
【００５９】
尚、このとき一体型中性子吸収要素５１におけるハフニウム板１０の荷重は、保持部材３２の軸部３２Ｂを介してシース７により保持される。また、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素５１において、挿入先端側に上記保持部材５２を配置し、挿入末端側に保持部材３２を配置してもよい。
【００６０】
また、本実施形態の原子炉用制御棒５０が前記第１の実施の形態の原子炉用制御棒３０と異なる次の点は、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素５１において、シース７に形成されるシース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃが制御挿抜方向に対し直角な方向に２個ずつ配置されると共に、シース７を中央構造材６に溶接する溶接点１５が、シース７のシース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃから前記所定距離以上離間して設けられ、離間されずに溶接点１５に近接して形成される予定の、図中×印で示すシース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃ（本実施の形態ではシース通水孔９Ａ）が廃止された点である。これにより、シース７から溶接点１５へ伝播されるせん断応力が抑制されることになる。
【００６１】
従って、本第２の実施の形態による原子炉用制御棒５０によれば、一体型中性子吸収要素５１における挿入末端側または挿入先端側に、細い軸部５２Ｂを備えた保持部材５２が配置されて、大きな孔間隙５４が確保されるので、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様に、特にシース７の健全性を確保して原子炉用制御棒５０の長寿命化を実現できる。また、上記原子炉用制御棒５０によれば、シース７のシース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃのうち、溶接点１５に近接して設けられる予定の通水孔が廃止されるので、前記第１の実施の形態の効果（５）と同様に、中央構造材６の健全性を確保できる。その他、この原子炉用制御棒５０においても、前記第１の実施の形態の効果（２）、（３）、（６）及び（７）と同様な効果を奏する。
【００６２】
［Ｃ］第３の実施の形態（図６）
図６は、本発明に係る原子炉用制御棒の第３の実施の形態における一ウイングを部分的に示す正面図である。この第３の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００６３】
この第３の実施の形態の原子炉用制御棒６０が前記第１の実施の形態の原子炉用制御棒３０と異なる点は、まず、制御棒挿入先端側に位置する各一体型中性子吸収要素３１において、シース７にのみに設けられたシース通水孔６１が重複通水孔９Ｂ及び検査用通水孔９Ｃよりも小径に形成された点である。これにより、シース７に生ずるせん断応力が低減される。この場合、シース通水孔６１が小径であっても、シース７に対する冷却効果はほとんど低下しない。ハフニウム板１０に対しての冷却効果は若干低下するが、重複通水孔９Ｂ及び検査用通水孔９Ｃから２枚のハフニウム板１０間の水ギャップ１１内へ導入される水により適切となる。
【００６４】
また、本実施形態の原子炉用制御棒６０が前記第１の実施の形態の原子炉用制御棒３０と異なる次の点は、制御棒挿入先端側に位置する各一体型中性子吸収要素３１において、シース７に形成されるシース通水孔９Ａ、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃが制御棒挿抜方向に対し直角な方向に２個ずつ配置されると共に、シース７を中央構造材６に溶接する溶接点１５が、シース７のシース通水孔６１、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃから前記所定距離以上離間され、離間されずにシース通水孔６１、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃに接近して設けられる予定の、図中×印で示す溶接点１５が廃止された点である。これにより、中央構造材６における溶接点１５近傍の残留応力が低減される。
【００６５】
従って、本実施の形態の原子炉用制御棒６０によれば、シース７のみに設けられたシース通水孔６１が重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃよりも小径に形成されたので、シース７に生ずるせん断応力が低減され、前記第１の実施の形態の効果（４）と同様に、シース７の強度を向上させることができる。また、シース通水孔６１、重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃに近接して設けられる予定の溶接点１５が廃止されることから、前記第１の実施の形態の効果（５）と同様に、中央構造材６の健全性を確保できる。その他、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態の効果（１）〜（３）、（６）及び（７）と同様な効果を奏する。
【００６６】
［Ｄ］第４の実施の形態（図７）
図７は、本発明に係る原子炉用制御棒の第４の実施の形態を示し、（Ａ）が一ウイングを部分的に示す正面図、（Ｂ）が図７（Ａ）のシースを切り欠いて一体型中性子吸収要素を示す正面図である。この第４の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００６７】
この第４の実施の形態の原子炉用制御棒７０が前記第１の実施の形態の原子炉用制御棒３０と異なる点は、制御棒挿入先端側に位置する各一体型中性子吸収要素７１において、挿入末端側における一対の保持部材７２のスペーサ部７２Ａが、挿入先端側の一対の保持部材３２のスペーサ部３２Ａよりも大きく、且つ、この保持部材７２の軸部３２Ｂが挿通するハフニウム板１０における挿入末端側の貫通孔７４が、挿入先端側の貫通孔３３よりも大きく形成されている点である。これにより、各一体型中性子吸収要素７１におけるハフニウム板１０の挿入末端側の貫通孔７４と保持部材７２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙７５が、ハフニウム板１０の挿入先端側の貫通孔３３と保持部材３２の軸部３２Ｂとの間の孔間隙３６よりも大きく形成される。
【００６８】
このとき、ハフニウム板１０は有効面積が若干減少し、反応度価値が低下する傾向となるが、その程度は非常に小さくほとんど無視できる。また、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素７１において、挿入先端側に上記保持部材７２を配置すると共に、ハフニウム板１０に大径の貫通孔７４を形成し、挿入末端側に保持部材３２を配置すると共に、ハフニウム板１０に貫通孔３３を形成してもよい。
【００６９】
従って、本実施の形態の原子炉用制御棒７０によれば、一体型中性子吸収要素７１における挿入末端側または挿入先端側に、貫通孔３３よりも大径の貫通孔７４が形成され、この貫通孔７４により孔間隙７５が形成されたので、前記第１の実施の形態の効果（１）と同様に、シース７の熱収縮に伴うハフニウム板１０に対する相対移動が可能となり、シース７の健全性を確保しつつ原子炉用制御棒７０を長寿命化できる。更に、この原子炉用制御棒７０では、貫通孔７４が長孔ではなく真円形状であるため、製造を容易化できる。その他、本実施の形態の原子炉用制御棒７０においても、前記第１の実施の形態の効果（２）〜（７）と同様な効果を奏する。
【００７０】
［Ｅ］第５の実施の形態（図８）
図８は、本発明に係る原子炉用制御棒の第５の実施の形態を示し、（Ａ）が部分的な正面図、（Ｂ）が図８（Ａ）のシース７及び中央構造材を示す横断面図である。この第５の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００７１】
この第５の実施の形態の原子炉用制御棒８０が前記第１の実施の形態の原子炉用制御棒３０と異なる点は、まず、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素８１において、挿入先端側と挿入末端側にそれぞれ一対設けられた保持部材３２が、制御棒挿抜方向に段違いに配置された点である。保持部材３２は、シース７に溶接により固着されている。このシース７の保持部材３２溶接箇所では、発生した残留応力を完全に除去することは容易でなく、中性子照射量が高くなった場合に応力腐食割れが発生する恐れがある。しかし、保持部材３２が制御棒挿抜方向に段違いに配置されたことで、シース７において制御棒挿抜方向に直角な方向の同一断面で残留応力が低減されるので、応力腐食割れの発生が抑制される。
【００７２】
このような挿入先端側と挿入末端側での一対の保持部材３２の段違い配置は、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素８１に限らず、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素８１にも適用可能である。
【００７３】
本実施形態の原子炉用制御棒８０が前記第１の実施の形態の原子炉用制御棒３０と異なる次の点は、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素８１では、４枚のウイング２について、シース７を中央構造材６に溶接する溶接点１５の制御棒挿抜方向配置が、一のウイング２と他のウイング２とで段違いに配置された点である。本実施の形態では４枚の全てのウイング２について、制御棒挿抜方向の溶接点１５の位置が異なり、互いに段違いに配置されている。シース７を中央構造材６に溶接する溶接点１５では、発生した残留応力を完全に除去することは容易でなく、中性子照射量が高くなった場合に応力腐食割れが発生する恐れがある。しかし、各ウイング２の溶接点１５が中央構造材６において制御棒挿抜方向に段違いに配置されたことから、この中央構造材６において、制御棒挿抜方向と直角な方向の同一断面で残留応力が低減されるので、応力腐食割れの発生が抑制される。
【００７４】
このような各ウイング２での溶接点１５の制御棒挿抜方向における段違い配置は、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素８１に対応するシース７及び中央構造材６に限らず、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素８１に対応するシース７及び中央構造材６においても適用可能である。
【００７５】
従って、本実施の形態の原子炉用制御棒８０によれば、一体型中性子吸収要素８１における一対の保持部材３２が制御棒挿抜方向に段違いに配置されたので、シース７における応力腐食割れの発生が抑制されて、シース７の健全性を確保できる。また、４枚のウイング２についてシース７を中央構造材６に溶接する溶接点１５の制御棒挿抜方向の配置が、一のウイング２と他のウイング２とで段違いに配置されたので、中央構造材６における応力腐食割れの発生が抑制されて、中央構造材６の健全性を確保できる。更に、この原子炉用制御棒８０では、第３の実施の形態の原子炉用制御棒６０と同様に、シース７のシース通水孔６１が重複通水孔９Ｂ、検査用通水孔９Ｃよりも小径に形成されたので、シース７の強度を向上させることができる。その他、本実施の形態の原子炉用制御棒８０においても、前記第１の実施の形態の効果（１）〜（３）及び（５）〜（７）と同様な効果を奏する。
【００７６】
［Ｆ］第６の実施の形態（図９）
図９は、本発明に係る原子炉用制御棒の第６の実施の形態を示し、右半分がシースを切り欠いて示す正面図である。この第６の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００７７】
この第６の実施の形態の原子炉用制御棒９０は、図１５に示す原子炉用制御棒２１と基本的な構造を同一とするが、一体型中性子吸収要素９１であるハフニウム管２０に形成されて保持部材２２（図１５（Ｃ）参照）が挿通される貫通孔９３の大きさと、シース７及び一体型中性子吸収要素９１に形成される通水孔９が、前記第１の実施の形態の原子炉用制御棒３０と同様に、制御棒挿抜方向に段違いに配置されている点などが異なる。尚、保持部材２２の固着位置は、図９において＋印で示している。
【００７８】
つまり、原子炉用制御棒９０においては、制御棒挿抜方向に配列された複数枚（４枚）の一体型中性子吸収要素９１のうち、挿入先端から１／４乃至３／４の範囲で、ハフニウム管２０の厚さがシース７の厚さよりも厚い制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素９１では、ハフニウム管２０に形成される貫通孔９３が、当該一体型中性子吸収要素９１を先端構造材４に固定する固定部２７から離れるに従って順次大きく形成されている。本実施の形態では、貫通孔９３は、制御棒挿抜方向に延びる長孔であり、この長孔の長軸が上記固定部２７から離れるに従って順次大きく形成されている。従って、上記貫通孔９３に挿通される保持部材２２と当該貫通孔９３との間の孔間隙９４も、上記固定部２７から離れるに従って順次大きく形成される。
【００７９】
一方、一体型中性子吸収要素９１のうち、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素９１を除く、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素９１においても、ハフニウム管２０に形成される貫通孔９３は、当該一体型中性子吸収要素９１を末端構造材５に固定する固定部２７から離れるに従って順次大きく形成される。従って、これらの貫通孔９３と保持部材２２との間の孔間隙（不図示）も、上記固定部２７から離れるに従って順次大きく形成される。そして、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素９１に設けられた最大の孔間隙９４が、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素９１に設けられた最大の孔間隙よりも大きく形成されている。
【００８０】
更に詳説すると、ウイング２の幅方向には、中性子吸収材としてのハフニウムで構成された平管状の、例えば１．８ｍ程度という非常に長いハフニウム管２０が、一体型中性子吸収要素９１として２本配列されている。これらの一体型中性子吸収要素９１（ハフニウム管２０）では、ウイング側端側は、中性子吸収割合が高く、反応度価値も高いため、中性子吸収材の有効部全長の半分より若干長く（例えば挿入先端側から有効部全長の３／４程度）設定され、中央構造材側（内側）は、有効部全長の１／２ないし若干短い程度に設定されている。これらの一体型中性子吸収要素９１（ハフニウム管２０）は、その挿入先端側の端部が固定部２７である先端構造材４の下端部で固定され、吊り下げられている。また、ステンレス製のシース７とハフニウム管２０との熱膨張率や照射成長の差異の影響は、上記固定部２７から離れるにしたがって大きくなるので、保持部材２２が挿通するハフニウム管２０に形成された長孔形状の貫通孔９３と上記保持部材２２との間の孔間隙９４も、固定部２７から離れるにしたがって大きく設定されている。この大きく設定される程度は、前述のように、中性子照射量が高い、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素９１の方が、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素９１よりも大きく設けられている。
【００８１】
また、この原子炉用制御棒９０においても、制御棒挿抜方向の重複通水孔９Ｂ間の距離を測定し、この重複通水孔９Ｂのシース孔、ハフニウム孔の位置ずれを求めることで、上記孔間隙９４の残存余裕を評価し、ハフニウム管２０の照射成長に関するデータを取得する。また、検査用通水孔９Ｃを用いる場合には、シース７の挿入先端側の端面部９５と検査用通水孔９Ｃとの距離を測定し、この検査用通水孔９Ｃにおけるシース孔と、当該検査用通水孔９Ｃから目視されるハフニウム管２０の端部との位置ずれ量を測定して、上述と同様に孔間隙９４の残存余裕を評価し、ハフニウム管２０の照射成長に関するデータを取得する。
【００８２】
従って、上記実施の形態によれば、制御棒挿入先端側に位置する一体型中性子吸収要素９１における保持部材２２との間の孔間隙９４が、制御棒挿入末端側に位置する一体型中性子吸収要素９１における保持部材２２との間の孔間隙よりも大きく形成されたことから、原子炉用制御棒９０が高い中性子照射量を受けた場合にも、シース７の熱収縮を良好に実施できるので、当該シース７の健全性を確保でき、原子炉用制御棒９０の健全性を確保しつつ長寿命化を実現できる。その他、本実施の形態の原子炉用制御棒９０においても、前記実施の形態の効果（３）、（４）、（６）及び（７）と同様な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明に係る原子炉用制御棒の第１の実施の形態における主要部を示し、（Ａ）が一ウイングを部分的に示す正面図、（Ｂ）が図１（Ａ）の前面のシースを切り欠いて一体型中性子吸収要素を示す正面図。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）が図１（Ｂ）のＩＩＡ−ＩＩＡ線、ＩＩＢ−ＩＩＢ線にそれぞれ沿う断面図、（Ｃ）、（Ｄ）が図１（Ａ）のＩＩＣ−ＩＩＣ線、ＩＩＤ−ＩＩＤ線にそれぞれ沿う断面図。
【図３】図２（Ｂ）を拡大して示す断面図。
【図４】図１の一ウイングにおいて、重複通水孔間の距離測定等を説明するための図。
【図５】本発明に係る原子炉用制御棒の第２の実施の形態における一ウイングを部分的に示す正面図。
【図６】本発明に係る原子炉用制御棒の第３の実施の形態における一ウイングを部分的に示す正面図。
【図７】本発明に係る原子炉用制御棒の第４の実施の形態を示し、（Ａ）が一ウイングを部分的に示す正面図、（Ｂ）が図７（Ａ）のシースを切り欠いて一体型中性子吸収要素を示す正面図。
【図８】本発明に係る原子炉用制御棒の第５の実施の形態を示し、（Ａ）が部分的な正面図、（Ｂ）が図８（Ａ）のシース７及び中央構造材を示す横断面図。
【図９】本発明に係る原子炉用制御棒の第６の実施の形態を示し、右半分がシースを切り欠いて示す正面図。
【図１０】実用化された従来の原子炉用制御棒の概要を示し、（Ａ）が一部を切り欠いて示す斜視図、（Ｂ）が図１０（Ａ）の一ウイングを示す横断面図、（Ｃ）が図１０（Ｂ）における保持部材を示す斜視図。
【図１１】（Ａ）が図１０（Ａ）の原子炉用制御棒において前面のシースを切り欠いて示す正面図、（Ｂ）は、図１１（Ａ）の中性子吸収材であるハフニウム板の厚さ分布及び反応度価値を示す図。
【図１２】従来の原子炉用制御棒の中性子吸収材であるハフニウム板の厚さ分布を示す図。
【図１３】（Ａ）は、図１１（Ａ）の要部拡大正面図、（Ｂ）は、図１３（Ａ）の一対のハフニウム板（一体型中性子吸収要素）を拡大して示す正面図、（Ｃ）は、図１３（Ｂ）のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図。
【図１４】（Ａ）は図１０（Ａ）の原子炉用制御棒の一ウイングを拡大して示す正面図であり、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、図１４（Ａ）のＸＩＶＢ−ＸＩＶＢ線、ＸＩＶＣ−ＸＩＶＣ線、ＸＩＶＤ−ＸＩＶＤ線にそれぞれ沿う断面図である。
【図１５】図１０とは異なる従来の他の原子炉用制御棒を示し、（Ａ）が左半分のシースを切り欠いて示す正面図、（Ｂ）が図１５（Ａ）の中性子吸収材の厚さ分布を示す図、（Ｃ）が図１５（Ａ）のＸＶ−ＸＶ線に沿う断面図。
【符号の説明】
【００８４】
２  ウイング
４  先端構造材
５  先端構造材
６  中央構造材
７  シース
８  装着孔
９  通水孔
９Ａ  シース通水孔
９Ｂ  重複通水孔
９Ｃ  検査用通水孔
１０  ハフニウム板
１５  溶接点
２０  ハフニウム管
２２  保持部材
２７  固定部
３０  原子炉用制御棒
３１  一体型中性子吸収要素
３２  保持部材
３２Ａ  スペーサ部
３２Ｂ  軸部
３３，３４  貫通孔
３６，３７  孔間隙
３８  大径部
３９  小径部
５０  原子炉用制御棒
５１  一体型中性子吸収要素
５２  保持部材
５２Ｂ  軸部
５４  孔間隙
６０  原子炉用制御棒
６１  シース通水孔
７０  原子炉用制御棒
７１  一体型中性子吸収要素
７４  貫通孔
７５  孔間隙
８０  原子炉用制御棒
８１  一体型中性子吸収要素
９０  原子炉用制御棒
９１  一体型中性子吸収要素
９３  貫通孔
９４  孔間隙
δ  所定寸法
ｄ１、ｄ３  距離
【図１】
2008057999.tif 000003
【図２】
2008057999.tif 000004
【図３】
2008057999.tif 000005
【図４】
2008057999.tif 000006
【図５】
2008057999.tif 000007
【図６】
2008057999.tif 000008
【図７】
2008057999.tif 000009
【図８】
2008057999.tif 000010
【図９】
2008057999.tif 000011
【図１０】
2008057999.tif 000012
【図１１】
2008057999.tif 000013
【図１２】
2008057999.tif 000014
【図１３】
2008057999.tif 000015
【図１４】
2008057999.tif 000016
【図１５】
2008057999.tif 000017