(57)【要約】【課題】下部端栓やその取付部分にもクロムめっきを施した加圧水型原子炉用制御棒を提供する。【解決手段】被覆管の冷却水に接する側面は全て耐フレッティング用の表面処理が施されている加圧水型原子炉用制御棒。下部端栓が、上部側は被覆管の下部端から被覆管内に挿入され下部側は被覆管の下部端面の内周面側と溶接される挿入部と、挿入部の下端中心に下方に向けて立設された雄ねじ部とを有する内部側端栓と、上部側の外周面は被覆管の下部端の外周面側と連続する円筒面を形成し、上部側の上端中心から下方に向けて雄ねじ部がねじ込まれる雌ねじ部が形成されている外部側端栓とからなる加圧水型原子炉用制御棒。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被覆管の冷却水に接する側面は全て耐フレッティング用の表面処理が施されていることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒。
【請求項２】
加圧水型原子炉用制御棒であって、その下部端栓が、
上部側は被覆管の下部端から被覆管内に挿入され下部側は被覆管の下部端面の内周面側と溶接される挿入部と、前記挿入部の下端中心に下方に向けて立設された雄ねじ部とを有する内部側端栓と、
上部側の外周面は前記被覆管の下部端の外周面側と連続する円筒面を形成し、上部側の上端中心から下方に向けて前記雄ねじ部がねじ込まれる雌ねじ部が形成されている外部側端栓とからなることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒。
【請求項３】
前記挿入部の下部側と被覆管の下部端面の内周面側との溶接は、レーザー溶接または電子ビーム溶接であることを特徴とする請求項２に記載の加圧水型原子炉用制御棒。
【請求項４】
前記外部側端栓の上部側の外周面には耐フレッティング用の表面処理がなされていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の加圧水型原子炉用制御棒。
【請求項５】
被覆管の下端は、その直径が小さくなる様に絞り込まれている加圧水型原子炉用制御棒であって、その下部端栓が、
前記被覆管の下部端から被覆管内に挿入される挿入部と、前記挿入部を前記被覆管の下部に挿入した状態で被覆管の下端の外周面側と連続する円筒面を形成し、さらに上端の外周面は被覆管の下部端面と突き合せ溶接されるつば部と、前記つば部の下端中心に下方に向いて雄ねじが立設されている雄ねじ部とを有する内部側端栓と、
内周側に前記被覆管の下端の直径が小さくなる様に絞り込まれた部分を挿入され、外周側は被覆管の下端の直径が小さくなる様に絞り込まれていない部分と連続する円筒面を形成する円筒部と、中心に前記雄ねじ部がねじ込まれる雌ねじが形成されている雌ねじ部とを有する外部側端栓とからなることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒。
【請求項６】
前記内部側端栓のつば部の上端の外周面と前記被覆管の下部端面との突き合せ溶接は、レーザー溶接、Ｔｉｇ溶接または電子ビーム溶接であることを特徴とする請求項５に記載の加圧水型原子炉用制御棒。
【請求項７】
前記外部側端栓の円筒部の外周面には耐フレッティング用の表面処理がなされていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の加圧水型原子炉用制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加圧水型原子炉用制御棒に関し、特にその先端部に耐磨耗性改善のためめっきを施した加圧水型原子炉用制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉の制御棒は、燃料棒が例えば１７×１７に配列された燃料集合体の一部の燃料棒に換えて配列された、制御棒導入管（シンブル管）内に挿入されるようになっている。さらに、通常は、原子炉の定格（１００％）運転時には先端部（燃料集合体内へ挿入する際の先端、使用時は下側となる）を残して燃料集合体の上部に引上げられた状態とされ、夜間等の部分負荷運転時には一部を燃料集合体の燃料が装荷されている場所まで下げた状態とされ、停止時には燃料集合体の燃料棒導入管内に完全に挿入された状態とされる。
【０００３】
燃料集合体の上部に引上げられた状態では、先端部を除く制御棒の大部分は制御棒クラスタ案内管内に挿入された状態とされ、その上部は駆動軸に連結されたスパイダー組立体に支持されている。
しかしながら、この領域は燃料集合体内を上向きに流れてきた冷却水が原子炉出口ノズルに流れ込む場所であるため、冷却材の流れの強さや方向が不規則かつ激しく変化しており、このため制御棒やその周囲にある制御棒クラスタ案内管等の部材も不規則かつ激しく振動している。
【０００４】
この結果、そのままでは制御棒は周囲の部材と相互に激しく擦れあって、その外表面部を構成する被覆管に損傷が発生する、いわゆるフレッティング破壊が生じる恐れがあり、万が一にも制御棒の被覆管（以下、単に「被覆管」とも記す）が損傷したりすれば、原子炉の運転、安全性の確保等からあまり好ましいものではない。
このため、制御棒の外表面部を構成する被覆管の外表面には、必要とされる範囲内で耐フレッティング用の表面処理、具体的にはクロムめっきが施されている（特許文献１、同２、同３）。
【０００５】
クロムめっきは、ほぼ被覆管の全長にわたり、その厚さは下端部を除き約３０μｍであり、下端部は約１０μｍである。即ち、制御棒は緊急時には自由落下で炉心内に迅速に挿入されるが、その最終段階では冷却水の抵抗で落下衝撃を緩めるため燃料集合体の制御棒導入管の最下部の内径を細くしてあることに合わせたものである。
【０００６】
被覆管は長さが約４ｍ、直径は約１０ｍｍであり、その肉厚は約０．５ｍｍある。そこで、被覆管のめっきは、上部端栓のみを溶接した被覆管の上部端栓側を下に向けてめっき液に浸し、被覆管内部に細長い陰極部材を挿入し、被覆管の外周面に沿って複数種類の複雑な形状の陽極棒を配置して行っている（特許文献３の図５）。
そして、めっきが終了し、さらに被覆管内に中性子吸収材等を充填した後に下部端栓を被覆管の下端に溶接している。
【特許文献１】実公平３−９１９９８号公報
【特許文献２】特開平１１−１５３６８５号公報
【特許文献３】特許３６９２３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記の如く、めっき方法との関係があり、下部端栓と被覆管の下端部との溶接は、めっき後になされている。従って、下部端栓と被覆管の下端部の溶接部や溶接代部は、めっきがされていないこととなる。これを、図４に示す。本図において、１０は被覆管であり、１１はそのクロムめっき層であり、１９はその溶接代部であり、１８は溶接部であり、４０は下部端栓である。このようにめっきされていない部分が存在しても、制御棒の先端部は制御棒クラスタ案内管の外にあるため、従来はこのような構成でも充分であると思われていた。
【０００８】
しかしながら、中性子吸収剤が存在しない下部端栓やその取付け部分とはいえ、制御棒導入管の上部との接触で磨耗が生じる可能性があり得るため、クロムめっきを施していないことは、好ましいことではない。
なお、被覆管と下部端栓を溶接後、既に厚さ１０μｍのめっきをしている部分と重ならないように同じ厚さのめっきをすることは制御棒の長さが約４ｍもあるだけに極めて困難であり、再度薄くめっきをすることは既にめっきされているクロムが酸化しているため後からのめっき層との接着性に難が生じかねない。
【０００９】
このため、下部端栓やその取付け部分にもクロムめっき等の耐フレッティング用の表面処理を施した制御棒の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、以上の課題を解決することを目的としてなされたものであり、下部端栓を、外周をクロムめっき等の耐フレッティング用の表面処理を施した外部側端栓と、被覆管と溶接する内部側端栓に分割し、外部側端栓と内部側端栓をねじ等で固定する様にしたものである。以下、各請求項の発明を説明する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、
被覆管の冷却水に接する側面は全て耐フレッティング用の表面処理が施されていることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒である。
【００１２】
本請求項の発明の加圧水型原子炉用制御棒は、その側面は全て耐フレッティング用の表面処理が施されているため、耐フレッティング性が向上する。
なお、「側面」とは、円筒状の制御棒の円筒を形成する部分を指す。このため、フレッティングの恐れがない先端部に耐フレッティング用の表面処理が施されていなくても本発明に含まれる。
また、「耐フレッティング用の表面処理が施されている」とは、クロムめっき等の純粋な表面処理を施す他に、材質そのものが耐フレッティング性に優れた材料を選定することを含む。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、
加圧水型原子炉用制御棒であって、その下部端栓が、
上部側は被覆管の下部端から被覆管内に挿入され下部側は被覆管の下部端面の内周面側と溶接される挿入部と、前記挿入部の下端中心に下方に向けて立設された雄ねじ部とを有する内部側端栓と、
上部側の外周面は前記被覆管の下部端の外周面側と連続する円筒面を形成し、上部側の上端中心から下方に向けて前記雄ねじ部がねじ込まれる雌ねじ部が形成されている外部側端栓とからなることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒である。
【００１４】
本請求項の加圧水型原子炉用制御棒は、被覆管の下端に取付ける下部端栓を内部側端栓と外部側端栓に分割し、内部側端栓を被覆管の下部端面の内周面側と溶接で取付けて密封性を確保し、外部側端栓をねじで内部側端栓の外周側に取付けている。このため、被覆管の外表面は溶接をする必要がないため、溶接に先立って下部端まで耐フレッティング処理を施しておくことが可能となる。同じく、外部側端栓は、ねじの周り止め部を除き溶接をする必要がないため、溶接に先立って表面のフレッティングの発生する恐れがある箇所に耐フレッティング処理を施しておいたり、溶接の困難性の程度に関係なく耐フレッティング性が優れた材料で製造したりすることが可能となる。
なお、被覆管等の上下は、実際の使用時を基準としている。
また、使用状態においては、内部側端栓の雄ねじと外部側端栓の雌ねじはしっかりとねじ込まれ、さらに必要に応じて回り止めが施されている。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用制御棒であって、
前記挿入部の下部側と被覆管の下部端面の内周面側との溶接は、レーザー溶接または電子ビーム溶接であることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒である。
【００１６】
レーザー溶接または電子ビーム溶接であるため、被覆管の肉厚が０．５ｍｍ程度と薄くても、その内周面側と内部側端栓の挿入部の外表面側とを確実な密封を図りつつ、しかも被覆管の外周面の対フレッティング処理部等に悪影響を及ぼすことなく溶接することが容易となる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用制御棒であって、
前記外部側端栓の上部側の外周面には耐フレッティング用の表面処理がなされていることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒である。
【００１８】
本請求項の発明においては、外部側端栓の上部側の外周面には耐フレッティング用の表面処理がなされているため、下部端栓の耐フレッティング性が向上する。また、材料として耐フレッティング性を考慮する必要がないため、機械加工が容易な金属や被覆管と相性が良好な金属を選定することが出来る。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、
被覆管の下端は、その直径が小さくなる様に絞り込まれている加圧水型原子炉用制御棒であって、その下部端栓が、
前記被覆管の下部端から被覆管内に挿入される挿入部と、前記挿入部を前記被覆管の下部に挿入した状態で被覆管の下端の外周面側と連続する円筒面を形成し、さらに上端の外周面は被覆管の下部端面と突き合せ溶接されるつば部と、前記つば部の下端中心に下方に向いて雄ねじが立設されている雄ねじ部とを有する内部側端栓と、
内周側に前記被覆管の下端の直径が小さくなる様に絞り込まれた部分が挿入され、外周側は被覆管の下端の直径が小さくなる様に絞り込まれていない部分と連続する円筒面を形成する円筒部と、中心に前記雄ねじ部がねじ込まれる雌ねじが形成されている雌ねじ部とを有する外部側端栓とからなることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒である。
【００２０】
本請求項の発明も、被覆管の下端に取付ける下部端栓を内部側端栓と外部側端栓に分割し、内部側端栓を被覆管の下部端面の内周面側と溶接で取付けて密封性を確保し、外部側端栓をねじで内部側端栓の外周側に取付けているのは、請求項２の発明と同じである。しかし、被覆管の下端を絞り込み、その外周側に外部側端栓を嵌め込んでいるのが大きく相違する。この様にするため、特別な設備を必要としないＴｉｇ溶接であっても、下部端栓の取り付けが充分安定したものとなる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用制御棒であって、
前記内部側端栓のつば部の上端の外周面と前記被覆管の下部端面との突き合せ溶接は、レーザー溶接、Ｔｉｇ溶接または電子ビーム溶接であることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒である。
【００２２】
本請求項の発明は、請求項２の発明における好ましい溶接の種類を具体的に規定した請求項３の発明に相当し、請求項５の発明における好ましい溶接の種類を具体的に規定したものである。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、前記の加圧水型原子炉用制御棒であって、
前記外部側端栓の円筒部の外周面には耐フレッティング用の表面処理がなされていることを特徴とする加圧水型原子炉用制御棒である。
【００２４】
本請求項の発明は、請求項５の発明に対して、請求項２の発明に対する請求項４の発明に相当する。
【発明の効果】
【００２５】
本発明においては、下部端栓およびその取付け部近辺の被覆管がクロムめっきされているため、制御棒の下部端栓およびその取付け部近辺の被覆管のフレッティングによる損傷が一層生じ難くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００２７】
（第１の実施の形態）
本実施の形態は、下部端栓を内部側端栓と外部側端栓に分割して製作し、内部側端栓の円筒状の挿入部を被覆管の下部端面に挿入し、挿入部の下部の外周面と被覆管の下端の内周面とを溶接するものである。
【００２８】
以下、本実施の形態の加圧水型原子炉用制御棒を、その要部の製造手順と完成状態を示す図１を参照しつつ説明する。
図１において、１０は制御棒の被覆管であり、１１はその外表面のクロムめっき層であり、１２は被覆管１０の下端面である。２０は下部端栓の内部側端栓であり、２１はその挿入部であり、２２はその下端面であり、２８はその雄ねじ部である。３０は下部端栓の外部側端栓であり、３１はその外表面のクロムめっき層であり、３２はその上部側端面であり、３３は雌ねじ部であり、３９は周り止めである。４０は、内部側端栓２０と外部側端栓３０が一体となった下部端栓である。
【００２９】
なお、図１の（１）から（４）において、明白に同じ部分と判る箇所については、煩雑となるため符号を付すのは適宜省略している。
また、前記の如く制御棒の上下は原子炉に実際に装荷されている状態を基準としている。このため、図１のみならず他の図でも、右が上であり、左が下となる。
【００３０】
製造手順について説明する。
図１の（１）に示す様に、外表面にクロムめっき層１１が形成されているステンレス製の被覆管１０に、太い矢印で示す様に、その下部端から内部に下部端栓の内部側端栓２０の挿入部２１を挿入する。
図１の（２）に示す様に、挿入は被覆管１０の下端面１２と挿入部２１の下端面２２とが面一となる様にする。次いで、被覆管１０の下端面１２の内側のみと挿入部２１の下端面２２の外周側とをレーザー溶接し、被覆管１０と挿入部２１とを強固に固定し、併せて被覆管１０を完全に密封する。黒く塗りつぶしてある箇所が、レーザー溶接による溶け込み箇所である。
【００３１】
ここに、レーザー溶接であるため、精密な溶接が可能であり、さらに被覆管１０の下端面１２の溶接は内側のみであるため、外表面のクロムめっき層１１には何の悪影響も生じない。
また、溶接終了後の下端面に生じたバリ等は磨いて平坦にしておく必要があるが、これもレーザー溶接であるので最小限の手間で済む。
なお、被覆管１０の内径と挿入部２１の外形は、精密な機械加工で同一としておき、これにより挿入部２１の挿入による被覆管１０の外形寸法の変化を防止し、さらに溶接時に被覆管１０と挿入部２１とが相互に移動し、ずれが生じることを防止して薄肉の被覆管１０の内側のみと挿入部２１の外周が被覆管の長さ方向にのみ深く融け込む溶接を可能としている。また、挿入部２１の先端は少し丸めておき、挿入し易くしている。
【００３２】
図１の（３）に示す様に、挿入部２１の下端面中央に立設した雄ねじ部２８に下部端栓の外部側端栓３０の雌ねじ部３３をあて、外部側端栓３０を図の回転矢印で示す様に回し込み、その内部の雌ねじ部３３内に内部側端栓２０の雄ねじ部２８を図の太い矢印で示す様にねじ込んでいく。
図１の（４）に示す様に、外部側端栓３０を完全に回し込むと、その上部側端面３２は内部側端栓２０の挿入部２１の下端面２２および被覆管１０の下端面１２に密接する。また、外部側端栓３０の外周面の上部と被覆管１０の下部とは連続した円筒となり、さらに被覆管下部の外周側面は全てクロム層で覆われていることとなる。
【００３３】
次いで、雄ねじ部２８の下端（先端）と雌ねじ部３３の下端を溶接して周り止め３９を形成し、これにより制御棒の被覆管１０への下部端栓４０の取付けが終了する。従って、図１の（４）は完成状態を示す図でもある。
以上の結果、図２に示す様に、制御棒の先端部やその近辺もすべてクロムめっき層１１，３１に覆われていることとなる。
なお、本実施の形態においては、レーザー溶接に換えて電子ビーム溶接であっても良い。
【００３４】
（第２の実施の形態）
本実施の形態は、第１の実施の形態と比較したとき、制御棒被覆管の下端部を絞り込み、外部側端栓内に挿入する点に特徴がある。
以下、本実施の形態の加圧水型原子炉用制御棒を、その要部の製造手順と完成状態を示す図３を参照しつつ説明する。図３において、１０は制御棒の被覆管であり、１１はクロムめっき層であり、１５は制御棒の被覆管の下端部の絞込み部であり、１６は絞込み部１５の下端面である。２５は下部端栓４０の内部側端栓２０の挿入部であり、２６はそのつば部であり、２７はつば部の上端面であり、２８は雄ねじ部である。３３は下部端栓４０の外部側端栓３０の雌ねじ部であり、３１は外表面のクロムめっき層であり、３６は円筒部である。なお、図３の（１）から（４）においても、符号は適宜省略してある。
なお、絞込み部１６は、端から５ｍｍ〜１０ｍｍ程度の範囲で、外径を少し小さくしてある。
【００３５】
製造手順について説明する。
図３の（１）に示す様に、ステンレス製の被覆管１０の下端部を絞り込んで直径を小さくしておく。なお、この部分は、絞込みを容易とするため、外表面にはクロムめっき層が形成されていない。この直径を、ひいては内径をも小さくした絞込み部１５に太い矢印で示す様に、下部端栓の内部側端栓２０の挿入部２５を挿入する。
【００３６】
図３の（２）に示す様に、内部側端栓２０のつば部２６の上端面２７と被覆管１０の絞込み部１５の下端面１６とを突き合せてＴｉｇ溶接で接合する。図で黒く塗りつぶしている箇所が、溶け込んだ部分である。
ここに、Ｔｉｇ溶接であるため、特別な設備なしに充分に精密な溶接を行うことが可能である。
【００３７】
なお、被覆管１０の絞込み部１５の内径と挿入部２５の外形は、精密な機械加工で同一としておき、これにより挿入部２５の挿入による絞込み部１５の外形寸法の変化を防止し、さらに溶接時に被覆管１０と内部側端栓２０の挿入部２５とが相互に移動し、ずれが生じることを防止し、薄肉の絞込み部１５とつば部２６の外周が確実に溶接される様にしている。
【００３８】
図３の（３）に示す様に、つば部２６の下端面中央に立設した雄ねじ部２８に下部端栓の外部側端栓３０の雌ねじ部３３をあて、またつば部２６の外周面を円筒部３６の内周面に嵌めこみ、この状態で回転矢印で示す様に外部側端栓３０を回し込み、その内部の雌ねじ分３３内に内部側端栓２０の雄ねじ部２８を太い矢印で示す様にねじ込んでいく。
図３の（４）に示す様に、外部側端栓３０を完全に回し込むと、その円筒部３６の上部側の外周面は被覆管１０の絞込みがなされていない部分の外周面と連続し、段差がなく面一となる円筒面を形成する。そして、外部側端栓３０の円筒部３６の上部側の外周面と被覆管１０の絞込みがなされていない部分の外周面は、いずれもクロム層で覆われていることとなる。この結果、この連続した円筒面の外周側面は、即ち制御棒の外周面は全てクロム層で覆われていることとなる。
【００３９】
また、円筒部３６の内周側の下部の底面とつば部２６の下部端面も突き合った状態となっている。
次いで、雄ねじ部２８の下端（先端）と雌ねじ部３３の下端を溶接して周り止め３９を形成し、これにより制御棒の被覆管１０への下部端栓４０の取付けが終了する。従って、図３の（４）は完成状態を示す図でもある。
以上の結果、本実施の形態においても、図２に示す様に制御棒の先端部やその近辺もすべてクロムめっき層に覆われていることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施の形態の加圧水型原子炉用制御棒の要部の製造手順と完成状態を示す図である。
【図２】本発明に関わる加圧水型原子炉用制御棒の先端部のクロムめっき層の様子を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の加圧水型原子炉用制御棒の要部の製造手順と完成状態を示す図である。
【図４】従来技術の加圧水型原子炉用制御棒の先端部のクロムめっきの様子を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０    被覆管
１１    クロムめっき層
１２    被覆管の下端面
１５    被覆管の下端部の絞込み部
１６    絞込み部の下端面
１８    溶接部
１９    溶接代部
２０    下部端栓の内部側端栓
２１    挿入部
２２    下端面
２５    挿入部
２６    つば部
２７    つば部の上端面
２８    雄ねじ部
３０    下部端栓の外部側端栓
３１    クロムめっき層
３２    上部側端面
３３    雌ねじ部
３６    円筒部
３９    周り止め
４０    下部端栓
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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