(57)【要約】【課題】制御棒が水平加振を受けたときに、曲げ変形による圧縮応力を受けるブレードにおいて、発生する面外変形量を抑制することができ、適当な剛さと十分な強度をもつ制御棒を提供する。【解決手段】軸心から四方に伸びる４枚のブレードと、これらのブレードの上端部に取付けられたハンドルと、各々の前記ブレードの下端部に取付けられた下部支持部材と、ハンドルと下部支持部材とを結合するタイロッドを有する制御棒において、制御棒のブレードを構成するシース端部の曲面を含む部分に開口部を長手方向に複数設け、開口部は端部の曲面を含む表面側，端部の曲面を含む裏面側、と交互に繰返す配置とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心から四方に伸びる４枚のブレードと、これらのブレードの上端部に取付けられたハンドルと、各々の前記ブレードの下端部に取付けられた下部支持部材と、ハンドルと下部支持部材とを結合するタイロッドを有する制御棒において、
制御棒のブレードを構成するシース端部の曲面を含む部分に開口部を長手方向に複数設け、開口部は端部の曲面を含む表面側，端部の曲面を含む裏面側、と交互に繰返す配置とすることを特徴とする制御棒。
【請求項２】
請求項１において、前記シース端部に設ける開口部は、形状に二直線の交わり部からなる不連続形状部は持たず、滑らかな形状とすることを特徴とする制御棒。
【請求項３】
請求項１または２において、前記端部に設けられた開口部の一部を内側にＶ字型に折り曲げていることを特徴とする制御棒。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記シースの曲面側の端部からタイロッド側の端部までの長さをブレードの幅とするとき、シースの曲面側の端部からブレードの幅の１／２までの範囲のシースの厚さを、シースのタイロッド側の端部からブレードの幅の１／２までの範囲のシースの厚さよりも薄くすることを特徴とする制御棒。
【請求項５】
請求項４において、前記シースの曲面側の端部からブレードの幅の１／２までの範囲に配置される中性子吸収材の断面積が、シースのタイロッド側の端部からブレードの幅の１／２までの範囲に配置される中性子吸収材の断面積よりも大きいことを特徴とする制御棒。
【請求項６】
請求項５において、前記中性子吸収材は、フラットチューブ形状に加工したハフニウム、または棒形状に加工したハフニウム、または焼結されて管に詰められたＢ4Ｃのいずれかであることを特徴とする制御棒。
【請求項７】
請求項６において、シース内部には棒状またはチューブ状の形状をした複数の中性子吸収材がそれらの長手方向がタイロッドの長手方向と一致する向きに配置されており、ブレードの幅の中央からブレード端までの領域に設置された中性子吸収材の断面積が、ブレードの幅の中央からタイロッド側の端までの領域に設置された中性子吸収材の断面積よりも大きいことを特徴とする制御棒。
【請求項８】
請求項６において、ブレードの長手方向の中央からハンドルまでの領域に配置された中性子吸収材の断面積が、ブレードの長手方向の中央から下部支持部材までの領域に配置された中性子吸収材の断面積よりも大きいことを特徴とする制御棒。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記シースの端部に設ける開口部の位置は、制御棒の４枚のブレードを構成するシースをタイロッドに取付けたときに、それぞれのシースの端部に設けられている開口部が、長手方向の同じ位置にならないように配置されていることを特徴とする制御棒。
【請求項１０】
請求項１乃至８のいずれかにおいて、前記シースの端部に設ける開口部の位置は、制御棒の４枚のブレードを構成するシースをタイロッドに取付けたときに、それぞれのシースの端部に設けられている開口部が、長手方向の同じ位置になるように配置されていることを特徴とする制御棒。
【請求項１１】
軸心から四方に伸びる４枚のブレードと、これらのブレードの上端部に取付けられたハンドルと、各々の前記ブレードの下端部に取付けられた下部支持部材と、ハンドルと下部支持部材とを結合するタイロッドを有する制御棒において、
制御棒のブレードを構成するシース端部の曲面を含む部分の板厚さを薄くする部分を設け、板厚さは端部の曲面を含む表面側，端部の曲面を含む裏面側と、交互に繰返す配置とすることを特徴とする制御棒。
【請求項１２】
請求項１１において、前記シースの端部に設ける板厚さを薄くする部分の位置は、制御棒の４枚のブレードを構成するシースをタイロッドに取付けたときに、それぞれのシースの端部に設けられている板厚さを薄くする部分が、長手方向の同じ位置にならないように配置したことを特徴とする制御棒。
【請求項１３】
請求項１１において、前記シースの端部に設ける板厚さを薄くする部分の位置は、制御棒の４枚のブレードを構成するシースをタイロッドに取付けたときに、それぞれのシースの端部に設けられている板厚さを薄くする部分が、長手方向の同じ位置になるように配置したことを特徴とする制御棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、制御棒に係わり、特に、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲ）に適用するのに好適な制御棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の炉心内に装荷された複数の燃料集合体に含まれている核燃料の核分裂によって発生する中性子を吸収し、原子炉出力を制御するために、複数の制御棒が原子炉に設けられている。ＢＷＲで用いられる制御棒は、横断面が十字形をしており、Ｂ4Ｃ等の中性子吸収材を充填した４枚のブレードを有する。
【０００３】
制御棒が設けられている原子炉炉心部に水平地震力が加わった場合は、制御棒はタイロッドを中立軸とする面内曲げ変形をおこした状態で挿入され、中央部ではわずかの変形でも、ステンレスシースの外端部においては変形量が大きくなり、ステンレスシースの破損をまねきやすくする。原子炉炉心部に水平地震力が加わった場合においても、燃料体の変形に容易に追従でき、かつ、適当な剛さと十分な強度をもち、挿入性を良好にできる制御棒の一例が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された制御棒は、「断面が十字形で長手方向に所定間隔毎に外側に開口するように切欠きが設けてあるシースのそれぞれの切欠きの間の部分に凸部を設ける」と記載されている。
【０００４】
特許文献１に記載された制御棒は、シースに十分な大きさの切欠きを設け、さらに切欠きの間の部分に凸部を設けることにより制御棒の挿入性を良好にしている。ところで、中性子吸収としてハフニウムを用いる場合には、その重量が大きいため、強度を確保するために断面積を大きくする必要があり、切欠くことのできるシースの面積は制限される。切欠くことのできるシースの面積が減少した場合には、シースに曲げ変形が発生したときに圧縮応力が発生するブレードに不安定な面外変形が発生することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭５８−７１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、制御棒が水平加振を受けたときに、曲げ変形による圧縮応力を受けるブレードにおいて、発生する面外変形量を抑制することが可能な制御棒を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の制御棒は、軸心から四方に伸びる４枚のブレードと、これらのブレードの上端部に取付けられたハンドルと、各々の前記ブレードの下端部に取付けられた下部支持部材と、ハンドルと下部支持部材とを結合するタイロッドを有する制御棒において、制御棒のブレードを構成するシース端部の曲面を含む部分に開口部を長手方向に複数設け、開口部は端部の曲面を含む表面側，端部の曲面を含む裏面側、と交互に繰返す配置とすることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、曲げ変形が発生したときに圧縮応力が発生するブレードの不安定な面外変形を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の制御棒の例である。
【図２】本発明の制御棒のブレードの断面である。
【図３】本発明のシースに設けられる開口部の配置を示した図である。
【図４】本発明のシースに設けられる開口部の形状を示した図である。
【図５】制御棒の断面図である。
【図６】制御棒の断面二次モーメントを示した図である。
【図７】本発明の制御棒のシースに発生する変形を示した図である。
【図８】本発明のシースに設けられる薄板部の形状を示した図である。
【図９】本発明のシースに設けられる孔の配置を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施例を図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１１】
本発明の好適な一実施例である制御棒を、図１から図７を用いて説明する。本実施例の制御棒はＢＷＲに用いられる。
【００１２】
制御棒は、横断面が十字形をしており、軸心から四方に伸びる４枚のブレードを有する。図１は、十字型に配置された４枚のブレードのうち、２枚が紙面に平行に、他の２枚が紙面に鉛直になる向きから見たときの図である。タイロッド１の上端部にハンドル２が取付けられ、下端部に下部支持部材３が取付けられる。タイロッド１とハンドル２と下部支持部材３からなる構造にシース４が溶接部５ａ，５ｂ，５ｃで接合されている。シース４はオーステナイト系ステンレス鋼からなるＵ字形状の部材であり、ブレードの外殻を形成している。ブレードは、それを構成するシースの内部に中性子吸収材であるハフニウムからなる扁平形状をしたチューブ（以下、フラットチューブという）が配置されている。
【００１３】
１体のフラットチューブの長さは、ハンドルとタイロッドとの間の距離の１／２であり、一枚のブレードの中に４体のフラットチューブが取付けられている。図１において、６ａはハンドルの翼端側に取付けられたフラットチューブである。６ｂは下部支持部材の翼端側に取付けられたフラットチューブである。６ｃはハンドルのタイロッド側に取付けられたフラットチューブである。６ｄは下部支持部材のタイロッド側に取付けられたフラットチューブである。このように、１枚のブレードにおいて、ハンドルに２体のフラットチューブが取付けられ、また下部支持部材に２体のフラットチューブが取付けられている。
【００１４】
シース４は、これらのフラットチューブ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを覆うように配置され、タイロッド１，ハンドル２，下部支持部材３にタブという凸形状をした領域で溶接されて接合されている。
【００１５】
フラットチューブは、ハンドルとタイロッド間の距離の１／２の長さのものがハンドル２および下部支持部材３に設置されてシース内に配置されているが、ハンドル２から下部支持部材３まで１体でつながっていないため、制御棒の長手方向の荷重を支持することはできない。一方、シース４は、ハンドル２から下部支持部材３まで１体の連続した構造でつながっているため、例えばハンドル２に負荷された荷重を下部支持部材３まで伝達することができ、構造部材とすることができる。なお、タイロッド１もハンドル２から下部支持部材３まで１体の連続した構造でつながっており、構造部材の役割を果たす。
【００１６】
本実施例の制御棒の１枚のブレードの１断面を図２に示す。本実施例の制御棒では、シースのタイロッド側の端から、それと反対側の端（以下、翼端という）までの幅のうち、翼端側の１／２の範囲の領域７の厚さが、タイロッド側の１／２の範囲の厚さよりも薄くなっている。これらの厚さが代わる部分は、１／４円を２個配置した形状１３で滑らかにつながっている。また、シース内に配置されたフラットチューブの厚さは、翼端側に配置された６ａまたは６ｂの方が、タイロッド側に配置された７ａまたは７ｂよりも薄くなっている。
【００１７】
シースの翼端部は英文字のＵ字形状に曲げられているが、その曲面の一部を含む部分に開口部８が設けられている。図３には、シース４の翼端部に設けられた開口部８ａと８ｂの配置を示す。シースの一方の面を表面９ａとし、他の面を裏面９ｂとする。図３に示したシース４とＡ面およびＢ面との交差部を、図３に示した点Ｏから矢視したときの形状を図４に示す。図４からわかるように、開口部８ａは、シース端部の曲面部を含み表面９ａ側に設置されている。一方、開口部８ｂは、シース端部の曲面部を含み表面９ｂ側に設置されている。この開口部のハンドルからタイロッドに向かう方向（以下、長手方向）は、表面と裏面とで交互に配置される。また、制御棒は４枚のブレードを有する。図１に示されているようにシースの開口部は、４枚のブレードの翼端部で長手方向の同じ位置に存在しないように配置されている。
【００１８】
このようなシースを有する制御棒の利点を順次説明する。制御棒は燃料集合体内部を上下方向に移動してその挿入量を調整することにより中性子吸収量が調節され、原子炉の出力が調節される。また、緊急時には所定の速度で制御棒が燃料集合体に挿入される。このような、制御棒の鉛直方向の移動では、挿入中は加速され、一方、制御棒が全て挿入されたときには、制御棒の急停止によって最高速度から速度が０になる。この際に制御棒の長手方向には過大な荷重が負荷される。この荷重は、荷重を断面積で除した長手方向の応力を求め、それが所定の範囲内になっているかどうかで成立性が判断される。すなわち、制御棒の断面は、挿入時の慣性力に起因する応力を評価して設計される。
【００１９】
ところで、制御棒の曲げ変形は、断面の曲げ剛性に依存する。曲げ剛性は、材料のヤング率と断面二次モーメントとの積で計算される。図５に制御棒の断面図を示す。中央に十字形状をしたタイロッド１が配置され、タイロッドにＵ字形状をしたシース４が接合されている。図５に示した中立軸１０周りの断面二次モーメントを計算した結果を図６に示す。中立軸からの距離が大きい部分の領域が断面二次モーメントに及ぼす影響が大きい。そこで、中立軸から離れた翼端側の１／２の部分の板厚さを薄くすることは、断面二次モーメントを低減させる。一方、挿入時に発生する長手方向応力を支持するためには所定の断面積が必要となる。そこで、翼端側で薄くした分をタイロッド側の１／２の部分を厚くすることにより補充する。このような板厚さ分布にしたときの断面二次モーメントの分布を図６に併せて示す。タイロッド側の１／２領域を厚くし、翼端側の１／２の領域の厚さを１／２にしたときの断面二次モーメントを曲線１２に示す。断面二次モーメントは従来構造の７０％になる。開口部を翼端部に設けることにより、開口部では断面積が０であるため、その分断面二次モーメントはさらに低減される。なお、図２において、板厚さが変化する領域１３の形状は、１／４円の組合せにより形状が滑らかに変化する。そのため、形状不連続に起因した応力集中は生じない。
【００２０】
次に、１枚のブレードにおいて、シースの開口部を長手方向に表面，裏面と交互に配置する利点を、図７を用いて説明する。
【００２１】
図７において一点鎖線１４は、開口部がないシースに圧縮荷重が負荷されたときの変形を模式的に示している。圧縮荷重が負荷されるブレードでは、荷重が増加していくと、ブレードの寸法，形状、および端部の拘束条件から定まる荷重において不安定な面外変形が発生する。１５は表面と、裏面と交互に開口部を設けた場合である。長手方向の荷重による内力の流れは開口部で不連続になる。その結果、１５において一点鎖線１７で示されるジグザグ形状の面外変形が開口部の位置との関係で発生する。変形は多数発生するが、個々の変形量は小さく抑えることができる。なお、開口部にシースの内側へのＶ字形状曲げ加工１８をつけておく。この曲げ加工１８によりシースに膨れが発生することなく、開口部の反対側の方向に凸になる変形を発生させることができる。
【００２２】
次に、翼端側のフラットチューブの断面積をタイロッド側のフラットチューブの断面積よりも大きくする利点を説明する。燃料集合体の配置に関連して、制御棒では翼端側の中性子照射量が、タイロッド側と比較すると高くなる。そのため、翼端側の制御棒の中性子吸収量が制御棒の寿命に影響を及ぼし、翼端側の制御棒の中性子吸収量が多いほど、制御棒全体の寿命は長くなる。
【００２３】
実施例１の制御棒では、図１に示したハンドルおよび下部支持部材に取付けられた翼端部側のフラットチューブ６ａと６ｂの断面積を大きくすることにより、長寿命化を図ったものである。ところで、制御棒が受ける中性子照射は、長手方向にも分布があり、制御棒の軸長において、ハンドル側の１／２の方が、中性子照射量が多い。したがって、制御棒の寿命に影響を及ぼすのはブレードの翼端側、長手方向位置ではハンドル側の１／２の部分となる６ａである。そのため、ブレードの翼端側，長手方向位置では下部支持部材側の１／２の部分６ｂのフラットチューブは厚さを増加させなくても良い。この場合には、フラットチューブの体積が減るため、制御棒の重量が軽減され、それを支持するためのシースの板厚さも薄くすることができる。
【００２４】
以上に述べた、実施例１により、制御棒挿入時の慣性力に対する強度を確保し、同時に曲げ剛性の低減により地震動に対する変形の追従性が確保され、曲げ変形により圧縮応力が発生するブレードでは、微小な面外変形が多数発生することによりブレード全体に大きな面外変形が発生するのが抑制され、さらに翼端側のフラットチューブを厚くすることにより翼端側の中性子吸収量を多くすることができ、制御棒の長寿命化を図ることが可能になる。また、シースの板厚に厚い部分と薄い部分を設けずに、翼端部に開口部を設けるのみでも良い。翼端部は中立軸から最も離れた位置であるため、断面積の減少が断面二次モーメントの低減に及ぼす影響が最も大きい。
【００２５】
以上に述べた制御棒１のシースは、最初に一枚の平板において、翼端部の薄い領域をフライス盤で加工し、次に板厚が薄い部分と厚い分部の遷移領域もフライス盤で加工し、さらに端部に設けた開口部はパンチで孔あけ加工する。つぎにＵ字形状に曲げ加工することによりシースとなる。ここで、フライス盤による切削加工およびパンチによる孔あけ加工は、工業生産上汎用に用いられている工法であり、本実施例のシースを製作する上で何ら支障は発生しない。すなわち、本実施例の制御棒は汎用の加工方法を用いて容易に実施できるものである。
【実施例２】
【００２６】
実施例２を図８を用いて説明する。
【００２７】
本実施例は、実施例１において翼端部に開口部を設けずに、実施例１と同様に過大な荷重が負荷されたときに微小な面外変形を多数発生させて、ブレードの面外変形量を抑制するものである。本実施例では、ブレードの長手方向位置の表面と裏面に板厚さの不均一部を設け、それにより曲げ剛性の低減および面外変形量の低減を図るものである。
【００２８】
図８に本実施例のシースの断面形状を示す。薄板部１９はシースの外面を端部の曲面を含む位置で切削してある。この薄板部が、ブレードの長手方向に、表面および裏面で交互になるように配置する。このようにブレードの翼端側に薄板部を設けることにより、タイロッド側の断面積を低減するよりも効率よく断面二次モーメントを低減することができる。中心線に対して板厚の分布が不均一になっているため、実施例１の表裏面に交互に開口部を設けた場合と同様に面外変形が発生する位置を制御することができる。実施例２の制御棒のシースも、実施例１の場合と同様に最初に一枚の平板において、板厚さを薄くする部分をフライス盤で加工する。次に、Ｕ字形状に曲げ加工することによりシースとなる。なお、シースの薄板部の配置は、実施例１と同様に４枚のブレード上では長手方向で同一位置にならないようにする。これにより長手方向の最小断面積を大きくとることができる。
【実施例３】
【００２９】
実施例３を図９を用いて説明する。
【００３０】
図９は実施例３の制御棒のブレードのうちの１枚を示している。実施例３では、表面と裏面の形状の非対称性を、翼端部の曲面を含む表裏面に配置した開口部または薄板部ではなく、シースの翼端部の曲面を含まない表裏面に孔２０ａと２０ｂとを開けることにより設けたものである。表裏面に設けられた孔が長手方向の同じ位置にないために、圧縮応力の分布は表裏面で異なり、過大な圧縮応力が負荷された場合には、微小な面外変形が多数発生する。その変形量は、対称形状で発生する面外変形の最大値よりも小さくすることができる。
【実施例４】
【００３１】
実施例１から実施例３までに示した制御棒では、翼端部に設け開口部、シースに局所的に設ける薄板部、およびシースの表裏面に設ける孔の位置が、４枚のブレードの長手方向位置で同一にならないようにして、最小断面積が小さくならないようにした。一方、切欠き部が長手方向の同一位置になるように配置した方が、同一にならないように配置した場合よりも曲げ剛性は小さくなる。そこで、実施例４は、曲げ剛性の低減を目的に、シース端部の曲面部を含む開口部を長手方向の同一位置に設けた制御棒である。実施例１を説明した図１では、開口部８ａおよび８ｂがそれぞれのブレードで異なる長手方向の位置に設けられている。一方、実施例４では、これらの開口部８ａおよび８ｂがそれぞれのブレードで同じ長手方向の位置に設けられる。
【実施例５】
【００３２】
実施例１から４で説明した制御棒は、中性子吸収材がハフニウム−フラットチューブ以外の場合である。
【００３３】
中性子吸収材として、ハフニウムからなる円柱状の棒をハンドルから吊るした制御棒がある。この制御棒は公知の技術である。このハフニウム−フラットチューブ制御棒において、シースを上記の実施例１に記載の翼端側で板厚を薄くし、さらに翼端部に長手方向にその配置が表側と裏側と交互に開口部を設けることにより、中性子吸収材がハフニウム−フラットチューブの場合と同様な効果を得ることができる。
【００３４】
また、中性子吸収材としてＢ4Ｃの焼結材を小口径管に封入し、それをハンドルおよび下部支持部材に設置したＢ4Ｃ型の制御棒がある。この制御棒も公知の技術である。このＢ4Ｃ型制御棒において、シースを上記の実施例１に記載の翼端側で板厚を薄くし、さらに翼端部に長手方向にその配置が表側と裏側と交互に開口部を設けることにより、中性子吸収材がハフニウム−フラットチューブの場合と同様な効果を得ることができる。
【００３５】
以上の中性子吸収材が、ハフニウムの棒およびＢ4Ｃの場合であっても、それらの中性子吸収材がシースで覆われている場合には、シースに実施例１のように板厚さの変化および端部の開口部を設けるか、または実施例２のように板厚さの変化を設けることにより、断面二次モーメントの低減および圧縮応力が発生するブレードでは過大な荷重が負荷されたときに微小で局所的な面外変形を多数発生させることにより、少数の過大な面外変形の発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１  タイロッド
２  ハンドル
３  下部支持部材
４  シース
５ａ  シースとハンドルの溶接部
５ｂ  シースとタイロッドの溶接部
５ｃ  シースと下部支持部材の溶接部
６ａ  ハンドルの翼端側に取付けられたフラットチューブ
６ｂ  下部支持部材の翼端側に取付けられたフラットチューブ
６ｃ  ハンドルのタイロッド側のフラットチューブ
６ｄ  下部支持部材のタイロッド側のフラットチューブ
７  翼端側の１／２の領域
８  開口部
８ａ  Ａ面部の開口部
８ｂ  Ｂ面部の開口部
９ａ  シースの表面
９ｂ  シースの裏面
１０  中立軸
１１  従来構造の断面二次モーメント
１２  実施例１の断面二次モーメント
１３  板厚さが変化する領域の形状
１４  開口部がないシース
１５  非対象な開口部を有するシース
１６  内力の方向
１７  変形
１８  シースの内側への曲げ
１９  薄板部
２０ａ  表面に開けられた孔
２０ｂ  裏面に開けられた孔
【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】
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【図８】
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【図９】
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