(57)【要約】【課題】原子炉供用期間中の割れ発生リスク等を解消し、製造工程も安価で、信頼性の高い制御棒を製造することができる原子炉制御棒の製造方法を提供することにある。【解決手段】中性子吸収材であるハフニウム材を使用して溶接によりチューブ構造のブレードを製造する方法において、ハフニウム材１ａを溶接治具に固定し、不活性ガスにより雰囲気を置換し、ハフニウム材の溶接としてレーザ溶接を適用し、前記ブレードの複数の構成材を固定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉燃料の間に挿入されて反応度制御を行う原子炉制御棒の製造方法であって、中性子吸収材であるハフニウム材を使用して溶接によりチューブ構造のブレードを製造する方法において、前記ハフニウム材を溶接治具に固定し、不活性ガスにより雰囲気を置換し、前記ハフニウム材の溶接としてレーザ溶接を適用し、前記ブレードの複数の構成材を固定することを特徴とする原子炉制御棒の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の原子炉制御棒の製造方法において、
中性子吸収材であるハフニウム板の両端を曲げ、この曲げたハフニウム板の両端を規定の寸法に機械加工し、この機械加工を施した２枚のハフニウム板を合せて溶接治具に固定し、不活性ガスにより雰囲気を置換して前記ハフニウム板をレーザ溶接法にて固定する工程、
曲げたハフニウム板の機械加工後に合せ加工を行い、２枚のハフニウム板を組合せて合せ部をレーザ溶接する工程、
２枚のハフニウム板を曲げ加工のまま組合せ、その合せ部にフィラーワイヤを供給しながらレーザ溶接する工程、
不活性ガス供給口と不活性ガス排出口および酸素濃度検出用ガス吸引口を有するボックス型の溶接治具に合せたハフニウム板を固定してレーザ溶接する工程、
吸引ポンプにより不活性ガスを排出するボックス型の溶接治具に合せたハフニウム板を固定してレーザ溶接する工程、
および、ハフニウム合せ部を全長方向に複数点撮影装置にて観察し、画像処理装置により前記合せ部のズレ量を解析し、溶接軌道プログラムを修正し、合せ部の全長を連続もしくは不連続にレーザ溶接する工程、
の各工程から選ばれる１または２以上の工程を備える原子炉制御棒の製造方法。
【請求項３】
原子炉燃料の間に挿入されて反応度制御を行う原子炉制御棒の製造方法であって、中性子を吸収する複数本の吸収棒を結合ブロックと組合せ、この合せ部をレーザ溶接により接合することでブレード構造とし、前記吸収棒に中性子吸収材を封入することを特徴とする原子炉制御棒の製造方法。
【請求項４】
原子炉燃料の間に挿入されて反応度制御を行う原子炉制御棒の製造方法であって、一本の吸収棒の両端に結合ブロックを挿入し、前記吸収棒と前記結合ブロックとの合せ部をシール溶接し、この溶接により接合した前記吸収棒と前記結合ブロックとを組合せ、前記結合ブロックの合せ部を溶接することでブレード構造とすることを特徴とする原子炉制御棒の製造方法。
【請求項５】
原子炉燃料の間に挿入されて反応度制御を行う原子炉制御棒の製造方法であって、吸収棒の両端にプレートを挿入し、前記吸収棒と前記プレートの合せ部をレーザ溶接により接合し、前記プレートと前記結合ブロックとを合せ、この合せ部をレーザ溶接により結合することでブレード構造とし、前記吸収棒に中性子吸収材を封入することを特徴とする原子炉制御棒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は沸騰水型原子炉（ＡＢＷ）等の原子炉燃料の間に挿入されて反応度制御を行う原子炉制御棒の製造方法であって、中性子吸収材であるハフニウム材を使用して溶接によりチューブ構造のブレードを製造する原子炉制御棒の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
中性子吸収材としてハフニウムを使用する制御棒において、従来のものはステンレス製の薄い板でハフニウム板を挟んでブレードを構成する構造であった。
【０００３】
ブレードは原子炉燃料の間に挿入されて、反応度制御を行い緊急時には安全に炉心を停止するために重要な構成部分である。
【０００４】
ところで、ハフニウム材料とステンレス材料とでは、互いに熱膨張係数が大幅に異なるため、これらの両者を互いに強固に固定することはできず、局所的に保持し、しかも適切な摺動が行えるように設計されている。
【０００５】
しかし、ハフニウム材料とステンレス材料との隙間が大きすぎると緊急挿入動作の時の加速度が大きくなり、隙間が小さすぎると熱膨張差を吸収できないという相反する条件があり、設計裕度が狭い範囲にあった。
【０００６】
さらに、大量の中性子照射を浴びた場合の膨張や、原子炉供用運転中の酸化膜の生成の影響も重なるので、最悪条件が重複した場合には、所定の摺動範囲の吸収低減、ステンレス板に引っ張りが生じて割れが発生する等の可能性がある。
【０００７】
なお、従来では２枚のハフニウム製板材をＴＩＧ溶接により組立てる技術が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。
【特許文献１】特開平１１−２６４８８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、従来のハフニウム型制御棒の欠点を改善するため、制御棒のブレードに挟むハフニウム板をステンレス板に固定せず、ハフニウム板でチューブ構造を作り、これを上部のみで強固に保持する構造が考えられる。
【０００９】
ハフニウム材料でチューブ構造のブレードを構成するには、板材料を４枚溶接して矩形構造にする方法や、曲げ成形でボックス形状を構成する製造方法があるが、前者はハフニウム材料の特徴から酸化割れのリスクがあり、後者は成形精度の観点から高コストとなる等の課題がある。
【００１０】
本発明はこのような相反する製造上の課題を解決するためになされたものであり、原子炉供用期間中の割れ発生リスク等を解消し、製造工程も安価で、信頼性の高い制御棒を製造することができる原子炉制御棒の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するため、本発明では、原子炉燃料の間に挿入されて反応度制御を行う原子炉制御棒の製造方法であって、中性子吸収材であるハフニウム材を使用して溶接によりチューブ構造のブレードを製造する方法において、前記ハフニウム材を溶接治具に固定し、不活性ガスにより雰囲気を置換し、前記ハフニウム材の溶接としてレーザ溶接を適用し、前記ブレードの複数の構成材を固定することを特徴とする原子炉制御棒の製造方法を提供する。
【００１２】
本発明においては、（１）中性子吸収材であるハフニウム板の両端を曲げ、この曲げたハフニウム板の両端を規定の寸法に機械加工し、この機械加工を施した２枚のハフニウム板を合せて溶接治具に固定し、不活性ガスにより雰囲気を置換して前記ハフニウム板をレーザ溶接法にて固定する工程、（２）曲げたハフニウム板の機械加工後に合せ加工を行い、２枚のハフニウム板を組合せて合せ部をレーザ溶接する工程、（３）２枚のハフニウム板を曲げ加工のまま組合せ、その合せ部にフィラーワイヤを供給しながらレーザ溶接する工程、（４）不活性ガス供給口と不活性ガス排出口および酸素濃度検出用ガス吸引口を有するボックス型の溶接治具に合せたハフニウム板を固定してレーザ溶接する工程、（５）吸引ポンプにより不活性ガスを排出するボックス型の溶接治具に合せたハフニウム板を固定してレーザ溶接する工程、（６）ハフニウム合せ部を全長方向に複数点撮影装置にて観察し、画像処理装置により前記合せ部のズレ量を解析し、溶接軌道プログラムを修正し、合せ部の全長を連続もしくは不連続にレーザ溶接する工程、の各工程から選ばれる１または２以上の工程を備えることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、原子炉供用期間中の割れ発生リスク等を解消し、製造工程も安価で、信頼性の高い制御棒を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る原子炉制御棒の製造方法の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
［第１実施形態（図１）］
本実施形態では、ハフニウム製のボックス型フラットチューブの製造方法を例として説明する。この方法は、中性子吸収材であるハフニウム板の両端を曲げ、この曲げたハフニウム板の両端を規定の寸法に機械加工し、この機械加工を施した２枚のハフニウム板を合せて溶接治具に固定し、不活性ガスにより雰囲気を置換してハフニウム板をレーザ溶接法にて固定する。
【００１６】
図１（ａ）は本実施形態による原子炉制御棒の製造方法を説明するための工程図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した工程により製造される原子炉制御棒のブレードを具体的に示す長手方向端面形状を示す説明図である。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、最初の工程として製造用機器および使用材料であるハフニウム板等の準備である「前工程」を行う（Ｓ１）。
【００１８】
次に、準備したハフニウム板に曲げ加工を施す「ハフニウム板曲げ加工」を行う（Ｓ２）。ここでは、図１（ｂ）にハフニウム板の長手方向端面形状を示すように、長方形状の平板状をなすハフニウム板１ａの短手方向両端部を同一板厚方向に一定傾斜角で曲げ加工し、折曲板１ｂとする。この場合、本実施形態では、先ずハフニウム板材料の全長に沿った辺をプレスで曲げ成形する。ハフニウム材料は延性の観点から、直角曲げに近い成形は殆ど不可能（割れが発生しやすい）であるので、辺をＲ形状で鈍角曲げする。
【００１９】
次に、「ハフニウム板曲げ加工」（Ｓ２）で折曲した折曲板１ｂとしてのハフニウム板に「機械加工」を施す（Ｓ３）。この機械加工としては、図１（ｂ）に示すように、端部の曲げ部１ｂ１の余長削除と同時に、ボックス構造を形成するために長辺を平面に機械加工する。その後、機械加工で曲げ部の余長削除と同時に、ボックス構造を形成するために長辺に沿って両端面を平面１ｃ１として機械加工する。
【００２０】
さらに「機械加工」（Ｓ３）では長辺の両端面１ｅを面取り加工し、その加工が終了した２枚のハフニウム板１ｄ，１ｄを折曲端面が互いに向合う状態で接合して、ボックス構造を形成する。
【００２１】
この後、接合した２枚のハフニウム板１ｄ，１ｄを「溶接治具に固定」し（Ｓ４）、周辺雰囲気の「不活性ガスによる置換」を行い（Ｓ５）、その後、２枚のハフニウム板１ｄ，１ｄの「レーザ溶接」を行う（Ｓ６）。すなわち、ハフニウム板１ｄ，１ｄの合せ目に対し、変形と入熱削減の目的でレーザ溶接を行い、強固なボックス形状を形成する。溶接後は他の後工程を行う（Ｓ７）。
【００２２】
以上のように、本実施形態では、先ずハフニウム板１ａの全長に沿った辺をプレスで曲げ成形する。ハフニウム材料は延性の観点から、直角曲げに近い成形は不可能（割れが発生しやすい）であるので、辺をＲ形状で鈍角曲げする。その後、機械加工で曲げ部の余長削除と同時に、ボックス構造を形成するために長辺を平面に機械加工する。加工が終了した２枚のハフニウム板を合せてボックス構造を形成する。合せ目は、変形と入熱削減の目的でレーザ溶接を行い、強固なボックス形状を形成する。
【００２３】
本実施形態の製造方法によれば、曲げ成形が簡単で、しかも溶接作業の負荷も極小となり、さらに構造物として剛性の高い矩形に近い構造を容易に製造することができる。また、この製造方法では２枚のハフニウム板の合せ目が精度の良い直線となるので、高い開先位置精度が必要なレーザ溶接を簡便に適用できる利点がある。
【００２４】
［第２実施形態（図２）］
本実施形態では、フィラーを用いたハフニウムチューブのレーザ溶接による製造（フィラー挿入溶接）について説明する。なお、本実施形態および後述する他の工程については、第１実施形態と略共通する工程を適用するので、共通する工程については図１を参照し、重複する説明は省略する。
【００２５】
図２は本発明の第２実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図である。図２には、溶接装置が具体的に示してある。すなわち、加工場所にはレーザ溶接電源２、レーザ溶接ヘッド３、これらを接続する配線４およびフィラー（ワイヤ）供給装置５が設置されている。フィラー供給装置５から溶接用開先部１ｆにフィラー６が供給される構成となっている。
【００２６】
溶接時には、第１実施形態で示した曲げ構成のハフニウム板１を同実施形態で示した機械加工（Ｓ３）の後に合せ加工し、レーザ溶接工程（Ｓ６）として、２枚のハフニウム板１，１を組合せる。
【００２７】
なお、本実施形態では、開先部１ｆの形状をＶ形とし、第１実施形態における平面形とは異ならせてある。そして、この開先部１ｆにフィラー供給装置５からフィラー６を供給し、合せ部をレーザ溶接する。
【００２８】
すなわち、２枚のハフニウム板を曲げ加工のまま組合せ、その合せ部にフィラーワイヤを供給しながらレーザ溶接する。
【００２９】
このような本実施形態によれば、溶接開先の合せ部分が鋭角形状となり、この稜線をレーザ溶接することになる。その場合、平板同士の突き合せ溶接と異なり、図２に示すように、溶接による溶解が広範囲に広がり、安定した溶接を行うことに支障のある形状となるが、フィラー６入りのレーザ溶接装置を適用することにより、この課題は払拭することができる。
【００３０】
［第３実施形態（図３）］
図３は本発明の第３実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図である。本実施形態では、レーザ溶接時の裏ガス供給用の裏ガス治具７を適用する原子炉制御棒の製造方法について説明する。
【００３１】
前述のレーザ溶接を行う場合には、ハフニウム板からなるハフニウムチューブ８の酸化を防止するため裏ガスの供給が重要となる。
【００３２】
これに対し、本実施形態では、不活性ガス供給口としての不活性ガス入口９と、不活性ガス排出口としての不活性ガス出口１０，１１および酸素濃度検出用ガス吸引口としての不活性ガス入口９を有するボックス型の溶接治具である裏ガス治具７とを使用する。そして、この裏ガス治具７の大きさに合せたハフニウム板８を固定して、レーザ溶接を行うものである。
【００３３】
すなわち、図３に示すように、遮蔽用溶接治具としての裏ガス治具７を適用して不活性ガスを供給し、出口側に酸素濃度計１３を設置しておくことで、裏ガス濃度の定量的なコントロールが可能となり、高品質のレーザ溶接を可能とすることができる。
【００３４】
［第４実施形態（図４）］
図４は本発明の第４実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図である。本実施形態では、レーザ溶接時の裏ガス供給治具へのシールドガス吸引装置を付加する製造方法について説明する。
【００３５】
図４に示すように、吸引ポンプ１４を使用し、この吸引ポンプ１４により不活性ガスを吸引する。そして、ガスを排出するボックス型の溶接治具である裏ガス治具７に合せたハフニウム板からなるハフニウムチューブ８を固定し、レーザ溶接を実施する。他の工程については第３実施形態と同様である。
【００３６】
本実施形態によれば、裏ガス治具７に吸引ポンプ１４を設置することにより、所定の酸素濃度以下にする時間を大幅に節約することができ、また裏ガス治具７内を短時間に広範囲で安定した濃度にすることができるので、レーザ溶接時間を一層大幅に削減することができる。
【００３７】
［第５実施形態（図５）］
図５は本発明の第５実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図である。図５（ａ）はシステム構成を示し、図５（ｂ），（ｃ）はハフニウムチューブ８の溶接状態を示している。
【００３８】
本実施形態では、画像認識装置としての画像処理装置１５を使用して、溶接開先位置の自動判定と自動溶接化とを図る原子炉制御棒の製造方法について説明する。
【００３９】
図５（ａ）に示すように、本実施形態では、ハフニウムチューブ８のハフニウム合せ部を全長方向に複数点撮影装置としての画像センサ１６にて観察し、この観察上方を画像処理装置１５に配線１７を介して移送し、画像処理装置１５により前記合せ部のズレ量を解析する。また、レーザ溶接電源２と画像処理装置１５とを配線１８により接続しておく。そして、画像処理装置１５において溶接軌道プログラムの修正等を行い、高精度でハフニウムチューブ８の合せ部の全長を連続もしくは不連続にレーザ溶接する。
【００４０】
本実施形態によれば、ハフニウムチューブ８のハフニウム合せ部を全長方向に複数点画像センサ１６にて観察し、画像処理装置１５により合せ部のズレ量を解析し、溶接軌道プログラムを修正し、合せ部の全長を連続もしくは不連続にレーザ溶接することにより、僅かの直線精度も溶接中に補間することができる。したがって、事前の板曲げ精度や機械加工交差を緩めることができ、さらに製造性を高めることができる。
【００４１】
［第６実施形態（図６，７）］
図６は本発明の第６実施形態による原子炉制御棒の製造方法示す説明図であり、図７は本実施形態の変形例を示す説明図である。本実施形態では、中性子吸収材をステンレスパイプ等のチューブ２５に封入する構造の制御棒のレーザ溶接による組立方法を示している。
【００４２】
図６および図７に示すように、本実施形態で製造される原子炉制御棒はボックスタイプではなく、チューブ２５をそのまま中性子吸収材として使用するものである。
【００４３】
すなわち、図６の例では、中性子吸収材を封入するステンレスパイプ等のチューブ２５を結合ブロック２６で連結し、これらの結合ブロック２６同士をシール溶接部２７によって連結するようにする。
【００４４】
また、図７の例では、外側のステンレス製結合ブロック２６をチューブ２５に設けた薄型のもの２６ａと、これらの間に鏡入する厚型のもの２６ｂとにより構成し、これらをシール溶接部２７により一体化する。
【００４５】
本実施形態によれば、原子炉制御棒の製造方法で、吸収棒を結合ブロックと組合せ、合せ部をレーザ溶接により接合することでブレード構造とし、吸収棒に中性子吸収材を封入することで制御棒を構成することができる。
【００４６】
なお、ブロック、板等を取り去り、中性子吸収性能と制御棒としての剛性を実現する制御棒の構成とすることも可能である。
【００４７】
［第７実施形態（図８）］
図８は本発明の第７実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図である。本実施形態では、結合ブロック形状の改良によるレーザ溶接の高品質化技術について説明する。
【００４８】
図８は第６実施形態の変形例に相当する。すなわち、レーザ溶接そのものを容易にするために、結合ブロック２６を矩形ではなく、山形もしくは菱形等の多面体構造として実施する方法を示している。
【００４９】
この形状にすると、シール溶接部２７をレーザ溶接する場合に、狭隘部溶接となるチューブ２５同士の間隙を、軸心に垂直な方向からレーザ溶接することができ、欠陥発生の可能性を大幅に軽減することができる。
【００５０】
［第８実施形態（図９）］
図９（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明の第８実施形態による原子炉制御棒の各種製造方法の説明図である。
【００５１】
本実施形態においては、上述したチューブ構造の中性子吸収部材同士を結合するための、結合ブロックが不要となる構造例について説明する。
【００５２】
図９には、前述のチューブ構造の中性子吸収部材同士を結合するための、結合ブロックが不要となる構造例を示している。
【００５３】
軸方向側面に構造材としてのプレートを配置し、これにチューブ構造部分をレーザ溶接することにより、変形のない製造方法を提供することができる。
【００５４】
図９（ａ）には、隣接するチューブ２５を並列に隣接配置し、これらの隣接する外周面をシール溶接部２７により、軸方向に沿ってそれぞれ互いに直線状に溶接する構成が示してある。
【００５５】
また、図９（ｂ）には、隣接するチューブ２５の間に小片スペーサからなるシール溶接部２７を介してレーザ溶接したブレード部分を構成が示してある。
【００５６】
図９（ｃ），（ｄ）には、チューブ２５同士は溶接せず、パック状に溶接して構造部材に溶接する構成や波型の中性子吸収材料２９をパック溶接するものが示してある。この方法では、結合ブロックの代わりに、軸方向の構造部材プレート２８をシース３０の端部に配置し、溶接組立による製造方法を示している。
【００５７】
図９（ｅ）には、爆着にてブレード３１自体を構成して内部に貫通孔３２を形成する方法を例示している。この方法によると、上述のような構造体としてのチューブ等の装着を不要とするブレードを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態による原子炉制御棒の製造方法を説明するための工程図、（ｂ）は製造される原子炉制御棒のブレードを具体的に示す長手方向端面形状を示す説明図。
【図２】本発明の第２実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図。
【図３】本発明の第３実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図。
【図４】本発明の第４実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図。
【図５】本発明の第５実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図。
【図６】本発明の第６実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図。
【図７】第６実施形態の変形例を示す説明図。
【図８】本発明の第７実施形態による原子炉制御棒の製造方法の説明図。
【図９】（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明の第８実施形態による原子炉制御棒の各種製造方法の説明図。
【符号の説明】
【００５９】
１‥ハフニウム板、２‥レーザ溶接電源、３‥溶接ヘッド、４‥配線、５‥フィラー供給装置、６‥フィラー、７‥裏ガス治具、８‥ハフニウムチューブ、９‥不活性ガス入口、１０，１１‥不活性ガス出口、１２‥ガスボンベ、１３‥酸素濃度計、１４‥吸引ポンプ、１５‥画像処理装置、１６‥画像センサ、１７，１８,１９‥配線、２０‥レーザ溶接部、２５‥チューブ、２６‥結合ブロック、２７‥シール溶接部、２８‥構造部材プレート、２９‥波板の中性子吸収材、３０‥シース、３１‥ブレード、３２‥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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