特許 6013896 制御棒

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6013896

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】制御棒

(51)【国際特許分類】

   G21C 7/113 20060101AFI20161011BHJP

   G21C 7/24 20060101ALI20161011BHJP

【ＦＩ】

   G21C7/10 J

   G21C7/24

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2012-274356(P2012-274356)

(22)【出願日】2012年12月17日

(65)【公開番号】特開2014-119337(P2014-119337A)

(43)【公開日】2014年6月30日

【審査請求日】2015年3月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 敦志

(72)【発明者】

【氏名】町田 浩一

【審査官】 後藤 孝平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−２０８９５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０５４３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−１１８９７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ２１Ｃ ７／１１３

Ｇ２１Ｃ ７／２４

Ｇ２１Ｄ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

タイロッドと、前記タイロッドの上端部に取り付けられたハンドルと、前記タイロッドの下端部に取り付けられた下部支持部材と、上端部が前記ハンドルに取り付けられ、下端部が前記下部支持部材に取り付けられ、さらに、前記タイロッドに取り付けられ、かつ横断面がＵ字状をしていて前記タイロッドから四方に伸びる４つのシースと、それぞれのシース内に配置されたハフニウム部材とを備え、
前記ハフニウム部材が、前記ハンドルの下端部に設けられた第１保持部に、軸心に垂直な断面が円である第１ピン部材によって取り付けられる第１ハフニウム部材を含んでおり、
前記シースの内面に向かって突出する第１突起部が前記第１ピン部材の両端部にそれぞれ形成され、
前記第１突起部と前記シースの内面とが点接触をしており、この第１点接触の位置から前記第１突起部の根元に向かって、前記第１突起部の断面積が増加しており、
前記第１点接触の位置を取り囲む第１の隙間が前記第１突起部の表面と前記シースの内面の間に形成されていることを特徴とする制御棒。

【請求項2】

前記シースの内面と前記第１ピン部材との前記第１点接触の位置から前記シースの内面に沿って１．０ｍｍよりも外側の領域では、前記シースの内面に垂直な方向における前記第１突起部の表面と前記シースの内面との間の距離ｈが０．２ｍｍ＜ｈ≦１．０ｍｍを満足している請求項１に記載の制御棒。

【請求項3】

前記第１突起部は、前記シースの内面と前記第１突起部の表面とのなす角度θが１１．３°≦θ＜９０°を満足している錐体状突起部である請求項２に記載の制御棒。

【請求項4】

前記ピン部材の両端部には前記ピン部材の前記軸心に垂直な平面がそれぞれ形成されており、前記第１突起部は前記平面から前記シースの内面に向かって突出しており、前記平面と前記シースの内面の間に形成される第２の隙間の幅Ｇが０．２ｍｍ＜Ｇ≦１．０ｍｍを満足している請求項１または２に記載の制御棒。

【請求項5】

前記ハフニウム部材が、前記下部支持部材の上端部に設けられた第２保持部に、軸心に垂直な断面が円である第２ピン部材によって取り付けられ、前記第１ハフニウム部材の下方に配置される第２ハフニウム部材を含んでおり、
前記シースの内面に向かって突出する第２突起部が前記第２ピン部材の両端部にそれぞれ形成され、
前記第２突起部と前記シースの内面とが点接触をしており、この第２点接触の位置から前記第２突起部の根元に向かって、前記第２突起部の断面積が増加しており、
前記第２点接触の位置を取り囲む第３の隙間が前記第２突起部の表面と前記シースの内面の間に形成されている請求項１に記載の制御棒。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、制御棒に係り、特に、沸騰水型原子炉に適用するのに好適な制御棒に関する。

【背景技術】

【0002】

沸騰水型原子炉で用いられる従来の制御棒の構造及びこれが設置される環境について説明する。沸騰水型原子炉は、複数の燃料集合体が装荷された炉心を原子炉圧力容器内に有している。これらの燃料集合体内に存在する核燃料物質に含まれたウラン２３５が、中性子を吸収して核分裂を起こし、熱を発生する。炉心に供給された炉水（冷却水）は、その熱によって加熱されて沸騰し、一部が蒸気になる。炉心内では、上記の核分裂によって新たに発生する中性子が他のウラン２３５を分裂させる連鎖反応が起きている。

【0003】

核分裂の連鎖反応量を制御するため、中性子吸収材を内部に収納する制御棒が利用される。このうち、沸騰水型原子炉で通常使用される制御棒は、横断面が十字形をしており、４体の燃料集合体のチャンネルボックスの相互間に形成される間隙（飽和水領域）内に挿入される。４体の燃料集合体にて構成される１つのセル当たり１体の制御棒が設けられる。原子炉圧力容器内でほぼ１つのセル毎にそれら４体の燃料集合体の下方に、制御棒案内管が配置される。制御棒は、セル内の４体の燃料集合体の各チャンネルボックス、及び制御棒案内管をガイド部材として利用する。また、制御棒は、下端部が制御棒駆動機構に連結され、制御棒駆動機構の駆動操作によって炉心に挿入され、炉心から引抜かれる。制御棒は、反応度制御及び出力分布の調整に用いられる重要機器である。

【0004】

沸騰水型原子炉に用いられる従来の制御棒の構造を簡単に説明する。この制御棒は、ハンドルがタイロッドの上端部に、落下速度リミッタがタイロッドの下端部にそれぞれ接合され、タイロッドの中心軸に位置するタイロッドから四方に伸びる４枚のブレードを有している。各ブレードは、タイロッドに取り付けられた、横断面がＵ字状であるシースを有し、このシース内に、中性子吸収材である複数のハフニウム部材を配置している（例えば、特開平９−６１５７６号公報及び特開２００９−４１９９４号公報参照）。

【0005】

ハフニウム部材を用いた上記の制御棒では、横断面が楕円形でタイロッドの軸方向長さの約半分の軸方向長さを有する４本のハフニウム楕円管が、シース内に配置されている。４本のハフニウム楕円管のうち２本のハフニウム楕円管の上端部が、固定用ピンによって、ハンドルの下端に設けられた２つの舌状部にそれぞれ取り付けられている。残りの２本のハフニウム楕円管の下端部が、固定用ピンによって、下部支持部材（または落下速度リミッタ）の上端に設けられた２つの舌状部にそれぞれ取り付けられている。下部支持部材（または落下速度リミッタ）に取り付けられた２本のハフニウム楕円管は、ハンドルに取り付けられた２本のハフニウム楕円管の下方に配置される。

【0006】

近年、沸騰水型原子炉に用いられる制御棒においてのシース表面に微小なひびが生じる事象が報告されている。このひびが、応力、腐食及び放射線照射の３つの環境要因が重畳した時に発生する照射誘起型応力腐食割れ（ＩＡＳＣＣ：Irradiation Assisted Stress Corrosion Cracking）であると考えられている。

【0007】

制御棒のシースにおけるＩＡＳＣＣの抑制のために、ハフニウムを含む希釈合金板内に複数の中性子吸収棒を挿入して構成された中性子吸収部材とシースの間に形成される隙間を所定幅に保持した制御棒が、特開平１−２８４７９６号公報に記載されている。その隙間の保持は、シースに形成された複数の窪み部の内面を中性子吸収部材の表面に接触させることによって行われる。ハフニウム板で構成された中性子吸収部材とシースの間の隙間を所定幅に保持する技術は、特開昭６０−６０５８５号公報及び特開平４−２８９４９０号公報にも記載されている。

【0008】

また、特開２０１１−２０８９５９号公報には、制御棒において、ハフニウム楕円管を舌状部に取り付ける固定用ピンの両端とこれらにそれぞれ対向するシースの間にそれぞれ形成される隙間に不純物が蓄積され、その隙間に隙間腐食環境が形成されて固定用ピン付近のシースに照射誘起型応力腐食割れが生じる可能性があることが記載されている。この照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制するために、特開２０１１−２０８９５９号公報に記載された制御棒では、シースに内面側が開放されて固定用ピンの端部を横切っている冷却水通路をその固定用ピンの両端部に形成し、この冷却材通路をタイロッドの軸方向に配置している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開平９−６１５７６号公報

【特許文献2】特開２００９−４１９９４号公報

【特許文献3】特開平１−２８４７９６号公報

【特許文献4】特開昭６０−６０５８５号公報

【特許文献5】特開平４−２８９４９０号公報

【特許文献6】特開２０１１−２０８９５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

特開２０１１−２０８９５９号公報では、タイロッドの軸方向に配置された冷却材通路をシースに対向する固定用ピンの端部に形成しており、シース内において冷却水がこの冷却水通路内を流れるために、固定用ピンの端部とシース内面の間への不純物の蓄積が抑制される。このため、固定用ピン付近のシースに照射誘起型応力腐食割れが生じることを抑制できる。

【0011】

しかしながら、固定用ピンはハフニウム楕円管及び舌状部に固定されていないために、沸騰水型原子炉の運転中においてシース内を流れる冷却水の流動によって、固定用ピンが回転する可能性がある。この固定用ピンの回転によって、例えば、固定用ピンの端部に形成された冷却水通路がタイロッドの軸方向と直交する方向を向いた場合には、冷却水通路の両側に存在して下側になる、固定用ピンの凸部が、固定用ピンとシースの間を上昇しようとする冷却水の流れを妨げるため、冷却水のよどみがその凸部の下方に生じる。このよどみの発生は、照射誘起型応力腐食割れが固定用ピンの端部付近のシースに生じる恐れがある。

【0012】

本発明の目的は、ハフニウム部材を支持する固定用ピンが回転した場合でも冷却水のよどみの発生を抑制できる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】

【0013】

上記の目的を達成する本発明の特徴は、シース内のハフニウム部材が軸心に垂直な断面が円であるピン部材によってハンドルの下端部に設けられた保持部に取り付けられ、シースの内面に向かって突出する突起部がピン部材の両端部にそれぞれ形成され、突起部とシースの内面とが点接触をしており、この点接触の位置から突起部の根元に向かって、突起部の断面積が増加しており、その点接触の位置を取り囲む隙間が突起部の表面とシースの内面の間に形成されていることにある。

【0014】

ピン部材の両端部に形成されたそれぞれの突起部とシースの内面とが点接触をしているので、ピン部材が原子炉の運転中におけるシース内での冷却水の流動によって回転しても、その点接触の位置を取り囲んで形成された、突起部の表面とシースの内面の間の隙間に、冷却水が流れる。このため、シース内において、冷却水のよどみが突起部によって発生することを抑制することができ、シースの内面の、突起部付近での照射誘起型応力腐食割れの発生を抑制することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、沸騰水型原子炉の制御棒においてハフニウム部材を支持する固定用ピンが回転した場合でも冷却水のよどみの発生を抑制することができ、シースに発生する沸照射誘起型応力腐食割れを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の好適な一実施例である実施例１の制御棒の側面図である。

【図2】図１のII−II断面図である。

【図3】図１のIII−III断面図である。

【図4】図２に示す固定用ピンの端部における冷却水の流動状態を示す説明図である。

【図5】制御棒のシースにおける軸方向の中性子照射量分布を示す特性図である。

【図6】シース模擬試験片を用いた隙間腐食試験において得られたシース模擬試験片におけるひびの発生の有無を示す説明図である。

【図7】シース及び固定用ピンを模擬した試験体を用いた隙間腐食試験の一例を示す説明図である。

【図8】シース模擬試験片を用いた隙間腐食試験の結果に基づいた、腐食抑制範囲となる隙間の奥行きと隙間幅の関係を示す特性図である。

【図9】隙間腐食試験の結果を反映して創生された固定用ピンの端部に形成された突起部の拡大図である。

【図10】本発明の他の好適な実施例である実施例２の制御棒における固定用ピン付近の縦断面図である。

【図11】図１０に示す固定用ピンの端部に形成された突起部の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

発明者らは、特開２０１１−２０８９５９号公報に記載された制御棒を検討した。この結果、前述したように、沸騰水型原子炉の運転中においてシース内を流れる冷却水の流動によって、ハフニウム部材を支持する固定用ピンが回転して固定用ピンの端部に形成された冷却水通路がタイロッドの軸方向と直交する方向を向く可能性があり、冷却水通路の両側に存在して下側になる、固定用ピンの凸部の下方に冷却水のよどみが生じる恐れがあることが判明した。冷却水のよどみは、固定用ピンの端部付近のシースに照射誘起型応力腐食割れを発生させる可能性がある。

【0018】

このため、発明者らは、固定用ピンが原子炉の運転中に回転しても、固定ピンの下方に冷却水のよどみが生じない制御棒の構造を検討した。この検討結果を以下に説明する。

【0019】

照射誘起型応力腐食割れは、放射線照射、応力及び隙間のどれか１つの要因を除くことにより防ぐことができる。しかしながら、制御棒は炉心内に挿入されるので放射線の照射環境を取り除くことは困難である。特に、原子炉の運転時に炉心に挿入されて原子炉出力を制御する制御棒のシースは、図５に示すように、そのシース内に配置された中性子吸収部材であるハフニウム部材（例えばハフニウム楕円管）の上端部において原子炉の運転中での累積の中性子照射量が大きくなる。これは、その範囲が中性子束密度の高い領域である炉心の軸方向での中央部に位置する期間が長く、また、炉心から引き抜かれる時期が最も遅いからである。原子炉を起動するときに炉心に挿入されていた多数の制御棒の大部分は、昇温昇圧過程が終了した時点で炉心から全引抜されている。

【0020】

隙間腐食環境は、制御棒の中性子束密度が高い位置で、さらに原子炉内の冷却水に含まれる不純物及び腐食生成物などがシース内面の特定位置に堆積してシース内に隙間部が形成されることによって、シースに腐食をもたらすと、発明者らは考えている。特に、シース内面とハフニウム楕円管外面の間に形成される隙間の幅よりもシース内面と固定用ピンの端面との間に形成される隙間の幅が狭いため、原子炉の運転中に制御棒が炉心に挿入されているとき、シース内を流れる冷却水に含まれる腐食生成物等が後者の隙間に堆積しやすくなる。

【0021】

そこで、発明者らは、原子炉運転中でも固定用ピンの両端面でシースとの間に所定幅の隙間を確保することが望ましいと考えた。所定幅の隙間を形成することにより、固定用ピンの端面とシースの間の腐食環境を改善し、シースにおけるひびの発生を抑制できるのである。詳細を以下に説明する。

【0022】

発明者らは、図６（ａ）に示すように、ハフニウム楕円管とシースの間に形成される隙間を模擬して２枚のステンレス鋼板１３の間に隙間を形成した模擬試験体を用いて、隙間腐食試験を行った。隙間腐食試験は、対向しているステンレス鋼板１３間の隙間の幅を０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．２ｍｍ及び０．３ｍｍの４通りに変えた各模擬試験体を作成し、これらの模擬試験体を用いて行った。２枚のステンレス鋼板１３を２本の締結具１４であるボルトで連結し、各模擬試験体における隙間の幅の調節は締結具１４を調節することによって行った。隙間腐食試験は、各隙間幅を有する２枚のステンレス鋼板１３を有する各模擬試験体に放射線であるγ線を照射した場合及び照射しない場合の両方の条件で実施した。さらに、隙間腐食試験において、ステンレス鋼板１３を有する、γ線を照射した模擬試験体及びγ線を照射しない模擬試験体ごとに、腐食生成物模擬材を添加した水への浸漬時間を５００時間、１０００時間及び１５００時間と変えたそれぞれのケースについて行い、さらに、腐食生成物模擬材を添加しない水への浸漬時間を５００時間、１０００時間及び１５００時間と変えたそれぞれのケースについても行った。水の温度は２８８℃である。

【0023】

この隙間腐食試験の結果を、図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）において、模擬試験体のステンレス鋼板１３にひびが発生しない場合を×で、模擬試験体のステンレス鋼板１３にひびが発生した場合を●、■及び□で示している。●は、模擬試験体が浸漬される水に腐食生成物が添加されており２００００Ｇｙ／ｈｒでγ線が模擬試験体に照射されているケースである。■は、模擬試験体が浸漬される水に腐食生成物が添加されておりγ線が模擬試験体に照射されていないケースである。□は、模擬試験体が浸漬される水に腐食生成物が添加されていなくγ線が模擬試験体に照射されていないケースである。図６（ｂ）に示す隙間腐食試験の結果に基づいて、発明者らは、固定用ピンとシースの間に形成される隙間の幅Ｇが０．２ｍｍより広い場合に、シースにひびが発生しないことを確認した。制御棒の、炉心に装荷された燃料集合体間への挿入性を考慮し、その隙間の幅Ｇは１．０ｍｍ以下にしなければならない。したがって、固定用ピンとシースの間に形成される隙間の幅Ｇは、０．２ｍｍ＜Ｇ≦１．０ｍｍを満足する必要がある。

【0024】

０．２ｍｍ＜Ｇ≦１．０ｍｍを満足する構成としては、固定用ピンの端面にシースの内面に向かう突起を形成する構成、シースの一部を内側に固定用ピンの端面に向かって窪ませる構成、及び上記条件を満足させる幅Ｇを有する部材をシースと固定用ピンの端面の間に挿入する構成、のいずれかを採用できる。しかしながら、上記のいずれの構成を採用した場合であっても、シース４、または固定用ピン６とシース４の間に挿入された部材が固定用ピン６の端面と接触することになる。このような接触が生じる場合、接触点の近傍では０．２ｍｍ＜Ｇの条件を満たすことができない可能性があり、隙間腐食の発生が懸念された。

【0025】

そこで、発明者らは、さらに、シースと円形部材が接触する構成を、２枚のステンレス鋼板に丸棒を挟んで模擬した模擬試験体を用いて隙間腐食試験を行った。隙間腐食試験では、図７（ａ）に示すように、対向するステンレス鋼板１３（シースを模擬）の間に丸棒１５（固定用ピンを模擬）を挟んでそれぞれのステンレス鋼板１３に接触させ、ステンレス鋼板１３を締結具１４で締結して形成された模擬試験体を用いた。この隙間腐食試験では、半径を変えた丸棒１５を用い、各半径の異なる丸棒１５とステンレス鋼板１３を接触させた模擬試験体を、２８０℃の高温水中に浸漬し、γ線を照射して実施した。この隙間腐食試験の結果、丸棒１５の半径ｒが２．５ｍｍの時に隙間腐食が発生しないことが分かった。つまり、固定用ピンの端面がシースと接触する場合であっても、シースに隙間腐食が発生しない条件が存在することを、実験的に確認した。このような実験結果は、ステンレス鋼板１３と丸棒１５の側面との接触点（シースと固定用ピンの端面との接触点）からの隙間の奥行きの距離ｄ（図７（ｂ）参照）、及び隙間の奥行きの距離ｄにおける隙間幅ｈ（図７（ｂ）参照）を最適化することによって、接触点近傍でも隙間腐食を防止できることを示している。隙間の奥行きの距離ｄは、ステンレス鋼板１３の板面に対する垂線であって丸棒１５の軸心を通る垂線とステンレス鋼板１３の板面との交点の位置（図７（ｂ）では丸棒１５とステンレス鋼板の接触点）からステンレス鋼板１３の板面に沿って離れる方向に向かう距離を意味する。隙間幅ｈは、ステンレス鋼板１３の板面に垂直な方向における丸棒１５の側面とステンレス鋼板１３の板面との間の距離を意味する。

【0026】

発明者らは、特開２０１１−２０８９５９号公報に記載された制御棒における問題点、すなわち、端部に冷却水通路を形成した固定用ピンが、原子炉の運転中において回転し、一方向に伸びる冷却水通路を画定する、固定用ピンの端部に形成された突起部の下方に生じる冷却水のよどみを解消できる構造をさらに検討した。

【0027】

そこで、発明者らは、固定用ピンの端部に形成された突起部を模擬した丸棒１５の半径ｒを１．０ｍｍ、２．５ｍｍ、及び３．０ｍｍの３通りに変えた試験体（図７参照）を製作し、それぞれの試験体を用いて隙間腐食試験を行った。なお、丸棒１５の側面の曲面は固定用ピンの端面に形成した突起部の形状を表している。発明者らは、その隙間腐食試験で得られた結果を、突起部とシース内面における隙間の奥行きｄと隙間幅ｈとの関係で整理し、図８に示す。隙間腐食試験において半径ｒが２．５ｍｍの丸棒を用いた場合には、ステンレス鋼板１３に隙間腐食の発生が見られなかった。この結果から、半径ｒが２．５ｍｍの丸棒での隙間幅ｈと隙間の奥行きｄの相関より隙間幅が大きい範囲では、隙間腐食が抑制できることになる。つまり、隙間の奥行きｄが１．０ｍｍより大きい範囲では隙間幅ｈ０．２ｍｍより大きくする必要があり、隙間の奥行きｄが１．０ｍｍより小さい範囲では半径ｒが２．５ｍｍである円弧より大きい隙間幅ｈが必要であることが分かった。

【0028】

そこで、例えば、図９に示すように、端部に仰角θの錐体状突起部１０を形成した固定用ピン９Ｕによりハフニウム部材を支持する構成を制御棒に適用すれば、仰角θが１１．３°以上である錐体状突起部１０を形成する場合には、隙間の奥行きｄが１．０ｍｍ以下の領域で、隙間幅ｈが０ｍｍ＜ｈ≦０．２ｍｍを満足することができる。仰角θは、錐体状突起部１０が接触するシース３の内面と錐体状突起部１０の表面でなす角度である。仰角θは９０°未満まで可能であるが、サイズおよび加工性を考慮すると４５°以下が適当であると考える。錐体状突起部１０は、先端の一点のみでシース３に接触している。なお、隙間幅ｈの最大値が固定用ピンとシースの間に形成される隙間の幅Ｇである。

【0029】

以上の検討を踏まえて、発明者らは以下に示す（１）〜（３）の知見を得ることができた。
（１）固定用ピンの端部に形成された突起部の軸心１８（図９及び図１１参照）であってこの突起部がシースの内面に接触する位置に存在するその軸心１８がシース内面と交差する交点Ｃ（図９及び図１１参照）の位置からシースの内面に沿った１．０ｍｍより外側の領域では、距離ｈが０．２ｍｍ＜ｈ≦１．０ｍｍを満たすことにより、シースの内面における隙間腐食の発生を抑制することができる。
（２）シースと接触する、仰角θが１１．３度以上の錐体状の突起部を、固定用ピンの端面に形成することにより、その隙間腐食の発生を抑制することができる。
（３）シースと接触する、半径が２．５ｍｍ以下の半球面状の突起部を、固定用ピンの端面に形成することにより、その隙間腐食の発生を抑制することができる。

【0030】

（２）及び（３）のそれぞれの構成は、（１）の構成の具体例である。（２）及び（３）のそれぞれの構成にすることにより、交点Ｃの位置からシースの内面に沿った１．０ｍｍ以内の領域においても、突起部の表面とシース内面との間に隙間が形成され、この隙間内を冷却水が流れるので、（１）の構成よりもシース内面に隙間腐食が生じる可能性を低減することができる。

【0031】

以上の検討結果に基づいた本発明の実施例を以下に説明する。

【実施例1】

【0032】

本発明の好適な一実施例である実施例１の制御棒を図１、図２及び図３を用いて説明する。本実施例の制御棒１は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒である。

【0033】

制御棒１は、横断面が十字形であり、軸心に配置されたタイロッド４から四方に伸びる４枚のブレード２を有する。ハンドル５がタイロッド４の上端部に取り付けられ、下部支持部材６がタイロッド４の下端部に取り付けられる。下部支持部材６は、下部支持板または落下速度リミッタである。

【0034】

各ブレード２は、横断面がＵ字状をしているシース３（図２参照）、扁平な筒、例えば楕円形状の筒であるハフニウム部材７Ｕ，７Ｌを有する（図１参照）。ハフニウム部材７Ｕ，７Ｌの、シース３内面に向かい合っている各側面は、平面になっている。シース３はステンレス鋼（ＳＵＳ３０４及びＳＵＳ３１６Ｌ等）製である。シース３の上端はハンドル５に溶接され、シース３の下端は下部支持部材６に溶接されている。シース３のＵ字の両端部には、複数のタブ（突出部）１６が軸方向において所定の間隔を置いて形成されている。これらのタブ１６は、シース３の一部であるが、タイロッド４側に向かって突出している部分である。これらのタブ１６は溶接にてタイロッド４に接合されている。上記したシース３とタイロッド４、ハンドル５及び下部支持部材６とのそれぞれの接合は、例えば、レーザ溶接によって行われる。

【0035】

２つのハフニウム部材（第１ハフニウム部材）７Ｕ及び２つのハフニウム部材（第２ハフニウム部材）７Ｌが、１つのブレード２のシース３内に形成される空間内に配置されている。ハフニウム部材７Ｕはハフニウム部材７Ｌの上方に位置しており、これらの軸方向の長さは同じである。ハフニウム部材７Ｕは、ハンドル５の下端部に形成された舌状部（第１保持部）８Ｕに固定用ピン（ピン部材）９Ｕで取り付けられている。ハフニウム部材７Ｌは、下部支持部材６の上端部に形成された舌状部（第２保持部）８Ｌに固定用ピン９Ｌで取り付けられている。すなわち、ハフニウム部材７Ｕは上端部がハンドル５に取り付けられ、ハフニウム部材７Ｌが下部支持部材６に取り付けられている。これらのハフニウム部材は中性子吸収部材である。ＢＷＲの運転中においてハフニウム部材７Ｕ，７Ｌが熱膨張してもそれらのハフニウム部材が互いに接触しないように、ギャップ（図示せず）がハフニウム部材７Ｕの下端とハフニウム部材７Ｌの上端との間に形成されている。

【0036】

制御棒１は、ＢＷＲの原子炉圧力容器内に配置され、原子炉出力を制御するために、複数の燃料集合体が装荷された炉心に制御棒駆動機構（図示せず）によって出し入れされる。制御棒１は、下部支持部材６の下端部に設けられたコネクタ１７によって原子炉圧力容器の底部に設けられた制御棒駆動機構に連結される。制御棒駆動機構は、制御棒１の炉心内への挿入操作、及び制御棒１の炉心からの引き抜き操作を行う。原子炉圧力容器内を流れる冷却水（冷却材）は、シース３に形成された一部の開口８及びシース３の最下端部に形成された複数の開口１１Ｌからシース３内に流入し、ハフニウム部材７Ｕ，７Ｌを冷却して他の開口８（特に、上端部に位置する開口８）及びシース３の最上端部に形成された複数の開口１１Ｕからシース６の外に流出する。シース３内に流入した冷却水は、ハフニウム部材７Ｕに設けられた小径の開口９を通ってハフニウム部材７Ｕ内に流入し、また、ハフニウム部材７Ｌに形成された小径の開口９を通ってハフニウム部材７Ｌ内に流入する。このように、冷却水がハフニウム部材７Ｕ，７Ｌ内に流入することによって、これらのハフニウム部材の冷却効果が増大される。

【0037】

制御棒１に用いられる固定用ピン９Ｕ，９Ｌのそれぞれの端部には、複数、例えば、４個の錐体状突起部（例えば、四角錐状突起部）１０が形成されている（図４（ａ）参照）。各錐体状突起部１０は、固定用ピン９Ｕ，９Ｌのそれぞれの端部に形成される、それらのピンの軸心に垂直な平面１９に形成されている。各錐体状突起部１０は、先端の一点がシース３の内面に接触し、仰角θが、例えば、３０°になっている。なお、本実施例では、平面１９とシース３の内面の間の隙間Ｇ（隙間幅ｈの最大値）は、例えば、１．０ｍｍである。各錐体状突起部１０は、錐体状突起部１０とシース３の内面との接触点から錐体状突起部１０の根元、すなわち、平面１９に向かって断面積が増加している。

【0038】

固定用ピン９Ｕは、ハフニウム部材７Ｕを舌状部８Ｕに吊り下げるための支持部材であり、ハフニウム部材７Ｕの全重量（約１５ｋｇ）を支持している。地震等により制御棒１が水平方向に揺れたとき、シース３の内面に押し付けられる、固定用ピン９Ｕの錐体状突起部１０の先端部には、ハフニウム部材７Ｕの全重量が加えられる。錐体状突起部１０を含む固定用ピン９Ｕに用いられているオーステナイト系ステンレス鋼の引張強さが５９０Ｎ／ｍｍ^２程度であるため、上記のように錐体状突起部１０にハフニウム部材７Ｕの全重量約１５ｋｇが加わる場合には、固定用ピン９Ｕの端部に２個以上の錐体状突起部１０を形成すれば、錐体状突起部１０の機械的強度に余裕が生じる。

【0039】

本実施例によれば、錐体状突起部１０が固定用ピン９Ｕ，９Ｌのそれぞれの平面１９からシース３の内面に向って突出して錐体状突起部１０の先端がシース３の内面に接触しているため、シース３の内面と平面１９の間に１．０ｍｍの隙間が形成される。このため、シース３内に流れる冷却水が、シース３の内面と平面１９の間に形成された１．０ｍｍの隙間内を流れ、この冷却水に含まれる不純物がシース３の内面と平面１９の間に蓄積されることが防止される。これにより、固定用ピン９Ｕ，９Ｌのそれぞれと対向するシース３の部分で照射誘起型応力腐食割れが生じることを抑制できる。

【0040】

本実施例では、シース３の内面と各錐体状突起部１０の表面とのなす角度（仰角θ）が３０°であるので、錐体状突起部１０と対向するシース３の内面付近での隙間腐食の発生が抑制される。

【0041】

また、本実施例では、固定用ピン９Ｕ，９Ｌが両端部にそれぞれ錐体状突起部１０を形成しているので、錐体状突起部１０とシース３の内面との接触点（交点Ｃ）を取り囲む隙間が、シース３の内面と錐体状突起部１０の表面との間に形成される。原子炉の運転中においてシース３内の冷却水の流動によって固定用ピン９Ｕ，９Ｌのそれぞれが回転したとしても、冷却水が、常に、シース３の内面と錐体状突起部１０の表面との間に形成される隙間内を流れる。このため、本実施例では、特開２０１１−２０８９５９号公報で生じる問題点、すなわち、固定用ピンの端部に形成された冷却水通路がタイロッドの軸方向と直交する方向を向いたときにおける、その冷却水通路を画定する凸部のうち下側に位置する凸部の下方での冷却水のよどみの発生を解消することができる。本実施例では、冷却水が、常に、シース３の内面と錐体状突起部１０の表面との間に形成される隙間内を流れ、固定用ピン９Ｕ，９Ｌのそれぞれが回転したとしても錐体状突起部１０の下方に冷却水のよどみが生じない。このため、特開２０１１−２０８９５９号公報においてその冷却水のよどみに起因して固定用ピンの端部付近のシースに生じる照射誘起型応力腐食割れが、本実施例では発生しない。

【0042】

錐体状突起部１０付近での固定用ピン９Ｕ（または９Ｌ）とシース３の内面との間における冷却水の流動状態を、図４（ｂ）及び図４（ｃ）を用いて説明する。図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、固定用ピン９Ｕの端部の平面１９に形成された錐体状突起部１０をシース３の内面側から見た状態を示している。固定用ピン９Ｕの端部に形成された平面１９には、図４（ａ）に示すように、４つの錐体状突起部（四角錐状突起部）１０が形成されており、これらの錐体状突起部１０が図４（ｂ）に示すように配置されているとする。矢印で示す冷却水流が、平面１９とシース３の内面の間で隣接する錐体状突起部１０の間、及びシース３の内面と各錐体状突起部１０の表面の間を上昇する。原子炉の運転中にシース３内の冷却水の流動によって固定用ピン９Ｕが図４（ｂ）の状態から９０°回転したとする（図４（ｃ）参照）。図４（ｂ）と同様に、実線の矢印で示す冷却水流が、平面１９とシース３の内面の間で隣接する錐体状突起部１０の間、及びシース３の内面と各錐体状突起部１０の表面の間を上昇する。錐体状突起部１０に当たった冷却水流は、破線で示すように、錐体状突起部１０を迂回して流れる。固定用ピン９Ｕが９０°回転する前の状態（図４（ｂ））及び固定用ピン９Ｕが９０°回転した後の状態（図４（ｃ））において、冷却水流がシース３の内面と各錐体状突起部１０の表面の間に形成される隙間内を流れるため、錐体状突起部１０の下方に冷却水のよどみが生じない。このような冷却水の流動は、固定用ピン９Ｌの端部でも生じる。

【0043】

本実施例によれば、固定用ピン９Ｕ，９Ｌのそれぞれの端部に形成された平面１９とシース３の間における不純物の蓄積防止、及びと固定用ピンが回転した場合における錐体状突起部１０の下方での冷却水のよどみ発生の防止により、シース３における照射誘起型応力腐食割れの発生をさらに抑制することができる。

【実施例2】

【0044】

本発明の他の好適な実施例である実施例２の制御棒を図１０及び図１１を用いて説明する。本実施例の制御棒１Ａは沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）で用いられる制御棒である。

【0045】

制御棒１Ａは制御棒１において固定用ピン９Ｕ及び９Ｌのそれぞれの平面１９に形成された錐体状突起部１０を半球面状突起部１０Ａに替えた構成を有する。制御棒１Ａの他の構成は制御棒１と同じである。

【0046】

制御棒１Ａで用いられる固定用ピン９Ｕ，９Ｌは、それぞれの両端部に固定用ピンの軸心に垂直な平面１９を形成しており、これらの平面１９のそれぞれからシース３の内面に向かって複数の半球面状突起部１０Ａを突出させている。各半球面状突起部１０Ａの半径ｒは、２．５ｍｍ以下の、例えば、２．０ｍｍである。各半球面状突起部１０Ａは、半球面状突起部１０Ａとシース３の内面との接触点から半球面状突起部１０Ａの根元、すなわち、平面１９に向かって断面積が増加している。固定用ピン９Ｕ，９Ｌはオーステナイト系ステンレス鋼製である。本実施例においても、固定用ピン９Ｕ，９Ｌの両端部のそれそれぞれの平面１９に複数、例えば、４つ形成される。各々の半球面状突起部１０Ａの中心を通る、シース３の内面に対する垂線１８（実施例１における錐体状突起部１０の軸心１８に相当）とシース３の内面との交点Ｃを基点とする隙間の奥行きｄが１．０ｍｍ以内の領域では、シース３の内面に垂直な方向におけるシース３の内面と半球面状突起部１０Ａの表面との間の隙間幅ｈが０ｍｍ＜ｈ≦０．２ｍｍを満足し、隙間の奥行きｄが１．０ｍｍよりも大きい領域では０．２ｍｍ＜ｈ≦１．０ｍｍを満たしている。このため、本実施例でも、半球面状突起部１０Ａと対向するシース３の内面付近での隙間腐食の発生が抑制される。

【0047】

本実施例では、固定用ピン９Ｕ，９Ｌが両端部にそれぞれ半球面状突起部１０Ａを形成しているので、半球面状突起部１０Ａとシース３の内面との接触点（交点Ｃ）を取り囲む隙間が、シース３の内面と半球面状突起部１０Ａの表面との間に形成される。原子炉の運転中においてシース３内の冷却水の流動によって固定用ピン９Ｕ，９Ｌのそれぞれが回転したとしても、冷却水が、常に、シース３の内面と半球面状突起部１０Ａの表面との間に形成される隙間内を流れる。

【0048】

本実施例は実施例１で生じる各効果を得ることができる。また、本実施例によれば、固定用ピン９Ｕ，９Ｌにそれぞれ形成した半球面状突起部１０Ａは、実施例１における錐体状突起部１０に比べ加工性は悪いが、横方向に大きな荷重が付与された場合であっても、シースを貫通する恐れが少ないと考えられる。

【符号の説明】

【0049】

１，１Ａ…制御棒、２…ブレード、３…シース、４…タイロッド、５…ハンドル、６…下部支持部材、７Ｕ、７Ｌ…ハフニウム部材、９Ｕ，９Ｌ…固定用ピン、１０…錐体状突起部、１０Ａ…半球面状突起部、１９…平面。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】