特開 2025-12343 原子炉用制御棒

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025012343

(43)【公開日】2025-01-24

(54)【発明の名称】原子炉用制御棒

(51)【国際特許分類】

   G21C 7/113 20060101AFI20250117BHJP

   G21C 7/10 20060101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

G21C7/113

G21C7/10 300

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023115107

(22)【出願日】2023-07-13

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145816

【弁理士】

【氏名又は名称】鹿股 俊雄

(74)【代理人】

【識別番号】100195718

【弁理士】

【氏名又は名称】市橋 俊規

(74)【代理人】

【識別番号】100196003

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 太郎

(72)【発明者】

【氏名】中村 光晴

(72)【発明者】

【氏名】片山 義紀

(72)【発明者】

【氏名】田嶋 智子

(72)【発明者】

【氏名】島津 忠昭

(57)【要約】

【課題】ハフニウム板１０を３Ｄプリンターにより積層造形することで、溶接による残留応力や照射による変形を抑制し、原子炉用制御棒１の信頼性及び安全性を向上させるとともに長寿命化を図る。
【解決手段】原子炉用制御棒１の中性子吸収材であるハフニウムを３Ｄプリンターにより積層造形する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子炉用制御棒の中性子吸収材であるハフニウムを３Ｄプリンターにより積層造形したことを特徴とする原子炉用制御棒。

【請求項2】

前記ハフニウムはハフニウム板であり、
原子炉用制御棒のシース内の対向するハフニウム板は、当該対向するハフニウム板の間の間隔を保持する凸部状のハフニウム製のコマを有し、
前記ハフニウム板とハフニウム製のコマは３Ｄプリンターにより一体的に積層造形し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】

前記シース内の長手方向に複数のハフニウム板を積層するとともに、当該ハフニウム板の上端部に、隣接するハフニウム板の下端部に当接する当接部を設け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】

前記複数のハフニウム板の板厚を変化させたことを特徴とする請求項３記載の原子炉用制御棒。

【請求項5】

前記ハフニウム板を分割せずに前記シース内に長手方向にわたって収容するとともに、当該ハフニウム板の板厚を長手方向にわたって連続的に変化させ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6】

前記ハフニウムはハフニウムチューブであり、
前記ハフニウムチューブを前記シース内に長手方向にわたって収容するとともに、当該ハフニウムチューブの板厚を長手方向にわたって連続的に変化させ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7】

前記ハフニウムはハフニウム棒であることを特徴とする請求項１記載の原子炉用制御棒。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、沸騰水型原子炉等に適用される原子炉用制御棒に係り、特にハフニウムを用いた原子炉用制御棒に関する。

【背景技術】

【0002】

沸騰水型原子炉等に適用される原子炉用制御棒１は、図８～図１０に示すように、上部構造材４と下部構造材５とを結合するタイロッド６と、このタイロッド６から放射状に突出し、その外郭部が深いＵ字形断面のシース７によって構成されたウイング２と、シース７の内部に設けられ、タイロッド６の軸心と平行に配列された複数ハフニウム板１０からなる中性子吸収材とから構成されている。

【0003】

従来、このような原子炉用制御棒１において、長寿命型制御棒としてフラックストラップ型ハフニウム制御棒が知られている。この原子炉用制御棒１は、図１０に示すように、ハフニウム又はハフニウム合金からなる一対の板状体（以下、ハフニウム板１０という）を対向させ、ステンレス製のシース７内に収容されている。

【0004】

この原子炉用制御棒１は、中性子吸収材であるハフニウム板１０をウイング２の軸方向（長手方向）に分割して配置し、各分割区分のハフニウム板１０の板厚を各区分における中性子吸収量に応じて定めたもので、これにより原子炉用制御棒１の全体にわたり中性子吸収材の核的寿命を均一化している。

【0005】

具体的には、各ウイング２は図１０に示すように、ウイング２の外殻を形成するシース７の内面に複数のコマ１２を用いてハフニウム板１０を対向状態で溶接固定した構成とされている。また、シース７は図９に示すように、タイロッド６にスポット溶接等による溶接部９によって保持されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平９－１１３６６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上述した従来のフラックストラップ型の原子炉用制御棒１では対向したハフニウム板１０をシース７で挟み込みコマ１２により間隔を保持するが、コマ１２の上端部とシース７の薄肉部はハフニウム板１０側に倒れ込みシ－ス７に引張の残留応力が生じる。このような状態で使用すると引張の残留応力と高温水に水環境によって、シース７に応力腐食割れが生じる原因となる。

【0008】

また、各コマ１２とシース７とを溶接により固定すると、溶接変形によりシース７が若干ハフニウム板１０側に凹状に収縮し、このハフニウム板１０とシース７の間の間隙を消滅させるのみならず、シース７がハフニウム板１０に接触してハフニウム板１０を強く拘束する可能性があった。

【0009】

このような状態に陥った場合には、シース７とハフニウム板１０の間隙に形成されるべき腐食生成物の吸収代が消滅するばかりでなく、シース７とハフニウム板１０の間の熱膨張や照射成長の相違による相対変位をも許さない構造となることから、薄板状のシース７に過大な応力が発生する可能性が生じる。

【0010】

また、従来の原子炉用制御棒１ではハフニウム板１０をシース７に複数のコマ１２を介して溶接により保持する構造となっており、この溶接部によりスクラム時の荷重をはじめとする運転中の各種の比較的大きな荷重が受け持たれている。このようにコマ１２を溶接で固定すると溶接部近傍には引張の残留応力が生じるため、溶接部近傍のシース７に応力腐食割れが生じる可能性があり、制御棒の寿命低下につながるとともに原子炉の安全性を脅かす可能性がある。

【0011】

さらに、溶接によるシ－ス７の変形によりシース７とハフニウム板１０との間隙が消滅し、隙間腐食の原因にもなる可能性があり制御棒の信頼性低下につながる課題がある。

【0012】

本発明の実施形態は、上記課題を解決するためになされたもので、ハフニウムを用いた原子炉用制御棒１において、溶接による残留応力や照射による変形を抑制することができる、信頼性及び安全性が高い長寿命の原子炉用制御棒を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決するために、本実施形態に係る原子炉用制御棒は、中性子吸収材であるハフニウムを３Ｄプリンターにより積層造形したことを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本実施形態によれば、ハフニウム板を３Ｄプリンターにより積層造形することで、溶接による残留応力や照射による変形を抑制し、原子炉用制御棒の信頼性及び安全性を向上させるとともに長寿命化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１の実施形態に係るハフニウムの照射成長の説明図。

【図2】第１の実施形態に係るハフニウムの結晶配向性の説明図。

【図3】第２の実施形態に係る原子炉用制御棒におけるウイングの断面図。

【図4】第３の実施形態に係る原子炉用制御棒におけるシースの断面図。

【図5】第４の実施形態に係る原子炉用制御棒におけるシースの断面図。

【図6】（ａ）は第５の実施形態に係る原子炉用制御棒におけるシースの断面図、（ｂ）は（ａ）のＸ－Ｘ線矢視図。

【図7】（ａ）は第６の実施形態に係る原子炉用制御の概観図、（ｂ）は（ａ）の領域Ａの拡大図。

【図8】従来の原子炉用制御棒の概観図（その１）。

【図9】従来の原子炉用制御棒の概観図（その２）。

【図10】従来の原子炉用制御棒におけるウイングの断面図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明に係る原子炉用制御棒の実施形態を、図面を参照して説明する。

【0017】

［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る原子炉用制御棒１は中性子吸収材であるハフニウム板１０を３Ｄプリンターにより積層造形することを特徴とする。

【0018】

中性子吸収材であるハフニウムは稠密六方格子構造をもつが中性子照射を受けると、照射成長によりａ軸方向に伸びｃ軸方向に縮む性質がある。具体的には、図１に示すように、圧延による板状のハフニウムではａ軸が長手方向に向くので長手方向に伸び、棒状のハフニウムではｃ軸が長手方向に向くので長手方向に縮む。

【0019】

ハフニウムと同様に稠密六方格子構造を持つジルカロイを３Ｄプリンターにより積層造形すると結晶が特定の方向を向かないという調査結果が報告されており、ａ軸に伸びｃ軸に縮むため全体の体積は変わらず照射成長は発生しない。

【0020】

図２は３Ｄプリンターで積層造形したジルカロイをＥＢＳＰＰ法（電子線後方散乱回折法）でＦ値（結晶の配向度）を解析した結晶方向性を示す図であり、Ｆ値が特定の方向で大きい値を持たず、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向とも略同等な値を有することがわかる。

【0021】

これは３Ｄプリンターによる積層造形ではレーザー、電子線等により材料を溶融、凝結により造形するため圧延のように結晶が特定の方向を向かないためと考えられる。

【0022】

ハフニウムもジルカロイと同様に稠密六方格子構造を持つため、３Ｄプリンターにより積層造形すると結晶が特定の方向を向かず照射成長は発生しないことが確認されている。

【0023】

したがって、ハフニウム板１０がシース７に接触した場合でもハフニウムの照射成長による過大な引張応力が発生せず、シース７が破損する確率を低減できる。

【0024】

また、ハフニウム板１０とシース７の材料であるステンレス鋼の熱膨張差を考慮する必要があるが、ハフニウムの熱膨張率は約５．９μｍ／ｍ／Ｋ程度とステンレス鋼の約１６．２μｍ／ｍ／Ｋより小さいことから発生した熱膨張差はシース７に引張応力ではなく圧縮応力を発生させることになるので破損を引き起こす可能性は小さい。

【0025】

以上説明したように、本実施形態によれば、３Ｄプリンターによりハフニウム板１０を積層造形することにより、原子炉用制御棒１の健全性及び信頼性を向上させることができるとともに、長寿命化を図ることができる。

【0026】

［第２の実施形態］
第２の実施形態に係る原子炉用制御棒１について図３を用いて説明する。

【0027】

図３は本実施形態に係る原子炉用制御棒１のウイング２の断面図であり、シース７内に収容されたハフニウム板１０と、対向するハフニウム板１０の間の間隔を保持するための凸部状のハフニウム製のコマ１２ｃと、ハフニウム板１０を上下方向（長手方法）に保持するステンレス製のコマ１２ｄと、十字状に配置された各ウイング２を連結するタイロッド６と、から構成される。

【0028】

３Ｄプリンターによる積層造形手段は、複雑な形状を造形できるため、本実施形態ではハフニウム板１０間の間隔を保持するためのコマ１２ｃとしてハフニウムを用い、ハフニウム板１０と一体で３Ｄプリンターにより積層造形する。

【0029】

各ウイング２に設けられるコマ１２は、ハフニウム板１０間の間隔を保持することと、ハフニウム板１０をシース７に固定し、上下方向（長手方法）の位置を保持することの二つの機能が求められるが、本実施形態では、ハフニウム板１０間の間隔を保持するための機能は凸部状のハフニウム製のコマ１２ｃにより行い、ハフニウム板１０をシース７に固定し上下方向の位置を保持する機能はステンレス製のコマ１２ｄにより行う。

【0030】

これにより、ハフニウム製のコマ１２ｃはハフニウム板１０の板厚方向の移動を妨げないことからハフニウム板１０とシース７の固着を防ぐことができるとともに、コマ１２ｃをハフニウム製にしたことで中性子吸収能力を高めることができる。

【0031】

なお、図３に示す例では、凸部状のハフニウム製のコマ１２ｃはハフニウム板１０の中央部近傍に設けられているが、その位置及び数は適宜増減可能である。また、シース７の内側に高さ０．２～０．６ｍｍ程度の高さのディンプルを設けることにより隙間腐食を防止し（図示せず）、さらに信頼性を上げることも可能である。

【0032】

本実施形態によれば、第１の実施形態の作用効果に加え、コマ１２ｃをハフニウム製とし、ハフニウム板１０と一体的に積層造形を行うことにより、ハフニウム板１０の製造組立工程を簡略化するとともに、原子炉用制御棒１の健全性及び信頼性をさらに向上させることができる。

【0033】

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る原子炉用制御棒１について図４を用いて説明する。

【0034】

上記第２の実施形態では、ステンレス製のコマ１２ｄがハフニウム板１０をシース７に固定する役割を果たしているが、本実施形態では、ステンレス製のコマ１２ｄを用いず、ハフニウム板１０を固定せずに積層構造とし、シース７内に収容する構成とする。

【0035】

本実施形態では、３Ｄプリンターで積層造形したハフニウム板１０の縦方向長さは現状設計と同じ約４５０ｍｍ程度であり、この長さ約４５０ｍｍの板状体からなるハフニウム板１０を原子炉用制御棒１の長手方向に８枚設ける。各ハフニウム板１０は、その中央部近傍にハフニウム板１０の間隔を保持するための凸部状のハフニウム製のコマ１２ｃを設けている。なお、コマ１２ｃは、上記実施形態と同様に、ハフニウム板１０と一体的に積層造形される。

【0036】

また、図４に示す例では、中性子吸収特性を調節するために、縦方向（長手方向）に異なる板厚のハフニウム板１０を用いている。

【0037】

原子炉用制御棒１を組み立てる際は、複数のハフニウム板１０を下方向から長手方向に積層し、各ハフニウム板１０の当接箇所にはハフニウム板１０同士が隙間に入り込んで重なり合わないようにハフニウム板１０の一端部に隣接するハフニウム板１０を受け止める当接部１３を形成する。

【0038】

本実施形態によれば、上記実施形態と同様な作用効果を果たすほか、ステンレス製のコマ１２ｄを用いずに３Ｄプリンターで積層造形した複数のハフニウム板１０を積層する構成としたため、中性子吸収能力を向上させることができるとともに、製造組立工程を簡略化することができる。また、各ハフニウム板１０の板厚を適宜変更することで、炉心の中性子分布に応じて、中性子吸収能力を最適に調整することが可能となる。

【0039】

また、結晶異方性による照射成長を考慮する必要がないため、ハフニウム板１０の間に設けていた間隙を省略することができる。さらに、ステンレス製のシース７とハフニウム板１０の間に設けていた間隙もステンレス鋼の熱膨張率がハフニウムよりも大きく温度が上昇すると隙間が空く方向であるため設ける必要はない。

【0040】

［第４の実施形態］
第４の実施形態に係る原子炉用制御棒１について図５を用いて説明する。

【0041】

現状設計では長手方向に複数のハフニウム板を設け、ハフニウム板１０の板厚は中性子吸収量が多い先端部分に板厚の大きなハフニウム板１０を使用し、下部に行くに従って板厚が小さいハフニウム板１０を使用している。

【0042】

しかしながら、３Ｄプリンターでは板厚を適度に変化させたハフニウム板１０を造形可能であることから、本実施形態では、長手方向にわたって、ハフニウム板１０を１枚の板として積層造形し、中性子照射量に従って板厚を変化させた構成としている。

【0043】

具体的には、図５に示すように、先端付近のハフニウム板１０の板厚を大きくし、下方に行くに従って板厚を小さくする。

【0044】

また、ハフニウム板１０の間隔を保持するために、ハフニウム板１０と一体のハフニウム製のコマ１２ｃを設けている。このコマ１２ｃの位置及び数は適宜変更可能である。

【0045】

本実施形態によれば、３Ｄプリンターを用いたことで製造コスト及び製造工程数の削減が可能となるとともに、原子炉用制御棒１の組立工程の簡素化、並びに部品点数及び製造コストの削減も図ることができる。

【0046】

［第５の実施形態］
第５の実施形態に係る原子炉用制御棒１について図６を用いて説明する。

【0047】

図６（ａ）、（ｂ）は横断面がチューブ状のハフニウムチューブ１４を用いた原子炉用制御棒１の断面図で、コマ１２を使用しない構成となっている。

【0048】

従来のハフニウムチューブ１４を用いた原子炉用制御棒１は、長手方向にハフニウムチューブ１４を２分割し、上部に板厚の大きいハフニウムチューブ１４を、下部に板厚の小さいハフニウムチューブ１４を用いている。

【0049】

しかしながら、３Ｄプリンターを用いるため、ハフニウムチューブ１４を上下で２分割する必要はなく、上部から下部に向かって板厚が減少するハフニウムチューブ１４を使用することが可能である。

【0050】

なお、図６（ａ）に示す例では、ハフニウムチューブ１４は径方向に２つ収容されているが、その数は適宜増減可能である。

【0051】

本実施形態によれば、第４の実施形態と同様に、３Ｄプリンターを用いたことで製造コスト及び製造工程数の削減が可能となるとともに、原子炉用制御棒１の組立工程の簡素化、並びに部品点数及び製造コストの削減も図ることができる。

【0052】

［第６の実施形態］
第５の実施形態に係る原子炉用制御棒１について図７を用いて説明する。

【0053】

上記第１～第５の実施形態では板状のハフニウム板１０やチューブ状のハフニウムチューブ１４を使用する例を説明したが、本実施形態では、図７に示すように、棒状のハフニウムを使用する原子炉用制御棒１において、ハフニウム棒１６を３Ｄプリンターにより積層造形する。

【0054】

従来のハフニウム棒は、例えばステンレス鋼製板材に横穴１５を空けて中性子吸収材であるハフニウム棒１６を充填した制御棒が用いられるが、このハフニウム棒１６ではハフニウムのａ軸（伸びる方向）が丸棒の径方向となるため照射成長により径が増加する。そのために横穴１５とハフニウム棒１６の間に間隙１７を設ける必要があった。

【0055】

しかしながら、３Ｄプリンターで積層造形したハフニウム棒１６は照射成長が無いので間隙１７をなくすことができるため、その分径の大きいハフニウム棒１６を使用することが可能となり、これにより原子炉用制御棒１の中性子吸収能力及び空間効率の向上、及び長寿命化が見込まれる。

【0056】

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0057】

１…原子炉用制御棒、２…ウイング、３…ハンドル、４…上部構造材、５…下部構造材、６…タイロッド、７…シース、９…溶接部、１０…ハフニウム板、１２、１２ｃ、１２ｄ…コマ、１３…当接部、１４…ハフニウムチューブ、１５…横穴、１６…ハフニウム棒、１７…間隙

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】