JP5376782B2 - 原子炉用制御棒及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、沸騰水型原子炉に用いられる原子炉用制御棒、特にハフニウムを主要な中性子吸収材とする長寿命型の原子炉用制御棒及びその製造方法に関する。

沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に用いられる長寿命型の原子炉用制御棒２００は、例えば図１７(Ａ)、(Ｂ)、(Ｃ)に示すように、深いＵ字状断面を有するステンレス鋼(SUS)製のシース２０１の開口部を、断面十字形の細長いタイロッド２０２の突出部に嵌合し、該シース２０１の挿入先端を先端構造材２０３に、挿入末端を末端構造材２０４にそれぞれに固着し、該シース２０１内に形成された空間に中性子吸収材である２枚のハフニウム板（板対）２０５を、間隙２０６を挟んで収納保持した４枚の翼２０７によって構成されている（特許文献１、非特許文献１参照）。

このような構成の原子炉用制御棒２００では、２枚のハフニウム板（中性子吸収要素と呼ぶ）２０５の間に形成される間隙２０６は原子炉内において炉水で満たされ、その炉水によって中性子が減速されるので、ハフニウム板２０５により中性子はより効果的に吸収される。このような構成の制御棒は『フラックストラップ型制御棒』と呼ばれ、間隙２０６は『トラップ』と呼ばれている。従って、ハフニウム板２０５間の水の働きにより、高価で重量が大きいハフニウムの材料を節約することができる。また、制御棒２００を挿抜する軸方向では挿入末端ほどハフニウム材料を節約出来るため、ハフニウム板対２０５は軸方向に多数に分割され、それぞれの板対は間隔保持兼荷重支持部材である複数のコマ２０８を用いてシース２０１に支持される。

このような従来の制御棒２００において、各コマ２０８とシース２０１とを溶接により固定すると、溶接変形により薄いシース２０１は厚いハフニウム板２０５側へ曲り、両者の間の間隙２０６が無くなったり、相互に拘束し合う可能性があった。このような状態に陥った場合には、シース２０１とハフニウム板２０５の間に形成される腐食生成物の占める間隙が消滅するばかりでなく、シース２０１とハフニウム板２０５の間の熱膨張差異や照射成長差異による相対変位も許さない構造となることから、ハフニウム板２０５よりも薄いシース２０１に過大な応力がかかる可能性が生じる。

また、従来の制御棒２００では、２枚のハフニウム板２０５は複数のコマ２０８を介して溶接によりシース２０１に保持される構造となっており、この溶接部はスクラム時の荷重をはじめとする運転中の各種荷重を受けることになる。このようにコマ２０８を溶接部で固定すると溶接部近傍には各種の応力を生じるため、溶接部近傍のシース２０１に応力腐食割れが生じる可能性があり、制御棒２００の健全性の低下、つまり制御棒２００の寿命減少につながる可能性がある。しかしながら、従来の特許文献等では応力腐食割れについて記載されていない。

ところで、シース２０１を構成しているステンレス鋼と、中性子吸収材のハフニウム金属とは異種金属であり、両者が近接対峙している従来の制御棒２００では電気化学的にも腐食しやすい条件が形成されており、腐食しやすい原子炉環境ではなおさらである。

また、特許文献２には、シースを用いないハフニウム制御棒２１０が開示されている。この制御棒２１０は、Ｌ字形状に形成された４枚のハフニウム板２１１間にタイロッド２１２を配置し、対向するハフニウム板２１１の端部に、ハフニウム製の側縁部材２１３を溶接して翼２１４が構成され、４枚の翼２１４の挿入先端、挿入末端が先端構造部材２１５、末端構造部材２１６にそれぞれ結合されて構成される。

この制御棒２１０では、ハフニウムとステンレス鋼を溶接しない点に着目した構造であるが、タイロッド２１２としてステンケス鋼を使用する構成であり、耐蝕性や、以下に述べるブレードヒストリー現象への対策に関する示唆が含まれていない。

また、長寿命型の制御棒はその長さの大部分が高出力運転中に挿入されているので、燃料集合体において制御棒の中性子吸収材に隣接する部分では、中性子束レベルは大幅に低下して燃焼が遅れ、残留する核***性物質の濃度が比較的高い。このため、制御棒を引き抜くと高い出力が発生し、燃料の健全性を脅かすことになる。このような現象は『ブレードヒストリー現象』と呼ばれている。中性子束の低下を抑制すればこのような現象は緩和されるが、制御棒の反応度価値が低下して、反応度不足を生ずる恐れがある。
特開昭63-8594号公報 特開昭58-147687号公報 1. M. Ueda, T. Tanzawa, R. Yoshioka: "Critical Experiment on a Flux-Trap-Type Hafnium Control Rod for BWRs", Transaction of the American Nuclear Society, vol.55, p.616(1987).

以上説明したように、従来の制御棒は実用炉においてかなり満足な照射実績を重ねてはきたものの、応力腐食割れが生じやすい構造であり、電気化学的に活性化する構成であることが明らかになった。また、原子炉内で長期間使用する場合、制御棒に隣接する燃料において、制御棒を引き抜いた際に大きな出力上昇を生じる現象（ブレードヒストリー現象）に対しても、その現象を緩和する余地があることが分かった。

本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、応力腐食割れ、電気化学的活性度及びブレードヒストリー現象を緩和することができる原子炉用制御棒及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係る原子炉用制御棒は、ハフニウムまたはハフニウム合金を中性子吸収材とする４枚の翼の挿入先端と挿入末端を横断面十字形の先端構造材と末端構造材にそれぞれ結合した原子炉用制御棒において、前記制御棒の中心軸を中心に含み、当該制御棒の軸方向に所定の間隔を隔てて配置されたタイクロスを用いて４枚の前記翼を十字型に結合し、前記先端構造材と前記タイクロスは、天然組成程度またはそれ以上にハフニウムの含有を許容するジルコニウム合金としてのジルカロイ製であり、前記翼の主要部を構成する前記中性子吸収材には、炉水を介在可能な間隙が形成され、前記翼の少なくとも翼端部には、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材が配置され、前記翼内における前記制御棒の中心軸側にジルカロイ製の棒状のバー部材が配設され、前記中性子吸収材には、前記制御棒の中心軸側と翼端部との間で前記制御棒の軸方向に複数の導入孔が形成され、前記中性子吸収材は、全長が略同一の板厚とされ、挿入末端から挿入先端側へ向かう半分の長さにおいて、挿入先端側よりも幅が狭く形成され、翼端部が挿入先端側と同一位置に設定されて構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る原子炉用制御棒は、１枚の平板形状のハフニウム板またはハフニウム合金板に、山曲げ部と谷曲げ部が等間隔で平行に交互に設けられ、前記谷曲げ部には軸方向に規則的に複数の長窓が設けられ、前記山曲げ部が山曲げされ前記谷曲げ部が谷曲げされた状態で、前記谷曲げ部が相互に近接されて横断面が十字形となるように構成され、少なくとも翼端部に、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材が配設され、前記谷曲げ部に、ジルカロイ製のタイクロスが、制御棒の軸方向に所定間隔で配置されて構成されたことを特徴とするものである。

更に、本発明に係る原子炉用制御棒は、４枚の平板形状のハフニウム板またはハフニウム合金板の谷曲げ部に、軸方向に規則的な間隔で複数の長窓が設けられ、前記板が谷曲げ部で谷曲げされてＬ字状に形成された状態で、当該各板が、前記曲げられた部分を相互に近接させて十字形に配置され、対向配置された前記板の両端部に、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材が配設され、前記Ｌ字状に曲げられた前記板には、制御棒の軸方向における前記各長窓間に、ジルカロイ製のタイクロスが配置されて構成されたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る子炉用制御棒の製造方法は、１枚の平板形状のハフニウム板またはハフニウム合金板に、山曲げ部と谷曲げ部を等間隔で平行に交互に設けると共に、前記谷曲げ部には軸方向に規則的に複数の長窓を設け、次に、前記山曲げ部を山曲げし、前記谷曲げ部を谷曲げした後に、前記谷曲げ部を相互に近接して横断面が十字形となるようにし、その後、少なくとも翼端部に、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材を配設し、前記谷曲げ部に、ジルカロイ製のタイクロスを、制御棒の軸方向に所定間隔で配置して制御棒を製造することを特徴とするものである。

また、本発明に係る原子炉用制御棒の製造方法は、４枚の平板形状のハフニウム板またはハフニウム合金板の谷曲げ部に、軸方向に規則的な間隔で複数の長窓を設け、次に、前記板を谷曲げ部で谷曲げしてＬ字状に形成した後に、当該各板を、前記曲げられた部分を相互に近接させて十字形に配置し、その後、対向配置された前記板の両端部に、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材を配設し、前記Ｌ字状に曲げられた前記板には、制御棒の軸方向における前記各長窓間に、ジルカロイ製のタイクロスを配置して制御棒を製造することを特徴とするものである。

本発明に係る原子炉用制御棒及びその製造方法によれば、応力腐食割れの生じ易さや、電気化学的な活性化を顕著に改善でき、また、原子炉内で制御棒を長期間使用する場合、制御棒に隣接する燃料において制御棒を引き抜いた際に大きな出力上昇を生じるブレードヒストリー現象を積極的に緩和でき、更に、制御棒の反応度価値を高めて核的寿命を向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。

［Ａ］第１の実施の形態（図１〜図３）
図１（Ａ）は、本発明に係る原子炉用制御棒の第１の実施の形態についての背景を説明するための臨界実験体系を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ部を拡大して示す平面図である。

図１に示す臨界実験では、臨界実験装置の炉心１０を備えたタンクの中で、中央に、実機と横断面を等しくした十字型の原子炉用制御棒(以下、制御棒を称する)１１を配置し、それを取り囲むように４体の燃料集合体（チャンネルボックスは無い）１２を配置し、各燃料集合体１２には、外周に対称かつ横断面が正方形になるように燃料棒１３を装荷した。使用した燃料棒１３は全て濃縮度２%のものである。

制御棒１１の中性子吸収材には、図２(Ａ)に示すように、外径4.8mm、内径3.5mmのステンレス(SUS)鋼管に、ボロンカーバイド(B4C)粉末を約70%の理論密度で充填した中性子吸収棒１４と、外径が同じで反応度価値も殆ど等しいハフニウム(Hf)棒１５を用いた。水入りＳＵＳ管１６は、前記ＳＵＳ管にB4C粉末ではなく、水を満たしたものである。中性子吸収棒１４、１５、１６の外側は、深いＵ字状の横断面を有する厚さ約1.4mmのステンレス鋼製のシース１７内に収容されている。

制御棒１１の中心軸付近は、通常中央構造材（タイロッド）１８が存在するが、この実験では、タイロッド１８が存在する通常の構成の制御棒１１ｄと、各翼ごとに、タイロッド１８側から３本の中性子吸収棒１４を水入りＳＵＳ管１６と置換した構成の制御棒１１ａと、水入りＳＵＳ管１６とハフニウム棒１５をタイロッド１８側から交互に翼幅の2/3まで配置した構成の制御棒１１ｂと、タイロッド１８を取り外し、水が占めるようにした構成の制御棒１１ｃとの４種の模擬制御棒について、これらの制御棒１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの表面の中性子束分布を銅箔放射化率として測定した。尚、図２(Ａ)中の符号１はアクリル角棒である。

つまり、制御棒１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのシース１７の表面に密着するように銅箔をストリップ状に配置し、炉心１０を備えたタンクに給水して炉心１０を臨界にし、中性子照射を行った後、これらの制御棒１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを炉心１０から取り出して切断し、個々の誘導放射能のベータ線を計測した。

図２(C)はその放射能強度分布であり、制御棒１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにおける構成の変化の影響をあまり受けない点（図中の『規格化点』）で規格化して示したものである。また、図２(B)は、各制御棒１１ａ、１１ｂ、１１ｃにおける放射能強度分布を、制御棒１１ｄの放射能強度分布との比として示したものである。即ち、図２(Ｂ)中の符号ａ／ｄ、ｂ／ｄ、ｃ／ｄは、制御棒１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各放射能強度分布を、制御棒１１ｄの放射能強度分布の比としてそれぞれ表したものである。

銅の放射化は低エネルギー、おおよそ熱エネルギーを持った中性子によって引き起こされるので、ほぼ『熱中性子束』の分布と見なすことができる。図２(Ｃ)に示すように、制御棒１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの翼端部１９Ａから中心軸側に15mm程度の範囲で、中性子束分布が急激に高くなっている。この中性子束分布は、制御棒１１ｄでは、タイロッド１８の近傍で若干高くなっており、制御棒１１ｃでは、タイロッド１８の場所を水が占めているため非常に高くなっている。制御棒１１ａでは、制御棒中心軸に近いものの近傍で、中性子束分布が大幅に高くなっているのが確認される。制御棒１１ｂでは、広い範囲で中性子束分布が盛り上がっている。

制御棒１１の近傍における燃料棒１３の出力は、これら表面中性子束分布ほど急激な変化は生じないが、類似の変化を生じる。本発明では、制御棒１１の反応度価値を余り低下させないで中性子束分布を広い範囲で高めることを狙っている。測定結果では、好適な中性子束分布が得られた制御棒１１ｂの場合に反応度価値が最も低下したが、その低下率は約８%であり許容範囲である。しかし、制御棒１１の全長もしくは全体にわたって８％の低下を起こさせるのは望ましくないので、必要な場所に限ってこの構成を採用するものとする。

尚、通常の制御棒１１の設計では、制御棒１１全体の反応度価値の低下が10%を越えると許容できないとされている。制御棒１１ａでは、反応度価値の低下率は約3.5%であった。制御棒１１ｃでは反応度価値はかえって増大した。また、中性子束分布が特に高くなる翼端部１９Ａでは、中性子吸収材をなるべく多くすることによって制御棒１１の寿命と反応度価値を高めることができる。

実機の制御棒１１では、翼１９のうち、翼端部１９Ａ側と中心軸側とで中性子照射量が高くなるため、長寿命型の制御棒１１を設計する場合には、翼１９の両端部に長寿命型の中性子吸収材を、反応度の高い制御棒を設計する場合には、翼１９の両端部に中性子吸収効果の高い吸収材をそれぞれ配置すべきことを示している。逆に、翼１９の中央部分では、中性子吸収材の選択条件は比較的緩いことを示している。以降の各実施の形態では、これらの測定値を念頭におき、好適な制御棒の構成を提案した。

図３に示す本実施の形態の原子炉用制御棒２０（以下、制御棒２０と称する）は、中性子吸収材としての２枚のハフニウム板２１を具備する４枚の翼２２の挿入先端、挿入末端を、横断面十字形状の先端構造材２３、末端構造材２４にそれぞれ結合し、更に４枚の翼２２を、制御棒２０の中心軸Ｏを中心に含み、制御棒２０の軸方向に所定間隔を隔てて配置されたタイクロス（翼局所結合部材）２５により結合して、横断面十字形状に構成される。

なお、中性子吸収材としては、ハフニウム板２１を構成するハフニウム（Ｈｆ）に限らず、このハフニウムをジルコニウム（Ｚｒ）やチタン等で希釈したハフニウム合金を用いて、ハフニウム合金板としてもよい。

ハフニウム板２１は、挿入先端から挿入末端側へ向かう約半分の長さのハフニウム板２１Ａが、挿入末端側のハフニウム板２１Ｂよりも板厚が厚くなるように構成されている。これは、制御棒２０において、挿入末端側の約半分は中性子照射量が低く、従って反応度価値が挿入先端側よりも低くてよいからであり、挿入末端側のハフニウム板２１Ｂが挿入先端側のハフニウム板２１Ａよりも薄くされて、制御棒２０の重量が削減される。制御棒２０の軸方向中央部には、タイクロス２５から延在する中央付近固着腕２６が配置され、この中央付近固着腕２６が、挿入先端側のハフニウム板２１Ａの下端と、挿入末端側のハフニウム板２１Ｂの上端とを溶接により結合する。

制御棒２０の有効部であるハフニウム板２１のうち、挿入先端側のハフニウム板２１Ａの挿入先端は先端構造材２３に溶接により固着され、また挿入末端側のハフニウム板２１Ｂの挿入末端は、ピン２７を介して末端構造材２４に支持される。先端構造材２３は、タイクロス２５及び中央付近固着腕２６と共に、天然組成またはそれ以上のハフニウムの含有を許容するジルコニウム合金としてのジルカロイにて構成される。このジルカロイは、ハフニウムとの共存性が特に優れているため、応力腐食割れや電気化学的な活性を大幅に緩和することができる。更に、ジルカロイは、ステンレス鋼よりも比重が小さいため、中性子吸収材としてのハフニウム板２１またはハフニウム合金板に、より多くのハフニウムを含有させることができ、ハフニウム板２１またはハフニウム合金板による中性子吸収効果を高めることができる。

末端構造材２４はステンレス鋼にて構成され、ピン２７は、ハフニウムまたはジルカロイにて構成されている。

図３（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、制御棒２０の翼２２には、制御棒２０の挿抜方向に直交する方向（水平方向）において、制御棒２０の中心軸Ｏ側に、ハフニウム板２１Ａ、２１Ｂに一部が挟み込まれたタイクロス２５が、ハフニウムまたはジルカロイ製のピン２８を介して支持され、翼端部２２Ａに、ハフニウムまたはハフニウム合金製の短尺化されたスペーサ部材２９が一部挟み込まれている。このスペーサ部材２９は、その長さの中央付近で、ハフニウムまたはジルカロイ製のピン３０を介して、対向配置された２枚のハフニウム板２１に支持される。これらのタイクロス２５とスペーサ部材２９によって、対向する２枚のハフニウム板２１間に、炉水が介在可能な間隙（トラップ）３１が形成される。

スペーサ部材２９を翼２２における翼端部２２Ａに配置するのは、図２（Ｃ）の曲線から理解できるように、中性子束が特に高い場所に中性子吸収材を多く配置して、制御棒２０の反応度価値を高め、制御棒２０の核的寿命を向上させるためである。なお、スペーサ部材２９は、挿入先端側のハフニウム板２１Ａ間に配置されるもの（スペーサ部材２９Ａ）よりも、挿入末端側のハフニウム板２１Ｂ間に配置されるもの（スペーサ部材２９Ｂ）の方が幅が狭く形成される。これは、制御棒２０の挿入末端側では中性子照射量が低く、反応度価値が低くても構わないため、重量の削減を図っているのである。

ハフニウム板２１とスペーサ部材２９とは、製造過程が同一でないため金属結晶に差異があり、そのため長期間中性子に照射されると、照射成長の差異により微妙ながら寸法に差異が生じ、制御棒２０の翼２２を変形させたり、破損に至らしめる可能性がある。このような現象を防止するため、スペーサ部材２９は短尺化され、その中心付近でハフニウム板２１がピン３０により支持されている。スペーサ部材２９に形成されてピン３０を通す孔３２は、ピン３０の大きさよりも微妙に大きくされているので、ハフニウム板２１とスペーサ部材２９との照射成長の僅かな変異を受容できる。この結果、ハフニウム板２１とスペーサ部材２９は、制御棒２０の使用期間を通じて相対的な変位が許容されるので、翼２２の変形や損傷を防止でき、制御棒２０の健全性を確保できる。

尚、タイクロス２５は、制御棒２０の軸方向長さが例えば25〜35mm程度とに短尺であり、ハフニウム板２１との間での照射成長差異による変形の可能性は殆ど無いが、ピン２８挿通用の孔３３にクリアランスを設けてピン２８により支持すれば、制御棒２０の健全性を更に確保できる。

２枚のハフニウム板２１の間隙３１には炉水が侵入し、この炉水は、ハフニウム板２１を透過して侵入してきた中性子を減速捕獲して熱中性子とし、ハフニウム板２１に内側から吸収させる機能を有する。従って、この間隙３１は『トラップ』または『トラップ間隙』と称される。

タイクロス２５は、先端構造材２３と末端構造材２４の間で４枚の翼２２を十字型に結合するために、制御棒２０の軸方向に散在して複数配置されるものである。従って、軸方向に隣接するタイクロス２５の間は、このタイクロス２５の軸方向長さに比べて極めて長く、ハフニウム板２１間の間隙３１と共に、炉水が占める空間となる。この炉水によって中性子が減速され、図２(Ｃ)の符号ｃから明らかなように高い熱中性子束が形成されるので、制御棒２０に近傍の燃料棒２０の出力が回復し、制御棒２０の存在による燃焼の遅れがある程度緩和される。このため、制御棒２０の引抜きの際に大幅に出力が増大するブレードヒストリー現象が抑制され、燃料の急激な膨脹が緩和されて、燃料の健全性が向上する。尚、タイクロス２５が制御棒２０の軸方向に配置される間隔は通常15〜30cm程度であり、制御棒２０の機械的強度を適切に保持する観点から決定される。

ハフニウム板２１には、図示している先端部、中央部、末端部の通水孔３４の他に多数の通水孔が設けられているが、後者は本発明の主眼ではないため図示を省略している。以降の諸図でも同様に省略されている。

ハフニウム板２１は高い耐蝕性を有しているが、高温の炉水中で長期間使用すると表面に腐食生成物が発生し、この腐食生成物は何等かのきっかけで剥離することが判ってきた。剥離した腐食生成物は放射能を帯びる。核種は主にHf-181で、半減期が43日であり、比較的低いエネルギーのガンマ線（482,346,及び133keV）を放出する。尚、半減期が111日のTa-182も僅かに生成し、1.2MeVのガンマ線を放出する。沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）では炉水の水質が初期に比べて著しく向上し、放射能レベルが著しく低下したため、弱いHf-181の放射能でも確認出来るようになった。半減期が比較的短いため外部環境への問題は考えられないが、原子炉建屋内部では今後放射能低減の目標になることが判ってきた。

そこで、本実施の形態では、ハフニウム板２１の表面の微細な凹凸をなるべく減らすように『表面仕上げ』が行われている。制御棒２０の外面は制御棒駆動に伴い、対面する燃料集合体１２のジルカロイ製チャンネルボックスと摩擦を起こし、腐食生成物が剥離する可能性が高いと考えられる。このため、ハフニウム板２１の外面の大部分を入念に表面仕上げ(研磨仕上げ)して、ハフニウム板２１の実効的な表面積を減少させ、これにより、ハフニウム板２１の外面が炉水と接触する面積を低減させて、腐食生成物の発生を抑制する。また、ハフニウム板２１の内面に発生する腐食生成物は、スクラム時や地震時など何等かの振動によって剥離し、通水孔を通じて炉水中に混入する可能性が考えられるので、この内面も表面仕上げすることが好ましい。

従って、本実施の形態によれば、タイクロス２５間に、ハフニウム板２１間の間隙３１と同様に、炉水が満たされることでブレードヒストリー現象を抑制できる。また、先端構造材２３、タイクロス２５、中央付近固着腕２６等がジルカロイ製であるため、応力腐食割れや電気化学的な活性度を緩和できる。更に、翼２２の翼端部２２Ａにハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材２９が配置されることで、制御棒２０の反応度価値を高め、核的寿命を向上させることができる。また、スペーサ部材２９を短尺化し、長手方向中央部でピン支持することで、ハフニウム板２１とスペーサ部材２９との中性子照射成長差異による翼２２の変形などを防止できる。また、ハフニウム板２１の外面を研磨仕上げすることで、腐食生成物の発生を抑制できる。

［Ｂ］第２の実施の形態（図４）
図４は、本発明に係る原子炉用制御棒の第２の実施の形態を示し、（Ａ）が図３（Ｂ）に対応する断面図、（Ｂ）が図３（Ｃ）に対応する断面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒４０（以下、制御棒４０と称する）が、前記第１の実施の形態の制御棒２０と異なる点は、制御棒４０の翼４２におけるハフニウム板２１の外面の大部分または略全面を、薄い板４１で覆って層を形成している点にあり、この板４１はジルカロイ、またはハフニウムをジルコニウムにて希釈したハフニウム合金にて構成されている。ハフニウム板２１と板４１との複合板を使用することによって、ハフニウム板２１が炉水に直接接触しないので、翼４２の外面におけるハフニウムによる腐食生成物の発生を確実に防止できる。但し、複合板であるため製造コストが上昇する問題がある。また、間隙３１が狭くなるため制御棒４０の反応度価値が低下する現象が生ずるが、ハフニウム板２１を若干厚くすることによって補償することが可能となる。

ハフニウム板２１と板４１との複合板は圧延により製造されるので、基本的には結晶構造は揃い、照射成長差異の問題は小さいと考えられる。原則としてジルカロイ製の板４１の方が薄く形成されるので、ハフニウム板２１と板４１との間に照射成長の差異が生じた場合には、板４１に小さな亀裂やしわが発生してジルカロイの剥離が予想される。しかし、ジルカロイはハフニウムと異なり、放射能は殆ど無いため、本実施の形態の効果は発揮される。その他、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

［Ｃ］第３の実施の形態（図５）
図５は、本発明に係る原子炉用制御棒の第３の実施の形態を示し、（Ａ）が図３（Ｂ）に対応する断面図、（Ｂ）が図３（Ｃ）に対応する断面図である。この第３の実施の形態において、前記第１及び第２の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒４５（以下、制御棒４５と称する）が前記第１の実施の形態の制御棒２０と異なる点は、制御棒４５の翼４７におけるハフニウム板２１の両面(外面及び内面)を薄い板４６で覆っている点にあり、この板４６は、ジルカロイ、またはハフニウムをジルコニウムにて希釈したハフニウム合金にて構成される。ハフニウム板２１と板４６との複合板を使用することによって、ハフニウム板２１の両面におけるハフニウムによる腐食生成物の発生を確実に防止できる。

ハフニウム板２１は、例えば薄いジルカロイ製の板４６によってサンドイッチ状に圧延加工されるので、製造性や健全性は第２の実施形態（図４）の場合より良好であるが、間隙３１が狭くなるため制御棒４５の反応度価値が低下する。この現象は、ハフニウム板２１を若干厚くすることによって補償することが可能である。その他、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

［Ｄ］第４の実施の形態（図６）
図６は、本発明に係る原子炉用制御棒の第４の実施の形態を示し、（Ａ）が図３（Ｂ）に対応する断面図、（Ｂ）が図３（Ｃ）に対応する断面図である。この第４の実施の形態において、前記第１〜第３の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒５０（以下、制御棒５０と称する）は、第２の実施の形態における制御棒４０(図４)の場合と実質的に等しいが、ハフニウム板２１と板４１との複合材を先ず円筒形にして端面を溶接などで固着し、その後、平管状につぶして翼５１を形成している点が異なる。翼５１の翼端部５１Ａにスペーサ部材が挿入されている点は同じであるが、このスペーサ部材５２(スペーサ部材５２Ａ、スペーサ部材５２Ｂ)は、平管状のハフニウム板２１との間で相対変位が許される点がスペーサ部材２９(スペーサ部材２９Ａ、２９Ｂ)と異なる。

スペーサ部材５２は、図３のようなピン支持構造でも良く、また中央付近固着腕２６で一端を固着し、他端側が自由に伸縮する構造とすることもできる。その他、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

［Ｅ］第５の実施の形態（図７）
図７は、本発明に係る原子炉用制御棒の第５の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）が図７（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線にそれぞれ沿う断面図である。この第５の実施の形態において、前記第１〜第４の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付して説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒５５（以下、制御棒５５と称する）は、第４の実施の形態における制御棒５０(図６)と類似しているが、挿入末端側の平管状のハフニウム板５６Ｂが、挿入先端側の平管状のハフニウム板５６Ａに対し、板厚を同一とし、翼端を同一位置として翼幅を狭くし、制御棒５５の中心軸Ｏ側にハフニウム板５６Ａよりも広い間隙５７（炉水が占める空間）を設けている点で異なっている。

ハフニウム材料の節約の面では制御棒５０(図６)の場合よりも若干不利であるが、制御棒５５の中心軸Ｏ側に大きな間隙５７を形成し、この間隙５７に炉水を導入できるので、図２(Ｃ)の符号ｃの特性から明らかなように、制御棒５５の側面でも中性子束の低下を大きく緩和でき、燃料の出力低下を緩和できる。このため、制御棒５５を引き抜いた際の急激な出力上昇が抑制され、ブレードヒストリー現象を緩和でき、燃料の健全性向上の面で制御棒５０(図６)の場合よりも良好となる。その他、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

［Ｆ］第６の実施の形態（図８）
図８は、本発明に係る原子炉用制御棒の第６の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）が、図８（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線にそれぞれ沿う断面図である。この第６の実施の形態において、前記第１〜第５の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒６０（以下、制御棒６０と称する）は、第４の実施の形態における制御棒５０(図６)と類似しているが、挿入先端側において、翼端部６１Ａ内に長尺状のスペーサ部材６２Ａを配置し、このスペーサ部材６２Ａに短いスパンで深い切れ込み部（薄くされた部分）６３を設けて、照射成長差異に起因する応力を受け止める機能を設けている。この切れ込み部６３には、孔６４を設けて弱くすると共に、通水孔の機能も持たせている。即ち、スペーサ部材６２Ａが引っ張られれば機械的に弱い切り込み部６３に亀裂が入ったり切断され、圧縮されると容易に曲がって応力の発生を回避し、翼６１への応力発生を防いでいる。

長尺化されたスペーサ部材６２Ａの中央には、固定用のピン６５が設けられている。スペーサ部材６２Ａを長尺にした理由は製造の容易性にある。短尺のスペーサ部材２９を装着するにはかなり手間を要するが、長尺であればスペーサ部材６２Ａを一度に装着ができる。このスペーサ部材６２Ａの核的な機能は他の例と同様である。

制御棒６０の中心軸Ｏ側には、挿入先端側では、比較的細い短尺のハフニウムまたはジルカロイ製のバー部材６６Ａが、その長さの中央付近でピン６７により支持されている。この軸方向に隣接するバー部材６６Ａの間には、タイクロス２５が、平管状のハフニウム板６８Ａの一部まで侵入し、ピン６９により支持される。この実施形態では、それぞれ３本のピン６９が使用されているが、１本でも良い。１本のピン６９の場合には、他の翼６１とのしなやかな結合がより可能となる。３本のピン６９でも、ピン６９と、当該ピン６９挿通用の孔７０との間に適切なクリアランスを設ければある程度しなやかな結合ができる。

制御棒６０の挿入末端側は反応度価値が低くて良いため、翼端部６１Ａのスペーサ部材６２Ｂは、挿入先端側のスペーサ部材６２Ａよりも細くされている。このスペーサ部材６２Ｂには、スペーサ部材６２Ａと同様に機械的に弱い切れ込み部６３が設けられている。

また、中心軸Ｏ側では、重くて高価なハフニウムの代わりに、ジルカロイ製のバー部材６６Ｂをピン７１でハフニウム板６８Ｂに支持している。この実施形態では、ジルカロイ製のバー部材６６Ｂを短尺化していない。挿入末端側では中性子照射量が少ないため、平管状のハフニウム板６８Ｂとバー部材６６Ｂとの照射成長差異は小さいが無視していない。つまり、ハフニウム板６８Ｂの一部に亀裂拡大防止の孔７２を設け、側端から孔７２までに小さな切り込み７３を設け、この部分で上記照射成長差異を吸収する構造としている。

バー部材６６Ｂを短尺化しても良いが、挿入末端側はハフニウム板６８Ｂが薄いため、バー部材６６Ｂを長尺一体化することによって、挿入末端側の機械的強度向上に寄与している。

ハフニウム板６８Ａ、６８Ｂの中心軸Ｏ側にバー部材６６Ａ、６６Ｂを配置することで、翼６１の変形や破損を防止できるほか、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

［Ｇ］第７の実施の形態（図９）
図９は、本発明に係る原子炉用制御棒の第７の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）が図９（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線にそれぞれ沿う断面図である。この第７の実施の形態において、前記第１〜第６の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒７５（以下、制御棒７５と称する）は、第６の実施の形態における制御棒６０(図８)と類似しているが、更に、翼７６の翼端部７６Ａにおける挿入先端側のスペーサ部材７７Ａは、挿入先端側における平管状のハフニウム板６８Ａの製造時に、そのハフニウム板６８Ａのすぐ近傍の材料で作られた板片を積み重ねることによって、スペーサ部材７７Ａとハフニウム板６８Ａとの間の照射成長差異が生じないようにされている。翼端部７６Ａにおける挿入末端側のスペーサ部材７７Ｂも、挿入末端側の平管状のハフニウム板６８Ｂに対し、同様に製作される。

製造時にハフニウム板６８Ａ、６８Ｂの隣接材をそれぞれスペーサ部材７７Ａ、７７Ｂとして使用するため、圧延時の金属結晶が揃っており、従って、ハフニウム板６８Ａとスペーサ部材７７Ａとの間、ハフニウム板６８Ｂとスペーサ部材７７Ｂとの間で、照射成長について差異は殆ど生じない。それでも万が一の健全性確保のため、図8の場合と同様に、スペーサ部材７７Ａ、７７Ｂに切り込み部７８が設けられ、この切り込み部７８に孔７９が設けられている。スペーサ部材７７Ａ、７７Ｂは、板片を積み重ねて構成されるので、これらの板片間の隙間に炉水が侵入しないように、スペーサ部材７７Ａ、７７Ｂの表面周囲の隙間を溶接などで塞ぐことが望ましい。

［Ｈ］第８の実施の形態（図１０）
図１０は、本発明に係る原子炉用制御棒の第８の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）が図１０（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。この第８の実施の形態において、前記第１〜第７の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒８０（以下、制御棒８０と称する）は、第７の実施の形態における制御棒７５(図９)と類似しているが、次の２点で異なっている。一つは、挿入先端側で制御棒８０の中心軸Ｏ側にジルカロイ製のバー部材８１Ａを用いており、そのためハフニウム板６８Ａとの間に照射成長差異による健全性低下を避けるために、ハフニウム板６８Ａに亀裂進展防止用切り込み部８２を設けた点である。

もう一つは、ハフニウム板６８Ａの側面付近で、制御棒８０の軸方向に多数の導入孔８３が設けられた点である。この導入孔８３は、主に中性子吸収効果を部分的に低下させ、減速材となる炉水を導入することによって、図２（Ａ）の制御棒１１ｂの構成の効果、つまり、制御棒８０の中性子吸収能力を抑制して、燃料の出力低下を抑制し、ブレードヒストリー現象を緩和することができる。この導入孔８３によって制御棒８０の通水特性も向上する。

ジルカロイ製のバー部材８１Ａは、水の排除により『トラップ効果』を無くして、この部分の中性子吸収効果を若干低下させ、図２(Ａ)の制御棒１１ｂの構成の効果増大を支援している。また、このバー部材８１Ａは翼８１の強度確保の機能も果す。

［Ｉ］第９の実施の形態（図１１）
図１１は、本発明に係る原子炉用制御棒の第９の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）が図１１（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図である。この第９の実施の形態において、前記第１〜第８の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒８５（以下、制御棒８５と称する）は、翼８６の翼端部８６Ａにおける挿入先端側のスペーサ部材８７Ａと挿入末端側のスペーサ部材８７Ｂに、ジルカロイ、またはハフニウムを含むジルカロイ合金を用いて被覆８８が施されている。これ以外の点については、図８に示す第６の実施形態の制御棒６０とほぼ同様であり、例えば、中心軸Ｏ側における挿入先端側の細いバー部材６６Ａや、挿入末端側のバー部材６６Ｂについても、第６の実施形態の制御棒６０(図８)と同様である。スペーサ部材８７Ａ及び８７Ｂに対し腐食対策が積極的に行われている点を除き、作用・効果も第１及び第６の実施の形態と同様である。

［Ｊ］第１０の実施の形態（図１２）
図１２は、本発明に係る原子炉用制御棒の第１０の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）が図１２（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線にそれぞれ沿う断面図である。この第１０の実施の形態において、前記第１〜第９の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒９０（以下、制御棒９０と称する）では、翼９１の翼端部９１Ａのスペーサ部材９２Ａ、９２Ｂは、図９の第７実施形態のスペーサ部材７７Ａ、７７Ｂを短尺化したものである。また、制御棒９０の中心軸Ｏ側のバー部材９３Ａ、９３Ｂは、図１０の第８実施形態のバー部材８１Ａ、８１Ｂと同様であるが、挿入先端側の２枚のハフニウム板９４Ａにバー部材９３Ａがピン９５で支持され、挿入末端側のハフニウム板９４Ｂにバー部材９３Ｂがピン９５で支持された構造となっている。平管を作る工程が無いため、製造性は図１０のハフニウム板６８Ａ及び６８Ｂよりも良好と考えられる。

また、挿入末端から挿入先端側へ向かう約半分の長さの挿入末端側のハフニウム板９４Ｂは、ハフニウムの濃度が挿入先端側のハフニウム板９４Ａよりも１／２程度となるようにジルカロイにて希釈されている。そして、これらのハフニウム板９４Ａと９４Ｂは、板厚及び形状が略同一に構成されている。このようにハフニウム板９４Ａと９４Ｂが同様に構成されているため、機械的な構造の面から製造が容易になると共に、制御棒９０の軸方向全体の強度も一様となって、制御棒９０の健全性を向上させることができる。

［Ｋ］第１１の実施の形態（図１３）
図１３は、本発明に係る原子炉用制御棒の第１１の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）が図１３（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線にそれぞれ沿う断面図である。この第１１の実施の形態において、前記第１〜第１０の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒１００（以下、制御棒１００と称する）は、第１０の実施の形態における制御棒９０(図１２)と類似しているが、挿入末端側のハフニウム板１０２Ｂを挿入先端側のハフニウム板９４Ａよりも幅を狭くし、ハフニウム板１０２Ｂにおける翼１０１の翼端部１０１Ａ側を、ハフニウム板９４Ａの翼端部１０１Ａ側と揃えて、制御棒１００の中心軸Ｏ側に広い水空間（中性子吸収材が排除され炉水が導入される空間）１０３を設けている点で異なっている。核的な作用・効果は図７の第５実施形態の制御棒５５と同様であり、その他、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

［Ｌ］第１２の実施の形態（図１４、図１５）
図１４は、本発明に係る原子炉用制御棒の第１２の実施の形態を製造する平板形状のハフニウム板を示す展開図である。図１５は、（Ａ）が、図１４の平板形状のハフニウム板の山曲げ部を山曲げして両端部を溶接した断面図、（Ｂ）が、図１５（Ａ）のＢ部を拡大して示す断面図、（Ｃ）が、図１５（Ａ）の谷曲げ部を谷曲げして構成された制御棒の一翼を示す横断面図である。この第１２の実施の形態において、前記第１〜第１１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒１１０（以下、制御棒１１０と称する）は、制御棒１１０の横断面構造に着目し、制御棒の製造方法とブレードヒストリー対策に主眼を置いた新規な形態である。

図１５（Ｂ）の厚さδで示す薄いジルカロイ製の皮膜１１２で覆われた平板形状のハフニウム板１１１に、前もって図１４のような孔開け加工を施す。つまり、４個対のスペーサ部材５２取付け用の小孔１１３が、山曲げ線１１４に沿って直線状に断続して並び、この山曲げ線１１４を直角に山曲げしてハフニウム板１１１の両端のαα同士、ββ同士をそれぞれ突合せ溶接して正方形にすると、図１５（Ａ）に示す断面正方形の構造体が得られる（第１ステップ）。

また、ハフニウム板１１１には、図１４に示すように、谷曲げ線１１５に沿って直線状に、複数の長窓１１６と一対の固定孔１１７が形成されている。この固定孔１１７は、タイクロス２５をピン支持するための孔である。この谷曲げ線１１５をステップ１の後に谷曲げする（第２ステップ）。

このとき、溶接部１１８(図１５(Ａ))は、山曲げ線１１４と谷曲げ線１１５の間になるように配置する。溶接部１１８は、金属結晶が溶接によって変化しているため、曲り部に配置すると、照射に伴う健全性劣化の原因になる可能性が考えられるためである。第２ステップの加工により、山曲げ部１２１(山曲げ線１１４近傍部分)は180度曲げられて、制御棒１１０の翼１２０の翼端部１２０Ａとなり、谷曲げ部１２２(谷曲げ線１１５近傍部分)は90度曲げられて、制御棒１１０の中心軸Ｏ近傍を形成することになる。

図14において、山曲げ部１２１では、一例を２点鎖線で示すように、短尺化されたスペーサ部材５２がピン３０で支持される。また、谷曲げ部１２２では、軸方向に並ぶ複数の長窓１１６間の一対の固定孔１１７に、同様に２点鎖線で示すように、タイクロス２５がピン２８で支持される。ピン２８、３０は、ジルカロイまたはハフニウムが用いられる。こうして図１５(Ｃ)の状態の構造体が得られる。

図１４に示すハフニウム板１１１のαβ間は最終的には厚さを変えながら３m以上とする必要があり、また、αα間も通常１m程度の長さとなる。このため、このようなハフニウムとジルカロイの複合板は、ハフニウム板１１１の板厚が異なるものを複数製作し、図１５（Ｃ）の状態まで加工した後、これらを軸方向に溶接して連結し、全長３mを越える長い制御棒１１０を得る。連結する際には、例えば中央付近結合腕２６(図３)を用いることが出来るが、直接結合も考えられる。図１５(Ｃ)に示すように製造されたハフニウム板１１１の軸方向両端に、先端構造材２３と末端構造材２４が装着されて、制御棒１１０が製造される。

谷曲げ部１２２の長窓１１６は制御棒１１０の軸方向に変化させ（挿入末端側ほど翼端部１２０Ａ方向への拡がりを大きくする）ることによって、第５の実施形態の制御棒５５(図７)及び第１１の実施形態の制御棒１００(図１３)と同様の核的特性（ブレードヒストリー緩和特性）が得られる。また、タイクロス２５を長窓１１６に近接して設けることで、タイクロス２５の取付作業が容易となる。その他、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

［Ｍ］第１３の実施の形態（図１６）
図１６（Ａ）は、本発明に係る原子炉用制御棒の第１３の実施の形態を製造する平板形状のハフニウム板の一部を示す展開図であり、図１６（Ｂ）は、図１６（Ａ）のハフニウム板の谷曲げ部を谷曲げして構成された制御棒の部分横断面図である。この第１３の実施の形態において、前記第１〜第１２の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

本実施の形態の原子炉用制御棒１３０（以下、制御棒１３０と称する）は、制御棒１３０の横断面構造に着目し、制御棒の製造方法とブレードヒストリー対策に主眼を置いた新規な形態であり、第１２の実施形態の製造方法を簡素化したものである。

ジルカロイ製の皮膜１１２で覆われた平板形状のハフニウム板１１１には、谷曲げ部１２２に縦長の長窓１１６が、谷曲げ線１１５に沿って所定の間隔で設けられ、その境にタイクロス２５をピン支持する固定孔１１７が一対で設けられる。符号１３１は切断線である。

このハフニウム板１１１を谷曲げ線１１５に沿って谷曲げして、横断面Ｌ字形状とする。その後、このハフニウム板１１１のＬ字形状に曲げられた部分を相互に接近させて十字形に配置する。破線で示す山部１３２は、最終的には翼１３３の翼端部１３３Ａとなる部分で、短尺化されたスペーサ部材２９が、小孔１１３を介してジルカロイまたはハフニウム製のピン３０により取り付けられる。このようにして、制御棒１３０が製造される。

この実施形態では、翼１３３の幅が通常25cm程度であるため、分割製造しても良いが、軸方向に３mを越える長さでも一体物として制御棒１３０を製造することができる。長窓１１６は、挿入末端側ほど翼端部１３３Ａに向かって拡大するように大きくするのが好適である点は、前記第１２の実施形態の場合と同じである。

本実施の形態では、平板形状のハフニウム板１１１をＬ字形状に折り曲げるので、第１２の実施形態の場合よりも制御棒１３０の製造を容易化できる。その他、本実施の形態においても、前記第１の実施の形態と同様な効果を奏する。

（Ａ）は、本発明に係る原子炉用制御棒の第１の実施の形態についての背景を説明するための臨界実験体系を示す平面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ部を拡大して示す平面図。 （Ａ）は、図１（Ａ）及び（Ｂ）の制御棒における一翼部の構成を示す横断面図、（Ｂ）は、図２（Ａ）の各制御棒における制御棒表面の放射化率分布の変化を示すグラフ、（Ｃ）は、図２（Ａ）の各制御棒における制御棒表面の銅箔放射化率分布を示すグラフ。 本発明に係る原子炉用制御棒の第１の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）が図３（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線にそれぞれ沿う断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第２の実施の形態を示し、（Ａ）が図３（Ｂ）に対応する断面図、（Ｂ）が図３（Ｃ）に対応する断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第３の実施の形態を示し、（Ａ）が図３（Ｂ）に対応する断面図、（Ｂ）が図３（Ｃ）に対応する断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第４の実施の形態を示し、（Ａ）が図３（Ｂ）に対応する断面図、（Ｂ）が図３（Ｃ）に対応する断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第５の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）が図７（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線にそれぞれ沿う断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第６の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）が、図８（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線にそれぞれ沿う断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第７の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）が図９（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線にそれぞれ沿う断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第８の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）が図１０（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第９の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）が図１１（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線にそれぞれ沿う断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第１０の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）が図１２（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線にそれぞれ沿う断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第１１の実施の形態を示し、（Ａ）が一翼の縦断面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）が図１３（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線にそれぞれ沿う断面図。 本発明に係る原子炉用制御棒の第１２の実施の形態を製造する平板形状のハフニウム板を示す展開図。 （Ａ）が、図１４の平板形状のハフニウム板の山曲げ部を山曲げして両端部を溶接した断面図、（Ｂ）が、図１５（Ａ）のＢ部を拡大して示す断面図、（Ｃ）が、図１５（Ａ）の谷曲げ部を谷曲げして構成された制御棒の一翼を示す横断面図 （Ａ）は、本発明に係る原子炉用制御棒の第１３の実施の形態を製造する平板形状のハフニウム板の一部を示す展開図であり、（Ｂ）は、図１６（Ａ）のハフニウム板の谷曲げ部を谷曲げして構成された制御棒の部分横断面図。 従来の制御棒の概要を示し、（Ａ）が一部を切り欠いて示す斜視図、（Ｂ）が図１７（Ａ）の前側のシースを切り欠いて示す正面図、（Ｃ）が図１７（Ａ）の一翼を示す横断面図。 従来の制御棒の概要を示し、（Ａ）が正面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）が図１８（Ａ）のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線、Ｄ−Ｄ線、Ｅ−Ｅ線にそれぞれ沿う断面図。

符号の説明

２０ 原子炉用制御棒
２１ ハフニウム板
２１Ａ、２１Ｂ ハフニウム板
２２ 翼
２３ 先端構造材
２４ 末端構造材
２５ タイクロス
２９ スペーサ部材
３１ 間隙
４０ 原子炉用制御棒
４１ 板
４５ 原子炉用制御棒
４６ 板
５０ 原子炉用制御棒
５２ スペーサ部材
５５ 原子炉用制御棒
５６、５６Ａ、５６Ｂ ハフニウム板
５７ 間隙
６０ 原子炉用制御棒
６２Ａ、６２Ｂ スペーサ部材
６６Ａ、６６Ｂ バー部材
６８Ａ、６８Ｂ ハフニウム板
７５ 原子炉用制御棒
７７Ａ、７７Ｂ スペーサ部材
８０ 原子炉用制御棒
８１Ａ バー部材
８３ 導入孔
８５ 原子炉用制御棒
８７Ａ、８７Ｂ スペーサ部材
８８ 被覆
９０ 原子炉用制御棒
９４Ａ、９４Ｂ ハフニウム板
１００ 原子炉用制御棒
１０２Ｂ ハフニウム板
１０３ 水空間
１１０ 原子炉用制御棒
１２１ 山曲げ部
１２２ 谷曲げ部
１３０ 原子炉用制御棒

Claims (13)

1. ハフニウムまたはハフニウム合金を中性子吸収材とする４枚の翼の挿入先端と挿入末端を横断面十字形の先端構造材と末端構造材にそれぞれ結合した原子炉用制御棒において、
   前記制御棒の中心軸を中心に含み、当該制御棒の軸方向に所定の間隔を隔てて配置されたタイクロスを用いて４枚の前記翼を十字型に結合し、
   前記先端構造材と前記タイクロスは、天然組成程度またはそれ以上にハフニウムの含有を許容するジルコニウム合金としてのジルカロイ製であり、
   前記翼の主要部を構成する前記中性子吸収材には、炉水を介在可能な間隙が形成され、
   前記翼の少なくとも翼端部には、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材が配置され、
   前記翼内における前記制御棒の中心軸側にジルカロイ製の棒状のバー部材が配設され、
   前記中性子吸収材には、前記制御棒の中心軸側と翼端部との間で前記制御棒の軸方向に複数の導入孔が形成され、
   前記中性子吸収材は、全長が略同一の板厚とされ、挿入末端から挿入先端側へ向かう半分の長さにおいて、挿入先端側よりも幅が狭く形成され、翼端部が挿入先端側と同一位置に設定されて構成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
2. 前記中性子吸収材は、内面と外面の少なくとも一方の大部分または略全面に、ジルカロイ、またはハフニウムをジルコニウムに希釈したハフニウム合金の層で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
3. 前記翼を構成する中性子吸収材は、円筒形に形成された後に平管化されて構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
4. 前記翼を構成する板状の中性子吸収材は間隙を挟んで対向配置され、翼端部内には、短尺化された棒状のスペーサ部材が、その長さ方向の中央付近において前記中性子吸収材に支持されて配設されたことを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
5. ハフニウムまたはハフニウム合金を中性子吸収材とする４枚の翼の挿入先端と挿入末端を横断面十字形の先端構造材と末端構造材にそれぞれ結合した原子炉用制御棒において、
   前記制御棒の中心軸を中心に含み、当該制御棒の軸方向に所定の間隔を隔てて配置されたタイクロスを用いて４枚の前記翼を十字型に結合し、
   前記先端構造材と前記タイクロスは、天然組成程度またはそれ以上にハフニウムの含有を許容するジルコニウム合金としてのジルカロイ製であり、
   前記翼の主要部を構成する前記中性子吸収材には、炉水を介在可能な間隙が形成され、
   前記翼の少なくとも翼端部には、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材が配置され、
   前記翼内における前記制御棒の中心軸側にジルカロイ製の棒状のバー部材が配設され、
   前記中性子吸収材には、前記制御棒の中心軸側と翼端部との間で前記制御棒の軸方向に複数の導入孔が形成され、
   前記中性子吸収材は、挿入先端から挿入末端側へ向かう半分の長さにおいて、前記挿入末端側よりも板厚が厚く構成されたことを特徴とする記載の原子炉用制御棒。
6. 前記中性子吸収材は、挿入末端から挿入先端側へ向かう約半分の長さにおいて、前記挿入先端側よりもハフニウムの濃度が１／２程度となるように希釈され、板厚が挿入先端側と略等しくなるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
7. １枚の平板形状のハフニウム板またはハフニウム合金板に、山曲げ部と谷曲げ部が等間隔で平行に交互に設けられ、前記谷曲げ部には軸方向に規則的に複数の長窓が設けられ、
   前記山曲げ部が山曲げされ前記谷曲げ部が谷曲げされた状態で、前記谷曲げ部が相互に近接されて横断面が十字形となるように構成され、
   少なくとも翼端部に、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材が配設され、
   前記谷曲げ部に、ジルカロイ製のタイクロスが、制御棒の軸方向に所定間隔で配置され
   て構成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
8. ４枚の平板形状のハフニウム板またはハフニウム合金板の谷曲げ部に、軸方向に規則的な間隔で複数の長窓が設けられ、
   前記板が谷曲げ部で谷曲げされてＬ字状に形成された状態で、当該各板が、前記曲げられた部分を相互に近接させて十字形に配置され、
   対向配置された前記板の両端部に、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材が配設され、
   前記Ｌ字状に曲げられた前記板には、制御棒の軸方向における前記各長窓間に、ジルカロイ製のタイクロスが配置されて構成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。
9. 前記スペーサ部材は、ジルカロイ、またはハフニウムを含むジルカロイ合金で被覆されたことを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
10. 前記翼を構成する中性子吸収材の外面の大部分が研磨仕上げされたことを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
11. 前記翼の翼端部に配置されるスペーサ部材は、前記翼を構成する中性子吸収材と同時に圧延された素材から製作された当該素材と同じ厚さの板片を、単数または複数枚重ねて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の原子炉用制御棒。
12. １枚の平板形状のハフニウム板またはハフニウム合金板に、山曲げ部と谷曲げ部を等間隔で平行に交互に設けると共に、前記谷曲げ部には軸方向に規則的に複数の長窓を設け、
    次に、前記山曲げ部を山曲げし、前記谷曲げ部を谷曲げした後に、前記谷曲げ部を相互に近接して横断面が十字形となるようにし、
    その後、少なくとも翼端部に、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材を配設し、前記谷曲げ部に、ジルカロイ製のタイクロスを、制御棒の軸方向に所定間隔で配置して制御棒を製造することを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。
13. ４枚の平板形状のハフニウム板またはハフニウム合金板の谷曲げ部に、軸方向に規則的な間隔で複数の長窓を設け、
    次に、前記板を谷曲げ部で谷曲げしてＬ字状に形成した後に、当該各板を、前記曲げられた部分を相互に近接させて十字形に配置し、
    その後、対向配置された前記板の両端部に、ハフニウムまたはハフニウム合金製のスペーサ部材を配設し、前記Ｌ字状に曲げられた前記板には、制御棒の軸方向における前記各長窓間に、ジルカロイ製のタイクロスを配置して制御棒を製造することを特徴とする原子炉用制御棒の製造方法。

Images