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JP5629446B2 - REACTOR CONTROL RODS COMPOSITE, PROCESS FOR PRODUCING THE COMPOSITE AND REACTOR CONTROL RODS USING THE COMPOSITE - Google Patents
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REACTOR CONTROL RODS COMPOSITE, PROCESS FOR PRODUCING THE COMPOSITE AND REACTOR CONTROL RODS USING THE COMPOSITE Download PDF

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Description

本発明は軽水炉に使用される原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒に関する。 The present invention relates to a composite material for a reactor control rod used in a light water reactor, a method for producing the composite material, and a nuclear reactor control rod using the composite material.

一般に、沸騰水型原子炉等に適用される原子炉制御棒1は、たとえば図7に示すように、ハンドル3を先端部に形成しガイドローラ4aを設けた先端構造材4と未端構造材5とを結合するタイロッド6とこのタイロッド6から放射状に突き出し、内部に冷却材を導入させる冷却孔9が形成され、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の中性子吸収要素(以下、ハフニウム金属板という)10を有する構成とされている。 In general, a nuclear reactor control rod 1 applied to a boiling water reactor or the like includes, as shown in FIG. 7, for example, a front end structural member 4 having a handle 3 formed at a front end portion and provided with a guide roller 4a and an endless structural member. A tie rod 6 that joins the tie rod 5, a cooling hole 9 that protrudes radially from the tie rod 6, and into which a coolant is introduced. A wing 2 that is formed by a sheath 7 having a deep U-shaped cross section, and a sheath 7 has a plurality of neutron absorbing elements (hereinafter referred to as hafnium metal plates) 10 arranged in parallel with the axis of the tie rod 6.

従来、このような原子炉制御棒1は長寿命型制御棒としてフラックスストラップ型ハフニウム制御棒と呼ばれており、この原子炉制御棒1は図7〜図9に示すように、ハフニウムまたはハフニウム合金からなる一対のハフニウム金属板10を対向させ、これらのハフニウム金属板10を中性子吸収要素として金属シース7内に収容した構成とされている。すなわち、このフラックスストラップ型ハフニウム制御棒は、中性子吸収要素をウイング2の長手軸方向11に分割して各分割区分のハフニウム金属板10の厚さを各区分における中性子吸収量に応じて定めたもので、これにより制御棒全体にわたり中性子吸収体の核的寿命を均一化したものである。つまり、各ウイング2は図8、図9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金属板10を対向状態で溶接固定した構成とされている。 Conventionally, such a reactor control rod 1 is called a flux-strap hafnium control rod as a long-life control rod, and this reactor control rod 1 is made of hafnium or a hafnium alloy as shown in FIGS. A pair of hafnium metal plates 10 made of these are opposed to each other, and these hafnium metal plates 10 are housed in a metal sheath 7 as neutron absorbing elements. That is, in this flux strap type hafnium control rod, the neutron absorbing element is divided in the longitudinal axis direction 11 of the wing 2 and the thickness of the hafnium metal plate 10 in each divided section is determined according to the neutron absorption amount in each section. Thus, the nuclear lifetime of the neutron absorber is made uniform over the entire control rod. That is, as shown in FIGS. 8 and 9, each wing 2 has a configuration in which the hafnium metal plate 10 is welded and fixed in an opposed state using a plurality of tops 12 on the inner surface of the sheath 7 that forms the outer shell of the wing 2. ing.

このような従来の原子炉制御棒1において、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が若干ハフニウム金属板10に対して凹状に収縮し、このハフニウム金属板10とシース7との間のギャップを消滅させるのみならず、ハフニウム金属板10を強く拘束する可能性があった。このような状態に陥った場合には、シース7とハフニウム金属板10の隙間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とハフニウム金属板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。また、従来の制御棒ではハフニウム金属板10とシース7を複数のコマ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なる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に応力腐食割れが発生する可能性があり、制御棒の寿命低下につながると共に原子炉の安全性を脅かす可能性がある。 In such a conventional nuclear reactor control rod 1, when each frame 12 and the sheath 7 are fixed by welding, the sheath 7 slightly shrinks in a concave shape with respect to the hafnium metal plate 10 due to welding deformation. In addition to eliminating the gap between the sheath 7 and the hafnium metal plate 10, there is a possibility of being strongly restrained. In such a state, not only the absorption margin of the corrosion product to be formed in the gap between the sheath 7 and the hafnium metal plate 10 disappears, but also the thermal expansion between the sheath 7 and the hafnium metal plate 10. Further, since the structure does not allow relative displacement due to differences in irradiation growth, there is a possibility that excessive stress is generated in the thin plate-like sheath 7. In addition, the conventional control rod has a structure in which the hafnium metal plate 10 and the sheath 7 are held by welding through a plurality of tops 12, and various comparisons during operation including the load at the time of scram are performed by this welded portion. A large load is carried. When the top 12 is fixed by welding in this manner, a tensile residual stress is generated in the vicinity of the welded portion, which may cause stress corrosion cracking in the sheath 7 in the vicinity of the welded portion. It may threaten the safety of the furnace.

このような原子炉制御棒について特許文献1のような溶接構造のものがあるが、溶接に起因する残留応力の低減措置の記載はない。 Although such a nuclear reactor control rod has a welded structure as in Patent Document 1, there is no description of measures for reducing residual stress caused by welding.

特開平9−113664号公報JP-A-9-113644 特開昭59−17192号公報JP 59-17192 A 特開2008−203196号公報JP 2008-203196 A

上述した沸騰水型原子炉等に適用される原子炉用制御棒においては、従来のフラックスストラップ型ハフニウム制御棒では対向したハフニウム金属板をシースで挟み込みコマにより間隔を維持するがコマの上端部とシースを溶接することにより、変形を生じシースの薄肉板はハフニウム側に倒れ込みシース板に引張の残留応力を生じる。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応力腐食割れがシースに発生する原因となる。また、溶接によるシースの変形によりシースとハフニウムとの隙間がなくなり、隙間腐食の原因にもなる可能性があり原子炉制御棒の信頼性低下につながる課題がある。 In the control rod for a reactor applied to the above-described boiling water reactor or the like, in the conventional flux strap type hafnium control rod, the opposed hafnium metal plate is sandwiched between sheaths, and the interval is maintained by the top, but the top end of the top By welding the sheath, the sheath is deformed and the thin plate of the sheath falls to the hafnium side, generating a tensile residual stress on the sheath plate. When used in such a state, stress corrosion cracking may occur in the sheath due to the residual stress of tension and high-temperature water due to the water environment. In addition, there is a problem that the gap between the sheath and hafnium disappears due to deformation of the sheath due to welding, which may cause crevice corrosion, leading to a decrease in the reliability of the reactor control rod.

また、シースを使用しない例として特許文献2、3がある。この原子炉制御棒はハフニウム板材とジルコニウム薄板を接合部分で溶接し、密着性を高めるために押し出し加工を行なっている。しかしながら、この原子炉制御棒においては押し出し加工による残留応力の問題および耐食性について特に問題にしていない点等、種々の課題があった。 Moreover, there are Patent Documents 2 and 3 as examples in which the sheath is not used. This nuclear reactor control rod is welded with a hafnium plate and a zirconium thin plate at the joint, and extruded to improve adhesion. However, this nuclear reactor control rod has various problems such as a problem of residual stress due to extrusion processing and a point that the corrosion resistance is not particularly problematic.

本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、原子炉制御棒の各部位の残留応力を低減させ、照射成長が抑制され、耐食性も向上するため長寿命化を実現できる原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and can reduce the residual stress in each part of the reactor control rod, suppress the irradiation growth, and improve the corrosion resistance, thereby realizing a long life. An object of the present invention is to provide a composite material for a nuclear reactor control rod, a method for producing the composite material, and a nuclear reactor control rod using the composite material.

本発明に係る原子炉制御棒用複合材の製造方法は、ハフニウム板材表面をジルコニウム合金で被覆し複合材を形成する複合材形成工程と、前記複合材に対して前記ジルコニウム合金のα−β変態温度以上の温度での焼入れを行う焼入れ工程と、この焼入れ工程後に625℃以上に曝されることなく冷間加工または熱間加工を行う成形工程とから成り、前記成形工程における前記冷間加工または熱間加工を、累積焼鈍パラメータΣAiが下記式で2×10 -19 時間を超えない範囲で行うことを特徴とする。
ΣAi=Σti×exp(−Q/RTi)
ここで、ti:β焼入れ後のi番目熱処理工程における処理時間(時間)。
Ti:工程iの処理温度(K)。
Q:活性化エネルギー。
R:気体定数。
Q/R=40000。
A method for manufacturing a composite material for a nuclear reactor control rod according to the present invention includes a composite material forming step in which a hafnium plate material surface is coated with a zirconium alloy to form a composite material, and an α-β transformation of the zirconium alloy with respect to the composite material. A quenching process in which quenching is performed at a temperature equal to or higher than a temperature, and a molding process in which cold working or hot working is performed without being exposed to 625 ° C. or higher after the quenching process. The hot working is performed in a range where the cumulative annealing parameter ΣAi does not exceed 2 × 10 −19 hours according to the following formula .
ΣAi = Σti × exp (−Q / RTi)
Here, ti: treatment time (hour) in the i-th heat treatment step after β quenching.
Ti: Processing temperature (K) in step i.
Q: Activation energy.
R: Gas constant.
Q / R = 40000.

また、本発明に係る原子炉制御棒用複合材は、ジルコニウム合金がSn;1.2〜1.7質量%、Fe;0.07〜0.20質量%、Cr;0.05〜0.15質量%、Ni;0.03〜0.08質量%を含み、残部がZr及び不可避不純物とからなる組成である、上記原子炉制御棒用複合材の製造方法で製造されたことを特徴とする。   Further, in the nuclear reactor control rod composite material according to the present invention, the zirconium alloy is Sn; 1.2 to 1.7 mass%, Fe; 0.07 to 0.20 mass%, Cr; 0.05 to 0.00. 15% by mass, Ni: 0.03 to 0.08% by mass, the balance being a composition comprising Zr and unavoidable impurities, manufactured by the above method for manufacturing a nuclear reactor control rod composite To do.

さらにまた、本発明に係る原子炉制御棒は、上記原子炉制御棒用複合材の製造方法または原子炉制御棒用複合材によって構成されたことを特徴とする。 Furthermore, a nuclear reactor control rod according to the present invention is characterized by being constituted by the above-described method for manufacturing a nuclear reactor control rod composite or a nuclear reactor control rod composite.

本発明に係る原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒においては、原子炉制御棒の各部位の残留応力を低減させ、照射成長が抑制され、耐食性も向上するため長寿命化を実現できる。このため、原子炉制御棒の信頼性を向上でき、高品質の原子炉用制御棒を提供することができる。 In a nuclear reactor control rod composite material according to the present invention, a method of manufacturing the composite material, and a nuclear reactor control rod using the composite material, the residual stress in each part of the nuclear reactor control rod is reduced and irradiation growth is suppressed. In addition, since the corrosion resistance is improved, a long life can be realized. For this reason, the reliability of the reactor control rod can be improved, and a high-quality reactor control rod can be provided.

本発明の第1実施形態を示す制御棒材料の要部断面図。The principal part sectional drawing of the control rod material which shows 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態の変形例を示す制御棒材料の要部断面図。The principal part sectional drawing of the control rod material which shows the modification of 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態を示す原子炉制御棒用複合材の製造方法を示す流れ図。The flowchart which shows the manufacturing method of the composite material for nuclear reactor control rods which shows the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態を示す原子炉制御棒の横断面図。1 is a cross-sectional view of a nuclear reactor control rod showing a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態を示す制御棒材料の断面図。Sectional drawing of the control rod material which shows 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第6実施形態を示す斜視図。The perspective view which shows 6th Embodiment of this invention. 従来の原子炉制御棒を示す一部切断斜視図。The partially cut perspective view which shows the conventional nuclear reactor control rod. 従来の制御棒のウイングの一部を切り欠いて示した正面図。The front view which notched and showed a part of wing of the conventional control rod. 従来の制御棒の横面図。The side view of the conventional control rod.

以下、本発明に係る原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の実施例について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of a composite material for a nuclear reactor control rod according to the present invention, a method for producing the composite material, and a nuclear reactor control rod using the composite material will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
図1および図2は、本発明の第1の実施の形態およびその変形例を示す原子炉制御棒の中性子吸収材の要部を拡大して断面で示す要部断面図であり、図3は本発明の第1の実施の形態を示す原子炉制御棒用複合材の製造方法を示す流れ図、図4は本発明の第1の実施の形態を示す原子炉制御棒の横断面図である。なお、本実施の形態において従来例と同一部分には同一符号を付してその部分の構成の説明は省略する。
(First embodiment)
FIG. 1 and FIG. 2 are main part sectional views showing an enlarged main part of a neutron absorber of a nuclear reactor control rod showing a first embodiment of the present invention and its modification, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view of the nuclear reactor control rod showing the first embodiment of the present invention. FIG. In the present embodiment, the same parts as those in the conventional example are denoted by the same reference numerals, and description of the structure of those parts is omitted.

図1、3に示すように、複合材形成工程Aにおいて原子炉制御棒20のウイング2を構成するハフニウム金属板21の表面の一面または図2に示すように相対向する両面にジルコニウム合金から成る保護材22、23を被覆(接合)させる。その後、焼入れ工程Bにおいてα−β変態温度以上の温度で焼入れを行うことにより優れた耐食性を持つ原子炉制御棒用複合板材24、25を得ることができる。 As shown in FIGS. 1 and 3, the composite material forming step A is made of a zirconium alloy on one surface of the hafnium metal plate 21 constituting the wing 2 of the reactor control rod 20 or on both opposing surfaces as shown in FIG. The protective materials 22 and 23 are covered (joined). Thereafter, by performing quenching at a temperature equal to or higher than the α-β transformation temperature in the quenching step B, the reactor control rod composite plates 24 and 25 having excellent corrosion resistance can be obtained.

そして、この原子炉制御棒用複合板材24、25を図4に示す十字型30の型加工により、保護板22、23が外側(燃料集合体と相対する側)と成るように構成され、内部に減速材である水を流すことのできる空間31を有する十字型の制御棒形状に成形される。その後、その上部側には先端構造材4であるハンドル3を溶接により取り付ける。また下部にも末端構造材4を同じく溶接で取り付けて制御棒20を形成するものである。 The reactor control rod composite plates 24 and 25 are constructed by forming the cross 30 shown in FIG. 4 so that the protective plates 22 and 23 are on the outer side (the side facing the fuel assembly). Is formed into a cross-shaped control rod shape having a space 31 through which water as a moderator can flow. Thereafter, the handle 3 as the tip structural member 4 is attached to the upper side by welding. Further, the end structure 4 is also attached to the lower portion by welding to form the control rod 20.

なお、本実施例においては十字型30の型加工の例を示したが当該板材24、25を保護板22、23が外側(燃料集合体と相対する側)と成るように1枚または2枚の板を張り合わせた形でウイング2を形成して十字型の制御棒の形状に構成しても良いのは勿論である。 In the present embodiment, an example of mold processing of the cross 30 is shown, but the plate members 24 and 25 are one or two so that the protective plates 22 and 23 are on the outer side (side facing the fuel assembly). Of course, the wings 2 may be formed in the form of a cross-shaped control rod formed by pasting the plates together.

この場合、外側の板厚方向の板材部分についても保護板で覆うことによってより信頼性の向上した原子炉制御棒とすることができる。 In this case, it is possible to obtain a nuclear reactor control rod with improved reliability by covering the outer plate material portion with a protective plate.

このように構成された原子炉制御棒用複合板材24、25の作用について説明する。 The operation of the nuclear reactor control rod composite plates 24 and 25 thus configured will be described.

従来の構造ではU字シース、支持コマ等はステンレス鋼が使用されており、それらをTIG溶接により接合するものであり、溶接によるシース板へ引張側の高い残留応力が生じた状態で原子炉の高温炉水の環境にさらされるとステンレス鋼では応力腐食割れが発生し、制御棒の機能を損なう。このため、本発明ではハフニウム金属板21の表面に、ジルコニウム合金から成る保護材22、23を被覆(付着)させたことで層構造となった複合材とし、ジルコニウム合金の六方最密構造(α相)から体心立方構造(β相)に変化するα−β変態温度以上で焼入れを行う。 In the conventional structure, stainless steel is used for the U-shaped sheath, support piece, etc., and these are joined by TIG welding. In the state where high residual stress on the tensile side is generated on the sheath plate by welding, When exposed to high-temperature reactor water environments, stress corrosion cracking occurs in stainless steel, impairing the function of the control rod. Therefore, in the present invention, the surface of the hafnium metal plate 21 is coated (attached) with the protective materials 22 and 23 made of a zirconium alloy to form a composite material having a layer structure, and a hexagonal close-packed structure (α Quenching is carried out at or above the α-β transformation temperature at which the phase changes from a phase) to a body-centered cubic structure (β phase).

さらに、本実施の形態においては、原子炉制御棒用複合板材24、25を作成するにあたって焼入れ工程Bの後に成形工程Cを行なっても良い。この成形工程Cにおいては、β焼入れ後の熱処理温度と時間の関数の総和で示される下記1式で求められる累積焼鈍パラメータΣAiが、2×10-19時間を超えない範囲で加工をおこなうことにより優れた耐食性を保持させ、さらに結晶方位を制御することにより耐照射性も向上する。 Further, in the present embodiment, the molding step C may be performed after the quenching step B in producing the nuclear reactor control rod composite plates 24 and 25. In this forming step C, the cumulative annealing parameter ΣAi obtained by the following equation 1 indicated by the sum of functions of the heat treatment temperature and time after β quenching is processed within a range not exceeding 2 × 10 −19 hours. Irradiation resistance is improved by maintaining excellent corrosion resistance and further controlling the crystal orientation.

(ΣAi=Σti×exp(−Q/RTi) ・・・(1)
なお、ti;β焼入れ後のi番目熱処理工程における処理時間(時間)、Ti;工程iの処理温度(K)、Q;活性化エネルギー、R;気体定数、Q/R=40000である。
(ΣAi = Σti × exp (−Q / RTi) (1)
Here, ti: treatment time (hour) in the i-th heat treatment step after β quenching, Ti: treatment temperature (K) of step i, Q: activation energy, R: gas constant, Q / R = 40000.

このような工程を経て複合材にした中性子吸収材で原子炉制御棒を構成するものである。このため、高温水と接する部材の優れた腐食特性を維持できるため、腐食の防止が可能となる。 A nuclear reactor control rod is constituted by a neutron absorber made into a composite material through such processes. For this reason, since the outstanding corrosion characteristic of the member which contacts high temperature water can be maintained, corrosion can be prevented.

以上の構成および作用により、本発明によれば、原子炉制御棒において、ハフニウムとジルコニウム合金の合成材で十字型構造を形成することにより原子炉制御棒の各部位の残留応力を低減させ、照射成長が抑制され、耐食性も向上するため長寿命化を実現できる。このため、制御棒の信頼性を向上でき、高品質の原子炉用制御棒を提供することができる。   With the above configuration and operation, according to the present invention, in the nuclear reactor control rod, the residual stress in each part of the nuclear reactor control rod is reduced by forming a cross-shaped structure with a synthetic material of hafnium and a zirconium alloy, and irradiation is performed. Since growth is suppressed and corrosion resistance is improved, a longer life can be realized. For this reason, the reliability of the control rod can be improved, and a high-quality reactor control rod can be provided.

(第2の実施の形態)
次に、本発明に係る原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第2の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of a reactor control rod composite material according to the present invention, a method for manufacturing the composite material, and a reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

第2の実施の形態は、第1の実施の形態の原子炉制御棒用複合材24、25において、その複合材形成工程Aの後の焼入れ工程Bにおいてジルコニウム合金のβ領域(体心立方構造(β相)領域)で焼き入れを実施することを特徴とする。β焼入れは、通常、およそ1173K〜1373Kの間まで加熱することによって行われる。 In the second embodiment, in the reactor control rod composite materials 24 and 25 of the first embodiment, in the quenching process B after the composite material forming process A, the β region (body-centered cubic structure) of the zirconium alloy is used. Quenching is performed in the (β phase) region). β quenching is usually performed by heating to between approximately 1173K and 1373K.

このようにジルコニウム合金のβ領域で焼入れすることによりジルコニウム合金における添加元素を固溶させることにより、良好な耐食性を保持することができるため、原子炉制御棒の寿命を延ばすことのできる原子炉制御棒用複合材24、25を得ることができる。 In this way, by quenching in the β region of the zirconium alloy, it is possible to maintain good corrosion resistance by dissolving the additive elements in the zirconium alloy, so that the reactor control can extend the life of the reactor control rod Bar composites 24 and 25 can be obtained.

(第3の実施の形態)
次に、本発明に係る原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第3の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of a reactor control rod composite material according to the present invention, a method for producing the composite material, and a reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

第2の実施の形態は、第1の実施の形態の原子炉制御棒用複合材24、25において、その複合材形成工程Aの後の焼入れ工程Bにおいてジルコニウム合金のα+β領域(六方最密構造(α相)と体心立方構造(β相)が混在する領域)で焼き入れすることを特徴とする。このようにジルコニウム合金のα+β領域で焼入れすることによって、ジルコニウム合金における添加元素を固溶させることにより、良好な耐食性を保持することができるため、原子炉制御棒の寿命を延ばすことのできる原子炉制御棒用複合材24、25を得ることができる。 In the second embodiment, the reactor control rod composite materials 24 and 25 of the first embodiment are used in the α + β region (hexagonal close-packed structure) of the zirconium alloy in the quenching process B after the composite material forming process A. (Alpha phase) and body centered cubic structure (β phase)). In this way, by quenching in the α + β region of the zirconium alloy, it is possible to maintain good corrosion resistance by dissolving the additive element in the zirconium alloy, so that the reactor control rod life can be extended. Control rod composites 24 and 25 can be obtained.

(第4の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第4の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of a reactor control rod composite material, a method of manufacturing the composite material, and a reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本発明に係る第4の実施の形態は、第1から第3の実施形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する制御棒用板材において、結晶方位の制御方法を示すものである。 The fourth embodiment according to the present invention shows a method for controlling the crystal orientation in the control rod plate having the features of the nuclear reactor control rod plates of the first to third embodiments.

焼入れ工程B後の加工物に対し、成形工程Cにおいて625℃以下でかつ、上述した式1で示した累積焼鈍パラメータ(ΣAi)が2×10-19時間よりも小さくなる範囲で冷間または熱間加工することにより、図5に示すように複合板材24,25を構成するハフニウムとジルコニウム合金の結晶32の結晶方位33を耐食性を保持したまま制御したことを特徴とする原子炉制御棒用板材である。このようにすることにより照射方向を制御することができるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉制御棒用板材とすることができる。 The workpiece after the quenching step B is cold or hot within a range of 625 ° C. or lower in the forming step C and the cumulative annealing parameter (ΣAi) expressed by the above-described formula 1 is smaller than 2 × 10 −19 hours. A plate material for a nuclear reactor control rod characterized by controlling the crystal orientation 33 of the hafnium-zirconium alloy crystal 32 constituting the composite plate materials 24, 25 by maintaining the corrosion resistance as shown in FIG. It is. Since the irradiation direction can be controlled by doing in this way, it can be set as the board | plate material for nuclear reactor control rods which can prolong the damage life of a control rod.

(第5の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第5の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of a reactor control rod composite material, a method of manufacturing the composite material, and a reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本発明に係る第5の実施の形態は、第1から第4の実施形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する原子炉制御棒用板材において、ジルコニウム合金の付着方法を示すものである。 The fifth embodiment according to the present invention shows a method for depositing a zirconium alloy in a reactor control rod plate having the characteristics of the reactor control rod plates of the first to fourth embodiments.

中性子吸収材であるハフニウム金属板21の少なくとも一方の表面に保護板22,23となるジルコニウム合金を熱間圧延により付着させたことを特徴とする原子炉制御棒用板材である。このようにすることにより高温高圧水にハフニウム材が接しない様にしたことにより中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉制御棒用板材とすることができる。   A reactor control rod plate material characterized in that a zirconium alloy serving as protective plates 22 and 23 is attached to at least one surface of a hafnium metal plate 21 as a neutron absorber by hot rolling. In this way, because the hafnium material does not come into contact with the high-temperature high-pressure water, corrosion of the neutron absorber can be prevented, so that the control rod plate material can extend the damage life of the control rod. Can do.

(第6の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第6の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Sixth embodiment)
Next, a composite material for a nuclear reactor control rod, a method for producing the composite material, and a sixth embodiment of a nuclear reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本発明に係る第6の実施の形態は、第1から第4の実施形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する原子炉制御棒用板材において、ジルコニウム合金の付着方法を示すものである。 The sixth embodiment according to the present invention shows a method for depositing a zirconium alloy in the reactor control rod plate having the features of the reactor control rod plates of the first to fourth embodiments.

中性子吸収材であるハフニウム金属板21の少なくとも一方の表面に保護板22,23となるジルコニウム合金を拡散接合により付着させたことを特徴とする原子炉制御棒用板材である。このようにすることにより高温高圧水にハフニウム材が接しない様にしたことにより中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉制御棒用板材とすることができる。   It is a nuclear reactor control rod plate material characterized in that a zirconium alloy to be protective plates 22 and 23 is adhered to at least one surface of a hafnium metal plate 21 which is a neutron absorber by diffusion bonding. In this way, because the hafnium material does not come into contact with the high-temperature high-pressure water, corrosion of the neutron absorber can be prevented, so that the control rod plate material can extend the damage life of the control rod. Can do.

(第7の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第7の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Seventh embodiment)
Next, a description will be given of a seventh embodiment of a reactor control rod composite material, a method of manufacturing the composite material, and a reactor control rod using the composite material. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本発明に係る第7の実施の形態は、第1から第4の実施形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する原子炉制御棒用板材において、ジルコニウム合金の付着方法を示すものである。 The seventh embodiment according to the present invention shows a method for depositing a zirconium alloy in a reactor control rod plate having the features of the reactor control rod plates of the first to fourth embodiments.

中性子吸収材であるハフニウム金属板21の少なくとも一方の表面に保護板22,23となるジルコニウム合金を爆着により付着させたことを特徴とする原子炉制御棒用板材である。このようにすることにより高温高圧水にハフニウム材が接しない様にしたことにより中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉制御棒用板材とすることができる。   This is a plate for a reactor control rod, characterized in that a zirconium alloy to be the protective plates 22 and 23 is adhered to at least one surface of a hafnium metal plate 21 which is a neutron absorber by explosion. In this way, because the hafnium material does not come into contact with the high-temperature high-pressure water, corrosion of the neutron absorber can be prevented, so that the control rod plate material can extend the damage life of the control rod. Can do.

(第8の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第8の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Eighth embodiment)
Next, an eighth embodiment of a nuclear reactor control rod composite, a method for producing the composite, and a nuclear reactor control rod using the composite will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本発明に係る第8の実施の形態は、第1から第4の実施形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する原子炉制御棒用板材において、ジルコニウム合金の付着方法を示すものである。 The eighth embodiment according to the present invention shows a method for attaching a zirconium alloy in a reactor control rod plate having the characteristics of the reactor control rod plates of the first to fourth embodiments.

中性子吸収材であるハフニウム金属板21の少なくとも一方の表面に保護板22,23となるジルコニウム合金を溶射により付着させたことを特徴とする原子炉制御棒用板材である。このようにすることにより高温高圧水にハフニウム材が接しない様にしたことにより中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉制御棒用板材とすることができる。 A reactor control rod plate material, wherein a zirconium alloy to be protective plates 22 and 23 is adhered to at least one surface of a hafnium metal plate 21 as a neutron absorber by thermal spraying. In this way, because the hafnium material does not come into contact with the high-temperature high-pressure water, corrosion of the neutron absorber can be prevented, so that the control rod plate material can extend the damage life of the control rod. Can do.

(第9の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第9の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Ninth embodiment)
Next, a ninth embodiment of a nuclear reactor control rod composite material, a method for producing the composite material, and a nuclear reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

本発明に係る第9の実施の形態は、第1から第4の実施形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する原子炉制御棒用板材において、ジルコニウム合金の付着方法を示すものである。 The ninth embodiment according to the present invention shows a method for depositing a zirconium alloy in a nuclear reactor control rod plate having the characteristics of the nuclear reactor control rod plates of the first to fourth embodiments.

中性子吸収材であるハフニウム金属板21の少なくとも一方の表面に保護板22,23となるジルコニウム合金を図6に示すように摩擦攪拌接合により付着させたことを特徴とする原子炉制御棒用板材である。このようにすることにより高温高圧水にハフニウム材が接しない様にしたことにより中性子吸収材の腐食等が防止できるため、制御棒の損傷寿命を延ばすことのできる原子炉制御棒用板材とすることができる。 A reactor control rod plate material characterized in that a zirconium alloy to be protective plates 22 and 23 is attached to at least one surface of a hafnium metal plate 21 as a neutron absorber by friction stir welding as shown in FIG. is there. In this way, because the hafnium material does not come into contact with the high-temperature high-pressure water, corrosion of the neutron absorber can be prevented, so that the control rod plate material can extend the damage life of the control rod. Can do.

(第10の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第10の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Tenth embodiment)
Next, a composite material for a nuclear reactor control rod, a method for producing the composite material, and a tenth embodiment of a nuclear reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

第1から第9の実施の形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する制御棒用板材24,25において、保護板22,23として付着させるジルコニウム合金の化学成分を示すものである。 In the control rod plates 24 and 25 having the characteristics of the nuclear reactor control rod plates of the first to ninth embodiments, chemical components of the zirconium alloy to be attached as the protective plates 22 and 23 are shown.

ハフニウム金属板材表面に付着させるジルコニウム合金が、Sn;1.2〜1.7質量%、Fe;0.07〜0.20質量%、Cr;0.05〜0.15質量%、Ni;0.03〜0.08質量%を含み、残部がZr及び不可避不純物とからなる組成であることを特徴とする原子炉制御棒用複合材である。このようなジルコニウム合金を用いることにより原子炉内使用時においても良好な耐食性を保持することができるため、原子炉制御棒の寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒用板材とすることができる。 The zirconium alloy adhered to the surface of the hafnium metal plate is Sn: 1.2 to 1.7% by mass, Fe; 0.07 to 0.20% by mass, Cr; 0.05 to 0.15% by mass, Ni; 0 A composite material for a nuclear reactor control rod comprising 0.03 to 0.08% by mass, the balance being Zr and inevitable impurities. By using such a zirconium alloy, it is possible to maintain good corrosion resistance even when used in the reactor, and therefore it is possible to provide a reactor control rod plate that can extend the life of the reactor control rod. .

(第11の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第11の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Eleventh embodiment)
Next, an eleventh embodiment of a nuclear reactor control rod composite material, a method for producing the composite material, and a nuclear reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

第1から第9の実施形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する制御棒用板材24,25において、付着させるジルコニウム合金の化学成分を示すものである。 In the control rod plates 24 and 25 having the characteristics of the nuclear reactor control rod plates of the first to ninth embodiments, chemical components of the zirconium alloy to be adhered are shown.

ハフニウム金属板材表面に付着させるジルコニウム合金が、Sn;1.2〜1.7質量%、Fe;0.18〜0.24質量%、Cr;0.07〜0.13質量%、を含み、残部がZr及び不可避不純物とからなる組成であることを特徴とする原子炉制御棒用複合材である。このようなジルコニウム合金を用いることにより炉内使用時においても良好な耐食性を保持することができるため、制御棒の寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒用板材とすることができる。 The zirconium alloy to be adhered to the surface of the hafnium metal plate contains Sn: 1.2 to 1.7% by mass, Fe; 0.18 to 0.24% by mass, Cr; 0.07 to 0.13% by mass, A composite material for a nuclear reactor control rod, wherein the balance is a composition comprising Zr and inevitable impurities. By using such a zirconium alloy, good corrosion resistance can be maintained even when used in the furnace, so that it is possible to provide a control rod plate for a nuclear reactor that can extend the life of the control rod.

(第12の実施の形態)
次に、原子炉制御棒用複合材、その複合材の製造方法およびその複合材を使用した原子炉制御棒の第12の実施の形態を説明する。なお第1の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
(Twelfth embodiment)
Next, a composite material for a nuclear reactor control rod, a method for producing the composite material, and a twelfth embodiment of a nuclear reactor control rod using the composite material will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the structure same as 1st Embodiment, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

第1から第9の実施形態の原子炉制御棒用板材の特徴を有する制御棒用板材24,25において、付着させるジルコニウム合金の化学成分を示すものである。 In the control rod plates 24 and 25 having the characteristics of the nuclear reactor control rod plates of the first to ninth embodiments, chemical components of the zirconium alloy to be adhered are shown.

ハフニウム板材表面に付着させるジルコニウム合金が、Nb;0.2〜1.5質量%、Fe;0.01〜0.45質量%、Sn;0.02〜0.45質量%Sn、Cr;0.05〜0.5質量%、Cu;0.02〜0.3質量%、V;0.1〜0.3質量%、およびNi;0.01〜0.1質量%からなる群から選択される少なくとも2つの追加の元素と、残部がZr及び不可避不純物とからなる組成であることを特徴とする原子炉制御棒用複合材である。このようなジルコニウム合金を用いることにより炉内使用時においても良好な耐食性を保持することができるため、制御棒の寿命を延ばすことのできる原子炉用制御棒用板材とすることができる。 The zirconium alloy deposited on the surface of the hafnium plate is Nb; 0.2 to 1.5 mass%, Fe; 0.01 to 0.45 mass%, Sn; 0.02 to 0.45 mass% Sn, Cr; 0 0.05 to 0.5 mass%, Cu; 0.02 to 0.3 mass%, V; 0.1 to 0.3 mass%, and Ni; 0.01 to 0.1 mass% It is a composite material for a nuclear reactor control rod, characterized in that it has a composition composed of at least two additional elements and the balance of Zr and inevitable impurities. By using such a zirconium alloy, good corrosion resistance can be maintained even when used in the furnace, so that it is possible to provide a control rod plate for a nuclear reactor that can extend the life of the control rod.

1,20…原子炉制御棒、2…ウイング、3…ハンドル、4…先端構造材、5…末端構造材、6…タイロッド、7…シース、9…冷却孔、10、21…中性子吸収材(ハフニウム金属板)、12…コマ、22,23…保護板(ジルコニウムまたはジルコニウム合金)、24,25…原子炉制御棒用複合板材、30…十字型、31…空間、32…結晶、33…結晶方位、A…複合材形成工程、B…焼入れ工程、C…成形工程。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,20 ... Reactor control rod, 2 ... Wing, 3 ... Handle, 4 ... Tip structure material, 5 ... End structure material, 6 ... Tie rod, 7 ... Sheath, 9 ... Cooling hole, 10, 21 ... Neutron absorber ( Hafnium metal plate), 12 ... coma, 22, 23 ... protective plate (zirconium or zirconium alloy), 24, 25 ... composite plate material for nuclear reactor control rod, 30 ... cross, 31 ... space, 32 ... crystal, 33 ... crystal Orientation, A ... Composite material forming step, B ... Quenching step, C ... Molding step.

Claims (9)

ハフニウム板材表面をジルコニウム合金で被覆し複合材を形成する複合材形成工程と、
前記複合材に対して前記ジルコニウム合金のα−β変態温度以上の温度での焼入れを行う焼入れ工程と、
この焼入れ工程後に625℃以上に曝されることなく冷間加工または熱間加工を行う成形工程とから成り、
前記成形工程における前記冷間加工または熱間加工を、累積焼鈍パラメータΣAiが下記式で2×10 -19 時間を超えない範囲で行うことを特徴とする原子炉制御棒用複合材の製造方法。
ΣAi=Σti×exp(−Q/RTi)
ここで、ti:β焼入れ後のi番目熱処理工程における処理時間(時間)。
Ti:工程iの処理温度(K)。
Q:活性化エネルギー。
R:気体定数。
Q/R=40000。
A composite material forming step of forming a composite material by coating the surface of the hafnium plate with a zirconium alloy;
A quenching step of quenching the composite material at a temperature equal to or higher than the α-β transformation temperature of the zirconium alloy;
It consists of a molding process that performs cold working or hot working without being exposed to 625 ° C. or higher after this quenching process,
A method for producing a composite material for a nuclear reactor control rod, characterized in that the cold working or hot working in the forming step is performed in a range where the cumulative annealing parameter ΣAi does not exceed 2 × 10 −19 hours according to the following formula .
ΣAi = Σti × exp (−Q / RTi)
Here, ti: treatment time (hour) in the i-th heat treatment step after β quenching.
Ti: Processing temperature (K) in step i.
Q: Activation energy.
R: Gas constant.
Q / R = 40000.
前記焼入れ工程がジルコニウム合金のβ領域または(α+β)領域の温度で実施されることを特徴とする請求項1記載の原子炉制御棒用複合材の製造方法。The method for producing a composite material for a nuclear reactor control rod according to claim 1, wherein the quenching step is performed at a temperature in a β region or a (α + β) region of the zirconium alloy. 前記焼入れ工程後の前記成形工程において、前記複合材が冷間加工または熱間加工により、複合材の結晶方位が制御されたことを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか1項記載の原子炉制御棒用複合材の製造方法。3. The crystal orientation of the composite material is controlled by cold working or hot working in the forming step after the quenching step. 4. Of manufacturing a composite material for a nuclear reactor control rod. 前記複合材形成工程において、前記ハフニウム板材と前記ジルコニウム合金の付着を熱間圧延、拡散接合、爆着、溶射、摩擦攪拌接合から選択された一手段によって前記複合材が形成されることを特徴とする、請求項1から請求項3のいずれか1項記載の原子炉制御棒用複合材の製造方法。In the composite material forming step, the composite material is formed by one means selected from hot rolling, diffusion bonding, explosion welding, thermal spraying, and friction stir welding for adhesion of the hafnium plate material and the zirconium alloy. A method for manufacturing a composite material for a nuclear reactor control rod according to any one of claims 1 to 3. 前記ジルコニウム合金がSn;1.2〜1.7質量%、Fe;0.07〜0.20質量%、Cr;0.05〜0.15質量%、Ni;0.03〜0.08質量%を含み、残部がZr及び不可避不純物とからなる組成である、請求項1から請求項4のいずれか1項記載の製造方法で製造されたことを特徴とする原子炉制御棒用複合材。The zirconium alloy is Sn; 1.2 to 1.7 mass%, Fe; 0.07 to 0.20 mass%, Cr; 0.05 to 0.15 mass%, Ni; 0.03 to 0.08 mass% A composite material for a nuclear reactor control rod, which is manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 4, wherein the composite material is composed of Zr and the balance of Zr and inevitable impurities. 前記ジルコニウム合金がSn;1.2〜1.7質量%、Fe;0.18〜0.24質量%、Cr;0.07〜0.13質量%、を含み、残部がZr及び不可避不純物とからなる組成である、請求項1から請求項4のいずれか1項記載の製造方法で製造されたことを特徴とする原子炉制御棒用複合材。The zirconium alloy contains Sn; 1.2 to 1.7 mass%, Fe; 0.18 to 0.24 mass%, Cr; 0.07 to 0.13 mass%, and the balance is Zr and inevitable impurities. A composite material for a nuclear reactor control rod, which is produced by the production method according to any one of claims 1 to 4, which has a composition comprising: 前記ジルコニウム合金がNb;0.2〜1.5質量%、Fe;0.01〜0.45質量%、Sn;0.02〜0.45質量%Sn、Cr;0.05〜0.5質量%、Cu;0.02〜0.3質量%、V;0.1〜0.3質量%、およびNi;0.01〜0.1質量%からなる群から選択される少なくとも2つの追加の元素と、残部がZr及び不可避不純物とからなる組成である、請求項1から請求項4のいずれか1項記載の製造方法で製造されたことを特徴とする原子炉制御棒用複合材。The zirconium alloy is Nb; 0.2 to 1.5 mass%, Fe; 0.01 to 0.45 mass%, Sn; 0.02 to 0.45 mass% Sn, Cr; 0.05 to 0.5 At least two additions selected from the group consisting of wt%, Cu; 0.02-0.3 wt%, V; 0.1-0.3 wt%, and Ni; 0.01-0.1 wt% A composite material for a nuclear reactor control rod, which is produced by the production method according to any one of claims 1 to 4, wherein the composition is composed of the following elements and the balance is Zr and inevitable impurities. 請求項1から請求項4いずれか1項記載の製造方法で製造されたことを特徴とする原子炉用制御棒。A control rod for a nuclear reactor manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 4. 請求項5から請求項7いずれか1項記載の原子炉制御棒用複合材で構成されたことを特徴とする原子炉用制御棒。A nuclear reactor control rod comprising the composite material for a nuclear reactor control rod according to any one of claims 5 to 7.
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