JP2000235097A - 燃料棒端栓の封止溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 端栓の加圧穴の内径の大きさに関わらず加圧
穴周辺部を安定的に溶融して低コストで封止する。 【解決手段】 燃料棒８の加圧穴９を有する上部端栓５
の部分を気密のチャンバー１８内に保持する。レーザー
ヘッド３０で発振するレーザー光の中央部のエネルギー
を集光光学系３２の円錐レンズ３４でリング状に集光
し、集束レンズ３６で、上部端栓５の先端面５ａで加圧
穴の内径より大きな有効径を有するリング状に集束させ
る。このリング状のレーザー光で上部端栓５の溶接用突
起部２４全周を同時に溶融して加圧穴９を封止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、核燃料集合体の燃
料棒を製造する際に、燃料棒被覆管に固定された端栓の
加圧穴を溶接で封止するための燃料棒端栓の封止溶接方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば軽水炉の原子炉に使用され
る核燃料集合体の燃料棒を製造する場合、例えば図４に
示すようにジルカロイ合金からなる被覆管１内に複数個
の燃料ペレット２が挿入され、被覆管１内のプレナム部
３にスプリング４を挿入し、被覆管１の両端に端栓５，
６を溶接した状態で、燃料ペレット２が一方の端栓、例
えば下部端栓６に圧接されることになる。このような燃
料棒８の製造過程において、被覆管１のプレナム部３側
端部に溶接される他方の端栓、例えば上部端栓５には加
圧穴９が貫通孔として形成されており、加圧穴９を通し
てプレナム部３内にヘリウムガスなどの不活性ガスを充
填した後に溶接手段によって上部端栓５の加圧穴９の周
辺部を溶融して溶接部１０で封止することになる。

【０００３】このような上部端栓５の加圧穴９を封止溶
接する方法として例えばティグ（ＴＩＧ）溶接を用いる
と、加圧溶接時にタングステン電極からタングステンが
溶融して上部端栓５の溶融されたビード部に飛散して混
合するタングステン巻き込み現象が生じることがある。
ジルカロイ合金である上部端栓５にタングステンが混入
すると上部端栓５の耐食性が低下するという問題が生じ
る。しかも加圧穴９の封止溶接は周溶接と比較してタン
グステン電極の消耗が激しく、１回の封止溶接毎にタン
グステン電極のギャップ調整が必要になる。更に電極寿
命が短いために頻繁にタングステン電極の交換が必要で
あり、煩雑でコスト高になるという欠点がある。

【０００４】次にレーザー光で上部端栓５の加圧穴９の
封止溶接を行った場合、上部端栓５に照射されるレーザ
ー光の有効径が加圧穴９より大きければ封止可能である
が、加圧穴９の内径の方がレーザー光の有効径より大き
い場合には封止が困難である。この問題を防ぐために加
圧穴９を小径化すると、上部端栓５の加圧穴９の穿孔加
工が困難になって加工に時間がかかり加工コストが上昇
するという欠点が生じる。また逆に加圧穴９の内径に応
じてレーザー光の有効径を大きくすると、レーザー発光
装置の容量をほぼレーザー光の有効径の２乗の比で大き
くしなければならず、装置コストが増大するという欠点
がある。このような問題を改良した技術として特許第２
８０７９６３号公報に開示された溶接方法がある。この
溶接方法では、レーザーヘッドに組み込まれた回転機構
によってレーザー光を加圧穴９の周縁部に沿って照射さ
せつつ回転移動させて、レーザー光の有効径より内径の
大きい加圧穴９の封止溶接を行うようにしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなレーザーによる加圧穴９の溶接方法では、溶接時に
レーザー光または燃料棒８を回転させる必要があり、装
置が複雑でコスト高になるという欠点がある。しかもレ
ーザー光に対して加圧穴９を有する上部端栓５を相対回
転させるために、溶融部の形状安定性に欠け、特にレー
ザー装置がパルスレーザーである場合には一層不具合が
大きくなる。また高エネルギー容量のレーザー光をデフ
ォーカスさせて加圧穴９の内径より拡径させたレーザー
光を照射させて溶接する方法もあるが、やはり装置コス
トが増大するという欠点がある。本発明はこのような実
情に鑑みて、加圧穴の内径の大きさに関わらず加圧穴周
辺部を安定的に溶融して封止できるようにした燃料棒の
溶接封止方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料棒の封
止方法は、燃料棒の端栓の加圧ガスに設けた加圧穴をレ
ーザー光で封止溶接する燃料棒端栓の封止溶接方法にお
いて、レーザー光を加圧穴の内径より大きな有効径を有
するリング状に集光させて前記端栓の加圧穴の周辺部に
照射して加圧穴を封止するようにしたことを特徴とす
る。レーザー光を集光光学系を通してレーザー光の中央
部のエネルギーを加圧穴の内径より大きな有効径のリン
グ状に集光させて加圧穴の周辺部全周に照射させて溶融
させ、加圧穴を封止させる。これによって加圧穴の内径
に関わらずリング状のレーザー光の有効径を加圧穴の内
径より若干大きいものにすることができ、周辺部全体を
同時且つ均等で安定形状に溶融して短時間で封止でき
る。

【０００７】この燃料棒端栓の封止溶接は好ましくは気
密に封止されたチャンバー内に燃料棒の加圧穴を有する
端栓を保持させ、チャンバー内に加圧ガスを導入して加
圧穴を通して燃料棒の被覆管内に充填させた後、レーザ
ー光を加圧穴の内径より大きな有効径のリング状に集光
させて端栓の加圧穴の周辺部に照射して封止する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
乃至図３により説明するが、上述した従来技術と同一の
部分には同一の符号を用いて説明をする。図１は本発明
の実施の形態による燃料棒端栓の溶接装置を示す概略構
成図、図２は図１に示すチャンバーのの拡大断面図、図
３は集光光学系を透過したレーザー光の集束状態を示す
概略説明図である。図１及び図２に示す燃料棒端栓の溶
接装置１２は、燃料棒保持手段１４とレーザー装置１６
とで構成されている。燃料棒保持手段１４は気密のチャ
ンバー１８を備え、その一の側壁１８ａに設けられた開
口２０を通して燃料棒８の端部、即ち加圧穴９を有する
上部端栓５が周溶接された被覆管１の端部が挿入されて
いる。開口部２０の内周面には全周にわたってシール部
材２２が設けられ、燃料棒８が挿入された状態で被覆管
１に圧接されて開口部２０を気密に封止している。また
チャンバー１８の外部にはチャンバー１８内に端部が挿
入された燃料棒１を保持固定するチャックなどの保持部
材１９が設けられている。尚、この保持部材１９はチャ
ンバー１８の内部に設けられていてもよい。

【０００９】またチャンバー１８内に位置する燃料棒８
の上部端栓５の先端面５ａには加圧穴９とほぼ同一の内
径を備えた略リング状の溶接用突起部２４が加圧穴９と
ほぼ同軸に突出形成されている。またチャンバー１８の
開口部２０に対向する側壁１８ｂには窓部２５が形成さ
れ、この窓部２５にレーザー光を透過するためのガラス
面２６が透過面として装着されている。またガラス面２
６に隣接する側壁１８ｃにはヘリウムガスなどの不活性
ガスを加圧ガスとして導入する導入口２８が形成されて
おり、好ましくは導入口２８は燃料棒８の上部端栓５の
溶接用突起部２４付近に設けられ、チャンバー１８内に
導入された加圧ガスが溶接用突起部２４を通して加圧穴
９内に流入しやすくなっている。

【００１０】チャンバー１８のガラス面２６に対向する
外側位置に設けられたレーザー装置１６では、レーザー
光を発振するレーザーヘッド３０が設けられ、その前方
にはレーザー光を透過してリング状に集束させる集光光
学系３２として、レーザー光をリング状に集光させる円
錐レンズ３４とリング状のレーザー光を集束させるため
の凸レンズ系からなる集束レンズ３６とが配設されてい
る。尚、集束レンズ３６は図では単一の凸レンズで構成
されているが、これに代えて複数の凸レンズまたは凸及
び凹レンズからなるレンズ群として構成されていてもよ
い。レーザーヘッド３０及び集光光学系３２の共通の光
軸Ｏ１は燃料棒８の長手方向に沿う中心軸Ｏ２と同軸と
されている。そしてこの集光光学系３２を透過したレー
ザー光はリング状に集束してチャンバー１８内の上部端
栓５の先端面５ａに照射されることになる。この場合、
リング状のスポット光が加圧穴９周辺の溶接用突起部２
４と同程度の直径を備えるように集光光学系３２のレン
ズ位置やレンズ間距離などを調整すればよい。

【００１１】本実施の形態による燃料棒端栓の溶接装置
１２は上述のような構成を備えており、次に端栓５の加
圧穴９の封止溶接方法について図１及び図３により説明
する。被覆管１の内部にペレット２とスプリング４が収
納されて両端を端栓５，６で溶接された状態の燃料棒８
の、上部端栓５を含む一端部がチャンバー１８内に保持
されて保持部材１９で固定保持された状態で、燃料棒８
はその中心軸Ｏ２がレーザー装置１６の光軸Ｏ１と同軸
に位置する。そして導入口２８からヘリウムガスなどの
加圧ガスをチャンバー１８内に導入して加圧穴９内に充
填させる。加圧ガスでチャンバー１８内が加圧された状
態で、レーザーヘッド３０で発振されたレーザ光は集光
光学系３２の円錐レンズ３４を透過して中央部のエネル
ギーをリング状に集光させ、更に集束レンズ３６を透過
して集光させてガラス面２６を通してチャンバー１８内
に進入させ、その有効径が加圧穴９の内径より若干大き
くなる程度に集束されて上部端栓５の先端面５ａに照射
される。このレーザー光は上部端栓５の先端面５ａでは
リング状のスポット光として溶接用突起部２４を照射
し、この突起部２４を溶融させて加圧穴９を封止溶接さ
せる。

【００１２】レーザーヘッド３０から発振されてレンズ
系を介することなく上部端栓５の先端面５ａに到達する
レーザー光の有効径より加圧穴９の内径の方が大きい場
合でも、集光光学系３２を透過させることで加圧穴９の
内径より大きい径をなすリング状のレーザー光として上
部端栓５の先端面５ａに照射できるから、確実に溶接用
突起部２４を溶融させて加圧穴９を封止できる。尚、加
圧穴９の内径寸法が異なる上部端栓５を溶接するには、
集光光学系３２をレンズ間距離を含めて位置調整して、
上部端栓５の先端面５ａを照射するリング状のレーザー
光の径を加圧穴９の内径より大きくなるように調整すれ
ばよい。

【００１３】上述のように本実施の形態によれば、加圧
穴９より大きな有効径を有するリング状のレーザー光で
加圧穴９の周辺部の溶接用突起部２４全周を同時に溶融
して封止できるから、溶接に際してレーザー光や燃料棒
８を回転させる必要がなく簡単な溶接装置１２で同時に
短時間で溶接でき、溶融部の形状も安定する。そのため
封止溶接のために加圧穴９をレーザー光に合わせて小径
化する必要もなく被覆管１内のプレナム部３への効率的
な加圧ガスの充填が行える。また封止溶接に際して高エ
ネルギー容量のレーザー光を用いてデフォーカスさせる
必要もない等、比較的低エネルギーのレーザー光を用い
て低コストで溶接ができる。

【００１４】尚、上述の実施の形態では、上部端栓５の
先端部５ａに溶接用突起部２４が設けられているが、必
ずしも溶接用突起部２４は設けられていなくてもよい。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る燃料
棒端栓の封止方法は、レーザー光を加圧穴の内径より大
きな有効径を有するリング状に集光させて端栓の加圧穴
の周辺部に照射して加圧穴を封止するようにしたから、
レーザー光で加圧穴の周辺部を同時にかつ安定形状に溶
融して加圧穴を封止でき、加圧穴の径に関わらず周辺部
全体を短時間で均等に封止溶接できる。しかもレーザー
光を燃料棒に対して相対的に回転させる必要もなく、ま
た高エネルギー容量のレーザー光をデフォーカスさせる
必要もなく簡単かつ低コストで封止溶接できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態による燃料棒端栓の溶接
装置の概略構成図である。

【図２】 図１に示す燃料棒保持手段の拡大図である。

【図３】 実施の形態による燃料棒端栓の溶接装置によ
るレーザー光の集束状態を示す説明図である。

【図４】 一般的な燃料棒の概略縦断面図である。

【符号の説明】 １ 被覆管 ５ 上部端栓 ８ 燃料棒 ９ 加圧穴 １２ 燃料棒端栓の溶接装置 １６ レーザー装置 ３０ レーザーヘッド ３２ 集光光学系 ３４ 円錐レンズ ３６ 集束レンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料棒の端栓に設けた加圧穴をレーザー
   光で封止溶接する燃料棒端栓の封止溶接方法において、
   レーザー光を加圧穴の内径より大きな有効径を有するリ
   ング状に集光させて前記端栓の加圧穴の周辺部に照射し
   て加圧穴を封止するようにしたことを特徴とする燃料棒
   端栓の封止溶接方法。