JP2004170413A - 一体型ノズルを有する原子炉ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 原子炉クロージャーヘッド組立体の応力腐食割れを最小にし、原子炉冷却液にさらされるノズル溶接部を除去すること。
【解決手段】 原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体１０５を備え、該組立体１０５は、クロージャーヘッドを含み、これは、凹状内側面２４と凸状外側面２６を有し、かつ、第１の材料から作製される。該組立体１０５は、クロージャーヘッド１２０と一体の複数のノズル１３０を有する。各ノズル１３０は、ノズルチップ１３６で終端し、また、該ノズルを通る孔１３２を有し、該孔１３２は、クロージャーヘッド１２０の内側面からノズルチップ１３６へと延長している孔面１２２を規定する。耐食性の第２の材料が各孔面１２２に沿って設けられる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、原子力発電所システムに関し、更に詳しくは、制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）案内管ノズル貫入のような原子炉圧力容器クロージャーヘッドのためのノズル貫入配列構造、及び、それらの製造方法に関する。

加圧水型原子炉（ＰＷＲ）は、炉心を有する下方の原子炉容器と、上方の制御棒組立体とを含み、制御棒組立体の一部は、原子炉の反応速度を制御するため、原子炉容器内へと降下され得る。制御棒組立体は、該容器の上蓋、すなわちクロージャーヘッドを貫通する複数の垂直ノズルを含み、また、制御棒の延長部を収容し、これらは、制御棒駆動機構（「ＣＲＤＭ」）によって上昇又は降下され得、該制御棒駆動機構は、一般に、電気式、電子機械式、油圧式、空気圧式のモーター又は駆動体のいくつかの組合せによって作動する。加圧水型原子炉の設計及び操作の更なる詳細のため、著作権（マルシー）１９９２年、The Babcock & Wilcox Company、編集者Stultz及びKitto、「蒸気／その発生及び使用」第４０版、４７章及び５０章が参照される。このテキストは、ここに十分に記載されるかのように、参照によりここに組み込まれる。

図１に示されるように、産業界全体にわたって現在使用されるＰＷＲクロージャーヘッド組立体５は、原子炉ヘッドフランジ１０を含み、これは、クロージャーヘッド２０を囲み、かつ該ヘッドと一体とされ得、クロージャーヘッド２０は、半球ドーム形状の圧力境界を形成する。ＣＲＤＭハウジング、ＣＲＤＭノズル、メカハウジング又は制御素子駆動機構（ＣＥＤＭ）ノズルとも呼ばれる制御棒駆動機構（ＣＲＤＭ）案内管３０は、クロージャーヘッド２０を貫通して該ヘッドに取り付けられる。ステンレス鋼フランジ又はアダプター４０は、図２に示されるような完全溶込み溶接７０を介して、各ＣＲＤＭ又はＣＥＤＭの案内管３０連結の上端部に置かれる。ＰＷＲクロージャーヘッド組立体５は、大きく重い構造体であり、一般に直径が約１７フィート（５１８．１６ｃｍ）、重量が約９０トンであり、３０〜１００の間のＣＲＤＭ案内管３０を含む。

図２を参照して、案内管３０は、クロージャーヘッド２０とは別個に製造され、その後、凹内側面２４から凸外側面２６へとクロージャーヘッド２０を貫通する穿孔２２に据え付けられる。図２に示されるように、案内管３０は、内側面２４及び外側面２６を越えて突出する。クロージャーヘッド２０は、一般に、３０８／３０９ステンレス鋼のような低合金鋼から製造され、また、内側面２４には耐食肉盛８０が設けられる。

案内管３０は、「Ｊ形」溝溶接と呼ばれる部分的溶込み溶接５０で案内管３０をクロージャーヘッド２０に溶接することにより、クロージャーヘッド２０に取り付けられる。案内管３０は、一般に、インコネル（商標）合金６００又はインコネル合金６９０から製造され、その場合、溶接５０は、インコネル溶接消耗品を用いて作られる。部分的溶込みＪ形溝溶接５０は、Ｊ形溝バターリング６０として知られているバターリングにおいて、案内管３０と内側面２４に形成されたＪ形溝溶接準備断面５２との間に作成され、また、予め熱処理されたインコネルオーバーレイで一般に覆われる。事前熱処理Ｊ形溝バターリング６０は、後のＪ形溝連結溶接５０の熱処理なしに、案内管３０が該バターリング６０と結合することを可能にする。

Ｊ形溝連結溶接５０及び関連する案内管３０は、応力腐食割れ（ＳＣＣ）に帰するＪ形溝連結領域の付近における劣化を制限する経験寿命を有する。これは、インコネルＪ形溝溶接５０及び案内管３０の修理、交換又は検査を強いている。この劣化は、全てのＰＷＲ操作所にとって商業上及び安全上の問題となっている。そのため、案内管と原子炉クロージャーヘッドの内側面との間のＪ形溝連結溶接を除去する原子炉クロージャーヘッド組立体が産業界に歓迎されるであろう。

本発明は、「Ｊ形」溝溶接における応力腐食割れとして分類される劣化のメカニズムを除去するための方法及び装置を企図し、従って、多くのＰＷＲ局において一般的に発生するような「Ｊ形」溝溶接における検査及び起こり得る修理を除去する。

従って、本発明の一の目的は、原子炉クロージャーヘッド組立体の応力腐食割れを最小にすることである。

本発明の別の目的は、原子炉冷却液にさらされるノズル溶接部を除去することである。

一の実施形態において、本発明は、原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体を備えている。該組立体は、クロージャーヘッドを含み、これは、凹状内側面と凸状外側面を有し、かつ、第１の材料から作製される。該組立体は、クロージャーヘッドと一体の複数のノズルを有する。各ノズルは、ノズルチップで終端し、また、該ノズルを通る孔を有し、該孔は、クロージャーヘッドの内側面からノズルチップへと延長している孔面を規定する。耐食性の第２の材料が各孔面に隣接して（沿って）確立される。

別の実施形態において、原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体を備えている。該組立体は、クロージャーヘッドを含み、これは、第１の材料から作製され、かつ、凹状内側面及び凸状外側面を有する。クロージャーヘッド内側面は、耐食性の第２の材料によって被覆される。該組立体はまた、複数の制御棒案内管ノズルを含む。各ノズルは、クロージャーヘッドと一体であり、ノズルチップで終端する。各ノズルはまた、該ノズルを通る孔を有し、該孔は、クロージャーヘッドの内側面からノズルチップへと延長している孔面を規定する。制御棒案内管フランジは、各ノズル端部チップに対し、これらの間の溶接バターリングによって取り付けられる。耐食性の第３の材料は、孔面に沿って設けられる。

更に別の実施形態において、本発明は、原子炉クロージャーヘッド組立体を製造する方法から成る。該組立体は、原子炉クロージャーヘッドと、該クロージャーヘッド周りに配置された複数のノズルとを有する。各ノズルは、クロージャーヘッドと一体であり、該ノズルを通る孔を有する。最も外側のノズルの孔は、最大孔長を規定する。本方法は、凹状面と上記最大孔長よりも大きい厚さとを有するドーム形状鍛造体を設ける（準備する）工程を含む。複数のノズル突出部は、上記鍛造体から機械加工され、関連する複数の孔が該ノズル突出部を通って形成される。各孔は、凹状面から伸び、ノズルチップにおいて終端する孔面を有する。

更なる実施形態において、本発明は、原子炉クロージャーヘッド組立体を製造する方法から成る。該組立体は、原子炉クロージャーヘッドと、該クロージャーヘッド周りに配置された複数のノズルとを有する。各ノズルは、クロージャーヘッドと一体であり、該ノズルを通る孔を有する。最も外側の孔は、最大孔長を規定する。本方法は、凹状面と上記最大孔長よりも大きい厚さとを有するドーム形状鍛造体を設ける工程を含む。複数のノズル突出部は、上記鍛造体から機械加工され、また、関連する複数の孔が該突出部を通って形成される。各孔は、凹状面から伸び、ノズルチップにおいて終端する孔面を有する。凹状目は、耐食層によって被覆され、溶接バターリングがノズルチップに適用され、鍛造体は、耐食層を含み、溶接バターリングは熱処理される。制御棒案内管フランジは、溶接バターリングに隣接する各ノズルチップに取り付けられる。保護層は、各孔面に沿って確立される。

本発明によれば、原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体であって、凹内側面及び凸外側面を有する、第１の材料から成るクロージャーヘッドと、クロージャーヘットと一体の複数のノズルであって、各ノズルがノズルチップで終端し、かつクロージャーヘッドの前記内側面からノズルチップへと延長している孔面を規定する、該ノズルを通る孔を有するノズルと、各孔面に沿って設けられる耐食性の第２の材料とを備えたクロージャーヘッド組立体が提供される。このクロージャーヘッド組立体において、前記耐食性の第２の材料は、加熱を伴うことなく設けられることができ、前記耐食性の第２の材料は、電気化学堆積によって適用されることができ、また、前記耐食性の第２の材料は、各孔面に沿ってスリーブを挿入することによって設けられることができる。更に、前記ノズルは、制御棒案内管ノズルであり得、また、前記ノズルチップに溶接バターリングが適用され得る。更にまた、クロージャーヘッドの前記内側面に適用された耐食性の第３の材料を更に含むことができる。

別の本発明によれば、原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体であって、凹内側面及び凸外側面を有し、かつ第１の材料から成るクロージャーヘッドであって該内側面が耐食性を有する第２の材料によって覆われるクロージャーヘッドと、複数の制御棒案内管ノズルであって、各ノズルが、クロージャーヘッドと一体であり、かつ、ノズルチップで終端し、かつ、クロージャーヘッドの前記内側面からノズルチップへと延長している孔面を規定する、該ノズルを通る孔を更に有する当該ノズルと、ノズル端部チップとの間の溶接バターリングで該各ノズル端部チップに取り付けられる制御棒案内管フランジと、前記孔面に沿って設けられる耐食性の第３の材料とを備えた原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体が提供される。このクロージャーヘッド組立体において、前記耐食性の第３の材料は、電気化学堆積によって孔面に沿って設けられることができ、前記耐食性の第３の材料は、各孔面に沿うスリーブから成ることができる。また、前記第１の材料は、炭素鋼及び低合金鋼の内の一から選択され、前記第２の材料は、ステンレス鋼及びニッケル−クロム合金の内の一から選択され、更に、前記第３の材料は、ステンレス鋼、ニッケル、ニッケル基合金及びニッケル−クロム合金の内の一から選択され得る。

更に別の本発明によれば、原子炉クロージャーヘッドと、該クロージャーヘッド周りに配置された複数のノズルとを有し、かつ、各ノズルがクロージャーヘッドと一体であり、かつ該ノズルを通る孔を有し、かつ、最も外側のノズルの孔が最大孔長を規定するクロージャーヘッド組立体を製造する方法であって、凹内側面と前記最大孔長よりも大きい厚さとを有するドーム形状鍛造体を準備する工程と、前記鍛造体から外側面と、複数のノズル突出部であって該ノズル突出部が該外側面を越えて伸長するものとを機械加工する工程と、前記複数のノズル突出部を通る関連する複数の孔であって該各孔が前記外側面を越えて延長しかつノズルチップで終端する孔面を有するものを形成する工程とを含むクロージャーヘッド組立体製造方法が提供される。このクロージャーヘッド組立体製造方法において、前記鍛造体を熱処理する工程を含むことができ、また、据付前に前記各孔面に沿って保護層を設ける工程を更に含むこともできる。更に、前記各孔面に保護層を加熱なしに適用する工程を更に含むことができ、また、前記各孔面に保護層を電気化学堆積によって適用する工程を更に含むことができる。更にまた、前記凹面を耐食層で被覆する工程を更に含み得、また、前記ノズルチップに溶接バターリングを適用する工程を更に含み得る。更には、前記鍛造体、耐食層及び溶接バターリングを熱処理する工程を更に含み得、また、前記溶接バターリングに隣接する各ノズルチップに制御棒案内管フランジを取り付ける工程を更に含み得る。

本発明によれば更に、原子炉クロージャーヘッドと、該クロージャーヘッド周りに配置された複数のノズルとを有し、かつ、各ノズルがクロージャーヘッドと一体であり、かつ該ノズルを通る孔を有し、かつ、最も外側のノズルの孔が最大孔長を規定するクロージャーヘッド組立体を製造する方法であって、凹内側面と、前記最大孔長よりも大きい厚さとを有するドーム形状鍛造体を準備する工程と、前記鍛造体から外側面と複数のノズル突出部であって該外側面を越えて伸長するノズル突出部とを機械加工し、かつ、ノズル突出部を通る関連する複数の孔であって各孔が前記凹面から延長し、ノズルチップで終端する孔面を有する当該孔を形成する工程と、前記凹面を耐食層で被覆する工程と、前記ノズルチップに溶接バターリングを適用する工程と、前記鍛造体、耐食層及び溶接バターリングを加熱処理する工程と、溶接バターリングに隣接する各ノズルチップに制御棒案内管フランジを取り付ける工程と、各孔面に沿って保護を設ける工程とを含むクロージャーヘッド組立体製造方法が提供される。このクロージャーヘッド組立体製造方法において、前記各孔面に保護層を加熱なしに適用する工程を更に含むことができ、また、前記各孔面に電気化学堆積によって保護層を適用する工程を更に含むことができ、更に、前記各孔面に沿ってスリーブを挿入することにより、保護層を設ける工程を更に含むことができる。

本発明は、有害な残留応力を作り出す「Ｊ形」溝連結溶接５０を取り除くことにより、先行技術の観測された劣化に対処する。本発明は、インコネル「Ｊ形」溝溶接消耗品と共に応力腐食割れによって劣化を受けやすい材料である別個のインコネル案内管３０を更に除去する。

図３及び４を参照して、本発明は、案内管ノズル１３０を有するクロージャーヘッド組立体１０５を提供し、案内管ノズル１３０は、原子炉クロージャーヘッド１２０と一体であり、そのため、本発明は、別個に据え付けられる案内管及び関連する連結溶接の両方を除去する。図３に示されるように、凹内側面２４を有するドーム形状の原子炉ヘッド圧力境界鍛造体１００は、望ましいノズル高に等しいか又はこれより大きい余分の厚さ１０２を持って加工処理される。これは、鍛造ドーム形状原子炉クロージャーヘッド１２０の一体部分として形成されたノズル突出部の機械加工を許容する。凸外側面２６は、該機械加工プロセスの一部として形成される。孔１３２は、各ノズル突出部を通じて形成され、一体案内管ノズル１３０を形成し、これは、外側面２６を越えて伸長してノズルチップ１３６で終わる。孔１３２は、内側面２４からノズルチップ１３６へと延長している孔面１２２を有する。この複雑な鍛造形状は、必要ならば鍛造材料要求に応じて熱処理される。

図４に示されるように、原子炉クロージャーヘッド１２０の内側面２４は、技術的に知られている溶接クラッド法を用いて適用された、３０８及び３０９ステンレス鋼又はインコネル合金のようなニッケル−クロム合金といった溶接消耗品から成る耐食クラッド層８０によって被覆される。クラッド層８０は、炭素鋼又は低合金鍛造クロージャーヘッド１２０を、ホウ酸塩原子炉冷却流体から保護する。

ノズル溶接バターリング９０は、ステンレス又はインコネル消耗品を用いて、一体案内管ノズル１３０のノズルチップ１３６に適用される。原子炉クロージャーヘッド１２０と、内側面２４上のクラッド層８０と、一体案内管ノズル１３０の安全な端部におけるノズル溶接バターリング９０とを含む未完成のクロージャーヘッド組立体１０５は、次に、ＡＳＭＥコードの要件に従って熱処理される。

案内管フランジ又はアダプター４０は、次に、ノズル溶接バターリング９０に隣接する端部チップ１３６における完全溶込み溶接７０を介して、各一体案内管ノズル３０に取り付けられる。この連結溶接は、上述したＡＳＭＥコード熱処理後に行われ得、更なるどのような溶接熱処理をも必要とせずに有利である。

一体案内管ノズル１３０の孔面１３４は、次に、炭素又は低合金鋼鍛造材料を原子炉冷却流体から保護するように設計された保護層１８０で覆われる。保護層１８０は、孔面１２２に適用され、内側面２４上のクラッド層８０から完全溶込み溶接７０まで広がる。保護層１８０は、例えば技術的に知られている溶接クラッド法を介して、加熱を含むプロセスによって適用され得、これは、その後の溶接後熱処理を必要とする。しかしながら、保護層１８０は、例えば電気化学堆積を介して、好ましくは加熱なしで適用され、そのため、その後の溶接後熱処理の必要性を除くことができる。米国特許第５，３５２，２６６号、同第５，４３３，７９７号、同第５，５１６，４１５号、同第５，５２７，４４５号、及び同第５，５３８，６１５号は、この目的に適するパルス電着法を記載しており、十分に記載されるかのように、参照によりここに組み込まれる。このパルス電着法は、孔面１２２上に、例えば、０.０２０インチ厚のニッケルのような保護金属層を堆積するために使用され得る。保護層１８０に対する他の適当な材料には、ステンレス鋼、ニッケル基合金、及び、インコネルのようなニッケル−クロム合金を含む。

あるいは、保護層１８０は、耐食材料から成るスリーブを孔面１２２に沿う孔１３２内へ導入することによって設けられ得る。一例として、孔１３２よりわずかに大きい直径を有する耐食材料から成るスリーブは、その直径を縮小するため、例えば液体窒素にさらすことによって冷やされ、該スリーブが孔１３２内に挿入される。該スリーブは、それが室温に戻るにつれ拡張し、それにより、孔面１２２と冷やしばめを成す。スリーブによる保護層１８０を設ける他の手段も可能である。スリーブは、孔面１２２に接合されてもされなくてもよい。

本発明の原理の応用を説明するため、本発明の特定の実施形態及び／又は詳細が示され、上述されたが、この発明は、そのような原理を逸脱することなく、請求範囲に更に十分に記載されるように、又はその他当業者に知られているもの（ありとあらゆる同等のものを含む）として具現化され得る。

既知の原子炉圧力容器クロージャーヘッド組立体の概略断面図である。 既知の原子炉クロージャーヘッド組立体に使用するノズル貫入配列の拡大部分断面図である。 本発明のノズル貫入配列の製造に使用する鍛造体の部分断面図である。 本発明に従うノズル貫入配列の部分断面図である。

符号の説明

２４ 凹内側面
２６ 凸外側面
４０ 案内管フランジ／アダプター
７０ 完全溶込み溶接
８０ クラッド層
９０ ノズル溶接バターリング
１００ 原子炉ヘッド圧力境界鍛造体
１０５ クロージャーヘッド組立体
１２０ 原子炉クロージャーヘッド
１２２ 孔面
１３０ 案内管ノズル
１８０ 保護層

Claims (13)

1. 原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体であって、
   凹内側面及び凸外側面を有する、第１の材料から成るクロージャーヘッドと、
   クロージャーヘッドと一体の複数のノズルであって、各ノズルがノズルチップで終端し、かつクロージャーヘッドの前記内側面からノズルチップへと延長している孔面を規定する、該ノズルを通る孔を有するノズルと、
   各孔面に沿って設けられる耐食性の第２の材料とを備えたクロージャーヘッド組立体。
2. 前記耐食性の第２の材料は、電気化学堆積によって適用される請求項１のクロージャーヘッド組立体。
3. 前記耐食性の第２の材料は、各孔面に沿ってスリーブを挿入することによって設けられる請求項１のクロージャーヘッド組立体。
4. 原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体であって、
   凹内側面及び凸外側面を有し、かつ第１の材料から成るクロージャーヘッドであって該内側面が耐食性を有する第２の材料によって覆われるクロージャーヘッドと、
   複数の制御棒案内管ノズルであって、各ノズルが、クロージャーヘッドと一体であり、かつ、ノズルチップで終端し、かつ、クロージャーヘッドの前記内側面からノズルチップへと延長している孔面を規定する、該ノズルを通る孔を更に有する当該ノズルと、
   ノズル端部チップとの間の溶接バターリングで該各ノズル端部チップに取り付けられる制御棒案内管フランジと、
   前記孔面に沿って設けられる耐食性の第３の材料とを備えた原子炉圧力容器のためのクロージャーヘッド組立体。
5. 前記耐食性の第３の材料は、電気化学堆積によって孔面に沿って設けられる請求項４のクロージャーヘッド組立体。
6. 前記耐食性の第３の材料は、各孔面に沿うスリーブから成る請求項４のクロージャーヘッド組立体。
7. 原子炉クロージャーヘッドと、該クロージャーヘッド周りに配置された複数のノズルとを有し、かつ、各ノズルがクロージャーヘッドと一体であり、かつ該ノズルを通る孔を有し、かつ、最も外側のノズルの孔が最大孔長を規定するクロージャーヘッド組立体を製造する方法であって、
   凹内側面と前記最大孔長よりも大きい厚さとを有するドーム形状鍛造体を準備する工程と、
   前記鍛造体から外側面と、複数のノズル突出部であって該ノズル突出部が該外側面を越えて伸長するものとを機械加工する工程と、
   前記複数のノズル突出部を通る関連する複数の孔であって該各孔が前記外側面を越えて延長しかつノズルチップで終端する孔面を有するものを形成する工程とを含むクロージャーヘッド組立体製造方法。
8. 前記各孔面に保護層を電気化学堆積によって適用する工程を更に含む請求項７のクロージャーヘッド組立体製造方法。
9. 前記凹面を耐食層で被覆する工程を更に含む請求項７のクロージャーヘッド組立体製造方法。
10. 原子炉クロージャーヘッドと、該クロージャーヘッド周りに配置された複数のノズルとを有し、かつ、各ノズルがクロージャーヘッドと一体であり、かつ該ノズルを通る孔を有し、かつ、最も外側のノズルの孔が最大孔長を規定するクロージャーヘッド組立体を製造する方法であって、
    凹内側面と、前記最大孔長よりも大きい厚さとを有するドーム形状鍛造体を準備する工程と、
    前記鍛造体から外側面と複数のノズル突出部であって該外側面を越えて伸長するノズル突出部とを機械加工し、かつ、ノズル突出部を通る関連する複数の孔であって各孔が前記凹面から延長し、ノズルチップで終端する孔面を有する当該孔を形成する工程と、
    前記凹面を耐食層で被覆する工程と、
    前記ノズルチップに溶接バターリングを適用する工程と、
    前記鍛造体、耐食層及び溶接バターリングを加熱処理する工程と、
    溶接バターリングに隣接する各ノズルチップに制御棒案内管フランジを取り付ける工程と、
    各孔面に沿って保護を設ける工程とを含むクロージャーヘッド組立体製造方法。
11. 前記各孔面に電気化学堆積によって保護層を適用する工程を更に含む請求項１０のクロージャーヘッド組立体製造方法。
12. 前記各孔面に沿ってスリーブを挿入することにより、保護層を設ける工程を更に含む請求項１０のクロージャーヘッド組立体製造方法。
13. 前記鍛造体を熱処理する工程を更に含む請求項１０のクロージャーヘッド組立体製造方法。

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