JP2010512530A - 軽水炉中で使用される応力の関数で最適化される核燃料集合体の設計方法およびその結果の核燃料集合体 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ジルコニウム合金から製造される構造部材を含む原子炉用の核燃料集合体を設計する方法に関し、集合体の耐用年限の間に、部材が受けるであろう平均的な一軸引張応力または圧縮応力が計算され、部材が製造されるジルコニウム合金は以下の基準に従って選択される。−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力を受ける部材は、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％からＳｎ＝−０．０５σ％の範囲である合金から製造され、０ＭＰａから−１０ＭＰａの応力を受ける部材は、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％の範囲である合金から製造され、０ＭＰａから＋１０ＭＰａの応力を受ける部材は、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％の範囲である合金から製造され、＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの応力を受ける部材は、Ｓｎ含有量が０．０５％から１．７０％の範囲である合金から製造される。上記の方法によって製造された核燃料集合体。
【選択図】図３
【選択図】図３
Description
本発明は軽水炉のための核燃料集合体の設計に関する。
沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）または加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の中心部では、ジルコニウム合金から製造された核燃料集合体部材が過酷な応力を受けるとそれらは変形してしまう。影響を受ける主な部材は、ミキサーグリッド、案内シンブル、燃料ペレットを含有するチューブおよび缶である。
集合体構造部材の変形は、使用中に数多くの問題を引き起こす可能性がある。たとえば、動作中に、案内シンブルまたは缶の変形によって本質的に引き起こされる集合体の全体の変形によって、原子炉の制御が可能な制御クラスターの運転を妨げる可能性がある。または、炉心の挿入および取り出し動作中に、グリッドまたは缶等の部材が変形すると摩擦が増え、引っかかる危険性が高まる。このことによって多くの場合に、プラントオペレータの操作速度が遅くなり、従って、原子炉を利用できない時間が増加する。同様に、所定の限界値を超えると、部材の変形によって、もはや、完全には安全に機能を達成することができなくなり、プラントオペレータが問題になっている核燃料集合体を途中で排出することができなくなる可能性がある。
これらの部材が受ける応力は実質的に：
温度；
部材のクリープを引き起こしやすい機械的応力；
原子炉中の循環水による腐食；
水素化；
腐食の拡大現象（成長）につながり、腐食を増大させる中性子束による照射である。
温度；
部材のクリープを引き起こしやすい機械的応力；
原子炉中の循環水による腐食；
水素化；
腐食の拡大現象（成長）につながり、腐食を増大させる中性子束による照射である。
集合体の構造部材を製造するために使用される材料の選択およびそれらの大きさには、これらすべての応力を考慮しなければならない。その目的のために異なる等級のジルコニウム合金が開発されてきたが、材料の選択は経験的なままであり、同一の応力を受けない場合であっても、多くの場合に、ミキサーグリッドおよび案内シンブル（ＰＷＲ）または缶（ＢＷＲ）などの異なる部材に同一の合金を使用するという結果となっている。
本発明の目的は、核燃料集合体の様々な構造部材を製造するために使用される材料の選択は、問題になっている原子炉または原子炉群の特定動作条件の関数として、部材の全体の変形を最小化するように最適化することが可能であるという方法を提案することである。したがって、核燃料集合体の様々な構造部材を製造するために使用されるＺｒ合金の化学組成は、操縦性、使いやすさ、耐用年限などの観点からプラントオペレータによって期待される、達成されるべき性能を可能にするように定義される。
そのために、本発明はジルコニウム合金から製造される構造部材を含む軽水炉用の核燃料集合体を設計する方法に関し、：
集合体の耐用年限の間に、前記部材が受けるであろう平均的な一軸引張応力または圧縮応力が計算され、；
前記部材が製造されるジルコニウム合金は以下の基準に従って選択されることを特徴とする。
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％からＳｎ＝−０．０５σ％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量（ｔｒａｃｅｓ）からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．０５％から１．７０％の範囲である合金から製造される。
集合体の耐用年限の間に、前記部材が受けるであろう平均的な一軸引張応力または圧縮応力が計算され、；
前記部材が製造されるジルコニウム合金は以下の基準に従って選択されることを特徴とする。
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％からＳｎ＝−０．０５σ％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量（ｔｒａｃｅｓ）からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．０５％から１．７０％の範囲である合金から製造される。
好ましくは、０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０２５σ＋１）％の範囲である合金から製造され、＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．５０％から１．２５％の範囲である合金から製造される。
好ましくは、前記部材が製造される前記ジルコニウム合金は以下の基準に従って選択される。
全体が再結晶状態または５０％を超える範囲まで再結晶化された部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％からＳｎ＝（−０．０５σ−０．２５）％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０２５σ＋０．５）％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．１２σ＋０．５）％の範囲である合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．５０％から１．７０％の範囲である合金から製造される；
全体が再結晶状態または５０％を超える範囲まで再結晶化された部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％からＳｎ＝（−０．０５σ−０．２５）％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０２５σ＋０．５）％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．１２σ＋０．５）％の範囲である合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．５０％から１．７０％の範囲である合金から製造される；
緩和状態または５０％未満の範囲が再結晶化している部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．５）％からＳｎ＝−０．０５σ％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０７５σ％からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％の範囲である合金から製造される；
１０ＭＰａから２０ＭＰａの軸方向または方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．７５％から１．７０％の範囲である合金から製造される。
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．５）％からＳｎ＝−０．０５σ％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０７５σ％からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％の範囲である合金から製造される；
１０ＭＰａから２０ＭＰａの軸方向または方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．７５％から１．７０％の範囲である合金から製造される。
好ましくは、全体が再結晶状態または５０％を超える範囲まで再結晶化された部材に対しては：
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０７５σ＋０．５）％の範囲である合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．５０％から１．２５％の範囲である合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０７５σ＋０．５）％の範囲である合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．５０％から１．２５％の範囲である合金から製造される；
緩和状態または５０％未満の範囲が再結晶化している部材に対しては：
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０７５σ％からＳｎ＝（０．０２５σ＋１．０）％の範囲である合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．７５％から１．２５％の範囲である合金から製造される。
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０７５σ％からＳｎ＝（０．０２５σ＋１．０）％の範囲である合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．７５％から１．２５％の範囲である合金から製造される。
好ましくは、全体が再結晶状態または５０％を超える範囲まで再結晶化された部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．５）％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．１５％以下である合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．１σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が１％±０．２％に等しい合金から製造される；
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．５）％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．１５％以下である合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．１σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が１％±０．２％に等しい合金から製造される；
緩和状態または５０％未満が再結晶化した部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．２５）％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が−０．０２５σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．１σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が１％±０．２％に等しい合金から製造される；
Ｓｎ含有量の前記計算値が０．１％未満の場合には、０．１５％をＳｎ含有量の上限値とみなす。
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．２５）％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が−０．０２５σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．１σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造される；
＋１０ＭＰａから＋２０ ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が１％±０．２％に等しい合金から製造される；
Ｓｎ含有量の前記計算値が０．１％未満の場合には、０．１５％をＳｎ含有量の上限値とみなす。
好ましくは、前記部材の少なくとも一部ではＺｒ以外の元素の全含有量は３．５％を超えない。
前記部材の少なくとも一部は０．５％から３％のＮｂを含有することができる。
前記部材の少なくとも一部は０．５％から３％のＮｂを含有することができ、および、Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｖ＝０．０３％から０．５％の間であるＦｅおよび／またはＣｒおよび／またはＣｕおよび／またはＶおよび／またはＮｉをも含有することができる。
前記部材の少なくとも一部は０．５％から３％のＮｂを含有することができる。
前記部材の少なくとも一部は０．５％から３％のＮｂを含有することができ、および、Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｖ＝０．０３％から０．５％の間であるＦｅおよび／またはＣｒおよび／またはＣｕおよび／またはＶおよび／またはＮｉをも含有することができる。
本発明は、軸方向または横方向圧縮応力または引張応力σを受けるＺｒ合金から製造される部材を含む軽水炉のための核燃料集合体にも関し、前記部材が上記方法を適用することによって選択される合金から製造されることを特徴とする。
理解されたように、本発明は、部材が製造される合金のＳｎ含有量がその特性に顕著な影響を及ぼすことに注目し、部材が原子炉の使用中に必ずうける熱的、機械的および物理化学的応力の関数として含有量の選択がされなければならず、最適には多かれ少なかれ部材の再結晶状態または緩和状態をも考慮に入れるという当初の推論に基づくものである。
本発明は、以下に続く、下記の添付の図を参照する記述を読むことによって一層よく理解されるであろう。
以下に説明する解説はＺｒ以外の合金元素の含有量が５％を超えない、好ましくは３．５％を超えないＺｒ合金に適用する。
Ｚｒ合金のＳｎ含有量はその腐食作用および、部材の動作を評価する場合に考慮すべき最も重要な機械的特性の一つである耐クリープ性の両方に顕著な影響を有する。
本発明は、部材が使用されるであろう正確な条件のもとでは、部材はほとんど腐食および変形をしないように原子炉の様々な部材のＳｎ含有量が最適化されなければならないというコンセプトに基づく。続いて、この最適化は、特にクリープに非常に大きな影響力を有するＯおよびＳ、および、腐食に非常に大きな影響力を有するＦｅ等の他の元素の含有量の選択によって精密化されなければならない。しかしながら、これらの様々な、時には相反する、要求間のよい妥協案を得ることが望まれる場合には、これら両方の要因に非常に大きな影響力を有するＳｎは、考慮すべき最も重要な元素である。
結論に達するために、発明者らはＺｒ以外の元素を５％以下の含有率で含むＺｒ合金のクリープ動作モデルを、以下の関数として作製した。
問題になっている部材に適用される一軸圧縮応力または引張応力σの関数であり、集合体の耐用年限にわたって平均化された−２０ＭＰａから＋２０ＭＰａの範囲、およびその再結晶状態および緩和状態と同様、部材を構成する合金のＳｎ含有量の関数である。
問題になっている部材に適用される一軸圧縮応力または引張応力σの関数であり、集合体の耐用年限にわたって平均化された−２０ＭＰａから＋２０ＭＰａの範囲、およびその再結晶状態および緩和状態と同様、部材を構成する合金のＳｎ含有量の関数である。
考えられている応力の範囲は原子炉中で遭遇する一軸応力を広くカバーする。２０ＭＰａを超えると、応力によって部材のレッドヒビトリ−（ｒｅｄｈｉｂｉｔｏｒｙ）クリープが引き起こされるであろう。
これらのシミュレーション中に、発明者らは、従来の原子炉環境中の、温度の影響および合金の物理化学的使用条件をも考慮に入れた。特に、中性子束によって引き起こされる照射のもとでの応力の拡大、および、材料腐食後の酸化物層の形成によって引き起こされる応力の拡大を考慮に入れる必要があった。材料の応力拡大を引き起こす水素化、および集合体上の流体の摩擦も考慮に入れられた。
部材が受ける温度に関しては、一般に、加圧水型原子炉では２８０℃から３６０℃の範囲であり、沸騰水型原子炉では２８０℃から３００℃の範囲であると考えられている。
結論は図１から図３によって要約され、原子炉が公称使用条件で動作している場合に受ける引張応力（正の数）または圧縮応力（負の数）の関数として、本発明による核燃料集合体の部材に適用されるべき推奨されるＳｎ含有量が示される。
特に、図１は全体が再結晶状態にある合金に関し、図２は緩和状態にある合金に関する。
これらの図において、１で示される曲線は本発明にしたがって適用されるべき最小Ｓｎ含有量に対応する。曲線２は、部材の高耐食性および高耐水素化性が求められる場合の本発明にしたがって適用されるべき最大Ｓｎ含有量に対応し、曲線２’は部材の高耐食性および高耐水素化性が特に求められない場合の曲線２からの変動に対応する。曲線３は、考えられている最適なＳｎ含有量に対応する。
これらの図において、１で示される曲線は本発明にしたがって適用されるべき最小Ｓｎ含有量に対応する。曲線２は、部材の高耐食性および高耐水素化性が求められる場合の本発明にしたがって適用されるべき最大Ｓｎ含有量に対応し、曲線２’は部材の高耐食性および高耐水素化性が特に求められない場合の曲線２からの変動に対応する。曲線３は、考えられている最適なＳｎ含有量に対応する。
本発明の観点では、発明者らは合金のＳｎ含有量には１．２５％以下を適用することが通常好ましいと考えており、それは、その含有量を超えると、ある使用条件で、腐食および水素化が急激に進行するからである。しかしながら、本発明による核燃料集合体には、腐食および水素化に最も曝される領域中ではＳｎ≦１．２５％の部材が含まれ、腐食および水素化に最も曝されない領域中ではＳｎ≧１．２５％の部材が含まれることが可能である。１．７０％のＳｎはどのような場合にも超えてはいけない含有量であると考えられる。同様に、本明細書で定義される最適な基準にしたがって選択された組成の元素、およびこれらの最適な基準に適合しないが本発明の範囲内である要求度合が低い基準に適合する元素を集合体中で一緒に使用することは本発明の範囲内である。
問題になっている一軸応力は、案内シンブル、管および缶の場合には縦方向の（軸方向の）圧縮応力または引張応力であり、また、グリッドの場合には横方向の圧縮応力または引張応力である。
全体が再結晶状態（図１）の合金に関しては、Ｚｒ以外の元素の全含有量が５％を超えず、好ましくは３．５％を超えない合金に適用する場合の好ましい選択基準は以下の通りである。
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを部材が受ける場合には、Ｓｎ含有量はＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％からＳｎ＝（−０．０５σ−０．２５）％の範囲である。最適には、それはＳｎ＝（−０．０５σ−０．５）％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で定義される値だけ異なる。計算によって得られるＳｎ含有量の値が０．１０％未満の場合には、０．１５％がＳｎ含有量の最適な上限値とみなされる。
−１０ＭＰａから０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを部材が受ける場合には、Ｓｎ含有量は微量からＳｎ＝（０．０２５σ＋０．５）％の範囲である。最適には、Ｓｎは０．１５％以下である。
部材が０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける場合には、高耐食性が特に求められない場合にはＳｎ含有量はＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．１２σ＋０．５）％の範囲であり、高耐食性が求められる場合にはＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０７５σ＋０．５）％の範囲である。最適には、それは０．１σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる。計算値が０．１％未満の場合には、０．１５％がＳｎ含有量の最適な上限値とみなされる。
部材が＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける場合には、高耐食性が特に求められない場合にはＳｎ含有量は０．５０％から１．７０％の範囲であり、高耐食性が求められる場合には０．５０％から１．２５％の範囲である。最適には、Ｓｎ含有量は１％±０．２％に等しい。
緩和状態（図２）の合金に関しては、Ｚｒ以外の元素の全含有量が５％を超えず、好ましくは３．５％を超えない合金に適用される、好ましい選択基準は以下の通りである。
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを部材が受ける場合には、Ｓｎ含有量はＳｎ＝（−０．０５σ−０．５）％からＳｎ＝−０．０５σ％の範囲である。最適には、それはＳｎ＝（−０．０５σ−０．２５）％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で定義される値だけ異なる。
−１０ＭＰａから０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを部材が受ける場合には、Ｓｎ含有量はＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％の範囲である。最適には、それはＳｎ＝−０．０２５σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で定義される値だけ異なる。この計算によって得られる値が０．１％未満の場合には、０．１５％がＳｎ含有量の最適な上限値とみなされる。
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを部材が受ける場合には、高耐食性が特に求められない場合にはＳｎ含有量はＳｎ＝０．０７５σ％からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％の範囲であり、高耐食性が求められる場合にはＳｎ＝０．０７５σ％からＳｎ＝（０．０２５σ＋１）％の範囲である。最適には、それはＳｎ＝０．１σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で異なる。計算値が０．１％未満の場合には、０．１５％がＳｎ含有量の最適な上限値とみなされる。
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを部材が受ける場合には、高耐食性が特に求められない場合にはＳｎ含有量は０．７５から１．７０の範囲であり、高耐食性が求められる場合には０．７５％から１．２５％である。最適には、Ｓｎ含有量は１％±０．２％に等しい。
合金が部分的に再結晶状態にある場合には、所与の軸方向圧縮応力または引張応力に対して、完全に再結晶化した合金で定義された値と緩和状態にある合金で定義された値との間の値を付与することが可能である。第１の近似では、５０％を超える範囲まで再結晶化された合金は完全に再結晶化した合金に例えることができ、再結晶化が５０％未満の範囲である合金は緩和した合金に例えることができる。
このように、上記の二つの好ましい範囲を組み合わせることによって、本発明の要旨によれば、図３に示されるように、以下の基準に従って部材のＳｎ含有量の選択を定義することが可能であると結論される。
−２０ＭＰａから-１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材に対しては、Ｓｎ含有量はＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％（図１の曲線１）からＳｎ＝−０．０５σ％（図２の曲線２）の範囲である。
−１０ＭＰａから０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材に対しては、Ｓｎ含有量はＳｎ＝微量（図１の曲線１）からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％（図２の曲線２）の範囲である。
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材に対しては、部材の高耐食性が特に求められない場合にはＳｎ含有量はＳｎ＝０．０５σ％（図１の曲線１）からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％（図２の曲線２’）の範囲であり、部材の高耐食性が求められる場合にはＳｎ＝０．０５σ％（図１の曲線１）からＳｎ＝（０．０２５σ＋１）％（図２の曲線２）の範囲である。
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材に対しては、部材の高耐食性が特に求められない場合にはＳｎ含有量は０．５０％（図１の曲線１）から１．７０％（図２の曲線２’）の範囲であり、部材の高耐食性が求められる場合には０．５０％（図１の曲線１）から１．２５％（図２の曲線２）の範囲である。
したがって、一軸方向または横方向引張応力または圧縮応力を除外した、全ての場合において、最適なＳｎ含有量は０．１５％以下であり、合金の調製から結果として生じる不純物と同様に少なく、単に微量とすることが可能である。
一般的に、クリープの割合が高いために、最適なＳｎ含有量は再結晶状態よりも緩和状態のほうが高い。
一般的に、クリープの割合が高いために、最適なＳｎ含有量は再結晶状態よりも緩和状態のほうが高い。
前述してきたように、本発明は５％までの（さらに好ましくは、３．５％までの）Ｚｒ以外の合金元素を含有するＺｒ合金に適用できる。特に、０．５％から３％のＮｂを含有する合金は、０．５％から３％のＮｂとともにＦｅおよび／またはＣｒおよび／またはＣｕおよび／またはＶおよび／またはＮｉを含有し、ここでＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｖ＝０．０３％から０．５％の間である合金とともにそれらの好ましい例である。本発明にしたがって製造された核燃料集合体は本発明による組成基準のいずれかに一致する構造部材と併用することができる。
Claims (9)
- ジルコニウム合金から製造される構造部材を含む軽水炉のための核燃料集合体の設計方法であって、
前記集合体の耐用年限の間に前記部材が受けるであろう平均的な一軸引張応力または圧縮応力が計算され；
前記部材を製造するための前記ジルコニウム合金は以下の基準に従って選択される：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％からＳｎ＝−０．０５σ％の範囲である合金から製造され；
０Ｐａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．０５％から１．７０％の範囲である合金から製造される
ことを特徴とする方法。 - 請求項１に記載の方法において、
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０２５σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．５０％から１．２５％の範囲である合金から製造されることを特徴とする方法。 - 請求項１に記載の方法において、前記部材は以下の基準に従って前記ジルコニウム合金から製造される：
全体が再結晶状態または５０％を超える範囲まで再結晶化された部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０２５σ−０．２５）％からＳｎ＝−０．０５σ−０．２５）％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０２５σ＋０．５）％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．１２σ＋０．５）％の範囲である合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．５０％から１．７０％の範囲である合金から製造され；
緩和状態または５０％未満の範囲が再結晶化されている部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．５）％からＳｎ＝−０．０５σ％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝微量からＳｎ＝（０．０５σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０７５σ％からＳｎ＝（０．０７σ＋１）％の範囲である合金から製造され；
１０ＭＰａから２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける部材は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．７５％から１．７０％の範囲である合金から製造される
ことを特徴とする方法。 - 請求項３に記載の方法において、
全体が再結晶状態または５０％を超える範囲まで再結晶化されている部材に対しては：
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０５σ％からＳｎ＝（０．０７５σ＋０．５）％の範囲である合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．５０％から１．２５％の範囲である合金から製造され；
緩和状態または５０％未満の範囲が再結晶化されている部材に対しては：
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．０７５σ％からＳｎ＝（０．０２５σ＋１．０）％の範囲である合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．７５％から１．２５％の範囲である合金から製造される
ことを特徴とする方法。 - 請求項４に記載の方法において、
全体が再結晶状態または５０％を超える範囲まで再結晶化した部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．５）％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造され；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が０．１５％以下である合金から製造され；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．１σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が１％±０．２％に等しい合金から製造され；
緩和状態または５０％未満の範囲が再結晶化している部材に対しては：
−１０ＭＰａから−２０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝（−０．０５σ−０．２５）％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造され；
０ＭＰａから−１０ＭＰａの軸方向または横方向圧縮応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が−０．０２５σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造され；
０ＭＰａから＋１０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量がＳｎ＝０．１σ％に等しいか、または、その値から±２０％の範囲内で演算される値だけ異なる合金から製造され；
＋１０ＭＰａから＋２０ＭＰａの軸方向または横方向引張応力σを受ける前記部材の少なくとも一部は、Ｚｒ以外の元素の含有量が５％を超えない、かつ、Ｓｎ含有量が１％±０．２％に等しい合金から製造され；
前記Ｓｎ含有量の計算値が０．１％未満の場合には、０．１５％を前記Ｓｎ含有量の上限値とする
ことを特徴とする方法。 - 請求項１から５の何れか一項に記載の方法において、前記部材の少なくとも一部はＺｒ以外の元素の全含有量が３．５％を超えないことを特徴とする方法。
- 請求項１から６の何れか一項に記載の方法において方法、前記部材の少なくとも一部のＮｂ含有量が０．５％から３％であることを特徴とする方法。
- 請求項７に記載の方法において、前記部材の少なくとも一部はＮｂ含有量が０．５％から３％であり、Ｆｅおよび／またはＣｒおよび／またはＣｕおよび／またはＶおよび／またはＮｉをも含有し、ここでＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ＋Ｃｕ＋Ｖは０．０３％から０．５％の間であることを特徴とする方法。
- 軸方向または横方向圧縮または引張応力σを受けるＺｒ合金から製造される構造部材を含む軽水炉のための核燃料集合体であって、前記部材は請求項１乃至８の何れか一項に記載の方法が適用されることによって選択される合金から製造されることを特徴とする核燃料集合体。
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