JP2010515826A - 燃料棒の位置決め用のスペーサ格子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ジルコニウム基合金の最適化したシートメタル(1)の製造方法を開示する。最適化したシートメタル(1)は、シート平面(BA)を画定する。前記製造方法は、ジルコニウム基合金のシートメタル(2)を提供するステップを備え、シートメタル(2)は、少なくとも準備冷間圧延および最終冷間圧延を施され、準備冷間圧延および最終冷間圧延は、共に、同一の圧延方向で行われ、ジルコニウム基合金が部分再結晶化するように、準備冷間圧延と最終冷間圧延との間においてシートメタル(1)に熱処理を施す。本発明による最適化したシートメタル(1)を使用するスペーサ格子の製造方法をも開示する。
【選択図】図2
Description
本発明はまた、原子力プラントの燃料アセンブリにおける燃料棒の位置決め用のスペーサ格子を製造する方法に関する。
ジルコニウム基合金のシートメタルは、多くの圧延ステージを受ける。そこでは、シートメタルは、応力緩和を達成する圧延ステージと、合金構造が進む次の圧延ステージとの間において熱処理が施される。
しかしながら、この従来の方法で製造されるジルコニウム基合金のシートメタルには、異なるタイプの原子力プラントのスペーサー格子要素として使用され、中性子線に曝された場合、これにより形成される材料のミクロ組織によって、異なる方向に成長する異なる傾向がある。これは、シートメタルの圧延により、材料の構造に選択方位が生じるからである。
シートメタルが通常、平面であると仮定すると、実際は、圧延方向と平行方向に成長する傾向が大きく、圧延方向に対して垂直なシート平面の方向に成長する傾向は小さく、通常の方向、つまり、シートメタルの厚み方向に成長する傾向は最も小さい。
シートメタルを中性子線に曝すと、最も成長し易い方向に成長が起こり、同時に、他のいずれかの方向または他のすべての方向に収縮が起こる。これは、体積を一定としてシートメタルを中性子線に曝したときの直接的な結果である。シートメタルが中性子線に曝されている間、実際は、圧延方向に主に成長し、圧延方向に交差する方向に多少成長し、そして、厚み方向に縮小する。
このことにより、シートメタルは、格子セルの長さ方向と交差する方向に成長し、同時に壁厚は減少する。その結果、格子セルの断面積と、上記壁および燃料棒との間に形成されている遊びは、増加する。
不利な条件下、例えばPWR原子炉の運転中に、燃料棒は、前記遊びのため、それらが振動で接触することにより、スペーサ格子部から重摩耗を受ける。結局、これは、燃料棒の壁に穴を開け、放射性物質を環境に漏出する結果となる。
燃料棒が、成長の影響を受けやすい材料で形成されているときにもまた、それらが中性子線に曝されると、燃料棒の直径が減少するという、別の遊びによる影響が生じる。
しかしながら、ジルコニウム合金は、多少、ばね材料として十分に適切な低降伏強度を有しているので、実際には、パッチは、燃料棒の直径の減少により生じうる遊びと同じ大きさの遊びを、補償できるだけである。
パッチは、燃料棒の直径の収縮およびスペーサ格子壁の成長により、スペーサ格子壁と燃料棒の外面との間に形成される全体の遊びを補償することはできない。複数の放射線の最初のサイクルの後には、スペーサ格子材料もまた弛緩する。それにより、燃料棒の直径の減少を補償するパッチの能力は、実質的に減少する。
ジルコニウム基合金のプレートまたはシートは、α+βジルコニウム相のプレートを冷間成形する。その格子はまた、α相においても扱われる。燃料棒用の支持ボスは、プレートを切断し、エンボス加工することによって形成する。
欧州特許出願公開第0869197B1号明細書は、ジルコニウム基合金のシートを提供するステップを備え、β焼入れからなる第1の熱処理をシートに施し、ジルコニウム基合金のα相温度領域で次の熱処理を施し、シートの表面からそれらの部分を突出させて燃料棒の表面を支持するために、シートのその部分を打ち抜く方法を提供する。
また、β焼入れを必要としないスペーサ格子の製造方法の提供も望まれている。
本方法は、ジルコニウム基合金のシートメタルを提供するステップを備える。
本方法は、少なくとも、準備冷間圧延(preparing cold rolling)と最終冷間圧延(final cold rolling)とをシートメタルに施すステップを備えることを特徴とする。
準備冷間圧延と最終冷間圧延は、共通の圧延方向で施される。
シートメタルの熱処理は、ジルコニウム基合金が部分再結晶化するように、準備冷間圧延と最終冷間圧延との間において施され、熱処理における再結晶度は、90%以下である。
準備冷間圧延の間、ジルコニウム合金の結晶構造は、少なくとも部分的に破壊される。40〜60%の減少によって、最適な結果が得られる。
熱処理は、連続炉またはバッチ炉で施してもよい。バッチ炉では、シートメタルは静止して置かれるが、連続炉では、シートメタルは炉の中をゆっくりと移動される。
本発明に係る方法によれば、ジルコニウムをより多く含有するジルコニウム合金を使用してもよいが、少なくとも96%のジルコニウムを含有することで最良の結果が得られる。
スペーサ格子のジルコニウム基合金は、0.8〜1.2重量%のニオブを含有してよく、好ましくは1.0〜1.1重量%のニオブを含有してよく、最も好ましくは、1.02〜1.04重量%のニオブを含有してもよい。
スペーサ格子のジルコニウム基合金は、0.6〜1.2重量%のスズを含有してよく、好ましくは0.6〜0.8重量%のスズを含有してもよい。
スペーサ格子のジルコニウム基合金は、0.1〜0.3重量%の鉄を含有してもよい。
その製造方法は、先行する請求項のいずれか一つに記載の最適化したシートメタルを提供するステップと、最適化したシートメタルを圧延方向に対して垂直な長軸を有する金属帯板に切断するステップと、スペーサ格子を形成するために、金属帯板の長軸が格子セルの長手方向に対して垂直に延びるように、金属帯板を配置するステップと、を含むことを特徴とする。
最適化したシートメタル1と同様に、シートメタル2は、シート平面BAを画定する長軸Aおよび短軸Bを有する。シートメタルおよび最適化したシートメタル1は、シート平面BAに対して垂直な厚み軸Cに沿った厚みを有する。
ジルコニウム合金の電極は、電極の重量に基づいて、およそ、0.8〜1.2重量%のニオブと、0.1〜0.3重量%の鉄と、0.6〜0.8重量%のスズとを含有し、ジルコニウムブリケットと合金材料とを一緒に押圧することによって製造される。
その後、電極を真空融解し、キャスティング材を形成する。
その後、キャスティング材を少なくとも1回は真空融解し、これにより、100〜125mm厚さの材料を形成する。本材料に対して加工を施し、表面処理を施す。
その後、本材料に対して、β―焼入れを施す。
その後、複数のステップにわたって本材料を熱間圧延する。
ステップの回数や、各熱間圧延後の厚さは、シートメタル2に対して所望される最終的な厚さに依存する。
シートメタル2は、厚み軸Cに沿った厚みに圧縮される。準備冷間圧延中の厚みの減少は、準備冷間圧延前のC軸に沿ったシートメタルの厚みの40〜60%である。
準備冷間圧延後は、ジルコニウム基合金が部分再結晶化するように、シートメタル2に熱処理を施す。熱処理は、連続炉において、580〜650℃の温度で4〜10分間行い、好ましくは580〜630℃の温度で行い、最も好ましくは580〜600℃の温度で行う。
熱処理中の再結晶度は、20〜90%であり、好ましくは40〜60%である。
熱処理後は、シートメタル2に、仕上がり寸法に向けて最終冷間圧延を施す。最終冷間圧延中の圧延方向は、長軸Aに沿っている。最終冷間圧延中の厚みの減少は、最終冷間圧延前のC軸に沿ったシートメタル2の厚みの40〜60%である。
最適化したシートメタル1は、このように製造される。
上述の方法により形成される最適化したシートメタル1は、短軸Bに沿って略0.33のカーンズファクタを有する。
スペーサ格子3は、燃料棒用の格子セル5を形成する多くの金属帯板(metal strips)4を備える。格子セル5は、長手方向6を画定する。
金属帯板4は、金属帯板4の長軸Aが、最適化したシートメタル1の短軸Bと一致して、最適化したシートメタル1の長軸Aに対して垂直となるように、最適化したシートメタル1を、図1bに示される線7に沿って切断することによって、最適化したシートメタル1から形成される。
金属帯板4を、金属帯板4の長軸が格子セル5の長手方向6に対して垂直となるように、スペーサ格子3に配置する。金属帯板の長軸に沿い、かつ、格子セル5の長手方向6に対して垂直なスペーサ格子3のカーンズファクタは、略0.33である。
2 シートメタル
3 スペーサ格子
4 金属帯板
5 格子セル
6 長手方向
A 長軸
BA シート平面
Claims (27)
- ジルコニウム基合金の最適化したシートメタル(1)を製造する方法であって、
前記最適化したシートメタル(1)は、シート平面(BA)を画定するものであり、
前記方法は、ジルコニウム基合金のシートメタル(2)を提供するステップと、
少なくとも、共通の圧延方向を有する準備冷間圧延と最終冷間圧延とをシートメタル(2)に施すステップと、
前記ジルコニウム基合金が部分再結晶化するように、前記準備冷間圧延と前記最終冷間圧延との間において前記シートメタル(2)に熱処理を施すステップと、
を含み、
前記熱処理における再結晶度は、90%以下である、ことを特徴とする方法。 - 前記準備冷間圧延よりも前に、少なくとも一つの冷間圧延を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記準備冷間圧延の前の前記少なくとも一つの冷間圧延は、前記準備冷間圧延および前記最終冷間圧延の前記圧延方向と基本的に同一である、請求項2に記載の方法。
- 前記熱処理における再結晶度は、少なくとも20%である、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱処理における再結晶度は、少なくとも40%である、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱処理における再結晶度は、60%以下である、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記最終冷間圧延中の厚みの減少は、前記最終冷間圧延の前における前記シート平面(BA)と垂直な前記シートメタル(2)の厚みの40〜60%である、請求項1から6のいずれか1項に記載の方法。
- 前記準備冷間圧延中の厚みの減少は、前記準備冷間圧延の前における前記シート平面(BA)と垂直な前記シートメタル(2)の厚みの40〜60%である、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱処理を、連続炉において行う、請求項1から8のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱処理を、580℃〜650℃の温度で行う、請求項9に記載の方法。
- 前記熱処理を、580℃〜630℃の温度で行う、請求項9または10に記載の方法。
- 前記熱処理を、580℃〜600℃の温度で行う、請求項9、10または11のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱処理を、4〜10分間行う、請求項9から12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱処理を、バッチ炉において行う、請求項1から5のいずれか1項に記載の方法。
- 前記熱処理を、520℃〜590℃の温度で行う、請求項14に記載の方法。
- 前記熱処理を、1〜6時間行う、請求項14または15に記載の方法。
- 前記ジルコニウム基合金は、少なくとも96重量%のジルコニウムを含有する、請求項1から16のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ジルコニウム基合金は、ニオブを含有する、請求項1から17のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ジルコニウム基合金は、0.8〜1.2重量%のニオブを含有する、請求項18に記載の方法。
- 前記ジルコニウム基合金は、1.0〜1.1重量%のニオブを含有する、請求項18または19に記載の方法。
- 前記ジルコニウム基合金は、1.02〜1.04重量%のニオブを含有する、請求項18、19または20のいずれか1項に記載の方法。
- 前記ジルコニウム基合金は、スズを含有する、請求項1から21のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1のジルコニウム基合金は、0.6〜1.2重量%のスズを含有する、請求項22に記載の方法。
- 前記第1のジルコニウム基合金は、0.6〜0.8重量%のスズを含有する、請求項22または23に記載の方法。
- 前記ジルコニウム基合金は、鉄を含有する、請求項1から24のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1のジルコニウム基合金は、0.1〜0.3重量%の鉄を含有する、請求項25に記載の方法。
- 原子力プラントの燃料アセンブリにおける燃料棒の位置決め用のスペーサ格子(3)を製造する方法であって、
前記スペーサ格子(3)は、前記燃料棒のための格子セル(5)を画定するものであり、
前記方法は、請求項1から26のいずれか1項に記載された前記最適化したシートメタル(1)を提供するステップを含み、
前記最適化したシートメタル(1)を、前記圧延方向に対して垂直な長軸Aで切断して前記金属帯板(4)を形成し、
前記金属帯板(4)の前記長軸(A)が前記格子セル(5)の長手方向(6)に対して垂直に延びるように前記金属帯板(4)を配置する、ことを特徴とする方法。
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