JP2016537656A - 燃料棒被覆管、燃料棒及び燃料集合体 - Google Patents
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Abstract
本発明は、核エネルギーの分野に関し、重液体金属冷却材（ＨＬＭＣ）を用いる反応炉のための燃料棒（ＦＲ）及び燃料集合体（ＦＡ）の製造、並びに実際のＦＲ性能を試験する照射デバイスで使用されるＦＲ模擬装置の製造において使用できる。重液体金属冷却反応炉のための本発明の燃料棒被覆管は、溶接部のない管状要素の形態であり、前記要素の外側面上に配設した、らせん状に巻かれたフィンを有し、フェライトの最少粒度がＧＯＳＴ５６３９基準で７であるフェライト−マルテンサイト系クロムケイ素鋼から製造し、各フィンは、２２から４０°（好ましくは３０から４０°）の間の開き角度を有し、フィンの断面は、台形状であり、台形の頂部は丸みのある角で、台形の基部は平滑な角を有する。更に開示するのは、上記被覆管を備える燃料棒、及び燃料集合体である。本発明の技術的結果は、鉛又は共晶鉛−ビスマス等の重液体金属冷却材環境における被覆管の長期耐性により、燃料棒及び燃料集合体の性能特性を向上させることである。【選択図】図１
Description
本発明は、核エネルギーの分野に関し、重液体金属冷却材（ＨＬＭＣ、ｈｅａｖｙ ｌｉｑｕｉｄ ｍｅｔａｌ ｃｏｏｌａｎｔ）を用いる反応炉のための燃料棒（ＦＲ、ｆｕｅｌ ｒｏｄ）及び燃料集合体（ＦＡ、ｆｕｅｌ ａｓｓｅｍｂｌｙ）の製造、並びに実際のＦＲ性能を試験する照射デバイスで使用されるＦＲ模擬装置の製造において使用できる。
従来技術には、ＨＬＭＣに耐性がある金属又は合金から製造した金属管状要素として設計した被覆管を有する、広範にわたる燃料棒が含まれ、この被覆管は、らせん状に配置され管状要素の表面から突出する少なくとも１つのリブを有する（特開平０２−１６３６９４（特許文献１）の要約を参照）。当該特許によるＦＲは、二酸化ウラン及びプルトニウムのペレット、及び両端に据え付けたプラグを有する被覆管を備える。被覆管のらせん形リブは、管状要素と統合され、このリブは、管状要素の外側面上で管の長さ部全体に沿って、所定の高さ及び巻数を有する。リブは、作動中、ＦＲ間の距離を維持するのに役立ち、熱放散の改善を達成可能にする。
残念ながら、当該要約は、燃料棒被覆管の材料組成及びリブの構成を明らかにしていないため、燃料棒の性能、特にＨＬＭＣに対する耐性の判定を可能にしない。
特許ＲＵ２２６７１７５（特許文献２）は、ＩＲＴ型研究炉で使用するためのアルミニウム製リブ付きＦＲ被覆管を開示している。各被覆管は、４つのらせん形スペーサ・リブを備え、各リブは、方形断面を有する。
当該特許は、外側面上にらせん形スペーサ・リブを有し両端をプラグで封止した前記アルミニウム被覆管を燃料炉心の内部に備えるＦＲ自体も開示している。
当該特許は、筐体を備える燃料集合体も開示しており、この筐体は、筐体内部に据え付けられる燃料棒及び離間格子を有する。
この従来技術の欠点には、重液体金属溶融物中における燃料棒及び集合体の耐性が低いことを含み、このことは、主にアルミニウムの溶融点が６６０℃と低いことによる。
更に、この公知の特許による方形の外形断面は、リブと被覆管との境界面に高い応力集中を生じさせることになり、このこともＨＬＭＣ中における安定性の喪失につながることになる。
提案する技術的解決策に最も近い技術的解決策は、特許ＧＢ１４５９５６２（特許文献３）に開示されている。
当該特許によれば、被覆管は、ステンレス鋼製管状要素であり、被覆管の外側には、少なくとも１つのらせん状リブがある。このリブは、管状要素の周りにらせん状に巻かれたらせん形ワイヤ（又はツインワイヤ）である。
当該特許は、それに応じて、被覆管、及び炭化ウランの形態の核燃料を備える燃料棒自体、並びにそのような要素を備える集合体も開示している。
当該方法の説明によれば、巻ばねワイヤの形態のリブの形成により、連続的な線としてではなく特定の締結点にのみ、らせん形ワイヤとしてのリブを取り付けることが可能になる。このことにより、リブ及び管状要素の境界面で冷却材が停滞しないようにすることが可能になり、それにより、ＦＲに沿ったより効率的な冷却材の移動を実現する。同時に、当該発明の著者等によれば、リブの設計は、リブを離間させる機能の実施に許容可能な剛性を有するという。
残念ながら、この公知の特許は、リブをどのように取り付けるのかを明記していないが、その取付けはスポット溶接により実施される可能性がある。
しかし、ステンレス鋼は、溶接性に限度がある。抵抗スポット溶接の間、収縮巣及び熱間割れが溶接箇所の金属に現れることがあり、これらは、被覆管材料内に広がる可能性がある。抵抗溶接によりワイヤを被覆管に取り付けると、被覆管に欠陥が生じる。
更に、特定の点で固定したばね巻きワイヤは、冷却材流の中で燃料棒の高さ部に沿ってずれ、溶接箇所で被覆管から離れることになる。
本発明の目的は、鉛又は共晶鉛−ビスマス等の重液体金属冷却材環境における被覆管の長期耐性により、燃料棒及び集合体の性能特性を向上させることである。
本発明の技術的結果は、鉛又は共晶鉛−ビスマス等の重液体金属冷却材環境における被覆管の長期耐性により、燃料棒及び集合体の性能特性を向上させることである。更なる技術的結果は、燃料棒被覆管の製造しやすさ、炉心の液圧抵抗の低減、及びＨＬＭＣがリブに沿ってより容易に流れることによる熱交換工程の強化を含む。更に、技術的結果は、ＦＲの製造及びその後の作動様式により応力が集中しリブの基部が欠損する危険性を低減し、したがってＦＲの腐食損傷をなくすことを含む。
以下の本質的な特徴は、上記の技術的結果の達成に作用する。
重液体金属冷却材を用いる反応炉のためのＦＲ被覆管は、らせん形リブを有する一体圧延管状要素であり、らせん形リブは、前記要素の外側面に位置し、被覆管は、フェライトの粒度がＧＯＳＴ５６３９基準で７以上であるフェライト−マルテンサイト系クロムケイ素鋼から製造し、リブの断面形状は、開き角度が２２°から４０°の間である台形であり、台形の頂部に、丸みのある角を有し、台形の基部に、平滑な角（フィレット）を有する。
本発明の特定の実施形態では、被覆管は、１０ｗｔ％から１２ｗｔ％の間のクロム含量、１．０ｗｔ％から１．３ｗｔ％の間のケイ素含量を有する鉄鋼製である。
本発明の好ましい実施形態では、被覆管は、等しく離間した４つのらせん形リブを含むことができる。
この場合、各リブは、少なくとも０．７５ｍｍの高さ、最大０．６ｍｍの壁厚さ、及び３０°から４０°の間のリブの開き角度を有する。
他の実施形態では、リブの断面形状は台形であり、台形の頂部に、曲率半径が０．２〜０．３５ｍｍである丸みのある角を有する。
リブの断面形状は台形であり、台形の基部に、フィレット半径が０．５５〜０．９ｍｍである平滑な角を有することができる。
設定した課題は、重液体金属冷却材を用いる反応炉のための燃料棒によっても解決され、この燃料棒は、プラグで両端を封止した上記被覆管、及び被覆管の内部の核燃料を備える。
設定した課題は、重液体金属冷却材を用いる反応炉のための燃料集合体によっても解決され、この燃料集合体は、基本フレーム構造体、基本フレーム構造体に据え付けた少なくとも１つの保持格子、及び上記の本質的特徴を使用して製造し保持格子に固定した燃料棒を備える。
同時に、燃料棒の離間は、「リブ間（ｒｉｂ−ｔｏ−ｒｉｂ）」に基づき実行される。
集合体は、フレームの頂部及び底部に位置する２つの保持格子を備えることができる。
フレームは、管として設計できる。
特許請求する発明を図面によって示す。
被覆管１（図１〜図２を参照）は、一体圧延管状要素であり、被覆管１の外側面上に位置する、離間したらせん形リブ２を有する。
被覆管１は、フェライトの粒度がＧＯＳＴ５６３９基準で７以上であるフェライト系−マルテンサイト系クロムケイ素鋼から製造され、外側頂部直径は９．８ｍｍから１３．５ｍｍの間であり、被覆管の厚さは０．３８ｍｍから０．５５ｍｍの間であり、被覆管の内部直径は７．２ｍｍから１１．２ｍｍの間であり、内側面及び外側面の粗さは、ＧＯＳＴ２７８９基準でＲａ＝１．２μｍを超えない。
好ましい実施形態では、鉄鋼１６Ｈ１２ＭＶＳＦＢＲ−ＳＨ（ＥＰ８２３−ＳＨ）をフェライト系−マルテンサイト系クロムケイ素鋼として使用する。この鉄鋼は、以下の組成、ｗｔ％単位：炭素０．１４〜０．１８、ケイ素１．０〜１．３、マンガン０．５〜０．８、クロム１０．０〜１２．０、ニッケル０．５〜０．８、バナジウム０．２〜０．４、モリブデン０．６〜０．９、タングステン０．５〜０．８、ニオブ０．２〜０．４、ホウ素≦０．００６（計算通り）、セリウム＜０．１を有し、残りは鉄である。
保守に関する特性（空孔スウェリングに対する高い耐性、低い放射線クリープ率、鉛−ビスマス中における高い耐食性）の点では、鉄鋼ＥＰ８２３−ＳＨが、重液体金属冷却材を用いる反応炉のＦＲ被覆管に最も適切な材料である。
リブの数は、変更できる。
本発明の好ましい実施形態では、被覆管は、４つのリブを含む。
各リブ２（図３を参照）は、被覆管の上に突出し、断面では、丸みのある頂点及び基部に丸みのある角（フィレット）を有する台形である。リブの開き角度は、２２°から４０°の間であり、最も好ましい実施形態では３０°から４０°の間である。
そのようなリブの構成により、ＦＲ被覆管の製造しやすさが保証され、炉心の液圧抵抗を低減可能にし、ＨＬＭＣがリブに沿ってより容易に流れることにより熱交換工程を強化する。更に、丸みのある頂点、及び被覆管との境界でフィレットを有するリブの設計は、ＦＲの製造及びその後の作動様式により応力が集中しリブの基部が欠損する危険性を低減し、したがってＦＲに対する腐食損傷をなくすことを可能にする。
好ましい被覆管のパラメータは、以下のとおりである：
−被覆管壁の厚さ、最大０．６ｍｍ、好ましくは０．４ｍｍ；
−リブの高さ、０．５５ｍｍから０．８５ｍｍの間、好ましくは０．７５ｍｍ；
−開き角度、２２°から４０°の間、好ましくは３０°；
−頂部における角３の曲率半径、０．２ｍｍから０．３５ｍｍの間、好ましくは０．２ｍｍ；
−底部におけるフィレット４の半径、０．５５ｍｍから０．９ｍｍの間、好ましくは０．７ｍｍ。
−被覆管壁の厚さ、最大０．６ｍｍ、好ましくは０．４ｍｍ；
−リブの高さ、０．５５ｍｍから０．８５ｍｍの間、好ましくは０．７５ｍｍ；
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−底部におけるフィレット４の半径、０．５５ｍｍから０．９ｍｍの間、好ましくは０．７ｍｍ。
リブ２は、等しく離間し、それぞれのリブは、４５０ｍｍから１０００ｍｍの間、好ましくは７５０ｍｍのピッチを有するらせん形状である。好ましくは、被覆管１は、左巻きのリブで作製する。
実施形態の例
燃料被覆管を製造するために、鉄鋼ＥＰ８２３−ＳＨから製造したビレットの冷間圧延によって、４つのらせん形リブを有する管を製作した。
燃料被覆管を製造するために、鉄鋼ＥＰ８２３−ＳＨから製造したビレットの冷間圧延によって、４つのらせん形リブを有する管を製作した。
被覆管の頂部直径は１３．５ｍｍであり、被覆管壁の厚さは０．４ｍｍであり、被覆管の内径は１１．２ｍｍである。リブは、０．７５ｍｍの高さを有し、リブ高さ部の半分の幅は０．７５ｍｍであり、リブの高さ対厚さ比は１．８５である。リブの断面は、台形であり、台形の頂部で０．２ｍｍの曲率半径を有する丸みのある角をもち、フィレットの半径は０．７ｍｍであった。リブの開き角度は３０°であった。リブは、７５０ｍｍのピッチを有するらせん形状であった（左巻き）。
二酸化ウランをベースとする核燃料を、製造した被覆管に入れ、製造したＦＲを上側部品及び下側尾部部品（プラグ）で封止した。
燃料集合体を完成させるために、集合ＦＲは、リブ間に基づき離間させてフレーム構造体に据え付け、フレーム構造体に組み付けた上側格子、中間格子及び下側格子に取り付けた。得られた集合体を反応炉に据え付けた。
本発明は、単一ユニットとしてリブを有する被覆管を製造して、応力集中地点における欠損の可能性を低減することを可能にし、これにより、作動温度でＨＬＭＣと接触する被覆管の安定した耐熱、耐食性を保証するものである。
本発明は、反射材及びＦＡ支持要素と離間する（ＦＲ用）ＦＡ上側支持スペーサ格子と下側支持スペーサ格子との間で、隣接し合う燃料棒の（リブ間における）離間を実現し（これによりＦＡ設計の単純化が可能になる）、且つ適切なＨＬＭＣ工程（約７５，０００時間）、温度及び限界線量にさらされるＦＲ被覆管のＨＬＭＣ媒体（鉛、鉛−ビスマス共晶合金）中での長期安定性を保証可能にする。
１ ＦＲ被覆管
２ 離間したらせん形リブ
３ リブ頂部の丸みのある角
４ リブ底部の平滑な角
２ 離間したらせん形リブ
３ リブ頂部の丸みのある角
４ リブ底部の平滑な角
Claims (11)
- 重液体金属冷却材を用いる反応炉のための燃料要素の被覆管であって、前記被覆管は、前記要素の外側面に位置するらせん形リブを有する一体圧延管状要素として設計され、ＧＯＳＴ５６３９基準で７未満のフェライト粒度を有するフェライト−マルテンサイト系クロムケイ素鋼から製造し、各前記リブの開き角度は、２２°から４０°の間であり、前記リブの断面形状は台形であり、前記台形の頂部に丸みのある角を有し、前記台形の基部に平滑な角を有する、被覆管。
- 前記被覆管は、１０ｗｔ％から１２ｗｔ％の間のクロム含量、１．０ｗｔ％から１．３ｗｔ％の間のケイ素含量を有する鉄鋼から製造される、請求項１に記載の被覆管。
- 前記被覆管は、等しく離間した４つのらせん形リブを有する、請求項１に記載の被覆管。
- 各前記リブは、少なくとも０．７５ｍｍの高さ、最大０．６ｍｍの壁厚さ、及び３０°から４０°の間の開き角度を有する、請求項３に記載の被覆管。
- 前記リブの断面形状は台形であり、前記台形の頂部に、曲率半径が０．２〜０．３５ｍｍである丸みのある角を有する、請求項１に記載の被覆管。
- 前記リブの断面形状は台形であり、前記台形の基部に、フィレット半径が０．５５〜０．９ｍｍである平滑な角を有する、請求項１に記載の被覆管。
- 重液体金属冷却材を用いる反応炉のための燃料棒であって、請求項１〜６のうちいずれか一項に従って製造し両端をプラグで封止した被覆管、及び前記被覆管の内部に置いた核燃料を備える、燃料棒。
- 重液体金属冷却材を用いる反応炉のための燃料集合体であって、基本フレーム構造体、前記基本フレーム構造体に据え付けた少なくとも１つの保持格子、及び請求項７に従って製造し前記保持格子に固定した燃料棒を備える燃料集合体。
- 前記燃料棒の離間は、「リブ間」に基づき実行される、請求項８に記載の燃料集合体。
- 前記集合体は、前記フレームの頂部及び底部に位置する２つの保持格子を備える、請求項８に記載の燃料集合体。
- 前記フレーム構造体は、管として設計される、請求項８に記載の燃料集合体。
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