JP3082369B2 - 燃料チャンネルボックスの製造法及び燃料集合体の製造法並びに使用方法 - Google Patents
燃料チャンネルボックスの製造法及び燃料集合体の製造法並びに使用方法Info
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Description
ックスの製造法及び燃料集合体の製造法並びに使用方法
と原子炉の運転方法に関する。
い中性子吸収断面積を有する材料であるため原子炉燃料
集合体部材に使用されている。前記用途にはジルカロイ
−2,ジルカロイ−4とよばれるZr−Sn−Fe−C
r−Ni合金が主に使用されている。これら合金の原子
炉内で長期間使用すると、図2に示すように(0001)面が
板厚方向に配向しているので、特定方向への伸び及び曲
がり変形が生じる。燃料チャンネルボックスに曲がり変
形が発生すると、制御棒が駆動するための間隙をふさぐ
ため原子炉の運転に支障をきたす。また、曲がり変形が
生じると、燃料被覆管との間隔が変化し局部的に水対ウ
ランの比率が増減する為、核分裂反応度が変化する。こ
の結果、異常発熱による燃料被覆管の腐食加速、さらに
は燃料破損の原因にも成りうる。このような中性子照射
量の不均一に起因する燃料チャンネルボックスに曲がり
変形を防止する為、炉心における燃料集合体装荷位置の
入れ替えによる中性子照射量の均一化が検討されている
が、曲がり変形を防止するは至らず、この曲がり変形に
よる制御棒駆動間隙の減少、核分裂反応度の変化が燃料
チャンネルボックスの寿命を制限する主因子となってい
る。
を制限する因子である。耐食性の改善方法としてZr合
金をα+β相温度範囲あるいはβ相温度範囲から急冷す
る熱処理が特許公報昭56−12310 号,昭60−44387 号に
開示されている。しかし、後述する理由により照射成長
に起因する曲がり変形を低減出来ない為、ジルコニウム
合金部材の照射成長抑制技術とはなり得ていない。
コニウム合金部材の結晶粒度,配向,機械特性等は熱処
理によって変化させず、耐食性のみを改善するものであ
る。その結果、結晶粒の粗大化が生じるβ相温度範囲
(≧980℃)よりもα+β相温度範囲(800〜98
0℃)への加熱・急冷が実施され、照射成長抑制に重要
な因子である結晶方位はこの熱処理では変化しない為、
ジルコニウム合金部材の照射成長抑制技術とはならなか
った。公開特許公報昭59−229475号にはFl値を0.1
5〜0.5に配向させる方法が開示されている。しか
し、この方法も後述する理由により照射成長抑制技術と
はならず、むしろ照射成長を促進する。
る伸び,曲がり変形が少ない燃料チャンネルボックスの
製造法及び燃料集合体の製造法並びに使用方法と原子炉
の運転方法を提供することにある。
らなる燃料チャンネルボックスはその六方晶Zr金属の
〈0001〉結晶方位を図1に示す様にほぼ完全にラン
ダム化すれば照射成長に起因する曲がり変形を押さえる
ことができるものである。
されたSn5重量%以下及び/又はNb5重量%以下、
90重量%以上のZrを有するジルコニウム基合金板を
所望の形状に加工後溶接によって角形筒状部材に形成
し、該部材をβ相単相温度領域に加熱保持するとともに
該加熱保持された前記部材を冷媒によって強制的に急冷
する焼入工程及びその後の焼鈍工程を有する燃料チャン
ネルボックスの製造法であって、前記焼入工程における
加熱保持は前記β相単相温度領域での温度で前記合金の
六方晶Zrの〈0001〉結晶方位の前記筒状部材表面
に対する垂直方向への配向率(Fr値)を0.20〜0.
50とするよう時間を調整することを特徴とする燃料チ
ャンネルボックスの製造法にある。
〈0001〉結晶方位の筒状部材表面に対する垂直方向
への配向率(Fr値),筒状部材の長手方向への配向率
(Ft)及び円周方向への配向率(Fl)がいずれも
0.20〜0.50であることが好ましい。
晶粒径が50〜500μmであることが好ましい。
合金の六方晶Zrの〈0001〉結晶方位が実質的にラ
ンダムに配向し、3×1022n/cm2 の高速中性子照射
成長によるひずみが3×10-4以下であることが好まし
い。
〈0001〉結晶方位の板表面に対する垂直方向への配
向率(Fr値)が0.26〜0.40となるように前記β
相単相温度領域にて加熱保持時間を調整することが好ま
しい。
されたSn5重量%以下及び/又はNb5重量%以下、
90重量%以上のZrを有するジルコニウム基合金板を
所望の形状に加工後溶接によって角形筒状部材とし、該
部材を局部的にβ相単相温度領域に誘導加熱コイルによ
って互いに相対的に移動しながら連続的に加熱保持する
とともに該加熱保持された前記部材を冷媒によって強制
的に急冷する焼入工程及びその後の焼鈍工程を有する燃
料チャンネルボックスの製造法であって、前記焼入工程
における加熱保持は前記β相単相温度領域での温度で前
記合金の六方晶Zrの〈0001〉結晶方位の筒状部材
表面に対する垂直方向への配向率(Fr値)を0.20
〜0.50とするよう時間を調整することを特徴とす
る。
されたジルコニウム基合金板を所望の形状に加工後溶接
によって角形筒状部材とし、該角形筒状部材内に前記合
金より熱膨脹係数が大きい金属部材からなるマンドレル
を挿入し、前記角形筒状部材の少なくとも両端を前記マ
ンドレルに固着した状態で前記部材をβ相単相温度領域
に局部的に誘導加熱コイルによって互いに相対的に移動
させながら連続的に加熱保持するとともに該加熱保持さ
れた前記部材を冷媒によって強制的に急冷する焼入工程
及びその後の焼鈍工程を有する燃料チャンネルボックス
の製造法であって、前記焼入工程における加熱保持は前
記β相温度領域での温度で前記合金の六方晶Zrの〈0
001〉結晶方位の前記筒状部材表面に対する垂直方向
への配向率(Fr値)を0.20〜0.50とするよう時間
を調整することを特徴とする。
されたジルコニウム基合金板をコの字型に成形加工し、
次いで溶接によって角形筒状部材を形成し、該部材をβ
相温度領域に加熱保持するとともに該加熱保持された前
記部材を冷媒によって強制的に急冷する焼入工程、その
後の焼鈍工程及び該焼鈍工程の後、前記筒状部材全表面
にオートクレーブ処理による酸化皮膜を形成する燃料チ
ャンネルボックスの製造法であって、前記焼入工程にお
ける加熱保持は前記β相温度領域での温度で前記合金の
六方晶Zrの〈0001〉結晶方位の筒状部材表面に対
する垂直方向への配向率(Fr値)を0.20〜0.50
とするよう時間を調整することを特徴とする。
内蔵した燃料棒、該燃料棒を複数本収納するチャンネル
ボックス、該チャンネルボックス内の前記燃料棒の間を
仕切るスペーサ、前記チャンネルボックスの上部及び下
部に設けられた上部格子板及び下部格子板を備え、前記
チャンネルボックスは冷間圧延と焼鈍とによって形成さ
れたSn5重量%以下及び/又はNb5重量%以下、9
0重量%以上のZrを有するジルコニウム基合金板を所
望の形状に加工後溶接によって角形筒状部材に形成さ
れ、該部材をβ相温度領域に加熱保持するとともに該加
熱保持された前記部材を冷媒によって強制的に急冷する
焼入工程及びその後の焼鈍工程を有する燃料集合体の製
造法であって、前記焼入工程における加熱保持は前記β
相温度領域での温度で前記合金の六方晶Zrの〈000
1〉結晶方位の筒状部材表面に対する垂直方向への配向
率(Fr値)を0.20〜0.50とするよう時間を調整
することを特徴とする。
取出燃焼度32GWd/t以上の運転又は少なくとも1
回前記原子燃料を取替えて運転する燃料チャンネルボッ
クスの使用方法であって、該チャンネルボックスは冷間
圧延と焼鈍とによって形成されたジルコニウム合金板を
所望の形状に加工後溶接によって角形筒状部材に形成さ
れ、該部材をβ相温度領域に加熱保持するとともに該加
熱保持された前記部材を冷媒によって強制的に急冷する
焼入工程及びその後の焼鈍工程により製造されたもので
あって、前記焼入工程における保持時間は前記β相温度
領域での温度で前記合金の六方晶Zrの〈0001〉結
晶方位の筒状部材表面に対する垂直方向への配向率(F
r値)を0.20〜0.50とするよう時間を調整するも
のであることを特徴とする。
取出燃焼度32GWd/t以上の運転又は少なくとも1
回原子燃料を交換して運転する燃料チャネルボックスの
使用方法であって、該チャンネルボックスは冷間圧延と
焼鈍とによって形成されたジルコニウム合金板を所望の
形状に加工後溶接によって角形筒状部材に形成され、該
部材はβ相温度領域に前記合金の六方晶Zrの〈000
1〉結晶方位の前記筒状部材表面に対する垂直方向への
配向率(Fr値)を0.20〜0.50とする時間加熱保
持するとともに該加熱保持された前記部材を冷媒によっ
て強制的に急冷する焼入工程、その後の焼鈍工程の後前
記筒状部材全面にオートクレーブ処理による酸化皮膜を
形成することにより製造されたものであることを特徴と
する。
内蔵した燃料棒、該燃料棒を複数本収納するチャンネル
ボックス、該チャンネルボックス内の前記燃料棒の間を
仕切るスペーサ、前記チャンネルボックスの上部及び下
部に設けられた上部格子板及び下部格子板を備え、1回
の原子燃料の装填によって取出燃焼度32GWd/t以
上の運転又は少なくとも1回原子燃料を取替えて運転す
る燃料集合体の使用方法であって、前記チャンネルボッ
クスは冷間圧延と焼鈍とによって形成されたSn5重量
%以下及び/又はNb5重量%以下、90重量%以上の
Zrを有するジルコニウム基合金板を所望の形状に加工
後溶接によって角形筒状部材に形成され、該部材をβ相
温度領域に加熱保持するとともに該加熱保持された前記
部材を冷媒によって強制的に急冷する焼入工程及びその
後の焼鈍工程により製造されたものであって、前記焼入
工程における保持時間は前記β相温度領域での温度で前
記合金の六方晶Zrの〈0001〉結晶方位の筒状部材
表面に対する垂直方向への配向率(Fr値)を0.20
〜0.50とするよう時間を調整するものであることを
特徴とする。
中性子照射量で1022n/cm以上の運転を行う燃料チャ
ンネルボックスの使用方法であって、該チャンネルボッ
クスは冷間圧延と焼鈍とによって形成されたジルコニウ
ム合金板を所望の形状に加工後溶接によって角形筒状部
材に形成され、該部材をβ相温度領域に加熱保持すると
ともに該加熱保持された前記部材を冷媒によって強制的
に急冷する焼入工程及びその後の焼鈍工程により製造さ
れたものであって、前記焼入工程における保持時間は前
記β相温度領域での温度で前記合金の六方晶Zrの〈0
001〉結晶方位の筒状部材表面に対する垂直方向への
配向率(Fr値)を0.20〜0.50とするよう時間を
調整するものであることを特徴とする。
取出燃焼度32GWd/t以上の運転後の運転時の前記
チャンネルボックスの位置を前の運転時の位置と同じに
配置して少なくとも1回燃料を取替えて運転する原子炉
の運転方法であって、前記チャンネルボックスは冷間圧
延と焼鈍とによって形成されたジルコニウム基合金板を
所望の形状に加工後溶接によって角形筒状部材に形成さ
れ、該部材をβ相温度領域に加熱保持するとともに該加
熱保持された前記部材を冷媒によって強制的に急冷する
焼入工程及びその後の焼鈍工程により製造されたもので
あって、前記焼入工程における保持時間は前記β相温度
領域での温度で前記合金の六方晶Zrの〈0001〉結
晶方位の筒状部材表面に対する垂直方向への配向率(F
r値)を0.20〜0.50とするよう時間を調整するも
のであることを特徴とする。
以上又は45GWd/t以上の高燃焼度側での使用が可
能になるとともに、より効果が顕著となる。
属の〈0001〉結晶方位がジルコニウム合金表面に垂
直に配向するために起こる。六方晶Zr金属が中性子照
射を受けると、〈0001〉方向に結晶は収縮し〈00
01〉方向と直角な方向に膨脹する。より厳密に述べる
と、中性子照射によって(0001)面に垂直な原子面
(転位)が導入され、上記結晶の収縮,膨脹が生じる。そ
の結果、〈0001〉結晶方位が表面に垂直に配向した燃料
チャンネルボックスでは長手方向及び幅方向に照射成長
する。炉心中央に近い程中性子照射量は多く、中性子照
射量が異なると照射成長量に差が生じ曲がり変形が原因
となる。照射成長の抑制には〈0001〉結晶方位のランダ
ム化が有効である。照射成長は、体積変化を伴わない変
形である為、多結晶体の個々の結晶粒が特定方向へ変形
しても、その方向はランダムであるので全体的には変形
しないのに等しい。
射及び透過X線回折法の組合わせにより特定結晶面のX
線回折強度を測定し、測定されたX線回折強度から数1
によりF値を算出する方法が一般的である。
板表面と垂直方向)と特定結晶方位(例えば、〈000
2〉結晶方位)とのなす角度であり、V(φ)は、φ方向
に配向した結晶の体積率である。r方向,t方向,l方
向を、それぞれ互いに直角な板(管)表面の法線方向(F
r),板(管)の長手方向(Ft),板幅(管円周)方向
(Fl)と定義すると、次式 Fr+Ft+Fl=1.0 の関係にあり、完全に結晶方位がランダム化すると、 Fr=Ft=Fl=1/3 となる。
0.50となるようにすること、Fr0.25〜0.5
0,Fl0.25〜0.36,Ft0.25〜0.36とす
ることが好ましく、特にいずれも0.31〜0.35が最
も好ましい。
製造プロセスに従って製造された板及び管の(000
2)結晶面(:0001)面と等価)のFr値は0.6
前後となり、〈0001〉結晶方位は、主に板(管)の表
面法線方向に配向している。このように、表面法線方向
に〈0001〉結晶方位が配向した状態を集合組織と言
う。図3は、中性子照射量と照射伸びとの関係につい
て、Fr値をパラメーターとして示す。Fr値が0.5
0以下好ましくは0.45以下になると照射伸びは著し
く減少し、Fr値を0.333〜0.350とすることに
より中性子照射量≧1022(n/cm2)高照射域において
も伸びが実質的に0(ゼロ)となることが分かる。
手段として、ジルコニウム合金部材をβ相温度範囲(ジ
ルカロイ合金では980℃を越える温度)まで加熱し、
かつβZr結晶粒を十分成長させた後、冷却時に水噴霧
によって急冷する方法である。この処理を行うことによ
り六方晶αZr結晶は立方晶βZr結晶へと変態し、冷
却過程で再び六方晶αZr結晶へと再変態する。この熱
処理において、Fr値0.333〜0.350となる集合
組織を得るにはβZr結晶粒が少なくとも100μm以上
に成長するのが良く、Fr値≦0.50 となる集合組織
を得るにはβZr結晶粒が少なくとも50μm以上500
μm以下、好ましくは150μm以上300μm以下で
ある。β相温度での加熱時間はβ相温度範囲の高温域ほ
ど(好ましくは1100〜1350℃より好ましくは1
100〜1200℃)短時間で加熱することができる。
最高加熱温度での保持時間はほんの短い時間で行うこと
ができ、例えば1.5 秒〜600秒、好ましくは5〜1
00秒である。特に、図7で●印の範囲で行うのが好ま
しい。
Zr結晶が残存するため、好ましい集合組織は得られな
い。また、β相温度範囲に加熱してもその保持時間が短
く、かつ加熱温度が低いと好ましい集合組織は得られな
い。その理由は、αZrからβZrへの変態(加熱過
程)及びβZrからαZrへの変態(冷却過程)におい
て、αZrの(0001)結晶面とβ−Zrの(11
0)結晶面とが平行になる結晶方位関係を保持しながら
変態が進行するため、加熱・冷却終了後になんら結晶方
位の変化が生じないからである。ランダムな結晶方位の
配向の集合組織を得るには、種々の結晶方位を有するβ
Zr結晶粒が成長することが必要であり、そのために
は、βZr結晶粒が少なくとも50μm以上に成長する
に十分な温度と保持時間を調整するものである。
るが、その温度と保持時間が重要な要因である。従っ
て、β相温度領域でFr値が0.50 以下になるように
するには前述の式によって求められるパラメータPが
1.5 以上(βZr結晶粒60μm以上)となるように
することが好ましい。
結晶粒70〜500μm)が好ましく、特に3.2〜5
(βZr結晶粒100〜500μm)が好ましい。
以下及び又はNb5重量%以下、及び残部90重量%以
上(好ましくは95〜98.5 重量%)のZrを有する
ジルコニウム基合金からなる。Sn及びNbはZrの強
度を高めるに必要なもので、前者が3%,後者が5%以
下必要である。下限として、各々0.1 %が好ましい。
ジルカロイ系合金として、Snは1〜2%が好ましく、
特に1.2〜1.7%が好ましい。この合金にはFe0.
5%以下,Cr0.5%以下、又はこのCrとNi0.2
%以下、又はこれらのFeとNiを含むことができ、特
にFe0.1〜0.38%,Cr0.05〜0.15%,N
i0.03〜1.25% を含むもの,Fe0.22〜0.
38%,Cr0.05〜0.15%及びNi0.09〜0.
15%を含むもの,後者のFe及びNiは単独でもよい
が複合が好ましく、(Fe/Ni)比は1.3〜10が
好ましい。
%Nb,Zr−2〜5%Sn−0.5〜1.5%Nb−
0.5〜1.5%Mo,Zr−0.5〜0.15%Sn−
0.5〜1.5%Nb−0.1〜1.0%Fe,Zr−0.
5〜5.0%Nb−0〜3.0%Sn−2%以下のFe,
Ni,Cr,Ta,Pd,Mo,Wの1種又は2種以上
含む合金が用いられる。
度領域での加熱は板材を移動させながら誘導コイルによ
って連続的に所望の保持時間加熱すると同時に加熱後に
強制的に冷却するもので、このβ相への加熱によって
〈0001〉方位がランダムになるとともに、高温高圧
純水に対して耐食性の高いものが得られる。冷却は噴水
によって行うのが好ましく、100℃/秒以上特に、1
50℃/秒以上の冷却速度とするのがよい。加熱手段と
して他に赤外線,電気炉が用いられる。
より熱膨脹係数の大きい部材によって固定し拘束して行
うのがよく、特に管状部材の場合にはその内部に部材内
面に全面が接触しないよう熱の影響を少なくして部分的
に接するようにした金属部材を挿入するとともに両端を
互いに固定して加熱,冷却に際して管状部材が変形しな
いようにして加熱及び冷却を行うのが好ましい。このよ
うな拘束部材を設けることによって加熱及び冷却が容易
に行うことができる。拘束部材としてSUS304,316,
347等のZr基合金より熱膨脹係数の大きいオーステ
ナイト系ステンレス鋼が好ましい。
一に加熱する焼鈍が行われる。焼鈍は500〜650℃
(好ましくは550〜640℃)で行われる。この焼鈍
に際しても前述の拘束部材によって拘束して行うのが好
ましく、それによって管状部材の整形を行うことができ
る。これらの熱処理は非酸化性範囲気中で行われ、特に
Ar中で行うのが好ましい。
によって表面の酸化皮膜が除去される。酸化皮膜が除去
された後、オートクレーブによって表面が酸化処理さ
れ、表面に安定な酸化皮膜が形成され、最終製品とされ
る。また、前述の両端部で固定するためのネジ穴等の端
部は除去されて使用される。
字型部材を突合わせしプラズマ溶接されて角筒とした
後、この溶接部を平坦化して、使用される。この角筒の
熱処理にはX字型の拘束部材を挿入して行うことが好ま
しい。
金組成を有する3種類のジルカロイを使用し、表2に示
す熱処理を施した。
け入れ前に冷間圧延と650℃,2時間の焼鈍とを繰り
返し施されている。表2に示した熱処理No.2〜4は、
幅:40mm,長さ:40mmの試験片を受け入れ材から切
り出し、電気炉で加熱し、水中で冷却することにより行
ったものである。No.1及びNo.2は比較のもの、No.
3〜6は本発明に係るものである。
面(:(0001)面と平行)及び(1010)面(:
(0001)面と垂直)のF値測定結果を示す。F値測
定方法は前述した反射及び透過X線回折法の組合わせに
よって測定される。Frは管状部材において表面に対す
る垂直方向への配向率、Ftは長手方向への配向率、F
lは円周方向への配向率である。
した板材(熱処理No.1)では、(0002)面のFr
値は約0.7と高く、(1010)面のFr値(約0.1
5)はFl,Ft値に比べて低いことから、(000
2)面がほぼ板表面と平行に配向していることが表3の
結果より分かる。α+β相温度範囲への加熱・冷却板材
(熱処理No.2)のF値は受け入れ材(熱処理No.1)
とほぼ等しいことから、α+β相温度範囲への加熱・冷
却では集合組織は変化しないことが分かる。β相温度範
囲(1000℃)に1分間及び5秒保持後冷却した場合
(熱処理No.3,6)は受け入れ材に比べて、(000
2)面のFr値の減少、Fl,Ft値の増加及び(10
10)面のFr値の増加、Fl,Ft値の減少が認めら
れ、結晶方位がランダム化する。しかし、中性子照射量
≧1022(n/cm2)の高照射域においても使用可能とな
る為の目標値であるFr値≦0.35 を満足しない。1
000℃で10分間保持した場合(熱処理No.4)及び
1200℃まで加熱温度を高めた場合(熱処理No.5),
(0002),(1010)両面のいずれのF値も約0.33と
なり、結晶方位はほぼ完全にランダム化することが分か
る。前述したように、No.4,5熱処理材は高照射域
で、かつ部材内に中性子照射量の不均一があっても、曲
がり変形,伸び変形が生じない。
との関係を示す線図である。図に示す如く、Fr値が
0.4 を越えると中性子照射量の増加とともに急激にひ
ずみが増加するが、0.4 以下では照射を受けてもひず
みは飽和し、増加しないことが分る。特に、Fr=0.
35 のものは<0001>結晶方位が実質的にランダ
ムに配向しているので、法線方向,長手方向及び板厚方
向におけるひずみが各結晶間で互いに相殺されるため
0.5×10-4以下と全く生じない。Fr=0.4のもの
は照射量3×1022n/cm2 まではひずみ量は小さい
が、それ以上の中性子照射量では徐々にひずみが多くな
る。しかし、Fr=0.35 では中性子照射量が増加し
てもひずみの増加は生じない。
/cm2 の照射による照射成長ひずみとの関係を示す線図
である。Fr値の増加とともにひずみが急激に増加す
る。特に、Fr=0.35 の照射成長のひずみは約0.
2×10-4で、Fr=0.4の約1.5×10-4 の約7
分の1と著しく少ない。また、Fr=0.4はFr=0.
5の約3分の1と著しく少ない。しかし、Fr=0.5
はFr=0.6の約半分、Fr=0.6はFr=0.7の
約半分であり、Frが0.4 を越えると大きな効果は得
られない。
観察される丸みを帯びた結晶粒はαZrでありβZr結
晶粒は存在しなかった。図4(b)及び(c)において
観察される多角形状の結晶粒がβ相温度範囲加熱保持中
に形成されたβZr結晶粒であり、1000℃保持時間
が1分から10分と長くなるに従って、βZr結晶粒径
が大きく成長することが分かる。βZr結晶粒径内に見
られる層状あるいは針状の組織は、冷却過程でβZrが
再びαZrに変態する際に形成されたものであり、βZ
r結晶粒界ではない。
のFr値との関係を示す。結晶粒径200μm以上にβ
Zr結晶粒が成長することによって、Fr値≦0.35
の集合組織が形成されることが分かる。
2)面の結晶方位をランダム化することができるが、そ
の方位のランダム化の度合としてFr値0.40 で約7
5%であり、そのときの粒径は約100μmである。1
50μm以上の大きさの結晶粒径とすることにより約8
0%以上にランダム化され、Fr値で0.385 とな
る。更にFr値0.35 でのランダム率は約90%以上
となり、そのときの結晶粒径は約250μm以上とな
る。
の関係を示す線図である。図より、粒径90μm以上で
ひずみ量が約1.5×10-4 と著しく低くなるが、更
に、150μm以上ではひずみは0.5×10-4 以下の
非常に小さなものとなる。特に、200μm以上では
0.3×10-4 程度となる。
び表4に示す合金の(0002)面のFl値の関係を示
す線図である。図に示すように980℃未満ではFl値
が0.20 以下となり〈0002〉方向の結晶方位がラ
ンダムなものが得られにくい。しかし、1000℃で1
0.5 秒以上加熱又は1240℃以上で1.1 秒以上で
これらの点を結ぶ線上以上で加熱すればFl値として
0.25 を越えるものが得られ、よりランダム度の高い
ものが得られる。また、980℃以上で6秒以上及び1
240℃以上で6秒以上で、これらの点を結ぶ線上以上
で加熱すればFl値が0.20より大きく0.25以下の
ものが得られる。この線上より低いものはFl値が0.
20 以下となりランダム度が低く伸び量に対する効果
が小さい。
クス製作の1実施例を示す。表1で述べたジルカロイ−
C板材をコの字型に冷間曲げ加工し、長さ4mの2つの
コの字型部材とし、これらをプラズマ溶接し、角筒1と
した。溶接部の凹凸は平坦に仕上げられる。この角筒1
の内部にSUS304ステンレス鋼製マンドレル2を挿入し、
ネジ3で固定し、高周波誘導加熱によるβ相温度範囲へ
の加熱及び高周波誘導加熱コイル4の直下に設けたノズ
ル6から吹き付ける冷却水で急冷した。冷却水は温水も
使用される。マンドレル2は被加熱材に対する熱影響を
少なくするように接触面積を小さくするようにしてい
る。角筒1が一定の速度で上方から下方へコイル内を通
過することにより、ランダム化の熱処理が完了する。加
熱温度は1300℃,1200℃で保持時間は20秒及
び1100℃で保持時間10秒となるように角筒1の送
り速度及び高周波電源5の出力を調整した。熱処理完了
後、幅40mm,長さ40mmの試験片を切り出しX線
回折法によりF値を測定した。表5は、その測定結果を
示す。尚、ランダム化熱処理後には焼鈍が行われる。
0)両面共に、F値はいずれも1/3となり、完全にラ
ンダムな結晶方位の配向となることが分かる。
果、3×1022n/cm2 でのひずみ量は約0.3×10
-4 以下ときわめて少ないものであった。また、このも
のの結晶粒径は各々100,150及び250μmであ
った。
理及び酸洗を行い、表面の酸化膜を除去した後、水蒸気
によるオートクレーブ処理が施される。
したBWR燃料集合体の部分断面図である。
数の燃料棒11とそれらを相互の所定の間隔で保持する
スペーサ12、更に、それらを収納する角筒のチャンネ
ルボックス1,燃料被覆管内に燃料ペレットが入った燃
料棒11の両端を保持する上部タイプレート14、及
び、下部タイプレート15、並びに、全体を搬送するた
めのハンドル13から構成される。
は複雑な製造工程を経ており、各構造共に溶接で組立て
られる。
で組込まれた燃料棒11を内部に収納し、上部タイプレ
ート14と下部タイプレート15で燃料棒を固定した状
態で使用される。燃料チャンネルボックスは前述のよう
に二分割したコの字型板加工材をプラズマ溶接で接合し
た角筒形状を呈する。この部材はプラント運転時に燃料
棒で発生した高温水及び蒸気を強制的に上部に導く働き
をさせるものであり、角筒が外側に広がる応力が常時負
荷される状態で長時間使用される。
に高温高圧の炉水にさらされ、かつ、中性子照射を受け
る。また、角筒内部の圧力が外部に比べて高いため、内
圧を受ける。その結果、高温高圧環境下での耐食性,中
性子照射下での高いクリープ変形抵抗が要求される。
高く、中性子吸収断面積が小さい。これら特性は原子炉
用燃料集合体用材料として適しており、燃料集合体を構
成する燃料被覆管,チャンネルボックス1,スペーサ1
2等に使用される。使用される具体的なジルコニウム基
合金として、ジルカロイ−2(Sn1.2〜1.7wt
%,Fe0.07〜0.02wt%,Cr0.05〜0.1
5wt%,Ni0.03〜0.08wt%,残Zr )、
ジルカロイ−4(Sn1.2〜1.7wt%,Fe0.1
8〜0.24wt%,Cr0.05〜0.15wt%,残
Zr)、Zr−0.5〜2wt%Nb合金、Zr−2〜5
wt%Sn−0.5〜1.5wt%Nb−0.5〜1.5 w
t%Mo合金、Zr−0.5〜1.5wt%Sn−0.5
〜1.5wt%Nb−0.1〜1.0wt%Fe合金、Z
r−Nb(0.5〜5.0wt%)−Sn−(0〜3.0
wt% )−Fe,Ni,Cr,Ta,Pd,Mo,W
のいずれか1種(2wt%以下)合金等があり、いずれ
かの合金板に対しても本発明は効果が得られることが確
認された。
で被覆管チャンネルボックス,スペーサに使用される
が、特に、被覆管は局部酸化(ノジュラ腐食)が発生し
易いので、最終冷間加工の前で、最終熱間加工後の間の
いずれかで外表面にのみα+β相又はβ相での焼入れを
施すのが好ましい。特に、最初の冷間加工前に焼入れす
るのが好ましい。焼入れにおける加熱温度は825〜1
100℃が好ましく、加熱時間は1分以内で3〜30秒
が好ましい。
がよく、冷却は加熱に続いて噴水を用いて行うのがよ
い。また管内に水を流しながら加熱するのもよい。ま
た、被覆管は管表面に対して垂直方向の〈0001〉方
位がFr値として0.66 以上とするのが好ましい。そ
の焼入れは結晶方位がランダムにならないように温度と
時間とがコントロールされる。Nbを含むジルコニウム
−ニオブ合金は、強度が高く、クリープ特性に優れ、水
素吸収率が低く、ノジュラ腐食と呼ばれる局部腐食も発
生しない。これらは、燃料集合体部材用材料として好ま
しい特性であるが、溶接部及び熱影響部の腐食が加速さ
れ剥離性の厚い白色酸化物を形成し易い。
して、0.5〜2.0wt%のNbと、1.5 重量%まで
のSnと、Fe,Cr,Mo,V,Cu,Ni及びWか
らなる群から選択された0.25wt% までの第三合金
元素を含むジルコニウム合金は高温蒸気環境内で耐食性
を有する特殊なミクロ構造をもつ。
ボックスは前述のように(0002),(1010)の両
面ともにF値を各々1/3になるように加熱保持され、
急冷することによって得られる。その結果、燃焼度32
GWd/t以上のものは勿論、45GWd/t以上のも
のに使用することが出来るとともに、表面に付着したク
ラッドを除くとともに燃料を取替えて再度使用する2サ
イクル用に使用可能であり、変形が少ないため炉心での
使用位置も前と同じ位置で使用可能とする。また、ジル
カロイ合金に限らず前述の合金からなる被覆管に対して
も前述の熱処理及び配向性を施すのがよい。
も焼入を施したものを使用することにより全体として優
れたものが得られる。
料集合体に用いるチャンネルボックスはその結晶方位を
ランダム化しているので中性子照射量が1022(n/cm
2 )を超える高照射環境下で使用しても、照射成長、照
射成長に起因する曲がり変形が生じない。その結果、燃
料集合体用チャンネルボックスは長期間使用が可能とな
り、使用済み燃料廃棄物低減に寄与できる。また、耐食
性も向上し燃料集合体の信頼性向上に寄与できる。
びにFr値の影響を示す線図。
線図。
図。
成図。
…高周波誘導加熱コイル、5…高周波電源、6…水吹き
付けノズル、7…溶接部、11…燃料棒、12…スペー
サ、13…ハンドル、14…上部タイプレート、15…
下部タイプレート。
Claims (10)
- 【請求項1】冷間圧延と焼鈍とによって形成されたSn
5重量%以下及び/又はNb5重量%以下、90重量%
以上のZrを有するジルコニウム基合金板を所望の形状
に加工後溶接によって角形筒状部材に形成し、該部材を
β相単相温度領域に加熱保持するとともに該加熱保持さ
れた前記部材を冷媒によって強制的に急冷する焼入工程
及びその後の焼鈍工程を有する燃料チャンネルボックス
の製造法であって、前記焼入工程における加熱保持は前
記β相単相温度領域での温度で前記合金の六方晶Zrの
〈0001〉結晶方位の前記筒状部材表面に対する垂直
方向への配向率(Fr値)を0.20〜0.50とするよ
う時間を調整することを特徴とする燃料チャンネルボッ
クスの製造法。 - 【請求項2】冷間圧延と焼鈍とによって形成されたSn
5重量%以下及び/又はNb5重量%以下、90重量%
以上のZrを有するジルコニウム基合金板を所望の形状
に加工後溶接によって角形筒状部材とし、該部材を局部
的にβ相単相温度領域に誘導加熱コイルによって互いに
相対的に移動しながら連続的に加熱保持するとともに該
加熱保持された前記部材を冷媒によって強制的に急冷す
る焼入工程及びその後の焼鈍工程を有する燃料チャンネ
ルボックスの製造法であって、前記焼入工程における加
熱保持は前記β相単相温度領域での温度で前記合金の六
方晶Zrの〈0001〉結晶方位の筒状部材表面に対す
る垂直方向への配向率(Fr値)を0.20〜0.50と
するよう時間を調整することを特徴とする燃料チャンネ
ルボックスの製造法。 - 【請求項3】冷間圧延と焼鈍とによって形成されたジル
コニウム基合金板を所望の形状に加工後溶接によって角
形筒状部材とし、該角形筒状部材内に前記合金より熱膨
脹係数が大きい金属部材からなるマンドレルを挿入し、
前記角形筒状部材の少なくとも両端で前記マンドレルに
固着した状態で前記部材をβ相単相温度領域に局部的に
誘導加熱コイルによって互いに相対的に移動させながら
連続的に加熱保持するとともに該加熱保持された前記部
材を冷媒によって強制的に急冷する焼入工程及びその後
の焼鈍工程を有する燃料チャンネルボックスの製造法で
あって、前記焼入工程における加熱保持は前記β相温度
領域での温度で前記合金の六方晶Zrの〈0001〉結
晶方位の前記筒状部材表面に対する垂直方向への配向率
(Fr値)を0.20〜0.50とするよう時間を調整する
ことを特徴とする燃料チャンネルボックスの製造法。 - 【請求項4】冷間圧延と焼鈍とによって形成されたジル
コニウム基合金板をコの字型に成形加工し、次いで溶接
によって角形筒状部材を形成し、該部材をβ相温度領域
に加熱保持するとともに該加熱保持された前記部材を冷
媒によって強制的に急冷する焼入工程、その後の焼鈍工
程及び該焼鈍工程の後、前記筒状部材全表面にオートク
レーブ処理による酸化皮膜を形成する燃料チャンネルボ
ックスの製造法であって、前記焼入工程における加熱保
持は前記β相温度領域での温度で前記合金の六方晶Zr
の〈0001〉結晶方位の筒状部材表面に対する垂直方
向への配向率(Fr値)を0.20〜0.50とするよう
時間を調整することを特徴とする燃料チャンネルボック
スの製造法。 - 【請求項5】燃料ペレットを燃料被覆管内に内蔵した燃
料棒、該燃料棒を複数本収納するチャンネルボックス、
該チャンネルボックス内の前記燃料棒の間を仕切るスペ
ーサ、前記チャンネルボックスの上部及び下部に設けら
れた上部格子板及び下部格子板を備え、前記チャンネル
ボックスは冷間圧延と焼鈍とによって形成されたSn5
重量%以下及び/又はNb5重量%以下、90重量%以
上のZrを有するジルコニウム基合金板を所望の形状に
加工後溶接によって角形筒状部材に形成され、該部材を
β相温度領域に加熱保持するとともに該加熱保持された
前記部材を冷媒によって強制的に急冷する焼入工程及び
その後の焼鈍工程を有する燃料集合体の製造法であっ
て、前記焼入工程における加熱保持は前記β相温度領域
での温度で前記合金の六方晶Zrの〈0001〉結晶方
位の筒状部材表面に対する垂直方向への配向率(Fr
値)を0.20〜0.50とするよう時間を調整すること
を特徴とする燃料集合体の製造法。 - 【請求項6】1回の原子燃料の装填によって取出燃焼度
32GWd/t以上の運転又は少なくとも1回前記原子
燃料を取替えて運転する燃料チャンネルボックスの使用
方法であって、該チャンネルボックスは冷間圧延と焼鈍
とによって形成されたジルコニウム合金板を所望の形状
に加工後溶接によって角形筒状部材に形成され、該部材
をβ相温度領域に加熱保持するとともに該加熱保持され
た前記部材を冷媒によって強制的に急冷する焼入工程及
びその後の焼鈍工程により製造されたものであって、前
記焼入工程における保持時間は前記β相温度領域での温
度で前記合金の六方晶Zrの〈0001〉結晶方位の筒
状部材表面に対する垂直方向への配向率(Fr値)を
0.20〜0.50とするよう時間を調整するものである
ことを特徴とする燃料チャネルボックスの使用方法。 - 【請求項7】1回の原子燃料の装填によって取出燃焼度
32GWd/t以上の運転又は少なくとも1回原子燃料
を交換して運転する燃料チャネルボックスの使用方法で
あって、該チャンネルボックスは冷間圧延と焼鈍とによ
って形成されたジルコニウム合金板を所望の形状に加工
後溶接によって角形筒状部材に形成され、該部材はβ相
温度領域に前記合金の六方晶Zrの〈0001〉結晶方
位の前記筒状部材表面に対する垂直方向への配向率(F
r値)を0.20〜0.50とする時間加熱保持するとと
もに該加熱保持された前記部材を冷媒によって強制的に
急冷する焼入工程、その後の焼鈍工程の後前記筒状部材
全面にオートクレーブ処理による酸化皮膜を形成するこ
とにより製造されたものであることを特徴とする原子燃
料チャネルボックスの使用方法。 - 【請求項8】燃料ペレットを燃料被覆管内に内蔵した燃
料棒、該燃料棒を複数本収納するチャンネルボックス、
該チャンネルボックス内の前記燃料棒の間を仕切るスペ
ーサ、前記チャンネルボックスの上部及び下部に設けら
れた上部格子板及び下部格子板を備え、1回の原子燃料
の装填によって取出燃焼度32GWd/t以上の運転又
は少なくとも1回原子燃料を取替えて運転する燃料集合
体の使用方法であって、前記チャンネルボックスは冷間
圧延と焼鈍とによって形成されたSn5重量%以下及び
/又はNb5重量%以下、90重量%以上のZrを有す
るジルコニウム基合金板を所望の形状に加工後溶接によ
って角形筒状部材に形成され、該部材をβ相温度領域に
加熱保持するとともに該加熱保持された前記部材を冷媒
によって強制的に急冷する焼入工程及びその後の焼鈍工
程により製造されたものであって、前記焼入工程におけ
る保持時間は前記β相温度領域での温度で前記合金の六
方晶Zrの〈0001〉結晶方位の筒状部材表面に対す
る垂直方向への配向率(Fr値)を0.20〜0.50と
するよう時間を調整するものであることを特徴とする燃
料集合体の使用方法。 - 【請求項9】1回の原子燃料の装填によって中性子照射
量で1022n/cm以上の運転を行う燃料チャンネルボッ
クスの使用方法であって、該チャンネルボックスは冷間
圧延と焼鈍とによって形成されたジルコニウム基合金板
を所望の形状に加工後溶接によって角形筒状部材に形成
され、該部材をβ相温度領域に加熱保持するとともに該
加熱保持された前記部材を冷媒によって強制的に急冷す
る焼入工程及びその後の焼鈍工程により製造されたもの
であって、前記焼入工程における保持時間は前記β相温
度領域での温度で前記合金の六方晶Zrの〈0001〉
結晶方位の筒状部材表面に対する垂直方向への配向率
(Fr値)を0.20〜0.50とするよう時間を調整す
るものであることを特徴とする燃料チャンネルボックス
の使用方法。 - 【請求項10】1回の原子燃料の装填によって取出燃焼
度32GWd/t以上の運転後の運転時の前記チャンネ
ルボックスの位置を前の運転時の位置と同じに配置して
少なくとも1回燃料を取替えて運転する原子炉の運転方
法であって、前記チャンネルボックスは冷間圧延と焼鈍
とによって形成されたジルコニウム基合金板を所望の形
状に加工後溶接によって角形筒状部材に形成され、該部
材をβ相温度領域に加熱保持するとともに該加熱保持さ
れた前記部材を冷媒によって強制的に急冷する焼入工程
及びその後の焼鈍工程により製造されたものであって、
前記焼入工程における保持時間は前記β相温度領域での
温度で前記合金の六方晶Zrの〈0001〉結晶方位の筒状
部材表面に対する垂直方向への配向率(Fr値)を0.2
0〜0.50とするよう時間を調整するものであること
を特徴とする原子炉の運転方法。
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