JP3423682B2 - 薄肉円筒内圧封入方法および内圧封入試験片 - Google Patents
薄肉円筒内圧封入方法および内圧封入試験片Info
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Description
管のような薄肉円筒に内圧を長時間負荷して高温変形の
測定を行うための薄肉円筒への内圧封入方法、および内
圧封入試験管に関する。
能を有する薄肉円筒が高温に曝されたときのクリープ変
形のような高温変形特性を求めるためには、その薄肉円
筒に一定の内圧を長時間負荷し変形量の負荷時間依存性
を測定することが行われている。
略構成を示す図であって、使用済み燃料被覆管の一端に
密封用端栓を溶接し、他端に圧力ガス導入口を有する端
栓を溶接することによりクリープ試験片1が構成されて
おり、その試験片1が他の複数の試験片とともに電気炉
2内で加熱されるようにしてある。上記電気炉2には、
試験片からの放射能を遮蔽可能なように設計・施工され
た部屋(セルと称呼される)の壁3を貫通された高圧ガ
ス供給管4が接続されており、その高圧ガス供給管4が
上記試験片1の圧力ガス導入口に接続される。
ルゴンガス)5は圧縮機6によって加圧され、安全弁7
や圧力計8を経て高圧ガス蓄圧器9内に貯められ、さら
に前記セルの壁3を貫通された高圧ガス供給管4により
セル内に設置された整圧タンク10に蓄えられた後、前
記高圧ガス供給管4を経て各試験片1内に供給される。
整圧タンク10は室温の変化を受けないように恒温槽1
1内に収納されており、整圧タンク10内の圧力は所定
の試験条件に従って定められ、セル内のバルブによって
内圧が調整されるようにしてある。
プ変形の如き高温変形特性を求めるためには、薄肉円筒
内を高圧状態に保持する必要があるため、上記試験片に
高圧ガスが導入され所定圧になった後、上記ガス導入口
部を密閉する必要がある。そこで、レーザー光の入射が
可能なように設計された耐圧性窓付きの容器内に、ガス
導入口を具備する試験片をセットし、所定の圧力の加圧
ガスを容器および試験片内に充填させ、その高圧ガス雰
囲気内にレーザー光を入射し、ガス導入口を溶融させ密
封することが行われている。
せた容器内で、ガス導入口の近傍に電極を設置し、レー
ザー光の代わりに放電によってガス導入口を溶融し閉鎖
させ、内圧封入型試験片を得るようにすることも考えら
れる。
の負荷時間依存性の測定に供される試験片は、放射線を
遮蔽可能な限られた空間内で、遠隔操作によって使用済
み燃料被覆管に圧力ガスを封入する必要があるため、技
術的に困難であるとともに、封入圧力の確認が不可能で
ある等の問題があり、さらに、図3から明らかなよう
に、放射線遮蔽施設に多くの付帯施設を設ける必要があ
り、多額の新規投資と運転費が必要とされ、経済的に好
ましくない等の問題がある。
ザー溶接技術を応用する場合には、レーザー光を照射可
能な窓を設けた高圧容器の製作が必須であるだけでな
く、レーザー光発生装置のみならずレーザー光誘導管を
放射線防護壁を貫通配置させる必要があり、経済面で困
難である等の問題がある。さらに、試験対象となる薄肉
円筒に内圧を負荷したまま放電させることにより溶接・
密閉する従来の技術では、高圧ガス雰囲気下では放電が
十分に発生しないために溶接が不安定になり、製品の信
頼性が低下するという技術上の問題がある。
優れ、且つ簡便な内圧封入方法および内圧封入試験管を
得ることを目的とする。
薄肉円筒の内部にガス圧を負荷して、且つ長時間高温に
保持することによってその薄肉円筒の変形の時間依存性
等の高温変形を測定するための薄肉円筒内圧封入方法に
おいて、ガス導入口を備えた薄肉円筒内にそのガス導入
口から高圧ガスを導入する工程と、高圧雰囲気内で上記
ガス導入口を機械的に閉塞する工程と、その後上記ガス
導入口を大気圧雰囲気内で密封溶接する工程と、ガス封
入前における試験片部材重量の測定値と上記ガス封入後
の試験片の全重量とを比較して、封入後のガス圧を計算
し、ガス封入時のガス内圧と封入後のガス内圧計算値と
を比較し、ガスの封入が妥当に行われていることを確認
する工程とを有することを特徴とする。
明において、薄肉円筒の一端に密封用の端栓を溶接によ
り固着するとともに、他端にガス導入口が貫通された端
栓を溶接により固着し、そのガス導入口に端栓材と同一
の材質からなる挿入ピンを上記ガス導入口と間隙を有す
るように挿入することを特徴とする。
明において、薄肉円筒内にガス導入口から高圧ガスを導
入した後、上記挿入ピンをガス導入口に圧入することに
よりガス導入口を機械的に閉塞することを特徴とする。
いずれかに係る発明において、薄肉円筒が原子炉で使用
された燃料被覆管であり、封入ガスがアルゴンガス、も
しくはヘルウムガス等の不活性ガスであり、密封溶接が
大気中でのレーザ溶接もしくは不活性ガス雰囲気下の放
電による溶接であることを特徴とする。
ガス圧を負荷して、且つ長時間高温に保持することによ
ってその薄肉円筒の変形の時間依存性等の高温変形を測
定するための内圧封入試験管において、ガス導入口を備
えた薄肉円筒内にそのガス導入口から高圧ガスを導入し
た後、高圧雰囲気内で上記ガス導入口を機械的に閉塞
し、その後上記ガス導入口を大気圧雰囲気内で密封溶接
し、ガス封入前における試験片部材重量の測定値と上記
ガス封入後の試験片の全重量とを比較して、封入後のガ
ス圧を計算し、ガス封入時のガス内圧と封入後のガス内
圧計算値とを比較し、ガスの封入が妥当に行われている
ことを確認したことを特徴とする。
明において、薄肉円筒が原子炉で使用された燃料被覆管
を所定の長さに切断したものであることを特徴とする。
およびその封入方法を用いて使用済み燃料被覆管に内圧
を封入する実施の形態を示すフローチャートであり、ま
ず、放射線を十分に防護可能な施設内で、燃料集合体を
解体して高温変形特性を求めようとする核燃料棒をその
燃料集合体から取り出し、その核燃料棒を所定の長さ
(例えば90mm)に切断する。切断された燃料棒には
燃料ペレットが含まれているのでそれらを機械的に取り
除き、円筒状の燃料被覆管のみを得る。この場合、必要
に応じて被覆管を回転させながら切削することによっ
て、切断面が管の長手方向に対して直角になるように切
断面を仕上げる。そして、使用済み燃料被覆管の内表面
には核分裂生成物が付着しているので、放射能を低下す
るために沸騰濃硝酸中で洗浄する。また、使用済み燃料
被覆管の内外表面は一般にジルカロイの酸化膜に覆われ
ているので、燃料被覆管の両端において内外面を数mm
の長さにわたって金属表面が得られるまで機械研磨を施
す。
に密封用端栓とガス導入口を有する端栓とをそれぞれ溶
接して、図2に示す試験片を得る。即ち、燃料被覆管2
0には密封用端栓21とガス導入口22を有する端栓2
3がそれぞれ溶接部24によって一体化される(S
1)。また、ガス導入口22内に挿入される挿入ピン2
5を端栓と同一組成からなるジルカロイ−2から製作す
る。
下の様に実施する。図2に示す端栓溶接後の試験片のガ
ス導入口22内に挿入ピン25を緩く差し込み、同挿入
ピン25を機械的に圧入する機構を具備した封入ガス導
入治具(図示せず)を端栓22に密着させ、管内部に封
入ガス(高純度アルゴンガス、或いはヘリウムガス)を
導入する(S2)。そして、その封入ガスの圧力を圧力
計で計測し(S3)、その後、試験片内の温度が室温に
なるまで、所定の時間内圧を保持し温度を記録したの
ち、同内圧が負荷されたまま挿入ピン25を端栓23の
ガス導入口22に強固に圧入することによってガス導入
口を機械的に閉塞させる(S4)。そこで、封入ガス導
入治具を端栓23から分離させ、大気中において、不活
性ガスを吹き付けながら挿入ピン25の頂部と上記端栓
23の頂部とを放電により、或いは大気中でのレーザー
溶接により両者を溶融し結合させることにより内圧を封
入した試験片を作製する(S5)。次に試験片の全重量
を測定するとともに(S6)、ガス封入前における試験
片部材重量の測定値(S7)と上記ガス封入後の試験片
の全重量とを比較して、封入後のガス圧を計算し(S
8)、その後ガス封入前後のガス圧を比較して、ガスの
封入が妥当に行われたことを確認する(S10)。
態式の内から条件に適合するものを選択する。ここで
は、加圧ガスとして不活性カ゛スの内からアルゴンガスを
選択した場合の、Redlich-Kwongの状態式による計算を
示す。
スを使用する場合には、封入ガスのモル数n(mol)は、ア
ルゴンの原子量(39.948 g/mol)および封入ガスの重量w
(g)より、 n =w / 39.948 である。ここで、封入時のカ゛ス圧P1を測定しておく。
試験片内容積をV(m3)、封入時のガス温度をT
R(K)、封入後のカ゛ス圧をPR(Pa)、試験時のガス
温度をT T(K)、および試験温度でのカ゛ス圧をPT(P
a)とする。このとき、PRおよびP Tは公知のRedlich-Kwo
ngの状態式より、それぞれ PR = nRTR/(V-nb) - n2a/[TR 0.5V(V+nb)] ‥‥‥‥‥‥‥‥‥(1) PT = nRTT/(V-nb) - n2a/[TT 0.5V(V+nb)] ‥‥‥‥‥‥‥‥‥(2) で表される。ここで、Rは、気体定数(8.314 Jk-1mol-1) a = 0.4278R2Tc2.5/Pc = 1.695 b = 0.08664RTc/Pc = 2.231×10-5 Tcは、Arの臨界温度(150.7 K) Pcは、Arの臨界圧力(4.865 MPa) である。
を、封入後溶接した後の試験片カ゛ス圧の計算値PRと比
較することによって、試験片内のカ゛ス圧を高精度で確認
することが可能である。
験片を、セル内の高温に管理された電気炉内で所定時間
加熱し、その後遠隔操作によって炉外に取り出し、室温
で形状の変化を測定する。
術の課題であった薄肉円筒内の圧力を長時間一定に保つ
ための各種の技術的な困難を取り除くとともに、試験装
置を簡略化することによって経済的および技術的にその
信頼性を向上することができる。
にして形成された試験片部材に高純度アルゴンガスから
なる封入ガスを導入する。このときのガス圧P1は配管
の途中の(図示していない)圧力計で計測され149kg/cm
2(15.10MPa)であった。試験片内の温度が室温(27
℃、300K)になるまで、所定の時間内圧を保持し温度を
記録したのち、同内圧が負荷されたまま挿入ピン25を
端栓23に強固に圧入することによってガス導入口を機
械的に閉塞させる。その後、封入ガス導入治具を端栓2
3から分離させ、大気中において、不活性ガスを吹き付
けながら挿入ピンの頂部と上記端栓23の頂部とを放電
により両者を溶融し結合させることにより内圧を封入し
た試験片を作製する。そしてその試験片の全重量を測定
した結果、40.6849gでありこれを記録した。
挿入ピン25の形状寸法を測定した結果、室温での試験
片内径、肉厚、内容積はそれぞれ10.55mm、0.
86mmおよび6.99cm3であり、ガス封入前の部
材の封入ピンを含む全重量を求めた結果、38.887
2gであった。
以下の計算で求めた。即ち、試験内容積(V)は6.9
9cm3、ガス温度TRは27℃(300K)、封入カ゛スの重
量は40.6849-38.8872=1.7977gであるので、封入されたカ
゛スのモル数nは、 n = w / 39.948 = 4.500×10-2 mol である。ここで、前述の公知のRedlich-Kwongの状態式
((1)式)より、封入後の試験片のガス圧PRは、 PR = nRTR/(V-nb) - n2a/[TR 0.5V(V+nb)] = 15.20 MPa と計算される。ここで、 Rは、気体定数(8.314 Jk-1mol-1) a = 0.4278R2Tc2.5/Pc = 1.695 b = 0.08664RTc/Pc = 2.231×10-5 Tcは、Arの臨界温度(150.7 K) Pcは、Arの臨界圧力(4.865 MPa) である。
のP1 =149 kg/cm2(15.10 MPa)と、封入後溶接した後
の試験片カ゛ス圧の計算値PR = 15.20 MPaとを比較する
ことによって、試験片内の内圧を確認する。本試験片で
は、前者と後者の差異は0.7%程度と小さく、工学的な
試験に供する試験片としては、目標とした内圧が充填さ
れたと判断され試験片が完成した。
みの燃料被覆管について説明したが、その他の薄肉円筒
に適用できることは勿論である。
は、まず封入ガスを機械的に密封し、次に大気圧下の不
活性ガス雰囲気内での放電、或いは大気中でのレーザー
溶接により密閉するようにしたので、セル内のような狭
い空間内での作業が可能であるだけでなく、大気圧で溶
接するので技術的にも容易であり、信頼性を向上させる
ことができる。しかも、大気圧下の不活性ガス雰囲気で
溶接する場合、封入ガスが水素のような可燃性/爆発
性、酸素のような強力な酸化性ガスであっても、また各
種の腐食性ガスの場合にも適用可能である等の効果を奏
する。
ローチャート。
Claims (6)
- 【請求項1】薄肉円筒の内部にガス圧を負荷して、且つ
長時間高温に保持することによってその薄肉円筒の変形
の時間依存性等の高温変形を測定するための薄肉円筒内
圧封入方法において、ガス導入口を備えた薄肉円筒内に
そのガス導入口から高圧ガスを導入する工程と、高圧雰
囲気内で上記ガス導入口を機械的に閉塞する工程と、そ
の後上記ガス導入口を大気圧雰囲気内で密封溶接する工
程と、ガス封入前における試験片部材重量の測定値と上
記ガス封入後の試験片の全重量とを比較して、封入後の
ガス圧を計算し、ガス封入時のガス内圧と封入後のガス
内圧計算値とを比較し、ガスの封入が妥当に行われてい
ることを確認する工程とを有することを特徴とする、薄
肉円筒内圧封入方法。 - 【請求項2】薄肉円筒の一端に密封用の端栓を溶接によ
り固着するとともに、他端にガス導入口が貫通された端
栓を溶接により固着し、そのガス導入口に端栓材と同一
の材質からなる挿入ピンを上記ガス導入口と間隙を有す
るように挿入することを特徴とする、請求項1記載の薄
肉円筒内圧封入方法。 - 【請求項3】薄肉円筒内にガス導入口から高圧ガスを導
入した後、上記挿入ピンをガス導入口に圧入することに
よりガス導入口を機械的に閉塞することを特徴とする、
請求項2記載の薄肉円筒内圧封入方法。 - 【請求項4】薄肉円筒が原子炉で使用された燃料被覆管
であり、封入ガスがアルゴンガス、もしくはヘルウムガ
ス等の不活性ガスであり、密封溶接が大気中でのレーザ
溶接もしくは不活性ガス雰囲気下の放電による溶接であ
ることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれかに記載
の薄肉円筒内圧封入方法。 - 【請求項5】薄肉円筒の内部にガス圧を負荷して、且つ
長時間高温に保持することによってその薄肉円筒の変形
の時間依存性等の高温変形を測定するための内圧封入試
験管において、ガス導入口を備えた薄肉円筒内にそのガ
ス導入口から高圧ガスを導入した後、高圧雰囲気内で上
記ガス導入口を機械的に閉塞し、その後上記ガス導入口
を大気圧雰囲気内で密封溶接し、ガス封入前における試
験片部材重量の測定値と上記ガス封入後の試験片の全重
量とを比較して、封入後のガス圧を計算し、ガス封入時
のガス内圧と封入後のガス内圧計算値とを比較し、ガス
の封入が妥当に行われていることを確認したことを特徴
とする、薄肉円筒内圧封入試験管。 - 【請求項6】薄肉円筒が原子炉で使用された燃料被覆管
を所定の長さに切断したものであることを特徴とする、
請求項5記載の薄肉円筒内圧封入試験管。
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Takayoshi Yasuda,Masafumi Nakatsuka,Masami Mayuzumi,"Creep Characteristics of Irradiated Zircaloy−2 Cladding Tubes Under Dry Storage Conditions",Transactions of American Nuclear Society,米国,American Nuclear Society,1990年 6月10日,第61巻,p.77−78 |
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