JP3522760B2 - ２段階で最終処理される案内管を備える加圧水型原子炉の燃料要素 - Google Patents

２段階で最終処理される案内管を備える加圧水型原子炉の燃料要素

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    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、加圧水型原子炉（PWR）の燃料要素であっ
て、正方形の格子状に配置される複数個の燃料棒を有
し、その格子の幾つかの個所に制御棒を受容する案内管
が備えられる如き燃料要素に関する。
本発明はまた、それら案内管の製造方法に係わる。
背景技術、問題点 PWR燃料要素は、頂部ノズル、底部ノズル、スペー
サ、および案内管（またはシンブル thimble）で構成
されるフレームを備え、そして燃料棒を充填される。PW
Rの燃料棒格子の寸法は14×14本から19×19本まで様々
である。案内管の主要な役目は制御棒用のスペースを作
ることであるが、また燃料集合体内の支持棒として、お
よびスペーサ保持棒としても働く。普通、案内管は、燃
料棒の被覆と同じ種類のジルコニウム合金で作られる。
原子炉の操作中、燃料棒被覆と案内管は放射線照射で
誘導される生長（irradiation−induced growth）のた
めに伸長する。その生長は、ジルコニウムの六方格子内
のある結晶平面に配列するミクロ組織が放射線損傷を受
け、そこで材料がそれら平面に対し垂直な方向に生長す
ることによって惹起されるものである。このような生長
が生じるということは、燃料要素が常時放射線照射によ
って伸長し、そしてある照射時間が経過した後では燃料
要素が、炉心の上部プレートと下部プレートとの間の使
用可能なスペースより長くなってしまうということであ
る。これは燃料要素の曲げや破損の危険をもたらす。従
って、燃料要素の炉心内滞在時間を決める燃料要素の燃
焼度（burnup）が制限されることになる。
燃料要素は、その燃料棒を頂部ノズルと下部ノズルと
の間のスペースより幾分短かくして燃料棒にあるスペー
スをもたせ、このスペースの中で生長が行われるように
設計される。支持棒としても使われる案内管はより長く
され、そして束を一緒に保持するために頂部ノズルと底
部ノズルに取付けられる。従って現在の設計では案内管
の生長度によって燃料要素の設計上の燃焼度が決められ
る。
EP−Ｂ−０ 296 972号によって、PWRの被覆管の腐
食、そしてまたその軸方向の生長を少なくさせるため、
その製造の最終段階として、被覆管を950℃から1250℃
の間の温度に加熱し、それから急速に冷却する、いわゆ
るベータ急冷を行うことによって、被覆管を熱処理する
ことが知られている。その特許によれば、被覆管は、ジ
ルコニウム合金、好適にはジルカロイ（Zircaloy）−４
とその合金の仕様範囲内の幾分かの組成成分とで構成さ
れる。
沸騰水型原子炉（BWR）の燃料要素については、US−
Ａ−４ 770 847号によって、燃料棒が水棒（water ro
d）よりも速く生長することが知られている。燃料棒と
水棒との生長を均等にするため、被覆管の製造の最終段
階で冷間加工で適当な寸法にし、続いて約538−705℃で
１から15時間熱処理することによって、生長傾向のより
小さい被覆管を製造することが記載されている。管を、
冷間加工後、440−510℃で１から４時間熱処理すること
によって生長傾向が幾分大きい水棒が作られる。
発明の概要 本発明によれば、生長傾向がより小さく、且つ同時に
耐食性の高いPWRの燃料要素の案内管を製造することに
よって、現在の技術で可能であるよりも高い燃焼度を以
って使用できるPWRの燃料要素が得られる。
このことは、請求の範囲に記載の事項によって達成で
きる。
案内管の製造において、管の主要部分が仕上り寸法に
された状態で、または管の全ての所要寸法が得られた後
で、管は、ベータ相範囲、950−1200℃の温度に加熱さ
れ、それから急速に冷却されることによってベータ急冷
される。このベータ急冷作業はまた、管の一部分だけを
ベータ相へ相変態させるように行うこともできる。ベー
タ急冷作業の後、少なくとも１つの追加の熱処理が、案
内管を約840℃のアルファ相温度範囲で熱処理すること
によって行われる。
仕上り寸法の案内管のベータ急冷はその生長特性に対
しては良好な影響を与えるが、しかし他方において案内
管の腐食特性はそのような熱処理によって劣化する。本
発明によれば、仕上り寸法の、または管の主要部分が仕
上り寸法にされた、案内管をベータ急冷し、そしてこの
後でアルファ相範囲で熱処理することによって、管の腐
食特性を著しく改良し、また生長特性に良好な影響を与
えることができる。管の主要部分が仕上り寸法にされて
いるときにベータ急冷された管の熱処理が、そのベータ
急冷の直後か、あるいはまた管の全ての所要の仕上り寸
法が完成された後で行われる。この最終熱処理は好適に
は600から800℃で行われる。
ベータ急冷の後のアルファ相範囲の熱処理は複数回行
うこともできる。
その熱処理は、840℃以下、好適には600から800℃の
間の所要の熱処理温度まで緩慢に高められる温度に案内
管を当てるようにして行われる。管のこの熱処理はま
た、最初により低い温度で処理し、それからそれより幾
分高い温度で処理するようにして行うこともできる。こ
こでその低い方の温度は600℃以下、そして高い方の温
度は600から840℃にされる。緩慢な温度上昇による熱処
理、または温度が順次的に高くされる段階的な熱処理を
施すことによって、合金のマトリックス相と二次相との
間で合金要素の望ましい再配分が行われる。
本発明の追加の利点は、燃料棒の被覆は同様な熱処理
をする必要がなく、それが、仕上りまたは殆んど仕上り
の寸法でのベータ急冷を行うこと無しに製造できること
である。仕上り寸法にされた被覆のベータ急冷は複雑な
プロセスであり、従って、束の中の少数の管だけにその
熱処理を施すことで束全体の生長特性を望ましいものに
し、これによって束をより高い燃焼度で使用できるよう
にすることは非常な利点になるのである。
案内管はジルコニウム合金で作られる。ジルコニウム
合金の実例はジルカロイ−２およびジルカロイ−４であ
る。その組成は下記の通りである。
ジルカロイ−２ Sn 1.2−1.7重量％ Fe 0.07−0.20重量％ Cr 0.05−0.15重量％ Ni 0.03−0.08重量％ Si 最高120ppm Zr 残余部＋不純物 ジルカロイ−４ Sn 1.2−1.7重量％ Fe 0.18−0.24重量％ Cr 0.07−0.13重量％ Zr 残余部＋不純物 案内管を製造するためのその他の適当なジルコニウム
合金は、ジルコニウムおよび１−2.0％Sn、0.07−0.70
％Fe、0.05−0.15％Cr、0.06−0.40％Ni、0.015−0.20
％Nb、0.09−0.16％Ｏを含む合金、または、ジルコニウ
ムおよび１−2.0％Sn、0.07−0.70％Fe、0.05−0.15％C
r、0.16−0.40％Ni、0.015−0.20％Nb、0.015−0.05％S
i、0.09−0.16％Ｏを含む合金である。
更にその他の、Zr−1.0Nb、−1.0Sn、−0.1Feのよう
なジルコニウム−ニオブ合金、あるいはその他のジルコ
ニウム合金も本発明に適用できる。
図面の簡単な説明 第１図はPWR燃料要素の側面図である。
第２図は２つの寸法をもった案内管の断面図である。
好適な実施例の説明 第１図は17×17束を示す。頂部ノズル１、底部ノズル
２、およびスペーサ３が案内管４と共にフレームを形成
し、このフレームの中に燃料棒５が配置される。案内管
４は６と７において頂部ノズル１と底部ノズル２に固定
される。燃料棒５は、これの長さが頂部ノズルと底部ノ
ズルとの間の長さより短かくなるように構成される。こ
れによって燃料棒がある長さまで生長することがあって
も曲げの生じる危険が無くされる。その燃料要素全体が
炉心の頂部プレートと底部プレート（図示せず）との間
に挿入される。もし案内管の生長によって束全体の伸長
が生じ、頂部ノズルがこれの上方の頂部プレートに接触
するようなことが起れば、束は損傷される。
第２図は２つの寸法の直径を有する案内管４の断面図
を示す。２つ以外の寸法の幾つかの直径を有する案内管
も使用できよう。案内管は制御棒８を受容するもので、
そして通常、燃料集合体への制御棒の挿入を容易にする
ため、２つまたはそれ以上の直径を有するように設計さ
れる。
案内管は被覆管と同様にして、押出しおよびある回数
の冷間圧延段階とこれらの間に行われる中間熱処理作業
によって製造される。
案内管の仕上り寸法の状態で、または管の主要部分が
仕上り寸法にされているとき、すなわち案内管の直径の
部分的な縮小および（または）伸長が行なわれる前に、
案内管はベータ急冷される。このベータ急冷は、例えば
高周波加熱によって管を950から1200℃に加熱し、それ
から10から200℃／秒の範囲の冷却速度で急速に冷却す
ることによって行われる。ベータ冷却はまた、管の壁厚
の約50％だけに施し、残余部分は加熱しないままでおく
ようにすることもできる。ベータ急冷の後、管はアルフ
ァ相範囲で熱処理される。この熱処理は600から800℃の
間、例えば700℃で２時間行われよう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−97897（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−70917（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−165580（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−170535（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−70556（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21C 3/06 G21C 3/30 G21C 3/326 C22C 16/00 C22F 1/18

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一緒に１つのフレームを形成する頂部ノズ
    ル、底部ノズル、スペーサ、および案内管、そして、前
    記フレーム内に実質的に正方形の格子状に配置される、
    円筒形の燃料ペレットを詰められる被覆を有する燃料棒
    を備える、加圧水型原子炉（PWR）で使用される燃料要
    素において、前記案内管が前記フレーム内に装架される
    前に、２つの段階、すなわち、前記管が仕上り寸法にな
    っている状態で、または管の主要部分が仕上り寸法にな
    っているときに行われるベータ急冷される第１段階と、
    それに続き840℃以下のアルファ相温度範囲の少なくと
    も１つの熱処理を行う第２段階とで、最終的に熱処理さ
    れることを特徴とする燃料要素。
  2. 【請求項２】前記熱処理が最初に600℃以下のより低い
    温度で、それから840℃以下のより高い温度で行われる
    ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の燃料要素。
  3. 【請求項３】前記アルファ相範囲の熱処理が600から800
    ℃で行われることを特徴とする請求の範囲第１項に記載
    の燃料要素。
  4. 【請求項４】前記ベータ急冷が、前記管の一部分だけを
    相変態させるようにして行われることを特徴とする請求
    の範囲第１項から第３項までのいずれか１項に記載の燃
    料要素。
  5. 【請求項５】該燃料要素の燃料棒が被覆を有し、この被
    覆を完成させるための最終熱処理がアルファ相範囲だけ
    で行われることを特徴とする請求の範囲第１項から第４
    項までのいずれか１項に記載の燃料要素。
  6. 【請求項６】案内管のある回数の冷間圧延段階とこれら
    の間に行われる中間熱処理作業、最終熱処理、および該
    管の直径の完成を含む、加圧水型原子炉（PWR）の燃料
    要素に備えられる案内管を製造する方法において、該案
    内管が、２つの段階、すなわち、該管が仕上り寸法にな
    っている状態で、または管の主要部分が仕上り寸法にな
    っているときに行われるベータ急冷される第１段階と、
    それに続き840℃以下のアルファ相温度範囲の熱処理を
    行う第２段階とで、最終的に熱処理されることを特徴と
    する案内管を製造する方法。
  7. 【請求項７】前記熱処理が最初により低い温度で、それ
    からより高い温度で行われることを特徴とする請求の範
    囲第６項に記載の方法。
  8. 【請求項８】前記アルファ相範囲の熱処理が600から800
    ℃で行われることを特徴とする請求の範囲第６項または
    第７項に記載の方法。
  9. 【請求項９】前記ベータ急冷が、前記管の一部分だけを
    相変態させるようにして行われることを特徴とする請求
    の範囲第６項から第８項までのいずれか１項に記載の方
    法。
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