JP4431831B2 - 原子炉用の冷却水用チューブの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉炉心内で用いられる冷却水用チューブに関し、より詳述すると、単一の筒状材にて成る冷却水用チューブ及びそのようなチューブの製造方法に関するものである。

現在の最先端技術においては、原子炉炉心内の熱を除去するのに役立てると共に、中性子の流れを促進させるために、原子炉炉心内に冷却水用チューブが用いられている。公知の冷却水用チューブは、異なった寸法を有する多くの部品と継ぎ手とを組み合わせて溶接することにより組立てられている。

然しながら、その公知の冷却水用チューブは、使用中の機能不全を避けるために、注意深く溶接し、検査しなければならないため、必要とされる事柄が解消されていないままとなっている。更に、溶接工程と検査工程とが加わるため、その冷却水用チューブの製造コストが高くなるという問題点もある。

本発明の第一の側面に依れば、原子炉の燃料棒の束中で用いられる冷却水用チューブが得られる。このチューブは、中央部と、その中央部の一端側に位置する第一の端部と、中央部の他端側に位置する第二の端部とにより成る。第一の端部は、第一の小径部と、その第一の小径部を中央部と繋いでいる第一の中間部とを有している。第二の端部は、第二の小径部と、その第二の小径部を中央部と繋いでいる第二の中間部とを有している。第一の端部と第二の端部は対称的な形状に形成され、チューブはいずれかの端部が上側に位置するようにして原子炉に垂直に装備されるようになっている。

本発明の別の側面に依れば、上述した冷却水用チューブの製造方法が得られる。その製造方法は、次の工程を含んでいる。第一の端部と、第二の端部と、第一の端部と第二の端部とに隣接している中央部とを有する一本の筒状材を供給する。第一の端部の外径を機械加工で減少させて、第一の小径部と、その第一の小径部を中央部と繋ぐ第一の中間部とを形成する。第二の端部の外径を機械加工で減少させて、第二の小径部と、その第二の小径部を中央部と繋ぐ第二の中間部とを形成する。第一の小径部と第二の小径部とをトリミングして最終的な長さにする。次に、第一の小径部と第二の小径部とに複数の穴を形成する。

上述した本発明の概要と後述する本発明の実施形態の説明は、添付図面を参照することにより、より明確に理解できるであろう。

添付図面、特に図１を参照すると、本発明に係る冷却水用チューブが参照符号１０で示されている。このチューブ１０は単一の筒状材にて構成されている。また、チューブ１０は、原子炉中の燃料棒の束内に略垂直姿勢で取り付けられるよう構成されている。チューブ１０は、作動原子炉の炉心内に存在する中性子を実質的に通す何らかの材料にて構成されている。好ましくは、チューブ１０はジルカロイのような、中性子の透過を許容する耐食性合金にて構成されている。このチューブ１０の新規な特徴点は、公知の冷却水用チューブと相違して、何らの溶接部をも有していないことである。

チューブ１０は、原子炉炉心の部品と接続されるようになっている上端部１２と下端部１４とを有している。冷却水が原子炉内で加熱されるに従って、その冷却水がチューブ１０を出入りするのを許容する複数の穴１６が上端部１２と下端部１４に形成されている。より詳述すると、チューブ１０の下端部１４に形成された穴１６は、加熱された冷却水が原子炉からチューブ１０内に流入するのを可能にする大きさで所定の位置に設けられている。チューブ１０は上昇管（ｒｉｓｅｒ ｐｉｐｅ）として使用可能で、加熱された冷却水をチューブ１０の上端部に向かって上方へ運ぶよう作用する。チューブ１０内の冷却水は燃料棒と直接に接する状態になく、それ故、冷却水がチューブ内を上昇するに従ってほとんど熱を吸収することがない。その結果、チューブ１０内を上昇する冷却水のほとんどは、液体のままで、蒸発しない。チューブ１０の上端部１２に形成された穴１６は、冷却水をチューブの内部から原子炉内へ逆戻りさせるよう排出するのを可能にする大きさで所定の位置に設けられている。チューブの上端部１２から蒸気状態で解放される冷却水は、原子炉の蒸気収集装置まで上昇する。チューブの上端部１２から液状状態で排出される冷却水によって、冷却水用チューブの外側は満たされる。その結果、冷却水用チューブは、燃料棒の束の上側に向かってより冷たい水が液状のままでいることを許容する。これにより、燃料棒の束内に冷却水のより均質な液状状態を確保して、原子炉内の中性子の流れを促進させる。

茲で、冷却用水チューブ１０の構造について、より詳細に説明する。チューブ１０は複数の異なった直径を有する一連の部分を備えた単一の筒状材にて構成されている。参照を容易にするために、チューブ１０のそれらの部分は、図１中において、視覚的に互いに区分して認識されるように断続線で区画した。

チューブ１０のそれらの部分の配列及び構成は、チューブが用いられる特定の原子炉装置及び適用される安全基準等を含む多くの要因次第で変更することができる。図１において、チューブ１０は中央部２０を有する細長い筒状体として図示されている。その中央部２０から第一の方向に向かって、中央部２０と同軸的に第一の端部３０が延びている。また、中央部２０から第二の方向に向かって、中央部２０と第一の端部３０と同軸的に第二の端部４０が延びている。

第一の端部３０は第一の小径部３２を有している。その第一の小径部３２はチューブ１０の上端部１２まで延びている。第一の小径部３２の直径は、中央部２０の直径よりかなり小さく形成されている。好ましくは、第一の小径部３２の断面積と中央部２０の断面積との比は、約０．３５対約０．３８である。

第一の端部３０は、第一の小径部３２と中央部３０との間に位置している第一の中間部３４を更に有している。詳述すると、その第一の中間部３４は、第一の小径部３２と隣接した細いネック部３６と、中央部２０と隣接した太いネック部３８とを有している。第一の中間部３４の側壁の直径は、細いネック部３６から太いネック部３８の方向へ向かって大きくなっている。この側壁の直径は、好ましくは、第一の中間部３４が図１に示したように略切頭円錐形状を呈するように、太いネック部３８の方向へ向かってまっすぐに大きくなっている。より詳述すると、チューブ１０の側壁と長さ方向の中心軸線との間に約１１°〜約１３°のテーパー角度を持たせるように、第一の中間部３４の側壁の直径はネック部３８の方向へ向かってまっすぐに大きくなっている。

第二の端部４０は第二の小径部４２を有している。この第二の小径部４２は、チューブ１０の下端１４まで延びている。第二の小径部４２の直径は、中央部２０の直径よりかなり小さく形成されている。好ましくは、第二の小径部４２の断面積と中央部２０の断面積との比は、約０．３５対約０．３８である。

第二の端部４０は、第二の小径部４２と中央部２０との間に位置する第二の中間部４４を更に有している。第一の中間部３４と同様に、第二の中間部４４は、第二の小径部４２と隣接した細いネック部４６と、中央部２０と隣接した太いネック部４８とを有している。第二の中間部４４の側壁の直径は細いネック部４６から太いネック部４８の方向へ向かって大きくなっている。好ましくは、第二の中間部４４が図１に示したように略切頭円錐形状を呈するように側壁の直径は太いネック部４８方向へまっすぐに大きくなっている。より詳述すると、チューブの側壁と長さ方向の中心軸線との間に約１１°〜約１３°のテーパー角度を持たせるように第二の中間部４４の側壁の直径は太いネック部４８方向へ向かってまっすぐに大きくなっている。

チューブ１０の各部分の長さは、チューブが用いられる特定の原子炉装置又はその原子炉の設計上の要因等によって変更することができる。好ましい実施形態においては、第一の中間部から第一の端部までの軸線方向の距離と第二の中間部と第二の端部間の軸線方向の距離とが、約３５．６ｃｍ〜約４０．６ｃｍ（約１４インチ〜約１６インチ）の長さになるように第一の端部３０と第二の端部４０とがトリミングされている。更に、好ましくは、完成されたチューブ１０は約４０６．４ｃｍ〜約４１６．６ｃｍ（約１６０インチ〜約１６４インチ）の全長を有している。

冷却水用チューブ１０のユニークな特徴点は、上述した種々の各部分間にシーム部又は溶接部が存在しない点である。そのようなシーム部及び溶接部が存在しないことにより、より完全なチューブ構造を確保することができ、そのようにシーム部及び溶接部の存在しないチューブは、図２を参照して後述する新規な方法によって得られる。

茲で図２を参照して、本発明に係る濃縮された核冷却水用チューブの製造方法について説明する。図２において、この方法の各工程は、参照符号１００〜９００で示したブロック図の形態で表わした。工程１００においては、均一な直径を有する長い筒状材を供給し、筒状材の完全性に悪影響を及ぼす可能性のある何らかの傷や欠陥がないか検査する。筒状材は中性子が透過することのできる何らかの材料にて構成することができるが、好ましくは、この筒状材はジルカロイのように中性子の透過を実質的に許容する耐食性合金にて構成されている。筒状材は、好ましくは、約２．２９ｃｍ〜約２．５４ｃｍ（約０．９インチ〜約１．０インチ）の外径と約０．７４ｍｍ〜約０．８４ｍｍ（約０．０２９インチ〜約０．０３３インチ）の壁厚を有している。

濃縮された核冷却水用のチューブの好ましい製造方法は、工程１００において提供された筒状材の断面積を減少させる一連の工程を通して実施される。筒状材の各部を、座屈の可能性を最小限度にとどめるために、一度に大きく減少させるというよりも、複数の漸次減少処理に晒すことによって断面積が徐々に減少した筒状材を提供する。その複数の減少工程は、好ましくは、室温で実施される。

第一の減少加工は、工程２００において、筒状材の第一の端部について実施される。第一の減少加工を行って、第二の減少工程において適応できるような中間の径まで第一の端部の外径を減少させる。本方法は、種々の機械的減少加工及び技術を用いて実施することができる。好ましい方法においては、図２の工程２００〜４００に示したように、筒状材の端部を先ずスエージ加工することにより減少させ、次にダイスを介して筒状材を引抜き加工することにより減少させる。

好ましい方法の工程２００においては、筒状材を引抜きダイスに通すことができるようにするために、第一の端部の最端を所定の形状即ち尖った先端となるようにスエージ加工する。より詳述すると、筒状材の第一の端部の最端をスエージ加工して、引抜きダイスの軸受け部の最も小さい内径よりも若干小さな外径のものに形成する。そのようなものとして、尖った先端部は、筒状材を座屈又は変形させることなくスムーズに引抜きダイスに通すことを可能にするなめらかな部分を構成する。

スエージ加工によって、筒状材の外径を比較的手っ取り早く、引抜きダイスを通すことの可能な先端に減少させることができる。然しながら、先端を形成するのにその他の好適な方法を用いることができることは銘記されるべきである。好ましい方法においては、筒状材の第一の端部をスエージ・マシーンの一連の通路内でスエージ加工して先端を形成することもできる。スエージされる筒状材の長さはどのような方法でコントロールしてもよい。例えば、スエージ・マシーンは、特定の位置にセットされるストッパーを備えたものであってもよい。そのストッパーを一旦セットすれば、筒状材の限定された長さ部分をスエージ・マシーン内に挿入することができる。そのストッパーはスエージ・マシーンに挿入された筒状材を係止して、筒状材が所定の長さを越えてスエージ加工されることのないようにスエージ・マシーン内への筒状材の更なる挿入を阻止する。好ましい方法においては、筒状材の第一の端部は、筒状材の端から約７．６２ｃｍ〜１５．２４ｃｍ（約３インチ〜約６インチ）の長さに亘ってスエージ加工する。

第一の減少工程を完了すると、筒状材の第一の端部を第二の減少工程において処理する。上述したように、好ましくは、第二の減少工程は、ダイスを介して筒状材の第一の端部を引抜き加工することにより完了する。ダイスを介して筒状材の第一の端部を引抜き加工する前に、工程３００に示したように、筒状材の第一の端部の端を引抜き加工し易いように処理する。より詳述すると、引抜きダイスに挿入する前に、筒状材の第一の端部を滑らかにさせる。筒状材が引抜きダイスをスムーズに通過することを可能にするべく潤滑剤を付加する。工程３００において、筒状材の第一の端部を、筒状材を引抜き加工するのに好適な粘度を有する少なくとも一つのコーティング剤或いは潤滑剤で被覆する。

筒状材の第一の端部を中間径即ち尖った先端として形成してから、第二の減少工程４００に示したようにダイスを介して引抜き加工を施す。第二の減少工程４００においては、第一の端部を更に減少させ、上述したような第一の小径部と第一の中間部を形成する。筒状材の第一の端部を所望の幾何学的形状に形成するために何らかの引抜きダイスを用いることができる。そのダイスは、単一のテーパーの付いたダイスであることが好ましい。更に、そのダイスは、筒状材の側壁と長さ方向の中心軸線との間に約１１°〜１３°のテーパー角を有する円錐形の第一の中間部を形成するようになっている接近角（ａｐｐｒｏａｃｈ
ａｎｇｌｅ）を有しているのが好ましい。

筒状材の第一の端部の最端から測定される所定距離までダイスを介して第一の端部を引抜き加工する。筒状材の第一の端部を所定距離だけ引抜き加工するや否や、筒状材を検査のためにダイスから後退させる。引抜き加工距離は、筒状材を締め付けて、予め調整された距離だけダイスを介して筒状材を引っ張るための引抜き台に関するコンピュータ化された引抜きコントローラのような何らかの好適な手段によってコントロールする。引抜き工程４００は、チューブを望ましい形状に形成すると共に好ましい表面仕上げを達成するのに必要なように、筒状材の第一の端部に一連の漸次的な引抜き加工を施すものとして、実施することができる。

上述したように、筒状材は、好ましくは、約２２．８６ｍｍ〜約２５．４０ｍｍ（約０．９インチ〜約１．０インチ）の外径と約０．７４ｍｍ〜約０．８４ｍｍ（約０．０２９インチ〜約０．０３３インチ）の壁厚を有している。ジルカロイ製の筒状材を用いた好ましい方法及び多くのその他の場合においては、上述の寸法を有している筒状材については、引抜き加工中に内側サポートを用いる必要がない。然しながら、必要に応じて本方法において内側サポートを用いてもよい。例えば、より大きな径のチューブ又は壁厚がより小さなチューブの場合に、内側サポートを用いることができる。内側サポートとしては、マンドレル，プラグ又はチューブの引抜加工をするのに好適なその他のサポート手段を用いることができる。

筒状材の第一の端部３０を所望の形状及び寸法に引抜き加工するや否や、第二の端部４０を同様の方法によって減少させる。第一の端部と同様に、第二の端部を、工程５００において、スエージ加工即ち尖らせる加工を施すのが好ましい。スエージ加工される第二の端部の長さについては、第一の端部と同様にコントロールする。第二の端部のスエージ加工は、引抜きダイスに嵌め込まれる先端を仕上げるための一連の減少加工として実施することができる。

工程５００においてスエージ加工を施した後に、第二の端部４０を引抜き加工のために処理する。第一の端部についての減少加工に関連して上述したように、第二の端部を処理する方法としては、好ましくは、第二の端部を滑らかにする方法（工程６００）がある。

筒状材の第二の端部を引抜き加工のために調整するや否や、工程７００において、引抜きダイスを介して引抜き加工を施して断面積を更に減少させる。詳しくは、筒状材にダイスを介して所定距離だけ引抜き加工を施して、次に後退させて検査する。筒状材の第二の端部に対して引抜き加工を繰り返して施すことにより所定の形状及び寸法のものとすることができる。

筒状材の第二の端部をダイスを介して引抜き加工を施した時に、ダイスによって第二の小径部４２と中央部２０との間に第二の中間部４４を形成する。中央部を所望の長さに形成するために第二の端部の引抜き加工長さをコントロールするのが望ましい。中央部の長さを制限しなければならない場合には、第二の端部の引抜き加工長さを第一の端部の引抜き加工長さとは相違させたコントロールを行う。詳しくは、第二の端部の引抜き加工長さを、第二の端部の最端から測定しない。その理由は、第一の端部は、スエージ加工後の第二の端部と異なったスエージ加工後の軸線方向の長さを有している場合があるからである。これは、多くの場合において、減少加工中の異なった量のメタルフローによってもたらされる二つの端部における壁厚の変化によるものである。中央部の長さをコントロールするために、第二の端部の引抜き加工長さは、第一の端部のベンチマーク位置より測定する。例えば、引抜き加工コントローラは、第一の端部の第一の中間部のポイントから特定の距離に位置するポイントまでダイスを介して第二の端部を引っ張るように構成されているのが好ましい。

工程７００において第二の端部を所望の形状及び寸法に引抜き加工した後に、工程８００において、第一の端部と第二の端部とをトリミングする。第一の端部と第二の端部をトリミングして、ダイスによって過剰に小さくされた径を有するように尖らされた即ちスエージされた部分を除去するのが好ましい。また、第一の端部と第二の端部とを、冷却水用のチューブとして全体的に望ましい長さと形状のものにするのに必要とされるようにトリミングすることもできる。例えば、第一の小径部と第二の小径部とを、第一の端部と第二の端部とが同一の幾何学的形状を有するようにトリミングしてもよい。第一の端部の所望の長さと第二の端部の所望の長さは、チューブが用いられる特定の原子炉や適用される安全基準等を含む多くの要因に基づいて選択することができる。好ましい方法においては、第一の端部の長さは、約４５．７２ｃｍ〜約５５．８８ｃｍ（約１８インチ〜約２２インチ）である。他の寸法であっても、チューブの最終的な長さは、チューブが用いられる特定の原子炉や適用される安全基準等を含む多くの要因に従って選択する。チューブの最終的な長さは、約４０６．４ｃｍ〜約４１６．６ｃｍ（約１６０インチ〜約１６４インチ）であるのが好ましい。

工程９００において、一つ以上の穴を第一の端部３０と第二の端部４０に形成することにより冷却水用チューブを完成させる。その穴は、チューブの使用中に所望の流れパターン及び所望の流量が達成されるようにするべく寸法付けされ、所定位置に設けられる。穴は何らかの好適な方法によって形成する。例えば、ダイス・パンチ，ドリル穿孔又はその他の技術を用いて形成することができる。

本願中で採用した用語及び表現は、本発明を説明するための用語及び表現として用いたにすぎないものであって、本発明を何ら限定するものではない。そのような用語及び表現を用いたからといって、そのことにより、図示及び上述した本発明の何らかの均等物又はその一部を除外することを意図するものではない。それ故、本発明の範囲及び趣旨内において種々の変更を加えられることが認識されるべきである。従って、本発明は、後述する請求の範囲に属する変形例を含むものである。

本発明に依る濃縮冷却水用チューブを示した破断斜視図である。 図１に示した濃縮冷却水用チューブの製造方法を示したブロック図である。

符号の説明

１０ 冷却水用チューブ
２０ 中央部
３０ 第一の端部
３２ 第一の小径部
３４ 第一の中間部
４０ 第二の端部
４２ 第二の小径部
４４ 第二の中間部

Claims (7)

1. 原子炉用の冷却水用チューブの製造方法であって、
   Ａ．ジルカロイから形成されて、第一の端部と第二の端部とそれら第一の端部と第二の端部との間に位置する中央部とを有する一本の筒状材を確保する工程と、
   Ｂ．前記第一の端部の外径を機械的に減少させて、前記中央部の外径よりも小さな外径を有するような第一の小径部と、その第一の小径部と前記中央部との間の第一の中間部とを形成する工程と、
   Ｃ．前記第二の端部の外径を機械的に減少させて、前記中央部の外径よりも小さな外径を有するような第二の小径部と、その第二の小径部と前記中央部との間の第二の中間部とを形成する工程と、
   Ｄ．前記第一の小径部と前記第二の小径部とをトリミングして、最終的な全長を有する冷却水用チューブを提供する工程と、
   Ｅ．前記第一の小径部と前記第二の小径部の各々の壁に穴を形成する工程とを有し、
   前記第一の端部の外径を機械的に減少させる前記工程が、前記第一の端部を室温でスエージ加工して尖った先端部を形成し、そのスエージ加工された第一の端部を室温で引抜き加工して前記第一の小径部を提供する工程を含み、
   前記第二の端部の外径を機械的に減少させる前記工程が、前記第二の端部を室温でスエージ加工して尖った先端部を形成し、そのスエージ加工された第二の端部を室温で引抜き加工して前記第二の小径部を提供する工程を含んでいることを特徴とする冷却水用チューブの製造方法。
2. 前記第一の端部を引抜き加工する工程と前記第二の端部を引抜き加工する工程とが、それぞれ、ダイスを介してそれら端部を引抜き加工する工程を含んでいる、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記ダイスが単一のテーパーダイスを含んでいる、請求項２に記載の製造方法。
4. 前記第一の端部を引抜き加工する前記工程が、その引抜き加工中に前記筒状材内にサポートを挿入する工程を含み、前記第二の端部を引抜き加工する前記工程が、その引抜き加工中に前記筒状材内にサポートを挿入する工程を含んでいる、請求項１に記載の製造方法。
5. 前記サポートがマンドレル又はプラグである、請求項４に記載の製造方法。
6. 前記第一の端部と前記第二の端部とをトリミングする前記工程を、前記第一の端部の形状と前記第二の端部の形状とを同一形状に形成するように実施する、請求項１に記載の製造方法。
7. 前記第一の端部を引抜き加工する前記工程が、前記筒状材の側壁と前記チューブの長さ方向軸線との間で１１°〜１３°のテーパー角を有する円錐形状の前記第一の中間部を形成する工程を含み、前記第二の端部を引抜き加工する前記工程が、前記筒状材の側壁と前記チューブの長さ方向軸線との間で１１°〜１３°のテーパー角を有する円錐形状の前記第二の中間部を形成する工程を含んでいる、請求項１に記載の方法。
   

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