JP4625078B2 - ジルコニウム合金からなる燃料集合体を熱処理するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ジルコニウム合金、特にジルカロイからなる燃料集合体を熱処理するための方法および装置に関する。燃料集合体は沸騰水型原子炉の燃料の被覆を形成する。原子炉内で照射中、燃料集合体は長さ変化、集合体歪み、集合体拡張等の寸法変化を受ける。こうした寸法変化は、薄板製造プロセス中に生じる材料組織に依存している。原子炉内で稼動中に組織に依存した寸法安定性を改善するために、燃料集合体において一連の製造方法における熱処理によって元の薄板組織が消失される。燃料集合体は熱処理装置内を連続的に移動され、長手区域ごとに、燃料集合体を包み込む誘導加熱帯域によってβ相領域に加熱され、このように加熱された長手区域は加熱帯域から出た後に冷却帯域においてα相領域内にある温度に冷却される。その際、薄板材料中の代表的組織の消失によって微結晶が結晶的に不規則に分布する。加熱は通常、誘導コイルによって行われ、水または不活性ガスで冷却される。

本発明の課題は、熱処理方法実施時に燃料集合体の加熱および冷却に関して、より大きな可変性を提供する、ジルカロイからなる燃料集合体を熱処理するための代替方法およびそれに適した装置を提案することである。

この課題は、方法に関しては請求項１によって、装置に関しては請求項１３によって解決される。

請求項１による方法では、集合体長手方向で相互に離間し互いに独自に作動し、かつそれぞれ少なくとも１つの誘導コイルを収容した少なくとも２つの加熱機構によって熱処理が行われ、加熱帯域に進入した集合体区域が第１加熱機構で加熱され、引き続き、第１加熱機構に比べて出力の弱い第２加熱機構で熱処理される。

２段階加熱の利点は、単に１つのコイルでの熱処理と比較して所望する目標温度の一層正確な調整と熱処理に関して一層大きな可変性とが可能となることにある。主に第１段階では出力調節によって、β相領域内にある目標温度近傍にまで加熱が行われる。次に目標温度への残りの加熱には、弱い出力に設計された第２誘導コイルが役立つ。第２誘導コイルによって発生される誘導熱はその出力が弱いので一層正確に制御することができ、目標温度は正確かつ再現可能な値に調整可能である。

燃料集合体の幾何学形状に起因してその隅領域では電磁結合が強まり、その結果、隅領域は壁領域よりも強く加熱される。このように不均一に加熱された燃料集合体がα相領域に冷却されると、隅領域と壁領域とに異なる材料パラメータの生じる危険がある。そのことは本発明に係る２段階加熱によって防止することができる。つまり、不均一温度分布を有して第１加熱機構から出てくる集合体区域に、第２加熱機構内を通過中に周方向において、および場合によっては長手方向でも、十分な温度補正時間が残され、第２加熱機構から出た後に燃料集合体は均一な温度を有する。隅領域が強く加熱される作用は第２加熱機構内での誘導がかなり弱いので相応に弱く、それゆえにはるかに僅かな程度でのみ表面化する。

熱処理の別の好ましい変更態様では、第１加熱機構から出た集合体区域の冷却は第２加熱機構で、相応する僅かな熱量をこの集合体区域に供給することによって、ゆっくりと行なわれるように制御される。このようなプロセス管理でもって例えば約６３０℃より上の温度での集合体区域の滞留時間を延長し、これにより、適切な粒成長と二次析出の増大とを達成することができる。ところでこのように制御された冷却は、水ではなく不活性ガスで冷却されることによって容易となり、またはそもそもその場合にはじめて可能となる。２段階熱処理と一緒に、一方で制御下の給熱、他方で制御下の排熱のさまざまな可能性が得られる。例えば、急速冷却時に生じるごく細かな金属間相もしくは二次相は必ずしも目的に適合しない。高燃焼時に該当するように沸騰水型原子炉内で燃料集合体の滞留時間がきわめて長い場合、それらは均一腐食を高めるのでむしろ不都合である。

制御技術的観点では、本方法は、第１加熱機構を出力調節し、第２加熱機構を温度調節することによって最適化されており、集合体温度の非接触式測定は、特に２色パイロメータまたは比率パイロメータで行なわれている。

２段階誘導熱処理と組合せて実行される不活性ガス冷却が有する利点として、燃料集合体の表面は変色することがなく、もしくは、熱処理後に手間をかけて再び除去されねばならない酸化皮膜で覆われることがない。これに関連して、熱処理中不活性ガスが充填維持され、これが集合体長手方向で加熱帯域および冷却帯域にわたって延びていると有利である。

特別好ましい別の態様では、不活性ガス充填が、燃料集合体に対して相対的に移動しかつこれを同軸で包み込むハウジング内で維持される。不活性ガス充填の軸線方向長さはハウジングの長さにほぼ一致する。燃料集合体と加熱帯域もしくは冷却帯域との間の相対速度と、不活性ガス充填の長さと、冷却のために供給される不活性ガス量は、不活性ガス充填から出る集合体領域がその都度使用される集合体材料の変色温度以下の温度となるように互いに調整されている。燃料集合体全体を、燃料集合体の全長にわたって延設される不活性ガス充填を内部で維持する室のなかに配置することも考えられる。

燃料集合体の冷却を個々に制御する付加的可能性として、冷却帯域内で、ガス冷却の他に、燃料集合体を包囲し流体、例えば水で冷却される冷却体によって付加的冷却が行われる方法がある。熱処理中に燃料集合体の内面の酸化を防止するために、そのなかで不活性ガス雰囲気が維持される。他の好ましい方法実施例では、燃料集合体が熱処理中に固定され、加熱帯域と冷却帯域が集合体長手方向で移動される。こうして機器の構造高さが低減される。

冒頭で提起した課題を解決する装置は、少なくとも１つの第１加熱機構と処理方向で第１加熱機構に続く少なくとも１つの第２加熱機構とを有する加熱帯域を含み、これらの加熱機構は燃料集合体を包み込む少なくとも１つの誘導コイルをそれぞれに有し、第１加熱機構は第２加熱機構よりも強い出力を有する。装置はさらに、加熱帯域に対して軸線方向距離をもって配置されて冷却帯域を形成する冷却機構を含み、この冷却機構が少なくとも１つのノズルを含み、このノズルで不活性ガス流は燃料集合体の外面に全周にわたって導入可能である。

ハウジングは前記少なくとも１つの誘導コイル用および前記少なくとも１つの不活性ガスノズル用の支持体となり、燃料集合体を包囲する不活性ガス充填用の外側境界を形成する。この充填は不活性ガスがノズルから流出する結果生じる。

少なくとも１つの誘導コイルがハウジングの外周面に配置されており、ハウジングは、少なくとも誘導コイルによって包囲される領域では、電磁界を透過する材料からなる。誘導コイルをハウジングの外周面に配置することはスペース上の理由から有利である。さらに、ハウジング内部を支配する高温による熱的影響が減少している。

既に上で簡単に触れたように、制御技術的観点から２段階加熱は有利である。この目的のために前後に設置される２つの誘導コイルはそれらの間に配置される遮蔽によって、特にハウジングの外周面を包み込む導電性材料からなるフランジによって、相互に分離されている。

冷やすのに適したノズルは複数の噴出孔を有し、噴出孔は燃料集合体の外面に向けられている。燃料集合体を周方向で均一に冷やすことができるように、応用事例において燃料集合体が挿通される環状ノズルを設けることが考えられる。ハウジング内部が高温であるので、ノズル用材料として金属素材が使用される。誘導コイルへの電磁結合を防止するために、ハウジングの周方向に見て電気的に相互に分離された少なくとも２つのノズルが設けられている。耐熱性非金属材料、例えばセラミックスまたは焼結金属の使用も考えられる。これらの材料では電磁結合が起きない。１つのノズルをハウジングの内部に配置する利点として、その噴出孔を燃料集合体の外面のごく近くに配置し、これにより燃料集合体を一層効率的に冷やすことができる。ハウジングに流入した不活性ガスは当然に再びハウジングから流出しなければならない。このためハウジング壁の流出孔も考えられよう。しかしこれは燃料集合体の周面に関して不均一な流れ条件を作り、またそのことによって場合によっては不均一な冷却速度を作ることになろう。それゆえに、好ましい構成ではハウジングが、実施例において燃料集合体を挿通させる正面側に２つの開口部を有し、開口部は燃料集合体の輪郭形状に対して相似的な形状を有し、燃料集合体の二面幅よりも僅かに大きな内法幅を有する。こうしてハウジングと燃料集合体との間に多かれ少なかれ存在するかなり大きな半径方向隙間を調整することができ、この半径方向隙間を介して不活性ガスは外へと流れる。また、ハウジングの末端で大量の不活性ガスを流出させる半径方向隙間の異なる寸法を制御することができる。

以下、添付図面に示す実施例に基づいて本発明が詳しく説明される。

図１には燃料集合体１を熱処理するための装置が示してある。この装置は、垂直すなわち集合体長手方向３において架枠（図示せず）で案内されるハウジング２と、第１加熱機構４ａおよび第２加熱機構４ｂを備えた加熱帯域４と、第１冷却帯域７を形成するノズル装置６とを含む。ハウジング２は、ガラス製、つまり電磁界を透過する材料からなる円筒体８を含む。ハウジング２はさらに上側フランジ９と下側フランジ１０とを含み、両方のフランジ９、１０はほぼ円切片状に構成され、円筒体８の外側に同軸で配置される棒１２を介して互いに結合されている。フランジ９、１０はそれぞれ１つの中央開口部１３および１４を有する。開口部１３、１４は燃料集合体１の輪郭形状に対して相似的な形状を有し、熱処理中半径方向隙間１５もしくは１６を残して燃料集合体１を挿通させる。第１冷却帯域７の下方に設けられた第２冷却帯域１７は水冷式冷却体１８によって形成されている。冷却体１８は実質的に二重壁中空円筒体であり、その内壁１９が中央開口部２０を包み込む。その内法幅が燃料集合体１の二面の幅よりも僅かに大きく、熱処理中前記部品の間に半径方向隙間２２が残る。内壁１９と外壁２４は両者間に中空室２３を取り囲んでいる。中空室２３の下側区域が半径方向で拡張されている。この領域で冷却体１８の外壁２４も厚肉に構成されており、直径上で向き合う個所で入口ソケット２５と出口ソケット２６とを担持している。出口ソケット２６は管路２７を介して中空室２３の上側末端と結合されている。

ノズル装置６は合計６つのノズル２８を含む。各２つのノズル２８はハウジング２の半径方向平面に配置されており、ハウジング２の内周面の半分をそれぞれ含む。内向き噴出孔３１を有するノズル２８の側は約９０°の角度を成し、実施例において燃料集合体１の外面と平行に延設されている。ノズル２８の外側３０はハウジングの内面に合せて円形に湾曲している。半径方向平面に配置される２つのノズル２８の間に中間室３２が設けられており、つまりノズルが電気的に相互に分離されており、加熱帯域４ａ、４ｂの電磁界への電磁結合は防止されている。ノズル２８は、集合体長手方向でハウジング２内部に延設される管路３３を介して不活性ガス、例えばアルゴンを加えられている。各ノズル２８には、独自の管路３３と、冷却体１８の下側部分内に配置される接続ソケット３４が付設されている。管路３３は下流側に設けられるその末端がノズル２８内の中空室３５に通じており、この中空室が噴出孔３１と連通している。

ハウジング２は上側末端が上側フランジ９で支えられ、下側末端は下側フランジ１０によって担持される冷却体１８の半径方向肩部３６で支えられる。冷却体１８が設けられていない実施例の場合には、冷却体１８の代わりにフランジ（図示せず）が設けられており、このフランジでハウジング２は下側を支えられ、またこのフランジが接続ソケット３４を担持する。第１加熱機構４ａが誘導コイル３７を含み、処理方向５に見て後続の第２加熱機構４ｂは誘導コイル３８を含み、両誘導コイルはハウジング２の外周面をその巻線によって同軸で包囲する。誘導コイル３７、３８はコイル支持体３９を有する。第１誘導コイル３７と第２誘導コイル３８との間に、ハウジングを環状に包囲する金属材料からなるフランジ４０の態様の電磁調整部が設けられている。

燃料集合体１を熱処理するためにハウジング２は、これに固定された部品の他に、燃料集合体の固定時に集合体長手方向３、すなわち処理方向５に移動され、例えば燃料集合体を垂直に配置した場合上方に移動される。ハウジングの速度は約１００〜３００ｍｍ／分、好ましくは２００ｍｍ／分である。β相領域への加熱は両方の加熱機構４ａ、４ｂによって、すなわちその誘導コイル３７もしくは３８によって行われ、第１誘導コイル３７は出力が強く、所要熱量の大部分を供給する。誘導コイル３７用に純粋に出力を制御する制御部が設けられている。それに対して第２加熱帯域４ｂの弱い出力として設計された誘導コイル３８は温度調節回路の一部であり、その都度希望する値に処理温度を正確に調節するのに役立つ。集合体区域が第２加熱帯域４ｂを通過する間、比較的僅かな熱量が集合体区域に供給されるにすぎない。第１加熱機構から出る集合体区域の温度は２色パイロメータ（図示せず）によって非接触式に判定される。調節部は、例えば、加熱帯域（４）を通過した燃料集合体１の長手区域が約１１００℃の温度に加熱されるように調整される。燃料集合体は、加熱帯域（４）から出た後、まず加熱帯域４と冷却帯域７との間の軸線方向距離４２によって決まる領域内に達する。それに続いて燃料集合体は冷却帯域７に入り、そこで、加えられる不活性ガス流の強さおよび場合によっては予備冷却に応じてかなり迅速な冷却が起きる。β相領域にある燃料集合体の長手区域は冷却帯域７において、水での急冷とは異なり、α相領域にある温度へと比較的ゆっくりと冷却される。ノズル２８を介して供給される不活性ガス流は、燃料集合体区域が冷却帯域７を通過中に少なくともｄＴ／ｄｔ＞１０Ｋ／ｓの冷却速度で冷却されるように調整される。供給する不活性ガス流を好適には０．０１０〜０．０８０ｋｇ／ｓ、特に０．０３２ｋｇ／ｓと相応に量定し、また燃料集合体１とハウジング２との間の相対速度を適切に設計することによって、燃料集合体材料が短時間、例えば数秒間、約６３０℃より上の温度に保たれ、元々ごく細かな態様で析出していた二次相の成長が達成されるように冷却は調整される。冷却はさらに、１００μｍ未満の粒径が生じるように制御される。最後に第２冷却帯域１７の冷却体１８によって残留熱が除去され、ハウジング２の下側から出て大気に曝される集合体区域が変色温度（約１５０℃）未満の温度となるようにされる。燃料集合体の内面も熱処理中に酸化することのないように、燃料集合体１の内部空間に不活性ガス雰囲気が維持される。

燃料集合体１でハウジングを案内するために上側フランジ９の上面に案内ローラ４３が設けられており、これらの案内ローラが燃料集合体１の外面と協動する。燃料集合体１が全長にわたって一定した熱処理を受けるのを保証するために、進入区間もしくは進出区間として役立つ集合体区域４４が燃料集合体１の上側正面と下側正面とに脱離可能に嵌着されている。この目的のために集合体区域４４の内面に継目板４５が取付けられており、継目板は集合体区域４４の正面から張り出す。

装置の縦断面図であり、簡略する理由から燃料集合体を包囲するハウジングとこれに固定された部材のみが示してある。 図１のハウジングの下側部分を示す。 図１のハウジングの上側部分を示す。 図１のＩＶ‐ＩＶ線に沿った横断面図である。

符号の説明

１ 燃料集合体
２ ハウジング
３ 集合体長手方向
４ 加熱帯域
４ａ 第１加熱機構
４ｂ 第２加熱機構
５ 処理方向
６ ノズル装置
７ 第１冷却帯域
８ 円筒体
９ フランジ
１０ フランジ
１２ 棒
１３ 開口部
１４ 開口部
１５ 半径方向隙間
１６ 半径方向隙間
１７ 第２冷却帯域
１８ 冷却体
１９ 内壁
２０ 開口部
２２ 半径方向隙間
２３ 中空室
２４ 外壁
２５ 入口ソケット
２６ 出口ソケット
２７ 管路
２８ ノズル
２９ 内側
３０ 外側
３１ 噴出孔
３２ 中間室
３３ 管路
３４ 接続ソケット
３５ 中空室
３６ 半径方向肩部
３７ 第１誘導コイル
３８ 第２誘導コイル
３９ コイル支持体
４０ フランジ
４２ 軸線方向距離
４３ 案内ローラ
４４ 集合体区域
４５ 継目板

Claims (20)

1. ジルカロイからなる燃料集合体（１）を熱処理するための方法であって、燃料集合体が連続的に熱処理装置に対して相対的に移動され、その際長手区域ごとに、燃料集合体を包み込む誘導加熱帯域（４）によってβ相領域に加熱され、このように加熱された長手区域が、加熱帯域（４）から出た後に冷却帯域（７）内で、α相領域内にある温度に冷却される方法において、集合体長手方向（３）で相互に離間し互いに独自に作動しかつそれぞれが少なくとも１つの誘導コイル（３７、３８）を収容して加熱帯域（４）を形成する少なくとも２つの加熱機構（４ａ、４ｂ）によって熱処理が行われ、加熱帯域（４）に進入した集合体区域が第１加熱機構（４ａ）で加熱され、引き続き、第１加熱機構（４ａ）に比べて出力の弱い第２加熱機構（４ｂ）で熱処理され、燃料集合体の外面に加えられる不活性ガス流によってα相領域への冷却が行われることを特徴とする方法。
2. 第１加熱機構（４ａ）で、目標温度未満の温度への燃料集合体（１）の加熱が行われ、引き続き後続の第２加熱機構（４ｂ）で、目標温度を達成するのになお不足した熱エネルギーが供給されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 一旦目標温度に達した後に、目標温度に加熱され不均一温度分布を有する集合体区域に、その目標温度を保持しまたはその冷却を減速するような量の熱が後続の第２加熱機構（４ｂ）で供給され、燃料集合体を均一な温度とすることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. 第１加熱機構（４ａ）が出力を調節され、第２加熱機構（４ｂ）が温度を調節され、集合体温度の非接触式測定が行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. ２色パイロメータまたは比率パイロメータにより温度測定を行なうことを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 燃料集合体（１）の外面で不活性ガスが充填維持され、この不活性ガスの充填は集合体長手方向で加熱帯域（４）および冷却帯域（７）にわたって行なわれることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の方法。
7. 不活性ガス充填は、燃料集合体（１）に対して相対的にガスが移動するように行なわれ、かつ燃料集合体を同軸で包み込むハウジング（２）内で維持されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 燃料集合体と加熱帯域（４）もしくは冷却帯域（７）との間の相対速度と、不活性ガス充填の長さと、冷却のために供給される不活性ガス量とは、不活性ガス充填もしくはハウジング（２）から進出する集合体領域がその都度、集合体材料の変色温度（１５０℃）未満の温度となるように互いに調整されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 冷却帯域内で、ガス冷却の他に、燃料集合体（１）を包囲し水で冷却された冷却体（１８）によって燃料集合体の付加的冷却が行われることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法。
10. 熱処理中、燃料集合体（１）の内部空間内で不活性ガス雰囲気が維持されることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の方法。
11. 燃料集合体（１）が、加熱帯域（４）と冷却帯域とを、集合体長手方向（３）に相対的に移動されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 進入区間もしくは進出区間として役立つ集合体区域（４４）が燃料集合体（１）の両方の末端に脱離可能に固定されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の方法。
13. ジルコニウム合金からなる燃料集合体を連続的に熱処理するための装置であって、β相領域に加熱しかつ引き続きα相領域に冷却するために燃料集合体が相対的に装置内を移動可能であるものにおいて、
    少なくとも１つの第１加熱機構と、処理方向（５）で第１加熱機構に続く少なくとも１つの第２加熱機構とを有し、これらの加熱機構が加熱帯域（４）を形成し、かつ燃料集合体を包み込む少なくとも１つの誘導コイルをそれぞれに有し、第１加熱機構が第２加熱機構よりも強い出力を有するものとし、
    加熱帯域（４）に対して軸線方向距離をもって配置された冷却帯域（７）を形成する冷却機構が少なくとも１つのノズル（２８）を含み、このノズルから不活性ガス流が燃料集合体（１）の外面に全周にわたって導入可能としたことを特徴とする装置。
14. 第１加熱機構（４ａ）が出力を調節され、第２加熱機構（４ｂ）が燃料集合体の温度に依存して調節されることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. 半径方向距離をもって燃料集合体（１）を同軸で包囲することができるようにその内法幅が設計されかつその内部空間に不活性ガスを充填可能とした円筒状のハウジング（２）と、
    ハウジング（２）に配設され、ハウジング（２）の長手区域にわたって延設され、少なくとも２つの加熱機構（４ａ、４ｂ）によって形成される加熱帯域（４）と、
    加熱帯域（４）に対して軸線方向距離をもって配置され、不活性ガスを燃料集合体（１）の外面に全周にわたって導入可能な少なくとも１つのノズルを含む冷却帯域（７）とを特徴とする請求項１３または１４記載の装置。
16. 加熱機構の誘導コイル（３７）がハウジング（２）の外周面に配置されており、ハウジング（２）が、少なくとも誘導コイル（３７）によって包囲される領域では、誘導コイル（３７）によって発生される電磁界を透過する材料からなることを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. 第１加熱機構（４ａ）と第２加熱機構（４ｂ）との間に導電性遮蔽が設けられていることを特徴とする請求項１３ないし１６のいずれか１項に記載の装置。
18. ハウジングの周方向に見て電気的に相互に分離された少なくとも２つの前記ノズル（２８）が設けられていることを特徴とする請求項１３ないし１７のいずれか１項に記載の装置。
19. １つの前記ノズル（２８）がハウジングの内部に配置されていることを特徴とする請求項１３ないし１８のいずれか１項に記載の装置。
20. ハウジング（２）が、燃料集合体（１）を挿通させる正面側に、２つの開口部（１３、１４）を有し、開口部が燃料集合体（１）の輪郭形状に対して相似的な形状を有することを特徴とする請求項１３ないし１９のいずれか１項に記載の装置。

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