JP4776529B2 - 軽水炉に関する方法、及び使用法 - Google Patents

Description

発明の背景及び先行技術
本発明は軽水炉の燃料集合体に使用されるコンポーネント、或いはコンポーネントの一部に適するシート材の製造方法、及び、処理方法に関する。
本方法は次のステップを有する：
ａ）鍛造、熱間圧延、及び、適切な数の冷間圧延によってジルコニウム（Ｚｒ）合金のシート材を作成する。前記合金は、少なくとも９６重量パーセントのジルコニウムを含み、該シート材を前記コンポーネントに使用するのに適した種類の合金である。
ｂ）本シート材の厚みが完成したシート材の最終板厚、或いは少なくとも最終板厚にほぼ等しくなった時、α＋β焼入れ、又は、β焼き入れを本シート材に対して行なう。
ｃ）該シート材に対し前記合金のα相の温度範囲内で熱処理を行なう。
尚、ステップｃ）は、ステップａ）及びｂ）が実施された後で行なう。

本発明は以下に述べる用途や装置にも関する。

前述した方法は、例えば、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の燃料集合体のチャネルボックスを製造するために使用できる。この種の方法は、例えば、ＷＯ−Ａ１−９７／４０６５９に開示されている。

以下に、ＢＷＲの既知の燃料集合体の一例を図１〜図３を参照し述べる。

図１はＢＷＲの燃料集合体の概略図である。燃料集合体はチャネルボックス２（本図の右側にこの部分を示す）を有する。チャネルボックス２の内部には、多数の燃料棒３が配置されている。燃料棒３は上部プレート５から底部プレート６まで伸びている。燃料棒３はクラッディング管から構成され、クラッディング管は核燃料を含むペレットを有している。本図には多数のペレット４が概略的に示されている。燃料棒３は上端部に終端プラグ８を有している。燃料棒はコイルばね９により上部プレート５の下部に接している。燃料棒間に間隔を空けるため燃料棒３の間には複数のスペーサ７が配置されている。燃料集合体は細長く、中心軸１０で示す長軸方向を有している。燃料集合体はしばしば水路を有し、水路は燃料集合体のほぼ全長に亙っており、燃料集合体を巡る非沸騰水の流れを可能にする。

ＢＷＲの燃料集合体の概略断面図を図２に示す。本断面図は、燃料集合体が方形の断面を有する中央水路１２と、それよりも小さい四つの水路１４を有していることを示している。

図３には異なった構造のＢＷＲ燃料集合体の概略断面図を示す。本断面図はこの場合の燃料集合体が方形の断面を持った水路１６を１つだけ有していることを示している。

前述のチャネルボックス２と水路１２，１４，１６は、共に、シート材から作られることが多く、当該分野の知識を有する専門家には良く知られている適切な方法で成形され、溶接結合される。チャネルボックス２は二つのシート材から作ることができる。各シート材はＵ字形状を有するように折り曲げられる。次いで、これらのＵ字形材は溶接結合され、方形の断面を有するチャネルボックス２が得られる。図４に、接合し溶接される前の二つのＵ字形材の概略断面を示す。図５には、これら二つのＵ字形材が溶接された後のチャネルボックス２を示す。溶接継目は符合１８で示されている。

燃料集合体のチャネルボックスと水路は通常、当業者に周知の異なったジルコニウム合金で製造される。良く知られた合金、例えば、ジルカロイ−２及びジルカロイ−４が使用できる。

原子炉という非常に特殊な環境下においては、原子炉の一部を構成するコンポーネントは多くの要件を満たす必要がある。これ故、原子炉の燃料集合体のコンポーネントの選定、及び、その製造方法に関しては、非常に数多くの提案がなされてきた。合金の組成や製造パラメータの僅かの違いが、これらコンポーネントの特性に大きな影響を与える。

前記ＷＯ−Ａ１−９７／４０６５９には、ＢＷＲの燃料集合体のチャネルボックスを作る為のジルコニウム合金を素材とするシート材の製造方法が記載されている。記載された方法によれば、ジルコニウム合金のシート材は、鍛造、熱間圧延、及び、多くの冷間圧延を経て製造される。圧延と圧延の間に熱処理が行われる場合もある。シート材が最終寸法、或いは、ほぼ最終寸法になった時、シート材はβ焼入れされる。β焼入れを経ることにより、シート材の特性は改善される。特に、腐食特性がこれによって改善される。更に、β焼入れを経ることにより結晶粒がよりランダム化された組成となり、これにより、特定の方向にシート材が変形することがなくなる。ランダム化された組成とは、結晶粒が異なった方向にランダムに向かうことを意味する。従って、非ランダム化組成では、結晶粒が一つ、又は、幾つかの特定の方向に相当程度向かい易いことを意味する。従って、非ランダム化組成を有するシート材は、特定の方向に変形する傾向がある。

本明細書において、使用されるジルコニウム合金は、低温（例えば、室温）においてα相であることに注意されたい。α相においては、この材料の結晶構造はｈｃｐである。より高温（例えば、上記ジルカロイ−４に対しては約９８０°Ｃ）においては、この合金はβ相である。この相において結晶構造はｂｃｃである。ジルカロイ−４の温度が例えば８１０°Ｃから９８０°Ｃの間にある場合は、この合金はα相とβ相の混合状態、所謂、α＋β相である。

前記ＷＯ−Ａ１−９７／４０６５９によれば、シート材は前記β焼入れ後、α相温度範囲で熱処理される。これにより、シート材の腐食特性は更に改善される。

発明の概要
前記ＷＯ−Ａ１−９７／４０６５９に記載された方法は良く機能するが、製造方法には改善の余地がある。

従って、本発明の目的は更に改良された特性を有するシート材を製造し、処理する方法を提供することにある。即ち、作成されたシート材の平坦性と直線性を増加させ、シート材の高度の平坦性と直線性を得るために行う二次処理を不要にすることが目的の一つである。比較的簡単な手段を用いてこのような方法を提供することが更なる本発明の目的である。

これらの目的は、冒頭部分に記載した方法によって達成できる。本方法は熱処理中にシート材の引き伸ばしを行なう（前記ステップＣによって）ことを特徴とする。

前述したように、β焼入れの間にｂｃｃ構造からｈｃｐ構造への相変態が起きる。この相変態は、α＋β焼入れにおいても部分的に起きる。これらの相は異なった構造と異なった体積を有するので、相変態中に体積の変化が起きる。この体積の変化により、大きな張力が材料に加えられることとなる。この張力により、このような相変態を経て製造されたシート材はその平坦性が悪化する。本発明においては、シート材は焼入れ後に合金のα相の温度範囲で熱処理中に引き伸ばされる。シート材は引き伸ばされるので、前述の前記ｂｃｃ構造からｈｃｐ構造への相変態中に生起される張力の影響から解放される。これにより、平坦かつ直線性を有するシート材が得られる。又、この熱処理は、所謂二次相粒子を成長させることができるので、ステップｃ）による熱処理中に腐食特性も改善される。シート材は熱処理中に引き伸ばされるので、これにより拡散スピードが増加し、二次相粒子の成長を加速させる。変形中の熱処理はかなり迅速な拡散を引き起こすので、適用する変形を通じて二次相粒子の成長の度合いを制御することが出来る。これは特に連続炉プロセスを使用した熱処理において有効である。これと異なり、従来型の炉を使用した連続炉加熱プロセスにおいては、希望する二次相粒子の成長を達成するための十分に長い加熱時間を確保することが困難となる。本発明においては、熱処理中にシート材が引き伸ばされるので、連続する加熱プロセスにおいても十分な二次相粒子の成長が得られる。

然しながら、ステップｃ）による熱処理の時間が長すぎることは、ｈｃｐ構造が再結晶化により新しく大きな粒子となり、焼入れによりランダム化された粒子組成が再結晶と粒子の成長によって明らかに悪化し、又粒子の成長による柔軟性の低下をもたらすので好ましくない。

本方法の好適な実施形態では、引き伸ばしの間の熱処理は、シート材が成形され、それが使用されるコンポーネントに組込まれる前に経験する最後の熱処理である。然しながら、前述したステップｃ）の後に、ある種の熱処理を行なう場合もある。しかし、このような熱処理は引き伸ばし中の熱処理中で得られた材料の構造を破壊しないものでなければならない。

ステップｂ）とステップｃ）の間、即ち、ステップｃ）による熱処理と引き伸ばしに先立って、シート材を引き伸ばす場合もある。しかし、通常はこのような事前の引き伸ばしは必要ない。

本方法の好適な実施形態において、ステップｂ）はβ焼入れである。前述したように、この焼入れはα＋β焼入れか、β焼入れのどちらかである。しかし、最良のシート材特性はβ焼入れから得られる。更に、引き伸ばし中に起きる前述の体積変化はβ焼入れにおいてより顕著である。このように、本発明はβ焼入れがステップｂ）で行なわれる場合、特に、有効である。

前記引き伸ばし時の温度は、その合金のα相温度範囲における最高温度以下、且つ前記最高温度の華氏で７０％の温度以上で行なうことが好ましく、最も好ましくは、華氏で前記最高温度の８０％〜９８％である。連続炉処理、即ち、炉中をシート材が連続して移動する処理においては、引き伸ばしは華氏で前記最高温度の９０％〜９６％の温度で行うことが好ましい。明確化のために言及すると、例えば、ジルカロイ−４においては、約８１０°Cまではα相で存在し、約９８０°Cを越えるとβ相であることに注意されたい。この中間の温度においては、この合金はα＋β相である。このように、ジルカロイ−４の場合、前記最高温度は８１０°Cであり、これは華氏１０８３度に相当する。例えば、温度７５０°C(華氏１０２３度)は前記最高温度の約９４％である。

前記引き伸しにおいて、引き伸しを終えた直後のシート材は、引き伸しを行なう直前のシート材の状態に比べ、適度の残留伸びを有するように行うことが適切である。残留伸びは少なくとも０．１％である。一部の合金においては、残留伸びが７％を超えることも可能ではあるが、好適な実施形態においては、残留伸びは０．１％〜７％、さらに好ましくは０．２％〜４％である。引き伸ばしは、前記残留伸びが合金の変形限界点より低くなるように行なわれることが好ましい。シート材が冷えた時、材料の熱伸張係数に応じて幾らか収縮することに注意されたい。これ故、残留伸びは、シート材が引き伸ばされる直前と直後の状態、即ち冷却されて温度の変化に伴って収縮した状態に対して定義される。前述した好適な残留伸びから明らかなように、シート材の焼入れ中に生成される張力を解放するためには、僅かな残留伸びだけで十分である。変形の限度とは、α相粒子が新しく、より大きな粒子に再結晶する変形の度合いの限界を意味する。変形が合金の変形の限界点を幾らか超えた場合でも、材料の特性に大きな悪影響は与えない組成の臨界変化が生じるだけである。然しながら、形成された粒子が大きすぎると、材質の柔軟性に悪影響を与える。従って、変形の程度は合金の変形限界点より低いことが好ましい。

コンポーネントが前記燃料集合体に適切に使用される場合、このコンポーネントは燃料集合体の長軸方向にほぼ平行な燃料集合体の長軸方向を定義する。シート材の引き伸しは、シート材が使用される前記コンポーネントの長軸方向と同じ方向に適切に行なわれる。シート材は適度に細長く、これにより、シート材を長軸方向に適切に引き伸ばすことができる。

本発明の他の態様は、前述した方法のいずれかの実施形態によって製造及び処理されたシート材の使用法に関する。シート材は軽水炉の燃料集合体の前記コンポーネント、又は、前記コンポーネントの一部として使用される。製造されたシート材は良好な特性を有し、平坦且つ直線的であるので、本シート材は軽水炉内のコンポーネントとしての使用に適している。

好適な使用法では、前記コンポーネントは燃料集合体内に配置され、その中に内部スペースを画定する。前記内部スペース内には複数の燃料棒が配置され、前記シート材はこのチャネルボックスの少なくとも一つの壁として用いられる。

前述の燃料集合体は軽水炉の燃料集合体であることが好ましい。

前記コンポーネントのもう一つの効果的な用途は、燃料集合体内に配置され、燃料集合体内に非沸騰水を流すことを可能にする水路である。前記シート材は前記水路の少なくとも一つの壁として使用される。

チャネルボックスと水路は通常、燃料集合体のほぼ全長に亙る長さを有しているので、良好な特性と良好な平坦性及び直線性を有することがこれらのコンポーネントにとって大切である。従って、本発明の方法により製造及び処理されたシート材はこれらのコンポーネントに使用されると有利である。

本発明は又、沸騰水型原子炉の燃料集合体のチャネルボックスを製造する方法にも関する。この方法は、
前述した実施形態のいずれかの方法により複数のシート材を製造及び処理すること、及び、
これらのシート材を適切な形状に仕上げ、これらのシート材が前記チャネルボックスを形成するようにつなぎ合わせること
を含む。

本発明は沸騰水型原子炉の燃料集合体の水路の製造方法にも関する。この水路は、燃料集合体の一部を形成し、燃料集合体を通して非沸騰水を流すことを可能にする。本製造方法は、
前述した実施例のいずれかの方法により複数のシート材を製造及び処理すること、及び、
これらのシート材を適切な形状に仕上げ、これらのシート材が前記水路を形成できるようにつなぎ合わせること
を含む。

これらのチャネルボックス及び水路の製造方法をそれぞれ用いることにより、これらに使用するシート材に関する前述した利点を獲得できる。

本発明は又、
チャネルボックスの壁の少なくとも主要部分を形成するシート材が、前記実施例のいずれかの方法によって製造かつ処理されたということから得られた材料構造を有するチャネルボックス、及び
前記チャネルボックス内部に配置された核燃料を含む複数の燃料棒
を有する沸騰水型原子炉の燃料集合体にも関する。

本発明は又、
水路の壁の少なくとも主要部分を形成するシート材が、前記実施例のいずれかの方法によって製造かつ処理されたということから得られた材料構造を有する少なくとも一つの水路
を有する沸騰水型原子炉の燃料集合体にも関する。

チャネルボックスと水路の壁にそれぞれ用いられるシート材は、本発明の優れた方法を用いて製造かつ処理されるので、前記燃料集合体も又、優れた特性を有する。

軽水炉の燃料集合体に使用されるコンポーネント又はコンポーネントの一部に適するシート材を製造及び処理する本発明による方法の一実施例を記述する。

スタート材には、少なくとも９６重量％のジルコニウム（Ｚｒ）を含むジルコニウム合金が使用される。本合金は、例えば、沸騰水型原子炉内のチャネルボックス又は水路に使用することに適する種類のものである。既知の合金、例えば、ジルカロイ−２、又は、ジルカロイ−４が使用できる。これらの合金の含有物の例は前記ＷＯ−Ａ１−９７／４０６５９に記載されている。尚、本用途に適する別のジルコニウム合金も使用することができる。ジルカロイ−２又はジルカロイ−４の場合、希望する特性を得るため含有物を変更することは、当業者には良く知られたことである。又、最大の構成成分がニオブ（Ｎｂ）であるジルコニウム合金も使用できる。一実施例として、ジルカロイ−４合金の使用法を以下に述べる。

インゴットはこの合金から作られる。本インゴットはβ相温度範囲である約１１５０°Ｃの温度で鍛造する。

原材料の厚みを減らすための従来型の鍛造がα相温度範囲で行なわれる。次いで、この厚さは、例えば、９５０°Ｃで１５分間、或いは、７５０°Ｃで４５分の予備加熱後に熱間圧延することによって更に減らされる。この熱間圧延により厚さは約２０ｍｍ〜３０ｍｍに減少する。次いで二次熱間圧延が行なわれ、最大温度６５０°Ｃで約４ｍｍの厚さにされる。

合金成分の均質化のため、これらの熱間圧延の間に、約１０２０°Ｃで５分〜１０分に亘る熱処理を実施することもできる。

次に厚さを最終的な厚さ、或いは、少なくともほぼ最終的な厚さに減らすため、複数回の冷間圧延処理を実施する。例えば、許容範囲の正しいシート厚、及び、表面仕上げを得るため、１〜３回の冷間圧延が実施される場合もある。各冷間圧延の間に、部材は約７３０°Ｃの連続炉で適切に熱処理される。

次いで、約１０分間で約１０５０°Ｃまで加熱するβ焼入れが部材に対し行なわれ、
その後、焼入れが行なわれる。冷却スピードは、例えば、１秒間に約２５°Ｃである。

β焼入れ後、シート材は連続炉プロセス内で約７５０°Ｃで熱処理される。本熱処理は、例えば、２−１０分間、好ましくは約８分間行う。熱処理中にシート材は引き伸ばされ、その結果、約０．５％の残留伸びが得られる。此処で残留伸びとは、引き伸ばしの直前に比べ引き伸ばしの直後でシート材が伸びていることを意味する。その後冷却すると、部材の熱伸張係数に応じてシート材は幾らか収縮する。

シート材の引き伸ばしが連続プロセスでどのように行なわれるかを図６に概略的に示す。シート材は、前方のローラ対２０と後方のローラ対２２により、矢印で示す前方方向にフィードされる。前方ローラ対２０のフィードスピードが後方ローラ対２２のフィードスピードより少し早いと、シート材はフィード中に引き伸ばされる。シート材を引き伸ばすと同時に加熱できるように、このフィードは炉の内部で行なわれることが好ましいことに注意されたい。引き伸ばしは、図６に示すようなローラを使った連続プロセスで行なうことを必ずしも必要としない。引き伸ばしを実行するために、他の何らかの引き伸ばし装置内にシート材を配置することも可能である。

好ましくは、シート材は長く、引き伸ばしはシート材の長軸方向に実施される。これにより、シート材の長軸方向がシート材を使用するコンポーネントの長軸方向と一致する。

製造されたシート材は、軽水炉や沸騰水型原子炉の燃料集合体のコンポーネント又はコンポーネントの一部として使用することが好ましい。本シート材は、例えば、このような燃料集合体を取り囲むチャネルボックス２に使用し得る。他の用途は水路、即ち、燃料集合体の一部を形成する水路１２，１４，１６である。

ＢＷＲの燃料集合体のチャネルボックス２は適切な二つのシート材を作ることから製造することができる。次いで、これらのシート材を図４に示すようにＵ字形に折り曲げる。これらのシート材は、折り曲げ前に、幾らか、例えば、約２００°Ｃまで加熱する場合もある。この２つのＵ字形の部材は、次に、当業者には周知の方法で溶接される。チャネルボックス２は、ステンレス鋼の結合金具上に配置するのに適した形状に成形することが可能であり、その後加熱により結合金具の形状をチャネルボックス２に合うように変形させる。

ＢＷＲの燃料集合体の非沸騰水のための水路１２，１４，１６も類似の方法で製造できる。先ず、本発明による方法を用いてシート材を作成する。適切な寸法を有する複数のシート材を作成する。これらの部品を成形し、溶接することにより、適切な形状の水路１２，１４，１６を得る。この形状は、例えば、図２に示すような異なったチャンネル部品１２，１４から構成される十字形の水路か、或いは図３に示されるタイプの方形の水路１６である。

本発明は又、ＢＷＲの燃料集合体にも関する。この種の燃料集合体はチャネルボックス２を有し、チャネルボックス２の壁を形成するシート材が上述した方法で製造及び処理されていることから得られる材料構成、平坦性及び直線性を有している。燃料集合体は、例えば、図１に概略的に示す種類のものである。

本発明は又、少なくとも一つの水路１２，１４，１６を含むＢＷＲの燃料集合体にも関する。水路１２，１４，１６は、シート材が上述の方法によって製造及び処理されていることから得られる材料構成、平坦性及び直線性を有している。勿論、燃料集合体は、本発明による方法によって製造及び処理されたシート材からなるチャネルボックス２と水路１２，１４，１６の双方を有してもよい。

本発明は前述の実施例に限定されるものでなく、請求の範囲内で変形可能である。

図１は沸騰水型原子炉の燃料集合体の概略図である。 図２は沸騰水型原子炉の燃料集合体の概略断面図である。 図３は異なった構成の沸騰水型原子炉の概略断面図である。 図４は結合前の二つのＵ字形材の概略断面図である。 図５は図４に示すＵ字形材の結合後の概略図である。 図６はシート材を引き伸ばす装置内のシート材の概略側面図である。

Claims (10)

1. 軽水炉の燃料集合体内のコンポーネント又はコンポーネントの一部（２，１２，１４，１６）を構成するシート材を製造及び処理する方法であって、
   ａ）鍛造、熱間圧延、及び適切な数の冷間圧延によって、少なくとも９６重量％のジルコニウムを含むジルコニウム合金のシート材を製造するステップ、
   ｂ）前記熱間圧延、及び適切な数の冷間圧延を行った後で、シート材にβ焼入れの処理を行なうステップ、
   ｃ）前記合金のα相温度範囲内での熱処理を行なうステップ、を含み、
   ステップｃ）は、ステップａ）とステップｂ）が実行された後に行なわれ、ステップｃ）は、シート材をα相温度範囲内に保持した状態で引き伸ばしを行なうことを特徴とする方法。
2. 前記引き伸しを、該合金のα相温度範囲内の最高温度以下、且つ華氏で前記最高温度の７０％以上の温度で行なう、請求項１に記載の方法。
3. 華氏で前記最高温度の８０％から９８％の温度で前記引き伸しを行なう、請求項２に記載の方法。
4. 引き伸し直後のシート材が、引き伸し直前のシート材の状態に比べ、残留伸びを有するように前記引き伸しを行なう、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記伸びが合金の変形臨界点より長くなるように、前記引き伸しを行う、請求項４に記載の方法。
6. 前記残留伸びが０．１％〜７％である、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記残留伸びが０．２％〜４％である、請求項６に記載の方法。
8. 前記シート材の引き伸ばしは、当該シート材の長軸方向に行われる、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の方法。
9. 沸騰水型原子炉の燃料集合体のチャネルボックス（２）の製造方法であって、
   請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法により、複数のシート材を製造及び処理すること、及び
   前記チャネルボックス（２）を形成するため、これらのシート材を適切な形状に成形し、これらシートをつなぎ合わせること、
   を含む製造方法。
10. 沸騰水型原子炉の燃料集合体の水路（２）の製造方法であって、水路（１２，１４，１６）は、前記燃料集合体の一部分を形成して、燃料集合体に非沸騰水を流すことを可能にするものであり、
    請求項１ないし８のいずれか１項に記載の方法により複数のシート材を製造及び処理すること、及び
    これらのシート材を適切な形状に形成してつなぎ合わせることにより前記水路（１２，１４，１６）を形成すること、
    を含む製造方法。

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