JP7461779B2 - 外筒管の製造方法および外筒管、燃料集合体 - Google Patents
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Description
本開示は、内部に燃料棒を収容する外筒管の製造方法、外筒管、燃料集合体に関するものである。
例えば、高速炉（ＦＲ：Ｆａｓｔ Ｒｅａｃｔｏｒ）を有する原子力発電プラントは、ナトリウムを原子炉冷却材として使用し、炉内にある燃料の核分裂により発生した熱を１次系ナトリウムにより取り出し、中間熱交換器に送って２次系ナトリウムに熱を伝え、蒸気発生器に送って蒸気を発生させ、発生した蒸気をタービン発電機へ送って発電する。
高速炉に使用される燃料集合体は、六角筒形状をなす外筒管の内部に複数の燃料棒が収容されて構成される。高速炉にて、炉心損傷が発生した場合、溶融した燃料が一か所に集中すると、再臨界に至る可能性がある。そのため、炉心損傷時に発生した溶融燃料を燃料集合体の外部に排出するために、外筒管に複数の燃料棒とは別に、四角筒形状をなす内部ダクトが設けられる。このような燃料集合体としては、例えば、下記非特許文献１に記載されている。
高速炉サイクル技術の概要 平成３０年６月１日 高速炉開発会議 戦略ワーキンググループ 統括チーム
上述した従来の燃料集合体は、六角筒形状をなす外筒管の内面に四角筒形状をなす内部ダクトの外面が密着した状態で、電気抵抗溶接（抵抗スポット溶接）により接合される。ところが、電気抵抗溶接による接合の場合、外筒管の内面と内部ダクトの外面との間に隙間があったとき、溶接不良が発生するおそれがあるという課題がある。また、電気抵抗溶接は、外筒管の外面側と内部ダクトの内面側に電極を配置する必要があり、作業性がよくないという課題がある。
本開示は、上述した課題を解決するものであり、製品品質の向上を図ると共に溶接作業性の向上を図る外筒管の製造方法および外筒管、燃料集合体を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本開示の外筒管の製造方法は、内部に高速炉用燃料棒が収容される外筒管の製造方法であって、ラッパ管の内面の一部と内部ダクトの外面の一部とを位置合わせする工程と、前記ラッパ管の外面側から前記ラッパ管と前記内部ダクトとの溶接対象部に光ビームを照射して接合する工程と、を有する。
また、本開示の外筒管は、前記外筒管の製造方法により製造される。
また、本開示の燃料集合体は、前記外筒管と、前記ラッパ管と前記内部ダクトとの間に収容される燃料棒と、を備える。
本開示の外筒管の製造方法および外筒管、燃料集合体によれば、製品品質の向上を図ることができると共に、溶接作業性の向上を図ることができる。
以下に図面を参照して、本開示の好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。また、実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。
［燃料集合体］
図１０は、高速炉で使用される燃料集合体を表す一部を断面した概略図、図１１は、燃料集合体の水平断面図である。
図１０は、高速炉で使用される燃料集合体を表す一部を断面した概略図、図１１は、燃料集合体の水平断面図である。
図１０および図１１に示すように、燃料集合体２２は、ハンドリングヘッド３１と、上部パッド３２と、外筒管（ラッパ管）３３と、複数の燃料棒３４と、中間パッド３５と、エントランスノズル３６とを備える。
外筒管３３は、中間パッド３５を有し、内部にノックバー３９が固定された複数の燃料棒３４が収容される。外筒管３３は、上部にハンドリングヘッド３１と上部パッド３２が一体に連結され、下部にエントランスノズル３６とが一体に連結される。燃料集合体２２は、上部と下部にナトリウムが流動する上部流路３７と、下部流路３８が設けられる。
また、外筒管３３は、ラッパ管４１と、内部ダクト４２とを有する。ラッパ管４１は、六角筒形状をなす。内部ダクト４２は、四角（ひし形）筒形状をなす。ラッパ管４１は、隣り合う２つの平面部の内面に、内部ダクト４２の隣り合う２つの平面部の外面と位置合わせして接合される。外筒管３３は、ラッパ管４１の内面と内部ダクト４２の外面とに区画された領域に複数の燃料棒３４が収容される。また、外筒管３３は、内部ダクト４２の内面に区画された領域が溶融燃料の排出路４３となる。
［外筒管の製造方法］
図１は、本実施形態の外筒管の製造方法を説明するための概略図、図２は、本実施形態の外筒管の製造方法の変形例を説明するための概略図、図３は、本実施形態の外筒管を表す斜視図である。
図１は、本実施形態の外筒管の製造方法を説明するための概略図、図２は、本実施形態の外筒管の製造方法の変形例を説明するための概略図、図３は、本実施形態の外筒管を表す斜視図である。
本実施形態の外筒管の製造方法は、内部に高速炉用の燃料棒３４が収容される外筒管３３の製造方法である。外筒管の製造方法は、図１に示すように、ラッパ管４１の内面の一部と内部ダクト４２の外面の一部とを位置合わせする工程と、ラッパ管４１の外面側からラッパ管４１と内部ダクト４２との溶接対象部に光ビームを照射して接合する工程とを有する。
図３に示すように、ラッパ管４１は、六角筒形状をなし、内部ダクト４２は、四角筒形状をなす。ラッパ管４１の厚さは、内部ダクト４２の厚さより厚い。例えば、ラッパ管４１の厚さは、５ｍｍ、内部ダクト４２の厚さは、２ｍｍである。但し、この厚さに限定されるものではなく、ラッパ管４１の厚さより内部ダクト４２の厚さが薄ければよい。ラッパ管４１と内部ダクト４２は、フェライト／マルテンサイト鋼（ＰＮＣ－ＦＭＳ鋼）てあり、下記の成分となっている。但し、フェライト／マルテンサイト鋼に限るものではなく、例えば、オーステナイトステンレス鋼でもよい。
ＰＮＣ－ＦＭＳ鋼：
０．１２Ｃ－１１Ｃｒ－０．５Ｍｏ－２Ｗ－０．２Ｖ－０．０５Ｎｂ
ＰＮＣ－ＦＭＳ鋼：
０．１２Ｃ－１１Ｃｒ－０．５Ｍｏ－２Ｗ－０．２Ｖ－０．０５Ｎｂ
ラッパ管４１は、６つの平面部から構成され、内部ダクト４２は、４つの平面部から構成される。まず、ラッパ管４１の２つの平面部４１ａ，４１ｂの内面と、内部ダクト４２の２つの平面部４２ａ，４２ｂの外面とを位置合わせさせる。この場合、ラッパ管４１を横倒し状態とし、ラッパ管４１の内部に内部ダクト４２を挿入し、治具により平面部４１ａ，４１ｂの内面と平面部４２ａ，４２ｂの外面とがずれないように保持することが好ましい。
このとき、図１に示すように、ラッパ管４１の内面４１ｔと内部ダクト４２の外面４２ｓとが位置合わせした状態で保持される。次に、ラッパ管４１の外面４１ｓ側からラッパ管４１と内部ダクト４２との平面部の溶接対象部に向けて光ビームとしてのレーザ光Ｌを照射する。すなわち、ラッパ管４１の外面４１ｓ側に、ラッパ管４１の外面４１ｓから所定距離（焦点距離）を空けてレーザ溶接機の加工ヘッド５０を配置し、加工ヘッド５０からのレーザ光Ｌを集光してラッパ管４１の外面４１ｓに向けて照射する。なお、光ビームは、レーザ光Ｌに限るものではなく、例えば、電子ビームであってもよい。この場合、電子ビーム溶接機（ＥＢＷ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｗｅｌｄｉｎｇ）を用いる。
すると、レーザ光Ｌによりラッパ管４１および内部ダクト４２のレーザ光の照射部が溶融し、レーザ光Ｌの照射を停止すると、溶融部が固化して接合部５１が形成される。接合部５１は、ラッパ管４１の外面４１ｓから内部ダクト４２の内面４２ｔまで至り、内部ダクト４２の内面４２ｔに裏波５１ａが形成される。なお、ラッパ管４１と内部ダクト４２との接合に対して、複数の接合部５１を形成することが好ましい。
なお、本実施形態の外筒管の製造方法は、上述した方法に限定されるものではない。図２に示すように、事前に、ラッパ管４１におけるレーザ光Ｌの照射位置に、ラッパ管４１の厚さ方向に沿って貫通する貫通孔（凹部）５５を形成する。この場合、貫通孔５５は、平面視が円形状をなすものであり、ラッパ管４１の長手方向や周方向に所定間隔を空けて複数形成することが好ましい。なお、貫通孔５５は、円筒形状、円錐形状、円錐台形状などである。また、貫通孔５５は、ラッパ管４１の板厚方向に非貫通であり、外面４１ｓに形成された凹部であってもよい。
そして、前述したように、ラッパ管４１の内面４１ｔと内部ダクト４２の外面４２ｓとが位置合わせした状態で保持する。次に、ラッパ管４１の外面４１ｓ側からラッパ管４１と内部ダクト４２との平面部の溶接対象部の貫通孔５５に向けてレーザ光Ｌを照射する。このとき、レーザ光Ｌは、ラッパ管４１の外面４１ｓに照射されると共に、貫通孔５５を通って内部ダクト４２の外面４２ｓに照射される。すると、レーザ光Ｌによりラッパ管４１における貫通孔５５の内面側から溶融して溶融部５６が形成され、続けて内部ダクト４２が溶融する。その後、レーザ光Ｌの照射を停止すると、ラッパ管４１と内部ダクト４２の溶融部が固化し、図１に示すように、接合部５１が形成される。
なお、ラッパ管４１におけるレーザ光Ｌの照射位置に、ラッパ管４１の厚さ方向に沿って貫通すると共に、長手方向または周方向などに沿ってスリット形状をなす貫通孔を形成してもよい。この場合、加工ヘッド５０からレーザ光Ｌをスリット形状の貫通孔の一端部側に照射し、加工ヘッド５０を貫通孔の他端部側に移動しながらレーザ光Ｌを照射する。
図３に示すように、上述した本実施形態の外筒管の製造方法により製造された外筒管３３は、ラッパ管４１の２つの平面部４１ａ，４１ｂと内部ダクト４２の２つの平面部４２ａ，４２ｂとが位置合わせされた位置に、複数の接合部５１が形成される。複数の接合部５１は、少なくとも外筒管３３の長手方向における上端部および下端部に形成することが好ましい。但し、複数の接合部５１を外筒管３３の長手方向における中間部にも形成してもよく、また、外筒管３３の長手方向における全域に形成してもよい。すなわち、入熱量を減らすために接合部５１を少なくすることが好ましいが、その配置は、外筒管３３の長手方向における端部、中間部、全域のいずれにも配置してもよい。
［外筒管の変形例］
図４は、本実施形態の第１変形例の外筒管を表す斜視図、図５は、本実施形態の第２変形例の外筒管を表す斜視図、図６は、本実施形態の第３変形例の外筒管を表す斜視図、図７は、本実施形態の第４変形例の外筒管を表す斜視図、図８は、本実施形態の第５変形例の外筒管を表す斜視図、図９は、本実施形態の第６変形例の外筒管を表す斜視図である。
図４は、本実施形態の第１変形例の外筒管を表す斜視図、図５は、本実施形態の第２変形例の外筒管を表す斜視図、図６は、本実施形態の第３変形例の外筒管を表す斜視図、図７は、本実施形態の第４変形例の外筒管を表す斜視図、図８は、本実施形態の第５変形例の外筒管を表す斜視図、図９は、本実施形態の第６変形例の外筒管を表す斜視図である。
本実施形態の第１変形例において、図４に示すように、外筒管３３は、ラッパ管４１の２つの平面部４１ａ，４１ｂと内部ダクト４２の２つの平面部４２ａ，４２ｂとを位置合わせした位置に、複数の接合部６１が格子状をなして形成される。複数の接合部６１は、上述した複数の接合部５１よりも直径が大きく、数が少ない。なお、複数の接合部６１の間隔や数は、適宜設定すればよい。
本実施形態の第２変形例において、図５に示すように、外筒管３３は、ラッパ管４１の２つの平面部４１ａ，４１ｂと内部ダクト４２の２つの平面部４２ａ，４２ｂとを位置合わせした位置に、複数の接合部６２が千鳥状をなして形成される。
本実施形態の第３変形例において、図６に示すように、外筒管３３は、ラッパ管４１の２つの平面部４１ａ，４１ｂと内部ダクト４２の２つの平面部４２ａ，４２ｂとを位置合わせした位置に、複数の接合部６３が外筒管３３の長手方向に沿って形成されると共に、格子状をなして形成される。
本実施形態の第４変形例において、図７に示すように、外筒管３３は、ラッパ管４１の２つの平面部４１ａ，４１ｂと内部ダクト４２の２つの平面部４２ａ，４２ｂとを位置合わせした位置に、複数の接合部６４が外筒管３３の長手方向に沿って形成されると共に、千鳥状をなして形成される。
本実施形態の第５変形例において、図８に示すように、外筒管３３は、ラッパ管４１の２つの平面部４１ａ，４１ｂと内部ダクト４２の２つの平面部４２ａ，４２ｂとを位置合わせした位置に、それぞれ１つの接合部６５が外筒管３３の長手方向に沿って所定の長さにわたって形成される。
本実施形態の第６変形例において、図９に示すように、外筒管３３は、ラッパ管４１の２つの平面部４１ａ，４１ｂと内部ダクト４２の２つの平面部４２ａ，４２ｂとを位置合わせした位置に、それぞれ複数（第６変形例では、２つ）の接合部６６が外筒管３３の長手方向に沿って所定の長さにわたって形成される。
なお、外筒管３３における接合部の形状、位置、大きさ、長さ、数などは、上述したものに限定されるものではなく、適宜設定すればよいものである。
［本実施形態の作用効果］
第１の態様に係る外筒管の製造方法は、内部に高速炉用の燃料棒３４が収容される外筒管の製造方法であって、ラッパ管４１の内面の一部と内部ダクト４２の外面の一部とを位置合わせする工程と、ラッパ管４１の外面側からラッパ管４１と内部ダクト４２との溶接対象部にレーザ光（光ビーム）Ｌを照射して接合する工程とを有する。
第１の態様に係る外筒管の製造方法は、内部に高速炉用の燃料棒３４が収容される外筒管の製造方法であって、ラッパ管４１の内面の一部と内部ダクト４２の外面の一部とを位置合わせする工程と、ラッパ管４１の外面側からラッパ管４１と内部ダクト４２との溶接対象部にレーザ光（光ビーム）Ｌを照射して接合する工程とを有する。
第１の態様に係る外筒管の製造方法は、ラッパ管４１の外面４１ｓ側からレーザ光Ｌを照射することで、ラッパ管４１と内部ダクト４２とを接合することができる。そのため、ラッパ管４１の外面４１ｓ側にレーザ光Ｌの照射装置を配置すればよく、溶接作業性の向上を図ることができる。また、内部ダクト４２の内面４２ｔの溶接痕によりラッパ管４１と内部ダクト４２との接合状態を確認することができ、製品品質の向上を図ることができる。
すなわち、本実施形態では、ラッパ管４１および内部ダクト４２の材料として、低スエリング材のフェライト鋼を選定した。フェライト鋼の特性を維持するためには、可能な限り、溶接時の入熱を減らし、材料特性の変化を防止する必要がある。フェライト鋼は、オーステナイト鋼と異なって磁性材である。内部ダクトの溶接には、電気抵抗溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接などが考えられる。電気抵抗溶接は、ラッパ管４１と内部ダクト４２との隙間が一定でないことから、溶接不良が発生するおそれがある。また、溶接後の検査を実施することが困難であり、製品品質が低下するおそれがある。レーザ溶接および電子ビーム溶接は、これらの課題を解消することができる。なお、フェライト鋼が磁性材であることから、電子ビーム溶接では、ビームが偏向する可能性があり、レーザ溶接の方が好ましい。また、電子ビーム溶接では、真空状態を確保する必要がある。
第２の態様に係る外筒管の製造方法は、ラッパ管４１を六角筒形状とし、内部ダクト４２を四角筒形状とし、ラッパ管４１の平面部４１ａ，４１ｂの内面４１ｔと内部ダクト４２の平面部４２ａ，４２ｂの外面４２ｓとを位置合わせさせ、レーザ光Ｌをラッパ管４１の平面部４１ａ，４１ｂに照射する。これにより、ラッパ管４１と内部ダクト４２を適正に接合することができる。
第３の態様に係る外筒管の製造方法は、ラッパ管４１の板厚を内部ダクト４２の厚さより厚くし、レーザ光Ｌをラッパ管４１の外面４１ｓに照射してラッパ管４１と内部ダクト４２を溶融固化させ、内部ダクト４２の内面４２ｔに裏波５１ａを形成する。これにより、作業者が裏波５１ａを視認することで、レーザ溶接の品質を確認することができる。
第４の態様に係る外筒管の製造方法は、ラッパ管４１と内部ダクト４２との接合部６３，６４，６５，６６を長手方向に沿って形成する。これにより、レーザ溶接の作業時間を短くしてレーザ溶接作業の簡素化を図ることができる。
第５の態様に係る外筒管の製造方法は、ラッパ管４１と内部ダクト４２との接合部５１，６１，６３を少なくとも長手方向に格子状をなして複数形成する。これにより、ラッパ管４１と内部ダクト４２への入熱を少なくして変形を抑制することができると共に、ラッパ管４１と内部ダクト４２を適正に接合することができる。
第６の態様に係る外筒管の製造方法は、ラッパ管４１と内部ダクトとの接合部６２，６４を少なくとも長手方向に千鳥状をなして複数形成する。これにより、ラッパ管４１と内部ダクト４２への入熱を少なくして変形を抑制することができると共に、ラッパ管４１と内部ダクト４２を適正に接合することができる。
第７の態様に係る外筒管の製造方法は、ラッパ管４１におけるレーザ光Ｌの照射位置に貫通孔（凹部）５５を形成し、貫通孔５５に向けてレーザ光Ｌを照射する。これにより、ラッパ管４１への入熱を少なくして変形を抑制することができる。
第８の態様に係る外筒管の製造方法は、貫通孔５５をスリット形状とし、レーザ光Ｌをスリット方向に沿って移動する。これにより、ラッパ管４１への入熱を少なくして変形を抑制することができると共に、レーザ溶接の作業時間を短くしてレーザ溶接作業の簡素化を図ることができる。
第９の態様に係る外筒管の製造方法は、ラッパ管４１の外面４１ｓ側から光ビームとしてのレーザ光Ｌを照射する。これにより、製品品質の向上を図ることができると共に、溶接作業性の向上を図ることができる。
第１０の態様に係る外筒管は、ラッパ管４１と内部ダクト４２とがレーザ溶接により接合された外筒管３３でる。これにより、製品品質の向上を図ることができる。
第１１の態様の燃料集合体は、外筒管３３と、ラッパ管４１と内部ダクト４２との間に収容される燃料棒３４とを備える。これにより、製品品質の向上を図ることができる。
なお、上述した実施形態では、ラッパ管４１を六角筒形状とし、内部ダクト４２を四角筒形状としたが、この形状に限定されるものではない。
２２ 燃料集合体
３１ ハンドリングヘッド
３２ 上部パッド
３３ 外筒管
３４ 燃料棒
３５ 中間パッド
３６ エントランスノズル
４１ ラッパ管
４１ａ，４１ｂ 平面部
４１ｓ 外面
４１ｔ 内面
４２ 内部ダクト
４２ａ，４２ｂ 平面部
４２ｓ 外面
４２ｔ 内面
４３ 排出路
５０ 加工ヘッド
５１，６１，６２，６３，６４，６５，６６ 接合部
５１ａ 裏波
５５ 貫通孔（凹部）
３１ ハンドリングヘッド
３２ 上部パッド
３３ 外筒管
３４ 燃料棒
３５ 中間パッド
３６ エントランスノズル
４１ ラッパ管
４１ａ，４１ｂ 平面部
４１ｓ 外面
４１ｔ 内面
４２ 内部ダクト
４２ａ，４２ｂ 平面部
４２ｓ 外面
４２ｔ 内面
４３ 排出路
５０ 加工ヘッド
５１，６１，６２，６３，６４，６５，６６ 接合部
５１ａ 裏波
５５ 貫通孔（凹部）
Claims (8)
- 内部に高速炉用燃料棒が収容される外筒管の製造方法であって、
六角筒形状をなすラッパ管における光ビームの照射位置に円錐形状をなす貫通孔を形成する工程と、
前記ラッパ管の内面の一部と四角筒形状をなして板厚が前記ラッパ管の板厚より薄い内部ダクトの外面の一部とを位置合わせする工程と、
前記ラッパ管の外面側から前記ラッパ管の内面と前記内部ダクトの外面とが密着した溶接対象部における前記貫通孔に光ビームを継続して照射することで、前記ラッパ管および前記内部ダクトの照射部を溶融させ、前記ラッパ管の外面から前記内部ダクトの内面まで至る接合部を形成し、前記内部ダクトの内面に裏波を形成する工程と、
を有する外筒管の製造方法。 - 前記ラッパ管と前記内部ダクトとの接合部を長手方向に沿って形成する、
請求項１に記載の外筒管の製造方法。 - 前記ラッパ管と前記内部ダクトとの接合部を少なくとも長手方向に格子状をなして複数形成する、
請求項２に記載の外筒管の製造方法。 - 前記ラッパ管と前記内部ダクトとの接合部を少なくとも長手方向に千鳥状をなして複数形成する、
請求項２に記載の外筒管の製造方法。 - 前記貫通孔は、スリット形状をなし、前記光ビームをスリット方向に沿って移動する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の外筒管の製造方法。 - 前記光ビームは、レーザ光である、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の外筒管の製造方法。 - 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の外筒管の製造方法により製造される外筒管。
- 請求項７に記載の外筒管と、
前記ラッパ管と前記内部ダクトとの間に収容される燃料棒と、
を備える燃料集合体。
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