JPH0336255A - 原子力プラント燃料用スプリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子力ブラン１〜燃料に用いられるニッケル基
析出強化型合金製のスプリングとその製法に関する。

〔従来の技術〕

原子力ブラン１〜燃料ト；はスペーサスプリング、フィ
ンガスプリング、膨張スプリングなどのスプリングが用
いられており、材料には強度、耐食性の点からニッケル
基析出強化型合金が選ばれている。製造工程はスプリン
グの種類により異なるが、スペーサスプリング、フィン
ガスプリングでは、溶解９分塊、圧延、水素雰囲気中の
溶体化処理。

ブレス成型、真空中の時効硬化処理、バレル研磨。

洗浄の各工程を経て製品となる。また、膨張スプリング
では、溶体化処理、伸線加工、コイリング。

真空中の焼鈍、真空中の時効硬化処理、ブラスト研磨、
洗浄の各工程を経る。

ところで、原子力プラントの稼動率と安全性の向上を目
的に、炉回り配管２機器の表面線量率の低減が図られて
いる。線量率の上昇は８０ｃｏと５８ＣＯに起因するど
ころが大きい。そこで、Ｂ　ＯＣＯの低減にはＣ０Ｃｏ
源であるコバルトの一次冷却水中への放出を抑える］］
的から、ブラント構造材料中のコバルト含有量を減らし
たり、コバルトを含まない材料への代替などの方策がと
られている。

しかし、線量率のより一層の低減には＋１８　Ｇ　Ｏの
発生を抑える必要がある。３８Ｃｏの発生源として、最
も大きいものの一つとして燃料棒に用いられているスプ
リングがある。これは、前述のようにスプリング材がニ
ッケルを７０％程度含むニッケル基析出強化型合金であ
るため、中性イ照射により一部のニッケルが”Ｇｏｌ、
こ放射化され、これがネ４料の腐食にどもなって一次冷
却水中へ溶出することに原因がある。

（発明が解決しようどする課題」 上記従来技術は、スプリングの使用環境、である高温高
圧水中での素村の腐食１．こともないＩＩｃｏの溶出に
ついて配慮されておらず、その使用により原子力プラン
トの配管２機器の表面線量率が上）１するという問題が
あった。

むお、関連するものしこは、例えば特開昭６３９８９０
号、特開昭６３−３５７６３号等が挙げられる。前者の
雪山では材料に過時効になる可能性があり、更に後者の
方法では十分な酸化皮膜が形成されなｔ）。

本発明は上記の点に鑑み、中性子照射を受けたニッケル
基析出強化型合金製スプリングの使用環境でのｒ″’Ｃ
ｏ’Ｃｏ溶出るに好適なスプリングとその製造方法を提
供することをＬＩ的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するために、ニッケル基析出強
化型合金製スペーサ及びフィンガスプリングの製造工程
において、成型後にアルカリ溶液、エチルアルコール等
による洗浄を行い、次いで、時効硬化処理を酸素を含有
する酸化性ガス雰囲気中で実施し、スプリング表面に耐
食性保護皮膜を形成するものである。なお、該酸素の分
圧は大気より出来るだけ大きいことが望ましい。本処理
後は、従来実施されていた研磨処理と洗浄は不要である
。

さらに、溶体化処理した帯板材をブレス成型する中間工
程として、該帯板材の表面を電解研磨あるいは機械研磨
１．こより平滑化したのち成型するこども望ましい。そ
の後、洗ｄｉシて時効硬化処理後８に既述の酸化処１Ｉ
２１］を施こすことにより一層の効果をあげることがで
きる。また、成型９峙効硬化処理後のスプリングに対し
ては、従来実施していた研磨、洗浄を行い、その後に大
気より酸素分圧の大きい酸化性ガス雰囲気中で酸化処理
を実施するものである。なお、過時効を生じないために
、処理温度を７０４°Ｃ以下に保つ必要がある。酸化処
理後はそのままの状態で製品に供する。

一方、膨張スプリングの製造工程においては、低温焼鈍
後に洗浄を行ったのち、時効硬化処理を酸素を含有する
酸化性ガス雰囲気中で実施する。

この場合も、該酸素の分圧は人気より出来るだけ大きい
ことが望ましい。本処理後は、プラスト。

洗浄を施こさずに製品に供する。また、従来条件での時
効硬化処理後の膨張スプリングに対しては、従来通り、
ブラスト、洗浄を施こし、その後に人気より酸素分圧の
大きい酸化性ガス雰囲気中で酸化処理を実施する。この
場合にも過時効をさけるために、処理温度は６４９°Ｃ
以下に保つ必要がある。酸化処理後はそのままの状態で
製品に供する。

次に、本処理を実行するに好適な装置について述べる。

処理時に制御す尺き項目は、温度７時間。

ガス組成、流量である。温度は時効硬化処理の最高温度
まで制御し得る必要があるので、５００〜７５０　’Ｃ
の範囲で±１０℃で制御できることが望ましい。ガスｇ
戊は酸素分圧を所定の値に保てる構造とする。スプリン
グを保持する容器にはガスの注入口と排気口を備え、容
器内の雰囲気が一様であるようにじゃま板を備えると望
ましい。したがって、酸素ガス源、流量計、ヒータを備
えた容器を最小の構成要素とする。

〔作用〕

既述のように、従来、時効硬化処理は１ｏ−４ａｎ　Ｉ
−Ｉ　ｇ程度の真空中で実施されるのを常としていた。

例えば、スペーサ及びフィンガスプリングでは、この雰
囲気で７０４±１３℃の温度で２０時間処理される。ま
た、膨張スプリングでは６４９±１３°Ｃで４時間の処
理が施こされる。こうした条件で処理された後のスプリ
ング表面は淡い複色を呈することがあるが、金属光択を
保つのが通常である。したがって、この時点でスプリン
グ表面に形成された酸化皮膜は高々１００人である。し
かし、雰囲気を酸素を含む酸化性ガスとすることにより
、（１）式によりＮｉ、Ｃｒ、Ｆｅを主体とした複合酸
化皮膜が形成される。

Ｄ　　　　　　　　１１ Ｍ　＋　０２→ＭＯ−Ｍ２０３　　　　・・（１）ここ
に、　Ｍ＝ｆｆｉ材金属の構成元素ＭＩｌ＝ｌ’Ｊ　ｉ
　、　Ｆ　ｅ等の２価金属Ｍ　　”　Ｆ　ｅ　、　Ｃｒ
等の３価金属この皮膜は金属と外部環境をしゃ断する。

言わゆる耐食性保護作用を示すが、その効果は皮膜の厚
さに対して放物線側にしたがって増大するのが通例であ
る。したがって、工業的には処理に要する時間の短縮か
ら、より高温で、またより酸素分圧の高い条件で処理す
ることが望まれる。さらに、この２つの条件は皮膜の保
護効果を増す働きもする。酸化皮膜はＢＷＲ炉水環境の
ような３００　’Ｃ近い高温水環境にさらされると、あ
る溶解度をもって溶解する。この溶解度が小さければ、
保護効果も高く、長期にわたり安定な保護作用を示すこ
とになる。高温かつ酸素分圧を高めることは、（１）式
で金属（Ｍ）をより高次の酸化状態（Ｍ’　）にし、溶
解度を小さくする効果をもつ。しかるに、一方、材料金
属の時効硬化を考慮した場合は、既述した温度及び時間
条件を越えることは過時効になり各種機械的性質が劣化
する恐れがある。したがって、最も好適な処理は時効硬
化処理過程で雰囲気を調整することである。この方法に
より材料の機械的性質を損うことなく、高温で長時間の
処理が可能となり、耐食性を示すに十分な］、、０００
Å以上の皮膜を形成し得る。

ところで、時効硬化処理を従来の方法で実施した場合に
は、その後に酸化処理する必要がある。

この場合は、材料の過時効を防ぐために高温での長時間
の処理はできない。したがって、雰囲気どして、大気よ
りも酸素分圧の大きい酸化性ガスを選択することにより
、時効硬化処理温度よりも低温でかつ短時間の処理を可
能とする。望ましくは純酸素か、それにできるだけ近い
ガスを用いるこ８− とで、速やかに耐食性保護皮膜の形成が可能と触る。

ところで、中性子照射で生成したＢ　８　ＣＯの溶出は
スプリングの接木実効表面積に比例する。スペーサ及び
フィンガスプリングでは圧延帯板材から底型されるので
、該板材に電解研磨あるいは機械研磨を施こし、表面を
平滑化すればり８ｃｏの溶出も低下し得る。したがって
、研磨を施したのちに既述の酸化処理を行えば、Ｌ″８
ｃｏ溶出抑制に相乗効果がある。

〔実施例〕

以下、本発明の詳細な説明する５゜ 現行のＢ　Ｗ　Ｒプラン１〜のスペーサ及びフィンガス
プリングとして使用されているニッケル析出強化型合金
３通称インコネルＸ７５０製のブレス成型品を用意した
。スプリングはアセトンで脱脂洗浄して、時効硬化処理
に供した。なお、供試林の化学組成はクロム１５．５％
、鉄６．７％、アルミニウム０．５８％、チタン２．６
７％、ニオブ０．９５％＋　炭！　０　、０５％、シリ
コン０．２１％、マンガン０．１６％、リン０．０１６
％、硫黄０．００４％で、残部ニッケルであった。

第１表に時効硬化処理条件を示した。各処理を施こした
スプリングを中性子照射し、３１１ｃｏを生成したのち
、ＢＷＲ炉水環境である２８８℃、溶存酸化濃度２００
ｐｐｂの流水条件下で、浸漬１０００時間の５８ｃｏの
溶出量を調べた。第１図に結果を示す。比較例で示した
従来処理（Ｎα４）第１表 に比べて、本発明に係る処理Ｎａ　１〜３はｌ１８Ｃｏ
の溶出量が大幅に少ない。

次に、前記と同じ化学組成のインコネルＸ７５０製膨張
スプリングを真空（Ｉ　Ｘ　１０−’ｍｉ＋Ｈｇ　）中
、３５５℃±２５℃で１５分間の焼鈍を行ったのち、第
２表の条件で時効硬化処理した。

第２表 次いで、前記実施例で示したと同条件で、３８Ｇ　。

の溶出量を測定した。結果を第２図に示す。本発明に係
る処理Ｎｃ５〜７は比較例（Ｎα８）の従来処理材に比
べて３８ｃｏの溶出量が大幅に少ない。

第１表に示す従来条件の７０４℃、２０時間の真空中で
時効硬化処理したスペーサスプリングを第３表に示す実
施例の条件で酸化処理し、未処理及び大気中で処理した
材料と３８ＣＯの溶出量を比較した。なお、溶出量の試
験条件は前述と同じである。

第 表 第３図に示すように、比較例のＮα１工ではＮα１２に
比べ、若干の溶出抑制効果を認めるが、その効果はあま
り大きくない。しかし、本発明の処理ＮＱ９及びＮ［１
１０で示すように、雰囲気の酸素分圧を大きくすること
により、効果は顕著となる。

第４図はインコネルＸ７５０製のフィンガスプリングを
成型機に７０４±１０℃で、純酸素中で異なる時間で処
理し、形成した皮膜の厚さを調べたのち、既述の条件で
５８ＣＯの溶出量を比較したものである。比較例として
、真空中で時効硬化処理を施し、表面に約１０ＯＡの皮
膜を形成した材料も示した。この結果から、１０００Å
以上の皮膜を形成することにより、ｌ！　８　Ｇ　Ｏの
放出を著しく抑制できる。

第５図（Ａ）及び（Ｂ）は第１表に示す処理Ｎα１及び
３の酸化処理したものの表面の酸化皮膜の粒子構造を示
す３　、０００倍のＳＥＭ写真である。大気中酸化処理
したもの第５図（Ａ）は表面の凹凸の高い部分で白くな
っており、下地の部分で薄黒くなっている。従って、こ
の皮膜は粗いものであることが分る。逆に、酸素生処理
したもの第５図（Ｂ）は表面の凹凸が小さく、緻密な皮
膜が形成されていることが分る。前者の厚さは数千穴、
後者は約５００人である。

本発明の実施例に係る独立セル型燃料スペーサ１の全体
の平面図を第７図Ａに、その側面図を第７図Ｂに示す。

この燃料スペーサ１は、内部に燃料棒６が挿入される多
数の筒状部材（独立セル）３を格子状に配列し、隣接す
る相互の筒状部材３同志を接点（溶接部Ｗｉ）で溶接結
合してなる筒状部材３の束の外周を帯状のサイドバンド
２で取囲み、サイドバンド２と外周筒状部材３との接点
（溶接部Ｗ２）を溶接にて結果して構成される。

各筒状部材（独立セル）３には、第６図Ａ、Ｂに示すよ
うに、二つの燃料棒支持用突起５が切り起こしによって
形成されており、また、一字形の切欠き７が形成されて
いる。断面菱形の連続ループ型の板ばねで構成された燃
料支持用ばね４は、隣接する筒状部材３の一字形の切欠
き７で形成された突片８に装架されている。該ばね４は
上記二つの突起５の中間と向い合っている。

本実施例では、サイドバンド２．筒状部材３はジルコニ
ウム基合金が用いられ、特に１〜５％Ｎ　Ｉｌｌ又は１
〜２％Ｓ　ｘｉを含むもの、後者には更にＦｅＯ，０５
−０，３％、Ｃｒ０．０３−０．２％。

Ｎｊｏ、０３〜０．１５％を含む合金が好ましい。

これらの部材は最終冷間塑性加工された後、焼鈍された
薄板からなり、前述の如く各４ケ所スポツト溶接によっ
て一体に組立てられる。

第８図は本実施例に係るスプリング４の斜視図である。

このスプリングは図のように溶体化処理された部側より
冷間にて成形加工が施された後、第１表出１〜３の処理
と同様にして酸化皮膜が形］５− 成される。スプリング材は前述のＮｉ基合金が用いられ
る。このスプリングは前述のスポツＩ−溶接の組立のと
きに挿入され、一体となる。

このように一体にされたスペーサは高温高圧水でオーＩ
・クレープ処理され、酸化皮膜が形成される場合、これ
を施さないものとがある。

本実施例によれば、スプリング４は緻密な酸化皮膜が形
成されていることから前述の如く放射性物質の溶出が防
止される。

本実施例で得られたスペーサはチャンネルボックスに燃
料棒とともに組立てられ、燃料集合体となる。燃料棒は
最終熱間加工後、β相又はα＋β相焼入が施された冷間
加工焼鈍材の前述のジルコニウム基合金が用いられる。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように、原子力プラント燃料用
スプリングからの放射性核種である３８ｃ。

の溶出を抑制し、ひいては配管２機器の表面線量率を低
減させることができ、定期点検及び補修時における作業
を容易にする。また、これによりブラントの稼動率と安
全性向上が図れ、工業上顕著な効果を期待できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第］−図ないし第３図は本発明の処理を施したニッケル
基析出強化型合金からの５８Ｃｏ放出の抑制効果を示す
棒グラフ、第４図は酸化皮膜厚さと５８ＣＯ放出量の関
係を示す線図、第５図は酸化皮膜の粒子構造を示すＳＥ
Ｍ写真、第６図（Ａ）及び（Ｂ）は燃料スペーサの筒状
部材の切断面と正面図、第７図（Ａ）は燃料スペーサの
断面図及び第７図（Ｂ）は第７図（Ａ）のＩＩＢ切断切
断筒８図はスペーサスプリングの斜視図である。 １・燃料スペーサ、２　サイトバンド、３・・・筒状部
材、４・・・スプリング、６・・・燃料棒。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．ニッケル基析出強化型合金製のスプリングにおいて
   、溶体化処理状態の前記スプリングの時効硬化処理を酸
   素を含有する酸化性ガス雰囲気中で加熱され、前記スプ
   リング表面に酸化皮膜が形成されていることを特徴とす
   る原子力プラント燃料用スプリング。
2. ２．酸化性ガスの酸素分圧が大気より大きいことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の原子力プラント燃料
   用スプリング。
3. ３．ニッケル基析出強化型合金製のスプリングを大気よ
   り酸素分圧の大きい酸化性ガス雰囲気中で、加熱され、
   前記スプリング表面に酸化皮膜が形成されていることを
   特徴とする原子力プラント燃料用スプリング。
4. ４．ニッケル基析出強化型合金製スプリングの製造法に
   おいて、溶体化処理後の帯板材表面を電解研磨あるいは
   機械研磨により平滑化したのち成型加工し、その後、洗
   浄を行ない、次いで前記溶体化処理された成型加工部材
   を、酸素を含有する酸化性ガス雰囲気中で時効硬化処理
   し、該スプリングの中性子照射により生成した＾５＾８
   Ｃｏの原子炉一次冷却水中への放出を抑制する酸化皮膜
   を形成することを特徴とする原子力プラント燃料用スプ
   リングの製造法。
5. ５．前記スプリング表面に５００Å以上の厚みを有し、
   Ｎｉ，Ｃｒ，Ｆｅを主成分とする酸化皮膜で一様に覆わ
   れている請求項１〜３のいずれかに記載の原子力プラン
   ト燃料用スプリング。
6. ６．請求項１〜５のいずれかに記載のスプリングを用い
   た燃料スペーサ。
7. ７．請求項６に記載の燃料スペーサを用いた燃料集合体
   。