JPH05196760A - 核燃料棒用の端栓及びその溶接封止方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、上部端栓に形成される封止溶接部
の良好な心出し、均質性及び深さを促進する核燃料棒用
端栓及びその溶接封止方法を提供する。 【構成】 端栓２８を貫通するガス加圧孔３６の外部開
口３６Ａを取り巻き、該端栓の平端面４０にトレパン４
６を設ける。このトレパンは、外部開口を囲む環状溝４
８と、該環状溝及び外部開口間に延在する環状の端面部
分５０とを有する。トレパン４６の環状の端面部分の直
径に対する環状溝４８の深さの比は、約１：３〜１：６
の範囲内にある。環状溝の幅に対する深さの比は、約
１：１〜１：２の範囲内にある。軸方向に指向した溶接
アークを端栓の平端面に形成されたトレパンに加える
と、トレパンの材料が端面内に溶け込み、該トレパン
が、溶接シール上に位置して、トレパンの環状溝により
本来実質的に取り囲まれていた領域に渡って延在する浅
い凹部になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の背景】

【発明の分野】本発明は、一般に核燃料棒に関し、特
に、端栓に形成された軸方向のガス加圧用通路の溶接方
法及び端栓の端面に設けられるトレパン（trepan）構造
に関するものである。

【０００２】

【従来技術の説明】加圧水形原子炉のような典型的な原
子炉において、炉心は、多数の燃料集合体を備えてい
て、各燃料集合体は、上部ノズル及び下部ノズルと、該
上部ノズル及び下部ノズル間で長手方向に延在し且つ横
方向に互いに離間された複数個の細長い案内シンブル
と、該案内シンブルに沿って軸方向に離間され且つ該案
内シンブルに取り付けられた複数個の横支持格子とから
構成されている。また、各燃料集合体は、互いに且つ案
内シンブルから横方向に離間して上記上部ノズルと下部
ノズルとの間で支持格子により支持されている複数個の
細長い燃料要素もしくは燃料棒を備える。燃料棒は、核
分裂性物質を収容し、高速度の核分裂を維持して熱の形
態で大量のエネルギを放出するのに充分な中性子束を炉
心内に発生するように計画的な配列でグループ化されて
いる。液体冷却材は、炉心を通って上方向に圧送され
て、炉心内に発生された熱の一部を取り出し、有用な仕
事の発生に用いる。

【０００３】各燃料棒は、被覆管内に装填された複数個
の核燃料ペレットを含み、該被覆管の両端には該被覆管
を気密密閉するために下部端栓及び上部端栓が取り付け
られる。下部端栓及び上部端栓は、一般に、被覆管の両
端部にガース溶接されている。通常、上部端栓は、軸方
向のガス加圧用通路もしくはガス加圧孔を備えている。
被覆管内部を不活性充填ガスで加圧した後に、上記ガス
加圧孔を封止するために、軸方向に配設された電極を用
いて上部端栓の端面に封止溶接部を形成している。

【０００４】ＴＩＧ（タングステン不活性ガス）溶接を
用いた場合には、アークは、端栓の外面隅部にイオンが
集中するために該外面隅部で始まり易いことは一般に知
られている。通常、上部端栓は平端面を有しているの
で、アークの開始及びアークの発生部位は必ずしも端栓
の中心であるとは限らない。しかし、高品質の溶接を実
現するためには、アークが可能な限り真の中心に近接し
て該平端面に衝突するのが望ましい。

【０００５】従って、上部端栓に形成される封止溶接部
の良好な心出し、均質性及び深さを促進する改良が望ま
れている。

【０００６】

【発明の概要】本発明の目的は、上記のような要求を満
たすように設計された燃料棒の上部端栓及び該上部端栓
の溶接方法を提供することにある。本発明によれば、上
部端栓は、その平端面にトレパンを形成する浅い環状溝
を備えていて、該環状溝が、端栓を軸方向に貫通するよ
うに形成されたガス加圧孔の外部開口を囲んでいる。こ
の環状溝の深さ及び該環状溝によって囲繞される端面部
分の直径（例えば、トレパンの構成要素の寸法関係）
は、高品質の封止溶接を形成するためには特定の範囲内
の比関係を有さねばならない。

【０００７】具体的に述べると、トレパンの環状の端面
部分の直径に対する環状溝の深さの比は約１：３〜１：
６の範囲内にする。更に、上記直径対深さの比は約１：
５とするのが好ましい。また、環状溝の幅に対する環状
溝の深さの比は、約１：１〜１：２の範囲内にする。

【０００８】このような寸法関係を有する平端面上のト
レパンに軸方向に指向された溶接アークを印加すると、
溶接部の心出しが行われ、トレパンの材料が平端面内に
溶け込み、それにより、トレパンは、環状溝によって元
々囲繞されていた領域を横切って延在する浅い凹部に変
わる。

【０００９】本発明の上述及び他の特徴や利点は、本発
明の一実施例を示す添付図面を参照しての以下の詳細な
説明を読むことにより当業者には明らかになるであろ
う。

【００１０】

【好適な実施例の詳細な説明】以下、添付図面を参照し
好適な実施例と関連して詳細に説明する。尚、以下の説
明において、同じ参照符号は幾つかの図面を通し同じ或
は均等な部分を指すものとする。また、「前方」、「後
方」、「左」、「右」、「上方」、「下方」その他類似
の用語は単に説明の便宜上の表現であって本発明を限定
する意味に解釈されてはならない。

【００１１】

【一般的説明】図面、特に図１を参照すると、参照数字
１０で総括的に表した慣用の原子炉用燃料集合体の立面
図が垂直方向に短縮した形態で示してある。加圧水形原
子炉（ＰＷＲ）で用いられる型式のものである場合、燃
料集合体１０は、基本的に、原子炉（図示せず）の炉心
領域において該燃料集合体を下部炉心板（図示せず）上
に支持するための下部構造もしくは下部ノズル１２と、
該下部ノズル１２から上向きに突出する多数の長手方向
に延びる案内管もしくはシンブル１４を備えている。燃
料集合体１０は更に、案内シンブル１４に沿って軸方向
に離間して設けた複数個の横支持格子１６と、該格子１
６によって支持され横方向に離間して配置された細長い
燃料棒１８の組織化された配列とを備えている。また、
燃料集合体１０は、その中心部に配設された計装管２０
と、案内シンブル１４の上端部に着脱可能に取り付けら
れた上部構造もしくは上部ノズル２２をも有している。
このような構成要素の配列で、燃料集合体１０は、諸構
成要素を損傷することなく適宜取り扱うことができる一
体のユニットを形成している。

【００１２】前述のように、燃料集合体１０に列状に設
けられている燃料棒１８は、燃料集合体の長さ方向に沿
って離間して配設されている格子１６により互いに離間
した関係で保持されている。図１に見られるように、そ
して図２に詳細に示してあるように、各燃料棒１８は、
細長い中空の被覆管２６内に積み重ねて配置された複数
個の核燃料ペレット２４を含んでおり、該中空の被覆管
２６の両端は、上部端栓２８及び下部端栓３０により閉
鎖されて、これ等の端栓２８及び３０により被覆管２６
は気密に密閉される。一般に、被覆管２６内には、ペレ
ット２４を燃料棒１８内で密接した積重関係に維持する
ために上部端栓２８とペレット２４との間にプレナムば
ね３２が配置されている。核分裂性物質から構成される
燃料ペレット２４は、原子炉の反応出力を発生する。水
或はホウ素含有水のような液体減速／冷却材が、炉心の
燃料集合体を通って上向きに圧送されて、炉心内で発生
される熱を取り出し、有用な仕事の発生に用いる。核分
裂過程を制御するために、多数の制御棒３４が燃料集合
体１０内の所定位置に配置された案内シンブル１４内で
往復動可能である。

【００１３】

【燃料棒の端栓の溶接方法】上部端栓２８及び下部端栓
３０は、一般に、被覆管２６の両端部にガース溶接され
る。また、上部端栓２８は一般に、ガース溶接の完了後
に、被覆管２６の内部からガスを排気して、適当な不活
性ガスで被覆管２６を充填するために軸方向のガス加圧
孔もしくは加圧用通路（貫通孔）３６を有しており、こ
のガス加圧孔３６は不活性ガス充填後に封止される。ガ
ース溶接及び封止溶接を行うための適当な溶接装置は米
国特許第４,８３７,４１９号明細書に図示され且つ記載
されている。

【００１４】図３及び図４を参照するに、上部端栓２８
は、外側に平端面４０を有するほぼ円筒状の本体３８か
ら構成されている。該本体３８を軸方向に貫通するガス
加圧孔３６は、平端面４０に形成された外部開口３６Ａ
で終端している。平端面４０は、円錐状の外周面４２に
より囲まれている。

【００１５】本発明によれば、ガス加圧孔３６の外端部
分及びその外部開口３６Ａへの高品質の封止溶接部４４
の形成を容易にするために、ガス加圧孔３６の外部開口
３６Ａを取り巻く端栓２８の平端面４０にトレパン４６
が画成される。このトレパン４６は、外部開口３６Ａを
囲繞し該外部開口３６Ａから半径方向外方に離間した環
状溝４８と、該環状溝４８及び外部開口３６Ａ間に延在
する環状の端面部分５０とから構成される。

【００１６】環状溝４８の深さ及び該環状溝４８により
取り囲まれる端面部分５０の直径、即ち、トレパン４６
の構成要素は、最適な品質の封止溶接部４４を形成する
ためには、互いに特定の範囲内にある比関係を有してい
なければならない。即ち、トレパン４６の環状の端面部
分５０の直径に対する環状溝４８の深さの比は、約１：
３〜１：６の範囲内にあり、そして特に好ましくは約
１：５である。また、環状溝４８の幅に対する深さの比
は約１：１〜約１：２の範囲内にある。深さ及び直径間
のこのような比の範囲は、どの値で、最良の溶接アーク
心出し及び端面部分５０の最も満足のいく溶解が達成さ
れるかを決定するための試行錯誤的な試験により展開さ
れたものである。上述の比関係が端栓に実現されるなら
ば、端栓の幾何学的形態に預かり溶接肉盛りの心出しが
行われ、それにより、溶接の均等な溶け込み深さが実現
され、その結果として、ガス加圧孔を密閉し且つ燃料棒
の健全性を保証する良好な品質の溶接が形成される。

【００１７】最適品質の封止溶接部４４を形成するトレ
パン４６の動作原理は、概略的に次の通りである。環状
の端面部分５０の材料は溶接アークを受けて溶融し外向
きに流れる。しかし、溶融物の流れは、環状溝４８の外
壁４８Ａと衝突し、該外壁は溶融物温度と比較し低い温
度の障壁として作用する。この低温障壁の効果で溶融物
の表面張力は断たれて封止溶接部４４の良好な心出しが
実現される。

【００１８】図３〜図５を参照すると、封止溶接、従っ
て、上部端栓２８のガス加圧孔３６を封止するための先
に引用した米国特許明細書に開示されている構成の一部
分が図示してある。この図示の構成においては、軸方向
の溶接電極５２及び端栓ストッパ５４が設けられてい
る。封止溶接部４４を形成するのに用いられる軸方向の
溶接電極５２は、上部端栓２８の平端面４０上のトレパ
ン４６から軸方向に離間した関係で位置付けられる。端
栓ストッパ５４は、トレパン４６から半径方向外方に離
間した関係で上部端栓２８の円錐形の外周面４２に当接
するように配置される。従って、ストッパ５４は、トレ
パン４６の環状溝４８には係合しない。軸方向の溶接電
極５２により上部端栓２８の平端面のトレパン４６に軸
方向に指向された溶接アークを印加すると、アークはト
レパン４６上に心出しされ、トレパンの材料が平端面４
０内に溶融して、その結果、図３及び図４に示したトレ
パン４６は、元々トレパン４６の環状溝４８により実施
的に囲繞されていた領域に渡って延在する浅い凹部５６
に変わる。この凹部５６は、形成された封止溶接部４４
の外面上に位置する。

【００１９】本発明の思想及び本発明による多くの利点
は、以上の説明から理解されるであろう。尚、本発明の
精神及び範囲から逸脱することなく或はその本質的利点
を犠牲にすることなく、実施例、構造及び配列において
種々の変更が可能であることは明らかであり、従って、
上に述べた実施例は単なる例示に過ぎないものと理解さ
れたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の核燃料集合体を部分的に断面図で且つ
一部分を切除して示す立面図である。

【図２】 図１の燃料集合体から取り外した燃料棒の内
の１つの拡大側立面図であって、燃料棒を垂直方向に短
縮し且つ部分的に断面の形態で示す図である。

【図３】 上部端栓のトレパンに封止溶接を完了する前
の状態で、端栓ストッパ組立体及び軸方向の溶接電極を
示す軸方向断面図である。

【図４】 図３の線４−４に沿い上部端栓だけを示す端
面図であって、封止溶接作業を実施する前の平端面の形
態を示す図である。

【図５】 図３に類似の軸方向断面図であって、上部端
栓のトレパンに封止溶接を形成した後の状態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１８…核燃料棒、２６…被覆管、２８…上部端栓（端
栓）、３６…ガス加圧孔（貫通孔）、３６Ａ…外部開
口、３８…円筒状の本体、４０…平端面、４４…封止溶
接部、４６…トレパン、４８…環状溝、５０…環状の端
面部分

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被覆管に取り付けられた端栓の平端面に
   おいて軸方向のガス加圧孔の外部開口を溶接封止する方
   法であって、 （ａ）前記端栓の前記平端面において、前記ガス加圧孔
   の前記外部開口の周囲に、該外部開口を囲繞する環状溝
   と、該環状溝及び該外部開口の間に延在する環状の端面
   部分とを含むトレパンを設け、 （ｂ）前記端栓の前記平端面に設けられた前記トレパン
   に軸方向に指向された溶接アークを飛ばして、前記トレ
   パンの材料を前記平端面内に溶け込ませて前記ガス加圧
   孔に溶接シール部を形成し、以て、前記トレパンが、前
   記溶接シール部上に位置し前記環状溝により元々実質的
   に囲繞されていた領域に渡って延在する浅い凹部となる
   ようにする、 諸ステップを含む端栓の溶接封止方法。
2. 【請求項２】 核燃料棒用の端栓であって、 （ａ）平端面と、該平端面に形成された外部開口で終端
   する軸方向の貫通孔とを有する円筒状の本体と、 （ｂ）前記貫通孔の前記外部開口の周囲を取り巻いて前
   記平端面に画成されていて、前記外部開口を囲繞し且つ
   該外部開口から半径方向外方に離間している環状溝と、
   該環状溝及び前記外部開口の間に延在する環状の端面部
   分とを含むと共に、該環状の端面部分の直径に対する前
   記環状溝の深さの比が約１：３〜１：６の範囲内にあ
   る、トレパンと、 を備える核燃料棒用の端栓。