JPH1072642A

JPH1072642A - 耐摩耗合金及びそれを用いた制御棒駆動装置と原子炉

Info

Publication number: JPH1072642A
Application number: JP8246929A
Authority: JP
Inventors: Kunio Miyazaki; 邦夫宮崎; Jiro Kuniya; 治郎国谷; Masayoshi Sugano; 正義菅野; Masato Koshiishi; 正人越石; Tomomi Shiraki; 智美白木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 1998-03-17
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JP3427634B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、原子力プラントの制御棒駆動
機構の摺動部にコバルトを含まない耐摩耗材料を適用す
ることによって、コバルトの溶出による放射線量の低減
を図るとともに、高荷重や衝撃荷重下での制御棒の円滑
な駆動を長期間にわたって保証することのできる耐摩耗
性合金及びそれを用いた制御棒駆動装置と原子炉を提供
することにある。【解決手段】本発明は、ニッケルまたは鉄を主成分とす
る合金において、棒状のクロム炭化物を面積比で１０〜
２８.５％有し、基質部のＣｒ量を１０％以上、その硬
さをＨｖ２００〜４００とした耐摩耗合金及びそれをロ
ーラに使用した制御棒駆動装置と原子炉にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は耐摩耗性と同時に耐
食性，耐衝撃性に優れた耐摩耗合金に係り、特に原子炉
プラントの制御棒駆動装置に使用される摺動部材に好適
な耐摩耗合金及びそれを用いた制御棒駆動装置と原子炉
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来原子力プラントにおける摺動部には
コバルト基合金が多く使用されている。たとえば制御棒
のガイド用ローラやブッシュ等にはステライトの鋳造材
が用いられている。このステライトはコバルトを主成分
とし、クロムを２８〜３０％，炭素を１〜２.５％、さ
らにタングステン，鉄，ニッケルを少量含有している。
高クロムであるために耐食性が良く、また高炭素である
ために硬さが高く耐摩耗性に優れている。しかしなが
ら、この合金部材が高温高圧の原子炉水中におかれると
コバルトが炉水中に溶出し、これが燃料被覆管表面に付
着して放射化され、再び溶出して炉水中を循環する。そ
の結果、プラント定期検査や補修時における被爆線量が
増大し運転休止期間が長期化してプラントの稼働率を低
下させる。このようなコバルトの溶出による線量の増大
を防止するにはコバルト基合金に替わる耐摺動材料を適
用する必要が有る。コバルトを成分元素としないローラ
及びブッシュ用耐摩耗材料として、既に特公昭59−5222
8 号が開示されている。これはローラ材にニッケル基合
金を用いたものであるが、耐摩耗性がコバルト基合金に
及ばないため機械的荷重の高い摺動部では摩耗による寸
法変化が大きくなり、長期間の使用に耐えられない。ま
た、特公昭58−23454 号にはクロム，ニオブを添加した
ニッケル基合金が開示されているが、ステライトに比べ
衝撃値が低くスクラム時の衝撃荷重に対する信頼性に難
点があった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高温
水中，高荷重下で原子炉制御棒の円滑な駆動を長期間に
わたって保証するため、耐摩耗性がステライトより優
れ、かつスクラム時の高速駆動による衝撃荷重に対して
も信頼性が高く、またコバルトの溶出がなく、被爆線量
を低減し原子力プラントの安全性を高めることのできる
耐摩耗合金及びそれを用いた制御棒駆動装置と原子炉を
提供するにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、重量で、Ｃ
１.０〜３.０％及びＣｒ１２〜５０％を含み、棒状のク
ロム炭化物を有し、クロム炭化物量が面積率で１０〜２
８.５％及び基地のクロム量が１０重量％以上のＦｅ基
又はＮｉ基合金からなることを特徴とする耐摩耗性合金
にある。

【０００５】更に、本発明は重量で、Ｃ１.０〜３.０％
及びＣｒ１２〜５０％を含み、棒状のクロム炭化物を有
し、クロム炭化物量が面積率で１５〜２８.５％及び基
地の室温のヴィッカース硬さが２３０〜２６０であるＦ
ｅ基又はＮｉ基合金からなることを特徴とする耐摩耗性
合金にある。

【０００６】本発明は、重量で、Ｃ１.０〜３.０％，Ｃ
ｒ１２〜５０％及びＡｌ０.１〜4.0％を含み、棒状のク
ロム炭化物を有し、基地のクロム量が１０重量％以上及
び基地の室温のヴィッカース硬さが２００〜３５０であ
るＦｅ基又はＮｉ基合金からなることを特徴とする耐摩
耗合金にある。

【０００７】本発明は、重量で、Ｃ１.０〜３.０％，Ｃ
ｒ１２〜５０％，Ｔｉ及びＮｂの１種以上を合計で０.
１〜１.５％を含み、棒状のクロム炭化物を有し、基地
のクロム量が１０重量％以上及び基地の室温のヴィッカ
ース硬さが２００〜３８０であるＦｅ基又はＮｉ基合金
からなることを特徴とする耐摩耗合金にある。

【０００８】本発明は、重量で、Ｃ１.０〜３.０％，Ｃ
ｒ１２〜５０％，Ｍｏ及びＷの１種以上を合計で０.５
〜１０％を含み、棒状のクロム炭化物を有し、基地の
クロム量が１０重量％以上及び基地の室温のヴィッカー
ス硬さが２００〜４００であるＦｅ基又はＮｉ基合金か
らなることを特徴とする耐摩耗合金にある。

【０００９】本発明は、２次炭化物の量が面積比で５％
以下であることを特徴とする。

【００１０】本発明は、ハウジングと、該ハウジング内
に設けられた中空ピストンと、該中空ピストンを上下に
駆動する駆動ピストンと、前記中空ピストンと前記ハウ
ジング内のチューブとの間で該チューブに設けられたロ
ーラと、該ローラの回転軸となるピンとを備えた制御棒
駆動装置において、前記ローラが前述の合金によって構
成されることを特徴とする。

【００１１】本発明の制御棒駆動装置は、前記ローラと
ピンは該ローラとピンとの摺動幅０.７５mm 当り１kgの
荷重下で、２８８℃高温水中での前記ローラとピンの両
者の摩耗減量が摺動幅７.５mm に対し摺動距離１km当り
１０mg以下の鉄基又はニッケル基鋳造合金によって構成
されることを特徴とする。

【００１２】本発明の制御棒駆動装置は、前記ローラは
前記ピンとの摺動幅０.７５mm 当り１kgの荷重下で、２
８８℃高温水中での摩耗減量が摺動幅７.５mm に対し摺
動距離１km当り８.５mg 以下である鉄基又はニッケル基
鋳造合金よりなることを特徴とする。

【００１３】本発明の制御棒駆動装置において、前記ピ
ンは前記ローラとの摺動幅０.７５mm当り１kgの荷重下
で、２８８℃高温水中での摩耗減量が摺動幅７.５mm に
対し摺動距離１km当り４.５mg 以下である鉄基又はニッ
ケル基鋳造合金よりなることを特徴とする。

【００１４】本発明は、圧力容器と、該圧力容器内に設
けられた燃料集合体と、該燃料集合体間に設けられる制
御棒と、該制御棒を駆動する前述の制御棒駆動装置とを
備えた原子炉であって、該原子炉は燃焼度が４５ＧＷｄ
／ｔ以上であり、前記燃料集合体を構成する最外周のチ
ャンネルボックスはその燃焼度８ＧＷｄ／ｔ当りの曲が
り量が０.８mm 以下及び前記燃焼度４５ＧＷｄ／ｔでの
曲がり量が２.８mm 以下であり、前記制御棒駆動装置が
３０年以上無交換で使用でき、稼働率を８５％以上とし
たことを特徴とする。

【００１５】本発明は、前述の耐摩耗合金よりなること
を特徴とする制御棒駆動装置用ローラにある。

【００１６】原子力プラントの制御棒駆動装置は従来の
水圧駆動式のものから電動モータによる微動駆動が可能
な新しいタイプのものに変わりつつある。この新タイプ
の制御棒駆動装置では中空ピストンの動きを円滑にする
ため、ガイドローラが使用されるが、従来の制御棒用ロ
ーラに比べ桁違いに負荷荷重が大きく、より高い耐摩耗
性が要求される。また、緊急時のピストンの高速駆動に
対しては衝撃荷重による破損に対する高い信頼性が要求
される。

【００１７】このローラにおいて、摩耗は主としてロー
ラ内周面とローラを支持する固定ピンの表面で生ずる。
この場合、摩耗は高温水中における無潤滑摩耗であり、
ローラとピンの相対的なすべり運動による凝着摩耗とな
る。この凝着摩耗においては、接触部で凝着により大き
な剪断応力が発生し、摺動面の損傷が生ずる。この場
合、延性が乏しく硬い材料ではほとんど塑性変形を伴わ
ずに局所破壊が生じ摩耗粉となるが、延性を有する材料
では塑性流動層が形成され、繰返し摺動を受けることに
よって塑性流動層の一部が分離破断し摩耗粉となる。上
記ローラの高速駆動時における耐衝撃性の観点から基地
はある程度軟らかくし、延性を付与する必要がある。し
たがって、耐衝撃性に優れたローラ材の耐摩耗性を向上
するには、まず凝着の頻度を減少し、かつ凝着が生じた
後の塑性流動層の成長を抑制し、さらに塑性流動層自体
を強固にし分離破断を生じにくくすることが肝要であ
る。しかし、従来材料においてはこの塑性流動層の強化
に対しては特に考慮がされておらず、高温水中での耐摩
耗性に限界があった。

【００１８】また、制御棒駆動機構におけるガイドロー
ラは高温水中で長期間使用されるため、それに耐えうる
十分な耐食性も兼ね備えている必要がある。

【００１９】本発明はかかることがらを考慮してなされ
たものである。すなわち、まずローラ，ブッシュ等のバ
ルク材に対し、本発明の最も重要なポイントは形状が比
較的大きなクロム炭化物を軟らかい基質中に分散するこ
とである。この場合、炭化物は摩耗面にかかる荷重を支
えると共に、相手材との凝着の頻度を減少し、塑性流動
層の成長を抑制する効果を有する。すなわち、炭化物が
小さいと表面の塑性流動によって炭化物の表面が合金に
よって完全に覆われるため、凝着が生じ易くなるのに対
し、炭化物がある程度大きいと塑性流動層が炭化物上で
とぎれ、完全に覆われることがないため凝着の発生を抑
制できる。そのためには炭化物のサイズがある程度以上
大きいことが必要である。本発明の合金では縦と横の長
さの和が５０ミクロン以上の場合に優れた耐摩耗性を示
した。クロム炭化物のサイズをある程度大きくするもう
一つの理由は、アンカー効果による塑性流動層の抑制で
ある。２０ミクロン以下になると炭化物によるアンカー
効果が少なくなり塑性流動層が形成され易くる結果、一
度に剥離破断する容積が大きくなり摩耗量も大きくなる
のである。また、クロム炭化物の量も本発明においては
重要な要件である。すなわち、クロム炭化物の量が面積
比で１０％以下では凝着と塑性流動に対する抑制効果が
十分でない。また２５％以上になると相手材であるピン
の摩耗量が増大し全体としては好ましくない。さらに耐
衝撃性の低下も顕著になる。良好な耐摩耗性と耐衝撃性
を両立するにはクロム炭化物の量を面積比で１０〜２５
％とする必要がある。

【００２０】このような粗大なクロム炭化物を得るには
凝固過程で初晶炭化物あるいはニッケルとの共晶炭化物
として液相から直接晶出させればよい。そのためにはク
ロムを含むニッケル中の炭素量を適正範囲に調整する必
要がある。炭素量１.０％以下、好ましくは１.５％以
下ではクロム炭化物の面積比が１０％以下となり、また
３.０％以上、好ましくは２.５％以上になると２５％
以上となるため、１.５〜２.５％を適正な範囲とした。

【００２１】さらに本発明における粗大なクロム炭化物
の重要な作用は剪断応力によって表面の炭化物が細かく
粉砕され、それが塑性流動によって基質中に取り込まれ
て、微細なクロム炭化物が密に分散し基の基質とは異な
った表面層を形成することにある。このような表面層は
強度，硬さが高く、また損傷が生じた部分を埋めるよう
に形成されるので、いわゆる自己補償作用を発現するの
である。このように細かく粉砕されたクロム炭化物が系
外に排出されずに基質部の中に取り込まれるには基質部
の硬さが適度に軟らかいことが重要で、ビッカース硬さ
（Ｈｖ）３５０以下，合金組成により４００以下である
必要がある。これ以上の硬さではクロム炭化物が塑性流
動層中に十分埋込まれず摩耗表面に一部留まって引っ掻
きによるいわゆるアブレッシブ摩耗となり、自材，相手
材の損傷が大きくなり、また、衝撃値の低下が顕著にな
る。基質部の硬さは二次炭化物によって大きく変化し、
Ｈｖ３５０以下とするには、炭化物の溶体化温度以下の
冷却途中や熱処理によって析出する二次炭化物の析出量
を面積比で２％以下に制限する必要がある。硬さの下限
値はクロムを固溶したニッケル及び鉄基質の硬さであ
り、適正範囲をＨｖ２００〜４００とし、合金組成によ
って適正の範囲とした。

【００２２】クロム炭化物相の硬さは相手材への損傷を
できるだけ小さくする観点から重要である。すなわち、
クロム炭化物は他の炭化物形成元素が存在するとそれを
固溶して硬さが高くなり、相手材の引っ掻きによるアブ
レッシブ摩耗を著しくさせ全体としては好ましくない。
粉末焼結法で種々の硬さを有する炭化物を分散させた材
料を用いた摩耗試験結果によると、炭化物の硬さがＨｖ
１３００〜１８００であるクロム炭化物は特に相手材の
摩耗量が少ないこと、またＨｖ２０００以上になると相
手材の摩耗量が急速に増大することがわかった。

【００２３】高温水に対する耐食性を確保する観点か
ら、ニッケルあるいは鉄基質中に固溶した基地のクロム
量は１０重量％以上、好ましくは１２％以上とする必要
がある。これ以下では高温水中での耐食性が充分でな
く、３５％以上、好ましくは２５％以上になるとかえっ
て靭性が低下することから１２〜２５％が適正である。
クロムは凝固時に炭素と反応し、クロム炭化物となって
消費されることから、溶解時の合金組成としては炭素量
に比例してさらにクロムを多く添加し、基地に留まるク
ロム量を確保する必要がある。すなわち、トータルのク
ロム量として１２＋８×Ｃ〜２５＋８×Ｃ％が必要であ
る。

【００２４】本発明の合金は以上示した基本的な３成分
でステライトを十分に超える耐摩耗性が得られるが、さ
らに耐食性向上の観点からモリブデン，タングステン，
ニオブまたはチタンの添加が有効である。モリブデン，
タングステンは主として基質中に固溶し耐食性を高める
が、０.５％以下ではその効果がなく、１０％を超える
と硬さがＨｖ２０００以上の硬い炭化物が２％以上析出
し、衝撃特性が低下すると共に相手材の摩耗量が増加し
好ましくない。１〜５％が好ましい。ニオブまたはチタ
ンの添加は基質中に固溶しているフリ−の炭素を固定し
耐食性を向上するのに効果的なもので、０.１〜１.５％
が適当な範囲でそれ以上では硬いニオブ炭化物が析出
し、衝撃値の低下をきたすと共に相手材の摩耗量を増大
させる。０.１〜０.５％が好ましい。

【００２５】基質相については細かく砕けた硬質相が埋
め込まれるに充分な軟らかさが必要であるとともに、高
温水に対する耐食性を確保することから、Ｈｖ200〜400
の硬さを有し、クロムを固溶したニッケルあるいは鉄基
合金を選んだ。クロム量は１２％以下では高温水中での
耐食性が充分でなく、５０％以上になるとかえって靭性
が低下することから１２〜５０％とし、好ましくは、１
５〜３０％とした。特に、２０〜２５％が好ましい。

【００２６】Ｃは基地を強化し、クロム炭化物を形成す
るのになくてはならないものであるが、１.２％以下で
は耐摩耗性が低く、３.０％を越えると相手材の摩耗を
多くするので好ましくない。より、１.５〜２.５％が
好ましい。

【００２７】Ｓｉは合金粉末を製造する際の脱酸剤等に
添加されるもので、１％以下が好ましい。特に、０.０
５〜０.５％が好ましい。

【００２８】ＭｎはＳｉと同様であり、２％以下が好ま
しく、より０.１〜０.５％が好ましく、Ｓｉと同様に製
造上から無添加とすることができる。

【００２９】Ａｌは耐酸化性及び基地の強化をするため
に０.１〜４.０％添加される。特に、Ｎｉ基合金に対し
ての添加が好ましい。

【００３０】Ｆｅ基合金に対してはＮｉはオーステナイ
ト系ステンレス鋼とするために８〜２０％加えられる。
特に８〜１３％が好ましい。

【００３１】本発明に係る被覆管，スペーサ，チャンネ
ルボックスとして、取出平均燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ以上
に対し以下の組成を有するＺｒ基合金が好ましい。ただ
しウォータロッドには同様に用いられるが、ジルカロイ
２合金を用いることができる。

【００３２】Ｓｎは１％以下では十分な耐食性，強度が
得られず、また逆に２％を越えてもそれ以上の顕著な効
果が得られないだけでなく、加工性を低めるので、１〜
２％とする。特に、１.２〜１.７％が好ましい。

【００３３】Ｆｅは耐食性，耐水素吸収性を高めるのに
０.０２％以上必要であるが、逆に０.５５％を越えて
添加してもそれ以上の顕著な効果はなく、加工性を低め
るので、０.５５％以下とする。特に、０.２２〜０.３
０％が好ましい。

【００３４】Ｎｉは微量で耐食性を顕著に高めるのに
０.０３％以上含有されるが、逆に水素吸収を促進して
脆化を起こすので、０.１６％以下とする。特に０.０５
〜0.10％が好ましい。

【００３５】本発明のＺｒ基合金はＣｒを０.０５〜０.
１５％を含むことができる。Ｃｒは耐食性，強度を高め
るのに０.０５％以上必要であるが、逆に０.１５％を
越えると加工性を低めるので０.０５〜０.１５％とす
る。

【００３６】本発明に係る燃料集合体に用いられるＺｒ
基合金にはジルカロイ２(錫１.２〜１.７％，鉄０.０７
〜０.２０％，クロム０.０５〜０.１５％，ニッケル０.
０３〜０.０８％，残部が実質的にジルコニウム）又は
ジルカロイ４(錫１.２〜１.７％，鉄０.１８〜０.２４
％，Ｎｉ０.００７％以下及び残部が実質的にジルコニ
ウム）があり、これらは前述の合金と組合わせ取出平均
燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ以下のものに応じて使用される。

【００３７】本発明に係る被覆管は、最終熱間加工後、
ジルコニウム基合金のα＋β相又はβ相温度範囲から急
冷する処理を施し、その後冷間加工と焼なまし処理を繰
返すことにより製造されたものであるのが好ましい。特
に、α＋β相温度からの急冷は、その後の冷間塑性加工
性がβ相急冷されたものに比較し高いことから好まし
い。

【００３８】合金は前述のβ相又はα＋β相からの急冷
を施したものが好ましく、その処理は最後の熱間塑性加
工後最後の冷間塑性加工前に施すのが好ましく、特に最
初の冷間塑性加工前に施すのが良い。

【００３９】α＋β相は７９０〜９５０℃、α相は９５
０℃を越える温度より１１００℃以下とするのが好まし
く、これらの温度より流水，噴霧水等により急冷するの
が好ましい。特に、最初の冷間塑性加工前に行うのがよ
く、その場合素管内に水を流しながら外周より高周波加
熱により局部的に加熱する方法が好ましい。

【００４０】この結果、管内面側が焼入れされず延性が
高く、外面側が焼入れされ、耐食性が高いうえ水素吸収
率の高いものが得られる。α＋β相での加熱は温度によ
ってα相をβ相の形成量が異なるかつ、β相が主に形成
される温度を選ぶのが好ましい。α相は急冷しても変ら
ず、硬さの低い延性の高いものであり、β相に変った部
分からの急冷は硬さの高い針状の相が形成され、冷間加
工性が低い。しかし、α相がわずかながらでも混在する
ことによって高い冷間塑性加工性が得られ、耐食性及び
水素吸収率の低いものが得られる。β相として８０％〜
９５％の面積率になる温度で加熱し、急冷すのが好まし
い。加熱は短時間で行い、５分以内、特に５秒〜１分以
内が好ましい。長時間の加熱は結晶粒が成長するととも
に析出物が形成され、耐食性が低下するのでまずい。

【００４１】冷間加工後に焼なまし温度は５００〜７０
０℃が好ましく、特に550〜640℃が好ましい。６４０℃
以下では耐食性の高いものが得られる。この加熱はＡｒ
中、又は高真空中で行うのが好ましい。真空度は１０^-4
〜１０^-5Torrが好ましく、焼なましによって合金表面に
酸化皮膜が実質的に形成させず、表面が無色の金属光沢
を有するのがよい。焼鈍時間は１〜５時間が好ましい。

【００４２】

【発明の実施の形態】

〔実施例１〕表１は摺動摩耗試験に供したローラ材の化
学成分（重量％）を示す。Ａ１〜Ａ５炭素量によって炭
化物量を変えたクロム−炭素−ニッケル３元系合金であ
る。Ｂ１〜Ｂ５はアルミニウムを添加しγ´量(Ｎｉ₃Ａ
ｌ）によって基質部の硬さを変えたニッケル合金あり、
Ｃ１〜Ｃ３はクロム量を変えたものである。Ｄ１〜Ｄ４
はＡ３にモリブデン，ニオブ，チタンを添加したもので
ある。Ｒ１は比較材として用いたコバルト基合金であ
る。コバルト基合金を除いた本発明に関わる合金は精密
鋳造によるニアネットシェイプの素材及び真空溶解によ
るインゴット（５kg）素材とし、これらの素材から外径
１７mm，内径５.５mm，幅７.５mmのローラに加工した。

【００４３】

【表１】摺動摩耗試験において相手材となるピン材の化学成分を
表２に示す。Ｐ１はＡ１〜Ｄ４の本発明のローラと組合
せで試験を行った鉄基合金のピン材であり、Ｐ２はＲ１
のコバルト基合金のローラ材と組合せで試験を行ったコ
バルト基合金のピンである。Ｐ１は溶解で作製したイン
ゴットを熱間鍛造で棒状にし、さらに冷間加工を３０％
行った後、機械加工によりφ５.５mm のピンとした。

【００４４】

【表２】表３は精密鋳造法によるローラ材について摩耗試験結
果、シャルピー衝撃試験結果、高温水中での腐食試験結
果及び基質部の硬さ、Ｃｒ炭化物の面積比を示す。摩耗
試験はローラにピンを挿入して試験機に装着し、ピンを
介してローラをステンレス(SUS316L）製の回転体に１０
kgの荷重で押しつけて行った。試験環境は実炉条件を模
擬した２８８℃高温水中とし、ローラ周速度０.０３ｍ
／ｓ，走行距離１０kmで行い、１km当りの重量減少量
を摩耗減量とした。シャルピー衝撃試験は１０mm角のノ
ッチ無し試験片を用いて行った。また、腐食試験は２８
８℃，溶存酸素０.２ppm ，ｐＨ７.２の高温純水中に２
０００時間放置した時の重量減少量を求めた。

【００４５】

【表３】Ａ１〜Ａ５の炭素量を変えた実質的にクロム−炭素−ニ
ッケル３元合金において、摩耗減量は炭素量すなわちク
ロム炭化物量の増大と共に減少し、面積比で１０％以上
(炭素量１.５％以上）でＣｏ基合金より摩耗量が小さく
なり良好な耐摩耗性を示す。しかし、２５％(炭素量２.
５％）を超えると相手材（ピン）の摩耗量が顕著にな
る。炭素量１.５〜２.５ｗｔ％（クロム炭化物量の面積
比１０〜２５％）の範囲で良好な摩耗特性を示めしてい
る。

【００４６】Ｂ１〜Ｂ４のクロム炭化物量を一定にし、
ニッケル基地の硬さをγ´量と２次炭化物量で変えた場
合の摩耗試験結果からニッケル基地の硬さがＨｖ３００
を超えると摩耗量が増加し、Ｈｖ３５０以上になるとＣ
ｏ基合金よりも摩耗量が大きくなり、衝撃値が著しく低
下することから基地の硬さはＨｖ３５０以下とする必要
のあることがわかる。

【００４７】クロムについてはＣ１〜Ｃ４の結果から、
１２＋８×Ｃ％以下では高温水中での腐食減量がＣｏ基
合金よりも大きくなり、また２５＋８×Ｃ％を超えると
耐食性に対する効果が飽和し、衝撃値の低下が顕著にな
る。

【００４８】Ｄ１〜Ｄ４の結果から１〜５ｗｔ％のモリ
ブデンの添加は耐摩耗性を損なわずに耐食性の向上に効
果があることがわかる。また、１〜５ｗｔ％のタングス
テンも耐食性を損なわずに耐摩耗性の向上に効果があ
る。さらに０.５ｗｔ％以下のニオブあるいはチタンも
高温水中での耐食性の向上に有効である。しかし、これ
らの元素は２次炭化物形成元素であり、上記の量以上に
なると基地の硬さがＨｖ３５０以上となり、かえって摩
耗量が増大する。

【００４９】図２は本発明の代表的な組織（Ａ３）を示
す。黒く見える部分がクロム炭化物である。

【００５０】図３は本発明の合金（Ａ３）のローラ摩耗
断面を示す。表面付近の塑性流動層中には細かく砕かれ
たクロム炭化物が埋め込まれている。

【００５１】図４は腐食減量と基地のＣｒ量との関係を
示す線図である。図に示すように基地のＣｒ量を高める
ことによって腐食が抑制されることが分る。特に、基地
のＣｒ量を１０％以上とすることにより顕著に耐食性が
向上する。より１２％以上で高い耐食性が得られる。

【００５２】図５はローラ及びピンの摩耗量とＣ量との
関係を示す線図である。図に示すように摩耗量はＣ量が
１.５〜２.５％でローラ及びピンともに顕著に少ない。

【００５３】図６はローラの摩耗減量とＣｒ炭化物の面
積率との関係を示す線図である。図に示すようにＣｒ炭
化物の面積率を１０％以上とすることにより摩耗量を約
４mg／km以下とすることができる。特に、２０％以上で
より小さい摩耗量のものが得られる。

【００５４】図７及び図８はローラ及びピンの摩耗量と
基地の硬さとの関係を示す線図である。図７に示すよう
にローラの摩耗量はＣｒ−Ｎｉ−Ｃ系合金においてはそ
の硬さはＣｒ炭化物量によって高められ、その結果ロー
ラの摩耗量を低める。特に、基地の硬さをＨｖで２３０
以上、より好ましくは２４０以上とすることにより摩耗
量を少なくすることができる。Ａｌを含む合金のＢシリ
ーズのものはＡｌの含有量を高めるとともに硬さが増
し、特にＨｖで３５０以上で著しく摩耗量が増大する。
また、Ｎｂ及びＴｉを各々１.５％含むＤ３及びＤ５の
合金はＨｖで380以上では顕著に摩耗量が多くなる。Ｍ
ｏ及びＷを含むＤ１及びＤ６は基地の硬さが高くなるが
摩耗量は変らず高い耐摩耗性を有する。

【００５５】図８に示すようにピンの摩耗量はＣｒ−Ｎ
ｉ−Ｃ系では基地の硬さ（Ｈｖ）が２６０以上で急激に
増大する。また、Ａｌを含むＢシリーズでは基地の硬さ
（Ｈｖ）が３６０以上で摩耗量が増大する。Ｍｏ，Ｗに
おいてはＨｖで４００及びＴｉ及びＮｂにおいても４０
０程度までは大きな摩耗量にはならない。

【００５６】図９はローラ及びピンの摩耗量とＡｌ量と
の関係を示す線図である。Ａｌを含有させることによっ
て基地の硬さが急激に高められ、逆にローラ及びピンと
ともに耐摩耗性が低下する。特に４％以上で高い摩耗が
生じる。

【００５７】図１０はローラ及びピンの摩耗量とＭｏ，
Ｎｂ，Ｔｉ及びＷ量との関係を示す線図である。図に示
すようにＭｏ及びＷは５％程度までは摩耗量は増加しな
いので耐食性の向上には有効である。Ｔｉ及びＮｂは特
にローラにおいては急激に摩耗量を増加するのでＴｉ及
びＮｂ量をともに１.５％以下とするのが好ましい。〔実施例２〕図１１は沸騰水型原子炉炉心の部分断面図
である。

【００５８】本原子炉は蒸気温度２８６℃，蒸気圧力７
０.７atgで運転され、発電出力として５００，８００，
１１００ＭＷの発電が可能である。各名称は次の通りで
ある。炉心は、中性子源パイプ５１，炉心支持板５２，
中性子計装検出管５３，制御棒５４，炉心シュラウド５
５，上部格子板５６，燃料集合体５７，上鏡スプレイノ
ズル５８，ベントノズル５９，圧力容器蓋６０，フラン
ジ６１，計測用ノズル６２，気水分離器６３，シュラウ
ドヘッド６４，給水入口ノズル６５，ジェットポンプ６
６，蒸気乾燥機６８，蒸気出口ノズル６９，給水スパー
ジャ７０，炉心スプレイ用ノズル７１，下部炉心格子７
２，再循環水入口ノズル７３，バッフル板７４，制御棒
案内管７５を具備している。

【００５９】前述の上部格子板５６はリム胴２１，フラ
ンジ２２及びグリットプレート３５を有し、これらには
SUS316鋼多結晶の圧延材が用いられる。グリットプレー
ト３５は互いに交叉しているだけで互いに固定はされて
いない。また、炉心支持板５２は同じくSUS316鋼多結晶
圧延材が用いられ、一枚の圧延板により製造され、燃料
支持金具を取り付ける穴が設けられ、円周面で炉容器に
固定される。従っていずれも中性子照射を受ける中心部
では熔接部がない構造である。

【００６０】図１は電動モータによる微動駆動可能な制
御棒駆動機構の断面図である。表１の試料Ａ３のローラ
と表２に示したＰ１のピンを実施例１と同様に製作し３
２組装着し、４０年に相当する負荷駆動試験を実炉を模
擬した高温水中循環で行った。その結果、ローラ及びピ
ンとも摩耗による寸法変化は僅少で設計基準を十分満足
するものであった。また、スクラム駆動時の衝撃荷重で
の破損も全くみられなかった。

【００６１】本実施例における制御棒駆動機構はモータ
３によって回転するピストン駆動用ネジ９を通して駆動
ピストン７により中空ピストン４を介して制御棒１を上
下に駆動するものであり、原子炉圧力容器２に溶接によ
って接続される。制御棒１は制御棒案内管５の中で駆動
される。水圧駆動ピストン１０は緊急時に水挿入配管８
より水を挿入することにより制御棒１を上方に急速に持
ち上げるようにするもので、駆動ピストン７とは分離さ
れている。特に高温水に接する部分はSUS316Lが使用さ
れる。また、制御棒１は自重で落下する構造になってい
る。

【００６２】また、本実施例におけるローラとピンは図
示されるＡ〜Ｈの各々の位置中空ピストン４とハウジン
グ６内に設けられた各種チューブとの間に中空ピストン
がスムースに移動できるように設けられている。Ａはバ
ッファ部で、上下に２個所あり、各々４ヶずつ９０度間
隔で設けられる。Ｂはストップピストン部、Ｃはスピン
ドルヘット部、Ｄはボールねじ上部、Ｅはラッチ支持
部、Ｆはラッチ外側面、Ｇは中空ピストン／ボールナッ
ト部で各々２ヶ所に各４個ずつ設けられる。Ｈはミドル
フランジ部で、円周上に６ヶ設けられる。各部分のロー
ラとピンの形状は次の通りである。

【００６３】図１２はＡ部におけるローラ１６にピン１
７を挿入した断面図であり、ピン１７は押えピン１８に
よって回転が拘束される。ピン１７は３段階の直径を有
する。ローラ１６はピン部で厚肉で、外周面で若干薄肉
になっている。

【００６４】図１３はＣ部における外側部分及び図１４
は同じくその内側部分に設けられる断面が相似の卵形の
ローラ１６にピン１７を挿入した断面図である。Ｄ部は
図６と同じ構造のローラとピンが設けられる。ピン１７
は頭部で太径になっており、ローラ部と頭部との反対面
側までがストレートな構造を有する。

【００６５】図１５はＧ部及び図１６はＨ部におけるロ
ーラ１６とピン１７であり、前者がボールナットローラ
・ピンである。ピン１７は先端部を円錐形で頭部が若干
ローラ部より大径になっている。

【００６６】図１７は制御棒駆動機構１１によって駆動
される制御棒１，燃料集合体（Ａ），（Ｂ），中央燃料
支持金具１４，炉心支持板１２の組立て配置図である。
図１７（Ａ）はハンドルを有しない燃料集合体で、図１
７（Ｃ）のｂ部に配置される。同じく（Ｂ）はハンドル
を有し図１７（Ｃ）のａに配置される。燃料支持金具１
４は炉心支持板１２に接して固定され、燃料集合体を支
持するものである。制御棒１は本実施例ではシース及び
Ｂ₄Ｃ又はＨｆチューブに表１に示すＮo.５の合金を用
いた。Ｂ₄Ｃ又はＨｆチューブは熱間によって素管を作
った後、ピンガーミルによって冷間圧延と焼鈍とを繰返
して得た。またシースは冷間圧延と焼鈍を繰返し薄板と
した後、溶接によって得た。

【００６７】図１８は本発明に係る沸騰水型原子炉用燃
料集合体の断面図である。

【００６８】ＢＷＲ燃料集合体は、図に示す様に多数の
燃料棒２１とそれらを相互に所定の間隔で保持する複数
段のスペーサ２７、更に、それらを収納すね角筒のチャ
ンネルボックス２４，燃料被覆管内に燃料ペレットが入
った燃料棒２１の両端を保持する上部タイプレート２
５，下部タイプレート２６，スペーサの中心部に配置さ
れたウォータロッド２２，全体を搬送するためのハンド
ル３１から構成される。また、これら燃料集合体の製造
に際しては、通常の工程を経て組立てられる。

【００６９】チャンネルボックス２４はスペーサ２７に
より一体化された燃料棒およびウォータロッド２２を内
部に収納し、上部タイプレート２５と下部タイプレート
２６とはウォータロッド２２で固定した状態で使用され
る。チャンネルボックス２４は二分割した長さ４ｍ，厚
さが８０，１００，１２０ミルの３種のコの字型板加工
材をプラズマ溶接で接合した角筒形状を呈する。この部
材はプラント運転時に燃料棒表面で発生した蒸気及び燃
料棒間を流れる高温水を整流し、強制的に上部へ導く働
きをさせるものである。内部の圧力が外部よりわずかに
高い為、角筒を外側に押し広げる応力が作用した状態で
長期間使用される。

【００７０】本発明における燃料集合体はウォータロッ
ド２２がスペーサ２７の中心部に対称に３本配置されて
おり、いずれも両端でタイプレートにネジで固定され、
またチャンネルボックス２４が上部タイプレート２５に
ネジ止め固定され、燃料集合体がハンドル３１によって
一体で運搬できる構造となっている。本実施例では燃料
棒はタイプレートには固定はされていない。

【００７１】チャンネルボックスは次の様に熱処理が施
され、板厚方向の〈０００１〉結晶方位の配向率（Ｆｒ
値）が０.２５〜０.６、長手方向の配向率(Ｆｌ）が０.
２５〜０.４、幅方向の配向率（Ｆｔ）が０.２５〜０.
４とするものである。好ましくはＦｒ０.２５〜０.５、
Ｆｌ０.２５〜０.３６，Ｆｔ０.２５〜０.３６とするの
が好ましい。熱処理によりこのように配向させることに
より、βＺｒ結晶粒径が平均で５０〜３００μｍ（好ま
しくは１００〜２００μｍ）となり、著しく照射伸びが
防止され、その結果曲がりが生ぜずチャンネルボックス
と制御棒との干渉が防止される。これにより燃焼度４５
ＧＷｄ／ｔ以上でも周辺に配置したものでも曲がりが生
ぜず、更に５０、又は６０ＧＷｄ／ｔでも全く問題なく
使用可能である。また、従来の燃焼度３２ＧＷｄ／ｔに
対し燃料を交換しての使用も可能である。

【００７２】特に、従来材のＦｒ０.６７，Ｆｌ０.１
１，Ｆｔ０.２２のものは最外周での曲がりが１年
（燃焼度８ＧＷｄ／ｔ）で０.９mm であり、Ｆｒ０.６
では０.８mm，Ｆｒ０.５では０.４５mm 、Ｆｒ０.４
では０.１５mm である。従って、燃焼度４５ＧＷｄ／ｔ
ではＦｒ０.６７の従来材では最外周に１年、中心部に
４.５年としても制御棒の干渉は防止されない。しか
し、Ｆｒ０.６では最外周に１年とし、中心部で４.５
年の使用では干渉は防止される。Ｆｒ０.５では最外周
に４年、中心部に１.５年の使用で干渉は防止される。
Ｆｒ０.４以下では最外周だけで５.５年使用しても全
く干渉しない。

【００７３】チャンネルボックスは合金組成として表４
に示すジルコニウム基合金板材をコの字型に冷間曲げ加
工し、長さ：４ｍの２つのコの字型部材とし、これらを
レーザ又はプラズマ溶接して角筒１２とした。溶接部の
凹凸は平担に仕上げられる。この角筒を高周波誘導加熱
によるβ相温度範囲への加熱及び高周波誘導加熱コイル
の直下に設けたノズルから吹き付ける冷却水で急冷し
た。角筒が一定速度で上方から下方へコイル内に通過す
ることにより全体の熱処理が完了する。加熱温度は１１
００℃で、９８０℃以上の保持時間は１０秒以上となる
ように角筒の送り速度及び高周波電源の出力を調整し
た。尚、処理温度は１,０００〜１,２００℃好ましくは
特に、１０５０〜１１００℃で３〜１０秒保持すること
により行うことができる。熱処理完了後、幅：４０mm，
長さ４０mmの試験片を切り出しＦ値を測定した。表５
は、その測定結果を示す。熱処理パラメータ(Ｐ）は１.
９６である。熱処理はオーステナイトステンレス鋼製マ
ンドレル１８を筒１２にネジ３で両端を固定して行っ
た。表からわかる様に６角柱の（０００２）底面、柱面
が（１０１０）面共にＦ値としてＦｒ，Ｆｌ及びＦｔの
いずれもほぼ１／３となり、完全にランダムな結晶方位
の配向となる。このもののβＺｒ平均結晶粒は約１００
μｍであった。この熱処理を施した後、高寸法精度に成
形サンドブラスト処理及び酸洗を行い、表面酸化膜を除
去した後、水蒸気によるオートクレーブ処理が施され
る。

【００７４】

【表４】

【００７５】

【表５】更に、チャンネルボックスの他の例として前述の肉厚一
定のものに対し、角部が辺部の肉厚より厚く、辺部が上
部でその下部より薄肉になっている長手方向肉厚分布を
有するものにした。このような成形加工は熱処理後に行
われる。成形加工はマスキングして弗化水素と硝酸の混
酸水溶液による化学エッチング又は機械加工によって行
われ、本実施例では外面側を加工し凹したものである。
このような肉厚分布は内面側で凹にしてもよい。

【００７６】本実施例によれば、各部材はいずれも３０
年無交換で使用可能となり、更に検査によって４０年で
無交換で使用できる見通しが得られた。原子炉温度は２
８８℃であり、１２ヶ月運転後で１回当り５０月以内、
好ましくは４０日以内、特に好ましくは３０日での定期
点検が繰返し実施されるとともに、稼働率８５％以上、
より好ましくは９０％以上、特に好ましくは９２％，熱
効率３５％とするものである。

【００７７】なお、上記の説明は原子炉制御棒駆動装置
のピストンに使用されるガイド用ピン及びローラとブッ
シュに適用する場合について説明したが、本発明はこれ
に限定されるものではなく、原子炉以外に使用される部
品に対しても適用できるものである。

【００７８】

【発明の効果】本発明によれば、合金組成としてコバル
トをまったく含まないので、制御棒駆動装置における摺
動部材や弁における肉盛材として使用された場合、高温
高圧の炉水中へのコバルトの溶出がないので誘導放射化
による被爆線量を低く押さえることができる。また、耐
摩耗性がステライトより優れているので、摩耗による摺
動部材の寸法変化が少なく、また焼き付き等により軸受
部のスム−ズな回転が損なわれることがなく、信頼性の
高い原子力プラントの運転が可能となる。さらに耐腐食
性，耐衝撃性に優れているので長時間の運転や緊急時の
高速駆動に対しても高い信頼性を確保できる等の効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】制御棒駆動装置の断面図。

【図２】本発明合金の断面の金属組織を示す顕微鏡写
真。

【図３】本発明合金の摩耗試験後の断面の金属組織を示
す顕微鏡写真。

【図４】腐食減量と基地のＣｒ量との関係を示す線図。

【図５】摩耗量とＣ量との関係を示す線図。

【図６】ローラの摩耗減量とＣｒ炭化物の面積率との関
係を示す線図。

【図７】ローラの摩耗減量と基地の硬さとの関係を示す
線図。

【図８】ピンの摩耗量と基地の硬さとの関係を示す線
図。

【図９】摩耗減量とＡｌとの関係を示す線図。

【図１０】摩耗減量と含有量との関係を示す線図。

【図１１】原子炉の部分断面図。

【図１２】ピンとローラの断面図。

【図１３】ピンとローラの断面図。

【図１４】ピンとローラの断面図。

【図１５】ピンとローラの断面図。

【図１６】ピンとローラの断面図。

【図１７】制御棒駆動機構と燃料集合体と制御棒との組
立図。

【図１８】燃料集合体の断面図。

【符号の説明】

１，５４…制御棒、２…圧力容器、３…モータ、４…中
空ピストン、５…制御棒案内管、６…ハウジング、７…
駆動ピストン、８…水挿入配管、９…ピストン駆動用ネ
ジ、１０…水圧駆動ピストン、１１…制御棒駆動機構、
１２…炉心支持板、１３，２１…燃料棒、１４…燃料支
持金具、１５，２４…チャンネルボックス、１６…ロー
ラ、１７…ピン、１８…押えピン、２７…スペーサ、７
５…制御棒案内管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ２１Ｃ 7/12 ＧＤＢＧ２１Ｃ 3/30 ＧＤＢＨ (72)発明者越石正人茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者白木智美茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量で、Ｃ１.０〜３.０％及びＣｒ１２〜
５０％を含み、棒状のクロム炭化物を有し、クロム炭化
物量が面積率で１０〜２８.５％及び基地のクロム量が
１０重量％以上のＦｅ基又はＮｉ基合金からなることを
特徴とする耐摩耗合金。
【請求項２】重量で、Ｃ１.０〜３.０％及びＣｒ１２〜
５０％を含み、棒状のクロム炭化物を有し、クロム炭化
物量が面積率で１５〜２８.５％及び基地の室温のヴィ
ッカース硬さが２３０〜２６０であるＦｅ基又はＮｉ基
合金からなることを特徴とする耐摩耗合金。
【請求項３】重量で、Ｃ１.０〜３.０％，Ｃｒ１２〜５
０％及びＡｌ０.１〜４.０％を含み、棒状のクロム炭化
物を有し、基地のクロム量が１０重量％以上及び基地の
室温のヴィッカース硬さが２００〜３５０であるＦｅ基
又はＮｉ基合金からなることを特徴とする耐摩耗合金。
【請求項４】重量で、Ｃ１.０〜３.０％，Ｃｒ１２〜５
０％，Ｔｉ及びＮｂの１種以上を合計で０.１〜１.５％
を含み、棒状のクロム炭化物を有し、基地のクロム量が
１０重量％以上及び基地の室温のヴィッカース硬さが２
００〜３８０であるＦｅ基又はＮｉ基合金からなること
を特徴とする耐摩耗合金。
【請求項５】重量で、Ｃ１.０〜３.０％，Ｃｒ１２〜５
０％，Ｍｏ及びＷの１種以上を合計で０.１〜１０％を
含み、棒状のクロム炭化物を有し、基地のクロム量が１
０重量％以上及び基地の室温のヴィッカース硬さが２０
０〜４００であるＦｅ基又はＮｉ基合金からなることを
特徴とする耐摩耗合金。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかにおいて、２次炭
化物の量が面積比で５％以下であることを特徴とする耐
摩耗合金。
【請求項７】ハウジングと、該ハウジング内に設けられ
た中空ピストンと、該中空ピストンを上下に駆動する駆
動ピストンと、前記中空ピストンと前記ハウジング内の
チューブとの間で該チューブに設けられたローラと、該
ローラの回転軸となるピンとを備えた制御棒駆動装置に
おいて、前記ローラが請求項１〜６のいずれかに記載の
合金によって構成されることを特徴とする制御棒駆動装
置。
【請求項８】ハウジングと、該ハウジング内に設けられ
た中空ピストンと、該中空ピストンを上下に駆動する駆
動ピストンと、前記中空ピストンと前記ハウジング内の
チューブとの間で該チューブに設けられたローラと、該
ローラの回転軸となるピンとを備えた制御棒駆動装置に
おいて、前記ローラとピンは該ローラとピンとの摺動幅
０.７５mm 当り１kgの荷重下で、２８８℃高温水中での
前記ローラとピンの両者の摩耗減量が摺動幅７.５mm に
対し摺動距離１km当り１０mg以下の鉄基又はニッケル基
鋳造合金によって構成されることを特徴とする制御棒駆
動装置。
【請求項９】ハウジングと、該ハウジング内に設けられ
た中空ピストンと、該中空ピストンを上下に駆動する駆
動ピストンと、前記中空ピストンと前記ハウジング内の
チューブとの間で該チューブに設けられたローラと、該
ローラの回転軸となるピンとを備えた制御棒駆動装置に
おいて、前記ローラは前記ピンとの摺動幅０.７５mm当
り１kgの荷重下で、２８８℃高温水中での摩耗減量が摺
動幅７.５mm に対し摺動距離１km当り８.５mg 以下であ
る鉄基又はニッケル基鋳造合金よりなることを特徴とす
る制御棒駆動装置。
【請求項１０】ハウジングと、該ハウジング内に設けら
れた中空ピストンと、該中空ピストンを上下に駆動する
駆動ピストンと、前記中空ピストンと前記ハウジング内
のチューブとの間で該チューブに設けられたローラと、
該ローラの回転軸となるピンとを備えた制御棒駆動装置
において、前記ピンは前記ローラとの摺動幅０.７５mm
当り１kgの荷重下で、２８８℃高温水中での摩耗減量が
摺動幅７.５mm に対し摺動距離１km当り４.５mg 以下で
ある鉄基又はニッケル基鋳造合金よりなることを特徴と
する制御棒駆動装置。
【請求項１１】圧力容器と、該圧力容器内に設けられた
燃料集合体と、該燃料集合体間に設けられる制御棒と、
該制御棒を駆動する請求項７〜１０のいずれかに記載の
制御棒駆動装置とを備えた原子炉であって、該原子炉は
燃焼度が４５ＧＷｄ／ｔ以上であり、前記燃料集合体を
構成する最外周のチャンネルボックスは燃焼度８ＧＷｄ
／ｔ当りの曲がり量が０.８mm 以下及び前記燃焼度４５
ＧＷｄ／ｔでの曲がり量が２.８mm 以下であり、前記制
御棒駆動装置が３０年以上無交換で使用でき、稼働率を
８５％以上としたことを特徴とする原子炉。
【請求項１２】請求項１〜６のいずれかに記載の耐摩耗
合金よりなることを特徴とする制御棒駆動装置用ロー
ラ。