JPS5916955A - 冶金学的条件の制御による原子炉部品における成長差の抑制法 - 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】 魚貝！ＵＵ先 ある種の沸騰水型原子炉におりる燃料集合体は燃料棒と
水棒を含む。通例、両種の棒の被覆容器はジルカロイ−
２とジルｊＪｔ］イー４のようなジルコニウム合金から
製造される。燃料棒は二酸化ウランペレツ１〜のような
燃料物質を内蔵し、他り水棒は水を通ず。

原子炉が運転状態にある時、ジルコニウム合金は或石の
照射成長をポリ−０照射成長の量は、合金材質、温度、
中性子エネルギー、中性子束等の多くの因子に依存する
。燃料ペレットと被覆容器との機械的相互作用は、燃料
棒に、水棒には存在しない成長成分を導入りる。これに
より燃料棒と水棒との間に照射成長差が生ずる。放射線
照射量が増加するにつれ、ペレツｌ−と被覆材との機械
的相互作用（ＰＣＭＩ）が増大し、その結果燃料棒と水
棒との照射成長差が増大り゛る。

このような核燃料集合体では、燃料棒は、上下両結合板
間に長手方向に位置づけられ、両結合板において、燃料
棒の端部は、例えば、結合板の穴にはめ込まれたスタッ
ドを有する端栓により固着ｄれている。水棒も両結合板
間に長手方向に位置づ（）られ、そしＣ同様に、結合板
の対応り−る穴にはめ込まれたスタッドを有する端栓の
ような手段により固定されている。

燃料棒と水棒との間には、通例、軸方向照射成長差が存
在−４る。小さな軸方向照射成長差の場合、例えば、上
側結合板と燃料棒被覆の上端との間に伸縮ばねを組込む
ことによりそれに対処しうる。

伸縮ばねは端栓スタッドの一部分の周りに配置される。

上下結合板間の距離は燃料棒の軸方向照射成長に応じて
増大づる。燃料棒と水棒との軸り向照躬成艮差は伸縮ば
ねによつ−Ｃ補償できないほど大きくなる可能性があり
、そうなると、水棒の単数または複数の端栓スタッドが
上下いずれかの結合板から１ｌｆｌ脱りるおそれがある
。

発明の要約 本発明によれば、ジルコニウム合金のような異方性金属
１．ｓ　＋ら作られた第１被覆管と第２被覆管と１ｚ相
異なる照射成長率を与える方法が提供される。

本方法は、各被覆管の結晶組織を調整りることがら成り
、この揚合少ない照射成長は金属の結晶組織が低エネル
ギー形態または低エネルギー状態【こある時に生じ、他
方金属の結晶組織がもつと高０エネルギー状態にある時
もつと大きな照射成長が起こる。

各被覆管における異方性金属の結晶組織を調整する好ま
しい手段は、所望の結晶１］織を実現づるよう管製造ス
ケジュールを適正に選定りることがら成る。

さらに詳述すると、本方法は、好ましくはジルコニウム
合金である異方性金属製の第１被覆管を第１製造スケジ
ユールにより形成りることを包含覆る。最終寸法は選↑
Ｒされた冷間加工断面減少」二程により得られ、この断
面減少く減面）は金属の結晶組織に高いエネルギー状態
を与える。最終冷間減面に続いて、第１被覆管は、その
金属が少なくとも部分的に再結晶してもつと低い」−ネ
ルギー状態になりつるように選択された温度Ｃかつよｌ
ζそのように選択された時間熱処理される。

第１被覆管と同じ金属製の第２被覆管を第２製造スケジ
ユールにより形成する。第２製造スクジ−１−ルは所定
のＲ縮寸法を得るために選択した冷間減面工程を含み、
最終寸法は第１被覆管とほぼ同じにしうる。その後、第
２被覆管は第１被覆管より少ない再結晶を誘起するに充
分な選定温度で選定時間熱処理され、これにより第１被
覆管の結晶組織より高いエネルギー状態の結晶組織を確
保する。

第２被覆管はその一層高いエネルギー状態により第１被
覆管より大きな照射成長を示づことになる。

こうして、金属の結晶学的組織のエネルギー状態は、管
製造スケジュールにおける最終冷間減面の程度と、最終
冷間減面に続く熱処理の温度と、その熱処理の時間を制
御することにより調整される。

本発明の好適実施例は、水冷型原子炉において燃料棒と
水棒の照射成長を制御することから成る。

被覆管製造スケジュールの適正な選定により、沸騰水型
原子炉運転条件下で燃料棒にり照射成長が通例少ない水
棒が、燃料棒と実質的に対等な照射成長を示しうる。

本発明のこれらおよびその他の特徴や利点は、添付図面
と関連覆る以下の詳細な説明から一層良く理解されよう
。

詳細な説明 本発明の主要用途は、添イ」図面の部分切除断面図に例
示するような核燃料集合体の製造であり、この場合、原
子炉の運転状態において水棒の被覆容器は燃料棒のそれ
と実質的に等しい照射成長をフローチャネル１１から成
り、これは上端においＣ１上側結合板に取付けられた昇
降用取手１２を備え、そし−Ｃその下端において突端片
（集合体１０の下部が省略され−でいるので図示してな
い）を備える。チャネル１１の上端は１３において開口
しそして突端片の下端には冷却材流通開口が設けられて
いる。燃料棒１４と水棒１５とを交Ｌ１に配列したもの
がチ１７ネル１１内に収納されそしＣその内部で上側結
合板１６と下側結合板（集合体下部省略のため図示せず
）とによって支持されている。

液体冷却材は通富、突端片の下端に設りた間口を通って
流入し、そして一部は入口孔（図示せず〉を通って水棒
内に流入して水棒内を上りに流れ、水棒の出口孔１７を
通って流出した後、が湿状態ぐチャネルの出口１３から
流出り−る。冷却材はまた燃料棒と水棒との間の空間を
通ってチャネル内を上方に流れる。木管の外側の冷却材
は、通例、少なくとも部分的に蒸気になった状態で出口
１３を通つ−（チャネルから放出される。

核燃料棒１４の両端は、被覆１９〜溶接された端栓１８
により密判されている。端栓１８は、集合体内での燃料
棒の取イ４りを容易にづるためのスタッド２０を含む。

各燃料要素′すなわち燃料棒のＱｉ部には、核燃ｒ１物
質ベレット２２の長手方向光ＤＩＱと核燃料物質から放
出されるカスのＮｌｌ留を許容するよう空間２１が設け
られＣいる。らｌυ部１の形態をなす一核燃料物質保持
手段２４が、特に燃料要素の取扱いと輸送中にペレッ１
〜集積社が軸方向に変位しないよう拘束力を与えるため
に空間２１内に配置されている。伸縮ばね２３が、照射
成長による燃料棒間の軸方向伸長差店燃料棒と水棒との
間の軸方向伸長差を許容りるＩ〔めに各燃料棒の上端と
上側結合板との間に位置づりられＣいる。

水棒１５は中空であり、そして両端が、被覆２６に溶接
された端栓２５によっＣ密ト１され（いる。

端栓は、燃料棒と同様に、集合体内での水棒の取付【プ
を容易にするスタンド２７を含む。水棒は、下側端栓の
上方の入口孔（図示ｌ！ず）と上側端栓２５の下方の出
口孔１７を有り−る。もし選択した半径方向においＣ冷
却材を水棒に流入または流出させることを望むなら、両
端栓の一方または両ノｉを正方形断面のスタッドで構成
しうる。その場合、スタッドは対応づる正方形断面の結
合板孔内に挿入される。水棒と燃料棒との間の成用の照
射成長差をｎ容づるため伸縮ばね２８がやはり各水棒被
覆の上端と上側結合板との間に設けられＣいる。

等方性金属は照射成長をほとんどまたは実質上全くなさ
ないので、本発明は特に異方性金属に適合りる。異方性
金属は異なる結晶学的方向に沿って異なる性質を示す金
属である。原子炉においてＱｆ適に用いられる異方性金
属はジルコニウムの台金ぐあり、特に好適なジルコニウ
ム合金はジルカロイ−２とジルカロイ−４である。

シルカ１」イー２は、重量で約１．５％の錫と、０．１
２％の鉄と、０．０９％のクロムと、０１００５％のニ
ッケルを含有し、水冷型原子炉において広範に使用され
ている。ジルカロイ−４はジルカロイ−２よりニッケル
の含有量が少なくそして鉄の含有■がわずかに多いが、
その伯の点ではジルノＪ　Ｉ’ｌイー２と同じである。

上述したような燃料集合体における燃料棒と水棒の被覆
を本発明の原理に従って製造しうる。

被覆は筒形管材から機械的な冷間減面によって作られる
。管材は通例その材料の中空ビレッｌ−７Ｊ１ら押出し
加工により得られる。

冷間減面はピルガ−（Ｐｉｌｇｅｒ）圧延機におり。

る揺動プロセスのような様々の技術により達成しうる。

ピルガ−圧延機において、厚肉の管材は特殊なロールを
通過づ”る。これら■−ルはその周囲に沿って断面形状
が変化し、従って、ロールが回転する時ロール間の間隔
が変化りる。管は心棒に固定され、その後人きい方の半
径を有づるロール部分によって把持される。管がロール
間を進行りるにつれ、管の肉厚は減少し続け、最終的に
ロールはその小さい方の半径を有する断面部分に管が達
り−るまで回転を完了し、従って管はもはや把持されな
い。その後、管は選定距離だ【ノ引戻され、ここで再度
管の厚肉部分が大きい方の半径を右すされる。

一般に、幾回かの冷間加工バスが行われて最終１法の管
が得られる。各減面パス接に、管材は浄化されそして熱
処理される。

管厚減少工程にＪ３いて生じる過酷な冷間加工は金属晶
子の形状をゆがめそして晶子内に多くの結晶欠陥を発生
さける。冷間加工された金属は比較的高い１ネルギー状
態にあり、熱的に安定ひない。

冷間減面パス後の熱処理は、金属原子に移動能力を与え
るために熱を使用り−るものぐあり、そうづると金属原
子はもつと低いエネルギー状態に再配列されうる。これ
は再結晶と呼ばれそして温度と１１．１間の関数である
が、温度がより敏感な因子である。

本発明の実施に従えば、管製造スケジュールが燃料棒と
水棒とで異なる。最終冷間減面パスにより最終寸法を得
た後、燃料棒は、通例、実質的に完全な再結晶をもたら
り−に十分Ｃあるが結晶粒を過大に成長さけるには不十
分であるよう時間ど温度を選択した熱処理を受りる。ジ
ルコニウム合金の場合、この熱処理すなわち焼鈍段階に
対する適当な温度と時間は、約１０００°Ｆから約１３
００°　「まＣの範囲と、約１〜１５時間、好ましくは
約２〜５時間Ｃある。

使方、水棒は、最終冷間減面パスによりＲ終用法を得た
後、燃料棒にお（）る場合より少ない程度の再結晶を合
金に与える時間と温度で熱処理される。好ましくは、熱
処理は、部分再結晶りなわら応力緩和をもたらりか金属
結晶組織の完全再結晶をもたらさないように選択される
。ジルコニウム合金に対しては、この熱処理に３＝１　
、する好ましい温度と時間は、約８２５°Ｆへ・約９５
０’Ｆと、約１〜４時間である。

照射による軸方向すなわら長手方向伸長の程度は、被覆
管のエネルギー状態を決定りる最終熱処理段階において
生じる再結晶の■に依存りる。完全に再結晶された管は
、部分的にのみ再結晶された管より少ない照射成長を示
り一０燃石棒は、中性子束内で２つの効果、号なわら、
管金属の結晶学的状態の照射誘起変化と、ペレットと被
覆の機械的相互作用とにより伸長する。水棒は照射によ
り誘起される結晶学的変化しか起こさない。水棒の金属
を部分的にのみ再結晶覆ることにより、結晶学的変化に
よる伸長は増大されるのＣ１水棒の伸民度は燃＊）１棒
に作用ｊる２つの効果の和にょる燃料棒伸長度と一層良
く近似しうる。

二しネルギー状態はまた、最終熱処理に加えて、最終減
面パスにｄ５りる冷間減面の程度により変更されうる。

肉厚の大きな減少は一層多くのひずみと結晶欠陥を（ｑ
与し、従ってその金属は減面度のもっと低い場合より相
対的に高いエネルギー状態となる。従っ−Ｃ，Ｒ終減面
度が管に所望用の結晶欠陥を（（Ｊ　向ｒＪるように燃
料棒と水棒どの間で所望Ｒ終勺法を得るまひの冷間減面
回数を変え、これにより管の結晶組織に選択されたエネ
ルギー水準を誘起することが望ましいかもしれない。一
層多大な冷間減面を水管に適用することにより、管形成
の最終段階にあい−Ｃもつと少ない冷間減面を受ｔ］る
燃１１棒におけるより大きな固有照射成長能力を水棒に
もたせることができる。

被覆管の最終エネルギー水準は冷間減面と熱処理の組合
せによる。これら２つの因子は相互に依存しあうから、
過剰の冷間減面は、時間を長くしたまたは温度を高くし
た熱処理により補償され臂、こうし−Ｃ所望の１ネルギ
ー水準を得ることができる。

例えば、沸騰水型原子炉におい−Ｃ実買上均等の照射成
長を有する燃料棒と水棒を製造りるために。

以下にｊホベる管製造スクジ１−ルを使用できる。

燃料棒用の第１被覆管は、ＡＳＴＭＢ３５３、等級ｒ＜
　Ａ　−１に従うシルカ［１イ一２合金のビレットから
製造される。ビレツｌ−は機械加工と浄化処理を受りそ
して長さほぼ９．０インチ、外径的５゜７４インチ、内
径的１．６６インチの１法を持つ。

このビレットは、毎分約６インチの押出速度、約６：１
の減面比、約１１００’Ｆの温度ｄ５よび約３５００ト
ンの押出力を用いて押出されて筒形の被覆管材となる。

孔と浮遊式心棒を除く全ビレッＩ−表面が水溶性潤滑剤
で潤滑される。

管材の最終減面はピルガ−圧延機にあける冷間加■によ
り達成される。

減面前の管材は約２．５インチの外径と約０゜４３０イ
ンチの肉厚をイｊする。管材は、脱脂剤で浄化された後
、せつ（プんを基とりるアルカリ性溶液Ｃ浄化される。

この管イΔは約１１５０’Ｆにおいて約１時間焼鈍され
る。

ピルガ−圧延機において第１減面パスを行い、約１．４
５インチの外径ど約０．２２０インヂの肉厚を石づる管
材を作る。その後、管材を前のように浄化しそしＣ約１
１５０’Ｆで約１時間焼鈍りる。

次いで、ビルカー圧延機において第２減面パスを行い、
０．８００インチの外径と０．０９５インチの肉厚を右
りる管を作る。この管も浄化しそし℃約１１５０°Ｆｒ
約１時間焼鈍づ゛る。

その後、燃わ１棒製造用の第１管月はピルカー圧延機に
ａ３いて第３の最終減面を受け、肉厚が約７６％減らさ
れ、こうして０．４９５インチの外径と０．０．３５イ
ンチの肉厚を有する第１被覆管が作られる。管は再度浄
化されそして約１０７０゜Ｆで約２．５時間焼鈍されて
最終製品となる。水棒として使用されるシルカロイ−２
製の第２被覆管は、ピルガ−圧延機にお（］る第第２減
パスを経る段階ま０燃料棒についＣ上述したようにしＣ
作製される。第２減面パス後、管材は脱脂剤と、μつり
んを基とづるアルカリ性溶液とで浄化される。

管材はその後約１１５０°Ｆ’ｒ約・１時間焼鈍される
。

ピル刀−圧延機で肉厚を約６０％減らす第３減面パスに
より、約０．６２０インチの外径と０゜０３フインチの
肉厚を有１−る管材を形成する。この管も前と同様に浄
化しそして約１１５０’Ｆで約１時間焼鈍する。

ピルガ−圧延機で肉厚を約２０％減らす第４の最終減面
パスにより、０．５９３インチの外径と０．０３１イン
チの肉厚を有づる第２゛被覆管を形成する。

最終冷間減面後、第２被覆管を約９５０’Ｆ−ｃ約４時
間熱処Ｆｌｕづ−る。

両波覆管はその後所定の長さに切断されそして加工され
−Ｃそれぞれ燃料棒と水棒になる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の教示に従って作られた核燃料棒と水棒を
内蔵りる核燃料集合体の部分切除断面図Ｃ゛ある。 主４ｆ符月の３１明 １０・・・・・・核燃料集合体、 １４・・・・・・燃料棒、 １５・・・・・・水棒、 １０．２６・・・・・・被覆管。 特ｒ［出願人 ロネラル・土しク１ヘリツタ・カンバニイ代理人　（７
６３０）　　生　沼　徳　ニ２９０−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）異方性金属製の第１被覆管がそれと同じ異方性金
   属製の第２被覆管より低い照射成長率を有するように第
   １および第２被覆管に相異なる照射成長率を与える方法
   であって、第１被覆管を第１製造スケジユール、づなわ
   ら、最終寸法が冷間加工断面減少によって得られた後、
   該管の金属の結晶組織の高エネルギー状態から低エネル
   ギー状態への再結晶を誘起するに十分な温度で、前記金
   属が前記低エネルギー状態に再結晶しうるに十分な時間
   該管を熱処理するようなスケジュールによって形成づる
   ことと、前記第１被覆管とほぼ同じ司法を有Ｊる第２被
   覆管を第２製造スケジユール、ずなわら、最Ｉ４刈法が
   冷間加工断面減少によって得られた後、前記第１被覆管
   の結晶組織のエネルギー状態より高い１ネルギー状態に
   ある結晶組織をもたらづに十分な温度で十分な時間熱処
   理づるようなスケジュールにより形成することを包含す
   る方法。 （２）前記異方性金属はジル」ニラ１１合金である、特
   許請求の範囲第（１）項記載の方法。 （３）前記第１管は実質的な結晶粒成長を誘起すること
   なく実質的に完全な再結晶を誘起するに十分の温度にお
   いて熱処理される、特許請求の範囲第（１）項記載の方
   法。 （４）前記第２管は、部分再結晶をな１が完全再結晶は
   なさないように熱処理される、特許請求の範囲第（３）
   項記載の方法。 （５）ジルコニウム合金製の第１被覆管がそれと同じジ
   ルコニウム合金製の第２被覆管より低い照射成長率を右
   するように第１および第２被覆管に相異なる照射成長率
   を与える方法であって、第１被覆管を第１製造スケジユ
   ール、ジなわら、最終寸法が冷間加工断面減少によって
   得られた後、該管の金属の結晶組織の高エネルギー状態
   から低１ネルギー状態への実質的に完全な再結晶を実質
   的な結晶粒成長を誘起（ることなく誘起り−るに十分な
   温度で十分な時間該管を熱処理りるようなスケジュール
   によって形成することと、前記第１被覆管と実質的に同
   じ＼４法を有する第２被覆管を第２製造スケジユール、
   りなわち、最終Ｍ法が冷間加工断面減少によって得られ
   た後、部分再結晶を誘起しＣ前記第１被覆管より結晶組
   織のエネルギー状態が高い第２被覆管を形成づるに十分
   な温度Ｃ十分な時間熱処理りるようなスケジュールによ
   って形成することを包含する方法。 （６）前記第１被覆管は約１０００’Ｆないし約１３０
   ０’Ｆ約１時間ないし約１５時間熱処理される、特許請
   求の範囲第（５）項記載の方法。 く７）前記第１被覆管は約ｉ　ｏｏｏｏＦないし約１３
   ００’Ｆで約１時間ないし約４時間熱処理される、特許
   請求の範囲第（５）項記載の方法。 （８）前記第２被覆管は約８２５°Ｆないし約９５０°
   「で約１時間ないし約４時間熱処理される、特許請求の
   範囲第（５）項記載の方法。