470970 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消t合作社印製 五、發明說明ί ) 發明背景 本發明是關於具有高耐蝕性的嶄新給合金、以此給合 金製成之反應器控制桿用中子吸收件、反應器控制桿、使 用此反應器控制桿於其中之反應器、及核能發電廠。 雖然給的熱中子吸收截面不常是大的，鈴在共振能量 區具有許多高峰値，且因此當使用作爲反應器控制桿時， 提供有效的核子特性。同時，鈴被嘗試作爲長壽命的控制 桿，因爲其提供優越的可使用性，且即使在高壓高溫的蒸 汽中，具有相當良好的耐蝕性。現時所使用之以給製成的 反應器控制桿是直接地接觸到反應器水，雖然它們最初使 用時是藉由不銹鋼的密封以與反應器水隔開。 當鈴被裝入反應器中並使用作爲控制桿一段時期後， 使用的過程中在表面上形成點狀的白色腐蝕產物，且在通 過球狀腐蝕的階段後，發展成薄片狀多孔氧化物膜。因此 ，害怕部分的這些白色氧化物膜在成長時可能剝落。 在目前所使用之沸水式反應器用控制桿中，中子吸收 管是配置於以不銹鋼製成的十字形護套內側，此中子吸收 管是充塡有碳化硼（B 4 C )之小直徑不秀鋼管以作爲中子 吸收件。一個此種的控制桿與四組的燃料組合一起構成反 應器核心單元。換言之，四組燃料組合的輸出是由爲其配 置的一個控制桿所控制。 發電廠的運轉週期是被延長以改善在未來的使用率。 引此，延長控制桿的使用壽命是迫切的需要。以目前的狀 況來說，利用铪於現時使用的沸水式反應器控制桿的例子 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）_ 4 -
470970 A7 B7 五、發明說明？） 是日益增加。於JP — A - 58 - 44237中，例如， 建議一種控制桿，其中使用給於控制桿的上部與測部。再 者，於 JP — A— 56 — 97897 與1?—八一56 — 7 4 6 9 0中，揭示一種控制桿，其中使用板狀的鉛或給' 合金。 雖然傳言說給材料在高溫水中具有優越的耐蝕性，當 它們長期使用於沸水式反應器的環境中時，其耐蝕性是不 足的。於 JP — A-59-208043、JP — A — 61 — 66188、JP— A- 9 -500931 等中， 建議一種加入有自包括Fe、Sn、Ni、Cr、Nb與 Z r之組群中選擇至少一成分之合金，以作爲具有改善的 耐蝕性的合金。然而，在這些合金中，加入有大量的添加 物且調整不同的合金元素，其產生將導致提高材料成本、 降低可使用性及增加特性變化之可能性。 當給被裝入反應器中且長期使用作爲控制桿時，由於 反應器水導致的氧化反應，氧化物膜是隨著時間的推移而 形成。因爲這些氧化物膜不規則地成長並發展成球狀，且 因爲此過程附帶有白色腐蝕，所以發生剝落。氧化物膜的 剝落導致控制桿的控制特性的惡化，且構成延長控制桿使 用壽命之主要障礙。 發明槪述 本發明的目的在於解決與習知技術相關的問題，且提 供使用具有高塑性可使用性與高耐蝕性的給合金之反應器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-5 - 意 事 項 頁 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 470970 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 五、發明說明？) 控制桿用中子吸收件、反應器控制桿、使用此反應器控制 桿之核子反應器、及其發電廠。 依據本發明，提供一種反應器控制桿用中子吸收件， 其包含耠基合金，以重量計，此合金含有〇 · 〇 2至 4 · 5%的ΖΓ與不低於95%的給，或者，除了以上的 成分外，含有自包括0 · 01至1 . 5%的Cr、 0 · 0 1 至 2 · 0% 的 F e、〇 · 〇 3 至 1 · 5% 的 Sn 、0 . 0 1 至 1 · 5% 的 Nb、〇 · 〇 1 至 2. 0% 的 Mo與附帶的雜質之組群中選擇至少一成分，且其中氧化 物膜是形成在其表面上。 依據本發明的一個觀點，提供一種具有高耐蝕性的給 金屬，以重量計，其較佳地包含有0 * 03至0 . 8%的 Cr、〇 . 1至4 . 5%的Ζι*、及差額的紿與附帶雜質 〇 依據本發明的另一個觀點，提供一種具有高耐蝕性的 飴金屬，以重量計，其較佳地包含有0.03至0.5% 的 Sn、0.05 至 0.5% 的 Fe、0.1 至 4.5% 的Ζ Γ及差額的給與附帶雜質。- 依據本發明的另一個觀點，提供一種具有高耐蝕性的 給金屬，以重量計，其較佳地包含有0·03至1·5% 的 Sn、〇 · 03 至 2 · 0% 的 Fe、及 0 · 1 至 4 . 5 外的冗r。在此铪合金中，Hf與Z r成分的總和是不低 於97%，且Sn/Fe的比例是在0·2至1·6之間 〇 本紙張尺度適用申國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公~-6^ ' .( I I I I Ϊ — — — — — — —— 請先閱讀背面之注意事項 寫本頁) 丨a"· 線- 470970 A7 B7 五、發明說明f ) 依據本發明的更另一個觀點，提供一種具有高耐蝕性 的耠金屬.，以重量計，其較佳地包含有0 · 03至0 · 5 %的Sn、0·03至0·5%的Fe、0.1至4·5 % 及差額的給與附帶雜質。 依據本發明的另一個觀點，提供一種具有高耐蝕性的 耠金屬，以重量計，其較佳地包含有0·03至1·5% 的 Sn、〇. 03 至 2 · 0% 的 Fe、〇 . 03 至 1 · 5 %的（：1：、及〇 · 1至4 . 5%的Ζι*。在此給合金中， H f與Z r成分的總和是不低於9 7%，且S n/F e + C r的比例是在〇 . 〇 3至0 . 5之間。 依據本發明的更另一個觀點，提供一種具有高耐蝕性 的耠金屬，以重量計，其較佳地包含有0·03至0·5 %的511、0.03至0.5%的（：1：、0.1至4.5 %的冗r及差額的給與附帶雜質。 依據本發明的另一個觀點，提供一種具有高耐蝕性的 給金屬，以重量計，其較佳地包含有0·03至1·5% 的 Sn、〇.〇3 至 2.0% 的 Fe、〇·〇3 至 1.5 %的（：1·、〇 . 03 至 1 . 5% 的 Nb、及 〇 . 1 至 4 · 5%的Z r。在此鈴合金中，Hf與Z r成分的總和 是不低於9 7%，且Sn/F e + C r+Nb的比例是在 0 . 1至0 · 5之間。 依據本發明的更另一個觀點，提供一種具有高耐蝕性 的铪金屬，以重量計，其較佳地包含有0 · 0 3至0 . 5 %的311、〇.〇3至0.5%的？6、〇.〇3至 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）_ 7 · 先 閱 讀 背 面 之 ii 項 寫 本 頁 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 470970 經濟部智慧財產局貝工消f合作社印製 A7 B7 五、發明說明p ) 0.5% 的 Cr、〇.l 至 4·5% 的 Nb、0.1 至 4 · 5%的Z r及差額的給與附帶雜質。 依據本發明的更另一個觀點，提供一種具有高耐蝕性 的飴金屬，其具有不低於97wt .%的Hf成分。在此 給合金中，以熱軋至減少厚度5 0%的條件下，室溫的 Vicker硬度是在2 2 0至2 5 0之間，且在加熱於攝氏 4 1 0度8小時與攝氏5 3 0度1 6小時的蒸汽後之腐蝕 重量增益是不高於50mg/cm2。 依據本發明的另一觀點，提供反應器控制桿用中子吸 收仵其以任一個上述不同種類的給合金製成，且具有此合 金本身的氧化物膜於其表面上。此反應器控制桿用中子吸 收件是構成條狀圓柱形長構件。 依據本發明的第十一個觀點，提供一種反應器控制桿 *其包含：把手；護套，連接至該把手；中子吸收件，安 裝於該護套中；繫桿，以交叉的形式用以固定該護套；下 降速度限制器，用以控制配置在該繫桿下方的反應器水中 之下降速度；及連接套筒，配置於該限制器的下部；其中 該中子吸收件是以任何一種上述的中子吸收給合金製成。 依據本發明的另一觀點，提供一種核子反應器，其包 含：中子源管；核心支撐板；中子計數器：控制桿；護罩 :上柵格板；鍍層管；及燃料組合，容納於槽箱，該槽箱 是配置如反應器壓力容器內的結構件；其中該控制桿是任 一種上述的不同控制桿組成。 依據本發明的更另一觀點，提供一種核能發電廠，其 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）· 8 - — — — — — — ΊΙ! i ! I! t * I I I I I — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 470970 A7 _ B7 五、發明說明p ) 具有桿渦輪，桿渦輪藉由獲得自容納於反應器壓力容器中 的原子燃料之熱輸出而旋轉，且因此獲得電力輸出，其中 該熱輸出是不低於3 2 0 OMW，反應器壓力是不低於 7 · OMPa，反應器的水溫度是不低於攝氏288度， 且該電力輸出是不低於1 1 0 0MW，該核能發電廠包含 :中子源管；核心支撐板；中子計數器；控制桿；護罩； 上柵格板；鍍層管；及燃料組合，容納於如該反應器壓力 容器內的結構件之槽箱中；且其中該控制桿是以任一種上 述的不同飴合金製成。 在本發明中，反應器控制桿的使用壽命是藉由以嶄新 的鈴合金製成而實質地改善，其中在高溫水中的耐蝕性， 是藉由錫、锆、鉻、鐵與鈮以特定的關係混合加入，及藉 由以氧化反應形成密集的氧化物膜於其表面上，而明顯地 改善。 元素在紿的耐蝕性上的效果受到檢測。結果，第一次 的效果變得明顯，亦即，藉由加入適當量的錫、鐵、鉻與 鈮，使得密集氧化物膜的形成及耐蝕性的改善，達到給的 機械特性並未因此受損的程度。 在飴的製程中，锆是存在，且其含量是不低於 0 · 02wt ·%，較佳地是 0 · 1 至 4 · 5wt ·%， 更加地是0·05至2·Owt ·%。 爲了合金元素的加入量（wt ·%) ，Sn的加入量 應爲0 · 03至1 · 50%。若錫的加入量是在0 · 03 %以下，此加入量是不足以改善強度與耐蝕性。相反地’ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉-9 - -----I I i — — — — — — ^ilm---^ _(請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局具工消费合作社印製 470970 A7 B7 五、發明說明f ) 超過1.5%的含量是不令人滿意的，因爲氧化物膜的形 成會變得過多。0 · 03至0 ·· 05%的Sn含量是特別 地較佳的。 C 3：是有功效的，即使其單獨的加入量是不低於 0·01%，且更佳的量是在0·03至1·當 C r是與S η混合加入時，氧化物膜變得更穩定、，且較單 獨加入Sn時更密集。0 . 05至0 · 5%的Cr含量是 特別地較佳的。 藉由加入不低於0 . 0 1%的F e含量，是明顯地改 善耐蝕性，更佳地是0·03至2·00%的量。因爲 F e的單獨加入導致附帶有球狀腐蝕之不穩定氧化物膜的 形成，均勻的腐蝕是由F e與S η的混合加入而造成，因 此使氧化物膜變得更密集。超過2·0%的Fe含量導致 材料延展性的降低。0 · 0 5至0 · 5%的F e含量是特 別地較佳的。 至於Nb，0 . 01至1 . 5%的微量加入是良好的 。當單獨加入N b時，多少會加速腐蝕，並使耐蝕性惡化 。然而，Nb與Sn、Fe及Cr的混合加入可抑制腐蝕 ，並使氧化物膜更強且更硬。特別地，Nb的加入量減少 且增加了因S η、F e與C r的加入所導致的硬度，因此 ，藉由增加Sn、Fe與Cr的含量，促成耐蝕性的改善 。0 . 05至0 · 5%的Mb含量是特別地較佳的。 至於鉬，0 · 0 1至2 · 0 0%的加入量可改善耐蝕 性。然而，0 . 05至1 · 0%的含量是更佳的。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐）-1 〇 · ---------------^--- (請先閲讀背面之注意事項本頁) te]·- ;線· 470970 A7 B7 五、發明說明？） 同樣地，關於s n + F e或C Γ的加入，藉由加入 C r於前者與S η於後者，減少了硬度的增加，因此促成 耐蝕性與抗氧化的改善。 在0 · 2至1 · 6的Sn/Fe比例是較佳的。高耐 蝕性可在此範圍中獲得。 在0 · 05至0 · 5的Sn/Fe+Cr比例，可獲 得高耐蝕性，而不需增加硬度。 同樣地，在0·1至0·5的Sn/Fe+Cr+ Nb比例，可獲得高耐蝕性，而不需增加硬度。 當H f與Z r的含量總和是不低於9 7%時，確定了 如中子吸收件的充分功能，同時，可獲得用以製作桿狀構 件與條狀圓柱形構件所需之高可使用性材料。 在控制桿中，其中此控制桿的架構使具有U形橫截面 的護套是設置在具有十字形橫截面的繫桿的各側末端，且 其中以具有圓桿狀、板狀或中空橢圓形截面的鈴合金所製 成的反應控制桿構件是配置於此護套，陽極的氧化物膜是 形成在反應控制構件的整個表面上。 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在本發明的沸水式反應器控制桿的製程中，在使用導 電性材料作爲陰極並使用給合金作爲陽極的同時，陽極氧 化是實施於硼酸銨或草酸的電解液中。 當使用鉛、不銹鋼等作爲陰極並使用給合金作爲洋即 時，在上述的電解液中完成的陽極氧化是令人滿意的，其 中給合金是連接至獲得自直流電源之1 0至3 0 0 v範圍 -,一 的固定電壓。 本^張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) -11 · ^ 470970 A7 B7 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 五、發明說明€ ) 爲了要在給合金的內與外表面上形成氧化物膜，一陰 極構件是插入此管中且另一陰極構件是安裝在此管的外表 面上，藉由電解處理設備將陰極構件帶入導電中，以實施 陽極氧化》 圖式簡單說明 、 本發明的其它特徵與優點經由以下的說明以及所附圖 式將變得更爲明白，其中： 圖1是氧化物膜厚度與c r含量之間的關係曲線圖； 圖2是氧化物膜厚度與S η含量之間的關係曲線圖； 圖3是氧化物膜厚度與S η含量之間的關係曲線圖； 圖4是腐蝕重量增益與S n + F e + C r + Nb含量 之間的關係曲線圖； 圖5是腐蝕重量增益與S n / F e比例之間的關係曲 線圖； 圖6是腐蝕重量增益與S n/F e + C r比例之間的 關係曲線圖； 圖7是腐蝕重量增益與S n，F e + C r + Nb比例 之間的關係曲線圖； 圖8是腐蝕重量增益與F e含量或S η含量之間的關 係曲線圖； 圖9是熱軋後硬度與S n + F e + C r + Nb含量之 間的關係曲線圖； 圖1 0是腐蝕重量增益與熱軋後硬度之間的關係曲線 本紙張尺度適用中國3家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-12 -
470970 A7 ___ B7 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 五、發明說明ϋ0 ) 圖， 圖1 1是反應器控制桿的部分切掉透視圖； 圖1 2是反應器控制桿用中子吸收件的部分透視圖： 圖1 3是反應器控制桿用中子吸收件的透視圖； 圖1 4是反應器核心的部分截面透視圖；及 圖15是控制桿驅動機構的透視圖。 、
主要元件對照 1 控制桿 . 1 2 核心支撐板 1 4 燃料支撐配件 2 2 把手 2 3 護套 2 4 繫桿 2 5 下降速度限制器 2 6 連接套筒 2 7 反應控制構件 5 1 中子源管 5 2 核心支撐板 5 3 中子量測與檢測管 5 4 控制桿 5 5 反應器核心護罩 5 6 上柵格板 5 7 燃料組合 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉-13- 470970 A7 B7 五、發明說明d1 ) 5 8 上端板噴口 5 9 彎曲口 6 0 壓力室蓋 6 1 凸緣 6 2 量測口 6 3 蒸汽分離器 ' 6 4 護罩頭 6 5 饋入水進入口 6 6 噴射泵 6 8 蒸汽乾燥機 6 9 蒸汽排出口 70 饋入水噴射器 7 1 核心噴口 7 2 下栅格 73 再循環水進入口 7 4 擋板 7 5 控制桿導管 、 較佳實施例詳細說明 以下將說明本發明的實施例。 實例1 試驗樣本的化學成分（wt .%)是顯示於表1。在 --'' 此表中，第1至1 9項是本發明的材料，而第2 0與2 1 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS〉A4規格（210 X 297公釐）-14 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
-n ϋ an H· 0 ϋ ·1 As— Λ—m I 0 經濟部智慧財產局貝工消t合作社印製 470970 A7 _B7_ 五、發明說明(!2 ) 項是習用材料。這些材料是分類成單獨加有C r的單元合 金、Sn — F e 的二元合金、Sn — F e — Cr 與 Sn — F e — Nb的三元合金、及Sn_F e — C r—Nb的四 元合金。於習知技術，在鈴的生產中保留高至4·5%的 數量作爲雜質之Z r，於本發明中被減少到0 · 0 2至 3 . 0 %的程度。 ' — — 1 — — — — i — — — — — — ^«1 — — — — —— — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 0 經濟部智慧財產局負工消t合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-15- 470970 A7 • B7 五、發明說明（!3 ) 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 表1 樣體 化學成分（重量％) Sn Fe Cr Nb Zr Sn/Fe Sn/Fe+ Cr Sn/Fe+ Cr + Nb' 1 - _ <0.01 - 0.78 - - _ 2 - 0.09 - 0.80 _ _ ( - 3 一 0.50 - 0.75 串 4 - - 2.00 - 0.80 - _ - 5 <0.01 0.15 - - 1.58 0 - - 6 0.06 0.12 - - 1.78 0.50 - - 7 0.10 0.13 - - 1.50 0.77 - - 8 .0.47 0.13 - - 1.80 3.62 - - 9 1.00 2.10 - 1.85 0.48 - - 10 <0.01 0.05 0.05 - 0.80 0 0 - 11 0.05 0.06 0.10 - 0.85 0.83 0.31 - 12 0.09 0.10 0.09 0.85 0.90 0.47 - 13 0.15 2.00 0.10 - 0.80 0.08 0.07 - 14 0.12 - 0.15 - 0.87 - 0.80 15 3.00 \ 0.50 _ 0.75 _ 6.0 _ 16 - _ 0.13 1.85 0 - - 17 0.07 0.11 0.05 0.12 1·78 0.64 0.47 0.25 18 0.13 0.10 0.10 0.10 1.85 1.30 0.65 0.43 19 0.30 0.15 0.40 2.60 1.75 2.00 0.55 0.095 20 <0.01 0.02 <0.01 <0.01 1.85 0 0 0 21 <0.01 0.03 <0.01 <0.01 0.80 0 0 0 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-16- 470970 A7 B7 五、發明說明d4 ) 每一樣本的合金是藉由電弧熔解予以熔化兩次而產生 所要的錠。而後，於攝氏1 0 0 0度真空加熱1小時以實 施熱精鍊，然後於攝氏1 0 0 0度實施熱軋至所要的厚度 。再者，於攝氏8 2 0度實施退火。而後，實施冷軋。此 冷軋是接在攝氏8 2 0度的退火後，然後輪流重複這些冷 軋與退火的操作，因此產生具有1.7mm厚度的板。 表2顯示合金的不同特性。腐蝕是藉由表面觀察予以 評估，並依據二階段腐蝕試驗的結果決定腐蝕之重量增益 與氧化物膜的厚度，二階段腐蝕試驗是於攝氏4 1 0度與 5 3 0度分別實施8小時與1 6小時的蒸汽加熱。機械特 性是在熱軋、冷軋、硬度等的可加工性方面評估。熱軋是 實施於攝氏1 0 0 0度，將1 Omm厚度的錠輥軋兩次而 獲得5mm厚度。在此樣本中，Vickers硬度是在室溫的如 熱軋條件下量測，並硏究加工硬化的程度。而後，於攝氏 8 2 0度實施退火1小時，並藉由實施三次的冷乳而獲得 1至2 . 5mm厚度的板，其中在三次的冷軋操作之間實 施兩次的退火操作。加工率是依據厚度減率在2 0至3 0 %之間。在此表中，可實施加工的難或易是與冷軋有關， 且列入「難」類的樣本將逐漸產生裂痕，即使具有1 0% 的厚度減率。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-17 · (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂-· --線- 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 470970 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（!5 ) 表2 樣本 腐蝕重量增益 氧化物膜厚度 熱軋後硬度 加工難易度 1 150 15.0 'J 225 易 2 10 1.8 243 易 3 12 2.0 280 .易 4 14 2.0 450 ' 難 5 50 10.0 220 易 6 20 4.8 228 易 7 25 4.0 255 易 8 55 4.5 446 難 9 25 3.0 450 難 10 30 5.5 230 易 11 20 2.0 225 易 12 20 1.5 238 易 13 .20 1.5 240 易 14 25 1.8 230 易 15 50 8.0 240 易 16 250 20.0 232 易 17 25 1.5 239 易 18 20 1.5 235 易 19 40 6.0 232 易 20 93 9.9 21 47 8.4 -------------—— (請先閲讀背面之注意事項3寫本頁) 訂： 線. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-18 - 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 470970 A7 B7 五、發明說明（!6 ) 在單獨加入有C r的合金中，腐蝕增益是相當地小， 且當c r的加入量是在〇 · 02至1 · 5〇wt ·%之間 時，氧化物膜的厚度是不會超過2 //m，且形成密集的氧 化物。可加工性亦是良好。至於C r加入量的功效，如圖_ 1所示，C r是明顯地有效改善耐蝕性，即使具有非常低 的含量。在2〇wt ·%的高含量，亦改善了耐蝕性。然 而，高的C r含量不是令人滿意的，因爲在材料的延性是 受損於此實例中。 現說明S η — F e的二元合金。即使當單獨加入F e 時，觀察到功效。然而，氧化物層歷經節狀腐蝕，且因此 ，F e的單獨加入並非經常令人滿意的。因此，當S η與 F e —起加入時，氧化物層歷經均勻的腐蝕，且可防止易_ 於剝落的氧化物膜形成。此功效是顯示於圖2。然而，若 加入大量的S η與F e，則損害構件的延性，此成爲板的 製程中之阻礙。 在S n — F e - C r的三元合金中，各元素促成耐触 性的改善因爲含有多元素，即使當各元素的加入量是小 量時，它們確定良好的功效。至於腐蝕特性，當F e、
Cr與Sn各元素的加入量是0·05wt .%時，如圖 3所示，氧化物膜的厚度是未超過2im。而且，形成密集 的氧化物膜。因此，耐蝕性是如此良好，使得完全未觀察 到剝落。 在Sn — F e — C r的三元合金中，Nb的存在於氧 化物膜的形成中加速了均勻腐蝕，且有效地防止氧化物的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-19 - -------------^裝— ί請先閱讀背面之注意事項β寫本頁) 訂· -線. 470970 A7 B7 五、發明說明d7 ) 剝落。 現說明Sn — F e - C r 一 Nb的四元合金。事實上 ，這些合金改善了耐蝕性。再者，因爲這些合金具有良好 的耐蝕性，它們是特別地適合使用於高強度的構件。然而~ ，然而，相較於本發明的其它合金，延性是低的，且因此 在板的製程中需要極度的注意。 爲了要硏究高溫水中的腐蝕特性，實施在攝氏2 8 8 度與8 0 k g/cm2下的長時間持續腐蝕試驗，且確定本 發明的所有材料都具有優良的耐蝕性。 .圖4是腐蝕重量增益與Sn+Fe+Cr+Nb含量 之間的關係曲線圖。如此圖所示，明顯地，不少於5 0 mg/dm2的高耐鈾性可藉由Cr、Sn + F e、Sn + Cr、Sn + Fe+Cr、Nb 與 Sn + Fe+Cr + N b的痕量加入而獲得。即使當這些元素的加入量是不少 於1%時，亦不可能獲得更大的功效。 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 .(請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖5是腐蝕重量增益與S n/F e比例之間的關係曲 線圖。明顯地在此圖中，腐鈾重量增益於0 · 2至1 · 6 的S n/F e比例是不會超過4 〇mg/dm2，且於 0.3至1·2的Sn/Fe比例獲得不超過40 mg/dm2的高耐飩性。 圖6是腐蝕重量增益與S n/F e + C r比例之間的 關係曲線圖。明顯地，0 · 05至0 · 5的Sn/Fe + C r比例是較佳的。 圖7是腐蝕重量增益與S n/F e + C r + Nb比例 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-20 - 470970 Α7 Β7 五、發明說明d8 ) 之間的關係曲線圖。明顯地，於不小於0 . 1的 S n/F e + C r + Nb比例獲得不超過4 Omg/dm2 的高耐蝕性，且S n/F e + C r + N b比例越高，耐蝕 性越高。Ο · 1至0 . 5的Sn/Fe+Cr+Nb比例’ 是特別地適合的。 圖8是腐蝕重量增益與F e含量或S η含量之間的關 係曲線圖。南顯地，當單獨加入F e時，以不小於〇 . 〇 3 %的F e含量獲得不小於5 Omg/dm2的高耐蝕性。 再者，明顯地，藉由將0·03至0·3%的Sn含量加 在0 . 1至0 . 3%的Fe含量，獲得不超過30 mg/dm2的高耐蝕性。 經濟部智慧財產局員工消t合作社印製 圖9是熱軋後如熱軋狀態中的硬度（H v )與C r、 Sn + Fe、Sn + Cr、Sn + Fe + Cr、Nb 及 S n + F e + C r + Nb含量之間的關係曲線圖。明顯地如 此圖所示，因爲特別地S n + F e與C r突然增加了硬度 ，較不易於經過加工硬化之具有在加工硬化後不超過H v 2 6 0的硬度値之軟材料，可藉由將藉由加入不超過0 · 3%的Sn+Fe含量及不超過0.5%的Cr含量而獲 得。加工硬化所造成之硬度的顯著增加在含有S n + C r 、Sn + Fe + Cr及 Sn + Fe + Cr+Nb 的 給合金中並未被觀察到。 圖1 0是腐蝕重量增益與熱軋後硬度之間的關係曲線 圖。在此實例中，具有不超過5 Omg/dm2的腐蝕重量 -* 增益及在加工硬化後不超過Hv 3 0 0之材料，可藉由成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-21 - 470970 Α7 Β7 五、發明說明（19 ) 分的適當組合而獲得。因此，可獲得具有高可加工性與高 耐蝕性之材料。 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖1 1是沸水反應器控制桿的立體圖，其中使用本發 明的給合金之一。在此例中，使用表1 2中的第1 2項樣* 本。此鈴合金是藉由電弧熔解產生，其中主要含有 0.09%Sn、0.10%Fe、0.09%Cr 與 0 · 8 5%的重量含量及大部分的H f與附帶的雜質。在 重複兩次熔解後，在真空攝氏1 1 0 0度下，實施一小時 的熱精鍊處理，且因此加入的元素變得均勻。次者，實施 熱軋（加熱於攝氏1000度），且在攝氏850度實施 一小時的退火。重複冷軋與退火（一小時於攝氏8 5 0度 )以獲得所要的板，以及最後獲得具有1 . 7mm厚度的 板。壓製長板材料以獲得圖1 2所示的形狀。兩個如此壓 製的部件是相互連接並作氬弧熔接，獲得如圖1 3所示之 條狀亂柱形反應控制構件2 7，並使其裝入以 SUS 3 1 6 L製成的控制桿護套中。此護套到處具有通 孔，且以給合金製成的反應控制構件2 7是經常與反應器 水接觸。因此，此構件必須提供在高溫水中的耐蝕性。此 實例中的給合金如實例1中具有不超過2 Omg/dm2的 腐蝕重量增益、不超過2·0#m的氧化物膜厚度、及在 熱軋後不超過Hv 2 5 0的硬度。此實例中，彎曲的曲度 是藉由使用壓彎機的板彎曲而給予在長扳材料的兩端。次 者，熔接用凹槽是藉由機械加工予以製備。在熔接與清除 處理前之尺寸檢查後，相互接合U形構件，且藉由熔接形 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-22 - 470970 A7 B7 五、發明說明？Q ) 成橢圓管。次者，機械加工橢圓管以製作冷卻孔、固定用 孔等等，且受到最後處理。當完成此加工後，將橢圓管浸 漬於電解池中，並實施氧化物膜處理。 用於給合金外表面的氧化處理之不銹鋼陰極桿及用於 給合金內表面的氧化處理之不銹鋼陰極桿是位於電解池中 。電解池中充塡有電解液。於其縱向端，受到氧化處理之 具有橢圓截面的反應控制構件，具有用以固定控制桿的結 構構件之圓孔。在使用這些圓孔時，舉起反應控制構件。 在使用導體以導入穿過這些圓孔並經由舉起機構連接至 D C電源的正極時，舉起反應控制構件。另一導體是延伸 自電解池中的陰極，且反應控制構件是連接至D C電源的 負極。 在此實例中，以上具有1 8 0 Omm長度與5 Omm 厚度之反應控制構件是以四個步驟處理。 於第一步驟，將四分之一長度的上述管浸漬於電解池 中，且藉由通過來自D C電源的電流形成氧化物膜。在氧 化物膜穩定後，受到氧化處理的耠合金管是藉由升降裝置 降下，且四分之二的給合金管然後是浸漬於電解池中並受 到氧化處理。於後續的第三與第四步驟中，形成穩定的氧 化物膜。 於以上的步驟在表面上形成氧化物膜後，實施尺寸檢 査與淸除。這些操作後，接著有一般的控制桿組合步驟， 用以組合鈴合金管於控制桿中，而完成含有受到氧化處理 的氧化物膜之控制桿。 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐）_ 23 - 閲 讀 背 面 之 注 意 1« I 頁 經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 470970 A7 B7 五、發明說明？1 ) 使用硼酸銨〔1% (NH4) 2 · 5B2〇3〕作爲電解 液。除了硼酸銨之外，一般使用氫氧化鉀或氫氧化鈉作爲 陽極氧化之電解液。然而，以上電解液之使用是依據硼酸 鹽離子較不易與飴合金條結合成爲雜質之觀念。 於室溫，電流在恆定電壓100V、200V或 3 0 0V下通過以上的兩極，各電壓的電流密度爲1 A/dm2。通電時間大約是5分鐘，其中形成在樣本上的 氧化物膜是穩定的。 對於受到陽極氧化處理的樣本，實施目視檢查、腐蝕 試驗與硬度試驗。由於目視檢査，在各電流値處理過的所 有樣本中，觀察到均勻氧化物膜的形成，其含有主要成分 的給與合金元素。再者，在熔接表面與本體金屬表面之間 並無不同，且觀察到良好氧化物膜的形成。由於電壓的影 響，在1 0 0V至3 0 0V下形成之氧化物膜的色調自深 藍變成深綠.。此顯示所形成的氧化物膜厚度中之變化，且 因此，在某些程度上，可自色調判斷出氧化物膜的厚度。 所獲得的反應控制構件在以下的條件下受到腐蝕試驗 :8小時的攝氏4 1 0度加上1 6·小時的攝氏5 3 0度之 試驗溫度、105kg/cm2的壓力、200至400 P P b的溶解氧濃度及1 〇 l/h 〇 u Γ的流量。在其上 形成有陽極氧化物膜之铪合金材料中，觀察到腐蝕組抗的 改善傾向，亦即，在未含有氧化物膜的本體金屬中，觀察 到腐蝕重量增溢是少於一半。 再者，使用V i c k e r微量硬度測試器，量測陽極 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-24 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) π裝·！ I 訂·！ * 0 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 470970 A7 B7 五、發明說明p ) 氧化物膜的硬度。觀察到，相較於未含有氧化物膜的本體 金屬，其上形成有陽極氧化物膜的給合金材料具有硬度增 強1.5倍的傾向。換言說，建議了改善磨損阻抗的傾向 〇 因爲防止了後續加工程序中的損壞與磨損，在保持更 均勻的表面狀態的同時，其上以氧化物膜處理形成有表面 保護膜之反應控制構件，可安裝在控制桿中。 再者，在實際反應器的運轉期間，這是可能在氧化環 境中確保長期的高耐蝕·性，以保持長期的反應控制能力及 延長運轉壽命。 實例2 圖1 4是反應器核心的部分截面透視圖，其中使用實 施例1中的控制桿。 此反應器是操作在攝氏2 8 6度的蒸汽溫度與 70.7 a t g的蒸汽壓力下，且可生產500、80 0與1 1 0 0MW的電量輸出。反應器中各部件的名稱如 下。此反應器包含中子源管5 1、核心支撐板5 2、中子 量測與檢測管5 3、控制桿5 4、反應器核心護罩5 5、 上柵格板56、燃料組合57、上端板噴口 58、彎曲口 59、壓力室蓋60、凸緣61、量測口 62、蒸汽分離 器63、護罩頭64、饋入水進入口 65、噴射泵6 6、 蒸汽乾燥機6 8、蒸汽排出口 6 9、饋入水噴射器7 0、 核心噴口 71、下柵格72、再循環水進入口 73、擋板 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-25 ------------K裝--- <請先閱讀背面之注意事項寫本頁> 訂- -·線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 470970 A7 B7 五、發明說明f3 ) 74、及控制桿導管75。 上柵板5 6具有裝於邊緣的管、凸緣與格子板，其由 軋過的多晶鋼板SUS 3 1 6架構而成。雖然格子板相互 交叉，它們並未相互固定。再者，核心支撐板5 2是同樣 地以軋過的多晶鋼板S U S 3 1 6架構而成。核心支撐板 5 2是以單片軋過的鋼板架構而成，具有用以附著燃料支 撐配件的孔，且在周圍表面上固定至熔爐。因此，上柵格 板5 6與核心支撐板5 5是如此架構，使得其中心受到中 子照射的部分並未熔接。 控制桿驅動機構之配置可藉由電動馬達作些微的驅動 。此控制桿驅動機構具有以燒結混合物製成的滾子，此混 合物是混合含有25wt .%鉻的鎳合金粉末與10 v〇l ·%具有20至30微米顆粒尺寸的碳化鉻。安裝 三十二組以高強度鐵合金製成的銷，且藉由模擬實際的反 應器，在高溫循環水中，實施相等於4 0年運轉之負載驅 動試驗。結果，發現到滾子與銷顯示非常小的尺寸變化， 因此適當地達到設計標準。在急停測試期間，任何在非常 低碰撞下的損壞都未發生。 在此實施例的控制桿驅動機構中，控制桿是藉驅動活 塞經由活塞驅動螺栓穿過中空活塞予以垂直驅動，此螺栓 是由馬達旋轉。此控制桿驅動機構是熔接至反應器壓力容 器。控制桿是驅動於控制桿導管中。亦配置有被液壓驅動 的活塞，其可在緊急時藉由將水導引通過水導入管而快速 地升起控制桿。被液壓驅動活塞是與驅動活塞分開。 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐)~:26 · -------I----*— — — —— — 1 ^» — — 1 — (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
Mmmmw smf t 線' 470970 Α7 Β7 五、發明說明f4 ) S U S 3 1 6 L是使用於數個部分以接觸高溫水。控制桿 是架構以其本身的重量下降。 圖1 5顯示由控制桿驅動機構所驅動的控制桿1、燃 料組合（A)與（B)、燃料支撐配件1 4、與核心支撐* 板之組裝與配置。圖15 (A)顯示無把手的燃料組合， 此把手設置在圖15 (C)的部分（b)中。圖15 (B )所示的燃料組合具有把手且設置於圖15 (C)的部分 (a )中。燃料支撐配件1 4是固定以接觸核心支撐板 12,且支撐燃料組合。 關於此實施例中的控制桿1，B4C是使用作爲退回控 制桿，而實施例1的給合金是在分級運轉時使用作爲調節 電源的控制桿。B 4 C控制桿是藉由在Pilger軋機上的重複 冷軋及以熱加工製成的管材料後的退火而獲得。 S U S 3 1 6 L是使用於護套，此護套是在重複冷軋及退 火以產生板後，藉由熔接板而獲得。 沸水反應器燃料組合包含：許多燃料棒；數個間隔件 ，在數個步驟中用以固持這些燃料棒於預設的相互分開的 間隔；矩形容器的槽箱，用以容納以上的組件：上繫板與 下繫板，用以固持燃料棒的兩端，各燃料棒含有燃料顆粒 於燃料護管中；水桿，位於間隔件的中央；及把手，用以 轉移整體的組合。這些燃料組合是以一般加工程序組裝。 槽箱將燃料棒容納於其中，而水桿是由間隔件固持一 起。槽箱是藉由水桿固定至上繫板與下繫板。燃料槽箱具 有矩形容器的形狀，其藉由以電漿熔接具有三種U型板的 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -I I I I I I 1 . ,經濟部智慧財產局貝工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公* ) -27- 470970 A7 _ B7 五、發明說明户） 兩個半部而獲得，U型板具有4m的長度及80、1 00 與1 2 0mm厚度。此構件控制產生在燃料棒表面上的蒸 汽流動以及反應器運轉時流動於燃料棒間的高溫水，以強 迫的方式向上導引蒸汽與水。因爲內壓力是些微地高於外 壓力，長期使用槽箱，其中應力施加在矩形容器上，使其 向外擴張。 ' 此實施例的槽箱受到熱處理，使得結晶方位 <0001>的直通厚度方位比（Fr値）是自〇 . 25 至0 · 6，而橫向方位比（Ft)是自0 · 25至0 . 4 。這些方位比Fr、F 1與Ft較佳地分別是自〇 · 25 經濟部智慧財產局貝工消费合作社印製 至0.5、自0.25至0.36、及自0.25至 0 . 3 6。因爲熱處理達成此方位，Θ Ζ r結晶的增益尺 寸平均自5 0微米變成3 0 0微米（較佳地自1 〇 〇微米 變成200微米），實質地防止輻射伸長，結果是未發生 彎曲並防止槽箱與控制桿之間的干擾。結果，即使當燒盡 的程度是未低於4 5 GWd/ t時，彎曲並未發生在配置 於反應器周邊區的槽箱中，且即使在5 0或6 0 GWd/t ，毫無問題地可使用槽箱。再者，當燒盡的程 度是如習知的3 2 GWd/t時，可藉由更換燃料而使用 此實例的槽箱。 在製作槽箱時，如表3所示的化學成分，鉻合金板是 冷彎曲成U形，產生兩個具有4m長度的U形構件，且這 兩個半部是以雷射或電漿熔接以形成矩形容器。對不平坦 、一 * 的熔接點實施最後的加工，以獲得平滑的表面。此矩形容 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 28 · 470970 A7 __B7 __ 五、發明說明f6 ) 器是藉由高頻感應加熱而加熱至Θ相的溫度範圍，且以冷 卻水快速冷卻，此冷卻水是自位於高頻感應加熱線圈正下 方的噴口噴出β當矩形容器以定速自上向下通過線圈時， 完成其整個熱處理。加熱溫度是在攝氏1 1 〇 〇度’且調 整矩形容器的進給速度與高頻電源的輸出，使得在不低於 攝氏9 8 0度的持續時間變爲1 〇秒且更長。附帶地，此 處理可在攝氏1 0 0 0至1 2 0 0度，且較佳地在 1050至1 100度實施3至10秒。在熱處理中，沃 氏田不銹鋼芯棒是藉由螺栓固定至矩形容器的兩端。在（ 1 0 1 0 )平面之六角柱的底平面（〇 〇 〇 2 )與柱平面 顯示在所有的F r、F 1與F t中的F値大約是1/3。 槽箱的yS Z r結晶的平均增益尺寸大約是1 0 0微米。在 實施此熱處理後，以高尺寸準確度達到形成’且接著實施 噴砂與酸洗處理以移除表面氧化物膜。其後’實施蒸汽的 '壓熱處理。 閱 讀 背 面 之 注 項 經濟部智慧財產局員工消t合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-29 - 470970 A7 B7 五、發明說明？7 ) 表3 樣本 合金元素 Sn Fe Cr Ni 〇 Zr 1 1.50 0.21 0.10 0.12 bal. 2 1.50 0.15 0.10 0.10 0.12 bal. 3 1.50 0.3 5 0.10 0.10 0.12 bal (請先閱讀背面之注意事項^寫本頁) 繪 裝 訂·- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 297公釐）-30 · 470970 Α7 Β7 五、發明說明？8 ) 在另一實例中，亦使用與上述具有固定的壁厚度之槽 箱成相對比之具有不同的壁厚度之槽箱。此槽箱具有較大 於其側壁厚度之角壁厚度，且提供縱向的壁厚度分佈，使 得各側的上部比下部更薄。此形成是藉由化學蝕刻或機械 加工，化學蝕刻是覆蓋以硼酸氫與硝酸相混和的水性酸溶 液β在此例中，外表面是加工以作成凹面。此壁厚度分佈 可使得內表面作成凹面。 攝氏2 8 8度的反應器溫度、未低於8 5 %、更佳地 未低於9 0%、且最佳地未低於9 2%的工作速率、及攝 氏3 5度的熱效率是獲得作爲以本發明的上述實質特性達 成之沸水式反應器發電廠的主要規格。 實例3 在以下的實例中，本發明的燃料組合與控制桿驅動機 構是應用至一個如實施例2中的高階沸水式反應器（ΑΒ W R )。 經濟部智慧財產局員工消费合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項寫本頁) 反應器壓力容器是核能發電廠的中央設備。在高階沸 水式反應器中，首先，裝有內泵的噴口部分具有最理想的 套筒型形狀，使得即使當反應器壓力容器中發生溫度與壓 力變化，此種變化不會影響到內泵的旋轉功能，且傳導至 馬.達的熱是少量的。 更者，反應器中的結構是架構如此，使得採用內泵在 流動振動上之效應是微小的。考慮到內泵的部分運轉，確 定反應器核心中流量量測的高準確度，其包括實驗的確認 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）· 31 - 470970 Α7 Β7 五、發明說明？9 ) 。藉由安裝在反應器壓力容器的主要蒸汽噴口部分中之細 腰管結構，實施流至渦輪之蒸汽流量的量測。 ' 反應器壓力容器（RPV)界定冷卻劑的壓力範圍’ 且同時具有包含並固持核心與結構於壓力容器中之功能。 習知反應器壓力容器包含7 6 4個燃料組合、噴射泵 與內結構，且具有約6 · 4m的內直徑。因爲在反應器壓 力容器中燃料組合的數量增加至8 7 2個，反應器壓力容 器的內直徑變成約7 . lm，以保證反應器中用以處理內 泵的空間。習知反應器壓力容器的內側高度約爲2 2m， 然而，指定給高階沸水式反應器的反應器壓力容器的內側 高度約爲2 1 m，其考慮到： (a )藉由採用高效率蒸汽分離器而縮短支架管的長 度： (b)藉由採用FMCRD而移除控制桿墜速限制器 )藉由改變上蓋與主凸緣的結構而降低上蓋高度 ;及 (d)降低下端板的盤部分的高度。 因爲內泵的採用，下端板的形狀自習用的半球狀改變 成盤狀，以保證用以將內泵安裝至壓力容器的下部之所需 •空間，且考慮到冷卻水的循環通道。再者，內泵是以整體 鍛造架構的，因此在設計上減少了熔接線的數量。 筒形部分中的支撐板是錐形，以保證用以處理內泵之 所需空間，且爲了要將內泵用的熱交換器裝入托架中。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐）-32 _ 請 先 閱 讀 背 之 注 項 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 470970 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明？0 ) 因爲內泵的採用，不需要使用安裝於習知發電廠之循 環水的進出口。因此，高階沸水式反應器不再需要設置大 孔口於筒形部分中的核心帶下方，且不需要去想像大量冷 卻水流失的意外。 在習知發電廠中，流量限制器是安裝在上升部分中， 此上升部分通到主流管的分離閥。藉由將流量限制器安裝 在上升部分中，增加了相對於主流管的破裂意外之安全限 度，且最佳化了反應器圔堵的空間。 反應器中的結構具有反應器壓力容器中支撐反應器內 部、形成冷卻劑的通到、分離核心所產生的熱水與蒸汽等 等之功能。除了這些主要任務外，反應器中的結構必須確 保冷卻水通道在發生意外時使水噴入核心中，且因爲其本 質而提供充分的牢固性與可靠度。 當在5 Ο Η z條件下，以高階沸水式反應器發電廠之 蒸汽渦輪與發電設備相較於沸水式反應器發電廠之同樣設 備時，發現到高階沸水式反應器發電廠是高效率的發電廠 ，其具有2 3%之電力輸出增加量，用於1 9%之反應器 的熱輸出增加量。 如實例4中所獲得之相同的壽命、定期檢査間隔、工 作率及熱效率同樣地在此實例中獲得。 依據本發明*藉由戲劇性地改善高溫水中中子吸收件 的耐蝕性，可實質地延長反應器中反應器控制桿的服務壽 命。再者，因爲形成於控制桿上的氧化物膜是密集、抗剝 --'' 落且穩定，可減少使用過的控制桿的數量。同時’可實質 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）· 33 -
470970 A7 __B7 _五、發明說明θ )地減少輻射廢料的數量，因爲反應控制能力可保持一段長 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 間時 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）-34-