JP2976191B2

JP2976191B2 - オフセンター溶接部を備えた燃料チャネル

Info

Publication number: JP2976191B2
Application number: JP8277242A
Authority: JP
Inventors: シー．ノードストロムニール; イー．コンウェイジョセフ; アール．ウォズニアクドナルド
Original assignee: SHII AARU ESU HOORUDEINGUSU Inc
Current assignee: SHII AARU ESU HOORUDEINGUSU Inc
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 1999-11-10
Anticipated expiration: 2016-09-27
Also published as: DE19636076A1; SE9603287D0; DE19636076C2; SE9603287L; US5574761A; SE510070C2; JPH09230075A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉用の燃料集
合体(fuel bundle) 、詳しくは、膨張(bulging)に対す
る改善された耐性を発揮する、核燃料ロッドの束を被覆
するためのチャネル(channel) に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉は、燃料ロッドの集合体
の中に形成された核分裂性燃料を含んでいる。その燃料
ロッド集合体は、多角形の横断面形状、通常は四角形の
横断面形状を有するチャネル内に入れられている。原子
炉の運転中に、燃料チャネルの内部と外部との間に圧力
差(pressure differential) が発生する。運転し過ぎる
と、その圧力差が極めて高くなって、燃料チャネルのフ
ラットな側壁を膨張させる。その現象は、よく知られて
おり、クロウザー(Crowther)等に付与された米国特許第
４，７４９，５４４号により詳しく記載されている。

【０００３】多くの核燃料チャネルは、２枚又はそれ以
上のジルコニウム合金シート片を所望形状に折り曲げ
て、一体に溶接することにより組み立てられている。そ
のようなチャネルの組立て方法については、クロウザー
等に付与された上記米国特許に加えてエデンス(Eddens)
に付与された米国特許第４，６０４，７８５号にも記載
されている。このチャネルは、２つ又はそれ以上のシー
ム溶接部(seam weld) を有している。

【０００４】燃料チャネルの他の組立て方法としては、
ジルコニウム合金シートからチューブを形成し、次に、
そのチューブを例えば、タークヘッドマシーン(Turk's-
headmachine)を通過させることによって断面四角形のチ
ューブを形成する方法がある。後者のタイプのチャネル
は、１つのシーム溶接部しか有しておらず、このタイプ
の燃料チャネルの製造方法は、ハート(Hart)等に付与さ
れた米国特許第３，９８６，６５４号に記載されてい
る。

【０００５】後者のタイプの燃料チャネルにおいては、
その長手方向での曲がりをできるだけ少なくするため
に、シームを有していない側壁の一つ又は全てに非シー
ム溶接(non-seam weld) を施こす。シーム溶接部と非シ
ーム溶接部は、組立てをし易くするために各側壁のセン
ターライン上に施されている。

【０００６】そのような方法で溶接されたその公知の燃
料チャネルでの経験に依れば、原子炉の長期に亙る供用
期間後にチャネル側壁に好ましくない膨張が起こること
が知られている。燃料チャネルが過剰に膨張すると、核
反応をコントロールするために用いられるコントロール
ロッドの挿入を妨げることとなる。従って、通常の使用
中に生じる膨張の量を実質的に低減することができるよ
うに組立てられる燃料チャネルを得ることが極めて望ま
しい。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、原子炉の供
用期間(in-reactor service)中に核燃料チャネルの側壁
に生じる膨張に対する耐性を向上させた核燃料チャネル
を提供することを目的とする。

【０００８】本発明の更なる目的及び利点は、後述の詳
細な説明及び図面を参照することによって明らかになる
であろう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】従来の燃料チャネルに関
連した上述の如き問題は、本願発明の一形態に依りかな
りの程度解消され、本願発明のその一形態に依れば、多
角形の横断面形状を呈するよう、４つのコーナーとその
４つのコーナーの間に位置する４つの長尺な側壁とを有
する核燃料チャネルが得られる。チャネルの各側壁の長
手方向のセンターラインは、原子炉の供用期間中にその
側壁に付加される最大応力のラインと一致している。

【００１０】また、各側壁は、その長手方向のセンター
ラインと、その側壁に隣接する２つのコーナーの一方と
の間に位置する長手方向のオフセンターライン(off-cen
terline) を有している。その長手方向のオフセンター
ラインは、原子炉の供用期間中に側壁に付加される最小
応力のラインと一致している。溶接が、少なくとも２つ
の側壁のオフセンターラインの長手方向に沿って施され
ている。オフセンターラインに施された溶接の少なくと
も１つは、シーム溶接である。

【００１１】即ち、本発明の請求項１に係るオフセンタ
ー溶接部を備えた燃料チャネルにおいては、４つのコー
ナーと前記４つのコーナーの２つの間にそれぞれ位置す
る４つの細長い側壁とを有する横断面多角形に合金シー
トで形成され、前記側壁の２つが、夫々その側壁に付加
される最大応力のラインと一致する長手方向のセンター
ラインと、そのセンターラインとその側壁に隣接する２
つのコーナーの一方との間に位置し且つその側壁上の第
一の最小応力ラインと一致する第一の長手方向のオフセ
ンターラインと、前記第一の長手方向のオフセンターラ
インに沿って施された溶接部とを有してなる。

【００１２】本発明の請求項２に係るオフセンター溶接
部を備えた燃料チャネルにおいては、２つの側壁の各々
が、そのセンターラインとその側壁に隣接する２つのコ
ーナーの他方との間に位置し且つその側壁上の第二の最
小応力ラインと一致する第二の長手方向のオフセンター
ラインと、前記第二のオフセンターラインに沿って施さ
れた第二の溶接部とを有してなる。

【００１３】本発明の請求項３に係るオフセンター溶接
部を備えた燃料チャネルにおいては、４つの側壁の各々
が、その側壁上の最大応力ラインと一致する長手方向の
センターラインと、そのセンターラインとその側壁に隣
接する２つのコーナーの一方との間に位置し且つその側
壁上の第一の最小応力ラインと一致する第一の長手方向
のオフセンターラインと、前記第一の長手方向のオフセ
ンターラインに沿って施された溶接部とを有してなる。

【００１４】本発明の請求項４に係るオフセンター溶接
部を備えた燃料チャネルにおいては、４つの側壁の各々
が、その長手方向のセンターラインとその側壁に隣接す
る２つのコーナーの他方との間に位置し且つその側壁上
の第二の最小応力ラインと一致する第二の長手方向のオ
フセンターラインと、前記第二の長手方向のオフセンタ
ーラインに沿って施された第二の溶接部とを有してな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】ここで、図１Ａ〜１Ｈを参照し
て、本発明に係る燃料チャネルの好ましい具体例の組立
て方法について説明する。この燃料チャネルは、図１Ａ
に示したように適当な長さ，幅及び厚みを有する一枚に
合金シート片から作られる。この合金シート片の厚み
は、シート材の全長及び全幅に亙って均一になっている
のが好ましい。このシート片の好ましい合金は、ジルコ
ニウム合金、例えば、ジルカロイ−４合金又はジルカロ
イ−２合金である。

【００１６】そのシート合金の表面には、図１Ｂに示し
たように第一の溶接ビードを施す。長手方向の溶接を施
すための好ましい方法としては、曲げに対する耐性を向
上させるタングステンイナートガス(TIG) 溶接法があ
る。合金シートを次に図１Ｃに示されているようにプレ
ス成形によって筒状又は円筒状チューブに形成する。こ
のプレス成形は、プレスブレーキ(press brake) のよう
な適切なマシーンで行うことができる。

【００１７】プレス成形の結果、シート合金の両端が互
いに近接させられて長手方向に開口したシームが形成さ
れる。図１Ｄに示したように、シート合金の両端に連続
した長手方向のＴＩＧ溶接を施してその両端を一体にす
ることによってシームを閉塞する。

【００１８】次に、図１Ｅに示したように、６つの付随
的な溶接ビードをチューブの外表面に施す。これら付随
的な溶接は互いに離間されていてチューブの外表面の最
初の２つの溶接部から離間している。溶接ビードを平ら
にして、プレス成形及び（又は）溶接処理によってもた
らされる周方向のゆがみをできるだけ少なくするため
に、次に長手方向の溶接部を例えばロールプラニシング
(roll planishing) によって図１Ｆに示したように減ず
る。

【００１９】溶接した状態のチューブを次に図１Ｇに示
したようにタークヘッドマシーンを通過させて横断面四
角形状のものに粗成形する。その四角形の粗成形の際
に、四角形の粗成形後に長手方向の溶接部がチューブの
側壁の中央線から逸れて位置するように円筒状チューブ
を特定の方向へ向ける。長手方向の溶接部はチャネルの
側壁に関して生ずる最小応力のラインと一致するように
位置している。最小応力ラインの正確な位置は、チャネ
ルの横断面形状の如何によって変化し、また、側壁の壁
厚の如何によっても変化する。

【００２０】チャネルの側壁の最小応力ポイントは、燃
料チャネルの技術分野における通常の知識を有する者に
知られている分析技術を用いて簡単に決定することがで
きる。然しながら、そのような分析をしない場合には、
溶接部の間に等しいスペースを取ることで第一の試みと
して良好な結果が得られた。

【００２１】図１Ｈに図示したように、荒く四角に形成
されたチャネルを次にサーマルサイジング(thermal siz
ing)して最終寸法にすると共に応力を取り除く。その好
ましいサーマルサイジング技術は、先行技術として提示
したハート等の前記米国特許に開示されている。

【００２２】ここで図２及び３を参照すると、本発明に
係る燃料チャネル２０の好ましい具体例が図示されてい
る。この燃料チャネル２０は、４つのコーナー２２ａ，
２２ｂ，２２ｃ及び２２ｄと、図３に示されているよう
に横断面四角形を呈するようコーナーの間に位置してい
る４つの側壁２４ａ，２４ｂ，２４ｃ及び２４ｄとを有
している。各側壁は、夫々、長手方向のセンターライン
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄを有している。各側壁
上におけるその側壁のセンターラインとその側壁が隣接
している２つのコーナーの一方との間には、第一のオフ
センターラインが位置している。その第一のオフセンタ
ーラインは参照符号２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄで
示されている。

【００２３】また、各側壁のセンターラインとその側壁
が隣接している２つのコーナーの他方との間には、第二
のオフセンターラインが位置している。第二のオフセン
ターラインは参照符号２８′ａ，２８′ｂ，２８′ｃ，
２８′ｄで示されている。これらのオフセンターライン
中の一つのオフセンターライン２８ａに沿ってシーム溶
接部３０が位置している。残りのオフセンターライン２
８′ａ，２８ｂ，２８′ｂ，２８ｃ，２８′ｃ，２８ｄ
及び２８′ｄに沿って非シーム溶接部３２ａ，３２ｂ，
３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ，３２ｇが位置してい
る。

【００２４】本発明に係る燃料チャネルから得られる利
点が８つ以下のオフセンターライン溶接部によって実現
されるものであることが理解できる。然しながら、少な
くとも対向する２つの側壁上に少なくとも一つのオフセ
ンターライン溶接部を最低限有していることが好まし
い。更に別の具体例においては、本発明による燃料チャ
ネルは４つの側壁の夫々に少なくとも一つのオフセンタ
ーライン溶接部を有している。

【００２５】更に、本発明に係る燃料チャネルは他の方
法によって組立てることができる。例えば、第一及び第
二のＵ字状チャネルを所望の合金シート又はストリップ
から形成する。Ｕ字状チャネルの形成の際に、各チャネ
ルの一つの脚部(leg) を他の脚部より短く寸法付けす
る。次に、各Ｕ字状チャネルの短い脚部を他のＵ字状チ
ャネルの長い脚部に付けた状態でＵ字状チャネルを一体
に溶接する。チャネルの長・短脚部の長さは、シーム溶
接部が溶接部を含む側壁の最小応力ラインに沿って位置
するように選択する。また、冶金バランス(metallurgic
al balance) のためにシーム溶接を有しない側壁の最小
応力のラインに沿って非シーム溶接を施してもよい。

【００２６】上述の方法に代えて、４枚のＬ字状片の各
片の短い脚部を隣接する片の長い脚部に付けた状態でこ
れらＬ字状片を一体に溶接することができる。各Ｌ字状
片の長・短脚部の長さは、完成されたチャネルの側壁の
最小応力ラインに沿ってシーム溶接部が位置するように
選択されている。

【００２７】本明細書中で使用した用語及び表現は、本
発明の説明上用いたにすぎないものであって、本発明の
内容を何ら限定するものではない。そのような用語及び
表現を用いたからといって、そのことに、図示及び記述
した本発明の形態と均等なもの又はその一部を排除する
意図はない。兎も角、権利が請求されている本発明の範
囲内で種々の変更を加えることができることは明らかで
ある。

【００２８】

【発明の効果】以上の如く、本発明の請求項１〜４に記
載の核燃料チャネルに依れば、原子炉の供用期間中に核
燃料チャネルの側壁に生じる膨張に対する耐性を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明に係る燃料チャネルを製造するのに用
いられる合金シート片を示す説明図である。

【図１Ｂ】本発明に係る燃料チャネルの製造工程中で合
金シート片に対する第一の溶接ビード処理工程を示す説
明図である。

【図１Ｃ】本発明に係る燃料チャネルの製造工程中で合
金シート片のプレス成形工程を示す説明図である。

【図１Ｄ】本発明に係る燃料チャネルの製造工程中で次
に引き続くシームに対する溶接工程を示す説明図であ
る。

【図１Ｅ】本発明に係る燃料チャネルの製造工程中で次
に引き続くチューブに対する付随的な溶接ビード処理工
程を示す説明図である。

【図１Ｆ】本発明に係る燃料チャネルの製造工程中で次
に引き続く溶接部に対するロールプラニシング処理工程
を示す説明図である。

【図１Ｇ】本発明に係る燃料チャネルの製造工程中で次
に引き続くチューブの粗成形工程を示す説明図である。

【図１Ｈ】本発明に係る燃料チャネルの製造工程中で次
に引き続くチャンネルに対するサーマルサイジング処理
工程を示す説明図である。

【図２】本発明に係る燃料チャネルの斜視図である。

【図３】図２の燃料チャネルの３−３線横断面図であ
る。

【符号の説明】

２０燃料チャ
ネル２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄコーナー２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ側壁２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄセンター
ライン２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ第一のオ
フセンターライン２８′ａ，２８′ｂ，２８′ｃ，２８′ｄ第二のオ
フセンターライン３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ，３
２ｇ非シーム溶接部３０シーム溶
接部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ジョセフイー．コンウェイアメリカ合衆国，カリフォルニア州 92019 エルケイジョン，バーンハムストリート 616 (72)発明者ドナルドアール．ウォズニアクアメリカ合衆国，カリフォルニア州 92109 サンディエゴ，ベイサイドウォーク 3786 (56)参考文献特開平５−196764（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G21C 3/324 GDB B21C 37/08 B23K 9/00 501 G21C 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】４つのコーナーと前記４つのコーナーの
２つの間にそれぞれ位置する４つの細長い側壁とを有す
る横断面多角形に合金シートで形成され、対向する２つ
の側壁の各々に付加される最大応力のラインに沿って位
置する長手方向のセンターラインと、その長手方向のセ
ンターラインとその側壁に隣接する２つのコーナーの一
方との間で前記対向する側壁の各々に付加される最小応
力のラインに沿って位置する第一の長手方向のオフセン
ターラインと、前記対向する２つの側壁の各々の上で前
記第一の長手方向のオフセンターラインに沿って施され
た溶接部とを有することを特徴とする核燃料チャネル。
【請求項２】前記対向する２つの側壁の各々が、その
長手方向のセンターラインとその側壁に隣接する２つの
コーナーの他方との間に位置し且つその側壁上の第二の
最小応力ラインに沿って位置する第二の長手方向のオフ
センターラインと、前記第二の長手方向のオフセンター
ラインに沿って施された第二の溶接部とを有することを
特徴とする請求項１に記載の核燃料チャネル。
【請求項３】前記側壁のすべてが、最大応力ラインと
一致する長手方向のセンターラインと、その長手方向の
センターラインとその側壁に隣接する２つのコーナーの
一方との間に位置し且つその側壁上の最小応力ラインに
沿って位置する第一の長手方向のオフセンターライン
と、前記第一の長手方向のオフセンターラインに沿って
施された溶接部とを有することを特徴とする請求項１に
記載の核燃料チャネル。
【請求項４】前記側壁のすべてが、その長手方向のセ
ンターラインとその側壁に隣接する２つのコーナーの他
方との間に位置し且つその側壁上の第二の最小応力ライ
ンに沿って位置する第二の長手方向のオフセンターライ
ンと、前記第二の長手方向のオフセンターラインに沿っ
て施された第二の溶接部とを有することを特徴とする請
求項３に記載の核燃料チャネル。
【請求項５】４つのコーナーと前記４つのコーナーの
２つの間にそれぞれ位置する４つの細長い側壁とを有す
る横断面多角形のチャネルをジルコニウム合金のシート
から形成するステップと、前記対向する２つの側壁の各々の上の最小応力ラインに
沿って第一の長手方向オフセンターラインを位置づける
ステップと、前記対向する２つの側壁の各々の上で前記第一の長手方
向オフセンターラインに沿って溶接部を形成することに
よって前記２つの細長い側壁のクリープ耐性を増大させ
るステップとを含む原子炉の燃料チャネルを製造する方
法。
【請求項６】前記対向する２つの側壁の各々の上の第
二の最小応力ラインに沿って第二の長手方向オフセンタ
ーラインを位置づけるステップと、前記対向する２つの側壁の各々の上で前記第二の長手方
向オフセンターラインに沿って第二の溶接部を形成する
ステップとを含む請求項５に記載の核燃料チャネルの製
造方法。
【請求項７】前記細長い側壁のすべての上の最小応力
ラインに沿って第一の長手方向オフセンターラインを位
置づけるステップと、前記細長い側壁のすべての上で前記第一の長手方向のオ
フセンターラインに沿って溶接部を形成することによっ
て前記細長い側壁のクリープ耐性を増大させるステップ
とを含む請求項５に記載の核燃料チャネルの製造方法。
【請求項８】前記細長い側壁のすべての上の第二の最
小応力ラインに沿って第二の長手方向のオフセンターラ
インを位置づけるステップと、前記細長い側壁のすべての上で前記第二の長手方向のオ
フセンターラインに沿って第二の溶接部を形成するステ
ップとを含む請求項７に記載の核燃料チャネルの製造方
法。