JPS6155584B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 ある種の沸騰水型原子炉における燃料集合体は
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とジルカロイ―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
ランペレツトのような燃料物質を内蔵し、他方水
棒は水を通す。

原子炉が運転状態にある時、ジルコニウム合金
は或量の照射成長を示す。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。燃料ペレツトと被覆容器と
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する。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、ペレツト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する。

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ツドを有する端栓により固着
されている。水棒も両結合板間に長手方向に位置
づけられ、そして同様に、結合板の対応する穴に
はめ込まれたスタツ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
長差が存在する。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ツ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
に応じて増大する。燃料棒と水棒との軸方向照射
成長差は伸縮ばねによつて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ツドが上下いずれかの結合板
から離脱するおそれがある。

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
方性金属から作られた第１被覆管と第２被覆管と
に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するこ
とから成り、この場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
態にある時に生じ、他方金属の結晶組織がもつと
高い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、所望の結晶組織を実現する
よう管製造スケジユールを適正に選定することか
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することを包含
する。最終寸法は選択された冷間加工断面減少工
程により得られ、この断面減少（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エネルギー状
態になりうるように選択された温度でかつまたそ
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製造スケジ
ユールは所定の最終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すことにな
る。

こうして、金属の結晶学的組織のエネルギー状
態は、管製造スケジユ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より照射成長
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、
添付図面と関連す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、添付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
示す。

核燃料集合体１０は、概して正方形断面の管状
フローチヤネル１１から成り、これは上端におい
て、上側結合板に取付けられた昇降用取手１２を
備え、そしてその下端において突端片（集合体１
０の下部が省略されているので図示してない）を
備える。チヤネル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とを交互に配
列したものがチヤネル１１内に収納されそしてそ
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）とによつて支持されてい
る。

液体冷却材は通常、突端片の下端に設けた開口
を通つて硫入し、そして一部は入口孔（図示せ
ず）を通つて水棒内に流入して水棒内を上方に流
れ、水棒の出口孔１７を通つて流出した後、昇温
状態でチヤネルの出口１３から流出する。冷却材
はまた燃料棒と水棒との間の空間を通つてチヤネ
ル内を上方に流れる。水管の外側の冷却材は、通
例、少なくとも部分的に蒸気になつた状態で出口
１３を通つてチヤネルから放出される。

核燃料棒１４の両端は、被覆１９に溶接された
端栓１８により密封されている。端栓１８は、集
合体内での燃料棒の取付けを容易にするためのス
タツド２０を含む。各燃料要素すなわち燃料棒の
一端部には、核燃料物質ペレツト２２の長手方向
膨脹と核燃料物質から放出されるガスの滞留を許
容するよう空間２１が設けられている。らせん部
材の形態をなす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ツト集積柱が軸
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と燃料棒と水
棒との間の軸方向伸長差を許容するために各燃料
棒の上端と上側結合板との間に位置づけられてい
る。

水棒１５は中空であり、そして両端が、被覆２
６に溶接された端栓２５によつて密封されてい
る。端栓は、燃料棒と同様に、集合体内での水棒
の取付けを容易にするスタツド２７を含む。水棒
は、下側端栓の上方の入口孔（図示せず）と上側
端栓２５の下方の出口孔１７を有する。もし選択
した半径方向において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
両方を正方形断面のスタツドで構成しうる。その
場合、スタツドは対応す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或量の照
射成長差を許容するため伸縮ばね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て
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
合する。異方性金属は異なる結晶学的方向に沿つ
て異なる性質を示す金属である。原子炉において
好適に用いられる異方性金属はジルコニウムの合
金であり、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。

ジルカロイ―２は、重量で約1.5％の錫と、
0.12％の鉄と、0.09％のクロムと、0.005％のニツ
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
りニツケルの含有量が少なくそして鉄の含有量が
わずかに多いが、その他の点ではジルカロイ―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つて製造しうる。

被覆は筒形管材から機械的な冷間減面によつて
作られる。管材は通例その材料の中空ビレツトか
ら押出し加工により得られる。

冷間減面はピルガー（Pilger）圧延機における
揺動プロセスのような様々の技術により達成しう
る。ピルガー圧延機において、厚肉の管材は特殊
なロールを通過する。これらロールはその周囲に
沿つて断面形状が変化し、従つて、ロールが回転
する時ロール間の間隔が変化する。管は心棒に固
定され、その後大きい方の半径を有するロール部
分によつて把持される。管がロール間を進行する
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
するまで回転を完了し、従つて管はもはや把持さ
れない。その後、管は選定距離だけ引戻され、こ
こで再度管の厚肉部分が大きい方の半径を有する
ロール部分により把持される。心棒は管の外周に
加わるロール圧を一様にするために連続的に回さ
れる。

一般に、幾回かの冷間加工パスが行われて最終
寸法の管が得られる。各減面パス後に、管材は浄
化されそして熱処理される。

管厚減少工程にお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
晶欠陥を発生させる。冷間加工された金属は比較
的高いエネルギー状態にあり、熱的に安定でな
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するものであり、そ
うす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
度と時間の関数であるが、温度がより敏感な因子
である。

本発明の実施に従えば、管製造スケジユールが
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すに十分であるが結晶粒を
過大に成長させるには不十分であるよう時間と温
度を選択した熱処理を受ける。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〓から約1300〓までの
範囲と、約１〜15時間、好ましくは約２〜５時間
である。

他方、水棒は、最終冷間減面パスにより最終寸
法を得た後、燃料棒におけ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、部分再結晶すなわち
応力緩和をもたらすが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、この熱処理に対する好ましい温
度と時間は、約825〓〜約950〓と、約１〜４時間
である。

照射による軸方向すなわち長手方向伸長の程度
は、被覆管のエネルギー状態を決定する最終熱処
理段階において生じる再結晶の量に依存する。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す。燃料棒は、中性
子束内で２つの効果、すなわち、管金属の結晶学
的状態の照射誘起変化と、ペレツトと被覆の機械
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することにより、結晶
学的変化による伸長は増大されるので、水棒の伸
長度は燃料棒に作用する２つの効果の和による燃
料棒伸長度と一層良く近似しうる。

エネルギー状態はまた、最終熱処理に加えて、
最終減面パスにおけ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
と結晶欠陥を付与し、従つてその金属は減面度の
もつと低い場合より相対的に高いエネルギー状態
となる。従つて、最終減面度が管に所望量の結晶
欠陥を付与するように燃料棒と水棒との間で所望
最終寸法を得るまで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
成の最終段階においてもつと少ない冷間減面を受
ける燃料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
得、こうして所望のエ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て実質上均等の
照射成長を有する燃料棒と水棒を製造するため
に、以下に述べる管製造スケジユールを使用でき
る。

燃料棒用の第１被覆管は、ASTMB353、等級
RA―１に従うジルカロイ―２合金のビレツトか
ら製造される。ビレツトは機械加工と浄化処理を
受けそして長さほぼ9.0インチ、外径約5.74イン
チ、内径約1.66インチの寸法を持つ。

このビレツトは、毎分約６インチの押出速度、
約６：１の減面比、約1100〓の温度および約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ツト表面が
水溶性潤滑剤で潤滑される。

管材の最終減面はピルガー圧延機における冷間
加工により達成される。

減面前の管材は約2.5インチの外径と約0.430イ
ンチの肉厚を有する。管材は、脱脂剤で浄化され
た後、せつけんを基とするアルカリ性溶液で浄化
される。この管材は約1150〓において約１時間焼
鈍される。

ピルガー圧延機において第１減面パスを行い、
約1.45インチの外径と約0.220インチの肉厚を有
する管材を作る。その後、管材を前のように浄化
しそして約1150〓で約１時間焼鈍する。

次いで、ピルガ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
を有する管を作る。この管も浄化しそして約1150
〓で約１時間焼鈍する。

その後、燃料棒製造用の第１管材はピルガー圧
延機において第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0.035
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〓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ジ
ルカロイ―２製の第２被覆管は、ピルガー圧延機
における第２減面パスを経る段階まで燃料棒につ
いて上述したようにして作製される。第２減面パ
ス後、管材は脱脂剤と、せつけんを基とするアル
カリ性溶液とで浄化される。管材はその後約1150
〓で約１時間焼鈍される。

ピルガー圧延機で肉厚を約60％減らす第３減面
パスにより、約0.620インチの外径と0.037インチ
の肉厚を有する管材を形成する。この管も前と同
様に浄化しそして約1150〓で約１時間焼鈍する。

ピルガー圧延機で肉厚を約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
ンチの肉厚を有する第２被覆管を形成する。

最終冷間減面後、第２被覆管を約950〓で約４
時間熱処理する。

両被覆管はその後所定の長さに切断されそして
加工されて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つて作られた核燃料棒
と水棒を内蔵する核燃料集合体の部分切除断面図
である。 主な符号の説明、１０……核燃料集合体、１４
……燃料棒、１５……水棒、１９，２６……被覆
管。

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つて、第１被覆管を第１製
   造スケジユール、すなわち、最終寸法が冷間加工
   断面減少によつて得られた後、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ユールによつて
   形成することと、前記第１被覆管とほぼ同じ寸法
   を有する第２被覆管を第２製造スケジユール、す
   なわち、最終寸法が冷間加工断面減少によつて得
   られた後、前記第１被覆管の結晶組織のエネルギ
   ー状態より高いエネルギー状態にある結晶組織を
   もたらすに十分な温度で十分な時間熱処理するよ
   うなスケジユ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コニウム合金である、
   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、部分再結晶をなすが完全再結
   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つて、第１被
   覆管を第１製造スケジユール、すなわち、最終寸
   法が冷間加工断面減少によつて得られた後、該管
   の金属の結晶組織の高エネルギー状態から低エネ
   ルギー状態への実質的に完全な再結晶を実質的な
   結晶粒成長を誘起することなく誘起するに十分な
   温度で十分な時間該管を熱処理するようなスケジ
   ユールによつて形成することと、前記第１被覆管
   と実質的に同じ寸法を有する第２被覆管を第２製
   造スケジユール、すなわち、最終寸法が冷間加工
   断面減少によつて得られた後、部分再結晶を誘起
   して前記第１被覆管より結晶組織のエネルギー状
   態が高い第２被覆管を形成するに十分な温度で十
   分な時間熱処理するようなスケジユールによつて
   形成することを包含する方法。 ６ 前記第１被覆管は約1000〓ないし約1300〓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。 ７ 前記第１被覆管は約1000〓ないし約1300〓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〓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。