JPH02285285A - 照射環境下用のばね部材 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、照射環境のもとて特に原子炉炉心で使用され
るばね部材に関する。

〔従来の技術〕

強い照射に曝される機器はその機械的特性が著しく変化
し、その機器の構造材料が損傷をこうむるおそれがある
。この問題が特に挙げられる環境の一つに原子炉の炉心
がある。原子炉の炉心構造物は多数の金属部品を有して
いる。これらの部品のいくつかはばねの形をしている０
例えば燃料集合体の燃料棒は格子形スペーサの個々の格
子目の中に、熱膨張が生じた際に縦方向には自由に動け
るが燃料間の横方向間隔は維持されるようにするために
、板ばねの形をした少なくとも一つのばね部材で保持さ
れている。沸騰水形原子炉および加圧水膨原子炉におい
て、燃料集合体のばねはしばしばステンレスあるいは「
インコネル」と呼ばれる合金で作られている。しかしス
テンレスあるいはインコネルは大きな中性子捕獲率を存
するので、これを許容できない場所では、「ジルカロイ
ｊと呼ばれる合金を使用している。また、非常に強い照
射を受けるばね部材に対しては、インコネルを使用する
方が有利である。ジルカロイは中性子吸収率が小さいけ
れども、インコネルはジルカロイの場合よりも照射によ
る応力弛緩に対して大きな抵抗力を有している。そのた
めに特にジルカロイは、ばね材料の照射による応力緩和
を減少する必要がある。

（発明が解決しようとする課題〕 本発明の課題は、このような問題に対処するための照射
環境下用のばね部材を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕 この課題は本発明によればばね部材が、互いに接着され
且つ照射成長率が異なっている第１のシートばね材と第
２のシートばね材とから構成される第２のシート材の照
射成長率が第１のシート材のそれよりも非常に大きいこ
とにより解決される。

〔作用効果〕

本発明に基づくばね部材は、照射成長率が異なっている
多層の金属構造物から成っている。その照射成長率の差
を最適に選択することによって、照射によるばね部材の
応力緩和は制御できる。

本発明に基づくジルカロイばねは、中性子吸収率が低い
という利点を利用した状態においてインコネルに匹敵し
た改善された応力緩和特性を有する。

【実施例〕

以下図面に示した実施例について説明する。

第５図は、上側タイプレート１２、下側タイブレート１
４およびこれら両者の間を延びている複数の燃料棒１６
を有する原子炉燃料集合体１０を示している。この種の
燃料集合体は例えば米国特許第４７５６８７８号明細書
に記載されているので、この特許明細書の説明を参照さ
れたい、燃料棒１６は複数の格子形スペーサ１８を貫通
して導かれ、これらによって互いに横方向の間隔を保た
れている。

第１図には、本発明に基づく格子形スペーサ１８の実施
例の一部が斜視図で示されている。このスペーサ１８は
全体がジルカロイ板金で作られ、周辺帯板２０．２２を
有しており、これらの周辺帯板２０．２２の内側に、正
方形の格子目を形成するために格子部材２４．２６が規
則的な格子パターンで配置されて固定されている。ばね
要素２８は格子部材２４．２６における開口の中に固定
され、ばね要素２８の４枚の板ばね３０が隣接する４個
の開口の一つにそれぞれ面するように設計されている。

板ばね３０は約０．４−の厚みを有し、第２図に拡大し
て示したように成長率が異なったバイメタル構造をして
いる。

第２図において、ばね３０はその開口に面している凸面
側にある外側層３２と凹面側にある内側層３４とを臂し
ている。外側層３２は第１の照射成長率を有する第１の
ジルカロイ合金から成り、内側１１ｔ３４は１ＪＩの照
射成長率より小さな第２の照射成長率を有する第２のジ
ルカロイ合金から成っている。これら両方の合金は、一
方の層の再結晶温度が他方の層のそれよりも高くなるよ
うに錫と酸素の含有量が変えられている単一ジルコニウ
ム合金である０例えば外側層３２は１．５〜１．７重量
％の錫と０．１２〜０．１５重量％の酸素を含み、内側
層３４は０．５〜１．０重量％の錫と０．０６〜０゜１
０重量％の酸素を含んでいる。これらの層３２．３４は
２枚の別個のシート板を圧延接着して形成されている。

その接着は高温プレス、高温圧延、押出しなどで行われ
る。接着済みのシート板はその後で６５０〜７５０℃で
２〜１０分間に亘つて最終的な熱処理が行われる。照射
されて応力が緩和した層は大きく成長し、この結果とし
て、照射による個々の層３２．３４の応力緩和に対抗す
るために、ばね３０は大きく湾曲させられる。

第３図に示した本発明の別の実施例では、上述の特許明
細書に記載のものと異なった形の格子形スペーサ３６が
示されている。この格子スペーサ３６の格子部材３８．
４０は２枚の金属板壁部材４２．４４で形成されている
。これらの壁部材４２．４４は原子炉の冷却材の流れを
乱すためにチャネル４６の片側半分を規定している。チ
ャネル４６の壁部材４２０片側部分は、燃料棒１６に対
する変形可能なバイアスばね４８のように作用させるた
めに湾曲されているが、他方の壁部材４４は湾曲されて
おらず、真っ直ぐな断面形状を維持している。第４図は
、壁部材４２．４４がスポット溶接５０で取り付けられ
ている場所を拡大して詳細に示している。ばね４８を含
んでいる湾曲壁部材４２は冷間加工シルカロイから成り
、例えば６００℃以下の温度で焼なまして応力除去され
ているが、再結晶されていない、真っ直ぐな壁部材４４
は、再結晶焼きなましされているか、あるいはクロム、
モリブデン、バナジウム、タングステン、鉄、ニッケル
および銅から成るグループから一つあるいは複数の組成
を添加して行われる析出硬化のような処理が施されたジ
ルカロイから成っている。その好適な組成はクロム、モ
リブデンおよび鉄である。これにより生じた構造は、照
射が増加するにつれて湾曲壁部材４２は真っ直ぐな壁部
材４４よりも大きな度合で成長するように異なった照射
変形を生ずるので、ばね４８の湾曲が増加し、チャネル
４６の壁に対するばね部分４８の緩和に対抗する。

本発明に基づくばね構造は、異なった照射成長率を持っ
た２つの異なった金属で作ることもできる０例えば別の
理由により必要とされるとき、２枚以上の層にもできる
。その層の厚みは、吋料およびその特別な用途に対する
特性に合わせて選択しなければならない、それらの層は
、異種の材料あるいは機械的に異なった性質を得るため
に異なって変化する同種の材料で作られる０種々の公知
の特性が、同じかほぼ同じ組成を有するが異なった照射
成長率を持った金属を得るために利用できる０例えば金
属組成は、異なったα・β相変態温度を生ずるように選
択され、焼きなまし温度は、一方の層では変態を生ずる
が他方の層では変態を生じないか少なくとも部分的な変
態しか生じないように選択される。この変態はその層の
結晶組織を無作為化するが、未変態のｍ織は変化しない
。

ジルコニウムはその異方性のために、照射中においてそ
の主平面内における層の成長率が異なっている。これは
例えばジルコニウム・ニオビウムおよびジルカロイ層の
組み合わせによって実現される。

本発明に基づくばね要素の層の間における有用な異なっ
た照射成長率の相違は、これらが互いに圧延＠看される
前に受ける熱処理を選択することによって得られ、例え
ば互いに接着される直前において一方の層をβ・焼きな
ましを行い他方の層は焼きなまさないことによって得ら
れる。その接着は最も有用な効果を得るために製造工程
の遅い時期に行われる。

上述した実施例において層は互いに圧延接着された別個
の金属シート板で形成されているが、異なった照射成長
率を持った２つの層を形成するために単一の金属シート
板の両側面を異なって処理することも考えられる。これ
は例えばそれらの表面を異なって焼きなまし処理するか
、あるいは例えば熱拡散又は鉄注入によりそれらの表面
に異なった組成を設けることによって行われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料集合体における本発明に基づく格子形スペ
ーサの部分斜視図、第２図は第１図における格子形スペ
ーサのばね要素の拡大斜視図、第３図は本発明に基づく
格子形スペーサの異なった実施例の一部斜視図、第４図
は第３図における格子形スペーサの一部拡大斜視図、第
５図は従来における燃料集合体の斜視図である。 １０、、、燃料集合体 １６、、、燃料棒 １８、、、格子形スペーサ ３０、、、専属ばね ３２、、、外側層 ３４、、、内側層 ３６、、、格子形スペーサ ４２、、、壁部材 ４４、、、壁部材

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）使用期間中に応力緩和を生ずるほど強い照射を受け
   る環境下で使用するばね部材において、このばね部材が
   、互いに接着され且つ照射成長率が異なっている第１の
   シートばね材と第２のシートばね材とから構成され、第
   ２のシート材の照射成長率が第１のシート材のそれより
   も非常に大きいことを特徴とする照射環境下用のばね部
   材。 ２）第１のシート材および第２のシート材が同じ化学的
   組成を有するが、照射成長率を異ならせるために異なっ
   た処理を施されていることを特徴とする請求項１記載の
   ばね部材。 ３）第１のシート材および第２のシート材がジルコニウ
   ムを基礎とした合金から成り、第１のシート材が析出硬
   化処理され、第２のシート材が冷間加工されていること
   を特徴とする請求項２記載のばね部材。 ４）第１のシート材および第２のシート材が異なった熱
   処理を施されて、圧延接着されていることを特徴とする
   請求項２記載のばね部材。 ５）第１のシート材及び第２のシート材が異なった組成
   の金属から成っていることを特徴とする請求項１記載の
   ばね部材。 ６）第１のシート材および第２のシート材の組成が、異
   なったα・β相変態温度を生ずるように選択され、ほぼ
   同じ温度で焼きなましされ、その温度において一方のシ
   ート材が他方のシート材よりも非常に大きな度合いで相
   変態を生ずることを特徴とする請求項５記載のばね部材
   。 ７）第１のシート材および第２のシート材がジルカロイ
   から成り、第２のシート材の錫および酸素の含有量が第
   １のシート材のそれと異なっており、第２のシート材が
   第１のシート材よりも高い再結晶温度を有していること
   を特徴とする請求項５記載のばね部材。 ８）第１のシート材が析出硬化させるために熱処理され
   たジルコニウムを基礎とした合金であり、第２のシート
   材が冷間加工されたジルカロイであることを特徴とする
   請求項５記載のばね部材。 ９）第１のシート材および第２のシート材が、多層合成
   構造を形成するために互いに第１の層および第２の層と
   して一様に冶金学的に接着されていることを特徴とする
   請求項１記載のばね部材。 １０）第１のシート材および第２のシート材が同じ化学
   的組成を有しているが、異なった照射成長率にするため
   に異なって処理されていることを特徴とする請求項９記
   載のばね部材。 １１）第１のシート材および第２のシート材がジルコニ
   ウムを基礎とした合金から成り、第１のシート材が析出
   硬化処理され、第２のシート材が冷間加工されているこ
   とを特徴とする請求項１０記載のばね部材。 １２）第１のシート材および第２のシート材が異なった
   熱処理を施されて、圧延接着されていることを特徴とす
   る請求項１０記載のばね部材。 １３）第１のシート材および第２のシート材が異なった
   組成の金属から成っていることを特徴とする請求項９記
   載のばね部材。 １４）第１のシート材および第２のシート材の組成が、
   異なったα・β相変態温度を生ずるように選択され、ほ
   ぼ同じ温度で焼きなましされ、その温度において一方の
   シート材が他方のシート材よりも非常に大きな度合で相
   変態を生ずることを特徴とする請求項１３記載のばね部
   材。 １５）第１のシート材および第２のシート材がジルカロ
   イから成り、第２のシート材の錫および酸素の含有量が
   第１のシート材のそれと異なっており、第２のシート材
   が第１のシート材よりも高い再結晶温度を有しているこ
   とを特徴とする請求項１３記載のばね部材。 １６）第１のシート材が析出硬化させるために熱処理さ
   れたジルコニウムを基礎とした合金であり、第２のシー
   ト材が冷間加工されたジルカロイであることを特徴とす
   る請求項１３記載のばね部材。