JPH05323070A

JPH05323070A - チャンネルボックス

Info

Publication number: JPH05323070A
Application number: JP4132206A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ukai; 勝鵜飼; Kenichi Ogata; 健一緒方
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-05-25
Filing date: 1992-05-25
Publication date: 1993-12-07

Abstract

(57)【要約】【目的】照射成長に起因するチャンネルボックスの曲が
りを防止して制御棒の挿入性を改善すること、および局
部腐食の発生を抑制し、酸化被膜の剥離を防止するこ
と。【構成】チャンネルボックス11の軸方向高さ領域、つま
り、下端から上方約70mmの点を基線とし、上端から下方
約 500mmの点を基線とし、両基線間の50％から90％まで
の領域にわたりβ領域温度から急冷されて生成される組
織のβ焼入れ領域10を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰水型原子炉用燃料集
合体のチャンネルボックスに係り、特に制御棒挿入性が
改善され、曲がり変形が発生せず、また高温水腐食に対
して上部格子板対向部において優れた耐食性を有するジ
ルコニウム基合金のチャンネルボックスに関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉用燃料集合体のチャンネ
ルボックスは、隣接し合う燃料集合体間を制御棒が円滑
に移動するための通路を形成し、また高温高圧の通路を
確保するためにも重要な役割を果たしている。

【０００３】図５は沸騰水型原子炉用燃料集合体を一部
断面で示す立面図である。図中の符号１は正方角筒状の
チャンネルボックスを示している。

【０００４】チャンネルボックス１は燃料束を包囲して
いる。燃料束はＵＯ₂燃料を被覆管内に装填してなる燃
料棒２の複数本がスペーサ３を介在して正方配列されて
おり、それぞれの燃料棒２が上部タイプレート４および
下部タイプレート５に穿孔された支持孔にそれぞれの上
部端栓および下部端栓を挿入することによって組み立て
られる。そして、これらの燃料束をチャンネルボックス
１が取り囲んで燃料集合体が構成される。

【０００５】このチャンネルボックス１は図６（ａ）に
示したように制御棒に面する２面の上部にはスペーサパ
ッド６と呼ばれるステンレス鋼製突起物がリベット７を
介して取り付けられている。また、図６（ｂ）に示した
ように上端面には対称位置に一対のチャンネルクリップ
８が溶接されている。チャンネルクリップ８にはチャン
ネルファスナ９と呼ばれる板ばねが設けられ、チャンネ
ルファスナ９とスペーサパッド６によって制御棒を取り
囲む４体の燃料集合体と制御棒のギャップを形成する。
このような燃料集合体は一基の原子炉に数百体装荷され
る。

【０００６】さて、いわゆる炉心構造物の構成材料とし
ては中性子経済および高温における耐食性の観点から、
ジルコニウム基合金が実用に供されており、チャンネル
ボックスの材料としても、通常ジルコニウムに重量比で
錫を約 1.5％、鉄を約 0.2％、クロムを約 0.1％添加し
たジルカロイ−４と称されるジルコニウム基合金が使用
されている。

【０００７】図７により典型的なチャンネルボックスの
製造工程を説明する。まず、チャンネルボックスの素材
である板材を受入れ（工程１）、これをコの字形にプレ
ス成形しチャンネルハーフを製造し（工程２）、チャン
ネルハーフを２個溶接することによりジルカロイ製の角
筒を作製する（工程３）。

【０００８】この後、ステンレス鋼製の中子を挿入し約
600℃に加熱焼鈍することにより、チャンネルボックス
を規定の寸法に仕上げると供に、前（工程３）における
残留応力を除去する（工程４）。これはステンレス鋼の
熱膨脹率（17×10^-6in／in／℃）とジルカロイの熱膨脹
率（５×10^-6in／in／℃）の差を利用して加熱成形を行
うものである。

【０００９】次に燃料集合体の上部タイプレートとの接
触箇所であるデンプル加工およびチャンネルクリップを
溶接し（工程５）、研磨（工程６）、スペーサパッド溶
接（工程７）を経て最終検査（工程８）を実施し完成と
なる。なお、（工程４）でジルカロイ製角筒にステンレ
ス鋼製中子を挿入する際、ジルカロイ製角筒とステンレ
ス鋼製中子の間隙が非常に小さいため技術的に難しい。
したがって、（工程３）においてチャンネルハーフを溶
接する際に、あらかじめ中子を組み込んでしまう工程も
なされている。また、チャンネルボックスの耐食性向上
の一手段として、（工程４）の前工程において、ジルカ
ロイ製角筒にα＋β焼入れを実施する場合もある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ジルコニウ
ム基合金で作られるチャンネルボックスは、使用期間中
に多量の中性子に曝されるため長手方向に伸びが生ず
る。この機構は、ジルコニウムの結晶構造が稠密六方晶
であることに起因する。

【００１１】チャンネルボックスの素材であるジルカロ
イ板材製造時の圧延工程において、稠密六方晶のＣ軸が
ジルカロイ板材の表面にほぼ垂直方向にそろうことによ
り、チャンネルボックスには強固な集合組織が形成され
ている。また、ジルコニウム結晶は中性子照射により、
Ｃ軸方向に縮み、Ｃ軸に垂直方向に成長するため、チャ
ンネルボックスは長手方向に伸びが生ずるのである。

【００１２】そして、チャンネルボックスに向かい合う
２つの面の伸び量が異なる場合には、チャンネルボック
スに曲がり変形が生ずる。この曲がり変形は高速中性子
照射量が大きく、伸びの大きい面の方が凸となり、最大
の曲がりは軸方向のほぼ中央部で生ずる。制御棒が移動
するためのチャンネルファスナ間ギャップは燃料集合体
の下端では燃料支持金具で、また上端はスペーサパッド
およびチャンネルファスナで確保されている。

【００１３】しかしながら、チャンネルボックスの曲が
りは軸方向中央部で発生するため制御棒を挟む４体のチ
ャンネルボックスが制御棒側に曲がった場合には制御棒
との干渉が発生し制御棒が挿入し難くなる可能性があ
り、原子炉の安全性上重要な問題となる可能性がある。

【００１４】さらに、燃料は近年、経済性等の観点から
高燃焼度化が進められており、前述による曲がり量が増
大することが予想される。

【００１５】上記ジルコニウム基合金から構成されたチ
ャンネルボックスの表面には、運転中には腐食が発生
し、酸化被膜が次第に成長して、時には剥離することも
考えられる。特に、上部格子板との対向部、炉内計装管
との隣接部、および制御棒ハンドルとの対向部などのス
テンレス近傍部では局部的に腐食が進むことが知られて
いる。

【００１６】酸化被膜が剥離した場合、炉心で放射化さ
れた酸化被膜が炉底部に集積して炉底部付近の放射性物
質が増大する事態を招き、例えば定検時に人体への悪影
響をおよぼす事態が生ずる。また、酸化被膜の剥離によ
るチャンネルボックスの肉減りが、当該チャンネルボッ
クスの機械的強度の低下を招くおそれがある。さらに、
燃料集合体は経済性向上を目的として高燃焼度化の方向
にあり、その意味でもチャンネルボックスの耐食性を改
善しなければならなくなってきている。

【００１７】一方、このようなチャンネルボックスは例
えば後述する図４（ただし図４中のステンレス鋼板貼設
工程は除く）の製造工程を経て製造される。

【００１８】従来技術にあっては、最終製品全体をα＋
β処理するか、最終製品手前のものに対してα＋β処
理、あるいはβ処理することによって、金属間化合物の
微細分散析出を達成し、耐食性を向上させることが提案
されている。

【００１９】しかしながら、従来技術ではある程度の耐
食性の向上は図れるものの、上述の局部腐食に対しては
十分ではない課題がある。

【００２０】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、照射成長に起因するチャンネルボックスの曲
がりを防止して制御棒の挿入性を改善し、また高温水腐
食に対して上部格子板対向部において優れた耐食性を有
しかつ酸化被膜の剥離を抑制することができるチャンネ
ルボックスを提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】第１の発明は多数本の燃
料棒をスペーサを介在して整列配置し、これらの燃料棒
の両端部を上部および下部タイプレートにそれぞれ固定
して構成した燃料棒束を包囲するための沸騰水型原子炉
用燃料集合体のチャンネルボックスにおいて、前記チャ
ンネルボックスの軸方向高さに沿って下端から上方約70
mmの点を基線とし、上端から下方約 500mmの点を基線と
し、両基線間の50％から90％までの領域にβ領域温度か
ら急冷されて生成されるβ焼入れ組織を附与してなるこ
とを特徴とする。

【００２２】第２の発明は多数本の燃料棒をスペーサを
介在して整列配置し、これらの燃料棒の両端部を上部お
よび下部タイプレートにそれぞれ固定して構成した燃料
棒束を包囲するための沸騰水型原子炉用燃料集合体のチ
ャンネルボックスにおいて、前記燃料集合体を炉心内に
装荷した場合における前記チャンネルボックスの上部格
子板との対向する位置の外面にステンレス鋼を貼設して
なることを特徴とする。

【００２３】

【作用】第１の発明においてはチャンネルボックスが持
つ強固な集合組織を改善し、高速中性子の照射を受けて
も長手方向に伸びないチャンネルボックスを提供するた
め、チャンネルボックスの熱間成形の前段階で少なくと
も全体の50％以上についてβ焼入れを実施する。

【００２４】チャンネルボックスの結晶構造がβ焼入れ
組織になれば、照射成長の主原因である照射成長を防止
することができ、照射成長に起因するチャンネルの曲が
りも防止することができる。

【００２５】なお、ジルカロイ製角筒であるチャンネル
ボックスにβ焼入れを行った場合、β領域（約1000℃）
においては、チャンネルボックスの強度が低下し、容易
に変形してしまうという問題がある。本発明では、チャ
ンネルボックスの形状を保つために中子挿入した状態で
β焼入れを行うことにより、β焼入れ時のチャンネルボ
ックスの変形を抑制させる。

【００２６】第２の発明においては上部格子板対向部の
局部的な腐食は、炉水中で異なる種類の金属が接触した
場合に、それぞれの金属の腐食電位が異なることにより
局部電池が形成され引き起こされる、いわゆるガルバニ
ック腐食が原因と考えられるために、板材製造工程もし
くはチャンネルボックス製造工程において、チャンネル
ボックスの上部格子板の対向部となるチャンネルボック
ス成形用板材もしくはプリチャンネルの外面にステンレ
ス鋼板を貼設する。

【００２７】これにより、チャンネルボックスの上部格
子板対向部にステンレス鋼板が貼設され、上部格子板と
チャンネルボックス外面との腐食電位差がなくなり、チ
ャンネルボックスの上部格子板対向部表面の腐食の問題
は解決される。

【００２８】また、チャンネルボックス外面に貼設した
ステンレス鋼とジルカロイ、すなわちチャンネルボック
スの母材との界面においては、上記と同様の局部腐食は
発生し得るが、母材とステンレス鋼が密着しているた
め、腐食環境が従来例より改善される。また、発生した
酸化被膜は、貼設されたステンレス鋼により剥離が抑制
される。

【００２９】

【実施例】図１および図２を参照しながら本発明に係る
チャンネルボックスの第１の実施例を説明する。なお、
この第１の実施例は請求項１に記載された第１の発明に
該当するものである。

【００３０】図１（ａ）は第１の発明のチャンネルボッ
クス11を示す立面図で斜線を施した部分はβ焼入れ領域
10を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の上面図を示してい
る。

【００３１】図１に示したチャンネルボックス11の形状
および構造は図６に示したチャンネルボックス１と本質
的に変るものではないが斜線を施した部分にβ焼入れ領
域10を附与したことを特徴とする。

【００３２】すなわち、符号10はβ焼入れ組織が附与さ
れた領域を示している。本実施例では通常チャンネルボ
ックスの高速中性子照射量が大きくなる燃料集合体の燃
料有効長部に対応した領域10にβ焼入れを実施してい
る。そのβ焼入れ領域10はチャンネルボックス11の下端
を基点としその基点から約70mmまでは空白で、その70mm
を基線として上方からチャンネルボックス11の上端から
下方約 500mmの点を基線とし、両基線間の50％から90％
までの領域である。したがって、チャンネルボックス11
の上端から下方 500mmまでは空白で、β焼入れ組織は附
与されていない。

【００３３】このようなβ焼入れ領域を選択した理由
は、β組織の機械特性に起因するもので、ジルカロイは
α焼鈍組織に比べてβ焼入れ組織は強度の向上に反して
延性が低下するため、β焼入れ組織の領域を少ない範囲
にとどめる必要がある。

【００３４】したがって、本実施例ではチャンネルボッ
クスの上下部領域を除く中央部領域にわたる約90％の領
域に焼入れを実施したものである。なお、このようなβ
組織をチャンネルボックス11の全長にわたる50％以上の
領域に附与すれば、有効な曲がりに対する効果が得られ
る。

【００３５】次に図２により上記チャンネルボックス11
の製造方法を説明する。なお、図７と同一部分には同一
符号を付している。

【００３６】まずチャンネルボックスの素材である板材
を受入れ（工程１）、これをコの字形にプレス成形しチ
ャンネルハーフを製造し（工程２）、チャンネルハーフ
を２個溶接することによりジルカロイ製の角筒を作製す
る（工程３）。

【００３７】ここで、ステンレス鋼製の中子を挿入し、
ジルカロイ製角筒を中子を挿入した状態で、β焼入れ用
高周波コイルを組み込んだ高周波加熱装置（図示しな
い）と水ジェット式冷却装置（図示しない）からなるβ
焼入れ装置（図示しない）に前記角筒を設置しβ焼入れ
を実施する（工程３−１）。

【００３８】前記角筒の加熱には高周波加熱装置を使用
する。その理由はジルカロイとステンレス鋼の電気抵抗
の違いが大きく、ジルカロイは高温加熱されるのに対
し、ステンレス鋼製中子はジルカロイに比べて温度上昇
が小さいため、中子の熱膨脹によるジルカロイ製角筒の
変形は発生せず、しかも繰り返し使用する中子の熱疲労
に対する問題が発生しないことによる。

【００３９】高周波加熱後、ステンレス鋼製の中子を挿
入した状態のジルカロイ製角筒を約600℃に加熱して焼
鈍することにより、チャンネルボックスを規定の寸法に
仕上げると共に、前工程における残留応力を除去する
（工程４）。これはステンレス鋼の熱膨脹率（17×10^-6
in／in／℃）とジルカロイの熱膨脹率（５×10^-6in／in
／℃）の差を利用して加熱成形を行うものである。

【００４０】次に燃料集合体の上部タイプレートとの接
触箇所であるデンプル加工およびチャンネルクリップを
溶接し（工程５）、研磨（工程６）、スペーサパッド溶
接（工程７）を経て最終検査（工程８）を実施し完成と
なる。

【００４１】上記実施例によればチャンネルボックスの
特定領域にβ焼入れ組織を附与することにより照射成長
を抑制し、かつ照射成長に伴う曲がりを防止できる。ま
た、チャンネルをβ焼入れする際にはチャンネルの変形
が容易に発生するが、製造時にその変形を抑制するた
め、中子を入れた状態でβ焼入れを実施する。これによ
り原子炉内で制御棒との干渉が発生し制御棒が挿入し難
くなることを防止できる。

【００４２】次に図３および図４を参照しながら本発明
に係るチャンネルボックスの第２の実施例を説明する。
なお、この第２の実施例は請求項２に記載した第２の発
明に該当するものである。

【００４３】図３（ａ）は第２の発明のチャンネルボッ
クス12の要部を示す立面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の
Ａ−Ａ矢視横断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ
矢視縦断面図である。

【００４４】本実施例のチャンネルボックス12はジルコ
ニウム基合金からなり、燃料集合体が原子炉炉心内に装
荷された際、炉心の上部格子板と対向する部位のチャン
ネルボックスの外面に図３に示したようにステンレス鋼
板13を貼設したものである。ステンレス鋼板13の貼設置
手段としてはリベット締め、圧着、溶接金属結合などに
よって行うことができる。

【００４５】チャンネルボックス12のステンレス鋼板13
が貼設されていない上部側面にはスペーサパッド６が設
けられ、また上端面にチャンネルクリップ８が設けられ
ている。

【００４６】次に図４により上記チャンネルボックス12
の製造方法を説明する。なお、図４（ａ）と図４（ｂ）
とはアルファベットごとに対応している。

【００４７】すなわち、ジルコニウム基合金板を受入検
査ａし、これをコの字状にプレス成形ｂしてチャンネル
ハーフを製造する。このチャンネルハーフを開先加工ｃ
し、チャンネルハーフを２個合わせて角筒状としたの
ち、電子ビーム溶接ｄおよび熱処理成形ｅする。

【００４８】次にステンレス鋼板貼設のための加工とし
て丈決めｆを行い、デンプル加工ｇ、クリップ溶接ｈ、
穴あけｉ、逆洗ｊを行ったのちステンレス鋼板の貼設ｏ
を行う。最後にスペーサパッド溶接ｌおよび最終検査ｍ
を行って完成されたチャンネルボックス12とする。

【００４９】上述したようにステンレス鋼を貼設するた
めの加工を施す工程として、チャンネルボックス製造工
程中の丈決めｆ時に、チャンネルボックスの上部格子板
対向部となるプリチャンネルの外面を、貼設するステン
レス鋼の寸法に合わせて切削する。

【００５０】次に、酸洗処理工程の後、所定の部位にリ
ベット締めによりステンレス鋼を貼設する。これにより
上部格子板対向部に優れた耐食性を有し、かつ酸化被膜
の剥離を抑制するチャンネルボックスを製造することが
できる。

【００５１】上記実施例でステンレス鋼を貼設するため
の加工を施す工程はチャンネルボックス製造工程中の丈
決めｆ時に限定されるものではなく、ステンレス鋼板の
貼設ｏの工程は酸洗処理後の限定されるものではない。

【００５２】なお、第１の実施例において、最終成形方
法に中子焼鈍方法を使用するチャンネル製造工程におい
て最終成形前にチャンネルボックス内に中子を挿入した
状態でβ焼入れを実施する工程を有する。

【００５３】また、チャンネルボックス内に挿入した状
態でのβ焼入れ工程の後、挿入された中子を使用した最
終熱間成形を実施する。さらにβ焼入れ工程（３−１）
は高周波加熱および水焼入れによる。

【００５４】

【発明の効果】第１の発明によれば高速中性子照射によ
る成長が発生せず、ジルカロイの照射成長に起因するチ
ャンネル曲がりの課題は解決される。

【００５５】第２の発明によればチャンネルボックスの
上部格子板対向部の外面にステンレス鋼板を貼設するこ
とにより、原子炉内の上部格子板対向部における局部腐
食および酸化被膜の剥離を効果的に防止できるととも
に、高燃焼度化に対するチャンネルボックスの健全性を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係るチャンネルボックスの第
１の実施例を示す立面図、（ｂ）は（ａ）におけるチャ
ンネルボックスの上面図。

【図２】図１におけるチャンネルボックスの製造方法を
示す工程図。

【図３】（ａ）は本発明に係るチャンネルボックスの第
２の実施例の要部を示す立面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−
Ａ矢視方向を切断して示す横断面図、（ｃ）は（ａ）の
Ｂ−Ｂ矢視方向を切断して示す縦断面図。

【図４】（ａ）は図３におけるチャンネルボックスの製
造方法を示す工程図、（ｂ）は（ａ）に対向する工程順
の斜視図。

【図５】従来の沸騰水型原子炉用燃料集合体を一部断面
で示す立面図。

【図６】（ａ）は図５におけるチャンネルボックスを示
す立面図、（ｂ）は（ａ）の上面図、（ｃ）は（ａ）の
下面図。

【図７】図６におけるチャンネルボックスの製造方法を
示す工程図。

【符号の説明】

１…チャンネルボックス、２…燃料棒、３…スペーサ、
４…上部タイプレート、５…下部タイプレート、６…ス
ペーサパッド、７…リベット、８…チャンネルクリッ
プ、９…チャンネルファスナ、10…β焼入れ領域、11…
チャンネルボックス（第１の発明）、12…チャンネルボ
ックス（第２の発明）、13…ステンレス鋼板、14…デン
プル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多数本の燃料棒をスペーサを介在して整
列配置し、これらの燃料棒の両端部を上部および下部タ
イプレートにそれぞれ固定して構成した燃料棒束を包囲
するための沸騰水型原子炉用燃料集合体のチャンネルボ
ックスにおいて、前記チャンネルボックスの軸方向高さ
に沿って下端から上方約70mmの点を基線とし、上端から
下方約 500mmの点を基線とし、両基線間の50％から90％
までの領域にβ領域温度から急冷されて生成されるβ焼
入れ組織を附与してなることを特徴とするチャンネルボ
ックス。
【請求項２】多数本の燃料棒をスペーサを介在して整
列配置し、これらの燃料棒の両端部を上部および下部タ
イプレートにそれぞれ固定して構成した燃料棒束を包囲
するための沸騰水型原子炉用燃料集合体のチャンネルボ
ックスにおいて、前記燃料集合体を炉心内に装荷した場
合における前記チャンネルボックスの上部格子板との対
向する位置の外面にステンレス鋼を貼設してなることを
特徴とするチャンネルボックス。