JPH08211174A - 核燃料棒用の端栓を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 端栓を通過する漏洩経路を発生させる内部欠
陥の数を減少させることができ、及び／又はこれらの欠
陥を漏洩経路として無効にすることができる核燃料棒用
の端栓を製造する方法を提供する。 【解決手段】本発明に係る方法は、大径のジルカロイイ
ンゴットを、縦次元ｘ、横次元ｙ及び深さ次元ｚを有し
ている平板４０に熱成形することと、究極的には核燃料
棒の端栓を形成するブランク４４を、平板４０から横方
向に形成することとを内包している。端栓の軸は、平板
の縦次元ｘを全体的に横切っており、これにより、ブラ
ンク４４内の中心線欠陥４２は減少するか又は排除され
る。中心線欠陥が発生する限りにおいても、それらの欠
陥は端栓の軸を全体的に横切って位置しているので、こ
れにより欠陥は、端栓を貫通する漏洩経路を形成する上
で無効にされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的には核燃料棒用
の端栓を作製する方法に関し、具体的には、材料の内部
欠陥に起因した端栓を通過する気体漏洩経路を減少させ
るような、及び／又はこれらの欠陥が流体漏洩経路、例
えば気体若しくは液体の漏洩経路を形成する上で無効に
されるような作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉用の核燃料棒は典型的には、ジル
カロイ製被覆管の内部に配設された複数の不連続な核燃
料ペレットを含んでいる。ペレットが被覆管の内部に積
み重ねられた後に、被覆管は真空吸引され、ヘリウムで
再充填されると共に、管の両端の各々にジルカロイ製端
栓を溶接することにより密封される。典型的なジルカロ
イ製被覆管の外径は、例えば０．４インチ〜０．５イン
チ程度であり、長さは１５０インチ〜１６０インチ程度
であり得る。端栓自体は、上部端栓又は下部端栓のどち
らに使用されるかに応じて、約３．５インチ又はそれよ
りも短い長さと、燃料棒被覆管の直径に実質的に近い直
径とを有し得る。

【０００３】端栓の製造において、端栓を形成している
ジルカロイ材料は当初は、例えば３６インチ程度の大径
のインゴットを構成している。様々な熱操作及び機械操
作によって、インゴットはこのような大径から棒材寸
法、例えば約０．２５インチ〜０．７５インチの棒材に
縮小される。これらの熱操作及び機械操作は、一連の鍛
造操作及び再鍛造操作、再加熱を間に挟んだ押し出し加
工及びスエージ加工等の、労働集約的で経費を要する相
当数の工程を内包している。縮小された棒材は通常、不
揃いではあるが長い、数フィート程度の長さとして形成
される。ひとたび棒材が形成されたら、棒材に対して直
接に機械加工操作を行って、最終的に端栓に成形する。
典型的には、棒材をねじ切り盤のチャックを通して供給
し、直接に機械加工して端栓の最終的な形状にする。代
替的には、例えば鍛造操作によって小片又はブランクを
予備形成し、チャッキングマシンによって最終的な端栓
を形成することもできる。

【０００４】棒材から端栓を形成する前に、内部欠陥を
検出すると共に除去するために、棒材に対して非破壊試
験が典型的には実施される。これらの内部欠陥は、大径
のインゴットを棒材寸法に縮小する上で必要な前述の熱
操作及び機械操作の結果であると共に、これらの操作に
内在している。内部欠陥は又、再生材料を含めて汚染さ
れた材料を使用する結果として発生することもある。こ
れらの非破壊試験は、超音波試験、棒材の末端に対する
金属組織学試験、又は棒の末端に対する浸透探傷試験を
包含し得る。これらの試験の目的は、ひとたび端栓が被
覆に溶接されると共に燃料棒がヘリウムで充填された場
合に、燃料棒被覆管内の気体又は液体に対して漏洩経路
を供給し得る欠陥を検出すると共に同定することにあ
る。しかしながら、棒材のヘリウム漏洩経路を検出する
試験は、端栓を通過する漏洩を可能とする内部欠陥を常
に検出していたとは言えない。漏洩経路は、漏洩経路が
端栓に発生する限りにおいては、大径のインゴットから
棒材に材料を縮小する現行の方法、具体的には、このよ
うに縮小する上で必要な熱操作及び機械操作に内在する
結果であるものと考えられる。押し出し加工の際も含め
て、この大幅な縮小は軸方向のパイプを形成し易く、こ
のパイプはスエージ加工によって、即ち金属を小径に圧
縮するときに、伸長される可能性がある。このように、
軸方向又は中心線欠陥は、棒材の製造の結果として発生
すると共に、この棒材から製造される端栓内に継承され
る。その結果、最終的な端栓には、端から端にわたる漏
洩経路が時として存在する。欠陥の数は製造される燃料
棒の数に比べて極めて少ないが、本発明で扱われる課題
は、この比較的小さな故障率を更に低下させ、例えば製
造される燃料棒１００万に対して端栓１つ未満の故障率
に低下させることにある。

【０００５】更に、故障率を低下させるというこれらの
技術的な理由に加えて、縮小操作は典型的には、前述の
ように多数の熱操作及び機械操作を必要とする。これら
の操作は相当な時間と労力とを必要とする。従って、こ
の処理は時間浪費的で、多額の経費を要すると共に材料
の損失を招くものとなっている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、材料の
中心線欠陥及び最終的な端栓製品の漏洩経路を減少させ
るか又は排除するようた態様で核燃料棒用の端栓を形成
する方法が提供される。本明細書で用いる「中心線欠
陥」（centerline defect）という用語は、材料の中心
線又は軸線に限定された欠陥を意味するのではなく、必
ずしも材料の軸線上でなくとも縦方向に延在している欠
陥を包含するものとする。本発明は、端栓の形成に従来
使用されている同じジルカロイの原材料の異なる形態、
例えば平板を用いている。この平板から端栓用のブラン
クが形成され、引き続きこのブランクは最終的な形状に
機械加工される。本発明は又、板内に形成されたあらゆ
る中心線欠陥に関して異なる向きに配向しているブラン
クを用いている。これにより、このような欠陥はすべ
て、最終的な端栓の漏洩経路として無効化される。即
ち、ジルカロイ材料の内部中心線欠陥の発生が本発明の
製造方法によって実質的に抑えられ、更に、本発明に従
って端栓が製造されたときにこのような欠陥が万一発生
したとしても、その欠陥は、端栓内の潜在的な漏洩経路
としての欠陥を効果的に排除するような異なる向きに配
向する。

【０００７】本発明の一部として、端栓の漏洩経路は実
質的に、従来用いられていたインゴットの縮小操作の結
果であること、並びに中心線欠陥はこれらの縮小操作及
び／又は材料の汚染に必然的に内在していることが判明
した。本発明は、中心線欠陥の発生を最小に抑えると共
に、万一発生したとしてこのような欠陥を、漏洩経路と
しての欠陥を排除するような向きに配向させる縮小操作
を用いている。具体的には、本発明によれば、インゴッ
トが圧延素材に機械的に形成され、次に例えば熱間圧延
によって平板に圧延される。平板材料は、後に端栓を形
成すべく成形されるときに漏洩経路を形成し得るような
形式の縦方向の欠陥を、より少なく有していることが判
明した。加えて、平板材料から得られて究極的には端栓
を形成するように仕上げ加工されるブランクは、インゴ
ットから平板に変換されるときの材料の伸長方向を横切
る二方向のうちの一方向に向けて平板から取得される。
換言すると、ジルカロイ・インゴットは、好ましくは熱
間圧延によって、長さ次元、幅次元及び厚み次元を有し
ている細長い平板に形成される。この板から、最終的に
は端栓の長軸に対応する長軸を有しているブランクが形
成され、この長軸は板の縦次元又は厚み次元に対して垂
直に伸びている。このように、端栓の縦軸は平板材料に
存在するあらゆる中心線欠陥を横切って位置している。
このブランクが例えば機械加工によって端栓に更に形成
されるとき、原材料では縦方向に並んでいたあらゆる内
部欠陥が、仕上がった端栓では無効化して端栓の横方向
に位置することになり、中心線欠陥が端栓を端から端に
わたって貫通するヘリウム又は液体の漏洩経路を形成す
ることを効果的に排除することが認められよう。前述の
方法から得られる更なる利点は、ジルカロイ・インゴッ
トから平板への変換が、従来用いられていた方法でイン
ゴットを小径の棒材に変換することに比べると、労働集
約的でなく経費も嵩まない点であることがわかる。

【０００８】本発明による好適な実施例では、核燃料棒
用の端栓を製造する方法であって、端栓を通過する漏洩
経路を潜在的に形成する欠陥が最小に抑えられ、排除さ
れ又は無効にされる方法が提供される。この方法は、ジ
ルカロイ材料のインゴットを、縦次元及び横次元を有し
ている平板に形成する工程と、この平板から細長いブラ
ンクを、ブランクの縦次元が板の縦次元に対して全体的
に垂直に位置するようにして形成する工程と、ブランク
を、ブランクの縦次元に対して全体的に平行な縦軸を有
している端栓を形成するように仕上げ加工する工程とを
含んでいる。

【０００９】本発明による他の好適な実施例では、核燃
料棒用の端栓を製造する方法であって、端栓を通過する
漏洩経路を潜在的に形成する欠陥が最小に抑えられ、排
除され又は無効にされる方法が提供される。この方法
は、ジルカロイ材料のインゴットを、縦次元、横次元及
び厚み次元を有している平板に熱間圧延する工程と、こ
の平板から細長いブランクを形成する工程であって、こ
のブランクは、板の縦次元及び厚み次元のうちの１つの
次元に対して全体的に垂直に位置している縦軸を有して
いる、細長いブランクを形成する工程と、ブランクを、
ブランクの縦軸に全体的に一致した縦軸を有している端
栓を形成するように機械加工する工程とを含んでいる。

【００１０】本発明による更に他の好適な実施例では、
核燃料棒用の端栓を製造する方法であって、端栓を通過
する流体漏洩経路を潜在的に形成する欠陥が最小に抑え
られ、排除され又は無効にされる方法が提供される。こ
の方法は、ジルカロイ材料のインゴットを平板に形成す
る工程であって、この平板は、インゴットを平板に形成
する結果出現する材料伸長方向を有している、インゴッ
トを平板に形成する工程と、この平板から細長いブラン
クを形成する工程であって、このブランクは、インゴッ
トを平板に形成する結果出現する材料伸長方向に対して
全体的に垂直に位置している縦軸を有している、細長い
ブランクを形成する工程と、ブランクを、ブランクの縦
軸に全体的に一致した縦軸を有している端栓を形成する
ように機械加工する工程とを含んでいる。

【００１１】従って、本発明の主要な目的は、端栓を通
過する漏洩経路を発生させる内部欠陥の数を減少させ、
及び／又はこれらの欠陥を漏洩経路として無効にする核
燃料棒用の端栓を作製する新規で改良された方法を提供
することにある。

【００１２】

【実施例】ここで図１を参照すると、同図には、複数の
核燃料ペレット１２を含んでいる核燃料棒集合体が、ま
とめて参照番号１０を付して図示されており、これらの
核燃料ペレット１２は、薄肉の被覆管１４の内部に配設
された例えばＵＯ₂ で形成されている。ペレット１２は
管１４の内部に積み重ねられており、下部端栓１６及び
上部端栓１８のそれぞれが管の下端及び上端のそれぞれ
に典型的には溶接されて管を密封している。管の両端を
密封する前に、ペレット１２を内部に収納した管１４は
真空吸引されてヘリウムを再充填され、ヘリウムは端栓
１６及び端栓１８によって管の内部に封入される。管の
上端のプレナム２１には、ばね２０が設けられており、
ペレット１２に下向きの力を加えて操作手順中にペレッ
トを所定位置に保持する。ペレットの外径と被覆管の内
壁面との間には、極めて狭い間隙が設けられている。

【００１３】図１に示す燃料棒１０は典型的には、核燃
料バンドルを形成するために、例えば８×８又は９×９
の配列の燃料棒配列として使用されていることが認めら
れよう。次にこのバンドルは、図示されていないが、下
部タイプレートと上部タイプレートとの間に位置付けら
れる。下部端栓は下部タイプレート格子内の開口内に受
け入れられると共に、典型的には上部端栓の上方に伸張
ばねが位置付けられてバンドル状の燃料棒を下部タイプ
レート内に据え付けた状態に保持する。

【００１４】ここで図２を参照すると、下部端栓１６が
図示されており、下部端栓１６は、ねじ山を有し得る突
出した末端ピン又はシャフト２４を有している本体部２
２と、反対側の末端の周囲にフランジ２６と、同じく反
対側の末端に被覆管１４の内部に配設される短いボス２
７とを含んでいる。下部端栓は、図２の線Ａ−Ａに沿っ
た中心縦軸を有している。下部端栓１６は、フランジ２
６が管の末端に当接してそこに溶接された状態で管１４
の下端に配設されて、燃料棒１０の下端を密封している
ことが認められよう。図３を参照すると、上部端栓１８
の代表例が図示されており、上部端栓１８は、図３の縦
軸線Ｂ−Ｂの周囲に細長い本体を有している。上部端栓
１８の下端は、フランジ２８及び短いボス２９で終端し
ている。フランジと管の上端とは、端栓が管から突出す
るようにして互いに溶接されていることが認められよ
う。

【００１５】ここで図４を参照すると、同図には棒材３
０の代表例が図示されており、棒材３０は、大きなイン
ゴット寸法、例えば直径２６インチ〜３０インチ程度か
ら、棒材から形成されている端栓の直径よりもやや大き
い又はこの直径に近い寸法、例えば直径．２５インチ
〜．７５インチの範囲内に縮小されている。製造工程、
具体的にはインゴット寸法を棒材寸法に縮小する上で必
要な熱操作及び機械操作のため、棒材は、典型的には縦
方向に伸びている内在的欠陥を有しており、その多くは
中心線の近辺にある。図４の破線３２は中心線欠陥を表
している。欠陥は顕微鏡的な大きさを有しているので、
この尺度の図には正確に示せない点が認められよう。例
えば図２及び図３のような端栓を形成するための従来の
製造方法では、棒材３０は機械加工されて端栓を形成し
ていた。又、端栓の縦軸線及び棒材の縦軸線が、仕上が
った端栓の縦軸線に対して全体的に平行な潜在的漏洩経
路を形成している欠陥３２と全体的に一致して位置して
いた点も認められよう。その結果、これらの中心線欠陥
が現れている場合には、全体的に軸方向に、仕上がった
燃料棒から流体が漏洩する可能性又は端栓を貫通して流
体が入り込む可能性がある。ヘリウム漏洩による端栓の
故障率は極めて低く、例えば製造される棒２００，００
０ごとに１程度であるが、この故障率を可能な限り低下
させることは重要である。

【００１６】本発明によれば、このことは、従来端栓を
形成するために用いられていた同じ原材料の異なる形態
を用いてブランクを形成し、このブランクから究極的に
は本発明の端栓を例えば機械加工で形成することによっ
て達成される。本発明は、（ｉ）端栓での中心線欠陥の
発生を減少させ又は排除する、（ｉｉ）端栓のあらゆる
欠陥を、中心線流体漏洩経路（この経路を通して棒から
ヘリウムガスが漏出する又は棒に液体が流入する可能性
がある）の形成を許容しない又は促進しないような向き
に配向する、並びに（ｉｉｉ）端栓の作製に関わる労力
及び経費を削減する。

【００１７】本発明によれば、原材料、例えばジルカロ
イのインゴットは、好ましくは熱間圧延によって細長い
平板構造、例えば図５に部分的に図示された板４０に形
成される。図５を検討すると、板４０は縦次元ｘ、横次
元ｙ及び厚み次元ｚのそれぞれを有していることが認め
られよう。ジルカロイ・インゴットを熱間圧延すること
によって、従来使用されていた熱過程程及び機械過程に
内在していた中心線欠陥は、数の上で減少するか又は完
全に排除される。万一中心線欠陥が生じたとしても、そ
れらの中心線欠陥は、例えば参照番号４２及び４３にお
いて縦方向ｘに配向しており、即ち、形成過程によって
材料が伸長した方向に配向している。

【００１８】ひとたび平板４０が適当な厚みに形成され
れば、究極的には端栓を形成するブランク４４が板４０
内に形成され、このとき、ブランクの軸方向Ｃ−Ｃは、
機械加工された最終的な端栓の軸Ａ−Ａ又は軸Ｂ−Ｂに
方向において対応している。このように、図５に示すブ
ランク４４を板４０から、横方向ｙに機械加工、クロッ
ピング、スタンピング又は切断することができ、これに
より、ブランクの軸Ｃ−Ｃは、板４０の縦次元ｘ及び厚
み次元ｚに対して全体的に直交関係になると共に、横方
向ｙに対して全体的に平行になる。代替的には、ブラン
ク４６を板４０から、ブランクの軸Ｄ−Ｄが厚み次元ｚ
に対して全体的に平行になると共に、縦方向ｘ及び横方
向ｙのそれぞれに対して直交するような方向に機械加
工、クロッピング、スタンピング又は切断することもで
きる。インゴットを熱間圧延することによって、インゴ
ット内のあらゆる欠陥は、破線４２及び４３によって図
示したように縦次元ｘに現れる。その結果、最終的な端
栓に流体漏洩経路を形成していた方向における中心線欠
陥の現れ易さは減少する。更に、このような欠陥が最終
製品に存在する限りにおいても、欠陥は端栓の全体的に
横方向に伸びていると共に端栓の縦方向には伸びていな
いので、この欠陥が端栓の両端の間の漏洩経路を形成す
ることは概して不可能である。

【００１９】ひとたびブランク４４が形成されれば、ブ
ランクは最終的な端栓構造に機械加工され得る。端栓の
軸は、勿論Ａ−ＡであってもＢ−Ｂであっても、板４０
から取得されたブランク４４の軸Ｃ−Ｃ又は板４０から
取得されたブランク４６の軸Ｄ−Ｄと一致しているか又
は平行に位置している。ブランクは、端栓の中心線が板
形成の際の材料の伸長方向に対して全体的に垂直であり
さえすれば、勿論直角以外の角度で平板から取得され得
る。

【００２０】現時点で最も実用的で好適な実施例である
と考えられる事柄と関連させて本発明を記載してきた
が、本発明は、ここに開示した実施例に限定されるもの
ではなく、逆に、特許請求の範囲の要旨に包含される種
々の改変及び均等構成を網羅しているものと理解された
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】一部を取り除いて断面で核燃料棒を図示した側
面図である。

【図２】図１の燃料棒用の代表的な下部端栓の拡大側面
図である。

【図３】図１の燃料棒と共に使用される代表的な上部端
栓の側面図である。

【図４】端栓の製造に従来使用されていた棒材の模式図
であって、軸方向の中心線欠陥を示す図である。

【図５】平板の部分遠近図であって、この平板から、端
栓を形成するブランクが本発明に従って取得されること
を示す図である。

【符号の説明】

１０ 燃料棒集合体 １２ 核燃料ペレット １４ 被覆管 １６ 下部端栓 １８ 上部端栓 ２０ ばね ２１ プレナム ２２ 本体部 ２４ 末端ピン又はシャフト ２６、２８ フランジ ２７、２９ 短いボス ３０ 棒材 ３２、４２、４３ 中心線欠陥 ４０ 板 ４４、４６ ブランク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール・キース・ホフマン アメリカ合衆国、ノース・カロライナ州、 ハムステッド、グリーン・ティー・ロー ド、607番

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 核燃料棒用の端栓を製造する方法であっ
   て、 ジルカロイ材料のインゴットを、縦次元及び横次元を有
   している平板に形成する工程と、 該平板から細長いブランクを、該ブランクの縦次元が前
   記板の縦次元に対して全体的に垂直に位置するようにし
   て形成する工程と、 前記ブランクを、該ブランクの縦次元に対して全体的に
   平行な縦軸を有している端栓を形成するように仕上げ加
   工する工程とを備えており、 前記端栓を通過する流体漏洩経路を潜在的に形成する欠
   陥が、最小に抑えられ、排除され又は無効にされる核燃
   料棒用の端栓を製造する方法。
2. 【請求項２】 前記インゴットに、前記平板を形成する
   ように熱及び圧力を加える工程を含んでいる請求項１に
   記載の方法。
3. 【請求項３】 前記インゴットを、前記平板を形成する
   ように熱間圧延する工程を含んでいる請求項１に記載の
   方法。
4. 【請求項４】 前記板は、直交関係にある縦次元、横次
   元及び厚み次元を有しており、 前記平板から前記ブランクを、該ブランクの縦軸が前記
   板の厚み次元に対して全体的に平行に位置するようにし
   て形成する工程を含んでいる請求項１に記載の方法。
5. 【請求項５】 前記板は、直交関係にある縦次元、横次
   元及び厚み次元を有しており、 前記平板から前記ブランクを、該ブランクの縦軸が前記
   板の横次元に対して全体的に平行に位置するようにして
   形成する工程を含んでいる請求項１に記載の方法。
6. 【請求項６】 前記インゴットを、前記平板を形成する
   ように熱間圧延する工程と、 前記ブランクを、該ブランクの縦軸が前記インゴットを
   熱間圧延するときのロールの方向に対して横向きに位置
   するようにして形成する工程とを含んでいる請求項１に
   記載の方法。
7. 【請求項７】 前記仕上げ加工する工程は、前記ブラン
   クを成形して前記端栓を形成するように、スエージ加
   工、回転鍛造又は落とし鍛造のうちの１つのような機械
   的形成を行う工程を含んでいる請求項１に記載の方法。
8. 【請求項８】 核燃料棒用の端栓を製造する方法であっ
   て、 ジルカロイ材料のインゴットを、縦次元、横次元及び厚
   み次元を有している平板に熱間圧延する工程と、 該平板から細長いブランクを形成する工程であって、該
   ブランクは、前記板の縦次元及び厚み次元のうちの１つ
   の次元に対して全体的に垂直に位置している縦軸を有し
   ている、細長いブランクを形成する工程と、 該ブランクを、該ブランクの縦軸に全体的に一致した縦
   軸を有している端栓を形成するように機械加工する工程
   とを備えており、 前記端栓を通過する流体漏洩経路を潜在的に形成する欠
   陥が、最小に抑えられ、排除され又は無効にされる核燃
   料棒用の端栓を製造する方法。
9. 【請求項９】 核燃料棒用の端栓を製造する方法であっ
   て、 ジルカロイ材料のインゴットを平板に形成する工程であ
   って、該平板は、前記インゴットを該平板に形成する結
   果出現する材料伸長方向を有している、インゴットを平
   板に形成する工程と、 該平板から細長いブランクを形成する工程であって、該
   ブランクは、前記インゴットを前記平板に形成する結果
   出現する材料伸長方向に対して全体的に垂直に位置して
   いる縦軸を有している、細長いブランクを形成する工程
   と、 該ブランクを、該ブランクの縦軸に全体的に一致した縦
   軸を有している端栓を形成するように機械加工する工程
   とを備えており、 前記端栓を通過する流体漏洩経路を潜在的に形成する欠
   陥が、最小に抑えられ、排除され又は無効にされる核燃
   料棒用の端栓を製造する方法。
10. 【請求項１０】 前記平板を形成する工程は、ロールの
    方向が材料の伸長方向に対応している状態で前記インゴ
    ットを熱間圧延する工程を含んでいる請求項９に記載の
    方法。