JPH08512135A - ２段階で最終処理される案内管を備える加圧水型原子炉の燃料要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、正方形の格子状に配置された複数個の燃料棒を有し、該格子の幾つかの個所に制御棒を受容する案内管が備えられている加圧水型原子炉の燃料要素に関する。この燃料要素がより高い燃焼度を以って使用できるようにするため、本発明によれば、燃料要素の上記案内管が、従来技術で製造される案内管に比較して、その放射線照射で誘導される生長を小さくし、そして耐食性を大きくするように製造される。この目的を達成するため、案内管の最終熱処理が２つの段階、すなわち、ベータ急冷である第１段階と、アルファ相範囲の熱処理である第２段階とで行われる。

Description

【発明の詳細な説明】 ２段階で最終処理される案内管を備える加圧水型原子炉の燃料要素 技術分野 本発明は、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の燃料要素であって、正方形の格子状に 配置される複数個の燃料棒を有し、その格子の幾つかの個所に制御棒を受容する 案内管が備えられる如き燃料要素に関する。 本発明はまた、それら案内管の製造方法に係わる。 背景技術、問題点 ＰＷＲ燃料要素は、頂部ノズル、底部ノズル、スペーサ、および案内管（また はシンブル thimble）で構成されるフレームを備え、そして燃料棒を充填され る。ＰＷＲの燃料棒格子の寸法は１４×１４本から１９×１９本まで様々である 。案内管の主要な役目は制御棒用のスペースを作ることであるが、また燃料集合 体内の支持棒として、およびスペーサ保持棒としても働く。普通、案内管は、燃 料棒の被覆と同じ種類のジルコニウム合金で作られる。 原子炉の操作中、燃料棒被覆と案内管は放射線照射で誘導される生長（irradi ation-induced growth）のために伸長する。その生長は、ジルコニウムの六方格 子内のある結晶平面に配列するミクロ組織が放射線損傷を受け、そこで材料がそ れら平面に対し垂直な方向に生長することによって惹起されるものである。この ような生長が生じるということは、燃料要素が常時放射線照射によって伸長し、 そしてある照射時間が経過した後では燃料要素が、炉心の上部プレートと下部プ レートとの間の使用可能なスペースより長くなってしまうということである。こ れは燃料要素の曲げや破損の危険をもたらす。従って、燃料要素の炉心内滞在時 間を決める燃料要素の燃焼度（burnup）が制限されることになる。 燃料要素は、その燃料棒を頂部ノズルと下部ノズルとの間のスペースより幾分 短かくして燃料棒にあるスペースをもたせ、このスペースの中で生長が行われる ように設計される。支持棒としても使われる案内管はより長くされ、そして束を 一緒に保持するために頂部ノズルと底部ノズルに取付けられる。従って現在の設 計では案内管の生長度によって燃料要素の設計上の燃焼度が決められる。 ＥＰ−Ｂ−０ ２９６ ９７２号によって、ＰＷＲの被覆管の腐食、そしてま たその軸方向の生長を少なくさせるため、その製造の最終段階として、被覆管を ９５０℃から１２５０℃の間の温度に加熱し、それから急速に冷却する、いわゆ るベータ急冷を行うことによって、被覆管を熱処理することが知られている。そ の特許によれば、被覆管は、ジルコニウム合金、好適にはジルカロイ（Zircaloy ）−４とその合金の仕様範囲内の幾分かの組成成分とで構成される。 沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）の燃料要素については、ＵＳ−Ａ−４ ７７０ ８ ４７号によって、燃料棒が水棒（water rod）よりも速く生長することが知られ ている。燃料棒と水棒との生長を均等にするため、被覆管の製造の最終段階で冷 間加工で適当な寸法にし、続いて約５３８−７０５℃で１から１５時間熱処理す ることによって、生長傾向のより小さい被覆管を製造することが記載されている 。管を、冷間加工後、４４０−５１０℃で１から４時間熱処理することによって 生長傾向が幾分大きい水棒が作られる。 発明の概要 本発明によれば、生長傾向がより小さく、且つ同時に耐食性の高いＰＷＲの燃 料要素の案内管を製造することによって、現在の技術で可能であるよりも高い燃 焼度を以って使用できるＰＷＲの燃料要素が得られる。 このことは、請求の範囲に記載の事項によって達成できる。 案内管の製造において、管の主要部分が仕上り寸法にされた状態で、または管 の全ての所要寸法が得られた後で、管は、ベータ相範囲、９５０−１２００℃の 温度に加熱され、それから急速に冷却されることによってベータ急冷される。こ のベータ急冷作業はまた、管の一部分だけをベータ相へ相変態させるように行う こともできる。ベータ急冷作業の後、少なくとも１つの追加の熱処理が、案内管 を約８４０℃のアルファ相温度範囲で熱処理することによって行われる。 仕上り寸法の案内管のベータ急冷はその生長特性に対しては良好な影響を与え るが、しかし他方において案内管の腐食特性はそのような熱処理によって劣化す る。本発明によれば、仕上り寸法の、または管の主要部分が仕上り寸法にされた 、案内管をベータ急冷し、そしてこの後でアルファ相範囲で熱処理することによ っ て、管の腐食特性を著しく改良し、また生長特性に良好な影響を与えることがで きる。管の主要部分が仕上り寸法にされているときにベータ急冷された管の熱処 理が、そのベータ急冷の直後か、あるいはまた管の全ての所要の仕上り寸法が完 成された後で行われる。この最終熱処理は好適には６００から８００℃で行われ る。 ベータ急冷の後のアルファ相範囲の熱処理は複数回行うこともできる。 その熱処理は、８４０℃以下、好適には６００から８００℃の間の所要の熱処 理温度まで緩慢に高められる温度に案内管を当てるようにして行われる。管のこ の熱処理はまた、最初により低い温度で処理し、それからそれより幾分高い温度 で処理するようにして行うこともできる。ここでその低い方の温度は６００℃以 下、そして高い方の温度は６００から８４０℃にされる。緩慢な温度上昇による 熱処理、または温度が順次的に高くされる段階的な熱処理を施すことによって、 合金のマトリックス相と二次相との間で合金要素の望ましい再配分が行われる。 本発明の追加の利点は、燃料棒の被覆は同様な熱処理をする必要がなく、それ が、仕上りまたは殆んど仕上りの寸法でのベータ急冷を行うこと無しに製造でき ることである。仕上り寸法にされた被覆のベータ急冷は複雑なプロセスであり、 従って、束の中の少数の管だけにその熱処理を施すことで束全体の生長特性を望 ましいものにし、これによって束をより高い燃焼度で使用できるようにすること は非常な利点になるのである。 案内管はジルコニウム合金で作られる。ジルコニウム合金の実例はジルカロイ −２およびジルカロイ−４である。その組成は下記の通りである。 案内管を製造するためのその他の適当なジルコニウム合金は、ジルコニウムお よび１−２．０％Ｓｎ、０．０７−０．７０％Ｆｅ、０．０５−０．１５％Ｃｒ 、０．０６−０．４０％Ｎｉ、０．０１５−０．２０％Ｎｂ、０．０９−０．１ ６％Ｏを含む合金、または、ジルコニウムおよび１−２．０％Ｓｎ、０．０７− ０．７０％Ｆｅ、０．０５−０．１５％Ｃｒ、０．１６−０．４０％Ｎｉ、０． ０１５−０．２０％Ｎｂ、０．０１５−０．０５％Ｓｉ、０．０９−０．１６％ Ｏを含む合金である。 更にその他の、Ｚｒ−１．０Ｎｂ、−１．０Ｓｎ、−０．１Ｆｅのようなジル コニウム−ニオブ合金、あるいはその他のジルコニウム合金も本発明に適用でき る。 図面の簡単な説明 第１図はＰＷＲ燃料要素の側面図である。 第２図は２つの寸法をもった案内管の断面図である。 好適な実施例の説明 第１図は１７×１７束を示す。頂部ノズル１、底部ノズル２、およびスペーサ ３が案内管４と共にフレームを形成し、このフレームの中に燃料棒５が配置され る。案内管４は６と７において頂部ノズル１と底部ノズル２に固定される。燃料 棒５は、これの長さが頂部ノズルと底部ノズルとの間の長さより短かくなるよう に構成される。これによって燃料棒がある長さまで生長することがあっても曲げ の生じる危険が無くされる。その燃料要素全体が炉心の頂部プレートと底部プレ ート（図示せず）との間に挿入される。もし案内管の生長によって束全体の伸長 が生じ、頂部ノズルがこれの上方の頂部プレートに接触するようなことが起れば 、束は損傷される。 第２図は２つの寸法の直径を有する案内管４の断面図を示す。２つ以外の寸法 の幾つかの直径を有する案内管も使用できよう。案内管は制御棒８を受容するも ので、そして通常、燃料集合体への制御棒の挿入を容易にするため、２つまたは それ以上の直径を有するように設計される。 案内管は被覆管と同様にして、押出しおよびある回数の冷間圧延段階とこれら の間に行われる中間熱処理作業によって製造される。 案内管の仕上り寸法の状態で、または管の主要部分が仕上り寸法にされている とき、すなわち案内管の直径の部分的な縮小および（または）伸長が行なわれる 前に、案内管はベータ急冷される。このベータ急冷は、例えば高周波加熱によっ て管を９５０から１２００℃に加熱し、それから１０から２００℃／秒の範囲の 冷却速度で急速に冷却することによって行われる。ベータ冷却はまた、管の壁厚 の約５０％だけに施し、残余部分は加熱しないままでおくようにすることもでき る。ベータ急冷の後、管はアルファ相範囲で熱処理される。この熱処理は６００ から８００℃の間、例えば７００℃で２時間行われよう。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 一緒に１つのフレームを形成する頂部ノズル、底部ノズル、スペーサ、 および案内管、および、該フレーム内に実質的に正方形の格子状に配置される、 円筒形の燃料ペレットを詰められる被覆を有する燃料棒を備える、加圧水型原子 炉（ＰＷＲ）で使用される燃料要素において、該案内管が前記フレーム内に装架 される前に、２つの段階、すなわち、該管が仕上り寸法になっている状態で、ま たは管の主要部分が仕上り寸法になっているときに行われるベータ急冷で成る第 １段階と、８４０℃以下のアルファ相温度範囲の少なくとも１つの熱処理で成る 第２段階とで、最終的に熱処理されることを特徴とする燃料要素。 ２． 前記アルファ相範囲の熱処理が、所要の熱処理温度まで温度を緩慢に上 昇させるごとくして行われるか、あるいはまた、該熱処理が最初に６００℃以下 のより低い温度で、それから８４０℃以下のより高い温度で行われることを特徴 とする請求の範囲第１項に記載の燃料要素。 ３． 前記アルファ相範囲の熱処理が６００から８００℃で行われることを特 徴とする請求の範囲第１項に記載の燃料要素。 ４． 前記ベータ急冷が、前記管の一部分だけを相変態させるようにして行わ れることを特徴とする請求の範囲第１項、第２項、または第３項に記載の燃料要 素。 ５． 該燃料要素の燃料棒が被覆を有し、この被覆を完成させるための最終熱 処理がアルファ相範囲だけで行われることを特徴とする請求の範囲第１項、第２ 項、第３項、または第４項に記載の燃料要素。 ６． 案内管のある回数の冷間圧延段階とこれらの間に行われる中間熱処理作 業、最終熱処理、および該管の直径の完成を含む、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の 燃料要素に備えられる案内管を製造する方法において、該案内管が、２つの段階 、すなわち、該管が仕上り寸法になっている状態で、または管の主要部分が仕上 り寸法になっているときに行われるベータ急冷で成る第１段階と、８４０℃以下 のアルファ相温度範囲の熱処理で成る第２段階とで、最終的に熱処理されること を特徴とする案内管を製造する方法。 ７． 前記アルファ相範囲の熱処理が、所要の熱処理温度まで温度を緩慢に上 昇させるごとくして行われるか、あるいはまた、該熱処理が最初により低い温度 で、それからより高い温度で行われることを特徴とする請求の範囲第６項に記載 の方法。 ８． 前記アルファ相範囲の熱処理が６００から８００℃で行われることを特 徴とする請求の範囲第６項または第７項に記載の方法。 ９． 前記ベータ急冷が、前記管の一部分だけを相変態させるようにして行わ れることを特徴とする請求の範囲第６項、第７項、または第８項に記載の方法。