JPH11510910A - 原子炉制御クラスタのための吸収棒とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 吸収棒は、少なくともその下部に、少なくとも５μｍの厚さを有する酸化物またはクロム耐摩耗保護層により被覆されたハフニウム金属合成物により形成された中性子吸収材を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 原子炉制御クラスタのための吸収棒とその製造方法 この発明は、原子炉のための制御クラスタに含まれる吸収棒に関するものであ る。この吸収棒は、特に、加圧水により減速および冷却され、炉心が、棒を支持 するグリッドを取り付けた案内管により接続されるノズルからなる骨格の規則正 しい配列の節において保持される燃料棒の束をそれぞれ有する燃料集合体により 構成されている原子炉において有用である。そのような環境下において、各クラ スタは、制御機構に接続されたスパイダーにより構成されており、吸収材料を含 有する棒を搬送し、案内管内により深くまたはより浅く挿入され、または、炉心 から完全に引き抜かれさえするように設計されている。 通常、原子炉の出力を調節することおよび原子炉を停止することには、（高い 吸収性を有する「ブラック」クラスタおよび低い吸収性を有する「グレー」クラ スタのような）使用されるべき異なる組成を有するクラスタの複数のグループが 必要とされる。 「ブラック」クラスタは、一般にステンレス鋼からなる被覆管内に、Ａｇ−Ｉ ｎ−Ｃｄ合金または炭化ホウ素Ｂ₄Ｃのような高い吸収性を有する材料を収容し た棒からなっている。そのような棒は、非常に長い時間にわたって、または、「 負荷追従」を履行する原子炉内において使用されるように設計されているときに 制限を有する。Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金は、照射においてクリープおよびスエリン グにかけられる。炭化ホウ素Ｂ₄Ｃは、照射下において相当量スエリングされる 。ハフニウムは、運転温度においてクリープせず、照射下においてスエリングし ない中性子吸収材である。それにもかかわらず、鋼製の被覆管に配されている場 合には水素化から保護されなければならず、案内部材に対して摩擦される場合に は摩耗から保護されなければならない。 Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄを被覆管内のハフニウムに置き換えることにより、ハフニウ ムの水素化が回避される限りスエリングを避けることができる。しかしながら、 そのような種類の棒から構成するための試みには、いくつかの困難がある。摩擦 により、ハフニウム酸化物の天然の膜が、一旦、摩滅されると、ハフニウムは、 被覆管を通過した水素を吸収して、早期にクラスタを交換することが必要となる ほどにスエリングする。 同様の問題は、より低い吸収性の棒を含む「グレー」クラスタの棒においても 生ずる。 この発明は、特に、運転中の原子炉内において長い期間にわたって照射に耐え ることができ、かつ、特に、クラスタの交換を行う目的のために、現在の棒と互 換性を有することができる吸収棒を提供することを求めるものである。 この目的のために、この発明は、特に、原子炉制御クラスタのための吸収棒を 提供するものであり、この棒は、プラグによって閉じられる被覆管を有し、少な くともその下部に中性子吸収材を含み、前記被覆管がＨｆ−Ｚｒ合金からなり、 かつ、少なくとも５μｍの厚さを有する酸化物またはクロム保護層で被覆されて いる。前記下部は、一般に、棒、すなわち操縦バンドの長さの少なくとも１５％ を表している。 前記下部プラグは、ハフニウムを主成分とする材料からなっていてもよい。こ のプラグは全長の少なくとも１５％を占め、または、それは短くかつ前記長さま でハフニウムを主成分とする金属材料の柱を上に載せていてもよい。 この方法で、棒の下部における吸収材、すなわち、最も頻繁に炉内に配される 吸収材は、クリープしない材料からなっている。そうでなければ、被覆管を亀裂 させるスエリングの危険性がある。この材料が長いプラグからなるときには、ク ラスタガイドまたは燃料集合体における摩耗を制限するために、一般には酸化に より被覆管とともに処理され得る。プラグ内部の空洞の体積を調節することによ り、または、プラグの長さを調節することにより、棒の質量は低減され、現存す る制御機構と互換性を持たせることができる。同様に、吸収能力は、要求する使 用に適合され得る。 被覆管は、少なくとも１８重量％のＨｆを含有するＨｆ−Ｚｒ合金からなり、 あるいは、数百〜数千ｐｐｍの鉄および／または酸素を含有している。約１８０ ０ｐｐｍの酸素を加えることにより、形成の容易性に受容し難いほどの影響を与 えることなく、その機械的性質を向上することができる。鉄を８００ｐｐｍを超 えない濃度まで加えることにより、水中または加圧された蒸気中における腐食に 対する抵抗を向上することができる。 吸収材料のハフニウム含有量は、種々のパラメータの関数として選択される。 もし、原料コストを低減することを望む場合には、ジルコニウムとハフニウムを 分離するときの親溶液の含有量であるために、約３０重量％Ｈｆ−７０重量％Ｚ ｒという含有量が経済性の観点から好ましい。親溶液から直接得られる合金の使 用は、その材料のコストをジルカロイ４の近くまで低減する。加えて、ジルコニ ウムの存在によって合金の可鍛性が改善される。 しかしながら、被覆管に所定の質量に対して最大の吸収性を与えることが望ま れる場合には、実質的にはジルコニウムを全く含有しない合金が選択されるべき である。被覆管の耐摩耗性は、クロムメッキ、または、有利には、Ｏ₂またはＯ₂ −Ａｒの雰囲気内での数時間にわたる熱酸化により改良される。そのような酸化 は、特に、酸素−アルゴン混合気内では、８５０℃〜９５０℃の範囲の温度で３ 〜１５時間にわたって実施される。この温度において、５〜６時間処理すると、 鉄を含有しない合金に対して１０μｍの厚さを有する酸化層となり、約３５０ｐ ｐｍの鉄を含有する合金に対しては６μｍ〜７μｍの厚さを有する酸化層となる 。５μｍ以上の厚さという条件では、結合した酸化物は、摩耗およびそれに続く 水素化に対して、非常に効果的な保護を提供する。一般に、被覆管の厚さは少な くとも０．４ｍｍである。 ハフニウムおよびジルコニウムの両方とも、外部酸化により生成される水素の 保有および棒に含まれるホウ素を主成分とする吸収材の照射下における変換によ り生成されるチタンの保有に関係する。 下部プラグは、４重量％を超えないジルコニウム含有量を有するハフニウム金 属の中実棒により構成され、例えば、電子ビーム、ＴＩＧまたはレーザ溶接によ り被覆管に溶接される。被覆管の下部に通常収容される吸収材を交換する時には 、それはかなりの長さを占有する（例えば、今日の９００ＭＷｅ加圧水型原子炉 （ＰＷＲ）に対して７５０ｍｍ、１３００ＭＷｅ原子炉に対して１０００ｍｍ） 。そのような長いプラグは、スエリングおよびクリープしない。該プラグは、ス エリングおよび亀裂の発生に関する問題を回避する。該プラグは、クラスタガイ ドまたは燃料集合体における摩耗を制限するために、被覆管とともに酸化処理（ または、他の任意の被覆を形成するための処理）にかけられる。プラグの質量を 適合させるために、プラグは中空でもよい。 被覆管を閉じる上端プラグは、他の部分よりも少ない中性子ストレスにかけら れ、そのためにより広い範囲のオプションを利用することができる。それにもか かわらず、該上端プラグは、ＺｒおよびＨｆの合金により構成される被覆管に溶 接可能でなければならず（これはＺｒ，ＨｆおよびＴｉに基づく合金にも真実で ある。）、かつ、腐食に対して保護され得なければならない。 上端プラグは、該上端プラグが溶接された後に酸化により棒全体が保護される 場合には、時間に対する制限された機械的強度のためにジルカロイから形成する ことができない。一般には、Ｔｉ−Ｚｒ合金が好ましく、特に、Ｔｉ８０−Ｚｒ ２０または被覆管と同一の合金が好ましい。棒の上端部に収容される吸収材は、 種々の種類のものでよい。それにもかかわらず、ハフニウム−ジルコニウム二ホ ウ化物ペレット、例えば、親混合物Ｈｆ３０−Ｚｒ７０をホウ化することにより 得られる（Ｈｆ２８−Ｚｒ７２）Ｂ₂を積み重ねたものを使用することが有利で ある。 被覆管内およびハフニウムホウ化物内に含有されるハフニウムによる中性子吸 収のために、ともにホウ化物を主成分とする吸収材のスエリングの原因となるホ ウ素１０による吸収およびヘリウムの生成が減じられる。加えて、ＨｆＢ₂およ びＺｒＢ₂の六方結晶構造は、斜方六面体であるＢ₄Ｃにおけるよりも多数のヘリ ウム原子をその格子内に挿入することを可能とし、それによって、ヘリウムの解 放を減じている。最後に、吸収材（Ｈｆ，Ｚｒ）Ｂ₂は、熱的に安定であり、仕 上げられた棒における酸化熱処理を阻害しない。 仕上げられた棒に熱酸化を実施することが望まれる場合には、ペレットを下方 に保持するスプリングは、高温に耐えうる材料から形成されなければならない。 ニッケルを主成分とする超合金またはＴｉ−Ｚｒ耐熱合金またはハフニウムを主 成分とする合金を使用することができる。 この発明は、限定しない例により与えられる発明の特定の実施形態の以下の説 明からよりよく理解することができる。この説明は、棒を長手方向の断面で示す 添付図１〜図３を参照している。 最初に与えられる組成の例は、現存するブラッククラスタを置き換えるために クラスタに予定される棒に使用するために適している。棒の質量は、置き換えら れる棒の質量と数％の範囲内で同一でなければならず、その中性子吸収能力は、 同一または若干大きくなければならない。 図１に示される棒１０（より明確にするために縮尺を合わせていない。）は、 プラグ１４，１６により閉じられ、スプリング２０により下部プラグ１４に対し て押下した状態に保持される吸収材料の柱を収容する被覆管１２を具備する。ス プリング２０は柱と上部プラグ１６との間で圧縮されている。上部プラグ１６は 、棒がスパイダ２２の指部に取り付けられることを可能としている。 中性子吸収を適合させるために、種々のパラメータに基づいて行うことができ る。パラメータは、 ・（Ｈｆ，Ｚｒ）Ｂ₂ペレットの密度が調節され得るか、または、ペレットがハ フニウムにより置き換えられ得ること、 ・外径とともに吸収が増大することを補償するために、中空の下部プラグが使用 され得ること ・Ｈｆ３０−Ｚｒ７０と同様の吸収性を有しない材料からなる被覆管が使用され 得ることである。 大きすぎる質量を有するクラスタの置き換えにおける危険性は、特に、吸収材 として、ハフニウムより小さい密度を有するＡｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金および（Ｈｆ −Ｚｒ）Ｂ₂より密度の小さいＢ₄Ｃを使用する現存の１３００ＭＷｅの原子炉の ための「ブラック」クラスタにおいて生じる。調節は、高いＨｆ含有量を有し随 意に吸収材ペレットを収容する中空の下部プラグを使用することにより実施され 得る。 反対に、小さすぎる質量の危険性は、Ａｇ−Ｉｎ−Ｃｄ合金が、それらの上部 において、より小さい密度の（Ｈｆ−Ｚｒ）Ｂ₂により置き換えられる９００Ｍ Ｗｅの原子炉のためのクラスタの取り替えにおいて生じ得る。そのような状況下 においては、下部プラグを長くし、または、被覆管をより高い密度のハフニウム ペレットで満たすことにより、質量を増加させることができる。被覆管は、水素 に対して非浸透性の合金から形成されているので、ハフニウムペレットの水素化 は全く生じない。 ブラッククラスタおよびグレークラスタに対する棒に対応するいくつかの例を 以下に示す。９００ＭＷｅのＰＷＲ原子炉のブラッククラスタのための棒 実施例１ 棒は、長い下部プラグを有している。 図１の実施例は、棒の長さの少なくとも４０％を占め、Ｈｆ−Ｚｒ合金からな り、（Ｈｆ−Ｚｒ）Ｂ₂ペレットの柱を土に載せられる「長い」下部プラグ１４ を具備している。 上部プラグ１６：ジルカロイ４またはＴｉ８０−Ｚｒ２０％合金またはＨｆ３ ０−Ｚｒ７０％合金。 スプリング２０：ニッケルを主成分とする超合金またはＴｉ８０−Ｚｒ２０％ 合金またはＨｆ３０−Ｚｒ７０％合金。 被覆管１２：Ｈｆ３０−Ｚｒ７０％、長さ１９４ｃｍ、外径９．６８ｍｍ、厚 さ０．９８ｍｍ。 下部プラグ：Ｈｆ、長さ１８１ｃｍ。 吸収材２４：長さ約Ｌ₀＝１９４ｃｍの理想的な密度の８５％までの（Ｈｆ２ ８−Ｚｒ７２）Ｂ₂ペレットの柱。実施例２ 棒は、短い下部プラグと該プラグ上のＨｆペレットの柱を有している（図２） 。 実施例１におけるものと同じスプリングおよび上部プラグ。 被覆管１２：Ｈｆ３０−Ｚｒ７０％、長さ３７２ｃｍ、厚さ０．４７ｍｍ。 下部プラグ：Ｈｆ、長さ３ｃｍ。 下部プラグ上のペレット２６：長さＬ₁＝２４４ｃｍにわたる、直径８．６６ のＨｆ。 柱２４：実施例１と同じ組成を有する吸収材、長さ１０８ｃｍにわたる直径８ ．５３ｍｍ。 下部プラグ：３ｃｍのＨｆ。１３００ＭＷｅのＰＷＲ原子炉におけるブラッククラスタのための棒 実施例３ 下部プラグ：長い。 上部プラグ：ジルカロイ４またはＴｉ−Ｚｒ合金またはＨｆ３０−Ｚｒ７０％ 合金からなる。 スプリング：ニッケルを主成分とする超合金からなる。 被覆管：長さ３３２ｃｍ、Ｈｆ３０−Ｚｒ７０％合金からなり、直径９．６８ ｍｍ、厚さ０．９８ｍｍ。 下部プラグ：中空、Ｈｆからなり、長さ１０６ｃｍ、直径９．６８ｍｍ、直径 ６．１２ｍｍの空洞２８を有する。 吸収材：長さＬ₀＝３１４ｃｍ、理想密度の８５％までの（Ｈｆ２８−Ｚｒ７ ２）Ｂ₂ペレットからなる柱。９００ＭＷｅ原子炉におけるグレークラスタのための棒 この場合、棒は中実でよく、酸化物の耐摩耗層により水素化に対して保護され たハフニウム合金からなる。棒はプラグにより閉じられる管の形態をしている。実施例４（図３） 被覆管を形成する管１２から構成される棒は、直径９．６８ｍｍ、厚さ１．５ ４ｍｍを有するＨｆ３０−Ｚｒ７０％からなる。補強プラグ１４は、Ｈｆ３０− Ｚｒ７０％からなり、長さ３ｃｍである。長さ３６０ｃｍのステンレス鋼からな り、質量の増加を提供するパッキン３０が含まれている。１３００ＭＷｅ原子炉のグレークラスタのための棒 実施例５ （図３） 管：Ｈｆ３０−Ｚｒ７０％、直径９．６８ｍｍ、厚さ１．０９ｍｍ、長さ４３ ３ｃｍ。 下部プラグ：Ｈｆ３０−Ｚｒ７０％からなり、長さ３ｃｍ。 ステンレス鋼パッキン：長さ４２ｃｍ、直径７．４ｍｍ。 ブラッククラスタのための棒を製造するための有利な方法は、プラグ、被覆管 、吸収材ペレットおよびスプリングを、従来の方法により製造することにある。 構成要素は、一体に組み立てられ、プラグは、例えば、ＴＩＧまたはレーザ溶接 により、組立体に溶接される。最後に、摩耗に対する保護層が、純粋な酸素また はＯ₂−Ａｒの雰囲気内で、８５０℃〜９５０℃の範囲の温度で、外表面の酸化 を調節することにより生成される。数十年の寿命が求められる場合には、少なく とも５μｍの厚さに保護層が確実に達するように、作業が持続される。しかしな がら、厚さ３０μｍを超えて増加させることには全く意味がない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロマリー，ジャン−ミシェル フランス国 69006 リヨン リュ グリ ロン 38

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 原子炉制御クラスタのための吸収棒であって、 プラグにより閉じられる被覆管を具備し、 少なくともその下部に、中性子吸収材を具備し、 前記被覆管が、Ｈｆ−Ｚｒ合金からなり、かつ、少なくとも５μｍの厚さを有 する酸化物またはクロム保護層により被覆されていることを特徴とする吸収棒。 ２． 前記酸化物の層が酸化物からなり、かつ、５μｍ〜３０μｍの厚さを有す ることを特徴とする請求項１記載の棒。 ３． 前記下部が、棒の長さの少なくとも１５％を構成していることを特徴とす る請求項１または請求項２記載の棒。 ４． 前記下部プラグが、ハフニウムを主成分とする金属材料からなり高さの少 なくとも１５％を占めるか、または、短くかつハフニウムを主成分とする材料の 柱を前記高さに達するまで上に乗せているかのいずれかであることを特徴とする 請求項１から請求項３のいずれかに記載の棒。 ５． 前記被覆管が、少なくとも１８重量％のＨｆを含有し、かつ、好ましくは 、約３０％のＨｆと７０％のＺｒからなる合金であることを特徴とする請求項１ から請求項４のいずれかに記載の棒。 ６． 前記ハフニウム合金が、０〜１８００ｐｐｍの酸素および０〜８００ｐｐ ｍの鉄成分を含有していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに 記載の棒。 ７． 前記下部プラグが、４重量％以下のジルコニウムを有する、ハフニウムと ジルコニウムを含む合金からなることを特徴とする請求項４または請求項５記載 の棒。 ８． 前記下部プラグがハフニウム−ジルコニウム合金からなり、ステンレス鋼 からなるパッキンが上に載せられていることを特徴とする請求項１から請求項３ のいずれかに記載の棒。 ９． 前記下部プラグ上の前記吸収材が、ホウ化物ペレットからなる柱により構 成されていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の棒。 １０． 前記ホウ化物が、ＨｆＺｒＢ₂であることを特徴とする請求項９記載の 棒。 １１． 原子炉制御クラスタのための吸収棒であって、 プラグにより閉じられる被覆管を具備し、 該被覆管および少なくとも下部プラグが、ハフニウム合金からなり、 前記被覆管および両方のプラグが、少なくとも厚さ５μｍの酸化物またはクロ ムからなる保護層により被覆されていることを特徴とする吸収棒。 １２． 請求項４記載の棒の製造方法であって、 前記被覆管と、前記吸収材と、前記柱を下方に保持するスプリングとが形成さ れ、 これらの構成要素が一体に組み立てられ、 前記プラグがその組立体に溶接され、 摩耗に対する保護層が、純粋な酸素またはＯ₂−Ａｒ雰囲気内において、８５ ０℃〜９５０℃の範囲の温度で、外表面の酸化を調節されることにより生成され ることを特徴とする方法。