JPS6137924A

JPS6137924A - 管状物体の均一冷却方法

Info

Publication number: JPS6137924A
Application number: JP15994084A
Authority: JP
Inventors: Junjiro Nakajima; 中島　潤二郎; Toshihiro Matsumoto; 松本　俊博; Yoshinari Kawada; 川田　能成; Hajime Umehara; 梅原　肇; Sozo Saito; 斉藤　荘蔵; Rinichi Asano; 浅野　林一
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd Ibaraki; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Industry and Control Solutions Co Ltd
Priority date: 1984-07-30
Filing date: 1984-07-30
Publication date: 1986-02-22

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】〔発明の利用分野〕本発明は物体の均一冷却方法に係り、特に管状物体の内
面を均一に冷却するのに好適な冷却方法に関する。

〔発明の背景〕

従来、管状物体の内面を長手方向に冷却する方法として
、管内面に冷却水を噴射する方法、管内側に冷却水を流
す方法等がある。前者においては、噴射された冷却水が
管内面に接触し、高温水となり、管内面に沿って流れ、
端部から流出するため、管長手方向に均一な冷却を得る
ことはできない。

また、後者は、冷却水入口側と出口側で冷却水の温度に
差が生じているので、管長手方向に均一な冷却ができな
いという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、物体の均一な冷却方法、特に管状物体
の内側から管状物体を均一に冷却する方法を提供するこ
とである。

〔発明の概要〕

管状物体を管内面から冷却する場合、冷却能力を向上さ
せるには、 ■　管内側に流す冷却媒体の温度を下げる。

■　管内側に流す冷却媒体９重量流量を増大させる。

■　管内側に流す冷却媒体の流速を増大させるやことが
考えられる。これらはいずれも、管内面と冷却媒体との
間の熱伝達係数を増大させ、冷却能力を向上させている
。

長尺管の焼入れ技術としては、原子炉燃料チャンネルボ
ックスの焼入技術が公知である。原子炉燃料チャンネル
ボックスは、ジルカロイと呼ばれるジルコニウム合金製
である。ジルコニウム合金の代表的な例として、「ジル
カロイ−２」　（主成分：Ｚｒ基に約１．５％Ｆ３ｎ、
約０．１％Ｆｅ、約０．１％Ｃｒおよび約０．０５％Ｎ
ｌを添加）、「ジルカロイ−４」　（主成分：Ｚｒ基に
約１．５％Ｓｎ。

約０．２％ｐｅ、および０．１％Ｃｒを添加）「ジルコ
ニウム・ニオブ合金」　（主成分：Ｚｒ基にＮｂを添加
）がある。後述する実施例は、上記ジルカロイ−２製原
子炉燃料用素管に本発明の冷却方法を適用し、素管の外
表面のみに焼入処理を施した例であるが、本発明に関し
特に被冷却物の材質は問題とならない。

ジルコニウム基合金は、その耐食性と非常に小さい中性
子断面積によ多原子カプラントの燃料被覆管や燃料チャ
ンネルボックス等に用いられている。燃料被覆管は、燃
料用素管に例えば冷間圧延と焼鈍とを繰返し施し、細管
に形成したものである。この中に核燃料を挿入し、８列
×８列の如くまとめて燃料チャンネルボックス内に配置
して燃料集合体を構成する。これらの構造物は炉内で長
期間中性子照射を受け、同時に高温高圧の水又は水蒸気
にさらされるため、酸化が進み、時にはノジュラー腐食
と呼ばれる斑点状の白色酸化物がその表面に生成する。

この斑点状白色酸化物は腐食反応の進行とともに粗大化
し、場合によっては剥離に至ることもある。このよう汝
異常腐食による部材の減肉は強度低下をきたし、炉内構
造部材の安全性および信頼性の面からみて、懸念される
問題である。また、核燃料は核分裂反応により核分裂生
成物を放出する。ヨウ素やカドミウムなどの特定核分裂
生成物の存在下では、局部応力および歪の作用によシ被
覆管に応力腐食割れ（ＳＣＣ）が発生する。

これら障害を防止する方法として、被覆管の内堀面に適
度な純度の金属たとえばＺｒを内張シし、さらに被覆旨
にはβもしくはα十β焼入を施すことが考えられる。

高耐食化技術としての高周波焼入れは、特開昭５１−１
１０４１１号等に示されている。また耐ＳＣＣ性向上の
ために被覆管の内面に金属障害を設けたライナ型被覆管
は公知である。上記ライナ型被覆管は、ジルコニウム合
金製中空ビレットに適度な純度の金属たとえば純Ｚｒの
中空ビレットを挿入し、爆接又はゴム拡管により接合し
て、これを熱間で押出し、その後冷間圧延と焼鈍を繰返
し施して製造する。

上記複合管に均一加熱と均一冷却の熱処理を施すと、耐
食性が向上する。しかし、ライナ層にまでこのような熱
処理が施されると、ジルカロイ層からライナ層に合金元
素が拡散し、またライナ層の結晶粒が微細化し、耐ＳＣ
Ｃ性が低下する。すなわちライナ層の温度を低温に保持
し、同時にジルカロイ層の温度をα＋βもしくはβ相温
度領域に保持し、その後急冷することにより、耐食性向
上および耐ＳＣＣ性向上が期待できる。上記温度条件を
得るには、高周波による表面焼入れあるいは直接通電加
熱後急冷する焼入れ等が考えられるが、倒れの場合も加
熱中に管内表面層を冷却する必要がある。管内面を冷却
する際に管長手方向に不均一な冷却条件になると、管長
手方向の焼入深さが一様でなく、機械的特性が不均一と
なシ、性能上好ましくない。

そこで本発明では、ライナ型素管の管内には長手方向に
外径を変化させた内管を挿入し、ライナ型素管と内管の
間に冷却水を流す機構を採用する。

冷却水は内管の外径の小さな方から流入させ、内管の外
径の大きな方から流出させる。この方法によシ、冷却水
はライナ素管から熱を奪うにつれ、その流速を増す。す
なわち素管長手方向のどの位置においても、単位内表面
積あたり冷却水の奪う熱量を等しくでき、管長手方向の
均一な冷却あるいは均一な焼入れが可能となる。

〔発明の実施例〕

次に本発明の第１実施例につき以下に示す。

使用した素管１は第１図に示すごとく、管内面に厚さ約
１ｍｍの純Ｚｒ層ＩＢを有し、管外面部ＩＡがジルカロ
イ−２からなシ、外径約６３ｍｍ。

内厚約１１ｆｉ、長さ約４０００ｒｒｔｒｎの原子炉燃
料被覆管用のジルコニウムライナ素管である。次に焼入
装置を説明する。焼入装置は第２図に示すように、冷却
水出口側サポートと一体の中子２．冷却水入口側サポー
ト３１両サポートと被焼入物であるジルコニウムライナ
素管１とを絶縁する絶縁体４および電極５とから成る。

中子２の軸方向にその外径を変えであることが本発明の
特徴である。

これによシ冷却水流速は冷却水入口側で遅く、出口側で
速くなる。外径変化量は、素管内表面と冷却水との間の
熱伝達係数が素管長手方向で一定となるように決定する
。次に焼入手順について述べる。

第２図に示すように、ジルコニウムライナ素管１の内部
に、冷却水出口側サポートと一体の中子２を挿入し、次
に冷却水入口側サポート３をセットした。このとき管と
サポートの間には絶縁体のシール４を介在させた。引続
き電極５をセットして、とのセット完了後、空洞部６に
冷却水を流し、冷却水量が充分安定した後に電極５から
の直接通電による加熱を施した。通電加熱期間中、二色
温度計・７により、ジルコニウムライナ素管の外表面温
度を測定した。通電後約２０秒で素管外表面温度が約９
５００に達したので通電を終了した。このとき素管長手
方向の温度差はほとんどなく均一な加熱であった。通電
終了後は、上記空洞部６を流れる冷却水が素管を均一に
冷却する。この場合、素管外表面は約１５〜２０秒で約
２００Ｃとなった。焼入処理を施したジルコニウムライ
ナ素管の断面金相を第３図に示す。図中、ＩＣは焼入組
織特有の針状組織である。ＩＡは変態温度領域まで加熱
されなかったジルカロイ−２の組織である。

ＩＢは焼入期間中低温に保持されていた健全なジルコニ
ウムライチ部である。素管長手方向の各位置の断面金相
観察の結果、長手方向の焼入れ深さは均一であった。

上ａＣ焼入時の熱解析によシ、ジルコニウムライナ素管
の肉厚方向温度分布は、第４図に示すようになっている
と考えられる。

本焼入処理を実施したジルコニウムライナ素管に冷間圧
延と焼鈍とを繰返し施し、外径約１２．３鰭、肉厚約０
．８６ｇの原子炉用ジルコニウムライチ燃料被覆管を製
造した。第５図にその被覆管の断面を、第６図にその金
相を示す。金相観察の結果、被覆管の結晶粒径は、外表
面に近い程小さくなっていた。

次に上記被覆管の高温腐食試験およびＳＣＣ試験を実施
した結果を述べる。腐食条件は、５００Ｃ，１０５Ｋｆ
／ｃ４高温高圧水蒸気中で２５時間保持とした。この条
件は炉内腐食をシミュレートしたものである。耐食性は
管外表面に発生し九ノジニラ−（白色の斑点状腐食）の
占有率で評価した。

本発明によシ製造した被覆管の外表面は黒色の光沢のあ
る様相を示し、ノジュラー腐食は全く発生していなかっ
た。一方、耐食性の比較用として同時に腐食試験を実施
した従来型燃料被覆管の外表面には、ノジュラー腐食が
多数発生していた。このように本発明によシ製造した管
状物体は優れた耐食性を示し、耐ＳＣＣ性についても、
従来型ジルコニウムライナ燃料被覆管と同等であった。

次に、第７図により本発明の第２実施例について説明す
る。この実施例が第２図に示した第１実施例と異なるの
は、中子２の内側に更に中空部２人を形成し、ライナ素
管１と中子２の間を流れる冷却水とは逆方向に、この冷
却水を冷却する水を流す点である。

中空部２人の形状を種々変えて検討した結果、その形状
は空洞部６の冷却水の望ましい温度分布にはそれほど影
響を与えず、全体として空洞部６を流れる冷却水の冷却
効果を増大させることが判明した。

従って、この実施例は第１実施例の効果に加えて、焼入
期間中にジルコニウムライナ部ＩＢをよシ低温に保持し
、健全さを更に確かにする効果がある。

ここでは、本発明を焼入れ処理に適用した例を示したが
、外表面層にのみ焼鈍を施す場合、または外表面層のみ
に再結晶処理を施す場合等にも応用できる。

更に、曾状物体の断面形状は丸形に限定されず、例えば
燃料チャンネルボックスの如く角形でもよい。その場合
は、中子の断面形状も尚熱愛えることになる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、管状物体全体を内面から均一に冷却で
きるので、管長手方向に均質な熱処理を短時間で行なう
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はライナ素管の断面を示す模式図、第２図は本発
明を適用した焼入装置の第１実施例の概略図、第３図は
焼入処理したライナ素管の断面金相を示す図、第４図は
ライナ素管の管内水冷直接通電加熱時の肉厚方向温度分
布を示す図、第５図は原子炉燃料ライナ被覆管の断面を
示す模式図、第６図はその金相を示す図、第７図は本発
明を適用した焼入装置の第２実施例の概略図である。１・・・ライナ素管、ＩＡ・・・管外面部、ＩＢ・・・
内面ライナ層、ＩＣ・・・焼入針状組織、２・・・中子
、２Ａ・・・中空部、３・・・冷却水入口側ザボート、
４・・・絶縁体、５・・・電極、６・・・空洞部、７・
・・２色温度計。

Claims

【特許請求の範囲】１、管状物体の空洞部に冷却媒体を流し内側から冷却す
る方法において、管長手方向で冷却媒体の流速を連続的
に変化させ、管内表面と冷却媒体との間の熱伝達係数が
どの位置でも一定になるようにしたことを特徴とする管
状物体の均一冷却方法。２、特許請求の範囲第１項において、冷却媒体の流速を
連続的に変化させる手段として、冷却媒体入口から出口
に向って連続的に太くなる中子を管状物体の空洞部に挿
入し用いることを特徴とする管状物体の均一冷却方法。３、特許請求の範囲第２項において、中子を中空に形成
し、その中に前記冷却媒体を更に冷却する第２次冷却媒
体を流すことを特徴とする管状物体の均一冷却方法。４、特許請求の範囲第３項において、第２次冷却媒体を
前記冷却媒体とは逆向きに流すことを特徴とする管状物
体の均一冷却方法。