JPS636493A - 原子炉用チヤネルボツクス - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、原子炉用のチャネルボックスに関するもので
ある。

〔従来の技術〕

原子炉の炉心に装荷される燃料集合体の性能は。

原子炉の円滑且つ安全な運転を図る上で最も重要な要素
の１つであり、特に燃料集合体の最外周部にあって燃料
バンドを覆っているチャネルボ・ツクスは、燃料集合体
の冷却材を確保し、燃料集合体の強度を維持し、隣接す
る制御棒の挿入性を維持する等の重要な役割を有してい
る。従来のチャネルボックスは、強度、耐食性、熱中性
子の吸収特性等を考慮して、ジルコニウム基合金が使用
されているが、このような従来のチャネルボックスは、
チャネルボックス内外の圧力差に起因して機械的変形（
クリープ変形）を生じることが知られている。すなわち
、原子炉運転中においては、チャネル内には冷却材が高
圧力の下で流れているが、この時にチャネルボックス壁
にはチャネルボックス内外の圧力差によって機械的な変
形力が連続的にかかることになる。この圧力は、チャネ
ルボックスの内側において、外側よりも約１　ｋｇ／Ｃ
ｍ”程度高いため、外方向に拡大変形し、さらに長時間
運転による熱的効果および中性子照射効果によってその
変形が増長される。外部へ膨張したチャネルボックスは
、隣接する制御棒と干渉して制御棒の炉心挿入性を悪化
させ、原子炉の適正かつ安全な運転制御を阻害させるお
それがあった。またチャネルボックスの変形によって、
チャネルボックス内部を流れる冷却材がチャネルボック
スの下端部と下部タイプレートとの間に生じた間隙から
漏洩しやすくなり、燃料バンドルに対する冷却効果が十
分に発揮できなくなるおそれを有している。

このような問題点を解決するために、例えば特開昭５５
−１０５１６号公報に開示されるように製造時に予めチ
ャネルボックス各辺を内側にたわみ変形させて、使用中
の外側への変形と初期の内側への変形を打ち消すように
したり、特開昭５５−２７３２０号公報に開示されるよ
うに、チャネルボックスの寿命途中でその上下関係を逆
転させることにより、変形量を軸方向に均一に分散させ
てチャネルボックスの寿命の長期化を図る等の手段が従
来より提案されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、特開昭５５−１０５１６号公報に開示さ
れる従来技術のように、チャネルボックスを製造時に予
め内側へ変形させると、燃料集合体を組立てる際にチャ
ネルボックスが燃料バンドルと干渉して製造性を悪化さ
せる可能性を有し、また特開昭５５−２７３２０号公報
に開示される従来技術のよ　　・うに、チャネルボック
スの位置関係を逆転して使用する場合には外側の変形そ
のものは依然として発生し、また前述したいずれの従来
技術もチャネルボックスの使用期間を延長すると外側へ
のクリープ変形は進行を続け、やがて許容限界に至る点
に改善すべき問題を有していた。

本発明は、以上の問題点に鑑みてなされたものであり、
その目的とするところはチャネルボックスのクリープ変
形の発生を防止し、長期使用によってもその機能の健全
性を維持し得る原子炉用チャネルボックスを提供するこ
とにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、原子炉用チャネルボックスを構成する板材
をその板厚方向で中性子照射成長特性が異なるようにす
ると共に、その中性子照射成長特性は、チャネルボック
ス外面側における周方向照射成長量がチャネルボックス
内面側の周方向照射成長量よりも小さく設定することに
より達成される。

〔作用〕

既述したように、チャネルボックスは、その使用期間中
にチャネルボックス内外の圧力差によって、外側に向か
ってクリープ変形が生じる。このクリープ変形の主原因
であるチャネルボックス内外の圧力差及び加速要因であ
る高温ならびに高速中性子束は、原子炉運転時には不可
避のものであるため、クリープによる歪も基本的に不可
避のものである。このクリープによる歪は、次のような
式で表わすことができる。これを第６図のチャネルボッ
クス変形模式図に基づき説明する。チャネルボックス１
は、原子炉内で使用されることによって外側にδだけ変
位する。ここで、チャネルボックスの一辺が−様な曲率
半径ｒをもってたわむものとすると、チャネルボックス
の一辺が弧となる扇形の中心角θは、チャネルボックス
の一辺の長さをＱｏとして、 θ＝　１２ｏ　／　ｒ で表わされる。

また、この式と前記チャネルボックスの変形量δとの間
には次式の関係がある。

δ＝　ｒ　（１−ｃｏｓ（−））二ｒθ２／８但し、α
が小なるときの近似式 ％式％ また、チャネルボックス１の板厚をｔとすると、チャネ
ルボックス内外面での周方向歪差Δεは、Δε＝　ｔ　
／　ｒ となる。従って、内外面での周方向歪差Δεと、変形量
δとの関係は次式で表わされる。

Δε＝８ｔδ／Ｑｏ” 一方、チャネルボックスを構成するジルコニウム基合金
は、応力がかかつていない状態でも高速中性子照射によ
り変形する中性子照射成長特性を有している。この照射
特性を利用すると、板材の表裏に中性子照射によって歪
差をもたせることができる。すなわち、板材の片面（Ａ
面とする）に比較的照射成長量の小さいものを用い、そ
の裏面（Ｂ面とする）にＡ面よりも照射成長量の大きい
ものを用いて高速中性子を照射すると、板材はＢ面が凸
となるようにたわみ変形を起こす。

従って、本発明のようにチャネルボックスを構成する板
材として、チャネルボックス外面側における周方向照射
成長量が小さく、内面側の周方向照射成長量が太きいも
のを用いると、原子炉運転時の中性子照射によってチャ
ネルボックスがその内側に向けてたわもうとする。そし
て、この照射成長特性差による歪差Δεｃｒと前述した
クリープ変形による歪差ΔＥを同等にすれば、互いに反
対方向に働く歪差が打ち消し合ってチャネルボックスの
使用中に生じる内外面の全歪差Δεｔｏｔを零、すなわ
ち下式のように全変形量δｔｏｔを零とすることができ
る。

δｔｏｔ　ｏ＝Δεｔｏｔ：：Δε−Δεｃｒ＝０なお
、板材の内外面で中性子照射成長特性を異なるようにす
るためには、２種の特性の相異なる板材を接合させるの
が最も簡便な方法であるが、最も好ましい素材は、耐食
性２強度、中性子吸収特性等に優れ、原子炉内で充分の
実績のあるジルコニウム基合金であり、この材料を用い
てチャネルボックス内外面の中性子照射成長特性を異な
せるのが望ましい。そして、ジルコニウム基合金を使用
する場合には、次のようにして中性子照射成長特性を異
ならせることができる。

すなわち、ジルコニウム基合金の照射成長の基本的機構
は、中性子照射によって生じた格子欠陥が蓄積すること
により、ジルコニウムの六方晶の結晶がＣ軸方向（結晶
の中心軸方向）に縮みａ軸方向（Ｃ軸と直交する方向）
に拡がることによる。

従ってジルコニウム基合金の中性子照射成長特性は、Ｃ
軸がどの方向を向く集合組織をとっているかにより支配
される。この特性を考慮して、チャネルボックスの内外
面での集合組織の結晶方向性を変えることによって、チ
ャネルボックス内外面で照射成長の異なるチャネルボッ
クス板材を得ることができる。このようなジルコニウム
基合金の中性子照射成長特性を異ならせる方法としては
、ジルコニウム基合金の熱処理工程を変える方法がある
。例えば、ジルコニウム基合金を焼鈍した場合には、焼
鈍材は焼鈍前の加工材より照射成長量が小さくなる。従
って、チャネルボックスの内外面での焼鈍条件を変え、
チャネルボックス用ジルコニウム板材の外面側を最終製
造工程で焼鈍し。

内面側に焼鈍前の加工度を残した場合でもチャネルボッ
クスの内外面で中性子照射成長の異なるチャネルボック
ス板材を得ることができる。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図ないし第３図に基づき説明す
る。

第１図（ａ）は、本発明の一実施例であるチャネルボッ
クスの切欠断面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）のＡ部
を拡大して示す集合組織の模式図である。第１図（ａ）
に示すようにチャネルボックス１を構成する板材は、板
厚の略中央部分で２層にわかれる外層２と内層３とより
なる。外層２と内層３とは、夫ぞれ集合組織の相異なる
ジルコニウム基合金で形成されており、その界面は金属
結合により接合されている。外Ｍ２の集合組織をみると
、第１図（ｂ）に示すようにその結晶のＣ軸は比較的均
一に全方向に向いているが、内層３はＣ軸が板厚方向に
そろって向くような集合組織となっている。このような
チャネルボックスは、第２図に示すような工程で製造さ
れる。すなわち、チャネルボックスの内Ｍ３となる部材
は、第２図の（Ｉｆ）に示すように溶解のあと熱間鍛造
、熱間圧延及び焼鈍で成る程度形状を整えた後、強加工
環の冷間圧延を加える。強加工環の冷間圧延を加えると
結晶Ｃ軸の多くが板厚方向を向く。これに対してチャン
ネルボックスの外Ｍ２は、第２図の（Ｉ）に示すように
溶解、熱間鍛造、熱間圧延。

焼鈍を経た後に前述のような冷間圧延による強加工環を
加えることなく形成され、結晶Ｃ軸の方向性に比較的偏
りがなくランダムな状態となっている。そして、前記製
造工程（１）、（ｎ）の工程でチャネルボックス内外層
の板材要素が製造された後に、第２図（ｍ）に示すよう
に各板材要素を合せ溶接で接合し熱間圧延することによ
りチャネルボックス用の一枚板が形成される。この後は
通常のチャネルボックスの製造工程に従い冷間圧延。

焼鈍、研摩の後、強加工冷間圧延された面が内側になる
よう成形加工し、焼鈍、仕上げ工程を経てチャネルボッ
クスが形成される。なお、成形加工と焼鈍との間に耐食
性を向上させるための特殊熱処理工程を加えてもよい。

また、外層２となる部分は、後半の工程でＣ軸がやや板
厚方向に向くが、内層３となる部分に較べてはるかに偏
り方が小さい。

従って、このような構造よりなるチャネルボックスによ
れば、発明の「作用」の項でも詳述したようにチャネル
ボックスの材料となるジルコニウム基合金の結晶が、中
性子照射によってＣ軸方向に縮み、ａ軸方向に拡がる照
射成長特性を有していることから、Ｃ軸の板厚方向への
偏り方を大きくした内層３の方が外層２よりもチャネル
ボックス周方向の照射成長量が大きくなり、その結果チ
ャネルボックス１には内外層に照射成長差が生じて、チ
ャネルボックス内側に向けてたわみ変形しようとする力
が発生する。その結果、第３図に示すように（第３図は
本実施例におけるチャネルボックスの変形量と原子炉の
炉内滞在時間の関係を示す）この照射成長によるチャネ
ルボックス内側向のたわみ変形（内外層の歪差）がクリ
ープ変形によるチャネルボックスの外側に向けての変形
と打ち消し合い、実質的にチャネルボックスの変形を抑
制することができる。特に上記実施例によれば、中性子
照射成長による変形量は内外層のＣ軸の傾き度の差をコ
ントロールすることにより調整できるので、クリープに
よる外側向きの変形と打ち消し合うための内側向きの照
射成長変形量も任意に調整することができる。

第４図は本発明の他の実施例におけるチャネルボックス
の主な製造工程を示し、第５図はこの製造工程に使用す
るチャネルボックス焼鈍炉を示すものである。第４図の
（１）で示す部分は、ジルコニウム基合金を用いてチャ
ネルボックスを成形加工する従来より知られている製造
工程であり、本実施例は、第４図（１）の−連の製造工
程で成形加工されたチャネルボックスを、更に第４図（
ＩＩ）に示すように外面のみを焼鈍することによって再
結晶化し、チャネルボックス内面には加工層を残すよう
にしたものである。このようなチャネルボックスは、第
５図に示すように、予め成形加工されたチャネルボック
ス１を最終製造工程時に焼鈍炉４内にセットし、チャネ
ルボックス１の内部に冷却材を通して、内面を冷却しな
がら外面を焼鈍することによって、製造することができ
る。

しかして、このようにして製造されるチャネルボックス
は、チャネルボックス外面側が最終製造工程で焼鈍され
るため中性子照射成長量が比較的小さく（すなわち、焼
鈍により結晶Ｃ軸がランダム状態にある）、これに対し
てチャネルボックス内面側は冷間圧延による加工度を残
しているため中性子照射成長量が比較的大きい（すなわ
ち、冷間圧延加工度合を残すことにより結晶Ｃ軸が板厚
方向に偏向している）ので、原子炉運転時の中性子照射
成長によってチャネルボックス板材がクリープ変形を打
ち消す内向き方向に変形しようとする６従って、本実施
例でも最終的焼鈍時の焼鈍温度或いはチャネルボックス
内面側の冷却条件によってチャネルボックス内外面の照
射成長特性を任意にコントロールできるので、チャネル
ボックスのクリープ変形を実質的に零の状態に抑制する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、チャネルボックスのクリ
ープ変形の発生を防止し、原子炉内の長期使用によって
もその機能の健全性を維持し得るチャネルボックスを提
供することができる。更に上記効果を奏することにより
、炉内で長期に使用される高燃焼度燃料集合体を実現さ
せ、又燃料サイクルコストの低減及び放射性廃棄物の低
減を図る２次的効果も奏し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は１本発明の第１実施例を示す一部切欠断
面斜視図、第１図（ｂ）は、第１図（ａ）のＡ部拡大断
面図、第２図は、上記実施例のチャネルボックスの製造
工程を示す説明図、第３図は上記実施例のチャネルボッ
クスの変形量と炉内滞在時間との関係を示す特性線図、
第４図は、本発明の第２実施例におけるチャネルボック
スの製造工程を示す説明図、第５図は、上記第２実施例
のチャネルボックス製造工程の最終焼鈍工程を示す概略
図、第６図は、チャネルボックスのクリープ変形を示す
模式図である。 １・−・チャネルボックス、２・・・外層、３・・・内
層、４芋　１　図 第　２　目 （１）（丁９ −仇］２ 茅４　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原子炉用チャネルボックスを構成する板材をその板
   厚方向で中性子照射成長特性が異なるようにすると共に
   、前記板材の中性子照射成長特性は、チャネルボックス
   外面側における周方向照射成長量がチャネルボックス内
   面側の周方向照射成長量よりも小さく設定してなること
   を特徴とする原子炉用チャネルボックス。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記チャネルボッ
   クスを構成する板材は、中性子照射成長特性が異なる少
   なくとも２層以上の層構造を有してなる原子炉用チャネ
   ルボックス。 ３、特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記チ
   ャネルボックスを構成する板材は、ジルコニウム基合金
   よりなる原子炉用チャネルボックス。 ４、特許請求の範囲第３項において、前記チャネルボッ
   クスを構成する板材は、チャネルボックスの内外面で集
   合組織の結晶方向性が異なる原子炉用チャネルボックス
   。 ５、特許請求の範囲第３項において、前記チャネルボッ
   クスを構成する板材は、外層側の板材のみをチャネルボ
   ックス最終製造工程で焼鈍し、内層側の板材は焼鈍前の
   加工層を残してなる原子炉用チャネルボックス。