(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニウム基合金の最適化したシートメタル（１）を製造する方法であって、前記最適化したシートメタル（１）は、シート平面（ＢＡ）を画定するものであり、
前記方法は、
ジルコニウム基合金のシートメタル（２）を提供するステップと、
少なくとも準備冷間圧延と最終冷間圧延とを、共通する圧延方向でシートメタル（２）に施すステップと、
前記ジルコニウム基合金が部分再結晶化するように、前記準備冷間圧延から前記最終冷間圧延までの間において前記シートメタル（２）に熱処理を施すステップと、
を含み、
前記熱処理における再結晶度は、９０％以下であることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記準備冷間圧延よりも前に、少なくとも一つの冷間圧延を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記準備冷間圧延の前の前記少なくとも一つの冷間圧延は、前記準備冷間圧延および前記最終冷間圧延の前記圧延方向と基本的に同一である、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記熱処理における再結晶度は、少なくとも２０％である、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記熱処理における再結晶度は、少なくとも４０％である、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記熱処理における再結晶度は、６０％以下である、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記最終冷間圧延中の厚みの減少は、前記最終冷間圧延の前における前記シート平面（ＢＡ）と垂直な前記シートメタル（２）の厚みの４０〜６０％である、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記準備冷間圧延中の厚みの減少は、前記準備冷間圧延の前における前記シート平面（ＢＡ）と垂直な前記シートメタル（２）の厚みの４０〜６０％である、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記熱処理を、連続炉において行う、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
前記熱処理を、５８０℃〜６５０℃の温度で行う、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記熱処理を、５８０℃〜６３０℃の温度で行う、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記熱処理を、５８０℃〜６００℃の温度で行う、請求項９、１０または１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記熱処理を、４〜１０分間行う、請求項９から１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記熱処理を、バッチ炉において行う、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記熱処理を、５２０℃〜５９０℃の温度で行う、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記熱処理を、１〜６時間行う、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ジルコニウム基合金は、少なくとも９６重量％のジルコニウムを含有する、請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記ジルコニウム基合金は、ニオブを含有する、請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記ジルコニウム基合金は、０．８〜１．２重量％のニオブを含有する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記ジルコニウム基合金は、１．０〜１．１重量％のニオブを含有する、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記ジルコニウム基合金は、１．０２〜１．０４重量％のニオブを含有する、請求項１８、１９または２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記ジルコニウム基合金は、スズを含有する、請求項１から２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記ジルコニウム基合金は、０．６〜１．２重量％のスズを含有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記ジルコニウム基合金は、０．６〜０．８重量％のスズを含有する、請求項２２または２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記ジルコニウム基合金は、鉄を含有する、請求項１から２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記ジルコニウム基合金は、０．１〜０．３重量％の鉄を含有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
原子力プラントの燃料アセンブリにおける燃料棒の位置決め用のスペーサ格子（３）を製造する方法であって、
前記スペーサ格子（３）は、前記燃料棒のための格子セル（５）を画定するものであり、
前記方法は、請求項１から２６のいずれか１項に記載された前記最適化したシートメタル（１）を提供するステップを含み、
前記最適化したシートメタル（１）を、前記圧延方向に対して垂直な長軸（Ｂ）で切断して前記金属帯板（４）を形成し、
前記金属帯板（４）の前記長軸（Ｂ）が前記格子セル（５）の長手方向（６）に対して垂直に延びるように前記金属帯板（４）を配置する、ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジルコニウム基合金の最適化したシートメタルを製造する方法に関する。
本発明はまた、原子力プラントの燃料アセンブリにおける燃料棒の位置決め用のスペーサ格子を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
スペーサ格子は、通常、燃料棒の束に沿って複数の場所にあり、燃料棒が適所に延びて保持されるように格子を定める。
【０００３】
スペーサ格子は、様々な異なる方法で製造できる。スペーサ格子を製造する方法の一つは、ジルコニウム基合金のシートメタルの使用に基づいている。
ジルコニウム基合金のシートメタルは、多くの圧延ステージを受ける。そこでは、シートメタルは、応力緩和と、後に続く圧延ステージを進めるための合金構造を達成するために、圧延ステップの間で熱処理に供される。
しかしながら、この従来の方法で製造されるジルコニウム基合金のシートメタルには、異なるタイプの原子力プラントのスペーサー格子要素として使用され、中性子線に曝された場合、これにより形成される材料のミクロ組織によって、異なる方向に成長する異なる傾向がある。これは、シートメタルの圧延により、材料の構造に選択方位が生じるからである。
シートメタルが通常、平面であると仮定すると、実際は、圧延方向と平行方向に成長する傾向が大きく、圧延方向に対して垂直なシート平面の方向に成長する傾向は小さく、通常の方向、つまり、シートメタルの厚み方向に成長する傾向は最も小さい。
シートメタルを中性子線に曝すと、最も成長し易い方向に成長が起こり、同時に、他のいずれかの方向または他のすべての方向に収縮が起こる。これは、体積を一定としてシートメタルを中性子線に曝したときの直接的な結果である。シートメタルが中性子線に曝されている間、実際は、圧延方向に主に成長し、圧延方向に交差する方向に多少成長し、そして、厚み方向に縮小する。
【０００４】
原子力プラントの燃料棒の位置決めのためのスペーサ格子の壁を形成するために、この種のシートメタルを従来の方法で用いると、一つの課題が生じる。より正確に言うと、スペーサ格子は、燃料棒が通る多くの格子セルと前記シートメタルによって形成される壁とを画定する。
このことにより、シートメタルは、格子セルの長さ方向と交差する方向に成長し、同時に壁厚は減少する。その結果、格子セルの断面積と、上記壁および燃料棒との間に形成されている遊びは、増加する。
不利な条件下、例えばＰＷＲ原子炉の運転中に、燃料棒は、前記遊びのため、それらが振動で接触することにより、スペーサ格子部から重摩耗を受ける。結局、これは、燃料棒の壁に穴を開け、放射性物質を環境に漏出する結果となる。
燃料棒が、成長の影響を受けやすい材料で形成されているときにもまた、それらが中性子線に曝されると、燃料棒の直径が減少するという、別の遊びによる影響が生じる。
【０００５】
欧州特許出願公開第０８６９１９７Ｂ１号明細書の従来技術の説明には、この課題を部分的に解決する方法が開示されている（特許文献１参照）。格子セルの長手方向に垂直に延びるシートの方向は、圧延方向に交差するシートの方向に一致するような方向に整えられる。これにより、この方向の成長は、実質的に減少するが、それでもやはり、その成長は、遊びの問題を生じさせるのに十分なほど大きい。
【０００６】
その課題は、スペーサ格子壁からパッチ（ｐａｔｃｈｅｓ）を打ち抜くことによって、ある程度改善する。前記パッチは、ばねのように燃料棒を押圧し、成長が起こっている間も燃料棒を押圧し続ける。
しかしながら、ジルコニウム合金は、多少、ばね材料として十分に適切な低降伏強度を有しているので、実際には、パッチは、燃料棒の直径の減少により生じうる遊びと同じ大きさの遊びを、補償できるだけである。
パッチは、燃料棒の直径の収縮およびスペーサ格子壁の成長により、スペーサ格子壁と燃料棒の外面との間に形成される全体の遊びを補償することはできない。複数の放射線の最初のサイクルの後には、スペーサ格子材料もまた弛緩する。それにより、燃料棒の直径の減少を補償するパッチの能力は、実質的に減少する。
【０００７】
米国特許第４９１８７１０号明細書には、燃料アセンブリのためのクロス−ブレーシング格子（ｃｒｏｓｓ−ｂｒａｃｉｎｇ  ｇｒｉｄ）の製造方法が開示されている（特許文献２参照）。その格子は、ジルコニウム基合金で製造されている。
ジルコニウム基合金のプレートまたはシートは、α＋βジルコニウム相のプレートを冷間成形する。その格子はまた、α相においても扱われる。燃料棒用の支持ボスは、プレートを切断し、エンボス加工することによって形成する。
【０００８】
欧州特許出願公開第０８６９１９７Ｂ１号明細書は、中性子線に曝されているときの、スペーサ格子の成長によるスペーサ格子壁に対する燃料棒の磨耗損傷に関して、代わりの問題解決法を提供する。
欧州特許出願公開第０８６９１９７Ｂ１号明細書は、ジルコニウム基合金のシートを提供するステップを備え、β焼入れからなる第１の熱処理をシートに施し、ジルコニウム基合金のα相温度領域で次の熱処理を施し、シートの表面からそれらの部分を突出させて燃料棒の表面を支持するために、シートのその部分を打ち抜く方法を提供する。
【０００９】
欧州特許出願公開第０８６９１９７Ｂ１号明細書に記載されている方法は、β焼入れのための装置が比較的高価である、という課題がある。
【００１０】
従来技術は、スペーサ格子の機能を提供しているが、更に、従来技術のスペーサ格子の代替物の提供が望まれている。
また、β焼入れを必要としないスペーサ格子の製造方法の提供も望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０８６９１９７Ｂ１号公報
【特許文献２】米国特許第４９１８７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、ジルコニウム基合金の最適化したシートメタルの製造方法であって、中性子線に曝されたときに、少なくとも一の方向で小さな成長を示す最適化したシートメタルを、β焼入れを使用せずに製造する方法を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、原子力プラントの燃料アセンブリの燃料棒の位置決め用のスペーサ格子の製造方法であって、中性子線に曝されたときに、燃料棒に垂直に小さな成長を示すスペーサ格子を、β焼入れを使用せずに製造する方法を提供することである。
【００１４】
上記目的は、独立請求項による方法によって達成される。
【００１５】
更なる効果は、従属請求項の特徴によって得られる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明における基本的な考えは、少なくとも一の方向のカーンズファクタ（Ｋｅａｒｎｓ  ｆａｃｔｏｒ）が略０．３３のシートメタルを、β焼入れを使用せずに製造できる方法を提供することである。
【００１７】
本発明の第１の態様は、ジルコニウム基合金の最適化したシートメタルの製造方法の提供に関し、最適化したシートメタルは、シート平面を画定する。
本方法は、ジルコニウム基合金のシートメタルを提供するステップを備える。
本方法は、少なくとも、準備冷間圧延（ｐｒｅｐａｒｉｎｇ  ｃｏｌｄ  ｒｏｌｌｉｎｇ）と最終冷間圧延（ｆｉｎａｌ  ｃｏｌｄ  ｒｏｌｌｉｎｇ）とをシートメタルに施すステップを備えることを特徴とする。
準備冷間圧延と最終冷間圧延は、共通の圧延方向で施される。
シートメタルの熱処理は、ジルコニウム基合金が部分再結晶化するように、準備冷間圧延と最終冷間圧延との間において施され、熱処理における再結晶度は、９０％以下である。
【００１８】
本発明の第１の態様による方法によれば、β焼入れを使用せずに、最適化したシートメタルのシート平面の圧延方向に対して垂直な、略０．３３のカーンズファクタを得ることができる。このように、原子炉の燃料アセンブリにおける燃料棒用のスペーサ格子を製造するプラントを建設するときに、β焼入れに適した炉への投資を回避することができる。
【００１９】
本方法は、準備冷間圧延の前に、少なくとも１回の冷間圧延を含んでもよい。かかる付加的な冷間圧延は、最適化したシートメタルのシート平面の圧延方向に対して垂直な、カーンズファクタが略０．３３のシートメタルに影響を及ぼさないような方法を含んでもよい。
【００２０】
準備冷間圧延前の前記少なくとも１回の圧延方向は、準備冷間圧延および最終冷間圧延の圧延方向と、本質的に同じであることが好ましい。このようにして、仕上がりを最適化する。
【００２１】
略０．３３のカーンズファクタを得るためには、熱処理における再結晶度を２０％〜９０％にするべきである。
【００２２】
できる限り０．３３に近いカーンズファクタを得るには、熱処理における再結晶度は、４０〜６０％が好ましい。
【００２３】
最終冷間圧延の間における厚みの減少は、最終冷間圧延より前のシート平面と垂直なシートメタルの厚みの４０〜６０％でもよい。この量で冷間圧延することによって、略０．３３のカーンズファクタを得ることができる。
【００２４】
準備冷間圧延の間における厚みの減少は、準備冷間圧延より前のシート平面と直角をなすシートメタルの厚みの４０〜６０％でもよい。
準備冷間圧延の間、ジルコニウム合金の結晶構造は、少なくとも部分的に破壊される。４０〜６０％の減少によって、最適な結果が得られる。
【００２５】
準備冷間圧延後の熱処理の間、ジルコニウム合金は、部分再結晶化する。再結晶度は、熱処理中の温度と熱処理の時間に依存する。
熱処理は、連続炉またはバッチ炉で施してもよい。バッチ炉では、シートメタルは静止して置かれるが、連続炉では、シートメタルは炉の中をゆっくりと移動される。
【００２６】
連続炉で熱処理を行う場合、熱処理は、５８０℃〜６５０℃の温度で行い、好ましくは５８０℃〜６３０℃の温度で行い、最も好ましくは５８０℃〜６００℃の温度で行う。
【００２７】
前述の温度は、熱処理の時間が制限される連続炉に適している。熱処理は、前述の温度で４〜１０分間行われるのが好ましい。
【００２８】
バッチ炉で熱処理を行う場合、熱処理の時間を自由に選択してよい。バッチ炉での熱処理は、５２０℃〜５６０℃の温度で１〜６時間行ってもよい。
【００２９】
ジルコニウム基合金は、少なくとも９６重量％のジルコニウムを含有していることが好ましい。
本発明に係る方法によれば、ジルコニウムをより多く含有するジルコニウム合金を使用してもよいが、少なくとも９６％のジルコニウムを含有することで最良の結果が得られる。
【００３０】
ジルコニウム基合金は、多くの異なる合金材料のいずれか一つを含有してもよい。
【００３１】
スペーサ格子のジルコニウム基合金用に考えられる合金材料の第１の実施例は、ニオブである。
スペーサ格子のジルコニウム基合金は、０．８〜１．２重量％のニオブを含有してよく、好ましくは１．０〜１．１重量％のニオブを含有してよく、最も好ましくは、１．０２〜１．０４重量％のニオブを含有してもよい。
【００３２】
スペーサ格子のジルコニウム基合金用に考えられる合金材料の第２の実施例は、スズである。
スペーサ格子のジルコニウム基合金は、０．６〜１．２重量％のスズを含有してよく、好ましくは０．６〜０．８重量％のスズを含有してもよい。
【００３３】
スペーサ格子のジルコニウム基合金用に考えられる合金材料の第３の実施例は、鉄である。
スペーサ格子のジルコニウム基合金は、０．１〜０．３重量％の鉄を含有してもよい。
【００３４】
本発明による方法で使用するジルコニウム基合金は、前述の合金材料を任意に組み合わせて含有してもよい。
【００３５】
好ましい実施形態では、ジルコニウム基合金は、スズ、鉄およびニオブだけを含有する。添加されるいかなる合金材料も、０．０５重量％以下の濃度で存在する。
【００３６】
本発明の第２の態様は、原子力プラントの燃料アセンブリにおける燃料棒の位置決め用のスペーサ格子の製造方法であって、燃料棒のための格子セルを定めるスペーサ格子の製造方法を提供する。
その製造方法は、先行する請求項のいずれか一つに記載の最適化したシートメタルを提供するステップと、最適化したシートメタルを圧延方向に対して垂直な長軸を有する金属帯板に切断するステップと、スペーサ格子を形成するために、金属帯板の長軸が格子セルの長手方向に対して垂直に延びるように、金属帯板を配置するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、ジルコニウム基合金の最適化したシートメタルの製造方法であって、中性子線に曝されたときに、少なくとも一の方向で小さな成長を示す最適化したシートメタルを、β焼入れを使用せずに製造する方法を提供することができる。
【００３８】
また、本発明によれば、原子力プラントの燃料アセンブリの燃料棒の位置決め用のスペーサ格子の製造方法であって、中性子線に曝されたときに、燃料棒に垂直に小さな成長を示すスペーサ格子を、β焼入れを使用せずに製造する方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１ａ】本発明の一実施形態に係る最適化したシートメタルの製造方法で使われるシートメタルを示す。
【図１ｂ】本発明の一実施形態に係る方法によって製造された最適化したシートメタルを示す。
【図２】本発明の一実施形態に係るスペーサ格子を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。
【００４１】
本発明の好適な実施形態についての以下の説明では、異なる図における類似の部品には、同一の参照符号を付している。
【００４２】
図１ａは、本発明の一実施形態に係る最適化したシートメタル１の製造方法で使われるシートメタル２を示す。図１ｂは、本発明の一実施形態に係る方法によって製造された最適化したシートメタル１を示す。
最適化したシートメタル１と同様に、シートメタル２は、シート平面ＢＡを画定する長軸Ａおよび短軸Ｂを有する。シートメタルおよび最適化したシートメタル１は、シート平面ＢＡに対して垂直な厚み軸Ｃに沿った厚みを有する。
【００４３】
最適化したシートメタル１は、先ず、ジルコニウム合金の電極から製造される。
ジルコニウム合金の電極は、電極の重量に基づいて、およそ、０．８〜１．２重量％のニオブと、０．１〜０．３重量％の鉄と、０．６〜０．８重量％のスズとを含有し、ジルコニウムブリケットと合金材料とを一緒に押圧することによって製造される。
その後、電極を真空融解し、キャスティング材を形成する。
その後、キャスティング材を少なくとも１回は真空融解し、これにより、１００〜１２５ｍｍ厚さの材料を形成する。本材料に対して加工を施し、表面処理を施す。
その後、本材料に対して、β―焼入れを施す。
その後、複数のステップにわたって本材料を熱間圧延する。
ステップの回数や、各熱間圧延後の厚さは、シートメタル２に対して所望される最終的な厚さに依存する。
【００４４】
本材料は、上記方法と異なる他の方法によっても製造できる。
【００４５】
前記のように準備されたシートメタル２に対して、その後、少なくとも１回は、準備冷間圧延を施す。準備冷間圧延の間の圧延方向は、長軸Ａに沿っている。
シートメタル２は、厚み軸Ｃに沿った厚みに圧縮される。準備冷間圧延中の厚みの減少は、準備冷間圧延前のＣ軸に沿ったシートメタルの厚みの４０〜６０％である。
準備冷間圧延後は、ジルコニウム基合金が部分再結晶化するように、シートメタル２に熱処理を施す。熱処理は、連続炉において、５８０〜６５０℃の温度で４〜１０分間行い、好ましくは５８０〜６３０℃の温度で行い、最も好ましくは５８０〜６００℃の温度で行う。
熱処理中の再結晶度は、２０〜９０％であり、好ましくは４０〜６０％である。
熱処理後は、シートメタル２に、仕上がり寸法に向けて最終冷間圧延を施す。最終冷間圧延中の圧延方向は、長軸Ａに沿っている。最終冷間圧延中の厚みの減少は、最終冷間圧延前のＣ軸に沿ったシートメタル２の厚みの４０〜６０％である。
最適化したシートメタル１は、このように製造される。
上述の方法により形成される最適化したシートメタル１は、短軸Ｂに沿って略０．３３のカーンズファクタを有する。
【００４６】
準備冷間圧延の前に、付加的な冷間圧延を含んでもよい。かかる付加的な冷間圧延は、次の付加的な冷間圧延の前に、または準備冷間圧延の前に、シートメタル２のジルコニウム合金を再結晶化させる熱処理に続いて行う。
【００４７】
別の実施形態に係る方法によれば、準備冷間圧延と最終冷間圧延との間の熱処理を、バッチ炉において５２０〜５９０℃の温度で、１〜６時間行う。
【００４８】
図２は、本発明の一実施形態に係るスペーサ格子３を示す。
スペーサ格子３は、燃料棒用の格子セル５を形成する多くの金属帯板（ｍｅｔａｌ  ｓｔｒｉｐｓ）４を備える。格子セル５は、長手方向６を画定する。
金属帯板４は、金属帯板４の長軸Ｂが、最適化したシートメタル１の短軸Ｂと一致して、最適化したシートメタル１の長軸Ａに対して垂直となるように、最適化したシートメタル１を、図１ｂに示される線７に沿って切断することによって、最適化したシートメタル１から形成される。
金属帯板４を、金属帯板４の長軸が格子セル５の長手方向６に対して垂直となるように、スペーサ格子３に配置する。金属帯板の長軸に沿い、かつ、格子セル５の長手方向６に対して垂直なスペーサ格子３のカーンズファクタは、略０．３３である。
【００４９】
本発明によるスペーサ格子３が原子炉において使用されると、スペーサ格子３は、中性子線に曝され、その中性子線によって成長する。しかしながら、スペーサ格子は、格子セル５の長手方向に垂直な大きさが一定のままであり、この方向におけるスペーサ格子のカーンズファクタは、略０．３３である。
【００５０】
上記実施形態は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、多岐にわたって修正することができ、本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００５１】
例えば、ジルコニウム合金は、前述の合金材料のすべてを含む必要はない。
【００５２】
ジルコニウム合金は、前述の合金材料のうちの一つを含めば、充分である。
【００５３】
説明を簡単にするため、図２には、９つの格子セルだけを備えたスペーサ格子を示している。望ましい任意の数の格子セルを有するスペーサ格子を提供できる。
【符号の説明】
【００５４】
１  最適化したシートメタル
２  シートメタル
３  スペーサ格子
４  金属帯板
５  格子セル
６  長手方向
Ａ  長軸
ＢＡ  シート平面
【図１ａ】
0005406043.tif 000002
【図１ｂ】
0005406043.tif 000003
【図２】
0005406043.tif 000004