(57)【要約】【課題】 影の腐食の発生の軽減及び／又は原子炉運転時の制御ブレードとフローチャネルの間の干渉傾向の軽減【解決手段】原子炉（１０１）内のＺｒ合金製燃料バンドル材料（３００）を処理する方法は、ＹＡＧ主体の固体レーザーから発生するレーザービーム（３１０）により、Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）の表面に層（３２０）を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）を含む原子炉（１０１）で使用する該Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）を処理する方法であって、該Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）の表面を固体レーザーから発生するレーザービーム（３１０）で処理する段階を含む方法。
【請求項２】
前記Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）の表面を処理する段階が５回以下のパスで行われることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）の表面が前記原子炉（１０１）の運転時にスペーサ（１８）に近接する局所的な区域を有していることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）の表面を処理する段階が前記原子炉（１０１）の運転時に起こる影の腐食の発生の軽減をもたらすことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）の表面を処理する段階が前記原子炉（１０１）の運転時に起こる制御ブレード（１２）と燃料チャネル（１９）の間の干渉の軽減をもたらすことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）の表面を処理する段階が微細構造の変化した表面層を含む層（３２０）を生成することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記Ｚｒ合金製燃料バンドル材料（３００）の表面を処理する段階が表面酸化膜を含む層（３２０）を生成することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記表面酸化膜の厚さが１５マイクロメートル未満であることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記固体レーザーにＹＡＧ主体の固体レーザーが含まれることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
核燃料炉心及び水を含んだ蒸気発生用の原子炉容器（１０１）と、
発電用のタービン（１０３）と、
を有する沸騰水型原子炉において、
該原子炉容器（１０１）が燃料棒（１６）及びスペーサ（１８）を含む燃料棒バンドル（１４）を有しており、
該燃料棒バンドル（１４）がＺｒ合金を含んでおり、
該燃料棒バンドル（１４）の表面がＹＡＧ主体の固体レーザーから発生するレーザービーム（３１０）による処理により該燃料棒バンドルに表面層（３２０）が形成されていることを特徴とする請求項沸騰水型原子炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に関し、より具体的にはジルコニウム合金（Ｚｒ合金）製燃料バンドル材料の表面の処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＢＷＲは制御核分裂反応から動力を発生させる。図１に示すように、単純化したＢＷＲには、核燃料炉心及び水が入った原子炉容器１０１が含まれる。発生した蒸気は配管１０２を通してタービン１０３に送られ、そこで電力が発生させられた後、水は配管１０４を通って炉心に戻る。制御用コンピュータ１０６はＢＷＲ、とりわけその炉心の運転を制御することができる。
【０００３】
ＢＷＲの炉心では、燃料棒バンドルが細長い矩形の燃料チャネルの中に収められている。燃料チャネルは、その中に燃料棒バンドルが配置される中空のボックスとして実体化することができる。燃料チャネルに関する固有の問題の１つは、それが変形しうるものであるところにある。燃料チャネルは、運転中のＢＷＲの炉心における様々な核的及び力学的応答によって変形する可能性がある。変形はプラントの運転戦略による影響を部分的に受けるかも知れない。その核的及び力学的応答は複雑であり、長い時間にわたる。例えば、チャネルの運転（「原因」）は、チャネルの炉心内での滞留時間のあとの方になってチャネルの変形（「結果」）として現れるかもしれない。
【０００４】
図２は制御ブレード１２及びそれに対応する燃料集合体（全体を１３で表す）を概略的に描いたもので、燃料集合体は４つの燃料バンドル１４からなる。燃料バンドル１４は一部だけが描かれており、それぞれのバンドルが１０×１０などの配列の燃料棒１６と、従来通り垂直に間隔をあけたそれに付随するスペーサ１８とを備えるが、スペーサ１８は各燃料バンドル１４につき１つのみが描かれている。燃料チャネル１９は各燃料バンドル１４を囲い、さらに燃料集合体の間の十字形のスペースを規定している。見てわかるように、制御ブレード１２は十字形の断面をなし、原子炉の炉心内において４つの燃料バンドル１４の間の十字形のスペースに全体が入り込むことができるようになっており、ブレードは燃料集合体の下方、即ち引き抜かれた位置から、燃料集合体に隣接した十字形スペース内の位置まで移動することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料バンドルチャネルと制御ブレードの間では、ジルカロイ（即ち、ジルコニウム主体の合金）製燃料チャネルに、側面間におけるチャネルの水素含有量の差に起因して「曲がり」を生じることで、干渉が起こる可能性がある。この差は、チャネルの４つの側面のうちの２つでステンレス鋼製制御ブレードに近接していることによって生じると考えられる局所的な「影の」腐食によってもたらされると考えられる。よく知られている一般的な現象で、異なる中性子照射勾配にさらされることによって生じると考えられる現象である照射成長がこの問題を拡大し、悪化させる可能性がある。
【０００６】
Ｚｒ主体の合金で起こりうる影の腐食の問題は、これまで一般に適正に取り上げられてきたとは言えない。非Ｚｒ合金製部材に対する遮断性の被覆やブレード材料の改質が緩和に効果を持ちうることを示す研究が一部に行われている。概念的には、制御ブレードに対するβ線吸収性の被覆やマンガン（Ｍｎ）含有量の少ない材料が解決策として提案されている。合金組成の調整や在来の熱処理による冶金学的調整によって均一腐食又はノジュラー腐食に対する耐食性を向上させる従来の方法は、発生メカニズムが異なると見られる影の腐食の緩和には一般に効果がなかった。同様に、軽水炉（ＬＷＲ）の運転中の腐食によるＺｒ主体の合金への水素の吸収に関する広範な研究も、水素吸収の緩和のための完全に有効な手段は提供できていない可能性がある。
【０００７】
影の腐食は、ジルカロイ製燃料棒に接する燃料バンドルスペーサ（スペーサはジルカロイ製で、ばねがインコネル製であることも、すべてがインコネル製であることもできる）のインコネル（又はその他のニッケル主体の超合金）製部品に近接した燃料棒上で起こることが考えられる。深刻な場合には、腐食が燃料破損の原因となる可能性もある。
【０００８】
現在、個々の燃料棒の識別及び追跡を容易にする目的で個々の燃料棒にレーザーによるバーコードを付けることが可能である。このレーザーによるバーコードは、各燃料棒の全周に渡って１か所につき３インチ幅の範囲内で付けることができる。一般に、バーコードは、隣り合った線の間にスペースをあけた太線及び細線から成る一連の離散した線によって構成されることができる。各燃料棒にこのバーコードを付けるには、典型的には細いレーザービームを使用して離散した細い線を描き出す。しかし、このバーコードは、実質的連続性を持たず（典型的に離散的である）、一般に部分長の燃料棒に対してスペーサに近接して付けられるのみであって、一般に燃料チャネルに対して付けられることはなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの実施形態において、本発明は一般に原子炉におけるＺｒ合金製燃料バンドル材料の処理方法に関する。１つの実施形態において、該方法は、固体レーザーから発生するレーザービームを使用するＺｒ合金製燃料バンドル材料の表面の処理を含む。
【００１０】
もう１つの実施形態では、本発明は、一般に、蒸気を発生させるための核燃料炉心及び水を含む原子炉容器並びに発電を行うためのタービンを備える沸騰水型原子炉に関する。１つの実施形態では、原子炉容器は、燃料棒及びスペーサを備える燃料棒バンドルを含む。１つの実施形態では、燃料棒バンドルは、ＹＡＧを主体とする固体レーザーから発生するレーザービームによる表面処理が施されたＺｒ合金で作られている。１つの実施形態では、該処理によって燃料棒バンドルに表面層が生成されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の様々な実施形態は、潜在的に影の腐食を被り易いＺｒ合金製燃料バンドル材料の表面をレーザービームで処理する方法を提供する。これにより、影の腐食を被り易い傾向を減ずることができると考えられる。Ｚｒ合金処理を行う表面が制御ブレードに近接した位置の燃料チャネルである場合は、チャネルと制御ブレードの間で干渉が起こる公算が小さくなることが考えられる。そして、そのことによって沸騰水型原子炉の運転安全性が向上することが考えられる。Ｚｒ合金処理を行う表面が異種の燃料スペーサ材料に近接した位置の燃料被覆である場合は、スペーサの重度の影の腐食とそれに伴う燃料破損の公算が小さくなることが考えられる。Ｚｒ合金は、例えば、ジルカロイ２、ジルカロイ４、又はニオブ含有Ｚｒ合金（１〜２％のニオブ（Ｎｂ）を含むＺｒ合金等）であることができる。
【００１２】
本発明の実施形態の１つでは、レーザービームを使用してＺｒ合金製の燃料チャネル材料の連続した外面を実質的にすべて処理することができる。あるいは、別の実施形態では、燃料チャネル材料の不連続な表面を処理する。連続的で非離散的な処理は、チャネルの側面毎に１回のパスで全表面をカバーし、処理するのに十分な幅を持つレーザービームを使って行うことができる。ただし、隣接し、及び（又は）重複する複数回にわたる一連のパスが相応しいこともあり得る。例えば、一部の実施形態では、実質的に連続する表面を処理するために１０回以下のパスを利用することができる。より好ましくは、５回以下のパスを利用することができる。
【００１３】
レーザービーム処理は様々な製造工程で行うことができる。１つの実施形態では、処理は製造の初期工程で行うことができる。別の実施形態では、処理は、チャネルをボックス形に成形した後、熱サイズアニールの後、並びに／又は実質的にすべての表面のグリットブラスト、エッチング及びポリッシングが完了した後に行うことができる。
【００１４】
１つの実施形態では、レーザービームは、燃料被覆外側面の少なくとも一部を連続的又は実質的に連続的な形で処理するか、又は条件づける。レーザービームは、外側面全体又はそれよりも局所的な区域、好ましくは原子炉の運転時に異種のスペーサ材料に近接した位置にある区域を処理することができる。関係する区域を１回のパス又は複数回のパスでカバーし、処理するため、好ましくは幅の広いレーザービームが使用される。ただし、幅の狭いレーザービームの使用も、関係する区域全体が処理されるまでに多数回のパスがそれによって必要となることがあったとしても、可能であることに留意する必要がある。
【００１５】
レーザー処理によって影の腐食の緩和が可能となる正確なメカニズムが完全にわかっているわけではないものの、（ｉ）レーザー処理によって局所的な表面の微細構造が変化（β焼入れされた表面構造の形成、金属間粒子の大きさの変化、通常は溶解性が低いと考えられる合金化元素によるマトリックスの過飽和等）する可能性がある、又は（ｉｉ）運転中に起こる可能性のある電気機械的腐食反応の速度を遅くする可能性のある薄い酸化膜がレーザー処理によって生成される可能性があると考えられる。しかし、本発明の実施は、影の腐食の緩和をもたらすと考えられるその正確なメカニズムについての知見又は認識に依存するものではない。
【００１６】
一部の実施形態では、本発明はチャネルのたわみの緩和だけにとどまらない幅広い用途を持つことができる。レーザー処理は、スペーサ及び／又はスペーサスプリングとして使用される異種金属（インコネルなど）によって引き起こされる可能性のある影の腐食を防止するためにＺｒ合金製燃料被覆の外側面にも適用することができる。影響を被り易い条件のもとでは、スペーサの重度の影の腐食は燃料被覆の破損の原因となる可能性がある。一部の実施形態では、本発明は燃料破損の公算を回避し、又は少なくとも小さくすることが考えられる。
【００１７】
既存のレーザービームは本発明の一定の実施形態において使用することができる。レーザービームの諸特性、即ち、レーザービームの出力、波長、幅、速度、Ｚｒ合金中への侵入深度、処理中のＺｒ合金の好ましい温度範囲、レーザー処理が行われる環境（大気（空気、アルゴン又はその他の気体）の組成、温度、圧力等）、Ｚｒ合金材料の冷却速度等は、運転条件に応じて、及びその要求するところによって異なることができる。
【００１８】
固体レーザーは、イットリウム−アルミニウム−ガーネット主体（ＹＡＧ主体）の固体レーザー等を含め、使用可能である。ＹＡＧ主体の固体レーザーでは、ＹＡＧに各種の元素又は元素の組み合わせをドープすることが可能で、その例としては、セリウム（ＩＩＩ）をドープしたもの（Ｃｅ：ＹＡＧ又はＹＡＧ：Ｃｅ）、クロム（ＩＶ）をドープしたもの（Ｃｒ：ＹＡＧ）、ジスプロシウムをドープしたもの（Ｄｙ：ＹＡＧ）、エルビウムをドープしたもの（Ｅｒ：ＹＡＧ）、ホルミウムをドープしたもの（Ｈｏ：ＹＡＧ）、ネオジムをドープしたもの（Ｎｄ：ＹＡＧ）、サマリウムをドープしたもの（Ｓｍ：ＹＡＧ）、テルビウムをドープしたもの（Ｔｂ：ＹＡＧ）、ツリウムをドープしたもの（Ｔｍ：ＹＡＧ）、イッテルビウムをドープしたもの（Ｙｂ：ＹＡＧ）、ネオジム−セリウムをドープしたもの（Ｎｄ：Ｃｅ：ＹＡＧ又はＮｄ，Ｃｅ：ＹＡＧ）、ホルミウム−クロム−ツリウムをドープしたもの（Ｈｏ：Ｃｒ：Ｔｍ：ＹＡＧ又はＨｏ，Ｃｒ，Ｔｍ：ＹＡＧ）等が挙げられる。これら以外の固体レーザーを使用することも可能で、これには、ルビー固体レーザー、ガラス主体の各種固体レーザー（ネオジムガラス（Ｎｄ：ガラス）、イッテルビウムをドープしたガラス、プロメチウム１４７をドープしたリン酸塩ガラス（１４７Ｐｍ＋３：ガラス）、エルビウムをドープしたガラス、エルビウム−イッテルビウムをコドープしたガラスのレーザー等）、サファイア主体の固体レーザー（チタンをドープしたサファイア等）、ネオジムＹＬＦ（Ｎｄ：ＹＬＦ）固体レーザー、ネオジムをドープしたＹＶＯ４（Ｎｄ：ＹＶＯ）固体レーザー、ネオジムをドープしたイットリウムカルシウムオキソボレート（Ｎｄ：ＹＣａ４Ｏ（ＢＯ３）３又はＮｄ：ＹＣＯＢ）固体レーザー、セリウムをドープしたフッ化リチウムストロンチウム（又はカルシウム）アルミニウム（Ｃｅ：ＬｉＳＡＦ又はＣｅ：ＬｉＣＡＦ）固体レーザー、クロムをドープしたクリソベリル（アレキサンドライト）固体レーザー、及びその他の固体レーザーが含まれる。固体レーザーはパルス波、連続波又は準連続波の何れであってもよい。
【００１９】
図３は、固体レーザー３７０から発生するレーザービーム３１０によって処理されるＺｒ合金３００の側面図を示したものである。レーザービーム３１０は、この図の右から左に移動するにつれて、位置３６０でＺｒ合金３００と相互作用を起こし、層３２０を形成する。層３２０は、例えば、微細構造が変化した表面層若しくは表面酸化膜の何れか又はその両方が複合したものであることができる。表面酸化膜が含まれる場合、層３２０の厚さは好ましくは２５マイクロメートル未満であり、より好ましくは２０マイクロメートル未満であり、さらに好ましくは１５マイクロメートル未満であり、それよりもさらに好ましくは１０マイクロメートル未満であり、最も好ましくは５マイクロメートル未満である。
【００２０】
レーザービームで処理した原型試験片の例を図４に示す。この試験片４００は、当業者にはよく知られた一連の段階によって製造されたジルカロイ２製の平らなチャネル用帯材を使って調製された。帯材の製造段階には、インゴットの溶解、鍛造、熱間及び冷間圧延、１回の中間β焼入、並びに複数回の中間再結晶焼なましが含まれた。そして、この帯材から帯材の小部分が機械加工によって切り出され、試験片４００が作り出された。この小試験片に対しては、その後、試験片全幅に渡って隣接する複数の幅の狭いレーザー衝撃４１０が与えられ、それによってレーザー衝撃の位置に対応して薄い酸化膜及び／又は微細構造が変化した表面層が生成された。レーザー衝撃は、太い衝撃４２０と細い衝撃４３０というように、その大きさに変化が付けられた。
【００２１】
レーザー衝撃４１０は、Ｌｕｍｏｎｉｃｓ製のＬｉｇｈｔｗｒｉｔｅｒレーザーを使って空気中で作り出した。このレーザーは、定格が２５Ｗの低出力ＹＡＧ型であった。これは連続式（パルス式でなく）レーザーで、光学系を通して（即ち、レーザーをパルス発振したり、ビーム形状を制御したりするのではなく、ミラーを回転させるなどの方法で）バーコードパターン（英数字のシンボル表現の生成法として広く知られたコード３９のバーコード）が生成された。レーザーは典型的には定格出力の８０〜８５％で運転される。工作物はＹＡＧレーザーから８インチの距離に置かれ、長さ２インチのバーコードを作るのに７．５秒を要した。
【００２２】
その後、試験片は、商用ＬＷＲの水性炉心環境をシミュレーションする試験炉の炉心に装入された。試験片は、その後、炉心から取り出され、図４に示すように目視検査にかけられた。レーザー衝撃痕は、試験片の中央部分に、試験片の未処理部分の淡褐色の背景に明るい直線状の痕跡として認められる。
【００２３】
本発明の一部の実施形態は、影の腐食を減じ、ＬＷＲのステンレス鋼製制御ブレードとＺｒ主体の燃料チャネルの間でたわみ干渉を起こしがちな傾向を減ずる可能性がある。この干渉は、その原因が影の腐食に関係するものである場合、プラントの安全マージンを減ずる可能性があり、プラント効率を下げることになる可能性がある。干渉を引き起こす可能性のある要因としては、挿入された制御ブレードが方形チャネルにその４つの辺のうちの２つで近接する時に起こると考えられる影の腐食の差によって引き起こされると考えられる水素含有量の差が含まれるものと考えられ、恐らくは、よく知られた照射成長の現象がそれに加わるものと考えられる。ステンレス鋼製の計装管のような異種金属がＺｒ合金製チャネルの１つの角に近接してあると、同様の状況が起こる可能性がある。
【００２４】
ここに開示され、主張されているすべての数字及び範囲は概数であることが理解される必要がある。
【００２５】
本発明は、現時点において最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連させて説明してきたが、本発明は開示された実施形態だけに限られるべきものではなく、反対に、付属の請求項の精神及び範囲に含まれる様々な変形及び同等の構成を含むものであることが意図されていると理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】核燃料炉心及び水を含む原子炉容器を含めた単純化したＢＷＲを示した図である。
【図２】燃料バンドルの間の十字形のスペースに制御棒を位置合わせした状態で制御棒及び４つの燃料バンドルを例示した斜視図である。
【図３】固体レーザーで処理中のＺｒ合金を例示した側面図である。
【図４】実施例に従って固体レーザーで処理した試験片の図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０１  原子炉容器
１０２  配管
１０３  タービン
１０４  配管
１０６  制御用コンピュータ
１２  制御ブレード
１３  燃料集合体
１４  燃料バンドル
１６  燃料棒
１８  スペーサ
１９  燃料チャネル
３００  ジルコニウム合金
３１０  レーザービーム
３２０  微細構造が変化した表面層及び／又は表面酸化膜である層
３６０  レーザービーム３１０がジルコニウム合金３００と相互作用を起こす場所
３７０  固体レーザー
４００  平らなジルコニウム２製チャネル用帯材から調製された試験片
４１０  レーザー衝撃痕
４２０  太いレーザー衝撃痕
４３０  細いレーザー衝撃痕
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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