(57)【要約】【課題】燃料棒からの衝撃に対して高い耐衝撃破壊性能を有するフェルール管を備えた燃料集合体用スペーサを提供すること。【解決手段】薄肉管の一部を内側に曲げ加工したフェルール管と呼称する薄肉管を複数個集めて、同薄肉管の集合体の外周をバンドと呼称する薄板で囲んで溶接によって一体に組み立てた原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、曲げ加工の部位の曲率半径Ｒが［式１］を満足する値であることを特徴とする。【数８】2005024422.tif 000010【選択図】図２
2005024422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料棒を内周側に支持するための機能を持つように、短尺薄肉管の一部を内側に曲げ加工したフェルール管と呼称する薄肉管を複数個集めて、同薄肉管の集合体の外周をバンドと呼称する薄板で囲んで溶接によって一体に組み立てた原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、
前記曲げ加工の部位の曲率半径Ｒが［式１］を満足する値であることを特徴とする原子炉燃料集合体用スペーサ。
【数１】
2005024422.tif 000007
Ｒ０：フェルール管のプレス加工前の内側半径（ｍｍ）。
Ｒ：フェルール管の加工成形後の内側での最小曲率半径（ｍｍ）。
Ｔ：フェルール管の板厚（ｍｍ）。
【請求項２】
請求項１に記載された原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、
前記薄肉管は上記曲げ加工を受けた後、もしくはスペーサとして組み立てられた後に、残留応力除去のための焼鈍工程の処理を施すことを特徴とする燃料集合体用スペーサ。
【請求項３】
核燃料棒を内周側に支持するフェルール管と呼称する短い薄肉管をバンドと呼称する薄板で束ねたように複数個集め、かつ隣合う薄肉管の接合部を溶接して一体に組み立てた原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、
前記薄肉管は、核燃料棒を内周側に支持するセルストップを有し、
このセルストップは、曲げ加工で形成され、かつ円弧を描くように内側に突き出る湾曲形状に形成され、
上記曲げ加工の部位の曲率半径Ｒが［式１］を満足する値であることを特徴とする原子炉燃料集合体用スペーサ。
【数２】
2005024422.tif 000008
Ｒ０：フェルール管のプレス加工前の内側半径（ｍｍ）。
Ｒ：フェルール管の加工成形後の内側での最小曲率半径（ｍｍ）。
Ｔ：フェルール管の板厚（ｍｍ）。
【請求項４】
請求項３に記載されている原子炉燃料集合体において、
前記セルストップは前記薄肉管のニ個所に設け、
前記薄肉管にバネ材を備え、かつバネ材が薄肉管の内側に突き出すように設け、
前記二つのセルストップとバネ材をほぼ等間隔に配置し、二つのセルストップとバネ材で核燃料棒を支持したことを特徴とする原子炉燃料集合体。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一つに記載された原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、
前記薄肉管がジルコニウム合金で形成されていることを特徴とする原子炉燃料集合体用スペーサ。
【請求項６】
核燃料棒を内周側に支持するフェルール管と呼称する短い薄肉管をバンドと呼称する薄板で束ねたように複数個集め、かつ隣合う薄肉管の接合部を溶接して一体に組み立てた原子炉燃料集合体用スペーサにあって、前記薄肉管は、核燃料棒を内周側に支持するセルストップを有し、このセルストップは、曲げ加工で形成され、かつ円弧を描くように内側に突き出る湾曲形状に形成され、
上記薄肉管の曲げ加工を行なうダイスおよびポンチの曲げｒが、［式４］を満足する値であることを特徴とする原子炉燃料集合体用スペーサの曲げ加工装置。
【数３】
2005024422.tif 000009
Ｔ：フェルール管の加工前の板厚。
Ｒ０：フェルール管の加工前の内半径。
【請求項７】
請求項６に記載されている原子炉燃料集合体用スペーサの曲げ加工装置にあって、
前記フェルール管を内周側に置かれるダイスと、外周側に置かれるポンチでプレスする原子炉燃料集合体用スペーサの曲げ加工装置。
【請求項８】
請求項７に記載した原子炉燃料集合体用スペーサの曲げ加工装置にあって、
所定の間隔をもって置かれる二つのダイスと、一つのポンチを有する原子炉燃料集合体用スペーサの曲げ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地震時やその他の何らかの原因による衝撃力に対して高い衝撃破壊抵抗力を備えた燃料集合体用スペーサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
沸騰水型軽水炉用燃料集合体は、燃料棒、燃料棒を支持するスペーサ、チャンネルボックス、ウォーターロット、上部タイプレート、下部タイプレートから構成されている。
【０００３】
スペーサは、フェルール管、バンド、バネ材から構成されており、複数のフェルール管をバンドで囲んで、溶接部で結合されている。フェルール管には、燃料棒に接触して燃料棒を支持する機能を有するセルストップが設けられ、セルストップとバネ材によって、燃料棒１を支持している。セルストップを成形するためには、局所曲げ加工部が必然的に形成される。なお、上記に示した燃料集合体の大部分には、ジルコニウム合金が使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ジルコニウム合金を軽水炉内で長期間使用すると、ジルコニウムと炉水との酸化反応によって発生した水素を吸収して、その機械的特性が劣化する懸念があるという報告がある。機械的特性の劣化とは、材料の強度や延性が低下することであり、劣化は水素濃度が高いほど、また薄板状に析出する水素化物の長さ方向が材料の板厚方向に向いて析出している程、顕著であると言われている。そのため、水素吸収が特に問題となる部材には、水素吸収速度の低い材料が使用されており、現在では同原因による材料の劣化は無視可能である。しかし、放射性廃棄物の低減のために、ジルコニウム合金の炉内滞在時間の長期化が進められており、それに伴って水素吸収が増加すると今後問題となる可能性も考えられる。例えば、原子炉内で使用される燃料集合体は、定期的に原子炉内装荷位置を変えており、同作業中に燃料集合体に振動や衝撃を与える可能性がある。また、運転中の冷却材の流れに起因する振動によって、燃料棒を支持している局所曲げ加工部には荷重が発生する。
【０００５】
従来技術で製作された燃料スペーサを構成部品である薄肉管、即ちフェルール管、の曲げ加工部を詳細に観察すると、材料中の水素濃度が高くなると曲げ加工された位置で薄板状の水素化物の長手方向が材料中の板厚方向に析出する場合があることがわかった。即ち、水素化物が薄板状に材料の板厚方向に析出するため、低い水素濃度で機械的特性が劣化する懸念がある。そこで、本発明の発明者は、燃料棒の振動や衝撃によって、負荷が集中しやすい局所曲げ加工部の機械的特性の向上が必要と考えた。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、燃料棒からの衝撃に対して高い耐衝撃破壊性能を有するフェルール管を備えた燃料集合体用スペーサを提供する点にある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、薄肉管の一部を内側に曲げ加工したフェルール管と呼称する薄肉管を複数個集めて、同薄肉管の集合体の外周をバンドと呼称する薄板で囲んで溶接によって一体に組み立てた原子炉燃料集合体用スペーサにおいて、前記曲げ加工の部位の曲率半径Ｒが［式１］を満足する値であることを特徴とする。
【０００８】
【数４】
2005024422.tif 000003
【０００９】
Ｒ０：フェルール管のプレス加工前の内側半径（ｍｍ）。
【００１０】
Ｒ：フェルール管の加工成形後の内側での最小曲率半径（ｍｍ）。
【００１１】
Ｔ：フェルール管の板厚（ｍｍ）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、図１、図２および図７に示すところが主要部であるが、主要部について述べる前に本発明に係わる原子炉燃料集合体に概要を図３から図６に沿って説明する。
【００１３】
図３から図６に示すように、沸騰水型軽水炉用燃料集合体は、燃料棒１と、燃料棒１を支持するスペーサ２と、チャンネルボックス３と、ウォーターロット４と、上部タイプレート５と、下部タイプレート６とを有する。
【００１４】
スペーサ２は、図４の横断面図、図５の一部の縦断面図、図６の横断面拡大図に示す構成を有する。スペーサ２は、フェルール管７、バンド８、バネ材９から構成されており、複数のフェルール管７をバンド８で囲んで、溶接部１０で結合されている。
【００１５】
スペーサ２は、燃料棒１を数個所で支えて原子炉燃料集合体を形成している。
スペーサ２は、多くのフェルール管７を集めて構成される。フェルール管７は短い薄肉管を呼称したもので、ジルコニウム合金で形成されている。フェルール管７の薄肉管は、隣りとの接合部が溶接されて全体が一体ものとして組立っている。集合したフェルール管７は、バンド８で囲んで束ねられるようにもなっている。バンド８は薄板を呼称したものである。
【００１６】
フェルール管７の薄肉管は、セルストップ１１とバネ材９がもうけられる。セルストップ１１は、上端側に２箇所、下端側に２箇所、バネ材９は中段に一つ設けられる。セルストップ１１とバネ材９は、上／下から見てほぼ等間隔に配置される。これらのセルストップ１１とバネ材９で燃料棒１は、フェルール管７の内側に支持される。セルストップ１１とバネ材の先端側がフェルール管７の内周側に突き出るように置かれ、これらの先端で燃料棒１は支持される。
【００１７】
薄肉管に設けるセルストップ１１は、曲げ加工で形成する。このセルストップ１１は、円弧を描くように内側に突き出る湾曲した形状を有する。セルストップ１１を成形するためには、局所曲げ加工部１２が必然的に形成される。なお、上記に示した燃料集合体の大部分には、ジルコニウム合金が使用されている。
【００１８】
さて、本発明の発明者は、前述した本発明の課題を解決するために種々試験／検討を重ねた。それにより、フェル一ル管の局所曲げ加工部で強度が劣化する機構を新規に見いだし、局所曲げ加工部１２における水素化物による強度劣化の抑制方法を明らかにし、同新規知見を用いて上記の課題を解決した。
【００１９】
即ち、スペーサを構成するフェルール管（薄肉管）の局所曲げ加工部１２では、薄板状の水素化物が材料の板厚方向に向いて析出しやすいことを一連の実験によって初めて見いだした。同板厚方向に向いた水素化物は、材料の機械的強度を低下させることは衆知であり、水素化物を板厚方向に析出させないことが必要であった。さらに考察した結果、局所曲げ加工部１２の凹部表面の圧縮歪が０．０７以下になるようにプレス加工しすると、水素化物が材料の肉厚方向に析出しないことを新規に見いだしたものである。なお、同条件でプレス加工した後に残留歪を除去する焼鈍を行うと、さらに水素化物が材料肉厚方向に析出し難いことがわかった。
【００２０】
図７に根拠となるデータの例を示す。同図は、約０．６〜０．７ｍｍの数レベルの板厚からなるジルコニウム合金製の板材および薄肉管材をプレス加工後、５００℃（７７３Ｋ）１時間の応力除去焼鈍もしくは５７７℃（８５０Ｋ）２．５時間の再結晶焼鈍を施した試験片に形成した水素化物の板厚方向長さ（Ｌ）と板厚（Ｔ）との比（以下、Ｌ／Ｔと称す）を、凹部表面の圧縮歪、ε、で整理した結果である。図中の歪εは、プレス加工前後の凹部内表面での曲率半径の測定値と曲げ加工前の板厚を、［式２］に代入して得た値である。
【００２１】
【数５】
2005024422.tif 000004
【００２２】
ここで、Ｒ０をフェルール管のプレス加工前の内側半径（ｍｍ）、Ｒを加工成形後の内側での最小曲率半径（ｍｍ）、Ｔをフェルール管の板厚（ｍｍ）とする。
【００２３】
図を見ると、水素化物の板厚方向への析出と圧縮歪とは強い相関があり、約０．１以下の歪では肉厚方向に析出する水素化物が急激に減少し、同領域は好ましいことが分かる。
【００２４】
とりわけ、０．０７以下の歪εでは、水素化物が板厚方向に析出しないことがわかる。即ち、曲げ加工時に材料強度低下の原因である板厚方向に向いた水素化物が形成される圧縮歪量にはしきい値があることを初めて見いだした。
【００２５】
なお、焼鈍条件は、プレス加工で導入した残留歪を除去出来ればよいので、望ましくは７７３Ｋ以上、８５０Ｋ以下の温度範囲で焼鈍をプレス加工時もしくは後に行うとよい。
【００２６】
機械的特性の劣化に及ぼすＬ／Ｔの増加の影響は定量的に解明されてはいないが、最も安全側に考えると、機械的特性の劣化を最大限に防ぐためには、水素化物を板厚方向に析出させないこと、即ちＬ／Ｔ＝０、が望ましく、その場合の圧縮歪は、［式３］を満足するように局所曲げ加工部１２を加工するとよい。
【００２７】
【数６】
2005024422.tif 000005
【００２８】
工業的に代表的なセルストップの加工法として、ポンチやダイスを用いたプレス加工がある。一般的に、プレス加工後の凹部表面の曲率半径Ｒはスプリングバックのため、フェルール管と接触するポンチやダイスの部位の最小曲率半径より大きくなる。従って、局所曲げ加工部１２の凹部表面のεを０．０７以下にするためには、［式３］を満足する最小曲率半径Ｒより、スプリングバック分を見込んでポンチやダイスの曲率を定める。
【００２９】
さらに本発明の主要部について、図１と図２を引用して説明を加える。図１は燃料集合体用スペーサの製造工程を示す。
【００３０】
まず、プレス工程では、［式４］を満たす半径ｒを有するポンチ１３とダイス１４を用いて、セルストップ１６を加工する。ここで、Ｔをフェルール管の加工前の板厚、Ｒ０をフェルール管の加工前の内半径、ｒをダイスとポンチの曲げ半径とする。ただし、ここでｒはプレス後に残留している曲率半径であり、実際には材料の弾性力に起因する除荷時の曲率半径の増加分があるので、材料毎に異なる同弾性変形分を差し引いた金型の半径を用いる。
【００３１】
【数７】
2005024422.tif 000006
【００３２】
例えば、板厚０．６３５ｍｍ，内半径７．４ｍｍの管材をプレス加工する場合は、［式４］のＴに０．６３５ｍｍ，Ｒ０に７．４ｍｍを代入して求められる２．４ｍｍ以上の最小曲率半径を有するダイスとポンチを使用すればよい。この工程で、局所曲げ加工部１７の凹部表面の歪εは、上述の弾性変形による緩和分を考慮すると０．０７以下となる。その後のバリとり、洗浄の工程を経て、フェルール管が出来上がる。
【００３３】
次の組立工程では、フェルール管とバネ材などの部材をバンドと称する薄板で囲み、スペーサを組み立てる。次の溶接工程で、それら部材を接合し、次の真空焼鈍工程で、曲げ加工によって発生した局所曲げ加工部１７の残留歪を除去する。
【００３４】
上記の工程で製造すると、局所曲げ加工部１７に、水素化物が板厚方向に析出しないため、衝撃力に対して高い抵抗力を備えた燃料集合体用スペーサを得ることが可能になった。上記製造にかかわる加工装置は、内周側に置かれる二つのダイス１４と外周側に置かれる一つのポンチ１３でフェルール管をプレスすることにより、セルストップ１６を形成する。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、フェルール管の局所曲げ加工部において、水素化物の板厚方向への析出を抑制することによって、衝撃力に対して高い抵抗力を備えた燃料集合体用スペーサとなるため、原子力燃料集合体の安全性や信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係わるもので、原子力燃料集合体用スペーサの製造フローを示す図。
【図２】本発明の実施例に係わるもので、フェルール管局所曲げ加工部を加工する様子を示した図。
【図３】本発明の実施例に係わるもので、沸騰水型軽水炉に使用される燃料集合体の鳥かん図。
【図４】本発明の実施例に係わるもので、燃料集合体用スペーサの横断面を示した図。
【図５】本発明の実施例に係わるもので、燃料集合体用スペーサの縦断面を示した図。
【図６】本発明の実施例に係わるもので、燃料集合体用スペーサの横断面の拡大を示した図。
【図７】本発明の実施例に係わるもので、水素化物の板厚方向への析出と加工歪との相関を示した図。
【符号の説明】
１…燃料棒、２…スペーサ、３…チャンネルボックス、４…ウォーターロット、５…上部タイプレート、６…下部タイプレート、７…フェルール管、８…バンド、９…バネ材、１０…溶接部、１１…セルストップ、１２…曲げ加工部、１３…外周側に置かれる一つのポンチ、１４…ダイス、１５…フェルール管、１６…セルストップ、１７…曲げ加工部。
【図１】
2005024422.tif 000011
【図２】
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【図３】
2005024422.tif 000013
【図４】
2005024422.tif 000014
【図５】
2005024422.tif 000015
【図６】
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【図７】
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