(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニウムを主成分とする合金からなる第１の部品と、ニッケルを主成分とする材料からなる第２の部品であって第１の部品に対して対電極を形成し得る第２の部品とを具備し、第２の部品および第１の部品が、それらの間に導電性媒体を配して相互に近接して配置されかつ放射線場の下で放射線の照射を受ける装置であって、
第２の部品が、沸騰水型原子炉または加圧水型原子炉のスペーサ、または、スペーサスプリングであり、
第１の部品および第２の部品が、互いに１０ｍｍ以下の距離に配置され、
当該装置が、第２の部品上に配置された、二酸化ジルコニウムを含む電気的に絶縁するコーティングを有し、前記第１の部品上におけるシャドウ腐食を防止するために前記第２の部品の少なくとも一部を前記第１の部品から電気的に絶縁することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記コーティングが、０．０１〜１０００μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記コーティングが、０．０１〜５０μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記コーティングが、１×１０３〜１×１０１０Ωｃｍ２、好ましくは、１×１０６〜１×１０１０Ωｃｍ２の範囲の電気抵抗を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
第１の部品におけるシャドウ腐食を防止するための方法であって、
前記第１の部品が、ジルコニウムを主成分とする合金であって、第２の部品に近接して放射線場内に配置され、該第２の部品が、ニッケルを主成分とする材料からなるものであって前記第１の部品に対して対電極を形成し得るような種類のものであり、前記第１および第２の部品が放射線場の放射線にかけられ、
第２の部品が、沸騰水型原子炉または加圧水型原子炉のスペーサ、または、スペーサスプリングであり、
第１の部品および第２の部品が、互いに１０ｍｍ以下の距離に配置され、
第１の部品上におけるシャドウ腐食を防止するために、二酸化ジルコニウムを含む電気的に絶縁するコーティングを第２の部品に施すことによって、前記第２の部品の少なくとも一部が前記第１の部品から電気的に絶縁されることを特徴とする方法。
【請求項６】
前記コーティングが、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ガスまたはガス混合物内における熱処理、ゲル内の微粉末の混合物を部品上に堆積させ熱を加えて部品の表面上にコーティングとして焼結させること、火炎溶射によるコーティングの堆積、溶射皮膜形成のうちの少なくとも１つにより与えられることを特徴とする請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記コーティングが、０．０１〜１０００μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
前記コーティングが、０．０１〜５０μｍの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記コーティングが、１×１０３〜１×１０１０Ωｃｍ２、好ましくは、１×１０６〜１×１０１０Ωｃｍ２の範囲の電気抵抗を有することを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ジルコニウムを主成分とする合金からなる第１の部品と、該第１の部品に対して対電極を形成する第２の部品とを具備し、前記第１および第２の部品が、導電性媒体を介して相互に近接配置され、かつ、放射線場によって放射線の照射を受ける装置に関するものである。
【０００２】
この発明は、また、第１の部品におけるシャドウ腐食(shadow corrosion)を防止するための方法にも関連している。前記第１の部品は、ジルコニウムを主成分とする合金からなり、該第１の部品に対して対電極を形成し得るような種類の第２の部品から短い距離におかれて放射線場に配置されるように意図されており、前記第１および第２の部品は、前記放射線場下で放射線照射を受ける。
【０００３】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
今日、上述した形式の装置は、原子力プラントにおいてしばしば使用されている。近年、例えば、原子力プラント内部において、ステンレス鋼またはニッケルを主成分とする合金からなる部品に対して近距離に配置されているジルコニウムを主成分とする合金は、同じ環境下で同じ部品に対して大きな距離をあけて配置されている場合に比較して、高い腐食傾向を示すことが知られている。この環境下において、ジルコニウムを主成分とする合金は、腐食性媒体のみならず、放射線の影響を受けることになる。
【０００４】
今日まで、シャドウ腐食と呼ばれるこの腐食の原因は、合金の構成元素であるマンガンの核反応が生起する非常に高いβ線場によって活発化した放射線分解であると一般に理解されていた。
【０００５】
したがって、この分野の従来技術は、何らかの方法で、合金の構成元素であるマンガンの核反応を回避することによりシャドウ腐食の問題を解決することに、主として焦点が当てられていた。しかしながら、このことは、商業的かつ実用的な、いかなる解決策にも帰結しておらず、したがって、原子力プラント内の条件下では、ステンレス鋼やニッケルを主成分とする合金からなる部品に対して近距離に配されるジルコニウムを主成分とする合金のシャドウ腐食は、不可避のものと了解されてきた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、例えば、ステンレス鋼やニッケルを主成分とする合金からなる第２の部品の近距離に配されるジルコニウムを主成分とする合金からなる第１の部品のシャドウ腐食が、従来技術による装置と比較して、実質的に低減される装置を提供することである。
【０００７】
この目的は、本明細書で明らかにされた種類の装置によって達成され、該装置は、第１の部品におけるシャドウ腐食を回避するために、該第１の部品から第２の部品の少なくとも一部を電気的に絶縁する手段を具備することを特徴としている。
【０００８】
このように、シャドウ腐食の問題を、従来の研究を通して提案されたものとは実質的に異なる方法によって解消する。この解決策は、発明者らが想到した、シャドウ腐食現象の原因に対する新たな洞察に基づくものである。それによれば、シャドウ腐食現象は、放射線（主にγ線）と、シャドウ腐食を生ずるジルコニウム材料から近距離にある（化学的観点からではなく、電気化学的観点から）あまり不動態化されていない部品との組み合わせに起因するという結論に至った。γ線は、時折、実質的に局所的に、また、この環境下においてジルコニウムを主成分とする合金の表面に生じる酸化膜全体にわたって、腐食を増加させる電荷の伝導チャネルを生じる。シャドウ腐食を回避するために、第１の部品は、第２の部品から、少なくとも、２つの部品が相互に一定の最短距離以下で配置される領域では、電気的に絶縁されるべきである。
【０００９】
好ましい態様によれば、前記手段は、第２の部品上に形成された絶縁コーティングからなっている。それによって、第１の部品におけるシャドウ腐食の実際の原因または根源を有効に遮蔽することができる。
【００１０】
また、好ましい態様によれば、前記コーティングは、窒化物、酸化物、セラミックコーティング、ガラスまたはポリマー材料の内の少なくとも１つからなっている。今日の技術によれば、これらのすべての種類のコーティングは、問題の部品上に適当な方法で形成することができる。これらは、原子力プラント内の腐食環境、およびこれと同時に受ける、例えば、中性子線およびγ線のような放射線に十分に対抗する品質を有している。コーティングが、例えば、ＰＶＤまたはＣＶＤによる堆積に関連して複数の層からなる場合には、１以上の層が、例えば、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｚｒからなるグループの中の概ね純粋な金属材料からなっていてもよい。
【００１１】
好ましい態様によれば、コーティングは、０．０１〜１０００μｍの範囲の厚さを有している。厚さの選択は、第２の部品の種類、該部品の位置、該部品が配置されている環境を含む複数の要因に依存している。一般にニッケルを主成分とする材料からなるスペーサとスペーサスプリングに対しては、コーティングは０．０１〜５０μｍの範囲の厚さを有することが好ましい。
【００１２】
前記層の電気抵抗は、良好な絶縁効果を得るために、１×１０３〜１×１０１０Ωｃｍ２、好ましくは、１×１０６〜１×１０１０Ωｃｍ２の範囲にあるべきである。
【００１３】
この発明の他の目的は、ジルコニウムを主成分とする合金からなり、第２の部品に対して近い距離において高い放射線場に配置される第１の部品上のシャドウ腐食を防止するための方法を提案することである。ここで、第２の部品は、第１の部品に対して対電極を形成することができるようなものであり、第１および第２の部品は、前記放射線場の放射線を受ける。前記第２の部品は、通常は金属であり、ステンレス鋼またはニッケルを主成分とする材料からなっている。前記第２の部品は、好ましくは、原子力プラント内に配置され、スペーサ、スペーサスプリング、制御棒ブレード、ねじ継手、沸騰水型原子炉および加圧水型原子炉の上部および下部プレート、炉心グリッドおよび燃料集合体の基礎の内のいずれのものでもよい。
【００１４】
この目的は、第２の部品の少なくとも一部が第１の部品から電気的に絶縁されることを特徴とする、最初に明らかにされた種類の方法によって達成される。
【００１５】
この方法は、上述した装置における場合のように、γ線が第１および第２の部品の間に副次的な導電チャネルを生じさせることについての新たな洞察の下に開発された。部分的に周囲の環境によって、部品は、それらの間で電荷が交換される２つの電極になる。一般には、２つの部品が相互に近距離、一般には１０ｍｍ以下に配置される場合には、第２の部品は、それによって、第１の部品に対して電解による対電極を形成することになる。第１の部品のシャドウ腐食は、この発明により提案されたように、第２の部品が第１の部品から電気的に絶縁されることにより実質的に低減され得る。前記第１および第２の部品が相互に非常に近接した距離、約１０ｍｍ以下に配置されたときには、シャドウ腐食のみが問題になるので、第２の部品は第１の部品に対して、好ましくは、相互の距離が前記最短距離以下となる領域において、電気的に絶縁されるべきである。この結果、前記最短距離は、まさに、その中に部品が配置される媒体の種類のような異なる外的パラメータに依存しているということがわかる。
【００１６】
好ましい態様によれば、第２の部品は、該第２の部品上に堆積された電気的絶縁コーティングによって第１の部品から絶縁される。このため、前記第２の部品が前記コーティングによって絶縁されるべき領域を、非常に正確に制御することができるようになる。厚さや電気抵抗のようなコーティングの他の特性は、堆積プロセス中で容易に制御され得る。また、そのような絶縁を得るために、今日アクセス可能な多くの先進の堆積技術を使用することができることも利点である。
【００１７】
この方法の好ましい態様によれば、堆積は、ＰＶＤ、ＣＶＤ、ガスまたはガス混合物内における熱処理、ゲル内に供給された微粉末を部品上に堆積し熱を加えることによって部品の表面上にコーティングとして焼結させた堆積、火炎溶射による堆積、および溶射皮膜形成(spray deposition)の内の少なくとも１つの方法によって行われる。これらの技術は、全て、詳細にわたって実施され、コーティング厚さおよびコーティング内に含められる材料を非常に正確に制御することができるという利点を有している。また、それらの方法は、異なる組成、または異なる材料構造を有し、一緒に前記コーティングを形成する複数の異なる層を配置することを可能にしている。
【００１８】
特に有利な技術は、液体および無機または有機化合物とともに、いわゆるゾルゲルに混合された微粉末、好ましくはセラミックの粉末を、その部品上に堆積し、その後、熱を加えることによって部品の表面上にコーティングとして焼結することが許容されるものである。
この発明の他の特徴および長所は、発明の異なる実施形態についての以下の説明によって明らかにされる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
好ましくは、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）、あるいは加圧水型原子炉（ＰＷＲ）または他の商業的もしくは非商業的な核分裂炉または核融合炉のような原子力プラント、または中性子、γ線またはβ線の実質的な放射線場が存在する他の任意の環境において、第１の部品と第２の部品とが相互に、好ましくは約１０ｍｍ以下の近い距離に配置され、かつ、これらの部品が導電性の媒体と接触状態に配置される。一般には、この媒体は水である。
【００２０】
第１の部品は、ジルコニウムを主成分とする合金からなり、かつ、そのようなジルコニウムを主成分とする合金により構成される原子力プラントにおける任意の部品の内の１つ、例えば、軽水炉におけるスペーサのスペーサフレームでよい。
【００２１】
第２の部品は、ステンレス鋼、ニッケル合金、プラチナ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、またはそれらの合金または、外的に電場が与えられ、または電場が与えられずに、かつ、放射線場内にも配置された第１の部品に対して、電解的に対電極として機能することができる他の任意の材料の内の少なくとも１つから構成されている。
【００２２】
第２の部品は、例えば、ＢＷＲおよびＰＷＲのためのニッケルを主成分とする材料からなるスペーサ、ＢＷＲおよびＰＷＲのためのニッケルを主成分とする材料からなるスペーサスプリング、ＢＷＲ用制御棒ボタンおよび「ピンとローラ」、ステンレス鋼または他の任意の材料からなる制御棒、ねじ継手、特に、ねじ頭、および水にさらされかつ第１の部品に対して短い距離に配置されるナット、ＢＷＲおよびＰＷＲ用の上部プレートおよび下部プレート、炉心グリッド、または燃料集合体の基礎である。
【００２３】
第２の部品には、窒化物、電気的に絶縁性のある酸化物、二酸化ジルコニウム、ダイアモンド、酸化アルミニウム、二酸化珪素、窒化ホウ素、窒化珪素等のようなセラミック、ガラス、または、水、高温の蒸気並びに中性子線およびγ線に対する耐性のあるポリマー材料の内の少なくとも１つからなるコーティングが付与されている。
【００２４】
このコーティングは、０．０１〜１０００μｍの厚さを有し、スペーサおよびスペーサスプリング用には、０．０１〜５０μｍの厚さを有することが好ましい。その電気抵抗は、１×１０３〜１×１０１０Ωｃｍ２、好ましくは、１×１０６〜１×１０１０Ωｃｍ２であるべきである。
【００２５】
もちろん、当業者には、特許請求の範囲に明らかにされたようなこの発明の範囲を逸脱しない他の複数の実施形態が明らかである。