(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボロンが添加されたオーステナイトステンレス鋼を材料とし、断面形状が丸状である筒材を押し出し成形法、または引き抜き成形法により断面形状が角状の燃料ラックセルに成形するにあたり、
少なくとも成形前の前記オーステナイトステンレス鋼の伸びを１３％にし、
成形前の前記オーステナイトステンレス鋼の表面粗度を３μｍにし、
成形後の前記燃料ラックセルのコーナ部曲げ半径を８〜１０ｍｍの範囲内にして成形することを特徴とするボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法。
【請求項２】
ボロンが添加されたオーステナイトステンレス鋼を材料とし、断面形状が丸状である筒材を押し出し成形法、または引き抜き成形法により断面形状が角状の燃料ラックセルに成形するにあたり、
少なくとも成形前の前記オーステナイトステンレス鋼の伸びを１３％にし、
成形前の前記オーステナイトステンレス鋼の表面粗度を５μｍにし、
成形後の前記燃料ラックセルのコーナ部曲げ半径を１２〜１４ｍｍの範囲内にして成形することを特徴とするボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法。
【請求項３】
断面形状丸状の筒である成形前の前記ボロン添加オーステナイトステンレス鋼に対し、１０００度以上１２００度以下の温度で、３分以上１０分以下の熱処理を行った後に断面形状角状の筒に成形することを特徴とする請求項１または２に記載のボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法。
【請求項４】
前記熱処理は、複数回繰り返し行うことを特徴とする請求項３に記載のボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法。
【請求項５】
前記成形前のオーステナイトステンレス鋼の伸びは、請求項３または４に記載の条件で熱処理をした前記ボロン添加オーステナイトステンレス鋼の伸びであることを特徴とする請求項３または４に記載のボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法に関し、更に詳しくは、原子力発電プラント内に設置され、使用済燃料を収納するボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法であって、使用済燃料の収納率を向上させるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に原子力発電プラントにおいては、原子炉格納容器の近辺に使用済燃料ピットが設けられる。この使用済燃料ピットは、原子炉から取り出した核燃料を収納して冷却貯蔵し、その崩壊熱を除去するためのものである。具体的には、使用済燃料ピットの底部に使用済燃料ラックセルが据え付けられ、これに使用済燃料を収納する。
【０００３】
図６および図７は、従来の燃料ラックセルを示す外観図であり、図６はＰＷＲ（加圧水型炉）用であり、図７は、ＢＷＲ（沸騰水型炉）用である。燃料ラックセル１、２は、限られた空間にできるだけ多くの核燃料を貯蔵する様稠密に配置することが好ましい。一方、周知のように使用済燃料は近づけすぎると核反応を起こしてしまう恐れがある。そこで、従来は、中性子吸収効果を有するボロンを１％以下添加したオーステナイトステンレス鋼（以下ステンレス鋼という。）を燃料ラックセル材料として利用していた。
【０００４】
図８、９は、従来の燃料ラックセルの加工方法を示す説明図である。図８は、いわゆる押し出しロール成形法であり、図９は、いわゆるロール駆動成形法である。押し出しロール成形法は、断面丸状の筒（以下丸筒という。）をシリンダ１１により押し出しながら成形用ロール１２により角筒状に成形する方法である。また、ロール駆動成形法は、成形用ロール１６が駆動して引き抜くように丸筒３を角筒状に成形する。なお、これらの方法は冷間加工で行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、使用済燃料のさらなる収納率向上のため、ステンレス鋼にボロンを多く添加すると燃料ラックセルの中性子吸収能力が高まる一方、加工に対してステンレス鋼の伸びが悪化する。図１０は、ボロンの添加量とステンレス鋼の伸びを示すグラフ図であり、縦軸がステンレス鋼の伸び、横軸がボロン添加量である。同図に示すように、ステンレス鋼にボロンを少しでも添加したものは、添加しないものに比べ、ステンレス鋼の伸びが急激に低下するという特徴がある。
【０００６】
したがって、従来よりもボロンを多く添加したステンレス鋼に上記従来の加工を施したのでは、上記伸びの低下により、角筒のコーナ部に割れが生じ易かった。そして、このことが、燃料ラックセル同士の間隔を小さくして使用済燃料の収納率向上を図る燃料ラックセルの製作を困難なものにしていた。
【０００７】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来よりもボロンを多く添加して伸びが低下したステンレス鋼に対しても従来と同様に割れもなく加工を施すことが可能となり、使用済燃料の収納率を向上させるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、請求項１にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法は、ボロンが添加されたオーステナイトステンレス鋼を材料とし、断面形状が丸状である筒材を押し出し成形法、または引き抜き成形法により断面形状が角状の燃料ラックセルに成形するにあたり、少なくとも成形前の前記オーステナイトステンレス鋼の伸びを１３％にし、成形前の前記オーステナイトステンレス鋼の表面粗度を３μｍにし、成形後の前記燃料ラックセルのコーナ部曲げ半径を８〜１０ｍｍの範囲内にして成形するようにしたものである。また、請求項２にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法は、ボロンが添加されたオーステナイトステンレス鋼を材料とし、断面形状が丸状である筒材を押し出し成形法、または引き抜き成形法により断面形状が角状の燃料ラックセルに成形するにあたり、少なくとも成形前の前記オーステナイトステンレス鋼の伸びを１３％にし、成形前の前記オーステナイトステンレス鋼の表面粗度を５μｍにし、成形後の前記燃料ラックセルのコーナ部曲げ半径を１２〜１４ｍｍの範囲内にして成形するようにしたものである。
【０００９】
オーステナイトステンレス鋼にボロンを添加すると伸びが減少するが、当該伸び、成形前表面粗度、および成形後（完成品）の燃料ラックセルコーナ部曲げ半径との間には一定の曲線で描ける関係がある。この曲線を利用して、成形前の筒材の伸びに応じた表面粗度、燃料ラックセルコーナ部曲げ半径を選択してやれば、成形後のラックセルコーナ部に割れを生じることがなくなる。
【００１０】
また、請求項３にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法は、断面形状丸状の筒である成形前の前記ボロン添加オーステナイトステンレス鋼に対し、１０００度以上１２００度以下の温度で、３分以上１０分以下の熱処理を行った後に断面形状角状の筒に成形するようにしたものである。この条件で熱処理を行うと、ボロンを添加したことによる伸びの低下を改善することができる。
【００１１】
また、請求項４にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法は、請求項３に記載の発明において、前記熱処理を複数回繰り返し行うようにしたものである。
【００１２】
ボロンを添加したオーステナイトステンレス鋼に対する熱処理は、高温であるほど、また複数回行うほど、伸びの低下がより改善される。しかし、高温での熱処理は、除去が困難となる表面酸化物の生成量を増加させてしまうという特徴を有する。したがって、製造性を考慮した場合、上記請求項３に記載の条件で、複数回繰り返し行わせることが好ましい。
【００１３】
また、請求項５にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法は、請求項３または４に記載の発明において、前記成形前のオーステナイトステンレス鋼の伸びが、請求項３または４に記載の条件で熱処理をした前記ボロン添加オーステナイトステンレス鋼の伸びであるようにしたものである。
【００１４】
請求項３または４に記載の発明によって、ボロン添加オーステナイトステンレス鋼の伸びを改善することができることは上記で述べた。この改善された伸びに対して表面粗度、燃料ラックセルのコーナ部曲げ半径を適当に選択してやれば、従来よりも多くボロンを添加することにより伸びが一度低下したオーステナイトステンレス鋼を材料としても燃料ラックセルに割れを生じさせることなく製作できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、或いは実質的に同一のものを含む。
【００１６】
実施の形態にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法は、ボロンが添加されたオーステナイトステンレス鋼（以下ステンレス鋼という。）よりなる丸筒を図１に示す特性図に表した範囲のうち、ハッチングで示される成型可能範囲の条件で角筒に成形する。具体的な加工方法としては、たとえば押し出し成形法、または引き抜き成型法による冷間加工が用いられ、更に具体的には、従来と同様に押し出しロール成形法、ロール駆動成形法が用いられる。
【００１７】
上記成形可能範囲は、図１に基づいて選択される。すなわち、成形前の前記ボロン添加ステンレス鋼の伸びと、同成形前の前記ボロン添加ステンレス鋼の表面粗度と、成形後の前記燃料ラックセルのコーナ部曲げ半径という少なくとも３つのファクターをグラフ図に表し、その関係から成形後の燃料ラックセルに割れが生じない範囲が選択される。
【００１８】
この選択の具体的方法としては、前記範囲の中で前記伸びに応じた前記表面粗度と前記曲げ半径の組み合わせを選択する。なお、ボロンの添加比率は、従来の比率を超える１重量％以上であってもよい。なお、図１に示す特性図は、本発明者らが伸び、表面粗度、および曲げ半径を種々変えて丸筒を冷間加工による上記ロール成形法により角筒に成形する実験を行った結果得られたものである。
【００１９】
表面粗度が選択されれば、実際にその粗度になるように、ボロン添加ステンレスを加工するのであるが、この表面粗度の改善は、前記ロール成形を行う前に、板または丸筒の段階で行う。その理由は、図５に丸筒２０の表面近傍を拡大して示すように、成形時に丸筒２０の表面２１に凸凹２２があると、その凸凹２２が起点となって丸筒２０に割れ２３が発生し得るからである。なお、図５には、丸筒の表面２１に凸凹２２があり、その凸凹２２が割れ２３の起点となっている状態が示されている。
【００２０】
表面粗度を改善する手段としては、特に限定はしないが、たとえば、グラインダによる研磨が挙げられる。また、改善後の表面粗度Ｒａは小さければ小さい程よいが、数値としては、たとえば３〜５μｍ程度であることが好ましい。
【００２１】
このように、この発明では、ボロン添加オーステナイト鋼の伸びと表面粗さと角筒コーナ部曲げ半径が一組選択されて燃料ラックセルが製作されるが、当該コーナ部曲げ半径は自由に選択できるものではない。それは、燃料ラックセルに収納される使用済燃料が角柱状であり、その断面形状との関係で、あまり大きな半径を選択するのは適当でないからである。
【００２２】
したがって、前記コーナ部曲げ半径をある程度小さく維持するためには、表面粗度の改善だけでなく、ボロン添加ステンレスの伸びも、その曲げ半径に応じて可能である限り大きく、たとえば１３％程度以上にしておきたい。ボロンを添加したステンレス鋼が所望の伸びを示さなかった場合、丸筒の状態で熱処理が行われる。この熱処理によって、伸びの低下が改善されるからである。
【００２３】
図２は、ボロン添加ステンレスの伸びと熱処理温度との関係を示す特性図である。同図に示すように、熱処理温度が高くなるほど伸びは大きくなる。また、熱処理回数が多くなり、トータルの熱処理時間が長くなるほど伸びが大きくなることがわかる。
【００２４】
ここで、上述した伸びを得るための熱処理条件は、１０００℃から１２００℃の温度、好ましくは１０００℃で、３〜１０分である。１２００℃という数字を挙げた理由は、当該温度を超えるとボロン添加ステンレス鋼の表面に、除去しにくい酸化物が多量に生成してしまうため、好ましくないからである。一方、１０００℃よりも低温で熱処理を行うと、熱処理時間を長くせざるを得ず生産性が悪くなるからである。
【００２５】
また、１０００℃〜１２００℃で３分〜１０分の熱処理を複数回、たとえば２、３回繰り返し行うようにしてもよい。１回の熱処理を３分〜１０分とした理由は、３分以下であると十分な伸びの改善が得られず、１０分以上であると上記と同様にボロン添加オーステナイトステンレス鋼の表面に除去しにくい酸化物が多量に生成してしまうためである。また、繰り返し回数を２、３回とした理由は、これ以上の繰り返しを行うと製造工数が多くなり生産性を低下させるからである。
【００２６】
この実施の形態の冒頭では、ステンレス鋼に熱処理を行わずに、その伸びに応じた表面粗度、コーナ部曲げ半径を選択して燃料ラックセルを製造する方法を説明した。上記表面粗度、コーナ部曲げ半径の選択範囲をより大きくするためには、ステンレス鋼に熱処理を行って、伸びを改善した後に上記表面粗度、コーナ部曲げ半径を選択すればよい。
【００２７】
図３は、燃料ラックセルを構成する角筒３０の形状を示す断面図である。上述したように角筒３０のコーナ部３１の曲げ半径ｒは、できるだけ大きい方がよい。その理由は、コーナ部３１の曲げ半径ｒが大きいほうが、丸筒から角筒３０へ成形する際にコーナ部３１に作用する引張荷重の負荷が軽減されるので、コーナ部３１に割れが発生するのをより効果的に抑制することができるからである。ただし、これも上述したように、角筒３０内に収納する角柱状使用済燃料（図示省略）の断面形状との関係で径の大きさには限界がある。
【００２８】
具体的には、コーナ部３１の曲げ半径ｒは、成形前のステンレス鋼の表面粗度Ｒａが５μｍの場合１２ｍｍ〜１４ｍｍであるのが適当である。その理由は、一般的なステンレス鋼の伸びと、表面粗度から成形加工可能である曲げ半径ｒが１０ｍｍ以上であり、使用済燃料の断面形状との関係より１４ｍｍ以下とする必要があるからである。また、同様にして、成形前の表面粗度Ｒａが３μｍの場合の曲げ半径ｒは、８〜１０ｍｍが適当である。
【００２９】
上述した説明にしたがって製造された燃料ラックセルは、ボロンを従来よりも多く添加することができるので、従来に比べ中性子吸収能が高い。そのため、従来燃料ラックセルにおけるピッチよりも狭いピッチで角筒を並べることが出来る。すなわち、図４に示すように実施の形態にかかる燃料ラック３５における角筒３０のピッチＤを、比較のため図１１に示す従来の燃料ラック４５における角筒４０のピッチｄよりも小さくすることができる。具体的には、たとえばＰＷＲ（加圧水型炉）プラント用のラックセルの従来のピッチｄが約３９ｃｍであるのに対して、本実施の形態によれば、ピッチＤは約２４ｃｍ〜２８ｃｍとなる。
【００３０】
この実施の形態によれば、成形前のボロン添加ステンレス鋼の伸びを熱処理により改善し、その伸びに応じて成形前のボロン添加ステンレス鋼の表面粗度と、角筒のコーナ部の曲げ半径とを、適当に選択し、その成形条件でロール成形を行うため、コーナ部に割れのない、ボロン添加ステンレス鋼よりなる角筒が得られる。この角筒の中性子吸収能は、従来に比べて高いので、この角筒を用いた燃料ラックセルでは、従来と同じ大きさでより多くの使用済燃料を収納することができる。また、従来よりも小さいラックセルで同じ数の使用済燃料を収納することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法（請求項１、２）によれば、ボロンが多く添加され、加工性が低下したオーステナイトステンレス鋼でも、従来と同じように押し出し成形法、または引き抜き成形法により割れを生じさせずに燃料ラックセルの加工が可能となる。このため、従来よりも多くボロンを添加することができ、使用済燃料からの中性子を多く吸収することができる。中性子吸収能が向上すれば、燃料ラックセルのラックピッチも小さくできる。したがって、従来と同じ空間が与えられたなら、より多くの使用済燃料を収納することが可能となる。
【００３２】
また、この発明にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法（請求項３）によれば、適当な条件で熱処理を行うので、ボロンを添加したことによる伸びの低下を改善することができる。これにより、ボロンを多く添加したオーステナイトステンレス鋼でも従来と同様に加工することができる。したがって、燃料ラックセルの中性子吸収性能を向上させることができ、使用済燃料の収納率を向上させることができる。
【００３３】
また、この発明にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法（請求項４）によれば、適当な条件で熱処理を行うので、ボロンを添加したことによる伸びの低下を改善することができる。これにより、ボロンを多く添加したオーステナイトステンレス鋼でも従来と同様に加工することができる。したがって、オーステナイトステンレス鋼にボロンを多く添加して中性子吸収性能を向上させた燃料ラックセルを従来と同様な加工で製作することができ、使用済燃料の収納率を向上させることができる。
【００３４】
また、この発明にかかるボロン添加オーステナイトステンレス鋼製燃料ラックセルの製造方法（請求項５）によれば、ボロンが多く添加され、加工性が低下したオーステナイトステンレス鋼でも、従来と同じように押し出し成形法、または引き抜き成形法により燃料ラックセルの加工が可能となる。このため、使用済燃料からの中性子を多く吸収することができ、燃料ラックセルのラックセルピッチも小さくできる。したがって、従来と同じ空間が与えられたなら、より多くの使用済燃料を収納することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】成形前の材料の伸び、表面粗度、成形後のコーナ部曲げ半径との関係を示す特性図である。
【図２】材料の伸びと熱処理温度との関係を示す特性図である。
【図３】成形された角筒の形状を示す断面図である。
【図４】燃料ラックセルにおける角筒のピッチを示す説明図である。
【図５】成形前の材料表面近傍を示す拡大断面図である。
【図６】ＰＷＲプラント用の燃料ラックセルに使用される角筒の例を示す斜視図である。
【図７】ＢＷＲプラント用の燃料ラックセルに使用される角筒の例を示す斜視図である。
【図８】押し出しロール成形法の概略を示す要部斜視図である。
【図９】ロール駆動成形法の概略を示す要部斜視図である。
【図１０】オーステナイトステンレス鋼へのボロン添加量と伸びとの関係を示す特性図である。
【図１１】従来の燃料ラックセルにおける角筒のピッチを説明するための模式図である。
【符号の説明】
１、２、３０、４０  角筒
３  丸筒
１１  押し出し用のシリンダ
１２、１６  ロール
２０  ボロン添加オーステナイトステンレス鋼丸筒
２２  材料表面の凸凹
２３  割れ
３１  角筒のコーナ部
３５、４５  燃料ラック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004008260.tif 000010
【図１０】
0004008260.tif 000011
【図１１】
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