耐磨烧结合金及其生产，以及使用它的控制棒驱动装置和核反应堆

摘要

本发明提供不含钴的耐磨材料，它用于核发电站的控制棒驱动机构的滑动部分，从而减少由于钴的洗脱而导致的照射剂量，保证在高负荷下控制棒的长期顺利驱动。本发明还涉及一种控制棒驱动机构，它采用由耐磨合金制成的滚轮和销，在耐磨合金中，硬质相的粒度为20至100μm的粗颗粒弥散在硬度为300Hv或更低的含铬的铁基或镍基合金构成的软基质中，本发明还提供一种使用上述控制棒驱动机构的核反应堆。

说明书

本发明涉及一种耐磨性、耐腐蚀性和抗冲击性极好的耐磨材料，特别是核反应堆设备控制棒驱动装置中使用于的滑动件适用的耐磨合金。

钴基合金一直用于核反应堆设备的滑动件。具体来说，称为“钨铬钴合金”的钴合金一直用于控制棒的导辊和套管。这种钴合金含有28-30wt％的Cr，2-2.5wt％的C和少量W，Fe和Ni，其余为Co。这种合金因含Cr量高而耐腐蚀性好，因含C量高而硬度高，因而耐磨性极好。

但是，这种合金制成的零件放在高温高压的反应堆的水中时具有缺陷，即，在这种情形中，钴会洗脱在反应堆水中；洗脱的钴附着在燃料护套表面，产生放射性；产生放射性的钴再被洗脱并在反应堆水中循环。因此，当设备定期检修时，照射剂量增加，延长了仃机时间，从而减小了设备的可利用率。

为了防止因钴洗脱而引起的照射剂量增加，必须使用新的滑动材料以替代钴基合金。

日本专利公告文本第59-52228号公开了一种滑动材料，它不含作为主要成分的钴。具体来说，使用一种镍基合金作为辊材料；但是，由于这种合金的耐磨性低于钴基合金，因而当用作机械负荷高的滑动部分的辊材料时，它引起磨损造成的大尺寸变化，不宜于长期使用。日本专利公告文本第58-23454号也公开了一种含有Cr和Nb的镍基合金，但是，它的冲击值差，因而当受到紧急仃堆的冲击负荷时可靠性低。

为了解决现有技术中的材料的上述缺陷，作出了本发明，本发明的目的是提供一种耐磨合金，其耐磨性优于钨铬钴合金，对于紧急仃堆时因高速驱动引起的冲击负荷来说可靠性高，而且由于消除了钴洗脱，照射剂量低，从而保证了在高温水中和在长时间高负荷下使用该合金的反应堆控制棒的顺利驱动。本发明的另一个目的是提供一种生产上述合金的方法。本发明还有一个目的是提供一种使用上述合金的控制棒驱动装置和核反应堆。

本发明提供一种耐磨烧结合金，它包括形成软基质的铁基或镍基合金和弥散在上述软基质中的非沉淀和非结晶的硬颗粒，其中，所述硬颗粒因滑动磨损而粒成细颗粒，细颗粒弥散在磨损表面，也埋嵌在上述软基质中。

本发明也提供一种耐磨烧结合金，它包括硬度为100至300Hv的软基质和以5至30Vol％的量弥散在上述软基质中的，平均粒度为10至120μm的硬颗粒。

本发明也提供一种耐磨烧结合金，它包括含15至30Vol％的量的铬的铁基或镍基合金和弥散在上述合金中的硬度为1000至2000Hv的硬颗粒。

本发明也提供一种耐磨烧结合金，它包括含铬15至30wt％的铁基或镍基和弥散在上述合金中的平均粒度为10至120μm的硬颗粒。

本发明也提供一种耐磨烧结合金，它包括含铬15至30wt％的铁基或镍基合金和弥散在上述合金中的，硬度为1000至2000Hv的，一种或多种非沉淀和非结晶的碳化物或氮化物颗粒。

本发明也提供一种耐磨烧结合金，它包括含铬量为15至30wt的铁基或镍基合金和弥散在上述合金中的，平均粒度为10至120μm的，一种或多种碳化铬和氮化铬颗粒。

本发明也提供一种控制棒驱动装置，它包括一壳体，一个设在所述壳体中的中空活塞，一个用于垂向驱动所述中空活塞的驱动活塞，在所述壳体内在中空活塞和管之间设在管上的滚轮，以及用作所述滚轮的转动轴的销，其中，每个所述滚轮是由任意一种上述合金制成的。

本发明也提供一种控制棒驱动装置，其中，上述滚轮和上述销的每一个都是由一种铁基或镍基合金制成的，所述合金的耐磨特性为，在288℃高温的水中，在每0.75mm的滑动宽度1kg的负荷下进行的耐磨试验中，所述滚轮和销的总磨损量在每单位面积(滑动宽度7.5mm×滑动距离1km)10mg或更少的范围内。

本发明也提供一种控制棒驱动装置，其中，上述滚轮是由一种铁基或镍基合金制成的，上述合金的耐磨特性为，在高温288℃的水中，在每0.75mm的滑动宽度1kg的负荷下进行的对所述销的磨损试验中，所述滚轮的磨损量在每单位面积(滑动宽度7.55mm×滑动距离1km)8.5mg或更少的范围内。

本发明也提供一种控制棒驱动装置，其中，所述销是由一种铁基或镍基合金制成的，所述合金的耐磨特性为，在高温288℃的水中，在每0.75mm的滑动宽度1kg的负荷下进行的相对于所述滚轮的耐磨试验中，所述销的磨损量在每单位面积(滑动宽度7.5mm×滑动距离1km)4.5mg或更少的范围内。

本发明也提供一种核反应堆，它包括一个高压容器，设在高压容器中的燃料组件，在燃料组件中设置的控制棒和用于单独驱动上述控制棒的控制棒驱动装置，其中，所述反应堆具有45GWd/t或更大的燃耗；构成每个燃料组件的最外周部分的通道箱显示每8GWd/t的燃耗0.8mm或更小的弯曲量，在45GWd/t的燃耗下也显示2.8mm或更小的弯曲量；在85％或更高的可利用率下，上述控制棒驱动装置可使用30年无需更换。

本发明也提供一种核反应堆，它包括任何一种上述的控制棒驱动装置。

本发明也提供一种控制棒驱动装置的滚轮，它是由任意一种上述耐磨烧结合金制成的。

本发明也提供一种生产耐磨烧结合金的方法，它包括以下步骤：将铁基或镍基合金粉末与非氧化物硬材料粉末混合；通过加热结合热压烧结混合的粉末，从而使非脱溶和非结晶的硬颗粒弥散在上述合金中。

另外，本发明提供一种核发电设备，其中一蒸汽轮机由反应堆高压容器中的原子燃料取得的热动力转动，一发电机由蒸汽轮机转动来驱动，从而获得电力输出，其特征在于，反应堆的热功率为3200MW或更高，反应堆压力为7.0MPa或更高，反应堆水温为288℃或更高，电子输出功率为1100MW或更高；中子源管、芯部支承板、中子计数管、控制棒插入管、护罩和上栅格板中的至少一个可在85％或更高的可利用率下使用30年或更长而无需任何更换。

核设备的控制棒驱动装置正在从普通液压传动型向能够精细调节的电机驱动型变化。新型的控制棒驱动装置使用导向滚轮，以便中空活塞可顺利移动。导向滚轮上作用的负荷要比有关现有技术控制棒所用导向滚轮所受负荷大很多，因而要求更高的耐磨性。

在这种滚轮中，磨损主要发生在滚轮的内周面和用于支承滚轮的固定销的外表面上。更具体来说，由于滚轮是在高温水中，无任何润滑的条件下，在销上滑动，因而由于滑轮和销之间的相对滑动会出现粘着磨损。在粘着磨损中，在接触部分因粘着产生的剪切应力形成在滑动表面附近的塑性流动层。由于反复滑动，部分塑性流动层最后破裂，分离成磨损粉末。因此，为了减少粘着磨损引起的损坏，必须使合金具有一定的硬度或强度以抑制接触部分的塑性变形。因此，滑动件是由一种合金制成的，在这种合金中，在基质中沉淀或弥散硬质相，以便通过调节合金的化学成分而增加强度。当硬度过度增加时，韧性减小因而耐冲击性减小，因此合金的化学成分必须适当调节。在有关现有技术的材料中的硬质相在抑制滑动表面的塑性变形和改善耐磨性方面是有效的；但是，在抑制对耐磨性最重要的粘着方面却并不有效。具体来说，形成有关现有技术的材料的硬质相的颗粒的尺寸较小，因此，形成硬质相的颗粒表面，由于塑性流动，容易被形成基础相的金属覆盖。这对抑制粘着有不利影响。另外，由于控制棒驱动机构中的导向滚轮是在高温水中长期使用的，因而导向滚轮所用材料还要求有极好的耐磨性。

有鉴于此，作出了本发明，也就是说，本发明的最重要的特征在于，硬质相的颗粒适于弥散在相对较软的基质中，硬质相颗粒的粒度大得足以使其不能完全地被塑性流所覆盖。硬质相的粗颗粒不仅抑制了塑性流动，而且也防止了粘着，这是由于它们暴露于磨损表面，因而不会因塑性流动而被软基质完全覆盖。硬质相的粗颗粒被弥散的另一原因在于，部分滑动表面由于滑动而被配合材料磨损时，粗颗粒的暴露部分精细地破碎，致密地弥散在滑动表面上，然后，埋嵌在相对较软的基质中，其结果是使滑动表面比磨损之前更牢固。换言之，硬质相的粗颗粒在软基质中变为细颗粒而弥散，这产生了自动补偿作用，显著地改善了耐磨性。在这种情形中，由碳化物、氮化物或硼化物构成的硬质相粗颗粒的粒度，为了有助于抑制粘着，不致由于塑性流动被软基质所覆盖，必须为20μm或更大。一般来说，随着硬质相粗颗粒的粒度变大，抑制粘着的效果也增强。但是，当粒度大于100μm时，上述效果饱和而抗冲击性下降。硬质相的弥散量也是本发明很重要的因素。当硬质相以5Vol％或更高的量弥散在软基质中时，效果显著增强；而当其以30Vol％或更高的量弥散在基质中时，却使磨损量增加。因此，硬质相粗颗粒的弥散量最好在5至30Vol％的范围内。

在本发明的合金中的基础相要求具有足够软的硬度，以便使硬质相的细小的破碎颗粒可埋嵌在基础相中。选择它时必须考虑在高温水中的耐腐蚀性。因此上述基础相选择具有300Hv或更低硬度的含Cr镍基或铁基合金。当含Cr量低于15wt％时，在高温水中的耐腐蚀性不足；而当高于30wt％时却使韧性降低。因此，含Cr量应在15至30wt％的范围内，最好在20至25wt％的范围内。

C是加强基质的重要元素。但是为了保证软的基质，含C量应在0.05至0.005wt％的范围内，最好在0.03至0.005wt％的范围内。

Si是生产合金粉末使用的脱氧剂。含Si量应在低于1wt％的范围内，最好在0.05至0.5wt％的范围内。

Mn的效果与Si相同，含Mn量应在低于2wt％的范围内，最好在0.1至0.5wt％的范围内。另外，也可以不加Mn和Si。

为了增加抗氧化性和增强基质，以6％或更低的量添加Al。该元素最好添加在镍基合金中。

为了获得奥氏体不锈钢，以8至20wt％的量向铁基合金中添加Ni。含Fe量最好在8至13wt％的范围内。

硬颗粒以非沉淀或非结晶相的形式弥散在烧结合金中，其粒度大得足以在滑动表面与配合件滑动时能够破碎。具体来说，硬颗粒的平均粒度应在10至200μm的范围内，最好在20至100μm的范围内。硬颗粒可由非氧化物材料制成，这是由于其与基质的高粘附性的缘故，最好是由碳化物或氮化物制成。当硬颗粒的硬度过高时，其倾向于使相配合的材料加速磨损。因此，硬颗粒的硬度可在1000至2100Hv的范围内，最好在1000至1550Hv的范围内。

碳化物的具体实例包括B₄C(5000Hv)，SiC(4200Hv)，Tic(3200Hv)，ZrC(2800Hv)，VC(2100Hv)，NbC(2050Hv)，TaC(1550Hv)，Cr₃C₂(1300Hv)，Mo₂C(1500Hv)和WC(1780Hv)。在上述碳化物中，推荐使用硬度高于Vc(2100Hv)的那些。氮化物的具体实例包括Si₃N₄，AlN和Cr₃N₂，硼化物的具体实例包括TiB₂(3370Hv)，ZrB₂(2300Hv)，VB₂(2070Hv)，CrB₂(1800Hv)和NbB₂(2200Hv)。硅化物的具体实例包括TiSi₂(870Hv)，ZrSi(1125Hv)，Vsi₂(1090Hv)，Nb₅Si₂(1050Hv)，TaSi₂(1563Hv)，Cr₃Si₂(1280Hv)，MoSi₂(1290Hv)和WSi₂(1090Hv)。

铁基烧结合金最好包括具有一种不锈钢成分的基质，所述不锈钢成分包括0.05wt％或更低的C，1wt％或更低的Si，2wt％更低的Ma，15至30wt％的Cr，以及18至20wt％的Ni，硬颗粒以5至30Vol％的量加入上述基质中。每种元素的含量最好都在上述规定范围内。

镍基绕结合金最好包括一种基质，其成分含有0.05wt％或更低的C，1wt％或更低的Si，2wt％或更低的Mn，以及15至30wt％的Cr，硬颗粒以5至30Vol％的量加入上述基质中。另外，形成基质的合金还含有Al，其含量在上面规定的范围内。

按照本发明的护罩管、隔件和通道箱中的每一种(其用在平均燃耗为45GWd/t或更高的条件中)最好由Zr基合金制成，该合金的成分含有规定量的下述元素。水棒也由本发明的Zr基合金制成；但是它可由锆合金2制成。

在锆基合金中，当含Sn量为1wt％或更低时，合金没有足够的耐腐蚀性和强度。另一方面，当含Sn量高于2wt％时，效果饱和，可机加工性却下降。因此，含Sn量规定为1至2wt％的范围，最好为1.2至1.7wt％。

在Zr基合金中，为了增加耐腐蚀性和抗吸收氢的性能，必须以0.02wt％更高的量添加Fe。但是，当含Fe量高于0.55wt％时，效果饱和，可机加工性却下降。因此，含Fe量规定在0.55wt％或更低的范围内，最好在0.22至0.30wt％的范围内。

在Zr基合金中，为了显著增加耐腐蚀性，以0.03wt％或0.03wt％以上的少量添加Ni；但是，这会加速氢吸收，导致脆变。因此，含Ni量规定在0.16wt％或更低的范围内，最好在0.05至0.10wt％的范围内。

本发明的Zr基合金的含Cr量为0.05至0.15wt％。添加0.05wt％或更多的Cr是提高耐腐蚀性和强度的需要；但是，当含Cr量高于0.15wt％时，可机加工性下降。因此，含Cr量规定在0.05至0.15wt％的范围内。

用作本发明燃料组件的Zr基合金可以是锆合金2(Sn：1.2-1.7wt％，Fe：0.07-0.20wt％，Cr：0.05-0.15wt％，Ni：0.03-0.08wt％，其余基本为Zr)或锆合金4(Sn：1.2-1.7wt％，Fe：0.18-0.24wt％，Ni：0.007wt％，其余基本为Zr)。使用锆合金2或锆合金4的燃料组件是在下述条件下使用的：平均燃耗为45GWd/t或更低，结合使用本发明的锆基合金制成的上述护罩管，隔件和通道箱。

本发明的护罩管最好由下述方法制成，在这种方法中，在最后的热加工之后，Zr基合金从形成(α＋β)相或β相的温度范围迅速被冷却，然后反复承受冷作和退火。具体来说，从形成(α＋β)相的温度范围的迅速冷却，其冷塑性加工的可加工性高于从形成β相的温度范围的迅速冷却。

在最终的热塑性加工之后，最好在最初的冷塑性加工之前，合金可承受从形成(α＋β)相或β相的温度范围的迅速冷却，直至最后的冷塑性加工。

形成(α＋β)相的温度在790至950℃的范围内，形成β相的温度在950至1100℃的范围内。从上述温度的迅速冷却最好使用流动的水或雾化水进行。

具体来说，上述迅速冷却可以在最初的冷塑性加工之前进行，在这种情形中，可从管材的外周通过高频加热法而局部加热，使水流入管材中。

因此，管的内表面不被淬火，因而其塑性高，而管的外表面侧被淬火，因而其耐腐蚀性和氢吸收系数高。为形成(α＋β)相而对管材的加热最好在主要形成β相的温度下进行。α相并不被迅速冷却改变，并具有低硬度和高塑性；而β相通过迅速冷却形成具有高硬度的针状相，在冷塑性加工中可加工性低。另一方面，即使以小量混合有α相的β相却表现出在冷塑性加工中的高可加工性和低的耐腐蚀性和氢吸收系数。

在以80至95％的面积比形成β相的温度下加热管材，并从该温度使管材迅速冷却是理想的。加热是在短时间内进行的，例如在5分钟以内的范围内，最好在5秒至1分钟的范围内。长时间加热是不利的，这是因为会生成结晶颗粒，也会生成沉淀，从而降低耐腐蚀性。

在冷加工后的退火温度可在500至700℃的范围内，最好在550至640℃的范围内。 640℃或640℃以下的退火温度可有效地得到耐腐蚀性高的材料。为退火而进行的加热最好在Ar气氛中或在高度真空中进行。真空度最好在10^-4至10^-5乇的范围内。合金的表面最好基本不形成氧化膜并具有无色金属光泽。退火时间最好在1至5小时的范围内。

在控制棒驱动装置中的滑动件可以使用按照本发明的不含钴的耐磨合金。在这种情形中，由于合金消除了在高温高压反应堆水中的钴溶脱，因而可以抑制由于生成放射性造成的照射剂量。由于这种合金的耐磨性优于钨铬钴合金，使用这种合金的滑动件因磨损的尺寸变化小，从而可以精确地驱动。另外，由于使用这种合金的滑动件耐腐性和抗冲击性极好，因而可保证长期运转的可靠性或在紧急情况下的高速传动。

附图的简要说明：

图1是控制棒驱动装置的剖视图。

图2是表示磨损量和碳化物粒度间关系的曲线图。

图3是表示磨损量和碳化物含量之间关系的曲线图。

图4是表示磨损量和维氏硬度之间关系的曲线图。

图5是核反应堆的局部剖视图。

图6是销和滚轮的剖视图。

图7是销和滚轮的剖视图。

图8是销和滚轮的剖视图。

图9是销和滚轮的剖视图。

图10是销和滚轮的剖视图。

图11(A)至11(D)是表示控制棒驱动装置、燃料组件和控制棒装配的视图。

图12是燃料组件的剖视图。

图中标号1，54代表控制棒，2代表高压容器，3代表电机，4代表中空活塞，5代表控制棒导管，6代表壳体，7代表驱动活塞，8代表水插入管络，9代表活塞驱动螺杆，10代表水压驱动活塞，11代表控制棒驱动机构，12代表芯部支承板，13，21代表燃料棒，14代表燃料架，15，24代表通道箱，16代表滚轮，17代表销，18代表压紧销，27代表隔件，75代表控制棒导管。

实施例1

表1表示承受滑动磨损试验的烧结滚轮所用合金粉末的化学。成分试样A1至A6是含铬量不同的镍合金粉末，试样A7至A12是含铝量不同的镍合金粉末。每种合金粉末是通过雾化制成的，平均粒度约为15μm。这种合金粉末与碳化物颗粒或氮化物颗粒混合。在这种混合中，碳化物颗粒或氮化物颗粒的粒度被改变，碳化物颗粒或氮化物颗粒的含量也被改变。然后，在真空中，通过在1200℃左右的电加热与热压相结合烧结混合的粉末以制成滚轮材料。这样制得的滚轮材料机加工成适当的尺寸(外径：17mm，内径：5.5mm，宽度：7.5mm)。另外，烧结体的空隙比为大约1％。

表2表示用于滑动磨损试验的配合的销材料的化学成分(wt％)。常压熔化制成的锭热轨成棒，然后承受30％压下率的冷加工。所得的棒机加工成直径为5.5mm的销。另外，每个滚轮在烧结成的状态下承受滑动磨损试验，烧结的滚轮的平均结晶粒度为30μm。

为了与本发明的合金作对比，使用了市售的钴基合金，钨铬钴合金#3(用于滚轮)和Heinze#25(用于销)。

滑动磨损试验通过下述方法进行，在这种方法中，将滚轮和插在滚轮中的销装在试验机上，在模拟核反应堆工作条件的环境中，即在288℃高温的水中，滚轮通过销以10kg的负荷压在不锈钢(SUS316L)制成的转子上。

表3表示对于一烧结试样的在碳化物颗粒的粒度和磨损量之间的关系，在上述试样中，Cr₃C₂(碳化铬)粉末用于形成硬质相，含20wt％的Cr的镍合金粉末(表1中的试样A3号)用于形成基础相。磨损试验对各试样重复进行，在各试样中碳化铬的粒度是不同的。在这种情形中，碳化物颗粒的含量规定为10Vol％。磨损试验的条件如下：滑动速度为0.03cm/s，滑动距离为10km。另外，磨损量是以每1km的重量减少来表示的，如表3所示，当碳化铬的粒度大于20-30μm时，滚轮和销的磨损量显著减小，具体来说，比有关现有技术的钴基合金的磨损量小许多。另一方面，当碳化铬的粒度大于100μm时，滚轮和销的磨损量都稍有增加。因此，碳化铬的粒度最好在20至100μm的范围内。

图2是表示碳化物颗粒的粒度和磨损量之间关系的曲线图。如该图所示，含有粒度为15至120μm的碳化物颗粒的烧结体制成的滚轮表现出高的耐磨性。另一方面，对于销来说，随碳化物颗粒的粒度增加，磨损量变大，特别是当平均粒度超过50μm时，其较为迅速地变大。具体来说，这说明，使滚轮和销两者的磨损量较小的碳化物颗粒的粒度在15至80μm范围内，最好在20至60μm的范围内。

一种烧结体包括具有奥氏体不锈钢成分(示于表3)的基础相和弥散在基础相中的碳化铬，对于由这种烧结体制成的滚轮和销来说，当碳化物颗粒的粒度小于5μm时，磨损量大，当粒度在10至100μm范围内时，磨损量小，而当粒度大于100μm时，磨损量再次变大。

表4表示磨损试验的结果，试验方式与上述方式相同，不同之处在于硬质相是由氮化铬构成的，其粒度有所变化。在这种情形中，当氮化物颗粒的粒度在20至100μm范围内时，磨损量变小，即，耐磨性优于有关现有技术的钴基合金。从表4可以看出，对于含氮化铬颗粒的烧结体来说，氮化物颗粒的粒度和磨损量之间的关系类似于含碳化铬颗粒的烧结体的情况。

都含有碳化铬颗粒或氮化铬颗粒的滚轮和销的总磨损量小于有关现有技术的钴基合金制成的滚轮和销的总磨损量。在这种情形中，碳化铬颗粒的粒度最好在150μm的范围内。

表5表示对于一种烧结体的，在碳化铬颗粒混合比和磨损量之间的关系，这种烧结体使用镍合金粉末(A3)和粒度为20至30μm的碳化铬粉末的混合粉末。表3中的数据绘制在图3中。从表5和图3可以看出，当混合比为3Vol％或更低时，粗碳化物颗粒的添加效果不足；当混合比大于30Vol％时，因碳化物颗粒含量过大，磨损量增加。因此，碳化铬颗粒的混合比可以在5至30％Vol％的范围内，推荐在5至25Vol％的范围内，最好在5至20Vol％的范围内。

表6表示在基础相的硬度和磨损量之间的关系。表6中的数据绘制在图4中。制备添加了6wt％或更少的Al的具有镍合成成分(A3)的雾化粉末，其与粒度为20至30μm的碳化铬粉末以10Vol％的混合比混合。烧结混合的粉末，然后在1100℃的温度下承受固溶热处理。这样制得的烧结体进一步承受750℃的时效处理，改变Ni₃Al的沉淀量以改变基础相的硬度。从表6和图4可以看出，当基础相的硬度小至大约200Hv时，磨损量小；当其高于300Hv时，磨损量变大。一般来说，合金的磨损量随合金硬度的增加而减小(HOLM定律)。但是，由于粗碳化物颗粒的独特作用，上述关系与一般磨损定律相反。通过在磨损试验后，对滚轮磨损部分的细致观察，认识到只有含软基础相的烧结体，碳化铬颗粒才可细小地破碎并埋嵌在磨损表面中。另一方面，对于含有300Hv或更高硬度的基础相的烧结体来说，被摩擦滑动细小粉碎的碳化物颗粒留在滑动表面上起到研磨颗粒的作用，使磨损量增加。

表7表示在含有8ppm溶解氧的高温水(288℃)中存留3000小时的烧结合金的腐蚀减少。在这个试验中，含Cr量为15wt％或更高的本发明的烧结合金表现出小于钨铬钴合金的腐蚀减少。当含Cr量高于30％时，对腐蚀减少的效果饱和。

表8表示通过Sharpy冲击试验检测本发明滚轮材料的韧性的结果。本发明的滚轮材料的冲击值比钨铬钴合金高得多。实施例2

图5是沸水反应堆芯部的局部剖视图。

本实施例的反应堆在286℃的蒸汽温度和70.7大气压的蒸汽压力下运转，它可输出500、800和1100Mw的功率。在该反应堆中，芯部包括中心源管51，芯部支承板52，中子计数管53，控制棒54，芯部护罩55，上栅格板56，燃料组件57，设有端板的喷嘴58，通气喷嘴59，高压容器盖60，凸缘61，测量喷嘴62，蒸汽分离器63，护罩头部64，给水进口喷嘴65，喷射泵66，蒸汽干燥器68，蒸汽出口喷嘴69，给水晶石瓶70，芯部喷射的喷嘴71，下芯部栅格72，再循环水的进口喷嘴73，缓冲板74和控制棒导管75。

上述上部栅格板56具有圈桶21、凸缘22和栅格板35，每个都是由多晶不锈钢(SUS316)的轧制板形成的。栅格板35只是相交而并不相互固定。芯部支承板52也是由多晶不锈钢(SUS316)的一块轧制板形成的，它具有用于安装燃料架的孔并在其圆周面固定在反应堆容器上。因此，上部栅格板56和芯部支承板52中的每一个在接受中子辐射的中部没有任何焊接部分。

图1是控制棒驱动机构的剖视图，通过电机可对该机构作精细调节。用于控制棒驱动机构的，本发明的滚轮是通过烧结一种混合粉末制成的，混合粉末是由含Cr量25wt％的镍合金粉末(表1中的试样A4)和混合比为10Vol％的粒度为20-30μm的碳化铬(Cr₃C₂)按与实施例1相同的方式混合而成的。表2所示的销也是按与实施例1相同的方式制成的。这样，使32组上述滚轮和销在模拟反应堆的环境下，即，在高温的循环水中承受负荷驱动试验，相应于实际负荷驱动40年。因此，每个滚轮和销表现出磨损造成的尺寸变化，其小得足以满足设计要求，并且没有在紧急仃堆驱动中的冲击负荷引起的破坏。

在本实施例中的控制棒驱动机构中，控制棒1是通过中空活塞4由驱动活塞7竖直驱动的，活塞7是借助由电机3转动的活塞驱动螺杆9移动的。控制棒驱动机构被焊接在高压容器2上。控制棒1在控制棒导管5中被驱动。在紧急情况中借助从水插入管路8插入水，液压驱动活塞10用于快速升起控制杆1，这是与驱动活塞7分离的。具体来说，控制棒驱动机构的每一个与高温水相接触的零件都是由不锈钢(SUS316L)制成的。控制棒1具有靠其自重下落的结构。

在本实施例中一组滚轮和销设置在壳体6中的中空活塞4和每根管之间的每个部分A至H上，以便使中空活塞4顺利移动。部分A是缓冲部分。四件缓冲部分A上下两侧分别间隔90°。部分B是止动活塞部分；部分C是主轴头部部分，部分D是滚珠螺杆上部；部分E是制动销支承部分；部分F是制动销外表面部分，部分G是中空活塞/滚珠螺母部分。关于每个部分A至G，上、下侧各设置4件。部分H是中间凸缘部分，沿圆周设置中间凸缘部分的6个构件。每个部分使用的滚轮和销的形状如下所述。

图6的剖视图表示设在部分A的滚轮16和插在该轮16中的销17。压紧销18限制销17的转动。销17具有一个大直径部分、一个中直径部分和一个小直径部分。滚轮16具有一个厚度大的内圆周部分(销插入部分)和一个厚度较小的外圆周部分。

图7的剖视图表示一个设在部C的外侧的滚轮16和一个插在滚轮16中的销17。图8的剖视图表示一滚轮16，其剖面具有类似椭圆的形状，设在部分C的内侧，还表示一个插在滚轮16中的销17。具有类似于图6所示结构的一组滚轮和销设置在部分D，其中，销17具有大直径的头部，其一直延伸至滚轮的销插入部分的，与头部相对的表面。

图9表示一组设在部分G上的滚轮16和销17，图10表示设在部分H上的滚轮16和销17。前者使用滚珠螺母滚轮/销，其中，销17具有一个呈圆锥形的前端和一个头部，头部的直径稍大于滚轮的销插入部分的直径。

图11(A)至11(D)表示由控制杆驱动机构11驱动的控制棒1，燃料组件(A)和(B)，中心燃料支架14和芯部支承板12的组装。图11(A)表示无柄的燃料组件布置在图11(C)中的部分“b”上；图11(B)表示有柄燃料组件布置在图11(C)的位置“a”处。使支承燃料组件的支架14与芯部支承板12接触并固定在其上。

本实施例中控制棒1的护罩、B4C管或Hf管使用表1中所示的5号合金，每个BC4和Hf管是通过反复冷轧和退火使用皮尔格式轧机热轧的原料管而制成的。护罩是通过反复冷轧并退火一块原料板，并将该板焊成护罩而制成的。

图12的剖视图表示用于沸水反应堆的本发明的燃料组件。

如图12所示，BWR燃料组件包括多个燃料棒21，用于以规定间隔固定燃料棒的多级隔件27，用于装入它们的方管形通道箱24，用于固定燃料棒21的两端的上系板25和下系板26(每根燃料棒都有盛在燃料罩中的燃料丸)，设在隔件中心的水棒22，以及用于搬运整个燃料组件的柄部31。另外，燃料组件是按照公知方法制造的。

通道箱24内装由隔件27连为整体的燃料棒和水棒22，通道箱借助水棒22固定在上系板25和下系板26上。通道箱24是通过等离子焊接将两U形板(长4m；厚80，100，120mm)相连而形成方管形。在设备运转时，通道箱24用于修正在燃料棒的表面上生成的蒸汽和在燃料棒之间流动的高温水，迫使其向上流动。由于内部压力稍高于外部压力，通道箱24长期在一种受到使方形管向外扩张的应力的状态下工作。

在本发明的燃料组件中，三件水棒相对于隔件中心对称设置，每件的两端用螺钉固定在系板上，通道箱24借助螺钉固定在上系板25上。因此，使用柄部31可以整体地搬运燃料组件。在本实施例中，每个燃料棒并不固定在系板上。

通道箱最好承受上面描述的热处理，使板厚方向(结晶方向＜0001＞)的定向比(Fr值)在0.25至0.6的范围内；在纵向上的定向比(Fl)在0.25至0.4的范围内；在侧向上的定向比(Ft)在0.25至0.4的范围内。 Fr最好在0.25至0.5的范围内；Fl最好在0.25至0.36的范围内；Ft最好在0.25至0.36的范围内。由于热处理形成的上述结晶定向，使βZr结晶的平均粒度在50至300μm的范围内(最好在100至200μm范围内)。这可有效地显著防止由于照射引起的伸长，消除弯曲的形成，从而防止通道箱和控制棒之间的干涉。因此，通道箱甚至可以毫无问题地用在燃耗为45GWd/t以上的条件下或用在被设置在靠近圆周的情形中。另外，更换燃料，通道箱可以适用于32GWd/t的燃耗。

具体来说，对于具有0.67的Fr，0.11的Fl和0.22的Fr的有关现有技术的通道箱材料来说，在最外周的弯曲是每年0.9mm(燃耗：8GWd/t)，而对于0.6的Fr来说，它变为0.8mm；对0.5的Fr来说，它变为0.45mm；对于0.4的Fr来说，它变为0.15mm。因此，对于45GWd/t的燃耗来说，具有0.67的Fr的有关现有技术的材料不能防止控制棒受到一年中外周处产生的弯曲的干涉，也不能防止控制棒在4.5年中在中心部分产生的弯曲的干涉。另一方面，对于具有0.6的Fr的材料来说，甚至可以防止受到一年中在最外周上产生的弯曲的干涉。甚至也可以防止受到4.5年中在中心部分产生的弯曲的干涉。对于具有0.5的Fr的材料来说，甚至可以防止受到4年中在最外周上产生的弯曲的干涉，甚至也可以防止受到1.5年中在中心部分产生的弯曲的干涉。另外，对于具有0.4或更小的Fr的材料来说，甚至可以安全防止受到5.5年中在最外周上产生的弯曲的干涉。

通道箱是由下述步骤制成的，这些步骤包括准备一块由表9中所表示的Zr基合金制成的板，将板冷弯曲成长度为4m的U形件，以及通过激光或等离子焊接将两个U形件连接起来以得到方形管12。在焊接部分的不规则形状要弄平。通过高频感应加热法将方形管在形成β相的温度范围内加热，然后，从设在高频感应加热线圈正下面的喷嘴喷射冷却水迅速将其冷却。以规定的速度使方形管从上到下通过加热线圈，从而全部完成热处理。方形管的送进速度和高频功率输出的设定，应使加热温度为1100℃，使在980℃上的保温时间为10秒或10秒以上。方形管可在1000至1200℃的范围内加热，最好可在1050至1100℃的温度范围内保持3至10秒的时间。在热处理之后，方形管被切成每个具有一定尺寸(宽：40mm，长：40mm)的试件，以便测量F值。结果表示在表10中。热处理(P)是1.96。热处理是将方形管两端用螺钉固定在心轴18上进行的，心轴18是用奥氏体不锈钢制成的。从表10可以看出，对于(0002)表面(六方形柱的底面)和(1010)表面(六方形柱的侧面)来说，每个Fr，Fl和Ft变为大至1/3，这表现出完全随机的结晶定向β锆晶粒的平均粒度大约为100μm。在热处理之后，以高的尺寸精度形成方形管，随后进行喷砂和酸洗以除去表面氧化膜，然后在除去表面氧化膜后用蒸汽进行压热处理。

虽然上述通道箱具有不变的壁厚，但是也可使用通道箱的另一实例，其中，角部厚于侧部，上侧部薄于下侧部(纵向厚度分布)。具有这种厚度分布的通道箱的形成是在热处理之后通过化学腐蚀或机加工进行的，化学腐蚀是在作遮蔽后用氢氟酸和硝酸的混合溶液进行的。在本实施例中，通道箱的外侧面是凹进的；然而内侧面可以是凹进的。

具上述结构的沸水堆(BWR)发电站的主要规格表示在表11中。在本实施例中，每个零件无需更换地可使用30年，如进行定期检查，可无需更换地使用40年。反应堆的温度为288℃；定期检查是在运转12个月后，每50个月或更短时间重复进行一次，更好的是每40个月或更短时间重复一次，最好是每30天重复进行一次；可利用率为85％或更高，更好是为90％或更高，最好是92％或更高；热效率为35％。实施例3

在本实施例中，与实施例2相同的燃料组件和控制棒驱动机构应用在改进型沸水堆(ABWR)中。

反应堆高压容器是核反应堆发电站的关键设备。特别是在改进型沸水堆中，装有一个内部泵的喷嘴部分最好是套筒式的，从而使反应堆高压容器中产生的温度和压力变化不会对内部泵的转动功能产生任何影响，并使向电机组件的热传递变小。

芯内结构(In-core structure)减小了内部泵流化对振动的影响。芯部流动速率的测量是以高精度进行的，再加上考虑到内部泵的局部工作状态而进行的试验检查。在汽轮机中流动的蒸汽的流动速率是使用设置在反应堆高压容器的主蒸汽喷嘴部分中的文丘里结构以高精度进行的。反应堆高压容器(RPV)构成冷却剂的压力边界，它也具有容纳和固定芯内结构的作用。

普通的反应堆高压容器具有大约6.4m的内径，容纳764件燃料组件，一个喷射泵及结构。另一方面，在改进型沸水堆中，反应堆高压容器具有大约7.1m的内径，容纳872件燃料组件，保证了内部泵的工作空间。另外，虽然有关现有技术的反应堆高压容器具有大约22m的内部高度，但是在改进型沸水堆内的反应堆高压容器在下述因素(a)至(d)的基础上却具有大约21m的内部高度。

(a)由于采用了高效蒸汽分离器，缩短了竖管的长度。

(b)由采用了FMCRD，无需设置用于限制控制棒下落速度的限制器。

(c)由于上盖/主凸缘结构的变化而降低了上盖的高度。

(d)降低了下端板的盘形高度。

由于采用了内部泵，下端板的形状可以从传统的半球形改变成盘形，从而保证内部泵在高压容器下部安装所需的空间，又考虑到了冷却水的循环通路。另外，内部泵是整体锻成的以减少焊接部件的数目。

支承板设计成具有一个圆锥形桶以保证处置内部泵和在支座中设置热交换器所需的空间。

设置内部泵可不必设置有关现有技术的设备中的冷却剂循环进/出喷嘴，因而在圆桶芯区下部不必再设置大直径的喷嘴。因此，无需顾虑象冷却剂损失那样的大事故。

在普通的设备中，在伸至主蒸汽管上的分离阀的尾部设置流动速率限制器；但是，在本实施例中，流动速率限制器设置在主蒸汽喷嘴上，使主蒸汽管路破裂的安全保障得到改善并使壳内空间最佳化。

在表11中表示出在实施例2中芯内结构各项目在改进型沸水堆和沸水堆之间的比较。

在反应堆高压容器中的堆芯内结构的主要功能是支承堆芯，形成冷却剂通路，以及使堆内产生的热水和蒸汽相互分离；另外它们也要求足够的安全性和可靠性，例如，在假想事故下冷却水堆芯水喷射通路的保留。

表12表示关于改进型沸水堆发电站和沸水堆发电站的蒸汽轮机和发电机的基本规格。从表12可以看出，改进型沸水堆发电站是从沸水堆发电站改进的高效率发电站，例如，反应堆热功率(提高19.2％)和在50Hz时的电输出功率(提高23.3％)。

在本实施例中，可以获得可以和实施例2相比拟的使用寿命，例行检查期、可利用率和热效率。

                          表1

                                                                      (滚轮)

  试样    C    Si    Mn     Ni     Cr    Fe   Al  A1    0.02    0.5    0.5    余额    9.5     -    -  A2    0.02    0.5    0.5    余额    15.2     -    -  A3    0.02    0.5    0.5    余额    20.7     -    -  A4    0.02    0.5    0.5    余额    25.5     -    -  A5    0.02    0.5    0.5    余额    30.5     -    -  A6    0.02    0.5    0.5    余额    35.5     -    -  A7    0.02    0.5    0.5    余额    20.5     -    0.9  A8    0.02    0.5    0.5    余额    20.5     -    1.9  A9    0.02    0.5    0.5    余额    20.5     -    2.9  A10    0.02    0.5    0.5    余额    20.5     -    4.1  A11    0.02    0.5    0.5    余额    20.5     -    5.0  A12    0.02    0.5    0.5    余额    20.5     -    5.9  B1    0.03    0.5    0.5    余额    10.2    余额    -  B2    0.03    0.5    0.5    余额    14.9    余额    -  B3    0.03    0.5    0.5    余额    20.0    余额    -  B4    0.03    0.5    0.5    余额    25.2    余额    -  B5    0.03    0.5    0.5    余额    30.5    余额    -  B6    0.03    0.5    0.5    余额    30.5    余额    -

                                     表2

                                                                    (销)

  C  Si  Mn  Ni  Fe  Cr  V  C1  0.75  3.5  8.1  8.3  余额  18.1  3.0

                               表3

编号      滚轮材料销材料          磨损量  基质合  金粉末  碳化物  粒度滚轮  销总量  1    A31或更小  C1  15.3  0.5  15.8  2    A3  1～5  C1  10.2  0.8  11.0  3    A3  5～10  C1  8.5  1.2  9.7  4    A3 20～30  C1  1.8  1.5  3.3  5    A3 40～60  C1  1.9  2.1  4.0  6    A3 80～100  C1  2.6  4.5  7.1  7    A3110～130  C1  3.7  6.3  10.0  8    B3 5或更小  C1  11.5  1.2  12.7  9    B3  5～10  C1  8.3  1.1  9.4  10    B3 20～30  C1  3.0  1.5  4.5  11    B3 40～60  C1  2.5  2.2  4.7  12    B3110～130  C1  3.1  4.8  7.9  13钨铬钴合金#3   - Heinz e#25  6.5  2.1  8.6

                           表4

 No.        滚轮材料销材料           磨损量  基质合  金粉末  氮化物  粒度  滚轮  销  总量  1    A31或更小  C1  16.3  0.6  16.9  2    A3  1～5  C1  12.8  1.0  13.8  3    A3  5～10  C1  10.2  1.2  11.4  4    A3 20～30  C1  4.5  1.8  6.3  5    A3 40～60  C1  3.8  2.6  6.4  6    A3 80～100  C1  3.6  4.1  7.7  7    A3110～130  C1  4.6  7.0  11.6  8    B35或更小  C1  11.8  1.2  13.0  9    B3  5～10  C1  10.2  1.0  11.2  10    B3 20～30  C1  4.3  1.0  5.3  11    B3 40～60  C1  3.7  2.5  6.2  12    B3110～130  C1  4.4  4.5  8.9  13钨铬钴合金#3    - Heinz e#25  6.5  2.1  8.6

                        表5

滚轮材料中碳化物  体积比    (％)                磨损              (mg/km)  滚轮  销  总量  1    0  15.3  0.5  15.8  2    2  10.8  0.5  11.3  3    5  3.2  1.1  4.3  4    10  1.8  1.5  3.3  5    15  1.5  1.8  3.3  6    20  1.9  2.2  4.1  7    25  2.9  2.8  5.7  8    30  5.5  5.6  11.1

                                表6

 Ni合金粉末中的含  Al量  (wt％)  热处理  后基质 合金的硬 度(Hv)            磨损           (mg/km)  滚轮  销  总量  1    0    185  1.8  1.5  3.3  2    2    237  1.8  1.7  3.5  3    5    286  2.5  2.0  4.5  4    10    321  4.3  3.6  7.9  5    15    352  5.1  3.8  8.9  6    20    385  6.4  5.1  11.5  7    25    415  7.6  6.5  14.1

                           表7

 编号  Ni合金粉末中    的含Cr量    (wt％)  高温水中滚轮材  料的腐蚀减少    (mg/cm²)  1    5    3.2  2    10    1.9  3    15    0.8  4    20    0.6  5    25    0.5  6    30    0.5  7  钨铬钴合金#3    1.2

                        表8

   滚轮材料   硬质相硬质相颗  粒粒度  (μm)   体积比V形缺口却贝冲击值(kg-m/ cm²)A3(Ni-基)  碳化铬  20～30    10    2.5B3(FE-基)  氮化铬  20～30    10    1.7钨铬钴合金#3    0.2

                               表9

  No.                          合金成分  Sn  Fe  Cr  Ni  O  Zr  1  1.50  0.21  0.10   -  0.12  bal.  2  1.50  0.15  0.10  0.10  0.12  bal.  3  1.50  0.25  0.10  0.10  0.12  bal

                            表10

 热处理          (0001)表面          (1010)表面  Fr  Fl  Ft  Fr  Fl  Ft 100℃/  10s 0.333 0.333 0.334 0.333 0.334 0.333

                              表11

    项目    改进型沸木堆    沸水堆    电输出    1350Mw    1100Mw    反应堆热输出    3926MW    3293MW     堆内压力    7.17Mpa    (73.1kgf    /cm²)(abs)    7.03MPa    (71.7kgf/cm²)    (abs)    主蒸汽流动速率    7480t/h    6410t/h    给水温度    215℃    215℃    额定堆芯流动速率    52×10⁶kg/h    48×10⁶kg/h    燃料组件数目    872件    764件    控制棒数目    205件    185件    堆芯平均输出密度    50.5KW/l    50.0KW/l    反应堆高    压容器内径    7.1m    6.4m高度    21.0m    22.2m    反应堆循环类型    (泵的数目)    内部泵(10)   外部循环泵(2)    喷射泵(20)控制棒驱动    类型  正常    电精密调节型    液压驱动型紧急仃堆    液压驱动型    液压驱动型  紧急情况下的堆芯    冷却系统自动减压型，高压型  (三线路)低压型    (三线路)  自动减压型，高压型  (一线路)低压型    (四线路)  仃堆时的冷却系统    三线路    两线路  反应堆容器类型    钢筋混凝土村    钢制自支承型    汽轮机类型    型(两级再热)    (非再热)    蒸汽分离器双管，三级型×349件三管，二级型×225件给水晶石瓶，热套筒  焊接式双热套筒    焊接式热套筒堆芯的高压喷水晶石瓶    喷水型    喷射型  低压喷水晶石瓶    落水喷射型    罩内喷射型    上栅格板    整体机加工型    栅格板装配型    芯部支承板    横向加固梁    平行加固梁    芯内稳定器二级，护罩上的支架  一级无罩上支架    控制棒    无限速器    插入连接式    限速器  设有铲式连接类型    护罩支腿高度：21.7英寸10件(设置在内部泵之间)  高度：57.5英寸        12件  中子最大照射量  4～5×10²2n/cm²    1×10²2n/cm²    运转年数    30年或更长    30年或更长平均输出(可利用率)    85％或更高    85％或更高    运转期    12个月/1次    12个月/1次    运转年数    30年或更长    30年或更长

                         表12

            项目    ABWR    发电站      BWR发电站    A    B1.反应堆  额定热输出  3926MW  3293MW    3293MW  给水温度  215℃  215.5℃    215.5℃   2.汽轮机  类型  TC6F-52  TC6F-41    TC6F-43  额定电输出  1356MW  1100MW    1137MW  主蒸汽压力6.79MPa(abs) 6.65MPa(abs) 6.65MPa(abs)  转速    转/分    转/分    转/分  3.冷凝器  额定真空度5.07KPa(abs) 5.07KPa(abs) 5.07KPa(abs)  冷却管材料    钛    钛    钛  内部加热器  低压，四件  低压，四件  低压，四件4.去湿/加热装置  类型  二级再热型  非再热型  二级再热型5.主蒸汽系统  主蒸汽的引入  侧进口  前进口  前进口6.冷凝水输送  给水泵  2件，1件  2件，1件  2件，1件  加热器排水  泵送  级联  级联   7.发电机  类型  TFLQQ  ·KD  TFLQQ·  KD  TFLQQ·  KD  额定输出  1540MVA  1300MVA  1280MVA  电板数  4  4  4  功率因数  0.9  0.9  0.9

ABWR(改进型沸水堆)；BWR(沸水堆)

TDRFP(汽轮机驱动送料泵)；MDRFP(电机送料泵)