JP2010071868A

JP2010071868A - 使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法、その方法に用いられる溶加材及びその方法により製造された使用済核燃料貯蔵ラック

Info

Publication number: JP2010071868A
Application number: JP2008241012A
Authority: JP
Inventors: Shigeyoshi Iwakura; 成良岩倉; Toshihiro Otsuka; 敏弘大塚; Mitsuo Kato; 光雄加藤
Original assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-19
Also published as: JP4989597B2

Abstract

【課題】ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接継手性能を改善する。
【解決手段】ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接して製造する使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法において、溶接に用いる溶加材が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：９．０〜１２．０質量％（又は、Ｎｉ：１２．０〜１５．０質量％）、Ｃｒ：１９．５〜２３．５質量％（又は、Ｃｒ：２３．０〜２７．０質量％）、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下を含有し、残部不可避的不純物及びＦｅからなるものとし、溶接金属中のδフェライト量を４．８〜１５質量％にする。
【選択図】図２

Description

本発明は、使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法、その方法に用いられる溶加材及びその方法により製造された使用済核燃料貯蔵ラックに関する。

使用済核燃料貯蔵ラック（以下、適宜、燃料貯蔵ラックと略す。）は、原子力発電所で発電のために使用された使用済核燃料集合体を再処理工場に運び出すまでの間、使用済核燃料集合体を燃料貯蔵プール内に安全に貯蔵するために用いられる。

一方、限られた燃料貯蔵スペースの有効活用のため、燃料貯蔵容量の増加が望まれており、燃料貯蔵ラックの稠密化あるいは高集積化を図るため、中性子吸収能力の高い元素であるボロン（硼素）を含有させたオーステナイト系ステンレス鋼（以下、適宜、ボロン添加ステンレス鋼と略す。）を、中性子吸収材及び構造強度部材を兼ねる部材として使用して燃料貯蔵ラックを形成している。

例えば、特許文献１に記載の燃料貯蔵ラックは、複数の仕切板を格子状に組み立てて、その格子状の空間であるセルに使用済核燃料集合体（以下、適宜、燃料集合体という。）を収納するようにしている。また、特許文献２又は特許文献３に記載の燃料貯蔵ラックは、複数の角筒体を市松模様状に配列して、使用済核燃料集合体を収納する格子状のセルを形成している。これらの燃料貯蔵ラックは、ボロン添加ステンレス鋼を用いて形成されていることから、中性子に対する遮蔽効果に優れており、燃料貯蔵ラック内での燃料集合体の稠密化を行い、貯蔵容量の向上を行なうことができる。

また、燃料貯蔵ラックには、耐震性を満足する強度が求められることから、一般に、構成部材を溶接で強固に接合した構造物が用いられる。まず、特許文献１に記載の燃料貯蔵ラックの製造方法では、まず、長尺の仕切板を水平に置き、その長尺仕切板に複数の切り込み穴を形成し、その切り込み穴に短尺仕切板に形成した凸部を差し込んで、短尺仕切板を複数個垂直に取り付けて、各交点を下向きに隅肉溶接する。次いで、前記短尺仕切板の他方の凸部を別の長尺仕切板の切り込み穴に差し込み、この部分を溶加材（溶加棒又は溶加ワイヤ）により栓溶接し、これらの隅肉溶接及び栓溶接を繰り返して燃料貯蔵ラックを製造している。同様に、特許文献２又は３に記載の燃料貯蔵ラックの製造方法では、複数の角筒体を市松模様状に配列し、互いに隣接する２つの角筒体の対角方向の隣接角部間にクサビ状の接合用部材を設け、溶加材により接合用部材と角筒体の角部の両者を溶接接合する作業を繰り返して、燃料貯蔵ラックを製造している。

ところで、特許文献１〜３に記載の溶接に用いる溶加材ないし接合用部材には、オーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接では、δフェライト組織を含む溶加材が使用される。これは、溶接により形成される溶接金属の組織中のオーステナイト組織に、若干のδフェライト組織を含んだ状態にすることで、良好な溶接金属が得られ、また、溶接時の高温割れを防止できることからである。特に、δフェライト量が高い場合には、溶接収縮に伴う変形及び残留応力の減少などの効果が得られる。

そこで、ボロン添加ステンレス鋼の溶接においても、同様に、δフェライト量の高い溶接棒を用いるのがよいとされている。しかし、ボロン添加ステンレス鋼は難溶接材料であることから、特許文献４には、燃料貯蔵ラックを製造するにあたり、溶接部のフェライト量を考慮した溶接法、溶接条件を採用することが提案されている。

すなわち、同特許文献４によれば、ボロンが０.１〜１.５質量％添加されたオーステナイトステンレス鋼を溶接するに際し、溶接時の溶加材として、Ｃ：０.１質量％以下，Ｓｉ：０.０５〜０.６５質量％，Ｍｎ：１.０〜２.５質量％，Ｎｉ：８.０〜１０.５質量％，Ｃｒ：２８.０〜３２.０質量％，Ｍｏ：０.５質量％以下，Ｐ：０.０３質量％以下，Ｓ：０.０３質量％以下を含有し、残部不可避的不純物及びＦｅからなる２相ステンレス鋼を用いて溶接し、溶接金属のフェライト量を１５〜４０％とすることが記載されている。これによれば、溶接性に優れ、溶接時のそり，歪などによる変形，残留応力を極力抑えることが可能であり、溶接部に発生する高温割れの発生を防止し、高品質，高信頼の溶接部が得られるとともに貯蔵セル間の精度が保てられ、製造作業性に優れた高精度な使用済燃料貯蔵ラックの製造が可能となるとしている。

特許第３０２０６７５号特許第２５６８３１７号特許第３１４１４９１号特開２００７−２４６０９号公報

しかし、特許文献４に記載された溶接方法には改善の余地がある。

すなわち、ボロン添加ステンレス鋼に添加されるボロン（Ｂ）は、強力なオーステナイト生成元素であり、溶接時に母材から溶融したＢを含む溶接金属は優先的にオーステナイト組織になりやすい。このため、ボロン添加ステンレス鋼の溶接金属においてはδフェライト組織が減少し、完全オーステナイト組織を形成しやすい。そのため、燃料貯蔵ラックの溶接組立工程においては、残留応力の発生、歪みなどによる変形が大きくなり、燃料集合体を収納するセル間隔や組立寸法の精度が低下しやすくなる。

燃料貯蔵ラックの寸法精度を確保し、かつ品質を高めるためには、例えば、特許文献２、３の角筒体構造のラックあるいは長尺仕切板と短尺仕切板を用いた板構造のラックの場合は、角筒体あるいは板材を変形防止のために、拘束治具によって組立て架台に十分な拘束力で固定して、溶接組立時の寸法精度を維持する必要がある。しかし、変形を抑制するために必要な拘束力は大きく、しかも拘束力は作業者の経験に基いて設定されることが多いため、組立架台や拘束治具の消耗が速く、かつ組立準備にかかる時間が増加し、コストが大きくなるという問題がある。特に、燃料貯蔵ラックは溶接点数が多いから、溶接時のラック全体の熱変形が大きく、かつ溶接後の変形が予想しにくいので、溶接による熱変形の防止あるいは溶接割れ抑制等のために製造時間が長くなるという問題がある。

一方、ボロン添加ステンレス鋼に添加されるＢは、オーステナイト組織に１００ｐｐｍ程度しか固溶しないため、Ｂ添加量が多い場合には溶接金属の凝固時に、オーステナイト系ステンレス鋼に含まれる鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）等と反応し、Ｆｅ，Ｃｒ系のホウ化物（Ｆｅ，Ｃｒ）_２Ｂを形成する。このホウ化物は地金であるオーステナイト組織よりも低融点であるため、溶接金属の組織粒界に偏析する特徴があり、溶接時の高温割れの発生要因と考えられている。

このようなボロン添加ステンレス鋼の難溶接性のために、溶接による熱変形の防止や溶接割れ抑制等のために、溶接施工条件等の溶接施工管理及び検査精度を向上させることにより、溶接施工性を高め、製品品質を保持するようにしている。そのため、溶接作業者の作業負担及び製造工数が増加し、コストが増加するという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、中性子吸収材としてのボロン（Ｂ）を含有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接施工性を改善し、溶接作業者の負担を軽減でき、使用済燃料貯蔵ラックの高品質を確保することにある。

上記の課題を解決するため、鋭意研究したところ、次の述べる解決原理を知見した。

母材であるボロン添加ステンレス鋼の溶接部の高温割れ感受性を低く抑えるためには、ボロン添加ステンレス鋼のボロン添加量が例えば１．０質量％程度の場合、溶接金属のδフェライト量を４０質量％以下の範囲で適切な量となるようにコントロールするとともに、溶接継手部の強度とをバランスさせる必要がある。

そこで、本発明者らは、溶加材の組成成分について研究したところ、後述するように、最大割れ長さについてはクロム（Ｃｒ）の量の影響は少ないが、総割れ数及び総割れ長さはＣｒの量が大きく影響することを知見した。つまり、特許文献４のように、溶接金属のδフェライト量を１５〜４０質量％の範囲にコントロールしても、Ｃｒの量が高く（例えば、２８.０〜４０.０質量％）なると、総割れ数及び総割れ長さが急激に増加する。

これらの知見に鑑み、本発明は、中性子吸収材としてのボロン（Ｂ）を含有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接して製造する使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法において、前記溶接に用いる溶加材が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：９．０〜１２．０質量％、Ｃｒ：１９．５〜２３．５質量％、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下、残部不可避的不純物及びＦｅからなる材料を用いて溶接することを特徴とする。

これにより、溶接金属中のδフェライト量が４．８〜１５質量％になるが、高温割れの総割れ長さが溶接長さの１割以下程度しか生じないという良好な結果が得られた。つまり、高温割れを低減でき、かつ、後述するように、溶接金属の０．２％耐力、引張強さ、伸び等の機械的性質を母材と同等もしくは母材以上に保持できる溶接継手が得られた。その結果、ボロン添加ステンレス鋼の溶接作業性を改善し、溶接作業者の負担を軽減でき、使用済燃料貯蔵ラックの高品質を確保することができる。つまり、製作時の溶接条件管理、溶接部の検査等の管理を軽減でき、溶接工数及び溶接難易を低減することが可能になり、それらの管理及び検査等によらず、最適な溶接継手構造を得ることができる。

この場合において、溶接により形成される溶接金属中に、前記溶加材の組成に加えて、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有する前記ボロンの１０〜２０質量％が溶融する溶接条件で溶接することが好ましい。

また、本発明は、上記の溶化材のＮｉ及びＣｒの組成に代えて、Ｎｉ：１２．０〜１５．０質量％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０質量％の溶化材を用いることができる。この場合でも、溶接金属中のδフェライト量が４．８〜１５質量％になり、ボロン添加ステンレス鋼の溶接作業性を改善し、溶接作業者の負担を軽減でき、使用済燃料貯蔵ラックの高品質を確保することができる。

本発明の製造方法は、ボロンが０.１〜２．０質量％添加されたオーステナイトステンレス鋼を溶接する際に適用できるが、ボロンが１．０〜２．０質量％添加された高濃度のボロンが添加されたオーステナイトステンレス鋼に適用することが好ましい。

本発明の製造方法により製造された燃料貯蔵ラックの溶接部の溶接金属の組成は、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：９．０〜１２．０質量％（又は、Ｎｉ：１２．０〜１５．０質量％）、Ｃｒ：１９．５〜２３．５質量％（又は、Ｃｒ：２３．０〜２７．０質量％）、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下、残部不可避的不純物及びＦｅからなり、前記溶接金属中のδフェライト量が４．８〜１５質量％であることを特徴とする。これによれば、溶接継手の機械的強度に優れた燃料貯蔵ラックを実現できる。

また、本発明の燃料貯蔵ラックは、溶接金属中に、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有する前記ボロンの１０〜２０質量％を含有することが望ましい。

本発明によれば、中性子吸収材としてのボロン（Ｂ）を含有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接施工性を改善し、溶接作業者の負担を軽減でき、使用済燃料貯蔵ラックの高品質を確保することができる。

以下、本発明の使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法について、実施の形態及び溶加材の実施例に基いて説明する。

本実施形態の燃料貯蔵ラック１０は、図１に示すように、中性子吸収能力の高いボロン（Ｂ）が添加されたオーステナイト系ステンレス鋼のセル構成部材２０を用いて、使用済燃料集合体が収納される断面が矩形の複数の貯蔵セル３０が正方格子状に配列されるように、セル構成部材２０を溶接接合で一体化することにより形成される。本実施形態では、Ｂ添加量を１．０〜２．０質量％として説明するが、本発明はこれに限らず、Ｂ添加量が０．１〜２．０質量％の母材についても適用できる。

また、本実施形態により溶接して製造される燃料貯蔵ラックの溶接金属は、δフェライト量が４．８〜１５質量％含有することを特徴とする。すなわち、δフェライトを予め多量に含んだ溶化材を使用し、母材中のＢの溶融により完全フェライト組織化される溶接金属中のδフェライト組織の減少を抑制して、高温割れ抑制に有効な溶接金属中のδフェライト量を確保するものである。これに加えて、δフェライト組織を多く含んだ溶接金属では、冷却時の溶接収縮が緩和されるため、溶接後の残留応力や溶接変形を小さくすることも期待できる。

ここで、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接における高温割れは、溶接後の凝固過程において、凝固脆性温度領域内で割れ発生限度以上の変位が加わると発生することが知られている。そこで、高温割れの感受性評価として用いられるバレストレイン試験をボロン添加ステンレス鋼に対して実施し、溶接金属中のδフェライト量とバレストレイン試験の結果として得られる溶接金属部に生じた高温割れ長さの合計との関係を調べて、溶接継手性能及び施工性を確認した。

その結果、溶接金属の組成が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：１２．０〜１５．０質量％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０質量％、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下、残部不可避的不純物及びＦｅからなる、いわゆる高Ｃｒ，Ｎｉとすることにより、溶接金属中のδフェライト量が４．８〜１５質量％に減少しても、高温割れの総割れ長さが溶接長さの１割以下程度しか生じないという良好な結果が得られた。

なお、本発明の燃料貯蔵ラックの製造方法に適用する溶接方法は、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、プラズマ溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接のいずれかを用いることが好ましい。

以下、本実施形態に用いる溶接用の溶化材の材料組成について、実施例に基いて説明する。

一般に、オーステナイト系ステンレス鋼の溶接金属は、溶接割れ防止のために数％程度のδフェライトを含有することが望ましく、これはボロン添加ステンレス鋼についてもいえる。本実施例では、表１の母材の欄に示す化学組成を有するボロン添加ステンレス鋼について、実施例１、２及び比較例１、２の溶加材を用いて溶接を行い、それらの溶接金属についてバレストレイン試験（高温割れ確認試験）を実施した。表１に示すよう、母材であるボロン添加ステンレス鋼は、Ｂを１．０７質量％含有している。表１において、比較例１はオーステナイト系ステンレス鋼に用いられる一般的な溶加材の化学組成であり、実施例１、２は本発明の製造方法に用いた溶加材の化学組成であり、比較例２は実施例１、２に比べてＣｒの含有量が多い溶加材の化学組成である。

ここで、表１に示した実施例１、２の溶加材の化学組成について説明する。
［Ｃ：０．１質量％以下］
Ｃは、オーステナイト安定化元素であり、強度向上に寄与するため、含有量は０．１質量％以下が好ましい。さらに好ましくは、ボロン添加ステンレス鋼の溶接部及び溶加材のＣ量を極力抑え、耐応力腐食割れ性を維持するためには、含有量は０．０３質量％以下が望ましい。
［Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％］
Ｓｉは、脱酸剤として用いられる。ボロン添加ステンレス鋼の溶接部及び溶加材のＳｉ含有量は、０．０５〜０．６５質量％が望ましい。すなわち、Ｓｉ含有量が０．０５質量％未満だと溶接部の脱酸作用が低く、０．６５質量％を超えると耐食性及び靭性が劣化する。
［Ｍｎ：１．０〜２．５質量％］
Ｍｎは、溶接時に脱酸作用及び脱硫作用があり、高温割れに有害なＳを固定し、耐高温割れ性を抑制する効果がある。この効果を高めるためには、１．０質量％以上必要であり、Ｍｎ量が２．５質量％を超えると、溶接時の湯流れが悪くなり、作業性に問題が生じる。
［Ｐ：０．０３質量％以下］
Ｐは、低融点化合物を生成する元素であり、極力抑える必要があり、溶加材のＰ含有量を０．０３質量％以下とすることが好ましい。
［Ｓ：０．０３質量％以下］
Ｓは、低融点化合物を生成する元素であり、極力抑える必要があり、溶加材のＳ含有量を０．０３質量％以下とすることが好ましい。より好ましくは、０．００５質量％以下である。
［Ｎｉ：９．０〜１２．０質量％、１２．０〜１５．０質量％］
Ｎｉは、２相ステンレス鋼の必須成分であり、オーステナイト相を安定化させる。そのためには、溶加材のＮｉ含有量を９．０〜１５．０質量％とする必要がある。溶加材のＮｉ含有量が９．０質量％未満では、溶接部のフェライト相が増えて靭性が低下する。溶加材のＮｉ含有量が１５．０質量％を超えると、オーステナイト相が増えて高温割れが発生しやすくなる。

しかし、Ｎｉは希少金属元素であることから、コストへの影響を考慮して溶加材のＮｉ含有量は、低Ｎｉ仕様では９．０〜１２．０質量％、高Ｎｉ仕様では１２．０〜１５．０質量％とすることが好ましい。
［Ｃｒ：１９．５〜２３．５質量％、２３．０〜２７．０質量％］
Ｃｒは、２相ステンレス鋼の必須成分であり、フェライト相を安定化させる効果がある。また、２相ステンレス合金の耐食性の向上に寄与する元素である。

ボロン添加ステンレス鋼の溶接に用いる溶加材のＣｒ含有量は１９．５〜２７．０質量％とする必要がある。Ｃｒ含有量が１９．５質量％未満では、ＣｒがＢと反応し、Ｃｒ_２Ｂ等のホウ化物を生成するため、Ｃｒがフェライト相を安定化させる効果が低下し、高温割れが発生しやすくなる。また、Ｃｒ含有量が２７．０質量％を超えると、フェライト相が増加しすぎるため、延性が低下する。

しかし、Ｃｒは希少金属元素であることから、コストへの影響を考慮して溶加材のＣｒ含有量は、低Ｃｒ仕様では１９．５〜２３．５質量％、高Ｃｒ仕様では２３．０〜２７．０質量％とすることが好ましい。
［Ｎ：０．１質量％以下］
Ｎは、強力なオーステナイト生成元素であり、Ｃ，Ｃｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖなどと窒化物あるいは炭窒化物を形成し、析出効果によって強度を向上するが、多量に添加すると溶接欠陥の原因となるため、溶加材のＮ含有量は０．１質量％以下が好ましい。
［Ｍｏ：１．０質量％以下］
ＭｏもＣｒ同様、耐食性の向上に寄与する元素であるが、ボロン添加ステンレス鋼の溶接に用いる溶加材のＭｏ含有量は１．０質量％以下とすることが好ましい。溶加材にＭｏが多量に含有していると、ＭｏがＢと反応し、ＭｏＢ_２等の高融点ホウ化物を生成するため、溶接部に発生するヒーリング現象を低下させ、高温割れた発生しやすくなる。
［Ｃｕ：１．０質量％以下］
Ｃｕは、オーステナイト鋼に約３．０質量％まで均一に固溶し基地を強化するが、若干靭性を損ない、多量に添加されると高温割れに敏感になるため、溶加材のＣｕ含有量は１．０質量％以下とすることが好ましい。

ここで表１に戻り、実施例１の溶加材のＮｉ含有量は、比較例１と同等であるが、比較例２よりも多くなっている。また、実施例２の溶加材のＮｉ含有量は比較例１、２よりも多く含まれている。つまり、実施例１，２は比較例１に比べて、概ね高Ｃｒ、高Ｎｉの溶加材であることが分かる。

比較例１、２及び実施例１、２に示した各溶加材を用いてボロン添加ステンレス鋼を溶接した溶接部について比較を行なった結果を表２に示す。

表２において、希釈率は、Ｂを含有しない溶加材により母材のボロン添加ステンレス鋼を溶接すると、溶接時の入熱により母材と溶加材の両方の成分が溶融混合し、溶接金属中のＢは母材のＢが希釈された状態になることを表している。この希釈率は、溶接継手部の形状、溶接開先、母材のＢ量と溶接金属量とのバランス等から定まる。これらを適切に設計することにより希釈率が決まる。本実施例の確認試験では、希釈率を１０％と２０％に設定して比較した。

表２に示す比較の結果、比較例１に比べて実施例１、２及び比較例２は、溶接部のδフェライト量が高くなることが確認できた。特に、比較例２の高Ｃｒの溶加材の場合は、δフェライト量が２８．２〜３４％と高い値を示した。

一方、比較例１，２及び実施例１，２について高温割れ感受性のバレストレイン試験の結果を図２、図３に示す。それらの図において、横軸に比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に示し、縦軸は最大割れ長さ、総割れ長さ（ｍｍ）と、総割れ数を示している。図２は希釈率１０％の例であり、図３は希釈率２０％の例である。

図２，３に示すように、実施例２の溶加材が高温割れの総割れ長さが試験時の溶接長さの１割以下程度の５ｍｍしか生じない良好な結果が得られた。次いで、実施例１の希釈率１０％の場合には、総割れ長さが６ｍｍとなるが、概ね実施例２に準ずる良い結果が得られ、高Ｃｒ，高Ｎｉの溶加材が割れの少ない溶接金属が得られることが判明した。しかし、Ｃｒの含有量が高すぎる比較例２については、表２の結果から最もδフェライト量が高いが、図２，３の割れ感受性試験結果を合わせて考慮すると、一般的な溶加材である比較例１と同等の結果になることがわかる。

さらに、各溶加材を用いた溶接部の機械的性質を図４，５に示す。それらの図の横軸は母材、比較例１、実施例１、実施例２、比較例２の順に示し、縦軸は０．２％耐力と引張強さ（ＭＰａ）及び伸び（％）である。図４は希釈率１０％の例であり、図５は希釈率２０％の例である。

それらの図４，５からわかるように、０．２％耐力、引張強さ及び伸びは、一般的な溶加材である比較例１に対し、実施例２，３の溶加材は同等の０．２％耐力が３００〜４００ＭＰａ，引張強さが６００〜７００ＭＰａ、伸びが３５％程度の機械的性質を示した。これらの図２〜図５の評価を総合的に検討すると、実施例１，２の溶加材を用いた溶接金属が、高温割れ及び溶接部の強度特性から最適であることがわかる。

ここで、図６〜図８に燃料貯蔵ラックの概略構成図を示す。図６の燃料貯蔵ラックは、複数の貯蔵セル３１が複数の角筒体２１あるいは角筒体２１によって囲まれる空間に形成され、最外周部の角筒間には板２２が配置される。角筒体２１は、市松模様状に配置され、互いに隣接する角部の空間に図示していない接合用部材を適宜設けて、実施例１又は２の溶加材を用いて溶接され、溶接金属４１，４２により接合される。

図７の燃料貯蔵ラックは、複数の貯蔵セル３２が複数個の長尺仕切板２３と複数個の短尺仕切板２４を組み合わせて、実施例１又は２の溶加材を用いて溶接されて一体に形成される。ここで、複数の貯蔵セル３２は、長尺仕切板２３と短尺仕切板２４が十文字に交わる交点部を、溶接金属４３によって、例えば隅肉溶接により接合される。このとき、長尺仕切板２３と短尺仕切板２４が十文字に交わる交点部の溶接は、開先形状等を適切に設計すれば、図７のように両側から実施しても良く、また図８に示すように、片側だけから実施しても良い。

以上説明したように、実施例１，２の溶加材を用いることにより、ボロン添加ステンレス鋼のＢ添加量、溶接部での母材からのＢ希釈率を組み合わせることにより、ボロン添加ステンレス鋼の溶接継手性能及び施工性の改善を図ることができる。また、溶接金属の最適δフェライト量及び必要強度を容易に達成できる。その結果、溶接作業者の負担を軽減でき、高品質、高信頼性を有する燃料貯蔵ラックを製造することができる。

本発明の製造方法が適用される一実施形態の燃料貯蔵ラックの概念構成図である。本発明の実施例の溶加材と比較例の溶加材とを用い、希釈率１０％の場合の溶接部の高温割れの感受性を示すグラフである。本発明の実施例の溶加材と比較例の溶加材とを用い、希釈率２０％の場合の溶接部の高温割れの感受性を示すグラフである。本発明の実施例の溶加材と比較例の溶加材とを用い、希釈率１０％の場合の溶接部の機械的性質を示すグラフである。本発明の実施例の溶加材と比較例の溶加材とを用い、希釈率２０％の場合の溶接部の機械的性質を示すグラフである。本発明の製造方法が適用される角筒体を用いて構成した一実施形態の燃料貯蔵ラックの概念構成図である。本発明の製造方法が適用される仕切板を用い、溶接部が交点部の両側にある一実施形態の燃料貯蔵ラックの概念構成図である。本発明の製造方法が適用される仕切板を用い、溶接部が交点部の片側だけの一実施形態の燃料貯蔵ラックの概念構成図である。

Claims

ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接して製造する使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法において、
前記溶接に用いる溶加材が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：９．０〜１２．０質量％、Ｃｒ：１９．５〜２３．５質量％、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下を含有し、残部不可避的不純物及びＦｅからなることを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法。
ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接して製造する使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法において、
前記溶接に用いる溶加材が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：１２．０〜１５．０質量％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０質量％、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下を含有し、残部不可避的不純物及びＦｅからなることを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法。
請求項１又は２に記載の使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法において、
溶接により形成される溶接金属中に、前記溶加材の組成に加えて、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有する前記ボロンの１０〜２０質量％が溶融混合する溶接条件で溶接することを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法。
請求項１又は２に記載の使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法において、
前記オーステナイト系ステンレス鋼に前記ボロンが１．０〜２．０質量％含有することを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラックの製造方法。
ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に用いる溶加材であって、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：９．０〜１２．０質量％、Ｃｒ：１９．５〜２３．５質量％、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下を含有し、残部不可避的不純物及びＦｅからなる溶加材。
ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼の溶接に用いる溶加材であって、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：１２．０〜１５．０質量％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０質量％、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下を含有し、残部不可避的不純物及びＦｅからなる溶加材。
ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接して製造された使用済核燃料貯蔵ラックにおいて、
溶接により形成された溶接金属が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：９．０〜１２．０質量％、Ｃｒ：１９．５〜２３．５質量％、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下、残部不可避的不純物及びＦｅからなり、前記溶接金属中のδフェライト量が４．８〜１５質量％であることを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラック。
ボロンを含有するオーステナイト系ステンレス鋼を溶接して製造された使用済核燃料貯蔵ラックにおいて、
溶接により形成された溶接金属が、Ｃ：０．１質量％以下、Ｓｉ：０．０５〜０．６５質量％、Ｍｎ：１．０〜２．５質量％、Ｐ：０．０３質量％以下、Ｓ：０．０３質量％以下、Ｎｉ：１２．０〜１５．０質量％、Ｃｒ：２３．０〜２７．０質量％、Ｎ：０．１質量％以下、Ｍｏ：１．０質量％以下、Ｃｕ：１．０質量％以下、及び残部不可避的不純物及びＦｅからなり、前記溶接金属中のδフェライト量が４．８〜１５質量％であることを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラック。
請求項７又は８に記載に使用済核燃料貯蔵ラックにおいて、
前記溶接金属は、前記オーステナイト系ステンレス鋼に含有する前記ボロンの１０〜２０質量％を含有することを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラック。
請求項７又は８に記載に使用済核燃料貯蔵ラックにおいて、
前記オーステナイト系ステンレス鋼に前記ボロンが１．０〜２．０質量％含有することを特徴とする使用済核燃料貯蔵ラック。