JPH03236453A - 継目無しハフニウム管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、中性子吸収能並びに耐食性に優れ、原子炉
の制御棒用中性子吸収体として高い性能を発揮する継目
無しハフニウム管並びにその製造方法に関するものであ
る。

〈従来技術とその課題〉 従来、軽水型原子炉の制御棒を構成する中性子吸収体と
しては、例えば５ＵＳ３０４Ｌ等の如きステンレス鋼製
の細管内に８４　Ｃ粉末を充填して戒るものが使用され
てきたが、近年、この中性子吸収体にＨｆ又はＨｆ合金
を通用しようとの提案がなされるようになってきた（特
開昭６０−２５７３９１号公報等を参照）。なぜなら、
Ｈｆは中性子吸収断面積が大きいと言う中性子吸収体と
して好適な特性を有しているためである。

しかし、一般にＩｆ材料は４％以下程度のＺｒ等の如き
付随元素を含有しているのが普通であるため高温高圧水
蒸気に対する耐食性に対する懸念があり、従って原子炉
の制御棒用中性子吸収体等の用途に供するには冷間加工
を施して結晶構造の方向を調整することで耐食性の改善
を図る必要が指摘されていた（前記特開昭６０−２５７
３９１号公報参照）。

ところが、Ｈｆは稠密六方晶の結晶構造を持つ金属であ
って、その加工特性は同様の結晶構造を持つＺｒにも増
して厳しく、冷間加工時の加工硬化の度合いが非常に大
きいことから高加工度を要する部材の製造が極めて困難
であった（冷間加工限界が４０〜５０％程度と非常に低
い）。そのため、前記特開昭６０−２５７３９１号に係
る提案においてもＨｆの適用形態としては板状、棒状或
いは精々溶接管を窺わせる程度のもの（この時点では溶
接材しか存在してない）を開示するに止まるものであっ
た。

しかしながら、Ｈｆは比重が１３ｇ／ｃＩＩｔと大きく
、そのため例えば原子炉の制御棒部材として棒状体形状
のものを使用すると重量が重くなり、その昇降制御に大
きな動力を必要とすると言う問題があった。そこで、軽
量化のためには管状で使用することが望まれるが、“溶
接管”では溶接部の性質に今−歩不安がある上、原子炉
の定期検査においては？８接部の検査が欠かせない義務
となっており、この検査に多くの工数を必要とする等の
理由から極力溶接部のないものが望まれると言った事情
もあった。従って、原子炉の制御棒部材等としてのＨｆ
の利用は未だ十分な目処の立っていないのが現状である
。

このようなことから、本発明が目的としたのは、板状体
による冷間加工不等と言う経験から製管が試みられるこ
とのなかったＨｆ製の継目無し管（継目無し管は中空で
あるため板状や棒状品を製造する場合に比べて特有の加
工条件を要するものであり、また冷間加工方法も材料に
応じた最適のものを選択しないと加工ができないか、加
工ができたとしても品質上の欠陥が生しる）を工業的規
模で製造し得る手段を確立し、もって原子炉の制御棒用
中性子吸収体としての実用化が叶う継目無しハフニウム
管を実現することであった。

く課題を解決するための手段〉 本発明者等は、上記目的を達成すべく、特に、冷間加工
による継目無し管（例えば外径４〜６φの細径管等）の
製造方法として一般に採用されている引抜き法、圧延法
及びスケエージ法の中に健全な継目無しハフニウム管の
実現につながる手段が存在するか否かにつき、補助的熱
処理をも含めた種々の加工条件の追求を行いながら調査
・検討を重ねた結果、次のような知見を得ることができ
た。即ち、 ＋ａｌ　　Ｈｆ管では、イ）加工硬化が大きいこと２口
）六方晶構造であるために異方性が強いこと、の２つが
重なる結果と推測されるが、スウェ〜ジ加工を施すと１
０％程度の断面減少率でも軸方向の疵欠陥が発生してし
まい、従ってスケエージ法は制御棒用中性子吸収）Ｈｆ
管を工業的に製造する技術として到底採用できるもので
はない。

（ｂ）また、引抜き法では、第１図に示す如く、事前に
スウエージ加工によって素管の一端に口絞り部を設ける
必要がある。それ故、前述したように口絞り部に軸方向
欠陥が発生するのを如何ともし難い。このため、引抜き
加工の開始時点に前記軸方向欠陥が起点となって材料が
破断し、結局は加工子′能となる。仮に、口絞り部の破
断がなかったとしても、引抜き法による可能加工度（断
面減少率）は精々１５％程度に過ぎないから、素管に部
分的に粗大粒が存在するような場合にはこの粗大粒は加
工により破壊されずに残ってしまうため、均一特性が要
求される制御棒用中性子吸収Ｈｆ管の製造法として採用
できるものではない。

（Ｃ）　　これに対して、冷間圧延法では、“加工度”
及び“径加工と肉厚加工との比”を特定の範囲に調整し
、かつ“工程中の軟化熱処理条件”をイ）次加工での表
面疵防止に十分なだけの材料の軟化が遠戚できる。

Ｕ）結晶粒の極端な粗大化を来たさない。

と言う２つの要件を満たすように規制した場合には、最
大７５％程度の加工度をとることも可能となって、健全
な継目無しハフニウム管の実現が叶つＯ 本発明は、上記知見事項等に基づいて威されたものであ
り、 「６５０〜８００℃の温度域に加熱する中間熱処理工程
を挟んで、Ｈｆ含有量が９５重量％以上の素管に式 で求まる加工モードＱＥが０．９以上の冷間圧延を複数
回施し、その後最終熱処理を施すことによって、中性子
吸収能並びに耐食性に優れ、原子炉の制御棒用中性子吸
収体として十分に実用できる継目無しハフニウム管を実
現し、かつ工業的に安定製造し得るようにした点」 に特徴を有するものである。

ここで、本発明に係る継目無しハフニウム管においてＨ
ｆ含有量（Ｈｆ純度）を９５％以上（以降、成分割合を
表わす％は重量％とする）と限定したのは、継目無し管
を構成するＯｆの中性子吸収特性を十分に生かすためで
あり、Ｈｆ純度が９５％以上（即ち、不純物５％以下）
であればＨｆとしての中性子吸収特性に殆んど変化がな
いためである。即ち、Ｈｆは中性子吸収断面積が大きく
、中性子吸収体としてはこの特性が極めて重要な訳であ
るが、Ｈｆ含有量が９５％より少ないと、換言すればＨ
ｆ以外の成分が５％を越えると前記特性が悪化する。な
お、不純物好としては、Ｈｆと共存していて完全分離が
困難なＺｒが２〜４％程度存在するのが普通であるが、
この程度ではＨｆの物理的性質への影響は少ないので許
容できる範囲である。また、Ｆｅ、　Ｓｔ、　　Ｏ，Ｎ
。

Ｃ等も不純物として含まれがちであるが、前述したよう
にこれらは合計で５％以下に抑えられておれば差し支え
ない。

そして、本発明に係るハフニウム管は冷間圧延にて製造
され、かつ高加工を受けたものであるため結晶構造の方
向が耐食性にとって好ましい方向に調整されており、し
かも均一な整細粒となっている。その上、溶接部の無い
継目無し管形態であるので、原子炉の制御棒用中性子吸
収体に適用した場合にも溶接部に絡む定期検査の義務が
ないばかりか、溶接部位の存在する部材の如き局部的な
特性に対する不安が懸念されることもない。

勿論、本発明に係る継目無しハフニウム管は比重の大き
いＨｆ製ではあるが、棒状体等の中実体のものと異なり
中空体であるので全体重量がそれほど重（なることがな
く、従って制御棒用中性子吸収体に適用した場合にもそ
の昇降制御のために大きな動力を必要として微調整を難
しくすることもない。また、管状であるため、その内部
空間を例えば中性子吸収体の冷却媒体流通路としても利
用できる。

次に、本発明に係る継目無しハフニウム管の製造方法に
おいて、その製造条件を前記の如くに数値限定した理由
を説明する。

Ａ）　加工モードＱ９ 冷間圧延法による継目無しハフニウム管の製造において
種々の加工スケジュールを検討した結果、製品の品質や
加工性には加工度よりはむしろ“径加工と肉厚加工との
比”、即ち式 で表わされる加工モード（ＱＥ値）が大きな影響を及ぼ
すことを見出した。そして、ＱＥ値と加工後の製品表面
に発生する疵深さの関連を調査したところ、第２図に示
されるように、ＱＥ値が大きいほど加工後の疵深さは減
少する傾向が確認された。

ここで、ＱＥ値が大きいと疵深さが浅くなるのは次の理
由によると考えられる。即ち、加工中の管に生しる応力
は、Ｑ、値が小さい場合には「周方向応力が大きくて半
径方向（肉厚方向）応力は小さい」と言う傾向を示し、
逆にＱ、値が大きい場合には「半径方向応力が大きくて
周方向応力は小さい」傾向となる。そして、周方向応力
が大きいと（即ちＱＥ値が小であると）、圧延中に、ロ
ールのフランジ部に対応する部分で、元々管表面に存在
する微小なしわ状欠陥を起点として材料がオーバーラツ
プする現象が生して被れ状の欠陥を引き起こす結果とな
る。一方、周方向応力が小さくなるとく即ちＱ、値が大
になると）、上記の現象は生しにくくなる。

ところで、通常、加工後行われる酸洗工程での減肉量は
１０＝ｍ程度であることから、疵深さの許容値は１０ｇ
ｌ１１程度以下と言うことになる。従って、第２図から
も分かるように、健全な継目無し管を得るためには圧延
時のＱ、値は０．９以上であることが必要となる。

即ち、冷間圧延における加工モードＱ、が０．９を下回
ると加工工程の途中で深い疵が発生し欠陥として残留し
、健全な継目無しハフニウム管が得られないことから、
加工モードＱＥは０．９以上と限定したが、この値を１
．０以上に調整すると疵深さが更に浅くなる上、稠密面
である六方晶の底面が管内外表面に平行になり易くなっ
て耐食性も一段と安定化することから、好ましくは加工
モードＱ。

を１．０以上にするのが良い。

なお、本発明に係る圧延法では４０％程度以上の加工度
で冷間圧延するのが好ましい。そして、最大７５％程度
の加工度までは可能である。

Ｂ）　中間熱処理条件 前述したように、本発明に係る方法においては冷間圧延
の途中で イ）次加工での表面疵防止に十分なだけの材料の軟化が
遠戚できる。

ａ）結晶粒の極端な粗大化を来たさない。

との要件を満たす軟化処理を施すことが必要である。そ
して、この軟化は６５０〜８００℃の温度域に加熱する
中間熱処理の形態で実現できる。この場合、加熱温度が
６５０℃未満では十分な軟化が遠戚できず、一方、８０
０℃を越える温度域に加熱すると結晶粒が粗大化して次
工程での割れを誘発することから、中間熱処理における
加熱温度は６５０〜８００℃と定めた。

ところで、第３図は、Ｉｆ管の軟化特性について調査し
た結果をグラフ化したものである。この第３図からも、
熱処理温度６５０℃以上でピッカス硬度が１７０以下と
十分な軟化が達成できるが、８００℃以上に加熱されこ
ると結晶粒の極端な粗大化を生しることが確認できる。

なお、加熱保持時間は格別に制限されるものではないが
、通常、３０分以上程度の保持で十分である。

Ｃ）最終熱処理条件 最終勢処理は、最終製品内の応力を除去したり加工歪を
回復したりして製品特性の改善・安定化を図るために施
されるものであり、応力除去処理の形態であっても再結
晶処理の形態であっても良いが、以下、それらの条件に
ついて説明する。

（ａｌ　　応力除去処理 最終製品に高強度が要求される場合に応力を完全に除去
するために行う熱処理であるが、その際の加熱温度が４
００℃未満であったり、加熱保持時間が３０分を下回る
場合には応力除去が不完全であり、一方、６５０℃以上
に加熱すると再結晶領域加熱となって強度の低下を来た
す。従って、応力除去処理条件は４００″Ｃ以上６５０
℃未満の温度域に３０分以上加熱保持することと定めた
。

ωン　再結晶処理 強度は応力除去処理よりも低下するが、加工歪を完全に
回復させて再結晶させるために行う処理であるが、その
際の加熱温度が６５０℃未満であったり、加熱保持時間
が３０分を下回る場合には完全な再結晶が期待できない
虞れがあり、一方、８００℃を越える温度域に加熱する
と粒成長して粗粒となり、機械的性質が低下する。従っ
て、再結晶処理条件は６５０〜８００℃の温度域に３０
分以上加熱保持することと定めた。

なお、上述したように、継目無しハフニウム管の製造に
際しては最終熱処理を応力除去処理或いは再結晶処理の
何れの形態としても構わないが、再結晶温度未満の温度
域で熱処理したものでは応力は除去されるものの当然な
がら加工歪は残っている。ところが、僅かであっても加
工歪の残っているＨｆ管を中性子吸収体として高温の環
境で使用すると、加工歪のため使用中に変形を来たす虞
れが拭い切れず、安全が最大の課題である原子炉には好
ましいとは言い難い。従って、原子炉の制御棒用中性子
吸収体としての継目無しハフニウム管としては、再結晶
処理によって加工歪を除かれた“再結晶Ｕ織を有するも
の”が望ましい。

続いて、本発明を実施例によって更に具体的に説明する
。

〈実施例） 実施例　１ まず、第１表に示す如き成分組成の鋳塊を溶製すると共
に、これ等の各々を第４図で示した工程で処理し、最終
的にそれぞれ外径：　４．７９＊ｎ、肉厚：　０．４９
ｍ、長さ：　４００００の継目無しハフニウム管を得た
。

この際、加工途中で割れ等を生しることもなく、健全な
製品を円滑に製造することができた。

第　　　１　　　表 （注）残部成分は実質的に）Ｉｆ及び不純物である。

このようにして得られた２種成分組成の継目無しハフニ
ウム管について結晶粒度を調査したところ、何れも平均
粒度がＡＳＴＭＮｏ、にて１０．５で、粒度バラツキ範
囲も９．５〜１１．０と非常に良好な結果を示した。

また、上記２種の継目無しハフニウム管製品と従来から
原子炉の燃料被覆管として使用されてきたＺｒ−２（Ａ
　Ｓ　Ｔ　Ｍ　Ｂ　３５３）管とについて、高温水蒸気
中オートクレーブ腐食試験（４００℃、１００気圧。

７２時間保持）を実施したところ、それぞれの腐食増量
は次の結果となった。

ハフニウム管（２種共）・・・３．２　ｍｇ／ｄｍ。

Ｚｒ−２管−１８，６ｍｇ／ｄ％。

上記腐食試験結果は、本発明に係る継目無しハフニウム
管は中性子吸収体と同しような環境で使用されるＺｒ−
２管の約１７６の腐食増量しか示さず、極めて優れた耐
食性を有していることを明らかにしている。

比較例　１ 第１表の成分組成Ａから成るハフニウム管素管（９，３
５φＸ１．ＯＬ）を冷間圧延して６．４８φＸ０．５ｔ
の寸法とした後、その一端に口絞り加工を施して加工率
１４％（目標寸法：５．６中ｘｏ、５ｔ）で冷間引抜き
したところ、冷間引抜き時に材料（口絞り部）が破断し
、加工不能となった。

比較例　２ 第１表の成分組成Ａから成るハフニウム管素管（１４，
５φＸ１．６ｔ）を、加工度：５６％、ＱＥ値：０．８
４（目標寸法：　９．３５ΦＸ１．１ｔ）にて冷間圧延
したところ、圧延後の管表面に深さ２５１ｘｍ以上の疵
欠陥が発生した。

比較例　３ ■４．５φＸ　１．６ｔの寸法に加工した後の第１表の
成分組成Ａから成るハフニウム管に、８２０℃に２時間
加熱保持する中間熱処理を施し、次に加工度二６０％、
ＱＥ値：１．１（目標寸法：　９．３５中Ｘ　１．Ｏｔ
）で冷間圧延したところ、圧延後の管表面に深さ５０−
以上の軸方向疵欠陥が発生した。

比較例　４ １４．５φＸ　１．６ｔの寸法に加工した後の第１表の
成分Ｕ戒Ａから戒るハフニウム管に、６４０℃に２時間
加熱保持する中間熱処理を施し、次に加工度二６０％、
ＱＥ値：１．１（目標寸法：　９．３５◆Ｘ１．ＯＬ）
で冷間圧延したところ、圧延後の管表面に深さ３０ｍ以
上の軸方向疵欠陥が多数発生した。

く効果の総括〉 以上に説明した如く、本発明によれば、原子炉の制御棒
用中性子吸収体として優れた性能を発揮することが期待
できる継目無しハフニウム管を工業的に安定して実現す
ることが可能となるなど、産業上極めて有用な効果がも
たらされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ハフニウム管の引抜き加工を説明した概略模
式図である。 第２図は、ハフニウム管の冷間圧延条件と加工性（加工
後の疵深さ）との関係を示すグラフである。 第３図は、ハフニウム管冷間圧延時の中間熱処理温度と
軟化特性及び結晶粒度挙動との関係を示すグラフである
。 第４図は、実施例において採用されたハフニウム管の製
造工程に係る説明図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｈｆを９５重量％以上含有すると共に、冷間圧延
   にて製造されたことを特徴とする、中性子吸収能並びに
   耐食性の優れた継目無しハフニウム管。
2. （２）６５０〜８００℃の温度域に加熱する中間熱処理
   工程を挟んで、Ｈｆ含有量が９５重量％以上の素管に下
   記式で求まる加工モードＱ＿Ｅが０．９以上の冷間圧延
   を複数回施し、その後最終熱処理を施すことを特徴とす
   る、継目無しハフニウム管の製造方法。 記 ▲数式、化学式、表等があります▼ ［但し、Ｄ：加工前の管外径、 Ｔ：加工前の管肉厚、 ｄ：加工後の管外径、 ｔ：加工後の管肉厚］
3. （３）最終熱処理が４００℃以上６５０℃未満の温度域
   に３０分以上加熱保持する完全応力除去焼鈍である、請
   求項２に記載の継目無しハフニウム管の製造方法。
4. （４）最終熱処理が６５０〜８００℃の温度域に３０分
   以上加熱保持する再結晶処理である、請求項２に記載の
   継目無しハフニウム管の製造方法。