JPS5892889A

JPS5892889A - スペ−サ

Info

Publication number: JPS5892889A
Application number: JP56189220A
Authority: JP
Inventors: 桑江　良昇; 東中川　恵美子; 服部　靖弘
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-11-27
Filing date: 1981-11-27
Publication date: 1983-06-02
Also published as: JPS645661B2

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】発明の技術分野本発明は軽水炉の燃料集合体のスペーサに関し更に詳し
くは、優れた機械的特性と優れた耐食性を同時に満足す
るジルコニウム基合金から構成されたスペーサに関する
。

発明の技術的背景とその問題点一般に、軽水炉の燃料集合体は第１図に一部切欠縦断面
一として示したような構造になっている。

すなわち、上部タイプレート１、下部タイプレート２の
筒に核燃料ＵＯ，を含む燃料棒３と該燃料棒３を整列支
持してその横方向への遊動を抑制し、かつ、冷却材の流
路を形成する複数個のスペーサ４が配設され、これら全
体がチャンネルボックス５に収納されたものである。こ
の燃料集合体は、−基の原子炉に数百本装荷されている
。

スペーサの一部を示す平面図を第２図に示した。

図において、６は外枠で、複数個の突起Ａｌｌ、複数個
の突起Ｂ１２、および複数個の球状突起１３を有し、該
外枠で囲まれた四角平面の中には、複数本のバー７と複
数のディバイダー８がそれぞれ水平面で交差して配設さ
れ、それぞれはその端部が外枠６に例えば熔接などの方
法で固定されている。また、バーとバー及びバーとディ
バイダーの交差点は熔接して固定されている。バーとバ
ーの交差点には、ランタンスプリング９が支持されてい
る。このようにして複数個の小仕切シが形成され、この
小仕切シの中に、燃料棒（第１図の３）が挿入される。

挿入された燃料棒は、２ンタ／スプリング９とそれに対
向する２！！ｉＣのディバイダーの中央部に加工された
８字スプリング１０、突起Ｂ１２、あるいは球状突起１
３によって弾性的に保持される。

このようなスペーサを構成する材料としては、：Ｊｌｉ
常、ランタンスプリング９にはバネ特性に優れるインコ
ネルアレイＸ−７５０と指称されるニッケル基合金が用
いられ、ま痘外枠６、バー７、ディバイダー８には、ジ
ルコニウムに対し重量比ですず１，２〜１．７チ、鉄−
０，１８〜０．２４９＆、クロム００７〜０．１３９６
を添加して成るジルコニウム基合金（ジルカロイ−４と
指称される）が適用されている。

このようなスペーサを実装して炉運転したとき、ジルカ
ロイ基合金の表面には、ノジーラーコロージョンと呼ば
れる腐食反応によって、班点状の白色生成物が生成する
。この白色生成物は、ノジュラーコロージョンの進展に
伴って次第に成長していき、最後には表面から剥落する
こともある。このような状態にまで腐食が進行すると、
スペーサは上記剥落によって肉減シし、その結果、スペ
ーサの機械的強度が低下して炉の運転事故の原因を現在
の実炉の運転条件下にあっては、ジルカロイ−４を代表
例とするジルコニウム基合金から成るスペーサは、その
機能を充分に果している。

しかしながら、最近、スペーサの炉内滞留時間を長くす
る計画があシ、その場合、炉の安全性の観点から耐食性
に優れ、したがって機械的強度にも優れたジルコニウム
基合金から成るスペーサの材質の開発が強く望まれてい
る。

とのような要請に応える材質として、例えば特開昭５２
−１６４１６号にお込て、１６００〜３０ｏＯｐｐｔｎ
の酸素を含有するジルコニウム基合金が提案されている
。ここで開示されているジルコニウム基合金は、その引
張シ強さや耐食性（ＡＳＴＭ規格Ｇ２−７４又は−Ｂ３
５３−７７轟によるオートクレーブ耐食性試験）が、現
在用いられている７００〜１６００ｐｐｍの酸素を含む
ジルコニウム基合金よシも優れている。しかしながら、
この先行技術には次のような問題点が存在する。すなわ
ち、まず第１に、上記のジルコニウム基合金から成るス
ペーサ部材を作製するためには、１６００〜３０００　
ｐｐｍの酸素を含有するジルカロイ・インゴットを製造
しなければならない。このことは、現在一般的方法とし
て行なわれているインゴット製造の工程を変更しなけれ
ばならず、工業的には好ましいことではない。第２には
、ジルコニウム基合金の全体のば素濃ｉを高くしている
ため、材質の延性が低下してその劣化が側進される危険
性がある。

また、他の対策、とシわけノジュラーコロージッンに対
する耐食性を向上するために、ジルコニウム基合金から
成る原子炉炉心部材の表面を、電子伝導性の材料の層で
薄く被覆する方法が提案されている（特開昭５２−５［
２９号参照）。しかしながら、この方法は、ジルコニウ
ム基合金の部材の表面に、該基合金とは異なる種類の金
属を共存させることによって接触腐食などの問題を招ぐ
“ので充分な解決方法とはいえないものであった。

発明の目的本発明は、上記したような問題点を解消したスペーサ、
とシわけ、ノジュラーコロージョンに対する耐食性に優
れ、かつ機械的特性にも優れたスペーサの提供を目的と
する。

発明の概要本発明者らは、ジルコニウム基合金に対するノジ、ラー
コロージ、ｌｌ／に関し、以下の実験を行なって、その
対策を研究−た。

まずスペーサのディーＡ（、イダーからジルカロイ−４
であるジルコニウム基合金の試片（２０ｍ　Ｘ　７■Ｘ
　Ｏ，５ｍの小片）を切シ出し、これを５００℃、１０
７　ｋｇ７ｘ２の加圧水蒸気中に保持した。な−、この
試験環境は、２９０℃、　７　ｅ　Ｗａｔするの沸騰水
環境を模擬したノジュラーコロージョンの加速試験であ
る。

数時間後には、試片の表面に班点状の白色生成物が発生
し、それは時間とともに次第に大きく成長した。その傾
向を、試片の単位面積当シの重量増（腐食増量：　ｒｔ
ｖ／ｄｍ２）と時間の関係として第３図の曲線１として
示した。

ついで、試片表面の白色生成物を剥離回収して、これを
赤外線吸収分光法及びＸ線回折法によって、構造及び組
成を調べた。単一晶系のｚｒ偽であった。

一方、ジルコニウム基合金に対する水の影響などを調べ
るために、上記のノジュラーコロージ。

ン加速試験において、試片に含有されている酸素及び水
素の定量分析を行なった。なお、この両成分の分析にあ
たっては、試片表面の酸化生成物を除去した後分析に供
したことはいうまでもない。その結果、腐食の進行に伴
って酸素の含有量はほとんど変化しなかったが、水素の
含有量は著しく増大していくことが判明した。腐食時間
（ｈｒ　）と水素含有蓋（ｐｐｍ　）との関係を第４図
の曲線瓢として示した。この水素含有量の増大は、ノジ
ュラーコロージョンによる試片と水との反応で発生した
水素が試片の内部に吸収されていくことを示すものであ
る。

更に、４０時間後に、試片の内部組織を光学顕微鏡で観
察したところ、ジルコニウムの水素化物ＺｒＨｘに属す
る黒色物質が、表面近傍を含め全□体に亘ってほぼ均一
に分布していることが判明した。

゛スペーサの外枠、゛パーから切出した試片につ峨ても
、上記したと同じ結果が得られた。

以上のことから、ジルコニウム基台金のノジュラーコロ
ージョンは次式に示す反応で特徴づけられるものと推論
される。

このようＫして、本発明者らはジルコニウム基　−合金
のノジ、ラーコロージ、ンが主要にはジルコニウム基合
金の内部に進む水素化物生成反応に基づくことを見出し
た。

したがって、本発明者らはジルコニウム基合金の内部に
水素が侵入することを防止すれば、ノジ具う−コロージ
、ンの発生を阻止又は抑制し得るとの着想を得、本発明
を完成するに到った。

本発明のスペーサは、ランタンスプリング、ディバイダ
ー、バー及び外枠から成るスペーサにおいて、該ディバ
イダー、該バー、該外枠のうち少くとも１つが、表面に
酸素の拡散層を有するジルコニウム基合金で構成されて
いることを特徴とする。　　　・本発明にかかるジルコニウム基合金は、その表向又は表
面近傍にのみ酸素の拡散層が形成されていることを特徴
とする。この拡散層は、腐食反応によって生成した水素
の鉄基合金の内部への侵入に対する一種の障壁として機
能する。この層の厚みは、０．１μｍ〜０．１■である
ことが好ましく、０．１μｍ未満の場合には、ジルコニ
ウム基合金の機械的強度が充分に大きくならず、また０
、　１　ｗｍを超えると延性の低下を招くので好ましく
ない。

本発明に用いて有効なジルコニウム基合金としては、前
記したジルカロイ−４の外に、ジルカロイ−２、Ｚｒ　
−２，５Ｓ　Ｎｂ系のもの、Ｚｒ　−Ｉ　Ｚ　Ｎｂ系及
びオーゼナイトなども適用できる。

本発明にかかるジルコニウム基合金は次のようにして製
造することができる。所定の組成のジルコニウム基合金
の板又は、すでに所定形状に加工された各スペーサ部材
を５００〜１０００℃の電気炉、誘導加熱炉、赤外線炉
など適宜な加熱手段によってＩ　Ｘ　１０−５〜１×１
０４１ｇの酸素分圧下で１秒〜１時間加熱処理して、表
面に酸素の拡散層を形成す、る。このとき、加熱温度が
５００℃未満では好適な酸素拡散層が形成されず逆に１
０００℃を超えると５．ジルコニウム基合金において合
金組織の粒径が粗大となって全体の機械的強度の低下現
象が起る。また、加熱時間が１秒未満では、充分な酸素
拡散層が形成されず、逆に１時間を超えると酸素拡散層
が厚くなシすぎて全体の延性が低下する。更には、酸素
分圧が上記した範囲を外れると、適正な酸素拡散層の形
成が困難となるばかシではなく、経済的にも不利である
。

このようにして作製した表面に酸素拡散層を有するジル
コニウム基合金を、ディバイダー、バー、外枠のいずれ
か１つ、好ましくは全ての部材として適用し、常法にし
たがってランタンスプリングと組合せて本発明のスペー
サが作製される。

なお、酸素拡散層は、ジルコニウム基合金の部材の表面
にのみ形成すればよいので、加熱手段としては、表面の
みに照射する仁とによって表面温度を５００〜１０００
℃に保持できるレーザービーム、電子ビームなども適用
することができる。また、この酸素拡散層の形成は、製
品の仕上げ段階で常用されるオートクレーブ処理を可成
シ長時間施すことによっても達成することができる。更
には、通常のオートクレーブ処理で表面に形成された酸
化物層を、内部に拡散せしめて本発明にかがる酸素拡散
層とすることもできる。

発明の実施例重量比でＳｎ１．２〜１．７％、Ｆｅ０．１８〜０．２
４チ、ＣｒＯ，０７〜０．１３−１残部は実質的にはＺ
ｒから成るジルコニウム基合金から、Ａ８ＴＭ規格　。

Ｂ　３５３−７３に従ってストリップを製造した。

このス）　ＩＪツブから、スペーサ用のディバイ、ダー
、バー、外枠の各部材を打抜き加工した。

゛　これら部材の表面に、電気炉中で、以下の条件で酸
素、拡散層を形成した。温度９ｏｏ℃、酸素分圧２×１
０１０−３ｓｌＨ処理時間５分。

ディバイダーから２０■×７■×０．５■の試片を採取
し、これを５００℃、１　”、０７に９７ｃｍ２の加圧
水、蒸気中に保持し、試片表面の状態変化、試片の腐食
増量、水素含有量変化及び内部組織を観察した。

保持時間４０時間経過しても、表面には白色生成物の発
生は全く認められず、腐食増量は第３図曲線すで示した
ようにその変化が極めて小さくノジュラーコロージョン
に対する耐食性は良好であった。また、第４図曲線すで
示したように、水素含有量もｔ１左んど増量しなかった
。内部組織の顕微鏡観察においても、水素化物Ｚ　ｒＨ
ｘに属する黒色％Ｊ質の量は著しく少量であった。

また、機械的特性においては、本発明にかかる試片は０
．２チ耐力が３８５〜３９５ＭＰａ、引張）強さが５４
９〜５５−３　ＭＰａ、伸びが３１〜３２チ（ロール方
向）であった。酸素拡散層を有しない従来のジルコニウ
ム基合金では、０．２％耐力が３７６　ＭＰａ、引張シ
強さ５３０　ＭＰａ、伸び３３チ（ロール方向）であっ
た、このことから、本発明にかかるジルコニウム基合金
は、従来のものに比べて概ね同等又はそれ以上の機械的
特性を有することが確認された。□ 発明の効果以上の艷載から明らかなように、本発明のスペーサは、
ノジ、ラーコロージ、ンに対する耐食性に優れ、かつ、
機械的特性にも優れたジルコニウム基合金の部材から構
成されているので、実炉運転において、長期に亘ってそ
の機能を全うすることができる。

しかも、そのジルコニウム基合金の製造は、表面に０．
１μｍ〜０．１−の酸素拡散層を形成するだけでよく、
その製造に当っては新らたな大規模な工程を付加すると
とが不要なので、経済的であシその工業的価値は大きい
。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料集合体の一部切欠縦断面図、第２図はスペ
ーサの一部の平面図である。第３図はジルコニウム基合
金の腐食試験における腐食増量の時間変化を示し、第４
図は水素含有量の経時変化を示す図である。１・・・上部タイプレート、２・・・下部タイプレート
、３・・・燃料棒、４・・・スペーサ、５・・・チャン
ネルボックス、６−・・外枠、７・・・パー、８・・・
ディバイダー、９・・・ランタンスプリング、１０・・
・８字スプリング、１１・・・突起Ａ１１２・・・突起
Ｂ１１３・・・球状突起。第３図鍋衾吟閉　（棺）ｉ第４ｖＡ廊、を時開　（ｈｒｌ−

Claims

【特許請求の範囲】

ランタンスプリング、ディバイダー、バー及び外枠から
成るスペーサにおいて、該ディバイダー、該バー、該外
枠のうち少なくとも１つが、表面に酸素の拡散層を有す
るジルコニウム基合金で構成されていることを特徴とす
るスペーサ。