JPS6050133A - ジルコニウム合金製原子炉炉心部材 - Google Patents

ジルコニウム合金製原子炉炉心部材

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JPS6050133A
JPS6050133A JP58157601A JP15760183A JPS6050133A JP S6050133 A JPS6050133 A JP S6050133A JP 58157601 A JP58157601 A JP 58157601A JP 15760183 A JP15760183 A JP 15760183A JP S6050133 A JPS6050133 A JP S6050133A
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zirconium alloy
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compressive stress
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東中川 恵美子
Kanemitsu Sato
佐藤 金光
Junko Kawashima
川島 純子
Yoshinori Kuwae
桑江 良昇
Tadashi Sakuyama
作山 忠
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  • Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (AREA)

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、原子炉の炉心部材あるいは化学装置の構造材
など耐食性を要求される構造材として用いられる耐食ジ
ルコニウム合金に関するものである。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
一般にジルカロイ−2、ジルカロイ−4fx、どのジル
コニウム合金は、熱中性子吸収断面積が小さいこと、原
子炉内環境に対する耐食性に優れていること、構造材料
として機械的性質を充分に備えていることなどの理由か
ら原子炉の炉心部材として多く用いられている。
例えば、軽水炉の燃料集合体の場合、第1図に示すよう
な構造となっている。この燃料集合体は上部タイプレー
ト1と、下部タイグレート2との間に核燃料ペレット′
f!:被覆管3内に装填した複数本の核燃料棒4が取付
けられている。
これら核燃料棒4は、適宜の間隔で水平に配置されたス
ペーサー5に挿着支持されて整列し、横方向への移動が
抑制されていると共に、核燃料棒4間に冷却材の流路を
形成するようになっている。これら全体はチャンネルボ
ックス6内に収納されて一体となっている。この燃料集
合体は、−基の原子炉に数百本装荷されている。
前記スペーサー5は第2図に示すように、外枠7で囲ま
れた四角平面の中に、縦横に配置した複数本のパー8と
、複数本のディバイダー9が、水平面で交差して格子状
に形成されている。
またパー8とディバイダー9の端部は外枠7に溶接され
、更にパー8とパー8およびディバイダー9とディバイ
ダー9との交差点も溶接により固定されている。パー8
とパー8の交差点にハ、夫々四角枠状にランタンスプリ
ング10が支持されている。このようにして、複数個の
小仕切りが形成され、この小仕切りの中に第1図に示す
燃料棒4が挿着されるようになっている。
これら燃料集合体を形成する炉心部材のうち、例えば、
チャンネルボックス6や燃料被覆管3、あるいはランタ
ンスプリングツO’fr:除<ス被−サー5の構成部材
などの炉心部材は、一般にジルカロイ−2やゾルカロイ
−4などのジルコニウム合金か用いられている。
しかしなから、これらジルコニウム合金で形成された炉
心部材は、その使用時間の経過とともに、いわゆるノジ
ュラーコ四−ジョンと呼ばれる腐食反応による白色腐食
生成物が、その表面に斑点状に生成してくることがある
。これはジルコニウム合金が高温水と反応し、この表面
に酸化膜が形成された状態で、生成された水素が合金基
材と表面の酸化膜との間に蓄積して腐食生成物を形成す
るものである。この腐食生成物は、経時的に表面に集積
し、ついには表面から剥離して、合金部材の強度低下を
招くおそれがある。また生成された水素が合金内部に侵
入するとジルコニウムの水素化物が形成され、これが表
面と垂直方向に形成されると、連続した水素化物による
、いわゆる水素脆性の問題があった0 このような問題を解決するため、ジルコニウム合金を溶
解、鍛造、熱間押出、冷間加工、焼鈍など一連の工程全
経て、最終の焼鈍工程において、β焼入する方法(特開
昭55−100947)およびジルコニウム合金部材の
表面を急熱溶融後、急冷する方法(特開昭55−504
53)などが提案されている。これらの方法は、何れも
ジルコニウム合金部材の少なくとも表面部の結晶構造を
焼入により、針状結晶粒のβ相(体心立方格子)に変え
ることにより耐ノジユラーコロ−ジョン性を向上させる
ものである。
しかしながら、これら焼入による方法は、耐ノジユラー
コロ−ジョン性を向上させる反面1炉心部材としての機
械的特性が劣化する上、肉厚が1咽程度以下の薄板で長
尺であるため、焼入時に曲りやねじれを生ずる問題があ
り、満足すべきものではなかった。
〔発明の目的〕
本発明は、かかる従来の問題点に艦みなされたもので、
優れた耐ノジーラーフロージョン性を有すると共に、機
械的特性にも優れ、しかも曲りやねじれか少なく、原子
炉の炉心部材や化学装置の構造材として好適な耐食ジル
コニウム合金を提供するものである。
〔発明の概要〕
本発明はジルコニウム合金の結晶構造がα相で形成され
、表面に圧縮応力が残留していることにより耐ノジュラ
ーコロ−ジョン性と機械的特性を向上させることを特徴
とするものである。
以下本発明の詳細な説明する。
本発明において用いるジルコニウム合金としては、例え
ば重量比でスズ1.2〜1.7%、鉄0.07〜0.2
0%、りOムo、05〜0.15%、ニッケル0.03
〜0.08%、残部ジルコニウムよりなるジルカロイ−
2と呼称されているもの、スズ1.2〜1.7%、鉄0
.18〜0.24チ、クロム0.07〜0.13%、残
部ジルコニウムよりなるジルカロイ−4と呼称されてい
るもの、あるいはジルコニウム−2,5%ニオブ系、ジ
ルコニウム−lチニオブ系、まなはオーゼナイトなどの
ジルコニウム合金に適用することができる。
次に本発明ジルコニウム合金の製造方法を説明する。
ジルコニウム合金を溶解、鍛造、熱間W出した後、冷間
加工と焼鈍とを複数回繰り返して行う・最終焼鈍の温度
は通常580℃近傍で約2時聞手加熱して行うか、この
ようにして得られたジルコニウム合金は残留歪がなく、
また結晶構造はα相(六方晶形)である。
ここまでは従来の方法と同一であるが、本発明において
は、最終焼鈍後に、次の熱処理工程を付加することによ
り、表面に圧縮応力全残留させたものである。
最終焼鈍したジルコニウム合金全11例えば高周波加熱
により、表面部全α領域の780〜860℃まで急加熱
して、数秒間保持した後、急冷することにより、結晶構
造はα相のままで細かい球状の結晶粒のままで且つ表面
に圧縮応力全残留させることができる。
このように急加熱、急冷を行うと、内部に大きな温度差
を生じ、表面部は内部の高温部を包んで冷却するため自
由に収縮できない。この結果、表面部は内部の高温部の
ために張力全骨けながら冷却する。冷却初期においては
、温度は比較的高いから降伏点が低く、表面部は多少永
久変形を起す。しかも中心部まで室温になった時には、
表面部は中心部に比べて変形外だけ伸び過ぎていること
になり、これが内部からの収縮力を受け、最終的には、
表面部は中心部によって圧縮された状態となる。即ち表
面部には圧縮応力が残留し、中心Nは引張応力が働いて
、つり合った状態となる。
このように表面部に圧縮応力が残留した状態で、結晶構
造がα相のままでも、耐ノジユラーコロ−ジョン性が向
上する理由については詳らかではないが、圧縮応力が加
った状態では、結晶格子が密につまっているため、表面
から内部へ酸素が拡散しにくくなるためであると考えら
れる。このように酸素の拡散が阻止されると酸化膜が形
成されにくくなり、酸化膜と合金表面との間の水素の蓄
積か防止され、耐ノジユラーコロ−ジョン性が向上する
ものである。
なおα領域での加熱温度は780〜860℃とし、ここ
に短時間保持した後、急冷すると、表面に8〜46 k
g / tea2 の圧縮応力が残留し、特に残留・圧
縮応力が20kgZ■2以上で、効果的な耐ノジユラー
コロ−ジョン性が得られる。
この場合780℃未満の加熱では、充分な圧縮応力が残
留せず、また860℃全越えると、β領域となり、急冷
すると焼入が行なわれて、表面層がβ相(体心立方格子
)になる上、曲りやねじれが大きく、シかも機械的特性
が劣化するからである〇 また本発明ジルコニウム合金の表面に、圧縮応力が残留
しているので、例えば引張強さが約45 kli’ /
 111112 のジルコニウム合金からなる被覆管に
、上記方法により圧縮応力を20 kg / tea”
残留させると、55 klil / mm2 の外部応
力まで破断せずに耐えられることになる。
更に本発明合金は圧縮応力が残留していることにより耐
力が大きくなると共に、伸びが小さくなり、特に沸騰高
温水中に長時間曝らされる原子炉炉心部材や、化学装置
の構造材において、強度、クリープ特性など、機械的特
性の改善効果が大きい。
〔発明の実施例〕
ジルカロイ−4を用い、通常の溶解、鍛造を行って、ビ
レッhTh形成した後、熱間押出し全行い、次いで冷間
圧延と真空焼鈍を4回繰り返して、板材を形成した〇 次にこの板材をサイリスタ式の高周波加熱炉を用いて、
その表面層800℃に急速加熱した。
この場合、炉内滞留時間(保持時間)は約5秒であった
。この後、直ちに水冷して急速冷却を行った。次に、表
面の酸化膜全研磨除去して仕上げた。
このようにして得られた板材を、500℃、105気圧
の高温高圧水蒸気中に放置して、加速腐食試験に行って
耐食性’を調べた。この結果は第3図のグラフに曲線a
で示すように腐食による増量は48時間経過後も僅かで
あった。
また機械的特性音調べるため、耐力と伸びを調べたとこ
ろ、耐力は42.8 kg/ mm2、伸びは32.9
チで、優れたクリープ特性を有することが確認された。
更に本発明板材の表面応力状態全見るため、X線により
残留圧縮応力を測定したところ、28 kg/ mm2
 であった。なおこの場合のX線測定はCrKα(クロ
ムケアルファー)線を用い(2022)面からの回折線
2用いて行った。
次に本発明と比較するために、最終焼鈍後、何ら熱処理
を行わない従来のジルコニウム合金板材についても同様
に加速腐食試験全行った。
この結果、腐食による増量は第3図のグラフに曲線すで
示すように急激な増加カーブを画いた。また同様に機械
的特性音調べたところ耐力は42.7kl?/陥2、伸
びは32,9チであり、本発明の実施例と同等であった
。またX線による圧縮応力の測定では残留が認められな
かった。
〔発明の効果〕
以上説明した如く、本発明に係る耐食ジルコニウム合金
によれば、表面に圧縮応力を残留させることにより、耐
ノジユラーコロ−ジョン性と、機械的特性の向上が図れ
ると共に、従来のβ領域からの焼入によるβ相の形成に
比べて低温度からの急冷であるため、曲りやねじれの発
生が少なく寸法精度にも修れているなど顕著な効果金屑
するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は燃料集合体の一部全切欠して示す縦断面図、第
2図はスペーサーの要部を示す平面材と従来の板材との
腐食増量の時間変化を示すグラフである。 1・・・上部タイプレート、2・・・下部タイプレート
、3・・・被覆管、4・・・核燃料棒、5・・・スペー
サー、6・・・チャンネルボックス、7・・・外枠、g
・・・パー、9・・・ディバイダー、10・・・ランタ
ンスプリング。 出願人代理人 弁理士 鈴 江 武 彦@1図 第2図 第3図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) ジルコニウム合金の結晶構造がα相で形成され
    、表面に圧縮応力が残留していることを特徴とする耐食
    ジルコニウム合金。
  2. (2)残留圧縮応力が2 Q kg / mm2以上で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の耐食
    ジルコニウム合金。
JP58157601A 1983-08-29 1983-08-29 ジルコニウム合金製原子炉心部材 Expired - Lifetime JPH079054B2 (ja)

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