JPS6055036B2 - 核燃料用複合被覆管およびその製法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃料要素用複合被覆管の熱的および機械的処理
に関するものである。

水を冷却材および減速材として使用する原子炉は公知で
あつて、それらはたとえばエム・エム・エルワキル（Ｍ
．Ｍ．Ｅ■−Ｗａｋｉりの「ニュークリア●パワー●エ
ンジニアリング（ＮｕｃｌｅａｒＰｃｗｅｒＥｎｇｉｒ
）Ｅｅｒｉｎｇ）」（マグローヒル社、１９６２年）中
において論じられている。

かかる原子炉用の燃料要素は、一般にはジルコニウム合
金（たとえばジルカロイー２）のごとき適当な金属で製
造された細長い保護者覆管の中に酸化ウランおよび（ま
たは）酸化プルトニウムペレットを収容したものから成
るのが通例である。

このような燃料要素はたとえば米国特許第３３６５３７
１号明細書中に示されている。

燃料要素被覆管の早期破損を防止しかつそれの機械的有
効寿命を延長するため、柱状に配列された燃料ペレット
と被覆管の内面との間に各種の保護隔壁を設けることが
提晶されている。それらの隔壁の中には、ジルコニウム
合金製被覆管の内面に金属ジルコニウムの層を接合した
ものがある。ベルギー特許第８３５４８１号明細書中に
は、被覆管の内面に接合された隔壁がほぼ純粋な金属ジ
ルコニウムの層から成る場合が記載されている。またベ
ルギー特許第８７０３４汚明細書中には、かかる隔壁が
海綿ジルコニウムのごとき純度の低い金属ジルコニウム
の層から成る場合が記載されている。内面に接合された
隔壁を有する被覆管の従来の製造方法によれば、ジルコ
ニウム合金製の中空ビレツトに隔壁用の金属ジルコニウ
ム製スリーブにはめ込んだ後、この複合材の同時押出し
が行われる。

次いで、ピルガー管絞り機のごとき装置において複数回
のバスを施す冷間加工により、複合材の直径が所望の最
終値にまで縮小される。各回のバス後には、ジルコニウ
ム合金をほぼ完全に再結晶させるのに十分な温度および
時間を用いた熱処理によつて複合材の焼なましを行うの
が通例である。しかるに、ジルコニウム合金の完全な再
結晶のために必要な焼なまし温度および時間を用いると
、金属ジルコニウムの隔壁中において結晶粒の成長が起
こるので望ましくないことが判明した。

さて本発明の１つの特徴に従えば、最終の絞り工程後に
おける複合材の熱処理に当つては、金属ジルコニウム層
の実質的に完全な再結晶をもたらしてその内部に微細な
顕微鏡組織を与えると同時にジルコニウム合金の応力除
去を可能にするがそれの完全な再結晶はもたらさないよ
うな温度および時間が使用される。本発明の別の特徴に
従えば、たとえばショットピーニング技術を用いて複合
材のジルコニウム層の表面に圧縮変形を加えることによ
り、複合管のジルコニウム合金を変形せずに、金属ジル
コニウム層の結晶組織を随意“に改善することもできる
。

本発明は添付の図面を参照しながら以下に一層詳しく説
明される。第１および２図に示されるよな原子炉用の燃
料要素１１は柱状に配列された燃料ペレット１３および
それを収容する細長い複合被覆管１２から成つていて、
その両端は下部端栓１４および上部端栓１６によつて密
封されている。

燃料の縦方向の膨張を可能にしかつ原子炉内での運転に
際して燃料から放出されるガスを収容する余地を与える
ためプレナム空間１７が設けられている。

最上部の燃料ペレットと上部端栓１６との間にはスプリ
ング１８が配置され、それによつて燃料ペレットが所定
の位置に保持されている。第２図において最も良くわか
る通り、燃料ペレットの直径に対する複合被覆管１２の
寸法は、燃料ペレットと被覆管の内面との間に環状の間
隙１９が得られるように決定されている。本発明の好適
な一実施態様に従えば、複合被覆管１２はジルコニウム
合金製の被覆管２１およびその内面に対して冶金的に接
合された金属ジルコニウムの隔壁２２を含んである。

被覆管２１用として適するジルコニウム合金にはジルカ
ロイー２およびジルカロイー４がある。

ジルカロイー２は約１．５（重量）％のスズ、０．１２
（重量）％の鉄、０．０９（重量）％のクロム、０．０
０５（重量）％のニッケルおよび残部のジルコニウムか
ら成るものである。ジルカロイー４はジルカロイー２に
比べてニッケル含量が少ないが、鉄含量はやや多い。い
ずれの場合にみ、かかる合金はジルコニウム以外の成分
を５０００ｐｐｍより多量に含有している。複合被覆管
１２の厚さの約１〜約３０％を占める隔壁２２は限られ
た不純物含量を有する金属ジルコニウムから成つている
。

すなわち、かかる材料は５００ｐｐｍ未満の不純物含量
を有する実質的に純粋な（つまり高純度の）金属ジルコ
ニウムから最高５０００ｐｐｍまで好ましくは約４２０
０ｐｐｍ未満の不純物含量を有する金属ジルコニウムに
までわたり得る。不純物のうち、酸素はできるだけ少な
くすべきであつて、その含量は２００ｐｐｍ以下から最
高約１２００ｐｐｍまでの範囲内に保たなければならな
い。

その他の不純物は市販の原子炉用海綿ジルコニウムに関
する規準範囲内にあればよい。それらを列挙すれば、ア
ルミニウムは７５ｐｐｍ以下、ホウ素は０．４ｐｐｍ以
下、カドミウムは０．５ｐｐｍ以下、炭素は２７０ｐｐ
ｍ以下、クロムは２００ｐｐｍ以下、コバルトは２０ｐ
ｐｍ以下、銅は５０ｐｐｍ以下、ハフニウムは１００ｐ
ｐｍ以下、水素は２５ｐｐｍ以下、鉄は１５００ｐｐｍ
以下、マグネシウムは２０ｐｐｍ以下、マンガンは５０
ｐｐｍ以下、モリブデンは５０ｐｐｍ以下、ニッケルは
７０ｐｐｍ以下、ニオブは１００ｐｐｍ以下、窒素は８
０ｐｐｍ以下、ケイ素は１２０ｐｐｍ以下、スズは５０
ｐｐｍ以下、そしてウランは３．５ｐｐｍ以下である。
金属ジルコニウムの隔壁２２はジルコニウム合金製の被
覆管２２に対して冶金的に接合されている。

詳しく言えば、両者間には強固な結合を生み出すのに十
分な相互拡散が存在するが、界面から約１１２〜１ミル
の範囲外にある隔壁２２が拡散によつて汚染されること
はないものとする。複合被覆管１２の厚さの５〜１５％
程度（特に好ましくは１０％）を占める隔壁２２が存在
すれば、腐食性核分裂生成物に対するジルコニウム合金
製被覆管２１の暴露は防止されることが判明している。

隔壁２２はまた、ジルユニウム合金製の被覆管２１が燃
料ペレットと直接に機械的相互作用を行うことをも防止
し、従つてそれに由来して生じることのある応力を低減
させる。

隔壁２２の望ましい構造特性（たとえば耐力強度や硬度
）は通常のジルコニウム合金の場合よりもかなり低いレ
ベルに維持されることが判明している。実際、照射に際
して金属ジルコニウムの隔壁２２は通常のジルコニウム
合金ほど硬化しない。従つて、初期の耐力強度が小さい
ことを考え合わせると隔壁２２は出力の過渡的変化に際
して塑性変形を示し、そのため燃料要素中におけるペレ
ット由来の応力を除去することが可能となる。燃料要素
中におけるペレット由来の応力とは、たとえば原子炉の
運転温度下で燃料ペレットが膨張して被覆管に接触する
ために生じるようなものである。本発明の複合被覆管は
下記方法のいずれかによつて製造することができる。

第１の方法によれば、被覆管用として選ばれたジルコニ
ウム合金製の中空ビレツトの内部に、隔壁用として選ば
れた金属ジルコニウム製の中空管が挿入される。

かかる集合体に対して爆発接合工程を実施することによ
り、中空管が中空ビレツトに接合される。こうして得ら
れた複合材が通常の管押出し技術に従つて約１０００〜
約１４００のＦ（約？〜約７６０Ｃ）の高温下で押出さ
れる。次いで、押出し後の複合材に対して通常の管絞り
工程を含む加工操作を施すことにより、所望寸法の複合
被覆管が得られる。第２の方法によれば、被覆管用とし
て選ばれたジルコニウム合金製の中空ビレツトの内部に
、隔壁用として選ばれた金属ジルコニウム製の中空管が
挿入される。

かかる集合体に対してたとえば１４００′Ｆ（７６０℃
）で約８時間の加熱工程を実施することにより、中空管
と中空ビレツトとの間の拡散接合が達成される。こうし
て得られた複合材が通常の管押出し技術に従つて押出さ
れる。次いで、押出し後の複合材に対して通常の管絞り
工程を含む加工操作を施すことにより、所望寸法の複合
被覆管が得られる。第３の方法によれば、被覆管用とし
て選ばれたジルコニウム合金製の中空ビレツトの内部に
、隔壁用として選ばれた金属ジルコニウム製の中空管が
挿入される。

かかる集合体が通常の管押出し技術に従つて押出される
。次いで、押出し後の複合材に対して通常の管絞り工程
を含む加工操作を施すことにより、所望寸法の複合被覆
管が得られる。出発材料の寸法は、所望の複合被覆管製
品における隔壁および被覆管本体の横断面積の比によつ
て決定される。

たとえば、最終製品の全横断面積は次式によつて与えら
れる。Ａ，ｐ＝！（０ＤＴｐ２−１Ｄ，ｐ２） ＴＰ４ＦＦ ただし、ＡＴＰは最終製品の全横断面積、０ＤＴＰは最
終製品の外径、そしてＩＤＴｐは最終製品の内径である
。

所望の隔壁の横断面積は次式によつて与えられる。ただ
し、Ａ８Ｆは隔壁の横断面積、０ＤＢＰは隔壁の外径、
そしてＩＤＢｐは隔壁の内径である。

隔壁を含めた当初の中空ビレツトの全横断面積は次式に
よつて与えられる。ただし、Ａ丁！は隔壁を含めた当初
の中空ビレツトの全横断面積、０ＤＴ，は当初の中空ビ
レツトの外径、そして■ＤＴ！は中空ビレツトの内径で
ある。

その場合、当初の隔壁の所要横断面積ＡＢ！は次式によ
つて与えられる。実施例 本発明に基づく複合被覆管１２の製造方法の実施例を以
下に示す。

ジルコニウム合金製被覆管用のビレツトおよび金属ジル
コニウム隔壁用のインサートの機械加工、清浄操作およ
び組立てを常法に従つて実施する。

なお、それらの寸法は熱間押出しブレスにおける集合体
の押出しに適合するように選定される。被覆管用のビル
ツトはＡＳＴＭＢ３５３、グレードＲＡ−１に合致する
通常のジルカロイー２から成るものであり、また隔壁用
のインサートは前述の範囲内の不純物含量を有する金属
ジルコニウムから成るものである。ビレツトおよびイン
サートの内腔は１インチ当り８ミル（２０３ｐ）のテー
パを有するように形成されるから、それらを加圧下では
め込むことによつて対応表面同士の良好な接触が保証さ
れる。かかる機械加工部品の寸法の実例を挙げれば次の
通りである。

すなわち、被覆管用のビレツトについては、長さが９．
０インチ（２２．９ｃｍ）、外径が５．７４インチ（１
４．６ｃｍ）、かつ内径が２．４４インチ（６．２０ｃ
ｍ）である。また隔壁用のインサートについては、外径
が２．４４インチ、かつ内径が１．６６インチ（４．２
２ｃｍ）である。組立てに先立ち、ビレツトおよびイン
サートの接触表面を軽く腐食することによつて痕跡量の
不純物を除去する。

かかる目的にとつて適当な腐食剤は７０ｍ１のＨ２Ｏ、
３０ｍ１のＨＮＯ３（７０％水溶液）および５ｍ１の８
（４８％水溶液）から成る溶液である。押出しに際して
満足すべき結合が得られるようにするため、水銀柱２０
μｍ以下の真空中においてビレツトのテーパ付き内腔に
テーパ付きインサートを圧入することにより集合体の予
備接合を行つてもよい。

その際には、３０〜４５０００ボンド（１３．７〜２０
４００ｋ９）の初期圧力を加えながら約１４００．Ｆ（
７６（代））の温度を８時間にわたつて維持すればよい
。その結果、接触面積の２０〜２５％にわたる結合の得
られることが判明している。押出し時における端部の損
失を少なくするため、予備接合された集合体の各端に長
さ２インチのジルカロイー２製管片を溶接しかつ表面が
平坦となるように機械加工を施してもよい。

このような予備接合済みの集合体を押出して複合材とす
る際には、次のようなパラメータを使用すればよい。

すなわち、押出し速度は６インチ／分、加工度は６：１
、温度は１１００゜Ｆ、そして押出し荷重は３５００ト
ンである。内腔および浮きマンドレルを除く全てのビレ
ツト表面は、１３００′Ｆ（７０４℃）で１時間にわた
る熱処理を受けた水溶性の潤滑剤によつて潤滑すればよ
い。

押出し後、複合材の両端から追加の管片を切除し、次い
て傷の除去および仕上状態の改善のため内面にホーニン
グ仕上を施す。かかる複合材の絞り作業により燃料要素
用として適した寸法の被覆管を得らためには、公知のピ
ルガー管絞り機において３回のバスを施す冷間加工並び
に相次ぐバス間における熱処理および清浄操作を行えば
よい。

典型的な操作手順の諸工程が第３図に示されている。か
かる操作手順は、本発明に基づく変更箇所を別にすれば
従来通りのものである。

そのような変更の根拠およびそれによつて得られる有益
な結果を以下に述べよう。管絞り工程において行われる
激しい冷間加工は金属微結晶の形状のゆがみをもたらし
、そして微結晶の内部に多数の格子欠陥を生み出す。

すなわち、冷間加工後の金属は比較的高いエネルギー状
態にあるのであつて、これは熱的に不安定ある。焼なま
し工程は、熱を用いて金属の原子に可動性を与え、それ
によつてかかる原子を低エネルギー状態に再配列させる
のに役立つ。このような焼なましに影響を及ぼすパラメ
ータは温度および時間であるが、温度の方が鋭敏である
。一般比、焼なまし温度および時間は実質的に完全な再
結晶をもたらすのに十分であるが過度の結晶粒成長を引
起こすには不十分であるように選定される。すなわち、
第３図の操作手順中の焼なまし工程（５）および（８）
に関しては、温度および時間は被覆管２１のジルコニウ
ム合金の実質的に完全な再結晶をもたらすように選定さ
れる。

しかるに、隔壁２２を構成する相対的に純粋な金属はよ
り低い温度で再結晶するから、工程（５）および（８）
において使用されるようなジルコニウム合金に適した通
常の焼なまし温度および時間では完成製品にとつて望ま
しくない程度の結晶粒成長が隔壁２２において見られる
ことになる。

それ故、本発明の１つの特徴に従えば、最終の管絞り工
程後に得られた被覆管材に対して工程（１２）に示され
るごとく低い温度での熱処理が施される。

その場合、工程（１２）の熱処理の温度および時間は隔
壁２２を構成する金属ジルコニウムが実質的に完全な再
結晶を示すが結晶粒の成長は起こさないように選定され
る。

こうして得られた隔壁は微細な等軸結晶組織を有し、従
つて強度および延性の向上、応力腐食割れに対する抵抗
性の増大、並びに高度の塑性安定化を示す。熱処理工程
（１２）の温度および時間はまた、被覆管２１のジルコ
ニウム合金の完全な応力除去を可能にするがそれの完全
な再結晶はもたらさないようにも選定される。

その結果、ジルコニウム合金は管絞り作業によつて生み
出された細長い結晶粒の組織を保持しかつ内部応力の除
去と並んで高いひずみ速度下における強度の増大を示す
という利点が得られることになる。焼なまし工程（２）
、（５）および（８）に適した条件としては、約１００
０〜１３００おＦ（５３８〜７０４℃）の温度で約１〜
１時間好ましくは約１〜４時間の条件が挙げられる。

また熱処理工程（１２）に適した条件としては、約８２
５〜９５０１Ｆ（４４０〜５１０しＣ）で約１〜４時間
の条件が挙げられる。

本発明の別の特徴に従えば、金属ジルコニウムの隔壁の
表面に機械的な圧縮変形を加えることによつてそれの結
晶組織（すなち好適な結晶配向の度合）を随意に改善す
ることもできる。

たとえば、熱処理工程（１２）に先立つて複合材の内側
から隔壁にショットピーニングを施すことにより、ジル
コニウム合金製の被覆管にほとんど変形を加えることな
しに隔壁の圧縮変形を達成することができる。第３図中
に工程（１０）として示されたかかる機械的処理を施せ
ば、底面極（０００２）が複合被覆管の半径方向に沿つ
て高度に整列しているような改善された結晶組織が得ら
れることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は燃料要素の一部断両立面図、第２図は第１図の
燃料要素の横断面図、そして第３図は本発明に基つく管
絞りおよび処理の典型的な操作手順を示す図表である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ジルコニウム以外の成分を約５０００ｐｐｍより多
   量に含有するジルコニウム合金管およびその内面に対し
   て冶金的に接合されかつ不純物含量が５００ｐｐｍ未満
   の金属ジルコニウム層から成る被覆管材で作られ、核燃
   料を収容して原子炉用の燃料要素を構成するのに役立つ
   細長い複合被覆管の製造方法において、（１）一連の管
   絞り工程における冷間加工によつて、前記被覆管材の寸
   法を所望の内径および肉厚にまで縮小し、（２）相次ぐ
   前記管絞り工程の合間においては、前記ジルコニウム合
   金の実質的に完全な再結晶をもたらすのに十分な温度お
   よび時間を用いて前記被覆管材の熱処理を行い、また（
   ３）最終の前記管絞り工程後には、前記金属ジルコニウ
   ム層の実質的に完全な再結晶をもたらしてその内部に微
   細な顕微鏡組織を与えると同時に前記ジルコニウム合金
   の応力除去を可能にするがそれの完全な再結晶はもたら
   さないような低めの温度および時間を用いて前記被覆管
   材の熱処理を行う緒工程から成る方法。 ２ 前記工程（２）の温度および時間がそれぞれ約５３
   ８〜約７０４℃および約１〜約１５時間であり、かつ前
   記工程（３）の温度および時間がそれぞれ約４４０〜約
   ５１０℃および約１〜約４時間である、特許請求の範囲
   第１項記載の方法。 ３ 前記工程（３）に先立つて実質的に一様な圧縮変形
   を前記金属ジルコニウム層の表面に加える工程が追加包
   含される、特許請求の範囲第１または２項記載の方法。 ４ 前記圧縮変形がショットピーニングによつて加えら
   れる、特許請求の範囲第３項記載の方法。５ ジルコニ
   ウム以外の成分を約５０００ｐｐｍより多量に含有する
   ジルコニウム合金管およびその内面に対して冶金的に接
   合された不純物含量が５００ｐｐｍ未満の金属ジルコニ
   ウム層から成り、核燃料を収容して原子炉用の燃料要素
   を構成するのに役立つ細長い複合被覆管において、前記
   金属ジルコニウム層は実質的に完全な再結晶を受けて微
   細な顕微鏡組織を示しており、また前記ジルコニウム合
   金管は実質的に完全な応力除去を示すが完全な再結晶は
   受けていないようにした複合被覆管。 ６ 前記金属ジルコニウム層の表面に圧縮変形が加えら
   れている。 特許請求の範囲第５項記載の複合被覆管。７ 前記圧縮
   変形がショットピーニングによつて加えられたものであ
   る、特許請求の範囲第６項記載の複合被覆管。