JPS6123264B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPS6123264B2 JPS6123264B2 JP58157610A JP15761083A JPS6123264B2 JP S6123264 B2 JPS6123264 B2 JP S6123264B2 JP 58157610 A JP58157610 A JP 58157610A JP 15761083 A JP15761083 A JP 15761083A JP S6123264 B2 JPS6123264 B2 JP S6123264B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- tube
- nuclear fuel
- cladding tube
- zirconium alloy
- zirconium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
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Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
- C22F1/186—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of zirconium or alloys based thereon
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (AREA)
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は核燃料ペレツトを装填する核燃料被覆
管の製造方法に係り、特に核燃料被覆管の耐食性
と機械的特性の向上を図つたものである。
管の製造方法に係り、特に核燃料被覆管の耐食性
と機械的特性の向上を図つたものである。
一般にジルカロイ―２、ジルカロイ―４などの
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核燃料被覆管
として多く用いられている。
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核燃料被覆管
として多く用いられている。
この核燃料被覆管１は第１図および第２図に示
すように、ジルコニウム合金管で形成され、内部
にはペレツト状に形成された、例えば酸化ウラン
あるいは酸化プルトニウムなどの核燃料ペレツト
２が複数個積層充填され、更にこの核燃料ペレツ
ト２は、前記被覆管１の上部端栓３に一端が当接
したスプリング４により固定されている。
すように、ジルコニウム合金管で形成され、内部
にはペレツト状に形成された、例えば酸化ウラン
あるいは酸化プルトニウムなどの核燃料ペレツト
２が複数個積層充填され、更にこの核燃料ペレツ
ト２は、前記被覆管１の上部端栓３に一端が当接
したスプリング４により固定されている。
しかしながら、これらジルコニウムの合金で形
成された核燃料被覆管は、その使用時間の経過と
ともに、いわゆるノジユラーコロージヨンと呼ば
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、被
覆管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つた。
成された核燃料被覆管は、その使用時間の経過と
ともに、いわゆるノジユラーコロージヨンと呼ば
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、被
覆管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つた。
このような問題を解決するため、従来は、仕上
りの被覆管寸法に管絞り工程を行つたジルコニウ
ム合金管を、最終の熱処理工程において、β焼入
する方法（特開昭55−100947）およびジルコニウ
ム合金管の表面を急熱溶融後急冷する方法（特開
昭55−50453）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管の少なくとも
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
ーコロージヨン性を向上させるものである。
りの被覆管寸法に管絞り工程を行つたジルコニウ
ム合金管を、最終の熱処理工程において、β焼入
する方法（特開昭55−100947）およびジルコニウ
ム合金管の表面を急熱溶融後急冷する方法（特開
昭55−50453）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管の少なくとも
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
ーコロージヨ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
ジユラーコロージヨン性を向上させる反面、被覆
管としての機械的特性が劣化する上、肉厚が0.8
mm、長さが４ｍもの細長い管であるため、焼入時
に曲りやねじれを生ずる問題があり、満足すべき
ものではなかつた。
ジユラーコロージヨン性を向上させる反面、被覆
管としての機械的特性が劣化する上、肉厚が0.8
mm、長さが４ｍもの細長い管であるため、焼入時
に曲りやねじれを生ずる問題があり、満足すべき
ものではなかつた。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みなされた
もので、優れた耐ノジユラーコロージヨン性を有
すると共に、機械的特性にも優れ、しかも曲りや
ねじれの少ない核燃料被覆管の製造方法を提供す
るものである。
もので、優れた耐ノジユラーコロージヨン性を有
すると共に、機械的特性にも優れ、しかも曲りや
ねじれの少ない核燃料被覆管の製造方法を提供す
るものである。
本発明はジルコニウム合金管を所定の内径およ
び肉厚まで縮少する管絞り工程を行つた後、最終
の熱処理として、ジルコニウム合金管をα領域の
高温に急加熱して、短時間保持した後、直ちに急
冷することを特徴とするものである。
び肉厚まで縮少する管絞り工程を行つた後、最終
の熱処理として、ジルコニウム合金管をα領域の
高温に急加熱して、短時間保持した後、直ちに急
冷することを特徴とするものである。
以下本発明を詳細に説明する。
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〜
0.20％、クロム0.05〜0.15％、ニツケル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％、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―１％ニオブ系、またはオーゼナイ
トなどのジルコニウム合金に適用することができ
る。
は、例えば重量比でスズ1.2〜1.7％、鉄0.07〜
0.20％、クロム0.05〜0.15％、ニツケル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％、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―１％ニオブ系、またはオーゼナイ
トなどのジルコニウム合金に適用することができ
る。
次に本発明被覆管の製造方法について説明す
る。
る。
被覆管はジルコニウム合金を溶解、鍛造して中
空ビレツトを形成し、次いで熱間押出した後、冷
間加工による管絞り工程を経て、仕上りの内径お
よび肉厚まで縮少する。この冷間加工による管絞
り工程は、中間に焼鈍を組み合せて、３〜４回の
パスを経て、最終焼鈍を行なう。最終焼鈍の温度
は通常580℃近傍で約２時間半加熱して行うが、
このようにして得られた被覆管は残留歪がなく、
また結晶構造はα相（六方晶形）である。
空ビレツトを形成し、次いで熱間押出した後、冷
間加工による管絞り工程を経て、仕上りの内径お
よび肉厚まで縮少する。この冷間加工による管絞
り工程は、中間に焼鈍を組み合せて、３〜４回の
パスを経て、最終焼鈍を行なう。最終焼鈍の温度
は通常580℃近傍で約２時間半加熱して行うが、
このようにして得られた被覆管は残留歪がなく、
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
加したものである。
においては、最終焼鈍後に、次の熱処理工程を付
加したものである。
最終焼鈍したジルコニウム合金管を、例えば高
周波加熱により、表面部をα領域の780〜860℃ま
で急加熱して、数秒間保持した後、急冷して、表
面部に圧縮応力を残留させるものである。このよ
うに急加熱、急冷を行なうと、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を受けながら冷却す
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こす。
しかも中心部まで室温になつた時には、表面部は
中心部に比べて、変形分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つ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、中心部
は引張応力が働いて、つり合つた状態となる。
周波加熱により、表面部をα領域の780〜860℃ま
で急加熱して、数秒間保持した後、急冷して、表
面部に圧縮応力を残留させるものである。このよ
うに急加熱、急冷を行なうと、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を受けながら冷却す
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こす。
しかも中心部まで室温になつた時には、表面部は
中心部に比べて、変形分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つ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、中心部
は引張応力が働いて、つり合つた状態となる。
このように表面部に圧縮応力が残留した場態
で、結晶構造がα相のままでも、耐ノジユラーコ
ロージヨン性が向上する理由について詳らかでは
ないが、圧縮応力が加つた状態では、結晶格子が
密につまつているため、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
積が防止され、耐ノジユラーコロージヨン性が向
上するものである。
で、結晶構造がα相のままでも、耐ノジユラーコ
ロージヨン性が向上する理由について詳らかでは
ないが、圧縮応力が加つた状態では、結晶格子が
密につまつているため、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
積が防止され、耐ノジユラーコロージヨン性が向
上するものである。
なお本発明において加熱温度を780〜860℃のα
領域に限定した理由は、この温度範囲に加熱して
急冷することにより８〜46Kg／mm2の圧縮応力が残
留し、特に残留圧縮応力が20Kg／mm2以上で効果的
な耐ノジユラーコロージヨン性が得られる。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℃を越えるとβ領域となり、急
冷すると焼入が行われて、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、しか
も機械的特性が劣化するからである。
領域に限定した理由は、この温度範囲に加熱して
急冷することにより８〜46Kg／mm2の圧縮応力が残
留し、特に残留圧縮応力が20Kg／mm2以上で効果的
な耐ノジユラーコロージヨン性が得られる。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℃を越えるとβ領域となり、急
冷すると焼入が行われて、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、しか
も機械的特性が劣化するからである。
また本発明では被覆管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45Kg／mm2のジ
ルコニウム合金からなる被覆管に、本発明の熱処
理を施して圧縮応力を20Kg／mm2残留させると、65
Kg／mm2までの外部応力で破断せずに耐えられるこ
とになる。更に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なり、特に
沸騰高温水中に長時間曝らされる核燃料被覆管に
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。
しているので、例えば引張強さが約45Kg／mm2のジ
ルコニウム合金からなる被覆管に、本発明の熱処
理を施して圧縮応力を20Kg／mm2残留させると、65
Kg／mm2までの外部応力で破断せずに耐えられるこ
とになる。更に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なり、特に
沸騰高温水中に長時間曝らされる核燃料被覆管に
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。
ジルカロイ―２を用い、通常の溶解、鍛造によ
り中空ビレツトを形成した後、熱間押出しを行
い、次いで４回の冷間加工による管絞絞りと、真
空焼鈍を繰り返して最終の仕上り形状とした。
り中空ビレツトを形成した後、熱間押出しを行
い、次いで４回の冷間加工による管絞絞りと、真
空焼鈍を繰り返して最終の仕上り形状とした。
次にこの被覆管を、サイリスタ式の高周波加熱
炉を用いて、急速加熱して表面を800℃に加熱し
た。この場合炉内滞留時間（保持時間）は約５秒
であつた。この後、直ちに水冷して急速冷却を行
つた。
炉を用いて、急速加熱して表面を800℃に加熱し
た。この場合炉内滞留時間（保持時間）は約５秒
であつた。この後、直ちに水冷して急速冷却を行
つた。
次いで表面の酸化膜を研麿除去して被覆管を製
造した。
造した。
このようにして得られた被覆管を、500℃、105
気圧の高温高圧水蒸気中に放置して、加速腐食試
験を行なつて耐食性を調べた。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、僅かであつた。
気圧の高温高圧水蒸気中に放置して、加速腐食試
験を行なつて耐食性を調べた。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、僅かであつた。
また機械的特性を調べるため、耐力と伸びを調
べたところ、耐力は42.8Kg／mm2、伸びは32.9％
で、優れたクリープ特性を有することが確認され
た。
べたところ、耐力は42.8Kg／mm2、伸びは32.9％
で、優れたクリープ特性を有することが確認され
た。
更に本発明被覆管の表面応力状態を見るためＸ
線により残留圧縮応力を測定したところ、28Kg／
mm2であつた。なおこの場合のＸ線測定はCrKα
（クロムケアルフアー）線を用い（2022）面から
の回析線を用いて行なつた。
線により残留圧縮応力を測定したところ、28Kg／
mm2であつた。なおこの場合のＸ線測定はCrKα
（クロムケアルフアー）線を用い（2022）面から
の回析線を用いて行なつた。
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被覆管についても同様
に加速腐食試験を行つた。
ら熱処理を行わない従来の被覆管についても同様
に加速腐食試験を行つた。
この結果、腐食による増量は第３図のグラフに
曲線ｂ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を調べたところ耐力は42.8
Kg／mm2、伸びは32.9％であり、本発明の実施例品
と同等であつた。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つた。
曲線ｂ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を調べたところ耐力は42.8
Kg／mm2、伸びは32.9％であり、本発明の実施例品
と同等であつた。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つた。
以上説明した如く、本発明による核燃料被覆管
の製造方法のよればα領域から急冷して、表面に
圧縮応力を残留させることにより、耐ノジユラー
コロージヨン性と機械的特性の向上が図れると共
に、β領域からの焼入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
度にも優れているなど顕著な効果を有するもので
ある。
の製造方法のよればα領域から急冷して、表面に
圧縮応力を残留させることにより、耐ノジユラー
コロージヨン性と機械的特性の向上が図れると共
に、β領域からの焼入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
度にも優れているなど顕著な効果を有するもので
ある。
第１図は核燃料被覆管の内部に核燃料ペレツト
を装填した燃料棒の縦断面図、第２図は第１図の
拡大水平断面図、第３図は本発明による被覆管と
従来方法による被覆管との腐食増量の時間変化を
示すグラフである。 １……被覆管、２……核燃料ペレツト、３……
上部端栓、４……スプリング、５……下部端栓。
を装填した燃料棒の縦断面図、第２図は第１図の
拡大水平断面図、第３図は本発明による被覆管と
従来方法による被覆管との腐食増量の時間変化を
示すグラフである。 １……被覆管、２……核燃料ペレツト、３……
上部端栓、４……スプリング、５……下部端栓。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ ジルコニウム合金管を、中間の熱処理を行い
ながら複数回のパスを順次経て、所定の内径およ
び肉厚まで縮小する管絞り工程を行つた後、最終
の熱処理として、ジルコニウム合金管の表面をα
領域の高温に急加熱して、短時間保持した後、直
ちに急冷することを特徴とする核燃料被覆管の製
造方法。 ２ α領域での加熱温度を780〜860℃としたこと
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の核燃料
被覆管の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58157610A JPS6050155A (ja) | 1983-08-29 | 1983-08-29 | 核燃料被覆管の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58157610A JPS6050155A (ja) | 1983-08-29 | 1983-08-29 | 核燃料被覆管の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6050155A JPS6050155A (ja) | 1985-03-19 |
| JPS6123264B2 true JPS6123264B2 (ja) | 1986-06-05 |
Family
ID=15653485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58157610A Granted JPS6050155A (ja) | 1983-08-29 | 1983-08-29 | 核燃料被覆管の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6050155A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2584097B1 (fr) * | 1985-06-27 | 1987-12-11 | Cezus Co Europ Zirconium | Procede de fabrication d'une ebauche de tube de gainage corroyee a froid en alliage de zirconium |
| US6126762A (en) * | 1998-03-30 | 2000-10-03 | General Electric Company | Protective coarsening anneal for zirconium alloys |
-
1983
- 1983-08-29 JP JP58157610A patent/JPS6050155A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6050155A (ja) | 1985-03-19 |
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