JP2000508767A - 核燃料棒被覆の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 次の工程を含んでいる、核燃料棒被覆の製造方法が開示されている。第一に、ジルコニウム基金属の少なくとも二つの層を、荒い円筒状多孔性ビレットを提供するように、ほぼ円筒状の基材上にスプレイディポジットする。各層のジルコニウム基金属は、隣接した層とは異なり、所望の特性を兼ね備えさせるよう選択する。次に、スプレイティポジットされた材料から基材を取り除くことにより、長尺なチューブ空洞を提供する。多孔を除去して、チューブ空洞を実質的に濃密度に密度を高めさせ且つチューブ空洞を所望のサイズに縮小させるために、スプレイディポジットした材料を次に公知の方法で圧密させる。別の工程において、圧密工程中にチューブ空洞に生じた応力を除去するため及び濃密にされたジルコニウム基金属層が複数の所望の特性を兼ね備えるようにさせるために選択された時間及び温度条件下で、圧密されたチューブ空洞を焼なましする。

Description

【発明の詳細な説明】 核燃料棒被覆の製造方法 発明の分野 本発明は、原子炉の燃料棒、特に、そのような燃料棒の被覆の製造方法に関す るものである。 発明の背景 原子炉の燃料棒は、現在二つの基本的な形式に製造されている。その第一のも ので、沸騰水型原子炉(BWR)と加圧水型原子炉(PWR)の双方に用いられるものは、 ジルカロイ−２合金又はジルカロイ−４合金のいずれかから作られた単一合金チ ューブ被覆を有している。第二のものは、ＢＷＲにおいてのみ用いられるバイメ タルチューブである。この第二のタイプのものは、ジルカロイ−２の外層を備え た、純粋なジルコニウム又は低スズのジルコニウム合金から作られたインナーラ イナーを含む被覆を有している。 インナーライナーを備えた核燃料棒は、バリヤー棒(barrier rod)と呼ばれて いる。その「バリヤー」の基本的目的は、核燃料ペレットが膨張することのでき る純粋な又は実質的に純粋なジルコニウムの軟質層を提供することにある。その 構造によって、原子炉の運転中に核燃料ペレットが膨張した時に硬くて脆いジル カロイ外殻が割れるのを防止する。燃料ペレットの膨張から起こる割れの関係は 、ペレットクラッド相互作用（pellet clad interaction(PCI)）である。割れた 核燃料棒は、原子炉冷却水システムのパイピングの近くで高度の放射レベル(rad iation level)を起こす原子炉水システムに核分裂生成物を放出する。 両タイプの核燃料棒は、同じ基本的方法を用いて作られている。ジルコニウム 又はジルコニウム合金を溶解させてビレットを鍛造し、そのビレレットをガンド リルで加工す る。押出し又はチューブリダクション(tube reduction)に依るように、ガンドリ ルで加工したビレットを次に最終断面寸法のものに機械加工する。燃料被覆が「 バリヤー」ライナーを有する場合には、ライナー材料のビレットと外層材料のビ レットとを注意深く機械加工し、洗浄し、組み立てる。次に、二つのビレットを 一緒に押出し（この処理は、共同押出し加工(co-extrusion)と呼ばれている。） して、大ざっぱな径のものにする。次に、その大ざっぱに仕上げたフォームをチ ューブリダクションして最終寸法のものにする。 実際問題として、共同押出し技術には多くの欠点がある。その方法に付随する 最大の問題点は、インナーライナーと外殻とが、それらの界面において均一で完 全な冶金接合を屡々構成しないことである。適切な冶金接合を構成することがで きないのは、通常、組立前の洗浄が不十分であるか又はインナーライナーと外殻 との間の馴染み(fit)が不十分であることによるものである。 その公知の調製技術に付随する別の問題点は、ガンドリルによる加工を行うた めに、結果として可成りの量の廃棄材料が発生することである。更に、ジルコニ ウム合金ビレットを核燃料棒に適した適切な寸法にするべく縮小させるには可成 りの時間と労力が必要となる。 上述の点に鑑みて、上述の公知技術に付随する問題点を回避することができる 、核燃料棒の新規な製造方法を得ることが望ましい。 発明の概要 従来の核燃料棒製造方法に付随する欠点は、本発明に依る方法に依って可成り の程度解消される。本発明に依る方法は、次の工程を含んでいる。第一に、円筒 状基材上に第一の金属層をスプレイディポジット(spray deposit)することによ り多孔性プリフォーム(preform)を製造する。その第一の金属層は、ジルコニウ ム又は低スズジルコニウム合金(low-tin zirconium alloy)のような低合金Ｚｒ 合金より成るグループから選択された軟質金属より作られている。茲で及び本明 細書を通して、用語「低合金ジルコニウ ム合金」とは、約５％以下の合金付加物(alloying addition)を含有するジルコ ニウムの合金を意味する。第一の金属層の上に第二の金属層を次にスプレイディ ポジットする。その第二の金属層は、高い機械的強度と耐クリープ性(creep res istance)及び（又は）耐食性のような所望特性を兼ね備えていることを特徴とす るジルコニウム合金から作られている。 二つの金属層が凝固した(solidify)後に、円筒状基材を多孔性プリフォームか ら取り除く。次に、多孔性プリフォームを実質的に完全に濃密に圧密させて(con solidate)所望の横断面寸法を有するチューブを形成する。各金属層に所望のミ クロ組織を生成させるため及び圧密によってチューブに生じる何らかの残留応力 を取り除くために、次に、圧密したチューブを熱処理する。 図面の簡単な説明 本発明の更なる目的及び利点は、以下に述べる詳細な説明及び添付図面により 明確になるであろう。 図１は、本発明に依る方法の好ましい工程順序を示す概略的ブロック図； 図２は、本発明の方法によって作られた核燃料棒の横断面図である。 詳細な説明 茲で図１を参照すると、本発明に依る方法１０の基本的工程が示されている。 工程１０１においては、荒い円筒状ビレットを提供するように、ほぼ円筒状の基 材上に少なくとも二つの金属層をスプレイディポジットする。工程１０２におい ては、スプレイディポジットした材料から基材を取り除くことによってビレット 全体に中央の長尺な開口を残す。次に、工程１０３においては、スプレイディポ ジットした材料を公知の方法で圧密させて多孔質を取り除き密度を高め、チュー ブ空洞(tube hollow)を形成する。 工程１０４においては、応力を取り除くと共に圧密した金属層に所望の複数の 特性が組み合わさった特質を提供するべく選択した時間的条件と温度条件下で、 チューブ空洞を焼なましする。次に、その焼なまししたチューブ空洞を、所望の 最終寸法を有する燃 料被覆を提供するように工程１０５で更に最終寸法に縮小する(reduce)。所望特 性の兼備を確実にすると共に最終の縮小処理によって生ずる何らかの残留応力を 除去するべく、燃料被覆を次に工程１０６において最終熱処理する。 本発明に依る方法の工程１０６においては、適切な寸法のバー又は管状基材上 にジルコニウム及び（又は）ジルコニウム合金を層の形でディポジットする。そ の使用するスプレイディポジション技術(spray deposition technique)としては 、合金を溶解させて、溶解状態中に霧状のガスにして溶解金属のスチームを提供 し、そのスチームを基材上に直接に降りかけて所望厚さの層を形成するタイプの ものか望ましい。その好ましい方法は、アメリカ合衆国特許第３，８２６，３０ １号に記載の方法と同様の方法であり、同特許での開示内容を茲で本願明細書中 に参考として組み入れることとする。茲で及び本願明細書全体及び請求の範囲を 通して、用語「スプレイディポジション」又は「スプレイディポジット」とは、 上述し及び上記特許で述べられている金属ディポジション技術を意味するものと する。 スプレイディポジション技術によって溶解霧状物を素早く冷却させることにな る。それ故、本発明に依る方法で用いられるジルコニウム合金のスプレイディポ ジションによって、その冷却され圧密された状態の金属中に微粒状のミクロ組織 が生成される。そのようなミクロ組織は、核燃料被覆中に用いられるタイプのジ ルコニウム合金においては非常に望ましい。その合金のミクロ組織の効果は、ジ ルコニウム合金の核燃料被覆に通常適用されるベータ焼入れ(beta quench)と実 質的に同じであることは当業者なら容易に理解できるであろう。 本方法で用いるジルコニウム合金に関しては、改善されたＰＣＩについての所 望の特性を兼ね備えることを可能にするべく選択する。本発明に依り製造された 核燃料棒被覆の一具体例においては、内側の耐クラック層を提供するべく、ジル コニウム又は軟質低合金ジルコニウム合金を基材上にスプレイディポジットする 。高度の耐クリープ性，高強度及び（又は）耐膨張性を有する合金より作られた 第二の層を第一の層上にスプレイ ディポジットする。更に、必要ならば、良好な耐食性を発揮する別のジルコニウ ム合金を耐クリープ性合金層上にスプレイディポジットしてもよい。この方法に おいては、核燃料被覆の特性を核燃料被覆の環状横断面を横切って変化させるよ うにできる。本発明に係る方法においては、所望の特性を発揮し原子核分裂原子 炉に利用するに適しているチタン基合金のような別の合金をジルコニウム基合金 の代わりに用いることができると考えられる。 本発明のスプレイディポジションの実施においては、各層の金属又は合金を他 の層の各々とは別個に溶解させてディポジットさせる。これに代えて、合金組成 物中に連続したグラジエント(gradient)を提供するべくスプレイディポジション を連続して実施することができるようにするために溶解金属のバッチを連続して 再合金(re-alloy)させる。 スプレイディポション技術の特質故に、ディポジットされた層(deposited lay ers)間に細心の表面洗浄を行う必要なく、種々の層間の均一な冶金接合を確実な らしめる。ディポジション工程中に層と層との間の中間層の合金化が生ずるので 、特性の連続的なグラジエントが被覆の厚さ方向を横切って提供される。更に、 ビレットを縮小させて最終寸法にするのに必要な機械的な仕事量を可成り減少さ せるために、最終被覆ジャケットに寸法上近似した最初のビレットを提供するべ くスプレイディポジット装置及び方法を適合させることができる。 望ましい数のジルコニウム合金層をスプレイディポジットさせて基材上に凝固 させた後に、工程１０２において基材を除去する。管状の基材は、熱を除去する ための冷却媒体を循環させてそれによってディポジション時に金属の凝固を速め ることができるチャネルを提供できるので好ましい。管状の基材は、中実な棒基 材よりは廃棄金属を取り除き易く廃棄金属の発生も少ない。その基材をドリリン グのような機械的技術又は適切ならば、例えば、酸除去のような化学的技術によ って除去する。 ディポジットされた金属から基材を除去した時に、荒い多孔性チューブ空洞が 提供さ れる。この荒いチューブ空洞を圧密させ熱処理して適切な寸法の被覆を形成する 。スプレイディポジットされた材料の初期の寸法と多孔度の如何によって、少な くとも一サイクルの圧密，縮小(reduction)及び熱処理工程が必要である。大半 の応用に関しては、二段階の圧密，サイジング(sizing)及び熱処理サイクルで十 分であると思われる。 第一の圧密工程１０３は、荒く形成されたチューブ空洞の環状断面を押出し， チューブ引抜き(tube drawing)又は好ましくはチューブリダクションによって縮 小させることを含んでいる。用語「チューブリダクション」とは、ピルガーチュ ーブリダクション（Pilger tube reduction）のような公知の方法を言う。それ に代えて、スプレイディポジットされた材料を、熱間静水圧プレス，焼結(sinte ring)又は当業者に知られたその他の粉末冶金圧密技術によって圧密させること ができる。 圧密処理中にチューブ空洞に掛けられた何らかの応力を除去するため及びチュ ーブ空洞を構成しているジルコニウム合金に所望の特性が組み合わさった特質を 提供するために選択された時間と温度条件下で、第一のリダクション後に、工程 １０４におけるようにチューブ空洞を焼なましする。工程１０５において、第一 の圧密工程に関して述べた技術と同様の技術でチューブ空洞を最終の横断面寸法 に縮小させる。その好ましい技術は、上述したピルガーチューブリダクション法 に依るようなチューブリダクションである。 所望の特性を最良の状態にするため及び最終のチューブリダクション工程でも たらされる何らかの残留応力を除去するための時間と温度条件下で、最終リダク ション及びサイジング工程後に、チューブ空洞を工程１０６で焼なましする。一 般に、焼なまし熱処理のための時間，温度及び冷却のパラメーターは、使用され るジルコニウム合金中に小さな二次相粒子(second-phase particles)を最良の状 態で分布させるために選択される。 本発明に依り作られた核燃料棒の構造は、図２を参照することにより一層明確 に理解できる。核燃料棒２０は核燃料ペレット２２を取り囲んでいる被覆２１を 有している。 その被覆２１は、最奥の層即ちライナー層２３と、中間層２４と、一番外側の層 即ち殻層２５との三つの層により成っている。ライナー層２３は、純粋なジルコ ニウム又は低スズＺｒ−Ｓｎ合金のような比較的軟質なジルコニウム合金から作 られている。ライナー層２３は、核燃料ペレット２２に最も近く、運転中に核燃 料ペレットが膨張した時に割れることなく変形することができる。中間層２４は 、Ｚｒ−Ｏ−Ｆｅ−Ｓｎ合金のような耐クリープ性ジルコニウム合金又は高強度 ジルコニウム合金から作られている。殻層２５は、ジルカロイ−２又はジルカロ イ−４合金のような高耐食性合金から作られている。被覆２１を構成している種 々の合金層が互いの中に徐々に転移して材料及び特性が実質的に連続したグラジ エントを構成していることは図２から理解することができる。そのような構造は 、機械的に一体に接合された個別の層から成る公知の構造とは全く相違している 。それ故、被覆２１中の層２３，２４及び２５の間の界面は破線２６ａ，２６ｂ で示した。それら界面は、実際上、各層がスプレイディポジション時の各層の内 部合金化(interalloying)によって生ずる合金転移区域である。 本発明が明らかに新規な特徴及び利点を提供するものであることは、当業者は 上述の記載及び添付図面から理解できるであろう。より詳述すると、スプレイデ ィポジションのような公知の技術によって基材にジルコニウム又はジルコニウム 合金の二つ以上の層を形成する、核燃料棒用の核燃料被覆の新規な製造方法につ いて記載した。スプレイディポジション技術を用いることによって、核燃料被覆 の壁厚を横切って、望ましい特性の漸次的移行(gradation)を伴った、ジルコニ ウム合金の連続した漸次的移行を可能ならしめる。種々の金属層のスプレイディ ポジションは、その金属層のディポジション間に細心の表面洗浄をすることなく 、種々の層間の均一な冶金的接合を確実にする。更に、スプレイディポジション 技術に関連して霧状溶解金属が迅速に冷却するので、別個のベーター焼入れを必 要とすることなく、微粒組織がディポジットされた金属層に生成される。また、 スプレイディポジション技術を利用することによって、核燃料被覆を製造するた めの従来の鋳造−圧延方法(cast-and-wrought process)によって作られたビレ ットよりは、最終寸法にさせるためのリダクションを必要としないニアネットシ ェイプのビレットの生成を可能にする。 上記記載において使用した用語及び表現は、本発明の説明上の用語として用い たに過ぎず、本発明の内容を何ら限定するものではない。そのような用語及び表 現を用いたからと言って、そのことに、図示及び記述した本発明の形態と均等な もの又はその一部を排除する意図はない。茲に記載した発明から逸脱することな く、権利を請求した本発明の範囲内で種々の変更を加えることが可能であると認 められる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．機能的にグラジエントな組織を有する核燃料棒被覆を製造する方法であっ て、 （ａ）(1)ジルコニウム及び低合金ジルコニウム合金より成るグループから選 択された金属から作られた第一の金属層を円筒状の基材上にスプレイディポジッ トし、(2)所望の複数の特性を兼ね備えていることを特徴とするジルコニウム合 金から作られた第二の金属層を前記第一の金属層上にスプレイディポジットする ことにより多孔性プリフォームを形成する工程と、 （ｂ）前記第一の層と第二の層が凝固した後に前記多孔性プリフォームから円 筒状基材から取り除く工程と、 （ｃ）前記多孔性プリフォームを実質的に濃密度に圧密して所望の横断面寸法 を有するチューブを形成する工程と、 （ｄ）応力を取り除くと共に前記第一の金属層と第二の金属層の各々に所望の ミクロ組織を形成するべく前記チューブを熱処理する工程とを有する、核燃料棒 被覆を製造する方法。 ２．多孔性プリフォームを形成する前記工程が、前記第一の所望の複数の特性 と異なった第二の複数の特性を兼ね備えていることを特徴とする第二のジルコニ ウム合金より作られた第三の金属層を前記第二の金属層上にスプレイディポジッ トする工程を含み、前記円筒状基材を取り除く前に第三の金属層をスプレイディ ポジットする、請求項第１項に記載の方法。 ３．多孔性プリフォームを圧密する前記工程が、前記多孔性プリフォームを第 一の横断面寸法に押出し成形する工程を含んでいる、請求項第２項に記載の方法 。 ４．多孔性プリフォームを圧密する前記工程が、前記多孔性プリフォームを第 一の横断面寸法にチューブリダクションする工程を含んでいる、請求項第２項に 記載の方法。 ５．多孔性プリフォームを圧密する前記工程が、多孔性プリフォームの横断面 寸法を 縮小させて中間サイズの管状フォームを形成して、その縮小中に掛かった応力を 取り除くべく前記中間サイズのフォームを次に熱処理する一サイクルの工程を含 んでいる、請求項第１項に記載の方法。 ６．多孔性プリフォームの横断面寸法を縮小させて中間サイズのフォームを形 成し、前記中間サイズのフォームを熱処理する一サイクルを終了させ、次に前記 中間サイズの管状フォームを最終横断面寸法に縮小させる工程を含んでいる、請 求項第５項に記載の方法。 ７．多孔性プリフォームを圧密する前記工程が、前記多孔性プリフォームを押 出しして第一の中間横断面寸法にする工程と、 前記押出しによって発生する残留応力を除去するために前記押出し済プリフォ ームを熱処理する工程と、 前記熱処理されたプリフォームを次に所望の横断面形状にチューブリダクショ ンする工程とを含んでいる、請求項第１項に記載の方法。 ８．第一の金属層をスプレイディポジットする前記工程が、その金属を溶解さ せる工程と、その溶解金属を霧状にする工程と、次にその霧状金属を円筒状基材 の上にスプレイする工程とを含んでいる、請求項第１項に記載の方法。 ９．第二の金属層をスプレイディポジットする前記工程が、前記ジルコニウム 合金を溶解させる工程と、その溶解したジルコニウム合金を霧状にする工程と、 次にその霧状のジルコニウム合金を前記第一の金属層上にスプレイする工程とを 含んでいる、請求項第８項に記載の方法。 １０．機能的にグラジエントな組織を有する核燃料棒被覆を製造する方法であ って、 （ａ）第一の金属層と第二の金属層とを夫々構成する第一のジルコニウム基金 属と第二のジルコニウム基金属とを円筒状の基材上にスプレイディポジットする ことにより多孔性プリフォームを形成する工程と、 （ｂ）前記第一の金属層と前記第二の金属層が凝固した後に、前記多孔性プリ フォー ムから前記円筒状基材を取り除く工程と、 （ｃ）前記多孔性プリフォームを実質的に濃密度に圧密させて所望の横断面寸 法を有するチューブを形成する工程と、 （ｄ）前記第一の金属層と第二の金属層の各々に所望のミクロ組織を形成する べく前記チューブを次に熱処理する工程とを含んでいる、核燃料棒被覆の製造方 法。 １１．前記第一のジルコニウム基金属が、実質的に純粋なジルコニウム及び低 合金ジルコニウム合金より成るグループから選択された軟質金属である、請求項 第１０項に記載の方法。 １２．前記第二のジルコニウム基金属が、機械的強度，耐クリープ性，耐食性 及び耐膨張性より成るグループから選択された少なくとも一つの特性を有するこ とを特徴とするジルコニウム合金である、請求項第１１項に記載の方法。 １３．第一の金属層をスプレイディポジットする前記工程が、前記第一のジル コニウム基金属を溶解する工程と、その溶解した金属を霧状にする工程と、その 霧状金属を円筒状基材上にスプレイする工程と、ディポジットされた金属層を次 に凝固させる工程とを含んでいる、請求項第１０項に記載の方法。 １４．第二の金属層をスプレイディポジットする前記工程が、前記第二のジル コニウム基金属を溶解する工程と、その溶解した金属を霧状にする工程と、その 霧状金属を第一の金属層上にスプレイする工程と、ディポジットされた第二の金 属層を次に凝固させる工程とを含んでいる、請求項第１３項に記載の方法。 １５．第一の金属層と第二の金属層とをスプレイディポジットする前記工程が 、第一のジルコニウム基金属の溶解浴を調整する工程と、その溶解金属を霧状に する工程と、その霧状金属を円筒状基材上にスプレイする工程と、前記溶解金属 浴を再合金化させて前記第二のジルコニウム基金属の第二の溶解浴を作る工程と 、その溶解した第二のジルコニウム基金属を霧状にする工程と、霧状にされた第 二のジルコニウム基金属を前記第一の金属層上にスプレイする工程と、ディポジ ットされた前記第一の金属層と第二の 金属層とを次に凝固させる工程とを実質的に含んでいる、請求項第１０項に記載 の方法。 １６．前記溶解金属を霧状にしてスプレイディポジットした時に、前記溶解浴 を連続して再合金化させる、請求項第１５項に記載の方法。 １７．機能的にグラジエントな組織を有する核燃料棒被覆を製造する方法であ って、 （ａ）(1)ジルコニウム及び低合金ジルコニウム合金より成るグループから選 択された軟質金属より作られた第一の金属層を円筒状の基材上にスプレイディポ ジットし、(2)所望の複数の特性を兼ね備えていることを特徴とするジルコニウ ム合金から作られた第二の金属層を前記第一の金属層上にスプレイディポジット し、(3)前記第一の所望の複数の特性と異なった第二の複数の特性を兼ね備えて いることを特徴とする第二のジルコニウム合金より作られた第三の金属層を前記 第二の金属層上にスプレイディポジットすることにより、多孔性プリフォームを 形成する工程と、 （ｂ）前記第一の金属層と前記第二の金属層と前記第三の金属層が凝固した後 に、前記多孔性プリフォームから前記円筒状基材を取り除く工程と、 （ｃ）前記多孔性プリフォームを実質的に濃密度に圧密させて所望の横断面寸 法を有するチューブを形成する工程と、 （ｄ）前記第一の金属層と第二の金属層の各々に所望のミクロ組織を形成する べく前記チューブを熱処理する工程とを含んでいる、核燃料棒被覆の製造方法。 １８．多孔性プリフォームを圧密させる前記工程が、前記多孔性管状プリフォ ームを押出しして第一の中間横断面寸法にさせる工程と、 前記押し出しにより発生する残留応力を除去するために、その押出されたプリ フォームを熱処理する工程と、 熱処理したプリフォームをチューブリダクションして所望の横断面寸法にする 工程とを含んでいる、請求項第１７項に記載の方法。 １９．多孔性プリフォームを圧密させる前記工程が、前記多孔性プリフォーム の横断 面寸法を縮小させて中間サイズの管状フォームを形成し、その縮小中に生じた応 力を取り除くべく前記中間サイズの管状フォームを次に熱処理する一サイクルの 工程を含んでいる、請求項第１７項に記載の方法。