JP2001158928A - 高純度ジルコニウム合金および原子炉炉心用構造材 - Google Patents
高純度ジルコニウム合金および原子炉炉心用構造材Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 原子炉炉心に用いられるジルコニウム合金の
耐食性を向上させると共に、中性子経済が良好な原子炉
炉心用構造材を提供する。 【解決手段】 錫、鉄、ニッケル、クロムを含み、残部
が実質的にジルコニウムからなる高純度ジルコニウム合
金であって、不純物として不可避的に含まれる元素のう
ち、Ｓ，Ｙ，ＰｂあるいはＢｉの含有量を１ｐｐｍ以下
にすることで、高純度ジルコニウム合金の耐食性を向上
させると共に、不純物として不可避的に含有する元素の
うちＳｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、
Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ、ＰｔあるいはＡｕなどの中性子吸収断面積の大きな
元素の含有量を１ｐｐｍ以下にすることで、高純度ジル
コニウム合金を通過する中性子量を増やし、ＵＯ2など
の燃料使用効率を向上させる。
耐食性を向上させると共に、中性子経済が良好な原子炉
炉心用構造材を提供する。 【解決手段】 錫、鉄、ニッケル、クロムを含み、残部
が実質的にジルコニウムからなる高純度ジルコニウム合
金であって、不純物として不可避的に含まれる元素のう
ち、Ｓ，Ｙ，ＰｂあるいはＢｉの含有量を１ｐｐｍ以下
にすることで、高純度ジルコニウム合金の耐食性を向上
させると共に、不純物として不可避的に含有する元素の
うちＳｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、
Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅ
ｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌ
ｕ、ＰｔあるいはＡｕなどの中性子吸収断面積の大きな
元素の含有量を１ｐｐｍ以下にすることで、高純度ジル
コニウム合金を通過する中性子量を増やし、ＵＯ2など
の燃料使用効率を向上させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高純度ジルコニウ
ム合金および原子炉炉心用構造材に関わる。
ム合金および原子炉炉心用構造材に関わる。
【０００２】
【従来の技術】ジルコニウム合金のうち、原子炉用炉心
管などで使用されている合金は、ジルカロイ−２（Ｓ
ｎ：１．２０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７〜０．
２０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：
０．０３〜０．０８ｗｔ％、Ｏ：９００〜１４００ｐｐ
ｍ、残部Ｚｒ。但しＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．１８〜０．
２４ｗｔ％）およびジルカロイ−４（Ｓｎ：１．２０〜
1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ％、Ｎ
ｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４００ｐｐ
ｍ、残部Ｚｒ。但しＦｅ＋Ｃｒ：０．２８〜０．３７ｗ
ｔ％）である。
管などで使用されている合金は、ジルカロイ−２（Ｓ
ｎ：１．２０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７〜０．
２０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：
０．０３〜０．０８ｗｔ％、Ｏ：９００〜１４００ｐｐ
ｍ、残部Ｚｒ。但しＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．１８〜０．
２４ｗｔ％）およびジルカロイ−４（Ｓｎ：１．２０〜
1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ％、Ｎ
ｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４００ｐｐ
ｍ、残部Ｚｒ。但しＦｅ＋Ｃｒ：０．２８〜０．３７ｗ
ｔ％）である。
【０００３】どちらの合金も、原子炉炉水の高温高圧水
中で高い耐食性を有している。現在これらの合金に更に
高い耐食性を付与するために、工程途中でβ急冷処置を
施行し、Ｚｒ（Ｃｒ，Ｆｅ）2、Ｚｒ2（Ｎｉ，Ｆｅ）相
などの金属間化合物相を分布させて使用している。
中で高い耐食性を有している。現在これらの合金に更に
高い耐食性を付与するために、工程途中でβ急冷処置を
施行し、Ｚｒ（Ｃｒ，Ｆｅ）2、Ｚｒ2（Ｎｉ，Ｆｅ）相
などの金属間化合物相を分布させて使用している。
【０００４】また、これらのジルコニウム合金中に含ま
れる不純物元素量について規格化された元素もあるが、
その他の不純物元素は通常数１０ｐｐｍのオーダーで混
入されている。
れる不純物元素量について規格化された元素もあるが、
その他の不純物元素は通常数１０ｐｐｍのオーダーで混
入されている。
【０００５】ところで、燃料制御の面から、燃料棒を長
時間使用することが望まれている。現在はＵＯ2ペレッ
トが十分使用可能な時点で燃料の使用を中止しており、
燃料経済面での問題がある。
時間使用することが望まれている。現在はＵＯ2ペレッ
トが十分使用可能な時点で燃料の使用を中止しており、
燃料経済面での問題がある。
【０００６】例えば現在は長くとも４年間の使用で取出
している燃料棒を８年間使用することができれば燃料経
済だけでなく、廃棄物量低減の面においても利点があ
る。
している燃料棒を８年間使用することができれば燃料経
済だけでなく、廃棄物量低減の面においても利点があ
る。
【０００７】更に、ＵＯ2を高燃焼度まで使用するため
には、燃料被覆管、スペーサ、チャネルボックス等のジ
ルコニウム合金からなる炉心用構造材の耐食性をより一
層向上させる必要がある。
には、燃料被覆管、スペーサ、チャネルボックス等のジ
ルコニウム合金からなる炉心用構造材の耐食性をより一
層向上させる必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の炉心用構造材においては、燃料の高燃焼度化や、一層
の高耐食性が求められている。
の炉心用構造材においては、燃料の高燃焼度化や、一層
の高耐食性が求められている。
【０００９】本発明は、ジルコニウム合金の耐食性を向
上させること、あるいは高燃焼度化を可能にしたジルコ
ニウム合金を提供することで、長寿命の炉心構造材を提
供することを目的とする。
上させること、あるいは高燃焼度化を可能にしたジルコ
ニウム合金を提供することで、長寿命の炉心構造材を提
供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、錫０．３〜２
ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０．１６
ｗｔ％以下、クロム０．０５〜１．２ｗｔ％を含み、残
部が実質的にジルコニウムからなる高純度ジルコニウム
合金であって、不純物として不可避的に含有する元素の
うちＳ、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉ
ｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｂおよびＢｉから選ばれる少
なくとも１種の元素が１ｐｐｍ以下であることを特徴と
する高純度ジルコニウム合金である。
ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０．１６
ｗｔ％以下、クロム０．０５〜１．２ｗｔ％を含み、残
部が実質的にジルコニウムからなる高純度ジルコニウム
合金であって、不純物として不可避的に含有する元素の
うちＳ、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉ
ｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｂおよびＢｉから選ばれる少
なくとも１種の元素が１ｐｐｍ以下であることを特徴と
する高純度ジルコニウム合金である。
【００１１】あるいは、この高純度ジルコニウム合金か
らなる原子炉炉心用構造材である。
らなる原子炉炉心用構造材である。
【００１２】本発明の第１の効果は、ジルコニウム合金
中に含まれる不可避不純物のうち、耐食性を劣化させる
要因となるＳ、Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を低減さ
せることで、ジルコニウム合金の耐食性を向上させ、よ
り長期間の使用を可能にしたものである。
中に含まれる不可避不純物のうち、耐食性を劣化させる
要因となるＳ、Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を低減さ
せることで、ジルコニウム合金の耐食性を向上させ、よ
り長期間の使用を可能にしたものである。
【００１３】本発明の第２の効果は、ジルコニウム合金
中に含まれる不可避不純物のうち、中性子吸収断面積の
大きなＳｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉ
ｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を低減させること
で、使用期間の長期化に伴いＵＯ2から発生される中性
子の量を減衰させず原子炉炉心用構造材外部に中性子の
放出を可能にする。
中に含まれる不可避不純物のうち、中性子吸収断面積の
大きなＳｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉ
ｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を低減させること
で、使用期間の長期化に伴いＵＯ2から発生される中性
子の量を減衰させず原子炉炉心用構造材外部に中性子の
放出を可能にする。
【００１４】
【発明の実施の形態】前述のように、原子炉炉心で使用
されるジルコニウム合金は少なくとも表面部分の金属間
化合物を微細に分散させることで、高耐食性に効用があ
ることがわかり、ジルカロイ−２、ジルカロイ−４にお
いても製造工程途中でβ急冷を施している。さらにこれ
らの金属間化合物の量を増加させることが、耐食性の観
点から好ましいことだと判ってきたので、添加元素の鉄
の量を増加させる試みも為されており、概ね成功を収め
ている。
されるジルコニウム合金は少なくとも表面部分の金属間
化合物を微細に分散させることで、高耐食性に効用があ
ることがわかり、ジルカロイ−２、ジルカロイ−４にお
いても製造工程途中でβ急冷を施している。さらにこれ
らの金属間化合物の量を増加させることが、耐食性の観
点から好ましいことだと判ってきたので、添加元素の鉄
の量を増加させる試みも為されており、概ね成功を収め
ている。
【００１５】本発明は、このようなジルカロイ−２、ジ
ルカロイ−４などに代表される原子炉炉心用構造材に使
用されるジルコニウム合金に関するものである。
ルカロイ−４などに代表される原子炉炉心用構造材に使
用されるジルコニウム合金に関するものである。
【００１６】本発明に係るジルコニウム合金は、添加元
素として錫１〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％お
よびクロム０．０５〜１．２ｗｔ％、さらに必要に応じ
ニッケル０．１６ｗｔ％以下含有したジルコニウム合金
である。
素として錫１〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％お
よびクロム０．０５〜１．２ｗｔ％、さらに必要に応じ
ニッケル０．１６ｗｔ％以下含有したジルコニウム合金
である。
【００１７】前記添加元素は、合金表面および内部で金
属間化合物相を形成するなどして、ジルコニウム合金の
耐食性を高めているが、その添加量が前述の範囲から外
れると、ジルコニウム合金の耐食性を十分に高めること
ができなくなる。より耐食性を高めるためには、Ｓｎ：
１．２０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７〜０．２０
ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：０．
０３〜０．０８ｗｔ％、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ
（但しＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．１８〜０．２４ｗｔ％）
をＺｒに添加したジルカロイ−２、Ｓｎ：１．２０〜
1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ％、Ｎ
ｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４００ｐｐ
ｍ（但しＦｅ＋Ｃｒ：０．２８〜０．３７ｗｔ％）をＺ
ｒに添加したジルカロイ−４の組成比とすることが好ま
しい。
属間化合物相を形成するなどして、ジルコニウム合金の
耐食性を高めているが、その添加量が前述の範囲から外
れると、ジルコニウム合金の耐食性を十分に高めること
ができなくなる。より耐食性を高めるためには、Ｓｎ：
１．２０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７〜０．２０
ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：０．
０３〜０．０８ｗｔ％、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ
（但しＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．１８〜０．２４ｗｔ％）
をＺｒに添加したジルカロイ−２、Ｓｎ：１．２０〜
1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ％、Ｎ
ｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４００ｐｐ
ｍ（但しＦｅ＋Ｃｒ：０．２８〜０．３７ｗｔ％）をＺ
ｒに添加したジルカロイ−４の組成比とすることが好ま
しい。
【００１８】さらに、鉄、あるいはクロムの比率を増
加、錫を減少させ、ジルカロイ−２あるいはジルカロイ
−４よりも、鉄、クロムをそれぞれ０．２ｗｔ％、０．
１６ｗｔ％を上限としてこれらの添加物を多量に添加
し、錫の含有率が０．３ｗｔ％≦Ｓｎ＜１．２ｗｔ％の
組成比とすることがさらに望ましい。
加、錫を減少させ、ジルカロイ−２あるいはジルカロイ
−４よりも、鉄、クロムをそれぞれ０．２ｗｔ％、０．
１６ｗｔ％を上限としてこれらの添加物を多量に添加
し、錫の含有率が０．３ｗｔ％≦Ｓｎ＜１．２ｗｔ％の
組成比とすることがさらに望ましい。
【００１９】一方、原子炉炉心の中性子経済には、中性
子吸収断面積の少ない材料を用いることが重要である。
これは中性子吸収断面積が大きいと構造材が中性子を吸
収して炉心の働きを阻害してしまうためである。例えば
ジルコニウムは中性子吸収断面積が０．１６バーンと小
さいことから、原子炉炉心の構造材として好適である。
子吸収断面積の少ない材料を用いることが重要である。
これは中性子吸収断面積が大きいと構造材が中性子を吸
収して炉心の働きを阻害してしまうためである。例えば
ジルコニウムは中性子吸収断面積が０．１６バーンと小
さいことから、原子炉炉心の構造材として好適である。
【００２０】ところが、ジルコニウムの、高温高圧水で
ある炉心環境での耐食性や機械的特性を向上させるため
に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｎ等の添加元素を入れている
が、前述した範囲を超えて添加すると、中性子吸収断面
積がより上昇してしまう恐れがある点においても好まし
くない。
ある炉心環境での耐食性や機械的特性を向上させるため
に、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｎ等の添加元素を入れている
が、前述した範囲を超えて添加すると、中性子吸収断面
積がより上昇してしまう恐れがある点においても好まし
くない。
【００２１】すなわち、Ｆｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎの
中性子吸収断面積は、それぞれ２．６バーン、０．８バ
ーン、４．６バーン、１〜０．１６バーン（原子量によ
る）であり、これらの添加物によりジルコニウム合金と
してはやや中性子吸収断面積が大きくなる。
中性子吸収断面積は、それぞれ２．６バーン、０．８バ
ーン、４．６バーン、１〜０．１６バーン（原子量によ
る）であり、これらの添加物によりジルコニウム合金と
してはやや中性子吸収断面積が大きくなる。
【００２２】ところで、ジルコニウム合金中に不可避的
に含まれる不純物のうち特に中性子吸収断面積の大きい
元素は、中性子経済のために低減させるとよい。
に含まれる不純物のうち特に中性子吸収断面積の大きい
元素は、中性子経済のために低減させるとよい。
【００２３】例えば次に挙げる元素は、中性子吸収断面
積が大きいために、不適である。
積が大きいために、不適である。
【００２４】Ｓｃ（１０〜１７バーン）、Ｇａ（１．７
〜４．５バーン）、Ａｓ（４．４バーン）、Ｓｒ（１６
バーン）、Ｙ（1．８バーン）、Ａｇ（８８バーン）、
Ｉｎ（８７バーン）、Ｓｂ（６．２バーン）、Ｔｅ（４
００バーン）、Ｂａ（１１バーン）、Ｃｅ（６バー
ン）、Ｐｒ（７．５バーン）、Ｎｄ（３２０バーン）、
Ｓｍ（４１０００バーン）、Ｅｕ（６０００バーン）、
Ｇｄ（２５５×１０3バーン）、Ｔｂ（２３．５〜バー
ン）、Ｄｙ（６００バーン）、Ｈｏ（６２バーン）、Ｅ
ｒ（６７０バーン）、Ｔｍ（１０５バーン）、Ｙｂ（３
５００バーン）、Ｌｕ（２０００バーン）、Ｐｔ（８０
０バーン）およびＡｕ（９８．８バーン）などの元素は
特に中性子吸収断面積が高く、炉心の中性子を吸収して
しまう。また、中性子経済を減少させて炉運転制御能力
を低下させる。
〜４．５バーン）、Ａｓ（４．４バーン）、Ｓｒ（１６
バーン）、Ｙ（1．８バーン）、Ａｇ（８８バーン）、
Ｉｎ（８７バーン）、Ｓｂ（６．２バーン）、Ｔｅ（４
００バーン）、Ｂａ（１１バーン）、Ｃｅ（６バー
ン）、Ｐｒ（７．５バーン）、Ｎｄ（３２０バーン）、
Ｓｍ（４１０００バーン）、Ｅｕ（６０００バーン）、
Ｇｄ（２５５×１０3バーン）、Ｔｂ（２３．５〜バー
ン）、Ｄｙ（６００バーン）、Ｈｏ（６２バーン）、Ｅ
ｒ（６７０バーン）、Ｔｍ（１０５バーン）、Ｙｂ（３
５００バーン）、Ｌｕ（２０００バーン）、Ｐｔ（８０
０バーン）およびＡｕ（９８．８バーン）などの元素は
特に中性子吸収断面積が高く、炉心の中性子を吸収して
しまう。また、中性子経済を減少させて炉運転制御能力
を低下させる。
【００２５】すなわち、これらの元素を１ｐｐｍ以下に
抑えることによりジルコニウム合金中性子経済を低下さ
せずに、長寿命の炉心構造材を得ることができる。
抑えることによりジルコニウム合金中性子経済を低下さ
せずに、長寿命の炉心構造材を得ることができる。
【００２６】また、これら各不純物元素量が１ｐｐｍ以
下であっても、その総量が多いと中性子の吸収量は増加
するため、その総量は２ｐｐｍ以下であることが望まし
い。
下であっても、その総量が多いと中性子の吸収量は増加
するため、その総量は２ｐｐｍ以下であることが望まし
い。
【００２７】中性子経済の面とは別に、ジルコニウム合
金の耐食性を向上させるために不可避不純物に含まれる
もののうち、特に低減させたい元素がある。
金の耐食性を向上させるために不可避不純物に含まれる
もののうち、特に低減させたい元素がある。
【００２８】それは発明者らの研究の結果、次の元素で
あることが判明した。Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉ等である。
これらの元素が１ｐｐｍを超えて混入するとその酸化被
膜の機械的特性を劣化させ、ジルコニウム合金の保護被
膜とならずに亀裂、剥離を起こし、そのために高温圧水
である炉水環境において耐食性が劣化することが判っ
た。すなわち、Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉの各元素量を１
ｐｐｍ以下にすることでジルコニウム合金の耐食性を向
上させることが可能となる。また、これらの元素の総量
として、２ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
あることが判明した。Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉ等である。
これらの元素が１ｐｐｍを超えて混入するとその酸化被
膜の機械的特性を劣化させ、ジルコニウム合金の保護被
膜とならずに亀裂、剥離を起こし、そのために高温圧水
である炉水環境において耐食性が劣化することが判っ
た。すなわち、Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉの各元素量を１
ｐｐｍ以下にすることでジルコニウム合金の耐食性を向
上させることが可能となる。また、これらの元素の総量
として、２ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００２９】ジルコニウム合金の規格ではいくつかの元
素で不純物量が０．５〜２００ｐｐｍに規定されている
が、本発明で規定する元素の不純物量に関しては何等規
定されておらず、前述のように炉心構造材の長期使用に
耐えるためには本発明で規定する各不純物の量を１ｐｐ
ｍ以下に抑えることは好ましいことである。本発明のジ
ルコニウム合金中に含まれる不純物量は、主にＺｒ、Ｆ
ｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎなどの原料に含まれる不純物
量によって決まる。そのため、本発明の高純度ジルコニ
ウム合金を得るためには、より純度の高い原料を使用す
ることが肝要である。
素で不純物量が０．５〜２００ｐｐｍに規定されている
が、本発明で規定する元素の不純物量に関しては何等規
定されておらず、前述のように炉心構造材の長期使用に
耐えるためには本発明で規定する各不純物の量を１ｐｐ
ｍ以下に抑えることは好ましいことである。本発明のジ
ルコニウム合金中に含まれる不純物量は、主にＺｒ、Ｆ
ｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎなどの原料に含まれる不純物
量によって決まる。そのため、本発明の高純度ジルコニ
ウム合金を得るためには、より純度の高い原料を使用す
ることが肝要である。
【００３０】特に主原料であるジルコニウム中に含有さ
れる不純物量が、ジルコニウム合金中に含まれる総不純
物量に与える影響が大きい。従来のジルコニウム合金
は、一般に原子炉用スポンジジルコニウムを用いて真空
アーク溶解を２〜３回繰り返して合金を得ているが、ス
ポンジジルコニウム合金は、一般に純度が低く、本発明
で規定する不可避不純物を大量に含んでいる恐れがあ
る。
れる不純物量が、ジルコニウム合金中に含まれる総不純
物量に与える影響が大きい。従来のジルコニウム合金
は、一般に原子炉用スポンジジルコニウムを用いて真空
アーク溶解を２〜３回繰り返して合金を得ているが、ス
ポンジジルコニウム合金は、一般に純度が低く、本発明
で規定する不可避不純物を大量に含んでいる恐れがあ
る。
【００３１】これに対し、クリスタルバージルコニウム
は純度９９．９９％以上にまで高めることが可能なた
め、本発明の高純度ジルコニウム合金を得るためには原
料としてクリスタルバージルコニウムを使用することが
好ましい。
は純度９９．９９％以上にまで高めることが可能なた
め、本発明の高純度ジルコニウム合金を得るためには原
料としてクリスタルバージルコニウムを使用することが
好ましい。
【００３２】また、Ｆｅ、Ｃｒ、ＮｉあるいはＳｎなど
の添加元素についてもより高純度の原料を使用すること
が望ましい。
の添加元素についてもより高純度の原料を使用すること
が望ましい。
【００３３】このようにして得られる高純度ジルコニウ
ム合金は、原子炉炉心用構造材を構成する燃料棒被覆
管、あるいは複数の燃料棒を束ねるためのスペーサなど
に使用することができる。
ム合金は、原子炉炉心用構造材を構成する燃料棒被覆
管、あるいは複数の燃料棒を束ねるためのスペーサなど
に使用することができる。
【００３４】
【実施例】実施例１〜１０ まず、ジルコニウム合金を製造するにあたり、クリスタ
ルバージルコニウム（純度９９．９９ｗｔ％）と、添加
元素であるＦｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎについても最高
純度の９９．９９９ｗｔ％の原料を準備した。
ルバージルコニウム（純度９９．９９ｗｔ％）と、添加
元素であるＦｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎについても最高
純度の９９．９９９ｗｔ％の原料を準備した。
【００３５】これらの原料をアーク放電により溶解しジ
ルコニウム合金を作り、得られたジルコニウム合金を再
度アーク放電により溶解し、均一な組成の高純度ジルコ
ニウム合金を作製した。
ルコニウム合金を作り、得られたジルコニウム合金を再
度アーク放電により溶解し、均一な組成の高純度ジルコ
ニウム合金を作製した。
【００３６】原料組成を変化させて、前述の方法で複数
の高純度ジルコニウム合金を作製した。本実施例で作製
した高純度ジルコニウム合金の組成比を表１に示す。
の高純度ジルコニウム合金を作製した。本実施例で作製
した高純度ジルコニウム合金の組成比を表１に示す。
【表１】 得られた各高純度ジルコニウム中に含まれる不純物Ｓ、
Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を分析したところ、それ
ぞれ１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物の総量
を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を分析したところ、それ
ぞれ１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物の総量
を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００３７】また、不純物Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、
Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を分析した
ところ、１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物量
を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を分析した
ところ、１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物量
を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００３８】さらにこれら実施例１乃至１０の高純度ジ
ルコニウム合金の中性子断面積を測定したところいずれ
も０．１６バーンであった。
ルコニウム合金の中性子断面積を測定したところいずれ
も０．１６バーンであった。
【００３９】このようにして得られた高純度ジルコニウ
ム合金に対して再結晶温度以上まで加熱した後に、ジル
コニウムと添加元素との間に金属間化合物が形成される
ようにβ急冷処置あるいはα＋β急冷処置を施した後に
通常の方法で原子炉用被覆管を作製した。
ム合金に対して再結晶温度以上まで加熱した後に、ジル
コニウムと添加元素との間に金属間化合物が形成される
ようにβ急冷処置あるいはα＋β急冷処置を施した後に
通常の方法で原子炉用被覆管を作製した。
【００４０】この原子炉用被覆管を用いて、８年間分に
相当する炉外試験を行ったところ、被覆管表面の腐食に
起因する酸化被膜の厚さが１０μｍであり、水素の吸収
量は１５０ｐｐｍであった。
相当する炉外試験を行ったところ、被覆管表面の腐食に
起因する酸化被膜の厚さが１０μｍであり、水素の吸収
量は１５０ｐｐｍであった。
【００４１】原料組成を変化させたことを除き、実施例
１〜１０と同様にしてジルコニウム合金を作成した。得
られた合金の組成比を表２に示す。
１〜１０と同様にしてジルコニウム合金を作成した。得
られた合金の組成比を表２に示す。
【表２】 得られた各高純度ジルコニウム中に含まれる不純物Ｓ、
Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を分析したところ、それ
ぞれ１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物の総量
を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を分析したところ、それ
ぞれ１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物の総量
を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００４２】また、不純物Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、
Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を分析した
ところ、１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物量
を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎ
ｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔ
ｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を分析した
ところ、１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物量
を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００４３】さらにこれら実施例１乃至１０の高純度ジ
ルコニウム合金の中性子断面積を測定したところいずれ
も０．１６バーンであった。
ルコニウム合金の中性子断面積を測定したところいずれ
も０．１６バーンであった。
【００４４】このようにして得られた高純度ジルコニウ
ム合金に対して再結晶温度以上まで加熱した後に、ジル
コニウムと添加元素との間に金属間化合物が形成される
ようβ急冷処置あるいはα＋β急冷処置を施した後、通
常の方法でウォーターロッドとスペーサを作成した。
ム合金に対して再結晶温度以上まで加熱した後に、ジル
コニウムと添加元素との間に金属間化合物が形成される
ようβ急冷処置あるいはα＋β急冷処置を施した後、通
常の方法でウォーターロッドとスペーサを作成した。
【００４５】このウォーターロッドとスペーサを用い
て、８年間分に相当する炉外試験を行ったところ、表面
の腐蝕に起因する酸化皮膜の厚さが１１μｍであり、水
素の吸収量は５０ｐｐｍであった。さらに機械的な特性
の劣化は見られなかった。
て、８年間分に相当する炉外試験を行ったところ、表面
の腐蝕に起因する酸化皮膜の厚さが１１μｍであり、水
素の吸収量は５０ｐｐｍであった。さらに機械的な特性
の劣化は見られなかった。
【００４６】比較例１〜３ 市販の３種類のスポンジジルコニウムと、それぞれ純度
９９．９ｗｔ％のＦｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎを実施例
と同様にアーク放電を繰り返すことで３種類のジルコニ
ウム合金を作製した。組成比は実施例５と同様に、Ｓ
ｎ：１．５ｗｔ％、Ｆｅ：０．２５ｗｔ％、Ｎｉ：０．
０５ｗｔ％、Ｃｒ：０．１０ｗｔ％とした。
９９．９ｗｔ％のＦｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎを実施例
と同様にアーク放電を繰り返すことで３種類のジルコニ
ウム合金を作製した。組成比は実施例５と同様に、Ｓ
ｎ：１．５ｗｔ％、Ｆｅ：０．２５ｗｔ％、Ｎｉ：０．
０５ｗｔ％、Ｃｒ：０．１０ｗｔ％とした。
【００４７】得られたジルコニウム合金中の不純物量を
測定した結果を表２に示す。
測定した結果を表２に示す。
【表３】 なお、Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉの総量は比較例１では
４．９ｐｐｍ、比較例２および３ではそれぞれ２ｐｐｍ
以下であった。
４．９ｐｐｍ、比較例２および３ではそれぞれ２ｐｐｍ
以下であった。
【００４８】また、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、Ｙ、Ａ
ｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、ＰｔおよびＡｕの総量は、比較例１乃至３に
おいて、それぞれ２ｐｐｍを超えていた。
ｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、ＰｔおよびＡｕの総量は、比較例１乃至３に
おいて、それぞれ２ｐｐｍを超えていた。
【００４９】中性子吸収断面積を測定したところ、比較
例１乃至３のいずれのジルコニウム合金についても、
０．９バーン以上であり、不純物としてＧａ、Ｙ、Ａ
ｇ、Ｉｎ、ＳｍあるいはＧｄなどの中性子吸収断面積の
大きな元素が含有されていると、実施例に挙げた高純度
ジルコニウム合金に比べ中性子経済面でかなり効率が低
下していることが確認できた。
例１乃至３のいずれのジルコニウム合金についても、
０．９バーン以上であり、不純物としてＧａ、Ｙ、Ａ
ｇ、Ｉｎ、ＳｍあるいはＧｄなどの中性子吸収断面積の
大きな元素が含有されていると、実施例に挙げた高純度
ジルコニウム合金に比べ中性子経済面でかなり効率が低
下していることが確認できた。
【００５０】このようなジルコニウム合金を作製した
後、実施例と同様にして原子炉用被覆管を形成した。
後、実施例と同様にして原子炉用被覆管を形成した。
【００５１】得られた原子炉用被覆管の耐食性を実施例
と同様にして炉外試験により確認したところ、酸化被膜
の厚さが１００μｍであり、実施例と比較して１０倍も
腐食が進んでいた。
と同様にして炉外試験により確認したところ、酸化被膜
の厚さが１００μｍであり、実施例と比較して１０倍も
腐食が進んでいた。
【００５２】すなわち、本発明においては、Ｓ、Ｙ、Ｐ
ｂあるいはＢｉなどの不純物量を低減させたことで耐食
性を向上させることができた。
ｂあるいはＢｉなどの不純物量を低減させたことで耐食
性を向上させることができた。
【００５３】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明にれば、更
に耐食性の良好で、長時間の使用に適し、且つ中性子経
済が良好な原子炉炉心用構造材として好適な高純度ジル
コニウム合金が得られる。
に耐食性の良好で、長時間の使用に適し、且つ中性子経
済が良好な原子炉炉心用構造材として好適な高純度ジル
コニウム合金が得られる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小沼 雅敬 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 井上 恵嗣 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 清水 佐代子 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内
Claims (2)
- 【請求項１】錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７
ｗｔ％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、クロム０．０５
〜１．２ｗｔ％を含み、残部が実質的にジルコニウムか
らなる高純度ジルコニウム合金であって、不純物として
不可避的に含有する元素のうちＳ、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、
Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌ
ａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄ
ｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ
およびＢｉから選ばれる少なくとも１種の元素が１ｐｐ
ｍ以下であることを特徴とする高純度ジルコニウム合
金。 - 【請求項２】錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７
ｗｔ％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、クロム０．０５
〜１．２ｗｔ％を含み、残部が実質的にジルコニウムか
らなる高純度ジルコニウム合金からなる原子炉炉心用構
造材であって、不純物として不可避的に含有する元素の
うちＳ、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉ
ｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙ
ｂ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｂおよびＢｉから選ばれる少
なくとも１種の元素が１ｐｐｍ以下であることを特徴と
する原子炉炉心用構造材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000070423A JP3741922B2 (ja) | 1999-09-22 | 2000-03-14 | 耐食性高純度ジルコニウム合金および原子炉炉心用構造材 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26910499 | 1999-09-22 | ||
| JP11-269104 | 1999-09-22 | ||
| JP2000070423A JP3741922B2 (ja) | 1999-09-22 | 2000-03-14 | 耐食性高純度ジルコニウム合金および原子炉炉心用構造材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001158928A true JP2001158928A (ja) | 2001-06-12 |
| JP3741922B2 JP3741922B2 (ja) | 2006-02-01 |
Family
ID=26548617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000070423A Expired - Fee Related JP3741922B2 (ja) | 1999-09-22 | 2000-03-14 | 耐食性高純度ジルコニウム合金および原子炉炉心用構造材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3741922B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100629330B1 (ko) * | 2004-12-15 | 2006-09-29 | 현대모비스 주식회사 | 커플드 토션빔 |
| JP2007192814A (ja) * | 2005-12-29 | 2007-08-02 | General Electric Co <Ge> | 中性子放射及び腐食場にさらされたときの変形性及び制御羽根干渉性を低下させたｌｗｒ流路 |
| JP2009092620A (ja) * | 2007-10-12 | 2009-04-30 | Global Nuclear Fuel-Japan Co Ltd | ジルコニウム基合金並びにこれを用いた水冷却型原子炉用燃料集合体およびチャンネルボックス |
| JP2020510828A (ja) * | 2017-04-18 | 2020-04-09 | カチョン ユニバーシティ オブ インダストリー−アカデミック コーオペレイション ファウンデイション | 多層構造核燃料被覆管及び多層構造核燃料被覆管の製造方法 |
| WO2024045939A1 (zh) * | 2022-09-02 | 2024-03-07 | 上海核工程研究设计院股份有限公司 | 一种核屏蔽用富镝镍钨合金材料及其制备方法 |
-
2000
- 2000-03-14 JP JP2000070423A patent/JP3741922B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100629330B1 (ko) * | 2004-12-15 | 2006-09-29 | 현대모비스 주식회사 | 커플드 토션빔 |
| JP2007192814A (ja) * | 2005-12-29 | 2007-08-02 | General Electric Co <Ge> | 中性子放射及び腐食場にさらされたときの変形性及び制御羽根干渉性を低下させたｌｗｒ流路 |
| JP2009092620A (ja) * | 2007-10-12 | 2009-04-30 | Global Nuclear Fuel-Japan Co Ltd | ジルコニウム基合金並びにこれを用いた水冷却型原子炉用燃料集合体およびチャンネルボックス |
| JP2020510828A (ja) * | 2017-04-18 | 2020-04-09 | カチョン ユニバーシティ オブ インダストリー−アカデミック コーオペレイション ファウンデイション | 多層構造核燃料被覆管及び多層構造核燃料被覆管の製造方法 |
| WO2024045939A1 (zh) * | 2022-09-02 | 2024-03-07 | 上海核工程研究设计院股份有限公司 | 一种核屏蔽用富镝镍钨合金材料及其制备方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3741922B2 (ja) | 2006-02-01 |
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