JP2001262259A - 高耐食性ジルコニウム合金、原子炉炉心用構造材およびその製造方法 - Google Patents
高耐食性ジルコニウム合金、原子炉炉心用構造材およびその製造方法Info
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- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Abstract
(57)【要約】
【課題】 原子炉炉心用構造材に用いジルコニウム合金
の耐食性および機械的な性質を向上させることを目的と
する。 【解決手段】 錫、鉄、ニッケルおよびクロムなどの金
属間化合物を形成する析出成分を所定量含有するジルコ
ニウム合金をβ処理する再に、β急冷時の冷媒に液体ナ
トリウムを使用し、冷却速度を早めることで、ジルコニ
ウム合金の表面および内部の結晶粒径を小さくすること
が可能になり、ひいてはジルコニウム合金の耐食性、お
よび機械的な性質を向上させることが可能になる。
の耐食性および機械的な性質を向上させることを目的と
する。 【解決手段】 錫、鉄、ニッケルおよびクロムなどの金
属間化合物を形成する析出成分を所定量含有するジルコ
ニウム合金をβ処理する再に、β急冷時の冷媒に液体ナ
トリウムを使用し、冷却速度を早めることで、ジルコニ
ウム合金の表面および内部の結晶粒径を小さくすること
が可能になり、ひいてはジルコニウム合金の耐食性、お
よび機械的な性質を向上させることが可能になる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高耐食性ジルコニ
ウム合金、原子炉炉心用構造材およびその製造方法に関
する。
ウム合金、原子炉炉心用構造材およびその製造方法に関
する。
【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）、およびジルカロイ−４（Ｓｎ：１．２
０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ
％、Ｎｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４０
０ｐｐｍ、残部Ｚｒ）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）、およびジルカロイ−４（Ｓｎ：１．２
０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ
％、Ｎｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４０
０ｐｐｍ、残部Ｚｒ）である。
【０００３】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。そのために、最近では、ジル
カロイの合金添加物としての鉄、ニッケル、クロムの量
を増加したジルコニウムの合金が考案されている。
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。そのために、最近では、ジル
カロイの合金添加物としての鉄、ニッケル、クロムの量
を増加したジルコニウムの合金が考案されている。
【０００４】これらの合金は、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、工程途中でこの合金がβ
相になる温度まで加熱し、さらに水焼入れによる急冷処
理を施し（β処理）、Ｚｒ（Ｃｒ，Ｆｅ）2、Ｚｒ2（Ｎ
ｉ，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、工程途中でこの合金がβ
相になる温度まで加熱し、さらに水焼入れによる急冷処
理を施し（β処理）、Ｚｒ（Ｃｒ，Ｆｅ）2、Ｚｒ2（Ｎ
ｉ，Ｆｅ）相などの金属間化合物相を分布させて使用し
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。現在は燃料被覆管な
どの原子炉炉心用構造材の耐食性に起因して、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。現在は燃料被覆管な
どの原子炉炉心用構造材の耐食性に起因して、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】このような理由などから、原子炉炉心用構
造材の耐食性をより高くすることが強く望まれている。
造材の耐食性をより高くすることが強く望まれている。
【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、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、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よ
りいっそう向上させること、さらにはその機械的な性質
を向上させることを目的とする。
りいっそう向上させること、さらにはその機械的な性質
を向上させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の高純度ジルコニ
ウム合金は、錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７
ｗｔ％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム
０．０５〜１．２ｗｔ％を析出成分元素として含み、残
部が実質的にジルコニウムからなる高耐食性ジルコニウ
ム合金であって、結晶粒度がＡＳＴＭ Ｎｏ．１３以上
で、肉厚方向にジルコニウム結晶粒径および前記析出成
分の粒径が均一であることを特徴とする。
ウム合金は、錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７
ｗｔ％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム
０．０５〜１．２ｗｔ％を析出成分元素として含み、残
部が実質的にジルコニウムからなる高耐食性ジルコニウ
ム合金であって、結晶粒度がＡＳＴＭ Ｎｏ．１３以上
で、肉厚方向にジルコニウム結晶粒径および前記析出成
分の粒径が均一であることを特徴とする。
【００１１】本発明の原子炉炉心用構造材は、錫０．３
〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０．
１６ｗｔ％以下、およびクロム０．０５〜１．２ｗｔ％
を析出成分として含み、残部が実質的にジルコニウムか
らなる原子炉炉心用構造材であって、結晶粒度がＡＳＴ
Ｍ Ｎｏ．１３以上で、肉厚方向にジルコニウム結晶粒
径および前記析出成分の粒径が均一であることを特徴と
する。
〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０．
１６ｗｔ％以下、およびクロム０．０５〜１．２ｗｔ％
を析出成分として含み、残部が実質的にジルコニウムか
らなる原子炉炉心用構造材であって、結晶粒度がＡＳＴ
Ｍ Ｎｏ．１３以上で、肉厚方向にジルコニウム結晶粒
径および前記析出成分の粒径が均一であることを特徴と
する。
【００１２】本発明の高耐食性ジルコニウム合金の製造
方法は、錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ
％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム０．０
５〜１．２ｗｔ％からなる析出成分と、ジルコニウムと
からなる合金を所望の形状に加工する工程と、加工され
た前記合金をβ相温度にまで加熱する加熱工程と、加熱
された前記合金を液体ナトリウムを接触させて急冷する
急冷工程とを有することを特徴とする。
方法は、錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ
％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム０．０
５〜１．２ｗｔ％からなる析出成分と、ジルコニウムと
からなる合金を所望の形状に加工する工程と、加工され
た前記合金をβ相温度にまで加熱する加熱工程と、加熱
された前記合金を液体ナトリウムを接触させて急冷する
急冷工程とを有することを特徴とする。
【００１３】本発明の原子炉炉心用構造材の製造方法
は、錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、
ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム０．０５〜
１．２ｗｔ％からなる析出成分と、ジルコニウムとから
なる合金を所望の形状に加工する工程と、加工された前
記合金をβ相温度にまで加熱する加熱工程と、加熱され
た前記合金を液体ナトリウムを接触させて急冷する急冷
工程とを有することを特徴とする。
は、錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、
ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム０．０５〜
１．２ｗｔ％からなる析出成分と、ジルコニウムとから
なる合金を所望の形状に加工する工程と、加工された前
記合金をβ相温度にまで加熱する加熱工程と、加熱され
た前記合金を液体ナトリウムを接触させて急冷する急冷
工程とを有することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明は、ジルコニウム合金の結
晶粒径および、この合金中に析出される金属間化合物の
粒径を肉厚方向に対して均一化すると共に、その結晶粒
および金属間化合物の粒径を小さくすることで、ジルコ
ニウム合金の耐食性および機械的な性質をより向上させ
るものである。
晶粒径および、この合金中に析出される金属間化合物の
粒径を肉厚方向に対して均一化すると共に、その結晶粒
および金属間化合物の粒径を小さくすることで、ジルコ
ニウム合金の耐食性および機械的な性質をより向上させ
るものである。
【００１５】以下、より詳細に本発明を説明する。
【００１６】原子炉炉心用構造材は、ジルコニウム合金
インゴットから、通常、外径１４６ｍｍφ、内径４４ｍ
ｍφ、長さ４５０ｍｍ程度の大きさのビレットを作成し
た、前述したように従来はジルコニウム合金からなるビ
レットを水焼き入れによりβ処理を行っていた。
インゴットから、通常、外径１４６ｍｍφ、内径４４ｍ
ｍφ、長さ４５０ｍｍ程度の大きさのビレットを作成し
た、前述したように従来はジルコニウム合金からなるビ
レットを水焼き入れによりβ処理を行っていた。
【００１７】本発明者らは、このように水焼入れしたジ
ルコニウム合金を分析したところ、合金の肉厚方向で、
合金の結晶粒や、合金中に析出される金属間化合物の粒
径に勾配が見られ、合金内部において合金の結晶粒や金
属間化合物の粒径が大きくなっていることを確認した。
ルコニウム合金を分析したところ、合金の肉厚方向で、
合金の結晶粒や、合金中に析出される金属間化合物の粒
径に勾配が見られ、合金内部において合金の結晶粒や金
属間化合物の粒径が大きくなっていることを確認した。
【００１８】そして、鋭意研究の結果、β処理の急冷に
用いる冷媒として、水に代えて液体ナトリウムを用いる
と、合金の結晶粒、および合金中に析出される金属間化
合物の粒径が小さく、かつ膜厚方向に均一となることが
分かり、さらにこのジルコニウム合金の耐食性を調べた
ところ、合金の耐食性および機械的な性質が著しく向上
することを確認し本発明に至った。
用いる冷媒として、水に代えて液体ナトリウムを用いる
と、合金の結晶粒、および合金中に析出される金属間化
合物の粒径が小さく、かつ膜厚方向に均一となることが
分かり、さらにこのジルコニウム合金の耐食性を調べた
ところ、合金の耐食性および機械的な性質が著しく向上
することを確認し本発明に至った。
【００１９】次に、本発明に係るジルコニウム合金の組
成について説明する。
成について説明する。
【００２０】本発明のジルコニウム合金は、既存のジル
カロイ２あるいはジルカロイ４に限られず、錫０．３〜
２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０．１
６ｗｔ％以下、およびクロム０．０５〜１．２ｗｔ％を
含み、残部が実質的にジルコニウムを用いることができ
る。
カロイ２あるいはジルカロイ４に限られず、錫０．３〜
２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０．１
６ｗｔ％以下、およびクロム０．０５〜１．２ｗｔ％を
含み、残部が実質的にジルコニウムを用いることができ
る。
【００２１】錫、鉄、ニッケルおよびクロムは析出成分
元素であり、合金中にＺｒ（Ｃｒ，Ｆｅ）2、Ｚｒ2（Ｎ
ｉ，Ｆｅ）などの金属間化合物相を析出するなどして、
ジルコニウム合金の耐食性を高めており、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水蒸気に
よる腐蝕に対する耐食性を十分に高めることができなく
なる。
元素であり、合金中にＺｒ（Ｃｒ，Ｆｅ）2、Ｚｒ2（Ｎ
ｉ，Ｆｅ）などの金属間化合物相を析出するなどして、
ジルコニウム合金の耐食性を高めており、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水蒸気に
よる腐蝕に対する耐食性を十分に高めることができなく
なる。
【００２２】このような組成のジルコニウム合金におい
て、析出された金属間化合物の粒径を１５０ｎｍ以下と
することで、ジルコニウム合金の耐食性をより向上させ
ることが可能になる。
て、析出された金属間化合物の粒径を１５０ｎｍ以下と
することで、ジルコニウム合金の耐食性をより向上させ
ることが可能になる。
【００２３】また、ジルコニウム合金の腐蝕は合金表面
から内部へと進行するため、金属間化合物の粒径が肉厚
方向に向けて傾斜的に大きくなる合金は、腐蝕が合金の
肉厚方向に進むにしたがって、その腐蝕速度が加速され
る。本発明のジルコニウム合金は、金属間化合物の結晶
粒径が膜厚方向に均一とすることで、合金の腐蝕速度が
加速されること無く、耐食性を向上させることができ
る。
から内部へと進行するため、金属間化合物の粒径が肉厚
方向に向けて傾斜的に大きくなる合金は、腐蝕が合金の
肉厚方向に進むにしたがって、その腐蝕速度が加速され
る。本発明のジルコニウム合金は、金属間化合物の結晶
粒径が膜厚方向に均一とすることで、合金の腐蝕速度が
加速されること無く、耐食性を向上させることができ
る。
【００２４】また、このように、腐蝕速度が一定である
ため、原子炉炉心用構造材として用いた際に、寿命予測
を行うことが容易になるという利点もある。
ため、原子炉炉心用構造材として用いた際に、寿命予測
を行うことが容易になるという利点もある。
【００２５】さらに本発明のジルコニウム合金は、その
結晶粒サイズが膜厚方向において均一であり、かつ結晶
粒度がＪＩＳ規格のＡＳＴＭ Ｎｏ．１３以上、すなわ
ち、より微結晶とすることで、機械的な性質をより高め
ている。
結晶粒サイズが膜厚方向において均一であり、かつ結晶
粒度がＪＩＳ規格のＡＳＴＭ Ｎｏ．１３以上、すなわ
ち、より微結晶とすることで、機械的な性質をより高め
ている。
【００２６】なお、結晶粒度あるいは金属間化合物の粒
径は厳密に均一である必要はなく、結晶粒サイズをＡＳ
ＴＭ粒度番号で示す時、合金表面と内部との差が１以
内、合金表面と内部とに析出される金属間化合物の平均
粒径の差が１０ｎｍ以内であれば実質的に均一であると
言え、その効果は十分に得られる。
径は厳密に均一である必要はなく、結晶粒サイズをＡＳ
ＴＭ粒度番号で示す時、合金表面と内部との差が１以
内、合金表面と内部とに析出される金属間化合物の平均
粒径の差が１０ｎｍ以内であれば実質的に均一であると
言え、その効果は十分に得られる。
【００２７】次に、本発明のジルコニウム合金からなる
原子炉炉心用構造材の製造方法、すなわち結晶粒径およ
び金属間化合物の粒径が、小さく、かつ肉厚方向に均一
なジルコニウム合金製の原子炉炉心用構造材の製造方法
を説明する。
原子炉炉心用構造材の製造方法、すなわち結晶粒径およ
び金属間化合物の粒径が、小さく、かつ肉厚方向に均一
なジルコニウム合金製の原子炉炉心用構造材の製造方法
を説明する。
【００２８】まず、ジルコニウム合金を製造するにあた
り、合金成分である、ジルコニウムと、前述した所定の
範囲となる、析出成分である錫、鉄、クロム、ニッケル
を準備する。
り、合金成分である、ジルコニウムと、前述した所定の
範囲となる、析出成分である錫、鉄、クロム、ニッケル
を準備する。
【００２９】これらの合金成分をアーク溶解し、ジルコ
ニウム合金を得る。ジルコニウム合金の均一性を高める
ために、再度、あるいは再々度アーク溶解してインゴッ
トを得る。例えば、ここで得られるインゴットの径は６
００〜６９０ｍｍ程度にする。
ニウム合金を得る。ジルコニウム合金の均一性を高める
ために、再度、あるいは再々度アーク溶解してインゴッ
トを得る。例えば、ここで得られるインゴットの径は６
００〜６９０ｍｍ程度にする。
【００３０】得られたインゴットを１０００℃以上の高
温に加熱した後、熱間鍛造し、切断、表面削り、穴あけ
などの加工を施し小型ビレットを製造する。
温に加熱した後、熱間鍛造し、切断、表面削り、穴あけ
などの加工を施し小型ビレットを製造する。
【００３１】次に、耐食性向上を目的として、得られた
小型ビレットをβ相温度（約１０００℃以上の温度）に
過熱した後に急冷する。これはβ処理あるいはβ焼き入
れと呼ぶ溶体化処理工程で、金属間化合物を微細分化さ
せたり、結晶粒径を小さくするものであり、このβ処理
における急冷速度を早めることで、金属間化合物やジル
コニウムの結晶粒径を小さくすることが可能となる。
小型ビレットをβ相温度（約１０００℃以上の温度）に
過熱した後に急冷する。これはβ処理あるいはβ焼き入
れと呼ぶ溶体化処理工程で、金属間化合物を微細分化さ
せたり、結晶粒径を小さくするものであり、このβ処理
における急冷速度を早めることで、金属間化合物やジル
コニウムの結晶粒径を小さくすることが可能となる。
【００３２】本発明は、この急冷に用いる冷媒として液
体ナトリウムを使用することを特徴とするものであり、
液体ナトリウム中にジルコニウム合金よりなるビレット
を投入するなどして、両者を接触させることで、冷却速
度を速めることが可能になる。
体ナトリウムを使用することを特徴とするものであり、
液体ナトリウム中にジルコニウム合金よりなるビレット
を投入するなどして、両者を接触させることで、冷却速
度を速めることが可能になる。
【００３３】冷媒として液体ナトリウムを用いることで
ジルコニウム合金を急冷できる理由は、液体ナトリウム
の次の三つの特性による。
ジルコニウム合金を急冷できる理由は、液体ナトリウム
の次の三つの特性による。
【００３４】第一の理由は、ナトリウムの沸点が８８６
℃と高いことにある。高温のジルコニウム合金が液体ナ
トリウム中に投入されたとき、沸点の高いナトリウムは
ジルコニウム合金の周りで沸騰せず、したがってジルコ
ニウム合金表面に蒸気膜が出来ない。そのためにジルコ
ニウム合金から液体ナトリウムヘの熱の伝達が極めて良
くすることができ、ひいては、ジルコニウム合金内部に
いたるまで十分な速度で急冷を行うことが可能になる。
℃と高いことにある。高温のジルコニウム合金が液体ナ
トリウム中に投入されたとき、沸点の高いナトリウムは
ジルコニウム合金の周りで沸騰せず、したがってジルコ
ニウム合金表面に蒸気膜が出来ない。そのためにジルコ
ニウム合金から液体ナトリウムヘの熱の伝達が極めて良
くすることができ、ひいては、ジルコニウム合金内部に
いたるまで十分な速度で急冷を行うことが可能になる。
【００３５】従来のように水焼き入れであると高温のジ
ルコニウムが水に投入された時、水の沸点は１００℃で
あるためジルコニウム合金の周りで水が沸騰して蒸気膜
を形成し、熱の伝達を妨げ冷劫が速やかには行われなく
なる。
ルコニウムが水に投入された時、水の沸点は１００℃で
あるためジルコニウム合金の周りで水が沸騰して蒸気膜
を形成し、熱の伝達を妨げ冷劫が速やかには行われなく
なる。
【００３６】第二の理由は、ナトリウムの熱伝導率が水
の熱伝導率に比べ高いことにある。そのため熱の拡散が
速く、冷媒としてのナトリウムの温度は均一となるた
め、十分な速度でジルコニウム合金内部まで急冷するこ
とが可能になる。
の熱伝導率に比べ高いことにある。そのため熱の拡散が
速く、冷媒としてのナトリウムの温度は均一となるた
め、十分な速度でジルコニウム合金内部まで急冷するこ
とが可能になる。
【００３７】第三の理由は、ナトリウムがジルコニウム
と合金を作り難い材料であるためであり、そのため、製
造される合金の組成を変化させること無くジルコニウム
合金を得ることができる。
と合金を作り難い材料であるためであり、そのため、製
造される合金の組成を変化させること無くジルコニウム
合金を得ることができる。
【００３８】このような理由から、液体ナトリウムを冷
媒として用いた焼き入れは、水を冷媒とした焼き入れよ
りも金属内部まで急冷することが可能なため、均一かつ
結晶粒径の小さな本発明のジルコニウム合金を得ること
が可能になる。
媒として用いた焼き入れは、水を冷媒とした焼き入れよ
りも金属内部まで急冷することが可能なため、均一かつ
結晶粒径の小さな本発明のジルコニウム合金を得ること
が可能になる。
【００３９】得られたジルコニウム合金を、液体ナトリ
ウムで冷却されたビレットを６００〜７００℃程度に加
熱し熱間押出しを行い、押出し素管とする。素管の寸法
は、例えば燃料被覆管として規格化された、外径６３．
５ｍｍ、肉厚１０．９ｍｍに設定する。
ウムで冷却されたビレットを６００〜７００℃程度に加
熱し熱間押出しを行い、押出し素管とする。素管の寸法
は、例えば燃料被覆管として規格化された、外径６３．
５ｍｍ、肉厚１０．９ｍｍに設定する。
【００４０】この素管を、さらに冷間圧延と、焼鈍とを
繰り返すことで原子炉用構造材である燃料被覆管を形成
することができる。
繰り返すことで原子炉用構造材である燃料被覆管を形成
することができる。
【００４１】前述したようにして錫０．５％、鉄０．５
％、クロム１．０％含有し、残部が実質的にジルコニウ
ムからなるジルコニウム合金製の燃料被覆管を製造し
た。
％、クロム１．０％含有し、残部が実質的にジルコニウ
ムからなるジルコニウム合金製の燃料被覆管を製造し
た。
【００４２】得られた本発明の燃料被覆管表面のジルコ
ニウム合金の結晶粒度及び合金中に析出された金属間化
合物の粒径を測定したところ、結晶粒度はＡＳＴＭ粒度
番号が１５であり、析出された金属間化合物の平均粒径
は約１００ｎｍであった。さらに得られた燃料被覆管を
切断し、切断面の結晶粒径を測定したところ、ジルコニ
ウムのＡＳＴＭ粒度番号は１５、金属間化合物の平均粒
径は約１００ｎｍであり、肉厚方向の結晶粒径が均一で
あることが確認された。
ニウム合金の結晶粒度及び合金中に析出された金属間化
合物の粒径を測定したところ、結晶粒度はＡＳＴＭ粒度
番号が１５であり、析出された金属間化合物の平均粒径
は約１００ｎｍであった。さらに得られた燃料被覆管を
切断し、切断面の結晶粒径を測定したところ、ジルコニ
ウムのＡＳＴＭ粒度番号は１５、金属間化合物の平均粒
径は約１００ｎｍであり、肉厚方向の結晶粒径が均一で
あることが確認された。
【００４３】得られた燃料被覆管の機械的な性質を測定
したところ、常温での引張り強さは５７．３ｋｇ／ｍｍ
2、伸び３８．２％と高い値を示した。
したところ、常温での引張り強さは５７．３ｋｇ／ｍｍ
2、伸び３８．２％と高い値を示した。
【００４４】さらに燃料被覆管を５００℃、４８時間の
水蒸気試験を行ったところ、腐蝕増量はわずかに２５ｍ
ｇ／ｄｍ2であった。
水蒸気試験を行ったところ、腐蝕増量はわずかに２５ｍ
ｇ／ｄｍ2であった。
【００４５】比較の為に、従来どおりβ処理時の冷媒と
して水を使用したことを除き、全く同様にして燃料被覆
管を作成した。
して水を使用したことを除き、全く同様にして燃料被覆
管を作成した。
【００４６】得られた燃料被覆管表面のジルコニウム合
金の結晶粒度および合金中に析出された金属間化合物の
粒径を測定したところ、ジルコニウムはＡＳＴＭ粒度番
号が１１．５であり、析出された金属間化合物の平均粒
径は約２００ｎｍであった。さらに得られた燃料被覆管
を切断し、切断面の結晶粒径を測定したところ、結晶粒
径は肉厚方向に勾配を持っており、肉厚方向の略中心部
でのジルコニウム合金のＡＳＴＭ粒度番号は１２、金属
間化合物の平均粒径は約２３０ｎｍであった。
金の結晶粒度および合金中に析出された金属間化合物の
粒径を測定したところ、ジルコニウムはＡＳＴＭ粒度番
号が１１．５であり、析出された金属間化合物の平均粒
径は約２００ｎｍであった。さらに得られた燃料被覆管
を切断し、切断面の結晶粒径を測定したところ、結晶粒
径は肉厚方向に勾配を持っており、肉厚方向の略中心部
でのジルコニウム合金のＡＳＴＭ粒度番号は１２、金属
間化合物の平均粒径は約２３０ｎｍであった。
【００４７】ジルコニウム合金のＡＳＴＭ粒度番号は肉
厚方向で小さくなっており（結晶粒サイズは大きくなっ
ており）、金属間化合物の平均粒径も肉厚方向で大きく
なっていた。
厚方向で小さくなっており（結晶粒サイズは大きくなっ
ており）、金属間化合物の平均粒径も肉厚方向で大きく
なっていた。
【００４８】この燃料被覆管の機械的な性質を測定した
ところ、常温での引張強さは５３．８ｋｇ／ｍｍ2、伸
び３４．２％であり、本発明の液体ナトリウムを用いて
β処理を施した燃料被覆管の機械的な性質が向上してい
ることが分かる。
ところ、常温での引張強さは５３．８ｋｇ／ｍｍ2、伸
び３４．２％であり、本発明の液体ナトリウムを用いて
β処理を施した燃料被覆管の機械的な性質が向上してい
ることが分かる。
【００４９】さらに燃料被覆管を５００℃、４８時間の
水蒸気試験を行ったところ、腐蝕増量は１８２５ｍｇ／
ｄｍ2であり、本発明の燃料被覆管の腐蝕量が従来のも
のに比べ約１／７０程度に軽減されていることが分か
る。
水蒸気試験を行ったところ、腐蝕増量は１８２５ｍｇ／
ｄｍ2であり、本発明の燃料被覆管の腐蝕量が従来のも
のに比べ約１／７０程度に軽減されていることが分か
る。
【００５０】このように、本発明によれば、更に機械的
な性質が良好で、且つ耐食性の良好なジルコニウム合金
とそれで形成した原子炉炉心構造材を得ることが出来
る。
な性質が良好で、且つ耐食性の良好なジルコニウム合金
とそれで形成した原子炉炉心構造材を得ることが出来
る。
【００５１】また、本発明のジルコニウム合金、あるい
は原子炉炉心用構造材は、肉厚方向のジルコニウムおよ
び金属間化合物の粒径が均一であるため、長期間の使用
によりたとえ表面層が腐蝕しても、肉厚方向に腐蝕速度
（酸化速度）が一定であるため、長時間の使用による腐
蝕量を予測することができる。
は原子炉炉心用構造材は、肉厚方向のジルコニウムおよ
び金属間化合物の粒径が均一であるため、長期間の使用
によりたとえ表面層が腐蝕しても、肉厚方向に腐蝕速度
（酸化速度）が一定であるため、長時間の使用による腐
蝕量を予測することができる。
【００５２】なお、原子炉炉心用構造材として燃料被覆
管を例示して説明したが、本発明の原子炉炉心用構造材
は、燃料被覆管に限らず燃料被覆管を固定するスペーサ
や燃料被覆管を収納するチャネルボックスなど他の構造
材に使用することも可能である。
管を例示して説明したが、本発明の原子炉炉心用構造材
は、燃料被覆管に限らず燃料被覆管を固定するスペーサ
や燃料被覆管を収納するチャネルボックスなど他の構造
材に使用することも可能である。
【００５３】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば耐食
性、および機械的な性質の高いジルコニウム合金、ある
いは原子炉炉心用構造材を得ることが可能になる。
性、および機械的な性質の高いジルコニウム合金、ある
いは原子炉炉心用構造材を得ることが可能になる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｆ 1/00 ６０４ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６４０Ａ ６３０ ６４１Ｃ ６４０ ６８２ ６４１ ６９１Ｂ ６８２ ６９２Ａ ６９１ Ｇ２１Ｃ 3/06 Ｊ ６９２ Ｎ
Claims (4)
- 【請求項１】錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７
ｗｔ％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム
０．０５〜１．２ｗｔ％を析出成分元素として含み、残
部が実質的にジルコニウムからなる高耐食性ジルコニウ
ム合金であって、 結晶粒度がＡＳＴＭ Ｎｏ．１３以上、前記析出成分元
素を含む金属間化合物の粒径が１５０ｎｍ以下であり、
前記結晶粒度および前記金属間化合物の粒径が、肉厚方
向に均一であることを特徴とする高耐食性ジルコニウム
合金。 - 【請求項２】錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７
ｗｔ％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム
０．０５〜１．２ｗｔ％を析出成分元素として含み、残
部が実質的にジルコニウムからなる原子炉炉心用構造材
において、 結晶粒度がＡＳＴＭ Ｎｏ．１３以上、前記析出成分元
素を含む金属間化合物の粒径が１５０ｎｍ以下であり、
前記結晶粒度および前記金属間化合物の粒径が肉厚方向
に均一であることを特徴とする原子炉炉心用構造材。 - 【請求項３】錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７
ｗｔ％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム
０．０５〜１．２ｗｔ％からなる析出成分元素と、ジル
コニウムとからなる合金を所望の形状に加工する工程
と、 加工された前記合金の結晶状態がβ相になる温度にまで
加熱する加熱工程と、 加熱された前記合金に液体ナトリウムを接触させる急冷
工程とを有することを特徴とする高耐食性ジルコニウム
合金の製造方法。 - 【請求項４】錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７
ｗｔ％、ニッケル０．１６ｗｔ％以下、およびクロム
０．０５〜１．２ｗｔ％からなる析出成分元素と、ジル
コニウムとからなる合金を所望の形状に加工する工程
と、 加工された前記合金をβ相温度にまで加熱する加熱工程
と、 加熱された前記合金に液体ナトリウムを接触させる急冷
工程とを有す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 |
|---|---|---|---|
| JP2000077206A JP3692006B2 (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 高耐食性ジルコニウム合金、原子炉炉心用構造材およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000077206A JP3692006B2 (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 高耐食性ジルコニウム合金、原子炉炉心用構造材およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001262259A true JP2001262259A (ja) | 2001-09-26 |
| JP3692006B2 JP3692006B2 (ja) | 2005-09-07 |
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ID=18594812
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000077206A Expired - Fee Related JP3692006B2 (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 高耐食性ジルコニウム合金、原子炉炉心用構造材およびその製造方法 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3692006B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1413641A1 (en) * | 2002-10-22 | 2004-04-28 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method and apparatus for heat treating nonferrous alloys using liquid sodium |
| JP2008026182A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-07 | Global Nuclear Fuel-Japan Co Ltd | 高燃焼度用燃料被覆管およびその製造方法 |
| 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 |
| US8989339B2 (en) | 2010-11-08 | 2015-03-24 | Hitachi, Ltd. | Zirconium alloy material |
-
2000
- 2000-03-17 JP JP2000077206A patent/JP3692006B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2008026182A (ja) * | 2006-07-21 | 2008-02-07 | Global Nuclear Fuel-Japan Co Ltd | 高燃焼度用燃料被覆管およびその製造方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3692006B2 (ja) | 2005-09-07 |
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