JP2001349972A - ジルコニウム基合金とその製法およびそれを用いた核燃料集合体部材 - Google Patents
ジルコニウム基合金とその製法およびそれを用いた核燃料集合体部材Info
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- JP2001349972A JP2001349972A JP2000175561A JP2000175561A JP2001349972A JP 2001349972 A JP2001349972 A JP 2001349972A JP 2000175561 A JP2000175561 A JP 2000175561A JP 2000175561 A JP2000175561 A JP 2000175561A JP 2001349972 A JP2001349972 A JP 2001349972A
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-
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Abstract
(57)【要約】
【課題】燃料集合体部材の好適な機械的特性を維持しつ
つ、水素吸収量低減を図った核燃料部材用ジルコニウム
基合金の提供。 【解決手段】水冷却型原子炉の核燃料集合体部材用の合
金としての錫，鉄，クロムまたはニッケルを含むジルコ
ニウム基合金において、結晶粒径が５〜２０μｍである
ことを特徴とするジルコニウム基合金。
つ、水素吸収量低減を図った核燃料部材用ジルコニウム
基合金の提供。 【解決手段】水冷却型原子炉の核燃料集合体部材用の合
金としての錫，鉄，クロムまたはニッケルを含むジルコ
ニウム基合金において、結晶粒径が５〜２０μｍである
ことを特徴とするジルコニウム基合金。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水冷却型原子炉燃料
集合体を構成するジルコニウム基合金とその製法、並び
に、それを用いた該燃料集合体の被覆管、スペーサ、ウ
オ一夕ロッド、チャンネルボックス等の部材に関する。
集合体を構成するジルコニウム基合金とその製法、並び
に、それを用いた該燃料集合体の被覆管、スペーサ、ウ
オ一夕ロッド、チャンネルボックス等の部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料集合体の構成用材料としては、ジル
コニウム基合金、例えば、ジルカロイ−２（合金元素組
成が重量比で、Ｓｎ：１.２〜１.７％、Ｆｅ：０.０７
〜０.２０％、Ｃｒ：０.０５〜０.１５％、Ｎｉ：０.０
３〜０.０８％および残部がＺｒ）が使用されている。
コニウム基合金、例えば、ジルカロイ−２（合金元素組
成が重量比で、Ｓｎ：１.２〜１.７％、Ｆｅ：０.０７
〜０.２０％、Ｃｒ：０.０５〜０.１５％、Ｎｉ：０.０
３〜０.０８％および残部がＺｒ）が使用されている。
【０００３】ジルコニウム基合金は高温水中における耐
食性に優れ、かつ、適度な機械的強度や加工性を有する
が、燃料の高燃焼度化に伴い、従来材以上の耐食性が要
求されるようになってきた。
食性に優れ、かつ、適度な機械的強度や加工性を有する
が、燃料の高燃焼度化に伴い、従来材以上の耐食性が要
求されるようになってきた。
【０００４】耐食性向上の方法として、製造工程途中
で、α＋β相温度範囲に加熱し急冷する熱処理（以下、
焼き入れ処理と云う）する方法が知られている。この方
法では、焼き入れ処理により合金成分からなる析出物の
サイズが、従来材と比較して小さくなるために耐食性が
向上すると考えられており、この方法により、沸騰水型
軽水炉の環境下で発生するノジュラ一腐食と呼ばれる局
部腐食が低減され、その結果、従来材と比較して大幅に
耐食性が向上した。
で、α＋β相温度範囲に加熱し急冷する熱処理（以下、
焼き入れ処理と云う）する方法が知られている。この方
法では、焼き入れ処理により合金成分からなる析出物の
サイズが、従来材と比較して小さくなるために耐食性が
向上すると考えられており、この方法により、沸騰水型
軽水炉の環境下で発生するノジュラ一腐食と呼ばれる局
部腐食が低減され、その結果、従来材と比較して大幅に
耐食性が向上した。
【０００５】しかし、燃料の高燃焼度化と炉内滞在期間
の長期化に伴い、耐食性だけでなく、水素吸収量の低減
に対するニーズが高くなってきた。特に、スペーサ、ウ
オ一夕ロッド、チャンネルボックス等の集合体部材で
は、部材の両面が炉水に曝されること、部材表面から中
央部への厚さ方向の温度勾配が非常に小さいこと等のた
めに、炉内長期間使用後には水素吸収量が多くなると考
えられている。
の長期化に伴い、耐食性だけでなく、水素吸収量の低減
に対するニーズが高くなってきた。特に、スペーサ、ウ
オ一夕ロッド、チャンネルボックス等の集合体部材で
は、部材の両面が炉水に曝されること、部材表面から中
央部への厚さ方向の温度勾配が非常に小さいこと等のた
めに、炉内長期間使用後には水素吸収量が多くなると考
えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術は燃料集合
体部材の耐食性向上を主目的としてきたが、本発明の目
的は、燃料集合体部材の好適な機械的特性を維持しつ
つ、水素吸収量の低減を図ることにある。
体部材の耐食性向上を主目的としてきたが、本発明の目
的は、燃料集合体部材の好適な機械的特性を維持しつ
つ、水素吸収量の低減を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、ジルコニウ
ム基合金の結晶粒径を制御することにより、現行ジルコ
ニウム基合金の機械的特性を維持し、かつ、水素吸収量
を低減させることにある。
ム基合金の結晶粒径を制御することにより、現行ジルコ
ニウム基合金の機械的特性を維持し、かつ、水素吸収量
を低減させることにある。
【０００８】本発明者らは、ジルコニウム基合金を用い
た水素吸収試験を実施し、結晶粒径と水素吸収との関係
を調べた。
た水素吸収試験を実施し、結晶粒径と水素吸収との関係
を調べた。
【０００９】供試材は最高純度のクリスタルバージルコ
ニウム、試験雰囲気は水素／水蒸気混合ガス雰囲気、水
素／水蒸気分圧比の値は１０4以上、試験温度は４００
℃、試験時間は４０時間である。水素吸収試験結果の一
例を図１に示す。
ニウム、試験雰囲気は水素／水蒸気混合ガス雰囲気、水
素／水蒸気分圧比の値は１０4以上、試験温度は４００
℃、試験時間は４０時間である。水素吸収試験結果の一
例を図１に示す。
【００１０】本試験では、水素が吸収されたことによる
試験系の内圧減少速度を測定し、これを図の縦軸に示し
た。図から分かるように結晶粒径が大きくなるのに伴
い、水素吸収速度が遅くなっている。この結果は、結晶
粒界から優先的に水素が吸収されることを示している。
試験系の内圧減少速度を測定し、これを図の縦軸に示し
た。図から分かるように結晶粒径が大きくなるのに伴
い、水素吸収速度が遅くなっている。この結果は、結晶
粒界から優先的に水素が吸収されることを示している。
【００１１】ジルコ二ウム合金の結晶粒をサイズが均一
な等価球で近似すると、単位表面積当りの結晶粒界長さ
Ｌは、次式〔１〕で近似できる。
な等価球で近似すると、単位表面積当りの結晶粒界長さ
Ｌは、次式〔１〕で近似できる。
【００１２】
【数１】Ｌ ∝ １／ｒ …〔１〕 なお、ここでｒは結晶粒径である。
【００１３】上記〔１〕式から水素吸収量は結晶粒径に
逆比例すると予想されるが、図１に示されるように水素
吸収速度は、概ね結晶粒径に逆比例している。このこと
から、結晶粒径を大きくして単位表面積当りの結晶粒界
長さＬを短くすることにより、水素吸収量を低減できる
ことが分かる。
逆比例すると予想されるが、図１に示されるように水素
吸収速度は、概ね結晶粒径に逆比例している。このこと
から、結晶粒径を大きくして単位表面積当りの結晶粒界
長さＬを短くすることにより、水素吸収量を低減できる
ことが分かる。
【００１４】結晶粒径を大きくすることは、最終圧延後
の焼鈍温度を高くすることによって達成できる。結晶粒
径と最終焼鈍温度との関係の一例を図２に示す。
の焼鈍温度を高くすることによって達成できる。結晶粒
径と最終焼鈍温度との関係の一例を図２に示す。
【００１５】現行ジルコニウム基合金では最終温度を約
６００℃以下として、結晶粒径を約５μｍ以下に調整し
ているが、本発明では、最終温度を６５０℃以上とする
ことで結晶粒径を５μｍ以上に調整する。
６００℃以下として、結晶粒径を約５μｍ以下に調整し
ているが、本発明では、最終温度を６５０℃以上とする
ことで結晶粒径を５μｍ以上に調整する。
【００１６】一方、結晶粒径が大き過ぎると、機械的特
性が低下する可能性も知られている。結晶粒径と引張り
試験における破断伸びとの関係の一例を図３に示す。結
晶粒径が約２０μｍ以下では、被断伸び（％）の低下は
小さい。
性が低下する可能性も知られている。結晶粒径と引張り
試験における破断伸びとの関係の一例を図３に示す。結
晶粒径が約２０μｍ以下では、被断伸び（％）の低下は
小さい。
【００１７】そこで、本発明では結晶粒径の上限を２０
μｍとし、これを達成すべく最終焼鈍温度の上限を８０
０℃とした。
μｍとし、これを達成すべく最終焼鈍温度の上限を８０
０℃とした。
【００１８】以上のように、本発明では、最終圧延後の
焼鈍温度を６００℃以上とすることにより結晶粒径を５
μｍ以上に調整して水素吸収を低減し、同じく焼鈍温度
の上限を８００℃とすることにより結晶粒径上限を２０
μｍ以下に調整して、機械的強度の低下を防ぐことがで
きる。
焼鈍温度を６００℃以上とすることにより結晶粒径を５
μｍ以上に調整して水素吸収を低減し、同じく焼鈍温度
の上限を８００℃とすることにより結晶粒径上限を２０
μｍ以下に調整して、機械的強度の低下を防ぐことがで
きる。
【００１９】
【発明の実施の形態】燃料集合体構成部材の中で、スペ
ーサバンド、スペーサセルあるいはウオ一夕ロッドなど
は内外表面がいずれも冷却水に曝されるため、外表面し
か曝されない被覆管と比較して、腐食量や水素吸収率が
同じでも水素吸収量が２倍になる。
ーサバンド、スペーサセルあるいはウオ一夕ロッドなど
は内外表面がいずれも冷却水に曝されるため、外表面し
か曝されない被覆管と比較して、腐食量や水素吸収率が
同じでも水素吸収量が２倍になる。
【００２０】本実施例は、最終焼鈍温度を７５０℃とし
て、結晶粒径を約１２μｍに調整したジルコニウム基合
金をスペーサバンド、スペーサセルあるいはウオ一夕ロ
ッドに適用した。
て、結晶粒径を約１２μｍに調整したジルコニウム基合
金をスペーサバンド、スペーサセルあるいはウオ一夕ロ
ッドに適用した。
【００２１】現行ジルコニウム基合金の結晶粒径は約５
μｍ以下で、通常は２〜３μｍである。これに対し、本
実施例のジルコニウム基合金の結晶粒径は約１２μｍ
で、現行ジルコニウム基合金の約５倍となっており、そ
の水素吸収量は（１）式から分かるように約１／５に低
減されると予想される。
μｍ以下で、通常は２〜３μｍである。これに対し、本
実施例のジルコニウム基合金の結晶粒径は約１２μｍ
で、現行ジルコニウム基合金の約５倍となっており、そ
の水素吸収量は（１）式から分かるように約１／５に低
減されると予想される。
【００２２】一方、破断伸びは図３から分かるように、
現行ジルコニウム基合金と本実施例のジルコニウム基合
金とでは大きな違いはない。
現行ジルコニウム基合金と本実施例のジルコニウム基合
金とでは大きな違いはない。
【００２３】次に、本発明のジルコニウム基合金の製造
工程の一例を図４に示す。鍛造、熱間圧延の後にα＋β
焼き入れ処理を施すことにより、析出物を微細化させ、
かつ、均一に分散する。
工程の一例を図４に示す。鍛造、熱間圧延の後にα＋β
焼き入れ処理を施すことにより、析出物を微細化させ、
かつ、均一に分散する。
【００２４】焼き入れ処理後、冷間圧延と中間焼鈍を交
互に繰返して、所定の寸法まで圧延する。圧延回数は２
回以上で、通常は２、３回程度である。
互に繰返して、所定の寸法まで圧延する。圧延回数は２
回以上で、通常は２、３回程度である。
【００２５】本実施例では、圧延後の中間焼鈍温度を７
２０℃、焼鈍時間を２時間とした場合の例で、６５０℃
より高温側で中間焼鈍することにより、従来のジルコニ
ウム基合金と比較して、相対的にＺｒ−Ｆｅ−Ｃｒ系析
出物サイズを大きくし、かつ、Ｚｒ−Ｆｅ−Ｃｒ系析出
物とＺｒ−Ｆｅ−Ｎｉ系析出物とのサイズの比を大きく
できる。
２０℃、焼鈍時間を２時間とした場合の例で、６５０℃
より高温側で中間焼鈍することにより、従来のジルコニ
ウム基合金と比較して、相対的にＺｒ−Ｆｅ−Ｃｒ系析
出物サイズを大きくし、かつ、Ｚｒ−Ｆｅ−Ｃｒ系析出
物とＺｒ−Ｆｅ−Ｎｉ系析出物とのサイズの比を大きく
できる。
【００２６】また、累積焼鈍パラメータＡの値は約２.
９×１０~17で、従来のジルコニウム基合金の製造実績
の範囲内にある。
９×１０~17で、従来のジルコニウム基合金の製造実績
の範囲内にある。
【００２７】なお、上記の累積焼鈍パラメータＡは次式
〔２〕により求められる。
〔２〕により求められる。
【００２８】
【数２】 Ａ＝Σｔi × exp(−４０００／Ｔi) …〔２〕 ここで、素管 Ｔi：α＋β焼入れ以降でｉ番目の焼鈍温度（Ｋ） ｔi：α＋β焼入れ以降でｉ番目の焼鈍時間（ｔ） を示す。
【００２９】なお、α＋β焼入れ処理により、析出物が
非常に微細化されるが、焼入れ処理以降の中間焼鈍およ
び最終焼鈍によって、少しずつ成長してサイズが大きく
なる。累積焼鈍パラメータは、焼鈍処理による入熱量を
表すパラメータで、この値が大きいほど析出物サイズが
大きいことを表している。
非常に微細化されるが、焼入れ処理以降の中間焼鈍およ
び最終焼鈍によって、少しずつ成長してサイズが大きく
なる。累積焼鈍パラメータは、焼鈍処理による入熱量を
表すパラメータで、この値が大きいほど析出物サイズが
大きいことを表している。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、従来材よりも水素吸収
が少なく、かつ、従来材と同等の機械的特性を有するジ
ルコニウム基合金が得ることができ、原子炉の燃料の高
燃焼度化、高性能化に貢献することができる。
が少なく、かつ、従来材と同等の機械的特性を有するジ
ルコニウム基合金が得ることができ、原子炉の燃料の高
燃焼度化、高性能化に貢献することができる。
【図１】水素吸収と析出物粒径との関係を表すグラフで
ある。
ある。
【図２】最終焼鈍温度と結晶粒径との関係を表すグラフ
である。
である。
【図３】結晶粒径と破断伸びとの関係を表すグラフであ
る。
る。
【図４】本発明のジルコニウム基合金の製造工程の一例
を示すフロー図である。
を示すフロー図である。
───────────────────────────────────────────────────── 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 ６４０Ｅ ６０５ ６９１Ｂ ６４０ 1/18 Ｅ Ｇ２１Ｃ 3/06 Ｎ ６９１ Ｊ 1/18 3/34 Ｙ (72)発明者 久保 利雄 茨城県東茨城郡大洗町成田町2163番地 日 本核燃料開発株式会社内 (72)発明者 中司 雅文 茨城県東茨城郡大洗町成田町2163番地 日 本核燃料開発株式会社内
Claims (6)
- 【請求項１】 水冷却型原子炉の核燃料集合体部材用の
合金としての錫，鉄，クロムまたはニッケルを含むジル
コニウム基合金において、結晶粒径が５〜２０μｍであ
ることを特徴とするジルコニウム基合金。 - 【請求項２】 水冷却型原子炉の核燃料集合体部材用の
合金としての錫，鉄，クロムまたはニッケルを含むジル
コニウム基合金の製法において、焼き入れ処理工程後に
冷間圧延と焼鈍を繰り返す工程を含み、最終工程の冷間
圧延後の焼鈍温度が６５０〜８００℃であることを特徴
とするジルコニウム基合金の製法。 - 【請求項３】 請求項１に記載のジルコニウム基合金で
構成したことを特徴とする水冷却型原子炉用燃料集合体
の被覆管。 - 【請求項４】 請求項１に記載のジルコニウム基合金で
構成したことを特徴とする水冷却型原子炉用燃料集合体
のスペーサ。 - 【請求項５】 請求項１に記載のジルコニウム基合金で
構成したことを特徴とする水冷却型原子炉用燃料集合体
のウオ一夕ロッド。 - 【請求項６】 請求項１に記載のジルコニウム基合金で
構成したことを特徴とする水冷却型原子炉用燃料集合体
のチャンネルボックス。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000175561A JP2001349972A (ja) | 2000-06-07 | 2000-06-07 | ジルコニウム基合金とその製法およびそれを用いた核燃料集合体部材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000175561A JP2001349972A (ja) | 2000-06-07 | 2000-06-07 | ジルコニウム基合金とその製法およびそれを用いた核燃料集合体部材 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001349972A true JP2001349972A (ja) | 2001-12-21 |
Family
ID=18677420
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000175561A Pending JP2001349972A (ja) | 2000-06-07 | 2000-06-07 | ジルコニウム基合金とその製法およびそれを用いた核燃料集合体部材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001349972A (ja) |
-
2000
- 2000-06-07 JP JP2000175561A patent/JP2001349972A/ja active Pending
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