JP2008546911A - 核燃料部材／核燃料のためのフェライト／マルテンサイト系鋼またはオーステナイト系鋼からなる被覆管、および該被覆管上の高温に適切なＦｅＣｒＡｌ保護層を後処理する方法 - Google Patents

Abstract

核燃料部材／核燃料のためのフェライト／マルテンサイト系鋼またはオーステナイト系鋼からなる被覆管は、冷媒側に、電子線パルスにより被覆管上で再融され、かつ溶接されたＬＰＰＳ−ＦｅＣｒＡｌ層を備えている。該被覆管は、８００℃までの温度を有する金属冷媒としての液状の鉛または液状の鉛合金と問題なく接触することができる。

Description

本発明は、金属冷媒に曝露される核燃料部材のための、フェライト／マルテンサイト系鋼またはオーステナイト系鋼からなる被覆管に関する。該被覆管は、液状の金属冷媒を用いる反応装置中で使用するためのものであり、その際、液状の金属冷媒は鉛であるか、または鉛合金である。

液状の鉛または鉛合金で運転される反応器中の被覆管または内部構造物の鋼表面のような鋼表面は、液状の金属により腐食され、鋼の合金元素が溶解することにより金属部材が次第に破壊される。この問題は、鉛または鉛の合金中に酸素を溶解する場合に、しかも溶解プロセスを防止する酸化物層が表面に形成される濃度で酸素を溶解する場合に防止することができる。しかしこの酸素濃度は、鉛合金の酸化物が形成される値を超えることは許されない。

鋼は酸化される一方で、鉛合金は酸化されない濃度で酸素を含有する鉛合金の存在下では、鉄イオンが磁鉄鉱層の表面に拡散することによって、および酸素が金属に拡散することによって、スピネル層が表面の下に生じ、該層は時間の経過と共に成長し続ける。このプロセスは確かに、鉛合金による溶解による腐食を防止するが、しかし酸化によって次第に材料特性を著しく損なう結果となる。さらに、このことによって信頼できる保護作用は、５００℃未満の温度に関して達成されるにすぎない。被覆管は反応器中でこれより高い温度が予測されるため、高温に対して付加的な保護層を考慮しなくてはならない。この場合、アルミニウムを含有する合金の使用は極めて信頼性があることが判明したが、これは、薄い酸化アルミニウム層を選択的に形成することにより液状金属の溶解による侵食に対する、および鋼の酸化の進行に対する優れた拡散バリアとなる。アルミニウムを全鋼マトリックスに添加して合金とすることは実用的ではない。というのも、アルミニウムは周知のとおり、鋼の著しい脆化につながるからである。従ってアルミニウム割合は、薄い表面層に限定されなくてはならない。アルミニウムを含有する表面合金を製造するためには、２つの方法が試験された。つまり工業用の「パック・セメンテーション（Ｐａｃｋ−ｃｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ）」と、実験室規模での電子線パルスを用いた表面溶融合金化（ＧＥＳＡ法）である。「パック・セメンテーション」は、高温拡散法であり、この場合、約９００℃で気相からアルミニウムを鋼マトリックスへと拡散させる。ＧＥＳＡ法では、予め施与されたアルミニウム層もしくは薄いシートを、電子線パルスにより鋼の表面へと合金化する。両方の方法で処理した試験体において、基本的な保護メカニズムを証明することはできた。しかしいずれの方法も実際の、壁厚が薄い管上での使用には十分に転用することができない。拡散法の場合には高い方法温度に基づいて、その使用が基本的にニッケルを含有するオーステナイト系鋼に限定される。被覆管の形状安定性は、高温に基づいて保証することができない。さらに、表面合金層はニッケルを含有している。ニッケルは、鋼の全ての合金成分の中でも、鉛中での最も高い溶解性を有しており、このことによって鉛および鉛合金中での長期の耐久性は疑問である。ＧＥＳＡ法は、電子線が空間的に限定されることに基づいて、長い被覆管は、複数のパルスを用いて重複させながら処理しなくてはならないという欠点を有している。重複領域では、予め施与されたアルミニウム層の一部を気化することができるので、局所的にアルミニウムは十分に鋼表面へと合金化されない。このような局所的な欠陥は回避されなくてはならない。

本発明の根底には、冷媒と接触する表面上に、実質的に５００℃より高い温度でもなお信頼性のある保護作用をもたらす、核燃料部材／核燃料のためのフェライト／マルテンサイト系鋼またはオーステナイト系鋼からなる被覆管を提供するという課題が存在している。

前記課題の解決方法は、請求項１に記載されているように、ＦｅＣｒＡｌが表面へ合金化されていることにより解決される。これは請求項４に記載されている方法により達成され、酸素の存在下に選択的に５０μｍまでの薄い酸化アルミニウム層が形成され、該層はアニオンおよびカチオンの拡散を著しく妨げるので、極めて緩慢に成長する酸化物層により腐食保護が生じる。被覆管は表面合金層により、液状の鉛または鉛合金中で、これらの液状金属の腐食による攻撃に対して８００℃まで保護されている。該合金層は、アルミニウム３〜１５質量％、クロム０〜２５質量％および残分が鉄からなる。保護する酸化物層による被覆に対して、表面で保護層を形成する合金化は、酸化物層中の欠陥または亀裂が、後から拡散する酸化物の形成により治癒され、かつ保護層は実質的に比較的高い温度（８００℃）まで安定しており、かつその保護特性を維持するという利点を有する。

表面合金化の技術的な実現は、低圧プラズマ噴霧法（ＬＰＰＳ法）を用いた被覆により行われ、これは工業的な規模で実施可能である。しかし、要求される薄い層は比較的大きな噴霧滴に基づいて、極めて粗く、かつ多孔質であり、かつ特に良好な付着性を有していない。というのも、被覆管の形状安定性を保証し、かつフェライト／マルテンサイト系被覆管の場合に鋼の接合部を維持するためには、支持体温度を低く維持しなくてはならないからである（＜６００℃）。この理由から、ＦｅＣｒＡｌ層は、この形で使用することができない。従って、層は、その厚さに依存して、約２０〜４０μｓの時間、１００〜２００ｋｅＶの電子線エネルギーおよび３０〜５０Ｊ／ｃｍ²のエネルギー密度での電子線パルスを用いて、被覆管の表面付近の鋼層と共に再融される（請求項４）。その際、合金元素と、鋼の薄い溶融された表面層との均一な混合は、層から鋼表面への移行部において行われる。これは合金層の緊密な金属結合をもたらす。

ＦｅＣｒＡｌ層が短時間再融されることにより、これらは付加的に光沢を有し、かつ緻密化される。ＦｅＣｒＡｌ層は、その熱物理的特性、たとえば融点、密度、熱伝導率および蒸気圧において、被覆管の鋼マトリックスに極めて似ており、ここで再融は重複する電子線パルスによって容易に実施することができる。

このことを、図面に基づいてさらに詳細に説明する。図面において、
図１は、合金層の構造を略図により示しており、
図２は、ＦｅＣｒＡｌ層を示しており、
図３は、ＧＥＳＡ装置の断面図を示している。

図１において、被覆管鋼上の合金保護層の構造の略図が断面図で示されている。これは、鋼表面上の溶融されたＦｅＣｒＡｌ層を示しており、これは鋼表面の溶融帯域（混合帯域）で被覆管の鋼マトリックスと金属的に強固に結合している。

溶融深さは、電子線エネルギーにより５０μｍまで拡大することができる。電子線パルスの使用は、被覆管の材料帯域が合金層の外側ではわずかに加熱されるにすぎないという利点を有する。図２には、ＬＰＰＳ被覆およびその後の電子線パルスによる処理の後の試験体の断面図が記載されている。当初厚さ約２０μｍを有する粗大で多孔質のＦｅＣｒＡｌ層は、平滑で細孔を有しておらず、かつ良好な金属結合を有している。

被覆管を処理するために構成されたＧＥＳＡ ＩＶ装置の電子線パルスを、析出した層の再融および溶接のために使用した。図３。該装置は、高電圧発生装置、および真空室中に存在している円筒形の電子線加速装置とからなる。電子線は水平方向に３２ｃｍの長さを有している。これはパルスにより処理することができる長さである。長い被覆管のためには、被覆管を加速装置の対称軸に沿って移動させる。

合金層の構造を略図により示す図 ＦｅＣｒＡｌ層を示す図 ＧＥＳＡ装置の断面図を示す図

Claims (4)

1. 核燃料部材／核燃料のためのフェライト／マルテンサイト系鋼またはオーステナイト系鋼からなり、８００℃までの温度で液状の鉛または鉛合金と接触する被覆管において、該被覆管は、腐食保護として質量部で以下の組成：
   クロム ０〜２５％
   アルミニウム ３〜１５％
   鉄 残分
   からなる、厚さ５０μｍまでの表面合金層を有することを特徴とする、核燃料部材／核燃料のためのフェライト／マルテンサイト系鋼またはオーステナイト系鋼からなる被覆管。
2. 表面上に前記の組成のＦｅＣｒＡｌ層が析出し、かつ電子線パルスにより鋼表面へ溶け込むことを特徴とする、請求項１記載の被覆管。
3. 合金層と被覆管との間に、電子線パルスにより処理後に金属化合物が生じることを特徴とする、請求項１記載の被覆管。
4. 請求項１記載の核燃料部材／核燃料のためのフェライト／マルテンサイト系鋼またはオーステナイト系鋼からなる被覆管の、冷媒と接触する表面上の、高温に適切なＦｅＣｒＡｌ保護層を後処理する方法において、被覆管上に析出したＬＰＰＳ−ＦｅＣｒＡｌ保護層を、析出の後に、約２０〜４０μｓの時間、１００〜２００ｋｅＶの電子線エネルギーおよび３０〜５０Ｊ／ｃｍ²のエネルギー密度での電子線パルスにより、被覆管の表面付近の鋼層と共に再融することを特徴とする、請求項１記載の核燃料部材／核燃料のためのフェライト／マルテンサイト系鋼またはオーステナイト系鋼からなる被覆管の、冷媒と接触する表面上の、高温に適切なＦｅＣｒＡｌ保護層を後処理する方法。