JP2790138B2 - Cladding tubes, spacers and channel boxes for highly corrosion resistant nuclear fuels, their fuel assemblies, and their manufacturing methods - Google Patents

Cladding tubes, spacers and channel boxes for highly corrosion resistant nuclear fuels, their fuel assemblies, and their manufacturing methods

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JP2790138B2
JP2790138B2 JP9175505A JP17550597A JP2790138B2 JP 2790138 B2 JP2790138 B2 JP 2790138B2 JP 9175505 A JP9175505 A JP 9175505A JP 17550597 A JP17550597 A JP 17550597A JP 2790138 B2 JP2790138 B2 JP 2790138B2
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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、新規なジルコニウ
ム基合金を用いた原子燃料用被覆管,スペーサ及びチャ
ンネルボックスとその燃料集合体並びにその製造法に関
する。 【0002】 【従来の技術】ジルコニウム基合金のうち、燃料被覆管
に使用される合金は、ジルカロイ−2(Sn:1.20
〜1.70wt%,Fe:0.07〜0.20wt%,C
r:0.05〜0.15wt%,Ni:0.03〜0.0
8wt%,O:900〜1400ppm,残Zr,但しF
e+Cr+Ni:0.18〜0.24wt%)及びジルカ
ロイ−4(Sn:1.20〜1.70wt%,Fe:0.
18〜0.24wt%,Ni:0.007wt%以下,
O:900〜1400ppm ,残Zr但しFe+Cr:
0.28〜0.37wt%)である。これら合金の開発経
緯は、ASTM,STPNo.368(1963)pp3
−27に論じられている。本論文には、ジルカロイ−1
(Zr−2.5wt%Sn合金),ジルカロイ−3A(Z
r−0.25wt%Sn−0.25Fe合金),ジルカロ
イ−3B(Zr−0.5wt%Sn−0.4wt%Fe合
金),ジルカロイ−3C(Zr−0.5wt%Sn−0.2
wt%Fe−0.2wt%Ni合金)及び、Ni−Free
ジルカロイ−2(Sn:1.20〜1.70wt%,F
e:0.12〜0.18wt%,Cr:0.05〜0.15
wt%,Ni:0.007wt%以下)で報告されてい
る。ジルカロイ−2,ジルカロイ−4以外のこれら合金
の問題点は、下記のようである。ジルカロイ−1は、F
e,Cr,Niが含まれていないので、耐食性が低い。
ジルカロイ−3シリーズは、Sn添加量を減少させるこ
とにより製造性を向上させると共にFe,Ni添加量を
増加させて耐食性向上を図った合金であるが、強度がジ
ルカロイ−2より低く、約75%に低下する。Ni−F
reeジルカロイ−2は、Niを除去したことにより、
510℃水蒸気中での耐食性が低い。ジルカロイ−4
は、Ni−Freeジルカロイ−2の耐食性を高めるために
Fe含有量を高めた合金であり、Niを含まないため多
量のFeが必要となり中性子吸収断面積を大きくするの
でまずい。 【0003】上記ジルカロイの各合金元素の添加目的に
ついても以下のように論じられている。Snは、機械的
性質の改善と、溶解原料であるスポンジジルコニウム中
に含まれている窒素が耐食性に及ぼす悪影響を防止する
ために添加される。Fe,Cr及びNiは、主に耐食性
改善のために添加される合金元素である。Zr−2.5
wt%Sn合金及びZr−1.8wt%Sn合金に、F
e,Cr及びNiを単独添加した3元合金、並びにZr
にFe,Cr,Niを単独添加した2元合金を用いて、
400℃水蒸気中及び315〜360℃高温水中での耐
食性が検討されている。その結果によるとFe単独添加
量の最適値は0.22wt% ,Cr単独添加量の最適値
は0.1wt%,Ni単独添加量の最適値は0.22wt
%であった。各元素の複合添加効果についても検討され
た結果Fe,Cr,Niの最適合計添加量は、400℃
水蒸気中では0.35wt% 、360℃水中では0.3
wt%であると報告されている。以上の結果をもとにし
て現用ジルカロイ−2及びジルカロイ−4の合金組成が
決定された。 【0004】このように高い耐食性が確認されたジルカ
ロイ−2,ジルカロイ−4からなる燃料被覆管をBWR
環境中で使用すると、ASTM,STP No.633(19
77)第236頁−第280頁,第295頁−第311頁
に記載されているように、ノジュラコロージョンと呼ば
れる丘疹状の局部腐食が発生することが明らかになっ
た。原子力燃料を高燃焼度化すると、ノジュラコロージ
ョン発生部が拡大,相互連結し、ついには剥離してしま
うので、ノジュラ腐食の発生を防止することが、原子力
燃料の高燃焼度化には不可欠な技術となった。 【0005】特開昭58−95247号,ANS TRANSACTION Vo
l.34(June 1980)pp.237−238,J. Electr
ochem. Soc. Electrochemical Science and Technolog
y,February 1975,pp199−204 による
と、この炉内で発生するノジュラコロージョンを炉外で
の加速腐食試験で再現させるには、約500℃以上の高
温水蒸気環境で適しており、400℃水蒸気中あるいは
315〜360℃高温水中試験では、ノジュラコロージ
ョンに対するジルカロイの感受性を評価できないことが
明らかになった。この改良された腐食試験法で現用ジル
カロイ−2,ジルカロイ−4を評価した結果ノジュラコ
ロージョンを発生することも明らかになり、さらに高い
耐ノジュラコロージョン性を有する被覆管が必要となっ
た。 【0006】米国特許第2,772,964 号には、Sn0.1
〜2.5%,Fe,NiおよびCrの少なくとも1種2
%以下残部が実質的にZrからなる合金が開示されてい
ない。現用ジルカロイを高耐食化する技術としては、特
開昭51−110411号公報,特開昭51−110412号公報及び特
開昭58−22364 号公報に記載されているβクエンチと呼
ばれる熱処理技術及びβクエンチ工程を含む製造プロセ
スが公知である。βクエンチとは、ジルカロイをα+β
相温度範囲あるいはβ相温度範囲の高温から急冷する熱
処理であり、この処理を施すことにより、合金中に析出
している金属間化合物相(Zr(Cr,Fe)2,Zr
2(Ni,Fe)等)が微細化あるいは一部固溶する。こ
のβクエンチ技術により、耐食性は向上するが、βクエ
ンチしたままのジルカロイは、Fe,Cr,Niを過飽
和に固溶しているマルテンサイト組織(針状組織)を含
んでいるため延性が低い、延性を向上させるために、β
クエンチ後、冷間加工と焼なましとを交互に繰返すこと
により再結晶組織とする方法もある。燃料被覆管の製造
工程を例にとると、溶解されたインゴットは、熱間鍛造
(約1000℃),溶体化処理(約1000℃),熱間
鍛造(約700℃)の後、熱間押出し加工により円筒状
ビレット(通常素管と呼ばれる)に成形され、この素管
にβクエンチを施し、ピルガミル冷間圧延加工と焼なま
し処理とを交互に3回繰返される。βクエンチ後、強加
工と焼なましとを複数回繰返すと、βクエンチにより高
い耐食性を付与されたジルカロイ合金中に、粗大な金属
間化合物相が析出し耐食性が低下してくる。よって燃料
被覆管として使用されるジルコニウム基合金は、加工及
び熱処理により耐食性が変化せず高い高食性を有してい
ることが望ましい。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】ジルカロイの耐食性を
改善する上記従来技術は、熱処理によるものであり、ノ
ジュラコロージョン防止の観点から合金組成の再検討に
対する配慮がなされておらず、実炉環境中で完全にノジ
ュラコロージョンを防止することができないこと及び水
素吸収特性が高いという問題があった。 【0008】本発明の目的は、ノジュラ腐食の発生を抑
え、耐食性と水素吸収特性の向上を図った原子燃料用被
覆管、スペーサ及びチャンネルボックスとその燃料集合
体並びにその製法を提供するである。 【0009】 【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、原子燃料用被覆管,原子燃料集合体用ス
ペーサ及び原子燃料集合体用チャンネルボックスのうち
少なくとも1つを、重量で、錫1.2 〜2%,鉄0.2
0〜0.55%,クロム0.05〜0.15%及びニッケ
ル0.03〜0.16%を含み、残部が実質的にジルコニ
ウムからなり、(鉄/ニッケル)比が1.4〜10である
ジルコニウム基合金により構成したことである。 【0010】また、本発明は、被覆管内に核燃料ペレッ
トが収納される燃料棒、該燃料棒の両端を保持する上部
及び下部タイプレート、該上部及び下部タイプレート間
に設けられた前記燃料棒を所定の間隔で配列するスペー
サ、前記燃料棒,上部タイプレート,下部タイプレート
及びスペーサを収納する角筒からなるチャンネルボック
ス、及び前記上部タイプレートに保持され前記燃料棒の
全体を一体に搬送するためのハンドルを備えた原子炉用
燃料集合体において、前記被覆管,スペーサ及びチャン
ネルボックスの少なくとも1つが重量で、錫1.2〜2
%,鉄0.20〜0.55% ,クロム0.05〜0.15
%及びニッケル0.03〜0.16%を含み、残部が実質
的にジルコニウムからなり、(鉄/ニッケル)比が1.4
〜10であるジルコニウム基合金により構成したことで
ある。 【0011】さらに、本発明は、上記原子炉用燃料集合
体を製造する際に、前記被覆管,スペーサ及びチャンネ
ルボックスの少なくとも1つが重量で、錫1.2 〜2
%,鉄0.20〜0.55%,クロム0.05〜0.15%
及びニッケル0.03〜0.16%を含み、残部が実質的
にジルコニウムからなり、(鉄/ニッケル)比が1.4〜
10であるジルコニウム基合金を最終熱間塑性加工後、
最初の冷間塑性加工前にβ相又はα相とβ相とを含む温
度領域で短時間加熱保持後急冷する処理を施し、次いで
冷間塑性加工と焼きなまし処理とを交互に繰返し、前記
ジルコニウム基合金の薄肉材を形成した後、成形加工を
施すようにしたことである。 【0012】錫は、ジルコニウム基合金の強度及び耐食
性を向上させるために1.2% 以上含有させるものであ
り、2%を超えてもより顕著な効果は得られず、逆に塑
性加工性を低めるので、2%以下に限定される。特に、
1.2〜1.7%が加工性が高く、強度及び耐食性の点か
らバランスされた範囲である。 【0013】鉄は高温高圧水中での耐食性を向上させ、
水素吸収特性を高めるとともに強度を高めるのに必要
で、0.2%以上必要である。しかし、0.55%を超え
ると中性子吸収断面積を大きくし、冷間塑性加工性を低
めるので、0.55% 以下にすべきである。特に、0.
2〜0.35%より0.2〜0.3%がこれらの特性がバ
ランスされたものが得られ、原子炉用燃料被覆管、スペ
ーサ及びチャンネルボックスにおける薄肉部材を冷間塑
性加工及び焼なましの繰返しによって製造するのに好適
である。 【0014】ニッケルは水素吸収率を高めずに高温高圧
水中での耐食性を向上させるもので、0.03% 以上必
要である。即ち、鉄を単独で添加することによっても耐
食性が向上するが、ニッケルとの共存によって鉄の含有
量を顕著に減らすことができる。しかし、Niは水素吸
収率を高める元素なので、0.15% 以下にすべきであ
る。特に、0.05〜0.11%が水素吸収率が低く、高
耐食性が得られる。(鉄/ニッケル)比は水素吸収率に
大きく関係する。この比率が1.4未満では急激に水素
吸収率が増し、また逆に10を超えても水素吸収率の低
下が得られないので、この比率を1.4〜10にすべき
である。特に、1.4〜8、より2〜4は、鉄及びニッ
ケル量との耐食性及び水素吸収率との両者の特性に優
れ、冷間塑性加工性の高いバランスされた範囲である。
この比率は前述のFe含有量が0.2%以上で重要な意味
があり、Ni含有量との相関関係の結果得られるもので
ある。 【0015】錫とニッケルとの金属間化合物は耐食性を
向上させるのに不可欠のものであり、最終熱間塑性加工
後のα相とβ相との共存温度又はβ相からの急冷によっ
て得られるものであり、その後の焼なましによって形成
される鉄・ニッケル・ジルコニウム金属間化合物の成長
を抑制し、耐食性及び水素吸収特性を改善するものであ
る。特に、Sn・Ni金属間化合物は0.2μm以下の
粒径が好ましい。 【0016】本発明におけるジルコニウム基合金は、α
相のジルコニウム結晶粒内に微細な錫とニッケルとの金
属間化合物及び鉄・ニッケル・ジルコニウム金属間化合
物が析出していること、α相のジルコニウム結晶粒内に
粒径0.2μm 以下の錫とニッケルとの金属間化合物及
び粒径0.1〜0.5μmの鉄・ニッケル・ジルコニウム
金属間化合物が析出していること、鉄とニッケルとの合
計量が0.3〜0.4重量であること、圧力10.3MP
a で、410℃の水蒸気中8時間保持し、更に510
℃の水蒸気中16時間保持したときの腐食増量が45mg
/dm2 以下であり、非ノジュラ腐食を有すること、圧
力10.3MPa で、410℃の水蒸気中8時間保持
し、更に510℃の水蒸気中16時間保持したときの水
素吸収率が15%以下であることが好ましい。 【0017】燃料被覆管内には核燃料ペレットが収納さ
れ、前記被覆管の両端部にジルコニウム基合金からなる
端栓が溶接され、前記被覆管内に不活性ガスが封入され
ている。この端栓も同様に本発明のジルコニウム基合金
が適用される。 【0018】本発明は、ジルコニウム基合金によって燃
料被覆管が構成され、燃料被覆管が熱間加工後、前記ジ
ルコニウム基合金のα+β相温度又はβ相温度範囲から
急冷する処理を施し、その後冷間加工と焼なまし処理を
繰返すことにより製造されたものであるのが好ましい。
特に、α+β相温度からの急冷は、その後の冷間塑性加
工性がβ相急冷されたものに比較し高いことから好まし
い。 【0019】合金は前述のβ相又はα+β相からの急冷
を施したものが好ましく、その処理は熱間塑性加工後最
後の冷間塑性加工前に施すのが好ましく、特に最初の冷
間塑性加工前に施すのが良い。 【0020】α+β相は790〜950℃、β相は95
0℃を超える温度より1100℃以下で、これらの温度
より流水,噴霧水等により急冷するのが好ましい。特
に、最初の冷間塑性加工前に素管内に水を流しながら外
周より高周波加熱により局部的に加熱する方法が好まし
い。 【0021】この結果、管内面側が延性が高く、外面側
に耐食性が水素吸収率の低いものが得られる。α+β相
での加熱はβ相が主に形成される温度が選ばれる。β相
は急冷しても変わらず、硬さの低い延性の高いものであ
り、β相に変った部分からの急冷は硬さの高い針状の相
が形成され、冷間加工性が低い。しかし、α相がわずか
ながらでも混在することによって高い冷間塑性加工性が
得られ、耐食性及び水素吸収率の低いものが得られる。
β相として80〜95%の面積率になる温度で加熱し、
急冷するのが好ましい。加熱は短時間で行い、5分以
内、特に1分以内が好ましい。長時間の加熱は結晶粒が
成長するとともに析出物が形成され、耐食性が低下する
のでまずい。 【0022】焼なまし温度は500〜700℃が好まし
く、特に550〜640℃が好ましい。640℃以下で
は耐食性の高いものが得られる。この加熱は高真空中で
行うのが好ましい。真空度は104〜105Torrが好まし
く、焼なましによって合金表面に酸化皮膜が実質的に形
成されず、表面が無色の金属光沢を示すものがよい。焼
なまし時間は1〜5時間が好ましい。 【0023】溶接はTIG,レーザビーム,電子ビーム
溶接によって行うのが好ましく、特にTIG溶接が良
い。端栓と被覆管とは同一組成の材料が好ましく、不活
性ガスが1〜3気圧に封入される。溶接部は溶接のまま
で用いられる。 【0024】被覆管用材料としては、耐食性の外に、水
素吸収特性,機械的性質,中性子吸収特性,製造性も考
慮されなければならない。 【0025】(耐食性)ジルカロイ表面の酸化膜は、金
属過剰(酸素欠乏)型のn型半導体であり、その組成は
化学量論組成からずれたZrO2-x である。過剰な金属
イオンは、等価な電子によって補償されており、酸素欠
乏部はアニオン欠陥として酸化膜中に内在している。酸
素イオンはこのアニオン欠陥と位置を交換することによ
り内部へ拡散し、酸化膜と金属界面でジルコニウムイオ
ンと結合し新たな酸化物を形成し、腐食が金属内部へと
進行していく。このような均一全面酸化が被覆管全表面
で進行すると表面に強固な不動体的性質を有する酸化膜
が形成され、時間経過に伴い酸化膜成長速度は鈍化し優
れた耐食性を有するようになる。合金元素であるFe及
びNiは、ZrO2-xイオン格子のZrイオン位置と置
換することにより、アニオン欠陥を形成する元素である
が、均一に分散することにより酸化膜の成長速度を均一
化させ、均一な保護被覆を形成させる効果がある。 【0026】製造プロセスにおけるβクエンチは、合金
元素の分布をより均一化させる効果がある。焼なまし等
のα相温度範囲での熱処理は、金属間化合物相の析出を
促進しその析出物を粗大化させる。粗大化した金属間化
合物相が析出するとその周辺部で合金元素の欠乏部が生
じるため酸化膜成長速度に不均一が生じる。酸化膜厚さ
の不均一は、酸化膜中に不均一な内部応力が発生する原
因となり、この応力の不均一に起因する割れを発生させ
る。割れは腐食環境とジルカロイ金属とを短絡させるの
で局部酸化、すなわちノジュラコロージョン発生の原因
となる。よってノジュラコロージョン発生の防止には、
α+βクエンチあるいはβクエンチにより、均一にFe
及びNiを分散させること、及び、析出により濃度低下
をきたさないだけの十分なFe及びNiが合金に添加さ
れている必要がある。特にNiは、これらのクエンチに
より粒径0.01μm 前後の微細な金属間化合物相Sn
・Niとして結晶粒内に均一に分散する性質を有してい
るので、ノジュラコロージョンを防止するには不可欠な
元素である。 【0027】Sn・Ni金属間化合物相は高温の相温度
範囲で長時間焼なまし処理を施すと、Zr2(Ni・F
e)に変化し耐食性を低下させる。 【0028】よって、Sn・Ni金属間化合物相が0.
2μm 以上に成長しないような熱処理条件を採用しな
ければならない。 【0029】(水素吸収特性)材料脆化の原因となる水
素は、吸収量が少ないことが必要である。前述したよう
にNiは耐食性向上には不可欠な添加元素であるが、添
加量の増加に伴い水素吸収量を増す元素である。水素ガ
スの発生は、腐食に付随した現象であり、酸化(腐食)
が少ないほど水素ガスの発生量も少ない。酸素イオンの
内部拡散と逆方向に電子が移動し、水素イオンはこの電
子により還元されて水素ガスとなる。この水素ガスの一
部が内部に吸収されて水素化物を形成し水素脆化の原因
となる。Zr2(Ni・Fe)型の金属間化合物相が存在
すると、カソード分極反応が促進され水素ガス吸収量を
増すが、Zr(Cr・Fe)2 あるいはZrFe2 型の金
属間化合物相が同時に存在すると、カソード分極反応は
抑制される。また、Zr2(Ni・Fe)中のNi/Fe
比は、Feの添加量が増すに従って、低下し、カソード
分極反応が、抑制される。よって、所定量以上のFeを
添加する必要があり、その量は0.2wt%以上とすべ
きである。 【0030】(中性子吸収断面積)Zrに比べて熱中性
子吸収断面積の大きいFe及びNiを多量に添加するこ
とは、発電に寄与する熱中性子を吸収し発電効率を低下
させるので好ましくない。現用ジルカロイと同等な中性
子吸収断面積とするためには、Ni量は0.16 wt
%以下、Fe量は0.55wt% 以下とすべきである。
特に、FeおよびNiの合金添加量は次式の範囲内とす
るのが好ましい。 【0031】 【数1】0.55XNi+0.3XFe≦0.165 (製造性,機械的性質)熱間及び冷間加工性が低下する
と、製造時に割れが発生する。Niを添加すると、Zr
2(Ni・Fe)の金属間化合物が析出する。耐食性向上
効果のあるSn・Ni金属間化合物相は、α相温度範囲
での熱処理を施しても粗大化しないが、Zr2(Ni・F
e)金属間化合物相は粗大化し加工性を低下させる。粗
大化防止には、Ni添加量を0.16wt% 以下にし、
βクエンチにより微細化するのが好ましい。機械的性質
に関しても製造性とほぼ同様であり、Niを過剰に添加
すると延性が低下する。 【0032】 【発明の実施の形態】溶解原料に原子炉用ジルコニウム
スポンジを用い、真空アーク溶解により表1及び表2に
示す合金組成(重量%)の合金を溶製した。残部はZr
である。 【0033】 【表1】【0034】 【表2】 【0035】各インゴットは、熱間圧延(700℃),
焼なまし(700℃・4時間)を施した後、α+β相温
度範囲(900℃)及びβ相温度範囲(1000℃)に5
分間保持した後水冷するクエンチ処理を施した。冷間圧
延(加工度:40%)と600℃・2時間の中間焼なま
しとを交互に3回繰返すことにより厚さ1mmの板にし
た。この板を再結晶温度範囲以上のα相温度範囲(53
0,620,730℃)で2時間の焼きなましを施し、
腐食試験に供した。腐食試験は、圧力:10.3 MP
aの水蒸気中で行い、温度及び時間は、BWR環境での
ノジュラコロージョンを再現するに適した特開昭58−95
247 号に開示されている条件で行った。すなわち、41
0℃の水蒸気中に8時間試験片を保持した後、圧力を一
定に保ちつつ、水蒸気温度を510℃に上昇させ、51
0℃の高温高圧水蒸気中に16時間試験片を引き続き保
持する方法である。 【0036】水素吸収特性については、以下に記す方法
により評価した。 【0037】Zr+2H2O→ZrO2+2H2 の反応に伴い、酸化物(ZrO2)が形成されると同時
に水素ガスが発生する。酸化による重量増加を測定する
ことにより、ジルカロイと反応した水のモル数を求める
ことができ、それに対応して発生する水素ガスのモル数
を求めることができる。腐食試験後の試験片に含まれる
水素量を化学分析により測定し、吸収水素モル数を計算
し、吸収水素に対する発生水素の比を求めることにより
水素吸収率を求めた。 【0038】図1は、ノジュラコロージョン発生の有無
を示し、図中○印は最終焼きなまし温度によらずノジュ
ラ腐食の発生が表面及び側面に認められず、腐食増量が
45mg/dm2 以下であったことを示している。×印
は、表面あるいは側面にノジュラコロージョンが発生し
腐食増量が50mg/dm2 を超えるものであったことを
示す。図1よりノジュラコロージョンを防止できる合金
組成は、図中の点線で分割された領域の高Ni,高Fe
側に存在することがわかる。点線は0.15Fe+0.2
5Ni=0.0375によって求められる線図である。 【0039】図2は腐食増量に及ぼすFe及びNi含有
量の影響を示す線図である。図に示す如く、高温高圧水
中での腐食はFe量及びNi量の増加によって顕著に減
少することが分る。特に、Niの極微量の添加によって
急激に腐食増量が減少する。Fe含有量が0.2%付近
ではNi0.03%の添加によって腐食増量が45mg/
dm2以下であり、ノジュラ腐食は生じなかった。 【0040】図3は、水素吸収率に及ぼすFe添加量の
影響を示したものである。図中△印はNi添加量:0.
11wt%の合金の水素吸収率を示し、○印はNi添加
量:0.05wt% の合金の水素吸収率を示す。図中の
点線は、α+βクエンチあるいはβクエンチを省略した
合金についての実験結果を示す。実線は、加工熱処理プ
ロセスにおいて、α+βクエンチを行った合金の水素吸
収率を示す。図3よりα+βクエンチを施すことにより
水素吸収率を11%以下とすることができることがわか
る。 【0041】図4は、水素吸収率に及ぼすNi添加量の
影響を示す。Fe添加量は0.20〜0.24wt%の範
囲にある。Ni添加量0.16wt%以下では、水素吸
収率は11%以下と低い値であるが0.2wt% 以上に
なると急激に水素吸収率が上昇し40%にも達する。よ
って、Ni添加量は、0.16wt% 以下とすべきであ
る。 【0042】図5は、水素吸収率に及ぼす(Fe/N
i)比の影響を示す線図である。図に示す如く、Fe含
有量が0.20%未満の○印及び△印のものは(Fe/N
i)比による影響が見られないが、0.20%以上のF
e含有量では(Fe/Ni)比は1.4 以上にすべきで
あることが分る。前述の如く、FeとNiとは水素吸収
率に及ぼす効果が全く逆の作用を有するので、これらの
元素における比率が重要な関係を有することを見い出し
た。Feの含有量が0.2% 未満及びNi含有量が0.
2% を超える含有量ではこれらの元素の相関関係がな
いが、両者の含有量が互いに逆の場合に両者は相関関係
を有するものである。 【0043】No.38の合金は、Fe添加量を0.48
wt%まで高めた合金である。この合金の腐食増量は4
3mg/dm2 、水素吸収率は12%であった。このこと
から、耐食性及び水素吸収の観点からは、Ni添加量
0.16wt%以下の範囲であればFe添加量を0.2w
t%以上,0.55wt%まで増加させてもよいことが
わかる。しかし、NiとFeとの合計量が0.64% 以
上の多量に含有すると冷間塑性加工性が急激に低下する
ので、前述の如く冷間塑性加工によって薄肉とする部材
では好ましくないことが明らかである。FeとNiとの
合計量は0.64%以下、より0.40%以下が好ましい。 【0044】No.34合金のα+βクエンチしたものの
透過電子顕微鏡により析出物の観察を行った結果、錫と
ニッケルとの金属間化合物が検出され、α相のジルコニ
ウム結晶粒内中に均一に分散して析出しているのが確認
された。析出物はSn2Ni3析出物で、粒径は約10n
m程度の極微細なものであった。しかし、同じ材料でα
+βクエンチしないものにはこの析出物は観察されなか
った。 【0045】尚、α+βクエンチしたものでも、クエン
チ後に熱間塑性加工を施したものにはSnとNiとの析
出物は見られなかった。 【0046】(実施例1)本実施例は原子炉用燃料被覆
管の製造プロセスを検討したものである。表3に示す5
種類の合金組成(重量%)を有するインゴットをアーク
溶解により溶製した。 【0047】 【表3】【0048】2回の真空アーク溶解後、1050℃の温
度で鍛造し、室温まで冷却させた後、1000℃に再加
熱して1時間保持し水中で冷却させる溶体化処理を施し
た。引き続き700℃の温度で鍛造し冷却させ再加熱し
700℃で1時間焼なましを行った。表面を研削しCu
被覆を施し650℃で熱間押出し、その後Cu被覆を除
去した。この管は素管と呼ばれ、外径63.5mm,肉浮
10.9mmの寸法である。この素管を高周波誘導コイル
中を通過させることにより加熱し、コイル通過直後の位
置(コイル下方)に設けた水噴出ノズルから管表面に水
を噴きつけ急冷させた。最高加熱温度はα+β相を有す
る910℃であり860℃以上の保持時間は10秒、9
10℃から500℃までの平均冷却速度は約100℃/
sであった。 【0049】高周波焼入れ処理を施した素管はピルガミ
ルによる圧延及び中間焼なましを交互に3回繰返すこと
により外径12.3mm,肉厚0.86mmの燃料被覆管寸法
とした。中間焼なましはいずれも105Torr の真空中で
行い、温度は600℃及び650℃で順に行い、最終焼
なまし温度は577℃とした。冷間圧延加工度(管断面
積減少率)は、それぞれ順次77%,77%,70%で
あった。この工程において、表3のNo.5の合金にはミ
クロクラックが第2回目の冷間圧延時に発生したため、
その後の加工及び熱処理を中止した。このことから、N
iを0.2 wt%以上添加すると冷間加工性が低下し
好ましくないことがわかる。いずれの被覆管も焼なまし
したままで管表面には実質的に酸化物は形成されず、無
色で金属光沢を有していた。 【0050】以上の製造プロセスを経た燃料被覆管を引
張試験(室温及び343℃)及び腐食試験に供した。表
4はその結果を示す。 【0051】 【表4】 【0052】引張特性はいずれの合金組成の被覆管にお
いてもほぼ同等であったが、Ni量:0.01wt%で
は耐食性が低くNiを0.03wt%以上添加する必要
があることがわかる。 【0053】高い耐食性を有していたNo.2〜No.4の
被覆管の金属組織においては、粒径0.01μm 前後の
Sn・Ni金属間化合物相が、再結晶したα相Zr結晶
粒内に微細に分散していた。 【0054】(実施例2)実施例2に示されるNo4の合
金からなる被覆管を用い、更に端栓に同じ合金を用い
て、図6に示す燃料棒を製作した。燃料棒は被覆管1,
ライナー2,上部端栓3,核燃料ペレット(例UO2)
4,プレナムスプリング5,溶接部6,下部端栓7によ
って主に構成される。 【0055】端栓はβ相温度領域で鍛造され、焼鈍した
ものである。溶接はTIG溶接によって行われた。ライ
ナー2は鈍Zrからなり、100μm以下の肉厚を有す
る。ライナー2は熱間押出し時にビレットに挿入し、圧
着され、被覆管の製造時の冷間塑性加工と焼鈍の繰返し
によって所望の厚さになる。 【0056】この燃料棒は図7に示す核燃料集合体10
として組立てられ、炉心に収納される。核燃料集合体1
0はチャンネルボックス11,核燃料棒14,吊上げ取
手12,上端プレート15,下端プレート(図示せず)
によって主に構成される。また、図示されていないけれ
ども燃料集合体10には燃料棒を所定の間隔で固定配置
するスペーサが用いられており、このスペーサも前述と
同様に熱間塑性加工及び冷間塑性加工の繰返しによって
得られたNo.4合金の薄板によって構成される。更にチ
ャンネルボックスについてもスペーサと同様に本実施例
で得られた合金によって構成される。 【0057】本実施例によれば、被覆管,スペーサ及び
チャンネルボックスのいずれも本発明合金によって構成
される結果、これらがより長寿命となり、より高燃焼度
の集合体に適用できる。 【0058】 【発明の効果】本発明によれば、耐食性が優れ、水素吸
収量が少ない燃料被覆管の製造が得られるので、部材の
信頼性が向上し炉内滞在寿命を大幅に長期化できるの
で、原子力燃料の高燃焼度化が可能となる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel zirconium
Cladding, spacers and tubes for nuclear fuel using
Related to the tunnel box, its fuel assembly and its manufacturing method.
I do. [0002] Among zirconium-based alloys, fuel cladding tubes
The alloy used for Zircaloy-2 (Sn: 1.20)
To 1.70 wt%, Fe: 0.07 to 0.20 wt%, C
r: 0.05 to 0.15 wt%, Ni: 0.03 to 0.0
8 wt%, O: 900-1400 ppm, residual Zr, but F
e + Cr + Ni: 0.18 to 0.24 wt%) and zirca
Roy-4 (Sn: 1.20 to 1.70 wt%, Fe: 0.
18 to 0.24 wt%, Ni: 0.0007 wt% or less,
O: 900 to 1400 ppm, residual Zr provided that Fe + Cr:
(0.28 to 0.37 wt%). Development of these alloys
The latitude is ASTM, STPN No. 368 (1963) pp3
-27. In this paper, Zircaloy-1
(Zr-2.5wt% Sn alloy), Zircaloy-3A (Z
r-0.25wt% Sn-0.25Fe alloy), Zircalo
B-3B (Zr-0.5 wt% Sn-0.4 wt% Fe alloy
Gold), Zircaloy-3C (Zr-0.5 wt% Sn-0.2)
wt% Fe-0.2 wt% Ni alloy) and Ni-Free
Zircaloy-2 (Sn: 1.20-1.70 wt%, F
e: 0.12 to 0.18 wt%, Cr: 0.05 to 0.15
wt%, Ni: 0.007 wt% or less).
You. These alloys other than Zircaloy-2 and Zircaloy-4
The problems are as follows. Zircaloy-1 is F
Since it does not contain e, Cr, and Ni, it has low corrosion resistance.
Zircaloy-3 series can reduce the amount of Sn added.
And improve the manufacturability and reduce the amounts of Fe and Ni added.
It is an alloy whose corrosion resistance has been improved by increasing the
Lower than Lucaloy-2, down to about 75%. Ni-F
ree Zircaloy-2, by removing Ni,
Low corrosion resistance in steam at 510 ° C. Zircaloy-4
Is to improve the corrosion resistance of Ni-Free Zircaloy-2
This is an alloy with an increased Fe content.
Amount of Fe is required, and the neutron absorption cross section increases.
Is bad. [0003] For the purpose of adding the above alloy elements of Zircaloy,
It is also discussed as follows. Sn is mechanical
Improved properties and in sponge zirconium
The adverse effect of nitrogen contained in steel on corrosion resistance
To be added. Fe, Cr and Ni are mainly corrosion resistant
This is an alloy element added for improvement. Zr-2.5
wt% Sn alloy and Zr-1.8 wt% Sn alloy
e, a ternary alloy containing Cr and Ni alone, and Zr
Using a binary alloy containing Fe, Cr and Ni alone
400 ° C steam and 315-360 ° C hot water resistance
Dietary habits are being studied. According to the results, Fe alone was added.
Optimum amount of 0.22wt%, optimum value of Cr alone
Is 0.1 wt%, and the optimum value of the single addition amount of Ni is 0.22 wt%.
%Met. The effect of compound addition of each element was also studied.
As a result, the optimum total added amount of Fe, Cr and Ni is 400 ° C.
0.35wt% in steam, 0.3 in 360 ° C water
wt%. Based on the above results
The alloy composition of the current Zircaloy-2 and Zircaloy-4 is
It has been determined. [0004] Zirca confirmed to have high corrosion resistance as described above.
A fuel cladding tube made of Roy-2 and Zircaloy-4 is BWR
When used in an environment, ASTM, STP No. 633 (19
77) 236-280, 295-311
As described in Nodula Corrosion
It is clear that papular local corrosion occurs
Was. When the burnup of nuclear fuel is increased,
The part where the reaction occurs expands, interconnects, and eventually separates.
Therefore, it is important to prevent the generation of nodular corrosion
It has become an indispensable technology for increasing the burnup of fuel. JP-A-58-95247, ANS TRANSACTION Vo
l.34 (June 1980) pp.237-238, J. Electr
ochem. Soc. Electrochemical Science and Technolog
y, According to February 1975, pp 199-204
And the nodular corrosion occurring inside this furnace outside the furnace
To be reproduced by the accelerated corrosion test of
Suitable for hot steam environment, 400 ℃ steam or
Nodular Collage
Inability to assess Zircaloy's sensitivity to
It was revealed. In this improved corrosion test method,
Evaluation of Calloy-2 and Zircaloy-4
It is also evident that a lotion will occur, and even higher
A clad tube with nodular corrosion resistance is required
Was. US Pat. No. 2,772,964 discloses Sn0.1.
~ 2.5%, at least one of Fe, Ni and Cr 2
% Or less, the balance being substantially composed of Zr.
Absent. As a technique for improving the corrosion resistance of current Zircaloy,
JP-A-51-110411, JP-A-51-110412 and
Beta quench described in JP-A-58-22364
Manufacturing process including heat treatment technology and β-quench process
Are known. Beta quench means that zircaloy is α + β
Heat quenching from high temperature in the phase temperature range or β phase temperature range
This is a process that precipitates in the alloy by performing this process.
Intermetallic compound phase (Zr (Cr, Fe) Two , Zr
Two (Ni, Fe), etc.) are miniaturized or partially dissolved. This
Although β-quench technology improves corrosion resistance,
Zircaloy remains in contact with Ti, Fe, Cr and Ni
Including a martensite structure (needle structure)
The ductility is low, and to improve the ductility, β
After quenching, alternating between cold working and annealing
To obtain a recrystallized structure. Manufacture of fuel cladding
Taking the process as an example, the melted ingot is hot forged
(About 1000 ° C), solution treatment (about 1000 ° C), hot
After forging (about 700 ° C), cylindrical by hot extrusion
Formed into billets (usually called base tubes)
Β-quench on the pilgamill cold rolling and annealing
The process is alternately repeated three times. Beta quench, then add
If the process and annealing are repeated several times,
Coarse metal in Zircaloy alloy with high corrosion resistance
An inter-compound phase precipitates and the corrosion resistance decreases. Therefore fuel
Zirconium-based alloys used as cladding are processed and
High corrosion resistance without change in corrosion resistance due to heat and heat treatment
Is desirable. SUMMARY OF THE INVENTION The corrosion resistance of Zircaloy is
The above-mentioned prior art to be improved is based on heat treatment.
Reexamination of alloy composition from the viewpoint of preventing duracorrosion
No consideration has been given to the
Inability to prevent duracorrosion and water
There is a problem that elementary absorption characteristics are high. An object of the present invention is to suppress the occurrence of nodular corrosion.
Nuclear fuel coating with improved corrosion resistance and hydrogen absorption characteristics
Clad tubes, spacers and channel boxes and their fuel assemblies
The body as well as the process for its production are provided. [0009] In order to achieve the above object,
In addition, the present invention relates to a cladding tube for a nuclear fuel and a tube for a nuclear fuel assembly.
Of the channel boxes for pacers and nuclear fuel assemblies
At least one, by weight, 1.2 to 2% tin, 0.2 iron
0-0.55%, chrome 0.05-0.15% and nickel
0.03 to 0.16%, with the balance being substantially zirconia.
With an (iron / nickel) ratio of 1.4 to 10.
That is, it is made of a zirconium-based alloy. [0010] The present invention also provides a nuclear fuel pellet in a cladding tube.
Fuel rod in which the fuel rods are stored, and the upper part holding both ends of the fuel rod
And lower tie plate, between the upper and lower tie plate
For arranging the fuel rods provided at predetermined intervals at predetermined intervals.
, The fuel rod, upper tie plate, lower tie plate
Channel box consisting of a square tube that houses the spacer and spacer
And the fuel rods held in the upper tie plate
For reactors equipped with a handle for carrying the whole unit together
In the fuel assembly, the cladding tube, the spacer, and the channel are provided.
At least one of the flannel boxes is by weight, tin 1.2-2
%, Iron 0.20 to 0.55%, chromium 0.05 to 0.15
% And nickel 0.03 to 0.16%, the balance being substantially
Zirconium, and the (iron / nickel) ratio is 1.4
By using a zirconium-based alloy that is 10 to 10
is there. Further, the present invention provides a fuel assembly for a nuclear reactor as described above.
When manufacturing the body, the cladding, spacers and channels
At least one of the boxes is by weight, tin 1.2 to 2
%, Iron 0.20 ~ 0.55%, chromium 0.05 ~ 0.15%
And 0.03 to 0.16% of nickel, with the balance being substantially
Made of zirconium with an (iron / nickel) ratio of 1.4 to
After the final hot plastic working of the zirconium based alloy which is 10
Before the first cold plastic working, the temperature including β phase or α phase and β phase
In the temperature range, apply a process of heating and holding for a short time and then quenching,
The cold plastic working and the annealing treatment are alternately repeated,
After forming a zirconium-based alloy thin material,
It is to be applied. Tin is the strength and corrosion resistance of zirconium-based alloys.
Content of 1.2% or more in order to improve
Over 2%, no more remarkable effect is obtained.
In order to reduce the workability, the content is limited to 2% or less. Especially,
1.2-1.7% is high in workability, strength and corrosion resistance
Is a balanced range. Iron improves corrosion resistance in high-temperature, high-pressure water,
Necessary to increase hydrogen absorption characteristics and strength
And 0.2% or more is required. However, over 0.55%
Increases the neutron absorption cross section and lowers cold plastic workability
Therefore, it should be 0.55% or less. In particular, 0.
0.2 to 0.3% is better than 0.2 to 0.35% for these characteristics.
Lanced fuel cladding tube and space
Cold-forming thin members in the heat sink and channel box.
Suitable for manufacturing by repeated processing and annealing
It is. Nickel is high temperature and high pressure without increasing hydrogen absorption
It improves corrosion resistance in water.
It is important. That is, even if iron alone is added,
Improved food quality, but coexists with nickel to contain iron
The amount can be significantly reduced. However, Ni does not absorb hydrogen.
Since it is an element that increases the yield, it should be 0.15% or less.
You. In particular, 0.05 to 0.11% has a low hydrogen absorption rate and a high hydrogen absorption rate.
Corrosion resistance is obtained. (Iron / nickel) ratio depends on hydrogen absorption rate
Has a lot to do with it. If this ratio is less than 1.4, hydrogen
Absorption rate increases, and conversely, even if it exceeds 10, the hydrogen absorption rate is low.
This ratio should be between 1.4 and 10 as below is not obtained
It is. In particular, 1.4 to 8, more than 2 to 4, iron and nickel
Excellent characteristics of both corrosion resistance and hydrogen absorption rate
It is a balanced range with high cold plastic workability.
This ratio is important when the above-mentioned Fe content is 0.2% or more.
Which is obtained as a result of the correlation with the Ni content.
is there. [0015] The intermetallic compound of tin and nickel exhibits corrosion resistance.
Indispensable to improve the final hot plastic working
The subsequent coexistence temperature of α phase and β phase or rapid cooling from β phase
Formed by subsequent annealing
Growth of iron-nickel-zirconium intermetallic compounds
And improve corrosion resistance and hydrogen absorption characteristics.
You. In particular, the Sn-Ni intermetallic compound is 0.2 μm or less.
Particle size is preferred. In the present invention, the zirconium-based alloy is α
Fine gold of tin and nickel in zirconium grains of the phase
Intergeneric compounds and iron-nickel-zirconium intermetallic compounds
Is deposited in the α-phase zirconium crystal grains.
An intermetallic compound of tin and nickel having a particle size of 0.2 μm or less and
, Nickel and zirconium with a particle size of 0.1 to 0.5 μm
Precipitation of intermetallic compounds and the combination of iron and nickel
Weighing 0.3-0.4 weight, pressure 10.3MP
a for 8 hours in steam at 410 ° C.
45mg increase in corrosion when kept for 16 hours in steam at ℃
/ Dm Two Having non-nodular corrosion, pressure
Hold at 410 ° C steam for 8 hours with force of 10.3MPa
And water when kept in steam at 510 ° C. for 16 hours.
Preferably, the elemental absorptivity is 15% or less. Nuclear fuel pellets are stored in the fuel cladding tube.
Made of a zirconium-based alloy at both ends of the cladding tube
The end plug is welded and an inert gas is sealed in the cladding tube.
ing. This end plug is also a zirconium-based alloy of the present invention.
Is applied. [0018] The present invention relates to a method of burning a zirconium-based alloy.
After the fuel cladding is hot-worked, the fuel cladding is
From α + β phase temperature or β phase temperature range of ruconium based alloy
Quenching, then cold working and annealing
It is preferably produced by repeating.
In particular, rapid cooling from the α + β phase temperature
It is preferable because its workability is higher than that of β phase quenched.
No. The alloy is quenched from the aforementioned β phase or α + β phase
Preferably, the treatment is performed after hot plastic working.
It is preferable to apply it before subsequent cold plastic working, especially the first cold plastic working.
It is good to apply it before cold forming. Α + β phase is 790-950 ° C., β phase is 95
At temperatures below 1100 ° C above temperatures above 0 ° C, these temperatures
It is more preferable to perform rapid cooling with running water, spray water or the like. Special
Before the first cold plastic working,
Local heating by high frequency heating is preferred
No. As a result, the inner surface of the tube has a high ductility and the outer surface has
In addition, those having low corrosion resistance and low hydrogen absorption rate can be obtained. α + β phase
Is selected at a temperature at which the β phase is mainly formed. β phase
Does not change even after quenching, and has low hardness and high ductility.
Quenching from the part that changed to β phase
Are formed, and the cold workability is low. However, the α phase is slightly
High cold plastic workability by mixing
And low corrosion resistance and low hydrogen absorption.
heating at a temperature that results in an area ratio of 80 to 95% as a β phase,
Rapid cooling is preferred. Heat in a short time, 5 minutes or more
Of these, particularly within 1 minute is preferable. Prolonged heating causes crystal grains
As it grows, precipitates are formed, reducing corrosion resistance
So bad. The annealing temperature is preferably 500 to 700 ° C.
And particularly preferably 550-640 ° C. Below 640 ° C
Has high corrosion resistance. This heating is in a high vacuum
It is preferred to do so. The degree of vacuum is 10 Four -10 Five Torr preferred
The oxide film is substantially formed on the alloy surface by annealing.
Those which are not formed and have a colorless metallic luster on the surface are preferred. Burning
The annealing time is preferably 1 to 5 hours. [0023] TIG, laser beam, electron beam welding
It is preferable to perform welding, especially TIG welding.
No. The end plug and the cladding tube are preferably made of the same material.
An inert gas is enclosed at 1 to 3 atm. Welds remain welded
Used in As a material for a cladding tube, in addition to corrosion resistance, water
Considering element absorption characteristics, mechanical properties, neutron absorption characteristics, and manufacturability
Must be taken into account. (Corrosion Resistance) The oxide film on the surface of Zircaloy is made of gold.
It is an n-type semiconductor of a genus excess (oxygen deficiency) type, and its composition is
ZrO deviated from stoichiometric composition 2-x It is. Excess metal
The ions are compensated by equivalent electrons and
The poor part is inherent in the oxide film as an anion defect. acid
Elementary ions exchange positions with this anionic defect.
And diffused inside, and zirconium ion
Forms new oxides and corrosive
Go on. Such a uniform oxidation on the entire surface of the cladding tube
Oxide film with strong passive properties on the surface as it proceeds
Are formed, and the oxide film growth rate slows down over time,
It has excellent corrosion resistance. Fe and alloying elements
And Ni are ZrO 2-x Zr ion position and location of ion lattice
Is an element that forms an anion defect
But uniform distribution of oxide film growth rate
Has the effect of forming a uniform protective coating. The β quench in the manufacturing process is based on the alloy
This has the effect of making the distribution of elements more uniform. Annealing etc.
Heat treatment in the α phase temperature range of
Promotes and coarsens the precipitate. Coarsened intermetallic
When the compound phase precipitates, a deficient part of the alloy element is generated in the surrounding area.
As a result, the oxide film growth rate becomes non-uniform. Oxide film thickness
Unevenness is a cause of uneven internal stress in the oxide film.
This may cause cracks due to this uneven stress.
You. Cracking shorts the corrosive environment with Zircaloy metal
Cause local oxidation, that is, nodular corrosion
Becomes Therefore, in order to prevent nodular corrosion,
α + β quench or β quench allows uniform Fe
And Ni are dispersed, and the concentration is reduced by precipitation.
Sufficient Fe and Ni are added to the alloy to prevent
Need to be In particular, Ni
Finer intermetallic compound phase Sn having a particle size of about 0.01 μm
・ Has the property of being uniformly dispersed in crystal grains as Ni
It is essential to prevent nodular corrosion
Element. The Sn-Ni intermetallic compound phase has a high phase temperature.
When annealing is performed for a long time in the range, Zr Two (Ni ・ F
e) to reduce the corrosion resistance. Therefore, the Sn-Ni intermetallic compound phase is 0.1%.
Do not use heat treatment conditions that do not allow the growth to exceed 2 μm.
I have to. (Hydrogen absorption characteristics) Water causing material embrittlement
The element needs to have a small absorption amount. As mentioned above
Ni is an indispensable element for improving corrosion resistance.
It is an element that increases the amount of hydrogen absorption as the addition increases. Hydrogen gas
The generation of heat is a phenomenon associated with corrosion, and oxidation (corrosion)
The less the amount, the less the amount of hydrogen gas generated. Of oxygen ions
Electrons move in the opposite direction to internal diffusion, and hydrogen ions
It is reduced by hydrogen to hydrogen gas. One of this hydrogen gas
Part is absorbed inside to form hydride and cause hydrogen embrittlement
Becomes Zr Two (Ni ・ Fe) type intermetallic compound phase exists
Then, the cathode polarization reaction is promoted, and the hydrogen gas absorption amount is reduced.
Zr (Cr.Fe) Two Or ZrFe Two Mold gold
When the intergeneric compound phases are present simultaneously, the cathodic polarization reaction
Is suppressed. Also, Zr Two Ni / Fe in (Ni.Fe)
The ratio decreases as the amount of Fe added increases,
The polarization reaction is suppressed. Therefore, a predetermined amount or more of Fe
It must be added, and its amount should be 0.2 wt% or more.
It is. (Neutron absorption cross section) Thermal neutrality compared to Zr
Large amounts of Fe and Ni with large
Means that thermal neutrons that contribute to power generation are absorbed and power generation efficiency is reduced
Is not preferred. Neutral equivalent to current Zircaloy
In order to obtain the cross-sectional area of the child absorption, the Ni content is 0.16 wt.
% And the Fe content should be 0.55 wt% or less.
In particular, the alloy addition amounts of Fe and Ni are set within the range of the following equation.
Preferably. ## EQU1 ## 0.55 XNi +0.3 XFe ≦ 0.165 (Manufacturability, mechanical properties) Hot and cold workability deteriorates
Then, cracks occur during manufacturing. When Ni is added, Zr
Two An intermetallic compound of (Ni.Fe) precipitates. Improved corrosion resistance
The effective Sn-Ni intermetallic compound phase has an α-phase temperature range.
Does not coarsen even though the heat treatment in Two (Ni ・ F
e) The intermetallic compound phase coarsens and reduces workability. Coarse
In order to prevent the size increase, the Ni addition amount should be 0.16 wt% or less,
It is preferable to make the micronization by β-quench. mechanical nature
Is almost the same as manufacturability. Excessive addition of Ni
Then, ductility decreases. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Zirconium for nuclear reactor
Table 1 and Table 2 by vacuum arc melting using a sponge
An alloy having the indicated alloy composition (% by weight) was melted. The rest is Zr
It is. [Table 1] [Table 2] Each ingot is hot-rolled (700 ° C.),
After annealing (700 ° C for 4 hours), α + β phase temperature
Temperature range (900 ° C) and β phase temperature range (1000 ° C)
After holding for 1 minute, a quenching treatment of water cooling was performed. Cold pressure
Rolling (working rate: 40%) and intermediate annealing at 600 ° C for 2 hours
By repeating the shito three times, a 1mm thick plate is obtained.
Was. This plate was heated to an α phase temperature range (53
0,620,730 ° C) for 2 hours.
It was subjected to a corrosion test. Corrosion test, pressure: 10.3 MP
a) in water vapor, and the temperature and time are determined in a BWR environment.
JP-A-58-95 suitable for reproducing nodular corrosion
Performed under the conditions disclosed in No. 247. That is, 41
After holding the specimen in steam at 0 ° C for 8 hours,
While maintaining the temperature constant, the steam temperature was increased to 510 ° C.
The specimen was kept in hot and high-pressure steam at 0 ° C for 16 hours.
It is a way to carry. Regarding the hydrogen absorption characteristics, the method described below is used.
Was evaluated. Zr + 2H Two O → ZrO Two + 2H Two Oxide (ZrO) Two ) Is formed and at the same time
Generates hydrogen gas. Measure weight gain due to oxidation
The number of moles of water that has reacted with Zircaloy
The number of moles of hydrogen gas that can be generated correspondingly
Can be requested. Included in specimen after corrosion test
Measure the amount of hydrogen by chemical analysis and calculate the number of moles of absorbed hydrogen
Then, by calculating the ratio of generated hydrogen to absorbed hydrogen,
The hydrogen absorption rate was determined. FIG. 1 shows the occurrence of nodular corrosion.
The circles in the figure indicate noge regardless of the final annealing temperature.
No corrosion was observed on the surface and side surfaces,
45mg / dm Two This indicates that X mark
Causes nodular corrosion on the surface or side
Corrosion increase is 50mg / dm Two That was more than
Show. Alloy that can prevent nodular corrosion from Fig. 1
The composition is high Ni, high Fe in the region divided by the dotted line in the figure.
It can be seen that it exists on the side. The dotted line is 0.15Fe + 0.2
It is a diagram calculated | required by 5Ni = 0.0375. FIG. 2 shows the effect of Fe and Ni content on the increase in corrosion.
FIG. 3 is a diagram showing the influence of the amount. As shown in the figure,
Corrosion in the steel significantly decreased with the increase of Fe and Ni contents.
It turns out to be less. In particular, by adding a trace amount of Ni
Corrosion gain rapidly decreases. Fe content around 0.2%
With the addition of 0.03% Ni, the corrosion increase was 45 mg /
dm Two Below, nodular corrosion did not occur. FIG. 3 shows the effect of the amount of Fe added on the hydrogen absorption rate.
It shows the effect. In the figure, the symbol △ indicates the amount of Ni added: 0.1.
The hydrogen absorption rate of the alloy of 11 wt% is shown.
Amount: Indicates the hydrogen absorption rate of 0.05 wt% alloy. In the figure
Dotted lines omit α + β quench or β quench
The experimental results for the alloy are shown. The solid line indicates the heat treatment process.
Hydrogen absorption of alloys that have undergone α + β quenching
The yield is shown. By applying α + β quench from FIG.
It can be seen that the hydrogen absorption rate can be reduced to 11% or less.
You. FIG. 4 shows the effect of the amount of Ni added on the hydrogen absorption rate.
Show the effect. The amount of Fe added is in the range of 0.20 to 0.24 wt%.
In the box. If the Ni content is 0.16 wt% or less, hydrogen absorption
The yield is as low as 11% or less, but more than 0.2% by weight.
Then, the hydrogen absorption rate rises rapidly and reaches as high as 40%. Yo
Therefore, the amount of Ni added should be 0.16 wt% or less.
You. FIG. 5 shows the effect of (Fe / N) on the hydrogen absorption rate.
i) Diagram showing the effect of the ratio. As shown in FIG.
If the amount is less than 0.20%, the mark with a circle and the mark with a triangle indicate (Fe / N
i) Although no influence by the ratio is observed, the F of 0.20% or more
For the e content, the (Fe / Ni) ratio should be at least 1.4.
I know there is. As mentioned above, Fe and Ni absorb hydrogen
Since the effect on the rate has a completely opposite effect, these
Finding that ratios in elements have important relationships
Was. Fe content is less than 0.2% and Ni content is less than 0.2%.
At contents greater than 2%, there is no correlation between these elements.
However, when the contents of both are opposite to each other, there is a correlation between the two.
It has. For the alloy No. 38, the amount of Fe added was 0.48.
It is an alloy that has been increased to wt%. The corrosion gain of this alloy is 4
3mg / dm Two And the hydrogen absorption rate was 12%. this thing
From the viewpoint of corrosion resistance and hydrogen absorption, the amount of Ni added
In the range of 0.16 wt% or less, the amount of Fe added is 0.2 w
t% or more, it may be increased to 0.55 wt%
Recognize. However, the total amount of Ni and Fe is 0.64% or less.
High plastic content causes a sharp drop in cold plastic workability
Therefore, as described above, a member that is thinned by cold plastic working
It is clear that this is not preferred. Between Fe and Ni
The total amount is preferably 0.64% or less, more preferably 0.40% or less. The α + β quenched alloy No. 34
Observation of the precipitates with a transmission electron microscope showed that tin and
An intermetallic compound with nickel was detected and α-phase zirconia
Is uniformly dispersed and precipitated in the crystal grains
Was done. The precipitate is Sn Two Ni Three Precipitate, particle size about 10n
m. However, for the same material α
This precipitate is not observed in those without + β quenching
Was. It should be noted that the α + β quenched
After hot plastic working, the precipitates of Sn and Ni
No exposition was seen. (Embodiment 1) This embodiment is a fuel cladding for a nuclear reactor.
This is a study of the tube manufacturing process. 5 shown in Table 3
Arc ingots with different alloy compositions (% by weight)
It was produced by dissolution. [Table 3] After the two vacuum arc melting operations, the temperature was set to 1050 ° C.
After forging at room temperature and cooling to room temperature,
Apply heat treatment for 1 hour and cool in water
Was. Continue to forge at 700 ° C, cool and reheat
Annealing was performed at 700 ° C. for 1 hour. Grind the surface Cu
Apply coating and hot extrude at 650 ° C, then remove Cu coating
I left. This tube is called a base tube and has an outer diameter of 63.5 mm,
The dimensions are 10.9 mm. This tube is a high frequency induction coil
Heated by passing through
Water on the pipe surface from the water ejection nozzle
And quenched. Maximum heating temperature has α + β phase
910 ° C. and the holding time at 860 ° C. or more is 10 seconds, 9
The average cooling rate from 10 ° C to 500 ° C is about 100 ° C /
s. The pipe subjected to the induction hardening treatment is Pilami
Rolling and intermediate annealing three times alternately
The outer diameter is 12.3mm and the wall thickness is 0.86mm.
And Intermediate annealing is all 10 Five In Torr vacuum
The temperature was 600 ° C and 650 ° C in order, and the final baking was performed.
The annealing temperature was 577 ° C. Cold rolling degree (tube cross section
Product reduction rate) is 77%, 77%, 70%, respectively
there were. In this process, alloy No. 5 in Table 3
Because black cracks occurred during the second cold rolling,
Subsequent processing and heat treatment were stopped. From this, N
When i is added at 0.2 wt% or more, the cold workability decreases.
It turns out that it is not preferable. Both cladding tubes are annealed
As a result, substantially no oxide is formed on the surface of the tube.
It had a metallic luster in color. The fuel cladding tube having undergone the above manufacturing process is drawn.
It was subjected to a tension test (room temperature and 343 ° C.) and a corrosion test. table
4 shows the result. [Table 4] The tensile properties of the cladding of any alloy composition
Although it was almost the same, the Ni content was 0.01 wt%.
Has low corrosion resistance and requires more than 0.03 wt% of Ni
It turns out that there is. No. 2 to No. 4 which had high corrosion resistance
In the metallographic structure of the cladding tube, the particle size is around 0.01 μm.
Α-phase Zr crystal in which Sn-Ni intermetallic compound phase is recrystallized
It was finely dispersed in the grains. (Embodiment 2) In the case of No. 4 shown in Embodiment 2,
Using a cladding tube made of gold and using the same alloy for the end plug
Thus, the fuel rod shown in FIG. 6 was manufactured. Fuel rod is clad tube 1,
Liner 2, upper end plug 3, nuclear fuel pellet (eg UO Two )
4, plenum spring 5, welded part 6, lower end plug 7
It is mainly composed of The end plug was forged in the β phase temperature range and annealed.
Things. The welding was performed by TIG welding. Rye
The nut 2 is made of dull Zr and has a thickness of 100 μm or less.
You. The liner 2 is inserted into the billet during hot extrusion, and
Cold plastic working and annealing repeated during clad tube production
To a desired thickness. The fuel rod is a nuclear fuel assembly 10 shown in FIG.
And stored in the reactor core. Nuclear fuel assembly 1
0 is the channel box 11, the nuclear fuel rod 14, the lifting
Hand 12, top plate 15, bottom plate (not shown)
Mainly composed of Also, if not shown
Fuel rods are fixedly arranged at predetermined intervals in the fuel assembly 10
Spacers are used.
Similarly, by repeating hot and cold plastic working
It is constituted by a thin plate of the obtained No. 4 alloy. More
This embodiment is similar to the spacer for the channel box.
It is constituted by the alloy obtained in the above. According to this embodiment, the cladding tube, the spacer,
Each of the channel boxes is made of the alloy of the present invention
Resulting in a longer life and higher burnup
To the collection of According to the present invention, corrosion resistance is excellent and hydrogen absorption
Since the production of fuel cladding with low yield is obtained,
Improves reliability and can greatly extend the life in the furnace
Thus, high burnup of nuclear fuel can be achieved.

【図面の簡単な説明】 【図1】ノジュラコロージョン発生に及ぼすFe,Ni
合金組成の影響を示す図である。 【図2】腐食増量に及ぼすNiの影響を示す線図であ
る。 【図3】水素吸収率に及ぼすFe量の影響を示す線図で
ある。 【図4】水素吸収率に及ぼすNi量の影響を示す線図で
ある。 【図5】水素吸収率に及ぼす(Fe/Ni)比の影響を
示す線図である。 【図6】燃料棒の断面図である。 【図7】核燃料集合体の部分断面図である。 【符号の説明】 1…被覆管、2…ライナー、3,7…端栓、4…核燃料
ペレット、6…溶接部、10…燃料集合体、11…チャ
ンネルボックス、12…吊上げ取手、14…核燃料棒、
15…上端プレート。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 shows the effects of Fe and Ni on the occurrence of nodular corrosion.
It is a figure which shows the influence of an alloy composition. FIG. 2 is a diagram showing the effect of Ni on corrosion increase. FIG. 3 is a diagram showing the effect of the amount of Fe on the hydrogen absorption rate. FIG. 4 is a diagram showing the influence of the amount of Ni on the hydrogen absorption rate. FIG. 5 is a diagram showing the effect of the (Fe / Ni) ratio on the hydrogen absorption rate. FIG. 6 is a sectional view of a fuel rod. FIG. 7 is a partial sectional view of a nuclear fuel assembly. [Description of Signs] 1 ... cladding tube, 2 ... liner, 3, 7 ... end plug, 4 ... nuclear fuel pellet, 6 ... welded part, 10 ... fuel assembly, 11 ... channel box, 12 ... lifting handle, 14 ... nuclear fuel rod,
15 ... Top plate.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G21C 21/00 G21C 3/34 Y (72)発明者 国谷 治郎 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 赤堀 公彦 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 正岡 功 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 牧 英夫 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 中島 潤二郎 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 昭60−67648(JP,A) 特開 昭60−82636(JP,A) 特開 昭58−25467(JP,A) 「ジルカロイの高温水蒸気中腐食に及 ぼす合金成分の影響」,角間 外3名, 昭和59年(第22回)日本原子力学会年会 要旨集(第2分冊),社団法人日本原子 力学会,1984年3月10日発行,P.199 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G21C 3/06 - 3/07──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI G21C 21/00 G21C 3/34 Y (72) Inventor Jiro Kuniya 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd. 72) Inventor Kimihiko Akahori 4026 Kuji-cho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd., Hitachi Research Laboratory (72) Inventor Isao Masaoka 4026 Kuji-machi, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd.Hitachi Research Laboratory, Ltd. Hitachi, Ltd. Hitachi Plant, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Junjiro Nakajima 3-1-1, Sakaicho, Hitachi City, Ibaraki Prefecture Hitachi, Ltd. Hitachi Plant, Ltd. (56) References JP-A-60-67648 (JP, A) JP-A-60-82636 (JP, A) JP-A-58-25467 (JP, A) "High temperature water of Zircaloy" Influence of Alloying Components on Aerial Corrosion, ”Kakuma, 3 others, 1984 (22nd) Annual Meeting of the Atomic Energy Society of Japan (2nd volume), The Japan Atomic Energy Society, March 1984 Published on the 10th, p. 199 (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) G21C 3/06-3/07

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.ジルコニウム基合金からなる燃料被覆管内に核燃料
ペレットが収納され、前記被覆管の両端部にジルコニウ
ム基合金からなる端栓が溶接によって接合される原子燃
料用被覆管において、該被覆管は重量で、錫1.2〜2
%,鉄0.20〜0.55%,クロム0.05〜0.15%及
びニッケル0.03〜0.16%を含み、残部が実質的に
ジルコニウムからなり、(鉄/ニッケル)比が1.4〜1
0であるジルコニウム基合金よりなることを特徴とする
高耐食原子燃料用被覆管。 2.複数の燃料棒を所定の間隔でチャンネルボックス内
に固定する原子燃料集合体用スペーサにおいて、該スペ
ーサは重量で、錫1.2〜2%,鉄0.20〜0.55%,
クロム0.05〜0.15%及びニッケル0.03〜0.1
6%を含み、残部が実質的にジルコニウムからなり、
(鉄/ニッケル)比が1.4〜10であるジルコニウム基
合金よりなることを特徴とする高耐食原子燃料集合体用
スペーサ。 3.複数の燃料棒を所定の間隔で角筒のチャンネルボッ
クス内に一体で収納する原子燃料集合体用チャンネルボ
ックスにおいて、該チャンネルボックスは重量で、錫
1.2〜2%,鉄0.20〜0.55%,クロム0.05〜
0.15% 及びニッケル0.03〜0.16%を含み、残
部が実質的にジルコニウムからなり、(鉄/ニッケル)
比が1.4〜10であるジルコニウム基合金よりなるこ
とを特徴とする高耐食原子燃料集合体用チャンネルボッ
クス。 4.被覆管内に核燃料ペレットが収納される燃料棒、該
燃料棒の両端を保持する上部及び下部タイプレート、該
上部及び下部タイプレート間に設けられた前記燃料棒を
所定の間隔で配列するスペーサ、前記燃料棒,上部タイ
プレート,下部タイプレート及びスペーサを収納する角
筒からなるチャンネルボックス、及び前記上部タイプレ
ートに保持され前記燃料棒の全体を一体に搬送するため
のハンドルを備えた原子炉用燃料集合体において、前記
被覆管,スペーサ及びチャンネルボックスの少なくとも
1つが重量で、錫1.2〜2%,鉄0.20〜0.55%
,クロム0.05〜0.15%及びニッケル0.03〜
0.16%を含み、残部が実質的にジルコニウムからな
り、(鉄/ニッケル)比が1.4〜10であるジルコニウ
ム基合金よりなることを特徴とする高耐食原子炉用燃料
集合体。 5.被覆管内に核燃料ペレットが収納される燃料棒、該
燃料棒の両端を保持する上部及び下部タイプレート、該
上部及び下部タイプレート間に設けられた前記燃料棒を
所定の間隔で配列するスペーサ、前記燃料棒,上部タイ
プレート,下部タイプレート及びスペーサを収納する角
筒からなるチャンネルボックス、及び前記上部タイプレ
ートに保持され前記燃料棒の全体を一体に搬送するため
のハンドルを備えた原子炉用燃料集合体の製造法におい
て、前記被覆管,スペーサ及びチャンネルボックスの少
なくとも1つが重量で、錫1,2〜2%,鉄0.20〜
0.55%,クロム0.05〜0.15%及びニッケル0.
03〜0.16%を含み、残部が実質的にジルコニウム
からなり、(鉄/ニッケル)比が1.4〜10であるジル
コニウム基合金を最終熱間塑性加工後、最初の冷間塑性
加工前にβ相又はα相とβ相とを含む温度領域で短時間
加熱保持後急冷する処理を施し、次いで冷間塑性加工と
焼きなまし処理とを交互に繰返し、前記ジルコニウム基
合金の薄肉材を形成した後、成形加工を施すことを特徴
とする原子炉用燃料集合体の製造法。
(57) [Claims] Nuclear fuel pellets are stored in a fuel cladding tube made of a zirconium-based alloy, and end plugs made of a zirconium-based alloy are welded to both ends of the cladding tube by welding. 1.2-2
%, 0.20 to 0.55% iron, 0.05 to 0.15% chromium and 0.03 to 0.16% nickel, with the balance substantially consisting of zirconium, with an (iron / nickel) ratio of 1. 4-1
A cladding tube for a highly corrosion-resistant nuclear fuel, comprising a zirconium-based alloy that is zero. 2. In a nuclear fuel assembly spacer for fixing a plurality of fuel rods in a channel box at predetermined intervals, the spacer is, by weight, 1.2 to 2% tin, 0.20 to 0.55% iron,
0.05 to 0.15% chromium and 0.03 to 0.1 nickel
6%, with the balance substantially consisting of zirconium,
A highly corrosion-resistant nuclear fuel assembly spacer, comprising a zirconium-based alloy having an (iron / nickel) ratio of 1.4 to 10. 3. In a channel box for a nuclear fuel assembly, in which a plurality of fuel rods are integrally housed in a rectangular channel box at predetermined intervals, the channel box is 1.2 to 2% tin and 0.20 to 0% iron by weight. .55%, chrome 0.05-
0.15% and nickel 0.03-0.16% with the balance substantially consisting of zirconium, (iron / nickel)
A channel box for a highly corrosion resistant nuclear fuel assembly, comprising a zirconium-based alloy having a ratio of 1.4 to 10. 4. A fuel rod containing nuclear fuel pellets in a cladding tube, upper and lower tie plates holding both ends of the fuel rod, a spacer for arranging the fuel rods provided between the upper and lower tie plates at predetermined intervals, Reactor fuel provided with a fuel rod, an upper tie plate, a lower tie plate and a channel box formed of a rectangular tube for accommodating a spacer, and a handle held by the upper tie plate for integrally transporting the entire fuel rod. In the assembly, at least one of the cladding tube, the spacer and the channel box is 1.2 to 2% tin and 0.20 to 0.55% iron by weight.
, 0.05 to 0.15% chromium and 0.03% nickel
A fuel assembly for a high corrosion resistant nuclear reactor, comprising 0.16%, the balance being substantially zirconium, and a zirconium-based alloy having an (iron / nickel) ratio of 1.4 to 10. 5. A fuel rod containing nuclear fuel pellets in a cladding tube, upper and lower tie plates holding both ends of the fuel rod, a spacer for arranging the fuel rods provided between the upper and lower tie plates at predetermined intervals, Reactor fuel provided with a fuel rod, an upper tie plate, a lower tie plate and a channel box formed of a rectangular tube for accommodating a spacer, and a handle held by the upper tie plate for integrally transporting the entire fuel rod. In the method of manufacturing an assembly, at least one of the cladding tube, the spacer, and the channel box is, by weight, 1.2 to 2% of tin and 0.20 to 1.0% of iron.
0.55%, 0.05-5.15% chromium and 0.5% nickel.
A zirconium-based alloy containing from 0.3 to 0.16%, with the balance substantially consisting of zirconium and having an (iron / nickel) ratio of from 1.4 to 10, after the final hot plastic working and before the first cold plastic working In the temperature range containing the β phase or the α phase and the β phase, subjected to a process of heating and holding for a short time, followed by rapid cooling, and then alternately repeated cold plastic working and annealing to form a thin material of the zirconium-based alloy. A method for producing a fuel assembly for a nuclear reactor, characterized by performing a forming process thereafter.
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「ジルカロイの高温水蒸気中腐食に及ぼす合金成分の影響」,角間 外3名,昭和59年(第22回)日本原子力学会年会要旨集(第2分冊),社団法人日本原子力学会,1984年3月10日発行,P.199

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Smith et al. VANADIUM ALLOYS
Richter et al. Influence of Neutron Irradiation on the Mechanical Properties and the Corrosion Behaivour of ZrNb3Sn1 and ZIRCALOY-2. EUR 3335.

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