JP2877351B2 - 高純度ジルコニウム材およびその製造方法 - Google Patents

高純度ジルコニウム材およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は高純度ジルコニウム材およびその製造方法に
関し、さらに詳しくは沸騰水型原子炉の燃料被膜管とし
て用いられるジルコニウムライナー管の内面に用いる高
純度ジルコニウム材およびその製造方法に関する。
(従来の技術) 現在、ジルコニウムおよびその合金は主に原子力燃料
として多く利用されている。その中でも特に沸騰水型原
子炉の燃料被膜管にはジルコニウム合金の一つであるジ
ルカロイ−2が使用されているが、改良型沸騰水型原子
炉(A−BWP)への転換に対応して、高性能の燃料被膜
管の開発が行われている。A−BWRにおける燃料は、燃
焼度が上昇しさらに高い経済性を得るために負荷追従運
転が行われる予定である。その際、最も問題となると考
えられることがペレット・クラッド・相互作用である。
つまり、高燃焼度および燃焼度の急激な変化によって核
燃料(ペレット)に“膨れ”あるいは“反り”などの変
形が生じ、燃料被膜管(クラッド)と接触して負荷を与
えることにより燃料被膜管の破壊を促進する可能性が考
えられる。
上述した対策の一つに燃料被膜管としてジルコニウム
ライナー管が開発されている。これはジルカロイ−2製
管の内面にジルカロイ−2より硬度の小さい純ジルコニ
ウムをライニングし、ペレットによる負荷をクッション
効果により吸収するものである。このクッション効果は
ジルコニウムライナー層が柔らかいほど大きい。したが
ってジルコニウムの純度が高い程、その効果は大であ
り、現在市販されている原子炉級スポンジジルコニウム
では酸素の不純物が多く、その効果は低い。また鉄,ク
ロム,ニッケル,スズなどの重金属ではジルコニウム中
の溶解度が小さく、析出物として存在しやすい。析出物
周辺では化学的に活性であり、化学的に攻撃されやす
く、特に粒界上の析出物はジルコニウムに応力が加わっ
た場合、応力集中部となりクラックの起点となる。これ
に対してスポンジジルコニウムをさらに精製した高純度
ジルコニウム材によりライナー層を形成した場合には最
もクッション効果が大きく、被膜管を健全に保つことが
可能であることが既に明らかにされている。したがっ
て、今後高性能燃料被膜管として高純度ジルコニウム材
をライニングしたジルコニウムライナー管が使用される
と考えられ、その需要も相当大きいと予想される。
現在、高純度ジルコニウム材はスポンジジルコニウム
またはジルコニウム合金を原料として通常ハロゲン化物
分解法、特にヨウ化物分解法と称される精製方法により
製造されている。ヨウ化物分解法は化学輸送法の一種で
あり、ジルコニウム(Zr)を始めチタン(Ti),ハフニ
ウム(Hf)などの活性金属の精製に使用される方法であ
る。精製は次式(1),(2)の反応を利用して行われ
る。
Zr+2I2→ZrI4 −(1) (200〜500℃) ZrI4→Zr+2I2 −(2) (1100〜1500℃) すなわちジルコニウムZr(融点1857℃)はヨウ素I
2(融点114℃,沸点185℃)と200〜500℃の温度で激し
く反応しZrI4(昇華性固体)を生成する((1)式)。
さらにZrI4は1100〜1500℃の高温で前記(2)式に示す
ようにジルコニウムとヨウ素に分解する。
一方、高純度ジルコニウム材の原料は工業的にはスポ
ンジジルコニウムが使用されている。スポンジジルコニ
ウムは、まず鉱石から粗製の四塩化ジルコニウムZrCl4
として、ハフニウムHfを分離して精製酸化ジルコニウム
ZrO2とする。さらに酸化ジルコニウムを塩化して四塩化
ジルコニウムとし、精製して不純物を除く。精製された
四塩化ジルコニウムは、マグネシウムで還元し(クロー
ル法)、あるいはナトリウムで還元し(フンター法)ス
ポンジジルコニウムとなる。以上のような複雑な過程に
よりジルコニウムの精製が行われるため、スポンジジル
コニウム自体高価なものとなる。また一方、今後高純度
ジルコニウム材の需要はジルコニウムライナー管の普及
によりさらに伸びることが予想され、高純度ジルコニウ
ム材をさらに安価に製造する必要がある。そのためには
高純度ジルコニウム材の製造過程をさらに詳細に検討
し、製造コストを下げることは必要であるが、前述のよ
うに原料であるスポンジジルコニウムの値段が高く、そ
の高純度ジルコニウム材の製造コストに占める割合は大
きい。したがって高純度ジルコニウム材の製造コストを
大幅に低下させるには、原料自体を検討する必要があ
る。
ところで、ジルコニウムは熱中性子の吸収断面積が金
属中最も小さく、しかも機械的性質、耐食性に優れてい
るため、ジルカロイ−2あるいはジルカロイ−4などの
ジルコニウム合金が原子炉内構造材料として用いられて
いる。これらの合金中には以下の第1表に示すようにジ
ルコニウムに微量の鉄,ニッケル,クロム,スズなどの
重金属を含んでいる。
これらジルコニウム合金製原子炉内構造部品の製造過
程において大量のスクラップが発生する。また本来、我
国はジルコニウム資源に乏しく、スクラップを再利用す
ることは資源の有効利用の点からも重要な意味を持って
いる。特にこれらスクラップを高純度ジルコニウム材の
原料として利用できれば安価で、しかも高純度ジルコニ
ウム材の原料の安定な供給源となり得る。
(発明が解決しようとする課題) 以上の方法により原料にスポンジジルコニウムを用い
て得られた高純度ジルコニウム材はスポンジジルコニウ
ムの製造過程が複雑多岐にわたるため、原料であるスポ
ンジジルコニウムの値段が高く、高純度ジルコニウム材
の製造コストに占める割合が大きくなりコスト高となっ
ている。また本来我国はジルコニウム資源に乏しく、そ
の安定供給も重要な課題である。
特開昭63−28836号公報等では原料にジルコニウム合
金を用いてコストの低減を図ってはいるものの、まだそ
の純度は十分とは言えず、なお一層の高純度化が要求さ
れている。
上記問題点を鑑みて、本発明では高純度ジルコニウム
材およびジルコニウム合金を原料として高純度ジルコニ
ウム材を製造する方法を提供することを目的とするもの
である。
(課題を解決するための手段および作用) 本発明は、酸素含有量20ppm以下;鉄,ニッケル,ク
ロム,スズの各重金属元素の含有量が各々20ppm以下;
である溶解して得られたことを特徴とする高純度ジルコ
ニウム材であり、さらには酸素含有量20ppm以下;鉄,
ニッケル,クロム,スズの各重金属元素の含有量が各々
20ppm以下;である高純度ジルコニウム材の製造方法に
おいて、少なくとも (a)水素気流中で加熱・冷却を繰り返す (b)ハロゲン化物分解法を用いる (c)電子線(EB)溶解する という手段を具備する高純度ジルコニウム材の製造方法
である。
つまり、本発明においては高純度ジルコニウム材を精
製する際にジルコニウム合金(ジルカロイ−2あるいは
ジルカロイ−4など)を原料として用い、従来のハロゲ
ン化物分解法およびEB溶解では除去しにくかったスズを
水素気流中で加熱・冷却を1回ないし数回繰り返すこと
により除去した後、なおジルコニウム中に残存する重金
属およびジルコニウムの硬度に影響を及ぼす酸素を除去
するためにハロゲン化物分解法およびEB溶解を用いるも
のである。また、ここで水素気流中で加熱・冷却を繰り
返すのは、金属ジルコニウムはこの温度範囲では水素化
物を形成せず、これを急冷するとジルコニウムは水素化
物を形成し、熱膨脹率の変化により割れを生じ新しい断
面が露出される。充分に冷却後再び昇温する。この操作
を繰り返すことにより、金属ジルコニウムの水素化物は
次第に微細な粒子となり、表面積が増加する。それに伴
って、ジルコニウム粒子の表面に存在するスズの除去が
さらに容易となるためである。
ここで酸素含有量を20ppmを超える場合には精製した
ジルコニウムのクッション効果が落ちてしまうため本発
明の主旨からはずれる。
一方、鉄,ニッケル,クロム,スズの各重金属元素の
含有量が1種類でも20ppmを超える場合においては、ジ
ルコニウムに応力が加わった場合に応力集中部となりク
ラックの起点となるため好ましくない。
(実施例) 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第1図は本発明の第1の実施例の第1の不純物除去手
段であるスズ除去装置の概略を示す図である。
約1.2kgのジルカロイ−2粒状スクラップ(1)をス
ズ除去装置(2)中に封入し、ヒータ(3)により約90
0℃とした後、水素ガス(4)を矢印方向に流す。これ
を2時間継続した後、ヒータ(3)を切り、ジルカロイ
−2粒状スクラップ(1)を急令する。この操作を1回
ないし数回繰り返し実行し、ジルカロイ−2粒状スクラ
ップ(1)中からスズを除去した後、ヨウ化物分解法
(ハロゲン化物分解法の一つでハロゲンとしてヨウ素を
用いるもの)を用いた。
第2図は本発明の第1の実施例の第2の不純物除去手
段であるヨウ化物分解法を行う装置の概略を示す図であ
る。
1.0kgの上記処理したジルカロイ−2粒状スクラップ
(5)と20gのヨウ素(6)を反応容器(7)内に封入
し、この反応容器(7)全体を外部から加熱して250℃
に保持した。その後、直径約2mmのジルコニウムフィラ
メント(8)に電源(9)よりリード線(10a,10b)さ
らに給電治具(11a,11b)を通して通電してこれを1400
℃に加熱して従来の技術で説明した反応((1)式およ
び(2)式)により、純ジルコニウムをフィラメント
(8)上に析出させた。これを150時間継続したとこ
ろ、平均直径28mmの純ジルコニウムを得た。
この純ジルコニウムを本発明の第1の実施例の第3の
不純物除去手段であるEB溶解を用いて真空度5.0×10-5t
orr以下で実行した結果、平均直径30mmの高純度ジルコ
ニウムのインゴットを得た。
次に、本発明の第2の実施例を示す。第3図は本発明
の第2の実施例の第1の不純物除去手段であるスズ除去
装置の概略を示す図である。なお、以下において本発明
の第1の実施例と同一の名称については第1の実施例と
同一の番号を用いることとし、説明も省略することとす
る。
約1.2kgのジルカロイ−4粒状スクラップ(12)をス
ズ除去装置(2)中に封入し、ヒータ(3)により約90
0℃とした後、水素ガス(4)を矢印方向に流す。これ
を2時間継続した後、ヒータ(3)を切り、ジルカロイ
−4粒状スクラップ(12)を急令する。この操作を1回
ないし数回繰り返し実行し、ジルカロイ−4粒状スクラ
ップ(12)中からスズを除去し、ヨウ化物分解法を用い
た。
第4図は本発明の第2の実施例の第2の不純物除去手
段であるヨウ化物分解法を行う装置の概略を示す図であ
る。
1.0kgの上記処理したジルカロイ−4粒状スクラップ
(13)と20gのヨウ素(6)を反応容器(7)内に封入
し、この反応容器(7)全体を外部から加熱して250℃
に保持した。その後、直径約2mmのジルコニウムフィラ
メント(8)に電源(9)よりリード線(10a,10b)さ
らに給電治具(11a,11b)を通して通電してこれを1400
℃に加熱して従来の技術で説明した反応により、純ジル
コニウムをフィラメント(8)上に析出させた。これを
150時間継続したところ、平均直径28mmの縦ジルコニウ
ムを得た。
この純ジルコニウムを本発明の第2の実施例の第3の
不純物除去手段であるEB溶解を用いて真空度5.0×10-5t
orr以下で実行した結果、平均直径30mmの高純度ジルコ
ニウムのインゴットを得た。
このジルカロイ−2およびジルカロイ−4を原料とし
て製造した高純度ジルコニウム材の分析結果を第2表に
示す。第2表には従来の方法によりスポンジジルコニウ
ムを原料として製造した高純度ジルコニウム材およびジ
ルコニウム合金(ジルカロイ−2)を用いてヨウ化物分
解法のみを用いて製造した高純度ジルコニウム材の分析
結果も一緒に示す。
第2表より明らかなように、本発明による高純度ジル
コニウム材は従来の方法により製造したジルコニウム材
より酸素含有量が3分の1以下;鉄,クロム,ニッケ
ル,スズの各重金属元素の含有量がそれぞれ半分以下と
不純物量が大きく減少し、従来の方法により製造したジ
ルコニウム材より高い純度を有していることがわかる。
[発明の効果] 以上、詳述したように、本発明の製造方法により得ら
れる高純度ジルコニウム材は、原料として安価なジルコ
ニウム合金を用いることにより製造コストが大幅に低減
し、しかも従来品よりも高い純度の高純度ジルコニウム
材が製造可能であり、またそのままならば廃棄されるべ
きスクラップを用いることにより本来ジルコニウム資源
に乏しい我国においてジルコニウムの安定供給源と成り
得り、資源の有効利用にも大いに役立つ。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例の第1の不純物除去手段
であるスズ除去装置の概略図、第2図は本発明の第1の
実施例の第2の不純物除去手段であるヨウ化物分解法を
行う装置の概略図、第3図は本発明の第2の実施例の第
1の不純物除去手段であるスズ除去装置の概略図、第4
図は本発明の第2の実施例の第2の不純物除去手段であ
るヨウ化物分解法を行う装置の概略図である。 1……ジルカロイ−2粒状スクラップ 2……スズ除去装置 3……ヒータ 4……水素ガス(H2) 5……スズ除去後のジルカロイ−2粒状スクラップ 6……ヨウ素(I2) 7……反応容器 8……ジルコニウムフィラメント 9……電源 10a,10b……リード線 11a,11b……給電治具 12……ジルカロイ−4粒状スクラップ 13……スズ除去後のジルカロイ−4粒状スクラップ

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】酸素含有量20ppm以下;鉄,ニッケル,ク
    ロム,スズの各重金属元素の含有量が各々20ppm以下;
    である溶解して得られたことを特徴とする高純度ジルコ
    ニウム材。
  2. 【請求項2】酸素含有量20ppm以下;鉄,ニッケル,ク
    ロム,スズの各重金属元素の含有量が各々20ppm以下;
    である高純度ジルコニウム材の製造方法において、その
    原料となるジルコニウム合金に少なくとも (a)水素気流中で加熱・冷却を繰り返す (b)ハロゲン化物分解法を用いる (c)電子線(EB)を溶解する という手段を具備することを特徴とする高純度ジルコニ
    ウム材の製造方法。
  3. 【請求項3】高純度ジルコニウムを製造する際に、ジル
    カロイ−2あるいはジルカロイ−4からなるジルコニウ
    ム合金のスクラップを原料として用いることを特徴とす
    る請求項2記載の高純度ジルコニウム材の製造方法。
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