JP3031714B2 - 内部ライナー付きジルコニウム被覆管の製法 - Google Patents
内部ライナー付きジルコニウム被覆管の製法Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C21/00—Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
- G21C21/02—Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
- C22F1/186—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of zirconium or alloys based thereon
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- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/16—Details of the construction within the casing
- G21C3/20—Details of the construction within the casing with coating on fuel or on inside of casing; with non-active interlayer between casing and active material with multiple casings or multiple active layers
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Description
【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は燃料棒からなる原子燃料要素の製法に係り、
その被覆管にはジルコニウムあるいはジルコニウム合金
でできた内部ライナーが設けられている。
その被覆管にはジルコニウムあるいはジルコニウム合金
でできた内部ライナーが設けられている。
背景技術 原子燃料要素は燃料ペレットを充填された被覆管を有
した燃料棒からなっている。被覆管にジルコニウムある
いはジルコニウム合金でできた内部ライナーを設けて、
急速な出力上昇の時に燃料要素をペレットと被覆管との
相互作用即ちPCIによる破損から保護することが知られ
ている。
した燃料棒からなっている。被覆管にジルコニウムある
いはジルコニウム合金でできた内部ライナーを設けて、
急速な出力上昇の時に燃料要素をペレットと被覆管との
相互作用即ちPCIによる破損から保護することが知られ
ている。
SE7810262は耐PCI性（ペレットと被覆管との相互作用
に対する耐性）に関する特性を改良した原子燃料要素を
記載しており、これはジルコニウム合金でできた外側部
分と、前記外側部分に接し、不純物濃度が約1000から50
00ppmまでのジルコニウムでできた内側部分とからなる
複合的な被覆管容器を有している。
に対する耐性）に関する特性を改良した原子燃料要素を
記載しており、これはジルコニウム合金でできた外側部
分と、前記外側部分に接し、不純物濃度が約1000から50
00ppmまでのジルコニウムでできた内側部分とからなる
複合的な被覆管容器を有している。
この複合的な被覆管は、内側部分として用いられるよ
うになったスポンジ状ジルコニウムのスリーブを、外側
部分として構成されるジルコニウム合金でできた中間の
ビレットの中へ挿入することによって製造され、この場
合、前記ユニットにおいてはスリーブがビレットに爆着
させられる。その後、前記複合製品は、約538から750度
Ｃまでの温度で、従来通りの押出し法を用いて押出し加
工される。その後で、押出し加工された複合製品は、被
覆管の所望の寸法が得られるまで、従来通りの管製造が
行われる。スリーブのビレットに対する接合はまた、75
0度Ｃで８時間加熱し、拡散接合を達成することによっ
ても行われる。この複合製品の製造はまた、内部スリー
ブと外部シェルとからなるユニットを、従来通りの技術
を用いて押出し加工することによっても行われる。
うになったスポンジ状ジルコニウムのスリーブを、外側
部分として構成されるジルコニウム合金でできた中間の
ビレットの中へ挿入することによって製造され、この場
合、前記ユニットにおいてはスリーブがビレットに爆着
させられる。その後、前記複合製品は、約538から750度
Ｃまでの温度で、従来通りの押出し法を用いて押出し加
工される。その後で、押出し加工された複合製品は、被
覆管の所望の寸法が得られるまで、従来通りの管製造が
行われる。スリーブのビレットに対する接合はまた、75
0度Ｃで８時間加熱し、拡散接合を達成することによっ
ても行われる。この複合製品の製造はまた、内部スリー
ブと外部シェルとからなるユニットを、従来通りの技術
を用いて押出し加工することによっても行われる。
EP194797は被覆管をPCI破損（ペレットと被覆管との
相互作用によって生ずる破損）から保護するための外部
要素と内部要素とを有した被覆管を記載している。前記
内部要素は、水が燃料棒の中へ侵入してきた時にも良好
な腐食特性を与えるために、0.4から0.6％までの錫と、
0.5から1.4％までの鉄と、100から700ppmまでの酸素と
を有する特定組成のジルコニウムからなっている。
相互作用によって生ずる破損）から保護するための外部
要素と内部要素とを有した被覆管を記載している。前記
内部要素は、水が燃料棒の中へ侵入してきた時にも良好
な腐食特性を与えるために、0.4から0.6％までの錫と、
0.5から1.4％までの鉄と、100から700ppmまでの酸素と
を有する特定組成のジルコニウムからなっている。
前記被覆管は、内部要素を外部要素に接合する前に、
内部要素のインゴットを、ベータ焼入れを含むジルコニ
ウム合金の従来通りの製法によって処理することによっ
て、製造される。内部要素と外部要素とを接合した後
に、被覆管は、外表面をベータ焼入れすることによる最
終的な冷間圧延加工の前か、あるいは内部要素と外部要
素との両方からなる被覆管の全表面をベータ焼入れする
ことによる最後から２番目の圧延加工の前に、付加的に
ベータ焼入れすることができる。
内部要素のインゴットを、ベータ焼入れを含むジルコニ
ウム合金の従来通りの製法によって処理することによっ
て、製造される。内部要素と外部要素とを接合した後
に、被覆管は、外表面をベータ焼入れすることによる最
終的な冷間圧延加工の前か、あるいは内部要素と外部要
素との両方からなる被覆管の全表面をベータ焼入れする
ことによる最後から２番目の圧延加工の前に、付加的に
ベータ焼入れすることができる。
EP155603もまた、ペレットが熱膨張した時に、被覆管
にクラックが生じるのを防ぐために、ジルコニウムの内
部ライナー付きの複合被覆管を有した原子燃料要素を記
載している。この特許明細書によると、不純物の全量を
5000ppm未満に制限し、かつ鉄の含有率に対する酸素の
含有率の比を１以上に維持することによって、ジルコニ
ウムライナーのクラックに対する鋭敏度を減少させるこ
とが知られている。ジルコニウムのライナー付きの被覆
管の製造は、ジルコニウムをインゴットに溶融し、それ
を次に鍛造して、中空のビレットに形づくることによっ
て実行される。この中空のビレットはジルコニウム合金
でできた他の中空ビレットの中へ挿入される。この複合
的なビレットは加熱押出し加工されて、管素材（tube b
illet）にされる。前記管素材は、従来通りの管製造に
関する冷間圧延操作と、熱処理とを繰り返される。相変
態温度に近い800度Ｃあるいは860度Ｃにおいて溶体化処
理を行うことを含めた熱処理工程により、材料内の第２
相を固溶させ、その後で低温、例えば550度Ｃで２時間
に亙って応力除去用の熱処理をして室温まで急速冷却さ
せるが、この処理は鍛造の後、あるいは熱間押出し加工
の後、あるいは最終製品の管の最終工程として実施さ
れ、これによって熱処理を最終工程として実施するのが
特に有効であることが考えられる。前記明細書による
と、処理中の全ての他の工程において溶体化熱処理が行
われると、最良の結果が得られる。
にクラックが生じるのを防ぐために、ジルコニウムの内
部ライナー付きの複合被覆管を有した原子燃料要素を記
載している。この特許明細書によると、不純物の全量を
5000ppm未満に制限し、かつ鉄の含有率に対する酸素の
含有率の比を１以上に維持することによって、ジルコニ
ウムライナーのクラックに対する鋭敏度を減少させるこ
とが知られている。ジルコニウムのライナー付きの被覆
管の製造は、ジルコニウムをインゴットに溶融し、それ
を次に鍛造して、中空のビレットに形づくることによっ
て実行される。この中空のビレットはジルコニウム合金
でできた他の中空ビレットの中へ挿入される。この複合
的なビレットは加熱押出し加工されて、管素材（tube b
illet）にされる。前記管素材は、従来通りの管製造に
関する冷間圧延操作と、熱処理とを繰り返される。相変
態温度に近い800度Ｃあるいは860度Ｃにおいて溶体化処
理を行うことを含めた熱処理工程により、材料内の第２
相を固溶させ、その後で低温、例えば550度Ｃで２時間
に亙って応力除去用の熱処理をして室温まで急速冷却さ
せるが、この処理は鍛造の後、あるいは熱間押出し加工
の後、あるいは最終製品の管の最終工程として実施さ
れ、これによって熱処理を最終工程として実施するのが
特に有効であることが考えられる。前記明細書による
と、処理中の全ての他の工程において溶体化熱処理が行
われると、最良の結果が得られる。
SE8903595−０はジルコニウム合金でできた被覆管の
製法を記載しており、その外部表面は沸騰水型原子炉の
運転中における結節状腐食（nodular corrosion）に対
する改良された抵抗性を得ることができる。前記被覆管
はジルコニウムベースの合金から製造され、好ましくは
押出し加工の前にベータ焼入れされる。最終的な冷間圧
延工程の前に、被覆管の外面がベータ焼入れされる。従
って、押出し加工の後は被覆管の外部だけがベータ焼入
れされ、この部分に対して改良された耐腐食性を与え
る。そのような被覆管にはまたPCI保護のために内部要
素を設けることができる。押出し加工の後は、そのよう
な場合における内部要素は、最終的な圧延工程より前
に、ベータ焼入れによって影響を受けることはないであ
ろう。
製法を記載しており、その外部表面は沸騰水型原子炉の
運転中における結節状腐食（nodular corrosion）に対
する改良された抵抗性を得ることができる。前記被覆管
はジルコニウムベースの合金から製造され、好ましくは
押出し加工の前にベータ焼入れされる。最終的な冷間圧
延工程の前に、被覆管の外面がベータ焼入れされる。従
って、押出し加工の後は被覆管の外部だけがベータ焼入
れされ、この部分に対して改良された耐腐食性を与え
る。そのような被覆管にはまたPCI保護のために内部要
素を設けることができる。押出し加工の後は、そのよう
な場合における内部要素は、最終的な圧延工程より前
に、ベータ焼入れによって影響を受けることはないであ
ろう。
SE8301770−７は、0.1％錫を含有したスポンジ状ジル
コニウム合金でできた内部層を有した複合被覆管からな
る燃料棒を記載している。この燃料棒は高温状態での水
及び水蒸気の腐食影響に対する増大した抵抗性を示す。
前記被覆管は、内部要素を構成するジルコニウム合金の
管を、ジルコニウム合金の粗管の中に配置することによ
って製造され、２つの管の端面が一緒にして溶接され
る。その後で、複合的な管が加熱しない状態で押出し加
工される。押出し加工された製品は、次に幾つかの工程
において冷間圧延され、約650度Ｃの温度において中間
的な再結晶焼きなましされ、最終的な冷間圧延の後には
約525度Ｃにおいて最終焼きなましが行われる。
コニウム合金でできた内部層を有した複合被覆管からな
る燃料棒を記載している。この燃料棒は高温状態での水
及び水蒸気の腐食影響に対する増大した抵抗性を示す。
前記被覆管は、内部要素を構成するジルコニウム合金の
管を、ジルコニウム合金の粗管の中に配置することによ
って製造され、２つの管の端面が一緒にして溶接され
る。その後で、複合的な管が加熱しない状態で押出し加
工される。押出し加工された製品は、次に幾つかの工程
において冷間圧延され、約650度Ｃの温度において中間
的な再結晶焼きなましされ、最終的な冷間圧延の後には
約525度Ｃにおいて最終焼きなましが行われる。
被覆管の内側は、損傷が被覆管において発生して、そ
の結果、水が被覆管内に侵入した場合に、水と水蒸気の
腐食影響を受けることがある。この水は、次により高温
の燃料ペレットと接触して蒸発するであろう。この結
果、被覆管の内側は高温の水／水蒸気の腐食影響を受け
ることになる。ジルコニウムやジルコニウム合金が腐食
すると、水素が形成され、これはある程度まで被覆管に
吸収される。水素は、水素化ジルコニウムの形で析出す
る。この水素化ジルコニウムはこわれ易く、被覆管の健
全性に関しては負の影響を有している。従って、水の侵
入を含む損傷が拡大して、大量の水が被覆管の中へ侵入
して、二酸化ウランと放射性核分裂生成物とが侵出する
ような危険のないようにするために、腐食とその腐食に
よって生じる水素吸収とは、できるだけわずかであるこ
とが重要である。被覆管に対する損傷は幾つかの理由か
ら生じるが、例えば、摩耗あるいは溶接欠陥のために生
じる。
の結果、水が被覆管内に侵入した場合に、水と水蒸気の
腐食影響を受けることがある。この水は、次により高温
の燃料ペレットと接触して蒸発するであろう。この結
果、被覆管の内側は高温の水／水蒸気の腐食影響を受け
ることになる。ジルコニウムやジルコニウム合金が腐食
すると、水素が形成され、これはある程度まで被覆管に
吸収される。水素は、水素化ジルコニウムの形で析出す
る。この水素化ジルコニウムはこわれ易く、被覆管の健
全性に関しては負の影響を有している。従って、水の侵
入を含む損傷が拡大して、大量の水が被覆管の中へ侵入
して、二酸化ウランと放射性核分裂生成物とが侵出する
ような危険のないようにするために、腐食とその腐食に
よって生じる水素吸収とは、できるだけわずかであるこ
とが重要である。被覆管に対する損傷は幾つかの理由か
ら生じるが、例えば、摩耗あるいは溶接欠陥のために生
じる。
燃料棒の外側は常に水、水蒸気と接触していて、熱処
理がジルコニウムに影響し、高温の水、水蒸気における
腐食に対するジルコニウム合金の抵抗性に影響すること
が知れている。従って、多数の文献が、ジルコニウム合
金の耐腐食性を改良しようとする熱処理について記述し
ている。EP71193は、従来通りの製造において、どのよ
うにしてジルコニウム合金のインゴットをまずベータ相
範囲において鍛造するか、またその後で、急速焼入れに
続いて、ベータ相範囲においてどのように熱処理するか
を記述している。次に、ビレットは、従来方法による冷
間加工段階を含む管製造と中間焼入れとに続いて、アル
ファ相範囲の中で鍛造され、押出し加工される。被覆管
の耐腐食性を改良するために、熱処理温度からの急速焼
入れに続いてのベータ相範囲あるいはアルファ相とベー
タ相範囲における有効な溶体化熱処理を、ビレットの高
温押出し加工の後の、プロセス後段においても実行すべ
きであることがわかっていた。
理がジルコニウムに影響し、高温の水、水蒸気における
腐食に対するジルコニウム合金の抵抗性に影響すること
が知れている。従って、多数の文献が、ジルコニウム合
金の耐腐食性を改良しようとする熱処理について記述し
ている。EP71193は、従来通りの製造において、どのよ
うにしてジルコニウム合金のインゴットをまずベータ相
範囲において鍛造するか、またその後で、急速焼入れに
続いて、ベータ相範囲においてどのように熱処理するか
を記述している。次に、ビレットは、従来方法による冷
間加工段階を含む管製造と中間焼入れとに続いて、アル
ファ相範囲の中で鍛造され、押出し加工される。被覆管
の耐腐食性を改良するために、熱処理温度からの急速焼
入れに続いてのベータ相範囲あるいはアルファ相とベー
タ相範囲における有効な溶体化熱処理を、ビレットの高
温押出し加工の後の、プロセス後段においても実行すべ
きであることがわかっていた。
発明の要約 本発明によると、内部のライナー層を設けた燃料棒の
中に水が侵入するという損傷の場合に、被覆管の製造中
に、内部要素のインゴットを機械加工する段階から内部
要素の熱処理のパラメータを注意深く選択することによ
り、原子燃料要素が水と水蒸気の影響に対する改良され
た抵抗力を示すことができることが証明されている。
中に水が侵入するという損傷の場合に、被覆管の製造中
に、内部要素のインゴットを機械加工する段階から内部
要素の熱処理のパラメータを注意深く選択することによ
り、原子燃料要素が水と水蒸気の影響に対する改良され
た抵抗力を示すことができることが証明されている。
驚いたことに、内部要素が一緒に押出し加工しようと
する外部要素に接合される前に行われる熱処理であっ
て、内部要素を加工して複合被覆管とする加工を行って
いる間の熱処理も、被覆管が損傷して水が被覆管の中へ
侵入してくるような時に、水と水蒸気の腐食影響に対す
る抵抗力に対し改良された燃料要素を得て、腐食過程の
間の有害な水素吸収を減少させるために極めて重要であ
ることが証明されている。
する外部要素に接合される前に行われる熱処理であっ
て、内部要素を加工して複合被覆管とする加工を行って
いる間の熱処理も、被覆管が損傷して水が被覆管の中へ
侵入してくるような時に、水と水蒸気の腐食影響に対す
る抵抗力に対し改良された燃料要素を得て、腐食過程の
間の有害な水素吸収を減少させるために極めて重要であ
ることが証明されている。
また本発明によると、ライナー層の最適な構成を選択
することにより、全ての熱処理に関する熱処理パラメー
タを選択すると、製造の効果も更に改良することができ
ることが証明されている。
することにより、全ての熱処理に関する熱処理パラメー
タを選択すると、製造の効果も更に改良することができ
ることが証明されている。
本発明によると、内部層を設けた被覆管を含む燃料要
素は、ジルコニウムあるいはジルコニウム合金、例え
ば、耐PCI性のある被覆管における内部層として適当な
ジルコニウム−錫のインゴットを製造することにより、
製作する事ができる。前記インゴットは鍛造、及びでき
るだけ圧延と押出によって機械加工され、外部要素へ接
合されるように適当な寸法にされる。この明細書で「機
械加工」とは鍛造、圧延及び押出しを含む機械的な加工
を意味する。内部要素の最適な特性を得るために、この
要素は、インゴットの製造後の全ての処理工程、例え
ば、鍛造、熱処理、圧延、押出し、中間焼入れ、及び最
終焼入れの段階において、内部要素内にベータ相の形成
が開始される温度よりも低い温度に維持されるようにな
っている。
素は、ジルコニウムあるいはジルコニウム合金、例え
ば、耐PCI性のある被覆管における内部層として適当な
ジルコニウム−錫のインゴットを製造することにより、
製作する事ができる。前記インゴットは鍛造、及びでき
るだけ圧延と押出によって機械加工され、外部要素へ接
合されるように適当な寸法にされる。この明細書で「機
械加工」とは鍛造、圧延及び押出しを含む機械的な加工
を意味する。内部要素の最適な特性を得るために、この
要素は、インゴットの製造後の全ての処理工程、例え
ば、鍛造、熱処理、圧延、押出し、中間焼入れ、及び最
終焼入れの段階において、内部要素内にベータ相の形成
が開始される温度よりも低い温度に維持されるようにな
っている。
アルファ相のベータ相への初期変態は、普通は耐PCI
被覆管の内部要素として用いられる低酸素含有のジルコ
ニウムに関しては800度Ｃで生じる。これもまた内部要
素として用いられるジルコニウム−錫合金に関していう
と、錫はアルファ相を安定化させ、変態温度は丁度862
度Ｃを越える温度になる。ベータ相の変態の際に、母材
中の第２次相や、不純物、析出粒子が徐々に固溶されて
いく。
被覆管の内部要素として用いられる低酸素含有のジルコ
ニウムに関しては800度Ｃで生じる。これもまた内部要
素として用いられるジルコニウム−錫合金に関していう
と、錫はアルファ相を安定化させ、変態温度は丁度862
度Ｃを越える温度になる。ベータ相の変態の際に、母材
中の第２次相や、不純物、析出粒子が徐々に固溶されて
いく。
本発明によると、内部要素はベータ相が形成される温
度において熱処理されてはならず、第２次相や不純物が
母材の中で固溶するのを防いでいる。このことはまた、
予熱や、予備鍛造、および最終鍛造のような製造段階の
初期段階に対しても適用される。
度において熱処理されてはならず、第２次相や不純物が
母材の中で固溶するのを防いでいる。このことはまた、
予熱や、予備鍛造、および最終鍛造のような製造段階の
初期段階に対しても適用される。
本発明による原子燃料要素の製造に関していうと、イ
ンゴットが内部要素から製作される。ジルコニウムのイ
ンゴットは700から800度Ｃまでアルファ相範囲で熱処理
され、ジルコニウム−錫合金のインゴットは鍛造の前に
700から860度Ｃまでアルファ相範囲で熱処理される。そ
の後で、アルファ相範囲での同一の温度間隔での予熱を
しながら、鍛造を繰返すことができる。従って、インゴ
ットの予備鍛造もまた、ベータ相への初期変態が生じる
温度未満の温度で行われることが重要である。ジルコニ
ウム−錫合金の利点は、これらが相変態が生じる前によ
り高温にまで加熱することができるという点にあり、イ
ンゴットの機械加工が容易になる。内部要素を外部要素
に接合するために適当な寸法にするため、内部要素の付
加的な機械加工が熱間圧延と押出し加工とによって行わ
れる。内部要素の温度はこれらの処理段階の間は710度
Ｃを越えてはならない。
ンゴットが内部要素から製作される。ジルコニウムのイ
ンゴットは700から800度Ｃまでアルファ相範囲で熱処理
され、ジルコニウム−錫合金のインゴットは鍛造の前に
700から860度Ｃまでアルファ相範囲で熱処理される。そ
の後で、アルファ相範囲での同一の温度間隔での予熱を
しながら、鍛造を繰返すことができる。従って、インゴ
ットの予備鍛造もまた、ベータ相への初期変態が生じる
温度未満の温度で行われることが重要である。ジルコニ
ウム−錫合金の利点は、これらが相変態が生じる前によ
り高温にまで加熱することができるという点にあり、イ
ンゴットの機械加工が容易になる。内部要素を外部要素
に接合するために適当な寸法にするため、内部要素の付
加的な機械加工が熱間圧延と押出し加工とによって行わ
れる。内部要素の温度はこれらの処理段階の間は710度
Ｃを越えてはならない。
内部要素の耐腐食性の更なる改良は、内部要素が外部
要素に接合される前に、鍛造、圧延、及び（あるいは）
押出し加工と関連して行われる熱処理に加えて、内部要
素のビレットの付加的な熱処理を導入することによって
得ることができる。この付加的な熱処理はジルコニウム
のビレットに関しては、アルファ相範囲で600度から800
度Ｃまで行われ、ジルコニウム−錫合金のビレットに関
しては、600度から860度Ｃまで行われ、好ましくはビレ
ットの組成には無関係に650度から750度Ｃまでの範囲内
で行われる。この付加的な熱処理は、内部要素が外部要
素に接合される前の最終段階として、あるいは、例えば
内部要素が押出し加工される前の処理工程の早期段階に
おいて行うことができる。
要素に接合される前に、鍛造、圧延、及び（あるいは）
押出し加工と関連して行われる熱処理に加えて、内部要
素のビレットの付加的な熱処理を導入することによって
得ることができる。この付加的な熱処理はジルコニウム
のビレットに関しては、アルファ相範囲で600度から800
度Ｃまで行われ、ジルコニウム−錫合金のビレットに関
しては、600度から860度Ｃまで行われ、好ましくはビレ
ットの組成には無関係に650度から750度Ｃまでの範囲内
で行われる。この付加的な熱処理は、内部要素が外部要
素に接合される前の最終段階として、あるいは、例えば
内部要素が押出し加工される前の処理工程の早期段階に
おいて行うことができる。
内部要素が適当な寸法にまで機械加工されると、内部
要素の管を外部要素の粗管の中へ従来通りの方法で通過
させることによって、内部要素を外部要素に接合するこ
とができる。
要素の管を外部要素の粗管の中へ従来通りの方法で通過
させることによって、内部要素を外部要素に接合するこ
とができる。
前記外部要素は複合被覆管の支持部分を構成するよう
に意図されているジルコニウム合金、例えばZr2.5Nbあ
るいはジルカロイ２及びジルカロイ４からなっており、
ジルカロイ２とジルカロイ４の合金材料の組成は、1.2
から1.7％までの錫と、0.07から0.24％までの鉄と、0.0
5から0.15％までのクロム、及び０から0.08％までのニ
ッケルの範囲以内になっており、残部はジルコニウムと
通常の不純物となっている。外部要素はアルファ相範囲
内での鍛造に続いて、ベータ相あるいはアルファ相とベ
ータ相との範囲内での鍛造によって従来方法で機械加工
され、更に鍛造と押出し加工（もし行われるならば）さ
れる。外部要素が内部要素に接合される前に、ビレット
はベータ相範囲、例えば1050度Ｃまで加熱して、その後
で急速冷却することによってベータ焼入れされる。
に意図されているジルコニウム合金、例えばZr2.5Nbあ
るいはジルカロイ２及びジルカロイ４からなっており、
ジルカロイ２とジルカロイ４の合金材料の組成は、1.2
から1.7％までの錫と、0.07から0.24％までの鉄と、0.0
5から0.15％までのクロム、及び０から0.08％までのニ
ッケルの範囲以内になっており、残部はジルコニウムと
通常の不純物となっている。外部要素はアルファ相範囲
内での鍛造に続いて、ベータ相あるいはアルファ相とベ
ータ相との範囲内での鍛造によって従来方法で機械加工
され、更に鍛造と押出し加工（もし行われるならば）さ
れる。外部要素が内部要素に接合される前に、ビレット
はベータ相範囲、例えば1050度Ｃまで加熱して、その後
で急速冷却することによってベータ焼入れされる。
内部要素と外部要素とからなる複合ビレットは710度
未満の温度において押出し加工される。
未満の温度において押出し加工される。
押出し加工の後は、管素材は（tube blank）、多数の
冷間圧延工程と、中間熱処理と、最終熱処理とがおこな
われ、従来方法で機械加工される。内部要素の中間熱処
理は525から700度Ｃまでの範囲内で行われ、最終熱処理
は400から700度Ｃまでの範囲内で行われる。
冷間圧延工程と、中間熱処理と、最終熱処理とがおこな
われ、従来方法で機械加工される。内部要素の中間熱処
理は525から700度Ｃまでの範囲内で行われ、最終熱処理
は400から700度Ｃまでの範囲内で行われる。
ジルコニウムの内部層を備えた被覆管からなる燃料要
素を製造するために、内部要素を外部要素に接合した後
に、管素材の付加的な熱処理が行われる。この熱処理は
アルファ相の範囲において、600から800度Ｃまでにおい
て適切に行われる。熱処理中に内部要素と外部要素との
間に生じる合金材料の限定的な拡散は、前記層の耐PCI
性にとって有害なものではない。この種の熱処理が外部
要素の腐食特性に対して不利な影響を確実に与えないよ
うにするために、付加的な熱処理が行われた後に、管の
外側をベータ焼入れすることができる。このベータ焼入
れの間は、管の外側はベータ相の範囲の温度、例えば10
50度Ｃまで加熱され、次に急速に冷却される。
素を製造するために、内部要素を外部要素に接合した後
に、管素材の付加的な熱処理が行われる。この熱処理は
アルファ相の範囲において、600から800度Ｃまでにおい
て適切に行われる。熱処理中に内部要素と外部要素との
間に生じる合金材料の限定的な拡散は、前記層の耐PCI
性にとって有害なものではない。この種の熱処理が外部
要素の腐食特性に対して不利な影響を確実に与えないよ
うにするために、付加的な熱処理が行われた後に、管の
外側をベータ焼入れすることができる。このベータ焼入
れの間は、管の外側はベータ相の範囲の温度、例えば10
50度Ｃまで加熱され、次に急速に冷却される。
前記内部要素は純粋のジルコニウムでできていても、
あるいは、0.1ないし１％の錫を含んだジルコニウム−
錫合金、例えば0.1から0.5％までの錫と、550ppm以下の
鉄と、600ppm以下好ましくは200から450ppmまでの酸素
とを含むジルコニウム合金でできていてもよい。ジルコ
ニウムやジルコニウム−錫合金における不純物は、原子
炉級のジルコニウムに適用される制限値以下でなければ
ならず、それは即ち、アルミニウム75ppm、ボロン0.5pp
m、炭素100ppm、カルシウム30ppm、カドミウム0.5ppm、
塩素20ppm、コバルト20ppm、銅50ppm、水素25ppm、ハフ
ニウム100ppm、マグネシウム20ppm、マンガン50ppm、モ
リブデン50ppm、窒素65ppm、ナトリウム20ppm、ニオブ1
00ppm、ニッケル70ppm、リン30ppm、鉛100ppm、珪素100
ppm、タンタル200ppm、チタン50ppm、ウラン3.5ppm、バ
ナジウム50ppm、タングステン100ppm、クロム200ppmで
ある。
あるいは、0.1ないし１％の錫を含んだジルコニウム−
錫合金、例えば0.1から0.5％までの錫と、550ppm以下の
鉄と、600ppm以下好ましくは200から450ppmまでの酸素
とを含むジルコニウム合金でできていてもよい。ジルコ
ニウムやジルコニウム−錫合金における不純物は、原子
炉級のジルコニウムに適用される制限値以下でなければ
ならず、それは即ち、アルミニウム75ppm、ボロン0.5pp
m、炭素100ppm、カルシウム30ppm、カドミウム0.5ppm、
塩素20ppm、コバルト20ppm、銅50ppm、水素25ppm、ハフ
ニウム100ppm、マグネシウム20ppm、マンガン50ppm、モ
リブデン50ppm、窒素65ppm、ナトリウム20ppm、ニオブ1
00ppm、ニッケル70ppm、リン30ppm、鉛100ppm、珪素100
ppm、タンタル200ppm、チタン50ppm、ウラン3.5ppm、バ
ナジウム50ppm、タングステン100ppm、クロム200ppmで
ある。
前記内部要素はまた他のジルコニウム合金でできてい
てもよい。
てもよい。
本発明について、被覆管の製造用の流れ図を示す添付
図面を参照しながら、その実施例を説明することによっ
てより詳細に説明する。
図面を参照しながら、その実施例を説明することによっ
てより詳細に説明する。
内部要素のインゴットが製造１される。前記内部要素
は0.25％の錫と、310ppmの鉄と、430ppmの酸素と、原子
炉級のジルコニウムに通常発生する不純物の量を含んだ
ジルコニウムからなっている。その後で、前記インゴッ
トは予熱２され、鍛造３される。これらの工程はインゴ
ットを予備鍛造と最終鍛造することによって繰り返され
る。前記インゴットは820度Ｃの温度にまで８時間予熱
２され、鍛造３され、800度Ｃまでの付加的な加熱２
と、最終鍛造３が行われる。鍛造の後は、ビレットが圧
延４され、約675度Ｃで押出し加工５される。その後、
前記ビレットは650度Ｃで５時間焼入れ６される。
は0.25％の錫と、310ppmの鉄と、430ppmの酸素と、原子
炉級のジルコニウムに通常発生する不純物の量を含んだ
ジルコニウムからなっている。その後で、前記インゴッ
トは予熱２され、鍛造３される。これらの工程はインゴ
ットを予備鍛造と最終鍛造することによって繰り返され
る。前記インゴットは820度Ｃの温度にまで８時間予熱
２され、鍛造３され、800度Ｃまでの付加的な加熱２
と、最終鍛造３が行われる。鍛造の後は、ビレットが圧
延４され、約675度Ｃで押出し加工５される。その後、
前記ビレットは650度Ｃで５時間焼入れ６される。
外部要素は鍛造によって従来通りに製造され、押出し
加工の前にベータ焼入れ（７、８、９、10、11）され
る。
加工の前にベータ焼入れ（７、８、９、10、11）され
る。
内部要素は従来通りの方法によって外部要素に接合さ
れ、その複合体が約670度Ｃで押出し加工12される。そ
の後、管素材が３つの工程において圧延され、最終寸法
にされ、570度Ｃで１時間中間焼入れ13、14される。最
終圧延の後で、管は570度Ｃで1.5時間、最終焼鈍15され
る。
れ、その複合体が約670度Ｃで押出し加工12される。そ
の後、管素材が３つの工程において圧延され、最終寸法
にされ、570度Ｃで１時間中間焼入れ13、14される。最
終圧延の後で、管は570度Ｃで1.5時間、最終焼鈍15され
る。
この被覆管には燃料ペレットが充填され、被覆管が密
封され、それらは組み立てられて、燃料集合体となり、
軽水炉用の原子燃料要素が形成される。
封され、それらは組み立てられて、燃料集合体となり、
軽水炉用の原子燃料要素が形成される。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−209191（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−213362（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−190888（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−207989（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−184882（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−196190（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G21C 3/20 C21D 9/08 C22F 1/18 G21C 3/06 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)
Claims (15)
- 【請求項１】耐PCI性のある複合被覆管における内部要
素として適当な、ジルコニウムあるいはジルコニウム合
金でできた内部要素と、複合被覆管の支持部分を構成し
ようとするジルコニウム合金でできた外部要素とを有し
た複合被覆管からなる原子燃料要素を製造する方法であ
って、前記被覆管が、内部要素の組成になったインゴッ
トと外部要素の組成になったインゴットとをそれぞれ製
造する工程と、それらを個別に機械加工して適当な寸法
のビレットにする工程と、それらを接合する工程と、押
し出し加工して管素材にする工程と、さらに、それを冷
間圧延と中間熱処理とを行い、最終寸法において最終熱
処理を行うことによって機械加工する工程とによって製
造される、該原子燃料要素製造方法において、前記ジル
コニウムあるいはジルコニウム合金でできた前記内部要
素が、インゴットの製造から被覆管の完成までに至る、
鍛造、前記圧延、前記押出し、前記熱処理、及び前記最
終熱処理からなる製造工程中において、所期のベータ相
変態が生じる時の温度未満の、アルファ相範囲における
温度において熱影響を受けるのみであることを特徴とす
る原子燃料要素の製造方法。 - 【請求項２】請求の範囲第１項記載の方法において、前
記内部要素がアルファ相範囲の温度において、鍛造の前
に予備熱処理される原子燃料要素の製造方法。 - 【請求項３】請求の範囲第２項記載の方法において、前
記内部要素が２つの工程において鍛造され、前記２つの
工程より前に予備熱処理がアルファ相範囲における温度
において実行される原子燃料要素の製造方法。 - 【請求項４】請求の範囲第１、２あるいは３項記載の方
法において、前記内部要素が、0.1から１％までの錫を
含むジルコニウム−錫合金から製造される原子燃料要素
の製造方法。 - 【請求項５】請求の範囲第１、２あるいは３項記載の方
法において、前記内部要素は、0.1〜１％までの錫と、
原子炉級のジルコニウムに適用される限度以下の不純物
量とを有するジルコニウム−錫合金から製造される、原
子燃料要素の製造方法。 - 【請求項６】請求の範囲第４項記載の方法において、前
記内部要素を構成しようとする材料のインゴットが、イ
ンゴット鍛造前に700から860度Ｃまでの温度において予
熱される原子燃料要素の製造方法。 - 【請求項７】請求の範囲第４および５項記載の方法にお
いて、前記管素材が、鍛造、圧延、および（あるいは）
押出し加工と関連して行われる熱処理操作に加えて、60
0から860度Ｃまでの温度において熱処理される原子燃料
要素の製造方法。 - 【請求項８】請求の範囲第１項記載の方法において、前
記内部要素が、原子炉級のジルコニウムに適用される含
有量以下の不純物含有量を有したジルコニウムから製造
される原子燃料要素の製造方法。 - 【請求項９】請求の範囲第７項記載の方法において、前
記内部要素を構成しようとする材料のインゴットが、イ
ンゴットの鍛造前に700から800度Ｃまでで予熱される原
子燃料要素の製造方法。 - 【請求項１０】請求の範囲第７および８項記載の方法に
おいて、前記ビレットが、鍛造、圧延、および（あるい
は）押出し加工と関連して行われる熱処理操作に加え
て、600から800度Ｃまでの温度において熱処理される原
子燃料要素の製造方法。 - 【請求項１１】請求の範囲第１から９までのいずれか１
項に記載の方法において、前記押出し加工が710度Ｃ未
満の温度において行われる原子燃料要素の製造方法。 - 【請求項１２】内部要素のビレットが710℃未満の温度
で圧延され及び／又は押出される請求の範囲第１から10
までのいずれか１項に記載の方法。 - 【請求項１３】請求の範囲第１から11までのいずれか１
項に記載の方法において、前記押出し加工された管素材
が冷間圧延され、該冷間圧延は、525から700度Ｃまでに
おける中間熱処理操作と、400から700度Ｃまでにおける
最終熱処理操作とを行いながら、多数の工程においてお
こなわれる原子燃料要素の製造方法。 - 【請求項１４】押出し後に且つ冷間圧延の前に、600−8
00度Ｃの温度で熱処理がおこなわれる、請求の範囲第１
から12までのいずれか１項に項記載の方法。 - 【請求項１５】被覆管素材の外方部分は、請求の範囲第
13項による熱処理後にβ急冷をされる請求の範囲第13項
記載の方法。
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