JP3564887B2

JP3564887B2 - 軽水炉用燃料棒およびその製造方法

Info

Publication number: JP3564887B2
Application number: JP21128296A
Authority: JP
Inventors: 毅磯部; 義治前; 利通高橋; 佳孝須田; 明男山藤; 英志米田
Original assignee: Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Nuclear Fuel Co Ltd; Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1996-08-09
Filing date: 1996-08-09
Publication date: 2004-09-15
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: JPH1054892A; US5912935A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、軽水炉用燃料棒およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１の断面図に示されるように、軽水炉用の燃料棒１はジルカロイ２（ＪＩＳＨ４７５１ＺｒＮＴ８０２Ｄ）もしくはジルカロイ４（ＪＩＳＨ４７５１ＺｒＮＴ８０４Ｄ）などのジルコニウム合金からなる被覆管２の内部にＵＯ_２燃料ペレット３を積重ねて充填し、スプリング５でＵＯ_２燃料ペレット３を押圧するようにして被覆管２の両端を端栓４で封止し、ＴＩＧ溶接することにより密封して組立てられる。前記ＴＩＧ溶接により形成される溶接部のビード６の幅は約２ｍｍでその両側に同じく約２ｍｍ幅の熱影響部７が形成されるが、ＴＩＧ溶接し溶接部をそのまま放冷すると、前記熱影響部７は、通常、１００℃／秒程度の冷却速度で冷却されるといわれている。
【０００３】
溶接前の被覆管２は加工組織を有しており、端栓４は等軸晶組織を有しているが、ＴＩＧ溶接することにより形成される溶接部のビード６および熱影響部７は組織が変化し、ビード６は液相から急冷されることにより非常に微細な針状晶組織になり、そして熱影響部７はジルコニウム高温安定相であるβ（ｂ．ｃ．ｃ．）相あるいはαとβとが混在する領域の温度から急冷されることにより、図２に示されるように、等軸晶組織８と針状晶組織９が混在する組織にそれぞれ変化する。
【０００４】
近年、電力供給源として原子力発電の比重が高まり、それにつれて原子力発電所の効率的な運転が求められるようになってきた。しかし、原子力発電所の効率的な運転は、そこに設置されている軽水炉の高効率運転を必要とし、軽水炉の高効率運転はジルコニウム被覆管にＵＯ_２燃料を充填した燃料棒の耐食性を向上させ、燃料棒の交換回数を減らす必要があったが、従来のジルカロイ２またはジルカロイ４からなる被覆管を用いた燃料棒では、長期間の十分な耐食性が得られない。
【０００５】
そこで、従来のジルカロイ２またはジルカロイ４よりも長期間の腐食に耐えうるＮｂ：０．６〜２．０重量％、Ｓｎ：０．５〜１．５重量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金（以下、このジルコニウム合金を、ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金という）が提案されている（例えば、特開昭６１−１７０５５２号公報、特開平１−１８８６４３号公報、特開平２−４９３７号公報、、特開平３−９０５２７号公報、特公平２−６０１８号公報、特公平３−６０１９号公報など参照）。
【０００６】
そして、ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管２を使用した場合、ＴＩＧ溶接し溶接部をそのまま放冷して得られた前記熱影響部７の組織は、図２に示されるように、等軸晶組織８と等軸晶組織８の結晶粒界１０、等軸晶組織８と針状晶組織９の結晶粒界１０並びに針状晶組織９と針状晶組織９の結晶粒界１０にＮｂおよびＦｅが偏析し、これら結晶粒界でのＮｂおよびＦｅ濃度はそれぞれ最大でＮｂ：３．５重量％でかつＦｅ：０．６重量％となることも知られている。しかし、熱影響部７の結晶粒界１０にＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含む金属間化合物が存在することは知られておらず、存在しているとしても粒径が０．０１μｍ未満のごく微細なもので、金属間化合物として存在を確認することが不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管を使用しＵＯ_２燃料を充填した燃料棒は、通常は、従来のジルカロイ２またはジルカロイ４からなる被覆管よりも耐食性が向上しているが、Ｎｂ含有のジルコニウム合金からなる被覆管の溶接熱影響部は、ジルカロイ２またはジルカロイ４からなる被覆管の溶接熱影響部よりも耐食性に劣ることがあった。
【０００８】
例えば、原子炉内で起こる腐食速度を炉外で評価する手法の一つとして、温度：３６０℃、圧力がその温度での飽和蒸気圧である約１９０気圧で実施するオートクレーブ試験があるが、前記ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管とジルカロイ４からなる端栓をＴＩＧ溶接することにより密封して組立てられた燃料棒のサンプルを、前記条件で１２０日間オートクレーブ試験したところ、溶接ビード部および端栓側熱影響部は、非溶接部と同様に黒色の酸化膜で覆われており、この黒色の酸化膜で覆われた部分は耐食性に問題がないが、ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管側の溶接熱影響部には白色の酸化膜が形成され、この白色の酸化膜が発生した部分の耐食性は極めて低く、薄肉の被覆管の溶接熱影響部の白色酸化膜の形成による耐食性の低下は燃料棒の寿命の大幅な短縮につながり、好ましくないことが分かった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等はＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の熱影響部に発生する白色の酸化膜について研究を行っていたところ、
従来のＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管と端栓をＴＩＧ溶接して得られたＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管側の熱影響部に５００℃〜７５０℃で１分〜２４時間保持の熱処理を施すと、熱影響部の結晶粒界に粒径：０．０１〜０．５μｍのＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含む金属間化合物（例えば、Ｚｒ_０．５Ｎｂ_０．３Ｆｅ_０．２など）からなる析出物が析出し、かかる粒径：０．０１〜０．５μｍのＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含む金属間化合物からなる析出物が結晶粒界に存在する被覆管の熱影響部には白色の酸化膜が発生せず、耐食性は一段と向上する、などの知見を得たのである。
【００１０】
この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、
（１）ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の内部に酸化ウラン燃料ペレットを充填し、被覆管の両端をジルコニウム合金からなる端栓で封止したのち、前記被覆管と端栓をＴＩＧ溶接することにより密封する軽水炉用燃料棒の製造方法において、
前記被覆管と端栓のＴＩＧ溶接により形成されたビードに隣接する被覆管の熱影響部を５００℃〜７５０℃で１分〜２４時間保持の熱処理する軽水炉用燃料棒の製造方法、に特徴を有するものである。
【００１１】
この発明の軽水炉用燃料棒の被覆管として用いる前記ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金は、Ｎｂ：０．６〜２．０重量％、Ｓｎ：０．５〜１．５重量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金であるが、Ｎｂ：０．８〜１．２重量％、Ｓｎ：０．８〜１．１重量％、Ｆｅ：０．０８〜０．１２重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金であることが好ましい。
【００１２】
この発明のＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の内部に酸化ウラン燃料ペレットを充填し、前記被覆管の両端を端栓で封止したのち、前記被覆管と端栓をＴＩＧ溶接することにより密封してなる軽水炉用燃料棒のＴＩＧ溶接により形成されたビードに隣接する被覆管の熱影響部組織における結晶粒界に存在する粒径：０．０１〜０．５μｍのＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含有する金属間化合物からなる析出物には、前記ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金の不可避不純物としてＣｒが含まれていると、微量のＣｒが検出されることもあった。
【００１３】
この発明の軽水炉用燃料棒における溶接熱影響部の結晶粒界に存在する粒径：０．０１〜０．５μｍのＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含有する金属間化合物の析出物は、不活性性ガス雰囲気中で（イ）誘導加熱あるいは直接通電加熱するかまたは（ロ）抵抗加熱炉で間接的に加熱することにより得られる。その際、５００℃〜７５０℃の範囲で温度が高い時は１分〜２４時間の範囲内で短時間保持し、反対に温度の低い時は長時間保持の熱処理を施す。
【００１４】
溶接熱影響部の結晶粒界のＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含有する金属間化合物の析出物は、粒径が０．０１μｍ未満では十分な耐食性が得られず、一方、０．５μｍを越える析出物は通常の条件では存在しない。また５００℃未満の温度に現実的な時間保持しても金属間化合物の析出物の粒径が０．０１μｍには達せず、７５０℃を越える温度で熱処理した場合、再び耐食性の低下が起こる。この時、析出物の成長は起こるが、その数は急激に減少し、再溶解が始まっているものと考えられる。熱処理時間が１分未満では温度を最高の７５０℃にしても金属間化合物の析出物の粒径が０．０１μｍには達しない。一方、２４時間以上熱処理しても、既に平衡に達しており、それ以上の析出物の成長および耐食性の改善効果は認められない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施例１
直径：１０ｍｍ、厚さ：０．６ｍｍの寸法を有し、Ｎｂ：１．０重量％、Ｓｎ：１．０重量％、Ｆｅ：０．１重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成の組成のジルコニウム合金製被覆管を用意し、このジルコニウム合金製被覆管の端部にＳｎ：１．５重量％、Ｆｅ：０．２重量％、Ｃｒ：０．１重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金製端栓を下記の条件でＴＩＧ溶接し、熱影響部を表１に示される条件で熱処理することによりＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含む金属間化合物からなる析出物を結晶粒界に生じさせ、本発明サンプル１〜１５、比較サンプル１〜５および従来サンプル１を作製した。
ＴＩＧ溶接条件：
電流：３０Ａ、
電圧：１５Ｖ、
溶接速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ．
冷却ガス：２５ι／ｍｉｎ．Ｈｅ、
【００１６】
かかる本発明サンプル１〜１５、比較サンプル１〜３および従来サンプル１を硝フッ酸（ＨＮＯ_３：ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝４５：５：５０（ｖｏｌ％））の溶液中で厚さ：１００μｍまで化学研磨し、直径：３ｍｍのｄｉｓｋ状に切り出した後、下記の条件の電解研磨を行うことにより透過電子顕微鏡観察用薄膜試料を作製した。
電解研磨条件：
電圧：２０Ｖ、
電流：１００ｍＡ、
温度：マイナス４０℃、
溶液：５％過塩酸−メタノール
【００１７】
この様にして得られた本発明サンプル１〜１５、比較サンプル１〜３および従来サンプル１の透過電子顕微鏡観察用薄膜試料を加速電圧：２００ＫＶ、倍率：５０，０００倍で観察し、さらに熱影響部の結晶粒界に存在するＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含有する金属間化合物からなる析出物の粒径を測定し、それらの結果を表１に示した。
【００１８】
一方、本発明サンプル１〜１５、比較サンプル１〜３および従来サンプル１をオートクレーブ装置に装入し、３６０℃の高温純水中に１２０日間保持の条件によるオートクレーブ試験し、ジルコニウム合金製被覆管の熱影響部の色調を調べ、その結果を表１に示した。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１に示される結果から、熱処理しない従来サンプル１のジルコニウム合金製被覆管の熱影響部はオートクレーブ試験により白色となって耐食性が劣ることが分かる。一方、熱影響部のＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含有する金属間化合物からなる析出物の粒径が０．０１〜０．５μｍの範囲内にある本発明サンプル１〜１５は、オートクレーブ試験後の熱影響部の色調がいずれも黒色で耐食性に優れているが、熱影響部のＺｒ、ＮｂおよびＦｅを含有する金属間化合物からなる析出物の粒径が０．０１μｍ未満の比較サンプル１〜３は、オートクレーブ試験後の熱影響部の色調がいずれも白色で耐食性が低いことが分かる。
【００２１】
【発明の効果】
上述のように、この発明の軽水炉用燃料棒は、溶接熱影響部の熱処理により従来よりも耐食性が向上し、信頼性の高い高効率運転が可能となって、原子力産業の発展に大いに貢献しうるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】軽水炉用燃料棒の構造を示す説明図である。
【図２】ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管のＴＩＧ溶接により形成された熱影響部の組織における結晶粒界の説明図である。
【符号の説明】
１燃料棒
２被覆管
３ＵＯ_２燃料ペレット
４端栓
５スプリング
６ビード６
７熱影響部
８等軸晶組織
９針状晶組織
１０結晶粒界

Claims

Ｎｂ：０．６〜２．０重量％、Ｓｎ：０．５〜１．５重量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金からなる被覆管の内部に酸化ウラン燃料ペレットを充填し、被覆管の両端をジルコニウム合金からなる端栓で封止したのち、前記被覆管と端栓をＴＩＧ溶接することにより密封する軽水炉用燃料棒の製造方法において、
前記被覆管と端栓のＴＩＧ溶接により形成されたビードに隣接する被覆管の熱影響部を５００℃〜７５０℃で１分〜２４時間保持の熱処理することを特徴とする軽水炉用燃料棒の製造方法。