JP3741922B2 - 耐食性高純度ジルコニウム合金および原子炉炉心用構造材 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食性高純度ジルコニウム合金および原子炉炉心用構造材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジルコニウム合金のうち、原子炉用炉心管などで使用されている合金は、ジルカロイ−２（Ｓｎ：１．２０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７〜０．２０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：０．０３〜０．０８ｗｔ％、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ、残部Ｚｒ。但しＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．１８〜０．２４ｗｔ％）およびジルカロイ−４（Ｓｎ：１．２０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ％、Ｎｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ、残部Ｚｒ。但しＦｅ＋Ｃｒ：０．２８〜０．３７ｗｔ％）である。
【０００３】
どちらの合金も、原子炉炉水の高温高圧水中で高い耐食性を有している。現在これらの合金に更に高い耐食性を付与するために、工程途中でβ急冷処置を施行し、Ｚｒ（Ｃｒ，Ｆｅ）2、Ｚｒ2（Ｎｉ，Ｆｅ）相などの金属間化合物相を分布させて使用している。
【０００４】
また、これらのジルコニウム合金中に含まれる不純物元素量について規格化された元素もあるが、その他の不純物元素は通常数１０ｐｐｍのオーダーで混入されている。
【０００５】
ところで、燃料制御の面から、燃料棒を長時間使用することが望まれている。現在はＵＯ2ペレットが十分使用可能な時点で燃料の使用を中止しており、燃料経済面での問題がある。
【０００６】
例えば現在は長くとも４年間の使用で取出している燃料棒を８年間使用することができれば燃料経済だけでなく、廃棄物量低減の面においても利点がある。
【０００７】
更に、ＵＯ2を高燃焼度まで使用するためには、燃料被覆管、スペーサ、チャネルボックス等のジルコニウム合金からなる炉心用構造材の耐食性をより一層向上させる必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の炉心用構造材においては、燃料の高燃焼度化や、一層の高耐食性が求められている。
【０００９】
本発明は、ジルコニウム合金の耐食性を向上させること、あるいは高燃焼度化を可能にしたジルコニウム合金を提供することで、長寿命の炉心構造材を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、錫０．３ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０〜０．１６ｗｔ％以下、クロム０．０５〜１．２ｗｔ％を含み、残部が不可避的不純物及びジルコニウムからなる耐食性高純度ジルコニウム合金であって、
不純物として不可避的に含有する元素のうちＳ、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｂおよびＢｉを不純物として含む場合はそれぞれ１ｐｐｍ以下であり、かつそれらの総量は２ｐｐｍ以下であることを特徴とする耐食性高純度ジルコニウム合金である。
【００１１】
あるいは、この高純度ジルコニウム合金からなる原子炉炉心用構造材である。
【００１２】
本発明の第１の効果は、ジルコニウム合金中に含まれる不可避不純物のうち、耐食性を劣化させる要因となるＳ、Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を低減させることで、ジルコニウム合金の耐食性を向上させ、より長期間の使用を可能にしたものである。
【００１３】
本発明の第２の効果は、ジルコニウム合金中に含まれる不可避不純物のうち、中性子吸収断面積の大きなＳｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を低減させることで、使用期間の長期化に伴いＵＯ2から発生される中性子の量を減衰させず原子炉炉心用構造材外部に中性子の放出を可能にする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前述のように、原子炉炉心で使用されるジルコニウム合金は少なくとも表面部分の金属間化合物を微細に分散させることで、高耐食性に効用があることがわかり、ジルカロイ−２、ジルカロイ−４においても製造工程途中でβ急冷を施している。さらにこれらの金属間化合物の量を増加させることが、耐食性の観点から好ましいことだと判ってきたので、添加元素の鉄の量を増加させる試みも為されており、概ね成功を収めている。
【００１５】
本発明は、このようなジルカロイ−２、ジルカロイ−４などに代表される原子炉炉心用構造材に使用されるジルコニウム合金に関するものである。
【００１６】
本発明に係るジルコニウム合金は、添加元素として錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７ｗｔ％およびクロム０．０５〜１．２ｗｔ％、さらに必要に応じニッケル０〜０．１６ｗｔ％以下を含有したジルコニウム合金である。
【００１７】
前記添加元素は、合金表面および内部で金属間化合物相を形成するなどして、ジルコニウム合金の耐食性を高めているが、その添加量が前述の範囲から外れると、ジルコニウム合金の耐食性を十分に高めることができなくなる。より耐食性を高めるためには、Ｓｎ：１．２０〜１．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７〜０．２０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：０．０３〜０．０８ｗｔ％、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ（但しＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．１８〜０．２４ｗｔ％）をＺｒに添加したジルカロイ−２、Ｓｎ：１．２０〜１．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ％、Ｎｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ（但しＦｅ＋Ｎｉ：０．２８〜０．３７ｗｔ％）をＺｒに添加したジルカロイ−４の組成比とすることが好ましい。
【００１８】
さらに、鉄、あるいはクロムの比率を増加、錫を減少させ、ジルカロイ−２あるいはジルカロイ−４よりも、鉄、クロムをそれぞれ０．２ｗｔ％、０．１６ｗｔ％を上限としてこれらの添加物を多量に添加し、錫の含有率が０．３ｗｔ％≦Ｓｎ＜１．２ｗｔ％の組成比とすることがさらに望ましい。
【００１９】
一方、原子炉炉心の中性子経済には、中性子吸収断面積の少ない材料を用いることが重要である。これは中性子吸収断面積が大きいと構造材が中性子を吸収して炉心の働きを阻害してしまうためである。例えばジルコニウムは中性子吸収断面積が０．１６バーンと小さいことから、原子炉炉心の構造材として好適である。
【００２０】
ところが、ジルコニウムの、高温高圧水である炉心環境での耐食性や機械的特性を向上させるために、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｎ等の添加元素を入れているが、前述した範囲を超えて添加すると、中性子吸収断面積がより上昇してしまう恐れがある点においても好ましくない。
【００２１】
すなわち、Ｆｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎの中性子吸収断面積は、それぞれ２．６バーン、０．８バーン、４．６バーン、１〜０．１６バーン（原子量による）であり、これらの添加物によりジルコニウム合金としてはやや中性子吸収断面積が大きくなる。
【００２２】
ところで、ジルコニウム合金中に不可避的に含まれる不純物のうち特に中性子吸収断面積の大きい元素は、中性子経済のために低減させるとよい。
【００２３】
例えば次に挙げる元素は、中性子吸収断面積が大きいために、不適である。
【００２４】
Ｓｃ（１０〜１７バーン）、Ｇａ（１．７〜４．５バーン）、Ａｓ（４．４バーン）、Ｓｒ（１６バーン）、Ｙ（1．８バーン）、Ａｇ（８８バーン）、Ｉｎ（８７バーン）、Ｓｂ（６．２バーン）、Ｔｅ（４００バーン）、Ｂａ（１１バーン）、Ｃｅ（６バーン）、Ｐｒ（７．５バーン）、Ｎｄ（３２０バーン）、Ｓｍ（４１０００バーン）、Ｅｕ（６０００バーン）、Ｇｄ（２５５×１０3バーン）、Ｔｂ（２３．５〜バーン）、Ｄｙ（６００バーン）、Ｈｏ（６２バーン）、Ｅｒ（６７０バーン）、Ｔｍ（１０５バーン）、Ｙｂ（３５００バーン）、Ｌｕ（２０００バーン）、Ｐｔ（８００バーン）およびＡｕ（９８．８バーン）などの元素は特に中性子吸収断面積が高く、炉心の中性子を吸収してしまう。また、中性子経済を減少させて炉運転制御能力を低下させる。
【００２５】
すなわち、これらの元素を１ｐｐｍ以下に抑えることによりジルコニウム合金中性子経済を低下させずに、長寿命の炉心構造材を得ることができる。
【００２６】
また、これら各不純物元素量が１ｐｐｍ以下であっても、その総量が多いと中性子の吸収量は増加するため、その総量は２ｐｐｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
中性子経済の面とは別に、ジルコニウム合金の耐食性を向上させるために不可避不純物に含まれるもののうち、特に低減させたい元素がある。
【００２８】
それは発明者らの研究の結果、次の元素であることが判明した。Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉ等である。これらの元素が１ｐｐｍを超えて混入するとその酸化被膜の機械的特性を劣化させ、ジルコニウム合金の保護被膜とならずに亀裂、剥離を起こし、そのために高温圧水である炉水環境において耐食性が劣化することが判った。
すなわち、Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉの各元素量を１ｐｐｍ以下にすることでジルコニウム合金の耐食性を向上させることが可能となる。また、これらの元素の総量として、２ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００２９】
ジルコニウム合金の規格ではいくつかの元素で不純物量が０．５〜２００ｐｐｍに規定されているが、本発明で規定する元素の不純物量に関しては何等規定されておらず、前述のように炉心構造材の長期使用に耐えるためには本発明で規定する各不純物の量を１ｐｐｍ以下に抑えることは好ましいことである。
本発明のジルコニウム合金中に含まれる不純物量は、主にＺｒ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎなどの原料に含まれる不純物量によって決まる。そのため、本発明の高純度ジルコニウム合金を得るためには、より純度の高い原料を使用することが肝要である。
【００３０】
特に主原料であるジルコニウム中に含有される不純物量が、ジルコニウム合金中に含まれる総不純物量に与える影響が大きい。従来のジルコニウム合金は、一般に原子炉用スポンジジルコニウムを用いて真空アーク溶解を２〜３回繰り返して合金を得ているが、スポンジジルコニウム合金は、一般に純度が低く、本発明で規定する不可避不純物を大量に含んでいる恐れがある。
【００３１】
これに対し、クリスタルバージルコニウムは純度９９．９９％以上にまで高めることが可能なため、本発明の高純度ジルコニウム合金を得るためには原料としてクリスタルバージルコニウムを使用することが好ましい。
【００３２】
また、Ｆｅ、Ｃｒ、ＮｉあるいはＳｎなどの添加元素についてもより高純度の原料を使用することが望ましい。
【００３３】
このようにして得られる高純度ジルコニウム合金は、原子炉炉心用構造材を構成する燃料棒被覆管、あるいは複数の燃料棒を束ねるためのスペーサなどに使用することができる。
【００３４】
【実施例】
実施例１〜１０
まず、ジルコニウム合金を製造するにあたり、クリスタルバージルコニウム（純度９９．９９ｗｔ％）と、添加元素であるＦｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎについても最高純度の９９．９９９ｗｔ％の原料を準備した。
【００３５】
これらの原料をアーク放電により溶解しジルコニウム合金を作り、得られたジルコニウム合金を再度アーク放電により溶解し、均一な組成の高純度ジルコニウム合金を作製した。
【００３６】
原料組成を変化させて、前述の方法で複数の高純度ジルコニウム合金を作製した。本実施例で作製した高純度ジルコニウム合金の組成比を表１に示す。
【表１】
得られた各高純度ジルコニウム中に含まれる不純物Ｓ、Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を分析したところ、それぞれ１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物の総量を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００３７】
また、不純物Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を分析したところ、１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物量を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００３８】
さらにこれら実施例１乃至１０の高純度ジルコニウム合金の中性子断面積を測定したところいずれも０．１６バーンであった。
【００３９】
このようにして得られた高純度ジルコニウム合金に対して再結晶温度以上まで加熱した後に、ジルコニウムと添加元素との間に金属間化合物が形成されるようにβ急冷処置あるいはα＋β急冷処置を施した後に通常の方法で原子炉用被覆管を作製した。
【００４０】
この原子炉用被覆管を用いて、８年間分に相当する炉外試験を行ったところ、被覆管表面の腐食に起因する酸化被膜の厚さが１０μｍであり、水素の吸収量は１５０ｐｐｍであった。
【００４１】
原料組成を変化させたことを除き、実施例１〜１０と同様にしてジルコニウム合金を作成した。得られた合金の組成比を表２に示す。
【表２】
得られた各高純度ジルコニウム中に含まれる不純物Ｓ、Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を分析したところ、それぞれ１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物の総量を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００４２】
また、不純物Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を分析したところ、１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物量を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００４３】
さらにこれら実施例１１乃至１５の高純度ジルコニウム合金の中性子断面積を測定したところいずれも０．１６バーンであった。
【００４４】
このようにして得られた高純度ジルコニウム合金に対して再結晶温度以上まで加熱した後に、ジルコニウムと添加元素との間に金属間化合物が形成されるようβ急冷処置あるいはα＋β急冷処置を施した後、通常の方法でウォーターロッドとスペーサを作成した。
【００４５】
このウォーターロッドとスペーサを用いて、８年間分に相当する炉外試験を行ったところ、表面の腐蝕に起因する酸化皮膜の厚さが１１μｍであり、水素の吸収量は５０ｐｐｍであった。さらに機械的な特性の劣化は見られなかった。
【００４６】
比較例１〜３
市販の３種類のスポンジジルコニウムと、それぞれ純度９９．９ｗｔ％のＦｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎを実施例と同様にアーク放電を繰り返すことで３種類のジルコニウム合金を作製した。組成比は、Ｓｎ：１．５ｗｔ％、Ｆｅ：０．２５ｗｔ％、Ｎｉ：０．０５ｗｔ％、Ｃｒ：０．１０ｗｔ％とした。
比較例４、５
市販の２種類のスポンジジルコニウムと、それぞれ純度９９．９ｗｔ％のＦｅ、Ｃｒ、Ｓｎを実施例と同様にアーク放電を繰り返すことで２種類のジルコニウム合金を作製した。組成比は、Ｓｎ：０．５ｗｔ％、Ｆｅ：０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０ｗｔ％、Ｃｒ：１．０ｗｔ％とした。
【００４７】
得られたジルコニウム合金中の不純物量を測定した結果を表３に示す。
【表３】
なお、Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉの総量は比較例１では４．９ｐｐｍ、比較例２および３ではそれぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００４８】
また、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔおよびＡｕの総量は、比較例１乃至３において、それぞれ２ｐｐｍを超えていた。
【００４９】
中性子吸収断面積を測定したところ、比較例１乃至３のいずれのジルコニウム合金についても、０．９バーン以上であり、不純物としてＧａ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、ＳｍあるいはＧｄなどの中性子吸収断面積の大きな元素が含有されていると、実施例に挙げた高純度ジルコニウム合金に比べ中性子経済面でかなり効率が低下していることが確認できた。
【００５０】
このようなジルコニウム合金を作製した後、実施例と同様にして原子炉用被覆管を形成した。
【００５１】
得られた原子炉用被覆管の耐食性を実施例と同様にして炉外試験により確認したところ、酸化被膜の厚さが１００μｍであり、実施例と比較して１０倍も腐食が進んでいた。
【００５２】
すなわち、本発明においては、Ｓ、Ｙ、ＰｂあるいはＢｉなどの不純物量を低減させたことで耐食性を向上させることができた。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明にれば、更に耐食性の良好で、長時間の使用に適し、且つ中性子経済が良好な原子炉炉心用構造材として好適な高純度ジルコニウム合金が得られる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食性高純度ジルコニウム合金および原子炉炉心用構造材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジルコニウム合金のうち、原子炉用炉心管などで使用されている合金は、ジルカロイ−２（Ｓｎ：１．２０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７〜０．２０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：０．０３〜０．０８ｗｔ％、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ、残部Ｚｒ。但しＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．１８〜０．２４ｗｔ％）およびジルカロイ−４（Ｓｎ：１．２０〜1．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ％、Ｎｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ、残部Ｚｒ。但しＦｅ＋Ｃｒ：０．２８〜０．３７ｗｔ％）である。
【０００３】
どちらの合金も、原子炉炉水の高温高圧水中で高い耐食性を有している。現在これらの合金に更に高い耐食性を付与するために、工程途中でβ急冷処置を施行し、Ｚｒ（Ｃｒ，Ｆｅ）2、Ｚｒ2（Ｎｉ，Ｆｅ）相などの金属間化合物相を分布させて使用している。
【０００４】
また、これらのジルコニウム合金中に含まれる不純物元素量について規格化された元素もあるが、その他の不純物元素は通常数１０ｐｐｍのオーダーで混入されている。
【０００５】
ところで、燃料制御の面から、燃料棒を長時間使用することが望まれている。現在はＵＯ2ペレットが十分使用可能な時点で燃料の使用を中止しており、燃料経済面での問題がある。
【０００６】
例えば現在は長くとも４年間の使用で取出している燃料棒を８年間使用することができれば燃料経済だけでなく、廃棄物量低減の面においても利点がある。
【０００７】
更に、ＵＯ2を高燃焼度まで使用するためには、燃料被覆管、スペーサ、チャネルボックス等のジルコニウム合金からなる炉心用構造材の耐食性をより一層向上させる必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の炉心用構造材においては、燃料の高燃焼度化や、一層の高耐食性が求められている。
【０００９】
本発明は、ジルコニウム合金の耐食性を向上させること、あるいは高燃焼度化を可能にしたジルコニウム合金を提供することで、長寿命の炉心構造材を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、錫０．３ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０〜０．１６ｗｔ％以下、クロム０．０５〜１．２ｗｔ％を含み、残部が不可避的不純物及びジルコニウムからなる耐食性高純度ジルコニウム合金であって、
不純物として不可避的に含有する元素のうちＳ、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｂおよびＢｉを不純物として含む場合はそれぞれ１ｐｐｍ以下であり、かつそれらの総量は２ｐｐｍ以下であることを特徴とする耐食性高純度ジルコニウム合金である。
【００１１】
あるいは、この高純度ジルコニウム合金からなる原子炉炉心用構造材である。
【００１２】
本発明の第１の効果は、ジルコニウム合金中に含まれる不可避不純物のうち、耐食性を劣化させる要因となるＳ、Ｙ、ＰｂあるいはＢｉの含有量を低減させることで、ジルコニウム合金の耐食性を向上させ、より長期間の使用を可能にしたものである。
【００１３】
本発明の第２の効果は、ジルコニウム合金中に含まれる不可避不純物のうち、中性子吸収断面積の大きなＳｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を低減させることで、使用期間の長期化に伴いＵＯ2から発生される中性子の量を減衰させず原子炉炉心用構造材外部に中性子の放出を可能にする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
前述のように、原子炉炉心で使用されるジルコニウム合金は少なくとも表面部分の金属間化合物を微細に分散させることで、高耐食性に効用があることがわかり、ジルカロイ−２、ジルカロイ−４においても製造工程途中でβ急冷を施している。さらにこれらの金属間化合物の量を増加させることが、耐食性の観点から好ましいことだと判ってきたので、添加元素の鉄の量を増加させる試みも為されており、概ね成功を収めている。
【００１５】
本発明は、このようなジルカロイ−２、ジルカロイ−４などに代表される原子炉炉心用構造材に使用されるジルコニウム合金に関するものである。
【００１６】
本発明に係るジルコニウム合金は、添加元素として錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７ｗｔ％およびクロム０．０５〜１．２ｗｔ％、さらに必要に応じニッケル０〜０．１６ｗｔ％以下を含有したジルコニウム合金である。
【００１７】
前記添加元素は、合金表面および内部で金属間化合物相を形成するなどして、ジルコニウム合金の耐食性を高めているが、その添加量が前述の範囲から外れると、ジルコニウム合金の耐食性を十分に高めることができなくなる。より耐食性を高めるためには、Ｓｎ：１．２０〜１．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．０７〜０．２０ｗｔ％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：０．０３〜０．０８ｗｔ％、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ（但しＦｅ＋Ｃｒ＋Ｎｉ：０．１８〜０．２４ｗｔ％）をＺｒに添加したジルカロイ−２、Ｓｎ：１．２０〜１．７０ｗｔ％、Ｆｅ：０．１８〜０．２４ｗｔ％、Ｎｉ：０．００７ｗｔ％以下、Ｏ：９００〜１４００ｐｐｍ（但しＦｅ＋Ｎｉ：０．２８〜０．３７ｗｔ％）をＺｒに添加したジルカロイ−４の組成比とすることが好ましい。
【００１８】
さらに、鉄、あるいはクロムの比率を増加、錫を減少させ、ジルカロイ−２あるいはジルカロイ−４よりも、鉄、クロムをそれぞれ０．２ｗｔ％、０．１６ｗｔ％を上限としてこれらの添加物を多量に添加し、錫の含有率が０．３ｗｔ％≦Ｓｎ＜１．２ｗｔ％の組成比とすることがさらに望ましい。
【００１９】
一方、原子炉炉心の中性子経済には、中性子吸収断面積の少ない材料を用いることが重要である。これは中性子吸収断面積が大きいと構造材が中性子を吸収して炉心の働きを阻害してしまうためである。例えばジルコニウムは中性子吸収断面積が０．１６バーンと小さいことから、原子炉炉心の構造材として好適である。
【００２０】
ところが、ジルコニウムの、高温高圧水である炉心環境での耐食性や機械的特性を向上させるために、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｓｎ等の添加元素を入れているが、前述した範囲を超えて添加すると、中性子吸収断面積がより上昇してしまう恐れがある点においても好ましくない。
【００２１】
すなわち、Ｆｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎの中性子吸収断面積は、それぞれ２．６バーン、０．８バーン、４．６バーン、１〜０．１６バーン（原子量による）であり、これらの添加物によりジルコニウム合金としてはやや中性子吸収断面積が大きくなる。
【００２２】
ところで、ジルコニウム合金中に不可避的に含まれる不純物のうち特に中性子吸収断面積の大きい元素は、中性子経済のために低減させるとよい。
【００２３】
例えば次に挙げる元素は、中性子吸収断面積が大きいために、不適である。
【００２４】
Ｓｃ（１０〜１７バーン）、Ｇａ（１．７〜４．５バーン）、Ａｓ（４．４バーン）、Ｓｒ（１６バーン）、Ｙ（1．８バーン）、Ａｇ（８８バーン）、Ｉｎ（８７バーン）、Ｓｂ（６．２バーン）、Ｔｅ（４００バーン）、Ｂａ（１１バーン）、Ｃｅ（６バーン）、Ｐｒ（７．５バーン）、Ｎｄ（３２０バーン）、Ｓｍ（４１０００バーン）、Ｅｕ（６０００バーン）、Ｇｄ（２５５×１０3バーン）、Ｔｂ（２３．５〜バーン）、Ｄｙ（６００バーン）、Ｈｏ（６２バーン）、Ｅｒ（６７０バーン）、Ｔｍ（１０５バーン）、Ｙｂ（３５００バーン）、Ｌｕ（２０００バーン）、Ｐｔ（８００バーン）およびＡｕ（９８．８バーン）などの元素は特に中性子吸収断面積が高く、炉心の中性子を吸収してしまう。また、中性子経済を減少させて炉運転制御能力を低下させる。
【００２５】
すなわち、これらの元素を１ｐｐｍ以下に抑えることによりジルコニウム合金中性子経済を低下させずに、長寿命の炉心構造材を得ることができる。
【００２６】
また、これら各不純物元素量が１ｐｐｍ以下であっても、その総量が多いと中性子の吸収量は増加するため、その総量は２ｐｐｍ以下であることが望ましい。
【００２７】
中性子経済の面とは別に、ジルコニウム合金の耐食性を向上させるために不可避不純物に含まれるもののうち、特に低減させたい元素がある。
【００２８】
それは発明者らの研究の結果、次の元素であることが判明した。Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉ等である。これらの元素が１ｐｐｍを超えて混入するとその酸化被膜の機械的特性を劣化させ、ジルコニウム合金の保護被膜とならずに亀裂、剥離を起こし、そのために高温圧水である炉水環境において耐食性が劣化することが判った。
すなわち、Ｓ、Ｙ、ＰｂおよびＢｉの各元素量を１ｐｐｍ以下にすることでジルコニウム合金の耐食性を向上させることが可能となる。また、これらの元素の総量として、２ｐｐｍ以下とすることが望ましい。
【００２９】
ジルコニウム合金の規格ではいくつかの元素で不純物量が０．５〜２００ｐｐｍに規定されているが、本発明で規定する元素の不純物量に関しては何等規定されておらず、前述のように炉心構造材の長期使用に耐えるためには本発明で規定する各不純物の量を１ｐｐｍ以下に抑えることは好ましいことである。
本発明のジルコニウム合金中に含まれる不純物量は、主にＺｒ、Ｆｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎなどの原料に含まれる不純物量によって決まる。そのため、本発明の高純度ジルコニウム合金を得るためには、より純度の高い原料を使用することが肝要である。
【００３０】
特に主原料であるジルコニウム中に含有される不純物量が、ジルコニウム合金中に含まれる総不純物量に与える影響が大きい。従来のジルコニウム合金は、一般に原子炉用スポンジジルコニウムを用いて真空アーク溶解を２〜３回繰り返して合金を得ているが、スポンジジルコニウム合金は、一般に純度が低く、本発明で規定する不可避不純物を大量に含んでいる恐れがある。
【００３１】
これに対し、クリスタルバージルコニウムは純度９９．９９％以上にまで高めることが可能なため、本発明の高純度ジルコニウム合金を得るためには原料としてクリスタルバージルコニウムを使用することが好ましい。
【００３２】
また、Ｆｅ、Ｃｒ、ＮｉあるいはＳｎなどの添加元素についてもより高純度の原料を使用することが望ましい。
【００３３】
このようにして得られる高純度ジルコニウム合金は、原子炉炉心用構造材を構成する燃料棒被覆管、あるいは複数の燃料棒を束ねるためのスペーサなどに使用することができる。
【００３４】
【実施例】
実施例１〜１０
まず、ジルコニウム合金を製造するにあたり、クリスタルバージルコニウム（純度９９．９９ｗｔ％）と、添加元素であるＦｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎについても最高純度の９９．９９９ｗｔ％の原料を準備した。
【００３５】
これらの原料をアーク放電により溶解しジルコニウム合金を作り、得られたジルコニウム合金を再度アーク放電により溶解し、均一な組成の高純度ジルコニウム合金を作製した。
【００３６】
原料組成を変化させて、前述の方法で複数の高純度ジルコニウム合金を作製した。本実施例で作製した高純度ジルコニウム合金の組成比を表１に示す。
【表１】
【００３７】
また、不純物Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を分析したところ、１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物量を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００３８】
さらにこれら実施例１乃至１０の高純度ジルコニウム合金の中性子断面積を測定したところいずれも０．１６バーンであった。
【００３９】
このようにして得られた高純度ジルコニウム合金に対して再結晶温度以上まで加熱した後に、ジルコニウムと添加元素との間に金属間化合物が形成されるようにβ急冷処置あるいはα＋β急冷処置を施した後に通常の方法で原子炉用被覆管を作製した。
【００４０】
この原子炉用被覆管を用いて、８年間分に相当する炉外試験を行ったところ、被覆管表面の腐食に起因する酸化被膜の厚さが１０μｍであり、水素の吸収量は１５０ｐｐｍであった。
【００４１】
原料組成を変化させたことを除き、実施例１〜１０と同様にしてジルコニウム合金を作成した。得られた合金の組成比を表２に示す。
【表２】
【００４２】
また、不純物Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔあるいはＡｕの含有量を分析したところ、１ｐｐｍ以下であった。またこれらの不純物量を測定したところ、それぞれ２ｐｐｍ以下であった。
【００４３】
さらにこれら実施例１１乃至１５の高純度ジルコニウム合金の中性子断面積を測定したところいずれも０．１６バーンであった。
【００４４】
このようにして得られた高純度ジルコニウム合金に対して再結晶温度以上まで加熱した後に、ジルコニウムと添加元素との間に金属間化合物が形成されるようβ急冷処置あるいはα＋β急冷処置を施した後、通常の方法でウォーターロッドとスペーサを作成した。
【００４５】
このウォーターロッドとスペーサを用いて、８年間分に相当する炉外試験を行ったところ、表面の腐蝕に起因する酸化皮膜の厚さが１１μｍであり、水素の吸収量は５０ｐｐｍであった。さらに機械的な特性の劣化は見られなかった。
【００４６】
比較例１〜３
市販の３種類のスポンジジルコニウムと、それぞれ純度９９．９ｗｔ％のＦｅ、Ｃｒ、ＮｉおよびＳｎを実施例と同様にアーク放電を繰り返すことで３種類のジルコニウム合金を作製した。組成比は、Ｓｎ：１．５ｗｔ％、Ｆｅ：０．２５ｗｔ％、Ｎｉ：０．０５ｗｔ％、Ｃｒ：０．１０ｗｔ％とした。
比較例４、５
市販の２種類のスポンジジルコニウムと、それぞれ純度９９．９ｗｔ％のＦｅ、Ｃｒ、Ｓｎを実施例と同様にアーク放電を繰り返すことで２種類のジルコニウム合金を作製した。組成比は、Ｓｎ：０．５ｗｔ％、Ｆｅ：０．５０ｗｔ％、Ｎｉ：０ｗｔ％、Ｃｒ：１．０ｗｔ％とした。
【００４７】
得られたジルコニウム合金中の不純物量を測定した結果を表３に示す。
【表３】
【００４８】
また、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、ＰｔおよびＡｕの総量は、比較例１乃至３において、それぞれ２ｐｐｍを超えていた。
【００４９】
中性子吸収断面積を測定したところ、比較例１乃至３のいずれのジルコニウム合金についても、０．９バーン以上であり、不純物としてＧａ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、ＳｍあるいはＧｄなどの中性子吸収断面積の大きな元素が含有されていると、実施例に挙げた高純度ジルコニウム合金に比べ中性子経済面でかなり効率が低下していることが確認できた。
【００５０】
このようなジルコニウム合金を作製した後、実施例と同様にして原子炉用被覆管を形成した。
【００５１】
得られた原子炉用被覆管の耐食性を実施例と同様にして炉外試験により確認したところ、酸化被膜の厚さが１００μｍであり、実施例と比較して１０倍も腐食が進んでいた。
【００５２】
すなわち、本発明においては、Ｓ、Ｙ、ＰｂあるいはＢｉなどの不純物量を低減させたことで耐食性を向上させることができた。
【００５３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明にれば、更に耐食性の良好で、長時間の使用に適し、且つ中性子経済が良好な原子炉炉心用構造材として好適な高純度ジルコニウム合金が得られる。
Claims (2)
- 錫０．３ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０〜０．１６ｗｔ％以下、クロム０．０５〜１．２ｗｔ％を含み、残部が不可避的不純物及びジルコニウムからなる耐食性高純度ジルコニウム合金であって、
不純物として不可避的に含有する元素のうちＳ、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｂおよびＢｉを不純物として含む場合はそれぞれ１ｐｐｍ以下であり、かつそれらの総量は２ｐｐｍ以下であることを特徴とする耐食性高純度ジルコニウム合金。 - 錫０．３〜２ｗｔ％、鉄０．０７〜０．７ｗｔ％、ニッケル０〜０．１６ｗｔ％以下、クロム０．０５〜１．２ｗｔ％を含み、残部が不可避的不純物及びジルコニウムから耐食性高純度ジルコニウム合金からなる原子炉炉心用構造材であって、
不純物として不可避的に含有する元素のうちＳ、Ｓｃ、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｂａ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｐｔ、Ａｕ、ＰｂおよびＢｉを不純物として含む場合はそれぞれ１ｐｐｍ以下であり、かつそれらの総量は２ｐｐｍ以下であることを特徴とする原子炉炉心用構造材。
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