JP4975390B2 - Method of manufacturing fuel cladding for high burnup - Google Patents
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Description
本発明は、高燃焼度で使用される内側にライナ層を有する高燃焼度用燃料被覆管およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a high-burn-up fuel cladding tube having an inner liner layer used at a high burn-up and a method for manufacturing the same.
特に、長期間の使用や水素注入等の使用環境下において、良好な耐食性、耐水素吸収性、強度特性を示し、さらにデブリフレッティング、PCI(pellet cladding interaction)、二次水素化にも健全性を示すことができる高燃焼度用燃料被覆管およびその製造方法に関する。 In particular, it exhibits good corrosion resistance, hydrogen absorption resistance, and strength characteristics under long-term use and use environments such as hydrogen injection, and is also sound for debris fretting, PCI (pellet cladding interaction), and secondary hydrogenation. The present invention relates to a high-burn-up fuel cladding tube and a method for manufacturing the same.
ジルコニウム合金は原子炉用燃料構造部材として広く用いられている。 Zirconium alloys are widely used as nuclear fuel structural members.
最も一般的に用いられてきたジルコニウム合金は、ジルカロイ−2(Sn:1.2〜1.7重量%、Fe:0.07〜0.20重量%、Cr:0.05〜0.15重量%、Ni:0.03〜0.08重量%、残部Zr)およびジルカロイ−4(Sn:1.2〜1.7重量%、Fe:0.18〜0.24重量%、Cr:0.07〜0.13重量%、残部Zr)である。 The most commonly used zirconium alloys are Zircaloy-2 (Sn: 1.2-1.7 wt%, Fe: 0.07-0.20 wt%, Cr: 0.05-0.15 wt%). %, Ni: 0.03-0.08 wt%, balance Zr) and Zircaloy-4 (Sn: 1.2-1.7 wt%, Fe: 0.18-0.24 wt%, Cr: 0.00 07-0.13% by weight, balance Zr).
他にもZr−2.5%Nb、Zr−1%Nb合金なども原子炉に適用されている。 In addition, Zr-2.5% Nb, Zr-1% Nb alloys and the like are also applied to nuclear reactors.
上記合金は主に、中性子経済性、強度および耐食性を考慮して開発された合金である。 The above alloys are mainly developed in consideration of neutron economy, strength and corrosion resistance.
(1) ノジュラー腐食
しかしながら、上記材料は、沸騰水型原子炉に使用した場合、原子炉運転中に表面にノジュラー腐食と呼ばれるレンズ状の局部腐食が発生することが問題となっていた。
(1) Nodular corrosion However, when the above materials are used in a boiling water reactor, there has been a problem that a lens-like local corrosion called nodular corrosion occurs on the surface during the operation of the reactor.
ノジュラー腐食は照射の進行につれて成長し、腐食層が厚くなると剥離に至ることもある。 Nodular corrosion grows as the irradiation progresses, and may result in delamination when the corrosion layer becomes thicker.
ノジュラー腐食の発生は構造材の減肉をもたらすのみならず、腐食層が剥離した場合は冷却材中の放射線濃度を高め、定検時の被曝量を増加させるおそれがある。 The occurrence of nodular corrosion not only results in thinning of the structural material, but when the corrosion layer is peeled off, there is a possibility that the radiation concentration in the coolant is increased and the exposure dose at the regular inspection is increased.
ノジュラー腐食を防止するため、α+β相あるいはβ相温度範囲に短時間加熱し急冷する熱処理方法(特公昭61−45699号、特公昭63−58223号)、および合金組成を変更する方法(特開昭60−43450号、特開昭62−228442号)が提案されている。 In order to prevent nodular corrosion, a heat treatment method (Japanese Examined Patent Publication No. 61-45699, Japanese Examined Publication No. 63-58223) and a method of changing the alloy composition (Japanese Patent Laid-Open No. Sho-63) 60-43450 and JP-A-62-2228442) have been proposed.
上記従来技術によれば、ノジュラー腐食の発生は抑制され、腐食形態を、腐食生成物である酸化被膜が均一に成長するという一様腐食にすることができる。また、上記従来技術によれば、形成される一様な酸化膜が非常にうすく高い保護性を持つ。 According to the above prior art, the occurrence of nodular corrosion is suppressed, and the corrosion form can be uniform corrosion in which an oxide film as a corrosion product grows uniformly. Further, according to the above prior art, the uniform oxide film to be formed has a very low protection property.
本発明が対象とする高燃焼度・長期間使用の使用環境ではない現在の実炉の運転条件下では、上記従来技術による材料は、耐ノジュラー腐食の機能を充分に果たすと云うことができる。 It can be said that under the current operating conditions of actual furnaces, which are not the high burn-up and long-term use environment targeted by the present invention, the material according to the above prior art sufficiently performs the function of nodular corrosion resistance.
特開平10−260280公報には、全体に対するFeの含有率と、全体に対するNiの含有率との和を、0.25重量パーセント以上0.35重量パーセント以下とした燃料被覆管において、外周面の平均表面粗さを0.25μm以下とすることで、一様腐食発生への影響を緩和する技術が記載されている。 In JP-A-10-260280, in a fuel cladding tube in which the sum of the Fe content to the whole and the Ni content to the whole is 0.25 weight percent or more and 0.35 weight percent or less, A technique is described in which the average surface roughness is reduced to 0.25 μm or less, thereby mitigating the influence on the occurrence of uniform corrosion.
(2) 水素吸収特性
その一方、高燃焼度におけるジルカロイ部材の健全性を考慮する際、耐食性並んで重要な材料特性として水素吸収特性が挙げられる。
(2) Hydrogen absorption characteristics On the other hand, when considering the soundness of Zircaloy members at high burnup, hydrogen absorption characteristics are an important material property along with corrosion resistance.
現在、原子力発電プラントの経済性向上のため燃料の高燃焼度化が段階的に進められているが、燃料集合体の原子炉内滞在時間が長期化すると、耐食性だけでなく水素吸収特性も問題となる。 Currently, fuel burnup is being promoted step by step to improve the economic efficiency of nuclear power plants. However, if the fuel assembly stays in the reactor for a long time, not only corrosion resistance but also hydrogen absorption characteristics are problematic. It becomes.
これまでの知見から、冷却材との反応を通じてジルコニウム合金基材に吸収・蓄積される水素量がある一定レベルを超えると、ジルカロイ製構造部材が脆化する可能性があると指摘されている。 From the knowledge so far, it has been pointed out that when the amount of hydrogen absorbed and accumulated in the zirconium alloy base material through a reaction with the coolant exceeds a certain level, the Zircaloy structural member may be embrittled.
特開昭62−228442号に示されているように、ジルカロイ中のFe添加濃度を高めることにより水素吸収量が低減するという定性的な傾向が現在では一般的に知られている。 As shown in JP-A-62-2228442, a qualitative tendency that the amount of hydrogen absorption is reduced by increasing the Fe addition concentration in Zircaloy is now generally known.
この知見に基づき、主に沸騰水型軽水炉で使用されるジルカロイ−2については、その仕様範囲内でFe濃度を高める等の成分調整が実施されており、その結果、現在の運転条件下では、耐食性および水素吸収特性の両面において優れた性能を示し、それぞれの燃料部材に求められる機能を果たしている。 Based on this knowledge, for Zircaloy-2, which is mainly used in boiling water reactors, component adjustments such as increasing the Fe concentration within its specification range have been carried out. As a result, under the current operating conditions, It exhibits excellent performance in both corrosion resistance and hydrogen absorption characteristics, and fulfills the functions required for each fuel member.
しかしながら、近年、原子炉の炉水給水系への水素注入等の炉水環境の変化や、材料部材の薄肉化といった燃料設計仕様の変更等に伴い、腐食および水素吸収の観点からは構造材の使用条件がより厳しくなってきている。 However, in recent years, due to changes in the reactor water environment such as hydrogen injection into the reactor water supply system of the nuclear reactor and changes in fuel design specifications such as thinning of the material components, structural materials are required from the viewpoint of corrosion and hydrogen absorption. The conditions of use are becoming stricter.
このような状況下、原子炉燃料の信頼性向上並びに高性能化を図る上で、水素吸収量を低減する技術および材料の開発が強く求められている。 Under such circumstances, in order to improve the reliability and performance of nuclear reactor fuel, development of technologies and materials for reducing hydrogen absorption is strongly demanded.
(3) デブリフレッティング
最近の報告によれば、米国で近年発生した燃料破損事例について、その主たる原因として、デブリフレッティング、異常腐食及びPCI(pellet cladding interaction)などが挙げられている(R.Yang,O.Ozer and H.S.Rosenbaum,An International Topical Meeting on Light−Water−Reactor−Fuel−Performance,April 10−13,2000)。
(3) Debris Fretting According to a recent report, debris fretting, abnormal corrosion, PCI (pellet cladding interaction), etc. are cited as the main causes of recent fuel failure cases that occurred in the United States (R. Yang, O. Ozer and HS Rosenbaum, An International Topical Meeting on Light-Water-Reactor-Fuel-Performance, April 10-13, 2000).
日本国内燃料の信頼性は諸外国に比べ高いレベルにあるとされているが、原子炉経済性および燃料の信頼性をさらに向上させる上で、これらの破損要因に対してさらに高い健全性を示す燃料が求められている。 Although it is said that the reliability of fuel in Japan is at a higher level than in other countries, it shows higher soundness against these damage factors in order to further improve the reactor economy and fuel reliability. Fuel is sought.
構造上のデブリフレッティングに対する対策として、下部タイプレートを異物を捕捉する構造としたものや、下部タイプレートにデブリフィルターを設けたものが提案されている。 As countermeasures against structural debris fretting, a structure in which the lower tie plate captures foreign matter or a structure in which a debris filter is provided in the lower tie plate has been proposed.
被覆管の改良によるデブリフレッティングに対する対策として、特開平6−230160号公報には、被覆管の下部外表面を、イオンビームによって他の部分より硬度を増加し、フレッティング磨耗を軽減する技術が提案されている。 As a countermeasure against debris fretting by improving the cladding tube, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-230160 discloses a technique for reducing the fretting wear by increasing the hardness of the lower outer surface of the cladding tube by ion beams from other portions. Proposed.
また、燃料棒の下部端栓を長くすることで異物フレッティングが起こっても被覆管は磨耗しないようにしたものや、燃料棒下部の被覆管表面にあらかじめ酸化膜をつけて摩耗しにくくする方法が知られている。 In addition, by making the bottom end plug of the fuel rod longer, the cladding tube will not be worn even if foreign matter fretting occurs, or by applying an oxide film in advance to the cladding tube surface under the fuel rod to make it difficult to wear It has been known.
(4) PCI
PCIに対する被覆管の改良としては、被覆管により柔らかい金属(主としてジルコニウム)を内張りにし、被覆管にかかる応力を低減する方法が知られている。従来からこの技術は一般に用いられている。この技術は、燃料が破損する可能性を低減する上で有用である。
(4) PCI
As an improvement of the cladding tube for PCI, a method of reducing the stress applied to the cladding tube by lining a soft metal (mainly zirconium) with the cladding tube is known. Conventionally, this technique is generally used. This technique is useful in reducing the possibility of fuel damage.
一方、何らかの原因により燃料被覆管が破損孔が生じると(一次破損)、破損孔から冷却水が燃料棒内に浸入し、内張りされた金属と反応して水素が発生し、発生した水素に起因する二次水素化を生じることが知られている。 On the other hand, if the fuel cladding tube has a broken hole for some reason (primary breakage), cooling water enters the fuel rod from the broken hole and reacts with the metal lined to generate hydrogen, resulting in the generated hydrogen. It is known to produce secondary hydrogenation.
水素化により被覆管の延性が小さくなった箇所ではクラックが進展しやすくなる。 Cracks tend to develop at locations where the ductility of the cladding tube has decreased due to hydrogenation.
ジルコニウムライナ被覆管の二次水素化を抑制する対策として、ライナの表面に20μm以下の薄いジルカロイの層をつけた3層構造の被覆管、Sn合金ライナ被覆管、ライナ層の表面に酸化膜を形成した被覆管、ライナ中のFeの含有量を増やした被覆管などが知られている。 As a measure to suppress secondary hydrogenation of the zirconium liner cladding tube, a three-layer cladding tube with a thin zircaloy layer of 20 μm or less on the surface of the liner, an Sn alloy liner cladding tube, and an oxide film on the surface of the liner layer Known cladding tubes and cladding tubes with increased Fe content in the liner are known.
特公昭55−33037号公報には、ジルコニウム合金管およびその内表面に冶金学的に結合されかつ不純物含有率が1000重量ppm未満で、酸素濃度200重量ppm未満のジルコニウム層からなる複合被覆管が記載されている。 Japanese Patent Publication No. 55-33037 discloses a zirconium alloy tube and a composite cladding tube comprising a zirconium layer metallurgically bonded to its inner surface and having an impurity content of less than 1000 ppm by weight and an oxygen concentration of less than 200 ppm by weight. Are listed.
特開平4−54491号公報には、燃料被覆管が厚さ5〜10μmの耐食性に優れたジルコニウム合金からなる内表面、純ジルコニウムからなる中間層及び耐水腐食性に優れたジルコニウム合金からなる外表面層で構成された三重構造からなる被覆管が記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-54491 discloses a fuel cladding having an inner surface made of a zirconium alloy having a thickness of 5 to 10 μm and excellent in corrosion resistance, an intermediate layer made of pure zirconium and an outer surface made of a zirconium alloy having excellent water corrosion resistance. A cladding tube consisting of a triple structure composed of layers is described.
特公平3−71078号公報には、その従来技術として、Zr基合金製の被覆管はその内面が0.1〜1.0重量%のSnを含有するジルコニウムの層で内張りされており、前記層中のジルコニウム内に存在する他の物質の合計が0.5重量%以下である原子炉用燃料棒が記載されている。 In Japanese Patent Publication No. 3-71078, as its prior art, a Zr-based alloy cladding tube is lined with a zirconium layer containing 0.1 to 1.0% by weight of Sn. Reactor fuel rods are described in which the total of other materials present in the zirconium in the bed is 0.5 wt% or less.
特公平3−73832号公報には、被覆管内表面のライナ層がZr−Sn合金であって、同ライナ中の酸素を500重量ppm以下とした技術が記載されている。 Japanese Patent Publication No. 3-73832 discloses a technique in which the liner layer on the inner surface of the cladding tube is a Zr—Sn alloy, and the oxygen in the liner is 500 ppm by weight or less.
実開昭53−25693号および特開昭63−179286号公報には、被覆管の最内表面のライナ層に酸化皮膜を形成する技術が記載されている。 Japanese Utility Model Laid-Open Nos. 53-25893 and 63-179286 describe a technique for forming an oxide film on a liner layer on the innermost surface of a cladding tube.
特開昭63−179286号公報には、1200重量ppm以下の酸素を含むジルコニウムからなる内側管状部材の内表面に0.2μm以上の酸化膜を形成することを特徴とする核燃料用被覆管の製造技術が記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-179286 manufactures a nuclear fuel cladding tube characterized by forming an oxide film of 0.2 μm or more on the inner surface of an inner tubular member made of zirconium containing not more than 1200 ppm by weight of oxygen. The technology is described.
特開平4−190191号公報には、ジルカロイ合金管の内側に純ジルコニウムを内張りしたジルコニウムライナ被覆管において、Fe、Cr、Niを含む電解液中に前記被覆管を浸漬し、交流電流で前記被覆管の内表面に1〜5μmの酸化膜を形成することを特徴とする核燃料被覆管製造方法が記載されている。 In Japanese Patent Laid-Open No. 4-190191, in a zirconium liner-coated tube in which pure zirconium is lined inside a zircaloy alloy tube, the coated tube is immersed in an electrolytic solution containing Fe, Cr, Ni, and the coating is performed with an alternating current. A method for producing a nuclear fuel cladding tube is described in which an oxide film of 1 to 5 μm is formed on the inner surface of the tube.
特開平7−248391号公報には、ジルコニウムライナ内表面に酸化膜を設ける方法として水蒸気発生器と水蒸気攪拌装置とを備えた大気圧の容器内で酸化処理する技術が記載されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-248391 describes a technique of oxidizing in an atmospheric pressure vessel equipped with a steam generator and a steam stirring device as a method of providing an oxide film on the inner surface of a zirconium liner.
特開平10−239473号公報には、ジルコニウム合金管に冶金学的に結合したジルコニウムライナ層が0.05重量%以上1重量%以下のFe、Ni、Co、Rh、Pdのいずれか一つ以上の添加物を含み、かつ当該ライナ層の内表面に酸化膜層を形成することを特徴とする技術が記載されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 10-239473 discloses that a zirconium liner layer metallurgically bonded to a zirconium alloy tube has at least one of Fe, Ni, Co, Rh, and Pd of 0.05 wt% to 1 wt%. And a technique characterized in that an oxide film layer is formed on the inner surface of the liner layer.
特開2001−66390号公報には、内側金属障壁が約850〜2500ppmの範囲内のFeと残部のジルコニウムおよび不可逆不純物とからなる組成を有することを特徴とする燃料要素が記載されている。
以上の従来技術の一部は、燃料集合体平均燃焼度約45GWd/tまでの高燃焼度用燃料被覆管に適用されており、それぞれの目的においては機能を果たしている。 A part of the above prior art is applied to a high burnup fuel cladding tube having a fuel assembly average burnup of about 45 GWd / t, and functions for each purpose.
しかしながら、近い将来、燃料集合体の使用環境は、燃料集合体平均燃焼度約45GWd/t以上の高燃焼度で長期間にわたって使用されること、あるいは、プラント経年化対策技術に伴って水素注入等を行う可能性があること等、使用環境の変化が予想される。 However, in the near future, the fuel assembly will be used in an environment where the fuel assembly has an average burnup of about 45 GWd / t or more for a long period of time, or hydrogen injection, etc. due to plant aging countermeasure technology The use environment is expected to change.
かかる使用環境においては、上記従来技術では、良好な耐食性、耐水素吸収性、強度特性を示し、かつ、デブリフレッティング、PCI、二次水素化にも健全性を示すことができず、新しい構成の高燃焼度用被覆管の開発が急がれる。 In such a use environment, the above-described conventional technology exhibits good corrosion resistance, hydrogen absorption resistance, strength characteristics, and cannot exhibit soundness in debris fretting, PCI, and secondary hydrogenation, and thus has a new configuration. There is an urgent need to develop a high burnup cladding tube.
そこで、本発明が解決しようとする課題は、上記のようなさらなる高燃焼度化や使用環境の変化に対しても、良好な耐食性、耐水素吸収性及び強度特性を示し、かつデブリフレッティング、PCI並びに二次水素化に対しても健全性を示す高燃焼度用被覆管およびその製造方法を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to exhibit good corrosion resistance, hydrogen absorption resistance and strength characteristics even with respect to further higher burnup and changes in use environment as described above, and debris fretting, An object of the present invention is to provide a high burnup cladding tube that exhibits soundness against PCI and secondary hydrogenation, and a method for producing the same.
本願発明者は、燃焼度が約45GWd/t以上の高燃焼度化が求められた場合に、より経済性、健全性に優れた材料を検討した結果、ライナ型高燃焼度用燃料被覆管のジルコニウム合金製被覆管基材の組成とジルコニウム製ライナ層の組成の特定の組み合わせによって従来技術では得ることのできない特有の効果が生じ、良好な耐食性、耐水素吸収性、強度特性を示し、かつ、デブリフレッティング、PCI、二次水素化にも健全性の向上を示すことができる高燃焼度用燃料被覆管およびその製造方法を新規に見出したものである。 The inventor of the present application, as a result of investigating a material with higher economic efficiency and soundness when a high burnup of about 45 GWd / t or more is required, results in a liner type high burnup fuel cladding tube. A specific combination of the composition of the zirconium alloy cladding tube base and the composition of the zirconium liner layer produces unique effects that cannot be obtained with the prior art, exhibiting good corrosion resistance, hydrogen absorption resistance, strength properties, and The present inventors have newly found a high-burn-up fuel cladding tube and a method for producing the same that can show improved soundness in debris fretting, PCI, and secondary hydrogenation.
本発明による高燃焼度用燃料被覆管は、
約45GWd/t以上の燃料集合体平均燃焼度で使用される高燃焼度用燃料被覆管において、
Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム合金製被覆管基材の内側に、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム製ライナ層を冶金学的に結合させたことを特徴とする。
The fuel burner for high burnup according to the present invention is
In a high burnup fuel cladding used at a fuel assembly average burnup of about 45 GWd / t or greater,
Sn 1.2-1.7 wt%, Fe 0.20-0.35 wt%, Ni 0.03-0.08 wt%, Cr 0.05-0.20 wt%, unavoidable impurities And a zirconium liner layer made of zirconium containing the inevitable impurities and Fe in an amount of about 1000 ppm by weight or more inside the cladding substrate made of zirconium alloy with the balance being zirconium. It is characterized by.
前記ジルコニウム合金製被覆管基材中に析出する金属間化合物の平均直径が0.05〜0.20μmであるようにすることができる。 The average diameter of the intermetallic compound deposited in the zirconium alloy cladding tube base material may be 0.05 to 0.20 μm.
前記ジルコニウム製ライナ層に含まれるFeが1000重量ppm以上でかつ1500重量ppm以下であるようにすることができる。 Fe contained in the zirconium liner layer may be 1000 ppm by weight or more and 1500 ppm by weight or less.
前記ジルコニウム合金製被覆管基材の外表面の表面粗さが0.2μmRa以下であるようにすることができる。 The surface roughness of the outer surface of the zirconium alloy cladding tube base material can be 0.2 μmRa or less.
前記ジルコニウム合金製被覆管基材およびジルコニウム製ライナ層の表面に酸化膜が形成されているようにすることができる。 An oxide film may be formed on the surface of the zirconium alloy cladding tube base and the zirconium liner layer.
前記ジルコニウム合金製被覆管基材の表面に形成される前記酸化膜の厚さが0.5μm以上であるようにすることができる。 The thickness of the oxide film formed on the surface of the zirconium alloy cladding tube base material may be 0.5 μm or more.
前記ジルコニウム製ライナ層に含まれるFeが1000重量ppm以上でかつ1500重量ppm以下であるようにすることができる。 Fe contained in the zirconium liner layer may be 1000 ppm by weight or more and 1500 ppm by weight or less.
本発明による高燃焼度燃料被覆管の製造方法は、
内部に核燃料を収納するジルコニウム合金製被覆管基材と、前記ジルコニウム合金製被覆管基材の内側で前記ジルコニウム合金製被覆管基材と冶金学的に結合したジルコニウム製ライナ層とを有し、前記ジルコニウム合金製被覆管基材は、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなり、前記ジルコニウム製ライナ層は、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなる、高燃焼度用燃料被覆管の製造方法において、
前記高燃焼度用燃料被覆管を900℃以上の温度に加熱し冷却する熱処理を行う工程と、
前記熱処理の工程の後に、α相における熱間および/または冷間塑性加工処理と焼鈍処理とを行う工程と、を有し、
前記α相における熱間および/または冷間塑性加工処理と焼鈍処理は、下記式により、前記ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径DAが0.05〜0.20μmとなるように管理することを特徴とする。
DA=[D0 3+2.19×104×Σti 0.74×exp(−17100/Ti)]1/3
ここで、D0:900℃以上の温度に加熱し冷却したのちの金属間化合物の平均直径。
ti:α相でのi番目の焼鈍における保持時間。
Ti:α相でのi番目の焼鈍温度。
The method for producing a high burnup fuel cladding according to the present invention comprises:
A zirconium alloy cladding tube base material containing nuclear fuel therein, and a zirconium liner layer metallurgically bonded to the zirconium alloy cladding tube substrate inside the zirconium alloy cladding tube substrate; The zirconium alloy cladding tube base material is 1.2 to 1.7% by weight of Sn, 0.20 to 0.35% by weight of Fe, 0.03 to 0.08% by weight of Ni, and 0.8% of Cr. High burnup fuel containing 05 to 0.20% by weight, containing inevitable impurities, the balance being made of zirconium, and the zirconium liner layer containing inevitable impurities of about 1000 ppm by weight or more of Fe, and the balance being made of zirconium In the manufacturing method of the cladding tube,
Performing a heat treatment for heating and cooling the fuel cladding tube for high burnup to a temperature of 900 ° C. or higher;
After the heat treatment step, performing a hot and / or cold plastic working treatment and an annealing treatment in the α phase,
Annealing the hot and / or cold plastic working process in the α phase, by the following equation, the average diameter D A of the intermetallic compounds of the zirconium alloy cladding tube substrate in and a 0.05~0.20μm It is characterized by managing as follows.
D A = [D 0 3 + 2.19 × 10 4 × Σt i 0.74 × exp (−17100 / T i )] 1/3
Here, D 0 : the average diameter of the intermetallic compound after heating to 900 ° C. or higher and cooling.
t i : Holding time in the i-th annealing in the α phase.
T i : i-th annealing temperature in the α phase.
また、本発明による高燃焼度燃料被覆管の製造方法は、
内部に核燃料を収納するジルコニウム合金製被覆管基材と、前記ジルコニウム合金製被覆管基材の内側で前記ジルコニウム合金製被覆管基材と冶金学的に結合したジルコニウム製ライナ層とを有し、前記ジルコニウム合金製被覆管基材は、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなり、前記ジルコニウム製ライナ層は、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなる、高燃焼度用燃料被覆管の製造方法において、
前記ジルコニウム合金製被覆管基材と前記ジルコニウム製ライナ層を冶金学的に結合させた後に、熱間および/または冷間塑性加工処理、焼鈍処理を加える工程と、
前記熱間および/または冷間塑性加工処理、焼鈍処理を加える工程の後に、空気中、水蒸気中または水中で加熱処理を行い、前記ジルコニウム合金製被覆管基材と前記ジルコニウム製ライナ層の表面に酸化膜を形成させる工程と、を有することを特徴とする。
In addition, a method for manufacturing a high burnup fuel cladding according to the present invention includes:
A zirconium alloy cladding tube base material containing nuclear fuel therein, and a zirconium liner layer metallurgically bonded to the zirconium alloy cladding tube substrate inside the zirconium alloy cladding tube substrate; The zirconium alloy cladding tube base material is 1.2 to 1.7% by weight of Sn, 0.20 to 0.35% by weight of Fe, 0.03 to 0.08% by weight of Ni, and 0.8% of Cr. High burnup fuel containing 05 to 0.20% by weight, containing inevitable impurities, the balance being made of zirconium, and the zirconium liner layer containing inevitable impurities of about 1000 ppm by weight or more of Fe, and the balance being made of zirconium In the manufacturing method of the cladding tube,
A step of applying a hot and / or cold plastic working treatment and an annealing treatment after metallurgically bonding the zirconium alloy cladding tube base and the zirconium liner layer;
After the step of applying the hot and / or cold plastic working treatment and annealing treatment, heat treatment is performed in air, water vapor or water, and the surface of the zirconium alloy cladding tube base and the zirconium liner layer is applied. And a step of forming an oxide film.
本願発明は、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム合金製被覆管基材の内側に、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム製ライナ層を冶金学的に結合させたことにより、燃料集合体平均燃焼度約45GWd/t以上の高燃焼度で長期間使用され、あるいは、水素注入等といったプラント経年化対策技術に伴う使用環境のもとで、良好な耐食性、耐水素吸収性、強度特性を示すことができ、かつ、デブリフレッティング、PCI、二次水素化に対しても健全性の向上を示すことができる。 In the present invention, Sn is 1.2 to 1.7% by weight, Fe is 0.20 to 0.35% by weight, Ni is 0.03 to 0.08% by weight, and Cr is 0.05 to 0.20% by weight. The zirconium liner layer containing the inevitable impurities including Fe of about 1000 ppm by weight or more and the remainder of zirconium is metallurgically metallized inside the zirconium alloy cladding tube base material containing Combined, it can be used for a long period of time with a high burnup of about 45 GWd / t or higher in the fuel assembly average burnup, or good corrosion resistance under the usage environment associated with plant aging countermeasure technologies such as hydrogen injection In addition, hydrogen absorption resistance and strength characteristics can be exhibited, and soundness can be improved with respect to debris fretting, PCI and secondary hydrogenation.
また、本発明の高燃焼度燃料被覆管におけるジルコニウム合金被覆管基材の製造方法は、スペーサー、ウォータロッド、チャンネルボックスなどの部材についても適用可能であり、燃料集合体全体としての耐食性、耐水素吸収性の向上、強度特性の確保が可能である。 Further, the method for producing a zirconium alloy cladding tube base material in a high burnup fuel cladding tube of the present invention can also be applied to members such as spacers, water rods, channel boxes, and the like, and the corrosion resistance and hydrogen resistance of the entire fuel assembly. It is possible to improve absorbency and secure strength characteristics.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
本発明の高燃焼度用燃料被覆管を実際の原子炉用材料に適用した例を以下に説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
An example in which the high-burn-up fuel cladding tube of the present invention is applied to an actual reactor material will be described below.
図1は、沸騰水型原子炉に装荷される燃料集合体の斜視図、図2は沸騰水型原子炉の模式図を示す。 FIG. 1 is a perspective view of a fuel assembly loaded in a boiling water reactor, and FIG. 2 is a schematic diagram of the boiling water reactor.
BWR商用炉で照射された燃料においては、燃焼度約45GWd/t以上で被覆管中の水素濃度が増加する現象が見られており(NUPEC高燃焼度燃料安全試験 BWR高燃焼度燃料照射試験 総合評価報告書、平成14年3月)、集合体平均としても燃焼度約45GWd/t以上では、水素濃度を低減できる燃料被覆管の使用が求められる。 In the fuel irradiated in the BWR commercial reactor, a phenomenon that the hydrogen concentration in the cladding tube increases at a burnup of about 45 GWd / t or more has been observed (NUPEC high burnup fuel safety test, BWR high burnup fuel irradiation test) (Evaluation report, March 2002), the fuel average is required to reduce the hydrogen concentration when the burnup average is about 45 GWd / t or more.
図2において、原子炉では炉心1内において燃料要素2で発生した熱エネルギーで水3を蒸気4に変え、その蒸気4でタービン5を回して発電する。使用された蒸気は復水器6で水3に戻され再び循環して蒸気4となる。
In FIG. 2, in a nuclear reactor,
図2中の燃料要素2は図1に示す燃料集合体を一つの単位としてこれを多数配置することにより構成される。
The
燃料集合体7は、一般に、チャンネルボックス8内に所定数の燃料棒9とウォータロッド10などの棒状要素を正方配列し、それらの上下端を端栓を介して上部タイプレート11及び下部タイプレート12にそれぞれ装着し、中間高さ位置の複数箇所にスペーサー13を所定間隔で配置する構成になっている。
In general, the
図1中、チャンネルボックス8、ウォータロッド10、燃料棒9およびスペーサー13は水と直接接している。
In FIG. 1, the channel box 8, the
燃料棒9はその内部に核燃料ペレットが収納されており、燃料棒被覆管の健全性は燃料棒の健全性、燃料集合体ひいては原子炉の健全性にとって重要である。 The fuel rods 9 contain nuclear fuel pellets therein, and the soundness of the fuel rod cladding tube is important for the soundness of the fuel rods and the fuel assembly and hence the reactor.
現在、燃料棒被覆管にはジルカロイ−2あるいはジルカロイ−4などが使用されており、高燃焼度においては高耐食性、水素吸収量の低減が要求されている。 Currently, Zircaloy-2 or Zircaloy-4 is used for the fuel rod cladding tube, and high corrosion resistance and reduction of hydrogen absorption are required at high burnup.
さらに、さらなる高燃焼度化にともなう長期使用あるいは水素注入等といったプラント経年化対策技術に伴う使用環境の変化が予想される現状のもと、良好な耐食性、耐水素吸収性、強度特性を示し、かつ、デブリフレッティング、PCI、二次水素化にも健全性を示すことのできる本発明の高燃焼度用燃料被覆管を燃料棒9に適用した。 Furthermore, based on the current situation where the use environment is expected to change due to plant aging countermeasure technology such as long-term use or hydrogen injection due to higher burnup, it shows good corrosion resistance, hydrogen absorption resistance, strength characteristics, In addition, the fuel burner tube for high burnup according to the present invention, which can show soundness for debris fretting, PCI, and secondary hydrogenation, was applied to the fuel rod 9.
また、本発明の高燃焼度用燃料被覆管に用いられるジルコニウム合金製被覆管基材は、チャンネルボックス8、ウォータロッド10、スペーサー13などの部材に対しても適用可能であり、これらの部材に本発明の高燃焼度用燃料被覆管に用いられるジルコニウム合金製被覆管基材を適用することで、部材の耐食性、耐水素吸収性などが向上し、燃料集合体の健全性がさらに向上する。
Moreover, the zirconium alloy cladding tube base material used for the high burnup fuel cladding tube of the present invention can be applied to members such as the channel box 8, the
本願発明による高燃焼度用燃料被覆管は、内部に核燃料を収納するジルコニウム合金製被覆管基材と、前記ジルコニウム合金製被覆管基材の内側で前記ジルコニウム合金製被覆管基材と冶金学的に結合したジルコニウム製ライナ層とを有している。 The fuel cladding for high burn-up according to the present invention includes a zirconium alloy cladding tube base material containing nuclear fuel therein, and the zirconium alloy cladding tube base material and metallurgical inside the zirconium alloy cladding tube substrate. And a zirconium liner layer bonded to the substrate.
ジルコニウム合金被覆管基材に添加する合金元素の濃度において、Sn濃度は強度、耐食性、加工性の観点から1.2〜1.7重量%(wt%)が好適である。 In the concentration of the alloy element added to the zirconium alloy-coated tube base material, the Sn concentration is preferably 1.2 to 1.7% by weight (wt%) from the viewpoint of strength, corrosion resistance, and workability.
Fe濃度は耐食性、耐水素吸収性、加工性、中性子吸収断面積の観点から0.20〜0.35wt%が好適である。さらには0.20〜0.30wt%が好適であり、さらに好ましくは0.25〜0.30wt%である。 The Fe concentration is preferably 0.20 to 0.35 wt% from the viewpoint of corrosion resistance, hydrogen absorption resistance, workability, and neutron absorption cross section. Furthermore, 0.20-0.30 wt% is suitable, More preferably, it is 0.25-0.30 wt%.
Ni濃度は耐食性、耐水素吸収性の観点から0.03〜0.08wt%が好適である。Cr濃度は耐食性、耐水素吸収性、加工性の観点から0.05〜0.20wt%が好適である。さらには0.05〜0.15wt%が好適であり、さらに好ましくは0.10〜0.15wt%である。 The Ni concentration is preferably 0.03 to 0.08 wt% from the viewpoint of corrosion resistance and hydrogen absorption resistance. The Cr concentration is preferably 0.05 to 0.20 wt% from the viewpoint of corrosion resistance, hydrogen absorption resistance, and workability. Furthermore, 0.05-0.15 wt% is suitable, More preferably, it is 0.10-0.15 wt%.
また、Fe、Ni、Cr濃度の合計は耐ノジュラー腐食性、耐一様腐食性、耐水素吸収性の観点から、0.39wt%以上が好適である。 Further, the total of Fe, Ni and Cr concentrations is preferably 0.39 wt% or more from the viewpoints of nodular corrosion resistance, uniform corrosion resistance and hydrogen absorption resistance.
ジルコニウム製ライナ層のFe濃度は、400℃水蒸気中の腐食試験において、約1000ppmより低い場合では、Fe濃度の減少にともない腐食速度が増加するが、約1000ppm以上では腐食速度が飽和する(D.R.Lutz,S.B.Wisner,D.M.Farkas,R.B.Adamson,Topfuel’99,Avignon,1999)。このため、本発明の高燃焼度用燃料被覆管においては、二次水素化抑制のために約1000ppm以上であることが必要である。 When the Fe concentration of the zirconium liner layer is lower than about 1000 ppm in the corrosion test in 400 ° C. water vapor, the corrosion rate increases as the Fe concentration decreases, but the corrosion rate is saturated at about 1000 ppm or more (D. R. Lutz, SB Wisner, DM Farkas, RB Adamson, Topfuel '99, Avignon, 1999). For this reason, in the high burnup fuel cladding tube of the present invention, it is necessary to be about 1000 ppm or more in order to suppress secondary hydrogenation.
一方、耐PCI性能の向上に必要なジルコニウム製ライナ層のFe濃度は、PCIを模擬した試験において、約1000ppm以上ではFe濃度の増加にともない破損する割合が高くなる(D.R.Lutz,S.B.Wisner,D.M.Farkas,R.B.Adamson,Topfuel’99,Avignon,1999)。このため、耐PCI性能としてはFe濃度は低いほうが望ましいが、前記PCI模擬試験における破損の割合はFe濃度1000ppmから1500ppmの間の増加は少なく、1500ppmから3000ppmの間で急増していることから、Fe濃度1500ppm以下であることが望ましい。 On the other hand, the Fe concentration in the zirconium liner layer necessary for improving the PCI resistance performance is higher when the Fe concentration is higher than about 1000 ppm in a test simulating PCI (DR Lutz, S). B. Wisner, DM Farkas, RB Adamson, Topfuel '99, Avignon, 1999). For this reason, it is desirable that the Fe concentration is low as the PCI resistance performance, but the failure rate in the PCI simulation test is small in the increase in the Fe concentration between 1000 ppm and 1500 ppm, and rapidly increases between 1500 ppm and 3000 ppm. It is desirable that the Fe concentration is 1500 ppm or less.
したがって、ジルコニウム製ライナ層の耐食性の向上による二次水素化の抑制と耐PCI性能の向上を兼ね備えた高燃焼度用燃料被覆管においては、ジルコニウム製ライナ層のFe濃度は1000〜1500ppmであることが好適である。 Therefore, in the fuel cladding tube for high burnup that combines the suppression of secondary hydrogenation by improving the corrosion resistance of the zirconium liner layer and the improvement of the PCI resistance performance, the Fe concentration of the zirconium liner layer is 1000 to 1500 ppm. Is preferred.
本願発明の高燃焼度用燃料被覆管と比較用の被覆管を腐食試験に供した。 The high burnup fuel cladding tube of the present invention and the comparative cladding tube were subjected to a corrosion test.
表1は、ノジュラー腐食試験に供したジルコニウム合金製被覆管基材の金属間化合物の平均直径と合金組成である。
ノジュラー腐食試験は410℃で約12MPaの水蒸気中で4時間加熱したのち、520℃で約12MPaの水蒸気中で16時間加熱して行った。 The nodular corrosion test was carried out at 410 ° C. for 4 hours in water vapor at about 12 MPa and then at 520 ° C. in water vapor at about 12 MPa for 16 hours.
腐食試験後の被覆管のジルコニウム合金製被覆管基材側外表面を写真撮影し、外表面に占めるノジュラー酸化膜(外観で白色または灰色として観察される酸化膜)のカバー率を求めた。 The outer surface of the clad alloy base tube side of the cladding tube after the corrosion test was photographed, and the coverage of the nodular oxide film (oxide film observed as white or gray in appearance) occupying the outer surface was determined.
図3は、表1に示した12種類((1)〜(12))の被覆管の上記腐食試験におけるノジュラー酸化膜のカバー率をプロットした図である。 FIG. 3 is a graph plotting the coverage of the nodular oxide film in the above corrosion test of the 12 types ((1) to (12)) of the cladding tubes shown in Table 1.
図3で(7)〜(12)はジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成がZry−2の仕様範囲でジルコニウムライナ層のFe濃度が約1000ppm以上の被覆管である。図3の(1)〜(6)は、ジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成と、ジルコニウムライナ層のFe濃度が、ともに本発明の範囲にある被覆管である。 In FIG. 3, (7) to (12) are cladding tubes in which the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube substrate is in the specification range of Zry-2 and the Fe concentration of the zirconium liner layer is about 1000 ppm or more. (1) to (6) in FIG. 3 are cladding tubes in which the alloy composition of the cladding tube base material made of zirconium alloy and the Fe concentration of the zirconium liner layer are both within the scope of the present invention.
図3の実線および破線は、(1)〜(6)および(7)〜(12)のプロット点について、累乗近似で最小自乗法により求めたものである。 The solid line and the broken line in FIG. 3 are obtained by the least square method by power approximation for the plot points (1) to (6) and (7) to (12).
図3から観察されるように、(1)〜(6)および(7)〜(12)のいずれについても、金属間化合物の平均直径が大きくなるとノジュラー酸化膜が出現し、平均直径の増加にともないその割合が増加する傾向がある。 As can be seen from FIG. 3, in any of (1) to (6) and (7) to (12), when the average diameter of the intermetallic compound increases, a nodular oxide film appears and the average diameter increases. As a result, the ratio tends to increase.
しかし、(1)〜(6)の被覆管については、ノジュラー酸化膜が発生する金属間化合物の平均直径は、(7)〜(12)より大きい。 However, for the cladding tubes (1) to (6), the average diameter of the intermetallic compound in which the nodular oxide film is generated is larger than (7) to (12).
特に、ジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成、ジルコニウムライナ層のFe濃度がともに本発明の範囲にある被覆管(1)〜(6)においては、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径が約0.20μm以下では、ノジュラー酸化膜の割合は小さいことが分かる。 Particularly, in the cladding tubes (1) to (6) in which the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube base material and the Fe liner concentration in the zirconium liner layer are both within the scope of the present invention, It can be seen that when the average diameter of the compound is about 0.20 μm or less, the ratio of the nodular oxide film is small.
このことから、ジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成、ジルコニウムライナ層のFe濃度がともに本発明の範囲にある被覆管において、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径の好適な範囲を約0.20μm以下とした。 From this, in the cladding tube in which the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube base material and the Fe liner concentration in the zirconium liner layer are both within the scope of the present invention, the average diameter of the intermetallic compound in the zirconium alloy cladding tube substrate is preferable. The range was about 0.20 μm or less.
また、ジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成、ジルコニウムライナ層のFe濃度がともに本発明の範囲にある被覆管において、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径が約0.18μm以下ではノジュラー酸化膜の発生はほとんど見られていないことから、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径のさらに好適な範囲は約0.18μm以下である。 In the cladding tube in which the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube base material and the Fe liner concentration in the zirconium liner layer are both within the scope of the present invention, the average diameter of the intermetallic compound in the zirconium alloy cladding tube substrate is about 0. Since the generation of nodular oxide film is hardly observed at 18 μm or less, the more preferable range of the average diameter of the intermetallic compound in the zirconium alloy cladding tube substrate is about 0.18 μm or less.
図4および図5は、ジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成がZry−2の仕様範囲にある被覆管(図中Zry−2)とジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成が本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管(図中本発明、Sn濃度約1.5wt%、Fe濃度約0.25wt%、Cr濃度約0.1wt%、Ni濃度約0.05wt%)について、表面から約100μmの肉厚の腐食試験用試料を調製し、400℃で約10MPaの水蒸気中で50日間の一様腐食試験を行った際の水素吸収率および重量増加を示した図である。 4 and 5 show that the alloy composition of the cladding tube base material made of a zirconium alloy is within the specification range of Zry-2 (Zry-2 in the figure) and the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube base material of the present invention. A cladding tube within the alloy composition specification range of a fuel cladding tube for high burnup (in the figure, the present invention, Sn concentration about 1.5 wt%, Fe concentration about 0.25 wt%, Cr concentration about 0.1 wt%, Ni concentration about 0 .05 wt%), a hydrogen corrosion rate and weight increase when a sample for corrosion test with a thickness of about 100 μm was prepared from the surface and subjected to a uniform corrosion test for 50 days in water vapor of about 10 MPa at 400 ° C. FIG.
試験後の外観は黒色を呈しており、横断面の金相観察においても一様な厚さの酸化膜であった。 The appearance after the test was black, and the oxide film had a uniform thickness even in the observation of the gold phase in the cross section.
図4において、破線および実線は、それぞれ、ジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成がZry−2の仕様範囲にある被覆管、およびジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成が本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管の水素吸収率を、金属間化合物の平均直径に対して線形近似で最小自乗法により求めたものである。 In FIG. 4, the broken line and the solid line indicate the high combustion of the cladding tube in which the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube base material is within the Zry-2 specification range and the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube substrate, respectively. The hydrogen absorption rate of the cladding tube within the alloy composition specification range of the fuel cladding tube for a certain degree is obtained by the least square method by linear approximation with respect to the average diameter of the intermetallic compound.
図4から明らかなように、本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管の水素吸収率は、ジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成がZry−2の仕様範囲にある被覆管に比べ系統的に小さく、本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管がZry−2に比べ水素吸収率を抑制する効果を有する。また、金属間化合物の平均直径が大きいほうが水素吸収率が小さくなることが示されている。 As is apparent from FIG. 4, the hydrogen absorption rate of the cladding tube in the alloy composition specification range of the high burnup fuel cladding tube of the present invention is the specification range in which the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube base material is Zry-2. Compared to Zry-2, the cladding tube which is systematically smaller than the cladding tube in the above and is in the alloy composition specification range of the high burnup fuel cladding tube of the present invention has the effect of suppressing the hydrogen absorption rate. Moreover, it is shown that the hydrogen absorption rate becomes smaller as the average diameter of the intermetallic compound is larger.
すなわち、高燃焼度用燃料被覆管の水素吸収率の低減には、本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管を用いること、そして、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径を大きくすることが有効であることが分かる。 That is, to reduce the hydrogen absorption rate of the high-burn-up fuel cladding tube, the cladding tube within the alloy composition specification range of the high-burn-up fuel cladding tube of the present invention is used, and the zirconium alloy cladding tube base material It can be seen that it is effective to increase the average diameter of the intermetallic compound therein.
図5において、本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管の重量増加は、ジルコニウム合金製被覆管基材の合金組成がZry−2の仕様範囲にある被覆管とほぼ同等かいくらか小さい範囲にあり、本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管の一様腐食量はZry−2と同等かいくらか小さいことが示されている。 In FIG. 5, the increase in the weight of the cladding tube in the alloy composition specification range of the fuel cladding tube for high burnup of the present invention is the same as the cladding tube in which the alloy composition of the zirconium alloy cladding tube base material is in the specification range of Zry-2. It is shown that the uniform corrosion amount of the cladding tube in the alloy composition specification range of the fuel cladding tube for high burnup of the present invention is equal to or somewhat smaller than Zry-2.
すなわち、本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管はZry−2と同等以上の耐一様腐食性能を有することが分かる。 That is, it can be seen that the cladding tube in the alloy composition specification range of the fuel cladding tube for high burnup of the present invention has a uniform corrosion resistance equal to or higher than that of Zry-2.
また、図5から、Zry−2の重量増加は金属間化合物の平均直径が約0.05μm以下でいくらか増加する傾向にあることが分かる。 FIG. 5 also shows that the increase in the weight of Zry-2 tends to increase somewhat when the average diameter of the intermetallic compound is about 0.05 μm or less.
このため、本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管に、Zry−2の上記図5で示された結果を適用し、本発明の高燃焼度用燃料被覆管の合金組成仕様範囲にある被覆管について、一様腐食量の抑制に有効なジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径の範囲として、約0.05μm以上とした。 For this reason, the result shown in FIG. 5 of Zry-2 is applied to the cladding tube in the alloy composition specification range of the fuel cladding tube for high burnup of the present invention, and the fuel cladding tube for high burnup of the present invention is applied. For the cladding tube in the alloy composition specification range, the average diameter range of the intermetallic compound in the zirconium alloy cladding tube base material effective for suppressing the uniform corrosion amount was set to about 0.05 μm or more.
以上に示したように、ノジュラー腐食の抑制、水素吸収率の低減、一様腐食量の低減の観点から、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム合金製被覆管基材の内側に、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム製ライナ層を冶金学的に結合させた約45GWd/t以上の燃料集合体平均燃焼度で使用されるライナ型高燃焼度用核燃料被覆管において、ジルコニウム合金製被覆管基材中に析出する金属間化合物の平均直径を0.05〜0.20μmとした。 As described above, Sn is 1.2 to 1.7% by weight, Fe is 0.20 to 0.35% by weight from the viewpoints of suppressing nodular corrosion, reducing the hydrogen absorption rate, and reducing the uniform corrosion amount. %, Ni is 0.03 to 0.08% by weight, Cr is 0.05 to 0.20% by weight, contains inevitable impurities, and the remainder of the zirconium alloy cladding tube base material is made of zirconium. Liner type high burnup nuclear fuel used at a fuel assembly average burnup of about 45 GWd / t or more, metallurgically bonded with a zirconium liner layer containing 1000 ppm by weight or more and inevitable impurities, the balance being zirconium. In the cladding tube, the average diameter of the intermetallic compound precipitated in the zirconium alloy cladding tube substrate was set to 0.05 to 0.20 μm.
ジルコニウム合金製被覆管基材中に析出する金属間化合物の平均直径のさらに好適な範囲は、0.05〜0.18μmである。 A more preferable range of the average diameter of the intermetallic compound precipitated in the zirconium alloy cladding tube base is 0.05 to 0.18 μm.
本願発明の高燃焼度用燃料被覆管は例えば以下の方法で製造することができる。 The high burnup fuel cladding tube of the present invention can be manufactured, for example, by the following method.
ジルコニウム合金被覆管基材は、Zrスポンジに1.2〜1.7wt%のSn、0.20〜0.35wt%のFe、0.03〜0.08wt%のNi、0.05〜0.20wt%のCrを添加し、溶解、熱間鍛造、孔あけ加工したのち、約1000℃以上の温度で加熱し急冷却する。 Zirconium alloy coated tube base material is Zr sponge with 1.2 to 1.7 wt% Sn, 0.20 to 0.35 wt% Fe, 0.03 to 0.08 wt% Ni, 0.05 to 0.00. After adding 20 wt% Cr, melting, hot forging, and drilling, it is heated at a temperature of about 1000 ° C. or higher and rapidly cooled.
なお、孔あけ加工は約1000℃以上の温度での加熱、急冷ののちでもよい。 The drilling process may be performed after heating at a temperature of about 1000 ° C. or higher and rapid cooling.
ジルコニウムライナ層は、Zrスポンジに約1000ppm以上のFeを添加し、溶解、熱間鍛造し、約1000℃以上の温度で加熱し急冷し、孔あけ加工する。 The zirconium liner layer is formed by adding about 1000 ppm or more of Fe to Zr sponge, melting and hot forging, heating and quenching at a temperature of about 1000 ° C. or more, and drilling.
ジルコニウム合金被覆管基材とジルコニウムライナ層を機械加工し合わせビレットとし、熱間押出しし、冷間圧延したのち焼鈍し、ジルコニウムライナ素管とする。 A zirconium alloy-coated tube base material and a zirconium liner layer are machined to form a billet, hot extruded, cold-rolled and then annealed to obtain a zirconium liner element tube.
この素管に対し、冷間圧延、焼鈍を1回または複数回繰返し、外表面を研磨し、所定の直径と肉厚を有する被覆管を製造することができる。 Cold rolling and annealing are repeated once or a plurality of times on the raw tube, the outer surface is polished, and a cladding tube having a predetermined diameter and thickness can be manufactured.
なお、この製造工程の中で、約1000℃以上の温度での加熱、急冷ののち、最終焼鈍より前の工程において、約900℃以上の温度で加熱、急冷する熱処理を加えることも可能である。また、ジルコニウムライナ層は、孔あけ加工ののち熱間押出しすることも可能である。 In addition, in this manufacturing process, after heating and quenching at a temperature of about 1000 ° C. or higher, it is possible to add a heat treatment that heats and quenches at a temperature of about 900 ° C. or higher in the process before the final annealing. . The zirconium liner layer can also be hot extruded after drilling.
約1000℃以上または約900℃以上の温度での最終の加熱、急冷ののちの熱間および/または冷間塑性加工と焼鈍処理において(焼鈍は約800℃以下)、所定の温度と加熱時間を選ぶことで、ジルコニウム合金被覆管基材中の金属間化合物の平均直径が0.05〜0.20μmである高燃焼度用燃料被覆管が得られる。 In the final heating at a temperature of about 1000 ° C. or higher or about 900 ° C. or higher, in the hot and / or cold plastic working and annealing after quenching (annealing is about 800 ° C. or lower), a predetermined temperature and heating time are set. By selecting, a high burnup fuel cladding tube having an average diameter of the intermetallic compound in the zirconium alloy cladding tube substrate of 0.05 to 0.20 μm is obtained.
また、ジルコニウム合金被覆管基材とジルコニウムライナ層を機械加工し合わせビレットとする前の工程において、ジルコニウムライナ層の耐PCI性能向上の点から、ジルコニウムライナ層を焼鈍する工程を追加することも可能である。また、900℃以上の温度に加熱し冷却する熱処理以降に行う、α相における熱間および/または冷間塑性加工処理、焼鈍処理における入熱量が大きい場合、ジルコニウム製ライナ層におけるFe濃度が低い場合には結晶粒径が大きくなりライナ層として好適な機械特性を示さなくなる恐れがあるが、Feを約1000ppm以上含む本発明の場合には、入熱量が大きい場合においても、ジルコニウム製ライナ層としての好適な機械特性に対応した結晶粒径を得ることができる。 It is also possible to add a step of annealing the zirconium liner layer from the viewpoint of improving the PCI resistance performance of the zirconium liner layer in the step before machining the zirconium alloy cladding tube base material and the zirconium liner layer into a billet. It is. In addition, when the heat input in the α phase is high and / or cold plastic working or annealing after the heat treatment to be heated to 900 ° C. or higher and cooled, and the Fe concentration in the zirconium liner layer is low However, in the case of the present invention containing Fe of about 1000 ppm or more, even if the heat input is large, the zirconium liner layer is not suitable for the liner layer. A crystal grain size corresponding to suitable mechanical properties can be obtained.
本発明の高燃焼度用燃料被覆管において、ジルコニウム合金被覆管基材部の外表面は直接、炉水に接することから、外表面近傍の領域、すなわち被覆管肉厚の1/3から外表面側の領域、さらに好ましくは被覆管肉厚の1/5から外表面側の領域、またさらに好ましくは被覆管肉厚の1/10から外表面側の領域もしくは外表面から肉厚深さで約50μmの範囲の領域におけるジルコニウム合金被覆管基材部中の金属間化合物の平均直径は0.05〜0.18μmであることがさらに好ましい。 In the high burnup fuel cladding tube of the present invention, the outer surface of the zirconium alloy cladding tube base portion is in direct contact with the reactor water, so that the region near the outer surface, that is, the outer surface from 1/3 of the cladding tube wall thickness. Side region, more preferably, from 1/5 of the cladding tube thickness to the outer surface side region, and more preferably from 1/10 of the cladding tube thickness to the outer surface side region or from the outer surface to the thickness depth. The average diameter of the intermetallic compound in the zirconium alloy-coated tube base material in the region of 50 μm is more preferably 0.05 to 0.18 μm.
なお、本願発明の合金組成仕様範囲にあるジルコニウム合金製被覆管基材のみでは、高燃焼度における水素吸収量の低減、ノジュラー腐食の抑制、一様腐食量の低減に有効であるが、約45GWd/t以上の燃料集合体平均燃焼度において、また、特異な水質下においては、耐PCI性能の観点から健全性を維持するには十分でない。また、ジルカロイ−2あるいはジルカロイ−4の内側に、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム製ライナ層を冶金学的に結合させただけでは、耐PCI性能を維持することができるが、燃料集合体の健全性を保持するには必ずしも十分ではない。これに対して、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム合金製被覆管基材の内側に、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム製ライナ層を冶金学的に結合させた被覆管とすることにより、約45GWd/t以上の燃料集合体平均燃焼度で使用され、あるいは特異な水質下で、耐PCI性能、二次水素化の抑制効果を維持し、一様腐食量を低減でき、かつ、ノジュラー腐食の抑制にも有効な、健全性を向上させた高燃焼度用燃料被覆管を提供することができるのである。 Note that only the zirconium alloy cladding tube base material within the alloy composition specification range of the present invention is effective in reducing the hydrogen absorption amount at high burnup, suppressing the nodular corrosion, and reducing the uniform corrosion amount. When the fuel assembly average burnup is greater than or equal to / t, and under unusual water quality, it is not sufficient to maintain soundness from the viewpoint of PCI resistance. Moreover, by simply metallurgically bonding a zirconium liner layer containing about 1000 ppm by weight or more of Fe and unavoidable impurities and the balance of zirconium inside Zircaloy-2 or Zircaloy-4, anti-PCI performance can be obtained. Can be maintained, but not necessarily sufficient to maintain the integrity of the fuel assembly. On the other hand, Sn is 1.2 to 1.7% by weight, Fe is 0.20 to 0.35% by weight, Ni is 0.03 to 0.08% by weight, and Cr is 0.05 to 0.20%. A zirconium liner layer containing about 1000 ppm by weight of Fe and unavoidable impurities, the balance being zirconium and the remainder being zirconium is metallurgical inside the zirconium alloy cladding tube base material containing weight percent and inevitable impurities and the balance being zirconium. By using a cladding tube bonded to the fuel, it is used at a fuel assembly average burnup of about 45 GWd / t or more, or maintains the anti-PCI performance and the secondary hydrogenation suppression effect under unique water quality. Thus, it is possible to provide a fuel cladding tube for high burnup with improved soundness that can reduce the amount of corrosion and is effective in suppressing nodular corrosion.
次に、被覆管の表面粗さについて説明する。 Next, the surface roughness of the cladding tube will be described.
表面粗さの異なる2種類のZry−2被覆管(Zry−2(A)およびZry−2(B))について腐食試験を行った結果を、表2に示す。
表2に示すように、いずれの種類の被覆管においても、表面粗さが小さいほうが耐食性が向上することが分かる。 As shown in Table 2, it can be seen that in any type of cladding tube, the smaller the surface roughness, the better the corrosion resistance.
したがって、耐食性を向上するためには表面粗さをできる限り小さくするほうが好ましいが、表面粗さをより小さくするためには複数の表面仕上げ工程を導入し順次表面粗さを小さくするか、より粒度の小さな砥石、研磨紙、研磨剤などを用いて、十分な時間をかけて表面粗さを小さくする必要があり、多大な時間と費用を生ぜしめるため実用的ではない。 Therefore, in order to improve the corrosion resistance, it is preferable to reduce the surface roughness as much as possible. However, in order to reduce the surface roughness, a plurality of surface finishing steps are introduced to sequentially reduce the surface roughness, or to increase the grain size. Therefore, it is necessary to reduce the surface roughness by using a small whetstone, polishing paper, abrasive, etc., and this is not practical because it causes a lot of time and cost.
このため、本発明の高燃焼度用燃料被覆管では製造可能な表面粗さの範囲として0.2μmRa以下とした。Raは算術平均粗さ(中心線平均粗さ)である。製造上、さらに好適な範囲は0.05〜0.2μmRaである。 For this reason, the range of surface roughness that can be manufactured in the fuel burner for high burn-up of the present invention is set to 0.2 μmRa or less. Ra is arithmetic average roughness (centerline average roughness). In production, a more preferable range is 0.05 to 0.2 μmRa.
次に、高燃焼度用燃料被覆管の表面に酸化膜を形成した場合について説明する。 Next, the case where an oxide film is formed on the surface of the high burnup fuel cladding tube will be described.
図6は、本発明の高燃焼度用燃料被覆管において、デブリフレッティングによる燃料破損を抑制するため被覆管の外表面に酸化膜を、二次水素化による燃料破損を抑制するためジルコニウム製ライナ層の表面に酸化膜を形成させた例である。 FIG. 6 shows a high burnup fuel cladding tube according to the present invention, in which an oxide film is formed on the outer surface of the cladding tube to suppress fuel damage due to debris fretting, and a zirconium liner for suppressing fuel damage due to secondary hydrogenation. This is an example in which an oxide film is formed on the surface of the layer.
図6において、符号14はジルコニウム合金製被覆管基材、符号15はジルコニウム製ライナ層、符号16,17は酸化膜を示している。
In FIG. 6,
前述のように、ジルコニウム製ライナ層のFe濃度が約1000ppm以上では腐食速度が小さいため、本発明の高燃焼度用燃料被覆管は、ライナ層と被覆管外表面の双方に腐食特性が比較的近い良好な酸化膜を得ることができる。 As described above, since the corrosion rate is small when the Fe concentration of the zirconium liner layer is about 1000 ppm or more, the high burnup fuel cladding tube of the present invention has relatively low corrosion characteristics on both the liner layer and the outer surface of the cladding tube. A close good oxide film can be obtained.
被覆管外表面の酸化膜厚さを検討するため、外表面に酸化膜を形成した被覆管について、酸化膜を含む外表面の微小硬さを調べた。 In order to examine the oxide film thickness on the outer surface of the cladding tube, the microhardness of the outer surface including the oxide film was examined for the cladding tube having an oxide film formed on the outer surface.
図7は外表面に酸化膜を形成させた本発明の被覆管について、荷重200g、保持時間30秒で、室温において酸化膜が形成された被覆管外表面に圧痕を形成させ、微小硬さを調べた結果である。 FIG. 7 shows an indentation formed on the outer surface of the coated tube on which the oxide film was formed at room temperature with a load of 200 g and a holding time of 30 seconds. It is the result of investigation.
点線は微小硬さを酸化膜厚さに対し最小自乗法で直線近似したものである。 The dotted line is a linear approximation of the microhardness to the oxide film thickness by the least square method.
被覆管はライナ層を除外したのちに、21日または105日の400℃の水蒸気中腐食により酸化膜を形成させた。酸化膜厚さは腐食前後の重量変化から求めた値であり、約2μm、約5μmの酸化膜が形成されている。 After removing the liner layer from the cladding tube, an oxide film was formed by corrosion in water vapor at 400 ° C. on the 21st or 105th. The oxide film thickness is a value obtained from the weight change before and after the corrosion, and an oxide film of about 2 μm and about 5 μm is formed.
微小硬さとして、約2μm、約5μmの酸化膜が形成された被覆管に対し、それぞれ約260〜270Hv、約310〜320Hvの値が測定された。 As the microhardness, values of about 260 to 270 Hv and about 310 to 320 Hv were measured for the coated tubes on which oxide films of about 2 μm and about 5 μm were formed, respectively.
酸化膜を形成させたジルコニウム合金被覆管基材の組成は、Sn濃度約1.5wt%、Fe濃度約0.25wt%、Cr濃度約0.1wt%、Ni濃度約0.05wt%、また、金属間化合物の平均直径約0.07〜0.1μmである。 The composition of the zirconium alloy-coated tube base material on which the oxide film is formed is as follows: Sn concentration: about 1.5 wt%, Fe concentration: about 0.25 wt%, Cr concentration: about 0.1 wt%, Ni concentration: about 0.05 wt%, The average diameter of the intermetallic compound is about 0.07 to 0.1 μm.
通常、酸化物の硬さは金属より大きいことから、表面に酸化膜が形成されることで表面の硬さは大きくなる。 Usually, since the hardness of an oxide is larger than that of a metal, the hardness of the surface is increased by forming an oxide film on the surface.
一方、被覆管強度は照射により増加するが、照射量に対して飽和傾向を示すこと、室温における被覆管強度と微小硬さには比例関係があることが知られている(三島良績ら、日本原子力学会誌、vol.29、90、1987)。 On the other hand, the strength of the cladding tube increases with irradiation, but it is known that there is a saturation tendency with respect to the irradiation dose, and that there is a proportional relationship between the strength of the cladding tube at room temperature and the microhardness (Mishima Yoshitoshi et al., Journal of Atomic Energy Society of Japan, vol.29, 90, 1987).
また。未照射のZry−2被覆管の室温における微小硬さは170〜180Hvで、第1サイクル照射後の微小硬さは約240Hvであることが示されている(三島良績ら、日本原子力学会誌、vol.29、90、1987)。 Also. It has been shown that the non-irradiated Zry-2 cladding tube has a microhardness at room temperature of 170 to 180 Hv and a microhardness after the first cycle irradiation of approximately 240 Hv (Mishima Yoshitoshi et al., Journal of the Atomic Energy Society of Japan , Vol. 29, 90, 1987).
被覆管強度が比較的低い照射開始直後の照射量範囲では被覆管に対するデブリの影響がより大きく現れると考えられ、このことから酸化膜を形成した被覆管表面の微小硬さが大きいほうが、デブリフレッティングに対して抑制効果が大きい。 It is considered that the influence of debris on the cladding tube appears more in the radiation dose range immediately after the start of irradiation, where the strength of the cladding tube is relatively low. It has a great inhibitory effect on ting.
前例の場合、1サイクル照射以降で被覆管引張強度、すなわち硬さも照射量に対し飽和傾向にあることから、被覆管外表面の微小硬さが約240Hv以上となるような酸化膜厚さ範囲をデブリフレッティングの抑制により有効な範囲とした。すなわち図7において、微小硬さが約240Hv以上となる酸化膜厚さ約0.5μm以上がデブリフレッティングの抑制により好適な範囲とした。 In the case of the previous example, since the cladding tube tensile strength, that is, the hardness tends to be saturated with respect to the irradiation amount after one cycle of irradiation, an oxide film thickness range in which the microhardness of the outer surface of the cladding tube is about 240 Hv or more is set. Effective range was achieved by suppressing debris fretting. That is, in FIG. 7, an oxide film thickness of about 0.5 μm or more where the microhardness is about 240 Hv or more is set to a suitable range due to suppression of debris fretting.
すなわち、本発明の高燃焼度用燃料被覆管は表面に酸化膜が形成されていることで比較的強度の低い照射初期の表面硬さが大きくなり、デブリの影響が比較的大きい時期のデブリフレッティングに対する抑制効果を向上させることができるので、高燃焼度までの健全性を向上させることができる。 That is, the high burnup fuel cladding tube of the present invention has an oxide film formed on the surface, so that the surface hardness at the initial stage of irradiation with a relatively low intensity increases, and the debris flickering at a time when the influence of debris is relatively large. As a result, the soundness up to a high burnup can be improved.
外表面に形成する酸化膜の厚さは約0.5μm以上がより好適であり、デブリフレッティングの抑制にさらに好適な範囲は約3μm以上である。 The thickness of the oxide film formed on the outer surface is more preferably about 0.5 μm or more, and a more preferable range for suppressing debris fretting is about 3 μm or more.
次に酸化膜の形成について説明する。 Next, formation of an oxide film will be described.
図8は、酸化膜形成処理における被覆管表面の酸化膜厚さと400℃空気中保持時間の関係を示している。 FIG. 8 shows the relationship between the oxide film thickness on the surface of the cladding tube and the holding time in the air at 400 ° C. in the oxide film forming process.
表3に示す本発明の高燃焼度用燃料被覆管を、400℃の空気中で加熱し、加熱後の重量増加から酸化膜厚さを求めた。
重量増加から酸化膜厚さへの換算は、重量増加15mg/dm2=酸化膜厚さ1μmとし、ジルコニウム合金製被覆管基材およびジルコニウム製ライナ層の表面に形成された酸化膜厚さの平均値を求めている。
Conversion from weight increase to oxide film thickness is weight increase 15 mg / dm 2 =
図8中のA、B、C、Dは、表3のNo.である。 A, B, C, and D in FIG. It is.
酸化膜厚さを加熱時間(図8の横軸)に対して累乗近似し、最小自乗法で指数を求めると約1/3となり、酸化膜厚さが時間に対して飽和傾向を持つことが示される。この傾向は、A、B、C、Dのいずれについても同様であった。 When the oxide film thickness is approximated to the power with respect to the heating time (horizontal axis in FIG. 8) and the exponent is obtained by the method of least squares, it becomes about 1/3, and the oxide film thickness tends to be saturated with respect to time. Indicated. This tendency was the same for all of A, B, C, and D.
このように酸化膜厚さ(重量増加)が時間の1/3乗則にしたがって増加する場合は、密着性、保護性の強い良好な酸化膜が形成されていることを示しており、本発明の高燃焼度用燃料被覆管のジルコニウム合金製被覆管基材およびジルコニウム製ライナ層の双方の表面に形成された酸化膜は密着性、保護性の強い良好な酸化膜であることが示される。 Thus, when the oxide film thickness (weight increase) increases according to the 1/3 power rule, it indicates that a good oxide film with strong adhesion and protection is formed. It is shown that the oxide film formed on the surface of both the zirconium alloy cladding tube base and the zirconium liner layer of the high burnup fuel cladding tube is a good oxide film with strong adhesion and protection.
このように、本発明の高燃焼度用燃料被覆管では、ジルコニウム製ライナ層の耐食性も優れているため、空気中あるいは水蒸気中でジルコニウム合金製被覆管基材およびジルコニウム製ライナ層の双方の表面に同時に酸化膜を形成させた場合においても、ジルコニウム合金製被覆管基材およびジルコニウム製ライナ層の双方の表面に密着性、保護性の強い良好な酸化膜を同時に形成することができる。なお、ジルコニウム合金製被覆管基材表面に形成された酸化膜は、シャドウ腐食の抑制にも有効である。また、ジルコニウム製ライナ層表面に形成された酸化膜は、耐水素吸収性の向上にも有効である。 As described above, in the fuel cladding tube for high burnup according to the present invention, since the corrosion resistance of the zirconium liner layer is excellent, the surfaces of both the zirconium alloy cladding tube substrate and the zirconium liner layer in air or water vapor Even when an oxide film is formed simultaneously, a good oxide film having strong adhesion and protection can be formed simultaneously on the surfaces of both the zirconium alloy cladding tube base and the zirconium liner layer. The oxide film formed on the surface of the zirconium alloy cladding tube base material is also effective in suppressing shadow corrosion. The oxide film formed on the surface of the zirconium liner layer is also effective in improving the hydrogen absorption resistance.
本発明の高燃焼度用燃料被覆管の製造法では、上記の例のように、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム合金製被覆管基材と、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム製ライナ層を冶金学的に結合させ、熱間および/または冷間塑性加工処理、焼鈍処理を加えた被覆管を、空気中、水蒸気中または水中で加熱処理を行うことで、ジルコニウム合金製被覆管基材とジルコニウム製ライナ層の表面に同時に密着性、保護性の強い良好な酸化膜を形成させることができる。 In the method for producing a high burnup fuel cladding tube of the present invention, as in the above example, Sn is 1.2 to 1.7 wt%, Fe is 0.20 to 0.35 wt%, Ni is 0.00. 03 to 0.08 wt%, Cr 0.05 to 0.20 wt%, containing unavoidable impurities, the zirconium alloy cladding tube base material consisting of zirconium, Fe about 1000 wtppm or more unavoidable impurities In addition, the cladding tube containing the zirconium liner layer, the balance of which is zirconium, is metallurgically bonded and subjected to hot and / or cold plastic working treatment and annealing treatment, and then the heat treatment is performed in air, steam or water. By doing so, a good oxide film with strong adhesion and protection can be formed simultaneously on the surfaces of the zirconium alloy cladding tube base and the zirconium liner layer.
空気中、水蒸気中または水中での加熱処理は外面研磨などの仕上げ加工ののちに行うことのほか、燃料棒下部端栓を溶接したのちなどに行うこともできる。 The heat treatment in air, water vapor or water can be performed after finishing processing such as external polishing, or after welding the fuel rod lower end plug.
加熱処理の温度、時間は、ジルコニウム合金製被覆管基材とジルコニウム製ライナ層の表面に形成させる酸化膜厚さに依存して決定することができる。密着性、保護性の強い良好な酸化膜を得るには、例えば300〜400℃の温度で加熱処理することが望ましいが、より短時間で所定厚さの酸化膜を得るためには400℃以上の温度で加熱処理することも可能である。ただし、加熱処理は、最終焼鈍温度よりは低い温度で行うことが望ましい。 The temperature and time of the heat treatment can be determined depending on the oxide film thickness formed on the surfaces of the zirconium alloy cladding tube base and the zirconium liner layer. In order to obtain a good oxide film with strong adhesion and protection, it is desirable to perform heat treatment at a temperature of, for example, 300 to 400 ° C., but in order to obtain an oxide film with a predetermined thickness in a shorter time, 400 ° C. or higher. It is also possible to heat-process at the temperature of. However, the heat treatment is desirably performed at a temperature lower than the final annealing temperature.
次に、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径の管理について説明する。 Next, management of the average diameter of the intermetallic compound in the zirconium alloy cladding tube base material will be described.
内部に核燃料を収納するジルコニウム合金製被覆管基材と、前記ジルコニウム合金製被覆管基材の内側で前記ジルコニウム合金製被覆管基材と冶金学的に結合したジルコニウム製ライナ層とを有し、前記ジルコニウム合金製被覆管基材は、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなり、前記ジルコニウム製ライナ層は、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなる、高燃焼度用燃料被覆管の製造方法において、900℃以上の温度に加熱し冷却する熱処理以降に行うα相における熱間および/または冷間塑性加工処理、焼鈍処理において、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径を以下の原理により制御するようにした。 A zirconium alloy cladding tube base material containing nuclear fuel therein, and a zirconium liner layer metallurgically bonded to the zirconium alloy cladding tube substrate inside the zirconium alloy cladding tube substrate; The zirconium alloy cladding tube base material is 1.2 to 1.7% by weight of Sn, 0.20 to 0.35% by weight of Fe, 0.03 to 0.08% by weight of Ni, and 0.8% of Cr. High burnup fuel containing 05 to 0.20% by weight, containing inevitable impurities, the balance being made of zirconium, and the zirconium liner layer containing inevitable impurities of about 1000 ppm by weight or more of Fe, and the balance being made of zirconium In the manufacturing method of the cladding tube, in the hot and / or cold plastic working treatment and annealing treatment in the α phase after the heat treatment that is heated to 900 ° C. or higher and cooled, The average diameter of manufacturing cladding tubes intermetallic compound substrates in the as controlled by the following principle.
Zry−4の金属間化合物(Zr(Fe,Cr)2)の大きさと時間と温度の関係を調べた結果(J.P.GROS,J.F.WADIER,J.Nucl.Mater.,172,85,1990)では、金属間化合物の大きさ(直径)、Dは次式(二次累積焼鈍パラメータ)で与えられることが報告されている。
D3−D0 3=[(k/T2)exp(−Q/RT)]t ・・・(1)
D0:焼鈍前の金属間化合物の大きさ
T:焼鈍温度(K)
t:焼鈍時間(h)
k:係数(=1.11×10−11)
Q/R:係数(=18700)
As a result of examining the relationship between the size of Zry-4 intermetallic compound (Zr (Fe, Cr) 2 ), time and temperature (JP GROS, JF WADIER, J. Nucl. Mater., 172) 85, 1990), it is reported that the size (diameter) and D of the intermetallic compound are given by the following equation (secondary cumulative annealing parameter).
D 3 −D 0 3 = [(k / T 2 ) exp (−Q / RT)] t (1)
D 0 : Size of intermetallic compound before annealing
T: Annealing temperature (K)
t: annealing time (h)
k: coefficient (= 1.11 × 10 −11 )
Q / R: coefficient (= 18700)
この報告では、焼鈍前の金属間化合物の大きさが0.12μmである場合について、650℃、700℃、750℃、780℃の温度で、5時間、15時間、30時間、50時間の焼鈍を行った後の金属間化合物の大きさを調べ、前述の式(1)を導出している。 In this report, when the size of the intermetallic compound before annealing is 0.12 μm, annealing is performed at temperatures of 650 ° C., 700 ° C., 750 ° C., and 780 ° C. for 5 hours, 15 hours, 30 hours, and 50 hours. The size of the intermetallic compound after performing the above is examined, and the above-described formula (1) is derived.
これに対して、本願発明者らは、この報告で示されている金属間化合物の大きさを用いて、さらに詳細に時間と温度の関係を検討した結果、D3−D0 3はt0.74に比例しており、次式により金属間化合物の大きさを精度よく表すことができることを見出した。
D3−D0 3=2.19×104×t0.74×exp(−17100/T)
・・・(2)
On the other hand, as a result of examining the relationship between time and temperature in more detail using the size of the intermetallic compound shown in this report, the present inventors have found that D 3 -D 0 3 is t 0. .74 is proportional to, we found that it is possible to accurately represents the size of the intermetallic compound by the following equation.
D 3 −D 0 3 = 2.19 × 10 4 × t 0.74 × exp (−17100 / T)
... (2)
上式(2)は金属間化合物の体積変化を扱ったものであるから、Zr(Fe,Cr)2のみならずZr2(Fe,Ni)についても適用可能であると考えられるため、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径に対して適用する。 Since the above formula (2) deals with the volume change of the intermetallic compound, it is considered that not only Zr (Fe, Cr) 2 but also Zr 2 (Fe, Ni) can be applied. 1.2 to 1.7 wt%, Fe 0.20 to 0.35 wt%, Ni 0.03 to 0.08 wt%, Cr 0.05 to 0.20 wt%, including inevitable impurities This is applied to the average diameter of the intermetallic compound in the zirconium alloy cladding tube base material with the balance being zirconium.
しかして、900℃以上の温度に加熱し冷却する熱処理以降に行う、α相における熱間および/または冷間塑性加工処理、焼鈍処理において、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径DAは、下記式(3)で得ることができる。
DA=[D0 3+2.19×104×Σti 0.74×exp(−17100/Ti)]1/3 ・・・(3)
D0:900℃以上の温度に加熱し冷却したのちの金属間化合物の平均直径。
ti:α相でのi番目の焼鈍における保持時間(h)。
Ti:α相でのi番目の焼鈍温度(K)。
Thus, the average of intermetallic compounds in the zirconium alloy cladding tube base material in the hot and / or cold plastic working treatment and annealing treatment in the α phase, which is performed after the heat treatment of heating to 900 ° C. or higher and cooling. The diameter D A can be obtained by the following formula (3).
D A = [D 0 3 + 2.19 × 10 4 × Σt i 0.74 × exp (−17100 / T i )] 1/3 (3)
D 0 : Average diameter of intermetallic compound after heating to 900 ° C. or higher and cooling.
t i : Holding time (h) in the i-th annealing in the α phase.
T i : i-th annealing temperature (K) in the α phase.
Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム合金被覆管基材、および、Feを約1000重量ppm以上と不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム製ライナ層を、約1000℃に加熱し急冷したのち、機械加工を施し、合わせビレットとした。合わせビレットを約600℃で数分、熱間押出しし、冷間圧延したのち、670℃または635℃で2.3時間の焼鈍を施した。続いて、冷間圧延を施し、621℃で1.3時間の焼鈍を行い、この冷間圧延、焼鈍のプロセスを2回繰り返した。さらに冷間圧延し、577℃で2.5時間焼鈍を行った。約1000℃に加熱し急冷したZry−2における金属間化合物の平均直径が0.02〜0.04μmであったことから、上記式(3)においてD0として0.03μmとし、DAを求めると、途中、670℃または635℃で2.3時間の焼鈍を施した被覆管について、それぞれ、0.10μmまたは0.09μmとなった。 Sn 1.2-1.7 wt%, Fe 0.20-0.35 wt%, Ni 0.03-0.08 wt%, Cr 0.05-0.20 wt%, unavoidable impurities A zirconium alloy clad tube base material comprising the remainder of zirconium, and a zirconium liner layer comprising Fe in an inevitable impurity of about 1000 ppm by weight or more and the remainder comprising zirconium, after being heated to about 1000 ° C. and rapidly cooled Machined to make a billet. The combined billet was hot extruded at about 600 ° C. for several minutes, cold-rolled, and then annealed at 670 ° C. or 635 ° C. for 2.3 hours. Subsequently, cold rolling was performed, annealing was performed at 621 ° C. for 1.3 hours, and this cold rolling and annealing process was repeated twice. Furthermore, it cold-rolled and annealed at 777 degreeC for 2.5 hours. Since the average diameter of the intermetallic compound in Zry-2 heated to about 1000 ° C. and rapidly cooled was 0.02 to 0.04 μm, D 0 was set to 0.03 μm in the above formula (3), and D A was obtained. On the way, the cladding tubes annealed at 670 ° C. or 635 ° C. for 2.3 hours were 0.10 μm or 0.09 μm, respectively.
一方、式(1)による金属間化合物の平均直径は、いずれも場合も約0.07μmとなった。 On the other hand, the average diameter of the intermetallic compound according to the formula (1) was about 0.07 μm in all cases.
製造された被覆管のジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径を透過型電子顕微鏡で調べたところ、途中、670℃または635℃で2.3時間の焼鈍を施した被覆管について、それぞれ、0.10μmまたは0.09μmであり、上記式(3)はジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径DAを精度よく示しており、式(1)においては目的とする金属間化合物の平均直径を得ることは困難であることが判明した。 When the average diameter of the intermetallic compound in the zirconium alloy cladding tube substrate of the manufactured cladding tube was examined with a transmission electron microscope, it was subjected to annealing at 670 ° C. or 635 ° C. for 2.3 hours. for each a 0.10μm or 0.09 .mu.m, the equation (3) shows precisely a mean diameter D a of the intermetallic compounds of zirconium alloy cladding tube substrate in, in the formula (1) It has been found difficult to obtain the average diameter of the target intermetallic compound.
なお、ジルコニウム合金製被覆管基材の金属間化合物の平均直径は、外表面の任意の領域について透過型電子顕微鏡によりZr−Fe−Cr系およびZr−Fe−Ni系金属間化合物を観察し、金属間化合物を球形と近似した場合の平均直径とした。 In addition, the average diameter of the intermetallic compound of the cladding tube base material made of zirconium alloy was observed for the Zr-Fe-Cr-based and Zr-Fe-Ni-based intermetallic compounds with a transmission electron microscope for an arbitrary region of the outer surface, It was set as the average diameter when the intermetallic compound was approximated to a sphere.
このように、内部に核燃料を収納するジルコニウム合金製被覆管基材と、この被覆管基材の内側に前記ジルコニウム合金と冶金学的に結合したジルコニウム製ライナ層とからなる高燃焼度用ライナ型核燃料被覆管において、前記ジルコニウム合金製被覆管基材が、Snを1.2〜1.7重量%、Feを0.20〜0.35重量%、Niを0.03〜0.08重量%、Crを0.05〜0.20重量%、そのほか不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム合金製被覆管基材であって、前記ジルコニウム製ライナ層が、Feを約1000重量ppm以上、そのほか不可避不純物を含み、残部がジルコニウムからなるジルコニウム製ライナ層である高燃焼度用燃料被覆管において、900℃以上の温度に加熱し冷却する熱処理以降に行う、α相における熱間および/または冷間塑性加工処理、焼鈍処理において、上記式(3)による熱処理を行うことにより、ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径DAが0.05〜0.20μmとなる高燃焼度用燃料被覆管を得ることができる。 Thus, a high burn-up liner mold comprising a zirconium alloy cladding tube base material containing nuclear fuel and a zirconium liner layer metallurgically bonded to the zirconium alloy inside the cladding tube base material. In the nuclear fuel cladding tube, the zirconium alloy cladding tube base material includes 1.2 to 1.7 wt% of Sn, 0.20 to 0.35 wt% of Fe, and 0.03 to 0.08 wt% of Ni. , A zirconium alloy cladding tube base material containing 0.05 to 0.20% by weight of Cr, in addition to unavoidable impurities, and the balance being zirconium, wherein the zirconium liner layer is about 1000 ppm by weight or more of Fe, Heat treatment that heats and cools to a temperature of 900 ° C. or higher in a high-burn-up fuel cladding tube that is a zirconium liner layer that contains inevitable impurities and the balance is zirconium. Performed in descending, hot and / or cold plastic working process in the α phase at the annealing process, heat treatment is performed according to the above formula (3), the average diameter D of the intermetallic compounds of zirconium alloy cladding tube substrate in It is possible to obtain a fuel cladding tube for high burnup in which A is 0.05 to 0.20 μm.
1 炉心
2 燃料要素
3 水
4 蒸気
5 タービン
6 復水器
7 燃料集合体
8 チャンネルボックス
9 燃料棒
10 ウォータロッド
11 上部タイプレート
12 下部タイプレート
13 スペーサー
14 ジルコニウム合金製被覆管基材
15 ジルコニウム製ライナ層
16 酸化膜
17 酸化膜
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記高燃焼度用燃料被覆管を900℃以上の温度に加熱し冷却する熱処理を行う工程と、
前記熱処理の工程の後に、α相における熱間および/または冷間塑性加工処理と焼鈍処理とを行う工程と、を有し、
前記α相における熱間および/または冷間塑性加工処理と焼鈍処理は、下記式により、前記ジルコニウム合金製被覆管基材中の金属間化合物の平均直径DAが0.05〜0.20μmとなるように管理することを特徴とする高燃焼度燃料被覆管の製造方法。
DA=[D0 3+2.19×104×Σti 0.74×exp(−17100/Ti)]1/3
ここで、D0:900℃以上の温度に加熱し冷却したのちの金属間化合物の平均直径。
ti:α相でのi番目の焼鈍における保持時間。
Ti:α相でのi番目の焼鈍温度。 A zirconium alloy cladding tube base material containing nuclear fuel therein, and a zirconium liner layer metallurgically bonded to the zirconium alloy cladding tube substrate inside the zirconium alloy cladding tube substrate; The zirconium alloy cladding tube base material is 1.2 to 1.7% by weight of Sn, 0.20 to 0.35% by weight of Fe, 0.03 to 0.08% by weight of Ni, and 0.8% of Cr. 05 to 0.20% by weight, containing inevitable impurities, the balance being made of zirconium, the zirconium liner layer containing Fe in an inevitable impurity of about 1000 ppm to 1500 ppm by weight, and the balance being made of zirconium, In the method of manufacturing a fuel cladding tube for high burnup,
Performing a heat treatment for heating and cooling the fuel cladding tube for high burnup to a temperature of 900 ° C. or higher;
After the heat treatment step, performing a hot and / or cold plastic working treatment and an annealing treatment in the α phase,
Annealing the hot and / or cold plastic working process in the α phase, by the following equation, the average diameter D A of the intermetallic compounds of the zirconium alloy cladding tube substrate in and a 0.05~0.20μm A method for producing a high burnup fuel cladding tube, characterized by comprising:
D A = [D 0 3 + 2.19 × 10 4 × Σt i 0.74 × exp (−17100 / T i )] 1/3
Here, D 0 : the average diameter of the intermetallic compound after heating to 900 ° C. or higher and cooling.
t i : Holding time in the i-th annealing in the α phase.
T i : i-th annealing temperature in the α phase.
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