JPH02140688A - 原子炉用分散強化型フェライト鋼被覆管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） 本発明は、優れた高温強度と耐スエリング性を有し、且
つＵ、Ｐｕ混合酸化物燃料との共存性（以下、「燃料共
存性」という）に優れた原子炉用分散強化型フェライト
鋼被覆管に係り、更に詳細には、高速増殖炉の燃料被覆
管で、燃料長寿命化のために必要な被覆管内面の燃料共
存性を大幅なコストアップなしに改善した分散強化型フ
ェライト鋼被覆管とその製造方法に関するものである。 （従来の技術） 高速増殖炉の燃料被覆管は、６５０℃前後の高温、高速
中性子照射下で核分裂生成ガスによる内圧に耐え、内部
のＵ、Ｐｕ混合酸化物燃料を保護する役目を有し、優れ
た高温強度や、高速中性子照射によるふくれに対する抵
抗性（耐スエリング性）並びに燃料共存性が特に重要な
要求性能となる。 原子炉プラントの経済性向上のためには燃料を長期間燃
焼させる必要があり、このためには長期間の使用に耐え
る高性能の燃料被覆管の開発が要望されている。 従来、かＳる被覆管材料として、高温強度の優れた３１
６鋼等のオーステナイト系ステンレス鋼が用いられてき
たが、耐スエリング性が劣るため長期間の使用に耐えな
いことが明らかになった。 一方、オーステナイト系ステンレス鋼に比べ、フェライ
ト系ステンレス鋼は格段に優れた耐スエリング性を有す
る反面、高温強度が低いという欠点があった。 この点、フェライト系ステンレス鋼の高温強度改善方法
の一つとして１機械的合金化法のような粉末冶金を利用
して金属中に熱安定性の優れたＹ２Ｏ３、ＺｒＯ２等の
酸化物微細粒子を分散させて強化する方法が知られてお
り、このような酸化物分散強化型フェライト鋼が将来の
被覆管材料として有望視されている。 （発明が解決しようとする課題） しかし乍ら、このような分散強化型フェライト鋼は優れ
た耐スエリング性と高温強度を兼ね備え、長寿命被覆管
材料として有望であるものの、以下のような問題がある
。 すなわち、分散強化型フェライト鋼としては、特公昭６
０−８２９６号「高速中性子増殖炉用の分散強化フェラ
イト型合金」の実施例に示されているように、Ｃｒ含有
量１６％未満が主体となっている。 これは、フェライト系鋼のＣｒ１ｔが多くなると、被覆
管の使用温度範囲の約４００〜７００℃で、周知の通り
、４７５℃脆性とσ相脆性が起き、被覆管の健全性が問
題となるためであり、これらの脆性を制限するため、Ｃ
ｒ量は約１５％以下が望ましい。 また、分散強化型フェライト鋼には、高温強度が圧延方
向に強く、圧延方向と直角方向では弱いという異方性の
問題があり、この特有の異方性を改善するにはマルテン
サイト組織の導入が好ましく、マルテンサイト相を生成
させるためには特にＣｒ量を１３％以下と低くする必要
があるからである。 一方、Ｆｅ−Ｃｒフェライト系鋼の耐食性、特に耐酸化
性はＣｒ量のみに依存するため、Ｃｒ量が１３％以下の
如く低いと、酸化現象が主体である燃料共存性がオース
テナイト系ステンレス鋼に比べて劣るという問題がある
。このような燃料共存性、すなわち被覆管内面の腐食は
、高温強度と耐スエリング性の優れた分散強化型フェラ
イト鋼被覆管において、寿命或いは使用性能を制限する
因子となるので、この改善が重要な課題である。 本発明は、上記要請に応えるべくなされたものであり、
優れた燃料共存性を有すると共に高温強度、耐スエリン
グ性を有する原子炉用分散強化型フェライト鋼被覆管を
大幅なコストアップがなく得られる技術を提供すること
を目的どするものである。 （課題を解決するための手段） 前述の如く、従来の分散強化型フェライト鋼はＣｒ量が
１６％未満が主体であり、高温強度、耐スエリング性は
良いものの、Ｃｒ量が少ないため燃料共存性に問題があ
ることに鑑みて、本発明者は、燃料共存性を改善し得る
方策について鋭意研究を重ねた。 その結果、Ｃｒ量の少ない分散強化型フェライト鋼の利
点（高温強度、耐スエリング性）を利用して燃料管本体
を構成し、その内面に燃料共存性の優れた高Ｃｒ量のフ
ェライト鋼をライニングする２層構造の燃料被覆管とす
ることにより、可能であることを見い出し、ここに本発
明をなしたものである。 すなわち、本発明に係る原子炉用分散強化型フェライト
鋼被覆管は、２Ｎ構造を有する原子炉用被覆管であって
、被覆管本体はセラミックスを分散させ且つＣｒ：８〜
１３％を含む分散強化型フェライト鋼からなり、該被覆
管本体の内面にＣｒ：１８〜３０％を含むフェライト鋼
をライニングしたことを特徴とするものである。 また、その製造方法は、２暦構造を有する原子炉用被覆
管を製造するに当たり、管状カプセルの外筒と内筒の間
に、セラミックスを分散させ且つＣｒ：８〜１３％を含
むフェライト鋼粉末を封入すると共に、該内筒をＣｒ：
１８〜３０％を含むフェライト鋼とし、次いで該管状カ
プセルを熱間加工して前記粉末と内筒を一体化させるこ
とを特徴とするものである。 以下に本発明を更に詳細に説明する。 （作用） 燃料共存性で問題となる腐食は、被覆管内の水分及び酸
化物燃料による酸化に基づくもので、酸化速度は核分裂
生成物であるＣｓ、Ｔｅにより促進される。そこで１本
発明者は、燃料共存性を模擬した腐食試験として、一般
に核分裂生成物であるＴｅ、Ｃｓを含有させた高温蒸気
による腐食試験が行われているのと同様の腐食試験を、
　Ｃｒｆｆ１を約９〜２５％に変化させたＦｅ−Ｃｒ１
ｌについて行った。その試験結果を第１図に示す。なお
、模擬燃料条件として核分裂生成物であるＣｓ、Ｔｅを
含有せしめた５００〜７００℃の高温蒸気中に５０ｈｒ
浸漬し、腐食による重量変化を求めた。試験材はＦｅ−
Ｃｒ鋼でＣｒ量を約９．１４．２０．２５％と変化させ
たものを用いた。 第１図より、Ｃｒｆｆ１の増加と共に腐食量は減少し、
Ｃｒ量１４％の場合に比べ、Ｃｒ量約１８％以上のもの
では腐食量が約半分以下となることがわかる。したがっ
て、燃料共存性の改善のためには分散強化型フェライト
鋼被覆管のＣｒ量を増せばよいのであるが、Ｃｒ量の増
加は前述の如く脆化と組織選定の観点から問題となる。 そこで、強度部材である被覆管本体とは別に、この被覆
管（分散強化型フェライト鋼）の内側に高Ｃｒフェライ
ト鋼の薄肉管を内張すすることにより、被覆管の特性を
損なうことなく燃料共存性を改善しようとするのが本発
明のポイントの１つである。 本　　の　　弓ｒリ　　　　　−） 内張り材（内筒）に要求される主要な特性は、以下■〜
■の通りである。 ■　Ｃｒ量が高いこと。強度は被覆管本体が分坦するの
で、脆化は問題とならない。 ■　スエリング性が被覆管本体と同等であること。被覆
管本体よりスエリングが大きい場合には、内圧に重畳す
る応力を被覆管本体に加えることになる。 ■　被覆管本体と共に加工されるので、加工性がよいこ
と。 ■　熱′伝導性から被覆管本体との密着性が優れている
こと。 上記■、■、■の要求特性から、内張り材としては、Ｃ
ｒ：１８〜３０％を含むフェライト鋼で本質的にＢＣＣ
構造を有するフェライト系鋼である必要がある。Ｃ：０
．２％以下、Ｃｒ：１８〜３０％を含有し、残部Ｆｅ及
び不可避的不純物からなる組成が好ましい。 Ｃｒは、燃料共存性の改善のポイントとなる成分であり
、第１図に示したように１８％までＣｒ量と共に腐食量
も急激に減少し、それ以上ではＣｒ増量による腐食軽減
の効果はゆるやかになる傾向がみられること、またＣｒ
量が３０％を超えると加工性が劣化することから、Ｃｒ
の適正含有量は１８〜３０％の範囲である。 内張り材は強度部材ではないので、Ｃの添加は不要であ
るが、Ｔｉ、Ｎｂ等の添加と組合わせて少量の炭化物を
析出させ、結晶粒を微細化させて加工性を改善しようと
する場合には、少量のＣ添加も望ましい。しかし、Ｃは
、約０．２％を超えると著しく硬化して加工性を損なう
ため、０．２％以下が好ましい。 上記成分以外に、加工性、燃料共存性の改善のためにＴ
ｉ、Ｎｂ、Ｖ、Ｚｒをそれぞれ２％以下の範囲で１種又
は２種以上を必要に応じて更に加えてもよい。 被１］１１化 被覆管本体は、セラミックスを分散させ且っＣｒ：８〜
１３％を含む分散強化型フェライト鋼により構成し、高
温強度と優れた耐スエリング性を確保する。なお、基地
材としてフェライトにマルテイサイト組織を導入した組
織のものも含まれ、この場合には、熱処理による延性の
向上及び異方性の減少を改善することができる。 Ｃｒは耐食性、脱炭抵抗性を向上させるために不可欠な
成分であり、そのためには８％以上が必要である。しか
し、１３％を超えると、被覆管の使用温度範囲（約４０
０〜７００℃）でδ−フェライト量の増加による４７５
℃脆性やσ相脆性が生じ１強度と靭性を損なうことにな
り、またマルテンサイト相を生成させたい場合には不可
能となる。 したがって、Ｃｒ量は８〜１３％の範囲とする。 基地材は上記Ｃｒを必須成分とするが、必要に応じて、
以下に示す種々の元素の１種又は２種以上を適量で含有
させることができる。含有させる場合、各元素の望まし
い添加量、作用等について以下に説明する。 Ｃはオーステナイト安定化元素であり、マルテンサイト
組織を安定化する。更に、合金元素Ｎｂ。 ■、Ｃｒ等と結合し、微細炭化物を形成してクリープ破
断強度を改善する。しかし、０．０４％未満ではその効
果は不十分であり、δ−フェライト量の増加により著し
く強度と靭性を損ない、また０、２％を超えると炭化物
が増加して鋼が硬化し、その加工性、溶接性を損なう。 したがって、Ｃ量は０．０４〜０．２％の範囲とする。 Ｓｉは、脱酸剤として添加され、酸化物の分散性も制御
するが、０．３％を超えると高温加熱中の脆化が著しく
なる。したがって、Ｓｉ量は０．３％以下、好ましくは
０．１％以下にすることにより、靭性改善効果が大きく
なる。 Ｍｎは、熱間加工性を改善し１組織の安定化に有効であ
るが、１．５％を超えると硬化相を形成し、靭性、加工
性を損なうので、１．５％以下とする。 Ｎｉは、オーステナイト安定化元素としてマルテンサイ
ト組織を安定にする成分であり、δ−フェライト量を調
整して強度、靭性、加工性を付与する場合には０．１％
以上を含有させる。しかし。 １％を超えるとクリープ強度を損ない、更に変態点が低
くなりすぎて熱処理性及び加工性を損なう。 したがって、Ｎｉ量は０．１〜１％の範囲とする。 Ｍｏ、Ｗはともに固溶強化元素であり、且つ炭化物、金
属間化合物の構成元素としてクリープ強度の向上に寄与
する。しかし、ＭＯｌＷともそれぞれ０．１％未満では
その効果は得られず、またＭｏが２，５％を超える場合
、Ｗが４％を超える場合には、δ−フェライト量が増加
して靭性を損なうばかりか、更に高温中で多量の金属間
化合物が析出して脆化する。したがって、Ｍｏｊｌは０
．１〜２．５％、Ｗ量は０．１〜４％の範囲とする。 ■は、Ｃ，Ｎと結合してＶ（Ｃ，Ｎ）の微細析出物を形
成し、クリープ強度の向上に寄与する。また酸化物の分
散性を制御する。しかし、０．１％未満では十分な効果
が得られず、０．４％を超えると却って強度を損なう。 したがって、Ｖ量は０゜１〜０．４％の範囲とする。 Ｎｂは、■と同様に、Ｃ，Ｎと結合してＮｂ（Ｃ１Ｎ）
の微細析出物を形成し、クリープ強度の向上に寄与し、
酸化物の分散性をも制御する。また組織を微細化して靭
性を改善するにも有効である。 しかし、ｏ、ｏｉ％未満では効果が得られず。 方、０．２％を超えると熱処理中に未固溶析出物が多量
に残存し、クリープ強度を損なう。したがって、Ｎｂ量
は０．０１〜０．２％の範囲とする。 ＡＱは、脱酸剤として添加できるが、０．０３％を超え
るとクリープ強度を損なうので、０００３％以下とする
。 Ｎは、■、Ｎｂと結合し、窒化物を形成してクリープ強
度向上に寄与する。しかし、０．０１％未満ではその効
果がなく、０．０８％を超えると加工性、靭性及び溶接
性を低下させる。したがって、Ｎ量は０．０１〜０．０
８％の範囲とする。 Ｂは、微量添加により炭化物を分散、安定化させ、クリ
ープ強度向上に寄与するが、０．００１％未満では効果
がなく、０．０１％を超えると加工性及び溶接性を低下
させる。したがって、Ｂ量は０．００１〜０．０１％の
範囲とする。 Ｚｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｃａは、単独或いは複合で微量添加
すると、介在物の形態制御と靭性に有害な不純物中のＰ
、Ｓの清浄化作用がある。また酸化物の分散性を制御す
る。これらの元素の総計含有量が０．０５％未満では上
記効果が得られず、また０、３％を超えると靭性及び加
工性に有害となる。 したがって、これらの元素は単独添加或いは複合添加で
総計が０．０５〜０．３％の範囲で添加する。 Ｔｉは、　Ｙ、０３粉末等の酸化物分散粒子と反応して
より安定な分散粒子を形成し、クリープ強度の向上に寄
与する。しかし、０．３％未満では十分な効果が得られ
ず、２％を超えると却って強度を損なう。したがって、
Ｔｉ量は０．３〜２％の範囲とする。 上記成分を有する組成の一例を挙げるならば、Ｃ：０．
０４〜０．２％、ｓｉ：ｏ、３％以下、Ｍｎ：１゜５％
以下、Ｃｒ：８−１３％、ＡＱ：０．０３％以下を含み
、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなるものが望まし
い。また、これをベースとし、Ｎｉ、Ｎ、Ｂ、Ｔｉ、並
びにＺｒ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｃａの群等のうち、１種又は２
種以上を適宜含有させた組成も挙げられる。更に、上記
ベースに、・Ｍｏ、Ｗの１種以上を含有させた組成や、
■、Ｎｂの１種以上を含有させた組成等も挙げられる。 次に、基地材に均一に分散させるセラミックスについて
説明する。 そのためのセラミックスとしては、Ｙ２Ｏ，粉末、Ｚｒ
Ｏ２、ＡＱ２０．、Ｍｇ○等々が適当であり、これらの
１種又は２種以上を添加する。平均粉末粒径が３０００
人よりも大きいと強度向上効果が小さいので、３０００
Å以下のものが望ましい、また、これらの酸化物粉末の
総計含有量が０．０５％未満では上記効果が得られず、
１．５％を超えると靭性及び加工性に有害となるので、
０．０５〜１．５％の範囲で含有させるのが望ましい。 このようなセラミックスを機械的合金化法のような粉末
冶金的方法により基地材に均一に分散させることにより
、クリープ強度を向上することができる。 蔦」じ［Δ見（に［艮 本発明の第２のポイン１−は、前述の要求特性■に関し
、密着性に優れ、コストアップを抑えた内張り付被覆管
の製造方法にある。 一般に金属粉末を固化、成形し、管、板、棒状製品を作
るためには、まず粉末をカプセルに充填し、脱気、密封
後、ＨＩＰ或いは熱間押出等の熱間加工により固化し、
次いで、カプセル材を切削又は酸洗等により除去した後
、二次加工される。 管の場合は中空のカプセルが用いられる。 本発明においては、上記粉末冶金的方法により燃料被覆
管を製造する。その場合、カプセルとして管状のカプセ
ルを用い、この管状カプセルの中に内筒（内張り材）を
配置し、管状カプセルと内筒との間に被覆管本体となる
金属粉末とセラミックス粉末との混合粉末を充填し、内
筒に前述の内張り材の継目無管或いは溶接管を使用して
熱間加工を行う。なお、基地材の金属粉末は元素粉或い
は合金粉のいずれでもよい。加工後は、内筒を除去せず
、そのまま二次加工し、最終製品まで仕上げることによ
って内張り付被覆管が得られる。 この方法は、粉末冶金による分散強化型フェライト鋼被
覆管の通常の製造工程であるため、コストアップはほと
んどなく、また粉末固化時の高温高圧下で内筒が被覆管
本体の分散強化型フェライト鋼と接合されるので、内張
り材の密着性も極めて優れたものが得られる。 内張り材の厚さは、燃料共存性改善のための有効性と被
覆管全肉厚の制限から約１０〜１００μ■が適当であり
、その厚さはカプセル内筒の肉厚と被覆管までの全加工
率によって制御できる。 次に本発明の実施例を示す。 （実施例） 本発明の分散強化型フェライト鋼被覆管の製造性を具体
的に確認するため、第２図に示すカプセルを用いて試験
を行った。 第２図のカプセルは熱間押出用の中空カプセルであり、
内筒３と外筒４を有し、底部５と脱気パイプ１を取付け
た頭部２とを有する構造のものである。内筒としては第
１表に示す２０％Ｃｒフェライト鋼の内張り材を用い、
この内筒３と外筒４の間には、第２表に示す組成となる
ように平均粉末粒径５００μｍ以下の基地材（金属粉末
）と酸化物微細粉末を配合し、アトライターでＡｒ雰囲
気中で混合し機械的合金化処理を行った粉末６を用いた
。アトライターの回転数は２００〜２５０ｒｐ■、撹拌
時間は２４〜４８ｈｒである。また脱気パイプ１、頭部
２、外筒４、底部５には軟鋼を用いた。 カプセルの組立て手順は以下の通りである。 まず、脱気バイブ１を接合した頭部２に内筒３を取付け
る（溶接部■）０次いで、外筒４を頭部２に取付ける（
溶接部■）、内筒３と外筒４の間に混合粉末６を充填し
た後、底部５を取付け、外筒４及び内筒３と溶接する（
■、■）。組立後のカプセルを４００℃に加熱しながら
脱気パイプ１より真空ポンプにて１０−’Ｔｏｒｒ程度
まで脱気し、脱気パイプ１をカシメ、溶接して密封した
。 密封した管状カプセルを１１００′ＣＸ　１　ｈｒ加熱
して押出プレスにより熱間押出（押出比は８〜１５：、
１）を行い、素管を製作した。素管の頭部、底部を切断
し、曲がり矯正した後、外筒を切削により除去した。次
いでこれを温間圧延及び温間抽伸工程により、所定厚さ
の内張り付分散強化型フェライト鋼被覆管を製作した。 第３表に、被覆管本体について常温引張試験、６５０℃
引張試験及び６５０℃クリープ破断試験を行った結果を
示す。なお、供試材は被覆管に９５０〜１０５０℃焼き
ならし、７５０〜８００℃焼き戻し熱処理を施したもの
であり、引張試験片はこの供試片から６１１ＩＩｌφＸ
３０＋＋ａＧＬの丸棒引張試験片を圧延方向（Ｌ方向）
及びそれに垂直な方向（Ｔ方向）で採取した。 第３表より明らかなとおり、本発明の被覆管本体は、６
５０℃Ｘ　１０’ｈｒクリ一プ破断強度において８　、
　Ｏｋｇｆ／ｍｍ２を超え、既存の鋼を遥かに凌いでお
り、また延性及び６５０℃Ｘ　１０’ｈｒクリ一プ破断
強度の異方性が既存鋼に比べて非常に少ない。 また、燃料共存性について調査したところ、第１図に示
したＣｒ１２０％の場合と同じ結果が得られ、優れた燃
料共存性を備えていることが確認された。更に耐スエリ
ング性についても調査した結果、良好であることが別途
確認された。

【以下余白】

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明によれば、特定材料にて２
層構造の燃料被覆管を構成したので、優れた燃料共存性
を有し、且つ高温強度、耐スエリング性を有する分散強
化型フェライト鋼被覆管を得ることができ、また異方性
も改善可能である。 更には通常の粉末冶金的方法により製造できるので大幅
なコストアップなく得ることができる。したがって、高
速増殖炉の長寿命燃料被覆管として好適であり、原子炉
プラントの経済性向上に貢献する効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は模擬燃料条件下におけるＦｅ−Ｃｒ鋼の腐食特
性をＣｒ含有量との関係で示す図、第２図は分散強化型
フェライト鋼被覆管を製造するための熱間押出用カプセ
ルを示す断面図である。 １・・脱気パイプ、２・・・頭部、３・・・内筒、４・
・・外筒、５・・・底部、６・・・粉末、■〜■・・・
溶接部。 Ｃｒ量 （ωｔ％）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）２層構造を有する原子炉用被覆管であって、被覆
   管本体はセラミックスを分散させ且つＣｒ：８〜１３％
   （重量％、以下同じ）を含む分散強化型フェライト鋼か
   らなり、該被覆管本体の内面にＣｒ：１８〜３０％を含
   むフェライト鋼をライニングしたことを特徴とする原子
   炉用分散強化型フェライト鋼被覆管。
2. （２）２層構造を有する原子炉用被覆管を製造するに当
   たり、管状カプセルの外筒と内筒の間に、セラミックス
   を分散させ且つＣｒ：８〜１３％を含むフェライト鋼粉
   末を封入すると共に、該内筒をＣｒ：１８〜３０％を含
   むフェライト鋼とし、次いで該管状カプセルを熱間加工
   して前記粉末と内筒を一体化させることを特徴とする原
   子炉用分散強化型フェライト鋼被覆管の製造方法。