JPH0260153B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、原子炉燃料被覆管（以下燃料被覆管
と称する）、特にジルコニウム基合金製の燃料被
覆管およびジルコニウム基合金製管の内側表面に
ジルコニウムからなる金属障壁層を有する複合型
の燃料被覆管およびその製造方法に関するもので
ある。

〔発明の背景〕

ジルコニウム基合金は、その耐食性と非常に小
さい中性子吸収断面積により、原子力プラトンの
燃料被覆管や燃料チヤンネルボツクス等に用いら
れている。しかし、これらの炉内構造部材は炉内
で長期間中性子の照射を受け、同時に高温高圧の
水又は水蒸気にさらされるため、酸化が進み時に
はノジユラ腐食と呼ばれる斑点状の白色酸化物が
その表面に生成する。この斑点状白色酸化物は腐
食反応の進行とともに粗大化し、場合によつては
剥離するに至ることもある。このような異常腐食
による減肉は炉内構造部材の強度低下をきたし、
炉内構造部材の安全性および信頼性の点から懸念
される問題点であつた。

このため、この異常腐食、すなわちノジユラー
腐食を防止する方法が種々検討されているが、こ
のうち熱処理、特に高周波焼入れによる耐食性向
上技術が良く知られている。

炉内構造部材である燃料被覆管はいくつかの目
的で使用され、その２つの主要な目的のうちの第
１は、核燃料と冷却材、又は核燃料と減速材との
化学反応を防止することにある。そして、第２の
目的は、一部が気体である放射性核分裂生成物が
燃料から冷却材又は減速材の中に漏れ出るのを防
止することにある。しかし核燃料要素の挙動とし
て、燃料被覆管及び核分裂反応中に生成する核分
裂生成物間の相互作用により燃料被覆管が脆くな
り、割れが生じるという問題が明らかになつた。
この望ましくない挙動は、さらに核燃料と燃料被
覆管との熱膨張差に基づく燃料被覆管の局部的な
機械的応力によつて促進されることが確かめられ
た。すなわち、原子炉の運転中に分裂反応によつ
て、核分裂生成物が核燃料から放出され、燃料被
覆管内面におけるヨウ素やカドミウムなどの特定
核分裂生成物の存在下では、局部応力および歪の
作用により応力腐食割れが生じる。

このような障害を防止する方策として、核燃料
と燃料被覆管との間に各種の金属障壁を設けるこ
とが試みられている。これらの中で、適度な純度
のジルコニウムを金属障壁としてジルコニウム合
金管に内張した複合型の燃料被覆管が最も有望視
されている。ジルコニウム障壁の厚さは燃料被覆
管の厚さの約５〜30％である。ジルコニウムはジ
ルコニウム合金に比べて、照射中軟かさを維持す
るので、核燃料要素内の局部ひずみを減じ、応力
腐食割れ又は液体金属脆化から燃料被覆管を保護
する。また重大な中性子捕獲ペナルテイ、熱伝達
ペナルテイ又は材料の非両立問題を惹起しない点
も優れた特徴である。

このように複合型の燃料被覆管は、燃料被覆層
と金属障壁層とから構成されるが、通常第１図に
示すような方法によつて製造される。第１図に示
すように、燃料被覆層となるジルコニウム合金イ
ンゴツト３及び金属障壁層となるジルコニウムイ
ンゴツト９を、それぞれジルコニウム合金ブリケ
ツト１及びジルコニウムブリケツト７を溶解２及
び８して溶製し、熱処理、鍛造４及び１０、切削
機械加工５及び１１によりジルコニウム合金から
なる第１の中空ビレツト（外筒管）６及びジルコ
ニウムからなる第２の中空ビレツト（内筒管）１
２を製作して、第１の中空ビレツト６中に第２の
中空ビレツト１２を挿入して組立１３と、爆接又
はゴム拡管による接合など、あるいは特に接合処
理は施さず真空引き後両端面を密封１４すること
によつて一体化して複合ビレツト１５とする。こ
の複合ビレツト１５を通常の熱間押出法により約
550〜750℃の高温で押出１６す。次にこの押出加
工された複合管に通常の製管加工１７，１８を施
して所望の寸法のジルコニウム金属障壁層型（ジ
ルコニウムライナ型）の複合被覆管を完成する。
このようにして製造した燃料被覆管の断面を示し
たのが第２図で、１９が母材の部分のジルコニウ
ム合金からなる避覆管層、２０がジルコニウム内
張りよりなる金属障壁層、２１は被覆管の軸心を
示している。

ジルコニウム基合金の代表的な材料としては、
「ジルカロイ−２」（主成分Zr（ジルコニウム）基
に約1.5％Sn（錫）、0.1％Fe（鉄）、0.1％Cr（クロ
ム）及び0.05％Ni（ニツケル）を添加）及び「ジ
ルカロイ−４」（主成分Zr基に約1.5％Sn、0.2％
Fe、0.1％Crを添加）が知られており、これらの
ジルコニウム基合金の酸素含有量は約4000ppm〜
1600ppmである。一方、金属障壁層に使用するジル
コニウムは、その硬度を低下させるために酸素含
有量は極力低くおさえている。

そのため、このようなジルコニウム合金を用い
たジルコニウム金属障壁層を有する押出し加工さ
れた複合管に高耐食化技術である高周波焼入を適
用すると長期使用に耐える耐食性と耐応力腐食性
を兼ね備えた燃料被覆管の製造が可能であると考
えられたが、このようにして製造した燃料被覆管
は所期に反して、耐応力腐食性は必ずしも良好で
なく、高温クリープ特性も低下がみられた。

〔発明の目的〕

本発明は、耐食性、耐応力腐食性および高温ク
リープ特性の何れも優れた原子炉用燃料被覆管お
よびその製造方法を提供することを目的とするも
のである。

〔発明の概要〕

本発明の原子炉燃料被覆管は、ジルコニウム基
合金からなる燃料被覆部と、前記燃料被覆部の内
側に設けられた金属障壁部とを有する原子炉燃料
被管において、前記燃料被覆部の外側領域、前記
金属障壁部及び前記外側領域と前記金属障壁部と
の間に形成される前記燃料被覆部の内側領域の結
晶粒の大きさが、前記外側領域、前記内側領域及
び前記金属障壁部の順に大きくなつていることを
特徴とし、本発明の原子炉燃料被覆管の製造方法
は、ジルコニウム基合金中空ビレツト又はジルコ
ニウム基合金中空ビレツトを外筒管としジルコニ
ウム中空ビレツトを内筒管として組立て両端面を
密封した複合ビレツトを熱間加工した後、溶体化
処理を施し、ついで、冷間圧延と焼鈍とを交互に
複数回繰返すことを第１の特徴とし、ジルコニウ
ム基合金中空ビレツト又はジルコニウム基合金中
空ビレツトを外筒管としジルコニウム中空ビレツ
トを内筒管として組立て両端面を密封した複合ビ
レツトを熱間加工した後、前記ジルコニウム基合
金中空ビレツト又は前記複合ビレツトの内部に冷
却媒体を満たしかつ該冷却媒体を循環させた状態
で、前記ジルコニウム基合金中空ビレツト又は前
記複合ビレツトの外側表面を軸方向に相対的に移
動する高周波誘導コイル及び冷却ノズルによる高
周波焼入により溶体化処理を施し、ついで、冷間
圧延と焼鈍とを交互に複数回繰返すことを第２の
特徴とするものである。

本発明は、耐応力腐食性向上技術を用いたジル
コニウム金属障壁層型の燃料被覆管に高耐食化技
術として高周波焼入れを適用した原子炉燃料用被
覆管の問題点を検討した結果に基づいてなされた
ものである。

すなわち、高耐食性の燃料被覆管のジルコニウ
ム金属障壁層は高周波焼入時に高温にさらされ、
その結果結晶粒が微細化し硬度が増す。又、高周
波焼入時に高温にさらされることにより、燃料被
覆層のジルカイロ層の酸素が金属障壁層のジルコ
ニウム層に拡散し、その結果としてジルコニウム
金属障壁層の硬度が増す。すなわち、従来技術に
よれば、ジルコニウム金属障壁層の硬度が増すこ
とになり、結果として耐応力腐食性が低下するこ
とになつていた。

また、高温クリープは粒界すべりによつて起こ
るので、結晶数が微細化し粒界が増大した高耐食
性の燃料被覆管では、高温クリープ特性が低下す
る。すなわち、ジルコニウムとジルコニウム合金
とよりなる押出加工された複合管に高周波焼入処
理を施し、その後通常の製管加工を施して所望の
寸法のジルコニウム金属障壁層を有する複合被覆
管を製造すると、焼入時の熱影響と酸素拡散のた
めに、結晶粒が微細化かつ硬化し耐応力腐食性、
耐高温クリープ特性が低下することが明らかとな
つた。

例えば、従来方法で製造された燃料被覆管の結
晶粒度はASTM No.で12.0〜12.5であり、これに
相当する粒径は4.7〜5.6μｍであるが、耐食性を
向上させる目的で押出加工された素管に高周波焼
入れを施し、その後の工程の焼鈍温度を約600℃
もしくはそれ以下とした工程で製造された燃料被
覆管の結晶粒度はASTM No.で13.0程度で、平
均粒径は3.8μｍ程度で微細化する。

また、従来方法で製造されたジルコニウム金属
障壁層形の燃料被覆管のジルコニウム金属障壁層
部の結晶粒度はASTM No.10.0〜11.0であり、こ
れに相当する粒径は8.0〜11.0μｍであるが、押出
加工された複合管の段階で高周波焼入れを施し、
その後の工程の焼鈍温度を約600℃もしくはそれ
以下とした工程で製造されたジルコニウム金属障
壁層型の燃料被覆管の金属障壁層の結晶粒は微細
化して、耐応力腐食性は低下する。

これに対して、本発明の燃料被覆管は、例え
ば、外表面層部の結晶粒度がASTM No.で13.0
程度、中間層部が12.0〜12.5、内表面層部が10.0
〜11.0で、このような結晶粒度とすることによつ
て、外表面層部、中間層部、内表面層部がそれぞ
れ耐食性、高温クリープ特性、耐応力腐食性にお
いて優れた特性を示し所期の目的の達成を可能と
するものである。

〔発明の実施例〕

実施例 １ 第３図は一実施例の要部断面の説明図で、１９
はジルカロイ−２よりなる被覆管層、２０はジル
コニウムよりなる金属障壁層を示しており、Ａ及
びＢはそれぞれ外表面層部、中間層部を示し、ジ
ルコニウム層２０が内表面層部Ｃを構成する。外
表面層部Ａ、中間層部Ｂ及び内表面層部Ｃの結晶
粒度は、例えば、ASTM No.で13.0程度、12.0〜
12.5及び10.0〜11.0である。

実施例 ２ 第４図は燃料被覆管の製造方法の一実施例を実
施する製造装置を示すもので、２２はジルカロイ
−２よりなる被覆管層１９とジルコニウムよりな
る金属障壁層２０とを有する押出加工された複合
管よりなる燃料被覆管（以下押出複合管と称す）
で、２３及び２４はこの押出複合管２２を被溶体
化処理物として上下で支える上部サポート及び下
部サポートを示している。これら上部サポート２
３及び下部サポート２４はステンレス鋼よりな
り、冷却水循環系に連結されており、下部よりサ
ポート２４から押出複合管２２内部、上部サポー
ト２３へと冷却水２５が流れる構造となつてい
る。２６及び２７はそれぞれ押出複合管２２に外
周に設けられている誘導加熱コイル及び冷却ノズ
ルであり、押出複合管２２は図の矢印の示すよう
に、誘導加熱コイル２６、冷却ノズル２７内を上
方から下方へ順次移動する。この装置により押出
複合管２２は連続的に加熱された後、冷却ノズル
２７からの冷却水２８によつて連続的に冷却され
る。この間冷却水２５は押出複合管２２内部を下
方から上方へと流れる。

第５図は、押出複合管２２が誘導加熱コイル２
６を通過した直後の押出複合管２２の肉厚方向の
温度分布を示すもので、横軸及び縦軸にはそれぞ
れ管外表面からの距離及び温度がとつてあり、
T₀は押出複合管内部に流入する冷却水の温度、
T₁は高周波により誘導加熱された管外表面の温
度で、ｔは押出複合管の肉厚を示している。そし
て、管外表面層部は、α→α＋β変態点以上の温
度に、中間層部はα→α＋β変態点近傍に、内表
面層部はα→α＋β変態点以下に抑えた。温度測
定の結果は管外表面層部は1050℃、中間層部は
860℃、管内表面層部は750℃であつた。

このような温度分布をもつ押出複合管を冷却水
によつて急速冷却して焼入処理を施した押出複合
管に冷間ピルガー圧延と焼鈍を繰り返し施し、燃
料被覆管を製造した。

この燃料被覆管の横断面の金属組織は第３図に
示した構造と同一であり、結晶粒径は、外表面層
部が平均3.8μｍ、中間層部が5.0μｍ、内表面層部
すなわちジルコニウム金属障壁層部は平均9.4μｍ
を示した。すなわち、外表面層は高周波焼入処理
による効果が十分に残つており、高温高圧水（又
は蒸気）環境における耐ノジユラー腐食性を著し
く向上させ、中間層部は優れた高温クリープ特性
を示し、又、内表面層部の組織は、耐応力腐食性
を十分に保つことができる。

次にこのようにして製造した燃料被覆管の腐食
試験、高温クリープ試験、耐応力腐食試験の結果
について説明する。腐食試験条件は500℃105Kg／
mm²高温高圧水蒸気中25時間保持とした。この条件
は炉内腐食をシユミレートさせたものである。耐
食性は、管外表面に発生したノジユラーの占有率
で評価した。この腐食試験において、実施例の燃
料被覆管の外表面は、黒色の光沢のある様相を示
し、かつノジユラー腐食は全く発生していなかつ
たが、従来の燃料被覆管の外表面には、ノジユラ
ー腐食が著しく発生していた。このように、実施
例の燃料被覆管は耐ノジユラー腐食性の優れた性
質を有する。高温クリープ試験は、押出複合管に
通常の高周波焼入れを施した従来型の燃料被覆管
と、実施例の燃料被覆管について実施した。従来
型の燃料被覆管は、高温クリープ特性が劣化して
おり、燃料被覆管として、その性能上好ましい値
が得られなかつたが、一方、実施例の燃料被覆管
は、従来型の燃料被覆管と同等もしくはそれ以上
に優れた高温クリープ特性を示した。耐応力腐食
性試験において、従来型の燃料被覆管は耐応力腐
食性の低下が認められたのに対し、実施例の燃料
被覆管では従来管と同等もしくはその以上の優れ
た特性を示した。

実施例 ３ 以上の実施例においては、押出複合管を上下に
支えるサポートの材質にステンレス鋼を用いた
が、他の実施例においてはサポートの材質にジル
カロイを用いた。

第６図はこれら２種のサポートを使用して高周
波焼入れを実施した場合の押出複合管の長さ方向
の各位置の外表面層部最高加熱温度（最高到達温
度）を示すもので、横軸には押出複合管の下端か
らの距離、縦軸には温度がとつある。Ｄはステン
レス鋼製サポーテを使用した場合の最高到達温
度、Ｅはジルカロイ製サポートを使用した場合の
最高到達温度を示している。この図の示すよう
に、焼入開始直後である押出複合管下端部と焼入
終了直後である押出複合管上端部においては温度
があがらず、このように温度があがらない部分、
すなわち上、下端部は耐食性向上効果が得られな
い部分となる。Ｆ及びＧはそれぞれステンレス鋼
製サポートを使用した場合の無効部分及びジルカ
ロイ製サポートを使用した場合の無効部分の長さ
を示しており、無効部分の長さはジルカロイ製サ
ポートを使用した場合の方が短かくなつており、
被焼入物と同等の物性を有する金属を用いること
によつて歩留まりを向上させることができる。

実施例 ４ ジルカロイ−２管に実施例２と同様の熱処理を
施した後、冷間ピルガー圧延と焼鈍とを繰り返し
施して燃料被覆管を製造した。この燃料被覆管の
横断面の金属組織の結晶粒の大きさは外表面層部
が平均3.8μｍ、中間層部が平均4.0μｍ、内表面層
部が平均4.7μｍであつた。この燃料被覆管も実施
例２と同様に優れた耐食性を示し、また高温クリ
ープ特性と耐応力腐食性も従来の燃料被覆管と同
等とすることができた。

〔発明の効果〕

本発明は、耐食性、耐応力腐食性および高温ク
リープ特性の優れた原子炉用燃料被覆管およびそ
の製造方法を提供するもので、産業上の効果の大
なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はジルコニウム金属障壁層を有する複合
型の燃料被覆管の製造工程を示す説明図、第２図
は同じく横断面図、第３図は本発明の原子炉用燃
料被覆管の一実施例の要部の横断面図、第４図は
本発明の原子炉用燃料被覆管の製造方法の一実施
例を実施する装置の構造説明図、第５図は第４図
に示す装置で押出複合管を加熱した場合の管肉厚
方向の温度分布を示す特性線図、第６図は第４図
に示す装置で押出複合管を焼入処理した場合の押
出複合管長さ方向の各位置の最高加熱温度を示す
特性線図である。 ６……ジルコニウム合金中空ビレツト、１２…
…ジルコニウム中空ビレツト、１３……組立、１
４……両端面密封、１５……複合ビレツト、１６
……熱間押出、１７……冷間圧延、焼鈍、１８…
…精製、１９……被覆管層、２０……金属障壁
層、２２……押出複合管、２３……上部サポー
ト、２４……下部サポート、２５……冷却水、２
６……誘導加熱コイル、２７……冷却ノイズ、２
８……冷却水、Ａ……外表面層部、Ｂ……中間層
部、Ｃ……内表面層部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ジルコニウム基合金からなる燃料被覆部と、
   前記燃料被覆部の内側に設けられた金属障壁部と
   を有する原子炉燃料被覆管において、前記燃料被
   覆部の外側領域、前記金属障壁部及び前記外側領
   域と前記金属障壁部との間に形成される前記燃料
   被覆部の内側領域の結晶粒の大きさが、前記外側
   領域、前記内側領域及び前記金属障壁部の順に大
   きくなつていることを特徴する原子炉燃料被覆
   管。 ２ 前記金属障壁部がジルコニウムからなつてい
   る特許請求の範囲第１項記載の原子炉燃料被覆
   管。 ３ ジルコニウム基合金中空ビレツト又はジルコ
   ニウム基合金中空ビレツトを外筒管としジルコニ
   ウム中空ビレツトを内筒管として組立て両端面を
   密封した複合ビレツトを熱間加工した後、溶体化
   処理を施し、ついで、冷間圧延と焼鈍とを交互に
   複数回繰返すことを特徴とする原子炉燃料被覆管
   の製造方法。 ４ ジルコニウム基合金中空ビレツト又はジルコ
   ニウム基合金中空ビレツトを外筒管としジルコニ
   ウム中空ビレツトを内筒管として組立て両端面を
   密封した複合ビレツトを熱間加工した後、前記ジ
   ルコニウム基合金中空ビレツト又は前記複合ビレ
   ツトの内部に冷却媒体を満たしかつ該冷却媒体を
   循環させた状態で、前記ジルコニウム基合金中空
   ビレツト又は前記複合ビレツトの外側表面を軸方
   向に相対的に移動する高周波誘導コイル及び冷却
   ノズルによる高周波焼入により溶体化処理を施
   し、ついで、冷間圧延と焼鈍とを交互に複数回繰
   返すことを特徴とする原子炉燃料被覆管の製造方
   法。 ５ 前記溶体化処理が、前記ジルコニウム基合金
   中空ビレツト又は前記複合ビレツトの上下を該ジ
   ルコニウム基合金中空ビレツト又は前記複合ビレ
   ツトと同一材質の支持台に支持して行われる特許
   請求の範囲第４項記載の原子炉燃料被覆管の製造
   方法。