JPH03163396A - ほぼ純粋なジルコニウム、およびそれを用いた同時押出し成形による核燃料要素の被覆部材、ならびに被覆部材の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、未合金化金属ジルコニウムの結晶粒構造の制
御に関する。更に詳述すると、本発明は、３００ｐｐｍ
を下回る鉄を含有する金属ジルコニウムの結晶粒構造の
制御に関する。

［従来の技術コ 金属ジルコニウム合金の外層と、未合金化金属ジルコニ
ウムの内層とからなるジルコニウム管材は、原子炉、特
に沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に大規模に使用されている
。

この管材は、二酸化ウラニウムからなることを通例とす
る核燃料ペレットを収納かつ支持するための、核燃料被
覆を形成するのに用いられる。

純粋な、すなわち未合金化のジルコニウムによるライニ
ング材を用いるのは、原子炉の運転の際の燃料ベレット
と、より鋭敏かつ反応性に富む外側のジルコニウム合金
のシースとの間の、局所的な化学的または機械的相互作
用を抑制または防止するためである。

燃料ペレットと燃料被覆材間のこの種の相互作用は、外
側のジルコニウム合金（ジルカロイ）シースのいわゆる
「ヨウ素助長性応力腐食割れ」を生起させる原因である
とされている。その結果発生するシースの割れは、核分
裂反応の放射性気体生成物が核燃料内に拡散し、かつ原
子炉容器内へと漏出し、また、水または水蒸気が核燃料
要素に直接接触するのを許すことから、原子炉運転の安
全性および核燃料の寿命に対して有害である。

ジルコニウム合金の「ヨウ素助長性応力腐食割れ」とい
う問題に対して認容されている最新の解決策は、構造材
であるジルコニウム合金の内側にほぼ純粋なジルコニウ
ムのライニングを施すという方策である。この相当に不
活性な、反応性に欠けるライニング材によって、前述の
ペレット・燃料被覆相互作用を防止するのに必要な延性
がもたらされる。

このようなライニング材が収めた戒功により、燃料披覆
管内側のライニングを、純粋またはほぼ純粋なジルコニ
ウムによるものとすることを、ほとんどの製造業者が求
めることになった。その結果、不純物としての少量の酸
素あるいは鉄は許容されるようになっている。このこと
は、第二の重要な問題点を発生させるに至った。

ライニング用ジルコニウムの冶金学的結晶粒度は、ジル
コニウムが純粋になるにつれて増大する傾向がある。

ジルコニウムに対する溶解度を越える量で存在する場合
の不純物、例えば鉄は、それが微細に分散した金属間第
二相として存在する場合には、ライニング材製造に必要
な熱処理の際に、粒界をその場に釘付けにする傾向を示
すのが常である。また、結晶粒度の増大につれて、二次
的な結晶粒の戊長が出現し、これが、多数の比較的小形
の結晶粒が多数の比較的大形の結晶粒と共存する、不均
一な二様式粒度分布の形成に寄与する。

この二様式分布あるいは二重分布が、隔膜管シェルを完
或管材に仕上げるためのその後の製造工程で問題を生じ
るのである。

通常、未合金化ジルコニウムの管と組み合わされたジル
コニウム合金の管は、ピルガーミルで絞り加工されて、
燃料被覆機能に適した最終的な組合わせ口径にまで絞ら
れる。ジルコニウムライニング材の純度を低下させると
、ある種の不純物の釘付け機能を減退させ、二様式粒度
分布が形成されて、大小の結晶粒の集合体間の粒界に局
所的な微細な割れが発生し始める。

大形結晶粒の集合体あるいは凝集体と、小形結晶粒の凝
集体あるいは集合体との間に存在する局所的変形の不均
等性によって、ジルコニウムは、変形から生じるひずみ
に対して異なった応答を示すようになるのであると考え
られる。管絞り操作の際に発生した応力は、粒界の凝集
強さを上回ることがあるものと思われる。その結果生じ
る微細な割れが、多数でありかつ充分深い場合には、ラ
イニング材が前述の局所的なペレット・燃料被覆相互作
用を防止する性能は著しく減退することになる。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、相当に純粋なジルコニウムによる燃料
被覆ライニング材料において、結晶粒界における微細な
割れの発生を減少させることにある。

また、本発明は、不純物として、３００ｐｐｍを下回る
鉄を含有するジルコニウムによる燃料被覆ライニング材
料において、均一かつ比較的小さな結晶粒度を実現する
ことをも目的とする。

更に、本発明は、燃料被覆ライニング材料に用いられる
未合金化ジルコニウムにおける、二様式粒度分布形成を
防止する方法の提供をも目的としている。

更にまた、外側のジルコニウム合金の管の内側に相当に
純粋な未合金化ジルコニウムのライニング材を接着した
同時押出し成形による燃料被覆であって、慣用の圧延操
作を用いて製造可能であり、かつ有害な燃料ベレット・
燃料被覆相互作用に対する優れた耐性の発揮が可能な核
燃料の燃料被覆を提供することも、本発明の目的である
。

［課題を解決するための手段コ 約２５０〜３００ｐｐｍを下回る濃度の、すなわちジル
コニウムに対する溶解度を下回る量の鉄を含有する相当
に純粋なジルコニウムにおいては、ジルコニウムインゴ
ットを製造するための真空アーク融解に用いる電極形成
の際に、少量のケイ素をジルコニウム成型体．に添加す
ることによって、結晶粒度を均一かつ小径にすることが
できる。添加するケイ素の濃度は、約４０〜約１２０ｐ
ｐｍであるのが、前述の本発明の目的および利点の達成
に好適であり、約６０〜約９０ｐｐｍであれば、最も好
適である。

ケイ素は、ジルコニウムはもとより、鉄、チタン、アル
ミニウムなど各種金属の強力な結晶粒微細化剤として公
知である。ジルコニウムの結晶粒微細化が示す原子的性
状は、ケイ素がジルコニウムと結合してＺｒ，Ｓｉ（ケ
イ化ジルコニウム）の正方品系構造が形威されることに
起因するものと考えられている。

ジルコニウムのβ相、すなわち休心立方格子相からの冷
却の際には、極めて微細なＺｒ，ＳＬ粒子（１０−’ｍ
以下）が沈澱する。これら微細なＺｒ．Ｓｉの沈澱には
、粒界移動を妨げる働きがある。これによって、結晶粒
の戊長が抑制され、二次的再結晶が防止されるのである
。

結晶粒は、沈澱したＺｒ．Ｓｉによって、その粒界がそ
の場に釘付けされ、または拘束された場合に、粒度の度
数分布に対する典型的な対数正規分布の関係に従う。大
小の結晶粒の集合体は、互いに隣接していないことから
、冷間変形の際の粒界に大きなひずみが発生することが
ない。

このような局所的なひずみの不在下では、ジルコニウム
によるライニング材料は、均一に、かつ粒界で割れを生
じることなく変形する。

核燃料の燃料被覆用隔膜管シェルを製造するには、ジル
コニウム合金の外層、および未合金化ジルコニウムの内
層、すなわち隔膜層を用意する。

広く慣用の方法に従って、ジルコニウム合金（ジルカロ
イ２が代表的）のインゴットをプレス鍛造し、回転鍛造
し、機械加工してビレットに或形し、約１，０５０〜１
，１５０℃から水の中に投じて、これにβ焼入れを施す
。

未合金化ジルコニウムのインゴットは、多重真空アーク
融解法を用いてこれを製造し、プレス鍛造し、回転鍛造
して丸太材に成形する。

丸太材を機械加工して、その中軸方向、すなわちその長
さの方向に内孔を中ぐりしたビレットに成形する。この
ジルコニウムビレットを、α相の温度範囲で押出して管
に成形する。

次いで、押出し成形したジルコニウム管を適当な長さに
切断し、ジルヵ口イビレットの中ぐりした中心孔に嵌合
するように機械加工する。

ライニング材の管、およびジルヵロイビレットを洗浄し
、組み立てて、互いに溶接する。組み立てたビレットお
よびライニング材の管を、α相の温度範囲（６００〜７
００℃）に加熱し、同時押出しを施して隔膜管シェルに
成形する。同時押出し成形の間に、隔膜層は、ジルカロ
イの基質に強固に接着される。

次いで、この同時押出し成形された管シェルに、α相の
温度範囲で焼鈍を施し、更に、典型的にはビルガーミル
を用いて、α焼鈍処理による一連の冷［１１絞り加工を
施す。このようにして、最終的寸法の燃料被覆が得られ
る。

４０　−　１２０ｐｐｍ（更に好ましくは約６０〜約９
０ｐｐｍ）の範囲の少量のケイ素の添加は、インゴット
の電極を形成する際に、容易にこれを行うことができる
。

多重真空アーク融解法によって、完戒インゴット内のケ
イ素の均質性が確保される。

均一にして微細な粒度は、多重冷間絞り加工に続く再結
晶焼鈍によって達成される。焼鈍は、７００℃未満の温
度で２時間、好ましくは、６２０°Ｃ〜６７５℃、ある
いは６５０°Ｃ未満の範囲で１時間に限定される。この
ようにして処理された同時即出し成形によるジルコニウ
ムライニング材の粒度は、ＡＳＴＭ粒度で９．５〜１１
である。

本発明の利点には、均一にして微細な粒度を達成しつつ
、不純物（特に鉄）の全体的な濃度を、ダニエル・シャ
ルケ（Ｄａｎｉｅｌ　Ｃｈａｒｑｕｅｔ）およびマーク
・ペレス（Ｍａｒｅ　Ｐｅｒｅｚ）による１９８６年３
月１８日付西ドイツ国特許公開公報第３６０９０７４Ａ
ｌ号に提案のいくつかの方法を用いて従来得られ、ある
いは必要とされていた濃度をはるかに下回る濃度に抑え
ることが含まれる。

また、ケイ素添加の有効性を確保するのに、特別な熱処
理または焼入れの操作を追加する必要がない。追加的な
工程が不要であることから、製造原価が従来の方法によ
る以上に上昇することはない。

［実施例］ 本発明のケイ素添加の有効性を評価するため、実施例と
して一連の実験を行なった。

Ｌ掩週１ 本実施例は、ケイ素の有効性を、鉄のそれと比較するた
めに、鉄およびケイ素を意図的に添加した、２５０ｇの
精製ジルコニウム金属粒にアーク融解を施す一連の実験
からなる。

鉄の濃度は、２１５ｐｐｍ−１，２４０ｐｐｍの範囲で
変化させる。ケイ素は、低濃度（２４５ｐｐｍ）の鉄を
含有する金属粒に、９０ｐｐｍの濃度でこれを添加する
。金属粒を再融解させて小形の方形インゴットとし、次
いで、熱間圧延を施して暫定的に約５．０８＋ｎｍ（０
．２インチ）の厚さにする。

こうして形威したホットバンドに、６２５°Ｃにて２時
間の真空焼鈍を施す。焼加したホットバンドを、約２　
．　５４ｍｍ（０　．　１インチ）の厚さに冷問圧延し
、６２５℃にて２時間の真空焼鈍を再度施す。

形成されたストリップを更に冷間圧延して、約１．０２
＋ｎｍ（０．０４０インチ）の厚さにする。５００〜７
００℃の温度範囲で、０．１〜１０時間の真空または空
気中焼鈍を最終的に施す。

標本はすべて、これを金属組織学的に作或し、顕微鏡写
真を撮影する。顕微鏡写真について、リーアン遮断計測
法（ｆｉｅｎ　ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ　ｃｏｕｎｔｉｎｇ
）なる手法を用いて、μｍを単位として平均粒径を測定
した。

第１図は、前記の鉄およびケイ素の組戊範囲について、
焼鈍温度（焼鈍時間は２時間）に対する平均粒径をプロ
ットしたものである。焼入れしない状態では、９２ｐｐ
ｍのケイ素および２４５ｐｐｍの鉄を含有する試料は、
１　，　２４０ｐｐｍという最高濃度の鉄を含有する試
料よりも粒度が小なることが理解できる。

ＴＪ１但むユ ケイ素濃度を変化させて、粒度に対するその影響を調べ
るために、第２の実験を行なった。

多数の金属粒を融解させ、ケイ素濃度を１２ｐｐｍ〜９
４ｐｐｍの範囲で変えてみた。金属粒に落とし、鋳造を
施して方形インゴットに或形し、これに、実施例１の要
領で、熱間圧延、焼鈍、冷間圧延、および６２５℃にて
０．１〜１０時間の最終焼鈍を施す。

６２５℃にて１０時間の最終焼鈍について、平均粒径を
測定し、これをケイ素含有量に対してプロットした結果
を第２図に示す。更に、厚さ約５．０８１ＴＩＩＴｌ（
０．２インチ）の状態でホットバンドを２等分し、その
一方にのみβ焼入れを施す。

第２図によれば、ケイ素の最適濃度は４０ｐｐｍ以上１
００ｐｍ未満であって、約６０ｐｐｍ以内の場合に結晶
粒微細化の大半が生起する。３００ｐｐｍ未満の鉄を含
有するジルコニウムのβ焼入れは、ケイ素の結晶粒微細
化性能の効力に対する影響が皆無であることが判明した
。

実４０排旦 研究室規模の実験を拡大して、量産規模の環境を創出し
、第３の実験を行なった。第１表に示した化学組成の、
直径３５．５６ｃｍ（１４インチ）の精製ジルコニウム
からなるライニング材インゴットを製造する。ケイ素の
添加は、６０ｐｐｍとなるようにし、鉄の濃度を、約３
００ｐｐｍまたはそれ以下に意図的に保っていることに
注意する必要がある。鉄およびケイ素の添加は、フエ口
シリコンとしてこれを行うのが好適である。

インゴットを鍛造して、その直径を約１９　．　０５ｃ
ｍ（７．５インチ）とし、押出し成形用ビレットの長さ
に切断する。第１のビレットに、β溶解処理（９００〜
９５０℃にて３〜４分）を施し、水を用いて焼入れする
。第２のビレットには、このような処理を施さない。両
ビレットを、７　０　０　’Ｃの最高炉内設定温度にて
α相で押出し成形する。

最新の先端技術に従って、鍛造および機械加工を施して
ジルカロイ２のビレットを製造し、これに高周波β焼入
れ、および最終機械加工を施して、完戊ライニング材を
得る。

２個の同時押出し成形用ビレットを組み立て、溶接し、
これに同時押出しを施して、外径約６３．５ｍｍ（２．
５インチ）、肉厚約１１．２ｍｍ（０．４４インチ）の
管シェルに成形する。

この管シェルに、６２０℃にて６０分の真空焼鈍ヲ施す
。同時押出し成形した管シェルの先端および末端からラ
イニング材試料を採取する。粒度を測定して示したのが
第２表である。

これによれば、標準的製造手順に従って作成された、６
０ｐｐｍのケイ素を含有する隔膜管シェルは、８．２μ
ｍまたはそれ以下という微細かつ均一な粒度であること
が分る。

ケイ素を添加しない製造材料によるライニング材の粒度
の測定によれば、１６μｍという平均粒度が示される。

更に、ケイ素含有ライニング材の微細構造には、二重粒
度分布を裏付けとする限りで、二次的再結晶の証拠が皆
無である。

（以下余白） 第１表 ｐｂ ＜２５ ＜２５ ＜２５ ＜２５ ＜１．０ ＜２５ ＜２５ ＜２５ ＜１．０ ＜２５ ＜２５ 〈２５ ＜１．０ ＜２５ ＜２５ 第２表 先端　　　　　　　末端 β焼入れ　　１０　１／２（８．２μｍ）　　　１１　
１／２（５．８μｍ）焼入れせず　１０　１／２（８．
２μｍ）　　　　　１１（６．９μｍ）［発明の効果］ 本発明の性格から、本発明は、ジルコニウムまたはジル
コニウム合金の他の製造形態にも適用が可能と思われる
。特に、ＵＮＳ第Ｒ６０７０２号等級と称される、商業
的に純粋といえるジルコニウムは、本発明によるケイ素
の結晶粒微細化作用の恩恵を、高いケイ素濃度（１００
〜１２０ｐｐｍ）の場合に受けるものと思われる。

本発明に従って製造された、より微細な粒度の、かつ更
に均質な製品は、戊型性の改善に、特にシート部品にお
いて役立つものと思われる。

以上本発明を、その好適実施例を参照して説明した。し
かし、ここに記載の本発明の概念の精神および対象範囲
から逸脱することなく、組戊あるいは処理条件の変化形
を用いることができる。

したがって、本発明は、直接関連する従来の技術を勘酌
して解釈される、前記特許請求の範囲の記載によっての
み限定されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一定の濃度範囲の鉄、およびケイ素を含有す
る未合金化ジルコニウムにおける、時間が一定の場合の
焼鈍温度と平均結晶粒径との関係を示すグラフである。 第２図は、焼入れを施さなかったビレット、およびβ焼
入れを施したビレットについて、ジルコニウム中のケイ
素濃度と平均結晶粒径との関係を示すグラフである。 手続補正書（旗） 平戊２年１２月６日

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）核燃料要素の被覆材料として用いられるほぼ純粋
   なジルコニウムであって、約４０〜約１２０ｐｐｍのケ
   イ素と、ジルコニウムに対する溶解度を下回る濃度の鉄
   とを含有することを特徴とするほぼ純粋なジルコニウム
   。
2. （２）最終的な平均ＡＳＴＭ結晶粒度が１１を下回るこ
   とを特徴とする請求項（１）記載のほぼ純粋なジルコニ
   ウム。
3. （３）ほぼ純粋なジルコニウムの内側シェルライニング
   材と、これに接着されたジルコニウム合金の外側シェル
   とからなる同時押出し成形による核燃料要素の被覆部材
   であって、前記内側シェルライニング材および前記外側
   シェルが、同時押出し成形後に、約６２０℃の温度で約
   ２０分間真空焼鈍されていることを特徴とする同時押出
   し成形による核燃料要素の被覆部材。
4. （４）内側シェルライニング材が、ジルコニウム合金の
   外側シェルとの同時押出し成形前に、α相の状態で約７
   ００℃の温度で押出し成形されていることを特徴とする
   請求項（３）記載の同時押し出し成形による核燃料要素
   の被覆部材。
5. （５）内側シェルライニング材が、α相での押出し成形
   前に、β相の状態で約９００〜約９５０℃の温度で溶解
   処理され、次いで、水を用いて焼入れされていることを
   特徴とする請求項（４）記載の同時押出し成形による核
   燃料要素の被覆部材。
6. （６）核燃料収納のための二成分被覆部材の製造方法で
   あって、前記部材の外側シェルが、基本的にジルコニウ
   ム合金からなり、かつ前記部材の内側シェルが前記合金
   の外側シェルとの同時押出しによって成形された未合金
   化ジルコニウムの管とすることによって、一体化された
   製品として形成され、かつ、ジルコニウム合金による予
   め選択された寸法の外側管材のビレットを形成して、こ
   れを、β相の状態で一定の温度に加熱かつ焼入れする段
   階と、 未合金化ジルコニウムを、α相の状態で一定の温度で押
   出し成形することによって、前記ジルコニウム合金の管
   の内側に正確に嵌合して、それとの接着面を形成するよ
   うに予め選定された寸法の管を形成する段階と、 前記未合金化ジルコニウムの管、および前記合金ジルコ
   ニウムのビレットを同時押出し成形して、一体化された
   被覆材の管を形成する段階 とからなることを特徴とする核燃料の被覆部材の製造方
   法。
7. （７）一体化された被覆材の管が、真空中で約６００〜
   ７００℃の温度で焼鈍されて、金属ジルコニウムおよび
   ジルコニウム合金が更に冷間加工が施される状態にそれ
   ぞれ再結晶し、その際、同時押出しされた一体化被覆管
   材の未合金化ジルコニウムのライニング材が、約４０〜
   １２０ｐｐｍのケイ素、および３００ｐｐｍを下回る鉄
   を含有し、かつ約７μｍを下回る微細で均一な結晶粒度
   を示すようにすることを特徴とする請求項（６）記載の
   核燃料の被覆部材の製造方法。