JPH04128687A

JPH04128687A - 核燃料用被覆管の製造法

Info

Publication number: JPH04128687A
Application number: JP2248908A
Authority: JP
Inventors: Akira Oe; 大江　晃
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 1990-09-20
Filing date: 1990-09-20
Publication date: 1992-04-30
Anticipated expiration: 2011-07-10
Also published as: JP2515172B2

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、高燃焼時に充分な耐食性を有し、且つ他の被
覆管特性（機械的強度、クリープ特性、ＳＣＣ＜応力腐
食割れ）特性、照射成長など）についても充分要求品質
を満たす核燃料用被覆管及びその製造法に関する。

［従来の技術］加圧木型原子炉において、現在長期サイクル運転及び燃
料の高燃焼度化が計画されている。この長期サイクル運
転及び燃料の高燃焼度化の開発における最も重要な問題
は、被覆管の腐食である。

このため、高度な耐食性を有する被覆管の開発が重要な
要件である。

更に、被覆管の耐食性を向上させても、機械的特性など
他の計時性についても問題のないことが更に重要な要件
である。

従来の被覆管では、燃料集合体燃焼度が４８Ｇｗｄ／を
程度までは耐食性に問題はなかったが、５０Ｇｗｄ／ｌ
を越える高燃焼度燃料では１００μｍを超える酸化膜が
認められるなど、設計上の許容値を超えるものが出てき
た。

これに対し、耐食性を改良した被覆管が開発されつつあ
るが、耐食性が向上し、且つ他の特性にも問題のないも
のは極めて少ない（例えば、耐食性は向上したものの、
機械的強度が不充分であったり、クリープ変形が大きす
ぎたりしたものがある）。

従来より、現行ジルカロイ−４よりも耐食性の優れた合
金として、Ｓｎ含有量を少なくしてＮｂ（Ｎｂ、ニオブ
）を添加したもの等が提案されているが、これらの提案
は耐食性は改善されるものの、機械的強度が低下したり
、クリープ変形が大きくなったり、耐ＳＣＣ性が低下す
る等の問題が必ずしも解決されたとは言えなかった。

従来のＺ　ｒｙ−４（ジルカロイ−４，主に加圧水型炉
燃料の被覆管）とＺ　ｒｙ−２（ジルカロイ−２，主に
沸騰水型炉燃料の被覆管）の合金仕様を次の第１表及び
第２表に示す。

ｃ以下、余白） ※ ；　＾ＳＴＭによる。

［発明が解決しようとする課題］本発明では、高燃焼時に充分な耐食性を有し・且つ他の被覆管特性（ｍ械的強度、クリーブ特性、ＳＣＣ（応力腐食割れ）特性、照射成長など）につ
いても充分要求品質を満たす核燃料用被覆管及びその製
造法を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］本請求項１の発明に係る核燃料用被覆管では、核燃料集
合体の燃料棒用被覆管において、Ｓｎ：０．９　〜１．
２　　ｗｔ％、　　Ｆ　ｅ：０．２４〜０．３０ｗｔ％
。

Ｃｒ：０．１３〜（１，１９ｗｔ％、　Ｎ　ｂ：０．０
５〜０１５ｗｔ％。

Ｎ　ｉ：０．００５　〜０．０２０　ｗｔ％。

０　　：１０００〜１５：１０００ｐｐｓ　、　Ｃ：１
００〜２００ｐｐｍ、Ｓｉ：５０〜２００ｐｐｍ、残部２「及び不可避不純物からなるジルコニウム合金か
らなり、被覆管内面の［０００２］面のｆｒ値を０．６
５〜０．７５に調整してなるものである。

本請求項２の発明に係る核燃料用被覆管の製造法では、
核燃料集合体の燃料用被覆管の製造法において、Ｓ　　ｎ：１）、９　〜Ｌ２　　ｗｔ％、　　Ｆ　ｅ：
０．２４〜０．３０ｗｔ％。

Ｃｒ：０．１３〜０．１９ｗｔ％、　Ｎｂ：０．０５〜
０．１５ｗｔ％。

Ｎ　　ｉ：０．００５　〜０．０２０　　ｗｔ％。

０　　：　　１０００〜１５００ｐｐｍ　　、　　Ｃ：
　　１００　〜２００ｐｐａ＋。

Ｓ　ｉ　　：　　５０〜２００ｐｐｍ残部Ｚｒ及び不可避不純物からなるジルコニウム合金を
調整し、該合金を使用して圧延により製管する際に、例えば最終
冷間工程での加工度を６０〜７０％として被覆管内面の
［０００２］面のｆｒ値を０．６５〜０．７５に調整す
るものである。

また更に、前記合金を使用して圧延により製管した後、
該管の焼鈍し工程での焼鈍し指標（ΣＡｉ：＾ｎｅａｌ
ｉｎｇ　　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ）　　を　２　　Ｘ　　
１０−”　　≦　Σ　Ａｉ　　≦５　Ｘ　１０−”に調
整する方法を開示している。

［作用］本発明においては、第１表に示したＺ　ｒｙ−４の仕様
に対して、耐食性向上目的の改良として、合金成分を調
整した。これは、■Ｓｎを少なくすると耐食性が向上す
ること、■Ｎｉを＠量添加すると耐食性が向上すること
、■Ｎｂを微量添加すると耐食性が向上すること（同時
に水素吸収も抑制する）、■Ｓｉを高めに添加すると焼
鈍し指標（ΣＡｉ）が小さくても耐食性が確保されるこ
と等により定められたものである。

更に詳細には、■Ｓｎは少ないと耐食性が向上する反面
、機械的強度が低下するため、無制限に小さくすること
は出来ない。１ｗｔ％前後であれは大官従来の管の機械
的強度が確保される。実際に製品を作成する際には、Ｓ
ｎ含有量のバラツキを考慮する必要があるため、下限を
０．９　ｗｊ％と定めた。また、Ｓｎは多くなると耐食
性が劣化し、出来前る限り減少させるのが耐食性の点か
ら望ましいが、機械的強度との兼ね合い及び耐食性向上
率の点から、上限は１．２　ｗｔ％とした。■Ｆｅは多
く添加されると機械的強度及び耐食性を向上させるが、
添加量が多すぎると加工性が低下し、加工度を小さくす
ることが難しくなる。従って加工性の良い範囲として０
．２４〜０．２０ｗｔ％とした。■Ｃ「に対してもＦｅ
と同様の考え方で０．１３〜０．ｌ９ｗｔ％とした。■
Ｎ＋の添加による耐食性向上は、ごく微量で良く、それ
以上添加しても効果は殆どない。

逆にＮｉが多すぎると水素吸収が大きくなる欠点があり
、これらを考慮して０．ｏｏｓ〜０．０２０　ｗｔ％と
した。■Ｎｂは０．１　ｗｔ％程度の添加量で最も耐食
性が向上し、この付近での製造能力（Ｎｂ含有量コント
ノール能力）を考慮して、０．０５〜０．１５ｗｔ％と
じた。即ち、０．１５ｗｔ％よりも大きいと一部が金属
間化合物としてＦｅ、Ｃｒと共晶する可能性が高くなっ
てくるためである。■０は０が少ないと機械的強度が低
下することから製造能力を考慮して、従来のＺ　ｒｙ−
４の使用に照らし合わせて、１０００〜１５０Ｏｐｐ−
と定めた。■Ｃは少ないと機械的強度の低下が問題とな
り、多いと照射成長が問題とｔする。従って、両者の最
適な範囲として１００〜２００ｐｐｍとした。■Ｓｉが
少ないと耐食性の観点から焼鈍温度を高くする必要があ
り、下限として５Ｏｐｐｍ＋を定めた。しかし、逆に多
すぎると中性子経済及び再処理の点で不利となることか
ら２００ｐｐ腸を上限とした。尚、Ｓｉ添加の効果は、
５Ｏｐｐ−以上であればそれほど変化がない。

また、以上のような組成の変更によって低下する傾向の
ある被覆管特性（機械的強度、クリープ特性、ＳＣＣ（
応力腐食割れ）特性、照射成長など）について、前述の
ように■Ｆ　ｅ、Ｃｒの含量の増大により機械的強度が
増加すること、■０の含量の増大により機械的強度が増
大すること、■被覆管内面ノ［０００２］面（７）　ｆ
　ｒ値を０．６５〜０．７５ニ調整することにより、機
械的強度が増大されることが確認された。

更に、Ｃを低めに設定することにより、照射成長の低減
が図れることも確認された。

尚、冷間加工度とは、常温において管圧延を行なう際の
管断面縮小比を現わすものであり、本発明での冷間加工
度とは、圧延工程における最終冷間加工度を意味する。

通常１７Ｘ１７Ｂ型被覆管の場合、最終圧延は、１４．６°　Ｄ　Ｘ　１．６５ｗ　７９．５３°　０　Ｘ　Ｏ，６６５ｗ　’であり、最終冷
間加工度（・ＦＣＷ）は、である。

また、例えば、本発明において、加工度を６０〜７０％
とした場合には、後述するｆｒ値を０．６５〜０．７５
に容易に調製することができる（加工度が６０〜７０％
以外でも調製可能である）、このように、内面側のｆｒ
値を大きく、外面側のｆｒ値を小さくすることにより、
クリープが小さくなるように改善するものである。また
、これにより耐ＳＣＣ性能の改善も満足する。

また、ｆｒ値とは、管の径方向に結晶のある面、例えば
［ｏｏｏ２］面がどの程度集中して向いているかを示す
指数で、［（１（１０２］面（即ち、六方晶の底面）の
ｆｒ値が大きいと六方晶から成る結晶粒が管の径方向を
向いている割合が多い状態をいう。

この状態であるとジルカロイは延性が高く成り、歪や変
形に強くなることが知られている。本願ではｆｒを従来
の０．５５〜０．６５よりも大きくし、且つ実際の圧延
での製造可能な範囲として０．６５〜０．７５と定めた
。

更に、耐食性を向上させる熱的な処理として焼鈍し指標
（ΣＡｉ：＾ｎｅａｌｉｎｇ　Ｐａｒａｓｅｔｅｒ）を
腐蝕の極小範囲比ることから、２　Ｘ　１０−”≦ΣＡ
ｉ≦５ＸＩ（＋−１７に調整して焼鈍し処理したものを
開示する。

ここで、ΣＡ１とは、β−クエンチ後の焼鈍温度と焼鈍
時間から定められるパラメータで、ｉ番目の焼鈍温度を
Ｔｉ、焼鈍時間をｔｉ　としたとき、Ａ　ｉ　＝　ｔ　
ｊ　ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴｉ）で表わされるパラメータの
和ΣＡｉ　として定義される。

ここで　Ｑ：活性化エネルギー　８０Ｋｃａｌ／ａｏｌ
Ｒ：ガス定数　　　１．９８７ｃａｌ／ｍｏｌ−ｋｔ；
焼鈍時間（ｈ「）Ｔ：焼鈍温度（Ｋ）である。

尚、通常のＰＷＲ用Ｚｒｙ−４被覆管のΣＡｉは約１．
Ｉ　Ｘｌ０−”である。

［実施例］Ｚｒに種々の金属を添加して、次の第３表の組成のジル
コニウム合金を調製した。

前記合金で核燃料被覆管を作成した。その際に、被覆管
の焼鈍し工程での焼鈍し指標（ΣＡｔ）を２　Ｘ　１０
−”≦ΣＡｉ≦５　Ｘ　１０−”　に調整した。

更に、被覆管の最終冷間工程での加工度を６０〜７０％
として被覆管内面の［０００２］面のｆｒ値を０．６５
〜０．７５に調整した。

得られた本発明の被覆管と従来のジルカロイ−４との４
００℃の水蒸気中での腐食試験結果を第１図に示す。

図に示した通り、従来のジルカロイ−４よりも耐食性の
優れていることがわかる。

また、本発明の被覆管と従来のジルカロイ−４との機械
的強度結果を第２図に示すが、従来のジルカロイ−４と
同等である。最終冷間加工としては、第３圧延段階−最
終圧延をＯ，Ｄ（外径）１２．５７　ＸＷ、　Ｔ　（肉
厚）　１．６−０．Ｄ９．５：ＩＸＷ。

Ｔ　Ｏ，６６５とすることにより、加工度に６６．４％
となる。このとぎの内面［０００２］のｆｒ値は０．６
５〜０．７５となる。

また、６間加工の違いによるＳＣＣ性能の違いを第３図
に示す、尚、実験条件は温度３６０℃、管口周方向応力
２８ｋｇ／ａｓ’及び管内面積当りヨウ素濃度０．５ｍ
ｇ／ｃｍ２である。

本発明の方法によると耐ＳＣＣ性が増す（破損時間が長
く、かつ破損時歪が大ぎい）ことが［認された。

また、このときのクリープ特性は第４図に示すように、
現行よりも小さいクリープを抑えることができる。尚、
実験条件は温度３９０ｔ：、管円周方向応力１５ｋｇ／
ｉｓ’である。また、本発明に管の冷間加工度は６６．
４％である。

［発明の効果］本発明は以上説明したとおり、Ｚ　ｒｙ−４の仕様に対
して、耐食性向上目的の改良として、合金成分を調整し
、Ｓｎを少なくすると共にＮｉ　とＮｂを微量添加した
ので、耐食性が向上し、同時に水素吸収も抑制すること
ができる。また、Ｓｉ　を高めに添加したので、焼鈍し
指標（ΣＡｉ）が小さくても耐食性が確保される。一方
、これらの組成の変更によって低下する被覆管特性（機
械的強度、クリープ特性、ＳＣＣ（応力腐食割れ）特性
、照射成長など）についても、Ｆｅ、Ｃｒの含量の増大
により機械的強度を増加し、Ｏの含量を増大することに
より機械的強度を増大し、被覆管内面の［０００２］面
のｆｒ値を０．６５〜０．７５に調整することにより、
機械的強度を増大することが可能である。

この場合、Ｃを低めに設定することにより、照射成長の
低減を図ることもできる。

更に本発明では、製管時の最終冷間加工度を６０〜７０
％とし、内面側のｆｒ値を大ぎく、外面側のｆｒ値を小
さくすることにより、クリープが小さくなるように改善
することができる。また、これにより耐ＳＣＣ性能の改
善も満足するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の被覆管の耐食試験の結果を
示す線図、第２図は本発明の一実施例の被覆管の機械的
強度試験結果を示す線図、第３図は本発明の一実施例の
被覆管のＳＣＣ試験結果を示す線図、第４図は本発明の
一実施例の被覆管のクリープ試験結果を示す線図である
。代理人　弁理士　佐　藤　正　年

Claims

【特許請求の範囲】

（１）核燃料集合体の燃料棒用被覆管において、Ｓｎ：
０．９〜１．２ｗｔ％、Ｆｅ：０．２４〜０．３０ｗｔ
％、Ｃｒ：０．１３〜０．１９ｗｔ％、Ｎｂ：０．０５
〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：０．００５〜０．０２０ｗｔ
％、Ｏ：１０００〜１５００ｐｐｍ、Ｃ：１００〜２００ｐ
ｐｍ、Ｓｉ：５０〜２００ｐｐｍ、残部Ｚｒ及び不可避不純物からなるジルコニウム合金か
らなり、被覆管内面の［０００２］面のｆｒ値を０．６
５〜０．７５に調整してなることを特徴とする核燃料用
被覆管。
（２）核燃料集合体の燃料用被覆管の製造法において、Ｓｎ：０．９〜１．２ｗｔ％、Ｆｅ：０．２４〜０．３
０ｗｔ％、Ｃｒ：０．１３〜０．１９ｗｔ％、Ｎｂ：０
．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ：０．００５〜０．０２
０ｗｔ％、Ｏ：１０００〜１５００ｐｐｍ、Ｃ：１００
〜２００ｐｐｍ、Ｓｉ：５０〜２００ｐｐｍ残部Ｚｒ及
び不可避不純物からなるジルコニウム合金を調整し、該合金を使用して圧延により製管する際に、被覆管内面
の［０００２］面のｆｒ値を０．６５〜０．７５に調整
することを特徴とする核燃料用被覆管の製造法。
（３）前記合金を使用して圧延により製管した後、該管
の焼鈍し工程での焼鈍し指標（ΣＡｉ；Ａｎｅａｌｉｎ
ｇＰａｒａｍｅｔｅｒ）を２×１０＾−１＾８≦ΣＡｉ
≦５×１０＾−＾１＾７に調整することを特徴とする請
求項２に記載の核燃料用被覆管の製造法。（但し、ΣＡｉ＝Σｔｉ・ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴｉ）とし
、Ｑ＝８０Ｋｃａｌ／ｍｏｌ、Ｒ＝１．９８７ｃａｌ／
ｍｏｌ・ｋ、ｔｉ＝焼鈍時間（ｈｒ）、Ｔｉ＝焼鈍温度
（Ｋ）とする）