JPH04309895A - 原子炉用燃料バンドルの製造方法 - 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、原子炉で使用される燃
料バンドル（集合体）の製造方法に係り、特にその製造
工程の改善に関する。

【０００１】

【従来の技術】従来から沸騰水型軽水炉においては、燃
料バンドルを構成する燃料被覆管、チャンネルボックス
、スペ−サ等の炉心構造材料としてジルコニウム基合金
が使用されている。これは中性子経済や、高温水あるい
は水蒸気中における耐食性を考慮して開発されたもので
ある。

【０００２】しかしながら、これらの材料は、原子炉の
運転中には冷却水に曝されている表面が酸化される傾向
にある。酸化膜は照射が進むにつれて成長し、厚くなる
と剥離することもある。特に溶接部では非溶接部よりも
厚い酸化膜が生成する。このような酸化膜の生成は、燃
料被覆管、炉心構造材の減肉をもたらすと共に、剥離に
よって炉水中の放射能濃度を増加させ、原子炉定期検査
時の作業者の被曝量を増加させる恐れがある。

【０００３】将来、原子炉燃料の経済性を向上させるた
めに、燃料や構造材の使用期間を延長させる計画が進行
しているが、現行よりも長期間の使用に耐えるためには
、ジルコニウム基合金の溶接部における酸化の機構が注
目されている。

【０００４】その対策の１例として、特開昭６１−３０
６８１号公報に示されるように、ジルコニウム基合金構
造部材の表面にＴｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｗのいずれかの元素で
表面を被覆することにより耐食性を向上させる方法が提
案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来技
術では原子炉内の使用条件下における被覆管の安定性が
未だに確かめられておらず、炉内でその性能を確実に発
揮できるかどうかが疑問であり、特に長期間の使用に十
分耐えられる手段とは言い難い。

【０００６】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的は燃料被覆管、チャンネルボックス、スペ
−サ等のジルコニウム基合金製の炉心構造材に適し、溶
接部の耐食性に優れた燃料バンドルの製造方法を提供す
ることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の原子炉用燃料バンドルの製造方法の構成は複
数個の原子炉用燃料被覆管等を束ねてなる燃料バンドル
の製造方法において、燃料被覆管および炉心構造材とし
て使用するジルコニウム基合金製の部品の溶接工程の後
に、焼鈍工程を加えるようにしたことである。

【０００８】

【作用】水冷却型原子炉の燃料被覆管や構造材として現
在利用されているジルコニウム基合金はジルカロイであ
る。ジルカロイは強度や耐食性を向上させるために、ジ
ルコニウムに錫、鉄、クロム、ニッケル等を少量添加し
たものである。これら合金元素のうち鉄、クロム、ニッ
ケルはジルコニウム中の固溶濃度が低く、添加物が固溶
限を超えているために、通常の状態ではジルコニウムと
の金属間化合物を形成して、ジルカロイ母材中に析出し
ている。

【０００９】上記の金属間化合物は、主にジルカロイ製
品製造工程の焼鈍時に生成する。図２には、従来のジル
コニウム基合金製燃料被覆管の製造工程を示す。図２の
工程において、１は純Ｚｒスポンジ、２は合金元素添加
、３はア−ク溶解、４はβ−鍛造、５は溶体化処理、６
はα−鍛造、７は熱間加工、８は焼き鈍し、９は冷間圧
延、１０は焼き鈍し、１２は最終素材である。すなわち
、溶体化処理５により偏在化していた合金元素が均一化
されるが、その後の熱間押出し７や焼き鈍し８の過程で
ジルコニウム中に過飽和に固溶していた合金元素が析出
し、析出物の大きさも成長していく。しかし溶接により
再び溶体化処理と同じ効果が生じ、析出していた合金元
素がまた過飽和に固溶したり、析出しても微細な析出物
しか形成しなかったりする。

【００１０】ジルコニウム基合金の酸化機構について以
下に説明する。合金元素固溶成分濃度の小さいところで
はＺｒＯ２型酸化膜が形成される。ところが合金元素が
過飽和に固溶したところでは酸化膜中に合金元素が取り
込まれる。合金元素の鉄、クロム、ニッケルは原子価が
２あるいは３価であり、Ｚｒは４価であるため、合金元
素を取り込んだジルコニウムの酸化物中には、電荷のバ
ランスをとるために酸素の空孔が生じ、ＺｒＯｎ型の酸
化物になる。ただし、以下ｎ＝２−ｘとする。ＺｒＯｎ
型の酸化物は酸素の空孔をたくさん含んでいるため、酸
素の拡散が速くなる。通常Ｚｒの酸化は酸化膜中の酸素
の拡散が律速となっており、ＺｒＯｎ型の酸化物の方が
成長が早くなる。このために溶接部の酸化膜が非溶接部
よりも厚くなるものと考えられる。

【００１１】また炉内で使用後のジルカロイ−２被覆管
の微細組織を、透過型電子顕微鏡およびエネルギ−分散
型Ｘ線分析装置を用いて観察、分析した結果、金属間化
合物の析出物からジルカロイ−２母材中に合金元素が過
飽和に固溶していることがわかった。この合金元素の照
射誘起固溶現象により、ジルカロイ−２の酸化速度は加
速されることになる。特に小さい析出物ほど固溶が速い
。したがって、溶接部の小さい析出物は照射初期に固溶
してしまい、合金元素の固溶濃度が高くなり、酸化速度
をさらに加速する結果となる。

【００１２】このことから、高速中性子の照射により、
析出していた合金元素が熱力学的には起こりえない過飽
和な状態まで固溶することがわかった。その結果、ジル
カロイの溶接部の耐食性が劣化することになる。本発明
は、上記の照射により特に、溶接部でジルカロイ母材中
に合金元素が過飽和に固溶し、耐食性を劣化させるとい
う事実の発見に基づいて生まれたものである。本発明か
らなるジルコニウム基合金を原子炉の炉心に装荷して使
用すると、溶接部の耐食性を向上させ、さらに照射によ
る溶接部の耐食性の劣化を抑制することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の１実施例を図１〜図３を用い
て説明する。図１は本発明の実施例の原子炉の燃料バン
ドルの製造工程図である。図２は従来の燃料被覆管の製
造工程図であり、図３は従来の燃料バンドルの製造工程
図である。

【００１４】まず図２（既に記載した）を用いてジルコ
ニウム基合金からなる燃料被覆管の従来の製造方法を説
明する。原料の純Ｚｒスポンジ１に所定の合金元素（錫
、鉄、クロム、ニッケル等）を添加２し、プレスにより
圧縮成型して円柱状ブリケットを造る。これを不活性雰
囲気下で溶接し電極に仕上げ、これをア−ク溶解３して
インゴットにする。成型のためにインゴットを約１００
０℃に加熱しβ鍛造４する。これを１０００℃以上で数
時間保持し、その後急冷して溶体化処理５する。この溶
体化処理５により偏在していた合金元素の分布が均一化
される。溶体化処理５によって生じた表面酸化膜の除去
および寸法調整のために、７００℃前後のα領域温度範
囲内で予備加熱後、α鍛造６する。これを７００℃前後
の熱間加工７により素管にする。加工による歪除去のた
め、１０￣４〜１０￣６Ｔｏｒｒの高真空下、６５０℃
で焼鈍し８する。　　冷間圧延９により外径を絞り肉厚
を薄くする。その後焼鈍し工程１０を挾んで数回冷間圧
延９を繰返し、所定寸法に達するまで行う。最後に、１
０￣４〜１０￣６Ｔｏｒｒの高真空下で５８０℃前後の
再結晶化焼鈍を行う。

【００１５】図３は、上記の被覆管の他スペ−サ、部品
等の従来の燃料バンドルの製造工程図である。図１は本
発明の燃料バンドルの製造工程図である。図１において
、２１は溶接工程、２２は溶接部の焼鈍工程である。

【００１６】図２において、溶体化処理５後の熱間加工
７や焼鈍し８、１０により過飽和に固溶していた合金元
素が析出する。ところが、図１に示すように、溶接工程
２１によって再び溶体化処理５と同様な効果が生じ、合
金元素が過飽和に固溶し、また析出していても微細な析
出物を形成するようになる。すなわち、図１に示したよ
うに、溶接工程２１の後に、焼鈍工程２２を新設した理
由はこのためである。この焼鈍工程２２により、溶接工
程２１で過飽和に固溶した合金元素を析出させ、また微
細な析出物を成長させ、照射誘起固溶が生じにくい大き
な析出物にすることができる。

【００１７】焼鈍温度および時間については、一般に製
造効率を高める目的から、高温で短時間がのぞましい。 しかし、ジルコニウムあるいはジルカロイの相転移温度
を超えると結晶粒の形状、大きさに変化を生じ、機械的
性質が変化するので、焼鈍温度は８００℃を超えないこ
とが望ましい。焼鈍による析出物の形成および成長過程
を調べた結果、７５０℃、１時間の焼鈍で十分な効果が
期待できる。

【００１８】また、酸化速度をできるだけ低減するため
には、焼鈍温度は低い方がよい。それは、ジルカロイの
マトリックス中における合金元素の固溶限が、温度が高
いほど大きくなるためである。すなわち高温焼鈍よりも
低温焼鈍の方が、合金元素の固溶濃度は低くなり、酸化
速度の加速も小さくなると考えられる。このことから５
５０℃で２４時間程度の焼鈍が効果的である。なお、焼
鈍の際には、ジルカロイ表面の酸化を防止するために、
真空中あるいは不活性ガス中で行うことが望ましい。

【００１９】

【発明の効果】以上のように、本発明の方法によれば、
溶接工程でジルコニウム基合金に生じた合金元素の過飽
和固溶成分を析出させ、また析出物を成長させることが
できるので、従来、合金元素の過飽和固溶成分が原因で
発生していた溶接部の酸化速度の加速効果を抑制するこ
とができ、安全性および信頼性に優れた溶接部を持つジ
ルコニウム基合金製の燃料被覆管、スペ−サ、チャンネ
ルボックス等の炉心構造材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料バンドルの製造工程図である。

【図２】従来のジルコニウム基合金製燃料被覆管の製造
工程図である。

【図３】従来の燃料バンドルの製造工程図である。

【符号の説明】

１　　　　純ジルコニウムスポンジ ２　　　　合金元素添加 ３　　　　ア−ク溶解 ４　　　　β−鍛造 ５　　　　溶体化処理 ６　　　　α−鍛造 ７　　　　熱間加工 ８　　　　焼なまし ９　　　　冷間圧延 １０　　焼なまし １２　　最終素材 ２１　　溶接工程 ２２　　焼鈍工程

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　複数個の原子炉用燃料被覆管等を束ね
   てなる燃料バンドルの製造方法において、燃料被覆管お
   よび炉心構造材として使用するジルコニウム基合金製の
   部品の溶接工程の後に、焼鈍工程を加えたことを特徴と
   する原子炉用燃料バンドルの製造方法。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の製造方法において、焼
   鈍温度を５５０〜８００℃とし、焼鈍時間を１時間以上
   としたことを特徴とする原子炉用燃料バンドルの製造方
   法。
3. 【請求項３】　　請求項１記載の製造方法において、焼
   鈍を真空中あるいは不活性ガス中で行うことを特徴とす
   る原子炉燃料バンドルの製造方法。