JPH0529080B2

JPH0529080B2 -

Info

Publication number: JPH0529080B2
Application number: JP61179020A
Authority: JP
Inventors: Josefu Puritsutsui Jon
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1985-08-02
Filing date: 1986-07-31
Publication date: 1993-04-28
Also published as: US4671826A; JPS6234095A; FR2585593B1; FR2585593A1

Description

【発明の詳細な説明】

発明の背景この発明は金属管の製造方法に関する。この発
明は特に、ジルコニウム合金製核燃料被覆管の製
造方法およびそれにより形成された被覆管に関す
る。ジルカロイ−２およびジルカロイ−４は市販さ
れている合金であり、その主要用途は、水型原子
炉、たとえば沸騰水（BWR）型、加圧水
（PWR）型および重水（HWR）型原子炉におけ
る用途である。これらの合金はその核特性、機械
的性質および高温耐水性に基づいて選択される。ジルカロイ−２およびジルカロイ−４の開発の
歴史は以下に要約されている：スタンレー、カス
著「ザ・デベロツプメント・オブ・ザ・ジルカロ
イズ（The Development of the Zircaloys）」
ASTM・スペシアル・テクニカル・パブリケー
シヨン（ASTM Special Technical
Publication）第368（1964）号、３〜27頁および
リコーバ、外「ヒストリー・オブ・ザ・デベロツ
プメント・オブ・ジルコニウム・アロイズ・フオ
ア・ユース・イン・ニユクレア・リアクターズ
（Histroy of the Development of Zirconium
Alloys for use in Nuclear Reactors）」NR：
Ｄ：1975。ジロカロイの開発に関しては、米国特
許第2772964号、同第3097094および同第3148055
号明細書に示されている。工業的原子炉用ジルカロイ−２合金は、約1.2
〜1.7重量％のスズ、約0.07〜0.20重量％の鉄、約
0.05〜0.15重量％のクロムおよび約0.03〜0.08重
量％のニツケルを含むジルコニウム合金である。
工業的原子炉用ジルカロイ−４合金は、1.2〜1.7
重量％のスズ、約0.18〜0.24重量％の鉄、約0.07
〜0.13重量％のクロムを含むジルコニウム合金で
ある。ジルカロイ−２およびジルカロイ−４に関
するほとんどの原子炉用化学組成仕様は、本質的
にASTM B350−80に記載の要件に適合してい
る（それぞれ合金UNS No.R60802およびR60804
に関する）。これらの要件に加えて、原子炉燃料
被覆管用にはこれらの合金に関する酸素含有量は
典型的には、900〜1600ppm、さらに典型的には
約1200±200ppmであることが要求されている。
これらの合金の変形体も時には用いられる。これ
らの変形体には高い延性が必要な場合（たとえ
ば、グリツド用の薄肉ストリツプ）は、低酸素含
有合金が包含される。シリコンおよび／または炭
素を少量ではあるが限定された量で付加されたジ
ルカロイ−２および４合金も工業的に利用されて
いる。ジルカロイ（すなわち、ジルカロイ−２および
ジルカロイ−４）被覆管は通常下記の工程により
製造される：すなわち、インゴツトを中間サイズ
のビレツトまたは棒状体に熱間加工する工程；こ
のビレツトをベータ溶体化処理する工程；中空ビ
レツトを切削する工程；中空ビレツトを中空円筒
押出品に高温アルフア押出しする工程；および多
数回の冷間ピルガー減径工程（典型的には、一減
径工程当り約50〜85％の減径を行つて２〜５減径
工程を通過させる）を行なうと共に、各減径工程
通過前にアルフア再結晶焼なまし処理を行なうこ
とにより、押出品を実質的に最終サイズを有する
被覆管材に減径させる工程。冷間加工された実質
的に最終サイズを有する被覆管材は次いでアルフ
ア焼なまし処理が行われる。この最終焼なまし処
理は応力除去焼なまし、部分再結晶焼なまし、あ
るいは完全再結晶化焼なまし処理である。この最
終焼なまし処理のタイプは、燃料被覆管の機械的
性質についての設計者の仕様に基づいて選択され
る。これらの処理例は、WAPD−TM−869（79
年11月）、およびWAPD−TM−1289（81年１月）
に詳細に記載されている。従来製造されたジルカ
ロイ燃料被覆管のいくつかの特性が、ローズらの
「クワオリテイ・コスツ・オブジルカロイ・クラ
デイング・チユーブ（Quality Costs of
Zircaloy Cladding Tubes）」（英国原子力エネル
ギー協会により発行された核燃料性能（1973）、
78.1〜78.4頁）に記載されている。前述の被覆管製造の従来法においては、冷間ピ
ルガー工程と最終アルフア焼なまし処程との間で
実施されるアルフア焼なまし処理は、通常大型真
空炉内に実施され、そこでは大ロツトの中間サイ
ズまたは最終サイズの管が一緒に焼なまし処理さ
れる。通常冷間ピルガー加工されたジルカロイ管
のバツチ式真空焼なまし処理に用いられる温度は
以下の通りである：すなわち、顕著な再結晶化を
生じない応力除去焼なましのためには約450〜500
℃；部分再結晶化焼なましのためには約500〜530
℃；および完全アルフア再結晶化焼なましのため
には約530〜760℃（しかし、アルフア完全再結晶
焼なましの場合は、約790℃で行なわれる）であ
る。これらの温度は、冷間加工度および処理され
るジルカロイの正確な組成によりいくらか変化す
る。前述のバツチ式真空アルフア焼なまし処理
中、炉に装入された管全体が選択された温度に約
１〜４時間、あるいはそれ以上置かれ、その後、
焼なましされた管が真空またはアルゴン冷却され
ることが通常望ましい。従来のジルカロイ管製造技術の別の例およびそ
変形例は「プロパテイーズ・オブ・ジルカロイ−
４・チユービング（Properties of Zircaloy−４
Tubing）」、WAPD−TM−585；エストロム外
の米国特許第3487675号明細書；マチンラツシの
米国特許第4233834号明細書；ネイラーの米国特
許第4090386号明細書；ホスペンスタム、外の米
国特許第3865635号明細書；アンダーソン、外に
よる「ベーター・クエンチング・オブ・ジルカロ
イ・クラデイング・チユーブズ・イン・インター
メーデイエート・オア・フアイナル・サイズ
（Beta Quenching of Zircaloy Cladding Tubes
in Intermediate of Final Size）」、原子力産業
におけるジルコニウム：第５回会議、ASTM
STP754（1982）、75〜95頁；マクドナルド、外の
米国特許出願第571122号（現在放棄されている
1982年１月29日出願の第343787号出願の継続出
願）明細書；サボル、外の米国特許出願第571123
号（現在放棄されている1982年１月29日出願の第
343788号出願の継続出願）明細書；アーミジヨ、
外の米国特許第4372817号明細書；ローゼンバウ
ム、外の米国特許第4390497号明細書；ベスター
ランド、外の米国特許第4450016号明細書；ベス
ターランドの米国特許第4450020号明細書；およ
び1983年１月14日発行のフランス特許出願公開第
2509510号明細書に記載されている。前述の方法およびそれらの方法により得られる
燃料被覆設計には、被覆に水に対する耐食性と、
必要な機械的な性質を与える第２材料からなる、
相対的に高強度の外側環状層（焼なまし層）に結
合した、PCI（ペレツト被覆相互作用）に対する
抵抗性を改善するための第１材料からなる環状内
張材を使用することが含まれる。しかし被覆が必要なPCI抵抗性と、水に対する
耐食性、および機械的性質を兼備した性質を有す
る単一の合金から形成されることが、核燃料被覆
およびこの被覆を製造する方法において要求され
ている。発明の概要この発明において、当該技術において要求され
る特性を兼備した性質を有する長い核燃料被覆管
が提供される。この発明の燃料被覆管は、ジルコ
ニウム基合金だけから構成される。横断面を見る
とわかるように、この発明の燃料被覆管は管の外
側表面の下に本質的に冷間加工だけを受け応力除
去状態にあるミクロ組織を特徴とする外側環状層
を備える。また管の内面に隣接し、かつ前記外側
環状層の下には少なくとも実質的に完全に再結晶
化状態にあるミクロ組織をもつ別の（内側）環状
層を備える。前記別の（内側）環状層は完全再結
晶化状態にあるのが好ましい。前述の燃料被覆管は、好ましくは、この発明に
より以下の工程により達成される。単一材料から
なる管を冷間加工して、冷間加工した中間管材を
造る。この冷間加工した中間管を次に中間焼なま
し処理して少くとも実質上完全に再結晶されたミ
クロ組織をもつことを特徴とする外側環状層を管
の外側表面の下に形成させ、この外側環状層の下
には管の内面に隣接する内側環状層を形成させ
る。この内側（第２）環状層は実質的に冷間加工
だけを受け応力除去状態にあるミクロ組織をもつ
ことを特徴とする。中間焼なまし処理ずみ管を次
いで再び冷間加工した後で最終焼なまし処理を行
う。最終焼なまし処理により、実質的に応力除去
焼なまし処理だけを受けた外側環状層と、少なく
とも実質的に完全に再結晶化された内側環状層と
が形成される。前述の方法における各冷間加工工程は、冷間ピ
ルガー工程であることが好ましい。また、中間および最終焼なまし工程は管の長さ
全体にわたつて付勢された誘導コイルを走査させ
ることにより実施することが好ましい。この発明の核燃料被覆に用いる合金は表に示
す合金の一つから選択することが好ましい。合金
の酸素含有量は600rpmより少ないことが好まし
く、さらに400rpmより少ないことが好ましい。

【表】＊合金の残りは、本質的にジルコニ
ウムと付随する不純物。
この発明の前述ならびに他の面は、図およびこ
の発明の以下の詳細な記述から明らかになるであ
ろう。発明の詳細な記述この発明の好適な実施例における、長い核燃料
被覆管１の横断面を第１図に模式的に示す。被覆
管１は、好ましくは表に示される合金から選択
されるジルコニウム基合金から構成される。管は
単一インゴツトからの単一合金からなることが好
ましい。したがつて管１の組成はその外径面３か
ら管の肉厚を経て内径面５まで本質的に均一であ
る。管１はこの発明により、２つの主環状ミクロ
組織層を有する最終管が得られるように製造され
る。外側環状層７は本質的に冷間加工だけを受け
応力除去状態にあることが好ましく、これは20面
積％以下の再結晶化粒子を含み、そして好ましく
は15面積％以下の再結晶化粒子を含有すると共
に、管の外径面３に隣接している。外側環状層７
の下で、かつ管の内径面５に隣接して、実質的に
完全に再結晶化ミクロ組織をもつ内側環状層９が
設けられており、これは少なくとも80面積％の再
結晶化粒子、そして好ましくは少なくとも85面積
％の再結晶化粒子を含有している。内側環状層９
と外側環状層７との間に、部分的に再結晶化ミク
ロ組織状態を示す遷移層１１が設けられている。外側環状層７は、全管肉厚Ｔの約40〜60％の肉
厚を有することが好ましい。さらに好ましくは、
外側環状層の肉厚は全管肉厚Ｔの約50〜60％であ
る。内側環状層９は全管肉厚Ｔの約60〜15％、そ
してさらに40〜20％の肉厚を有することが好まし
い。遷移層１１は全管肉厚Ｔの25％以下、さらに
10％以下の厚さを有することが好ましい。この燃料被覆管を構成するジルコニウム合金
は、意図する水冷却型原子炉に適用するのに必要
な、水に対する耐食性および冷間加工状態および
応力除去状態における構造特性を有することが知
られている合金から選択される。表に示した合
金から選択することが好ましい。最大のPCI抵抗
性が必要な場合は、合金の酸素含有量を約
600ppmより低く、さらに400ppmより低くするこ
とが好ましい。燃料被覆管１は必要なPCI抵抗性と、水冷却型
原子炉に使用するのに必要な水に対する耐食性お
よび構造特性とを兼備し、且つ異なる組成の２種
の管材料を別々に形成して一方を他方の内側に接
合させることを不要とすることが要望される。この発明による燃料被覆管１は、以下のこの発
明の製造方法により製造することが好ましい。この発明の方法の概略工程図を第２図に示す。
原料の管２０は前述のように、単一のジルコニウ
ム基合金から形成されることが好ましい。この管
２０はその肉厚全体にわたつて、ベータ焼入れミ
クロ組織を有するか、あるいは全体にわたつて完
全に再結晶化ミクロ組織を有する。好適な実施例
では、管２０は、その外径面２２に隣接してベー
タ焼入れ処理された外側環状ミクロ組織層と、そ
の内径面２４に隣接する完全再結晶化内側（環
状）層とを有している。管２０は予め少なくとも
一回の前冷間ピルガー工程を受けることが最も好
ましい。管２０は冷間加工工程３０を受け、この工程は
一回の冷間ピルガー工程が好ましく、それにより
管２０の横断面積は、約50〜80％、そして好まし
くは70〜80％減少される。中間サイズを有する冷間加工ずみ管４０は表面
焼なまし処理５０を受ける。表面焼なまし処理に
おいて、管４０は急速加熱装置、たとえばレーザ
ー、あるいは付勢された誘導コイルにより急速走
査されて、外径面６２に隣接する外側環状層６０
においてのみ完全に再結晶化が行われ（すなわ
ち、少なくとも95面積％の再結晶粒子を生成さ
せ）るのに対して、内径面６６に隣接する内側環
状層６４は、単に冷間加工および応力除去状態
（すなわち、５面積％より少ない再結晶化粒子）
にある。２つの層６０および６４を分離するのは
比較的狭い部分的再結晶化層（遷移層）６８であ
る。これらの層の肉厚は以下のとおりであること
が好ましい：内側環状層６４は全管肉厚T_Iの約
60〜15％、さらに好ましくは約40〜20％であり；
遷移層６８は全管肉厚T_Iの約25％以下、さらに
好ましくは約10％以下で、外側環状層６０は全管
肉厚T_Iの約40〜60％、さらに好ましくは50〜60
％である。表面焼なまし処理ずみ管７０は次いで工程８０
において冷間加工されて最終冷間加工ずみ管９０
が得られる。工程８０において表面焼なましずみ
管７０の横断面積は、約15〜75％減少される。工
程８０は約60％以下の横断面積の減少をもたら
す、単一冷間ピルガー加工すなわち冷間引張り工
程であることが好ましい。得られた最終冷間加工
ずみ管９０は本質的に、遷移層９６により分離さ
れた２つの環状層９２および９４を有している。
外側環状層９２のミクロ組織は、両冷間加工工程
３０および８０によりもたらされた冷間加工効果
が蓄積された内側環状層９４より、冷間加工の度
合いは低い（すなわち、転位密度が低い）。外側
環状層９２および内側環状層９４間の冷間加工の
度合いの差は、少なくとも約30％（たとえば、外
側環状層９２が60％の減少度で、内側環状層９４
が90％の減少度を有する）であることが好まし
く、さらに少なくとも40％であることが好まし
い。内側環状層９４は少なくとも約80％の全体的
な冷間加工度を有することが好ましい。最終冷間加工ずみ管９０は次いで工程１００に
おいて好ましくは誘導焼なまし処理により最終焼
なまし処理が行なわれるが、この誘導焼なまし処
理は、ウエスチングハウス・エレクトリツク・コ
ーポレーシヨンに譲渡されている、特開昭62−
33748号公報に記載されている。この係属出願明
細書においては、内径面１１４に隣接する実質的
に完全再結晶化内側環状層１１２と、外径面１１
８に隣接する本質的に単に冷間加工および応力除
去された外側環状層１１６とを有する最終焼なま
し処理ずみ管１１０を得るために、当業者が誘導
焼なまし処理パラメータを選択できるようにして
いる。すべての点において、最終焼なまし処理ず
み管１１０は第１図に示されるものであると共
に、第１図に関連してこれまで説明されたもので
ある。工程１００において実施された最終焼なまし処
理は、最終冷間加工ずみ管９０の肉厚全体にわた
つて実質的に均一な熱処理をもたらすように選択
される点で工程５０において実施した表面焼なま
し処理とは異なつている。容易に明らかなよう
に、層９４および９２における冷間加工度の相違
が、最終焼なまし処理１００におけるこれら２つ
の層の再結晶化速度の相違に通じている。前述の
係属中の米国特許出願明細書に述べられる誘導焼
なまし処理を用いて可能なように、最終焼なまし
処理工程を注意深く制御することにより、焼なま
し速度におけるこれらの相違がこの発明におい
て、この発明の最終燃料被覆管の製造に利用され
る。これまでの説明および例は、この発明により得
られる利点を明らかに示している。この発明の別
の実施例は、ここに開示された発明の明細書の考
察および実施により明らかになるであろう。この
明細書および例は単なる例示であり、この発明の
真の範囲および精神は特許請求の範囲に示される
ものとされる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の核燃料被覆管の横断面図、
第２図はこの発明の核燃料被覆管製造方法の工程
図である。１……核燃料被覆管、３……外径面、５……内
径面、７……外側環状層、９……（完全再結晶
化）内側環状層、１１……遷移層、Ｔ，T_I……
全管肉厚、２０……（原料）管、２２……外径
面、２４……内径面、３０……冷間加工工程、４
０……（中間サイズを有する）冷間加工ずみ管、
５０……表面焼なまし処理、６０……外側環状
層、６２……外径面、６４……内側環状層、６６
……内径面、６８……部分的再結晶化層（遷移
層）、７０……表面焼なまし処理ずみ管、９０…
…最終冷間加工ずみ管、９２……外側環状層、９
４……内側環状層、９６……遷移層、１１０……
最終焼なまし処理ずみ管、１１２……内側環状
層、１１４……内径面、１１６……外側環状層、
１１８……外径面。