JPH06230161A - Zirconium based alloy - Google Patents

Zirconium based alloy

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JPH06230161A
JPH06230161A JP5013004A JP1300493A JPH06230161A JP H06230161 A JPH06230161 A JP H06230161A JP 5013004 A JP5013004 A JP 5013004A JP 1300493 A JP1300493 A JP 1300493A JP H06230161 A JPH06230161 A JP H06230161A
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JP
Japan
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zirconium
based alloy
solid solution
corrosion resistance
fuel cladding
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JP5013004A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Eito
良則 栄藤
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Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
Original Assignee
Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To provide a zirconium based alloy excellent in corrosion resistance and suitable as a material for fuel cladding pipe or a core structure such as a channel box or a spacer. CONSTITUTION:In the production process of a fuel cladding pipe made of zircaloy, an alloy of Zr added with 0.5-2.0wt.% of at least one kind of Y and Pb with at least 1wt.% thereof being present in the form of solid solution, is employed as the compositional material for an original pipe 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉の燃料被覆管又
は炉心構造材料に使用されるジルコニウム基合金に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a zirconium-based alloy used for a fuel cladding tube or core structural material of a nuclear reactor.

【0002】[0002]

【従来の技術】軽水炉では、燃料被覆管、及びチャンネ
ルボックス又はスペーサなどの炉心構造材料にジルコニ
ウム基合金が使用されている。ジルコニウム基合金は、
中性子経済、及び高温・高圧水又は水蒸気中における耐
食性・強度などを考慮して開発されたものである。
2. Description of the Related Art In light water reactors, zirconium-based alloys are used for fuel cladding tubes and core structural materials such as channel boxes or spacers. Zirconium based alloys
It was developed in consideration of neutron economy and corrosion resistance / strength in high temperature / high pressure water or steam.

【0003】従来用いられているジルコニウム基合金
は、主にジルカロイであるが、ジルカロイ製燃料被覆管
の製造方法のうち、素管以降の工程について、図3の燃
料被覆管製造工程のフロー図により説明する。図3にお
いて、1は素管、2は外面焼入れ工程、3は焼鈍工程、
4は冷間圧延工程、5は中間焼鈍工程、6は最終圧延工
程、7は最終焼鈍工程を示している。
The conventionally used zirconium-based alloy is mainly zircaloy. In the method for manufacturing a fuel cladding tube made of zircaloy, the steps after the raw tube are shown in the flow chart of the fuel cladding tube manufacturing step of FIG. explain. In FIG. 3, 1 is a blank tube, 2 is an outer surface quenching step, 3 is an annealing step,
4 is a cold rolling process, 5 is an intermediate annealing process, 6 is a final rolling process, and 7 is a final annealing process.

【0004】この製造方法では、まず素管1の外面焼入
れ工程2において、素管1の外表面近傍における合金元
素の分布を均一化する。次に焼鈍工程3において、焼入
れによる歪み除去のために620℃で1.25時間焼鈍
し、その後、冷間圧延工程4において、外径を絞り肉厚
を薄くする。
In this manufacturing method, first, in the outer surface quenching step 2 of the shell 1, the distribution of alloying elements near the outer surface of the shell 1 is made uniform. Next, in the annealing step 3, annealing is performed at 620 ° C. for 1.25 hours to remove strain by quenching, and then in the cold rolling step 4, the outer diameter is reduced and the wall thickness is reduced.

【0005】そして、所定寸法に調製するため、620
℃で1.25時間の中間焼鈍工程5をはさんで2回の冷
間圧延を繰り返し、次に最終圧延工程6において、最終
圧延を行い、最後に、最終焼鈍工程7において、10~4
〜10~6Torrの高真空下で、577℃、2.5時間
の再結晶化焼鈍を行う。
Then, in order to adjust to a predetermined size, 620
Cold rolling is repeated twice with the intermediate annealing step 5 of 1.25 hours at ℃ performed, then the final rolling is performed in the final rolling step 6, and finally 10 to 4 in the final annealing step 7.
Recrystallization annealing is performed at 577 ° C. for 2.5 hours under a high vacuum of -10 to 6 Torr.

【0006】しかし、このようにして製造された燃料被
覆管や炉心構造材料は、原子炉の運転中において冷却水
との接触面に酸化膜が生じる。そして、酸化膜は照射が
進むにつれて成長し、厚くなった場合には剥離すること
がある。
However, in the fuel cladding tube and the core structural material produced in this way, an oxide film is formed on the contact surface with the cooling water during the operation of the nuclear reactor. Then, the oxide film grows as the irradiation progresses, and may peel off when it becomes thick.

【0007】このような酸化膜の発生は、燃料被覆管や
炉心構造材料の減肉をもたらすとともに、剥離によって
炉水中の放射能濃度を増加させ、原子炉の定期検査時の
作業者の被曝量を増加させる恐れがある。
The generation of such an oxide film not only reduces the thickness of the fuel cladding tube and core structural material, but also increases the radioactivity concentration in the reactor water due to peeling, resulting in a radiation dose to workers during periodic inspections of the nuclear reactor. May increase.

【0008】原子炉燃料の経済性を向上させるために、
燃料被覆管や炉心構造材料の使用期間を延長させる計画
が進行しているが、従来よりも長期間の使用に対する燃
料被覆管や炉心構造材料の安全性や信頼性、又は定検作
業時の被曝量低減の観点から、ジルコニウム基合金の耐
食性が注目されている。
In order to improve the economical efficiency of reactor fuel,
Plans are underway to extend the period of use of fuel cladding tubes and core structural materials, but the safety and reliability of fuel cladding tubes and core structural materials for longer-term use than before, or exposure during regular inspection work From the viewpoint of reducing the amount, the corrosion resistance of zirconium-based alloys has attracted attention.

【0009】この対策の一例として、特開昭57−11
6739号公報には、金属間化合物をジルコニウム基合
金基体の全体にわたり、粒界又は亜粒界に添って連鎖状
に偏析させ、耐食性を向上させる方法が開示されてい
る。
As an example of this measure, Japanese Patent Laid-Open No. 57-11
Japanese Patent No. 6739 discloses a method in which an intermetallic compound is segregated in a chain form along a grain boundary or a subgrain boundary over the entire zirconium-based alloy substrate to improve corrosion resistance.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように連
鎖状に偏析させた金属間化合物の、原子炉内の使用条件
下での安定性については、確かめられておらず、原子炉
内でその性能が発揮できるかどうかは疑問であり、特
に、長期間の原子炉内の使用条件下では、十分な手段で
あるとは言い難い。
However, the stability of such intermetallic compounds segregated in a chain form under the conditions of use in the reactor has not been confirmed, and the stability of the intermetallic compound in the reactor has not been confirmed. It is doubtful whether or not the performance can be exhibited, and it is hard to say that it is a sufficient means especially under the operating conditions in the reactor for a long time.

【0011】本発明は、上記のような実状に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、燃料被覆
管、又はチャンネルボックスやスペーサなどの炉心構造
材料を構成する耐食性に優れたジルコニウム基合金を提
供することにある。
The present invention has been made in view of the above situation, and an object thereof is zirconium having excellent corrosion resistance which constitutes a fuel cladding tube or a core structural material such as a channel box and a spacer. To provide a base alloy.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的は、次のように
して達成することができる。
The above object can be achieved as follows.

【0013】(1)ZrとZrへの添加元素とから構成
され、原子炉の燃料被覆管又は炉心構造材料に使用され
るジルコニウム基合金において、添加元素が、原子価が
4未満であり、原子炉の使用条件下で生成される酸化膜
中で酸化された状態で存在し、Zrよりも酸化されにく
い元素であること。
(1) In a zirconium-based alloy which is composed of Zr and an additive element to Zr and is used for a fuel cladding tube of a nuclear reactor or a core structure material, the additive element has a valence of less than 4, It is an element that exists in an oxidized state in an oxide film produced under the conditions of use of a furnace and is less likely to be oxidized than Zr.

【0014】(2)(1)において、添加元素が、α-
Zrに少なくとも1wt%以上固溶する元素であるこ
と。
(2) In (1), the additive element is α-
It must be an element that forms a solid solution with at least 1 wt% in Zr.

【0015】(3)(1)において、添加元素が、α-
Zrに少なくとも1wt%以上固溶し、熱中性子吸収断
面積が1b程度以下であるY及びPbのうちの少なくと
も1種類で、添加量合計が0.5〜2.0wt%の元素で
あること。
(3) In (1), the additive element is α-
At least 1 wt% or more of Y and Pb having a thermal neutron absorption cross-section of about 1b or less in solid solution in Zr and having a total addition amount of 0.5 to 2.0 wt%.

【0016】(4)(1)において、添加元素が、α-
Zrに少なくとも1wt%以上固溶し、熱中性子吸収断
面積が1b程度以下であるY及びPbのうちの少なくと
も1種類で、添加量合計が0.5〜2.0wt%の元素、
及びZn、Co及びTiのうちの少なくとも1種類で、
添加量合計が0.1〜0.5wt%の元素であること。
(4) In (1), the additive element is α-
At least 1 wt% or more of Y and Pb having a solid solution in Zr of 1 wt% or more and having a thermal neutron absorption cross section of about 1 b or less, and the total addition amount is 0.5 to 2.0 wt%,
And at least one of Zn, Co and Ti,
The total amount of addition should be 0.1-0.5 wt% element.

【0017】[0017]

【作用】まず、本発明の基礎になっているジルコニウム
基合金の腐食機構について説明する。
First, the corrosion mechanism of the zirconium-based alloy, which is the basis of the present invention, will be described.

【0018】Zrが酸化されたときは、ZrO2型の酸
化物が形成される。ZrO2には単斜晶系(低温型)と
正方晶系(高温型)とがあり、前者から後者への転移は
可逆的に1000℃付近で生じる。
When Zr is oxidized, a ZrO 2 type oxide is formed. ZrO 2 has a monoclinic system (low temperature type) and a tetragonal system (high temperature type), and the transition from the former to the latter reversibly occurs at around 1000 ° C.

【0019】単斜晶系のZrO2は、多孔質で脆い性質
を持っており、ジルコニウム基合金の表面に生じた場合
でも、酸化剤の侵入に対する障壁、すなわち保護皮膜と
はならないため、単斜晶系のZrO2が生じたジルコニ
ウム基合金は耐食性が非常に悪い。
Monoclinic ZrO 2 is porous and has a brittle property, and even if it occurs on the surface of a zirconium-based alloy, it does not form a barrier against the invasion of an oxidant, that is, a protective film, and therefore it is a monoclinic system. Zirconium-based alloys containing crystalline ZrO 2 have very poor corrosion resistance.

【0020】これに対して、ZrにMgOやCaO、又
は希土類酸化物などを数%添加したものは、安定化ジル
コニア又は部分安定化ジルコニアと呼ばれ、立方晶系又
は正方晶系をとり、相転移を起こさなくなる。特に、部
分安定化ジルコニアは機械的性質に優れており、ジルコ
ニウム基合金に安定化ジルコニアの酸化膜が形成された
場合、この酸化膜は緻密な耐食性に優れた保護皮膜とな
る。
On the other hand, Zr containing a few% of MgO, CaO, or a rare earth oxide is called stabilized zirconia or partially stabilized zirconia, which has a cubic system or a tetragonal system and has a phase of Does not cause transition. Particularly, partially stabilized zirconia has excellent mechanical properties, and when an oxide film of stabilized zirconia is formed on a zirconium-based alloy, this oxide film becomes a dense protective film excellent in corrosion resistance.

【0021】原子炉内におけるジルコニウム基合金の使
用温度は、通常では200〜400℃程度であり、生成
される酸化膜は単斜晶系のZrO2である。しかし、従
来主に用いられているジルコニウム基合金であるジルカ
ロイは、単斜晶系のZrOが生じているにもかかわら
ず、比較的良い耐食性を有している。
The operating temperature of the zirconium-based alloy in the nuclear reactor is usually about 200 to 400 ° C., and the oxide film formed is monoclinic ZrO 2 . However, zircaloy, which is a zirconium-based alloy that has been mainly used in the past, has relatively good corrosion resistance despite the formation of monoclinic ZrO 2 .

【0022】この原因は、酸化膜と金属との界面におい
て生成される酸化物が正方晶系のジルコニアであり、こ
れが保護皮膜の役割を果しているためである。ただし、
この正方晶系のジルコニアは、酸化膜が厚くなつた場合
には、単斜晶系のジルコニアに相転移してしまうので、
保護皮膜はあまり厚くなることがなく、外側には耐食性
に効果のない厚い単斜晶系のジルコニアが生じる。
This is because the oxide produced at the interface between the oxide film and the metal is tetragonal zirconia, which plays the role of a protective film. However,
Since this tetragonal zirconia undergoes a phase transition to monoclinic zirconia when the oxide film becomes thick,
The protective film does not become so thick, and thick monoclinic zirconia, which has no effect on corrosion resistance, is formed on the outside.

【0023】このようにジルカロイの表面に正方晶系の
酸化膜が生じる原因は、Fe、Cr又はNiが酸化膜の
中に取り込まれた場合、MgOやCaO、又はY3
などのように、正方晶系のジルコニアを安定化させる性
質を持っているためと考えられる。
The reason why the tetragonal oxide film is formed on the surface of zircaloy is that MgO, CaO, or Y 2 O 3 is contained when Fe, Cr, or Ni is incorporated into the oxide film.
It is thought that this is because it has the property of stabilizing tetragonal zirconia as described above.

【0024】すなわち、正方晶系のジルコニアの安定化
は、原子価がZrよりも小さい元素がジルコニア中に取
り込まれることにより、ジルコニア中に酸素空孔が導入
されるので、達成されるものと考えられる。
That is, it is considered that stabilization of tetragonal zirconia is achieved because oxygen vacancies are introduced into zirconia by incorporating an element having a valence smaller than Zr into zirconia. To be

【0025】ただし、ジルカロイの場合は、これらの合
金元素濃度が低いこと、更に非常に厳しい酸化雰囲気下
で使用されることなどが原因で、酸化膜は十分な厚さま
で正方晶系を安定化することができず、相転移が生じる
ものと考えられる。また、低濃度の合金元素による正方
晶系の安定化には圧縮応力も必要であるが、酸化膜が厚
くなった場合には圧縮応力が小さくなるので、相転移が
生じるとも考えられる。
However, in the case of zircaloy, the oxide film stabilizes the tetragonal system to a sufficient thickness due to the low concentration of these alloying elements and the fact that it is used in a very severe oxidizing atmosphere. It is thought that a phase transition occurs. Further, a compressive stress is also required to stabilize the tetragonal system due to a low concentration of alloying elements, but when the oxide film becomes thicker, the compressive stress becomes smaller, so it is considered that a phase transition occurs.

【0026】この相転移が生じる臨界厚さと、ジルコニ
ア中の合金元素濃度又は酸素空孔濃度との間には相関が
あり、酸素空孔濃度が高いほど相転移が生じる臨界厚さ
が厚くなると予想される。
There is a correlation between the critical thickness at which this phase transition occurs and the alloy element concentration or oxygen vacancy concentration in zirconia, and it is expected that the higher the oxygen vacancy concentration, the greater the critical thickness at which phase transition occurs. To be done.

【0027】ジルカロイ中では、ほとんどのFe、Cr
及びNiは、Zrと金属間化合物を形成して析出してい
ることが知られており、ジルカロイを酸化させたとき、
これらの析出物中から多少は合金元素が酸化物のマトリ
クス中に固溶する。
In Zircaloy, most of Fe and Cr are contained.
It is known that Ni and Ni are precipitated by forming an intermetallic compound with Zr. When Zircaloy is oxidized,
From these precipitates, some alloying elements form a solid solution in the oxide matrix.

【0028】しかし、もともと、ジルコニウム基合金の
マトリクス中に、これらの合金元素が固溶していたほう
が、ジルコニアのマトリクス中における合金元素濃度が
高くなり、酸素空孔濃度を高めることができるので、正
方晶系のジルコニアをより厚い酸化膜まで安定化させる
ことができ、ジルコニウム基合金の耐食性を向上させる
ことができる。
However, originally, when these alloy elements are in solid solution in the matrix of the zirconium-based alloy, the concentration of the alloy elements in the matrix of zirconia becomes higher, and the oxygen vacancy concentration can be increased. It is possible to stabilize tetragonal zirconia up to a thicker oxide film and improve the corrosion resistance of the zirconium-based alloy.

【0029】したがって、ジルコニウム基合金を製造す
るには、酸化数が4未満の元素を添加し、これらをマト
リクス中にできるだけ高濃度で固溶させることが必要と
なる。
Therefore, in order to produce a zirconium-based alloy, it is necessary to add an element having an oxidation number of less than 4 and form a solid solution in the matrix at a concentration as high as possible.

【0030】本発明では、上記のジルコニウム基合金腐
食機構に基づいて検討を進め、従来の製造工程を用い
て、耐食性の向上するジルコニウム基合金の製造を可能
にしている。すなわち、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した場合は、耐食性
に優れた保護皮膜である正方晶ジルコニアを長期間安定
化させることができるので、ジルコニウム基合金の耐食
性を向上させることが可能となり、燃料の高燃焼度化に
適したジルコニウム基合金製炉心構造材料を得ることが
できる。
In the present invention, studies have been carried out based on the above-described zirconium-based alloy corrosion mechanism, and it has become possible to manufacture a zirconium-based alloy having improved corrosion resistance by using the conventional manufacturing process. That is, when the zirconium-based alloy according to the present invention is used by being loaded in the core of a nuclear reactor, tetragonal zirconia, which is a protective film having excellent corrosion resistance, can be stabilized for a long period of time, and therefore the corrosion resistance of the zirconium-based alloy is improved. Therefore, it is possible to obtain a zirconium-based alloy core structural material suitable for increasing the burnup of fuel.

【0031】[0031]

【実施例】本発明の一実施例を図を用いて説明する。図
1は本発明の一実施例のジルカロイ製燃料被覆管の製造
工程のうち、素管以降の工程フロー図であり、本実施例
と前出の従来例の図3とを比較して異なる点は、図1で
は外面焼入れ工程2を含んでいないこと、及び素管1の
構成材料を異にすることである。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process flow diagram of a zircaloy fuel cladding tube according to an embodiment of the present invention after a raw tube. Differences between this embodiment and FIG. In FIG. 1, the outer surface quenching step 2 is not included, and the constituent material of the shell 1 is different.

【0032】従来例の図3の場合、外面焼入れ工程2に
よって均一化された合金元素の分布は、外面焼入れ工程
2後の中間焼鈍工程5及び最終焼鈍工程7によって、再
び不均一になる。これは、Fe、Cr又はNiが、α-
Zr中でほとんど固溶しないためである。
In the case of FIG. 3 of the conventional example, the distribution of the alloying elements made uniform by the outer surface quenching step 2 becomes non-uniform again by the intermediate annealing step 5 and the final annealing step 7 after the outer surface quenching step 2. This is because Fe, Cr or Ni is α-
This is because it hardly forms a solid solution in Zr.

【0033】したがって、α-Zr中で少なくとも1w
t%程度固溶し、かつFe、Cr又はNiと同様な耐食
性改善効果を持つ元素を添加すれば、素管の外面焼入れ
工程は不要となる。なお、これらの元素は添加量が多い
ため、中性子経済の観点から熱中性子吸収断面積の小さ
いことが必要であり、熱中性子吸収断面積の目安として
は1b程度以下が適当である。このような条件を満足す
る元素にはY及びPbがある。
Therefore, at least 1 w in α-Zr
If an element that forms a solid solution of about t% and has the same corrosion resistance improving effect as Fe, Cr or Ni is added, the outer surface quenching step of the blank tube becomes unnecessary. Since these elements are added in large amounts, it is necessary to have a small thermal neutron absorption cross section from the viewpoint of neutron economy, and a suitable thermal neutron absorption cross section is about 1b or less. Elements satisfying such conditions include Y and Pb.

【0034】本実施例では、ZrにY及びPbのうちの
少なくとも1種類を、合計で0.5〜2wt%添加した
合金を用い、図1に示すように、素管の外面焼入れ工程
を省略して耐食性に優れた燃料被覆管を製造した。
In this embodiment, an alloy in which at least one of Y and Pb is added to Zr in a total amount of 0.5 to 2 wt% is used, and as shown in FIG. Thus, a fuel cladding tube having excellent corrosion resistance was manufactured.

【0035】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図2は本発明の他の実施例におけるジルカロイ製被
覆管の製造工程のうち、素管以降の工程フロー図であ
り、前出の従来例の図3とは、素管1の構成材料のみを
異にしている。
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a process flow diagram of a zircaloy-made cladding tube according to another embodiment of the present invention after the raw pipe, and FIG. 3 of the above-mentioned conventional example shows only the constituent material of the raw pipe 1. Different.

【0036】また、従来例のジルカロイ製被覆管の製造
工程(図3参照)では、外面焼入れ工程2後の焼鈍温度
と焼鈍時間とにより、Fe及びNiとも十分に析出して
しまうが、Crは多少過飽和に固溶している可能性があ
った。
Further, in the manufacturing process of the conventional zircaloy cladding tube (see FIG. 3), Fe and Ni are sufficiently precipitated by the annealing temperature and the annealing time after the outer surface quenching step 2, but Cr is not contained. There was a possibility that the solution was slightly supersaturated.

【0037】したがって、Crよりも拡散係数が小さ
く、かつ酸化数が4価未満の元素を合金元素として添加
すれば、従来例の製造工程を用いても、外表面で合金元
素を従来例よりも更に過飽和に固溶した状態にすること
ができ、耐食性を一層改善することができる。
Therefore, if an element having a diffusion coefficient smaller than that of Cr and an oxidation number of less than 4 is added as an alloy element, even if the manufacturing process of the conventional example is used, the alloy element on the outer surface is more than that of the conventional example. Further, it can be made into a solid solution state in supersaturation, and the corrosion resistance can be further improved.

【0038】Crの拡散係数はZrの自己拡散係数の約
1万倍であるから、Zrの自己拡散係数を基準にして、
Zrの1万倍以下の拡散係数を持つ元素が有効となる。
このような元素として、CrのほかにTi及びZnなど
が上げられる。
Since the diffusion coefficient of Cr is about 10,000 times that of Zr, the self diffusion coefficient of Zr is used as a reference.
Elements having a diffusion coefficient less than 10,000 times Zr are effective.
Examples of such elements include Ti and Zn in addition to Cr.

【0039】また、照射後のジルカロイの微細組織の観
察結果から、高速中性子の照射により析出していた金属
間化合物が固溶し、原子炉内での使用中にジルコニウム
基合金の耐食性が向上することがわかった。この照射誘
起固溶の速度は析出物の種類によって異なり、更に、同
一析出物内の元素の種類によって異なることもわかっ
た。
Further, from the observation result of the microstructure of the zircaloy after irradiation, the intermetallic compound precipitated by the irradiation of fast neutrons forms a solid solution, and the corrosion resistance of the zirconium-based alloy is improved during use in the nuclear reactor. I understood it. It was also found that the rate of this irradiation-induced solid solution varies depending on the type of precipitate, and further depends on the type of element within the same precipitate.

【0040】例えば、ジルカロイ−2中には、Zr-F
e-Ni金属間化合物、及びZr-Fe-Cr金属間化合
物の2種類の金属間化合物が観察されており、照射後の
ジルカロイ−2の観察結果から、Zr-Fe-Ni系析出
物のほうが、Zr-Fe-Cr系析出物よりも早く固溶す
ること、また、Zr-Fe-Ni系及びZr-Fe-Cr系
の両析出物とも、Feが最も早く固溶することなどがわ
かった。
For example, Zr-F in Zircaloy-2
Two types of intermetallic compounds, an e-Ni intermetallic compound and a Zr-Fe-Cr intermetallic compound, have been observed. From the observation result of Zircaloy-2 after irradiation, the Zr-Fe-Ni-based precipitate is more preferable. , Zr-Fe-Cr-based precipitates form a solid solution faster, and both Zr-Fe-Ni-based and Zr-Fe-Cr-based precipitates have the fastest solid solution of Fe. .

【0041】照射誘起固溶には、高速中性子による合金
元素の析出物からマトリクスへの弾き出し、析出物内部
での合金元素の拡散による弾き出しで生じた濃度勾配の
回復、及びマトリクス中の合金元素の拡散の3つの過程
があると考えられる。
For irradiation-induced solid solution, the rapid ejection of alloying elements from the precipitate to the matrix by the fast neutrons, the recovery of the concentration gradient caused by the diffusion of the alloying elements inside the precipitate, and the removal of the alloying elements in the matrix It is thought that there are three diffusion processes.

【0042】照射誘起固溶を速くするためには、析出物
内及びマトリクス内での合金元素の拡散速度の大きいこ
とが必要である。ジルカロイ-2の場合、合金元素の照
射誘起固溶の速度を比較すると、Fe>Ni>>Crの
順になっており、これはマトリクス中の拡散速度の大き
さから説明することができる。
In order to accelerate the irradiation-induced solid solution, it is necessary that the diffusion rate of the alloying element in the precipitate and the matrix is high. In the case of Zircaloy-2, comparing the irradiation-induced solid solution rates of alloying elements, the order is Fe> Ni >> Cr, which can be explained from the magnitude of the diffusion rate in the matrix.

【0043】したがって、照射誘起固溶を促進させるた
めには、原子炉の使用条件下のZr中の拡散速度が大き
な元素を添加する必要があり、このような元素には、F
e及びNiのほかにCoがあり、Coの拡散係数はZr
の自己拡散係数に対して10万倍以上である。また、こ
れらの元素はZrよりも小さい酸化数を持っている。金
属間化合物の種類の違いによる照射誘起固溶の起こりや
すさは、その融点で大まかには判断でき、融点の低い物
質と高い物質とを比較した場合、同じ温度では融点の低
いほうが点欠陥の移動度が大きく、そのため化合物内に
おける元素の拡散係数も大きくなる。ジルカロイ-2の
照射材料の場合、Zr-Fe-Ni系析出物がZr-Fe-
Cr系析出物よりも照射誘起固溶が速い。
Therefore, in order to promote the irradiation-induced solid solution, it is necessary to add an element having a large diffusion rate in Zr under the conditions of use of a nuclear reactor, and such an element should be F
There is Co in addition to e and Ni, and the diffusion coefficient of Co is Zr.
Is more than 100,000 times the self diffusion coefficient of. Further, these elements have an oxidation number smaller than Zr. The susceptibility of irradiation-induced solid solution due to the difference in the type of intermetallic compound can be roughly judged by its melting point, and when a substance having a low melting point and a substance having a high melting point are compared, the lower melting point shows the point defect. The mobility is high, and therefore the diffusion coefficient of the element in the compound is also high. In the case of Zircaloy-2 irradiated material, Zr-Fe-Ni-based precipitates are Zr-Fe-
Irradiation-induced solid solution is faster than Cr-based precipitates.

【0044】これらの金属間化合物と同じ結晶構造を有
するZr2Ni及びZrCr2の融点は、それぞれ120
0℃及び1675℃であり、照射誘起固溶を速くするた
めには、Zrと融点が1200℃以下の金属間化合物を
形成する合金元素を用いることが望ましいと言える。
The melting points of Zr 2 Ni and ZrCr 2 having the same crystal structure as those of these intermetallic compounds are 120 respectively.
It is 0 ° C. and 1675 ° C., and it can be said that it is desirable to use an alloying element that forms an intermetallic compound having a melting point of 1200 ° C. or less with Zr in order to accelerate the irradiation-induced solid solution.

【0045】前出の原子炉の使用条件下のZr中におけ
る拡散速度の大きい合金元素のうち、Ni及びCo(Z
2Co)はこの条件を満足する。Fe(ZrFe2)は
この条件を満足しないが、ジルカロイ中のFeはZrと
直接には金属間化合物を形成せず、Zr2NiやZrC
2のNiやCrと置換してこれらの金属間化合物中に
入っており、融点の低い析出物中に存在することが可能
であるので、照射誘起固溶は起こりやすいと言える。
Among the alloying elements having a high diffusion rate in Zr under the operating conditions of the reactor described above, Ni and Co (Z
r 2 Co) satisfies this condition. Fe (ZrFe 2 ) does not satisfy this condition, but Fe in zircaloy does not directly form an intermetallic compound with Zr, and Zr 2 Ni or ZrC
It can be said that irradiation-induced solid solution is likely to occur because it is contained in these intermetallic compounds by substituting Ni or Cr of r 2 and can be present in the precipitate having a low melting point.

【0046】したがって、本発明の他の実施例では、Z
rにY及びPbのうちの少なくとも1種類で、添加量合
計が0.5〜2.0wt%の元素、及びTi、Zn及びC
oのうちから少なくとも1種類で、添加量合計が0.1
〜0.5wt%の元素を添加させた。これにより、焼入
れによる耐食性改善効果や照射中の耐食性改善効果の向
上を図ることができた。
Therefore, in another embodiment of the invention, Z
In r, at least one of Y and Pb, the total amount of addition of which is 0.5 to 2.0 wt%, and Ti, Zn and C
At least one type out of o and the total addition amount is 0.1
~ 0.5 wt% element was added. As a result, the effect of improving corrosion resistance by quenching and the effect of improving corrosion resistance during irradiation could be improved.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明によれば、耐食性改善に寄与する
固溶合金元素濃度を高くすることができ、耐食性に優れ
た正方晶系の酸化膜を長期間安定化させ、ジルコニウム
基合金の酸化速度を低減させ、安全性及び信頼性に優れ
たジルコニウム基合金製の、燃料被覆管、及びスペーサ
又はチャンネルボックスなどの炉心構造材料を提供する
ことができる。
According to the present invention, it is possible to increase the concentration of a solid solution alloy element that contributes to the improvement of corrosion resistance, stabilize a tetragonal oxide film excellent in corrosion resistance for a long time, and oxidize a zirconium-based alloy. It is possible to provide a core structure material such as a fuel cladding tube and a spacer or a channel box, which is made of a zirconium-based alloy and has a reduced speed and is excellent in safety and reliability.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例の燃料被覆管製造工程のフロ
ー図である。
FIG. 1 is a flow chart of a fuel cladding tube manufacturing process according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の他の実施例の燃料被覆管製造工程のフ
ロー図である。
FIG. 2 is a flow chart of a fuel cladding tube manufacturing process of another embodiment of the present invention.

【図3】従来の燃料被覆管製造工程のフロー図である。FIG. 3 is a flow chart of a conventional fuel cladding tube manufacturing process.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…素管、2…外面焼入れ工程、3…焼鈍工程、4…冷
間圧延工程、5…中間焼鈍工程、6…最終圧延工程、7
…最終焼鈍工程。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Element pipe, 2 ... External quenching process, 3 ... Annealing process, 4 ... Cold rolling process, 5 ... Intermediate annealing process, 6 ... Final rolling process, 7
… Final annealing step.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G21C 3/34 9216−2G G21C 3/34 Y ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Internal reference number FI Technical display location G21C 3/34 9216-2G G21C 3/34 Y

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Zrと該Zrへの添加元素とから構成さ
れ、原子炉の燃料被覆管又は炉心構造材料に使用される
ジルコニウム基合金において、前記添加元素が、原子価
が4未満であり、前記原子炉の使用条件下で生成される
酸化膜中で酸化された状態で存在し、Zrよりも酸化さ
れにくい元素であることを特徴とするジルコニウム基合
金。
1. A zirconium-based alloy which is composed of Zr and an additive element to the Zr and is used for a fuel cladding tube of a nuclear reactor or a core structure material, wherein the additive element has a valence of less than 4, A zirconium-based alloy, which is an element that is present in an oxidized state in an oxide film produced under the conditions of use of the nuclear reactor and is less likely to be oxidized than Zr.
【請求項2】 前記添加元素が、α-Zrに少なくとも
1wt%以上固溶する元素である請求項1記載のジルコ
ニウム基合金。
2. The zirconium-based alloy according to claim 1, wherein the additional element is an element which forms a solid solution in α-Zr in an amount of at least 1 wt%.
【請求項3】 前記添加元素が、α-Zrに少なくとも
1wt%以上固溶し、熱中性子吸収断面積が1b程度以
下であるY及びPbのうちの少なくとも1種類で、添加
量合計が0.5〜2.0wt%の元素である請求項1記載
のジルコニウム基合金。
3. The additive element is at least 1 wt% or more solid-dissolved in α-Zr and has a thermal neutron absorption cross section of about 1 b or less, and at least one kind of Y and Pb, the total addition amount of which is 0. The zirconium-based alloy according to claim 1, which contains 5 to 2.0 wt% of the element.
【請求項4】 前記添加元素が、α-Zrに少なくとも
1wt%以上固溶し、熱中性子吸収断面積が1b程度以
下であるY及びPbのうちの少なくとも1種類で、添加
量合計が0.5〜2.0wt%の元素、及びZn、Co及
びTiのうちの少なくとも1種類で、添加量合計が0.
1〜0.5wt%の元素である請求項1記載のジルコニ
ウム基合金。
4. The additive element is at least 1 wt% or more solid-soluted in α-Zr and has a thermal neutron absorption cross-section of at least about 1b. 5 to 2.0 wt% element and at least one kind of Zn, Co and Ti, and the total addition amount is 0.
The zirconium-based alloy according to claim 1, which contains 1 to 0.5 wt% of the element.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1048762C (en) * 1997-12-03 2000-01-26 西北有色金属研究院 Zirconium material prefilming method and its equipment

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1048762C (en) * 1997-12-03 2000-01-26 西北有色金属研究院 Zirconium material prefilming method and its equipment

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