JPH06242276A - 外側がＺｒ合金で作られた製品とその製造方法と使用 - Google Patents

外側がＺｒ合金で作られた製品とその製造方法と使用

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JPH06242276A
JPH06242276A JP5170426A JP17042693A JPH06242276A JP H06242276 A JPH06242276 A JP H06242276A JP 5170426 A JP5170426 A JP 5170426A JP 17042693 A JP17042693 A JP 17042693A JP H06242276 A JPH06242276 A JP H06242276A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 原子炉で使用するのに、よりふさわしい製品
を提供する。 【構成】 Zr合金で形成された外側表面を少なくとも有
する製品であって、前記Zr合金が、添加元素として Sn
0.40〜1.70、Fe 0.05 〜0.25、Cr 0.03 〜0.16、Ni 0.0
8 未満（重量％）と、不純物として各々に最大含量で A
l 75、B 0.5、Cd 0.5、C 270 、Co 20 、Cu 50 、Hf 10
0、 H2 25、Mg 20 、Mn 50 、Mo 50、 N2 65、Si 120、
Ti 50 、W 10、U 合計3.5 (ppm) とを含み、残部が O2
とZrであり、更に、前記Zr合金が、70ppm より多く300p
pmより少ないNi含量を有する製品。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、Zr合金でめっきされて
いるか又は全体がZr合金で作られている、外側がZr合金
で作られた製品と、この製品の製造方法と、最も一般的
な成形形状又は組立形状での、この製品の軽水炉(nucle
ar water reactor) での使用とに係わる。
【０００２】
【従来の技術】軽水炉において使用される２つの主要な
ジルコニウム合金は、スズ1.2 〜1.7％と鉄0.07〜0.2
％とクロム0.05〜0.15％とニッケル0.03〜0.08％を含む
ジルカロイ-2と、スズ1.2 〜1.7 ％と鉄0.18〜0.24％と
クロム0.07〜0.13％と最大含量0.007 ％のニッケルを含
むジルカロイ-4である。これらの合金は、燃料被覆管用
とアセンブリ構造物構成部品の製作用とに使用され、こ
れらの合金の組成は、各々に「R 60802 」、「R 60804
」という名称の下でASTM B 352規格によって与えられ
ている。
【０００３】腐食が均一又は団塊状のどちらかである沸
騰水型原子炉においては、ジルカロイ-2が一般的に使用
される。しかし、ジルカロイ-4は、ハウジング用とスペ
ーサ用に使用されてきた。腐食が概ね均一である加圧水
型原子炉では、ジルカロイ-4が一般的に使用される。
【０００４】団塊状腐食に対する耐久性は、水蒸気中で
の500 ℃における24時間の試験の後の重量増加の測定に
よって評価される。均一腐食に対する耐久性は、加圧水
中での400 ℃における14日間の試験の後の重量増加の測
定によって評価される。水中と水蒸気（沸騰水）中での
腐食に関して、非常に低い水素吸収率に加えて、均一腐
食に対する良好な耐久性と団塊状腐食に対する良好な耐
久性との両方が必要とされる。
【０００５】ジルカロイ-2とジルカロイ-4は、上記の２
つのタイプの腐食と水素吸収とに関して同じように作用
するわけではなく、両タイプの原子炉において良好な結
果をもたらすような各合金の使用を可能にする変態条件
を得ることは困難である。
【０００６】本出願人は、これら２つのタイプの原子炉
と腐食に対してより一層適応性の高い製品を開発するこ
とを追求してきた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、Zr合金
で形成された外側表面を少なくとも有する製品であり、
前記Zr合金は、添加元素として Sn 0.40〜1.70、Fe 0.0
5 〜0.25、Cr 0.03 〜0.16、Ni 0.08 未満（重量％）
と、不純物として各々最大含量で Al 75、B 0.5、Cd 0.
5、C 270 、Co 20 、Cu 50 、Hf 100、 H2 25、Mg 20
、Mn 50 、Mo 50、 N2 65、Si 120、Ti 50 、W 10、U
合計3.5 (ppm) とを含み、残部が O2 とZrであり、前記
Zr合金は、70ppm より多く300ppmより少ないNi含量を有
する。
【０００８】この合金の酸素(O2 ) 含量は、典型的には
500〜1400ppm である。不純物含量の制限は、ジルカロ
イ-2とジルカロイ-4との不純物含量の制限（ASTM B352
規格）である。Ni添加は、もはやジルカロイ-4の場合の
ような不純物ではなく、故意の少量のNi添加であり、こ
の場合に、団塊状腐食に対する耐久性の著しい改善をNi
が引き起こすということを試験が示している。この合金
は、「ニッケル添加ジルカロイ-4」タイプのZr合金であ
ると表現することが可能であり、この合金中のSnの含量
は、均一腐食に対する耐久性を改善するために、0.4 ％
に低減することが可能である。
【０００９】団塊状腐食に対する耐久性の改善は、水素
吸収率の増大を引き起こさず、その水素吸収率はジルカ
ロイ-2の水素吸収率よりも低いままである。水素の吸収
は、ZrO2 タイプの酸化物を形成し水素(H2 ) を放出す
る水中でのZrの酸化反応と、そのZr合金による前記 H2
の吸収との両方に依存する。500 ℃での試験において同
一の重量増加が得られるためには、ジルカロイ-2がジル
カロイ-4よりはるかに多くの水素を吸収し、このことは
ジルカロイ-2の脆性の漸進的な増大をもたらし、ジルカ
ロイ-2の使用寿命が低減する可能性がある。ジルカロイ
-2の H2 吸収がこのように高度である（50％以上）こと
は、とりわけ約0.05％のNiの存在に起因する。Zr合金中
のNiの存在が水素吸収を促進するということが一般に知
られている。しかし、本発明のZr合金では、Niの添加は
水素吸収率の増大を引き起こさない。従って、上記で示
された２つの効果、即ち、酸化の速度と、反応 H2 の吸
収は、予想外に有利である。
【００１０】団塊状腐食に対する耐久性の向上によっ
て、（好ましくは毎秒10℃〜600 ℃の迅速な冷却を伴
う）β領域からの荒加工品焼入れ後の変態条件に対し
て、本発明の製品の感応性が著しく低減する。均一腐食
に対する良好な耐久性と団塊状腐食に対する良好な耐久
性の両方があるが故に、両タイプの原子炉において使用
可能な製品を与える変態領域が、大きく拡大される。
【００１１】時間係数 A＝Σ ti exp(- 40,000/Ti )
［ ti と Ti の各々はβ領域からの焼入れ処理の後の一
連の加工熱処理及び／又は加工処理と熱処理との各々の
処理時間（時間）と温度（ケルビン）である］は、ジル
カロイ-4の場合に許容可能な時間間隔が 5×10-19 〜 2
×10-18 時間でありジルカロイ-2の場合に 3×10-19 〜
7×10-18 時間である（図２）にも係わらず、3 ×10
-19 〜 6×10-18 時間であるように維持される。ジルカ
ロイ-2は、その相対的に高い水素吸収の故に、団塊状腐
食の条件において不利であると以前は見なされていた。
【００１２】その実際上の利益は大きい。示された情報
は、本発明のSnの含量の範囲全体(0.4〜1.7 ％) に対し
て有効であり、マトリックス内のSnの含量は、析出物の
成長速度をさほど変化させず、一般的に、その製品の時
間係数「A 」と、均一腐食又は団塊状腐食に対するその
製品の耐久性の増大との間の対応をさほど変化させな
い。こうした耐食性は、Sn含量が大きく減少して例えば
0.4 〜0.8 ％である時に改善され、その場合には、その
合金は、燃料被覆管用の外部層としての使用に特に適し
ている。本発明の製品の変態領域の問題は、製造方法に
関して及び実施例において再び取り上げられるだろう。
【００１３】本発明の製品のZr合金は、好ましくは100p
pm以上のNi含量を有する。500 ℃における重量増加の減
少は、結果のばらつきの狭まりが伴う。更に好ましく
は、このNi含量は150 〜290ppmであり、この場合に前述
の利点は更に明確であり、500℃における重量増加は、
ジルカロイ-2製品の500 ℃における重量増加を下回るか
又はそれに等しく、一方、水素吸収率はより一層低い。
Ni最大含量の制限が、相対的に低い時間係数「A 」の場
合における均一腐食に対する耐久性の著しい低下を防止
する。Snの含量が1.2 〜1.7 ％であり、好ましくは1.2
〜1.5 ％である時には、そのZr合金は、本発明のNi添加
によって変性させられたジルカロイ-4のタイプである。
これは、Fe、Cr、(Fe + Cr + Ni)の含量範囲がASTM B35
2 のR 60804 の範囲である時に、即ち、Fe 0.18 〜0.24
％、Cr 0.07 〜0.13％、(Fe + Cr +Ni) 0.28 〜0.37％
である時に、このニッケル添加によって変性させられた
ジルカロイ-4である。
【００１４】本発明の製品は典型的には、次の諸形態の
いずれか１つである。
【００１５】− TREX（「管状漸縮押出し物(tubular r
educed extrusion) 」）として知られている（燃料）被
覆管荒加工品、又は、（燃料）被覆管、 − 本発明によるZr合金で全体が作られた、特に核燃料
棒用栓の形状の、棒又は棒の一部、 − 最も一般的には0.3 〜1mm の厚さを有するストリッ
プ、又は、標準的に1.5〜3mm の厚さを有するシート
と、間隔保持グリッド(spacing grid)やハウジングのよ
うな、上記ストリップ又はシートから結果的に得られる
成形構造部品。
【００１６】被覆管とその被覆管の荒加工品は、所謂
「二重」又は「三重」管のように、複数の層を有するこ
とが可能である。これらの層は、同時押出しによって互
いに冶金的に結合され、その外側層は本発明による合金
の層であり、典型的にはその管厚さの３％以上に、好ま
しくは 5〜15％に相当する。
【００１７】本発明の更に別の目的は、上記の発明の製
品を得るために使用することが可能な製造方法であり、
この方法では、Sn 0.40 〜1.70、Fe 0.05 〜0.25、Cr
0.03〜0.16、Ni 0.08 未満（重量％）と、不純物として
各々最大含量で Al 75、B 0.5 、Cd 0.5、C 270 、Co 2
0 、Cu 50 、Hf 100、 H2 25、Mg 20 、Mn 50 、Mo 50
、 N2 65、Si 120、Ti 50 、W 10、U 合計3.5 (ppm)
とを含み、且つ残部が O 2 とZrであるZr合金のインゴッ
トが作られ、その後で、このインゴットが熱を利用して
荒加工品に荒成形され、β領域から焼入れされ、それに
続いて、一連の加工熱処理及び／又は加工処理と熱処理
とによって変態させられ、その加工熱処理と熱処理の温
度と時間が時間係数 A＝Σ ti exp(- 40,000/Ti ) に従
って調整され、式中で ti と Ti は各々上記の連続処理
の各処理の処理時間（時間）と温度（ケルビン）であ
り、A はこれらの処理の全体に関して制限されている。
前記方法では、インゴットは70ppm より多く300ppmより
少ないNi含量を有し、好ましくは時間係数 Aが 3×10
-19 〜 6×10-18 時間である。
【００１８】上記の少量のNiの添加が、得られた製品の
団塊状腐食に対する耐久性の著しい改善を、均一腐食に
対する耐久性の低下なしにもたらす。従って、これらの
耐久性の両方が卓越したレベルにあるためには、ジルカ
ロイ-4製品における限界値よりも著しく高い限界値に対
して、上記の「A 」を調整することが好ましい。この方
法は、二重被覆管又は三重被覆管用の荒加工品に適用さ
れ、本発明によるZr合金の荒加工品は、β領域からのそ
の焼入れの後に、異なったZr合金の内側荒加工品に少な
くとも組み合わされる。インゴットの好ましいNi含量
は、本発明の製品に関して既に示された含量である。よ
り一層むらのない結果を得るためには、「A 」が 4×10
-19 〜 5×10-18 時間であることが好ましい。「A 」と
同一の仕方で計算されるが最終熱処理を考慮に入れない
「部分A 」時間係数が、1.6 ×10-19 時間未満であり、
好ましくは10-19 時間未満であるならば、団塊状腐食に
対する耐久性が更に改善され得るということも発見し
た。この条件が満たされる時には、アニーリングされた
最終製品の団塊状腐食に対する耐久性は、720 ℃より高
い温度におけるアニーリング処理から成る最終熱処理を
選択することによって改善され、このアニーリング処理
は、720 ℃より高い温度における2 〜15分間、好ましく
は740 〜760 ℃における3 〜10分間を含む。
【００１９】本発明の更に別の目的は、こうして得られ
た製品を沸騰水型又は加圧水型の原子炉内で使用するこ
とであり、前記製品は燃料構成要素の一部分であるか又
は構造部品の形である。
【００２０】本発明は次の利点を与える。
【００２１】a) ジルカロイ-4のようなNiを含まない合
金製品に比べた場合の、所定の変態条件においての団塊
状腐食に対する耐久性の驚くべき向上、 b) 両タイプの軽水炉用として有効な製品を提供するた
めに許容可能な「A 」の変化量が、著しく増大する。
「A 最大／A 最小」コンフォート係数(A maxi ／A mini
comfort factor)は、ジルカロイ-4の場合には4 を与え
るが、本発明の場合には20を与え、一方、ジルカロイ-2
は、重大な障害になり得る水素吸収を被る。
【００２２】c) 本発明の製品の団塊状腐食に対する耐
久性の向上は、水素吸収の増大を全く引き起こさない。
【００２３】
【実施例】
１．様々なNi含量を有する試料に対する試験 厚さ1mm のシートから試料を作り、β領域内におけるア
ニーリングの後で、4.7 ×10-18 時間の時間係数A と同
一の条件下でその試料を変態させた。最終アニーリング
は650 ℃において２時間であり、そのシートは再結晶化
された。試験結果をまとめた表１に示したバリエーショ
ンは、18ppm のNiを含むジルカロイ-4対照基準(Zy 4)
と、660ppmのNiを含むジルカロイ-2対照基準(Zy 2)を含
む。
【００２４】結果（表１と図１）は、150 〜約180ppmの
Niの添加（本発明の合金X ）がZy 2の団塊状腐食に対す
る耐久性と同等な団塊状腐食に対する耐久性をもたらす
のに十分であるということを示していた。合金X の重量
増加がNi 77ppmまであると、結果の分散は大きく減少し
た（試験03、04）。
【００２５】試料X 中のNi添加は、その試料の水素吸収
率の増大を引き起こさず、この水素吸収率は32％のレベ
ルのままであり、一方、ジルカロイ-2の場合には40％で
あった。
【００２６】２．400 ℃と500 ℃における耐食性に対す
る製品変態条件の影響 図２の横座標は、対数目盛における時間係数「A 」（時
間単位）を示し、図２の縦座標は、次の２つのタイプの
試験を使用して観察された重量増加(mg/dm2 )を示す。
【００２７】− 通常の14日間試験に比べて増加した持
続期間の、400 ℃における100 日後の均一腐食、 − 500 ℃における24時間後の団塊状腐食。
【００２８】重量増加による評価によって均一腐食と団
塊状腐食との両方に対する良好な耐久性が認められた
「A 」範囲は、ジルカロイ-4の場合(5×10-19 〜 2×10
-18 時間) よりもジルカロイ-2の場合(3×10-19 〜 7×
10-18 時間) の方が大きく、変態領域に対するジルカロ
イ-4のより一層高い感度が、ジルカロイ-4の場合よりも
大きな腐食結果のばらつきを引き起こした。
【００２９】上記の試験の結果が、団塊状腐食に関する
グラフ部分上に、２つの代表的な標本点、即ち、Zy 4の
試験02と、本発明の合金X の試験05〜08に対応する平均
点の形で示される。Zy 4の A範囲が、より長い時間、即
ち、変態領域に関するより大きな熱充足(heat comfort)
に向かって、どのように移動させられるかが見てとれ
る。
【００３０】均一腐食の場合には、析出物の性質と大き
さとの改変が、改善を生じさせ、利用可能「A 」範囲に
関して、より低い最小値が使用されることを可能にし、
この最小値はZy 2の最小値に達するか、又は、好ましく
は 4×10-19 時間という中間値を採る。
【００３１】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【図１】段階的に変化させたNi含量を有する試料の場合
の、団塊状腐食の試験結果を示すグラフである。
【図２】ジルカロイ-2製品とジルカロイ-4製品と本発明
による合金製品とにおける、耐食性に対する変態条件の
影響を示すグラフである。

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Zr合金で形成された外側表面を少なくと
    も有する製品であって、前記Zr合金が、添加元素として
    Sn 0.40〜1.70、Fe 0.05 〜0.25、Cr 0.03〜0.16、Ni
    0.08 未満（重量％）と、不純物として各々に最大含量
    で Al 75、B0.5 、Cd 0.5、C 270 、Co 20 、Cu 50 、H
    f 100、 H2 25、Mg 20 、Mn 50 、Mo50 、 N2 65、Si 1
    20、Ti 50 、W 10、U 合計3.5 (ppm) とを含み、残部が
    O2とZrであり、更に、前記Zr合金が、70ppm より多く3
    00ppmより少ないNi含量を有する製品。
  2. 【請求項２】 前記Ni含量が100ppm以上である請求項１
    に記載の製品。
  3. 【請求項３】 前記Ni含量が150 〜290ppmである請求項
    １に記載の製品。
  4. 【請求項４】 前記Zr合金のSn含量が1.2 〜1.7 重量％
    である請求項１から３のいずれかに記載の製品。
  5. 【請求項５】 前記Sn含量が1.2 〜1.5 重量％である請
    求項４に記載の製品。
  6. 【請求項６】 前記Zr合金が、Fe 0.18 〜0.24重量％、
    Cr 0.07 〜0.13重量％、(Fe + Cr + Ni) 0.28 〜0.37重
    量％を含む請求項４に記載の製品。
  7. 【請求項７】 前記製品が被覆管の荒加工品又は被覆管
    であり、前記Zr合金が前記被覆管の荒加工品又は被覆管
    の厚さの３％以上を形成する請求項１から３のいずれか
    に記載の製品。
  8. 【請求項８】 前記製品が棒又は棒の一部分であり、前
    記製品の全体が前記Zr合金によって作られている請求項
    １から３のいずれかに記載の製品。
  9. 【請求項９】 前記製品がストリップ又はシートであ
    り、前記製品の全体が前記Zr合金によって作られている
    請求項１から３のいずれかに記載の製品。
  10. 【請求項１０】 Zr合金製品の製造のための方法であっ
    て、Sn 0.40 〜1.70、Fe 0.05 〜0.25、Cr 0.03 〜0.1
    6、Ni 0.08 未満（重量％）と、不純物として各々最大
    含量で Al 75、B 0.5 、Cd 0.5、C 270 、Co 20 、Cu 5
    0 、Hf 100、 H2 25、Mg 20 、Mn 50 、Mo 50 、 N2 6
    5、Si 120、Ti 50 、W 10、U 合計3.5 (ppm) とを含
    み、且つ残部が O2 とZrであるZr合金のインゴットを調
    製することと、その後で、前記インゴットを熱を使用し
    て荒加工品の形に荒成形することと、前記荒加工品をβ
    領域から焼入れすることと、それに続いて、焼入れされ
    た前記荒加工品を一連の加工熱処理及び／又は加工処理
    と熱処理とによって変態させることとを含み、前記加工
    熱処理又は前記熱処理の温度と時間が時間係数 A＝Σ t
    i exp(- 40,000/Ti ) に従って調整され、式中で ti と
    Ti は各々に、その一連の諸処理の各処理の処理時間
    （時間）と温度（ケルビン）であり、前記A が前記一連
    の諸処理の全体に関して制限されており、更に、前記イ
    ンゴットが、70ppmより多く300ppmより少ないNi含量を
    有し、前記時間係数 Aが 3×10-19 〜 6×10-18 時間で
    ある方法。
  11. 【請求項１１】 前記荒加工品が、β領域からのその焼
    入れの後に、異なったZr合金で作られた少なくとも１つ
    の内側荒加工品と組み合わされ、前記製品が被覆管の荒
    加工品か、又は、二重もしくは三重の被覆管である請求
    項10に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記Ni含量が100 〜290ppmである請求
    項10又は11に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記時間係数A が 4×10-19 〜 5×10
    -18 時間である請求項10又は11に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 最終熱処理を考慮に入れないで計算さ
    れる時間係数「部分A 」が1.6 ×10-19 時間未満に維持
    され、前記最終熱処理が、720 ℃を越える温度での 2〜
    15分間のアニーリングである請求項10又は11に記載の方
    法。
  15. 【請求項１５】 前記Ni含量が150 〜290ppmである請求
    項12に記載の方法。
JP5170426A 1992-07-09 1993-07-09 外側がＺｒ合金で作られた製品とその製造方法と使用 Expired - Fee Related JP2894928B2 (ja)

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FR9208760 1992-07-09

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JP2894928B2 JP2894928B2 (ja) 1999-05-24

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