JPH06500152A - 核燃料被覆のための改善されたβ焼入れ法 - 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】 核燃料被覆のための改善されたβ焼入れ法Ｚ五の立野 この発明は、核燃料集合体の部品を熱処理するための装置及び方法、特に被覆の 外面の近（では結節状腐食及び照射成長に対する高い抵抗力を示し他方では被覆 の内面の酸化及び結晶粒成長を防止する被覆管を作るための方法及び装置に関す る。

ｘ服辺背二 原子炉内の運転中の環境は極めて苛酷である。かかる環境中でこうむる機械的、 熱的、化学的（腐食）及び放射線の複合作用に耐えることができる材料を開発す るために、原子炉産業では多大の努力が払われてきた。

現在では限られた数のジルコニウムベース合金だけが、核分裂性核燃料の封入の ために用いられる被覆（管）を作るために採用可能と考えられている。これらの 合金は一般にジルカロイと呼ばれる（例＾ばジルカロイ２及びジルカロイ４）。

いわゆる「バリヤ付き被覆」を作るために、この種の被覆の内面には規定された レベルの不純物を含むシルコニ゛づム金属のようなバリヤ層が設けられる。

バリヤ材料は、封入された燃料材料並びに燃料棒中の気体及び液体との相互作用 に耐えるように選択されている。

被覆の外面の近（に耐食性の結晶粒組織を作るために、（バリヤ形であれ又は標 準の非バリヤ形であれ）いわゆる「β焼入れ法」により被覆を熱処理することが 一般に実施されている。β焼入れは公知の方法に従って、結晶構造がβ（体心立 方）相へ変換されるときのレベル（例えば９５０°Ｃ以上）まで表面温度を上昇 させるのに十分な皿だけ、被覆の外面上の限られた領域へ（例えば誘導コイルに より）熱を供給することにより遂行される。β層が安定である温度領域はβ領域 と呼ばれる。数秒間高温度に維持された後に、被覆の外面はβ領域以下の温度（ ７００°Ｃ以下）まで急速に冷却される。β領域温度にさらされた被覆部分の微 粒子サイズの形成を含む冶金学的状態の所望の変化は、焼入れ工程の行われた後 も残る。最初のビレット成形に続（又は連続するピルガ製管工程の間の又は最終 のピルガ製管バス後の被覆成形の多工程処理の種々の段階にβ焼入れ工程を遂行 するために、種々の提案が行われている（例えばアメリカ合衆国特許第４７１８ ９４９号明細書参照）。

標準被覆の場合にはβ焼入れ法はしばしば被覆成形工程中の早い段階で行われる 。すなわちβ焼入れは外径が１〜３インチであり長さが比較的短い管用中空素材 に適用することができる。この場合には組織全体がβ焼入れ法により高い温度に さらされる。しかしながらバリヤ付き被覆の場合におけるこの種の早い段階での β焼入れ工程の適用は、内側の高純度ジルコニウム層がこれにより酸化しかつ内 側層が結晶粒成長をこうむるという欠点を有する。酸化は望ましくなく内径面の 清掃を必要とし、必然的な材料損失を招く、内面の近くでの結晶粒成長の発生は 一般に次のピルガ製管工程後に起こる欠陥（亀裂）を招き、それによりこの方法 による管材料の歩留りを減らす。

内面の結晶粒成長及び望ましくない酸化のような問題を避けるために、β焼入れ 工程中に被覆の内面を外面より著しく低い温度に維持すると有利であることが従 来から認められている。

例えば大気圧下で水が被覆の内面を冷却するために用いられるとき（例えばアメ リカ合衆国特許第４５７６６５４号明細書参照）、比較的急な温度勾配が被覆の 外壁と内壁の間に生じる。なぜならば内壁は一般に１００”Ｃ近くにあり、他方 では外壁は約１０００°Ｃ近くにあるからである。

アメリカ合衆国特許第４４５００１６号明細書には、標準のバリヤ無し被覆が最 後の冷間圧延工程に先立ってβ焼入れ処理を受け、このβ焼入れは管の外側を囲 む高周波コイルを用いて管材料を加熱することにより遂行され、その後に管材料 上に水を噴射することにより室温まで管材料を冷却するような、ジルコニウム合 金燃料棒被覆の製造方法が記載されている。それにより組織全体がβ焼入れされ る。

アメリカ合衆国特許第４８１０４６１号明細書には、バリヤ無し被覆の成形の早 い段階で行われる幾つかのβ焼入れ法が記載されており、これにはβ相領域まで の材料（インゴット又は管素材）の加熱及びその後の水の吹き付けによる加熱材 料の急冷が含まれている。更に、内面が流水により冷却され他方では外面が誘導 加熱を受け、その後外面が水噴射により急冷されるような、明らかなバリヤ付き 被覆のβ焼入れが記載されている。

アメリカ合衆国特許第４７１８９４９号明細書には、外面の温度を超える温度ま で被覆の内面を加熱することによるβ焼入れ後のいわゆる「温度勾配焼きなまし 」法が記載されている。この焼きなまし中に管材料の外面に水を噴射すること、 β相加熱中に管材料の内部に水を循環させること、内面の加熱中に管の外面上に アルゴンを吹き付けること、及び温度勾配焼きなまし中に酸化を防ぐために管の 内面にわたってアルゴンを流すことなどの、幾つかの異なる冷却手段が記載され ている。

外壁のβ相加熱中に低い内壁温度を維持することの望ましくない効果は、所望の 外壁温度を作り出すために大きい入力が必要であるということである。またもし 限界熱流束を超えると熱的暴走が起こるかもしれないという危険が存在する。

また更に、急な温度勾配が（均一な又は勾配の小さい加熱に比べて）β相条件に さらされる被覆壁厚の割合の減少を招（。この減少は（β焼入れ法の利点である ）照射成長に対する抵抗力の低下を招くと予想される。

更に高い温度（及び更に小さい勾配）は加圧した冷却水を用いることにより達成 できる。しかしながらこの種の装置に高圧接続部を設けることは実際上困難であ ることが予想される。費用の観点から一般に加圧形冷却水を用いる場合の実際上 の上限は３００〜３５０°Ｃであると予想される。

非酸化性ガス流を用いることもまた提案されている（例えばアメリカ合衆国特許 第４２３８２５１号明細書参照）が、これは約９００°Ｃの内面温度をもたらし 、一般に所望の結晶粒組織の観点から通常のバリヤ形材料に対しては過大カリ採 用不可能である。

従って外面の近くにまた被覆の壁厚中にできる限り多くの耐食性結晶粒組織を形 成すること、及び同時に望ましくない酸化（例えば被覆内面の清掃を必要とする ような２μｍ以上の厚さ）及び望ましくない結晶粒成長（例えば次の加工又は成 形により管材料の亀裂が起こるおそれのあるような２０ｕｍの結晶粒度）を防止 することが、β焼入れ法により被覆を熱処理する方法において望まれている。

更にできるかぎり経済的にこの種の方法を実施することが望まれている。

被覆の内面が大気圧での水冷を用いて達成できる最高限度とガス冷却を用いて達 成できる最低限度との間の温度に維持されるようなβ焼入れ法を提供することに より、以下に述べるように幾つかの更に明確な利点を得ることができる。

工咀二！ｌ この発明の一つの特徴によれば、核燃料被覆のためのβ焼入れ法は、少なくとも 被覆の外面の所定部分へ熱を加えて、この所定部分の温度をβ相変態レベル以上 に上昇させる工程と、他方では少なくとも被覆の内面の一部へ流れるガス中に制 御された量の水滴を含む冷却媒体を供給して、内面のこの部分を望ましくない酸 化又は結晶粒成長が起こる温度以下に維持する工程とを含む。

この発明の別の特徴によれば、その後に外面の所定部分は、β相変態にさらされ た結果生じた所望の冶金学的組織を維持するのに適したレベルまで、急速に外面 温度を低下させるために冷却液を加えることにより急冷される。

区画の固！ｌ説主 図面において、 第１図は原子炉のための一般的な核燃料集合体の一部断面を含む立面図であり、 集合体は長さを短縮して描かれまた便宜上及び簡明化のために部分的に破断省略 されており、 第２図は第１図に示す集合体に用いられた一つの燃料棒の第１図に比べて拡大し て示された断面図であり、 第３図はこの発明に基づき燃料棒被覆を熱処理する装置の要部概略図であり、第 ４図はβ焼入れ法の加熱期間中の被覆の内面についてのこの発明に基づく冷却技 術と二つの従来技術とを比較した温度勾配状態の差を示す線図である。

肛国ｌ説用 第１図には８×８燃料燃料金集が符号１０により示されている。燃料集合体１０ は管形の多数の燃料棒１３の両端部をつかむ上側及び下側のタイブレート（図示 されていない）を備える。複数の格子スペーサ１５が燃料棒１３の長さに沿って 配置されている。スペーサ１５は燃料棒１３が貫通して延びる区画を形成する。

流れチャネル（図示されていない）が燃料棒１３の束の外周を囲んで配置されて いる。この種の構造の一層詳細な説明は、この発明と同じ譲り受け人に譲渡され たアメリカ合衆国特許第４８０３０４４号明細書を参照されたい。

各燃料棒１３は燃料ベレット１１の堆積体を囲む。各堆積体中のベレット１１は 、棒１３の上端とベレット１１の最上部の一つとの間に配置されたばね１７によ り相互に密着して保持されている。

第２図に示すように核燃料ベレット１１は管状被覆３ｏにより囲まれている。

被覆３０はベレット１１と被覆３０の内面３４との間に間隙３２を残して燃料ペ レット１１を囲む。外面３６（及びそれに隣接した領域）は以下に説明するよう に、この発明に基づきβ焼入れ法により最終成形に先立って熱処理される。

被覆３０はインゴット又は管用中空素材を薄壁の細長い管へ変換する従来の複数 の方法のうちの任意の一つにより成形することができる（例えばアメリカ合衆国 特許第４４５００１６号又は同第４７１８９４９号明細書に記載の成形注参照） 。

一般に適当な材料（ジルカロイ）のインゴット又は棒が管用中空素材に成形され 、バリヤ付き被覆の場合には比較的高純度のジルコニウムのような内側ライニン グが中空素材中へ挿入され公知の技術により内面に結合される。複合被覆材ビレ ットはその後押し出され、一連の（一般に三つの）圧延又はピルガ製管工程を経 て被覆の所望の最終形状となる。一つ以上の中間の焼きなまし工程及び最終焼き なまし工程は、一般にピルガ製管工程の間及び後に５００〜６７５°Ｃの温度で 行われる。またβ焼入れはピルガ製管工程に先立つ又はその間の又はその後の段 階のうちの一つで実施される。

第３図によりこの発明に基づくβ焼入れ法を、被覆３０が既に幾つかの成形工程 を受け、比較的良好に画成された中央孔３８を備えるほぼ筒状の形である場合に ついて説明する。

第３図に示す装置は理解を容易にするために簡略化されている。しかしながら被 Ｆ！！３０が動かされ熱処理装置が静止するか、又は被覆３０が静止し熱処理装 置が動かされるかに応じて、図示の装置に対し種々の変形を行うことができると いうことが容易に認められる。装置の特定の配置は、工程全体におけるβ焼入れ の行われる段階及びβ焼入れされるべき被覆３０の個々の区分の長さに依存する 。

更に単一の被覆管が処理を受けるように示されているが、なお複数の管の処理を 可能にするように変形を行うことができることは明らかである。

第３図の部分断面図に示されているように、被覆３０は例えばフランジ４０．４ １の間に保持されて支えられている。被覆３０の外面３６の（全体を符号５０で 示された）所定の領域は、電源４３から付勢される誘導コイル４２により所望の 高い温度（例えば１０００〜１１００°Ｃ）まで加熱される。前記のように被覆 ３０の全長を熱処理するためにコイル４２と被覆３０との間の相対運動が必要で あり、例えばコイル４２は被覆３０に沿って移動できるようにされている。

被覆３０の内面３４の望ましくない結晶粒成長又は酸化を防止するという所望の 結果を得るために、内面３４は冷却ガス＃ｉ４４から供給される（窒素などの） 冷却ガスの定常流と冷却水源４６から供給される制御された量の水滴４５との組 み合わせにより、所望の温度（例えば約３５０°Ｃないし６５０°Ｃ１望ましく は６００°Ｃ以下）まで冷却される。ガス及び水滴４５は誘導コイル４２により 加熱された領域５０内の内面３４に向かって例えば噴射ノズル（又は噴霧器）４ ７により噴射される。水滴の量は、　（バリヤ層とすることができる）内面３４ の温度が内面３４に結晶粒成長又は酸化を生じる値まで上昇するのを許さないよ うに調節される。例えば６００’Ｃの温度は、１０秒以下の程度（望ましくは４ 〜５秒）の誘導加熱時間が採用される場合に、内面３４に対して許容できると考 えられる。

水滴が内壁３４に接近又は接触すると、水滴は蒸気へ変換され、ガスと共に運び 去られる。外面３６がＢ相転移温度を超えて上昇したときに、内面３４に加えら れる冷却媒体（ガスと水滴）がこうして内面３４の温度を制御するのに役立つ。

水冷だけの従来の方法に比べて内面３４での温度の調整により、加熱コイル４２ によりβ相へ変換される壁厚がほぼ２倍の厚さになる。付加されたβ相材料は更 に管の照射成長の防止に有利な効果を有する。

β相転移の結果外面３６の近くに作られた所望の冶金学的特徴を維持するために 、別の冷却水が加熱コイル４２の「下流」の外面３６の外側に設けられた噴射ノ ズル４９から噴射される。加熱コイル４２から出た後に、噴射ノズル４９からの 水は外面３６の温度を比較的急速に、例えば１１００°Ｃから例λば７００’　 Ｃ以下の温度へ低下させる。外側噴射ノズル４９から供給された水滴はこうして 、β相転移の結果外面３６の近くに作られた小さい粒子サイズの所望の冶金学的 条件を維持するために、外面３６を急冷するのに役立つ。腐食に対する所望の高 い抵抗力は被覆３０にこのβ焼入れ法を施すことにより外面３６に作り出される 。

ガス源４４からのガスと組み合わせた水滴４５の内部噴射の冷却効果は、冷却水 の定常流だけが中央の孔３８を通って供給される場合に比べて、内面３４と外面 ３６との間に存在する温度勾配の減少をもたらす。この方法はまた水だけによる 従来の冷却法と比べて、所望の温度条件を達成するために一層少ない入力（例え ば５０％の低減）しか要求されないという付加的な長所を有する。壁厚中の温度 勾配の減少は被覆３０中の熱応力を減らし、それによりさもなければ被覆の次の 成形及び使用中にこうむるおそれのある亀裂及びひずみの問題を軽減する。

第４図には、β焼入れ操作中の内面の単純な水冷の従来方法による温度勾配と、 被覆を通ってガスを単に流す方法による温度勾配と、この発明に基づきガス流プ ラス水滴により供給された組み合わせ冷却による温度勾配とが示されている。外 面（ＯＤ）からのβ相変換の浸透深さが、水冷だけの場合に比べてこの発明に基 づき組み合わせられたガスプラス水滴冷却手段を用いるときに、破線の勾配から 分かるように増加する。ガスだけの利用は、内面に生じる温度が内面３４に所望 の冶金学的結果を生み出すのに高すぎるので、採用できないと考えられる。耐食 性の増加及び照射成長の減少という所望の結果が、内面酸化又は内部亀裂という 望ましくない作用無しにこの発明の装置により達成される。

この発明を一般的な燃料集合体に関して説明したが、この発明はかかる集合体に 制限されず、更に請求の範囲に記載のこの発明の範囲から逸脱することな（、前 記装置及び方法について変形を行うことができる。

第１図 第４図 　ｐｃｌ 叩　壁厚　ＩＱ 第３図

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．内面及び外面を有する核燃料被覆のためのβ焼入れ法において、外面の少な くとも所定部分を加熱して、この所定部分の温度をβ相変態レベル以上に上昇さ せる工程と、及びガス中に制御された量の水滴を含む冷却媒体を内面に供給して 、望ましくない酸化及び結晶粒成長のうちの少なくとも一つが内面上に生じる温 度以下に内面を維持する工程とを含むことを特徴とする核燃料被覆のためのβ焼 入れ法。
2. ２．内面は望ましくない酸化及び結晶粒成長が内面上に生じる温度以下に維持さ れることを特徴とする請求の範囲１記載の方法。
3. ３．前記供給工程が冷却液を与えることにより外面の所定部分を急冷し外面の温 度を急速にβ相変態レベル以下のレベルまで低下させることを含むことを特徴と する請求の範囲２記載の方法。
4. ４．前記供給工程が約１００℃ないし約６５０℃の範囲内の温度に内面を維持す るような量の水滴をガス中へ供給することを含むことを特徴とする請求の範囲２ 記載の方法。
5. ５．水滴が少なくとも外面の所定部分に向かい合う領域へ供給されることを特徴 とする請求の範囲４記載の方法。
6. ６．水滴が少なくとも外面の所定部分に向かい合う領域へ供給されることを特徴 とする請求の範囲２記載の方法。
7. ７．水滴が少なくとも外面の所定部分に向かい合う領域へ供給されることを特徴 とする請求の範囲３記載の方法。
8. ８．水滴が前記領域の内面へ向かって噴射されることを特徴とする請求の範囲３ 記載の方法。
9. ９．焼入れ工程が外面上に水を噴射し約７００℃以下に外面温度を低下させるこ とを含むことを特徴とする請求の範囲３記載の方法。
10. １０．加熱が約１０００℃以上に所定部分の温度を上昇させるように行われ、内 面の温度が水滴及びガスにより約６５０℃以下に維持されることを特徴とする請 求の範囲２記載の方法。
11. １１．内面の温度が約６００℃以下に維持されることを特徴とする請求の範囲８ 記載の方法。
12. １２．内面の温度が約３５０℃ないし６５０℃の範囲に維持されることを特徴と する請求の範囲８記載の方法。
13. １３．加熱が約１０００℃以上に所定部分の温度を上昇させるように行われ、内 面の温度が水滴及びガスにより約６５０℃以下に維持されることを特徴とする請 求の範囲７記載の方法。
14. １４．請求の範囲８に記載の方法により成形されることを特徴とする燃料被覆。
15. １５．内面及び外面を有する核燃料被覆をβ焼入れするための装置において、外 面の所定部分の温度をβ相変態レベル以上に上昇させるために外面の少なくとも 所定部分を加熱する手段と、望ましくない酸化及び結晶粒成長のうちの少なくと も一つが内面上で生じる温度以下に内面を維持するためにガス中に制御された量 の水滴を含む冷却媒体を内面へ供給する手段とを備えることを特徴とする核燃料 被覆のためのβ焼入れ装置。
16. １６．内面は望ましくない酸化及び結晶粒成長が内面上に生じる温度以下に維持 されることを特徴とする請求の範囲１５記載の装置。
17. １７．冷却媒体の供給手段がβ相変態レベル以下の温度レベルまで所定部分を急 冷するために外面へ冷却液を加える手段を備えることを特徴とする請求の範囲１ ６記載の装置。
18. １８．水滴が少なくとも外面の所定部分に向かい合う領域へ供給されることを特 徴とする請求の範囲１６記載の装置。
19. １９．水滴が少なくとも外面の所定部分に向かい合う領域へ供給されることを特 徴とする請求の範囲１７記載の装置。
20. ２０．冷却液を供給する手段が、約７００℃以下に外面温度を低下させるために 、外面上に水を噴射するための水噴射ノズルを備えることを特徴とする請求の範 囲１６記載の装置。
21. ２１．加熱手段が約１０００℃まで外面温度を上昇させるために外面に隣接した ヒータを備えることを特徴とする請求の範囲１６記載の装置。
22. ２２．冷却媒体供給手段が、約１００℃ないし６５０℃の温度範囲に内面を維持 するために、組み合わせられたガス及び水滴を内面へ供給するために加熱手段に 向かい合って配置された噴射ノズルを備えることを特徴とする請求の範囲２０記 載の装置。