JPH0723526B2 - Corrosion-resistant hafnium substrate and method for manufacturing the same - Google Patents

Corrosion-resistant hafnium substrate and method for manufacturing the same

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JPH0723526B2
JPH0723526B2 JP61004704A JP470486A JPH0723526B2 JP H0723526 B2 JPH0723526 B2 JP H0723526B2 JP 61004704 A JP61004704 A JP 61004704A JP 470486 A JP470486 A JP 470486A JP H0723526 B2 JPH0723526 B2 JP H0723526B2
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oxygen
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、耐食性、特に高温水中での耐食性が著しく良
好であり、例えば原子炉用制御棒などに用いられる耐食
ハフニウム基体およびその製造方法に関するものであ
る。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a corrosion-resistant hafnium substrate used for a control rod for a nuclear reactor and a method for producing the same, which has remarkably good corrosion resistance, particularly in high-temperature water. It is a thing.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

周知のように金属ハフニウムやハフニウム合金は熱中性
子吸収断面積は必ずしも大きくはないが、共鳴エネルギ
ー領域に多数のピークを有しているので、原子炉の制御
材としての有効な核特性を有していることが知られてい
る。
As is well known, the thermal neutron absorption cross section of metal hafnium and alloys of hafnium is not necessarily large, but it has many peaks in the resonance energy region, so it has effective nuclear properties as a control material for nuclear reactors. It is known that

ところで、現在、BWR(沸騰水型軽水炉)用の制御棒は
第3図に示されるようにヴエロシテイ・リミツタ20に断
面が十字型で一端にハンドル21が設けられたステンレス
鋼製の制御棒シース22が連設されており、この制御棒シ
ース22内に中性子吸収材としてボロン・カーバイド(B4
C)の粉末を充填したステンレス鋼細管23を配列する構
成からなる。この制御棒は第4図に示されるように、制
御棒シース22の各片間に燃料チヤンネルボツクス24に収
納された燃料棒25が配置されており制御棒と4組の燃料
棒収納チヤンネルボツクスによつて原子炉炉心のユニツ
トが構成されており、この一体の制御棒により4組のチ
ヤンネルボツクス内の燃料棒が制御されている。
By the way, at present, a control rod for a BWR (Boiling Water Type Light Water Reactor) is a stainless steel control rod sheath 22 having a cross-shaped cross section and a handle 21 at one end on a Velocity Limiter 20 as shown in FIG. The control rod sheath 22 contains boron carbide (B 4
The stainless steel thin tubes 23 filled with the powder of C) are arranged. As shown in FIG. 4, this control rod has a fuel rod 25 housed in a fuel channel 24 between each piece of a control rod sheath 22, and the control rod and four sets of fuel rod storing channels are arranged in the control rod sheath 22. Therefore, the unit of the reactor core is constructed, and the fuel rods in the four sets of the channel boxes are controlled by this integral control rod.

このような制御棒が用いられる原子炉では、プラントの
利用率を向上させるために運転サイクルの長期化が望ま
れており、また寿命に達した制御棒の取替はプラトンの
定期点検の工程に影響を及ぼす他に、さらに取替により
発生する使用済みの制御棒は放射性廃棄物の量を増大さ
せることになるので、運転サイクルの長期化、制御棒取
替に至る期間の延長、使用済制御棒の発生を減少させる
などのために制御棒の使用寿命を長くすることが強く要
望されている。この要望に基づいて、現在用いられてい
るBWR用の制御棒として高温水中での耐食性が優れてい
るハフニウム材を適用することが提案されている。例え
ば、特公昭58−44237号において、高温水にさらされや
すい制御棒の上方部、すなわちウイングの上方部、およ
び側方部分、すなわちシース内の中性子吸収棒の外側位
置にハフニウムを使用した制御棒が示されており、また
特開昭56−97897号および特開昭56−74690号において、
金属ハフニウムまたはハフニウム合金を板状で使用した
制御棒が示されている。さらに、特開昭59−38687号に
おいて、中性子吸収材としてハフニウム管を使用するこ
とが示されている。
In nuclear reactors where such control rods are used, it is desirable to lengthen the operating cycle in order to improve the utilization rate of the plant, and replacement of control rods that have reached the end of their life is a process of periodic inspection of Plato. In addition to the impact, the used control rods generated by the replacement will increase the amount of radioactive waste.Therefore, the operation cycle is extended, the period until the control rods are replaced, the used control It is strongly desired to extend the service life of control rods, such as to reduce rod generation. Based on this demand, it has been proposed to apply a hafnium material, which has excellent corrosion resistance in high temperature water, as a control rod for BWR currently used. For example, in Japanese Examined Patent Publication No. 58-44237, a control rod using hafnium in the upper part of the control rod, that is, the upper part of the wing, and the lateral part, that is, the outer position of the neutron absorbing rod in the sheath, which are easily exposed to high temperature water. Is shown, and in JP-A-56-97897 and JP-A-56-74690,
A control rod using metal hafnium or a hafnium alloy in a plate shape is shown. Further, JP-A-59-38687 discloses that a hafnium tube is used as a neutron absorber.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

しかしながら、従来からハフニウム材が高温水中での耐
食性に優れていることは知られているものの、厳しい環
境下にあるBWRなどでの長期間の使用に対しては耐食性
は十分ではなく、前述のように制御棒の使用寿命を長く
するという要望には充分に応えられないという問題点が
ある。
However, although it has been conventionally known that hafnium materials have excellent corrosion resistance in high-temperature water, their corrosion resistance is not sufficient for long-term use such as in BWRs in harsh environments. In addition, there is a problem that the demand for extending the service life of the control rod cannot be fully met.

本発明は上記問題点を解決することを基本的な目的と
し、高温水中での耐食性が著しく優れており、厳しい環
境下にあるBWRやPWR(加圧水型軽水炉)などでの長期間
の使用が可能である耐食ハフニウム基体およびその製造
方法を提供するものである。
The present invention basically aims to solve the above-mentioned problems, has extremely excellent corrosion resistance in high-temperature water, and can be used for a long period of time in a harsh environment such as BWR and PWR (pressurized water type light water reactor). And a method for producing the same.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

すなわち本発明の耐食ハフニウム基体は、ハフニウム基
体材の表面に、V a,V b,VI a,VI b,VII a,VII bおよびV
III族元素のうち窒素と酸素を除く一種または二種以上
の元素を原子パーセントで0.1〜50%含有する酸化被膜
が形成されていることを特徴とするものである。
That is, the corrosion-resistant hafnium substrate of the present invention has V a, V b, VI a, VI b, VII a, VII b and V a on the surface of the hafnium substrate material.
It is characterized in that an oxide film containing one to two or more elements other than nitrogen and oxygen among the group III elements in an atomic percentage of 0.1 to 50% is formed.

なお、このハフニウム基体材としてはハフニウム基合金
または金属ハフニウムのいずれであつてもよく、さらに
金属ハフニウムとしてハフニウムが90wt%以上で残部が
不可避の不純物からなるものを用いることができる。
The hafnium base material may be either a hafnium-based alloy or a metal hafnium. Further, as the metal hafnium, hafnium of 90 wt% or more and the balance of inevitable impurities can be used.

また、本発明の耐食ハフニウム基体の製造方法は、ハフ
ニウム基体材の表面に酸素不足型酸化被膜を形成し、そ
の後この酸素不足型酸化被膜にV a,V b,VI a,VI b,VII
a,VII bおよびVIII族元素のうち窒素と酸素を除く一種
または二種以上の元素を注入することを特徴とするもの
である。
Further, the method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate of the present invention comprises forming an oxygen-deficient oxide film on the surface of a hafnium substrate material, and then forming V a, V b, VI a, VI b, VII on the oxygen-deficient oxide film.
It is characterized by implanting one or more elements of a, VIIb and VIII group elements except nitrogen and oxygen.

なお、ここでいう酸素不足型酸化被膜とは、金属酸化物
として金属イオン(Mイオン)とO2‐イオンの含有比が
化学量論的な整数比(MO)に比べて酸素不足型(MO1
δ;0<δ<1)となつている酸化被膜をいい、蛍石型結
晶構造をもち他の金属母相とは明確に区別しうる境をも
ついわゆる酸化被膜である場合や基体表面から内部に向
つて酸素原子濃度が漸減する酸素富化領域をもつた酸素
拡散層である場合のいずれであつてもよい。
The oxygen-deficient oxide film referred to here means that the content ratio of metal ions (M ions) and O 2 − ions as metal oxides is lower than that of the stoichiometric integer ratio (MO). 1-
δ; 0 <δ <1) means an oxide film, which is a so-called oxide film that has a fluorite type crystal structure and a boundary that can be clearly distinguished from other metal matrix phases, or from the substrate surface to the inside The oxygen diffusion layer may have any of the oxygen-enriched regions in which the oxygen atom concentration gradually decreases.

本発明の方法に用いられるハフニウム基体材としては、
ハフニウム基合金または金属ハフニウムのいずれであつ
てもよく、さらに金属ハフニウムとしてハフニウムが90
wt%以上で残部が不可避の不純物からなるものを用いる
ことができる。
The hafnium base material used in the method of the present invention includes:
It may be either a hafnium-based alloy or a metal hafnium.
It is possible to use a material in which the balance is unavoidable impurities in an amount of wt% or more.

また、ハフニウム基体材の表面への酸素不足型酸化被膜
の形成は、オートクレーブ処理により0.1mm以下の膜厚
となるように行うことができる。
Further, the formation of the oxygen-deficient oxide film on the surface of the hafnium substrate can be carried out by autoclave treatment so that the film thickness becomes 0.1 mm or less.

また、酸化被膜の形成は、酸素分圧1×10-3〜1×104m
mHgの雰囲気下で、500〜1000℃の温度で1秒〜1時間加
熱して0.1mm以下の膜厚となるように行なうことが可能
であり、さらにこの加熱を電気炉、高周波加熱炉、通電
加熱炉また赤外線炉の炉内で行なうことやレーザービー
ムまたは電子ビームの照射により行なうことが可能であ
る。
In addition, the formation of the oxide film is carried out at an oxygen partial pressure of 1 × 10 −3 to 1 × 10 4 m
It is possible to heat at a temperature of 500 to 1000 ° C for 1 second to 1 hour in an atmosphere of mHg so as to obtain a film thickness of 0.1 mm or less. It can be carried out in a heating furnace or an infrared furnace or by irradiation with a laser beam or an electron beam.

〔作用〕[Action]

本発明の作用について述べるに先立ち、本発明の詳細を
明らかにするため、その発明をするに至つた経緯につい
て説明する。
Before describing the operation of the present invention, in order to clarify the details of the present invention, the background of the invention will be described.

本発明者らは、従来のハフニウム材の表面に形成される
酸化被膜が第5図に示されるように蛍石型の結晶構造を
有しており、しかも熱的に生じたカチオン空孔とアニオ
ン空孔やさらに侵入型カチオンと侵入型アニオンのよう
な結晶欠陥の他に、電子欠陥である過剰電子を含んでい
ることに注目した。
The inventors of the present invention have found that the oxide film formed on the surface of the conventional hafnium material has a fluorite type crystal structure as shown in FIG. It was noted that in addition to vacancies and crystal defects such as interstitial cations and interstitial anions, excess electrons, which are electron defects, are included.

すなわち、全ての金属酸化被膜は、金属イオン(Mイオ
ン)とO2‐イオンの含有比が厳密な整数比(MO)になつ
ているか否かによつて3種類に分類されるが、前述した
従来のハフニウム材表面に形成される酸化被膜はM4+の
中に価数が少ない状態にある少量のイオン(M3+)を含
んでいるので、電子が過剰になるのをバランスさせるよ
うな電気的中性条件によつて、O2‐がMOの分子式よりも
少ない酸素不足型酸化被膜(MO1−δ)となつている。
このため、この酸素不足型酸化被膜は第6図に示される
ように、n形半導体と同様に、伝導帯の下にエネルギー
準位ができ、この準位から励起された電子が伝導体に入
り電気伝導にあずかる。このような酸化被膜において、
高温水や水蒸気の環境下では、前記の伝導体へ電子が容
易に励起される。このように電子が電気伝導にあずかる
ことにより電気的中性条件はくずれ、これをバランスさ
せる作用によつてO2‐イオンが周囲の環境からとり込ま
れ、酸化層の厚さを増大させていくというプロセスによ
りハフニウム材の腐食が進行する。
That is, all metal oxide films are classified into three types according to whether the content ratio of metal ions (M ions) and O 2 -ions is a strict integer ratio (MO). The oxide film formed on the surface of the conventional hafnium material contains a small amount of ions (M 3 +) in the state of low valence in M 4 +, so that it may balance the excess of electrons. O 2 − is an oxygen-deficient oxide film (MO 1 −δ) whose molecular formula is less than that of MO, depending on the electrically neutral conditions.
Therefore, as shown in FIG. 6, this oxygen-deficient oxide film has an energy level below the conduction band as in the n-type semiconductor, and electrons excited from this level enter the conductor. Participate in electrical conduction. In such an oxide film,
In the environment of high temperature water or water vapor, electrons are easily excited in the conductor. As the electrons participate in electrical conduction in this way, the electrically neutral condition is broken, and the O 2 -ion is taken in from the surrounding environment by the action of balancing this, increasing the thickness of the oxide layer. This process promotes the corrosion of hafnium material.

そこで本発明者らは、このようなハフニウム材の腐食過
程に基づいて、ハフニウム基合金の表面に形成された酸
化被膜に電価がハフニウムの4+よりも大きな電荷をと
る元素同期律表のV a,V b,VI a,VI b,VII a,VII bおよ
びVIII族元素のうち一種または二種以上の元素をイオン
注入することによりこの酸化被膜の半導体性質をとり除
き、O2‐イオンの酸化被膜へのとり込みを制御できると
考え、イオン加速器を用いてこの酸化被膜へ前記元素を
イオン注入する実験を行ない、その後オートクレーブで
の腐食実験を行なつてこの酸化被膜の耐食性に対するイ
オン注入の効果を調べた。この結果、窒素と酸素を除い
た諸元素、すなわちV a族としてV,Nb,Ta、V b族として
P,As,Sb,Bi,VI a族として、Cr,Mo,W、VI b族としてS,S
e,Te,Po、VII a族としてMn,Fe,Re、VII b族としてF,Cl,
Br,I,At、VIII族としてFe,Co,Ni,Ru,Rh,Pd,Os,Ir,Ptを
夫々イオン注入して酸化被膜を表面に有するハフニウム
材は格段に耐食性が向上していることを見出し、かかる
知見に基づいて本発明をするに至つたものである。
Therefore, based on such a corrosion process of the hafnium material, the inventors of the present invention have shown that the oxide film formed on the surface of the hafnium-based alloy has a value V a of the element synchronization table in which the electric charge has a charge larger than 4+ of hafnium. , V b, VI a, VI b, VII a, VII b and VIII elements are ion-implanted to remove the semiconducting properties of the oxide film and to remove the O 2 -ion oxidation. Considering that the incorporation into the coating can be controlled, we conducted an experiment to ion-implant the above elements into this oxide coating using an ion accelerator, and then conducted a corrosion experiment in an autoclave to show the effect of ion implantation on the corrosion resistance of this oxide coating. I checked. As a result, elements other than nitrogen and oxygen, that is, V a, V b, N b, Ta, V b
P, As, Sb, Bi, VI As a group, Cr, Mo, W, VI b group is S, S
e, Te, Po, Mn, Fe, Re as VIIa group, F, Cl, as VIIb group
Hafnium material having oxide film on the surface by ion implantation of Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, and Pt as Br, I, At, and VIII groups respectively has significantly improved corrosion resistance The present invention has been made based on such findings.

すなわち本発明の耐食ハフニウム基体によれば、ハフニ
ウムの電価4+よりも大きな電価をもつた元素が酸化被
膜に含有されており、この元素によつて過剰電子が前記
元素イオンにとり込まれて、第6図に示される伝導帯に
励起される電子数が減少し、n形半導体的性質が除かれ
ることによつて酸化被膜へ新たなO2‐イオンのとり込み
が制御され、これにより耐食性が向上するものと推論さ
れる。
That is, according to the corrosion-resistant hafnium substrate of the present invention, the oxide film contains an element having a valence higher than 4+ of hafnium, and this element causes excess electrons to be incorporated into the element ion, By reducing the number of electrons excited in the conduction band shown in Fig. 6 and removing the n-type semiconducting property, the uptake of new O 2 -ions into the oxide film is controlled, which improves the corrosion resistance. It is inferred that it will improve.

なお、この発明で用いられるハフニウム基体材として
は、ハフニウム基合金また金属ハフニウムのいずれであ
つてもよく、金属ハフニウムとしては、ハフニウムが90
wt%以上で残部がジルコニウム,鉄,酸素,タンタル,
クロム,スズなどを不純物として含有するものを用いる
ことができ、さらには不純物として含有されるジルコニ
ウムが4wt%以下であり、ハフニウムが95wt%以上であ
るのが好ましい。これはジルコニウムの含有量が増大す
ると耐食性の劣化を招くためであり、通常の経済的精錬
によりジルコニウムの含有量を4%以下とするのは容易
であるからである。
The hafnium base material used in the present invention may be either a hafnium-based alloy or a metal hafnium, and as the metal hafnium, hafnium is 90
If it is more than wt%, the balance is zirconium, iron, oxygen, tantalum,
It is possible to use those containing chromium, tin, etc. as impurities, and it is preferable that zirconium contained as impurities is 4 wt% or less and hafnium is 95 wt% or more. This is because an increase in the content of zirconium causes deterioration of corrosion resistance, and it is easy to reduce the content of zirconium to 4% or less by ordinary economic refining.

また、ハフニウム基体材の表面に形成される酸化被膜は
厚さが0.1mm以下であるのが望ましい。これは膜厚が0.1
mmを超えると延性の低下を招く傾向が大きくなるためで
ある。
Further, the oxide film formed on the surface of the hafnium base material preferably has a thickness of 0.1 mm or less. This has a film thickness of 0.1
This is because if it exceeds mm, the tendency of lowering the ductility increases.

さらに、酸化被膜に含有されるV a,V b,VI a,VI b,VII
a,VII bおよびVIII族の諸元素の含有の態様は酸化被膜
の全域に渡つて平均的に分布される場合の他に、酸化被
膜中の層状をなして分布されるものや酸化被膜内におい
て所定の濃度勾配をなして含有されるものであつてもよ
く、要は、ハフニウム基体材の表面を酸化被膜がもつ半
導体的性質に応じ、これを取り除くのに適当な含有態様
や含有量を適宜選択するものであればよい。但し、前記
元素の含有量は0.1〜50%の範囲内であるのが適当であ
る。これは0.1%未満では耐食性向上の効果は不充分で
あり、50%を超えると酸化被膜もろくなるためである。
この耐食性向上効果および酸化被膜の健全性をより高度
な要求下に置くには、前記含有量は3〜20%の範囲内と
するのが好ましい。
Furthermore, V a, V b, VI a, VI b, VII contained in the oxide film
In addition to the case where a, VII b and VIII group elements are contained evenly over the entire area of the oxide film, in addition to being distributed as a layer in the oxide film or within the oxide film, It may be contained in a predetermined concentration gradient. The point is that, depending on the semiconducting properties of the oxide film on the surface of the hafnium base material, the content aspect and content suitable for removing the oxide film are appropriately determined. Anything can be selected. However, it is appropriate that the content of the element is within the range of 0.1 to 50%. This is because if it is less than 0.1%, the effect of improving the corrosion resistance is insufficient, and if it exceeds 50%, the oxide film becomes brittle.
In order to put the corrosion resistance improving effect and the soundness of the oxide film under higher requirements, the content is preferably within the range of 3 to 20%.

なお、前記してハフニウム基体材表面の酸化被膜に前記
諸元素を含有させる手段としては、イオン加速器による
イオン注入によるものとすることができる。この手段で
は、加速器の加速電圧を変化させることにより、酸化被
膜の所望の膜厚部に前記元素をイオンの形で所望量注入
することが可能である。このイオン加速器の型式は格別
限定されるものではなく、各種型式のイオン加速器を用
いることができ、例えばコツククロフト型加速器やハン
デグラフ型加速器さらにタンデム型加速器などを使用す
ることができる。
As a means for incorporating the above-mentioned elements into the oxide film on the surface of the hafnium base material, ion implantation with an ion accelerator can be used. With this means, it is possible to inject a desired amount of the element in the form of ions into a desired film thickness portion of the oxide film by changing the acceleration voltage of the accelerator. The type of this ion accelerator is not particularly limited, and various types of ion accelerators can be used, for example, Kotskcroft type accelerator, Handegraph type accelerator and tandem type accelerator can be used.

また二種以上の前記元素を注入する場合にもその元素に
応じて二種以上のイオン源を用意し、このイオン源によ
り二種以上のイオンを順次もしくは同時に注入すること
ができ、一種のイオンを注入する場合と同様に耐食性の
向上効果が得られる。
Also when implanting two or more of the elements, two or more ion sources are prepared according to the elements, and two or more ions can be sequentially or simultaneously implanted by this ion source. Similar to the case of injecting, the effect of improving corrosion resistance can be obtained.

次に、本発明の耐食ハフニウム基体の製造方法によれ
ば、V a,V b,VI a,VI b,VII a,VII bおよびVIII族元素
の一種又は二種以上の元素をハフニウム基体材の表面の
酸化被膜に注入することによりハフニウム基体材表面の
酸化被膜に前記元素が含有され、前記した耐食性に優れ
た耐食ハフニウム基体が得られる。
Next, according to the method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate of the present invention, one or two or more elements of Va, Vb, VIa, VIb, VIIa, VIIb and VIII elements are added to the hafnium substrate material. By injecting into the oxide film on the surface, the above-mentioned elements are contained in the oxide film on the surface of the hafnium substrate material, and the above-mentioned corrosion-resistant hafnium substrate having excellent corrosion resistance can be obtained.

なお、この発明において、ハフニウム基体材の表面への
酸化被膜の形成は種々の方法により行なうことができ
る。例えばオートクレーブ処理により形成する方法や電
気炉、高周波炉、赤外線炉などの種々の加熱炉内で加熱
して形成する方法により行なうことができ、さらにレー
ザービームや電子ビームなどの高密度エネルギー源の照
射による加熱処理で行なうことも可能である。これらの
方法はいずれも加熱処理によるものであり、この加熱処
理は500〜1000℃の範囲内の温度で保持して行なうのが
好ましい。これは500℃未満の保持温度では所要の酸化
被膜が形成され難く、また1000℃を越えた保持温度では
ハフニウム基体材の粒径粗大化などのために機械的強度
の低下をきたす傾向が認められるためである。またこの
加熱処理時間は1秒〜1時間の範囲内とするのが望まし
い。これは1秒未満では所要の酸化被膜が充分に形成さ
れず、1時間を越えると酸化被膜が厚くなりすぎてハフ
ニウム基体の延性低下をきたすことが認められるためで
ある。さらに加熱処理雰囲気は酸素分圧を1×10-3〜1
×104mmHgの範囲内とするのが好ましい。この範囲外、
すなわち1×10-3mmHg未満では所要の酸化被膜の形成が
困難となり、また1×104mmHgを越えて酸素分圧を増大
させても酸化被膜形成の効果は飽和し、経済的に不利と
なるからである。
In the present invention, the oxide film can be formed on the surface of the hafnium base material by various methods. For example, it can be formed by a method of forming by autoclave treatment or a method of forming by heating in various heating furnaces such as an electric furnace, a high-frequency furnace, an infrared furnace, and irradiation with a high-density energy source such as a laser beam or an electron beam. It is also possible to perform the heat treatment by. All of these methods are based on heat treatment, and this heat treatment is preferably carried out by holding at a temperature in the range of 500 to 1000 ° C. This is because the required oxide film is difficult to form at a holding temperature of less than 500 ° C, and the mechanical strength tends to decrease at a holding temperature of more than 1000 ° C due to coarsening of the grain size of the hafnium substrate. This is because. Further, it is desirable that the heat treatment time be within a range of 1 second to 1 hour. This is because it is recognized that the required oxide film is not sufficiently formed when the time is less than 1 second, and the oxide film becomes too thick and the ductility of the hafnium substrate is deteriorated when the time exceeds 1 hour. Further, the heat treatment atmosphere has an oxygen partial pressure of 1 × 10 −3 to 1
It is preferably within the range of × 10 4 mmHg. Outside this range,
That is, if it is less than 1 × 10 −3 mmHg, it becomes difficult to form a required oxide film, and even if the oxygen partial pressure is increased to more than 1 × 10 4 mmHg, the effect of oxide film formation is saturated, which is economically disadvantageous. Because it will be.

〔実施例〕〔Example〕

次に本発明の耐食ハフニウム基体の製造方法の一実施例
を説明する。
Next, an example of the method for producing the corrosion-resistant hafnium substrate of the present invention will be described.

ハフニウム基体材の材料として化学成分がZr2.1ppm、Fe
とCrとNiの合計量が100ppm以下、Oが200ppmで残部がハ
フニウムであるハフニウム基合金を用いる。この材料を
真空溶解させた後に熱間加工および冷間加工を施して板
状試片とし、さらに700〜850℃で真空焼なまし処理を行
なう。次にこの板状試片の表面を平均粒径約25μmのダ
イヤモンド粉で研磨し、さらにオートクレーブ処理(温
度420℃、処理時間24時間、圧力105kg/cm2、流量18/
h、溶存酸素量0.3〜0.4ppm、電導度<0.2μs/cm、pH5.8
〜7.0)または電気炉処理(約700℃、760mmHg)により
約1μm厚の酸化雑被膜を試片表面に形成させる。この
酸化被膜に、コツククロフト型イオン加速装置を用いて
第1表に示される試料No.1〜56の注入イオンを注入す
る。ここで用いられるイオン加速器の運転条件は加速電
圧400KeV、試料室である真空槽の真空度が10-6〜10-7to
rr、温度が室温である。
Hafnium base material has a chemical composition of Zr2.1ppm, Fe
A hafnium-based alloy in which the total amount of Cr and Ni is 100 ppm or less, O is 200 ppm, and the balance is hafnium is used. After this material is melted in vacuum, it is subjected to hot working and cold working to obtain a plate-shaped test piece, which is further vacuum-annealed at 700 to 850 ° C. Next, the surface of this plate-shaped sample was polished with diamond powder having an average particle size of about 25 μm, and further autoclaved (temperature 420 ° C., treatment time 24 hours, pressure 105 kg / cm 2 , flow rate 18 /
h, dissolved oxygen amount 0.3-0.4ppm, conductivity <0.2μs / cm, pH 5.8
˜7.0) or electric furnace treatment (about 700 ° C., 760 mmHg) to form an oxide film having a thickness of about 1 μm on the surface of the specimen. Implanted ions of sample Nos. 1 to 56 shown in Table 1 are implanted into this oxide film by using a Cockcroft type ion accelerator. The operating conditions of the ion accelerator used here are an acceleration voltage of 400 KeV and a vacuum degree of the vacuum chamber of the sample chamber of 10 -6 to 10 -7 to
rr, the temperature is room temperature.

第1図はこのイオン加速装置の外観を示した図であり、
第2図はさらにこの装置の構造とイオンビームの経路4
を示した概念図である。
FIG. 1 is a view showing the appearance of this ion accelerator,
FIG. 2 further shows the structure of this device and the path 4 of the ion beam.
It is the conceptual diagram which showed.

これを詳細に説明すると、イオン加速装置は注入すべき
イオンの元素を粉末の状態でオーブン5aに収容してお
き、この元素は加熱蒸発させるか、あるいは別に設けら
れたガスボトル5bによりイオン源6に供給され、このイ
オン源6で高電圧が加えられて注入イオンとして生成さ
れる。イオンビームは、イオン源6、質量分析器7、加
速管8で構成される加速器1から四重極レンズ2、偏向
器9、スリツト10を経て真空槽3内の試料11に照射打込
みされることにより試料表面の酸化層ヘシオン注入され
る。また電磁石12、加速管電流13、四重極レンズ電源1
4、偏向器電流15、スリツト電流計16、ターゲツト電流
計17、温度測定制御系18はマイクロコンピユーター19に
接続され、これらはマイクロコンピユーター19により打
込み条件が一定となるように制御されている。この実施
例では注入すべきイオンの元素として第1表に示される
ように5価、6価、7価および8価の元素並びにこれら
のうち二種数以上の元素を用い、この元素を試料No.1〜
No.58の各々1013〜1019イオン1cm2注入する。
To explain this in detail, the ion accelerator stores the element of the ion to be injected in the state of powder in the oven 5a, and heats or evaporates this element, or the ion source 6 is provided by a separately provided gas bottle 5b. And is supplied with a high voltage by the ion source 6 to be generated as implanted ions. The ion beam is irradiated from the accelerator 1 composed of the ion source 6, the mass analyzer 7 and the accelerating tube 8 through the quadrupole lens 2, the deflector 9 and the slit 10 to the sample 11 in the vacuum chamber 3. As a result, the oxide layer hesion on the sample surface is injected. Electromagnet 12, acceleration tube current 13, quadrupole lens power supply 1
4, the deflector current 15, the slit ammeter 16, the target ammeter 17, and the temperature measurement control system 18 are connected to a micro computer 19, and these are controlled by the micro computer 19 so that the implantation conditions are constant. In this embodiment, as shown in Table 1, as the element of the ion to be implanted, a pentavalent, hexavalent, heptavalent and octavalent element and two or more of these elements are used. .1 ~
Implant 1 cm 2 of 10 13 to 10 19 ions of No. 58, respectively.

以上の方法により製造された56種類の本発明の耐食性ハ
フニウム基体および比較材として注入元素を窒素と酸素
に変更した試料(No.57,58)とイオン注入がされていな
い酸化被膜が表面に形成された試料(No.59)と酸化被
膜形成処理が行なわれておらず、ダイヤモンド粉で研磨
したままの状態の材料(No.60)とを用いこれらを同一
条件で腐食試験して、各々の試料の耐食性能を調べた。
The 56 types of corrosion-resistant hafnium substrates of the present invention produced by the above method and the samples (No. 57, 58) in which the implantation elements were changed to nitrogen and oxygen as comparative materials, and the oxide film which had not been ion-implanted were formed on the surface. The sample (No.59) and the oxide film-formation-treated material (No.60) that had not been subjected to oxide film formation treatment were subjected to a corrosion test under the same conditions. The corrosion resistance performance of the samples was investigated.

腐食試験は、実際の原子炉内の腐食挙動を模擬したもの
とし、溶存酸素量0.5ppm以下、pH5〜7の純水から生じ
た500℃、105kgf/cm2の水蒸気中に各試料を24時間保持
する方法で行なつた。
In the corrosion test, the corrosion behavior in the actual reactor was simulated, and each sample was immersed in water vapor of 0.5 ppm or less in dissolved oxygen and pH 5 to 7 at 500 ° C and 105 kgf / cm 2 for 24 hours. It was done by the method of holding.

この腐食試験結果は第1表(1)(2)に示されてお
り、耐食性は腐食増量の大きさで判定される。すなわち
腐食増量が少ないもの程耐食性が優れていることにな
る。
The results of this corrosion test are shown in Table 1 (1) and (2), and the corrosion resistance is judged by the amount of corrosion increase. That is, the smaller the corrosion weight increase, the better the corrosion resistance.

第1表(1)(2)によると、酸化被膜が形成されてい
ないハフニウム基体(試料No.60)やイオン注入がされ
ていない酸化被膜が形成されているハフニウム基体(試
料No.59)は、表面に形成された酸化層に窒素と酸素を
除く5価、6価、7価および8価イオンが注入されたハ
フニウム基体(試料No.1〜31)およびこれらのイオンを
二種以上注入した実施例のハフニウム基体(試料No.32
〜56)に対して腐食増量が多く、耐食性が劣つている。
すなわち実施例のハフニウム基体は従来のものに対して
腐食増量が著しく引き下げられており、耐食性に極めて
優れていることが明らかである。また、この様な耐食性
の向上は、イオン注入前の酸化被膜の形成方法には左右
されず、その形成方法のいかんにかかわらず耐食性の向
上効果が認められる。なお、酸化被膜に対して窒素や酸
素を注入したもの(試料No.58および59)では耐食性の
向上効果は得られなかつた。
According to Table 1 (1) and (2), the hafnium substrate with no oxide film formed (Sample No. 60) and the hafnium substrate with no oxide film formed (Sample No. 59) , A hafnium substrate (sample Nos. 1 to 31) in which pentavalent, hexavalent, hexavalent, and octavalent ions excluding nitrogen and oxygen were implanted into the oxide layer formed on the surface and two or more of these ions were implanted. Hafnium substrate of the example (Sample No. 32
~ 56), the corrosion amount is large and the corrosion resistance is poor.
That is, it is clear that the hafnium substrates of the examples have remarkably reduced corrosion increments as compared with the conventional ones, and are extremely excellent in corrosion resistance. Further, such improvement in corrosion resistance is not affected by the method for forming an oxide film before ion implantation, and an effect of improving corrosion resistance is recognized regardless of the method of forming the oxide film. It should be noted that no improvement in corrosion resistance could be obtained in the case where nitrogen or oxygen was injected into the oxide film (Sample Nos. 58 and 59).

以上の点から、ハフニウム基体材の表面に酸化被膜を設
けるとともに、その酸化被膜に窒素と酸素を除く5価元
素(周期律表のV a、V b族元素)、6価元素(VI a、VI
b族元素)、7価元素(VII a、VII b族元素)、8価元
素(VIII族元素)を含有させることにより極めて耐食性
に優れたハフニウム基体を提供できることが明らかとな
つた。
From the above points, an oxide film is provided on the surface of the hafnium base material, and the oxide film contains pentavalent elements (V a and V b group elements in the periodic table) excluding nitrogen and oxygen, and hexavalent elements (VI a, VI
It has been clarified that a hafnium substrate having extremely excellent corrosion resistance can be provided by containing a b-group element), a 7-valent element (VIIa, VIIb-group element), and an 8-valent element (VIII-group element).

なお、この実施例では2種以上の元素を酸素被膜に含有
させたものとしてその一部を試料No.32〜56に示した
が、これに限定されるものではなく、他の5価、6価、
7価および8価の諸元素を2種以上含有させたものであ
つてもよく、上記と同様に耐食性の向上効果が得られ
る。
In addition, in this Example, a part of Sample Nos. 32 to 56 was shown as containing two or more kinds of elements in the oxygen coating film, but the present invention is not limited to this. Value,
It may be one containing two or more kinds of 7-valent and 8-valent elements, and the effect of improving the corrosion resistance can be obtained in the same manner as described above.

〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、高温水中での耐食
性が著しく優れたハフニウム基体を得ることができ、例
えば使用環境の厳しいBWRやPWRなどの原子炉用制御棒材
料として利用することにより、原子炉内での使用期間を
非常に長くすることができ、プラント利用率の向上や放
射性廃棄物の発生量を減少できる効果がある。
(Effects of the Invention) As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a hafnium substrate having excellent corrosion resistance in high-temperature water, for example, as a control rod material for a reactor such as BWR or PWR in a severe operating environment. By using it, the period of use in the nuclear reactor can be made very long, and there is an effect that the plant utilization rate can be improved and the amount of radioactive waste generated can be reduced.

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

第1図は本発明の方法の一実施例を用いられるイオン加
速装置の一例を示す外観図、第2図は同じくイオン加速
装置の構成およびイオンビーム径路を示す概略図、第3
図は原子炉用制御棒を示す斜視図、第4図は燃料集合体
と制御棒を示す平面図、第5図は従来のハフニウム材表
面に形成された酸化被膜の結晶構造を示す模式図、第6
図は同じく酸化被膜のエネルギー帯および電子状態を示
す模式図である。 1……イオン加速器、1……試料、22……制御棒シー
ス、23……ステンレス鋼細管、25……燃料棒。
FIG. 1 is an external view showing an example of an ion accelerator using one embodiment of the method of the present invention, FIG. 2 is a schematic view showing the structure of the ion accelerator and the ion beam path, and FIG.
FIG. 4 is a perspective view showing a control rod for a nuclear reactor, FIG. 4 is a plan view showing a fuel assembly and a control rod, FIG. 5 is a schematic diagram showing a crystal structure of an oxide film formed on the surface of a conventional hafnium material, Sixth
Similarly, the figure is a schematic diagram showing the energy band and electronic state of the oxide film. 1 ... Ion accelerator, 1 ... Sample, 22 ... Control rod sheath, 23 ... Stainless steel thin tube, 25 ... Fuel rod.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ハフニウム基体材の表面に、V a,V b,VI
a,VI b,VII a,VII bおよびVIII族元素のうち窒素と酸素
を除く一種または二種以上の元素を原紙パーセントで0.
1〜50%含有する酸化被膜が形成されていることを特徴
とする耐食ハフニウム基体。
1. A surface of a hafnium substrate is provided with V a, V b, VI
a, VI b, VII a, VII b, and VIII elements of one or more elements excluding nitrogen and oxygen in percentage of base paper of 0.
A corrosion-resistant hafnium substrate, characterized in that an oxide film containing 1 to 50% is formed.
【請求項2】前記ハフニウム基体材はハフニウム基合金
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の耐
食ハフニウム基体。
2. The corrosion-resistant hafnium substrate according to claim 1, wherein the hafnium substrate material is a hafnium-based alloy.
【請求項3】前記ハフニウム基体材はハフニウムが90wt
%以上で残部が不可避の不純物からなる金属ハフニウム
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の耐
食ハフニウム基体。
3. The hafnium base material is 90 wt% hafnium.
%. The corrosion-resistant hafnium substrate according to claim 1, wherein the hafnium metal is a metal hafnium, the balance of which is unavoidable impurities with a content of at least%.
【請求項4】ハフニウム基体材の表面に酸素不足型酸化
被膜を形成し、その後この酸素不足型酸化被膜に、V a,
V b,VI a,VI b,VII a,VII bおよびVIII族元素のうち窒
素と酸素を除く一種または二種以上の元素を注入するこ
とを特徴とする耐食ハフニウム基体の製造方法。
4. An oxygen-deficient oxide film is formed on the surface of a hafnium base material, and then V a,
A method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate, which comprises injecting one or more elements of V b, VI a, VI b, VII a, VII b and VIII elements other than nitrogen and oxygen.
【請求項5】前記ハフニウム基体材はハフニウム基合金
であることを特徴とする特許請求の範囲第4項記載の耐
食ハフニウム基体の製造方法。
5. The method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate according to claim 4, wherein the hafnium substrate material is a hafnium-based alloy.
【請求項6】前記ハフニウム基体材はハフニウムが90wt
%以上で残部が不可避な不純物からなる金属ハフニウム
であることを特徴とする特許請求の範囲第4項記載の耐
食ハフニウム基体の製造方法。
6. The hafnium substrate is 90 wt% hafnium.
The method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate according to claim 4, characterized in that it is a metal hafnium, the balance of which is unavoidable and the balance is unavoidable impurities.
【請求項7】前記ハフニウム基体材の表面への酸素不足
型酸化被膜の形成は、オートクレーブ処理により0.1mm
以下の膜厚となるように行なうことを特徴とする特許請
求の範囲第4〜6項のいずれが1項の記載の耐食ハフニ
ウム基体の製造方法。
7. The formation of the oxygen-deficient oxide film on the surface of the hafnium substrate is 0.1 mm by autoclave treatment.
The method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate according to any one of claims 4 to 6, which is performed so as to have the following film thickness.
【請求項8】前記ハフニウム基体材の表面への酸素不足
型酸化被膜の形成は、酸素分圧1×10-3〜1×104mmHg
の雰囲気で、500〜1000℃の温度で1秒〜1時加熱し
て、0.1mm以下の膜厚となるように行なうことを特徴と
する特許請求の範囲第4〜6項のいずれか1項に記載の
耐食ハフニウム基体の製造方法。
8. The formation of an oxygen-deficient oxide film on the surface of the hafnium substrate is performed by oxygen partial pressure of 1 × 10 −3 to 1 × 10 4 mmHg.
7. Atmosphere of 1 to 1 hour at a temperature of 500 to 1000 [deg.] C. in order to obtain a film thickness of 0.1 mm or less. The method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate according to item 1.
【請求項9】前記500〜1000℃の温度での加熱は、電気
炉、高周波加熱炉、通電加熱炉または赤外線炉のいずれ
かの炉内で行なうことを特徴とする特許請求の範囲第8
項記載の耐食ハフニウム基体の製造方法。
9. The heating at a temperature of 500 to 1000 ° C. is carried out in any one of an electric furnace, a high frequency heating furnace, an electric heating furnace, and an infrared furnace.
A method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate according to the above item.
【請求項10】前記500〜1000℃の温度での加熱は、レ
ーザービームまたは電子ビームの照射により行うことを
特徴とする特許請求の範囲第8項記載の耐食ハフニウム
基体の製造方法。
10. The method for producing a corrosion-resistant hafnium substrate according to claim 8, wherein the heating at a temperature of 500 to 1000 ° C. is performed by irradiation with a laser beam or an electron beam.
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