JPH079054B2 - ジルコニウム合金製原子炉心部材 - Google Patents

ジルコニウム合金製原子炉心部材

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JPH079054B2
JPH079054B2 JP58157601A JP15760183A JPH079054B2 JP H079054 B2 JPH079054 B2 JP H079054B2 JP 58157601 A JP58157601 A JP 58157601A JP 15760183 A JP15760183 A JP 15760183A JP H079054 B2 JPH079054 B2 JP H079054B2
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純子 川島
良昇 桑江
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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、耐食性が要求されるジルコニウム合金製原子
炉炉心部材に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
一般にジルカイロ‐2、ジルカロイ‐4などのジルコニ
ウム合金は、熱中性子吸収断面積が小さいこと、原子炉
内環境に対する耐食性に優れていること、構造材料とし
て機械的性質を充分に備えていることなどの理由から原
子炉の炉心部材として多く用いられている。
例えば、軽水炉の燃料集合体の場合、第1図に示すよう
な構造となっている。この燃料集合体は上部タイプレー
ト1と、下部タイプレート2との間に核燃料ペレットを
被覆管3内に装着した複数本の核燃料棒4が取付けられ
ている。これら核燃料棒4は、適宜の間隔で水平に配置
されたスペーサー5に挿着支持されて整列し、横方向へ
の移動が抑制されていると共に、核燃料棒4間に冷却材
の流路を形成するようになっている。これら全体はチャ
ンネルボックス6内に収納されて一体となっている。こ
の燃料集合体は、一基の原子炉に数百本装荷されてい
る。
前記スペーサー5は第2図に示すように、外枠7で囲ま
れた四角平面の中に、縦横に配置した複数本のバー8
と、複数本のデイバイダー9が、水平面で交差して格子
状に形成されている。またバー8とデイバイダー9の端
部は外枠7に溶接され、更にバー8とバー8およびデイ
バイダー9とデイバイダー9との交差点も溶接により固
定されている。バー8とバー8の交差点には、夫々四角
枠状にランタンスプリング10が支持されている。このよ
うにして、複数個の小仕切りが形成され、この小仕切り
の中に第1図に示す燃料棒4が挿着されるようになって
いる。
これら燃料集合体を形成する炉心部材のうち、例えば、
チャンネルボックス6や燃料被覆管3、あるいはランタ
ンスプリング10を除くスペーサー5の構成部材などの炉
心部材は、一般にジルカロイ‐2やジルカイロ‐4など
のジルコニウム合金が用いられている。
しかしながら、これらジルコニウム合金で形成された炉
心部材は、その使用時間の経過とともに、いわゆるノジ
ュラーコロージョンと呼ばれる腐食反応による白色腐食
生成物が、その表面に斑点状に生成してくることがあ
る。これはジルコニウム合金が高温水と反応し、この表
面に酸化膜が形成された状態で、生成された水素が合金
基材と表面の酸化膜との間に蓄積して腐食生成物を形成
するものである。この腐食生成物は、経時的に表面に集
積し、ついには表面から剥離して、合金部材の強度低下
を招くおそれがある。また生成された水素が合金内部に
侵入するとジルコニウムの水素化物が形成され、これが
表面と垂直方向に形成されると、連続した水素化物によ
る、いわゆる水素脆性の問題があった。
このような問題を解決するため、ジルコニウム合金を溶
解、鍛造、熱間押出、冷間加工、焼鈍など一連の工程を
経て、最終の焼鈍工程において、β焼入する方法(特開
昭55-100947)およびジルコニウム合金部材の表面を急
熱溶融後、急冷する方法(特開昭55-50453)などが提案
されている。これらの方法は、何れもジルコニウム合金
部材の少なくとも表面部の結晶構造を焼入により、針状
結晶粒のβ相(体心立方格子)に変えることにより耐ノ
ジュラーコロージョン性を向上させるものである。
しかしながら、これら焼入による方法は、耐ノジュラー
コロージョン性を向上させる反面、炉心部材としての機
械的特性が劣化する上、肉厚が1mm程度以下の薄板で長
尺であるため、焼入時に曲りやねじれを生ずる問題があ
り、満足すべきものではなかった。
〔発明の目的〕
本発明は、優れた耐ノジュラーコロージョン性を有する
と共に、機械的特性に優れ、さらに曲りやねじれが少な
いジルコニウム合金製原子炉炉心部材を提供しようとす
るものである。
〔発明の概要〕
少なくとも表面が再結晶組織でα相の結晶構造を有し、
かつ表面に圧縮応力が残留しれているジルコニウム合金
製原子炉炉心部材である。
以下本発明を詳細に説明する。
本発明において用いるジルコニウム合金としては、例え
ば重量比でスズ1.2〜1.%、鉄0.07〜0.20%、クロム0.0
5〜0.15%、ニッケル0.03〜0.08%、残部ジルコニウム
よりなるジルカロイ‐2と呼称されているもの、スズ1.
2〜1.7%、鉄0.18〜0.24%、クロム0.07〜0.13%、残部
ジルコニウムおりなるジルカロイ‐4と呼称されている
もの、あるいはジルコニウム‐2.5%ニオブ系、ジルコ
ニウム‐1%ニオブ系、またはオーゼナイトなどのジル
コニウム合金に適用することができる。
次に本発明のジルコニウム合金製原子炉炉心部材の製造
方法を説明する。
ジルコニウム合金を溶解、鍛造、熱間押出した後、冷間
加工と焼鈍とを複数回繰り返して行う。最終焼鈍の温度
は通常580℃近傍で約2時間半加熱して行うが、このよ
うにして得られたジルコニウム合金は残留歪がなく、ま
た結晶構造はα相(六方晶形)である。
ここまでは従来の方法と同一であるが、本発明において
は、最終焼鈍後に、次の熱処理工程を付加することによ
り、表面に圧縮応力を残留させたものである。
最終焼鈍したジルコニウム合金を、例えば高周波加熱に
より、表面部をα領域の780〜860℃まで急加熱して、数
秒間保持した後、急冷することにより、結晶構造はα相
のままで細かい球状の結晶粒のままで且つ表面に圧縮応
力を残留させることができる。
このように急加熱、急冷を行うと、内部に大きな温度差
を生じ、表面部は内部の高温部を包んで冷却するため自
由に収縮できない。この結果、表面部は内部の高温部の
ために張力を受けながら冷却する。冷却初期において
は、温度は比較的高いから降伏点が低く、表面部は多少
永久変形を起す。しかも中心部まで室温になった時に
は、表面部は中心部に比べて変形分だけ伸び過ぎている
ことになり、これが内部からの収縮力を受け、最終的に
は、表面部は中心部によって圧縮された状態となる。即
ち表面部には圧縮応力が残留し、中心部は引張応力が働
いて、つい合った状態となる。
このように表面部が再結晶組織でありかつ表面部に圧縮
応力が残留した状態では、結晶構造がα相のままでも、
耐ノジュラーコロージョン性が向上する理由については
詳らかではないが、圧縮応力が加った状態では、結晶格
子が密につまっているため、表面から内部へ酸素が拡散
しにくくなるためであると考えられる。このように酸素
の拡散が阻止されると酸化膜が形成されにくくなり、酸
化膜と合金表面との間の水素の蓄積が防止され、耐ノジ
ュラーコロージョン性が向上するものである。
なおα領域での加熱温度は780〜860℃とし、ここに短時
間保持した後、急冷すると、表面に8〜46kg/mm2の圧縮
応力が残留し、特に残留・圧縮応力が20kg/mm2以上で、
効果的に耐ノジュラーコロージョン性が得られる。この
場合780℃未満の加熱では、充分の圧縮応力が残留せ
ず、また860℃を越えると、β領域となり、急冷すると
焼入が行なわれて、表面層がβ相(体心立方格子)にな
る上、曲りやねじれが大きく、しかも機械的特性が劣化
するからである。
また本発明ジルコニウム合金の表面に、圧縮応力が残留
しているので、例えば引張強さが約45kg/mm2のジルコニ
ウム合金からなる被覆管に、上記方法により圧縮応力を
20kg/mm2残留させると、65kg/mm2の外部応力まで破断せ
ずに耐えられることになる。
更に本発明合金は圧縮応力が残留していることにより耐
力が大きくなると共に、伸びが小さくなり、特に沸騰高
温水中に長時間曝らされる原子炉炉心部材や、化学装置
の構造材において、強度、クリープ特性など、機械的特
性の改善効果が大きい。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。
実施例 ジルカロイ‐4を用い、通常の溶解、鍛造を行って、ビ
レットを形成した後、熱間押出しを行い、次いで冷間圧
延と真空焼鈍を4回繰り返して、長さ28mm、幅20mm厚さ
2mmの板材を形成した。
次にこの板材をサイリスタ式の高周波加熱炉を用いて、
その表面を800℃に急速加熱した。この場合、炉内滞留
時間(保持時間)は約5秒であった。この後、直ちに水
冷して急速冷却を行った。次に、表面の酸化膜を研磨除
去して仕上げた。
このようにして得られた板材を、500℃、105気圧の高温
高圧水蒸気中に放置して、加速腐食試験を行って耐食性
を調べた。この結果は第3図のグラフに曲線aで示すよ
うに腐食による増量は48時間経過後も僅かであった。
また機械的特性を調べるため、耐力と伸びを調べたとこ
ろ、耐力は42.8kg/mm2、伸びは32.9%で、優れたクリー
プ特性を有することが確認された。
更に本発明板材の表面応力状態を見るため、X線により
残留圧縮応力を測定したところ、28kg/mm2であった。な
おこの場合のX線測定はCrKα(クロムケアルファー)
線を用い(202)面からの回析線を用いて行った。
比較例1 前記実施例と同様な最終焼鈍を施した後、なんら熱処理
を施さないジルコニウム板材(実施例と同様な寸法)に
ついて同様な加速腐食試験を行った。
その結果、腐食による増量は第3図のグラフに曲線bで
示すように急激なカーブを描いた。また、同様に機械的
特性を調べたことろ耐力は42.7kg/mm2、伸びは32.9%で
あり、本発明の実施例と同等であった。また、X線によ
る圧縮応力の測定では残留が認められなかった。
比較例2 前記実施例と同様な最終焼鈍を施した後、その外表面を
ショットピーニングを行って圧縮応力を残留させてジル
コニウム板材(実施例と同様な寸法)を作製した。前記
ショットピーニングは、一番細かい粒径の30番(標準篩
寸法;420〜125μm)鋳鉄粒子を用いて室温で30秒間行
った。
得られたジルコニウム板材は、圧縮応力が約20μmの深
さまで残留し、10μmの深さまでは結晶が加工組織にな
っていた。また、前記板材について同様な加速腐食試験
を行った。その結果、腐食による増量は第3図のグラフ
に曲線cで示すように前記比較例1よりさらに急激なカ
ーブを描いた。
なお、肉厚が0.8mmのジルカロイ−2製燃料被覆管に前
記比較例2と同様なショントピーニングを施したとこ
ろ、被覆管に曲りや変形が起こった。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明に係わるジルコニウム合金
製原子炉炉心部材は、少なくとも表面が再結晶組織でα
相の結晶構造を有し、かつ表面に圧縮応力が残留してい
るため、耐ノジュラーコロージョン性と機械的特性の向
上が図られ、さらに曲りやねじれが少なく高い寸法精度
を有する等顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は燃料集合体の一部を切欠して示す縦断面図、第
2図はスペーサーの要部を示す平面図、第3図は本発明
によるジルコニウム合金板材と従来の板材との腐食増量
の時間変化を示すグラフである。 1……上部タイプレート、2……下部タイプレート、3
……被覆管、4……核燃料棒、5……スペーサー、6…
…チャンネルボックス、7……外枠、8……バー、9…
…デイバイダー、10……ランタンスプリング。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川島 純子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 東 京芝浦電気株式会社総合研究所内 (72)発明者 桑江 良昇 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 東 京芝浦電気株式会社総合研究所内 (72)発明者 作山 忠 東京都千代田区内幸町1丁目1番6号 東 京芝浦電気株式会社東京事務所内 (56)参考文献 特開 昭54−87637(JP,A) 特開 昭54−42599(JP,A) 特開 昭53−141899(JP,A) 特公 昭55−33034(JP,B2)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも表面が再結晶組織で、α相の結
    晶構造を有し、かつ表面に圧縮応力が残留していること
    を特徴とするジルコニウム合金製の原子炉炉部材。
  2. 【請求項2】残留圧縮応力が20kg/mm2以上であることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載のジルコニウム合
    金製原子炉炉心部材。
JP58157601A 1983-08-29 1983-08-29 ジルコニウム合金製原子炉心部材 Expired - Lifetime JPH079054B2 (ja)

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