JPS5856748B2 - Zr基合金製原子燃料被覆管 - Google Patents

Zr基合金製原子燃料被覆管

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JPS5856748B2
JPS5856748B2 JP52106033A JP10603377A JPS5856748B2 JP S5856748 B2 JPS5856748 B2 JP S5856748B2 JP 52106033 A JP52106033 A JP 52106033A JP 10603377 A JP10603377 A JP 10603377A JP S5856748 B2 JPS5856748 B2 JP S5856748B2
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JP
Japan
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based alloy
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cladding tube
nuclear fuel
fuel cladding
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信行 永井
孜 角間
征彦 小松
和己 藤田
淳之 宮本
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Kobe Steel Ltd
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Kobe Steel Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はZr基合金製原子燃料被覆管に関し、詳細には
物性のパラメータとしてf値を特定範囲内に設定してな
る延性の優れたZr基合金製原子燃料被覆管に関するも
のである。
Zr基合金製原子燃料被覆管とは原子力発電等に使われ
る核燃料を被覆する鞘として使用されるもので、原子力
発電の安全性を確保するうえで極めて重要な部材であり
、核分裂による発生熱を外側の冷却水に伝えること、放
射性核分裂生成物が外部の冷却水に漏洩するのを防ぐこ
とがその最も重要な役割である。
ところで水冷却型原子炉には、二酸化ウラン等のペレッ
トを円筒状のZr基合金製被覆管に封入した燃料棒が挿
入されるが、使用中の二酸化ウランペレットの温度が被
覆管よりも高いこと、ペレット内の温度勾配に起因する
半径方向の物質移動によりペレット外周部に半径方向の
割れが生じること、或は核分烈生成物が被覆管内に蓄積
して体積膨張を生じること等の為、被覆管は内部から拡
径方向の力をうけて歪む。
一方、被覆管は高速中性子の影響をうけて延性が低下す
る傾向があり、前記型がこの延性の限界を越えると被覆
管に局部的な割れを生じることがある。
そのため燃料棒を設計する際には、ペレット及び被覆管
の寸法、形状、材質等を慎重に選択し、被覆管の損壊事
故(割れ)を可及的に防止し得るよう考慮を払っている
しかしながら前述のような考慮を払うにしても、従来は
単に経験的な事実に基づいて最良の条件(焼鈍条件、純
度、圧延条件等の製造若しくは加工条件等)を設定して
いるにすぎず、Zr基合金自体の内部組織や結晶の配向
性等の基礎研究に裏付けられた被覆管の製造技術は殆ん
ど確立されていなかった。
ところが原子力利用技術が進歩するにつれて更に高性能
のZr基合金製被覆管が要求されるようになり、それに
伴なってZr基合金の内部組織や結晶配向性についても
、その性能との関連が究明されるようになってきた。
この種の技術としては例えば特開昭50−111496
号公報に記載の技術が知られている。
該公報所載の技術は、Zr基合金が稠密六方晶のZr結
晶を含むもので、Zr基合金の薄肉細径管を圧延加工す
ると稠密六方晶が一定方向に配向し、所謂集合組織を形
成する点に着目したもので、稠密六方晶の中心軸が管の
半径方向に対して一定の角度範囲(5〜18度)に集積
するように品質管理することにより、Zr基合金製被覆
管の延性を高め割れを可及的に防止しようとするもので
ある。
ところが本発明者等が該公報所載の技術を追試確認した
ところ、稠密六方晶中心軸の配向角度のみでZr基合金
製被覆管としての適正を判断するには相当無理があり、
常に高性能の被覆管が得られるとは限らないことを知っ
た。
そこで本発明者等は、金属結晶学において金属材料の機
械的・物理的性質の異方性を確認する為に定義されたf
値の概念を利用し、f値に基づいてZr基合金の原子燃
料被覆管としての適正を判断できないかと考えた。
尚Zr基合金は当分前における汎用合金であり、本発明
はZr基合金の合金組成についての研究成果に関するも
のではない。
従ってZr基合金の合金組成を限定すべき必要はないが
、本発明においてはASTMB353−69で規定され
るもつとも代表的な下記成分組成のZr基合金(通称ジ
ルカロイ)を対象材料とした。
S口 :1.20〜1.70% Fe : 0.07〜0.20% Cr : 0.05〜0.15% Ni:0.03〜0.08% Fe +Cr +Fi : 0.18〜0.38%Zr
及び不可避不純物:残部 ここでf値とは、金属結晶学において既に定義づけられ
ているもので、以下に示す如き理論に基づいて与えられ
るものである。
即ちZr基合金の如き六方晶金属の単結晶を例にとると
、その諸性質は測定方向と結晶軸のなす角に依存し、(
1)式の関係が知られている。
Pφ=P/cos2φ+P±(1−cos2φ) ・
(1)但しPφ:主軸からφ傾いた方向でのある性質の
値 P/:主軸に平行な方向でのある性質の値P土:主軸に
垂直な方向でのある性質の値(1)式を満足する諸性質
として引張耐力、電気抵抗、熱膨張、拡散速度等が確認
されている。
この関係式(1)を多結晶材料に拡張する場合、多結晶
を単結晶に近似させる必要がある。
一方多結晶金属の異方性をより定量的に評価するには、
材料の特定方向〔管の場合、半径方向(r)、円周方向
(1)、或いは管軸方向(1)〕からの傾き角φに平行
な結晶軸(例えば<0002>)を有する結晶粒のボリ
ュームフラクション(volume fraction
)を求めなければならない。
第1図はr方向を主軸とした投影球を示すが、主軸から
の傾き角(緯度方向角)φで幅dφの帯状領域に特定の
結晶軸<0002>を有する結晶粒のvolume f
ractionは以下の手順で求めることができる。
尚αは経度方向角を示す。
X線回折強度■(φ、α)は測定された結晶体の中で特
定の結晶軸がφ、αに方位した結晶粒の占める体積に比
例する。
ここで回折強度I(φ。α)は(2)式で定義される。
但しISample(φ、α):φ、αにおける測定サ
ンプルの回折強度 Isample(φ、α)BG:φ、αにおける測定サ
ンプルのBack Grouna Irandom(φ、α): φ、αニオケルランタム
サンプルの回折強度 Irandom(φ、α)BG:φ、αにおけるランダ
ムサンプルのBack Ground 第1図のdφ、dα(ラジアン)で囲まれた面積dsは
投影球の半径をRとすると(3)式で近似できる。
従ってこの面積内で特定の結晶方位をもった結晶粒のv
olnme fractionは(4)式で与えられる
従ってφl〜φ2の帯内のVolume は(5)式で与えられる。
fraction ここでランダムサンフルの場合を考えるとI rand
om (φ、α)=Iであり分母は2πになる。
ところで前記(1)式は主軸と結晶軸とのなす角がφで
ある単結晶の性質Pφを示したものであったが、(1)
式の関係を多結晶体に拡張して当てはめてみる。
多結晶体では主軸と結晶軸のなす角がφである単結晶が
volume fraction Vφの割合で存
在し、φ=0〜π/2の総和が1つの結晶体を形成して
いる。
即ち任意の角φ傾いた結晶粒の主軸への性質の寄与は、
φでの単結晶の性質Pφとφ傾いた結晶粒のvolum
e fraction yφの積で与えられる。
ここで多結晶体の性質がvo l ume fr−ac
t i onの重みをつけた単結晶の性質の総和で与
えられると仮定すると、多結晶体の性質Pφは(6)式
で与えられる。
ところでPφは(1)式より(7)式で与えることがで
きるから、 ここで定義により(9)式が成り立つから(8)式はα
昧に変換できる。
即ち金属材料の引張耐力、電気抵抗、熱膨張、拡散速度
等の諸性質は、そのX線回折強度■(φ。
α)から算出されるf値が1つのパラメーターとなる。
そこで本発明者等はZr基合金の原子燃料被覆管として
の適正を、そのf値によって判定できないかと考え種々
実験を行なったところ、f値が特定範囲内にあるZr基
合金は優れた延性を示し、原子燃料被覆管として、きわ
めて優れたものであることを知り、舷に本発明の完成を
みた。
即ち本発明に係る原子燃料被覆管の構成とは、完全焼鈍
状態におけるf値が0.560〜0.615の範囲にな
るように設定したことを要旨とするものであり、もって
原子燃料被覆管に最も必要とされる延性を優れたものと
し、使用中の割れ等の損壊事故を可及的に低減すること
に成功したものである。
本発明者等はまず燃料被覆管が原子炉内で使用中に受け
る応力状態を考察する為、被覆管の長さ方向に生じる応
力をσ2、円周方向に生じる応力をσtとし、σ2/σ
tの値をパラメーターとして350℃付近の温度(被覆
管が使用時にうける温度)における円周方向伸び率とf
値の関係を観察した。
その結果、σ2/σtの値によって最大円周伸び率は著
しく変化するが、σ2/σtの値如何に拘らず一定のf
値範囲でピークを示すことがわかった。
即ち第2図の結果からも明白なようにf値が0.560
〜0.615殊に0.580〜0.605の範囲におい
ては、この範囲を外れたf値の場合に比べて優れた最大
円周伸び率を示す。
従ってZr基合金製原子燃料被覆管を得る際、そのf値
が前記好適範囲内にくるように設定してやれば、延性の
卓越した被覆管を確実に得ることができ、使用時におけ
る燃焼棒の損壊事故を可及的に防止できることがわかっ
た。
しかも金属材の結晶配向性は圧延加工条件によって著し
く影響されるが、Zr基合金製燃料被覆管製造時の加工
モードQεとf値の間には一定の関係があり、製造時の
加工モードQεを適正に設定することにより、f値を自
在に調節し得ることを知った。
即ち加工モードQεとは次式で示される関係式であるが
、(to :素材の肉厚、t:製品の肉厚、Do=素材
の平均径、D:製品の平均径、) Qεとf値の間には第3図の関係があり、Qεを1.2
〜3.5の範囲に設定することによって燃料被覆管のf
値を容易に0.560〜0.615の範囲に調整できる
から、生産管理及び品質管理も極めて簡単である。
ところでZr基合金製原子燃料被覆管を製造する方法と
しては、■製練されたZr素材を熱間加工に付して熱間
押出素管を得る工程、■次いで室温における圧延処理及
び真空焼鈍処理を繰り返し付し、適正寸法を確保すると
共に集合組織に一定の配向性を付与する工程、■ロール
等により内外面の研摩及び寸法調整を行なう工程、■所
定長さに切断する工程、を順次経由し最後に■製品の品
質を最終的に検査する工程、を経て製品化されるが、本
発明の被覆管を製造する際は、前記■の圧延・真空焼鈍
工程の最終段階における加工モードQεが前記適正範囲
にくる如く圧延条件を設定することにより、本発明の目
的に合致する優れた延性の被覆管を得ることができる。
そしてf値の最終確認は最終検査工程で実施すればよい
この様に本発明のZr基合金製原子燃料被覆管は、圧延
処理工程における加工モードQεを調整するだけでよく
、しかもQεは圧延条件を変えることによって自由に調
整できるから、適正Qεの確保も容易であり、結局適正
f値の確保も極めて容易に行なえる。
本発明は以上の如く構成されており、以下に示すような
諸種の利益を享受できるものである。
■ 本発明に基づきf値を考慮して品質管理されたZr
基合金製被覆管は、従来例に従って品質管理された被覆
管に比べて高い円周方向の延性を発揮する。
従って使用時における被覆時の割れに起因する事故を大
幅に低減できる。
■ 加工モードQεとf値には一定の関係があるから、
Qεを目安にして圧延条件等を設定することができ、生
産管理が単純化される。
しかも品質のバラツキも少なくなり、品質管理の点から
しても極めて有利である。
次に本発明の実施例について説明する。
第1表に示す成分組成のZr基合金素材を用い、第4図
(圧延工程を示すフロー図)に示す圧延処理を夫々施し
て得たZr基合金管について真空焼鈍後の加工モードQ
εを測定した。
次いで該Zr基合金管を順次前記寸法調整工程、切断工
程、検査工程に付して製品被覆管を得た。
該製品被覆管のf値並びに延性の評価を、前述のZr基
合金管の加工モードQεと共に第2表に示した。
第2表から明らかな様に加工モードQεが1.2〜3.
5となる様に冷間圧延した試料3,4は0.560〜0
.615の適正f値範囲を満足しており、又優れた延性
が得られている。
これに対し試料−1、2v−5はいずれも試料3と同じ
成分組成の素材を用いながら、圧延・焼鈍覆歴が異なる
為にQεが前記適正範囲を満足せず、従ってf値が低す
ぎるか高すぎると共に良好な延性を得ることができなか
った。
【図面の簡単な説明】
第1図は多結晶体のf値の算出法を補助する説明図、第
2図はZr基合金製原子燃料被覆管のf値と最大円周伸
び率の関係を示すグラフ、第3図はf値と加工モードQ
εの関係を示すグラフ、第4図は圧延工程の実施例を示
すフロー図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 下記成分組成のZr基合金で形成された原子燃料被
    覆管であって、下記式で算出される完全焼鈍状態におけ
    るf値を0.560〜0.615の範囲に設定してなる
    ことを特徴とする延性の優れたZr基合金製原子燃料被
    覆管。 Sn : 1.20〜1.70%(重量%の意味、以下
    同じ) Fe : 0.07〜0.20% Cr : 0.05〜0.15% Ni:0.03〜0.08% Fe +Cr +Ni : 0.18%〜0.3、
JP52106033A 1977-09-02 1977-09-02 Zr基合金製原子燃料被覆管 Expired JPS5856748B2 (ja)

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