JPS6050155A - 核燃料被覆管の製造方法 - Google Patents

核燃料被覆管の製造方法

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JPS6050155A
JPS6050155A JP58157610A JP15761083A JPS6050155A JP S6050155 A JPS6050155 A JP S6050155A JP 58157610 A JP58157610 A JP 58157610A JP 15761083 A JP15761083 A JP 15761083A JP S6050155 A JPS6050155 A JP S6050155A
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pipe
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Emiko Higashinakagaha
東中川 恵美子
Kanemitsu Sato
佐藤 金光
Junko Kawashima
川島 純子
Toshio Kamei
亀井 俊夫
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Toshiba Corp
Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
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Toshiba Corp
Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Nippon Atomic Industry Group Co Ltd
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/16Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
    • C22F1/18High-melting or refractory metals or alloys based thereon
    • C22F1/186High-melting or refractory metals or alloys based thereon of zirconium or alloys based thereon

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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】 〔発明の技術分野〕 本発明は核燃料イレットを装填する核燃料被覆管の製造
方法に係り、特に核燃料被N管の耐食性と機械的特性の
向上を図ったものである。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
一般にシルカミイー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
子炉の核燃料被覆管として多く用いられている。
この核燃料被N管1t/′i第1図および第2図に示す
ように、ジルコニウム合金管で形成され、内部にはベレ
ット状に形成された、例えば酸化ウランあるいは酸化プ
ルトニウムなどの核燃14ペレット2が複数個積層充填
され、更にこの核燃料ペレット2は、前記被覆管1の上
部端栓3に一端が当接したスノリング4により固定され
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核
燃料被覆管は、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
金基材と表面の酢化膜との間に蓄積して腐食生成物全形
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、被M管の強度低下
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、従来は、仕上りの被覆
管寸法に管絞り工程を行ったジルコニウム合金管を、最
終の熱処理工程において、β焼入する方法1(特開昭5
5−100947)およびジルコニウム合金管の表面を
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
ウム合金管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
耐ノジユラーコロ−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/)ニラ−
コロ−ジョン性を向上させる反面、M覆管としての機械
的特性が劣化する上、肉厚が0.8 mm 、長さが4
mもの細長い管であるため、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、かかる従来の問題点に鑑みなされたもので、
優れた耐ノジユラーコロ−ジョン性を有すると共に、機
械的特性にも優れ、しかも曲りやねじれの少ない核燃料
被覆管の製造方法全提供するものである。
〔発明の概要〕
本発明はジルコニウム合金管を所定の内径および肉厚ま
で縮小する管絞り工程を行った後、最終の熱処理として
、ジルコニウム合金管をα領域の高温に急加熱して、短
時間保持した後、直ちに急冷することを特徴とするもの
である。
以下本発明の詳細な説明する。
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1.2〜1.7%、鉄0.07〜0.2
0%、クロム0.05〜0.15%、ニラ+#0.03
〜0,08%、代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チ、鉄0
.18〜0.24チ、クロム0.07〜0,13%、残
部ジルコニウムよりなるジルカロイ−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。
次に本発明被覆管の製造方法について説明する。
被覆管はジルコニウム合金を溶解、鍛造して中空ビレッ
トを形成し、次いで熱間押出した後、冷間加工による管
絞り工程を経て、仕上りの内径および肉厚まで縮小する
。この冷間加工による管絞り工程は、中間に焼鈍を組合
せて、3〜4回の/Jスを経て、最終焼鈍を行う。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被覆管は残留歪がなく、
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したものであ
る。
最終焼鈍したジルコニウム合金管を、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、急冷して、表面部に圧縮応力
を残留させるものである。このように急加熱、急冷全行
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こす。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σ[張応力が働いて、つり合った
状態となる。
このように表面部に圧縮応力が残留した状態で、結晶構
造がα相のままφでも、耐ノジユラー:7 ry −J
ヨン性が向上する理由について詳らかではないが、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、耐ノジユラーコロ−ジョン性が
向上するものである。
なお本発明において加熱温度ft780〜860℃のα
領域に限定した理由は、この温度範囲に加熱して急冷す
ることにより8〜46 kg/ rmn2の圧縮応力が
残留し、特に残留圧縮応力が20 kg/ wI” 以
上で効果的な耐ノジユラーコロ−ジョン性が得られる。
この場合780℃未満の加熱では、充分な圧縮応力が残
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。
また本発明では被覆管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45に9/咽2 のジルコニ
ウム合金からなる被覆管に、本発明の熱処理を施して圧
縮応力を20 kg/ am2残留させると、65 k
17/ rtrs2 までの外部応力まで破断せずに耐
えられることになる。更に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
沸臆高温水中に長時間曝らされる核燃料被覆管において
、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〕
ジルカロイ−2を用い、通常の溶解、sa<より中空ビ
レットを形成した後、熱間押出しを行い、次いで4回の
冷間加工による管絞りと、真空焼鈍を繰り返して最終の
仕上り形状とした。
次にこの被覆管を、サイリスタ式の高周波加熱炉を用い
て、急速加熱して表面を800℃に加熱した。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。
次いで表面の酸化膜を研磨除去して被覆管を製造した。
このようにして得られた被覆管を、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。
また機械的特性音調べるため、耐力と伸びを調べたとこ
ろ、耐力は42. s kg/+nm2、伸びは32.
9%で、優れたクリーブ特性全有することが確認された
更に本発明被覆管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、28 kg / wn
2 であった。なおこの場合のX線測定はCrKα(ク
ロムケアルア7 )純音用い(2022)面からの回折
線を用いて行った。
次に本発明と比較するために、最終焼銃後、何ら熱処理
を行わない従来の被覆管についても同様に加速腐食試験
を行った・ この結果、腐食による増量は第3図のグラフに曲線すで
示すように急激な増加カーツを画いた。また同様に機械
的特性を調べたところ耐力る圧縮応力の測定では、残留
が認められなかったO 〔発明の効果〕 以上説明した如く、本発明に係る核燃′料被覆管の製造
方法によればα領域から急冷して、表面に圧縮応力を残
留させるこ、とにより、耐ノジユラーコロージョン性と
機械的特性の向上が図れると共に、β領域からの焼入に
比べて低温度からの急冷であるため曲りやねじれの発生
が少なく、寸法精度にも優れているなど顕著な効果全盲
するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は核燃料被覆管の内部に核燃料被レットを装填し
た燃料棒の縦断面図、第2図は第1図の拡大水平断面図
、第3図は本発明による被覆管と、従来方法による被覆
管との腐食増量の時間変化を示すグラフである。 1・・・被覆管、2・・・核燃料4レツト、3・・・上
部端栓、4・・・スプリング、5・・・下部端栓。 出願人代理人 弁理士 鈴 江 武 彦第1図 第2図 第3図 腐食時開(H) 第1頁の続き @発明者亀井 俊夫

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1) ジルコニウム合金管を、中間の熱処理を行いな
    がら複数回の・やスを順次経て、所定の内径および肉厚
    まで縮小する管絞り工程を行った後、最終の熱処理とし
    て、ジルコニウム合金fの表面をα領域の高温に急加熱
    して、短時間保持した後、直ちに急冷することを特徴と
    する核燃料被覆管の製造方法。
  2. (2) α領域での加熱温度を780〜860℃とした
    ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の核燃料被
    覆管の製造方法。
JP58157610A 1983-08-29 1983-08-29 核燃料被覆管の製造方法 Granted JPS6050155A (ja)

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JPS6123264B2 JPS6123264B2 (ja) 1986-06-05

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2584097A1 (fr) * 1985-06-27 1987-01-02 Cezus Co Europ Zirconium Procede de fabrication d'une ebauche de tube de gainage corroyee a froid en alliage de zirconium
EP0949349A1 (en) * 1998-03-30 1999-10-13 General Electric Company Protective coarsening anneal for zirconium alloys

Cited By (5)

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FR2584097A1 (fr) * 1985-06-27 1987-01-02 Cezus Co Europ Zirconium Procede de fabrication d'une ebauche de tube de gainage corroyee a froid en alliage de zirconium
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US6126762A (en) * 1998-03-30 2000-10-03 General Electric Company Protective coarsening anneal for zirconium alloys
US6355118B1 (en) 1998-03-30 2002-03-12 General Electric Company Protective coarsening anneal for zirconium alloys

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