JPS6053879A - 高耐食燃料被覆管の製造方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は高耐食燃料被覆管の製造方法に係シ、特にレー
ザ光照射による表面焼入れに好適なレーザ照射前の表面
処理方法に関する。

〔発明の背景〕

原子炉の核燃料は、燃料被覆管中に充填され、燃料被覆
管には高耐食性、高熱伝導性及び中性子吸収断面積が小
さいという性質が必要である。ジルコニウム合金は、前
記線性４１しているため従来燃料被覆冒用材料として使
用されてさた。とくにジルカロイ−２材がその主要材料
である。ジルカロイ−２の化学組成は以−Ｆのとυす、
元　素　ム蓋パーセ／ト Ｓｎ　１．２−１．７ Ｆｅ　Ｏ，０７−０，２０ Ｃｒ　Ｏ，０５−０，Ｌ５ Ｎ　ｉ　（１，０３−０，０８ Ｚｒ　残部 しかし、中性子減速材である尚温嶋圧水るるいは水蒸気
中に長時間さらされると、厚膜化した酸化破膜が形成さ
れるために熱伝達係数が低下したし、局所に果申した酸
化（ノジュラ腐賞）の進行によシ局所加熱を生じ、時に
は原子炉の運転に支障ｔきたす。被ａ曾内囲においては
、核燃料から放出される核燃料生成物とペレット及び被
榎官との機械的相互作用による応力とが相伴って応力腐
″！に、割れが生じる。

このような問題点を解決するための手段として、βクエ
ンチ技術及びＣｕバリヤ層めるいは純ジルコニウムライ
チ層に！内面に破榎する技術が公知である。

βクエンチ技術とはジルコニウム合金全β相が生成する
温度範囲に加熱後急冷させる熱処理でるシ尚耐穴化を目
的としている。Ｃｕバリヤ層は核分裂生成物であるヨウ
素をトラップする効果を有し、純Ｚｒライナ層は、その
硬さが低いため燃料ペレットと被覆賃内面とが接触した
場付に２ける応力緩和の効果音■している。このような
燃料被覆管を以後バリヤ型燃料被覆省と称する。

バルヤ型燃料被榎電は、管肉厚が約０．９間の薄内官で
るるため、高周波による誘導加熱るるいは電気炉中で９
００Ｃ前後に加熱後急冷するβクエンチ技術を通用する
とＣｕバリヤＪｔｉｈるいは純Ｚｒライナノーは、被覆
官と反応し本来の効果が消失する。

純Ｚｒライナ層は厚さ７５μｍ前後でおるが高温に加熱
されるとライナ層中にジルカロイ中のＳｎ、ｐｅ、　Ｃ
１及びＮｉが拡散し、硬さ上昇をきたす。さらに結晶粒
が粗大化し本来の効果が消失する。Ｃｕバリヤノーは、
厚さ５μｍ前陵であるが同様にジルカロイとの相互拡散
により効果が消失する。

表面層のみをβクエンチするためにレーザビーム照射に
よる加熱法が知られている。この従来方法の要点は、バ
リア型燃料被榎管ヘリング状に集光したレーザビームを
照射し、被覆管表面層のみを高温に加熱しバリア層の高
温加熱を直重するとともに、被覆管を回転させかつ軸方
向に）ｅ動させることによシ全外周面を１回の照射で加
熱し、自己への熱拡散によ如表面Ｊ−を急冷させる点で
ある。

表面焼入が施されたジルコニウム合金管は、冷間圧延と
焼なましを繰返し施され所定の管径及び肉厚に調整され
る。

表面焼入を行うためには少なくとも表面温度を、ジルコ
ニウムがα相からβ相に相変態を起こす温度（約８７０
Ｃ）以上に０口熱する心安があり、レーザビーム照射の
吸光効率を向上さφるために、レーザビーム照射前の表
面に吸光剤としてグラファイトを塗布することが従来よ
シ行われてきた。

ところが、レーザビーム照射により表向が高温にさらさ
れるため、吸光剤の炭素がジルコニウム合金表面層に拡
散することによシ耐食性が劣化し、表面ノーが硬化する
という欠点を有する。耐食性の劣化にライては、Ｍｅｔ
ａｌｌｃｅｒｇｙ　ｏｆ　７．ｉｒｃｏｎｉｃｅｍ（Ｅ
ｄｉｔｅｃＬ　ｂｙ　Ｂ、　ＬｕａＴＭＡＮ　ｔＦ、　
ＫＥＲＺＥ、　１９５５゜ＭＣＧｒ　ａＷ−）ｉｉ　１
１　）に述べられているように、析出したジルコニウム
炭化物が選択的に腐食されることにより、４００ｐｐｍ
以上の炭素量を含んだジルコニウムは高温水蒸気に対す
る腐食性が低下することからも明らかである。また、硬
化については、ジルコニウム中の炭素の固溶限が低いた
め、ジルコニウム炭化物として容易に析出し、析出硬化
しやすいことは明らかであシ、引続き実が口される冷間
圧延に２いて圧延による表面傷の原因になる。

グラファイト以外の吸光剤を用いても、高温による吸光
剤原子のジルコニウム合金への拡散は避けられず上記と
同様の欠点を有する。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、１／−ザビーム［（６射において表面
に吸光剤を散布することなく同等の吸光効率をもたせる
表面処理方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

吸光剤を塗布すること以外で吸光効率を向上させるには
、反射率の大きいジルコニウム合金の金属光沢面を微細
にかつ均一に相化し黒化することによって達成できる。

本発明は、表面粗化の方法として、ぶつ化アンモニウム
系の溶液にぶつ戚。

硝酸祉たは硫酸などの噴上添加してジルコニウム合金の
エツチング速ＩＷを４〜ＩＯμｍ／１０分になるように
調整したエツチング溶液を用い、所定時間エツチングし
て仕−ヒげることを特徴とする。

このジルコニウム合金の表向粗化方法は、ジルカロイ被
覆管内面に銅メッキを施した銅バリア燃料被覆管の製造
工程において、銅メッキ層の密着性を向上させるために
メッキ前処理として内表面を粗化させる技術を利用する
ものである。

〔発明の実施例〕

実施例１ 以下、本発明の一実施例を第１図によシ説明する。この
例では被焼人材は外径約６０ｗｎ、肉厚約１Ｏｎｏｎ、
長さ約３０００＋ｍｎのジルカロイ−２より成る冷間圧
延前のジルカロイ管１である。

（ｉ）　両端密封 ジルカロイ管ｌの両端にナイロンあるいはポリエチレン
などの合成樹脂から成る端栓２を打込み内面を密封した
。

（２）脱脂・洗浄 表面の油・ごみ他酸洗むらの原因となる付着物を取除い
た。

（３）酸洗 端栓性のジルカロイ管の両端を、管の円周方向に回転可
能な保持治具３でつかみ、酸洗液４の入った酸洗槽５に
浸漬した。ジルカロイ管は回転させ酸洗により発生する
ガスにより管上部のエツチングがそ害されて酸洗むらが
生じることを防いでいる。

酸洗奴４は、ぶつ化アンモニウム系の溶液にふつ酸、硝
酸または硫酸などの酸を添加してジルカロイ−２のエツ
チング速度が４〜ｌＯμｍ　／　ｌ　０分になるように
調整されているもの全使用し、酸洗浄件は酸洗液温度；
１２〜２０Ｃ１酸洗時間：２〜３分とした。

（４）超音波洗浄 流水中で超音波洗浄を行い、酸洗で発生した不溶解性の
残渣を取除いた。使用した超音波振動子は２９ＫＨｚ　
、６００Ｗである。

（５）中和・洗浄 高温苛性ソーダ（約６００）で中オロした。ただし、酸
洗以降は連続して処理することによυ、中和処理前まで
に表向が乾燥し空気に露出することを防いだ。

以上の工程で得られた表面は、均一かつ微細に粗化され
たため黒化し、グラファイト塗布と同等の吸光効率が得
られた。粗化面にはグラファイトのような異物が付着し
ていないため表面の熱伝導特性が向上しレーザビーム照
射条件が同一であればジルカロイ表面はよ如高温になる
ことが確認された。

（６）　レーザ焼入 黒化したジルカロイ管−・リング状に集光したレーザビ
ームを照射し、管表面層のみを高温に加熱し、自己への
熱拡散により表面層を急冷させた。

（７）冷間圧延・焼なまし 加工度約７０５Ｘの冷間圧延と焼なましを３回繰返えす
ことにより、外径約１２ｍｍ、肉厚０．９　ｒｔａｎ　
＋長さ約４０００ｍｍの燃料被覆管を得た。

以上のプロセスで得られた上記被覆管を高温水蒸気によ
る腐食試験に供したところ、耐食性の劣化はみられなか
った。また、レーザ焼入直後のジルカロイ管の表面層を
化学分析したところ、レーザ焼入前の値と変化がなく不
純物の混入は認められなかった。

実施例２ 冷間圧延の途中工程のジルカロイ管に前記実施例と同様
なレーザ焼入を施しても上記と同等な効果が得られる。

実施例３ （９） ジルカロイ−４他ジルコニウム合金の管あるいは板材に
前記実施例と同様なレーザ焼入を施こしても同等な効果
が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、吸光剤塗布と同等の吸光効率が得られ
、かつジルコニウム合金管への吸光剤の拡散が防止でき
るので、良好な耐食性が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は表面粗化によるレーザ焼入プロセスのフロー図
、第２図は酸洗に供するジルカロイ管の断面図、第３図
は酸洗槽の概要図である。 ｌ・・・ジルカロイ管、２・・・端栓、３・・・保持治
具、４・・・酸洗液、５・・・酸洗槽。 代理人　弁理士　高橋明夫 （１０） 慕　／　国 築　つ　「ｎ 第　３　い ４２　＆−に口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、　レーザビーム照射により燃料被覆管用ジルコニウ
   ム合金管の外表面を加熱する高耐食燃料被覆管の製造方
   法において、レーザビーム照射前にぶつ化アンモニウム
   系の溶液にぶつ酸、硝酸または硫酸などの酸を添加して
   ジルコニウム合金のエツチング速度を４〜１０μｍ／１
   ０分になるように調整したエツチング溶液を用い析定時
   間エツチングして外表面を黒化することを特徴とする高
   耐食燃料被覆管の製造方法。