JPS6144143A - ジルコニウム合金製被覆管とその製法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、特に原子炉燃料棒のためのジルコニウム合金
製被覆管とその製造方法に関する。

〔従来の技術〕

かかる被覆管には特にいわゆる”応力腐食”に関して厳
しい条件が課せられている。この応力腐食において問題
となるのは、原子炉における＋ｌｉ、ｒｉＬ管の内側の
腐食のメカニズムであり、これには充訳された核燃料物
質の膨潤による被覆管の伸びおよび核燃料物質から遊離
するヨードのような核分裂生成物が関与している。応力
腐食は特に沸騰水形原子炉に使用される原子炉燃料棒に
おいて問題となる。そこでは原子炉の急激な出力変動が
応力腟食のために原子が燃ｒ４＋８の被覆管壁をｃ！ｉ
ＩＢシて貫通させてしまう。

ドイン連邦共和国特許出願公告第２５５００２９号公報
により、応力腐食を防止するため、原子炉燃料棒のジル
コニウム合金製の被ｒｉｔ管に、純ジルコニウム製の内
側ライニングを設けることが知られている。この内＋Ｉ
Ｉ！ｌライニングは被覆管母材管とこの母材管の孔に挿
入されてそれに溶接された純ジルコニウム製の管との同
心的な押出し成形によって得られる。純ジルコニウムは
弗素に高価な（オ料である。更に同心的な押出し成形を
行う際に純ジルコニウムとジルコニウム合金との完全な
冶金学的な結合を行わせる場合、純ジルコニウム製の管
を被覆管母材管の中に正随にはめ込まねばならない。即
ち純ジルコニウムが内張すされているジルコニウム合金
製の被覆管は、労力を要する高価な方法でしかｉＪられ
ない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は、応力腐食に強いジルコニウム合金製の
被覆管を簡単で安価に製造することにある。

〔問題点の解決手段〕

本発明によればこの目的は、冒頭に述べた形式の被覆管
において、ジルコニウム合金の粒子ＬｉＩ径の幾何学的
な平均値が３μｍ以下であることによって達成できる。

原子炉における原子炉燃料棒の被覆管が核燃料物質の膨
潤によって伸びる場合に細かな粒子のために、被覆管の
ジルコニウム合金に特に広い表面範囲に多数のミクロク
ラックが生し、この表面において核燃ね物質から遊離し
た化学的に活性の核分裂生成物が吸収され、不活性の化
学的な化合物に転換されることが＠認された。応力腐食
が生じ即ち被覆管を完全に貫通してしまうような深い個
々のクラックの発生は、本発明に基づく被覆管のジルコ
ニウム合金の細かい粒子によって防止される。

本発明の一実ｈＩｆ２！ｔ３様によれば、粒子直径の幾
何学的な平均値が２．５〜２μｍの範囲にあると有利で
ある。

本発明によるジルコニウム合金製被覆管の装造は、＠（
オ管が再結晶焼鈍し無しにかつクラック無しに、管壁の
横断面積が９０％以上変化するようにして、完成？Ｉｉ
３管にビルガー圧延されるようにして行われる。このよ
うな高い変形度を冷間変形（：Ｌ母材管の自由な伸びに
よる自然の変形にほぼ相応し、ジルコニウム合金の所望
の細い粒子を生じる。

竹璧の横断面積の変化が９０〜９８％の範囲にあるよう
に母材管がビルガー圧延されると有利である。

母材管がビルガー圧延工程で圧延され、２つのビルガー
圧延工程の間で応力除去焼鈍しが行われると有利である
。その焼鈍しは、ジルコニウム合金における内部のｔ浅
域的な応力を除去するが、ジルコニウム合金の粒子の１
広大を生じてしまう再結晶焼鈍し塩度に達しないような
焼鈍し温度において行われる。焼鈍し温度が４００〜５
００°Ｃであり、焼鈍し時間が１〜５時間であるとイｆ
利である。

ジルコニウム合金の粒子直径はＡＳＴＭ　（アメリカ材
料試験ＩＸＡ会）Ｅ−１１２−６１で決められている。

幾何学的な平均値は（ｄ＋　・ａ２．、。

１．・ｄ、、、、、、　　・ｄ・）ｌＡとして決められ
ている。なおｄ、はｉ＠目の粒子の百１￥である。

ビルガー圧延機は米国特許第４２３３８３４号明細書に
記載されている。

〔実施例〕

以下図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明す
る。

母材管は、錫１．２〜１．７重量％、鉄０．０７〜０゜
２　Ｑ　ｌ’ｉｌ　％、’）ｏム０．０５〜Ｏ，ｌ　５
ｉｌｊ量％、ニッケル０．０３〜０．０８　ｆ［ｉｆａ
％、ｍ’Ｊｈ０．０７〜０．１５　重量％および残りジ
ルコニウムを含んでいるジルカロイ２と呼ばれるジルコ
ニウム合金で作られている。この母材管は６３．５ｍｍ
の外径と１１ｍｍの肉厚を有している。このジルコニウ
ム合金の粒子直径の幾何学的な平均値は２０μｍである
。母材管はビルガー圧延機において第１の圧延工程でク
ラックなしに外径が３０ｍｍで肉厚が５．５　ｍ　ｍの
半製品に圧延加工される。この半製品は２．５時間の間
にわたって４８０　ｃで応力除去焼鈍しが行われる。そ
の後この半製品は第２のビルガー圧延工程でクラックな
しに外径が１８．８ｍｍで肉厚が２゜５ｍｍの半製品に
圧延加工される。この半製品も２．５時間の間にわたっ
て４８０°Ｃで応力除去焼鈍しが行われる。この半製品
は冷ｉＪ］ｌ＆にビルガー圧延機において第３の圧延工
程で外径が１２．５ｍｍで肉厚が０．８５ｍｍの完成被
覆管にクラックなしに圧延加工される。この被覆管のジ
ルコニウム合金における粒子直径の幾何学的な平均値は
２〜３μｍである。

１　　　　□１、おい−，１７，ヵ、−エオヵ７４．ゎ
ゎ、□行程について説明する。第１図はビルガー圧延行
程の始めの伏態を示している。図示していないロール架
台に上下に配置された２つのビルガー圧延ロール２．３
はそれぞれシリンダ状のＳＶＩ　Ｉ＆から成っている。

両方のロール２．３は同じ幾何学的な寸法をしており、
それぞれ第１図の紙面にり１して直角の軸４．５に取り
付けられている。両ロール２．３はその外周面に同じ形
に形成された溝型６．７を有し、これらは入口カリバー
（孔型）８、仕上げカリバー９および両力リバー８．９
の間において入口カリバー８から仕上げカリバー９に向
かって狭まっている加工カリバー１０を有している。両
ロール２．３の外周面は、回転軸４．５を中心として回
転する間において両ロール２．３の作用線に同じカリバ
ーを持った溝型６．７の個所が常に位置するように互い
に接触している。

ジルコニウム合金製の管は軸４．５で決定される平面に
対して直角に配置されている。第１図においてロール２
．３の左側に母材管１１が、右側に圧延法の管１２があ
る。母材管１１はいわゆるビルガー圧延コーン１３を介
して圧延法の管１２に移行している。管の内部にマンド
レル１４があり、その一端の外径は母材管１１に対応し
、他端の外径は圧延法の管１２に対応し、両端の間はビ
ルガー圧延コーン１３の長さにわたって円ｉｆｅ状に細
まっているビルガー圧延コーン１３の設定内径に対応し
ている。

ビルガー圧延行ｆ呈の始めに母材管１１は両ロール２，
３の溝型６，７の入口カリバー８の中に、それが軸４．
５によって決定され両ロール２．３の外周面の作用線も
位置している平面を圧延法の管１２の側に約３ｍｍだけ
突き出すように位置している。更にこのビルガー圧延の
始めに両溝型６゜７における入口カリバー８の端部は両
ロール２゜３の外周面の作用線に位置している。

これらの圧延ロール２．３は図示しないロール架台にお
いて互いに押圧され、第１図に示した圧延行程を実施す
るために係合している外周面は、母材管１１、ビルガー
圧延コーン１３および圧延法の管１２の互いに一致して
いる長手軸心が常に軸４，５によって形成される面に対
して直角になっているようにして左右に移動される。ロ
ール２．３の第１図における右向きの運動は、ロール２
．３の間の仕上がり管１２が溝型６．７の仕上げカリバ
ー９に位置した場合に終了する。マンドレル１４は少な
くともこの行程の長さを有している。

このビルガー圧延行程の終わりに両ロール２゜３はロー
ル架台において互いに用［反され、第１図において左側
にその出発位置に戻される。その間に母材管１１はその
長手軸心の方向に第１図において右側に約３ｍｍ送られ
、その長手軸心を中心として約４５°回転される。そこ
でロール２，３はロール架台において、外周面の作用線
に両溝型６．７の入口カリバー８の加工カリバーｌＯに
向いた端部が位置するように、それらの外周面が係合さ
せられている。ここで上述したようなビルガー圧延が再
度行われる。

第２図は両端が気密に閉鎖されヘリウムおよび−Ｊ−ド
が充填されている被ｍ管の半径方向の伸び（％）と被覆
管内側面積当たりのヨードＵ畏度（ｇ７′ｃ　ｍ　’　
）との関係を示している。すべての被ｍ管は同し長さを
イＪ−レ、１２．５　ｍ　ｍの外径と０．８５ｍｍの肉
ｊ＋７．をイ丁している。またすべての被覆管はジルカ
ロイ２で作られている。密閉された被覆管；よ加熱され
、その充填されたヘリウムのために膨張する０図面にお
ける○マークの測定点は、ジルコニウム合金の幾何学的
な平均粒子直径が８〜ｌＯμｍである被覆管における伸
びと、その中のヨード濃度に関してヨードによる破ｔｎ
の発生との関係を示している。これに対して◇マークの
測定点は、本発明に基づいてジルコニウム合金の幾何学
的な平均粒子直径が２〜３μｍである被覆管におりる１
中びと、ヨードにより破ｔＯするようなヨードｔｒ％度
との関係を示している。ヨードは主に燃料棒の？１Ｉｆ
ｆ管に応力腐食をもたらす核分裂性生成物であるので、
第２図に示した値は、ジルコニウム合金製の本発明に基
づく被覆管が応力腐食に対して良好な耐久性を（１−シ
ていることを示している。

第２図においてすべての○マークが入っている屈折領域
Ａから明らかなように、ジルコニウム合金が８〜ｌＯμ
ｍの幾何学的な平均粒子直径をしている被覆管の腐食応
力の発生はヨードの４度の増加につれて高くなる。これ
に対してジルコニウム合金が２〜３μｍの幾何学的な平
均粒子直径をしている本発明に基づく被覆管は、図面に
８ける◇マークで明らかなように、非常に高いヨード濃
度においてはしめて応力腐食が生ずる。

第２図において約２０％の伸び率における領域Ｂは公知
のように厚さＱ、１ｍｍの純ジルコニウム製の内（則ラ
イニングを有している被ｒｉ管の状態に相応している。

純ジルコニウムは４０００ｐｐｍ以下の不純物を含有し
ているに過ぎず、特に７００ｐＩ）ｍ以下の酸素、５５
０ｐｐｍ以下の鉄、２００ｐｐｍ以下のクロムおよび１
２０ｐｐｍ以下の炭素を含有している０本発明に基づく
被覆管に対する◇マークの測定点は、？１！ｉ２管が非
常に高い：Ｊ　−ト１１１１’５度抜で純ジルコニウム
製の内側ライニングを持った？、Ｉ　５を管と同じ応力
腐食抵抗を有してい、５ごとを示している。

【図面の簡単な説明】

第１図はジルコニウム合金から管を加工している状態の
ビルガー圧延機の両ロールの楯略則面図、第２図は本発
明に基づく被覆管と一般の被５１管における試験結果を
示した比較図である。 ２．３：ビルガー圧延機のロール、６．７＝溝型、８．
９．ｔｏ：カリパー（孔型）、１１：母相管、＋２：圧
延済の管。 疫

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ジルコニウム合金における粒子直径の幾何学的な平
   均値が３μｍ以下であることを特徴とするジルコニウム
   合金製被覆管。 ２）粒子直径の幾何学的な平均値が２．５〜２μｍの範
   囲にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   被覆管。 ３）母材管が再結晶焼鈍し無しにかつクラック無しに、
   管壁の横断面積が９０％以上変化するようにして、完成
   被覆管にビルガー圧延されることを特徴とするジルコニ
   ウム合金製被覆管の製造方法。 ４）管壁の横断面積の変化が９０〜９８％の範囲にある
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の方法。 ５）母材管がビルガー圧延工程で圧延され、２つのビル
   ガー圧延工程の間で応力除去焼鈍しが行われることを特
   徴とする特許請求の範囲第３項記載の方法。 ６）焼鈍し温度が４００〜５００℃であり、焼鈍し時間
   が１〜５時間であることを特徴とする特許請求の範囲第
   ５項記載の方法。