JPS62217190A

JPS62217190A - 高速増殖炉用構造部材

Info

Publication number: JPS62217190A
Application number: JP61059201A
Authority: JP
Inventors: 隆彦加藤; 仲田　清智; 祐川　正之; 寛福井; 渡　孔男
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-03-19
Filing date: 1986-03-19
Publication date: 1987-09-24

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、中性子の照射を被むる環境で、応力負荷を伴
って高温で使用される新規なオーステナイト鋼で作製さ
れた高速増殖炉用構造部材に係り５中性子照射によるス
エリングが低く、高温での強度が優れた高速増殖炉用構
造部材に関する。

〔従来の技術〕

高線量の中性子雰囲気下にあって、さらにＷ６温で応力
の負荷を受けながら使用されるオーステナイト鋼製高速
増殖炉構造部材は、高温での中性子照射によって起る体
積膨張（スエリング）や、高温負荷状態に起因したクリ
ープが生じやすい。このため、耐スエリング性と高温強
度を重ね添えたオーステナイト鋼の開発が試みられてい
る。その先行技術には、特開昭５６−１．２７７５６号
に示される様に、特定元素例えば、Ｔｉｔ　Ｖ＋　Ｚｒ
、Ｎｂ等を一定の組合わせ及び配合欲で製造する方法が
知られている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、従来の技術では、オーステナイト鋼に添加した
Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ等の特定合金元素の組合せ方や添
加量の検討が狭い範囲でしが研究されていなかったため
、耐スエリング性と高温強度を両立させて改善する効果
が不充分であった。

つまりどちらか一方の特性だけが良好である反面、他の
特性が改善前と同様であったり、それ以下になってしま
う場合すらあった６例えば、Ｎｂの単独添加は耐スエリ
ング性の改善が乏しく、またＶは単独またはＺｒと複合
添加すると高温強度は著しく向上するものの、耐スエリ
ング性は無添加のものより悪化する傾向にある。またＴ
ｉやＺｒの添加はオーステナイト鋼中のｃｔの如何んに
よった耐スエリング性が左右される。すなわちＴｉの添
加は低Ｃ量（例えば０．０２重量％以下）の鋼では、耐
スエリング性は不充分であり、逆にＺｒはＣ量が０．０
５重量％程度以上の場合、照射中に粗大炭化物が形成さ
れ、それがボイドの核生成サイトになるため耐スエリン
グ性の改善はおもわしくない、さらにＴｉとＺｒを複合
添加すると耐スエリング性はＣ量の多少にかかわらず、
著しい向上を示すが、高温強度の改善効果は不充分であ
る。従来の技術には１以上の様な問題と共に、これら特
定元素の添加量がｃ４との関係で検討されていないため
、耐スエリング性と高温強度の重ね合いの優位性が低い
という問題があった。

本発明は、耐スエリング性と高温強度の両方の特性が同
時に優れているオーステナイト鋼で作製され高速増殖炉
用構造部材を提供することを目的とする。

ｃ問題点を解決するための手段〕本発明は、５５０’Ｃで中性子照射量ＩＱ２ｊｌｎ／ｄ
の照射を受けたときのスウリング量が０．１％以下及び
６５０’Ｃ，２６ｋｇ／ｗａ”　テ（１）’）　Ｕ　−
フ１）ｋ断晴間が６００時間以上を有するオーステナイ
ト鋼によって構成されていることを特徴とする高速増殖
炉用部材にある。

特に重量％で、ｃｒ９〜２６％、Ｎｉ６〜４５％、Ｍｏ
３％以下、Ｓｉ２％以下、Ｍ　ｎ　３％以下。

Ｐ０．０２％未満、Ｔ３０．００１％未満、残部Ｆｓ及
び不可避不純物からなるような標準的なオーステナイト
ステンレス鋼に、■及びＴｉ又はこれにＣ１１を規定量
添加し、さらにＣを限定量添加したものが好ましい。こ
れらの添加量は重量％でＶ０．１０〜０．５％、　Ｔ　
ｉ　０．０５〜０．ｉ３９％及びＣｕ０．５〜５．０％
ｍ’あｌＪ、　同時にＣｔを０．０４〜０．１５％に規
定することにより極めて優れた耐スエリング性及び高温
強度を同時に具備したオーステナイト鋼製の高速増殖炉
用構造部材が得られる。

〔作用〕

以下、本発明鋼について詳しく説明する。

本発明部材は、Ｃｒ、Ｎｉを含有する各種オーステナイ
ト系鋼を基本成分鋼とし、Ｖ、Ｔｉ。

Ｃｕを規定量複合添加すると共にＣ量を規定した鋼によ
って作製することを特徴とする。（元素添加量の表示は
以下重量％とする。）Ｖ、　Ｔ　ｉ　、　Ｃｕを規定量複合添加すると共にＣ
量を規制することにより、優れた耐スエリング性と高温
強度を同時に具備することができる。直接的にはＣｕの
添加は主に高温強度向上に効果があり耐スエリング性に
はほとんど影響しない。Ｔｉは主に耐スエリング性向上
に効果がある。■は高温強度の向上に大きな効果を発揮
するが、スエリングに対する作用は複雑で、Ｔｉと複合
添加したときに限り、耐スエリング性向上に効果を現わ
す。

つまりＣ量が０．０１％程度と低い場合、■の単独添加
は標準の３１６鋼より悪化し、またＴｉを単独添加して
もスエリング抑制効果は不充分である。しかしＶとＴｉ
ｔｔ複合して適量添加するとスエリング抑制効果は著し
く大きくなる。一方１通常のＣ：Ｊｔ（例えば０．０７
％程度）が存在する場合、ｖｔ４を独添加は同様のスエ
リングを悪化させるが、Ｔｉの単独添加はスエリング抑
制効果が大きい。さらに適量のＶとＴｉの複合添加は優
れたスエリング抑制効果を発揮する。つまりスエリング
を助長するＶ単独添加の効果は、Ｔｉと複合添加するこ
とにより、スエリング抑制効果に反転させることができ
ることを発見した。

本発明者らの詳細な研究によると、■を単独で添加した
場合、Ｃ量の多少にかかわらず、■原子あるいはｖ−Ｃ
等の複合体が、スエリングの原因であるボイドと呼ばれ
る空隙の核生成を助長して耐スエリング性を悪化させる
。しかし適量のＶとＴｉの複合添加した場合、ＶはＴｉ
と共に照射点欠陥のトラッピングサイトとしてａｔ、点
欠陥の消滅を促進すると同時に、■及びＴｉを含む微細
な炭化物または析出物が、照射で形成した転位の上に析
出して転位の成長を抑制する役割を果たす。

このような機構でスエリングが著しく抑制されたと考え
られる。

一方、スエリング抑制効果を発揮するゴｉの単　１独添
加（但し、通常Ｃ駄の場合）は、高温強度を若干上昇さ
せるものの、著しい向上効果はない。

従って優れた耐スエリング性と高温強度を同時に達成す
るには、是非ともＶとＴｉを複合して添加　１する必要
がある。

但し、高温強度の向−にの目安は、高温クリープ破断時
間で判断し、標準３１６鋼の３倍を越えるものを優れた
鋼材とみなす。これは、高速増殖炉″もんじゆ″の低燃
焼運転に適用される予定のオ　１−ステナイト鋼の寿命
が、標準３１６鋼の３倍であることから、その以上の高
温強度特性を得ためである。

このような優れた高温強度が得られ、さらにスエリング
がほとんど起こらない鋼材は、Ｖ、Ｔｉ。

Ｃｕ、ＩＧの添加量を各々０．１０，０．０５，０．５
０．０４％以上とし、かつ同時に添加することにより達
成される。しかし、■は０．５％　を越えると耐スエリ
ング性が著しく損われるため、０．．１０〜０．５％と
することが必要である。

Ｔｉは０．１４以上添加すると延性の低下が顕著となる
ため、０．０５〜０．１３９％が望ましい。

Ｃｕは５％より多くなると、溶接性を低下させると共に
、粒界を脆化させるので、０．５〜５．０％とする必要
がある。より好ましい添加量は２〜３％である。

Ｃは０．】５％　を越えると加工性、溶接性が著しく低
下するので、０．０４〜０．１５％とする必要がある。

Ｓｉは脱酸剤として添加するが、多すぎると溶接性及び
延性が低下するので２％を上限・とする。

好ましくは０．４〜１．０％である。

Ｍｎもまた脱酸剤として添加するが、多すぎると耐食性
及び耐酸化性を低めるため３．０％　を上限とする。好
ましくは２％以下で、１〜２％がより好ましい。

Ｃｒは高温強度、耐酸化性、耐食性を得るために重要な
元素であり、この効果を得るには９〜２６％で充分であ
る。好ましくは１４〜２０％である。

Ｎｉはオーステナイト組織を作り、高温強度を得るため
に重要な元素である。鋼をオーステナイトに保つために
は６％以上であるが、４５％を越えると高価となると共
に高温強度にも効果が得られない。好ましくは１０〜１
５％である。

ＭＯはオーステナイトマトリックスを強化し。

一部は炭化物として析出し、高温強度を向上させるため
に添加するのが有効であるが、３．０％より多くなると
加工性及び耐酸化性が低下し、シグマ相が析出しやすく
なる６好ましくは２〜３％である。

Ｐは高温における延性や加工性を低下させる。

ＴｉやＶも同様の効果をもつが、これらの添加量を多く
するためＰの添加量は不純物として通常含有される量の
半分未満すなわち０．０２％未満とするのが望ましい。

Ｂは、低融点化合物を形成し、熱間加工性及び溶接性を
阻害するので、故意に添加することは避け、　０．００
１％未満の不純物程度に添加量を抑えておくことが望ま
しい。

本発明鋼を用いて、製品を作製するには、溶解、鍛造後
、熱間圧延を行い、焼鈍と冷間塑性加工とを繰返して最
終形状に持っていくが、最終製品が溶体化のままでもよ
いし、冷間塑性加工率３〜２０％の状態を残して使用す
るのが高温強度を保持する点からより望ましい。

より好ましい組成は、ｆｌｋ遺％で、Ｃ０，０５〜０．
０７％、Ｓｉ０．４〜０．７％、Ｍｎ１．５〜！　１．
８％、Ｎｉ１２〜１５％、Ｃｒ１４〜１７％、Ｍ　ｏ　
１　、８〜２　、５％、Ｃｕ２〜２．５％、Ｖ０．２０
〜０．４％、Ｔｉ０．０８〜０．１３９％、Ｐ０．０１
〜０．０２％未満、　Ｂ０．００１％未満である。加工
率は１０〜２０％が好ましい。

〔実施例〕

第１表に示す組成からなる鋼材を供試材として。

照射試験及びクリープ破断試験を行った。このうち本発
明鋼は＆１〜１１．比較鋼はＮａ１２〜２０である。照
射試験用の供試材は、３　ｍ　ｔまで熱間圧延後、ｌＸ
ｌ０−１ｓＰａの真空中で１５７３ＫＸ３０分間の均一
化熱処理を行い、冷間圧延で０．２ｍ　ｔ、の薄板にし
た後、３ｍｍφの円盤に打抜いて真空中で１４２３ＫＸ
１５分間の溶体化処理をし。

水中に急冷した。その後、ツインジェノ１−法による電
解研摩により、電子ｗｉ微鏡用薄膜として照射試験した
。

一方、クリープ破断試験用の供試材は、溶解、鍛造後、
熱間圧延を行い、焼鈍と冷間塑性加工とを繰返してクリ
ープ破断試験片を作製した。ここで試験用には１３７３
にで１時間の固溶化処理を施したままのもの（冷間塑性
加工無し）と固溶化処理後引張加工により１０％の塑性
加工を施して試験片形状にしたもの（冷間塑性加工無）
を用意した。

照射試験は中性子照射を模擬する実験として、超高圧電
子１ｍ鏡を用いた電子線照射により実施した６条件は、
加速電圧ＩＭｅＶ、温度８３０にで、照射量が中性子照
射量に換算して約８Ｘ１０”ｎ　／　ｃｄまで照射した
。この照射量の換算は照射による損傷量で合わせた。中
性子換算照射量で８×１０”ｎ／ｃｄのときの、照射部
の透過電顕写真からボイドの個数、大きさを測定して、
ボイドの総体積ΔＶを計算した後、下式によりスエリン
グ量（％）を算出した。

■ 但し、■は照射部の測定視野の体積である。第２表の一
部はこの結果を示す。

一方、クリープ試験は温度９２５に、応力２６ｋｇ　／
　ｌｒａ　”で行った。その結果は、クリープ破断時間
で表し、第２表にスエリング量と共に示した。

標準３１６鋼（試料＆１３）の破断時間が約２００時間
弱であるので、これより３倍以上寿命の長い。

高温強度の優れた鋼は破断時間が６００時間以上の供試
材である。

耐スエリング性が、標準３１６ｆｌ材（スエリングは約
１４％）の１００分の１以下になる様な優れた特性を示
し、かつ高温強度が標準３１６鋼材の３倍を越える特性
を兼ね添えた本発明鋼材は、試料翫１〜１１である。特
にＮａ５〜１１はクリープ試験前に１０％の冷間塑性加
工が施されており、クリープ破断ｌ、′？間が標準３３
１６鋼の５倍以上と極めて優れた高温強度特性を示した
。

本発明によるオーステナイト鋼部材は、高速増殖炉中で
中性子照射量が１０”ｎｖｔ、以上の高温環境で使用さ
れるに好適であり、−例として第３表に、本発明のオー
ステナイト鋼製高速増殖炉々内部品を示す。またこれら
の部品の斜視図を第１図〜第３図において、ハンドリン
グヘッド１、上部パッド２、中間パッド３、ラッパ管４
．ノックパー５．燃料ビン組枠６．下部パッド７、エン
トランスノズル８．スペーサワイヤ９．ストッパバネ（
またはプレナムスリーブ）１０．プレナムバネ１１．燃
料被覆管１２、上部端栓１３．下部端栓１４であり、こ
れらは本発明に係る部品である。

また燃料ピンａ、燃料ペレットｂである。第４図におい
て、ハンドリングヘッド１．ラッパ管４、燃料被覆’Ｔ
？１２．　炉容器１５．Ｉ［板１６、上部炉心支持板１
７．下部炉心支持板１８．連結管１９であり、これらは
本発明が適用される部品である。

第５図は本発明鋼の一使用例を示す高速増殖炉用燃料棒
の断面構成図である６核分裂生成物質２２は被覆管２１
内に挿入され、バネ２４によって固定され、上端２３及
び下端２３′によってそれぞれ封じられている。被覆管
２１として、第１表のＮａ　５の合金を用い、外径６〜
７ｍ、肉厚０．４〜０．５ｍのパイプを、真空溶解、鍛
造後、熱間押出し、焼鈍後、ピルガ−ミルにて冷間塑性
加工と焼鈍とを繰返し、製造した８最後の冷間塑性加工
率は１５％である。製造された被覆管は図に示すように
核燃料物質が挿入され、両端に各々端栓を溶接によって
封止される。溶接は電子ビーム溶接が適用された。押出
し後の焼鈍は１３７３〜１４２３にで行った。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、中性子照射によるスエ
リングが著しく低いと同時に高い高温強度を重ね添えた
オーステナイト鋼製の高速増殖炉用構造部材を提供でき
る。具体的には、スエリングが標準オーステナイト鋼の
１００分の１以下。

Ｉ■温強度が標準オーステナイト鋼の３倍を越える性能
をもつオーステナイト鋼製の高速増殖炉用構造部材を１
本発明により提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明に係る高速増殖炉の燃料集合体
及びその構成部品の斜視図、第４図は本発明に係る高速
増殖炉の炉心構造物の要部を断面図及び第５図は本発明
に係る燃料棒の断面図である。１・・・ハンドリングヘッド、２・・・上部パッド、３
・・・中間パッド、４・・・ラッパ管、５・・・ノック
バー、６・・・燃料ビン組枠、７・・・下部パッド、８
・・・エントランスノズル、９・・・スペーサワイヤ、
１０・・・ストッパバネ、１１・・・プレナムバネ、１
２．２１・・・燃料波ｒＩｌ管、１３・・・上部端栓、
１４・・・下部端栓、１５・・・炉容器、１６・・・整
流板、１７・・・上部炉心支持体、１８・・・下部炉心
支持体、１９・・・連結管。

Claims

【特許請求の範囲】１、５５０℃で中性子照射量１０＾２＾３ｍ／ｃｍ＾２
の照射を受けたときのスウリング量が０．１％以下及び
６５０℃、２６ｋｇ／ｍｍ＾２でのクリープ破断時間が
６００時間以上を有するオーステナイト鋼によつて構成
されていることを特徴とする高速増殖炉用部材。２、前記オーステナイト鋼が、重量％でＣ０．０４〜０
．１５％、Ｓｉ２％以下、Ｍｎ３％以下、Ｃｒ９〜２６
％、Ｎｉ６〜４５％、Ｍｏ３％以下、Ｐ０．０２％未満
、Ｂ０．００１％未満、Ｔｉ０．０５〜０．１３９％、
Ｖ０．１０〜０．５％を含み、残部が実質的にＦｅから
なり、冷間塑性加工状態を有する特許請求の範囲第１項
に記載の高速増殖炉用部材。３、前記オーステナイト鋼が、重量％でＣ０．０４〜０
．１５％、Ｓｉ２％以下、Ｍｎ３％以下、Ｃｒ９〜２６
％、Ｎｉ６〜４５％、Ｍｏ３％以下、Ｐ０．０２％未満
、Ｂ０．００１％未満、Ｔｉ０．０５〜０．１３９％、
Ｖ０．１０〜０．５％、Ｃｕ０．５〜５．０％を含み、
残部が実質的にＦｅからなる特許請求の範囲第１項に記
載の高速増殖炉用部材。４、前記オーステナイト鋼によつて高速増殖炉用燃料被
覆管が構成されている特許請求の範囲第１項〜第３項の
いずれかに記載の高速増殖炉用部材。