JPS62220212A - ジルコニウムライナ−素管の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は原子燃料用被覆管の素管製造方法に関し、詳細
にはジルコニウム合金層の内側に純ジルコニウム層をラ
イニングしてなる耐応力腐食割れ特性および耐腐食性等
の優れた被覆管を製造するときに用いられる冷間加工用
素管の製造方法に関するものである。

［従来の技術］ ジルコニウム合金は中性子吸収断面積が小さく、優れた
耐食性を有しているところから原子炉構造材料として汎
用され、特に原子燃料用被覆管等の素材として賞月され
る。しかしジルコニウム合金の耐食性は必ずしも全ての
原子炉に対応できる程有効と言える訳ではなく、例えば
水冷却型原子炉に使用した場合はノジュラー腐食と呼ば
れる濃混状腐食が発生し易いという欠点がある。そこで
耐ノジユラー腐食特性改善の手段として特公昭５６−１
２３１０号（熱処理条件の検討）や特開昭５９−１９１
５１４号（押出条件の検討）等の技術が考え出されてい
る。

また電力需要の変動に対応する為に原子力発電の急激な
出力変動運動すなわち負荷追従運転時に問題となる被覆
管内面に生ずる応力腐食割れ防止対策としてジルコニウ
ム合金製管の内側に純ジルコニウム製ライナーを配設す
るという方法が提案されている。これによると、第３図
に示す工程に沿って熱間押出を行ない、ここに得られた
素管を数段階冷間圧延加工に付し、更に焼鈍することに
よって製品（純ジルコニウムライナー被覆管）となる。

第２図は上記方法における熱間押出加工前の複合ビレッ
トを示す軸方向破断斜視説明図である。

ジルコニウム合金製中空ビレット１に純ジルコニウム製
中空ビレット２を嵌装しこの嵌装品を１．０　×１０−
２Ｔｏｒｒ以上の高真空霊囲気下に置いて、両ビレット
間の間隙３がら空気を除去し、次いで電子ビーム溶接に
よってビレット１，２両端部を接合する。こうして形成
された複合ビレット６に潤滑剤を塗布し、加熱して熱間
押出加工を行ない、冷間加工用素管を形成している。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記方法における熱間押出加工温度は、製品の目標耐食
性、押出プレスの力量、潤滑剤の種類等の諸条件を考慮
して設定されていた。ところが複合ビレット６を押出加
工するに当たっては（イ）内外ビレットの密着性及び（
ロ）純ジルコニウムライナ一層の肉厚均一性について特
別の留意を払わなければならない。即ち純ジルコニウム
層とジルコニウム合金層の密着性が悪い場合は製品被覆
管の伝熱特性が劣化し、原子燃料の熱除去が不十分とな
って該被覆管に内装される燃料体の健全性を損う。また
上記（ロ）に述べたライナ一層の肉厚変化が大きくなっ
て例えば薄肉部分が発生すると、原子炉出力急変時に原
子燃料と被覆管の間に熱膨張差によって生ずる応力が薄
肉部分で充分緩和されず、核分裂生成物質、例えば沃素
の影響とも相まって応力腐食割れが起こり易くなる。

そこで本発明者は上記（イ）、（ロ）に示す密着性及び
肉厚均一性の優れた被覆管を製造することを目的に種々
研究を行なった結果、本発明を完成するに至った。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成し得た本発明に係るジルコニウムライナ
ー素管の製造方法は、ジルコニウム合金製外筒に純ジル
コニウム製内筒を内装してなる複合ビレットを５００〜
７５０℃の範囲内で熱間押出加工する点に要旨を有する
ものである。

［作用コ 熱間押出加工後の素管における純ジルコニウム層の肉厚
均一性は、最終製品としての被覆管における純ジルコニ
ウムライナー肉厚の均一性を直接支配する。一方純ジル
コニウム層とジルコニウム合金層の密着性は、熱間押出
加工工程後の冷間圧延加工や焼鈍の繰返しによって劣化
されることはない。

従って純ジルコニウムライナー厚さが均一でしかも純ジ
ルコニウム層とジルコニウム合金層の密着性の優れた被
覆管を製造するには熱間押出加工後の素管状態で純ジル
コニウム層の厚さが均一でしかも密着性の優れたものを
形成すれば良いことになる。

ところでジルコニウム合金の再結晶開始温度は５００℃
前後であり、該温度以上の条件下においてはジルコニウ
ム原子の拡散が生じ、純ジルコニウム層とジルコニウム
合金層の密着性が良くなることが期待される。そして実
験の結果も５００℃以上の温度で熱間押出加工を行なっ
た場合は純ジルコニウム層とジルコニウム合金層の密着
性が優れていることを示した。一方純ジルコニウム層は
ジルコニウム合金層に比べて強度的に弱く、最終製品と
して仕上げられた被覆管の純ジルコニウム層肉厚が大き
い部分では強度不足を生じる。他方純ジルコニウム層肉
厚が小さい部分では、強度面で良好な結果を示すが、原
子炉の出力急上昇時に原子燃料との機械的相互作用によ
りて生ずる応力の緩和作用が損なわれ、更に前述の如く
沃素の影響を受けて応力腐食割れ等が発生し易くなる。

そこで種々検討を行なったところ、純ジルコニウム層の
平均偏肉率 下に抑制すれば強度不足を生ずることなくかつ応力腐食
割れ等の発生を大幅に抑制し得ることが分かった。尚平
均偏肉率を１０％以内に納めることのできる熱間押出加
工温度を実験結果から求めると７５０℃以下に設定する
のが有効であることが分かった。結局５００〜７５０℃
の温度範囲で熱間押出加工を行なうことにより、純ジル
コニウムライナー被覆管はライナ一層の均厚性が高いも
のとなり、耐応力腐食性及び強度の両面を満足すること
が可能となった。

［実施例コ ジルコニウム合金としてジルカロイ−２を使用し、第３
図の工程に沿って複合ビレットを形成した。該複合ビレ
ットを押出温度４５０〜８５０℃の間で５０度毎に夫々
熱間押出加工して純ジルコニウムライナー素管を形成し
、その後脱潤滑処理及び内外面研磨を行なって精製素管
とした。各温度で押出加工された精製素管から幅ＩＣｌ
１１のリング状試料を１ｍ毎にサンプリングし、光学顕
微鏡によって各断面毎の純ジルコニウム層の厚さを測定
した。そして各断面毎の偏肉率を計測すると共に素管全
体における平均偏肉率を算出し、この結果を第１図（グ
ラフ）に示した。

また純ジルコニウム層とジルコカロイ−２層との剥離状
態を調べる目的で、前記リング状素管断面に対して染色
浸透探傷試験及び顕微鏡観察を行なった。この結果剥離
が生じたものを第１図のグラフ中にΔ印で示す。

第１図に示すグラフからも明らかな様に、５００℃未満
の温度で押出加工された素管では純ジルコニウム層とジ
ルカロイ−２層の密着性が劣るものが存在したが、５０
０℃以上で熱間押出加工されたものであれば両層の密着
性は高いことか分かる。

一方純ジルコニウム層の平均偏肉率の面から見ると、平
均偏肉率を１０％以下に抑えるには押出加工温度を７５
０℃以下にすれば良いことが第１図グラフから分かる。

即ち７５０℃を超える温度で押出加工を行なった場合、
純ジルコニウム層の平均偏肉率は急激に上昇して素管の
肉厚均一性が損われた。

ジルコニウムライナー素管の形成に用いられるジルコニ
ウム合金は上記のジルカロイ−２に限定されず、例えば
ジルカロイ−４やＺｒ−１％Ｎｂ合金等を用いても同様
の結果が得られる。

尚押出比１０程度に設定して押出湯度５００〜７５０℃
の間で熱間押出加工を行なうと、特開昭５９−１９１５
１４号公報に示される様に、外層部のジルコニウム合金
層の耐ノジユラー腐食性が劣化する恐れがあるが、この
ようなときには押出前に外層のジルコニウム合金の中実
ビレットまたは中空ビレットを８２５〜１１００’ｌ？
：まで加熱し急冷するか、または押出加工後の素管を外
層部だけ高周波加熱等によって８２５〜１１００ｔまで
加熱した後急冷し、耐ノジユラー腐食性を改善する方法
等を付加することが推奨される。

上記条件によって熱間押出加工された素管は、冷間圧延
加工及び焼鈍工程が繰返し行なわれ、最終製品としての
原子燃料用被覆管が製造されるのであるが、該製品の純
ジルコニウムライナ一層肉厚は均一で且つジルコニウム
合金層との密着性が優れたものである。

［発明の効果］ 本発明方法に従って冷間加工用純ジルコニウムライナー
素管を製造した場合には、該素管から製造される原子燃
料用被覆管は強度、耐腐食性及び伝熱性のいずれにおい
ても極めて優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は純ジルコニウム層の平均偏肉率と押出温度の関
係を表わすグラフ、第２図は複合ビレットの形状を示す
軸方向破断斜視説明図、第３図は冷間圧延用純ジルコニ
ウムライナー素管の製造工程の例を示すフローチャート
である。 １・・・ジルコニウム合金製中空ビレット２・・・純ジ
ルコニウム製中空ビレット３・・・間隙　　　　　　４
・・・溶接ビード６・・・複合ビレット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ジルコニウム合金製外筒に純ジルコニウム製内筒を内装
   してなる複合ビレットを５００〜７５０℃の範囲内で熱
   間押出加工することを特徴とするジルコニウムライナー
   素管の製造方法。