JPS62290854A - 原子炉用チヤンネルボツクスの製造法 - 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〕 本発明は新規な燃料集合体Ｚｒ合金に係わり、特にノジ
ュラ腐食並びに白色状の全面腐食が発生しないすぐれた
耐食性と高温強度を有する原子炉用燃料チャンネルボッ
クスの製造法に関する。

〔従来の技術〕

燃料チャンネルボックスは第４図に示したように通常ス
ラブ材より熱間圧延及び冷間圧延によって約２　、５　
ｍａｔの薄板にし、その後、コ型に曲げ加工を施こし、
第２図に示すように２分割した成形板を溶接で接合して
角筒形状にする。また円筒の圧延管から成形によって角
筒を製造する技術もある。

当部材はプラント運転時に燃料棒で発生した高温水及び
蒸気を上部へ強制的に導く働きをすること、並びに燃料
棒の外的負荷に対し保護する機能を有する。したがって
運転時には角筒が外側に広がる応力と、燃料取替時には
衝撃等の応力に耐えるものでなければならない。

一方、部材は炉水に接することからノジュラ腐食が発生
する懸念があり、また腐食反応の際に水素が発生も（Ｚ
ｒ＋２ＨｚＯ−＋Ｚｒ０ｚ＋２Ｈｚ　）し、このＨ２が
部材に取り込まれ部材強度を低下させる懸念がある。

以上示した様に燃料チャンネルボックス並びにスペーサ
用材料には、主として高強度でかつ耐食性並びに耐水素
脆化性が要求される。

従来、燃料チャンネルボックス材として耐食性向上の観
点からＳｎを含むＺｒ合金のジルカロイ−４（１，５ｗ
ｔ％Ｓｎ　ｅ　０　、２ｗｔ％Ｆ　ｅ　ｐ　Ｏ、ｌ　ｖ
ｔ％Ｃｒ残部Ｚｒ）が用いられている。これらは現状の
原子炉の運転条件下では部材製造法の改善（β及びα＋
β焼入処理）などにより、その機能を果している。

しかしながら、今後プラントの経済性向上の観点から運
転期間の長期化（または燃料棒の大幅高燃焼度化）がな
されると、更に過酷な使用条件が加わると予測される。

このための部材の特性は従来材に比べ、さらに高強度で
かつ耐食性並びに耐水素性にすぐれたＺｒ基合金が望ま
れている。

すなわち、従来のジルカロイ−４（あるいはジルカロイ
−２）を用いた、ＢＷＲ燃料チャンネルボックスにおい
ては、ノジュラ腐食と呼ばれる斑点状の灰白色の腐食生
成物が表面に生ずる場合がある。ノジュラ腐食は長期間
使用することにより、腐食が進展した場合には剥離が生
じ肉厚減少をきたす恐れがある。今後の部材ではこれら
腐食の発生を抑える必要がある。また従来材、では腐食
に伴う水素吸収による脆化が懸念される。また長期間使
用に対しての強度は従来のジルカロイでは不十分と思わ
れる。

この条件を満す高強度高耐食性の材料のひとつとしてＺ
ｒ−Ｎｂ合金があげられる。その中でＺｒ−２，５ｗｔ
％Ｎｂ　　合金はカナダの原子カプラントの圧力管に使
用されている。しかし、この合金の溶接部は使環境下（
高温水）でノジュラ腐食とは異なる白色粉状の全面腐食
が発生する可能性がある。したがってＺｒ　　２．５ｗ
ｔ％Ｎｂ　合金は高強度であるが、その溶接部の耐食性
に対する配慮はなされていない、また従来材でスカメー
ク合金（特開昭５４−７４９４など）、０．５〜１．５
ｗｔ％Ｎｂ−２，５〜４．Ｏｖｔ％５ｎ−０．５〜ｌ、
５ｗｔ％Ｍｏ合金（特開昭５ｌ−１３４３０４）　、　
０ｚｈｅｎｎｉｔｅ０　、５合金（Ｑ、１ｗｔ％Ｎｂ　
　０．２ｗｔ％５ｎ−０，１ｗｔ％Ｆｅ−０，１ｗｔ％
Ｎｉ　）及びＧＥ社のＺｒ−１，０ｗｔ％Ｎｂ−１，０
ｗｔ％Ｓｎ　　０．５ｔｚｔ％Ｆｅ合金などがある。し
かし、これら低Ｎｂ含有のＺｒ合金では溶接部の白色腐
食が生じ難いものの高強度を得ることができない、また
高Ｎｂ含有のＺｒ合金としてはＺｒ−３＋＋＋ｔ％Ｎｂ
７１ｗｔ％Ｓｎが知られているが溶接部の白色腐食が懸
念される。

このように燃料チャンネルボックス用材料として従来開
発されている材料は長期間使用に対する配慮がなされて
いない。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の技術はプラントの経済性向上の観点から運転
期間の長期化に対する配慮が十分でなく、使用中のノジ
ュラ腐食による部材の減肉及び劣化の問題、高強度Ｚｒ
−Ｎｂ合金の使用に対する溶接部の白色腐食発生の可能
性がある。

本発明の目的は従来の製造プロセスの溶接が可能で製作
できる高強度、高耐食性（耐ノジュラ腐食、耐白色腐食
）のジルコニウム合金からなる燃料チャンネルボックス
の製造法を提供することにある。

〔問題点をか決するための手段〕

本発明は、１．０〜２．５すｔ％Ｎｂ、０．５〜２．５
ｗｔ％Ｓｎ、又は１．０〜２．５ｗｔ％Ｎｂ、０．５〜
２．５ｗｔ％Ｓ　ｎ　＊　Ｏ−１〜１−　Ｏｖ　ｔ％Ｍ
ｏ又は／及び０．０４〜１．Ｏｗｔ％Ｆｅ系合金（Ｆ　
ａ　＋　Ｍ　。

０．１〜１．０ｗｔ％）を用いた燃料チャンネルボック
スの製造工程において、焼入処理（又は溶体化処理）に
おける固溶Ｎｂ量の低減化処理並びに溶接後熱処理によ
ってＮｂの析出を好適に制御して高強度でかつ耐ノジュ
ラ腐食並びに耐白色腐食性のすぐれた燃料チャンネルボ
ックス製造を可能にした。第４図は、従来法と本発明法
の原子炉用チャンネルボックスの製造工程を示すブロッ
ク図である。

〔作用〕

Ｚｒ−Ｎｂ合金（１，０〜２．５ｗｔ％Ｎ　ｂ　、　０
．５〜２．５ｗｔ％Ｓｎ　　、０．１〜１．Ｏｗｔ％Ｍ
Ｏ系及び１．０〜２．５ｗｔ％Ｎｂ、０．５〜２．５ｗ
ｔ％Ｓｎ。

０．１〜１．Ｏｗｔ％Ｍ　ｏ　＋　０．０４〜１　、　
Ｏｖｔ％Ｆｅ系）を用いた燃料チャンネルボックスの製
造工程において、焼入（溶体化）処理、中間焼なまし処
理及び溶接後の後熱処理を定めたのは次の理由からなる
。

焼入処理は急速冷却によるマルテンサイト形成で部材を
強化する。

またこの処理はＺｒ中に合金元素を固溶させる重要な熱
処理であり、特にＮｂの固溶量はその処理温度及び冷却
速度で大きく変る。Ｚｒ−Ｎｂ二元合金ではこの処理に
よって約８８０℃以上の温度から急冷すると、β相の単
相と７９０〜８８０℃の温度範囲から急冷するとα＋β
相の２相組織となる。α＋β相組織ではβ相中のＮｂ固
溶量が増すことから耐食性に対し有害となる（第２図）
。

本改良Ｚｒ−Ｎｂ合金における焼入処理は組織を微細に
しβ相中のＮｂ固溶量を低減させかつＮｂを均一に分散
させる効果があり、結果的には耐食性向上に寄与するこ
とをつきとめた０本合金は通常の焼入方法で十分な特性
が得られるが、９００℃を越える高温度焼入によればさ
らに効果的となる。

またβ相の温度から焼入した後に７００〜８８０℃で再
焼入する２段焼入はβ組織中のＮｂ固溶量を低下させ、
耐食性を向上させる効果がある。

なお製造初期段階での焼入はその後の中間焼なましの再
加熱によって好適な析出物が凝集粗大化を起こして強度
低下を招くこともある。したがって高強度を必要とする
製品には製品近くの焼入処理が望ましい。溶接後に焼入
する製造方法は溶接部を含む製品全体の強度が均一化さ
れ、かつ耐食性改善が著しい。これは溶接継手部が一様
なβ相及びα＋β相の組織にし、その後の後熱処理で時
効効果が得られるためである。

中間焼なましは、焼入後の場合では析出物の凝集粗大化
をさけるため５００〜６５０℃の低温度の条件を選定す
べきである。

溶接後の後熱処理は溶接熱サイクルで溶接金属及び溶接
熱影響に固溶したＮｂをこの処理で析出させ、耐食性及
び強度向上を図る。この効果は４００〜７００℃、３〜
３０ｈで達成できる。

４００℃以下ではＮｂの析出が望めず、また７００℃以
上ではＮｂの再固溶が生じ、耐食性に寄与する析出が生
じないので好ましくない、なお処理温度を重視する製品
に対しては６００℃以下の範囲。

延性を必要とする製品に対しては６００℃を越える範囲
で行うのが好適である。特に、４５０〜５５０℃で１０
〜２０時間の処理が好ましい、低い温度で長時間処理が
強度向上の点から好ましい。

従来のＺｒ−２，５ｗｔ％Ｎｂ　合金では５００℃２４
ｈで行っているが、本改良合金製ではそれより高い温度
でも高強度が得られることが判った（第３図）。

また焼入後の冷間圧延は従来のＺｒＮｂ合金では約１０
％（以後の時効処理で再結晶が生じない範囲）行うのが
通常である。これは冷間圧延で強化することを目的とし
ている０本製造工程ではＭｏ添加によって強化されてい
ることから、必ずしも冷間圧延を行う必要はない。さら
に高強度を必要とする場合に対しては圧延加工を加いる
ことも可能であり、１０％を越える加工でも高い特性が
得られる。

また溶接後の成形加工はマンドレルを用いて角筒に成形
するが、この成形時に後熱処理をかねて４５０〜７００
℃で行うことにより、成形精度向上並びに工数の低減効
果が得られる。

Ｎｂ量は１．５〜２．０％及びＳｎｉは１〜２％が好ま
しい、更に、この合金に、Ｍｏを０．３〜０．７　％及
びＦｅ０．１〜０．５％を含有するものが好ましい。

以上が平板からの溶接構造のチャンネルボックス製造に
係わるものであるが、圧延円筒管より角筒に加工、製造
する燃料チャンネルボックスにも効果がある。即ち、当
部材がＭＯ添加強化により高強度が保たれるものであり
、最終工程近傍で焼入する制約を受けず、途中の工程で
焼入処理しても十分な特性が保たれることから信頼性の
高いチャンネルボックスが提供できる。

本発明における角筒成形は２ケのコの字形部材を溶接に
よって角筒にした後、溶接部を平滑にする冷間塑性加工
を施し、その後熱処理を施す際に角筒内に少なくともで
きるだけ角部に隙間のないように角筒より熱膨張係数の
大きい（例えばオーステナイト鋼角材）部材を挿入して
行うもので、それにより角筒に張力が作用し成形が同時
に行うことができる。

〔実施例〕

実施例１ 材料はＺｒ−１，７ｖｔ％Ｎｂ−１．０３ｗｔ％ＳｎＯ
，４４ｗｔ％ＭＯ及び不可避の不純物を含むＺｒ合金を
溶製した。板の製造はまず１０２０℃のβ鍛造で約３５
ｍ鳳ｔのスラブとしその後、溶体化処理をかねた焼入（
１０００℃水冷）を実施。

７００℃熱間圧延で約４ｍｍｔ、冷間圧延と焼なましの
繰返しで約２　、５　ｍｍｔにした。

その後、板材をコ型に曲げ加工し、次に第２図に示すよ
うにＴｉｇ溶接を行って角筒にし、さらにマンドレルに
よって精密成形を行った最終的な部材は５００℃、２４
ｈの熱処理を行って特性評価試験に供した。

溶接継手部より腐食試験及び引張試験用の試験片を採取
しそれぞれ評価した。高温蒸気中腐食試験は５３０℃１
０５　ｋｇ／ｃａ＋”過熱蒸気中に約１００ｈ保持した
６また高温水腐食試験は２８０℃。

８５ｋｇ／ａｍ２高温水中に約３００ｈ保持した。耐食
性の評価は腐食外観々察及び酸化膜厚さを謂定して行っ
た。また引張試験は室温で行った。

試験の結果、第２表に示すように本発明部材はノジュラ
腐食並びに白色腐食が発生せず、耐食性にすぐれている
ことが判った。なお、従来のＺｒ−２，５ｗｔ％Ｎｂ　
材では著しく白色腐食が生じるが、本発明材では黒色の
酸化皮膜を呈し、耐食性にす゛ぐれていることがわかっ
た。

本発明に係るチャンネルボックスは上部格子板との接触
部に外側に凸起させたパッド３が設けられ、上部格子板
との間に間隔が設けられ、更に上端部に上部タイプレー
トにささえられるための平板部４とネジ穴５が設けられ
る。

実施例２ 部材実施例１で溶接した角筒を用いβ及びα＋β温度領
域から水焼入し、その後１０％程度の冷間圧延を施こし
、さらに成形処理した後５００℃２４ｈ時効処理を行っ
て特性評価試験に供した。

なお試験片は溶接継手部より腐食試験及びに引張試験用
にそれぞれ切出した。高温蒸気中腐食試験は５３０℃１
０５ｋｇ／ｃａ＋”ｌ　ＯＯｈ　、高温水中腐食試験は
２８８℃８５ｋｇ／ｃｍ２．３０　Ｃ１ｈの条件下で比
較検討した。

その結果は第２表に示す、Ｓｎ及びＭＯを含む材料はい
ずれの温度から焼入しても耐ノジュラ腐食性及び耐白色
腐食性にすぐれ、かつ高強度を有することが判った。Ｓ
ｎ及びＭｏを含まない材料は耐ノジュラ腐食性にすぐれ
るものの、白色腐食発生が認められ、またα温度での焼
入では強度が低い。

本発明はＢＷＲプラントばかりでなく、ＰＷＲプラント
、さらにＡＴＲプラント、高速転換炉用の燃料構造部の
製造法としても適用できる。また燃料構造部材のみなら
ず高温水及び蒸気が接し、高速中性子（Ｅ＞ＩＭｅｖ）
照射量がＩ×１０１８ｎ／ｃ−以上照射される環境下で
使用される構造部材の製造法として適用することが可能
である。

〔発明の効果〕

本発明によれば耐食性の著しくすぐれたジルコニウム合
金製の燃料チャンネルボックスが製造できるので、高経
済性の燃料集合体を製造でき、かつ信頼性の向上が期待
できる。

【図面の簡単な説明】

第２図は燃料チャンネルボックスの斜視図、第２図は焼
入温度と腐食増との関係を示す線図、第３図は後熱処理
と引張強さとの関係を示す線図及び第４図は従来法及び
本発明法の製造工程を示すブロック図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、Ｎｂ１．０〜２．５ｗｔ％及びＳｎ０．５〜２．５
   ｗｔ％を含むＺｒ基合金からなるチャンネルボックスの
   製造法であつて、該チャンネルボックスを溶接によつて
   成形後、４００〜７００℃で後熱処理し、合金中の過飽
   和のＮｂを含むβ相を実質的に消去させることを特徴と
   する原子炉用チャンネルボックスの製造法。 ２、Ｎｂ１．０〜２．５ｗｔ％、Ｓｎ０．５〜２．５ｗ
   ｔ％、Ｍｏ０．１〜１．０ｗｔ％又は／及びＦｅ０．０
   ４〜１．０ｗｔ％を含むＺｒ基合金からなるチャンネル
   ボックスの製造法であつて、該チャンネルボックスを溶
   接によつて成形後、４００〜７００℃で後熱処理し、合
   金中の過飽和のＮｂを含むβ相を実質的に消去させるこ
   とを特徴とする原子炉用チャンネルボックスの製造法。 ３、平板より角管にする溶接工程の後に合金のβ及びα
   ＋β領域の温度から１０℃／秒以上の冷却速度で焼入処
   理し、さらに角筒成形した後４００〜７００℃の後熱処
   理を行う特許請求の範囲第２項の原子炉用チャンネルボ
   ックスの製造法。 ４、熱間圧延と最終冷間圧延工程との間に合金のβ及び
   α＋β領域の温度から焼入を１回以上組み入れ、さらに
   溶接後に４００〜７００℃の後熱処理を行う特許請求の
   範囲第２項の原子炉用チャンネルボックスの製造法。 ５、角筒にする溶接後の後熱処理を角筒成形時に４００
   〜７００℃加熱して行う特許請求の範囲第２項の原子炉
   用チャンネルボックスの製造法。 ６、β鍛造後にβ領域からの溶体化とβ＋α領域から１
   ０℃／秒以上の冷却速度で２段焼入を行い、その後の溶
   接後熱処理を４００〜７００℃で行う特許請求の範囲第
   ２項の原子炉用チャンネルボックスの製造法。 ７、前記溶接後、冷間塑性加工を施し、次いで前記後熱
   処理を施す特許請求の範囲第２項〜第５項のいずれかに
   記載の原子炉用チャンネルボックスの製造法。