JPS6234095A - 核燃料被覆管 - Google Patents

核燃料被覆管

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JPS6234095A
JPS6234095A JP61179020A JP17902086A JPS6234095A JP S6234095 A JPS6234095 A JP S6234095A JP 61179020 A JP61179020 A JP 61179020A JP 17902086 A JP17902086 A JP 17902086A JP S6234095 A JPS6234095 A JP S6234095A
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zircaloy
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    • C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
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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】 １哩α１１ この発明は金属管の製造方法に関する。この発明は特に
、ジルコニウム合金製核燃料被覆管の製造方法およびそ
れにより形成された被覆管に関する。
ジルカロイ−２およびジルカロイ−４は市販されている
合金であり、その主要用途は、水型原子炉、たとえば沸
騰水（ＢＷＲ）型、加圧水（ＰＷＲ）型および重水（Ｈ
Ｗ　Ｒ）型原子炉における用途である。これらの合金は
その核特性、機械的性質および高温耐水性に基づいて選
択される。
ジルカロイ−２およびジルカロイ−４の開発の歴史は以
下に要約されている：スタンレー、カス著「ザ・デベロ
ップメント・オブ・ザ・ジルカロイズ（Ｔ　ｈｅ　Ｄ　
ｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　Ｚ　１ｒｃ
ａｌｏｙｓ）　ＪＡ、　Ｓ　Ｔ　Ｍ・スペシアル・テク
ニカル・パブリケーション（Ａ　Ｓ　Ｔ　Ｍ　　Ｓ　ｐ
ｅｃｉａｌ　　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　　Ｐ　ｕ−ｂｌ　
１ｃａｔｉｏｎ）第３６８　（１９６４）号、３〜２７
頁およびリコーバ、外「ヒストリー・オブ　ザ　デベロ
ップメント・オブ・ジルコニウム・アロイズ・フォア・
ユース・イン・ニュクレア・リアクターズ（Ｈｉｓｔｏ
ｒｙ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　
　ｏｆ　　Ｚｉｒｃ−ｏｎｉｕｍ　　Ａ１１ｏｙｓ　　
ｆｏｒ　　ｕｓｅ　　ｉｎ　　Ｎｕｃｌｅａｒ　　Ｒｅ
−ａｃｔｏｒｓ）、Ｉ　ＮＲ：Ｄ：　１９７５゜ジルカ
ロイの開発に関しては、米国特許第２，７７２，９６４
号、同第３．０９７，０９４号および同第３，１４８，
０５５号明細書に示されている。
工業的原子炉用ジルカロイ−２合金は、約１．２〜１．
７重量％のスズ、約０．０７〜０゜２０重置火の鉄、約
０゜０５〜０．１５重量％のクロムおよび約０．０３〜
０．０８重量％のニッケルを含むジルコニウム合金であ
る。工業的原子炉用ジルカロイ−４合金は、１．２〜１
．７重量％のスズ、約０．１８〜０．２４重量％の鉄、
約０．０７〜０．１３重量％のクロムを含むジルコニウ
ム合金である。ジルカロイ−２およびジルカロイ−４に
関するほとんどの原子炉用化学組成仕様は、本質的にＡ
ＳＴＭ　　Ｂ５５Ｏ−８０に記載の要件に適合している
　（それぞれ合金ＵＮＳ　　Ｎｏ、　Ｒ６０８０２およ
びＲ６０８０４に関する）。これらの要件に加えて、原
子炉燃料被覆管用にはこれらの合金に関する酸素含有量
は典型的には、９００〜１６００ｐｐｍ、さらに典型的
には約１２００±２００ｐｐｍであることが要求されて
いる。これらの合金の変形体も時には用いられる。
これらの変形体には高い延性が必要な場合（たとえば、
グリッド用の薄肉ストリップ）は、低酸素含有合金が包
含される。シリコンおよび／または炭素を少量ではある
が限定された量で付加されたジルカロイ−２および４合
金も工業的に利用されている。
ジルカロイ　（すなわち、ジルカロイ−２およびジルカ
ロイ−４）′！Ｉ！！、覆管は通常下記の工程により製
造される：すなわち、インゴットを中間サイズのビレッ
トまたは棒状体に熱間加工する工程；このビレットをベ
ータ溶体化処理する工程；中空ビレットを切削する工程
：中空ビレットを中空円筒押出品に高温アルファ押出し
する工程；および多数回の冷間ピルガ−減径工程（典型
的には、−減径工程当り約５０〜８５％の減径を行って
２〜５減径工程を通過させる）を行なうと共に、各減径
工程通過前にアルファ再結晶焼なまし処理を行なうこと
により、押出品を実質的に最終サイズを有する被覆管材
に減径させる工程。冷間加工された実質的に最終サイズ
を有する被覆管材は次いでアルファ焼なまし処理が行わ
れる。この最終焼なまし処理は応力除去焼なまし、部分
再結晶死焼なまし、あるいは完全再結晶死焼なまし処理
である。
この最終焼なまし処理のタイプは、燃料被覆管の機械的
性質についての設計者の仕様に基づいて選択される。こ
れらの処理例は、ＷＡＰＤ−ＴＭ−８６９（７９年１１
月）、およびＷＡＰＤ−ＴＭ−１２８９（８１年１月）
に詳細に記載されている。従来製造されたジルカロイ燃
料被覆管のいくつかの特性が、ローズらの［クワオリテ
ィ・コスツ・オブジルカロイ・クラディング・チューブ
（ＱｕａｌｉｔｙＣｏｓｔｓ　　ｏｆ　　Ｚ　１ｒｃａ
ｌｏｙ　　Ｃ１ａｄｄｉＢ　　Ｔ　ｕｂｅｓ）　」（英
国原子力エネルギー協会により発行された核燃料性能（
１９７３）、７８．１〜７８．４頁）に記載されている
。
前述の被覆管製造の従来法においては、冷間ビルガ一工
程と最終アルファ類なまし処理との間で実施されるアル
ファ焼なまし処理は、通常大型真空炉内に実施され、そ
こでは大ロットの中間サイズまたは最終サイズの管が一
緒に焼なまし処理される。通常冷間ピルガ−加工された
ジルカロイ管のバッチ式真空焼なまし処理に用いられる
温度は以下の通りである：すなわち、顕著な再結晶化を
生じない応力除去焼なましのためには約４５０〜５００
℃；部分再結晶死焼なましのなめには約５００〜５３０
℃；および完全アルファ再結晶死焼なましのためには約
５３０〜７６０℃（しかし、アルファ完全再結晶死焼な
ましの場合は、約７９０℃で行なわれる）である。これ
らの温度は、冷間加工度および処理されるジルカロイの
正確な組成によりいくらか変化する。前述のバッチ式真
空アルファ焼なまし処理中、炉に装入された管全体が選
択された温度に約１〜４時間、あるいはそれ以上置かれ
、その後、焼なましされた管が真空またはアルゴン冷却
されることが通常望ましい。
従来のジルカロイ管製造技術の別の例およびその変形例
は「プロパティーズ・オブ・ジルカロイ−４゛チユービ
ング（Ｐ　ｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　Ｚ　１ｒｃａｌ
ｏｙ−４Ｔｕｂｉｎｇ）」、ＷＡＰＤ−ＴＭ−５８５；
エストロム外の米国特許第３，４８７，６７５号明細書
；マチンラッシの米国特許第４．２３３，８３４号明細
書；ネイラーの米国特許第４，０９０，３８６号明細書
；ホフペンスタム、外の米国特許第３，８６５，６３５
号明細書：アンダーソン、外による　「ベーター・クエ
ンチング・オブ・ジルカロイ・クラディング・チューブ
ズ・イン・インターメーデイエート・オア・ファイナル
・サイズ（Ｂｅｔａ　　Ｑｕｅｎｃｈｉｎｇｏｆ　　Ｚ
ｉｒｃ−ａｌｏｙ　　Ｃｌａｄｄｉｎｇ　　Ｔ　ｕｂｅ
ｓ　　ｉｎ　　Ｉ　ｎＬｅｒｍｅｄｉａｔｅｏｒ　　Ｆ
　１ｎａｌ　　Ｓ　１ｚｅ）」、原子力産業におけるジ
ルコニウム：第５回会議、ＡＳＴＭ　　５ＴＰ７５４（
１９８２）、７５〜９５頁；マクドナルド、外の米国特
許出願第５７１，１２２号〈現在放棄されている１９８
２年１月２９日出願の第３４３，７８７号出願の継続出
願）明細書；サボル、外の米国特許出願第５７１，１２
３号（現在放棄されている１９８２年１月２９日出願の
第３４３．７８８号出願の継続上Ｍ）明細書；アーミン
グ、外の米国特許第４，３７２，８１７号明１Ａ書；ロ
ーゼンバウム、外の米国特許第４，３９０，４９７号明
１ｗ書；ベスターランド、外の米国特許第４，４５０，
０１６号明細書；ベスターランドの米国特許第４，４５
０，０２０号明細書；および１９８３年１月１４日発行
のフランス特許出願公開第２，５０９，５１０号明細書
に記載されている。
前述の方法およびそれらの方法により得られる燃料被覆
設計には、被覆に水に対する耐食性と、必要な機械的な
性質を与える第２材料からなる、相対的に高強度の外側
環状層く焼なましＪＩＥｌ）に結合した、ＰＣＩ（ベレ
ット被覆相互作用）に対する抵抗性を改善するための第
１材料からなる環状内張材を使用することが含まれる。
しかし被覆が必要なＰＣＩ抵抗性と、水に対する耐食性
、および機械的性質を兼備した性質を有する単一の合金
から形成されることが、核燃料被覆およびこの被覆を製
造する方法において要求されている。
灸朋ヱｆｌ この発明において、当該技術において要求される特性を
兼備した性質を有する長い核燃料被覆管が提供される。
この発明の燃料被覆管は、ジルコニウム基合金だけから
構成される。横断面を見るとわかるように、この発明の
燃料被覆管は管の外側表面の下に本質的に冷間加工だけ
を受は応力除去状態にあるミクロ組織を特徴とする外側
環状層を備える。また管の内面に隣接し、かつ前記外側
環状層の下には少なくとも実質的に完全に再結晶化状態
にあるミクロ組織をもつ別のく内側）環状層を備える。
前記別の（内側）環状層は完全再結晶化状態にあるのが
好ましい。
前述の燃料被覆管は、好ましくは、この発明により以下
の工程により達成される。単一材料からなる管を冷間加
工して、冷間加工した中間管材を造る。この冷間加工し
た中間管を次に中間焼なまし処理して少くとも実質上完
全に再結晶されたミクロ組織をもつことを特徴とする外
側環状層を管の外側表面の下に形成させ、この外側環状
層の下には管の内面に隣接する内側環状層を形成させる
。
この内（ｌＩＪ（第２）環状層は実質的に冷間加工だけ
を受は応力除去状態にあるミクロ組織をもつことを特徴
とする。中間焼なまし処理ずみ管を次いで再び冷間加工
した後で最終焼なまし処理を行う。最終焼なまし処理に
より、実質的に応力除去焼なまし処理だけを受けた外側
環状層と、少なくとも実質的に完全に再結晶化された内
側環状層とが形成される。
前述の方法における各冷間加工工程は、冷間ビルガ一工
程であることが好ましい。
また、中間および最終焼なまし工程は管の長さ全体にわ
たって付勢された誘導コイルを走査させることにより実
施することが好ましい。
この発明の核燃料被覆に用いる合金は表Ｉに示す合金の
一つから選択することが好ましい０合金の酸素含有量は
６００　ｒｐｍより少ないことが好ましく、さらに４０
０　ｒｐｍより少ないことが好ましい。
五−」− 合金（重量％）＊ 合金番号　１２３４５ Ｓｕ　　１．：’−１，７１，２〜１．７　　０．１〜
０．６　　０．１〜橿６　０．１９〜０．６Ｆｅ　Ｏ，
０７−→、２０　０．１８〜０．２４　０．１８〜０．
２４　０．０４〜０．２　０．１９〜０．５Ｃｒ　Ｏ，
０５〜０．１５　０．０７〜０．１３　０．０７〜０．
１３　０．０５〜０．１５　　＜０．０２Ｎｉ　Ｏ，０
３〜０．０８　　＜０．００７　　　＜０．００７　　
０．０３〜０．０５　　＜０．００７０（ｐｐｌｌ）　
１２００最大　１２００最大　　１２００最大　　１２
００最大　１２００最大＊合金の残りは、本質的にジル
コニウムと付随する不純物。
この発明の前述ならびに他の面は、図およびこの発明の
以下の詳細な記述から明らかになるであろう。
日　の　舌　、　　ｆ　舌　　　、 この発明の好適な実施例における、長い核燃料被覆管１
の横断面を第１図に模式的に示す、被覆管１は、好まし
くは表■に示される合金から選択されるジルコニウム基
合金から構成される。管は単一インゴットからの単一合
金からなることが好ましい。したがって管１の組成はそ
の外径面３から管の肉厚を経て内径面５まで本質的に均
一である。管１はこの発明により、２つの主環状ミクロ
組ｍＮを有する最終管が得られるように製造される。外
側環状層７は本質的に冷間加工だけを受は応力除去状態
にあることが好ましく、これは２０面積％以下の再結晶
化粒子を含み、そして好ましくは１５面積％以下の再結
晶化粒子を含有すると共に、管の外径面３に隣接してい
る。外側環状層７の下で、かつ管の内径面５に隣接して
、実質的に完全に再結晶化ミクロ組織をもつ内側環状層
９が設けられており、これは少なくとも８０面積％の再
結晶化粒子、そして好ましくは少なくとも８５面積％の
再結晶化粒子を含有している。内側環状層９と外側環状
層７との間に、部分的に再結晶化ミクロ組織状態を示す
遷移層１１が設けられている。
外側環状層７は、全管肉厚Ｔの約４０〜６０％の肉厚を
有することが好ましい、さらに好ましくは、外側環状層
の肉厚は全管肉厚Ｔの約５０〜６０％である。内側環状
層９は全管肉厚Ｔの約６０〜１５％、そしてさらに４０
〜２０％の肉厚を有することが好ましい、遷移層１１は
全管肉厚Ｔの２５％以下、さらに１０％以下の厚さを有
することが好ましい。
この燃料被覆管を構成するジルコニウム合金は、意図す
る水冷却型原子炉に適用するのに必要な、水に対する耐
食性および冷間加工状態および応力除去状態における構
造特性を有することが知られている合金から選択される
０表■に示した合金から選択することが好ましい、最大
のＰＣＩ抵抗性が必要な場合は、合金の酸素含有量を約
６００ｐｐ＋ｓより低く、さらに４００　ｐｐ＋ｍより
低くすることが好ましい。
燃料被覆管１は必要なＰＣＩ抵抗性と、水冷却型原子炉
に使用するのに必要な水に対する耐食性および構造特性
とを兼備し、且つ異なる組成の２種の管材料を別々に形
成して一方を他方の内側に接合させることを不要とする
ことが要望される。
この発明による燃料被覆管１は、以下のこの発明の製造
方法により製造することが好ましい。
この発明の方法の概略工程図を第２図に示す。
原料の管２０は前述のように、単一のジルコニウム基合
金から形成されることが好ましい、この管２０はその肉
厚全体にわたって、ベータ焼入れミクロ組織を有するか
、あるいは全体にわたって完全に再結晶化ミクロ組織を
有する。好適な実施例では、管２０は、その外径面２２
に隣接してベータ焼入れ処理された外側環状ミクロ組織
層と、その内径面２４に隣接する完全再結晶化内側く環
状）層とを有している。管２ｏは予め少なくとも一同の
前冷闇ピルガ一工程を受けることが最も好ましい。
管２０は冷間加工工程３０を受け、この工程は一回の冷
間ピルガ一工程が好ましく、それにより管２０の横断面
積は、約５０〜８０％、そして好ましくは７０〜８０％
減少される。
中間サイズを有する冷間加工ずみ管４０は表面焼なまし
処理５０を受ける。表面焼なまし処理において、管４０
は急速加熱装置、たとえばレーザー、あるいは付勢され
た誘導コイルにより急速走査されて、外径面６２に隣接
する外側環状層６０においてのみ完全に再結晶化が行わ
れ（すなわち、少なくとも９５面積％の再結晶粒子を生
成させ）るのに対して、内径面６６に隣接する内側環状
層６４は、単に冷間加工および応力除去状Ｒ（すなわち
、５面積％より少ない再結晶化粒子）にある。
２つの層６０および６４を分離するのは比較的狭い部分
的再結晶化Ｎ（遷移層）６８である。これらの層の肉厚
は以下のとおりであることが好ましい：内側環状層６４
は全管肉厚Ｔ、の約６０〜１５％、さらに好ましくは約
４０〜２０％であり；遷移層６８は全管肉厚ＴＩの約２
５％以下、さらに好ましくは約１０％以下で、外側環状
層６０は全管肉厚ＴＩの約４０〜６０％、さらに好まし
くは５０〜６０％である。
表面焼なまし処理ずみ管７０は次いで工程８０において
冷間加工されて最終冷間加工ずみ管９０が得られる。工
程８０において表面焼なましずみ管７０の横断面積は、
約１５〜７５％減少される。
工程８０は約６０％以下の横断面積の減少をもたらす、
単一冷間ピルガ−加工すなわち冷間引張り工程であるこ
とが好ましい、得られた最終冷間加工ずみ管９０は本質
的に、遷移層９６により分離された２つの環状層９２お
よび９４を有している。
外側環状層９２のミクロ組織は、両冷間加工工程３０お
よび８０によりもたらされた冷間加工効果が蓄積された
内側環状Ｍ９４より、冷間加工の度合いは低い（すなわ
ち、転位密度が低い）、外側環状層９２および内側環状
層９４間の冷間加工の度合いの差は、少なくとも約３０
％（たとえば、外側環状層９２が６０％の減少度で、内
側環状層９４が９０％の減少度を有する）であることが
好ましく、さらに少なくとも４０％であることが好まし
い、内側環状層９４は少なくとも約８０％の全体的な冷
間加工度を有することが好ましい。
最終冷間加工ずみ管９０は次いで工程１００において好
ましくは誘導焼なまし処理により最終焼なまし処理が行
なわれるが、この誘導焼なまし処理は、ウェスチングハ
ウス・エレクトリック・コーポレーションに譲渡されて
いる、同時出願の係　′属中の米国特許出願第　　　　
　号（事件番号第５２．４０７号）に記載されている。
この係属出願明細書においては、内径面１１４に隣接す
る実質的に完全再結晶化内側環状層１１２と、外径面１
１８に隣接する本質的に単に冷間加工および応力除去さ
れた外側環状層１１６とを有する最終焼なまし処理ずみ
管１１０を得るために、当業者が誘導焼なまし処理パラ
メータを選択できるようにしている。すべての点におい
て、最終焼なまし処理ずみ管１１０は第１図に示される
ものであると共に、第１図に関連してこれまで説明され
たものである。
工程１００において実施された最終焼なまし処理は、最
終冷間加工ずみ管９０の肉厚全体にわたって実質的に均
一な熱処理をもたらすように遇択される点で工程５０に
おいて実施した表面焼なまし処理とは異なっている。容
易に明らかなように、層９４および９２における冷間加
工度の相違が、最終焼なまし処理１００におけるこれら
２つの層の再結晶化速度の相違に通じている。前述の係
属中の米国特許出願明細書に述べられる誘導焼なまし処
理を用いて可能なように、最終焼なまし処理工程を注意
深く制御することにより、焼なまし速度におけるこれら
の相違がこの発明において、この発明の最終燃料被覆管
の製造に利用される。
これまでの説明および例は、この発明により得られる利
点を明らかに示している。この発明の別の実施例は、こ
こに開示された発明の明細書の考察および実施により明
らかになるであろう。この明細書および例は単なる例示
であり、この発明の真の範囲および精神は特許請求の範
囲に示されるものとされる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明の核燃料被覆管の横断面図、第２図は
この発明の核燃料被覆管製造方法の工程図である。 １・・・核燃料被覆管、３・・・外径面、５・・・内径
面、７・・・外側環状層、９・・・（完全再結晶化）内
側環状層、１１・・・遷移層、Ｔ、Ｔ、・・・全管肉厚
、２０・・・（原料）管、２２・・・外径面、２４・・
・内径面、３０・・・冷間加工工程、４０・・・（中間
サイズを有する）冷間加工ずみ管、５０・・・表面焼な
まし処理、６０・・・外側環状層、６２・・・外径面、
６４・・・内側環状層、６６・・・内径面、６８・・・
部分的再結晶化層（遷移層）、７０・・・表面焼なまし
処理ずみ管、９０・・・最終冷間加工ずみ管、９２・・
・外側環状層、９４・・・内側環状層、９６・・・遷移
層、１１０・・・最終焼なまし処理ずみ管、１１２・・
・内側環状層、１１４・・・内径面、１１６・・・外側
環状層、１１８・・・外径面。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、管を形成する単一のジルコニウム基合金、前記管の
    外面の下に存する、本質的に単に冷間加工され且つ応力
    除去されたミクロ組織を有する外側環状層、および 前記外側環状層の下で、かつ前記管の内面に隣接して存
    する、実質的に完全再結晶されたミクロ組織を有する内
    側環状層、 からなる長い核燃料被覆管。
JP61179020A 1985-08-02 1986-07-31 核燃料被覆管 Granted JPS6234095A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/762,092 US4671826A (en) 1985-08-02 1985-08-02 Method of processing tubing
US762092 1991-09-18

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS6234095A true JPS6234095A (ja) 1987-02-14
JPH0529080B2 JPH0529080B2 (ja) 1993-04-28

Family

ID=25064096

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