KR100296952B1 - New zirconium alloys for fuel rod cladding and process for manufacturing thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 니오븀(Nb) 0.8-1.2 중량%, 구리(Cu) 0.1-0.3 중량%, 산소(O) 600-1400 ppm 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 구성되는 본 발명의 합금과 니오븀(Nb) 0.8-1.2 중량%, 주석(Sn) 0.8-1.2 중량%, 철(Fe) 0.2-0.4 중량%, 구리(Cu) 0.1-0.3 중량%, 산소(O) 600-1400 ppm 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 구성되는 본 발명의 합금은 경수로 및 중수로형 원자력 발전소의 원자로심 내에서 핵연료 피복관, 지지격자 및 구조물로 유용하게 사용될 수 있으며, 최종 열처리 전에 β-열처리(베타 열처리)와 냉간 가공을 순서대로 실시하고 450∼600 ℃ 온도에서 10∼100시간 동안 최종 열처리하여 합금을 제조하는 본 발명의 제조방법에 따르면 내식성이 더욱 향상된 지르코늄 합금을 얻을 수 있다.The present invention relates to a zirconium alloy composition for a nuclear fuel cladding tube and a method for manufacturing the same, specifically, 0.8-1.2 wt% of niobium (Nb), 0.1-0.3 wt% of copper (Cu), 600-1400 ppm of oxygen (O) and the balance of zirconium. (Zr) alloy of the present invention and niobium (Nb) 0.8-1.2 wt%, tin (Sn) 0.8-1.2 wt%, iron (Fe) 0.2-0.4 wt%, copper (Cu) 0.1-0.3 wt% The alloy of the present invention, consisting of 600-1400 ppm of oxygen (O) and the balance of zirconium (Zr), can be usefully used as fuel cladding, support grids and structures within the reactor core of light and heavy water reactors. According to the production method of the present invention in which the β-heat treatment (beta heat treatment) and cold working are performed in order before the final heat treatment at 450 to 600 ° C. for 10 to 100 hours to manufacture the alloy, a zirconium alloy with improved corrosion resistance can be obtained. have.

Description

핵연료 피복관용 지르코늄 합금조성물 및 제조방법{New zirconium alloys for fuel rod cladding and process for manufacturing thereof}New zirconium alloys for fuel rod cladding and process for manufacturing description

본 발명은 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물들 및 그들의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로 니오븀(Nb) 0.8-1.2 중량%, 구리(Cu) 0.1-0.3 중량%, 산소(O) 600-1400 ppm 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 구성된 합금조성물 그리고 니오븀(Nb) 0.8-1.2 중량%, 주석(Sn) 0.8-1.2 중량%, 철(Fe) 0.2-0.4 중량%, 구리(Cu) 0.1-0.3 중량%, 산소(O) 600-1400 ppm 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 구성되는 합금조성물들 그리고 최종 열처리 전에 β-열처리(베타 열처리)와 냉간 가공을 순서대로 실시한 450∼600 ℃ 온도에서 10∼100시간 동안 최종 열처리하여 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to zirconium alloy compositions for nuclear fuel cladding and to a method of manufacturing the same, specifically, 0.8-1.2 wt% niobium (Nb), 0.1-0.3 wt% copper (Cu), 600-1400 ppm oxygen (O) and the balance Alloy composition composed of zirconium (Zr) and 0.8-1.2 wt% of niobium (Nb), 0.8-1.2 wt% of tin (Sn), 0.2-0.4 wt% of iron (Fe), 0.1-0.3 wt% of copper (Cu), and oxygen (O) Final heat treatment for 10 to 100 hours at an alloy composition consisting of 600-1400 ppm and residual zirconium (Zr) and 450-600 ° C. temperature in which β-heat treatment (beta heat treatment) and cold working were performed in sequence before final heat treatment. The present invention relates to a method for producing an alloy.

지르코늄 합금은 낮은 중성자 흡수단면적과 우수한 내식성 및 기계적 특성 때문에 원자로심 내에서 핵연료피복관 및 구조물 재료로 광범위하게 사용되고 있는데, 현재까지 개발된 지르코늄 합금 중에서 지르칼로이(Zircaloy)-2와 지르칼로이-4 합금이 가장 널리 사용되고 있다. 지르칼로이계 합금의 개발은 ASTM STP-368 (p. 3-27, 1963)에 자세히 서술되어 있다. 이 문헌에서 지르칼로이-1(Sn:2.5%, Zr:balance), 지르칼로이-2(Sn:1.20-1.70%, Fe:0.07-0.20%, Cr:0.05-1.15%, Ni:0.03-0.08%, O:900-1500ppm, Zr:잔부, 여기서 (Fe+Cr+Ni):0.16-1.70%), 지르칼로이-3A(Sn:2.5%, Fe:0.25%, Zr:잔부), 지르칼로이-3B(Sn:0.5%, Fe:0.4%, Zr:잔부), 지르칼로이-3C(Sn:0.5%, Fe:0.2%, Ni:0.2%, Zr:잔부), 지르칼로이-4(Sn:1.20-1.70%, Fe:0.18-0.24%, Cr:0.07-0.13%, O:900-1500ppm, Ni:<0.007%, 여기서 (Fe+Cr):0.28- 0.24%) 등의 여러 가지 지르칼로이계 합금을 소개하고 있다. 그러나 지르칼로이-2와 지르칼로이-4를 제외한 합금은 기계적 강도와 노 내에서 부식특성이 나빠서 상용화되지 못하였다. 전술한 ASTM STP-368에 따르면 합금원소의 역할 및 효과가 다르다고 기재되어 있는데, Sn은 기계적 특성을 향상시키거나 스펀지(sponge) 지르코늄에 포함되어 있는 질소에 의해 유발될 수 있는 부식저항성의 악영향을 제거하기 위하여 첨가되며, Fe, Cr 및 Ni의 첨가는 부식저항성을 향상시키려는 것이 주된 목적이다.Zirconium alloys are widely used as fuel cladding and structural materials in nuclear reactor cores due to their low neutron absorption area and excellent corrosion resistance and mechanical properties. Most widely used. The development of zircaloy-based alloys is described in detail in ASTM STP-368 (p. 3-27, 1963). Zircaloy-1 (Sn: 2.5%, Zr: balance), Zircaloy-2 (Sn: 1.20-1.70%, Fe: 0.07-0.20%, Cr: 0.05-1.15%, Ni: 0.03-0.08% , O: 900-1500 ppm, Zr: residue, where (Fe + Cr + Ni): 0.16-1.70%), Zircaloy-3A (Sn: 2.5%, Fe: 0.25%, Zr: residue), Zircaloy-3B (Sn: 0.5%, Fe: 0.4%, Zr: remainder), Zircaloy-3C (Sn: 0.5%, Fe: 0.2%, Ni: 0.2%, Zr: remainder), Zircaloy-4 (Sn: 1.20- 1.70%, Fe: 0.18-0.24%, Cr: 0.07-0.13%, O: 900-1500 ppm, Ni: <0.007%, where (Fe + Cr): 0.28-0.24%) Introducing. However, alloys except Zircaloy-2 and Zircaloy-4 could not be commercialized due to poor mechanical strength and corrosion characteristics in the furnace. According to ASTM STP-368 described above, the role and effect of alloying elements is different, and Sn improves mechanical properties or removes the adverse effects of corrosion resistance that may be caused by nitrogen contained in sponge zirconium. In order to improve the corrosion resistance, the main purpose is to add Fe, Cr and Ni.

현재의 원자력 발전소의 가동조건은 기존의 지르칼로이-4 핵연료피복관 재료로는 극복하기 어려운 상황으로 발전하고 있는 추세이다. 즉 발전소의 경제성 향상을 위한 연소도의 증가, 운전온도의 상승 및 발전소의 1차 계통의 방사능 준위를 감소시키기 위하여 고 pH 운전으로 가동조건이 변함에 따라서 지르칼로이계 합금은 핵연료피복관 재료로 더 이상 사용이 어렵게 되었다. 따라서 많은 핵연료 관련 기관에서는 수 년 전부터 Zr 합금의 내식성과 강도를 향상시킬 수 있는 새로운 Zr 합금에 대하여 많은 연구를 수행하였다.Current operating conditions of nuclear power plants are developing into a situation that is difficult to overcome with conventional Zircaloy-4 fuel cladding materials. Zircaloy-based alloys are no longer used as fuel cladding materials as operating conditions change with high pH operation to increase combustion, increase operating temperature, and reduce the radiation levels of the primary system of the plant. It became difficult to use. Therefore, many nuclear fuel-related organizations have studied a lot of new Zr alloys for many years to improve the corrosion resistance and strength of Zr alloys.

미국특허 제 5254308호에서는 Sn 감소에 따른 기계적 특성을 유지시키기 위하여 Nb와 Fe를 첨가하였다. 이 합금은 0.45-0.75% Sn (전형적으로 0.6%), 0.4-0.53% Fe (전형적으로 0.45%), 0.2-0.3% Cr (전형적으로 0.25%), 0.3-0.5% Nb (전형적으로 0.45%), 0.012-0.03% Ni (전형적으로 0.02%), 50-200 ppm Si (전형적으로 100 ppm), 1000-2000 ppm 산소 (전형적으로 1600 ppm)로 구성되었다. 이때 Fe/Cr 비가 1.5가 되도록 하였으며, 첨가되는 Nb의 량은 수소흡수성에 영향을 주는 Fe의 첨가량에 따라 정하였고 Ni, Si, C, O의 첨가량은 우수한 부식저항성과 강도를 갖도록 결정되었다. 그리고 미국특허 제 5278882호에서는 Nb를 첨가하지 않고 0.4-1.0% Sn (전형적으로 0.5%), 0.3-0.6% Fe (전형적으로 0.46%), 0.2-0.4% Cr (전형적으로 0.23%), 0.012-0.03% Ni (전형적으로 0.02%), 50-200 ppm Si (전형적으로 100 ppm), 1200-2500 ppm 산소 (전형적으로 1800 ppm)로 구성되었는데, 이와 같은 높은 산소의 첨가는 수소의 흡수성을 감소하기 위하여 고려된 것이다. 미국특허 제 5334345호에서는 부식 및 수소흡수 저항성을 향상시키기 위하여 합금조성을 1.0-2.0% Sn, 0.07-0.70% Fe, 0.05-0.15% Cr, 0.16-0.40% Ni, 0.015-0.30% Nb (전형적으로 0.015-0.20%), 0.002-0.05% Si (전형적으로 0.015-0.05%), 900-1600 ppm 산소와 같이 구성하였다. 미국특허 제 5366690호에서는 Sn, N, Nb의 첨가량을 조절하여 합금조성을 0-1.50% Sn (전형적으로 0.6%), 0-0.24% Fe (전형적으로 0.12%), 0-0.15% Cr (전형적으로 0.10%), 0-2300 ppm N, 0-100 ppm Si (전형적으로 100 ppm), 0-1600 ppm 산소 (전형적으로 1200 ppm), 0-0.5% Nb (전형적으로 0.45%)으로 구성하였다.In US Pat. No. 5,254,308, Nb and Fe were added to maintain mechanical properties due to Sn reduction. This alloy contains 0.45-0.75% Sn (typically 0.6%), 0.4-0.53% Fe (typically 0.45%), 0.2-0.3% Cr (typically 0.25%), 0.3-0.5% Nb (typically 0.45%) , 0.012-0.03% Ni (typically 0.02%), 50-200 ppm Si (typically 100 ppm), and 1000-2000 ppm oxygen (typically 1600 ppm). At this time, the Fe / Cr ratio was 1.5, and the amount of Nb added was determined according to the amount of Fe affecting the hydrogen absorption, and the amount of Ni, Si, C, O was determined to have excellent corrosion resistance and strength. And US Pat. No. 5,278,882 discloses 0.4-1.0% Sn (typically 0.5%), 0.3-0.6% Fe (typically 0.46%), 0.2-0.4% Cr (typically 0.23%), 0.012- without adding Nb. Consists of 0.03% Ni (typically 0.02%), 50-200 ppm Si (typically 100 ppm) and 1200-2500 ppm oxygen (typically 1800 ppm). It is considered for. U.S. Patent No. 5334345 discloses alloy compositions of 1.0-2.0% Sn, 0.07-0.70% Fe, 0.05-0.15% Cr, 0.16-0.40% Ni, 0.015-0.30% Nb (typically 0.015) to improve corrosion and hydrogen absorption resistance. -0.20%), 0.002-0.05% Si (typically 0.015-0.05%), and 900-1600 ppm oxygen. U.S. Patent No. 5366690 controls the amount of Sn, N, and Nb added to produce alloy compositions of 0-1.50% Sn (typically 0.6%), 0-0.24% Fe (typically 0.12%), and 0-0.15% Cr (typically 0.10%), 0-2300 ppm N, 0-100 ppm Si (typically 100 ppm), 0-1600 ppm oxygen (typically 1200 ppm), 0-0.5% Nb (typically 0.45%).

미국특허 제 4863685호, 제 4986975호, 제 5024809호 및 제 5026516호는 0.5-2.0% Sn과 대략 0.5-1.0%의 다른 용질원자들이 들어 있는 Zr 합금에 대한 것이다. 이 합금들에는 0.09-0.16%의 산소가 함유되어 있다. 미국특허 제 4863685호에의 합금은 Sn 이외에 다른 용질원자들은 Mo, Te 그리고 그들의 혼합물이거나 Nb-Te, Nb-Mo로 구성되었다. 미국특허 제 4986975호의 합금조성은 Cu, Ni, Fe 용질원자의 함량을 0.24-0.40%로 제한하였고 Cu는 최소 0.05% 이상 첨가하여 구성하였다. 미국특허 제 5024809호와 제 5026516호에서는 용질원자의 첨가범위를 미국특허 제 4863685호와 동일하게 0.5-1.0%로 하였고, Bi 또는 (Bi+Sn)을 0.5-2.5%로 첨가하였으며 다른 용질원자는 Mo, Nb, Te 이었다.US 4863685, 4986975, 5024809 and 5026516 are for Zr alloys containing 0.5-2.0% Sn and approximately 0.5-1.0% of other solute atoms. These alloys contain 0.09-0.16% oxygen. The alloy of US Pat. No. 48,636,85 is composed of Mo, Te and mixtures thereof or Nb-Te, Nb-Mo in addition to Sn. The alloy composition of US Pat. No. 4986975 limited the content of Cu, Ni, Fe solute atoms to 0.24-0.40%, and Cu was added by adding at least 0.05%. In US Patent Nos. 5024809 and 5026516, the range of addition of solute atoms was 0.5-1.0%, the same as US Pat. No. 4863685, and Bi or (Bi + Sn) was added in 0.5-2.5%. Mo, Nb, Te.

미국특허 제 4938920호에서는 지르칼로이-4를 개선하여 부식저항성이 보다 나은 합금을 개발하고자 Sn을 0-0.8%로 감소시키고 0-0.3% V과 0-1%Nb를 첨가하였다. 이때 Fe의 첨가범위는 0.2-0.8%이고 Cr은 0-0.4% 이었으며, (Fe+Cr+V)의 범위는 0.25-1.0%로 제한하였다. 또한 첨가된 산소의 범위는 1000-1600 ppm이었다. 400℃ 증기분위기에서 200일 동안 부식시험하였을 때 0.8Sn-0.22Fe-0.11Cr-0.14-O, 0.4Nb-0.67Fe-0.33Cr-0.15O, 0.75Fe-0.25V-0.1O와 0.25Sn-0.2Fe-0.15V-0.1O의 조성을 갖는 합금의 부식량은 지르칼로이-4의 약 60% 정도로 매우 우수했고, 인장강도는 지르칼로이-4와 유사하였다. 미국특허 제 4735768호는 이중(duplex) 형태의 피복관과 관련된 것이다. 즉 크립(creep) 저항성이 우수한 제 1 합금(first alloy)의 외부에 부식저항성이 우수한 제 2 합금(second alloy)을 전체 피복관 두께의 5-20% 정도로 결합시켜 피복관의 수명을 연장시키고자 하였다. 부식저항성을 향상시키려는 외부층은 Fe를 0-1.0%로 제한하고 V(0.1-1%), Pt(0.1-1%), Cu(1-3%) 중에서 하나를 첨가하였다.In US Patent No. 4938920, Sn was reduced to 0-0.8% and 0-0.3% V and 0-1% Nb were added to develop Zircaloy-4 to develop an alloy with better corrosion resistance. At this time, the addition range of Fe was 0.2-0.8% and Cr was 0-0.4%, and the range of (Fe + Cr + V) was limited to 0.25-1.0%. In addition, the range of oxygen added was 1000-1600 ppm. 0.8Sn-0.22Fe-0.11Cr-0.14-O, 0.4Nb-0.67Fe-0.33Cr-0.15O, 0.75Fe-0.25V-0.1O and 0.25Sn-0.2 after 200 days of corrosion test in 400 ℃ steam atmosphere The corrosion of the alloy having a composition of Fe-0.15V-0.1O was very good, about 60% of Zircaloy-4, and the tensile strength was similar to that of Zircaloy-4. U.S. Patent No. 4735768 relates to a sheath of duplex type. That is, a second alloy having excellent corrosion resistance is bonded to the outside of the first alloy having excellent creep resistance to about 5-20% of the thickness of the entire coating tube to extend the life of the coating tube. The outer layer to improve the corrosion resistance was limited to Fe 0-1.0% and added one of V (0.1-1%), Pt (0.1-1%), Cu (1-3%).

미국특허 제 4963323호에서는 내부식성이 향상된 핵연료 피복관 재료를 개발하기 위하여 기존의 지르칼로이-4의 합금 성분을 수정하고자 하였다. 즉 Sn의 함량을 줄이고, Nb를 첨가하여 Sn의 감소를 보상하고 질소를 60 ppm이하로 제어하여 합금조성을 설계하였다. 따라서 Sn: 0.2-1.15%, Fe: 0.19-0.6% (바람직하게는 0.19-0.24%), Cr: 0.07-0.4%(바람직하게는 0.07-0.13%), Nb: 0.05-0.5%, N: ≤60 ppm 으로 구성된 Zr 합금이었다. 미국특허 제 5017336호에서는 Nb, Ta, V, Mo를 첨가하여 기존의 지르칼로이-4의 합금 성분을 수정하고자 하였는데, 합금조성 범위는 Sn: 0.2-0.9%, Fe: 0.18-0.6%, Cr: 0.07-0.4%, Nb: 0.05-0.5%, Ta: 0.01-0.2%, V: 0.05-1%, Mo: 0.05-1%으로 이루어진 Zr 기재(base) 합금이었다. 미국특허 제 5196163호에서도 기존의 지르칼로이-4 합금성분의 Sn, Fe, Cr 뿐만 아니라 추가로 Ta을 첨가하고, Nb를 선택적으로 첨가한 Zr합금(Sn: 0.2-1.15%, Fe: 0.19-0.6%(바람직하게는 0.19-0.24%), Cr: 0.07-0.4%(바람직하게는 0.07-0.13%), Ta: 0.01-0.2 %, Nb: 0.05-0.5%, N: ≤60 ppm)을 기재하고 있다.In US Patent No. 4963323, an attempt was made to modify an existing alloy component of Zircaloy-4 in order to develop a fuel cladding material having improved corrosion resistance. In other words, the alloy composition was designed by reducing the content of Sn, compensating for the reduction of Sn by adding Nb, and controlling nitrogen below 60 ppm. Sn: 0.2-1.15%, Fe: 0.19-0.6% (preferably 0.19-0.24%), Cr: 0.07-0.4% (preferably 0.07-0.13%), Nb: 0.05-0.5%, N: ≤ It was a Zr alloy composed of 60 ppm. In US Patent No. 5017336, Nb, Ta, V, Mo was added to modify the existing alloy components of Zircaloy-4, alloy composition range of Sn: 0.2-0.9%, Fe: 0.18-0.6%, Cr: Zr base alloy consisting of 0.07-0.4%, Nb: 0.05-0.5%, Ta: 0.01-0.2%, V: 0.05-1%, Mo: 0.05-1%. U.S. Patent No. 5196163 also shows Zr alloys (Sn: 0.2-1.15%, Fe: 0.19-0.6) in which Ta is added and Nb is selectively added as well as Sn, Fe, and Cr of the existing Zircaloy-4 alloying components. % (Preferably 0.19-0.24%), Cr: 0.07-0.4% (preferably 0.07-0.13%), Ta: 0.01-0.2%, Nb: 0.05-0.5%, N: ≤ 60 ppm) have.

미국특허 제 5560790호에서는 0.5-1.5% Nb, 0.9-1.5% Sn, 0.3-0.6% Fe, 0.005-0.2% Cr, 0.005-0.04% C, 0.05-0.15% O, 0.005-0.15% Si으로 이루어진 합금조성을 청구하고 있다. 이 특허에서 Sn이나 Fe를 함유한 석출상(Zr(Nb,Fe)2, Zr(Fe,Cr,Nb), (Zr,Nb)3Fe) 사이의 거리를 0.20-0.40 ㎛로 하고, Fe를 함유한 석출상을 전체 석출상을 60 vol.%로 제한하였다.U.S. Patent 5560790 discloses an alloy consisting of 0.5-1.5% Nb, 0.9-1.5% Sn, 0.3-0.6% Fe, 0.005-0.2% Cr, 0.005-0.04% C, 0.05-0.15% O, 0.005-0.15% Si I ask for the furtherance. In this patent, the distance between Sn or Fe-containing precipitated phases (Zr (Nb, Fe) 2 , Zr (Fe, Cr, Nb), (Zr, Nb) 3 Fe) is set to 0.20-0.40 μm, and Fe is The precipitated phase contained was limited to 60 vol.% Of the total precipitated phase.

한편 미국특허 제 5125985호에서는 주 합금원소 조성범위를 0.5-2.0Nb, 0.7-1.5Sn, 0.07-0.28(Fe, Ni, Cr 중 한가지 이상)로 갖는 합금에 대하여 여러 제조과정을 이용하여 재료의 크립 특성을 조절할 수 있었다. 제조과정의 특징 중의 하나는 중반부에 β-급냉 열처리를 도입하는 것이었다.US Pat. No. 5125985, on the other hand, creep materials using various manufacturing processes for alloys with a composition range of 0.5-2.0Nb, 0.7-1.5Sn and 0.07-0.28 (at least one of Fe, Ni and Cr). The characteristics could be adjusted. One of the features of the manufacturing process was the introduction of β-quench heat treatment in the middle.

일반적으로 열중성자를 이용하는 원자력발전소(예, 가압경수로, 비등경수로, 가압중수로)의 원자로심은 고온의 경수나 중수가 냉각재나 중성자 감속재 역할을 하면서 순환하게 된다. Zr 합금의 피복관은 열을 발생시키는 UO2핵연료를 싸고 있다. 이와 같이 Zr 합금이 핵연료피복관으로 사용 가능한 이유는 중성자 흡수단면적이 적고 원자로 가동온도에서 부식저항성이 비교적 우수하기 때문이다. 현재 핵연료피복관 재료로 사용되고 있는 Zr 합금은 Sn, Fe, Cr, Ni이 첨가된 지르칼로이계 합금이다.In general, the reactor core of a nuclear power plant using thermal neutrons (eg, pressurized water reactor, boiling water reactor, pressurized water reactor) is circulated with high temperature hard water or heavy water as a coolant or neutron moderator. A sheath of Zr alloy encloses a heat generating UO 2 nuclear fuel. The reason why the Zr alloy can be used as a fuel cladding tube is because the neutron absorption cross section is small and the corrosion resistance at the reactor operating temperature is relatively excellent. Zr alloys currently used as fuel cladding materials are Zircaloy-based alloys containing Sn, Fe, Cr, and Ni.

그러나 발전소의 경제성 향상을 위하여 핵연료의 장전주기가 길어지고 목표 연소도가 증가되고 있는 추세를 고려할 때 기존의 지르칼로이계 합금은 사용의 한계에 도달하고 있으며, 특히 고연소도에서 부식저항성이 급격히 감소하여 더 이상 핵연료의 건전성을 확보할 수가 없다. 따라서 이와 같은 발전소 환경에서도 사용 가능하도록 부식저항성과 강도를 향상시킨 Zr 합금의 개발이 절실한 실정이이며, 부식저항성과 강도가 기존의 지르칼로이계 합금 보다 향상된 Zr 합금을 얻기 위하여 가공조건과 열처리 조건을 최적화 시키기도 하였으며, 앞에서 언급한 여러 가지 특허에서와 같이 첨가원소의 종류와 량을 변화시키기도 하였다.However, considering the trend of longer nuclear fuel loading and increased target combustion for improving the economics of power plants, the existing zircal alloys are reaching the limit of their use. It is no longer possible to ensure the health of nuclear fuel. Therefore, the development of Zr alloy with improved corrosion resistance and strength to be used in such a power plant environment is urgently needed. In order to obtain a Zr alloy with improved corrosion resistance and strength than the existing zircal alloy alloy, processing conditions and heat treatment conditions are required. In some cases, as in the aforementioned patents, the type and amount of added elements were changed.

이에 본 발명자들은 부식저항성과 강도를 향상시킨 새로운 Zr 합금을 개발하기 위하여 연구를 수행하여 오던 중, 경수로 및 중수로형 원자력 발전소의 원자로심 내에서 우수한 부식저항성을 가질 것으로 예상되는 Zr-1Nb-0.2Cu 지르코늄 합금 및 Zr-1Nb-1Sn-0.3Fe-0.1Cu 지르코늄 합금 그리고 우수한 내식성을 얻기 위한 제조공정을 개발하여 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have been conducting research to develop a new Zr alloy with improved corrosion resistance and strength, and Zr-1Nb-0.2Cu, which is expected to have excellent corrosion resistance in the reactor core of a light water reactor and a heavy water reactor type nuclear power plant. Zirconium alloy and Zr-1Nb-1Sn-0.3Fe-0.1Cu zirconium alloy and manufacturing process for obtaining excellent corrosion resistance were developed to complete the present invention.

본 발명의 목적은 부식 저항성이 우수한 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물들 및 그들의 제조방법을 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide zirconium alloy compositions for nuclear fuel cladding with excellent corrosion resistance and methods for their preparation.

도 1은 본 발명의 제조공정(제조공정 2)과 비교예의 제조공정(제조공정 1)을 나타낸 공정도이고, 1 is a process diagram showing a manufacturing process (manufacturing process 2) of the present invention and a manufacturing process (manufacturing process 1) of a comparative example,

도 2a는 Zr-1% Nb-0.2% Cu 합금의 부식에 미치는 열처리의 영향을 나타낸 그래프이고, 2A is a graph showing the effect of heat treatment on the corrosion of Zr-1% Nb-0.2% Cu alloy;

--■-- : 비교예 1 --●-- : 비교예 2-■-: Comparative Example 1-●-: Comparative Example 2

--▲-- : 실시예 1 --▼-- : 실시예 2-▲-: Example 1-▼-: Example 2

------ : 지르칼로이-4-관------: Zircaloy-4-tube

도 2b는 Zr-1% Nb-1% Sn- 0.3% Fe- 0.1% Cu 합금의 부식에 미치는 열처리의 영향을 나타낸 그래프이고, 2b is a graph showing the effect of heat treatment on the corrosion of Zr-1% Nb-1% Sn-0.3% Fe-0.1% Cu alloy;

--▲-- : 실시예 3 --▼-- : 실시예 4-▲-: Example 3-▼-: Example 4

도 3은 Zr-1% Nb-0.2% Cu 합금의 열처리에 따란 경도값의 변화를 나타낸 그래프이고, 3 is a graph showing the change in hardness value according to the heat treatment of Zr-1% Nb-0.2% Cu alloy,

--■-- : 비교예 1 --●-- : 비교예 2-■-: Comparative Example 1-●-: Comparative Example 2

--▲-- : 실시예 1 --▼-- : 실시예 2-▲-: Example 1-▼-: Example 2

도 4는 3시간 동안 열처리한 시편에서 형성된 석출물의 SEM 조직 사진을 나타낸 것으로, Figure 4 shows a SEM micrograph of the precipitate formed in the specimen heat-treated for 3 hours,

도 4a : 비교예 1, 도 4b : 비교예 2, 도 4c : 실시예 1, 도 4d : 실시예 2Fig. 4A: Comparative Example 1, Fig. 4B: Comparative Example 2, Fig. 4C: Example 1, Fig. 4D: Example 2

도 5는 50시간 동안 열처리한 시편의 TEM 조직 사진을 나타낸 것이고, Figure 5 shows a TEM tissue picture of the specimen heat-treated for 50 hours,

도 5a : 실시예 1, 도 5b : 실시예 25A: Example 1, FIG. 5B: Example 2

도 6은 실시예 2의 제조방법에 의해 580 ℃에서 30분간 열처리한 시편의 전형적인 석출물과 그의 EDS 분석결과를 나타낸 것이고, FIG. 6 shows typical precipitates and EDS analysis results of specimens heat-treated at 580 ° C. for 30 minutes by the preparation method of Example 2. FIG.

도 6a 및 도 6b : 석출물, 도 6c : EDS 분석 결과Figure 6a and 6b: precipitates, Figure 6c: EDS analysis results

도 7은 실시예 2의 제조방법에 의해 580 ℃에서 50시간 동안 열처리한 시편의 전형적인 석출물과 그의 EDS 분석결과를 나타낸 것이고, 7 shows typical precipitates and EDS analysis results of specimens heat-treated at 580 ° C. for 50 hours by the preparation method of Example 2;

도 7a : 석출물, 도 7b 및 도 7c : EDS 분석 결과Figure 7a: precipitates, Figure 7b and Figure 7c: EDS analysis results

도 8은 실시예 1의 제조방법에 의해 480 ℃에서 30분간 열처리한 시편의 전형적인 석출물과 그의 EDS 분석결과를 나타낸 것이고, 8 shows typical precipitates and EDS analysis results of specimens heat-treated at 480 ° C. for 30 minutes by the method of Example 1,

도 8a : 석출물, 도 8b 및 도 8c : EDS 분석 결과Figure 8a: precipitates, Figure 8b and Figure 8c: EDS analysis results

도 9은 실시예 4의 제조방법에 의해 580 ℃에서 30분과 50시간 동안 열처리한 시편의 전형적인 석출물과 그의 EDS 분석결과를 나타낸 것이고, 9 shows typical precipitates and EDS analysis results of specimens heat-treated at 580 ° C. for 30 minutes and 50 hours by the method of Example 4,

도 9a : 석출물(30분 열처리), 도 9b : 석출물(50시간 열처리),Figure 9a: precipitate (30 minutes heat treatment), Figure 9b: precipitate (50 hours heat treatment),

도 9c : EDS 분석 결과9c: EDS analysis results

도 10은 실시예 3의 제조방법에 의해 480 ℃에서 50시간 동안 열처리한 시편의 전형적인 석출물과 그의 EDS 분석결과를 나타낸 것이다. FIG. 10 shows typical precipitates and EDS analysis results of specimens heat-treated at 480 ° C. for 50 hours by the preparation method of Example 3. FIG.

도 10a : 석출물, 도 10b : EDS 분석 결과Figure 10a: precipitates, Figure 10b: EDS analysis results

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 Nb 0.8-1.2 중량%, Cu 0.1-0.3 중량%, O 600-1400 ppm 및 잔부 Zr으로 구성되는 합금 조성물 그리고 Nb 0.8-1.2 중량%, Sn 0.8-1.2 중량%, Fe 0.2-0.4 중량%, Cu 0.1-0.3 중량%, O 600-1400 ppm 및 잔부 Zr으로 구성되는 합금조성물 그리고 최종 열처리 전에 β-열처리와 냉간 가공을 순서대로 실시하는 지르코늄 합금의 제조방법을 제공한다.In order to achieve the above object, in the present invention, an alloy composition composed of Nb 0.8-1.2 wt%, Cu 0.1-0.3 wt%, O 600-1400 ppm and the balance Zr and Nb 0.8-1.2 wt%, Sn 0.8-1.2 wt% , Alloy composition consisting of 0.2-0.4 wt% Fe, 0.1-0.3 wt% Cu, 600-1400 ppm O and balance Zr, and a method for producing a zirconium alloy in which β-heat treatment and cold working are performed sequentially before final heat treatment. do.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

고연소도 피복관에서 가장 큰 걸림돌로 작용하는 것은 부식가속 현상이며, 그 다음으로 문제가 되는 것은 중성자조사에 의해 발생되는 크립 현상이다. 본 발명에서는 이러한 현상 중에서 고연소도 피복관의 내부식성을 향상시키는데 주안점을 두고 합금을 개발하였다. 우선 합금원소의 선정을 위하여 중성자 효과, 제조 단가, 가공성, 모상 Zr과의 합금성을 먼저 고려하고, 지금까지 발표된 문헌조사를 근거로 각각의 첨가원소가 내식성, 기계적 특성, 크립 특성에 어떻게 영향을 미치는가를 면밀히 검토하여 이를 근거로 본 발명의 합금을 설계하였다. 또한 합금의 내식성은 제조과정 중의 가공이나 열처리 등에 의하여 변화하는 미세조직에 밀접한 관계가 있으므로 부식시험과 조직관찰 등을 통해 합금의 제조공정을 최적화하였다.The biggest stumbling block in high-combustion cladding is corrosion acceleration, and the next problem is creep caused by neutron irradiation. In the present invention, the alloy was developed with the focus on improving the corrosion resistance of the high-combustion cladding tube among these phenomena. First of all, in order to select alloying elements, neutron effect, manufacturing cost, processability, alloying properties with parent Zr are considered first, and based on the literature studies published so far, how each additive element affects corrosion resistance, mechanical properties, and creep characteristics. The alloy of the present invention was designed based on this study. In addition, the corrosion resistance of the alloy is closely related to the microstructure that is changed by processing or heat treatment during the manufacturing process, and thus the alloy manufacturing process is optimized through corrosion test and structure observation.

본 발명에서는 Nb 0.8-1.2 중량%, Cu 0.1-0.3 중량%, O 600-1400 ppm 및 잔부 Zr으로 구성되는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물을 제공하는데, Nb 1.0 중량%, Cu 0.2 중량%, 산소 600-1400 ppm 및 잔부 Zr의 구성이 가장 바람직하다.The present invention provides a zirconium alloy composition for nuclear fuel cladding consisting of Nb 0.8-1.2 wt%, Cu 0.1-0.3 wt%, O 600-1400 ppm and the balance Zr, 1.0 wt% Nb, 0.2 wt% Cu, 600 oxygen Most preferred is the configuration of -1400 ppm and the balance Zr.

또한 본 발명에서는 Nb 0.8-1.2 중량%, Sn 0.8-1.2 중량%, Fe 0.2-0.4 중량%, Cu 0.1-0.3 중량%, O 600-1400 ppm 및 잔부 Zr으로 구성되는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물을 제공하는데, Nb 1.0 중량%, Sn 1.0 중량%, Fe 0.3 중량%, Cu 0.1 중량%, 산소 600-1400 ppm 및 잔부 Zr의 구성이 가장 바람직하다.In addition, in the present invention, a zirconium alloy composition for a nuclear fuel cladding tube comprising Nb 0.8-1.2 wt%, Sn 0.8-1.2 wt%, Fe 0.2-0.4 wt%, Cu 0.1-0.3 wt%, O 600-1400 ppm and the balance Zr Most preferably, the composition of 1.0 wt% Nb, 1.0 wt% Sn, 0.3 wt% Fe, 0.1 wt% Cu, 600-1400 ppm oxygen and the balance Zr.

또한 본 발명에서는 제 1항의 합금 조성물을 제조하는 방법을 제공하는데, 본 발명의 제조방법은 최종 열처리 전에 β-열처리와 냉간 가공을 순서대로 실시한 다음 450∼600 ℃ 온도에서 10∼100시간 동안 최종 열처리하는 것(후술하는 제 6단계∼제 8단계)에 가장 큰 특징이 있다.In addition, the present invention provides a method for producing the alloy composition of claim 1, the method of the present invention is subjected to β-heat treatment and cold working in order before the final heat treatment, and then the final heat treatment for 10 to 100 hours at 450 ~ 600 ℃ temperature (The sixth to eighth steps described later) has the greatest feature.

본 발명의 지르코늄 합금 조성물의 제조방법은 구체적으로 상기 본 발명의 조성을 가지는 각각의 금속을 용해하는 단계 (제 1단계); β-열처리하는 단계 (제2단계); 열간 압연하는 단계 (제 3단계); 열처리하는 단계 (제 4단계); 1차 냉간 압연하는 단계 (제 5단계); β-열처리하는 단계 (제 6단계); 2차 냉간 압연하는 단계 (제 7단계) 및 최종 열처리하는 단계 (제 8단계)로 이루어진다.The method for producing a zirconium alloy composition of the present invention specifically comprises the steps of dissolving each metal having the composition of the present invention (first step); β-heat treatment (second step); Hot rolling (third step); Heat treatment step (fourth step); First cold rolling (fifth step); β-heat treatment step (sixth step); The second cold rolling step (seventh step) and the final heat treatment step (eighth step).

이 때 상기 과정은 본 발명의 조성을 가지는 각각의 금속을 용해하는 단계 (제 1단계); 1000∼1100 ℃의 온도에서 10∼30분간 β-열처리하는 단계 (제 2단계); 670∼690 ℃ 온도에서 10∼30분간 예열한 다음 50∼80%의 압하율로 열간 압연하는 단계 (제 3단계); 670∼690 ℃ 온도에서 1∼3 시간 동안 열처리하는 단계 (제 4단계); 40∼60%의 압하율로 1차 냉간 압연하는 단계 (제 5단계); 1000∼1100 ℃의 온도에서 10∼30분간 β-열처리하는 단계 (제 6단계); 40∼60%의 압하율로 2차 냉간 압연하는 단계 (제 7단계) 및 450∼600 ℃ 온도에서 10∼100시간 동안 최종 열처리하는 단계 (제 8단계)로 진행되는 것이 바람직하다.At this time, the process is the step of dissolving each metal having a composition of the present invention (first step); Β-heat treatment at a temperature of 1000 to 1100 ° C. for 10 to 30 minutes (second step); Preheating at 670-690 ° C. for 10-30 minutes and then hot rolling at a reduction ratio of 50-80% (third step); Heat treatment at 670-690 ° C. for 1-3 hours (fourth step); Primary cold rolling at a reduction ratio of 40 to 60% (fifth step); Β-heat treatment at a temperature of 1000 to 1100 ° C. for 10 to 30 minutes (sixth step); It is preferred to proceed to the second cold rolling step (seventh step) at a reduction ratio of 40 to 60% and the final heat treatment (step 8 step) at a temperature of 450 to 600 ° C. for 10 to 100 hours.

상기 본 발명의 조성 및 제조방법에 의하여 제조된 지르코늄 합금 조성물들은 부식 저항성이 우수하여 경수로 및 중수로형 원자력 발전소의 원자로심 내에서 핵연료 피복관뿐만 아니라 지지격자 및 기타 구조물로 유용하게 사용될 수 있다.The zirconium alloy compositions prepared by the composition and method of the present invention are excellent in corrosion resistance and can be usefully used as support grids and other structures in nuclear reactor cladding as well as nuclear fuel cladding in the reactor core of a light water reactor and a heavy water reactor type nuclear power plant.

이하 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 단 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by examples. However, the following examples are only for exemplifying the present invention, and the present invention is not limited by the examples.

실시예 1. 지르코늄 합금 조성물의 제조 (1)Example 1 Preparation of Zirconium Alloy Compositions (1)

Nb 1.0중량%, Cu 0.2중량%, 산소 600-1400 ppm 및 잔부 Zr으로 구성되도록 본 발명의 합금을 하기와 같은 순서로 제조하였다.The alloy of the present invention was prepared in the following order to consist of 1.0% by weight of Nb, 0.2% by weight of Cu, 600-1400 ppm of oxygen and the balance Zr.

(1) 잉곳(Ingot) 제조(1) Ingot manufacturing

VAR(vacuum arc remelting) 방법을 이용하여 200 g의 소형 잉곳을 제조하였다. 불순물이 편석되거나 합금조성이 불균일하게 분포하는 것을 방지하기 위해 5회의 반복용해를 실시하였다. 용해시 산화되는 것을 방지하기 위하여 1x10-4torr까지 진공을 충분히 뽑은 다음 챔버 내에 Ar 가스를 주입하여 2x10-1torr 정도의 약한 부압상태에서 인가전류 500 A, 냉각수 압력은 1 kgf/cm2, 직경 60 mm의 수냉 구리 도가니에서 용해를 약 3.5분 동안 실시하였다. 용해 후 시편이 냉각되는 동안 시편표면의 산화를 억제하기 위하여 진공을 다시 1x10-4torr로 유지한 후 Ar 가스를 주입하여 냉각시켰다.Small ingots of 200 g were prepared by using a vacuum arc remelting (VAR) method. Five repeated dissolutions were performed to prevent impurities from segregating or unevenly distributed alloy composition. In order to prevent oxidation during dissolution, vacuum is sufficiently drawn up to 1x10 -4 torr and then Ar gas is injected into the chamber to apply 500 A of applied current at a weak negative pressure of 2x10 -1 torr, and the cooling water pressure is 1 kg f / cm 2 , Dissolution was carried out in a water-cooled copper crucible 60 mm in diameter for about 3.5 minutes. After dissolution, in order to suppress oxidation of the surface of the specimen while the specimen was cooled, the vacuum was maintained at 1 × 10 −4 torr and then cooled by injecting Ar gas.

(2) β-열처리(2) β-heat treatment

β 영역에서 용체화 처리하여 잉곳 내의 합금조성을 균질화 하기 위하여 β-열처리를 수행하였다. 시편의 산화방지를 위하여 1 mm두께의 스테인레스 판으로 시편을 피복하여 1050 ℃에서 20분 동안 유지한 후 100 L 물이 담긴 욕조에 떨어뜨린 뒤 봉으로 교반하여 수냉시켰다. 그리고 피복 내부에 잔류하는 수분을 제거하기 위하여 150 ℃에서 24 시간 동안 충분히 건조하였다.β-heat treatment was performed to homogenize the alloy composition in the ingot by solution treatment in the β region. In order to prevent oxidation of the specimen, the specimen was coated with a 1 mm thick stainless steel plate and maintained at 1050 ° C. for 20 minutes, dropped into a bath containing 100 L water, and stirred with a rod to cool water. And sufficiently dried for 24 hours at 150 ℃ to remove the moisture remaining in the coating.

(3) 열간 압연 및 열처리(3) hot rolling and heat treatment

열간 압연은 100 ton 규모의 압연기를 사용하여 실시하였다. 680 ℃에서 20분 동안 예열한 후 1 패스(pass)에 약 70 %의 압하율로 압연하였다. 열간 압연 후 클래딩(cladding)을 제거한 후 불산 : 질산 : 물 = 5 : 45 : 50의 부피비의 산세용액을 이용하여 β-열처리나 열간 압연시 발생한 산화막을 제거하였다. 또한 산세 후에도 국부적으로 남아 있는 산화막은 전동 와이어 브러시(wire brush)를 이용하여 기계적으로 완전히 제거하였다.Hot rolling was performed using the rolling mill of 100 ton scale. After preheating at 680 ° C. for 20 minutes, it was rolled in a pass rate of about 70% in one pass. After the hot rolling, the cladding was removed and the oxide film generated during β-heat treatment or hot rolling was removed using a pickling solution having a volume ratio of hydrofluoric acid: nitric acid: water = 5: 45: 50. In addition, the oxide film remaining locally after pickling was completely removed mechanically using an electric wire brush.

(4) 냉간 압연 및 열처리(4) cold rolling and heat treatment

열간 압연 후 잔류하는 응력을 제거하고 1차 냉간 가공시 시편의 파손을 막기 위하여 680 ℃에서 2 시간 동안 소둔 한 후 70 ton 용량의 압연기를 이용하여 1 패스에 약 0.5 mm 두께감소로 50 % 압하율로 1차 냉간 압연을 수행하였다. 그런 다음 도 1의 제조공정 2와 같이 1050 ℃에서 20분간 β-열처리를 수행하였고 30 %의 압하율로 2차 냉간 압연을 하였다. 다음 마지막 열처리는 480 ℃ 온도에서 500 시간까지 수행하였다.In order to remove the residual stress after hot rolling and to prevent the specimen from being damaged during the first cold working, it was annealed at 680 ° C for 2 hours and then reduced by 50% by a 0.5 mm thickness reduction in a pass using a 70 ton rolling mill. First cold rolling was carried out. Then, β-heat treatment was performed at 1050 ° C. for 20 minutes as in Preparation Step 2 of FIG. 1, and the second cold rolling was performed at a reduction ratio of 30%. The last heat treatment was then performed at 480 ° C. for up to 500 hours.

실시예 2. 지르코늄 합금 조성물의 제조 (2)Example 2. Preparation of Zirconium Alloy Compositions (2)

마지막 열처리를 580 ℃ 온도에서 500 시간까지 수행하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 조성의 합금 성분으로 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여지르코늄 합금 조성물을 제조하였다.A zirconium alloy composition was manufactured using the same method as in Example 1, except that the final heat treatment was performed at a temperature of 580 ° C. for up to 500 hours.

실시예 3. 지르코늄 합금 조성물의 제조 (3)Example 3 Preparation of Zirconium Alloy Compositions (3)

합금의 조성이 Nb 1.0중량%, Sn 1.0중량%, Fe 0.3중량%, Cu 0.1중량%, 산소 600-1400 ppm 및 잔부 Zr으로 구성되도록 하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법을 이용하여 지르코늄 합금 조성물을 제조하였다.Zirconium using the same method as in Example 1, except that the composition of the alloy is composed of 1.0 wt% Nb, 1.0 wt% Sn, 0.3 wt% Fe, 0.1 wt% Cu, 600-1400 ppm oxygen and the balance Zr. An alloy composition was prepared.

실시예 4. 지르코늄 합금 조성물의 제조 (4)Example 4 Preparation of Zirconium Alloy Compositions (4)

마지막 열처리를 580 ℃ 온도에서 500 시간까지 수행하는 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 조성의 합금 성분으로 실시예 2와 동일한 방법을 이용하여 지르코늄 합금 조성물을 제조하였다.A zirconium alloy composition was manufactured using the same method as in Example 2, except that the final heat treatment was performed at a temperature of 580 ° C. for up to 500 hours.

비교예 1 및 2Comparative Examples 1 and 2

도 1의 제조공정 1에서 보여 주는 바와 같이 1 차 냉간 압연 후 580 ℃에서 2 시간 동안 중간 재결정 열처리를 한 후 압하율 50 %로 2차 냉간 압연을 수행하였고 1050 ℃ 온도에서 20분간 β-열처리를 하였다. 그런 다음 마지막 열처리를 480 ℃ (비교예 1) 및 580 ℃ (비교예 2) 두 가지 온도에서 500시간까지 행하는 것을 제외하고는 실시예 1 및 실시예 2와 동일한 방법에 의하여 지르코늄 합금 조성물을 제조하였다.As shown in the manufacturing process 1 of FIG. 1, after the first cold rolling, the intermediate recrystallization heat treatment was performed at 580 ° C. for 2 hours, and the second cold rolling was performed at a rolling reduction of 50%. The β-heat treatment was performed at 1050 ° C. for 20 minutes. It was. Then, a zirconium alloy composition was prepared by the same method as Example 1 and Example 2, except that the final heat treatment was performed at two temperatures of 480 ° C. (Comparative Example 1) and 580 ° C. (Comparative Example 2) for up to 500 hours. .

실험예 1. 부식시험Experimental Example 1. Corrosion Test

열처리가 끝난 상기 실시예 1∼4 및 비교예 1∼2의 시편들은 부식특성을 평가하기 위해 15 x 20 x 1mm의 판재로 가공하고 SiC 연마지로 2000번까지 연마하여 준비하였고, 400 ℃ 수증기(1500psi)조건에서 120일간 노외 부식시험을 실시하였다. 노출시간에 따른 무게증가량의 변화를 측정하여 내식성을 평가하였다.The specimens of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 after heat treatment were processed into 15 x 20 x 1 mm plates and polished up to 2000 times with SiC abrasive paper to evaluate corrosion characteristics, and were prepared at 400 ° C. water vapor (1500 psi). The corrosion test was carried out outside the furnace for 120 days. Corrosion resistance was evaluated by measuring the change in weight increase with exposure time.

400 ℃ 수증기 분위기에서 120일간 부식시험한 결과를 도 2에 나타냈는데, 제조공정과 열처리에 따른 영향이 부식에 매우 큰 영향을 보임을 알 수 있다. 도 2a에 의하면 실시예 1∼2의 제조공정이 비교예 1∼2의 제조공정에 비하여 내식성에 유리함이 보여지며, 실시예에서도 480 ℃에서 시효 열처리하는 것(실시예 1)이 580 ℃에서 열처리하는 것(실시예 2) 보다 우수한 내식성을 보여주었다. Zr-1Nb-0.2Cu 합금은 이와 같이 열처리에 따라 부식특성이 매우 다르다는 것을 관찰하였으며, 적절한 제조과정과 열처리를 하면 상용 Zircaloy-4 관 시편 보다 우수한 내식성을 갖게 할 수 있음을 알 수 있었다.The results of the corrosion test for 120 days in a steam atmosphere of 400 ℃ is shown in Figure 2, it can be seen that the effect of the manufacturing process and heat treatment has a very significant effect on the corrosion. According to Figure 2a shows that the manufacturing process of Examples 1 and 2 is more advantageous to the corrosion resistance than the manufacturing process of Comparative Examples 1 and 2, and also in the embodiment, the aging heat treatment at 480 ℃ (Example 1) is heat treated at 580 ℃ It showed better corrosion resistance than that (Example 2). It was observed that the Zr-1Nb-0.2Cu alloy has very different corrosion characteristics according to the heat treatment, and it can be seen that the proper manufacturing process and heat treatment can provide better corrosion resistance than commercial Zircaloy-4 tube specimens.

한편, 실시예 3∼4의 Zr-1Nb-1Sn-0.3Fe-0.1Cu 합금의 경우에는, 비교예의 제조공정에 의해 제조된 시편이 매우 심하게 부식되어 실험 도중 제외되었으므로 도 2b에서는 실시예 3∼4의 제조공정에 의해 제조된 시편의 결과만 보여준다. 실시예 3∼4의 Zr-1Nb-1Sn-0.3Fe-0.1Cu 합금은 Zr-1Nb-0.2Cu 합금의 경우와 마찬가지로 실시예의 제조공정이 비교예의 제조공정에 비하여 내식성에 유리함이 보여지며, 실시예에서도 480 ℃에서 시효 열처리하는 것이 580 ℃에서 열처리하는 것 보다 우수한 내식성을 보여주었다. 또한, 적절한 시효 열처리 시간을 줌으로써 내식성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.On the other hand, in the case of the Zr-1Nb-1Sn-0.3Fe-0.1Cu alloy of Examples 3 to 4, the specimen produced by the manufacturing process of the comparative example was very severely corroded and excluded during the experiment, Examples 3 to 4 in FIG. Only the results of specimens prepared by the manufacturing process are shown. The Zr-1Nb-1Sn-0.3Fe-0.1Cu alloys of Examples 3 to 4 were shown to be more advantageous in corrosion resistance than the manufacturing process of Comparative Example, as in the case of Zr-1Nb-0.2Cu alloy. Aging treatment at 480 ℃ also showed better corrosion resistance than heat treatment at 580 ℃. In addition, it was found that corrosion resistance can be improved by giving an appropriate aging heat treatment time.

실험예 2. 경도시험Experimental Example 2. Hardness Test

열처리에 따른 미세구조의 변화를 간접적으로 조사하기 위해 비커스(Vickers) 미소경도계를 사용하여 경도측정을 실시하였다. 하중 1 kg을 가하여 각각의 시편을 10회씩 측정하여 최대, 최소값을 제외한 나머지 값의 평균을 경도값으로 취하였다.Hardness measurements were performed using a Vickers microhardness meter to indirectly investigate the microstructure change due to heat treatment. Each specimen was measured 10 times with a load of 1 kg and the average of the remaining values except the maximum and minimum values was taken as the hardness value.

Zr-1Nb-0.2Cu합금의 열처리에 따른 석출물의 형성을 간접적으로 측정하기 위해 미소경도시험을 수행하였는데 그 결과는 도 3과 같다. 480 ℃에서는 비교예 경우 약 3시간 시효 열처리한 후 약간의 경도증가를 보인 반면, 실시예의 경우에는 약 30분만에 경도증가를 보였는데 이는 냉간 압연이 시효 열처리 전에 도입된 실시예의 경우에 석출물의 형성이 촉진되었기 때문이라 사료된다. 580 ℃에서 석출물에 의한 경도증가가 관찰되지 않은 것은 석출에 의한 경도증가가 회복과정에 의한 경도감소효과로 상쇄되었기 때문이다.A microhardness test was performed to indirectly measure the formation of precipitates by heat treatment of the Zr-1Nb-0.2Cu alloy, and the results are shown in FIG. 3. At 480 ° C., the hardness of the sample was slightly increased after aging for 3 hours in the comparative example, whereas the hardness was increased in about 30 minutes in the case of the example, in which case the cold rolling was formed before the aging treatment. This is because it was promoted. The increase in hardness due to precipitates was not observed at 580 ° C because the increase in hardness due to precipitation was offset by the decrease in hardness due to the recovery process.

실험예 3. 미세조직의 관찰Experimental Example 3. Observation of Microstructure

미세조직 및 석출물의 변화는 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM) 으로 관찰하였으며 관찰된 조직과 부식시험결과를 비교 분석하여 그 관계의 연관성을 밝히고자 하였다. SEM 시편은 HF(10%)+HNO3(45%)+H2O(45%)의 용액에 에칭시킨 후 금 코팅(gold coating)을 하여 준비하였고, TEM 관찰을 위해서는 시편을 먼저두께 70 ㎛까지 기계적으로 연마하여 3 mm 디스크(disc)로 만든 후 에탄올(90%)과 퍼콜릭 에시드(perchrolic acid, 10%)의 혼합 용액을 사용하여 -40 ℃, 13 V의 조건에서 트윈-제트(twin-jet) 연마하여 박막 시편을 준비하였다. 석출물의 성분은 TEM에서 EDS로 분석하였다.The microstructure and precipitates were observed by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM), and the relationship between the observed tissues and corrosion test results was analyzed. SEM specimens were prepared by etching gold with a solution of HF (10%) + HNO 3 (45%) + H 2 O (45%) and coating them with gold coating. Mechanically polished to 3 mm discs, then twin-jet at -40 ° C and 13 V using a mixed solution of ethanol (90%) and perchrolic acid (10%). -jet) to prepare a thin film specimen. The component of the precipitate was analyzed by EDS in TEM.

실시예 1∼2의 Zr-1Nb-0.2Cu 합금의 경우, 전술한 바와 같이 실시예에서 석출물의 형성이 촉진됨을 도 4에서 볼 수 있으며 480 ℃에서 보다 580 ℃에서 형성이 더욱 촉진됨을 알 수 있다. 비교예의 방법으로 제조된 시편이 50시간 동안 열처리된 경우, 열처리 온도에 따른 조직의 변화는 도 5에서 볼 수 있는데, 480 ℃에서는 처음의 β-열처리 조직이 그대로 존재하지만 580 ℃에서는 쌍정이 사라지고 플레이트(plate)들이 다각형 모양의 형태로 변화하는 것이 관찰되었다.In the case of the Zr-1Nb-0.2Cu alloys of Examples 1 to 2, it can be seen in FIG. 4 that the formation of precipitates is promoted in Examples as described above, and the formation is more accelerated at 580 ° C. than at 480 ° C. . When the specimen prepared by the comparative method is heat-treated for 50 hours, the change of the structure according to the heat treatment temperature can be seen in Figure 5, the first β-heat treatment tissue is still present at 480 ℃, but twins disappeared at 580 ℃ plate It was observed that the plates changed into the shape of polygons.

실시예 1∼2의 Zr-1Nb-0.2Cu 합금에서 열처리 도중 형성된 석출물의 형상과 EDS 분석결과는 도 6 부터 도 8 까지에 나타나 있다. 실시예에서 제조된 시편을 580 ℃에서 30분간 열처리 한 경우에는 Nb이 없이 Cu와 Zr만이 포함된 석출물이 관찰되었으나(도 6), 열처리가 더욱 진행되어 50시간 지난 경우에는 석출물 내에 Nb이 포함됨이 관찰되었다(도 7). 다만, Nb의 상대적 양은 결정립내 보다는 입계에 존재하고 있는 석출물에서 더욱 높게 나타났다. 한편 실시예로 제조된 시편을 480 ℃에서 50시간 열처리 한 경우에는 두 가지 석출물이 관찰되었는데, 비교적 큰 석출물에는 Nb이 없이 Cu와 Zr만이 발견되었으며 보다 미세한 석출물에는 Nb이 함께 발견되었다(도 8).In the Zr-1Nb-0.2Cu alloys of Examples 1 to 2, the shape of the precipitate formed during the heat treatment and the EDS analysis results are shown in FIGS. 6 to 8. When the specimen prepared in Example was heat-treated at 580 ° C. for 30 minutes, a precipitate containing only Cu and Zr without Nb was observed (FIG. 6), but when the heat treatment was further progressed, the precipitate contained Nb in 50 hours. Was observed (FIG. 7). However, the relative amount of Nb was higher in the precipitates at grain boundaries than in grains. On the other hand, when the specimen prepared in Example was heat-treated at 480 ° C. for 50 hours, two precipitates were observed. Only Cu and Zr were found without Nb in a relatively large precipitate, and Nb was found in a finer precipitate (FIG. 8). .

실시예 3∼4에서 제조된 Zr-1Nb-1Sn-0.3Fe-0.1Cu 합금에서 열처리 도중 형성된 석출물의 형상과 EDS 분석결과는 도 9와 도 10 에 나타나 있다. EDS 분석 결과, 580 ℃에서 열처리 한 시편에서는 Zr-Nb-Fe 형태의 한가지 석출물이 관찰되었으며, 열처리 시간이 진행되면서 석출물의 크기와 Nb의 함량이 증가하는 것이 발견되었다(도 9). 한편 실시예로 제조된 시편을 480 ℃에서 50시간 열처리 한 경우에도 Zr-Nb-Fe 형태의 한 가지 석출물이 관찰되었는데, 그 조성은 580 ℃에서 50시간 열처리 한 경우와 유사했다(도 10).The shape of the precipitate formed during the heat treatment in the Zr-1Nb-1Sn-0.3Fe-0.1Cu alloys prepared in Examples 3 to 4 and the EDS analysis results are shown in FIGS. 9 and 10. As a result of EDS analysis, one precipitate of Zr-Nb-Fe type was observed in the specimen heat-treated at 580 ° C., and the size and Nb content of the precipitate increased as the heat treatment time progressed (FIG. 9). Meanwhile, even when the specimen prepared in Example was heat-treated at 480 ° C. for 50 hours, one precipitate in the form of Zr-Nb-Fe was observed, and its composition was similar to that at 50 ° C. for 50 hours (FIG. 10).

상기 실험 결과 본 발명의 지르코늄 합금들의 경우 적절한 제조방법과 열처리의 제어에 의해 매우 우수한 내식성을 얻을 수 있음을 알 수 있었으며, 비교예의 공정조건 보다는 실시예의 제조공정으로 얻은 합금이 내식성 관점에서 우수했으며, 최적의 에이징(aging) 열처리는 480 ℃에서 100시간 정도 수행한 것으로 나타났다. 한편 열처리 중 형성된 석출물의 관찰과 부식시험 결과를 비교한 결과 두 합금 경우 모두 Nb이 다량 포함된 석출물들이 미세하게 분포하는 경우에 내식성이 더욱 우수함을 알 수 있었다.As a result of the experiment, it was found that the zirconium alloys of the present invention can obtain very excellent corrosion resistance by controlling the appropriate manufacturing method and heat treatment, and the alloy obtained by the manufacturing process of the example was superior in terms of corrosion resistance than the process conditions of the comparative example, The optimum aging heat treatment was performed for about 100 hours at 480 ℃. On the other hand, comparing the observations of the precipitates formed during the heat treatment and the corrosion test results, it was found that the corrosion resistance was more excellent in the case of finely distributed precipitates containing a large amount of Nb in both alloys.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 새로운 조성의 지르코늄 합금들은 적절한 제조방법과 열처리의 제어에 의해 매우 우수한 내식성을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 지르코늄 합금 조성물들은 경수로 및 중수로형 원자력 발전소의 원자로심 내에서 핵연료 피복관, 지지격자및 구조물로 유용하게 사용될 수 있다.As described above, it was found that the zirconium alloys of the new composition of the present invention can obtain very excellent corrosion resistance by controlling the appropriate manufacturing method and heat treatment. Therefore, the zirconium alloy compositions prepared by the manufacturing method of the present invention can be usefully used as nuclear fuel cladding, support grid and structure in the reactor core of the light and heavy water reactor type nuclear power plant.

Claims (6)

니오븀(Nb) 0.8-1.2 중량%, 구리(Cu) 0.1-0.3 중량%, 산소(O) 600-1400 ppm 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 구성된 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물.A zirconium alloy composition for a nuclear fuel cladding tube composed of 0.8-1.2 wt% niobium (Nb), 0.1-0.3 wt% copper (Cu), 600-1400 ppm oxygen (O), and balance zirconium (Zr). 제 1항에 있어서, Nb 1.0중량%, Cu 0.2중량%, 산소 600-1400 ppm 및 잔부 Zr으로 구성된 핵연료 피복관용 지르코늄 합금조성물.The zirconium alloy composition according to claim 1, comprising 1.0 wt% Nb, 0.2 wt% Cu, 600-1400 ppm oxygen and the balance Zr. 니오븀(Nb) 0.8-1.2 중량%, 주석(Sn) 0.8-1.2 중량%, 철(Fe) 0.2-0.4 중량%, 구리(Cu) 0.1-0.3 중량%, 산소(O) 600-1400 ppm 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 구성되는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물.Niobium (Nb) 0.8-1.2 wt%, Tin (Sn) 0.8-1.2 wt%, Iron (Fe) 0.2-0.4 wt%, Copper (Cu) 0.1-0.3 wt%, Oxygen (O) 600-1400 ppm and balance A zirconium alloy composition for a nuclear fuel cladding tube composed of zirconium (Zr). 제 3항에 있어서, Nb 1.0중량%, Sn 1.0중량%, Fe 0.3중량%, Cu 0.1중량%, 산소 600-1400 ppm 및 잔부 Zr으로 구성되는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물.4. The zirconium alloy composition for a nuclear fuel cladding according to claim 3, comprising 1.0 wt% of Nb, 1.0 wt% of Sn, 0.3 wt% of Fe, 0.1 wt% of Cu, 600-1400 ppm of oxygen, and the balance Zr. 제 1항의 조성을 가지는 금속을 용해하는 단계 (제 1단계); 1000∼1100 ℃의 온도에서 10∼30분간 β-열처리하는 단계 (제 2단계); 670∼690 ℃ 온도에서 10∼30분간 예열한 다음 50∼80%의 압하율로 열간 압연하는 단계 (제 3단계); 670∼690 ℃ 온도에서 1∼3 시간 동안 열처리하는 단계 (제 4단계); 40∼60%의 압하율로 1차 냉간 압연하는 단계 (제 5단계); 1000∼1100 ℃의 온도에서 10∼30분간 β-열처리하는 단계 (제 6단계); 40∼60%의 압하율로 2차 냉간 압연하는 단계 (제 7단계) 및 450∼600 ℃ 온도에서 10∼100시간 동안 최종 열처리하는 단계 (제 8단계)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물의 제조방법.Dissolving the metal having the composition of claim 1 (first step); Β-heat treatment at a temperature of 1000 to 1100 ° C. for 10 to 30 minutes (second step); Preheating at 670-690 ° C. for 10-30 minutes and then hot rolling at a reduction ratio of 50-80% (third step); Heat treatment at 670-690 ° C. for 1-3 hours (fourth step); Primary cold rolling at a reduction ratio of 40 to 60% (fifth step); Β-heat treatment at a temperature of 1000 to 1100 ° C. for 10 to 30 minutes (sixth step); Zirconium for nuclear fuel cladding, characterized in that it comprises a second cold rolling step (seventh step) at a reduction ratio of 40 to 60% and a final heat treatment (step 8 step) at a temperature of 450 to 600 ° C. for 10 to 100 hours. Method for producing an alloy composition. 제 3항의 조성을 가지는 금속을 용해하는 단계 (제 1단계); 1000∼1100 ℃의 온도에서 10∼30분간 β-열처리하는 단계 (제 2단계); 670∼690 ℃ 온도에서 10∼30분간 예열한 다음 50∼80%의 압하율로 열간 압연하는 단계 (제 3단계); 670∼690 ℃ 온도에서 1∼3 시간 동안 열처리하는 단계 (제 4단계); 40∼60%의 압하율로 1차 냉간 압연하는 단계 (제 5단계); 1000∼1100 ℃의 온도에서 10∼30분간 β-열처리하는 단계 (제 6단계); 40∼60%의 압하율로 2차 냉간 압연하는 단계 (제 7단계) 및 450∼600 ℃ 온도에서 10∼100시간 동안 최종 열처리하는 단계 (제 8단계)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금 조성물의 제조방법.Dissolving the metal having the composition of claim 3 (first step); Β-heat treatment at a temperature of 1000 to 1100 ° C. for 10 to 30 minutes (second step); Preheating at 670-690 ° C. for 10-30 minutes and then hot rolling at a reduction ratio of 50-80% (third step); Heat treatment at 670-690 ° C. for 1-3 hours (fourth step); Primary cold rolling at a reduction ratio of 40 to 60% (fifth step); Β-heat treatment at a temperature of 1000 to 1100 ° C. for 10 to 30 minutes (sixth step); Zirconium for nuclear fuel cladding, characterized in that it comprises a second cold rolling step (seventh step) at a reduction ratio of 40 to 60% and a final heat treatment (step 8 step) at a temperature of 450 to 600 ° C. for 10 to 100 hours. Method for producing an alloy composition.
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