KR101341135B1 - Zirconium alloy having excellent mechanical properties and corrosion resistance for nuclear fuel rod cladding tube - Google Patents

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Abstract

우수한 기계적 특성과 내식성을 갖는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금이 개시된다.
본 발명에 따른 핵연료 피복관용 지르코늄 합금은 니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 규소(Si), 인(P) 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어진다.
본 발명에 의할 경우, 종래에 비하여 인장강도 등의 기계적 특성의 감소 없이 부식저항성(내식성)을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
A zirconium alloy for a nuclear fuel cladding tube having excellent mechanical properties and corrosion resistance is disclosed.
Zirconium alloy for nuclear fuel cladding according to the present invention is 0.5 to 5% by weight of niobium (Nb); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one or more elements selected from the group consisting of silicon (Si) and phosphorus (P); And the balance zirconium (Zr).
According to the present invention, it is possible to greatly improve the corrosion resistance (corrosion resistance) without reducing mechanical properties such as tensile strength as compared with the prior art.

Description

우수한 기계적 특성과 내식성을 갖는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금{Zirconium alloy having excellent mechanical properties and corrosion resistance for nuclear fuel rod cladding tube}Zirconium alloy having excellent mechanical properties and corrosion resistance for nuclear fuel rod cladding tube

본 발명은 원자력발전소 원자로심 내에서 핵연료를 가두고 핵분열 생성물이 냉각수로 유입되는 것을 막아주는 핵연료 피복관용 합금재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래에 비하여 우수한 기계적 특성과 내식성을 갖는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금에 관한 것이다.
The present invention relates to an alloy material for nuclear fuel cladding, which confines nuclear fuel in a nuclear power plant nuclear reactor and prevents fission products from flowing into the cooling water. More specifically, zirconium for nuclear fuel cladding having superior mechanical properties and corrosion resistance as compared to the prior art. Relates to an alloy.

지르코늄 합금은 낮은 중성자 흡수 단면적과 우수한 내식성 및 기계적 특성 때문에 원자로심 내에서 핵연료 피복관 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 못하였으며, 지르칼로이-4가 가장 많이 사용되어 왔다.Zirconium alloys are widely used as nuclear fuel cladding and structural materials within the reactor core because of their low neutron absorption cross-sectional 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 other than Zircaloy-2 and Zircaloy-4 could not be commercialized due to poor mechanical strength and corrosion characteristics in the furnace, and Zircaloy-4 has been used the most.

현재의 원자력 발전소의 가동조건은 기존의 지르칼로이-4 핵연료 피복관 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 핵연료 피복관용 재료로 더 이상 사용이 어려운 상황에 놓여 있다.Current operating conditions of nuclear power plants are developing into situations that are difficult to overcome with conventional Zircaloy-4 fuel cladding materials. Zircaloy-based alloys are used as fuel cladding materials as the operating conditions are changed by high pH operation to increase the combustion rate, increase the operating temperature, and reduce the radiation level of the plant's primary system. This situation is difficult to use.

이러한 상황에서 현재 많은 핵연료 관련 기관에서는 지르코늄 합금의 내식성과 강도를 향상시킬 수 있는 새로운 지로코늄 합금에 대하여 많은 연구를 수행하여왔으며, Zirlo (Zr-1Nb-1Sn-0.2Fe)및 M5 (Zr-1Nb-O(<1200 ppm))등의 합금이 개발되어 신핵연료 피복관 소재로 사용되고 있다. 그러나 기존의 지르칼로이 합금 및 신합금 피복관 소재를 대체할 수 있는 우수한 기계적 특성과 내식성을 갖는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금에 대한 필요성은 꾸준히 제기 되고 있다. Under these circumstances, many nuclear fuel-related organizations have been working on new zirconium alloys that can improve the corrosion resistance and strength of zirconium alloys, Zirlo (Zr-1Nb-1Sn-0.2Fe) and M5 (Zr-1Nb). Alloys such as -O (<1200 ppm) have been developed and used as new fuel cladding materials. However, there is a constant need for a zirconium alloy for nuclear fuel cladding having excellent mechanical properties and corrosion resistance that can replace existing zircaloy alloy and new alloy cladding materials.

이에 본 발명자들은 기존의 지르칼로이계 합금을 대체할 있는 보다 우수한 기계적 특성과 내식성을 지닌 새로운 지르코늄 합금을 개발하기 위하여 노력한 결과, 신규한 성분 구성 및 조성비를 지닌 지르코늄 합금을 개발하고, 새로운 지르코늄 합금이 우수한 기계적 특성과 내식성을 가짐을 확인함으로서 본 발명을 완성하였다.
Accordingly, the present inventors endeavored to develop a new zirconium alloy having better mechanical properties and corrosion resistance that can replace the existing zircaloy-based alloys, and as a result, develop a zirconium alloy having a novel component composition and composition ratio, and a new zirconium alloy The present invention was completed by confirming the excellent mechanical properties and corrosion resistance.

본 발명의 목적은 종래의 지르칼로이계 합금을 대체할 수 있는 핵연료 피복관용 지르코늄 합금을 제공하는 데 있다. 즉, 본 발명은 종래에 비하여 핵연료 피복관에서 요구되는 기계적 특성 및 내식성의 조합이 향상된 핵연료 피복관용 지르코늄 합금을 제공하고자 하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a zirconium alloy for a nuclear fuel cladding which can replace a conventional zircaloy alloy. That is, the present invention is to provide a zirconium alloy for fuel cladding with improved combination of mechanical properties and corrosion resistance required in the fuel cladding compared with the prior art.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일례에 따른 지르코늄 합금은 니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 인(P) 및 규소(Si)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어진다.Zirconium alloy according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is 0.5 to 5% by weight of niobium (Nb); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one element selected from the group consisting of phosphorus (P) and silicon (Si); And the balance zirconium (Zr).

본 발명의 다른 예에 의한 지르코늄 합금은 니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 황(S) 5 내지 300ppm; 인(P) 및 규소(Si)로 이루어지는 군으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어진다. Zirconium alloy according to another embodiment of the present invention is 0.5 to 5% by weight of niobium (Nb); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; Sulfur (S) 5 to 300 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one or more elements selected from the group consisting of phosphorus (P) and silicon (Si); And the balance zirconium (Zr).

본 발명의 또 다른 예에 의한 지르코늄 합금은 니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 주석(Sn) 0.01 내지 0.5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 인(P), 규소(Si)로 이루어지는 군으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어진다. Zirconium alloy according to another embodiment of the present invention is niobium (Nb) 0.5 to 5% by weight; 0.01 to 0.5 wt% tin (Sn); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one or more elements selected from the group consisting of phosphorus (P) and silicon (Si); And the balance zirconium (Zr).

또한 본 발명의 또 다른 예에 의한 지르코늄 합금은 니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 주석(Sn) 0.01 내지 0.5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 황(S) 5 내지 300ppm; 인(P), 규소(Si)로 이루어지는 군으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어진다.
In addition, the zirconium alloy according to another embodiment of the present invention is 0.5 to 5% by weight of niobium (Nb); 0.01 to 0.5 wt% tin (Sn); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; Sulfur (S) 5 to 300 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one or more elements selected from the group consisting of phosphorus (P) and silicon (Si); And the balance zirconium (Zr).

상술한 바와 같은 본 발명에 의한 지르코늄 합금에 의할 경우, 합금을 이루은 적절한 성분의 선택과 각 성분의 첨가량의 조절에 의하여 종래의 지르칼로이계 합금 또는 Zr-Nb-O계 지르코늄 합금에 비해 인장강도 등의 기계적 특성을 향상시킬 수 있게 된다. 또한 종래의 지르칼로이계 합금 또는 Zr-Nb-Sn계 지르코늄 합금보다 인장강도 등의 기계적 특성의 감소 없이 부식저항성(내식성)을 크게 향상시킬 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의한 지르코늄 합금은 원자력 발전소의 핵연료 피복관, 지지격자 및 구조물 재료 등에 유용하게 사용될 수 있으며, 기계적 특성 및 내식성의 향상에 의하여 원자력발전소의 안전성을 도모할 수 있음과 아울러, 핵연료 연소도의 향상 및 원전 운전주기를 늘릴 수 있게 된다.
In the case of the zirconium alloy according to the present invention as described above, the tensile strength of the zirconium alloy or the Zr-Nb-O-based zirconium alloy according to the present invention is controlled by selecting an appropriate component of the alloy and adjusting the amount of each component added. It is possible to improve mechanical properties such as. In addition, it is possible to greatly improve the corrosion resistance (corrosion resistance) without reducing the mechanical properties such as tensile strength than conventional zircal alloy or Zr-Nb-Sn-based zirconium alloy. Therefore, the zirconium alloy according to the present invention can be usefully used in nuclear fuel cladding, support lattice and structure materials of nuclear power plants, and can improve the safety of nuclear power plants by improving mechanical properties and corrosion resistance, Improve and increase the operating cycle of nuclear power plants.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 인장강도 측정 결과이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 의한 부식저항성 측정 결과이다.
1 is a result of measuring the tensile strength according to the Examples and Comparative Examples of the present invention.
2 is a measurement result of corrosion resistance according to Examples and Comparative Examples of the present invention.

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

본 발명은 종래에 비하여 기계적 특성과 내식성이 향상된 지르코늄 합금을 제공하는데, 본 발명의 일례에 따른 지르코늄 합금은,The present invention provides a zirconium alloy with improved mechanical properties and corrosion resistance compared to the prior art, the zirconium alloy according to an example of the present invention,

니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 인(P), 규소(Si)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어지거나, 니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 황(S) 5 내지 300ppm; 인(P) 및 규소(Si)로 이루어지는 군으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어진다.
Niobium (Nb) 0.5 to 5% by weight; 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one element selected from the group consisting of phosphorus (P) and silicon (Si); And the balance of zirconium (Zr) or niobium (Nb) 0.5 to 5% by weight; 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; Sulfur (S) 5 to 300 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one or more elements selected from the group consisting of phosphorus (P) and silicon (Si); And the balance zirconium (Zr).

또한 본 발명은 상기 조성에 주석(Sn)을 추가로 포함하는 조성을 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 다른 예에 의한 지르코늄 합금은,In addition, the present invention may have a composition further comprising tin (Sn) in the composition. That is, the zirconium alloy according to another example of the present invention,

니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 주석(Sn) 0.01 내지 0.5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 인(P), 규소(Si)로 이루어지는 군으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어거나, 니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 주석(Sn) 0.01 내지 0.5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 황(S) 5 내지 300ppm; 인(P), 규소(Si)로 이루어지는 군으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 하나 이상의 원소를 각각 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어진다.
Niobium (Nb) 0.5 to 5% by weight; 0.01 to 0.5 wt% tin (Sn); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one or more elements selected from the group consisting of phosphorus (P) and silicon (Si); And residual zirconium (Zr), or 0.5 to 5 wt% of niobium (Nb); 0.01 to 0.5 wt% tin (Sn); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; Sulfur (S) 5 to 300 ppm; 5 to 300 ppm each of at least one or more elements selected from the group consisting of phosphorus (P) and silicon (Si); And the balance zirconium (Zr).

본 발명의 발명자들은 본 발명의 완성과정에서 지르코늄 합금의 구성 원소를 선정하기 위해, 중성자 효과, 제조단가, 가공성, 모상인 지르코늄과의 합금성을 먼저 고려하였다. 또한 공개된 문헌의 조사 및 반복된 실험을 통하여 각각의 첨가 원소가 내식성, 기계적 특성 등에 어떠한 영향을 미치는지와 첨가되는 각각의 원소가 다른 원소의 성질에 어떠한 영향을 미치는지도 면밀하게 검토하였다. 이러한 검토 결과를 토대로 하여, 일차적으로 본 발명의 지르코늄 합금의 첨가 원소가 결정되었고, 다음으로 각 첨가 원소의 첨가량(조성비)을 결정하였다. 이러한 과정을 통하여 종래에 비하여 기계적 특성 및 내식성이 향상된 지르코늄 합금을 얻을 수 있었다. 특히 본 발명에서는 기존 합금에서는 첨가되지 않던 규소(Si), 인(P), 황(S)과 같은 원소를 미량 첨가하여 기계적 특성 및 내식성을 향상시킬 수 있었다. 본 발명의 핵심은 내식성을 저해시키나 강도를 높이기 위해 기존 합금에 많이 첨가되는 Sn을 합금원소에서 제거하거나, 미량만을 사용하고, Sn 비첨가 또는 Sn 함량 저하에 의한 강도 감소효과를 니오븀(Nb) 함량, 산소(O), 철 (Fe) 중 전부 또는 일부 원소의 증가 및 규소(Si), 인(P), 황(S)과 같은 원소의 미량 첨가로 상쇄하여 강도는 떨어뜨리지 않으며, 내식성을 증가시키는 것이다.
The inventors of the present invention, in order to select the constituent elements of the zirconium alloy in the completion of the present invention, the neutron effect, manufacturing cost, processability, alloying with the zirconium which is the parent phase first. In addition, through the investigation of the published literature and repeated experiments, the effects of each added element on the corrosion resistance, mechanical properties, etc. and the effect of each added element on the properties of other elements were examined closely. Based on these examination results, the addition element of the zirconium alloy of this invention was determined primarily, and the addition amount (composition ratio) of each addition element was next determined. Through this process, a zirconium alloy with improved mechanical properties and corrosion resistance was obtained. In particular, the present invention was able to improve the mechanical properties and corrosion resistance by adding a small amount of elements such as silicon (Si), phosphorus (P), sulfur (S) that was not added in the existing alloy. The core of the present invention is niobium (Nb) content, which reduces the corrosion resistance by removing Sn from the alloying elements or using only a small amount of Sn, which is added to the existing alloy to increase the strength but to increase the strength. , The strength is not lowered and the corrosion resistance is increased by offsetting by the increase of all or some elements of oxygen (O) and iron (Fe) and the addition of trace amounts of elements such as silicon (Si), phosphorus (P) and sulfur (S). It is to let.

본 발명의 지르코늄 합금 조성물에 사용된 각 원소의 특징 및 조성비의 한정이유를 설명하면 다음과 같다. When explaining the characteristics and the ratio of the composition ratio of each element used in the zirconium alloy composition of the present invention.

니오븀(Nb)은 지르코늄 합금에서 지르코늄(Zr)의 β상 안정화 원소로 알려져 있다. 또한 니오븀은 합금의 수소 흡수성과 강도를 향상시키는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 지르코늄 합금에 있어서, 상기 니오븀은 0.5 내지 5 중량%가 사용되는데, 상기 니오븀의 함량이 하한치 미만일 경우에는 강도 등의 기계적 특성이 저하될 우려가 있고, 니오븀의 함량이 상한치를 초과하는 경우에는 특성의 균질성 및 내식성이 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. Niobium (Nb) is known as the β phase stabilizing element of zirconium (Zr) in zirconium alloys. Niobium is also known to improve the hydrogen absorption and strength of alloys. In the zirconium alloy of the present invention, 0.5 to 5% by weight of niobium is used. When the content of niobium is less than the lower limit, there is a possibility that mechanical properties such as strength may be lowered, and the content of niobium exceeds the upper limit. It is unpreferable because there is a possibility that the homogeneity and corrosion resistance of the properties may be lowered.

주석(Sn)은 지르코늄 합금에서 지르코늄(Zr)의 α상 안정화 원소로 알려져 있으며, 합금에서 강도를 증가시키는 작용을 한다. 반면 내식성을 고려할 때에는 주석의 함량을 줄이는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 본 발명의 일례에서 주석은 0.01 내지 0.5 중량%를 사용하고, 본 발명의 다른 예에서는 합금에 주석을 포함시키지 않는다. 주석을 사용하는 본 발명의 일례에서도 내식성을 고려하여 기존에 알려진 지르코늄 합금에 비해서 주석의 사용량을 적게 조절하였다. 주석의 함량을 줄이거나 사용하지 않는 대신에 강도를 향상시키는 인(P), 규소 (Si), 황 (S) 등 다른 원소를 첨가하거나 많이 첨가되는 니오븀(Nb), 산소(O), 철(Fe)와 같은 합금원소 중 전부 또는 일부를 증가시켜 강도를 증진시켰다. Tin (Sn) is known as the α phase stabilizing element of zirconium (Zr) in zirconium alloys, and serves to increase the strength in the alloy. On the other hand, when considering the corrosion resistance, it is known to reduce the content of tin. In one example of the present invention, tin is used in an amount of 0.01 to 0.5% by weight, and in another example of the present invention, tin is not included in the alloy. Even in the example of the present invention using tin, the amount of tin is controlled to be less than that of a conventionally known zirconium alloy in consideration of corrosion resistance. Niobium (Nb), oxygen (O), and iron (Nb), oxygen (O), or iron (P), silicon (Si), sulfur (S), or other elements that increase the strength instead of reducing or not using tin All or some of the alloying elements such as Fe) were increased to enhance strength.

철(Fe)은 지르코늄 합금에서 지르코늄과 함께 금속간 화합물을 형성하여 석출 또는 분산강화를 일으키고, 지르코늄의 자체확산을 가속화시켜 조사성장을 억제하는 효과를 가지고 있다. 본 발명에서 철은 0.01 내지 0.35 중량%가 사용되는데, 철의 함량이 상기 하한치 미만일 경우에는 상술한 철에 의한 효과가 저하됨과 아울러 내식성이 감소하는 문제가 있고, 철의 함량이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 강도가 커져 가공성이 저하되는 경향이 있어 바람직하지 않다. Iron (Fe) forms an intermetallic compound together with zirconium in the zirconium alloy to cause precipitation or dispersion strengthening, and has the effect of inhibiting irradiation growth by accelerating the self-diffusion of zirconium. In the present invention, iron is used in an amount of 0.01 to 0.35% by weight. When the iron content is less than the lower limit, the effect of the above-described iron is lowered and the corrosion resistance is reduced, and the iron content exceeds the upper limit. In this case, the strength tends to increase, and workability tends to decrease, which is not preferable.

산소(O)는 지르코늄 합금에서 고용 강화로 기계적 강도를 향상시키는 역할을 수행한다. 본 발명에 있어서 산소는 800 내지 3,000ppm이 사용되는데 산소의 함유량이 상기 하한치 미만일 경우에는 산소에 의한 강도 증가 효과가 급격하게 감소하며, 산소의 함유량이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 강도가 커져 가공성이 저하되는 경향이 있어 바람직하지 않다. Oxygen (O) serves to enhance mechanical strength by solid solution strengthening in zirconium alloys. In the present invention, 800 to 3,000 ppm of oxygen is used, but when the oxygen content is less than the lower limit, the strength increase effect by oxygen decreases rapidly, and when the oxygen content exceeds the upper limit, the strength increases and the workability is increased. It is not preferable because it tends to be lowered.

또한 본 발명의 지르코늄 합금은 규소(Si), 인(P) 및 황(S)으로부터 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 원소를 함유한다. 즉, 규소(Si), 인(P), 황(S) 중에서 어느 하나의 원소가 사용될 수 있으며, 둘 또는 셋의 원소가 함께 사용될 수도 있다. 본 발명에서 상기 규소(Si), 인(P), 황(S)은 각각 5 내지 300ppm이 사용된다. 규소(Si)는 수소 흡수성을 줄이고 부식 속도의 천이성을 지연하는 역할을 수행하며 산소(O)와 공동으로 강도를 증진시킨다. 규소의 함유량이 상기 하한치 미만일 경우에는 규소의 함유에 따른 내식성 향상효과를 기대하기 어려우며, 규소의 함유량이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 상한치와 내식성 측면에서 별다른 차이가 없으며, 오히려 강도가 저하될 우려가 있어 바람직하지 않다. 또한 본 발명의 발명자들은 지르코늄 합금에 인(P)이 미량으로 첨가될 경우 강도와 부식저항성(내식성)이 향상됨을 발견하였다. 즉, 본 발명의 지르코늄 합금은 인(P)을 포함하며, 인의 함량이 상기 하한치 미만일 경우에는 인의 첨가에 따른 내식성의 향샹효과를 기대하기 어려우며, 인의 함량이 상기 상한치를 초과하는 경우에는 상한치의 경우와 내식성 측면에서 별다른 차이가 없다. 또한 본 발명에 의한 지르코늄 합금에는 황(P)도 미량으로 첨가될 수 있다. 본 발명의 발명자들은 지르코늄 합금에서 황이 인과 유사한 기능을 수행하는 것을 반복된 연구 결과 확인할 수 있었다. 이는 인과 황이 전자구조, 원자 반지름, 전기음성도가 비슷하기 때문에 지르코늄 합금에서 유사한 기능을 수행하는 것으로 판단되며, 인의 함량비가 갖는 의미는 상기 황의 경우와 동일하다.. The zirconium alloy of the present invention also contains at least one element selected from the group consisting of silicon (Si), phosphorus (P) and sulfur (S). That is, any one element of silicon (Si), phosphorus (P), and sulfur (S) may be used, and two or three elements may be used together. In the present invention, the silicon (Si), phosphorus (P), sulfur (S) is used 5 to 300ppm each. Silicon (Si) plays a role in reducing hydrogen absorption and delaying the transition rate of corrosion and enhancing strength jointly with oxygen (O). If the silicon content is less than the lower limit, it is difficult to expect the effect of improving the corrosion resistance according to the silicon content, and if the silicon content exceeds the upper limit, there is no difference in terms of the upper limit and the corrosion resistance. It is not desirable. In addition, the inventors of the present invention have found that when a small amount of phosphorus (P) is added to the zirconium alloy, strength and corrosion resistance (corrosion resistance) are improved. That is, the zirconium alloy of the present invention includes phosphorus (P), when the phosphorus content is less than the lower limit, it is difficult to expect the improvement effect of the corrosion resistance according to the addition of phosphorus, when the phosphorus content exceeds the upper limit in the case of the upper limit There is no difference in terms of corrosion resistance. In addition, a small amount of sulfur (P) may be added to the zirconium alloy according to the present invention. The inventors of the present invention have confirmed that repeated studies have shown that sulfur performs a function similar to phosphorus in a zirconium alloy. It is determined that phosphorus and sulfur perform similar functions in zirconium alloys because of similar electronic structure, atomic radius, and electronegativity, and the meaning of phosphorus content ratio is the same as that of sulfur.

특히 주목할 사실은 산소(O)와 인(P)의 효과 및 산소(O)와 황(S)의 효과가 상호 의존적이라는 것이다. 즉, 황 및/또는 인의 첨가에 의하여 산소의 강화효과가 더욱 증폭된다. 따라서 강도를 보강하기 위하여 비교적 많은 양의 주석을 사용하던 기존의 지르코늄 합금과 달리 주석을 사용하지 않거나, 주석을 사용하더라도 비교적 적은 양만을 사용할 수 있게 된다. 즉, 황 및/또는 인의 첨가에 따라 산소의 강화효과를 더욱 발현시킬 수 있으며, 황과 인이 지르코늄 합금에서 기여하는 내식성의 향상효과를 가질 수 있게 된다.
Of particular note is that the effects of oxygen (O) and phosphorus (P) and the effects of oxygen (O) and sulfur (S) are interdependent. That is, the strengthening effect of oxygen is further amplified by the addition of sulfur and / or phosphorus. Therefore, unlike conventional zirconium alloys, which used a relatively large amount of tin to reinforce strength, it is possible to use only a relatively small amount even if tin is not used or tin is used. That is, the addition of sulfur and / or phosphorus may further express the strengthening effect of oxygen, it is possible to have the effect of improving the corrosion resistance sulfur and phosphorus contributes in the zirconium alloy.

이하 실시예 및 시험예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Test Examples.

실시예 : 지르코늄 합금의 제조Example: Preparation of Zirconium Alloy

하기 표 1에 기재된 것과 같은 다양한 조성비를 갖는 지르코늄 합금을 제조하였다. 지르코늄 합금의 제조는 다음과 같은 과정에 의하였다.
Zirconium alloys having various composition ratios as described in Table 1 were prepared. Preparation of the zirconium alloy was based on the following process.

(1) 잉곳(Ingot)의 제조(1) Preparation of Ingot

진공아크용해 장비를 이용하여 200 내지 300g의 잉곳을 제조하였다. 분술물이 편석되거나 합금의 조성이 불균일하게 분포하는 것을 방지하기 위하여 5회의 반복용해를 실시하였다.
Ingots of 200 to 300 g were prepared using vacuum arc melting equipment. Five repeated dissolutions were performed to prevent sedimentation and segregation of alloy composition.

(2) β상 용체화 열처리 후 냉각(2) cooling after β phase solution heat treatment

β상 영역에서 용체화 처리하여 잉곳 내의 합금 조성을 균질화하기 위하여 열처리를 수행하였다. 산화방지를 위하여 2mm의 스테인레스 판으로 시편을 피복하고, 1,020℃에서 30분간 유지한 다음, 수조에 담가 수냉시켰다. 다음으로 수분을 제거하기 위하여 120℃에서 10시간 동안 충분히 건조시켰다.
Heat treatment was performed to homogenize the alloy composition in the ingot by solution treatment in the β phase region. In order to prevent oxidation, the specimen was coated with a 2 mm stainless plate, held at 1,020 ° C. for 30 minutes, and then immersed in a water bath and cooled. Next, it was sufficiently dried at 120 ° C. for 10 hours to remove moisture.

(3) 열간압연(3) hot rolling

580℃에서 30분간 가열 후 열간압연을 하였다. 열간압연은 1 패스에 약 70%의 압하율로 실시하였으며, 열간압연 완료 후 산용액을 이용하여 세척하였다.
After heating at 580 ° C. for 30 minutes, hot rolling was performed. Hot rolling was carried out at a reduction ratio of about 70% in one pass, and washed with an acid solution after the completion of hot rolling.

(4) 냉간압연 및 열처리(4) cold rolling and heat treatment

열간압연이 완료된 후, 580℃에서 3시간 동안 소둔한 다음 냉간압연을 수행하여 두께를 감소시켰다. After the hot rolling was completed, annealing was performed at 580 ° C. for 3 hours, and then cold rolling was performed to reduce the thickness.

다음으로 570℃에서 2시간간 열처리를 한 다음 2차 냉간압연을 수행하였다. Next, heat treatment was performed at 570 ° C. for 2 hours, followed by secondary cold rolling.

최종적으로 570℃에서 3시간 열처리를 하여 지르코늄 합금 시편을 완성하였다.
Finally, a zirconium alloy specimen was completed by heat treatment at 570 ° C. for 3 hours.

비교예Comparative Example

현재 상용화 되어 있는 Zr-Nb-Sn-Fe 합금(제조사 :westing house)을 비교예로 선정하였다. 비교예에 의한 지르코늄 합금의 성분비는 하기의 표 1에 기재하였다.
A commercially available Zr-Nb-Sn-Fe alloy (westing house) was selected as a comparative example. The component ratio of the zirconium alloy by the comparative example is described in following Table 1.

지르코늄 합금의 성분비 Composition ratio of zirconium alloy 구 분division Nb
(중량%)
Nb
(weight%)
Sn
(중량%)
Sn
(weight%)
Fe
(중량%)
Fe
(weight%)
O
(ppm)
O
(ppm)
Si
(ppm)
Si
(ppm)
P
(ppm)
P
(ppm)
S
(ppm)
S
(ppm)
ZrZr
실시예 1Example 1 1.531.53 -- 0.120.12 1,5601,560 6060 -- -- balancebalance 실시예 2Example 2 1.541.54 -- 0.130.13 1,5701,570 -- 5656 -- balancebalance 실시예 3Example 3 1.491.49 -- 0.130.13 1,5901,590 -- -- 5858 balancebalance 실시예 4Example 4 1.511.51 -- 0.120.12 1,5801,580 -- 5757 5959 balancebalance 실시예 5Example 5 1.511.51 -- 0.140.14 15101510 5252 -- 5959 balancebalance 실시예 6Example 6 1.521.52 0.170.17 0.130.13 1,5801,580 5858 -- -- balancebalance 실시예 7Example 7 1.511.51 0.160.16 0.120.12 1,5601,560 -- 5858 -- balancebalance 실시예 8Example 8 1.521.52 0.170.17 0.120.12 1,5901,590 -- -- 5656 balancebalance 실시예 9Example 9 1.501.50 0.160.16 0.130.13 1,5801,580 -- 5858 5757 balancebalance 실시예 10Example 10 1.541.54 0.200.20 0.140.14 16001600 6262 -- 5353 balancebalance 비교예Comparative Example 1.031.03 1.091.09 0.110.11 1,2101,210 -- -- -- balancebalance

인장강도The tensile strength

상기 실시예 및 비교예에 의한 지르코늄 합금의 시편에 대한 인장강도를 측정하였고 그 결과를 하기의 표 2 및 도 1에 나타내었다. Tensile strength of the zirconium alloy specimens according to the Examples and Comparative Examples was measured and the results are shown in Table 2 and FIG. 1.

인장강도는 25℃와 300℃에서 인장속도 10-4/sec로 하여 측정하였다.
Tensile strength was measured at a tensile rate of 10 −4 / sec at 25 ° C. and 300 ° C.

인장강도 측정결과Tensile strength measurement result 구 분division 25℃ 측정결과(MPa)25 ℃ measurement result (MPa) 300℃ 측정결과(MPa)300 ℃ measurement result (MPa) 실시예 1Example 1 851851 492492 실시예 2Example 2 856856 498498 실시예 3Example 3 843843 487487 실시예 4Example 4 885885 506506 실시예 5Example 5 862862 498498 실시예 6Example 6 863863 496496 실시예 7Example 7 883883 501501 실시예 8Example 8 879879 496496 실시예 9Example 9 906906 523523 실시예 10Example 10 900900 516516 비교예Comparative Example 830830 478478

상기 표 2 및 도 1의 결과에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 실시예의 경우 25℃ 및 300℃에서 모두 비교예보다 우수한 인장강도 값을 가짐을 확인할 수 있었다.
As can be seen from the results of Table 2 and FIG. 1, it was confirmed that the Examples of the present invention had superior tensile strength values at both 25 ° C. and 300 ° C. than the Comparative Example.

부식저항성Corrosion resistance

상기 실시예 및 비교예에 의한 지르코늄 합금의 시편에 대한 부식저항성을 측정하였고 그 결과를 하기의 표 3에 나타내었다. Corrosion resistance to the specimens of the zirconium alloys according to the Examples and Comparative Examples were measured and the results are shown in Table 3 below.

부식저항성은 하기와 같은 방법으로 측정하였다. Corrosion resistance was measured by the following method.

즉, 상기 실시예 및 비교예에 의한 지르코늄 합금의 시편을 300℃의 산화 분위기에서 100시간과 200시간 동안 부식시킨 후, Ultra sonic을 이용하여 표면의 이물질을 제거한 후 초정밀 미세저울로 시편의 무게 증가를 측정함으로서 부식 정도를 정량적으로 평가하였다.
That is, after the specimen of the zirconium alloy according to the Examples and Comparative Examples were corroded for 100 hours and 200 hours in an oxidizing atmosphere of 300 ℃, by removing the foreign matter on the surface using Ultra sonic and the weight of the specimen with an ultra-precision microbalance Corrosion degree was quantitatively evaluated by measuring.

무게증가량 측정결과Weight increase measurement result 구 분division 100시간 경과후 무게증가량
(mg/dmㅂ)
Weight gain after 100 hours
(mg / dm ㅂ)
200시간 경과후 무게증가량
(mg/dmㅂ)
Weight increase after 200 hours
(mg / dm ㅂ)
실시예 1Example 1 5.35.3 8.28.2 실시예 2Example 2 4.64.6 7.47.4 실시예 3Example 3 6.76.7 9.79.7 실시예 4Example 4 4.24.2 6.96.9 실시예 5Example 5 5.15.1 7.17.1 실시예 6Example 6 8.78.7 12.312.3 실시예 7Example 7 7.97.9 10.210.2 실시예 8Example 8 8.48.4 12.612.6 실시예 9Example 9 7.67.6 9.99.9 실시예 10Example 10 7.87.8 10.110.1 비교예Comparative Example 14.414.4 24.324.3

상기 표 3 및 도 2의 결과에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 실시예의 경우, 100시간 경과 후와 200시간 경과 후 모두 비교예에 비하여 무게증가가 적게 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 본 발명의 실시예에 의한 합금은 종래의 합금(비교예)에 비하여 우수한 내식성을 가짐을 확인할 수 있었다.
As can be seen from the results of Table 3 and Figure 2, in the case of the embodiment of the present invention, both after 100 hours and after 200 hours it was confirmed that the weight increase is less than the comparative example. That is, the alloy according to the embodiment of the present invention was confirmed to have excellent corrosion resistance compared to the conventional alloy (comparative example).

본 발명은 상기한 실시예와 첨부한 도면을 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.Although the present invention has been described with reference to the above-described embodiments and the accompanying drawings, other embodiments may be configured within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is defined by the appended claims and equivalents thereof, and is not limited by the specific embodiments described herein.

Claims (4)

니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 인(P) 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr))으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금.
Niobium (Nb) 0.5 to 5% by weight; 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; Phosphorus (P) 5 to 300 ppm; And the balance zirconium (Zr).
니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 황(S) 5 내지 300ppm; 인(P) 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금.
Niobium (Nb) 0.5 to 5% by weight; 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; Sulfur (S) 5 to 300 ppm; Phosphorus (P) 5 to 300 ppm; And the zirconium alloy, characterized in that consisting of the balance zirconium (Zr).
니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 주석(Sn) 0.01 내지 0.5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 인(P) 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금.
Niobium (Nb) 0.5 to 5% by weight; 0.01 to 0.5 wt% tin (Sn); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; Phosphorus (P) 5 to 300 ppm; And the zirconium alloy, characterized in that consisting of the balance zirconium (Zr).
니오븀(Nb) 0.5 내지 5 중량%; 주석(Sn) 0.01 내지 0.5 중량%; 철(Fe) 0.01 내지 0.35 중량%; 산소(O) 800 내지 3,000ppm; 황(S) 5 내지 300ppm; 인(P) 5 내지 300ppm; 및 잔부 지르코늄(Zr)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지르코늄 합금. Niobium (Nb) 0.5 to 5% by weight; 0.01 to 0.5 wt% tin (Sn); 0.01 to 0.35% by weight of iron (Fe); Oxygen (O) 800-3,000 ppm; Sulfur (S) 5 to 300 ppm; Phosphorus (P) 5 to 300 ppm; And the balance zirconium (Zr).
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