KR910007917B1 - 원자로 연료용 합성 피복관의 제조공정 및 그 생산물 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

원자로 연료용 합성 피복관의 제조공정 및 그 생산물

본 발명은 지르코늄합금 외피와 지르코늄내부 라이닝(lining)으로 구성되어 동시압출 생산물의 품질을 향상시키는 것이 가능한 원자로 연료용 합성 피복관의 제조공정 및 그 공정에 의한 합성 피복관에 관한 것이다.

그 합성피복관은 예를 들어 지르칼로이 2(zircaloy 2)와 같은 지르코늄 합금의 중공 빌렛과 합금이 아닌 지르코늄의 내부관을 전후단에서 용접한 조립체를 동시 압출함으로써 제조된다. 그 뒤 그 블랭크는 냉간압연과 열처리의 공정을 교대로 거쳐 최종 합성피복관이 된다.

그 합성피복관의 내측표면은 중첩이나 미세한 크랙과 같은 금속학적 결함이 극소로 되는 것이 바람직하다. 또한, 내부 지르코늄이 미세하고 규측적인 구조를 지니는 것이 바람직하다.

종래의 기술에 의하면, 원자로의 표준에 맞는 지르칼로이 2 지르코늄합금의 인곳(ingot)를 단조 또는 열간 압연한 뒤 범위 β(1050^oC)로부터 물로 급냉시킨다. 구멍이 급냉공정 전후에 빌렛내에 뚫리고 그 뒤 그 구멍을 지닌 빌렛은 기계가공된다.

또한, 소모가능한 전극으로 진공하에서 재용융시킴으로서 제조되는 합금이 아닌 순수 지르코늄의 인곳은 800^oC이상의 온도에서 범위 α+β 또는 β내 고온 조건에서 변형한다. 그 바아는 빌렛으로 절단되고 그 뒤 구멍이 뚫린다. 이 구멍이 뚫린 빌렛은 그 뒤 550^oC 내지 700^oC 사이의 범위 α내 고온조건에서 압출되어 관형상으로 된다.

그 뒤 압출된 지르코늄관과 지르칼로 이 빌렛이 조립되고 서로 연결되어 관이 내측에 있게 되며 그 조립체는 550^oC 내지 700^oC 사이 범위 α에서 압출되어 합성 블랭크가 된다. 그 뒤 그 블랭크는 범위 α에서 냉간압연 및 열처리가 교대로 이루어져 최종 합성피복관으로 된다.

지르코늄은 총계 5,000ppm 이하의 불순물을 포함한 것이 사용된다.

특히 산소의 양은 1,200ppm을 초과하여서는 아니되며 600ppm인 것이 바람직하다. 또한, 다른 불순물은 초과되어서는 안되는 상하는 있지만, 하한은 없는데 이것은 지르코늄의 순도가 그 경계층에 특수한 성질을 띠게하는 주요조건이 된다고 생각되기 때문이다.

상술된 방법에 의해 제조된 피복관의 내부표면은 연료내에 생성되어 지르칼로이 외피에 급속피로 작용을 하는 핵분열 생성물과 수소에 대한 장애물로서 작용하여 내부 라이닝의 안정성을 감소시키는 어느 정도의 크랙을 지닌다.

본 발명은 합금이 아닌 지르코늄층으로 내부라이닝이 형성된 지르코늄 합금의 합성관 또는 냉간 가공블랭크의 제조공정을 개선한 것으로서, 다음과 같은 종래의 기술에 의한 공정을 포함한다. 즉, (1) 한편으로는 지르코늄 합금 인곳을 열간가공(압연 및/또는 단조)에 의해 바아 형태로 변형시키고; 그 바아를 빌렛로 절단하여 그 빌렛내에 거의 동축인 구멍을 뚫고 그 빌렛을 기계가공하며; 범위 β로부터, 빌렛으로 절단되기전에 가공된 바아 또는 구멍을 뚫은 후 절단된 적어도 하나의 빌렛을 물로 급냉시키고; (2) 다른 한편으로는 열간 가공(압연 및/또는 단조)에 의해서 바아 형상으로, 합금이 아닌 지르코늄 인곳을 변형시켜; 그 변형된 바아를 빌렛 또는 부분들로 절단하고; 빌렛 또는 부분에 구멍을 뚫어 범위 α에서 관모양으로 압출하고; (3) 최종적으로 지르코늄 합금 빌렛의 거의 동축인 구멍내측에 합금이 아닌 지르코늄관을 조립하여; 합성압출 블랭크의 형태로 범위 α에서 그 조립체를 압출하고; 그 합성 압출 블랭크를 냉간압연하고 열처리를 하여 하나 이상의 합성 가공블랭크를 만들어 합성피복관을 제조하는 것.

본 발명의 개선점은 상기 (2) 공정 즉 합금이 아닌 지르코늄 라이닝의 준비공정에 관하여 다음의 2 또는 3가지 조건을 결합한 것에 있다. 즉, -합성관의 내부라이닝용으로 적어도 250ppm의 Fe를 바람직한 것을 250 내지 1000ppm의 Fe를 포함하는 합금이 아닌 지르코늄인곳을 사용하는 것; -지르코늄 라이닝 구조의 재결정에 해당하는 범위 α내에서 전형적으로는 630 내지 760^oC 사이에서 지르코늄인곳의 열간 가공공정을 실시하는 것; -열간가공공정 후 특정의 예열 범위 β로부터 얻어진 바아 또는 빌렛을 물로 급냉시키는 공정을 실시하는 것. 이와 같이 급냉공정은 범위 α에 관형상에서 압출전에 일어나며, 그 자체의 압출공정뒤에 지르코늄 빌렛과 순수 지르코늄 내부관을 포함하는 합성조립체가 또한 범위 α내에서 압출된다.

그 특정의 범위 β는 880 내지 1050^oC 사이, 보다 바람직한 것은 950^oC ±30^oC내의 온도에 해당된다. 전술한 바에서 "합금이 아닌 지르코늄"이란 총합계 5000ppm 이하, 바람직한 것은 많아야 1200ppm의 불순물의 양을 지니는 탈하프늄 지르코늄에 해당한다.

본 발명에 의한 개선된 공정을 이용하므로서 중간의 냉간 가공블랭크에 또한 그후의 피복관에 금속학적 결함이 없는 내부표면이 얻어질 수 있다. 이와 같이 하여 내부라이닝에 초기 부식과 크랙발생 위험이 크게 감소되고 따라서, 연료 조립체내에 포함된 가스와 분열생성물로부터 외피의 벽을 보호하는 라이닝의 기능이 정확하게 수행될 수 있다. 또한, 이 공정을 통해 지르코늄용 미세하고도 규칙적인 구조를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 본 발명의 공정에 의하여 제조된 생산물에 관한 것으로서 최종단계(합성 피복관)에 있는 것이거나, 중간의 소둔단계와 보통 적어도 한 표면의 표면처리와 함께 합성블랭크의 압출후 1 내지 4 냉간압연 공정에 보통 해당하는 중간단계에 있는 것도 있다.

그러한 제품들은 "합성 냉간가공 블랭크"라고 기재되며, 특별한 경우에는 예로서 "TREX"라고 기재된다. 그 내부 라이닝은 적어도 9 ASTM 가끔은 10 ASTM에 해당하는 인덱스(index)를 가지는 아주 미세한 결정을 지닌다. 그 합성 냉간가공 블랭크는 보통 합성피복관을 형성하기 위하여 재압연하기 위한 출발물이다.

[예]

1. 한편으로 다른 불순물은 ASTM B52에 설명된 바와 같이 원자로 연료용 지르코늄 합금의 규격에 일치하고 1.45%의 Sn, 0.16%의 Fe, 0.12%의 Cr, 0.05%의 Ni, 1180ppm의 0.90ppm의 C,40ppm의 Hf의 성분을 지닌 지르칼로이 2의 인곳로부터, 다른 한편으로는 주요 불순물로 364ppm의 Fe, 22ppm의 Cr, 10ppm미만의 Ni, 520ppm의 0.40ppm의 C, 34ppm의 Hf를 함유하는 합금이 아닌 지르코늄으로부터 합성피복관을 제조하는 것이 이에 포함된다.

상술한 지르칼로이 2는 약 1000℃의 트랜서스(transus) β온도(범위 α+β로부터 순수범의 β로의 전이)를 지닌다. 상기 지르코늄이 트랜서스 β온도는 약 890℃ 이다. 지르칼로이 2인 곳을 1040℃에서 단조하여 직경 170mm의 원통형 바아를 만든다. 그 바아를 1050℃ 온도로부터 물로 급냉시킨다. 그 바아로부터 450mm길이의 원통형 빌렛을 절단하여 80mm 직경의 구멍을 피어싱한 후 기계가공한다.

지르코늄인곳은 종래의 기술(범위 β에서 열간가공)에 의해 950^oC에서 단조되어 170mm 직경의 바아로 되며, 그후 430mm길이의 빌렛 또는 부분으로 절단된다.

빌렛은 50mm 직경의 동축구멍이 피어싱 된 후 650^oC온도에서 압출하여 81mm의 외경과 15mm의 두께의 관으로 된다.

그 관이 외부 가공후 빌렛의 구멍속으로 결합되고, 용접에 의해 형성된 조립체는 650^oC 온도에서 압출되어 외경 80mm와 내경 51mm이며 길이가 약 2700mm인 합성 블랭크로 된다.

그 블랭크를 냉간압연하여 외경 63.5mm, 두께 11mm의 감소된 관형 블랭크인 "TREX"(Tube Reduced Extrusion의 약자)를 만든다. 압연후 그 블랭크는 소둔된다. 그 관형 블랭크의 내측표면을 검사하면 섬유상 표면을 나타낸다.

현미경 사진에 의하면 30 내지 50미크론 깊이의 입자간 크랙의 발생을 관찰 할 수 있다. 그 지르코늄 결정은 미세하다.(ASTM인덱스 "9")

2. "TREX"는 그 뒤 동일한 지르칼로이와 250ppm 이하의 철을 함유하는 지르코늄 또는 첫 번째 테스트에서 사용된 것과 동일한 성분의 것으로 제조된다.

조립체와 블랭크의 지르칼로이 변형공정순서는 첫 번째 테스트에서와 동일하다. 다른 한편으로 범위 α에서 인곳의 단조후 제조된 지르코늄 빌렛은 950^oC에서 가열되고 650^oC에서 압출되고 천공된 지르칼로이 빌렛에 조립되기 전에 물로 급냉된다.

그 "TREX"의 내부 표면 검사에서 표면 결합을 몇가지 나타내게 되는 섬유상 표면이 염속적으로 나타났다.

또한, 그 지르코늄 금속의 조직은 매우 거친 입도 즉 ASTM 인덱스 7-8의 입도를 특징으로 나타났다.

3. 최종적으로 본 발명의 공정을 사용하여 이전의 두가지 테스트와 유사한 지르칼로이 인곳으로부터, 또한 첫 번째 테스트로부터 사용된 것과 유사한 지르코늄 인곳으로부터 "TREX" 가 제조되었다. 변형공정 순서는 두 번째 사용된 것과 같다. 즉, 범위 α에서 인곳을 단조하고 950^oC에서 가열한 후 지르코늄 빌렛을 물로 급냉시키는 공정을 포함한다.

"TREX" 의 내부표면의 검사에서 양호한 표면이 얻어졌다. 다만 , 약간의 불규칙성은 있으나, 어떤 경우에도 초기 입자간 크랙이나 표면 결함이 없었고, 또한 단면도 순수 지르코늄 내부 라이닝용으로 매우 미세한 입도(ASTM 인덱스 10 내지 11)를 나타냈다.

Claims (8)

1. (1) 한편으로 열간가공(압연 및/또는 단조)에 의해서 지르코늄 합금 인곳을 바아형상으로 변형시키는 것; 가공된 바아를 빌렛으로 절단하고 빌렛내에 거의 동축인 구멍을 뚫고 그 빌렛을 기계 가공하는 것; 및, 빌렛으로 절단하는 공정전의 가공된 바아나 구멍뚫기 전이나 후에 절단된 적어도 하나의 빌렛을 범위 β로부터 급냉시키는 것; (2) 다른 한편으로 열간가공(압연 및/또는 단조)에 의해 합금이 아닌 지르코늄 인곳을 바아형상으로 변형시키는 것; 그 가공된 바아를 빌렛이나 부분들로 절단하는 것; 및 빌렛이나 부분에 구멍을 뚫고 그것을 범위 α에서 관형상으로 압출시키는 것; (3) 최종적으로 지르코늄 합금 빌렛내의 거의 동축인 구멍내에 합금이 아닌 지르코늄관을 조립하는 것; 합성 압출 블랭크 형상으로 범위 α에서 그 조립체를 압출시키는 것; 및 그 합성 압출블랭크를 냉간압연하고 열처리하여 하나 이상의 합성 가공 블랭크를 만든 후 합성피복관을 만드는 것;을 포함하는, 합금이 아닌 지르코늄층으로 내부가 피복된 지르코늄 합금 합성관이 냉간 가공 블랭크를 제조하는 공정에 있어서, 적어도 250ppm의 철을 함유하는 합금이 아닌 지르코늄인곳을 사용하고 피어싱전이나 그 후에 880 내지 1050^oC사이의 온도로부터 합금이 아닌 지르코늄 빌렛을 물로 급냉시키는 것을 특징으로 하는 원자로 연료용 합성피복관의 제조공정.
2. 제1항에 있어서, 250 내지 1000ppm의 철을 함유하는 합금이 아닌 지르코늄인곳을 사용하는 것을 특징으로 하는 원자로 연료용 합성 피복관의 제조공정.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 범위 α의 온도에서 합금이 아닌 지르코늄인곳을 열간가공하는 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 원자로 연료용 합성피복관의 제조공정.
4. 제3항에 있어서, 630 내지 760^oC 사이에서 합금이 아닌 지르코늄인곳을 열간가공하는 공정을 실시하는 것을 특징으로 하는 원자로 연료용 합성피복관의 제조공정.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 900 내지 1000^oC 사이의 온도로부터 합금이 아닌 지르코늄의 가공된 블랭크를 물로 급냉시키는 것을 특징으로 하는 원자로 연료용 합성피복관의 제조공정.
6. 제5항에 있어서, 920 내지 980^oC 사이의 온도로부터 합금이 아닌 지르코늄의 가공된 블랭크를 물로 급냉시키는 것을 특징으로 하는 원자로 연료용 합성 피복관의 제조공정.
7. 내부가 합금이 아닌 지르코늄으로 라이닝된 지르칼로이 2의 합성냉간가공 관형 블랭크에 있어서, 그 내부라이닝이 250 내지 1000ppm의 철을 함유하고 입도가 적어도 ASTM인덱스 "9"만큼 미세한 것을 특징으로 하는 합성냉간 가공관형 블랭크.
8. 내부가 합금이 아닌 지르코늄으로 라이닝된 지르칼로이 2의 합성피복관에 있어서, 내부라이닝이 250 내지 1000ppm의 철을 함유하고 입도가 ASTM인덱스 "9"만큼 미세한 것을 특징으로 하는 합성 피복관.