JP2015134946A - 高耐食性ジルコニウム合金材料並びにそれを用いた燃料被覆管、スペーサ、ウォーターロッド及びチャンネルボックス - Google Patents
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Abstract
Description
一般に、Zr合金の母材中に存在するFe、Cr及びNiの成分は、母材には固溶せず、母材と異なる化学組成を有する結晶構造を有する析出物を生成することが知られている。これらの析出物は化学式Zr(Fe,Cr)2およびZr2(Fe,Ni)によって表わされる。
図1は本発明に係るZr合金材料の一例を示す断面模式図である。図1に示したように、本発明に係るZr合金材料100は、基材101と、基材101の外表面に設けられた外表面層102とを有する。
次に、上述したZr合金材料の作製方法について説明する。図3は本発明に係るZr合金材料を作製するための加工装置の一例を示す模式図である。図3に示したように、加工装置200は、切削工具201、送り機構202、マンドレル203から構成される。切削工具として例えば、φ20mmのエンドミルを用いることができる。切削工具は突出量の調節により、切り込み深さを変えることが可能である。送り機構202は、Zr合金材料100´を支持すると共に、所定の速度で回転させながら軸方向(図2中左端にある矢印方向)に送り出す。マンドレル203は、Zr合金材料100´の内側に挿入して使用する。加工時の歪みを防止し、効率的に外表面層102(加工層)を付与するのに必要なものである。
本発明に係る燃料被覆管の適用例について説明する。図8は本発明に係る燃料被覆管を用いた燃料集合体の部分切欠斜視図である。図8に示したように、燃料集合体500には燃料棒501が配置されている。燃料棒501は本発明に係るZr合金材料を使用した燃料被覆管が設けられ、内部にウランペレットを密封している。
本発明に係るチャンネルボックスについて説明する。図10は本発明に係るチャンネルボックスの断面模式図である。図10に示したように、チャンネルボックス502は角管形状をしており、U字状にした本発明に係るZr合金材料505を2つ突き合わせ、突き合わせ部506を溶接して製造される。U字状のZr合金材料505はZr合金板を折り曲げて製造される。Zr合金板として、表面および裏面を切削加工したものを用いることができる。
本発明に係るスペーサ503は、本発明に係るZr合金材料の板材(Zr合金板)を格子状に折り曲げて製造される。Zr合金板として、Zr合金板の表面および裏面を切削加工して、表面及び裏面の両方に外表面層を形成したものを用いることができる。
図9に示したように、ウォーター504は、中空管の形状をしている。本発明に係るウォーターロッド504として、本発明に係るZr合金材料の中空管を用いることができる。Zr合金材料の中空管として、外表面および内表面を切削加工して、該表面及び内表面の両方に外表面層を形成したものを用いることができる。
まず、基材として、その組成が質量%でSn:1.5%、Fe:0.15%、Cr:0.01%、Ni:0.05%、0.027%以下のC、0.008%以下のN、0.010%以下のHf及び0.16%以下のOを含み、残部が不可避不純物とZrとからなるZr合金材料の原料を用意し、溶解に続いて鍛造を行って作製したビレットに対して、1000℃に保持後急冷する溶体化処理を施した。熱間加工を行った後、それに続いて、600℃における3hの焼鈍を挟みながら冷間加工を繰り返して、所定の部材の形状に成形した。最終仕上げとして、センタレス研磨を行い、外径:11.2mmに仕上げた。
図5は本実施例のZr合金材料の表面近傍の断面SEM写真である。図5に示したように、SEMにて表面近傍の断面を観察したところ、基材101´では結晶粒が明瞭に観察された。一方、表面から深さ約30μmまでにおいて、結晶粒の不明瞭な領域が観察された。本発明では、この結晶粒の不明瞭な領域を外表面層(強加工層)401と定義する。
上記で作製したZr合金材料に対して腐食試験を実施した。Zr合金材料より長さ2cm採取し、試験片とした。Zr合金材料の両端を封止し、試験に供した。また比較材として、本実施例と組成が同じZr合金材料に対して、外表面層(強加工層)を設けず、センタレス研磨のみを施した基材の試験片を用意した。これらの試験片に対して、288℃の高温高圧純水中にて1000hの浸漬試験を実施した。試験前後の水素含有量を比較した結果、比較材では水素含有量が5wtppm増加した。これに対して本発明のZr合金材料の水素含有量の増加はみられなかった。
Claims (9)
- 基材と、この基材の外側の表面を覆う外表面層とを有し、前記外表面層は、Zr、Cr及びFeを含有する結晶性析出物と、Zr、Ni及びFeを含有する非晶質性析出物とを含むことを特徴とするZr合金材料。
- 前記Zr合金材料は、1.2質量%以上2質量%以下のSnと、0.07質量%以上0.55質量%以下のFeと、0.05質量%以上0.15質量%以下のCrと、0.03質量%以上0.16質量%以下のNiとを含み、残部が実質的にZrからなることを特徴とする請求項1に記載のZr合金材料。
- 前記外表面層は、厚さ1μm以上50μm以下の強加工層であることを特徴とする請求項1又は2に記載のZr合金材料。
- 前記外表面層における前記結晶性析出物及び前記非晶質性析出物の総数に占める前記非晶質性析出物の存在比は、20%以上80%以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のZr合金材料。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のZr合金材料を用いたことを特徴とする燃料被覆管。
- 前記基材の内側の表面を覆うライナーを含むことを特徴とする請求項5に記載の燃料被覆管。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のZr合金材料を用いたことを特徴とする燃料集合体用チャンネルボックス。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のZr合金材料を用いたことを特徴とする燃料集合体用スペーサ。
- 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のZr合金材料を用いたことを特徴とする燃料集合体用ウォーターロッド。
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