JPH10501846A - 原子炉のためのジルコニウム基合金の管の製造方法及びその用途 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、原子炉用途のジルコニウム基合金の管製造方法に関する。本発明にしたがい、ベータ焼き入れした管にα相領域において十分な温度と時間とで真空焼鈍を施すことにより、全面腐食に関して良好な耐食性、改良された横クリープ強度及び減少した照射誘起成長を達成することができ、３．４×１０^-16から３．４×１０^-13の範囲の焼鈍因子Ａの値が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 原子炉のためのジルコニウム基合金の管の製造方法及びその用途 本発明は、核炉心材料のジルコニウム基合金の管の製造のための方法及び原子 炉に使用する核構成要素の骨組みの製造のための方法に関し、いくつかの連続す る変形と焼鈍との工程を含んでいる。本発明は、加圧水形原子炉（ＰＷＲ）の燃 料構成要素における燃料被覆管、案内管の構造物及び設備の管の製造に特に役立 つだけでなく、ジルコニウム基合金で製造される燃料被覆管と管構造物とに有用 である。 最も多く使用されるジルコニウム合金である「ジルカロイ」は、現在ＡＳＴＭ Ｂ ８１１にしたがうジルカロイ−２及びジルカロイ−４である。これらの合 金次の組成を有する。すなわち、 上記分析の達成に加えてさらに、これらの合金は、燃料被覆管と燃料構成要 素骨組み用の管構造物として９００〜１６００ｐｐｍ、通常１２００±２００ｐ ｐｍの量の酸素も含む必要もある。商業的ジルカロイ−２及びジルカロイ−４は 、少量で充分に定義された 量のＳｉ及び／またはＣ、好ましくは５０〜１２０ｐｐｍのＳｉ及び８０〜２７ ０ｐｐｍのＣを含有するものも使用される。 これらのジルコニウム基合金はそれらの核特性によって選ばれ、この特性は主 に小さな中性子吸収能力、機械的性質及び高温度での水及び蒸気中での腐食に対 する耐性である。それにもかかわらず、原子炉の長い耐用年数を達成するために 、機械的性質及び耐食性を改良することが重要であり、それによって燃焼の程度 を増加することができる。管構造物の照射誘起成長を減少可能であることが特に 注目される。それらの耐用年数を延長するために、製造中の管熱処理の種々の様 式が提案された。 次の工程を備える方法によってジルカロイ−２及びジルカロイ−４の燃料被覆 管と管構造物とを製造することが普通のやり方である。すなわち、鋳塊を一体ビ レットまで熱間加工すること、焼入れが引き続くβ相領域まで上記ビレットを加 熱すること、いわゆるベータ焼入れ、中空押出加工ビレットを得るための機械加 工、各冷間加工工程以前に上記管に真空中で再結晶焼鈍を行う間に実質的に最終 寸法まで冷間加工による数工程のそれらの圧下に引き続き押し出された中空管に アルファ相領域内の高温度で上記ビレットを押出加工することである。その後、 最終寸法を実質的に有する冷間加工された管が、最終真空焼鈍以前に圧延加工及 び引抜加工のような付加的な冷間変形を施される。最終焼鈍は真空中で実行され 、歪み除去、部分再結晶又は完全な再結晶を含む。真空焼鈍の種類は燃料被覆管 と管構造物との機械的性質に関する燃料製造業者による仕様書を下に選ばれる。 「α領域」によって温度範囲が理解され、合金の結晶組織は稠密六方晶（α相 ）であり、且つ「β領域」によって温度範囲を理解され、合金の結晶組織は体心 立法晶（β相）である。純ジルコニウム のα相からβ相への変態温度は８６２℃である。 ジルコニウム基合金は二つの結晶組織α及びβが存在する中間領域を有する。 ジルカロイ−２及びジルカロイ−４がいわゆるα＋β相であるこの領域は、８０ ０℃から９５０℃の温度範囲に広がる。 種々のタイプの異なる製造方法が、横クリープ強度、延性と照射誘起軸方向成 長のような機械的性質及び／または耐食性を改良する目的で提案された。この方 法は、焼入れに続きβ相領域に加熱するために種々の工程を含む。すなわち、押 出加工後の中空管のベータ焼入れすること、またはそれらの最終寸法の燃料被覆 管または管構造物をβ焼入することである。 米国特許第４，４５０，０１６号及び第４，４５０，０２０号は、α相領域に おける中間真空焼鈍とともに最終燃料被覆管にその後２回の冷間圧延工程を続け る少なくとも２回の冷間圧延工程以前に、β相領域で管ビレットをベータ焼入れ することによる熱処理が記載される。さらに、米国特許第４，２３８，０１６号 、米国特許第４，２７９，６６７号、ドイツ特許第２９５１１０２号またはドイ ツ特許第２９５１０９６号は、構造物構成要素を製造するために加熱方法を用い ることを教示する。このβ領域処理は表面処理のみである。上記種々の方法の全 ては、沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）の典型的な環境における燃料被覆管及び／また は構造部品に関する球状耐食性を改良する目的を提案した。米国特許第４，４５ ０，０１６号及び第４，４５０，０２０号にしたがう処理は、これは支配的な腐 食機構であり且つ加圧水形原子炉において燃料被覆管と管構造物の耐用年数を制 限する全面腐食に対する耐性を損なう傾向を有することを知っておくことが重要 である。 さらに、表面ベータ焼入れだけをするこの処理方法は、照射誘起 軸方向成長に明らかに影響することを注目する必要がある。 米国特許第３，８６５，６３５号は、このような管の厚さ全体に渡って改良さ れたクリープ強度を達成するために、最終燃料被覆管の製造において少なくとも 冷間圧延工程以前に、ベータ焼入れを実行することを開示する。この方法は、球 状腐食に対する耐性に明らかに影響を及ぼすが、全面腐食に対する耐性に消極的 な影響を及ぼす傾向がある。 燃料被覆管と管構造物とに関するβ相領域における最終熱処理の別の方法がヨ ーロッパ特許Ａ−２９６９７２号に記載され、表面層のみが処理される場合、壁 厚さの１００％がβ領域が加熱されその後焼入れされる。それらの結果は、内部 応力腐食に対する良好な耐食性、横と軸方向とのクリープに対する良好な耐性及 び減少された照射誘起軸方向成長を含むいくつかの態様に改良が示される。この 処理方法の欠点は、高冷却感受性のために、ベータ焼入れはジルコニウム母相の 固溶体にＦｅ及びＣｒ元素の過飽和を与え、且つ小さな２次相粒子の析出も生じ る。当業者には、小さな２次相粒子及びＦｅとＣｒとの過飽和の組合せが、長い 照射期間後の全面腐食に対する耐性を減少させることに寄与することが知られて いる。ヨーロッパ特許Ａ−２９６９７２号に記載されるように、耐食性の所定の 改良は、比較的短い燃焼期間で初期に達成される。しかしながら、悪い結果が延 長した燃焼において観察され、良好な耐食性は生命の重要課題である。Ｋｉｌｐ 等の「Proceeding of IAEA Technical Committee Meeting on Fundamental Aspe dt of Corrosion of Zirconium Alloys in Water Reacter Environments，Vienn a 1990，IWGFPT/34」及びGarzarolli等の「ASTM STP1023」の開示は、最適耐食 性を達成するために、母相中で合金化元素が枯渇し且つ大きな２次相粒子の分布 する状態の組織を有することが必要である。 燃料被覆用と燃料要素骨組みの構造物部品用とのジルコニウム基合金の管の製 造方法を提供することを本発明の目的とし、先行の方法よりも優れ、長期期間使 用する原子炉において次の必要条件を満足する。すなわち、 −小さい照射誘起軸方向成長 −照射中の管の大きな横クリープ強度 −耐食性が生命の重要課題である場合、特に３年間より長い照射期間後の照射 中の良好な腐食性 本発明は、照射誘起軸方向成長と、照射中の横クリープ強度と、長期間の照射 後でさえも有する全面腐食性とに付いて改良された特性を組み合わせて持つ原子 炉用のジルコニウム合金の燃料被覆管及び構造物管部品の製造を可能にすること を前もって述べる。これらの結果は可能とされていなかった。 本発明は、ジルコニウム基合金の燃料被覆管及び構造物管部品の製造方法に関 し、ジルコニウム基合金が押出加工され、押出加工された製品がα相領域におけ る中間真空焼鈍工程とともに最終寸法までに数工程の冷間圧延が施され、且つ最 終製品がベータ焼き入れを施され、且つ燃料被覆棒及び設備管としての管を製造 するためにα相領域で真空焼鈍を行い、且つベータ焼き入れと、冷間変形と、そ の後燃料要素の骨組み案内管として使用する管に対しアルファ相領域において真 空焼鈍とが施される。 押出加工は、α相領域のいずれの適切な温度で実行することができる。好まし い押出加工温度範囲は５５０〜７５０℃にある。 中間真空焼鈍工程は、６００〜８００℃好ましくは６５０〜７５０℃の温度範 囲で実行される。 最終製品のβ焼き入れは、β相領域の温度まで適切には９５０〜１２５０℃の 温度好ましくは１０００〜１１５０℃の温度まで、α 相領域の温度への焼入れが引き続くβ相への完全な変態を達成するに十分な時間 、製品を加熱することにより行われる。β相領域から７００℃温度までの冷却は １００〜４００℃／ｓｅｃの冷却速度を考え、且つ７００℃から３００℃までの 冷却は１０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度を考える。 さらに減少した外径まで最終的に圧延しかつ焼き入れた管のより小さな部分に 施されることによって特徴付けられところの、燃料骨組み用の構造物管部品の最 終寸法でのβ焼き入れ後の冷間変形は、５〜３０％の圧下率で冷間圧延または冷 間引抜き、好ましくは７〜１７％の圧下率で冷間引抜きによって実行される。 最終寸法でのβ焼き入れ後の製品のα領域における最終真空焼鈍は、３．４× １０^-16から３．４×１０^-13の範囲、好ましくは６．０×１０^-15から１．７× １０^-13の範囲の焼鈍因子値Ａを有する製品をもたらす温度と時間で実行され、 Ａは次式で計算される。 Ａ＝ｔ×ｅｘｐ（−Ｑ／ＲＴ） ｔ＝時間で表した焼鈍期間 Ｔ＝°Ｋで表した焼鈍温度 Ｒ＝一般的なガス定数 Ｑ＝活性化エネルギー＝６３０００ｃａｌ／ｍｏｌｅ 本発明に従う燃料被覆管及び構造物管部品を製造する場合、最終製品の２次相 粒子の大きさは、最終製品のベータ焼き入れが施される場合は公知の方法による 製造物よりも実質的に大きいことが判明した。本発明で得られる大きな粒子径は 、全面腐食性に対して良好な耐食性をほぼもたらすジルコニウム母相を激減させ る合金元素と組み合わされる。α相領域における最終真空焼鈍でのこの組織変化 にもかかわらず、横クリープ強度に関して得られた改良が、β焼き 入れ方法と関連してまず得られる照射誘起軸方向成長の減少と並んで維持された 。 ジルコニウム基合金は、ジルコニウム錫合金が好ましく、いわゆるジルカロイ −２及びジルカロイ−４型の合金は１．２〜１．７％の錫、０．０７〜０．２４ ％の鉄、０．０５〜０．１５％のクロム及び０〜０．０８％のニッケル、少量の 酸素、シリコンまたは炭素の添加、残余はジルコニウムと不可避的不純物である 含有物を含み、百分率の値は重量パーセントである ジルカロイ−２は１．２〜１．７％のＳｎ、０．０７〜０．２０％のＦｅ、０ ．０５〜０．１５％のＣｒ及び０〜０．０８％のＮｉを含有する。 ジルカロイ−４は１．２〜１．７％のＳｎ、０．１８〜０．２４％のＦｅ、０ ．０７〜０．１３％のＣｒを含有し且つＮｉを含有しない。 本発明を実施例を参照して詳細に次に記載する。 ジルカロイ−４のインゴットを１４０ｍｍの寸法を有する棒に鍛造する。この 棒は、１５分間１０５０℃の温度に加熱しかつ５０℃／ｓｅｃを越える冷却速度 で室温まで冷却することにより従来のβ焼き入れが施される。この棒は多数の押 出加工用試料にされた。この試料は、６５０℃の温度で、すなわち、α相領域に おいて押出加工された。その後押出加工された製品は４回の冷間圧延工程が行わ れ、１２．２ｍｍの外径を有する管を得た。第１、第２及び第３の冷間圧延工程 の後、冷間加工された製品は、第１と第２の工程においてα相領域で７２０℃の 温度で真空焼鈍工程が成され、且つ第３の焼鈍工程は７００℃の温度で成された 。１２．２ｍｍの外径を有する最終的に圧延された製品は数秒間１０５０℃で誘 導加熱をうけてβ焼入れされ、上記管の外側表面を保護するためにアルゴンガス 保護装置と組み立てらたそれ自体周囲に高周波誘導コイルが有するので、この管 の軸方向変位速度は０．６ｍｍ／ｍｉｎであった。次に製品は２００℃／ｓｅｃ の強度で室温以下まで内部冷却水吹き付け処理が施される。その結果、それらの 約５０のβ焼入れ管が得られた。これらの管は二つに分類された。設備用の管構 造物を意図する一つのグループは、α領域の５００℃で５時間真空焼鈍がなされ 、すなわち、管は３．５×１０^-14の焼鈍因子を有する。この処理は、本発明に したがう燃料被覆管を製造するために使用される方法とも同一である。管構造物 型式の案内管を意図したβ焼入れされた別のグループでは、３．５×１０^-14の 焼鈍因子を得るために管がα相領域において７００℃で５時間真空焼鈍された後 に、上記管の長さ部分に沿って１０％の圧下率で引抜き加工される。このα相領 域における最終真空焼鈍の後に、このような管に対する通常の処理、洗浄、矯正 、内部表面の酸洗い及び外部表面の研削加工等が行われ、その後、上記管は、寸 法測定と存在しうる欠陥と洗浄管理のための非破壊超音波試験及び目視表面検査 を受ける。 ２次粒子径の大きさ測定に関しては、粒子径は０．１〜０．６μｍの大きさ、 約０．３μｍの平均粒子径を有した。すなわち、従来の方法で製造した管と同じ 大きさであり、且つ実験により、原子炉内で長期の照射後に全面腐食に対して良 好な耐食性を有することが判明した。β焼き入れした条件においてだけ、すなわ ち、α相領域において７００℃で５時間の最終真空焼鈍する前に、粒子径は０． １０μｍ未満になり、すなわち、全面腐食に対して良好な耐食性を与えるために 必要とするもの未満であった。 全面腐食に対して耐食性に関する反応条件を模擬試験するために知られる試験 であり、４００℃の蒸気の中での腐食試験においては、本発明にしたがって製造 された管は全面腐食に対する耐食性を有 することが明らかであり、比較のためにこの試験に包含される全面腐食に対して 良好な耐食性を立証する従来製造された管と少なくとも同等である。４００℃で ６０の暴露後、本発明にしたがい製造された管は６５〜６７ｍｇ／ｄｍ²の重量 増加を示し、且つ従来製造された管は６７〜６９ｍｇ／ｄｍ²の重量増を示した 。この重量増はこれらの管に付加される腐食量の測定である。 管の横クリープ強度を測定するための試験であるところの、４００℃で２４０ 時間１３０ＭＰａの周辺張力に相当する内部過剰圧力のクリープ試験がこの管に なされた場合、本発明にしたがい製造された管は、０．４５〜０．７０％の横ク リープ伸びを有したが、一方で製造された従来の管は、１．８〜２．０％の横ク リープ伸びを有したことが明らかとなった。低いクリープ伸び値は、本発明にし たがい製造された管が従来の実施にしたがい製造されたこれらの管より高いクリ ープ強度を有することを示す。照射誘起成長に対する抵抗性に関しては、成長速 度が管のα結晶の軸方位、すなわち、管集合組織によって決定されることが当業 者に良く知られている。この集合組織はエックス線によって決定され、それによ って、結晶の基本面の方位が測定され、且つ所定の集合組織因子によって明確に させられる。軸成長速度に係わる因子は軸方向のＫｅａｒｎｓ 係数、ｆａであ る。より高いｆａ値は、照射誘起成長による管の軸方向により少ない長さ増加を もたらす。本発明にしたがい製造された管は０．２６〜０．３２の範囲のｆａ値 を有することを示し、０．０３〜０．０７の範囲のｆａ値を有することを示す従 来製造された管と比較して、実質的により少ない長さ増加が達成されることが示 される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８３ 8719−4Ｋ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８５Ｚ ６８５ 8719−4Ｋ ６８６Ｂ ６８６ 8719−4Ｋ ６９１Ａ ６９１ 8719−4Ｋ ６９１Ｂ 8719−4Ｋ ６９２Ａ ６９２ 9216−2Ｇ Ｇ２１Ｃ 3/06 Ｋ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．原子炉用途のジルコニウム合金の燃料被覆管と燃料骨組みのための構造物 の管部品との製造方法であって、 押出加工を行い、 冷間圧延とα焼鈍とを複数回行い、 １００％β相組織を達成するために十分な時間９５０℃から１２５０℃までの β相領域の温度に前記管全体を加熱すること、及び前記管全体に渡ってα相に変 態させるために１００℃から４５０℃／ｓｅｃの速度で前記管を冷却することに よるβ焼き入れ、及び その後、３．４×１０^-16から３．４×１０^-13までの範囲の焼鈍因子Ａの値を もたらす温度と時間でα相領域において真空焼鈍を実行すること、 を特徴とする燃料被覆管と燃料骨組みのための構造物の管部品との製造方法。 ２．真空焼鈍以前に前記α相領域において前記管が、５〜３０％の圧下率で冷 間変形を受けることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記β相領域における加熱は、１０００〜１１５０℃の温度で実行される ことを特徴とする請求項１または２記載の方法。 ４．前記β相領域における加熱が、０．４〜１．０ｍ／ｍｉｎ好ましくは約０ ．６ｍ／ｍｉｎの範囲の軸方向変位速度を有するコイルの誘導加熱によって実行 され、且つ冷却が、アルゴンガス雰囲気中で２００℃／ｓｅｃで実行されること を特徴とする請求項１〜３項のいずれか１項に記載の方法。 ５．β焼き入れ後にα相領域における真空焼鈍が、６．０×１０^-16から１． ７×１０^-13の範囲の焼鈍因子の値を達成するための 温度と時間で実行されることを特徴とする請求項１〜４項のいずれか１項に記載 の方法。 ６．最終真空焼鈍以前にα相領域における冷間変形が、７％から１７％の間の 圧下率で引抜きすることによって実行されることを特徴とする請求項２に記載の 方法。 ７．加圧水形原子炉の燃料要素に適するジルコニウム基合金の燃料被覆管と燃 料要素骨組み管構造物との製造における請求項１〜６項のいずれか１項に記載の 方法の使用。 ８．前記ジルコニウム基合金が、１．２〜１．７％のＳｎ、０．０７〜０．２ ４％のＦｅ、０．０５〜０．１５％のＣｒ、０〜０．０８％のＮｉ、９００〜１ ６００ｐｐｍのＯ、５０〜１２０ｐｐｍのＳｉ、８０〜２７０ｐｐｍのＣ、ジル コニウム及び通常の種類の不可避的不純物である残部を含有することを特徴とす る請求項７に記載の使用。 ９．前記ジルコニウム基合金が、１．２〜１．７％のＳｎ、０．０７〜０．２ ４％のＦｅ、０．０５〜０．１５％のＣｒ、０〜０．０８％のＮｉ、１０００〜 １４００ｐｐｍのＯ、５０〜１２０ｐｐｍのＳｉ、８０〜２７０ｐｐｍのＣ、Ｚ ｒ及び通常の種類の不可避的不純物である残部を含有することを特徴とする請求 項８に記載の使用。 １０．前記ジルコニウム基合金が、１．２〜１．７％のＳｎ、０．０７〜０． ２０％のＦｅ、０．０５〜０．１５％のＣｒ、０．０３〜０．０８％のＮｉ、９ ００〜１６００ｐｐｍのＯ、５０〜１２０ｐｐｍのＳｉ、８０〜２７０ｐｐｍの Ｃ、Ｚｒ及び通常の種類の不可避的不純物である残部を含有することを特徴とす る請求項７または８に記載の使用。 １１．前記ジルコニウム基合金が、１．２〜１．７％のＳｎ、０ ．１８〜０．２４％のＦｅ、０．０７〜０．１３％のＣｒ、９００〜１６００ｐ ｐｍのＯ、５０〜１２０ｐｐｍのＳｉ、８０〜２７０ｐｐｍのＣ、Ｚｒ及び通常 の種類の不可避的不純物である残部を含有することを特徴とする請求項８または ９に記載の使用。