(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎｂ：０．６〜２．０重量％、Ｓｎ：０．５〜１．５重量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金からなる被覆管の内部に酸化ウラン燃料ペレットを充填し、被覆管の両端をジルコニウム合金からなる端栓で封止したのち、前記被覆管と端栓をＴＩＧ溶接することにより密封してなる軽水炉用燃料棒において、前記被覆管と端栓のＴＩＧ溶接により形成されたビードに隣接する被覆管の熱影響部の組織における結晶粒界の組成が、Ｎｂ：４〜３０重量％およびＦｅ：０．９〜２０重量％を含有する組成を有することを特徴とする軽水炉用燃料棒。
【請求項２】
Ｎｂ：０．６〜２．０重量％、Ｓｎ：０．５〜１．５重量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金からなる被覆管の内部に酸化ウラン燃料ペレットを充填し、被覆管の両端をジルコニウム合金からなる端栓で封止したのち、前記被覆管と端栓をＴＩＧ溶接することにより密封する軽水炉用燃料棒の製造方法において、
前記被覆管と端栓のＴＩＧ溶接により形成されたビードに隣接する被覆管の熱影響部を冷却速度：７０℃／秒〜５℃／秒で冷却することを特徴とする軽水炉用燃料棒の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、軽水炉用燃料棒およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１の断面図に示されるように、軽水炉用の燃料棒１はジルカロイ２（ＪＩＳＨ４７５１ＺｒＮＴ８０２Ｄ）もしくはジルカロイ４（ＪＩＳ  Ｈ４７５１ＺｒＮＴ８０４Ｄ）などのジルコニウム合金からなる被覆管２の内部にＵＯ2 燃料ペレット３を積重ねて充填し、スプリング５でＵＯ2 燃料ペレット３を押圧するようにして被覆管２の両端を端栓４で封止し、ＴＩＧ溶接することにより密封して組立てられる。前記ＴＩＧ溶接により形成される溶接部のビード６の幅は約２ｍｍでその両側に同じく約２ｍｍ幅の熱影響部７が形成されるが、ＴＩＧ溶接し溶接部をそのまま放冷すると、前記熱影響部７は、通常、１００℃／秒程度の冷却速度で冷却されるといわれている。
【０００３】
溶接前の被覆管２は加工組織を有しており、端栓４は等軸晶組織を有しているが、ＴＩＧ溶接することにより形成される溶接部のビード６および熱影響部７は組織が変化し、ビード６は液相から急冷されることにより非常に微細な針状晶組織になり、そして熱影響部７はジルコニウム高温安定相であるβ（ｂ．ｃ．ｃ．）相あるいはαとβとが混在する領域の温度から急冷されることにより、図２に示されるように、等軸晶組織８と針状晶組織９が混在する組織にそれぞれ変化する。
【０００４】
近年、電力供給源として原子力発電の比重が高まり、それにつれて原子力発電所の効率的な運転が求められるようになってきた。しかし、原子力発電所の効率的な運転は、そこに設置されている軽水炉の高効率運転を必要とし、軽水炉の高効率運転はジルコニウム被覆管にＵＯ2 燃料を充填した燃料棒の耐食性を向上させ、燃料棒の交換回数を減らす必要があったが、従来のジルカロイ２またはジルカロイ４からなる被覆管を用いた燃料棒では、長期間の十分な耐食性が得られない。
【０００５】
そこで、従来のジルカロイ２またはジルカロイ４よりも長期間の腐食に耐えうるＮｂ：０．６〜２．０重量％、Ｓｎ：０．５〜１．５重量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金（以下、このジルコニウム合金を、ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金という）が提案されている（特開昭６１−１７０５５２号公報、特開平１−１８８６４３号公報、特開平２−４９３７号公報、、特開平３−９０５２７号公報、特公平２−６０１８号公報、特公平３−６０１９号公報など参照）。
【０００６】
そして、このＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管２を使用した場合、ＴＩＧ溶接し溶接部をそのまま放冷して得られた前記熱影響部７の組織は、図２に示されるように、等軸晶組織８と等軸晶組織８の結晶粒界１０、等軸晶組織８と針状晶組織９の結晶粒界１０並びに針状晶組織９と針状晶組織９の結晶粒界１０にそれぞれＮｂおよびＦｅが偏析し、これら結晶粒界でのＮｂおよびＦｅ濃度はそれぞれ最大でＮｂ：３．５重量％でかつＦｅ：０．６重量％となることも知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管を使用しＵＯ2 燃料を充填した燃料棒は、通常は、従来のジルカロイ２またはジルカロイ４からなる被覆管よりも耐食性が向上しているが、ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の溶接熱影響部は、ジルカロイ２またはジルカロイ４からなる被覆管の溶接熱影響部よりも耐食性に劣ることがあった。
【０００８】
例えば、原子炉内で起こる腐食速度を炉外で評価する手法の一つとして、温度：３６０℃、圧力がその温度での飽和蒸気圧である約１９０気圧で実施するオートクレーブ試験があるが、前記ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管とジルカロイ４からなる端栓をＴＩＧ溶接することにより密封して組立てられた燃料棒のサンプルを、前記条件で１２０日間オートクレーブ試験したところ、溶接ビード部および端栓側熱影響部は、非溶接部と同様に黒色の酸化膜で覆われており、この黒色の酸化膜で覆われた部分の耐食性は問題がないが、ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管側の溶接熱影響部には白色の酸化膜が形成され、この白色の酸化膜が発生した部分の耐食性は極めて低いことが分かった。従って、肉厚の薄い被覆管側の熱影響部に前記白色の酸化膜が発生することは軽水炉用燃料棒の寿命を大きく低下させる原因となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者等はＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の熱影響部に発生する白色の酸化膜について研究を行っていたところ、
前記ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管と端栓をＴＩＧ溶接して得られた軽水炉用燃料棒において、ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管側の熱影響部を、通常の熱影響部の冷却速度よりも遅い冷却速度の７０℃／秒〜５℃／秒で冷却すると、熱影響部の結晶粒界に偏析するＮｂおよびＦｅの偏析量が一層増加し、熱影響部の結晶粒界におけるＮｂおよびＦｅ偏析量がそれぞれＮｂ：４．０〜３０重量％でかつＦｅ：０．９〜２０重量％となり、かかるＮｂおよびＦｅ濃度の偏析を有する結晶粒界を有する被覆管の熱影響部には白色の酸化膜が発生せず、耐食性は一段と向上する、などの知見を得たのである。
【００１０】
この発明は、かかる知見に基づいてなされたものであって、
（１）ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の内部に酸化ウラン燃料ペレットを充填し、前記被覆管の両端をジルコニウム合金からなる端栓で封止したのち、前記被覆管と端栓をＴＩＧ溶接することにより密封してなる軽水炉用燃料棒において、
前記ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管と端栓のＴＩＧ溶接により形成されたビードに隣接する被覆管の熱影響部の組織における結晶粒界は、Ｎｂ：４〜３０重量％およびＦｅ：０．９〜２０重量％を含有する組成を有する軽水炉用燃料棒、
（２）ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の内部に酸化ウラン燃料ペレットを充填し、被覆管の両端をジルコニウム合金からなる端栓で封止したのち、前記被覆管と端栓をＴＩＧ溶接することにより密封する軽水炉用燃料棒の製造方法において、
前記被覆管と端栓のＴＩＧ溶接により形成されたビードに隣接する被覆管の熱影響部を冷却速度：７０℃／秒〜５℃／秒で冷却する軽水炉用燃料棒の製造方法、
に特徴を有するものである。
【００１１】
この発明の軽水炉用燃料棒に用いる被覆管のＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金は、Ｎｂ：０．６〜２．０重量％、Ｓｎ：０．５〜１．５重量％、Ｆｅ：０．０５〜０．３重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金であるが、Ｎｂ：０．８〜１．２重量％、Ｓｎ：０．８〜１．１重量％、Ｆｅ：０．０８〜０．１２重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金であることが好ましい。このＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の両端を封止する端栓は、腐食しても軽水炉用燃料棒の寿命に大きな影響を与えるものではないところから、一般のジルカロイ２（ＪＩＳ  Ｈ４７５１ＺｒＮＴ８０２Ｄ）もしくはジルカロイ４（ＪＩＳ  Ｈ４７５１ＺｒＮＴ８０４Ｄ）などのジルコニウム合金を使用する。
【００１２】
この発明のＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管の内部に酸化ウラン燃料ペレットを充填し、前記被覆管の両端をジルコニウム合金からなる端栓で封止したのち、前記被覆管と端栓をＴＩＧ溶接することにより密封してなる軽水炉用燃料棒のＴＩＧ溶接により形成されたビードに隣接する被覆管の熱影響部の結晶粒界は、Ｎｂ：４〜３０重量％およびＦｅ：０．９〜２０重量％を含有する組成を有するが、合金中に不可避不純物としてＣｒが含まれていると、Ｃｒも同時に結晶粒界に偏析し、検出されることもあった。
【００１３】
この発明の軽水炉用燃料棒の溶接熱影響部の結晶粒界のＮｂおよびＦｅの濃度をそれぞれＮｂ：４〜３０重量％でかつＦｅ：０．９〜２０重量％である組成にするには、（イ）溶接部の両側に保温材を被覆してＴＩＧ溶接し、溶接終了後十分に冷却した後、被覆保温材を外す、または、（ロ）溶接後に被覆管および端栓を誘導加熱あるいは直接通電加熱する、などの方法により冷却速度を７０℃／秒〜５℃／秒に制御しながら冷却することにより形成することができる。
【００１４】
溶接熱影響部の冷却速度が７０℃／秒を越えると、結晶粒界のＮｂおよびＦｅの濃度がそれぞれＮｂ：４重量％未満でかつＦｅ：０．９重量％未満となり、耐食性が不十分となり、一方、溶接熱影響部の冷却速度が５℃／秒未満では、冷却速度をこれ以上遅くしても溶接熱影響部の結晶粒界のＮｂおよびＦｅの濃度がそれぞれＮｂ：３０重量％を越えかつＦｅ：２０重量％を越えることがなく、耐食性の更なる改善効果は得られず、かえって、燃料棒に要求される強度の低下を招くので好ましくないという理由によるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施例１
直径：１０mm、厚さ：０．６mmの寸法を有し、Ｎｂ：１．０重量％、Ｓｎ：１．０重量％、Ｆｅ：０．１重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金製被覆管を用意し、このジルコニウム合金製被覆管の端部にＳｎ：１．５重量％、Ｆｅ：０．２重量％、Ｃｒ：０．１重量％を含有し、残りがＺｒおよび不可避不純物からなる組成のジルコニウム合金製端栓を下記の条件でＴＩＧ溶接し、熱影響部の冷却速度を表１に示される方法で制御することにより、結晶粒界のＮｂおよびＦｅの濃度が表１に示される濃度を有する熱影響部を持った本発明サンプル１〜６、比較サンプル１〜２および従来サンプル１〜２を作製した。
ＴＩＧ溶接条件：
電流：３０Ａ、
電圧：１５Ｖ、
溶接速度：５００ｍｍ／ｍｉｎ．
冷却ガス：２５ι／ｍｉｎ．Ｈｅ、
【００１６】
かかる熱影響部を有するジルコニウム合金製被覆管の本発明サンプル１〜６、比較サンプル１〜２および従来サンプル１〜２を硝フッ酸（ＨＮＯ3 ：ＨＦ：Ｈ2 Ｏ＝４５：５：５０（ｖｏｌ％））の溶液中で厚さ：１００μｍまで化学研磨し、直径：３ｍｍのｄｉｓｋ状に切り出した後、下記の条件の電解研磨を行うことにより透過電子顕微鏡観察用薄膜試料を作製した。
電解研磨条件：
電圧：２０Ｖ、
電流：１００ｍＡ、
温度：マイナス４０℃、
溶液：５％過塩酸−メタノール
【００１７】
この様にして得られた本発明サンプル１〜６、比較サンプル１〜２および従来サンプル１〜２の透過電子顕微鏡観察用薄膜試料を加速電圧：２００ＫＶ、倍率：５０，０００倍で観察したところ、金属間化合物の析出は全く認められなかった。さらに結晶粒界のＮｂおよびＦｅの含有量をエネルギー分散型元素分析装置により測定し、それらの結果を表１に示した。
【００１８】
一方、本発明サンプル１〜６、比較サンプル１〜２および従来サンプル１〜２をオートクレーブ装置に装入し、３６０℃の高温純水中に１２０日間保持の条件によるオートクレーブ試験し、ジルコニウム合金製被覆管の熱影響部の色調を調べ、その結果を表１に示した。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
表１に示される結果から、放冷または放冷に近い冷却速度で冷却した従来サンプル１〜２の熱影響部はいずれも白色となって耐食性が劣ることが分かる。一方、熱影響部の冷却速度を７０〜５℃／秒に制御し、その組織における結晶粒界のＮｂおよびＦｅの濃度がそれぞれＮｂ：４〜３０重量％およびＦｅ：０．９〜２０重量％の組成を有する本発明サンプル１〜６および比較サンプル１〜２は、熱影響部の色調は黒色でいずれも耐食性に問題はなかったが、熱影響部の冷却速度が５℃／秒より遅い冷却速度で冷却した比較サンプル１〜２は、軟化して強度が不足し好ましくないことが分かる。
【００２１】
【発明の効果】
上述のように、この発明の軽水炉用燃料棒は、従来よりも耐食性が向上し、信頼性の高い高効率運転が可能となって、原子力産業の発展に大いに貢献しうるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】軽水炉用燃料棒の構造を示す説明図である。
【図２】ＮｂおよびＦｅを含むジルコニウム合金からなる被覆管のＴＩＧ溶接により形成された熱影響部の組織における結晶粒界の説明図である。
【符号の説明】
１  燃料棒
２  被覆管
３  ＵＯ2 燃料ペレット
４  端栓
５  スプリング
６  ビード６
７  熱影響部
８  等軸晶組織
９  針状晶組織
１０  結晶粒界
【図１】
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【図２】
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