(57)【要約】【課題】低い水素吸収を示すジルコニウム合金を提供すること。【解決手段】本発明の例示的実施形態に基づく合金はジルコニウム、スズ、鉄、クロムおよびニッケルを含むことができ、合金の大部分はジルコニウムである。この合金の組成は、スズ約０．８５〜２．００重量％、鉄約０．１５〜０．３０重量％、クロム約０．４０〜０．７５重量％、ニッケル約０．０１重量％未満とすることができる。この合金はさらに、ケイ素０．００４〜０．０２０重量％、炭素０．００４〜０．０２０重量％、および／または酸素０．０５〜０．２０重量％を含むことができる。これに応じて、この合金は、低い水素吸収および向上した耐食性を示し、この合金を使用して燃料集合体構成部品を形成することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉内において低い水素吸収を示す合金であって、
ジルコニウム、スズ、鉄、クロムおよびニッケルを含み、前記合金の大部分がジルコニウムであり、前記クロムの濃度が約０．４０〜０．７５重量％であり、前記ニッケルの濃度が約０．０１重量％未満である合金。
【請求項２】
前記スズの濃度が約０．８５〜２．００重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項３】
前記鉄の濃度が約０．１５〜０．３０重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項４】
前記クロムの濃度が約０．５０〜０．６５重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項５】
前記スズの濃度が約１．２０〜１．７０重量％であり、前記鉄の濃度が約０．２〜０．３重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項６】
ケイ素をさらに含み、前記ケイ素の濃度が約０．００４〜０．０２０重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項７】
炭素をさらに含み、前記炭素の濃度が約０．００４〜０．０２０重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項８】
酸素をさらに含み、前記酸素の濃度が約０．０５〜０．２０重量％である、請求項１記載の合金。
【請求項９】
前記合金が燃料集合体構成部品の形態を有する、請求項１記載の合金。
【請求項１０】
前記燃料集合体構成部品が燃料被覆である、請求項９記載の合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の例示的実施形態は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ：ｂｏｉｌｉｎｇ  ｗａｔｅｒ  ｒｅａｃｔｏｒ）内で使用する合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰水型原子炉内の燃料集合体構成部品（ｆｕｅｌ  ａｓｓｅｍｂｌｙ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）（例えば燃料被覆（ｆｕｅｌ  ｃｌａｄｄｉｎｇ））は従来、ジルコニウム合金から形成されている。しかしながら、ジルコニウム合金は、炉内運用中に水素吸収を引き起こしやすい。具体的には、水素（Ｈ）は原子炉冷却水（Ｈ２Ｏ）に由来し、ジルコニウム合金と原子炉冷却水との間の腐食反応の一部として生成される。この腐食反応の結果、水素はジルコニウム合金に吸収される。水素吸収は一般に、炉内露出時間および／または炉内滞在時間の増大とともに増大し、水素吸収が増大する結果、水素化物が析出し、この水素化物が、ジルコニウム合金から形成された燃料集合体構成部品の機械的特性に有害な影響を及ぼすことがある。例えば、ジルコニウム合金は必要な量の延性を失い、脆化する可能性がある。これに応じて、ジルコニウム合金のこのような性能低下によって、原子力発電所の運転制限値が限定されることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，７１２，８８８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の例示的実施形態に基づく合金は、低い水素吸収および向上した耐食性を示す。この合金を使用して、燃料集合体構成部品または原子炉の他の構成部品を形成することができる。
【０００５】
この合金は、ジルコニウム、スズ、鉄、クロムおよびニッケルを含むことができ、合金の大部分はジルコニウムである。従来のジルコニウム合金に比べ、例示的実施形態に基づく合金は、重量あたりで、高いクロム濃度および低いニッケル濃度を有する。例えば、この合金のクロム濃度を約０．４０〜０．７５重量％、ニッケル濃度を約０．０１重量％未満とすることができる。
【０００６】
この合金のスズ濃度は０．８５〜２．００重量％とすることができる。この合金の鉄濃度は約０．１５〜０．３０重量％とすることができる。
【０００７】
耐食性を向上させるため、この合金はさらにケイ素、炭素および／または酸素を含むことができる。ケイ素濃度は約０．００４〜０．０２０重量％とすることができる。炭素濃度は約０．００４〜０．０２０重量％とすることができる。酸素濃度は約０．０５〜０．２０重量％とすることができる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
ある要素もしくは層が、別の要素もしくは層「上に」あり、別の要素もしくは層「に接続されて」おり、別の要素もしくは層「に結合されて」おり、または別の要素もしくは層「を覆っている」と記載されているとき、その要素もしくは層は、その別の要素もしくは層上に直接にあり、その別の要素もしくは層に直接に接続されており、その別の要素もしくは層に直接に結合されており、またはその別の要素もしくは層を直接に覆っていることがあり、あるいは介在要素もしくは層が存在することがあると理解すべきである。対照的に、ある要素が、別の要素もしくは層「上に直接に」あり、別の要素もしくは層「に直接に接続されて」おり、または別の要素もしくは層「に直接に結合されている」と記載されているとき、介在要素もしくは層は存在しない。全体を通じて同様の符号は同様の要素を指す。本明細書で使用するとき、用語「および／または」は、記載された関連項目のうちの１つまたは複数の項目の任意の全ての組合せを含む。
【０００９】
本明細書では、さまざまな要素、構成要素、領域、層および／または部分を記述するために、第１、第２、第３などの用語を使用することがあるが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または部分はこれらの用語によって限定されないことを理解すべきである。これらの用語は、１つの要素、構成要素、領域、層または部分を他の要素、構成要素、領域、層または部分から区別するためだけに使用される。したがって、以下で論じる第１の要素、構成要素、領域、層または部分を、例示的実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または部分と呼ぶことができる。
【００１０】
本明細書では、図に示した１つの要素または特徴と別の要素（１つもしくは複数）または特徴（１つもしくは複数）との関係を記述するのを容易にするために、空間的相対語（例えば「〜の下」、「〜よりも下方」、「より下位の」、「〜よりも上方」、「より上位の」など）が使用されていることがある。これらの空間的相対語は、図に示した向きだけでなく、使用中または動作中の装置のさまざまな向きを包含することが意図されていることを理解すべきである。例えば、図の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴「よりも下方」あるいは他の要素または特徴「の下」にあると記述された要素は、この他の要素または特徴「よりも上方」にくるであろう。したがって、用語「〜よりも下方」は、「上方」と「下方」の両方の向きを包含することがある。装置がこれら以外の向き（９０度回転または他の向き）に配置されることもあり、本明細書で使用される空間的相対語はそれに応じて解釈される。
【００１１】
本明細書で使用する用語は、さまざまな実施形態を記述することだけを目的としており、例示的実施形態を限定することを意図したものではない。本明細書で使用するとき、定冠詞や数詞が無いことは、文脈がそうではないと明確に指示していない限り、複数形をも含むことが意図されている。また、本明細書で使用するとき、用語「含む」および／または「有する」は、明示された特徴、完全体、ステップ、動作、要素および／または構成要素の存在を示すが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはこれらのグループの存在または追加を妨げないことを理解されたい。
【００１２】
本明細書では、例示的実施形態を、例示的実施形態の理想化された実施形態（および中間構造）の概略図である断面図を参照して説明していることがある。そのため、例えば製造技法および／または製作公差の結果として、それらの図の形状とは異なる形状も予想される。したがって、例示的実施形態は、本明細書に示されていることがある領域の形状に限定されると解釈すべきではなく、例示的実施形態は、例えば製造に起因する形状の変動を含むものと解釈すべきである。例えば、長方形として示された注入領域は一般に、丸められたもしくは湾曲した輪郭を有し、かつ／または、その縁において、注入領域から非注入領域への２濃度変化ではないある注入濃度勾配を有する。同様に、注入によって埋没領域を形成した結果として、その埋没領域と注入を実施した表面との間の領域に、ある程度の注入が見られることがある。したがって、図に示されていることがあるそれらの領域は本質的に概略的であり、それらの形状が、装置のある領域の実際の形状を示すことは意図されておらず、例示的実施形態の範囲を限定することも意図されていない。
【００１３】
別の定義がなされない限り、本明細書で使用する全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、例示的実施形態が属する技術分野の技術者によって共通に理解される同じ意味を有する。さらに、一般的に使用されている辞書類に定義されているものを含め、用語は、関連技術の文脈におけるそれらの用語の意味と一致した意味を有するものと解釈すべきであり、本明細書においてそのように明示的に定義されない限り、理想化された意味またはあまりに形式的な意味に解釈されないことを理解すべきである。また、本明細書に開示した濃度は単に目標値にすぎないことを理解すべきである。実際の合金の組成に関して、合金中の構成元素の濃度は、合理的なある範囲を包含するように、平均値の形態をとることを理解されたい。
【００１４】
原子炉内において、本発明の例示的実施形態に基づく合金は、従来の合金に比べて低い水素吸収および向上した耐食性を示す。本発明の一実施形態に基づく合金は、ジルコニウム、スズ、鉄、クロムおよびニッケルを含むことができ、合金の大部分はジルコニウムである。従来のジルコニウム合金に比べ、例示的実施形態に基づく合金は、重量あたりで、高いクロム濃度および低いニッケル濃度を有する。例えば、この合金のクロム濃度を約０．４０〜０．７５重量％、ニッケル濃度を約０．０１重量％未満とすることができる。
【００１５】
従来のジルコニウム合金は、放射線による比較的に高度の被曝および／または比較的に長期の被曝にさらされたときに、増大した腐食を経験する。理論によって裏付けられているわけではないが、腐食だけでなく、ニッケルの存在によっても、従来のジルコニウム合金は水素吸収を引き起こしやすくなるようである。しかしながら、例示的実施形態に基づく合金の場合のようにジルコニウム合金からニッケルを名目上排除することによって、水素吸収を低減させることができる。その結果、たとえ増大した腐食を経験した場合であっても、例示的実施形態に基づく合金は依然として、低い水素吸収を示すことができる。
【００１６】
例示的実施形態に基づく合金のスズ濃度は約０．８５〜２．００重量％とすることができる。非限定的な実施形態ではスズ濃度を約１．２０〜１．７０重量％とすることができる。スズ濃度は例えば約１．３０重量％とすることができる。
【００１７】
合金の鉄濃度は約０．１５〜０．３０重量％とすることができる。非限定的な実施形態では鉄濃度を約０．２５重量％とすることができる。
【００１８】
クロム濃度は約０．５０〜０．６５重量％とすることができる。クロム濃度は例えば約０．５０重量％とすることができる。前述のとおり、例示的実施形態に基づく合金のクロム濃度は従来の合金のクロム濃度よりも高い。本明細書に開示したレベルよりも高いクロム濃度レベルも可能だが、そのような高いクロム濃度レベルは合金の加工性を低下させることがある。その結果として、合金の適当なクロム濃度レベルを決定するのに、合金の用途が考慮されることがある。
【００１９】
この合金はさらにケイ素を含むことができる。非限定的な実施形態ではケイ素濃度を０．００４〜０．０２０重量％とすることができる。ケイ素濃度は例えば０．００６〜０．０１６重量％とすることができる。
【００２０】
この合金はさらに炭素を含むことができる。非限定的な実施形態では炭素濃度を０．００４〜０．０２０重量％とすることができる。炭素濃度は例えば０．００６〜０．０１６重量％とすることができる。
【００２１】
この合金はさらに酸素を含むことができる。非限定的な実施形態では酸素濃度を０．０５〜０．２０重量％とすることができる。ケイ素、炭素および酸素を個々にまたは組み合わせて含有させて、合金の耐食性を向上させることができることを理解すべきである。水素吸収はジルコニウム合金の腐食に付随する影響であるため、合金の耐食性を向上させることによって水素吸収をさらに抑制することができる。
【００２２】
この合金を使用して燃料集合体構成部品を形成することができる。この燃料集合体構成部品は例えば燃料被覆またはスペーサ（ｓｐａｃｅｒ）とすることができるが、例示的実施形態はそれらに限定されない。それらの代わりに、この合金を使用して、原子炉内においてであるのかまたは別の環境内においてであるのかを問わず低い水素吸収および向上した耐食性の恩恵を被ることができる他の構成部品を形成することもできる。
【００２３】
本明細書にいくつかの例示的実施形態を開示したが、他の変型実施形態も可能なことがあることを理解すべきである。このような変型実施形態は、本開示の趣旨および範囲を逸脱するものとはみなされず、当業者にとっては明白であると考えられる変更は全て、以下の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。