(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧水型原子炉用の水炉燃料クラッドチューブ（４）であって、前記クラッドチューブが、
前記第１のジルコニウムベースの合金からなる外側層（６）と、
それに対して冶金的に結合する第２のジルコニウムベースの合金からなる内側層（７）と、を有してなり、
前記内側層（７）が、クラッドチューブ（４）を応力腐食亀裂から保護するために設けられ、前記内側層（７）の厚が、炉燃料クラッドチューブ（４）の厚の５〜４０％であり、前記第２のジルコニウムベースの合金が、合金材料としてスズを含有し、各々のジルコニウムベースの合金が、少なくとも９６重量％のジルコニウムを含有し、前記第１のジルコニウムベースの合金が、重量ベースで、５００〜２０００ｐｐｍの酸素を含有し、
前記第１のジルコニウムベースの合金の主な合金材料が、ニオブ、鉄及びスズであり、追加添加物質の含量が０．０５％重量以下であり、前記第１のジルコニウムベースの合金が、少なくとも０．１重量％のニオブを含有する、水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項２】
前記第１のジルコニウムベースの合金が、０．６〜１．２重量％のニオブを含有する、請求項１記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項３】
前記第１のジルコニウムベースの合金が、０．６〜１．２重量％のスズを含有する、請求項１又は２記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項４】
前記第１のジルコニウムベースの合金が、０．１〜０．３重量％の鉄を含有する、請求項１から３のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項５】
第２のジルコニウムベースの合金の主な合金材料が、スズ及び鉄であり、いかなる追加添加物質の含量も０．０５重量％以下である、請求項１から４のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項６】
前記第２のジルコニウムベースの合金が、０．１〜１重量％のスズを含有する、請求項１から５のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項７】
前記第２のジルコニウムベースの合金が、０．０２〜０．３重量％の鉄を含有する、請求項１から６のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項８】
前記内側層（７）が部分的に再結晶化されている、請求項１から７のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項９】
前記内側層（７）が完全に再結晶化されている、請求項１から７のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項１０】
前記外側層（６）が部分的に再結晶されている、請求項１から９のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項１１】
前記外側層（６）の再結晶の程度が４５％〜９０％である、請求項１０記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項１２】
前記外側層（６）の再結晶化の程度が５０％〜７０％である、請求項１１記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項１３】
前記第１のジルコニウムベースの合金からなる前記第１のチューブ（８）と、第２のジルコニウムベースの合金からなる第２のチューブ（９）との共押出成形により製造される、請求項１から１２のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項１４】
前記内側層（７）の厚が、炉燃料クラッドチューブ（４）の厚の５〜１５％である、請求項１から１３のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（４）と、前記水炉燃料クラッドチューブ（４）によって囲まれる燃料ペレットとを有してなる、水炉燃料棒（３）。
【請求項１６】
少なくとも２本の請求項１５記載の燃料棒（３）を有してなる、水炉燃料アセンブリ（１）。
【請求項１７】
加圧水型原子炉用の水炉燃料クラッドチューブ（４）の製造方法であって、
内径及び外径を有する前記第１のジルコニウムベースの合金からなる前記第１のチューブ（８）を準備するステップと、
内径及び外径を有する第２のジルコニウムベースの合金からなる第２のチューブ（９）を準備するステップであって、第２のチューブ（９）の外径が前記第１のチューブ（８）の内径に実質的に等しく、前記第２のジルコニウムベースの合金が、合金材料としてスズを含有するステップと、
第２のチューブ（９）を前記第１のチューブ（８）に挿入するステップと、
前記第１のチューブ（８）と第２のチューブ（９）とを共押出して水炉燃料クラッドチューブ（４）を形成するステップと、を有してなり、
各々のジルコニウムベースの合金が少なくとも９６重量％のジルコニウムを含有し、前記第１のジルコニウムベースの合金が、クラッドチューブ（４）の外側層を形成し、前記第２のジルコニウムベースの合金が、クラッドチューブ（４）の内側層を形成し、前記内側層（７）の厚が、炉燃料クラッドチューブ（４）の厚の５〜４０％であり、前記第１のジルコニウムベースの合金が、重量ベースで、５００〜２０００ｐｐｍの酸素を含有し、前記第１のジルコニウムベースの合金の主な合金材料が、ニオブ、鉄及びスズであり、追加添加物質の含量が０．０５重量％以下であり、前記第１のジルコニウムベースの合金が、少なくとも０．１重量％のニオブを含有する、前記方法。
【請求項１８】
前記第１のチューブ（８）の内面が機械的に加工され、前記第１のチューブ（８）の内径が実質的に第２のチューブ（９）の外径に対応し、第２のチューブ（９）が前記第１のチューブ（８）に挿入される、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
水炉燃料クラッドチューブ（４）を熱処理するステップを有してなり、それにより前記第２のチューブ（９）が完全に再結晶化され、前記第１のチューブ（８）が部分的に再結晶化される、請求項１７又は１８記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のチューブ（８）の再結晶化の程度が４５％〜９０％である、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のチューブ（８）の再結晶化の程度が５０％〜７０％である、請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記熱処理が４８５〜５６５℃の温度で実施される、請求項１９、２０又は２１のいずれか１項記載の方法。
【請求項２３】
前記熱処理が１〜６時間実施される、請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、それぞれ、第１のジルコニウムベースの合金及び第２のジルコニウムベースの合金からなる、内側層及び外部層を含んでなる水炉燃料クラッドチューブに関する。本発明はまた、燃料棒及びかかる水炉燃料クラッドチューブからなる燃料アセンブリ、並びにかかる水炉燃料クラッドチューブを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水炉用の燃料クラッドチューブは通常、ジルコニウムベースの合金で製造される。使用される合金の例としては、Ｚｉｒｃａｌｏｙ−２及びＺｉｒｃａｌｏｙ−４が挙げられる。燃料棒は、燃料ペレットをクラッドチューブに挿入することにより形成される。燃料アセンブリは多くの燃料棒からなる。
【０００３】
炉にジルコニウムベースの合金クラッドチューブを使用するときに観察される課題は、欧州特許出願公開第０１９４７９７号（特許文献１）に記載のように、クラッドチューブの内面からひびが形成されるということである。ひびは、炉からの電力出力の急速な増加の間の、クラッドチューブと燃料ペレットとの接触、いわゆるペレットクラッディング相互作用（Ｐｅｌｌｅｔ  Ｃｌａｄｄｉｎｇ  Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ、ＰＣＩ）によって生じうると考えられている。欧州特許出願公開第０１９４７９７号は、ジルコニウムベースの合金の保護内側層を提供することによって、この課題を克服している。
【０００４】
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）においては、炉からの電力出力は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）程には急速に増加しないため、ひびの形成は、ＰＷＲにおいては、ＢＷＲ程頻繁には生じない。すなわち、ＰＷＲにおいては、保護内側層は、ＢＷＲの場合ほどには重要ではないと考慮されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】欧州特許出願公開第０１９４７９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ペレットグラッディング相互作用（ＰＣＩ）による、加圧水型原子炉におけるクラッドチューブのひび割れに関する課題も存在することがわかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の目的は、腐食抵抗性に関する好ましい特性を有する、水炉燃料クラッドチューブを提供することにある。特に、加圧水型原子炉用の、かかる腐食抵抗性の水炉燃料クラッドチューブを提供することである。
【０００８】
本発明の他の目的は、好ましい腐食抵抗性を有するクラッドチューブを有する、水炉燃料クラッドチューブの製造方法を提供することである。特に、加圧水型原子炉用におけるかかる腐食防止用の水炉燃料クラッドチューブの製造方法の提供に関する。
【０００９】
これらの目的は、独立請求項に係る水炉燃料クラッドチューブ及び方法により達成される。
【００１０】
本発明による更なる効果は、従属請求項において定められる特徴により達成される。
【００１１】
本発明の第１の態様は、水炉燃料クラッドチューブの提供に関する。水炉燃料クラッドチューブは、第１のジルコニウムベースの合金からなる外部層と、それに対する、第２のジルコニウムベースの合金の内側層と、を冶金的に結合したものを有してなる。上記内側層は、クラッドチューブを応力腐食亀裂から保護するのに適している。第２のジルコニウムベースの合金は合金材料としてのスズを含んでなり、ジルコニウムベースの合金の各々は、少なくとも９６重量％のジルコニウムを含んでなる。第１のジルコニウムベースの合金が少なくとも０．１重量％のニオブを含有する。
【００１２】
外部層にニオブを含有する合金を設けることによって、外部層にニオブを含有しないジルコニウムベースの合金の場合より、水炉燃料クラッドチューブは、加圧水炉において、より腐食防止性能が高い。更に、スズを含有しているジルコニウムベースの合金材料を、水炉燃料クラッドチューブの内側層に設けることにより、スズを含有するジルコニウムベースの合金層のない水炉燃料クラッドチューブと比較して、ひび形成に対する抵抗力が改善される。
【００１３】
第１のジルコニウムベースの合金の主な合金材料はニオブ、鉄及びスズであって、いかなる追加添加物質の含量も０．０５重量％以下である。かかる合金は、特に加圧水炉において、好ましい腐食防止性能を提供する。
追加添加物質とは、主な合金材料に対する追加物質であることを意味する。
【００１５】
第１のジルコニウムベースの合金は、酸素を含有する。酸素が第１のジルコニウムベースの合金に存在する場合、酸素の含量は重量ベースで好ましくは５００〜２０００ｐｐｍである。
【００１６】
本発明の一実施形態では、第１のジルコニウムベースの合金は０．６〜１．２重量％のニオブ及び好ましくは１．０〜１．１重量％のニオブを含有してもよく、最も好ましくは１．０２〜１．０４重量％のニオブ含量である。更に、第１のジルコニウムベースの合金には、０．６〜１．２重量％のスズを含有してもよく、好ましくは０．６〜１．０重量％のスズ含量、最も好適な０．６〜０．８重量％のスズ含量である。更に、第１のジルコニウムベースの合金は、０．１〜０．３重量％の鉄を含有してもよい。かかる合金は通常Ｚｉｒｌｏと呼ばれる。Ｚｉｒｌｏは、加圧水炉の好ましい合金であることがわかった。
【００１９】
本発明の一実施形態では、第２のジルコニウムベースの合金の主な合金材料はスズ及び鉄であり、いかなる追加添加物質の含量も０．０５重量％以下である。有利に第２のジルコニウムベースの合金は、０．１〜１重量％のスズを含有する。かかる合金は十分柔らかいため、水炉燃料クラッドチューブの接触に起因するひび割れの形成を妨げるのに好適である。
【００２０】
接触に起因するひびを防止する最適な特徴を提供するため、第２のジルコニウムベースの合金は０．０２〜０．３重量％の鉄を含有してもよい。
【００２１】
前の請求項のいずれか１項記載の水炉燃料クラッドチューブ（外部層が部分的に再結晶化している）。
【００２２】
水炉燃料クラッドチューブのひび割れに対する最適な抵抗性を提供するため、内側層は好ましくは完全に再結晶化されている。
【００２３】
外部層の最適な腐食耐性を提供するため、外部層は好ましくは部分的に再結晶化されている。
【００２４】
水炉燃料クラッドチューブの外部層が部分的に再結晶化している場合、外部層の再結晶の程度は４５％〜９０％であってもよく、好ましくは５０％〜７０％である。
【００２５】
本発明による水炉燃料クラッドチューブは、様々な方法で製造できる。本発明の一実施形態では、水炉燃料クラッドチューブは、第１のジルコニウムベースの合金からなる第１のチューブと、第２のジルコニウムベースの合金からなる第２のチューブとの共押出成形により製造される。この方法により、高品質なチューブが製造できる。
【００２６】
本発明による水炉燃料クラッドチューブの内側層の厚は、炉燃料クラッドチューブの厚の５〜４０％、好ましくは炉燃料クラッドチューブの厚の５〜１５％である。これにより、水炉燃料クラッドチューブの重量増加が抑えられ、ひび形成に対する良好な保護が可能となる。
【００２７】
本発明の第２の態様は、本発明による水炉燃料クラッドチューブ、及び当該水炉燃料クラッドチューブによって囲まれる燃料ペレットからなる水炉燃料棒の提供に関する。
【００２８】
本発明の第３の態様は、少なくとも２本の、本発明にかかる燃料棒からなる水炉燃料アセンブリの提供に関する。
【００２９】
本発明の第４の態様は、水炉燃料クラッドチューブの製造方法の提供に関する。上記の方法は、
内径及び外径を有する第１のジルコニウムベースの合金からなる第１のチューブを準備するステップと、内径及び外径を有する第２のジルコニウムベースの合金からなる第２のチューブを準備するステップであって、第２のチューブの外径が第１のチューブの内径に実質的に等しく、第２のジルコニウムベースの合金が、合金材料としてスズを含有するステップと、第２のチューブを第１のチューブに挿入するステップと、第１のチューブと第２のチューブとを共押出して水炉燃料クラッドチューブを形成するステップと、を有してなり、各々のジルコニウムベースの合金が少なくとも９６重量％のジルコニウムを含有し、第１のジルコニウムベースの合金が、クラッドチューブの外側層を形成し、第２のジルコニウムベースの合金が、クラッドチューブの内側層を形成し、内側層の厚が、炉燃料クラッドチューブの厚の５〜４０％であり、第１のジルコニウムベースの合金が、重量ベースで、５００〜２０００ｐｐｍの酸素を含有し、第１のジルコニウムベースの合金の主な合金材料が、ニオブ、鉄及びスズであり、追加添加物質の含量が０．０５重量％以下であり、第１のジルコニウムベースの合金が、少なくとも０．１重量％のニオブを含有することを特徴とする。
【００３０】
製造された水炉燃料クラッドチューブにおいて、外部層は第１のチューブに対応し、内側層は第２のチューブに対応する。
【００３１】
チューブを共押出する前に、第１のチューブを第２のチューブに挿入してクラッドチューブを製造することは公知技術である。第１のチューブの第２のチューブへの挿入の前に通常、第２のチューブの内部をエッチングし、第２のチューブの内部表面を滑らかにし、第２のチューブの内径を第１のチューブの外径に実質的に等しくする。しかしながら、チューブがジルコニウムベースの合金を含むニオブを含んでなるときは、エッチングプロセスにより、チューブの表面上に純粋な形のニオブ生成物が残留するため、チューブの表面をエッチングすることは好ましくない。
【００３２】
本発明の一実施形態では、第１のチューブの内径が実質的に第２のチューブの外径に対応するように、第１のチューブの内面を機械的に加工し、その後、第２のチューブを第１のチューブに挿入する。
【００３３】
上記の方法は水炉燃料クラッドチューブを熱処理するステップを有してもよく、それにより、内側層が完全に再結晶化し、また外側層が部分的に再結晶する。
【００３４】
本発明の一実施形態では、外側層の再結晶化の程度が４５％〜９０％となるまで、より好ましくは外側層の再結晶化の程度が５０％〜７０％となるまで熱処理を実施する。これが好ましい再結晶化の程度であることを見出した。
【００３５】
本発明の一実施形態では、熱処理を１〜６時間、４８５〜５６５℃の温度で実施する。
【００３６】
これにより、上記の所望の再結晶化の程度となる。当業者であれば、再結晶化の程度に関して上記した時間の範囲内で、外側層の再結晶化を所望の程度にできる、正確な温度及び時間を容易に決定できる。
【００３７】
以下に本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照しながら記載する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＰＷＲ用の公知の燃料アセンブリを図式的に示す。
【図２】本発明の一実施形態に係る、水炉燃料クラッドチューブの断面図を示す。
【図３】第１のチューブ及び第２のチューブを示し、図２に示される燃料クラッドチューブの製造方法を例示する。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の好ましい実施形態を以下に示す。それぞれの図面における同様の部品を示す際に同じ参照番号を用いるが、それは一定のサイズを有するとは限らない。
【００４０】
図１は、公知のＰＷＲ用の燃料アセンブリを図式的に示す。燃料アセンブリは、上部プレート４と下部プレート５とを有する。上部プレート４及び下部プレート５との間に、制御棒用の複数のガイドチューブ３が伸びている。更に、燃料アセンブリは複数のクラッドチューブ１を有する。これらのクラッドチューブ１はすなわち核燃料物質を含み、それにより燃料棒と呼ばれている。ＰＷＲ用のかかる燃料アセンブリにおいて、燃料棒は、上部プレート４から下部プレート５の全てにわたることはない。燃料棒は、スペーサ２の助けを借りて燃料アセンブリにおいて、適所に存在するように保持される。
【００４１】
図２は、本発明の一実施形態に係る、水炉燃料クラッドチューブ４の横断面を示す。燃料クラッドチューブは外側層６と内側層７とを有する。外側層６は第１のジルコニウムベースの合金である一方、内側層７が第２のジルコニウムベースの合金である。
【００４２】
第１のジルコニウムベースの合金は、ニオブを含有する。第１のジルコニウムベースの合金の実施例は、０．６〜１．２重量％のニオブと、０．６〜１．２重量％のスズと、０．１〜０．３重量％の鉄、とを含有する。いかなる追加添加物質の含量も０．０５重量％以下である。第１のジルコニウムベースの合金は、５００〜２０００ｐｐｍの酸素含量である。上記の物質を含有する合金はＺｉｒｌｏと呼ばれることもある。
【００４７】
第２のジルコニウムベースの合金の第１の実施例は、０．１〜１重量％のスズを含有し、いかなる追加添加物質の含量も０．０５重量％以下である。
【００４８】
第２のジルコニウムベースの合金の第２の実施例は０．１〜１重量％のスズ及び０．０２〜０．３重量％の鉄を含有し、いかなる追加添加物質の含量も０．０５重量％以下である。
【００４９】
第１のジルコニウムベースの合金のチューブ、並びに第２のジルコニウムベースの合金の製造方法は公知技術で、本願明細書には記載しない。
【００５０】
図３は第１のチューブ及び第２のチューブを示し、それにより、図２に示される燃料クラッドチューブの製造方法を例示する。第１のジルコニウムベースの合金からなる第１のチューブ８、及び第２のジルコニウムベースの合金からなる第２のチューブ９を示す。第１のチューブ８は第１の穴１０を画定し、第２のチューブ９は第２の穴１１を画定する。第１のチューブ並びに第２のチューブは、内径及び外側直径を有する。第１のチューブ８の内径が第２のチューブ９の外径に実質的に等しくなるまで、第１のチューブ８及び／又は第２のチューブ９の外側の内部を機械的に加工する。第２のチューブ９を更に第１のチューブ８に挿入する。次に第１のチューブ８及び第２のチューブ９のアセンブリを、図２に示す水炉燃料クラッドチューブ４に共押出する。このとき、外側層６は第１のチューブ８に対応し、内側層７は第２のチューブ９に対応する。共押出において、外側層６及び内側層７を各々冶金的に結合する。共押出成形は当業者に周知であるため、本願明細書では詳述しない。
【００５１】
内側層７の腐食耐性の更なる改良は、第２のチューブ９を更に熱処理し、更にそれを第１のチューブ８に取り付けることにより可能となる。この付加的な熱処理は、第２のジルコニウムベースの合金がスズを含有するときは６００℃〜８００℃のα相範囲で実施される。好ましくは、熱処理は６５０℃〜７５０℃で行われる。この更なる熱処理は、第２のチューブ９が第１のチューブ８に連結される前に最終工程として行われてもよく、又は連続的な工程の初期段階で、例えば第２のチューブ９の押出の前に行われてもよい。
【００５２】
共押出成形（その間、水炉燃料クラッドチューブ４が形成される）の後、内側層７が完全に結晶化するまで、水炉燃料クラッドチューブを１〜６時間、４８５℃〜５６５℃で熱処理し、それにより外側層の再結晶化の程度は４０〜５０％となる。
【００５３】
上記の実施態様は、請求項によってのみ限定される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な方法で適宜変更できる。
【００５４】
上記以外の物質を低濃度で含有してもよく、それらも本発明の範囲内である。
【００５５】
本発明による水炉燃料クラッドチューブは、加圧水炉以外にも、沸騰水炉においても使用可能である。
【図１】
0005274463.tif 000002
【図２】
0005274463.tif 000003
【図３】
0005274463.tif 000004