(57)【要約】      （修正有）【課題】軽水炉（ＬＷＲ）、例えば、沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）の動作中に照射成長の減少及び耐食性の改善を示す原子炉構成要素を形成するのに適するジルコニウム合金。【解決手段】原子炉の動作中、原子炉構成要素は、炉心内部で照射を受ける合金面の腐食を誘発するか又は腐食を加速するのに十分なほど強力で、多くの場合に非対称である照射野にさらされる。開示されるジルコニウム合金から製造された原子炉構成要素は、更に、構成要素の製造中の冷間加工に対する許容差の面でも改善を示す傾向にあり、そのため、冷間加工に続いて実行される熱処理、例えば、焼きなましを減少するか又は全く実行しないことにより、このような原子炉構成要素の製造が簡単になり、しかも、完成後の構成要素の性能が過度に劣化することはない。【選択図】図２
2007192814.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニウム合金から製造された原子炉構成要素において、
０．６〜１．２ｗｔ％のＮｂと；
０．２〜０．５ｗｔ％のＦｅと；
０．５〜１．２ｗｔ％のＳｎと；
重量で７０ｐｐｍ以下のＮｉとを含み、
前記ジルコニウム合金の残部はＺｒ及び不純物であるジルコニウム合金から製造された原子炉構成要素。
【請求項２】
５０ｐｐｍ以下のＳｉを更に含む請求項１記載のジルコニウム合金から製造された原子炉構成要素。
【請求項３】
１２０ｐｐｍ以下のＳｉと；
２７０ｐｐｍ以下のＣと；
１，４００ｐｐｍ以下のＯと；
２００ｐｐｍ以下のＣｒとを更に含む請求項１記載のジルコニウム合金から製造された原子炉構成要素。
【請求項４】
５０ｐｐｍ以下のＳｉと；
５０ｐｐｍ以下のＣとを更に含む請求項１記載のジルコニウム合金から製造された原子炉構成要素。
【請求項５】
０．９〜１．１ｗｔ％のＮｂと；
０．２５〜０．４０ｗｔ％のＦｅと；
０．９〜１．１ｗｔ％のＳｎとを更に含む請求項１記載のジルコニウム合金から製造された原子炉構成要素。
【請求項６】
請求項１記載の組成を有するジルコニウム合金から原子炉構成要素を製造する方法において、
前記ジルコニウム合金のスラブを鍛造することと；
前記スラブを熱状態調節することと；
最終冷間処理を用いて、前記スラブから前記原子炉構成要素を形成することと；
残留冷間圧延応力を有する最終原子炉製品を得るために、最終冷間圧延に続いて前記スラブの追加焼きなましを実行せずに前記原子炉構成要素を完成することとから成る方法。
【請求項７】
所期の構成要素を形成するのに十分な初期直径Ｄｉ及び質量Ｍｉを有するインゴットを得ることと；
前記インゴットを熱間加工温度ＴＨＷにすることと；
初期スラブの厚さＤｓが前記インゴットの初期直径の３０％〜１０％になるように、合金を前記熱間加工温度又はそれに近い温度に維持しつつ、加熱された前記インゴットから初期スラブを鍛造することと；
前記初期スラブを第１の熱間圧延温度ＴＨＲ１にすることと；
中間スラブの厚さＤｉｎｔが前記初期スラブの厚さの３０％〜１０％になるように、前記初期スラブを熱間圧延して中間スラブを形成することと；
微細構造を調整し且つ／又は応力を減少するために、前記中間スラブを第１の状態調節温度Ｔｃ１で状態調節することと；
前記中間スラブを第２の熱間圧延温度ＴＨＲ２にすることと；
条片プレフォームの厚さＤｓｐが前記中間スラブの厚さの９５％〜５０％になるように、前記中間スラブを熱間圧延して条片プレフォームを形成することと；
微細構造を調整し且つ／又は応力を減少するために、前記条片プレフォームを状態調節することと；
前記条片プレフォームをβ焼入れすることと；
焼入れされた条片プレフォームを状態調節期間にわたり状態調節温度ＴＣに保持することと；
状態調節された条片プレフォームを熱間圧延することと；
圧延された条片プレフォームを焼きなましすることと；
１５％〜５０％の厚さ減少を実現するために、焼きなましされた条片プレフォームを冷間圧延することと；
冷間圧延された条片プレフォームを非酸化雰囲気の中で焼きなましすることと；
焼きなましされた冷間圧延条片プレフォームを最終厚さまで冷間圧延することと；
条片プレフォームを最終条片寸法に切断することとを含む請求項６記載のジルコニウム合金から原子炉構成要素を製造する方法。
【請求項８】
前記残留冷間加工応力は少なくとも２％である請求項７記載のジルコニウム合金から原子炉構成要素を製造する方法。
【請求項９】
前記残留冷間加工応力は少なくとも１０％である請求項７記載のジルコニウム合金から原子炉構成要素を製造する方法。
【請求項１０】
前記残留冷間加工応力は少なくとも２５％である請求項７記載のジルコニウム合金から原子炉構成要素を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置の運転停止及び稼動を更に効率よく安全に実行できるように、原子炉の炉心における原子炉構成要素間の干渉、例えば、流路と関連する制御羽根との干渉の可能性を排除又は低下するための材料及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力エネルギーの分野で使用される流路は、通常、相対的に高い一般耐食性を有するZircaloy-2及びZircaloy-4のようなジルコニウム合金から形成されるが、それらの合金は湾曲を起こしやすいことが公知である。流路と関連する制御羽根との間の干渉の原因は、照射によって誘発される流路材料の成長又は流路材料の水素含有量が不均一性、特に横方向の差異により発生する流路の変形、特に湾曲であることが証明されている。
【０００３】
近年、水素含有量の差を生じさせる少なくとも１つの原因は、局所的な「潜在」腐食に関連する腐食の差であることがわかった。潜在腐食は、制御羽根と、隣接する流路の４つの側面のうち２つにあるいくつかの領域とのそれぞれ異なる材料がごく近接して位置していることにより誘発される腐食の促進の結果として起こる。水性環境におけるジルコニウム合金の腐食は、反応生成物として水素を発生する。一般的にピックアップ部分と呼ばれる水素の一部は、合金の中に吸収され、ジルコニウム合金部品の寸法変化、特に膨張を誘発する可能性がある。あらゆる原因による湾曲は累積され、従って、制御羽根及び流路構成要素において、放射勾配の相違にさらされた結果として生じる現象である照射成長も起こっている場合には、潜在腐食による湾曲の影響は更に悪化する。
【０００４】
沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）の流路の耐用年数は、一般に、流路が長手方向湾曲、クリープ及び腐食に耐える能力により制限される。湾曲は、合金の照射成長特性に起因するものと考えられる。中性子照射は、ジルコニウム系合金の長さを、照射される構成要素の圧延方向と一致する方向に増加させようとする。この現象は、高速中性子流束と、炉心の周囲に向かうより炉心の中心において高速中性子流束レベルが高くなるため流路を横切るように存在する持続的勾配との強い関数であることが知られている。
【０００５】
従って、持続的中性子束勾配が存在するところでは、流路の一方の側は流路の他方の側より大きく「成長」する傾向を示し、そのため、流路は長手方向の湾曲を生じる。長手方向の湾曲は、流路の流れ特性又は機械特性を著しく変化させるほど大きくはないが、隣接する制御羽根の自由な運動を妨害する確率を増す程度に大きい可能性はある。制御羽根は、核反応を制御するために、流路に沿う運動か又は流路に対する往復運動が可能でなければならない。最終的に、いくつかの流路は許容し得ないほどの大きな湾曲を起こし、交換が必要になる。
【０００６】
Zircaloy構成要素がどの程度まで照射成長を示すかは、合金組成とその金属状態、特に、構成要素の結晶組織と照射成長を促進する可能性がある冷間加工応力又は残留応力が保持されている程度との関数である。ジルコニウム合金の流路が湾曲を起こす傾向を低減する１つの方法は、ジルコニウム合金が照射成長を発生しやすいという性質を低減するために、ジルコニウム合金に適用される金属処理である。そのような方法の１つは、不規則組織を示し且つ残留応力が低減され、従って、照射成長が少ない流路を得るために、Zircaloy合金を熱処理する工程、温間整形する工程及び熱サイジングする工程を組み合わせて含む。流路の湾曲を減少する別の方法は、元来、照射成長の少ないジルコニウム合金から流路を形成する。
【０００７】
低照射成長用途に使用する材料として期待できるジルコニウム合金の種類の１つは、ニオブを含有する合金である。そのような合金の１つは、おおよその組成として、重量％で約１．２％のスズ（Ｓｎ）と、約１．０％のニオブ（Ｎｂ）と、約０．３４〜０．４０％の鉄（Ｆｅ）とを含有し、残部はジルコニウム（Ｚｒ）及び偶発不純物であるような組成を有する。そのような合金の１つは、一例としてＺｒ０．９７４Ｓｎ０．０１２Ｎｂ０．０１Ｆｅ０．００４の組成を有し、当該技術の分野では合金E635として識別される。General Electricは、NSFと呼ばれる一連のＺｒ‐Ｎｂ合金を開発し、改良を続けている。NSFは、重量％で約０．５〜１．２％のスズと、約０．６〜１．２％のニオブと、約０．２〜０．５％の鉄とを含有し、残部はジルコニウム及び偶発不純物であるような組成を有する。
【０００８】
NSFという用語は、ジルコニウムと組み合わされる主要な合金化金属としてニオブ（Ｎｂ）、スズ（Ｓｎ）及び鉄（Ｆｅ）の存在を表すある程度一般的な用語である。別の変形組成は、Westinghouse Electric Corporationにより、ZIRLOの名称で採用されている。これは、重量％で約１．０％のスズと、約１．０％のニオブと、約０．１％の鉄とを含有し、残部はジルコニウム及び偶発不純物であるような組成を利用し、主に、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）において、ＰＷＲ環境でZircaloy-4により提供される耐食性を改善する目的で燃料被覆材として使用するために開発された。
【０００９】
しかし、特定のジルコニウム合金の耐食性は、それが使用される原子炉環境の種類によって大きく左右され、所定の環境の中における特定の合金組成の相対耐食性、水素ピックアップ及び潜在腐食による湾曲に対する耐性を、合金の組成に基づいて正確に予測することは不可能であることは公知である。Ｚｒ‐Ｎｂ合金の場合、沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）環境で採用されたとき、腐食に対する耐性はZircaloy合金より一般に低いことが試験により示されている。
【００１０】
ジルコニウム合金及びそのプロセスは、耐食性及び長手方向湾曲に関して進歩をもたらしたが、特に、沸騰水型軽水炉環境において、とりわけ、潜在腐食により誘発される湾曲という新たに発見された現象によって条件が悪化した場合、更に長い耐用年数が可能な燃料流路などの原子炉構成要素を得るためには、更なる改善が望まれる。
【発明の開示】
【００１１】
本発明による流路製造材料の例は、冷間加工により誘発される照射成長の加速に対する感度が低く、照射の相違、腐食により誘発される水素ピックアップの相違及び発生する可能性のあるクリープを含む不均一な照射にさらされた場合であっても、変形を起こす確率が低い。本発明の一実施形態は、Ｎｉ含有量が少なく、従来のZircaloy組成と比較した場合、水素ピックアップの減少、冷間加工により増加する照射成長加速に対する感度が低下、照射成長特性の低下及び／又はクリープ抵抗の向上を含む群から選択される１つ以上の改善された特性を示すＺｒ‐Ｎｂ‐Ｓｎ‐Ｆｅ合金である。
【００１２】
添付の図面を参照して以下に提示される実施形態の詳細な説明を参照することにより、本発明の範囲は、当業者に更に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
先に述べた通り、原子炉内部の流路は、湾曲又はその他の変形を起こす傾向があるため、例えば、ＢＷＲのステンレス鋼制御羽根とＺｒ合金流路との間に機械的干渉が発生する可能性が増加する。機械的干渉の可能性があると、発電装置の安全マージンは減少し、発電装置の効率は低下する。流路の変形を招く主な原因は、照射成長、クリープ膨張及び水素含有量の差である。これらは、制御羽根が挿入され且つ４つの隣接する側面のうち２つの面で制御羽根が正方形の流路とごく近接している場所において起こる「潜在」腐食速度の差によって起こる。
【００１４】
図１に示されるように、沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）の燃料集合体１０は、複数の燃料流路１２を含むように構成されてもよい。各燃料流路１２は、燃料棒１４のアレイ及び／又は束を含む。通常、燃料集合体１０は、Ｘ字形又は十字架形の制御棒１６を更に含む。燃料棒１４の隣接するアレイ間の相互作用を制御するために、制御棒１６は上下動される。炉心内部における中性子の寄生吸収を減少するために、燃料流路１２は、必然的に、熱中性子に対して低吸収横断面を有する合金から形成される。ジルコニウム系合金、特に、先にZircaloy-2及びZircaloy-4として挙げた合金は、燃料流路及び炉心内部で利用される他の構成要素を製造するときに材料として広く使用されている。それらのジルコニウム合金は、中性子吸収率が低く、典型的な原子炉動作温度の範囲内で十分な機械的強度を示し且つ／又は原子炉環境内に存在し循環している水との間で相互作用を起こしにくい。
【００１５】
図示される燃料流路１２は、通常、ほぼ多角形の横断面を有する中空で細長い構成要素として製造される。例えば、燃料流路は、正方形の横断面又は正六角形の横断面を有するように製造されてもよい。燃料流路１２は、通常、Zircaloy合金のうち１つなどのジルコニウム系合金から成る条片を圧延し、圧延された条片をＵ字形又は他の相補形流路部分となるように湾曲させ、次に、単一の燃料流路を形成するように、２つ以上の流路部分を一体に溶接することにより形成される。
【００１６】
燃料流路１２は、炉心を通って流れる冷却水を搬送し且つ封じ込めることにより、流路内部でアレイを形成する燃料棒１４の周囲及びその間に、より予測しやすい流路を規定する。ＢＷＲにおいては、燃料棒の周囲及びその間を流れる冷却水の一部は、燃料棒の内部に含まれる燃料物質の融合中に放出される熱により蒸発する。従って、ＢＷＲの動作中、ＢＷＲの原子炉に設けられる燃料流路１２は、相対的に長い期間にわたり、有害な腐食放射環境にさらされることになる。
【００１７】
Zircaloy-2と比較して水素ピックアップの割合が低い１つ以上の材料から流路を製造することは、例えば、従来のZircaloy-2と比較して照射成長が少ないこと及びクリープ抵抗が高いことなどを含む１つ以上の他の改善点を更に示す。原子炉構成要素の水素ピックアップが少ないと、原子炉の燃料サイクルの間、本発明による合金から製造された燃料流路又は他の原子炉構成要素が許容し得ないほどのレベルの変形を示す可能性は低くなる。例えば、湾曲などの変形を減少すること及び／又は遅らせることにより、次の燃料交換作業までの間、適正に動作させるための中間保守又はその他の調整の必要を少なくすることができる。
【００１８】
特許請求の範囲において定義されるジルコニウム合金から製造される原子炉構成要素、例えば、燃料流路は、水素ピックアップにより誘発される変形を起こしにくくなることに加えて、冷間加工に対する許容差の面でも改善を示す傾向にある。原子炉構成要素を製造するための従来の方法においては、構成要素の冷間加工に関連する応力は、通常、その後の熱処理によってある程度まで除去される。特に、初期条片及びそのような初期条片から形成される整形片を形成するために利用される形成工程は、完成後の流路構体に残留冷間加工応力を残す傾向がある。
【００１９】
Zircaloyが冷間加工により促進される照射成長に対して相対的に高い感度を示し、それに関連する変形を引き起こすことを考慮して、Zircaloy合金から原子炉構成要素を製造する間に、冷間加工後の熱処理が利用される。逆に、冷間加工により促進される照射成長に対して低い感度を示す材料、例えば、本発明の合金は、湾曲又は他の変形を起こす可能性が低いため、構成要素及びそのような構成要素を含む原子炉の許容差が改善される。
【００２０】
ＢＷＲにおいては、流路の湾曲の問題と、それに関連して対応する制御羽根との干渉の可能性が高まるという問題は、１つには、流路における照射成長の差から起こる。従って、β焼入れを経て材料の結晶組織を調整し、実際には、流路がより均一に放射にさらされるようにして流路の動作寿命を延ばすことにより、費用がかかる早期交換を回避することを目的とする流路シャフリングを実行することによって、この問題にある程度まで対処できる。β焼入れの結果、焼入れ後のZircaloyのクリープ速度が望ましくないほど速まるため、結晶形態の改善とクリープ速度の抑制とのバランスを十分保つようにβ焼入れを実行しなければならないことは、当業者には理解されるであろう。従って、種々の合金と処理の組み合わせによって、ＢＷＲにおける照射により誘発される流路湾曲の問題は、ある程度までは対処されてきたが、性能、材料及び方法に関して改善の余地はある。特に、有害な環境の中で原子炉構成要素の性能を向上し、コストを節減し且つ／又は許容差を増加する改善された方法及び材料は、依然として望まれている。
【００２１】
更に、湾曲及び制御羽根と流路壁との干渉の問題は、１つには、材質の異なる金属制御羽根の付近における局所的な「潜在」腐食の差が原因となる水素含有量の差から起こる。このメカニズムは、最近になって初めて、流路湾曲の問題に重大な影響を与える因子として認識されたため、潜在湾曲の問題の発生を防止する解決方法は、これまで全く知られていない。
【００２２】
潜在腐食に対処するために提案された方法は、制御羽根にβ粒子吸収被覆膜を使用すること及びＭｎ含有量の少ない材料を制御羽根に使用することを含んでいた。しかし、それらの方法は、潜在腐食のメカニズムに対する誤解に基づいているように思われる。
【００２３】
本発明の実施形態による合金は、Zirkaloy-2と比較して、１）（百分率で）水素ピックアップが少ないこと、２）照射成長が減少するか又は同等であること、３）冷間加工によって誘発される照射成長の加速に対する感度が低いこと及び／又は４）クリープ抵抗が同等であるか又は高いこと（膨張が減少すること）を含む改善された特性の組み合わせを示す。これら種々の改善点の累積効果は、類似の照射条件の下で、従来のZircaloy組成によって得られる結果と比較して流路湾曲（又は膨張）を減少させる。
【００２４】
寄与条件のうち１つ以上の中で、燃料流路全体の変形に対する寄与を改善する一方で、残る寄与要因の影響を一般に維持又は制限することにより、湾曲の結果、制御羽根と関連する燃料流路との機械的干渉が起こる確率を低下できるという認識によって、それらの合金の選択が指示されることは当業者には理解されるであろう。本発明の合金から形成された細長い構造における湾曲の可能性が低くなれば、ＢＷＲにおいて流路として使用される従来のＺｒ合金材料と比較して好都合である。
【００２５】
従って、例えば、水素ピックアップのように、非対称のひずみを誘発する条件にさらされた場合、本発明の実施形態に対応する合金から製造された原子炉構成要素、特に、細長い構成要素は、水素吸収（すなわち、水素ピックアップ割合、ＨＰＵ）、照射成長の減少、クリープ抵抗の向上及び冷間加工によって高まる照射成長加速に対する感度の低下から選択される少なくとも１つの要因において改善を示すと期待される一方、その他の要因は、ほぼ一定のままであるか又は他の要因と関連して実現される減少よりは小さいながらもわずかな増加を示す。従って、本発明の合金から製造された流路が中性子流束勾配の下で動作され、腐食差、すなわち、水素ピックアップ及び伸びの差にさらされた場合及び異なる材料から製造された制御羽根が流路表面の一部にごく近接して配置された場合、動作環境が流路湾曲に及ぼす全体的な影響は減少することが期待される。
【００２６】
更に詳細には、照射成長の減少は、＜ｃ＞成分転位の形成が従来のZircaloyで見られたものより減少することと関連付けられてもよく、水素ピックアップの減少は、少なくとも部分的には、指定されるニッケルレベルの低下に起因すると考えられる。冷間加工感度の低下及び起こりうるクリープ抵抗の向上も、転位構造と関連付けられてよい。本発明の実施形態は、ＬＷＲ燃料集合体において正方形の流路を使用することを含む。この場合、制御羽根の一部は、流路の４つの側面のうち２つとごく近接する材質の異なる金属制御羽根の位置取りを流路の間で変更することにより、核融合制御が実行される。
【００２７】
流路構造は、０．６〜１．２ｗｔ％のＮｂと；０．２〜０．４ｗｔ％のＦｅと；０．５〜１．２ｗｔ％のＳｎと、１２０ｐｐｍ未満のＳｉと；２７０ｐｐｍ未満のＣと；０．１０〜０．１４ｐｐｍのＯと；２００ｐｐｍ未満のＣｒと；７０ｐｐｍ未満のＮｉとから成り、残部はＺｒ及び不可避不純物であるジルコニウム系材料から製造される。この流路構造は、従来のZircaloy-2流路と比較して、百分率で水素ピックアップが低く、照射成長の減少、冷間加工に対する照射成長感度の低下及びクリープ抵抗の向上を含む１つ以上の付加的な改善を示すことが期待される。その結果、本発明の合金から製造された流路は変形が少なく、そのため、燃料集合体に相対的に多くさらされても、制御羽根との間で機械的干渉を起こす可能性は少ない。
【００２８】
合金の好適な組成は、１）約１％のＳｎと；０．２％のＦｅと、１％のＮｂと、残部であるＺｒ及び痕跡不純物とを含むか、２）１％のＳｎと；０．３５％のＦｅと；１％のＮｂと、残部であるＺｒ及び痕跡不純物とを含むか、又は３）１％のＳｎと；０．５％のＦｅと；１％のＮｂと、残部であるＺｒ及び痕跡不純物とを含む。製造方法は、変形に対する耐性が向上された流路構造を提供するための後の段階のβ焼入れを含んでもよい。
【００２９】
本発明の合金組成と比較して、現在、ＢＷＲの流路を製造するために最も一般的に使用されている材料であるZircaloy-2は、通常はステンレス鋼製の材質の異なる制御羽根に近接していることによって誘発される潜在腐食にさらされたときに、成長が減少する特性も、水素ピックアップがより均一になる特性も示さない。更に、Zircaloy-2は、製造中に導入される可能性があるごく少量の冷間加工を受けた場合であっても、急速な照射成長に対して高い感度を示す傾向がある。
【００３０】
不規則組織を有するβ焼入れ後のZircaloy-2流路は、照射成長の減少を示す傾向があるが、制御羽根の潜在腐食にさらされたとき、本発明の合金の特徴であるより均一な水素ピックアップという特性には依然として欠けている。本発明の合金と比較して、β焼入れ後のZircaloy-2は、更に、クリープ速度の増加を示し、その結果、流路の膨張が増加する。Ｎｂを含有するＺｒ系合金は、照射成長が少ないという特性を有することが公知であるにもかかわらず、ＢＷＲにおいて商業的には流路として使用されてこなかった。同様に、E635合金も、ロシアのＲＢＭＫ原子炉で使用されているが、商業的にはＢＷＲにおいて使用されてこなかった。
【００３１】
GEのＺｒ‐１％Ｎｂ‐Ｓｎ‐Ｆｅ合金（NSF）は、腐食を受けやすいためＢＷＲでの使用には適していず、ＬＷＲにおいて使用する際には、耐食性を向上するためにZircaloy-2によって外面を被覆しなければならないとされてきた。本願の開示と矛盾しない程度に開示内容全体が参考として本明細書に取り入れられているAdamsonの米国特許第５，３６１，２８２号公報及び第５，８０５，６５６号公報には、種々のジルコニウム合金に関する開示が見られる。更に、本願の開示と矛盾しない程度に開示内容全体が参考として本明細書に取り入れられているNikulina他の米国特許第５，５６０，７９０号公報にも、種々のジルコニウム合金に関する開示が見られる。そのような被覆物品は、製造コストが高く、また、推奨されている被覆材料がZircaloy-2であるため、異なる材料から成る挿入制御羽根にごく近接して配置された場合、Zircaloy-2が吸収する水素の量が多くなる傾向があり、その結果、水素膨張の問題が依然として起こる。試料から生成されたデータは、１．０ｗｔ％のＺｒ、１．０％Ｎｂ‐１．０Ｓｎ‐０．２Ｆｅ（NSF2）を有する合金がZircaloy-2及びＺｒ‐０．６Ｎｂ−１．０Ｓｎ‐０．２Ｆｅ‐０．０５Ｎｉ合金（NSF2L）の双方より百分率で低い水素ピックアップを有することを明示している。NSF2L材料に関しては、ニッケル含有量の増加により、基本NSF合金と比較して水素ピックアップが増加し、そのため、特定の低Ｎｉ含有量Ｚｒ‐Ｓｎ‐Ｎｂ‐Ｆｅ合金からＢＷＲ流路を製造することと関連する利点が強調されたと考えられる。
【００３２】
更に、ニッケル含有量の少ないＺｒ‐Ｎｂ合金は、百分率でZircaloy-2より低い水素ピックアップを示し、アルファ再結晶化Zircaloy-2より照射成長が少なく、残留冷間加工加速効果に対する感度が著しく低く、クリープ抵抗が高くなる可能性がある。β焼入れなどの種々の組織調整方法ではなく、合金組成によってこれらの問題に対処することにより、別の製造焼入れ工程の採用と関連する費用の増加及び調整の問題は回避される。焼入れ工程により行われる組織調整は、主に、流路がさらされる種々の変形過程のうち１つの要素のみを軽減しようとするものである。
【００３３】
しかし、焼入れ工程を制限したにもかかわらず、β焼入れ後のNSF流路は、通常、対応するβ焼入れ後のZircaloy-2より望ましい特性の組み合わせを有する。従って、本発明は、単に、製造が容易なＺｒ合金材料を使用して流路を製造することにより、流路の湾曲及びその結果としての制御羽根との干渉の確率を減少させる傾向を示す４つの別個の要因に同時に対応する。
【００３４】
全てのＺｒ‐Ｎｂ‐Ｓｎ‐Ｆｅ合金が、水素ピックアップ率に関して所望の程度の減少を示すとは限らない。NSF2（Ｚｒ‐１．０Ｎｂ‐０．２Ｆｅ‐１．０Ｓｎ‐０．０Ｃｒ‐０．０Ｎｉ）試料及びNSF2L（Ｚｒ‐０．６Ｎｂ‐０．２Ｆｅ‐１．０Ｓｎ‐０．０Ｃｒ‐０．０５Ｎｉ）試料から生成されたデータは、ＢＷＲにおける４サイクルの照射の後、NSF2試料は平均で１２％のＨＰＵを示し、NSF2L試料は平均で２２％のＨＰＵを示し、Zircaloy-2試料は平均で約１８％のＨＰＵを示したことを明示している。これらの試料間にはＮｂ含有量に大きな相違があるが、この比較データは、低い水素ピックアップを維持するためには、Ｎｉの公称量を減らすことの必要性を支持している。比較すると、本願の開示と矛盾しない程度に開示内容全体が参考として本明細書に取り入れられているA.Nikulina他のASTM STP 1295（７８５ページ）の研究報告によれば、一例として、Ｚｒ０．９７４Ｓｎ０．０１２Ｎｂ０．０１Ｆｅ０．００４の組成を有する合金E635は、多様な試験水化学組成条件の下で、２５％を超える水素ピックアップ率を示す。
【００３５】
本発明の一実施形態による合金を使用して流路を製造する方法は、
本発明の組成に従った合金組成及び所期の構造を形成するのに十分な質量を有する初期直径のインゴットを得る工程と；
インゴットを熱間鍛造温度ＴＨＦにする工程と；
初期スラブの厚さがインゴットの初期直径の３０％〜１０％になるように、合金を熱間加工温度又はそれに近い温度に維持しつつ、加熱されたインゴットから初期スラブを鍛造する工程と；
初期スラブを第１の熱間圧延温度ＴＨＲ１にする工程と；
中間スラブの厚さが初期スラブの厚さの３０％〜１０％になるように、初期スラブを熱間圧延して中間スラブを形成する工程と；
微細構造を調整し且つ／又は応力を減少するために、中間スラブを状態調節する工程と；
中間スラブを第２の熱間圧延温度ＴＨＲ２にする工程と；
条片プレフォームの厚さが中間スラブの厚さの９５％〜５０％になるように、中間スラブを熱間圧延して条片プレフォームを形成する工程と；
微細構造を調整し且つ／又は応力を減少するために、条片プレフォームを状態調節する工程と；
条片プレフォームをβ焼入れする工程と；
焼入れされた条片プレフォームを状態調節期間にわたり状態調節温度ＴＣに保持する工程と；
状態調節された条片プレフォームを熱間圧延する工程と；
圧延された条片プレフォームを焼きなましする工程と；
１５％〜５０％の厚さ減少を実現するために、焼きなましされた条片プレフォームを冷間圧延する工程と；
冷間圧延された条片プレフォームを非酸化雰囲気の中で焼きなましする工程と；
焼きなましされた冷間圧延条片プレフォームを最終厚さまで冷間圧延する工程と；
条片プレフォームを最終条片寸法に切断する工程と；
切断された条片プレフォームを状態調節する工程と；
最終厚さを調整し、表面を研磨して、条片を完成する工程とを含んでもよい。
【００３６】
その後、本発明による方法に従って、このようにして準備された１対の条片から流路又は流路ボックスを製造できる。方法の一例は、
条片を湾曲させて、１対の対応する細長い開いた流路を形成する工程と；
２つの開いた流路を長手方向縁部に沿って一体に溶接し、開いた流路ボックスを形成する工程と；
溶接部を平坦にするために、継目をプラニシングする工程と；
内部マンドレルを使用して、開いた流路ボックスの熱応力除去焼きなましを実行する工程と；
焼きなましされた開いた流路ボックスを所定の長さに切断し、他の所望且つ必要な開口部及び／又は所望且つ必要な構造物を機械加工し且つ／又は装着する工程と；
変形された開いた流路ボックスを洗浄し、処理する工程と；
処理後の開いた流路ボックスを研磨する工程とから成る。
【００３７】
当業者には理解されるであろうが、以上、詳細に説明された条片及び開いた流路ボックスを製造する過程の間に利用される処理温度及び処理時間は、所望の最終微細構造及び最終構成に応じていくらかは変更されてもよい。更に、多くの研究者及び特許権所有者が多くの対応するプロセスに対してプロセスパラメータを開示していること、並びに十分な製造性能を提供するために、それらのプロセスのうち１つ以上が採用され且つ／又はある程度まで変更されてもよいことも、当業者には理解されるであろう。
【実施例１】
【００３８】
流路（流れボックス）をＢＷＲ炉心の外側領域で動作させると、その結果、対向する流路面に累積高速流束の勾配が発生する。この高速流束累積の差は、対向する流路面の照射成長の差を生じ、その結果、流路は変形、特に湾曲する傾向がある。燃料流路の湾曲が過剰になると、隣接する流路の間に配置された制御棒は、制御棒の動きに支障をきたすほど、２つの流路の間に「締め付けられる」又は拘束されるようになる。極端な場合には、この摩擦力は、制御棒を動作できない状態にまでしてしまう。すなわち、制御棒がフリーズしてしまう。
【００３９】
燃料棒のアレイと関連して提供される制御棒は重要な安全機能を果たすため、制御棒の全運動範囲にわたり、常時、全ての制御棒を動作可能であるか否かは、安全及び運転に関して考慮すべき重要な事項である。高速流束の勾配により誘発された、流路の湾曲及び流路と制御羽根との摩擦が起こり、制御羽根が動作できない状態になるいう従来の再結晶化Zircaloy-2流路の動作履歴を考慮して、図２に示されるように、Zircaloy-2に対しては、上の破線に対応する１．０の流路‐制御羽根間干渉指標値を割り当てることができる。
【００４０】
更に、図２には、動作上の影響なく、制御羽根を通常通りに使用できる流路‐制御羽根間干渉の最大許容レベルが破線として含まれる。Zircaloy-2及びNSFについて測定された照射成長特性に基づいて、Zircaloy-2流路に関しては動作不能状態をもたらした同一の動作履歴に対して、NSFの流路‐制御羽根間干渉指標値を判定できる。NSFに関するこの結果も図２に含まれる。図２から、NSFにより提供される性能の向上は相当に大きく、商用原子炉として稼働中の原子炉において許容できる結果を確実に保証するのに十分であることが認められる。
【実施例２】
【００４１】
合金E635は、原子力関連業界においては、照射成長の少ない合金として公知であり、従って、低成長合金の性能利点を提供する。しかし、NSFの照射成長性能は、合金E635より優っていることが判明した。原子炉の試験照射及び照射中に複数の時点で測定された対応する照射性能の測定値に基づいて、NSF及びE635の相対性能が知られている。流路湾曲は、流路の動作寿命の後半の期間の間の照射成長の変化速度により判定される。流路寿命の後半〜５０％に相当する同一の累積高速流束間隔にわたる合金E635及びNSFの照射成長の測定変化速度を比較すると、NSF及びE635の相対流路湾曲性能を判定できる。図３は、この性能比較を示す。図３において、性能指標の下方の値は、流路の湾曲が少なく、相応して性能が改善されていることを表す。図３から、NSFは、既知の合金E635と比較して著しい改善を提供することが認められる。
【実施例３】
【００４２】
流路の製造には、材料に冷間加工を誘発する可能性がある処理工程の適用が必要である。履歴上、Zircaloy-2流路の場合、過剰量の冷間加工の結果発生する照射成長によって、流路を著しく湾曲させ、制御棒の動きを阻害するほどの大きさの寸法不安定が誘発された事例が起こっている。再結晶化Zircaloy-2及びNSFについて測定された照射成長特性に基づいて、図３に示されるのと同様の評価を実行できる。図４はそのような評価の結果を提示しており、再結晶化Zircaloy-2に関して著しい影響を流路性能に及ぼした大きさの冷間加工の影響に対するNSF材料の相当に高い固有許容差を示す。
【００４３】
いくつかの実施形態に関連して本発明を説明したが、先に提示された詳細な説明と矛盾しないように、開示された方法に対して数多くの代替構成、変形及び変更を実施できることは当業者には明らかであろう。また、特許請求される発明を含み、所期の用途又は性能条件に更に厳密に適合する本明細書には図示されていない付加的実施形態を生み出すために、開示された種々の実施形態のいくつかの面を他の開示された実施形態又はその代替構成の面と組み合わせて使用できることは当業者には明らかであろう。従って、本発明の趣旨の範囲内に入るそのような全ての代替構成、変形及び変更は、添付の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】沸騰水型軽水炉の炉心において使用するのに適する従来の燃料集合体を示した部分横断面図を含む斜視図である。
【図２】実施例１に対応するデータを示したグラフであり、Zircaloy-2及び本発明の合金（NSF）の再結晶化試料の性能比較を表す。
【図３】実施例２に対応するデータを示したグラフであり、E635合金と本発明の合金（NSF）との性能比較を表す。
【図４】実施例３に対応するデータを示したグラフであり、相対流路に対する後半寿命製造関連冷間加工誘発流路ひずみ性についてZircaloy-2と本発明の合金（NSF）の試料との比較を表す。
【符号の説明】
【００４５】
１０…燃料集合体、
１２…燃料流路、
１４…燃料棒、
１６…制御棒
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図１】
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【外国語明細書】
2007192814000001.pdf