Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JPS6313160B2 - - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JPS6313160B2 - - Google Patents

Info

Publication number
JPS6313160B2
JPS6313160B2 JP62028406A JP2840687A JPS6313160B2 JP S6313160 B2 JPS6313160 B2 JP S6313160B2 JP 62028406 A JP62028406 A JP 62028406A JP 2840687 A JP2840687 A JP 2840687A JP S6313160 B2 JPS6313160 B2 JP S6313160B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
zirconium
tube
cladding
ppm
sponge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP62028406A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS62272188A (en
Inventor
Soromon Roozenbaomu Haaman
Harisu Deebisu Jon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of JPS62272188A publication Critical patent/JPS62272188A/en
Publication of JPS6313160B2 publication Critical patent/JPS6313160B2/ja
Granted legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
    • G21C3/16Details of the construction within the casing
    • G21C3/20Details of the construction within the casing with coating on fuel or on inside of casing; with non-active interlayer between casing and active material with multiple casings or multiple active layers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Extrusion Of Metal (AREA)
  • Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は燃料要素用複合被覆管の熱的および機
械的処理に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to thermal and mechanical treatment of composite cladding for fuel elements.

水を冷却材および減速材として使用する原子炉
は公知であつて、それらはたとえばエム・エム・
エルワキル(M.M.El―Wakil)の「ニユークリ
ア・パワー・エンジニアリング(Nuclear
Power Engineering)」マグローヒル社、1962
年)中において論じられている。
Nuclear reactors using water as a coolant and moderator are known and are available from e.g.
MMEl-Wakil's ``Nuclear Power Engineering''
Power Engineering)” McGraw-Hill, 1962
Discussed in 2010).

かかる原子炉用の燃料要素は、一般にはジルコ
ニウム合金(たとえばジルカロイ―2)のごとき
適当な金属で製造された細長い保護被覆管の中に
酸化ウランおよび(または)酸化プルトニウムペ
レツトを収容したものから成るのが通例である。
このような燃料要素はたとえば米国特許第
3365371号明細書中に示されている。
The fuel element for such reactors typically consists of uranium oxide and/or plutonium oxide pellets contained within an elongated protective cladding made of a suitable metal such as a zirconium alloy (e.g. Zircaloy-2). It is customary that
Such fuel elements are described, for example, in U.S. Pat.
No. 3365371.

燃料要素被覆管の早期破損を防止しかつそれの
機械的有効寿令を延長するため、柱状に配列され
た燃料ペレツトと被覆管の内面との間に各種の保
護隔壁を設けることが提唱されている。それらの
隔壁の中には、ジルコニウム合金製被覆管の内面
に金属ジルコニウムの層を接合したものがある。
In order to prevent premature failure of the fuel element cladding and extend its mechanical useful life, it has been proposed to provide various protective barriers between the columnar array of fuel pellets and the inner surface of the cladding. There is. Some of these partition walls have a layer of metallic zirconium bonded to the inner surface of a zirconium alloy cladding tube.

ベルギー特許第835481号明細書中には、被覆管
の内面に接合された隔壁がほぼ純粋な金属ジルコ
ニウムの層から成る場合が記載されている。
Belgian Patent No. 835,481 describes the case where the partition, which is joined to the inner surface of the cladding tube, consists of a layer of almost pure metallic zirconium.

またベルギー特許第870342号明細書中には、か
かる隔壁が海綿ジルコニウムのごとき純度の低い
金属ジルコニウムの層から成る場合が記載されて
いる。
Belgian Patent No. 870,342 also describes the case where such a partition consists of a layer of metallic zirconium of low purity, such as sponge zirconium.

内面に接合された隔壁を有する被覆管の従来の
製造方法によれば、ジルコニウム合金製の中空ビ
レツトに隔壁用の金属ジルコニウム製スリーブを
はめ込んだ後、この複合材の同時押出しが行われ
る。次いで、ピルガー管絞り機のごとき装置にお
いて複数回のパスを施す冷間加工により、複合材
の直径が所望の最終値にまで縮小される。
According to the conventional method of manufacturing cladding tubes with internally bonded partitions, a hollow billet of zirconium alloy is fitted with a metal zirconium sleeve for the partition, followed by coextrusion of the composite. The diameter of the composite is then reduced to the desired final value by cold working in multiple passes in equipment such as a Pilger tube squeezer.

各回のパス後には、ジルコニウム合金をほぼ完
全に再結晶させるのに十分な温度および時間を用
いた熱処理によつて複合材の焼なましを行うのが
通例である。
After each pass, the composite is typically annealed by heat treatment using a temperature and time sufficient to substantially completely recrystallize the zirconium alloy.

しかるに、ジルコニウム合金の完全な再結晶の
ために必要な焼なまし温度および時間を用いる
と、金属ジルコニウムの隔壁中において結晶粒の
成長が起こるので望ましくないことが判明した。
However, the annealing temperatures and times required for complete recrystallization of the zirconium alloy have been found to be undesirable due to grain growth in the metallic zirconium partitions.

さて本発明の1つの特徴に従えば、最終の絞り
工程後における複合材の熱処理に当つては、金属
ジルコニウム層の実質的に完全な再結晶をもたら
してその内部に微細な顕微鏡組織を与えると同時
にジルコニウム合金の応力除去を可能にするがそ
れの完全な再結晶はもたらさないような温度およ
び時間が使用される。
According to one feature of the present invention, the heat treatment of the composite material after the final drawing step results in substantially complete recrystallization of the metallic zirconium layer and imparts a fine microscopic structure therein. At the same time, temperatures and times are used that allow stress relief of the zirconium alloy but do not result in its complete recrystallization.

本発明の別の特徴に従えば、たとえばシヨツト
ピーニング技術を用いて複合材のジルコニウム層
の表面に圧縮変形を加えることにより、複合管の
ジルコニウム合金を変形せずに、金属ジルコニウ
ム層の結晶組織を随意に改善することもできる。
According to another feature of the invention, the crystal structure of the metallic zirconium layer can be improved without deforming the zirconium alloy of the composite tube by applying a compressive deformation to the surface of the zirconium layer of the composite, for example using shot peening techniques. can be improved at will.

本発明は添付の図面を参照しながら以下に一層
詳しく説明される。
The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.

第1および2図に示されるような原子炉用の燃
料要素11は柱状に配列された燃料ペレツト13
およびそれを収容する細長い複合被覆管12から
成つていて、その両端は下部端栓14および上部
端栓16によつて密封されている。
A fuel element 11 for a nuclear reactor as shown in FIGS. 1 and 2 consists of fuel pellets 13 arranged in columns.
and an elongated composite cladding tube 12 housing it, the ends of which are sealed by a lower end plug 14 and an upper end plug 16.

燃料の縦方向の膨張を可能にしかつ原子炉内で
の運転に際して燃料から放出されるガスを収容す
る余地を与えるためにプレナム空間17が設けら
れている。最上部の燃料ペレツトと上部端栓16
との間にはスプリング18が配置され、それによ
つて燃料ペレツトが所定の位置に保持されてい
る。第2図において最も良くわかる通り、燃料ペ
レツトの直径に対する複合被覆管12の寸法は、
燃料ペレツトと被覆管の内面との間に環状の間隙
19が得られるように決定されている。
A plenum space 17 is provided to allow longitudinal expansion of the fuel and to provide room for gases released from the fuel during operation within the reactor. Top fuel pellet and top end plug 16
A spring 18 is disposed between the fuel pellets and the fuel pellets to hold the fuel pellets in place. As best seen in FIG. 2, the dimensions of the composite cladding tube 12 relative to the diameter of the fuel pellets are:
It is determined that an annular gap 19 is obtained between the fuel pellets and the inner surface of the cladding tube.

本発明の好適な一実施態様に従えば、複合被覆
管12はジルコニウム合金製の被覆管21および
その内面に対して冶金的に接合された金属ジルコ
ニウムの隔壁22を含んでいる。
In accordance with one preferred embodiment of the present invention, composite cladding 12 includes a zirconium alloy cladding 21 and a metallic zirconium partition 22 metallurgically bonded to its inner surface.

被覆管21用として適するジルコニウム合金に
はジルカロイ―2およびジルカロイ―4がある。
ジルカロイ―2は約1.5(重量)%のスズ、0.12
(重量)%の鉄、0.09(重量)%のクロム、0.005
(重量)%のニツケルおよび残部のジルコニウム
から成るものである。ジルカロイ―4はジルカロ
イ―2に比べてニツケル含量が少ないが、鉄含量
はやや多い。いずれの場合にも、かかる合金はジ
ルコニウム以外の成分を5000ppmより多量に含有
している。
Zirconium alloys suitable for the cladding tube 21 include Zircaloy-2 and Zircaloy-4.
Zircaloy-2 is approximately 1.5% (by weight) tin, 0.12
(wt)% iron, 0.09 (wt)% chromium, 0.005
(by weight)% nickel and the balance zirconium. Zircaloy-4 has a lower nickel content than Zircaloy-2, but a slightly higher iron content. In either case, such alloys contain more than 5000 ppm of components other than zirconium.

複合被覆管12の厚さの約1〜約30%を占める
隔壁22に限られた不純物含量を有する金属ジル
コニウムから成つている。すなわち、かかる材料
は500ppm未満の不純物含量を有する実質的に純
粋な(つまり高純度の)金属ジルコニウムから最
高5000ppmまで好ましくは約4200ppm未満の不純
物含量を有する金属ジルコニウムにまでわたり得
る。
The partition wall 22, which accounts for about 1% to about 30% of the thickness of the composite cladding 12, is comprised of metallic zirconium with a limited impurity content. That is, such materials can range from substantially pure (ie, highly pure) zirconium metal having an impurity content of less than 500 ppm up to zirconium metal having an impurity content of up to 5000 ppm and preferably less than about 4200 ppm.

不純物のうち、酸素はできるだけ少なくすべき
であつて、その含量は200ppm以下から最高約
1200ppmまでの範囲内に保たなければならない。
その他の不純物は市販の原子炉用海綿ジルコニウ
ムに関する規準範囲内にあればよい。それらを列
挙すれば、アルミニウムは75ppm以下、ホウ素は
0.4ppm以下、カドミウムは0.5ppm以下、炭素は
270ppm以下、クロムは200ppm以下、コバルトは
20ppm以下、銅は50ppm以下、ハフニウムは
100ppm以下、水素は25ppm以下、鉄は1500ppm
以下、マグネシウムは20ppm以下、マンガンは
50ppm以下、モリブデンは50ppm以下、ニツケル
は70ppm以下、ニオブは100ppm以下、窒素は
80ppm以下、ケイ素は120ppm以下、スズは
50ppm以下、そしてウランは3.5ppm以下である。
Among impurities, oxygen should be kept as low as possible, with its content ranging from less than 200 ppm to a maximum of about
Must be kept within a range of up to 1200ppm.
Other impurities may be within the standard range for commercially available nuclear reactor sponge zirconium. If we list them, aluminum is 75ppm or less, boron is
0.4ppm or less, cadmium 0.5ppm or less, carbon
270ppm or less, chromium 200ppm or less, cobalt
20ppm or less, copper 50ppm or less, hafnium
100ppm or less, hydrogen 25ppm or less, iron 1500ppm
Below, magnesium is 20ppm or less, manganese is
50ppm or less, molybdenum 50ppm or less, nickel 70ppm or less, niobium 100ppm or less, nitrogen
80ppm or less, silicon 120ppm or less, tin
less than 50ppm, and uranium less than 3.5ppm.

金属ジルコニウムの隔壁22はジルコニウム合
金製の被覆管22に対して冶金的に接合されてい
る。詳しく言えば、両者間には強固な結合を生み
出すのに十分な相互拡散が存在するが、界面から
約1/2〜1ミルの範囲外にある隔壁22が拡散に
よつて汚染されることはないものとする。
The metallic zirconium partition wall 22 is metallurgically joined to the zirconium alloy cladding tube 22. Specifically, although there is sufficient interdiffusion between the two to create a strong bond, it is unlikely that the barrier 22 that is outside approximately 1/2 to 1 mil from the interface will be contaminated by diffusion. Make it not exist.

複合被覆管12の厚さの5〜15%程度(特に好
ましくは10%)を占める隔壁22が存在すれば、
腐食性核分裂生成物に対するジルコニウム合金製
被覆管21の暴露は防止されることが判明してい
る。
If there is a partition wall 22 that occupies about 5 to 15% (particularly preferably 10%) of the thickness of the composite cladding tube 12,
It has been found that exposure of the zirconium alloy cladding 21 to corrosive fission products is prevented.

隔壁22はまた、ジルコニウム合金製の被覆管
21が燃料ペレツトと直接に機械的相互作用を行
うことをも防止し、従つてそれに由来して生じる
ことのある応力を低減させる。隔壁22の望まし
い構造特性(たとえば耐力強度や硬度)は通常の
ジルコニウム合金の場合よりもかなり低いレベル
に維持されることが判明している。実際、照射に
際して金属ジルコニウムの隔壁22は通常のジル
コニウム合金ほど硬化しない。従つて、初期の耐
力強度が小さいことを考え合わせると、隔壁22
は出力の過渡的変化に際して塑性変形を示し、そ
のため燃料要素中におけるペレツト由来の応力を
除去することが可能となる。燃料要素中における
ペレツト由来の応力とは、たとえば原子炉の運転
温度下で燃料ペレツトが膨張して被覆管に接触す
るために生じるようなものである。
The partition 22 also prevents the zirconium alloy cladding 21 from having direct mechanical interaction with the fuel pellets, thus reducing the stresses that may result therefrom. It has been found that the desired structural properties (eg, yield strength and hardness) of the septum 22 are maintained at significantly lower levels than with conventional zirconium alloys. In fact, upon irradiation, the metallic zirconium partition walls 22 do not harden as much as normal zirconium alloys. Therefore, considering that the initial load-bearing strength is small, the partition wall 22
exhibits plastic deformation during power transients, thus making it possible to remove pellet-induced stresses in the fuel element. Pellet-induced stresses in the fuel element include those caused by the expansion of the fuel pellets into contact with the cladding under reactor operating temperatures, for example.

本発明の複合被覆管は下記方法のいずれかによ
つて製造することができる。
The composite cladding tube of the present invention can be manufactured by any of the following methods.

第1の方法によれれば、被覆管用として選ばれ
たジルコニウム合金製の中空ビレツトの内部に、
隔壁用として選ばれた金属ジルコニウム製の中空
管が挿入される。かかる集合体に対して爆発接合
工程を実施することにより、中空管が中空ビレツ
トに接合される。こうして得られた複合材が通常
の管押出し技術に従つて約1000〜約1400〓(約
538〜約760℃)の高温下で押出される。次いで、
押出し後の複合材に対して通常の管絞り工程を含
む加工操作を施すことにより、所望寸法の複合被
覆管が得られる。
According to the first method, inside a hollow billet made of zirconium alloy selected for the cladding tube,
A hollow tube made of metallic zirconium, selected for the bulkhead, is inserted. The hollow tubes are joined to the hollow billet by subjecting the assembly to an explosive joining process. The composite material thus obtained is processed according to conventional tube extrusion techniques to a thickness of about 1000 to about 1400
Extruded at high temperatures (538 to about 760°C). Then,
A composite cladding tube of a desired size is obtained by subjecting the extruded composite material to processing operations including a normal tube drawing step.

第2の方法によれば、被覆管用として選ばれた
ジルコニウム合金製の中空ビレツトの内部に、隔
壁用として選ばれた金属ジルコニウム製の中空管
が挿入される。かかる集合体に対してたとえば
1400〓(760℃)で約8時間の加熱工程を実施す
ることにより、中空管と中空ビレツトとの間の拡
散接合が達成される。こうして得られた複合材が
通常の管押出し技術に従つて押出される。次い
で、押出し後の複合材に対して通常の管絞り工程
を含む加工操作を施すことにより、所望寸法の複
合被覆管が得られる。
According to the second method, a hollow billet made of metallic zirconium selected for the partition wall is inserted into a hollow billet made of zirconium alloy selected for the cladding tube. For such a collection, for example
Diffusion bonding between the hollow tube and the hollow billet is achieved by carrying out a heating step at 1400° C. (760° C.) for about 8 hours. The composite thus obtained is extruded according to conventional tube extrusion techniques. Next, by subjecting the extruded composite material to processing operations including a normal tube drawing step, a composite cladding tube of desired dimensions is obtained.

第3の方法によれば、被覆管用として選ばれた
ジルコニウム合金製の中空ビレツトの内部に、隔
壁用として選ばれた金属ジルコニウム製の中空管
が挿入される。かかる集合体が通常の管押出し枝
術に従つて押出される。次いで、押出し後の複合
材に対して通常の管絞り工程を含む加工操作を施
すことにより、所望寸法の複合被覆管が得られ
る。
According to the third method, a hollow billet made of metallic zirconium selected for the partition wall is inserted into a hollow billet made of zirconium alloy selected for the cladding tube. Such a mass is extruded according to conventional tube extrusion techniques. Next, by subjecting the extruded composite material to processing operations including a normal tube drawing step, a composite cladding tube of desired dimensions is obtained.

出発材料の寸法は、所望の複合被覆管製品にお
ける隔壁および被覆管本体の横断面積の比によつ
て決定される。たとえば、最終製品の全横断面積
は次式によつて与えられる。
The dimensions of the starting material are determined by the ratio of the cross-sectional areas of the septum and cladding body in the desired composite cladding product. For example, the total cross-sectional area of the final product is given by:

ATF=π/4(ODTF 2−IDTF 2) ただし、ATFは最終製品の全横断面積、ODTF
最終製品の外径、そしてIDTFは最終製品の内径で
ある。所望の隔壁の横断面積は次式によつて与え
られる。
A TF = π/4 (OD TF 2 − ID TF 2 ) where A TF is the total cross-sectional area of the final product, OD TF is the outer diameter of the final product, and ID TF is the inner diameter of the final product. The desired septum cross-sectional area is given by:

ABF=π/4(ODBF 2−IDBF 2) ただし、ABFは隔壁の横断面積、ODBFは隔壁の
外径、そしてIDBFは隔壁の内径である。隔壁を含
めた当初の中空ビレツトの全横断面積は次式によ
つて与えられる。
A BF =π/4 (OD BF 2 − ID BF 2 ) where A BF is the cross-sectional area of the partition wall, OD BF is the outer diameter of the partition wall, and ID BF is the inner diameter of the partition wall. The total cross-sectional area of the original hollow billet including the bulkhead is given by:

ATI=π/4(ODTI 2−IDTI 2) ただしATIは隔壁を含めた当初の中空ビレツト
の全横断面積、ODTIは当初の中空ビレツトの外
径、そしてIDTIは中空ビレツトの内径である。そ
の場合、当初の隔壁の所要横断面積ABIは次式に
よつて与えられる。
A TI = π/4 (OD TI 2 − ID TI 2 ) where A TI is the total cross-sectional area of the original hollow billet including the partition wall, OD TI is the outer diameter of the original hollow billet, and ID TI is the outer diameter of the hollow billet. It is the inner diameter. In that case, the required initial cross-sectional area of the bulkhead A BI is given by:

ABI=ATI(ABF/ATF) 実施例 本発明に基づく複合被覆管12の製造方法の実
施例を以下に示す。
A BI =A TI (A BF /A TF ) Example An example of the method for manufacturing the composite cladding tube 12 based on the present invention is shown below.

ジルコニウム合金製被覆管用のビレツトおよび
金属ジルコニウム隔壁用のインサートの機械加
工、清浄操作および組立てを常法に従つて実施す
る。なお、それらの寸法は熱間押出しプレスにお
ける集合体の押出しに適合するように選定され
る。被覆管用のビレツトはASTM B 3533、グ
レードRA―1に合致する通常のジルカロイ―2
から成るものであり、また隔壁用のインサートは
前述の範囲内の不純物含量を有する金属ジルコニ
ウムから成るものである。ビレツトおよびインサ
ートの内腔は1インチ当り8ミル(203μ)のテ
ーパを有するように成形されるから、それらを加
圧下ではめ込むことによつて対応表面同士の良好
な接触が保証される。
The billet for the zirconium alloy cladding and the insert for the metallic zirconium septum are machined, cleaned and assembled in a conventional manner. It should be noted that these dimensions are selected to be compatible with extrusion of the assembly in a hot extrusion press. The billet for the cladding is standard Zircaloy-2 that meets ASTM B 3533, grade RA-1.
and the insert for the septum is made of metallic zirconium with an impurity content within the aforementioned range. The bores of the billet and insert are molded with a taper of 8 mils per inch (203 microns) so that their mating under pressure ensures good contact between the mating surfaces.

かかる機械加工部品の寸法の実例を挙げれば次
の通りである。すなわち、被覆管用のビレツトに
ついては、長さが9.0インチ(22.9cm)、外径が
5.74インチ(14.6cm)、かつ内径が2.44インチ
(6.20cm)である。また隔壁用のインサートにつ
いては、外径が2.44インチ、かつ内径が1.66イン
チ(4.22cm)である。
Examples of dimensions of such machined parts are as follows. In other words, the billet for cladding is 9.0 inches (22.9 cm) long and the outside diameter is 9.0 inches (22.9 cm).
5.74 inches (14.6 cm) and has an inner diameter of 2.44 inches (6.20 cm). The bulkhead insert has an outer diameter of 2.44 inches and an inner diameter of 1.66 inches (4.22 cm).

組立てに先立ち、ビレツトおよびインサートの
接触表面を軽く腐食することによつて痕跡量の不
純物を除去する。かかる目的にとつて適当な腐食
剤は70mlのH2O、30mlのHNO3(70%水溶液)お
よび5mlのHF(48%水溶液)から成る溶液であ
る。
Prior to assembly, trace impurities are removed by lightly etching the billet and insert contact surfaces. A suitable caustic agent for such purpose is a solution consisting of 70 ml H 2 O, 30 ml HNO 3 (70% aqueous solution) and 5 ml HF (48% aqueous solution).

押出しに際して満足すべき結合が得られるよう
にするため、水銀柱20μm以下の真空中において
ビレツトのテーパ付き内腔にテーパ付きインサー
トを圧入することにより集合体の予備接合を行つ
てもよい。その際には、30〜45000ポンド(13.7
〜20400Kg)の初期圧力を加えながら約1400〓
(760℃)の温度を8時間にわたつて維持すればよ
い。その結果、接触面積の20〜25%にわたる結合
の得られることが判明している。
To ensure a satisfactory bond during extrusion, the assembly may be pre-bonded by pressing a tapered insert into the tapered bore of the billet in a vacuum below 20 μm of mercury. In that case, 30 to 45,000 pounds (13.7
Approximately 1400〓 while applying an initial pressure of ~20400Kg)
(760°C) for 8 hours. It has been found that the result is a bond over 20-25% of the contact area.

押出し時における端部の損失を少なくするた
め、予備接合された集合体の各端に長さ2インチ
のジルカロイ―2製管片を溶接しかつ表面が平坦
となるように機械加工を施してもよい。
To reduce end loss during extrusion, a 2-inch long piece of Zircaloy-2 tubing was welded to each end of the pre-bonded assembly and machined to a flat surface. good.

このような予備接合済みの集合体を押出して複
合材とする際には、次のようなパラメータを使用
すればよい。すなわち、押出し速度は6インチ/
分、加工度は6:1、温度は1100〓、そして押出
し荷重は3500トンである。
When extruding such a pre-bonded aggregate into a composite material, the following parameters may be used. That is, the extrusion speed is 6 inches/
The working ratio is 6:1, the temperature is 1100㎜, and the extrusion load is 3500 tons.

内腔および浮きマンドレルを除く全てのビレツ
ト表面は、1300〓(704℃)で1時間にわたる熱
処理を受けた水溶性の潤滑剤によつて潤滑すれば
よい。押出し後、複合材の両端から追加の管片を
切除し、次いで傷の除去および仕上状態の改善の
ため内面にホーニング仕上を施す。
All billet surfaces, except the bore and the floating mandrel, may be lubricated with a water-soluble lubricant that has been heat treated at 1300°C (704°C) for 1 hour. After extrusion, additional tubing is cut from each end of the composite and the interior surface is honed to remove blemishes and improve the finish.

かかる複合材の絞り作業により燃料要素用とし
て適した寸法の被覆管を得るためには、公知のピ
ルガー管絞り機において3回のパスを施す冷間加
工並びに相次ぐパス間における熱処理および清浄
操作を行えばよい。典型的な操作手順の諸工程が
第3図に示されている。
In order to obtain a cladding tube of suitable dimensions for a fuel element by drawing such a composite material, cold working is performed in three passes in a known Pilger tube drawing machine, and heat treatment and cleaning operations are performed between successive passes. That's fine. The steps of a typical operating procedure are shown in FIG.

かかる操作手順は、本発明に基づく変更箇所を
別にすれば従来通りのものである。そのような変
更の根拠およびそれによつて得られる有益な結果
を以下に述べよう。
The operating procedure is conventional except for the changes made in accordance with the present invention. The rationale for such changes and the beneficial results obtained therefrom will be discussed below.

管絞り工程をおいて行われる激しい冷間加工は
金属微結晶の形状のゆがみをもたらし、そして微
結晶の内部に多数の格子欠陥を生み出す。すなわ
ち、冷間加工後の金属は比較的高いエネルギー状
態にあるのであつて、これは熱的に不安定であ
る。焼なまし工程は、熱を用いて金属の原子に可
動性を与え、それによつてかかる原子を低エネル
ギー状態に再配列させるのに役立つ。このような
焼なましに影響を及ぼすパラメータは温度および
時間であるが、温度の方が鋭敏である。一般に、
焼なまし温度および時間は実質的に完全な再結晶
をもたらすのに十分であるが過度の結晶粒成長を
引起こすには不十分であるように選定される。
The intense cold working performed after the tube drawing process distorts the shape of the metal microcrystals and creates a large number of lattice defects inside the microcrystals. That is, the metal after cold working is in a relatively high energy state, which is thermally unstable. The annealing process uses heat to impart mobility to the atoms of the metal, thereby serving to rearrange such atoms into a lower energy state. The parameters that affect such annealing are temperature and time, with temperature being the more sensitive. in general,
The annealing temperature and time are selected to be sufficient to provide substantially complete recrystallization but insufficient to cause excessive grain growth.

すなわち、第3図の操作手順中の焼なまし工程
5および8に関しては、温度および時間は被覆管
21のジルコニウム合金の実質的に完全な再結晶
をもたらすように選定される。
That is, with respect to annealing steps 5 and 8 in the operating sequence of FIG. 3, temperatures and times are selected to provide substantially complete recrystallization of the zirconium alloy of cladding tube 21.

しかるに、隔壁22を構成する相対的に純粋な
金属はより低い温度で再結晶するから、工程5お
よび8において使用されるようなジルコニウム合
金に適した通常の焼なまし温度および時間では完
成製品にとつて望ましくない程度の結晶粒成長が
隔壁22において見られることになる。
However, because the relatively pure metal that makes up partition wall 22 recrystallizes at lower temperatures, typical annealing temperatures and times suitable for zirconium alloys, such as those used in steps 5 and 8, do not result in a finished product. A particularly undesirable degree of grain growth will be observed in the partition walls 22.

それ故、本発明の1つの特徴に従えば、最終の
管絞り工程後に得られた被覆管材に対して工程1
2に示されるごとく低い温度での熱処理が施され
る。
Therefore, according to one feature of the invention, step 1 is applied to the cladding obtained after the final tube drawing step.
As shown in 2, heat treatment is performed at a low temperature.

その場合、工程12の熱処理の温度および時間
は隔壁22を構成する金属ジルコニウムが実質的
に完全な再結晶を示すが結晶粒の成長は起こさな
いように選定される。こうして得られた隔壁は微
細な等軸結晶組織を有し、従つて強度および延性
の向上、応力腐食割れに対する抵抗性の増大、並
びに高度の塑性安定化を示す。
In that case, the temperature and time of the heat treatment in step 12 are selected so that the metallic zirconium constituting the partition wall 22 undergoes substantially complete recrystallization, but no crystal grain growth occurs. The partition walls thus obtained have a fine equiaxed crystal structure and therefore exhibit improved strength and ductility, increased resistance to stress corrosion cracking, and a high degree of plastic stabilization.

熱処理工程12の温度および時間はまた、被覆
管21のジルコニウム合金の完全な応力除去を可
能にするがそれの完全な再結晶はもたらさないよ
うにも選定される。その結果、ジルコニウム合金
は管絞り作業によつて生み出された細長い結晶粒
の組織を保持しかつ内部応力の除去と並んで高い
ひずみ速度下における強度の増大を示すという利
点が得られることになる。
The temperature and time of the heat treatment step 12 are also selected to allow complete stress relief of the zirconium alloy of the cladding tube 21 but not complete recrystallization thereof. As a result, zirconium alloys retain the elongated grain structure created by the tube drawing operation and have the advantage of exhibiting increased strength under high strain rates along with internal stress relief.

焼なまし工程2,5および8に適した条件とし
ては、約1000〜1300〓(538〜704℃)の温度で約
1〜15時間好ましくは約1〜4時間の条件が挙げ
られる。
Suitable conditions for annealing steps 2, 5 and 8 include temperatures of about 1000-1300°C (538-704°C) for about 1-15 hours, preferably about 1-4 hours.

また熱処理工程12に適した条件としては、約
825〜950〓(440〜510℃)で約1〜4時間の条件
が挙げられる。
In addition, conditions suitable for heat treatment step 12 include approximately
Examples include conditions for about 1 to 4 hours at 825 to 950°C (440 to 510°C).

本発明の別の特徴に従えば、金属ジルコニウム
の隔壁の表面に機械的な圧縮変形を加えることに
よつてそれの結晶組織(すなわち好適な結晶配向
の度合)を随意に改善することもできる。たとえ
ば、熱処理工程12に先立つて複合材の内側から
隔壁にシヨツトピーニングを施すことにより、ジ
ルコニウム合金製の被覆管にほとんど変形を加え
ることなしに隔壁の圧縮変形を達成することがで
きる。
According to another feature of the invention, the crystal structure (ie the degree of preferred crystal orientation) of the metallic zirconium partition walls can optionally be improved by applying mechanical compressive deformation to the surface thereof. For example, by subjecting the partition wall to shot peening from the inside of the composite material prior to the heat treatment step 12, compressive deformation of the partition wall can be achieved without substantially deforming the zirconium alloy cladding tube.

第3図中に工程10として示されたかかる機械
的処理を施せば、底面極{0002}が複合被覆管の
半径方向に沿つて高度に整列しているような改善
された結晶組織が得られることになる。
Such mechanical treatment, shown as step 10 in FIG. 3, results in an improved crystal structure in which the bottom poles {0002} are highly aligned along the radial direction of the composite cladding. It turns out.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は燃料要素の一部断面立面図、第2図は
第1図の燃料要素の横断面図、そして第3図は本
発明に基づく管絞りおよび処理の典型的な操作手
順を示す図表である。 図中、11は燃料要素、12は複合被覆管、1
3は燃料ペレツト、14は下部端栓、16は上部
端栓、17はプレナム空間、18はスプリング、
21は被覆管、そして22は隔壁を表わす。
FIG. 1 is a partially sectional elevational view of a fuel element, FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel element of FIG. 1, and FIG. 3 is a typical operating procedure for tube throttling and treatment in accordance with the present invention. This is a diagram. In the figure, 11 is a fuel element, 12 is a composite cladding tube, 1
3 is a fuel pellet, 14 is a lower end plug, 16 is an upper end plug, 17 is a plenum space, 18 is a spring,
21 represents a cladding tube, and 22 represents a partition wall.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 ジルコニウム以外の成分を約5000ppmより多
量に含有するジルコニウム合金管およびその内面
に対して冶金的に接合されかつ市販の原子炉用海
綿ジルコニウム層から成る被覆管材で作られ、核
燃料を収容して原子炉用の燃料要素を構成するの
に役立つ細長い複合被覆管の製造方法において、
(1)一連の管絞り工程における冷間加工によつて、
前記被覆管材の寸法を所望の内径および肉厚にま
で縮小し、(2)相次ぐ前記管絞り工程の合間におい
ては、前記ジルコニウム合金の実質的に完全な再
結晶をもたらすのに十分な温度および時間を用い
て前記被覆管材の熱処理を行い、また(3)最終の前
記管絞り工程後には、前記海綿ジルコニウム層の
実質的に完全な再結晶をもたらしてその内部に微
細な顕微鏡組織を与えると同時に前記ジルコニウ
ム合金の応力除去を可能にするがそれの完全な再
結晶はもたらさないような低めの温度および時間
を用いて前記被覆管材の熱処理を行う諸工程から
成る方法。 2 前記海綿ジルコニウムが5000ppmまでの不純
物を含む特許請求の範囲第1項記載の方法。 3 前記海綿ジルコニウムが1200ppmまでの酸素
を含む特許請求の範囲第1または2項記載の方
法。 4 前記工程(2)の温度および時間がそれぞれ約
538〜約704℃および約1〜約15時間であり、かつ
前記工程(3)の温度および時間がそれぞれ約440〜
約510℃および約1〜約4時間である、特許請求
の範囲第1項記載の方法。 5 前記工程(3)に先立つて実質的に一様な圧縮変
形を前記海綿ジルコニウム層の表面に加える工程
が追加包含される、特許請求の範囲第1または4
項記載の方法。 6 前記圧縮変形がシヨツトピーニングによつて
加えられる、特許請求の範囲第5項記載の方法。 7 ジルコニウム以外の成分を約5000ppmより多
量に含有するジルコニウム合金管およびその内面
に対して冶金的に接合された市販の原子炉用海綿
ジルコニウム層から成り、核燃料を収容して原子
炉用の燃料要素を構成するのに役立つ細長い複合
被覆管において、前記海綿ジルコニウム層の実質
的に完全な再結晶を受けて微細な顕微鏡組織を示
しており、また前記ジルコニウム合金管は実質的
に完全な応力除去を示すが完全な再結晶は受けて
いないようにした複合被覆管。 8 前記海綿ジルコニウムが5000ppmまでの不純
物を含む特許請求の範囲第7項記載の方法。 9 前記海綿ジルコニウムが1200ppmまでの酸素
を含む特許請求の範囲第7または8項記載の方
法。 10 前記金属ジルコニウム層の表面に圧縮変形
が加えられている、特許請求の範囲第7項記載の
方法。 11 前記圧縮変形がシヨツトピーニングによつ
て加えられたものである、特許請求の範囲第10
項記載の方法。
[Scope of Claims] 1. Made of a zirconium alloy tube containing more than about 5000 ppm of components other than zirconium, and a cladding tube material metallurgically bonded to the inner surface thereof and consisting of a commercially available nuclear reactor sponge zirconium layer, In a method of manufacturing an elongated composite cladding tube useful for containing nuclear fuel and forming a fuel element for a nuclear reactor,
(1) Through cold working in a series of tube drawing processes,
reducing the dimensions of the cladding to a desired inner diameter and wall thickness; (2) between successive tube drawing steps, a temperature and time sufficient to effect substantially complete recrystallization of the zirconium alloy; (3) After the final tube drawing step, substantially complete recrystallization of the cancellous zirconium layer is carried out to impart a fine microscopic structure to the interior thereof, and at the same time, A method comprising heat treating the cladding using a temperature and time so low as to allow stress relief of the zirconium alloy but not complete recrystallization thereof. 2. The method of claim 1, wherein the sponge zirconium contains up to 5000 ppm of impurities. 3. A method according to claim 1 or 2, wherein the sponge zirconium contains up to 1200 ppm oxygen. 4 The temperature and time of step (2) are approximately
538 to about 704°C and about 1 to about 15 hours, and the temperature and time of step (3) are about 440 to about 440°C, respectively.
5. The method of claim 1, wherein the temperature is about 510<0>C and about 1 to about 4 hours. 5. Claim 1 or 4, further comprising the step of applying substantially uniform compressive deformation to the surface of the sponge zirconium layer prior to step (3).
The method described in section. 6. The method of claim 5, wherein the compressive deformation is applied by shot peening. 7 Composed of a zirconium alloy tube containing more than about 5000 ppm of components other than zirconium and a commercially available nuclear reactor sponge zirconium layer metallurgically bonded to its inner surface, the tube contains nuclear fuel and is used as a fuel element for a nuclear reactor. The zirconium alloy tube undergoes substantially complete recrystallization of the cancellous zirconium layer to exhibit a fine microscopic structure in the elongated composite cladding tube that serves to construct the zirconium alloy tube, and the zirconium alloy tube exhibits substantially complete stress relief. Composite cladding shown but not completely recrystallized. 8. The method of claim 7, wherein the sponge zirconium contains up to 5000 ppm of impurities. 9. A method according to claim 7 or 8, wherein the sponge zirconium contains up to 1200 ppm oxygen. 10. The method according to claim 7, wherein compressive deformation is applied to the surface of the metal zirconium layer. 11 Claim 10, wherein the compressive deformation is applied by shot peening.
The method described in section.
JP62028406A 1979-06-04 1987-02-12 Composite coated tube for nuclear fuel and manufacture thereof Granted JPS62272188A (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US4522579A 1979-06-04 1979-06-04
US45225 1979-06-04

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPS62272188A JPS62272188A (en) 1987-11-26
JPS6313160B2 true JPS6313160B2 (en) 1988-03-24

Family

ID=21936702

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP55011571A Expired JPS6055036B2 (en) 1979-06-04 1980-02-04 Composite cladding for nuclear fuel and its manufacturing method
JP62028406A Granted JPS62272188A (en) 1979-06-04 1987-02-12 Composite coated tube for nuclear fuel and manufacture thereof

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP55011571A Expired JPS6055036B2 (en) 1979-06-04 1980-02-04 Composite cladding for nuclear fuel and its manufacturing method

Country Status (11)

Country Link
JP (2) JPS6055036B2 (en)
BE (1) BE881341A (en)
CA (1) CA1139023A (en)
CH (1) CH644709A5 (en)
DE (1) DE3003610C2 (en)
ES (2) ES8207643A1 (en)
FR (1) FR2458876A1 (en)
GB (1) GB2050206B (en)
IT (1) IT1129692B (en)
MX (1) MX6773E (en)
SE (2) SE436047B (en)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SE426890B (en) * 1981-07-07 1983-02-14 Asea Atom Ab SET TO MANUFACTURE Capsules of Zirconium-Based Alloy for Fuel Rods for Nuclear Reactors
SE426891B (en) * 1981-07-07 1983-02-14 Asea Atom Ab SET TO MANUFACTURE Capsules of Zirconium-Based Alloy COMBUSTION RODS FOR NUCLEAR REACTORS
EP0071193B1 (en) * 1981-07-29 1988-06-01 Hitachi, Ltd. Process for producing zirconium-based alloy
GB2104711B (en) * 1981-08-24 1985-05-09 Gen Electric Nuclear fuel element and method of producing same
IT1153911B (en) * 1982-05-03 1987-01-21 Gen Electric ZIRCONIUM ALLOY BARRIER HAVING IMPROVED CORROSION RESISTANCE
US4770847A (en) * 1982-06-01 1988-09-13 General Electric Company Control of differential growth in nuclear reactor components by control of metallurgical conditions
DE3248686A1 (en) * 1982-12-30 1984-07-12 Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim METHOD FOR PRODUCING A SUCTION TUBE FROM A ZIRCONIUM ALLOY FOR CORE REACTOR FUEL OF A CORE REACTOR FUEL ELEMENT
JPS60165580A (en) * 1984-02-08 1985-08-28 株式会社日立製作所 Coated tube for reactor fuel and manufacture thereof
FR2579122B1 (en) * 1985-03-19 1989-06-30 Cezus Co Europ Zirconium PROCESS FOR PRODUCING COMPOSITE SHEATH TUBES FOR NUCLEAR FUEL AND PRODUCTS OBTAINED
DE3522646A1 (en) * 1985-06-25 1987-01-08 Wiederaufarbeitung Von Kernbre MOLDED BODY FROM BAD WELDABLE MATERIAL
US5341407A (en) * 1993-07-14 1994-08-23 General Electric Company Inner liners for fuel cladding having zirconium barriers layers
US5383228A (en) * 1993-07-14 1995-01-17 General Electric Company Method for making fuel cladding having zirconium barrier layers and inner liners
FR2729000A1 (en) * 1994-12-29 1996-07-05 Framatome Sa METHOD OF MANUFACTURING A TUBE FOR ASSEMBLY OF NUCLEAR FUEL AND TUBES CONFORMING TO THOSE OBTAINED

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3287111A (en) * 1965-10-14 1966-11-22 Harold H Klepfer Zirconium base nuclear reactor alloy
US3865635A (en) * 1972-09-05 1975-02-11 Sandvik Ab Method of making tubes and similar products of a zirconium alloy
GB1528142A (en) * 1974-11-11 1978-10-11 Gen Electric Nuclear fuel elements
GB1525717A (en) * 1974-11-11 1978-09-20 Gen Electric Nuclear fuel elements
FR2404898B2 (en) * 1974-11-11 1986-05-02 Gen Electric COMPOSITE SHEATH FOR A NUCLEAR FUEL ELEMENT
FR2334763A1 (en) * 1975-12-12 1977-07-08 Ugine Aciers PROCESS FOR IMPROVING THE HOT RESISTANCE OF ZIRCONIUM AND ITS ALLOYS
JPS5332298A (en) * 1976-09-06 1978-03-27 Toshiba Corp Fuel element
GB1569078A (en) * 1977-09-30 1980-06-11 Gen Electric Nuclear fuel element

Also Published As

Publication number Publication date
FR2458876A1 (en) 1981-01-02
BE881341A (en) 1980-05-16
FR2458876B1 (en) 1983-12-16
CH644709A5 (en) 1984-08-15
JPS55164396A (en) 1980-12-22
MX6773E (en) 1986-07-08
IT1129692B (en) 1986-06-11
ES487846A0 (en) 1982-09-16
ES8301046A1 (en) 1982-11-01
IT8019592A0 (en) 1980-01-31
SE9402593D0 (en) 1994-07-28
SE436047B (en) 1984-11-05
DE3003610A1 (en) 1980-12-11
GB2050206B (en) 1982-11-10
ES494204A0 (en) 1982-11-01
JPS62272188A (en) 1987-11-26
GB2050206A (en) 1981-01-07
JPS6055036B2 (en) 1985-12-03
DE3003610C2 (en) 1986-07-10
CA1139023A (en) 1983-01-04
ES8207643A1 (en) 1982-09-16
SE8000838L (en) 1980-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4390497A (en) Thermal-mechanical treatment of composite nuclear fuel element cladding
US4372817A (en) Nuclear fuel element
US5383228A (en) Method for making fuel cladding having zirconium barrier layers and inner liners
EP0674800B1 (en) Manufacture of zirconium cladding tube with internal liner
US5517540A (en) Two-step process for bonding the elements of a three-layer cladding tube
US4675153A (en) Zirconium alloy fuel cladding resistant to PCI crack propagation
US4664881A (en) Zirconium base fuel cladding resistant to PCI crack propagation
JPS6313160B2 (en)
JPH08239740A (en) Production of pipe for nuclear fuel aggregate,and pipe obtained thereby
EP0047082B1 (en) Method of production of cladding tube for nuclear fuel element
US5469481A (en) Method of preparing fuel cladding having an alloyed zirconium barrier layer
US5618356A (en) Method of fabricating zircaloy tubing having high resistance to crack propagation
US4613479A (en) Water reactor fuel cladding
JPH0529080B2 (en)
KR940002700B1 (en) Water reactor fuel cladding tubes
US4933136A (en) Water reactor fuel cladding
JPS6155584B2 (en)
EP0195154B1 (en) Water reactor fuel cladding tubes
JPS639187B2 (en)
JPH0519670B2 (en)
JPH0560076B2 (en)
Rosenbaum et al. Nuclear fuel element cladding
Maldonado et al. PWC‐11 Fabrication Methods for Optimum Strength for SP‐100 Applications
JPS60129690A (en) Nuclear fuel composite coated pipe and manufacture thereof
JPH0515776B2 (en)