JPH0337594A - 核燃料要素およびその製造方法 - Google Patents

核燃料要素およびその製造方法

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JPH0337594A
JPH0337594A JP1171138A JP17113889A JPH0337594A JP H0337594 A JPH0337594 A JP H0337594A JP 1171138 A JP1171138 A JP 1171138A JP 17113889 A JP17113889 A JP 17113889A JP H0337594 A JPH0337594 A JP H0337594A
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JP
Japan
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nuclear fuel
cladding tube
zirconium
fuel element
layer
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JP1171138A
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English (en)
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Kunio Ito
邦雄 伊藤
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Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
Original Assignee
Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
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    • 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

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、核燃料要素およびその製造方法の改良に係り
、特にすぐれた機械的特性をもつ核燃料要素およびその
製造方法に関するものである。
[従来の技術] 従来の核燃料要素に関しては、「軽水炉燃料のふるまい
」 (原子力安全研究協会:昭和60年8月、P64〜
69)に詳細に記載されている。
第3図に従来の沸騰水型原子炉で用いられている核燃料
要素の縦断面略示図を示した。同図において、核燃料要
素]には、被覆管2内に複数個の燃料ペレット3が装填
されており、被覆管2の上下両端の開口部には、夫々上
部端栓4および下部端栓5が溶接されている。また、被
覆管2内には、ヘリウムカスが到人されており、11部
プレナl\部には、プレナムスプリング7およびZr合
金のチップ8を詰めたゲッタ9が設けられている。
このように構成された核燃料要素1において、核燃料の
燃焼が進むに従って核分裂生成物(FI)という)は、
核燃料要素内に放出される。この放出されたFPの中で
、気体状のX、e、Krさらに揮発性のCs等は、核燃
料要素内の内圧上昇の要因となる。また、燃料ペレット
3は燃焼に件って変形、膨張するため内服の上昇と相乗
して被覆管には大きな応力が負荷されることとなる。
[発明が解決しようとする課題] 核燃料要素の高燃焼度化にイ゛1′ってFPの放出量は
、現行運転時のものと比較して益々増大する傾3 向にある1、また、燃焼にともなうペレット・の変形量
も増大し、被覆管の許容応力を超えてしまう可能性があ
る。
本発明の「1的は、核燃料要素の高燃焼度化に伴ない、
被覆管の内圧が上昇することに対して、強度および靭性
を高めて、高応力条件に耐えうる核燃料要素およびその
製造方法を提(Jliすることである。
[課題を解決するための手段] 上記課題を解決するための本発明に係る核燃料要素の構
成は、ジルコニラ11基合金からなる核燃料被覆管の内
周面に純ジルコニウムz JMを設けたライナ被覆管内
に、複数個の燃料ペレットを積層して収納し、その上下
両端を端栓により密封してなる核燃料要素において、該
被覆管外表1fIiに、ジルコニウl\、鉄、クロム、
錫、ニッケルと酸素とからなる非化学量論的組成の金属
酸化N (Mo2.ただし、0 、05 < x < 
0 、2 )を形成するようにしたことである。
また、上記課題を解決するための本発明に係る核燃料要
素の製造方法の構成は、ジルコニウムライナ被覆管の内
部に、複数個の核燃料ペレツ1へを装填し、上下両端を
端栓溶接してなる核燃料要素の製造方法において、外表
面が、ジルコニウl\、鉱、クロム、錫、ニッケルから
なる合金で形成された被覆管を、まず、酸素混合ガス中
で加熱(第1−段階の加熱)した後に、これらを真空中
で加熱(第2段階の加熱)するようにしたことである。
[作用コ 燃料被覆管の内側に設けられた純ジルコニウム層は被覆
管のジルコニウム合金と比較して軟かいため、燃料の燃
焼によって起こる燃料ペレツ1へと被覆管との機械的相
互作用(PCMI)を緩和する作用が期待てきる。
さらに、燃料被覆管の外側に設けられた金属酸化層はジ
ルコニウム合金と比較して強度的にすぐれているため、
高燃焼度運転時に被覆管に負荷される応力に耐えること
が可能となる。ジルコニウム基合金(Mと略す)の酸化
物として最も安定な化学形態はMo2である。しかしな
からMo2は、脆いためにジルコニウム合金層から剥離
しやすく、長期使用には不適である。
したかって、Mo2のような化学量論的な化合物ではな
く、例えば、M Oo、o s 2M Oo、zなどの
ような非化学量論的化合物を、被覆管の外側に設けるよ
うにして、機械的強度と柔軟性とを兼備した核燃料被覆
管を製造することである。
本発明では、Mo2に種々の熱処理を施して、非化学量
論的酸化金属MO,(0,05<X<0.2)層の生成
に成功した。すなわち、実験的にXの値を0.2より大
きな試料を作成し、本試料しこ応力を負荷した結果、M
o2(x>0.2)層は、下地の金属層から剥離しやす
いことがわかった。一方、0.05より過小になると、
従来のジルコニウム合金の強度とほとんど変化なく、好
適な強度特性が得られないため、実験的に最適値として
X−0゜1を選定した。
さらに、最適な厚さとして200umを選定した。
すなわち、厚さの値は過大になるとジルコニウム合金の
延性かそこなわれ強度的に好ましくない可能性がある。
−・方、厚さの値が過小になると好適な強度特性か得ら
れない。
MOo□を形1反するためには、2段階の熱処理を最適
条件で実施する必要かある3、第1段階の熱処理は、ジ
ルコニウム合金層の表面を酸化させるためのものである
。第2段階の熱処理は、酸化層(MO7に近い組成のも
の)から過剰の酸素を合金内部へ拡散させて、出来るだ
け、所望のMOo、に近つけるために実施する真空熱処
岬である。
これらの熱処理のための最適条件を得るためには、真空
度、加熱温座、加熱時間などのパラメータサーベイを行
なわねばならない。
第1段階の熱処理については、20%の酸素混合ガス中
で、加熱温度は4. OO・〜500℃、加熱時間]0
0〜200時間の範囲が最適であることかわかった。
第2段階の熱処理については、ます、真空度はlXl0
−”rorr−IXIO”T”orrてあればよい1、
加熱温度は、/1. O○〜500 ’C1加熱時間は
500時間(400〜600時間)であれは最適である
ことが確認できた。
以−にのようにして、MO2Mから所定の厚さのMo 
o、11を生成することにより、強度のすぐれた核燃料
要素の製造が可能となり、その[」的を達成することか
できた。
[実施例] 以下本発明の1実施例について、第王図を用いて説明す
る。
第1図(a)は、本発明に係る実施例の核燃料要素の縦
1171而略示図、同図(b)は横断面鴫示図である。
本実施例の構成は、核燃料要素1には、ジルコニウム合
金製の被覆管2内に複数個の燃料ベーン1〜3を積層し
て充填し、上下両端部は−に部端栓4および下部端栓5
で密封溶接されている。また、核燃料要素上内には、ヘ
リウムガスが封入されており、」二部プレナム部6には
、ブレナムスプリング7およびZr合金チップ8を詰め
たゲッタ9が設けられている。さらに、被覆管2の内層
に、厚さ約80μmの純ジルコニウム層10を設け、外
層はジルコニウム合金(ジルカロイ−2)からなり、特
に、その表面から200μmを組成がMO。
1なる非化学量論的組成の酸化シルコニウス1合金層I
Jを設けるようにしたものである。
つぎに、本実施例の核燃料要素を原子炉炉心に装荷して
使用した場合の動作について説明する。
原子炉運転が進行し、装荷燃料の燃焼につれて燃料ベー
ン1〜から気体状のFP(クリプトン及びキセノン)お
よび揮発性のセシウ11等が放出されるため、しだいに
燃利要素内の内圧か上昇することとなる。さらに、燃焼
に伴なうペレットの変形管により、被覆管には応力が負
荷され、核燃料要素は機械強度的に厳しい環境下に置か
れることとなる。1 j″J、上の実施例に−)いてその効果を検討するため
に行トI・、った実験結果を第2図に示す。すなJ)ち
、第2図1.J: (11,)従来の被覆管および(2
)本実施例の熱処理を施した場合の被覆管の各々を室温
において内圧力o n;による破裂試験の結果を総括し
た#)のである、。
第2図によれは、(1)の場合には70 M P aで
破断したのに対して、(2)の場合には90MPaまで
破談しなかった。すなわち、強度は約30%増大したこ
とになる。
本実施例による熱処理方法を採用することにより、従来
の被覆管より機械的強度のすぐれた燃料被覆管を得られ
ることが実証された。
[発明の効果] 上述のように、本発明によれば、高燃焼度時の被覆管の
強度性能を高め、高応力条件に耐えうる核燃料要素およ
びその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)は、本発明の1実施例に係る核燃料要素の
縦断面略示図、第1図(b )は同上横断面略示図、第
2図は、内圧破裂試験結果の比較図、第3図は、従来の
核燃料要素の縦断面略示図である。 〈符Xの説明〉 1・・核燃料要素、2 被覆管、3 燃料ペレッI・、
4 」一部端栓、5 下部端栓、6 」二部ブレナム、
9 ゲッター、」0 純ジルコニウム屑、11 酸化ジ
ルコニウム合金層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、ジルコニウム基合金からなる核燃料被覆管の内周面
    に純ジルコニウム層を設けたライナ被覆管内に、複数個
    の燃料ペレットを積層して収納し、その上下両端を端栓
    により密封してなる核燃料要素において、該被覆管外表
    面に、ジルコニウム、鉄、クロム、錫、ニッケルと酸素
    からなる非化学量論的組成の金属酸化層(MO_x、た
    だし、0.05<x0.2)を形成したことを特徴とす
    る核燃料要素。 2、金属酸化層の厚さを、100μm〜500μmとし
    たことを特徴とする請求項1記載の核燃料要素。 3、ジルコニウムライナ被覆管の内部に、複数個の核燃
    料ペレットを装填し、上下両端を端栓溶接してなる核燃
    料要素の製造方法において、外表面が、ジルコニウム、
    鉄、クロム、錫、ニッケルからなる合金で形成された被
    覆管を、まず、酸素混合ガス中で加熱(第1段階の加熱
    )した後に、これらを真空中で加熱(第2段階の加熱)
    することを特徴とする核燃料要素の製造方法。 4、第1段階の熱処理は、酸素混合ガス中で、加熱温度
    を400℃〜500℃、加熱時間を100〜200時間
    とし、第2段階の熱処理は、真空度が1×10^−^6
    〜1×10^−^7Torr中で、加熱温度を400℃
    〜500℃、加熱時間を400〜600時間とすること
    を特徴とする請求項3記載の核燃料要素の製造方法。
JP1171138A 1989-07-04 1989-07-04 核燃料要素およびその製造方法 Pending JPH0337594A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5715290A (en) * 1993-07-01 1998-02-03 Hitachi, Ltd. Reactor water control method in BWR power plant, BWR power plant having low radioactivity concentration reactor water and fuel clad tube for BWR
JP2023545150A (ja) * 2020-10-13 2023-10-26 フラマトム 核燃料棒および製造方法

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