JPH0337596A - 核燃料要素 - Google Patents

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９町」 本発明は、ＪｊＫ了炉用核燃判里素に係り、特にジル−
ｌニラムラ・ｆす被覆管のさら１こ内層側に第２層の薄
１１急を設けることにより、耐食性の向上に灯適松核燃
判要素に関する。

［従来の技術］ 現行の軽水路で使用されている原子炉用核燃料要素は、
核燃料粉末を円柱状に焼結した燃料ペレッ［・をジルコ
ニウム基合金の被覆管内に装填し、ヘリウムガスを刺入
して、」二、下部を端栓て密封されている。

原子炉の使用時には、燃料ペレツＩ〜は半径方向に大き
な温度勾配（約２′Ｏ○°Ｃ／１■）が生じるため、上
下端が外側に張出し、つづみ形に変形する。

特に、変形量の大きいペレット端面部が被覆管に接触す
ると被覆管に高い応力と歪みを与えることになる（ベー
ン１−−被覆管の力学的相互作用（■）ＣＭＴ）という
）。ぺＩノソｌ一端面部と被覆管が接触し、高い応力と
歪みの集中した個所は燃料ベレンＩ〜かｌ）放出された
腐食性の核分裂生成物が作用すると、応力腐食割れを起
こす可能性かあると言われている。応力と歪みの集中は
応力腐食割れの可能性を増大する。

応力腐食割れ防止の観点から被覆管内表面にジルコニラ
１１を被覆したジルコニウ１３ライナ被覆管においては
、バレン１〜の変形によるペレット端面部と被覆管との
接触によって生しる応力と歪みを、被覆管内表面に被覆
したジルコニラ１１を変形させることによって緩和し、
耐応力腐食割れ性の向上が図られている。

［発明が解決しようとする課題］ ジルコニウムライナ被覆管においては、原子炉運転中の
被覆管内で発生しつつある応力と歪みの緩和は図られる
が、腐食性の核分裂生成物による被覆管内表面の腐食、
特に■、Ｃｓ、Ｃａ等による結晶粒界の選択的な腐食は
防止できない。

本発明の目的は、上記問題点を解決し、腐食性の核分裂
生成物による耐応力腐食割れ性を向上し、高燃焼度に耐
える原子炉用核燃料要素を提０（することにある。

［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横
取は、ジルコニウム」１（合金からなる核燃料被覆管の
内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１；両端
を端栓により密封してなる核燃料要素において、ライナ
被覆管の内側に、第２層とし７て、Ａｌの薄膜を形成す
るようにしたことである。

［作用］ 原子炉使用時の核燃料要素においては、燃料ペレソＩ・
は半径方向に大きな温度勾配が生しるため、ペレッ１へ
の上下端が外側に張出し、つづみ形に変形して、ペレッ
ト端面部が被覆管に接触し、被覆管に高い応力と歪みを
与えるようになる。ペレット端面ｆ１１；と被覆管が接
触し、高い応力と歪みの集中した個所に燃料ペレットか
ら放出された腐食性の核分裂生成物（Ｆｌ〕）が作用す
ると、応力腐食割れを起こす可能性が増大する。応力腐
食割れを防止する方法として、従来から種々の考案が提
出されているが十分満足の行くものではなかった。

すてに実施されているジルコニウムライナ被覆管におい
ては、従来のジルコニウム基被覆管の内面に純ジルコニ
ウム層を設けて、燃料ベレッＩ・とのＰ　ＣＭ　Ｉを低
減させるのに有効である。

本発明のように第２層として、例えばＡｌＪ）を、メツ
キあるいは蒸着によって形成することによって、Ｔ２、
Ｃｓ、ＣｄなとのＦＰガスによる結晶粒界の選択的腐食
を防止し、耐ＳＣＣ性の向上を図ろうとするものである
。

第２ＭとしてＡｌを用いた効用について説明する。

（１）Ａｌは、Ｃｕ、Ａ、ｕなどと同様に延展性に富ん
でいる。

（２）ＦＰガス（■２、Ｃｓ、Ｃ８など）に対して耐食
性がよい。ＣｕおよびＡｌの試料を用いて、１□に対す
る耐食性試験を実施した結果は、Ａｌは、約３倍の耐食
性があることを確認した。

（３）第２ＪｊｌにＡｌメツキを施こしたライナ被覆管
を原子炉内で使用すると、燃料ペレッ１〜Ｔ、Ｊ○２か
ら生ずる０２と反応して表面に耐食性の富んだＡｌ２０
３が形成される。

（４）Ａｌは、安価であり、容易に入手することができ
る。

つきに、へΩメツキ層の厚さについては、すでに実験に
より確めたＣｕの場合に、使用期間中（約１年間）に生
成する■２との反応では、５〜１０μｍで、有効なるこ
とを確かめた。

また、被覆管内におけるＵＯ□ペレットとのギャップを
考慮してＡｌメツキ層の場合も５〜↓Ｏμｍとした。

すなわち、ジルコニウムライナ管の第３−Ｍのジルコニ
ラ１１は延性に富み、変形しやすいため、ペレット端面
部に生しる応力や歪みを吸収して、応力集中を緩和する
作用があり、第２被覆層のアルミニラ１１のメツキ層あ
るいは蒸着層は第１被覆層のジルコニウム等を保護し、
腐食性核分裂生成物による選択的な腐食を防止すること
ができる。さらに、アルミニウムは延性に富み、変形し
やすいため、応力集中を緩和する作用がある。

以上のような作用によって、腐食性核分裂生成物による
選択的腐食の防出及びペレット端面部と被覆管の接触に
よる応力集中の緩和がなされ、応力腐食割れの防止が可
能となる。

［実施例］ 以下、本発明に係わる一実胤例を図面を用いて説明する
。

図面は、核燃料要素の横取をノｊｅしたものである。

核燃料要素は、ジルコニウム基合金よりなる彼覆％ｉと
、被覆管」の内表面に純ジルコニウム層２を成形し、さ
らに純ジルコニウ１１層２の上にアルミニウムのメツキ
層あるいは蒸着層からなる第２被覆層３と、燃料ペレノ
１〜４から成っている。

被覆層の厚さは、純ジルコニウ１１層２はペレット−燃
料の力学的相互作用の低減を目的としているため、５０
〜１００μ丁ｎ必要であり、第２被覆層３は第１被覆層
２の選択的な腐食の防止が１″１的であるため、燃料の
使用期間（約１ケ年）の間に摩耗、破損しなければよい
ので、５〜１０μｍで十分である。

原子炉使用時の核燃料要素においては、燃料ベーン１〜
は半径方向に大きな温度勾配が生じるため、上−ド端か
外側に張出し、っづみ形に変形して、燃料ペレソト４端
面部が被覆管に接触し、被覆管１に高い応力と歪みを与
えるようになるが、第１被覆層２、第２被覆層３に用い
るジルコニウム、アルミニラ１１は延性に富み、変形し
やすいため、第１被覆層２、第２被覆層３が変形して応
力緩和が生しる。一方、腐食性核分裂生成物による純ジ
ルコニウム層２の選択的腐食はアルミニウムからなる第
２被覆層３を設けることによって防止される。

第２被覆層３に用いるアルミニウムは腐食性核分裂生成
物との共存性が良く、またメツキ層あるいは蒸着層は微
粒子から形成されているので選択的な腐食は生じ難く、
全般的に耐食性は改善される。

以」−１第２被覆層としてＡｌについては説明したが、
Ａｕについても、延展性がすぐれ、ＦＰ外ガス対する耐
食性がよいなどの点て、第２被覆層として使用すること
ができる。

本実施例による効果は、以」―のように応力腐食割れの
原円となる応力集中や選択的腐食が緩和されることから
、応力腐食割れを軽減することにある。

［発明の効果］ 本発明によれば、原子炉使用時における燃料ペレ ット む金属の変形によって吸収し、応力集中を緩和し、さら
に被覆した金属は腐食性核分裂生成物との共存性が良い
こと及びメツキ層あるいは蒸着層が選択的腐食を受けな
いことから、耐食性が改善され、総じて応力腐食割れを
軽減することが可能となる。

このことは、核燃料要素の長寿命化、高燃焼度化に効果
があり、燃料経済性にも大きく貢献することになる。

【図面の簡単な説明】

図面は、本発明に係り第２被′Ｆ！Ｉ層を設けた核燃料
要素の断面図である。 く符号の説明〉 ■　核燃料被覆管、２　・純ジルコニウム層、３・第２
被覆層、４　燃料ペレット。

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、ライナ被覆管の
   内側に、第２層として、Ａｌの薄膜を形成したことを特
   徴とする核燃料要素。 ２、第２被覆層として形成するＡｌ薄膜の厚さを、５〜
   １０μｍにしたことを特徴とする請求項１記載の核燃料
   要素。