JPH0371078B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内面に実質的にジルコニウムからなる
層が装着されているジルコニウム基合金製の原子
炉用燃料棒に関する。

原子炉燃料用被覆管としては通常商品名ジルカ
ロイとして知られているジルコニウム基合金製の
薄肉管が使用されている。これらの合金は、ス
ズ、鉄、ニツケル、クロムおよび酸素などの合金
物質を含有している。これらの合金は中性子照射
を受けると照射硬化する。照射硬化すると材料は
脆化し、応力腐食によつて誘起される燃料棒の損
傷に対する感受性が著しく増大する。このような
事態の発生を阻止するため、被覆管の内面にジル
コニウムの層を設けることが知られている。この
目的のためにジルコニウムを使用するのが適して
いる理由は、ジルコニウムが中性子照射を受けた
場合に硬化に対する抵抗性が良好なことと、ジル
コニウム自体が比較的軟質材料である事実による
ものである。それ故、被覆管の内面上のジルコニ
ウム層は塑性変形することができ従つて原子炉運
転中の出力変化の際に生ずる応力から被覆管を保
護することができる。

米国特許第4300492号によれば、内層には不純
物含有量が少重量なくとも1000ppm（100万部当り
の部数）、最高でも5000ppmのジルコニウムが使
用されている。複数種の不純物中、200−
1200ppmは酸素で、これは商用の原子炉級スポン
ジジルコニウム中の酸素含有量に相当するもので
ある。その他の不純物の含有量は商用の原子炉級
スポンジジルコニウム中のそれぞれに許容される
通常の限界量内にあり、アルミニウムについては
75ppm以下、ホウ素については0.4ppm以下、カ
ドミウムについては0.4ppm以下、炭素について
は270ppm以下、クロムについては200ppm以下、
コバルトについては20ppm以下、銅については
50ppm以下、ハフニウムについては100ppm以下、
水素については25ppm以下、鉄については
1500ppm以下、マグネシウムについては20ppm以
下、マンガンについては50ppm以下、モリブデン
については50ppm以下、ニツケルについては
70ppm以下、ニオブについては100ppm以下、窒
素については80ppm以下、けい素については
1200ppm以下、スズについては50ppm以下、タン
グステンについては100ppm以下、チタンについ
ては50ppm以下、ウランについては3.5ppm以下
を意味する。

米国特許第4372817号によれば、内層には不純
物含有量が1000ppm以下、好適には500ppm以下
のジルコニウムを使用することが知られている。
各種不純物の中、酸素の含有量は約200ppm以下
の水準に維持される。

特開昭57−44886号から、内層には0.1−３重量
％のモリブデン及び／又は0.03−１重量％の炭素
及び／又は0.03−１重量％のリン及び／又は0.03
−１重量％のけい素を含有するジルコニウムを使
うことが知られている。ジルコニウムは、さら
に、商用の原子炉級スポンジジルコニウムに含ま
れている前記の不純物を含有してもよい。上記特
許出願に於て、モリブデン、炭素、リン又はけい
素を添加するのは、金属間化合物、炭化物、リン
化物、けい化物の如き安定相をジルコニウム基質
内に遊離粒子の形態で析出させるためであると考
えられている。この析出物は管の製造に関連する
結晶粒の成長を阻止し、その結果このような添加
元素を添加しない場合より一層微小な粒子を有す
る組織がジルコニウム中に得られる。このような
異なつた微粒組織は応力腐食に対する抵抗を上昇
させるのに有効である。

応力腐食に対する良好な抵抗性を得るには、ジ
ルコニウム中の他の物質の含有量を極めて低い水
準に維持するか、或いは他の物質の添加は安定な
化合物の析出物がジルコニウム基質内に遊離粒子
の形態で得られるように行わねばならないとかね
てから考えられていた。

本発明によれば、スズはジルコニウム基質中に
遊離粒子の析出物を生じないで基質中に固溶する
と言う事実にもかかわらず、比較的高含有量のス
ズを使用することにより応力腐食に対するすぐれ
た抵抗性を得ることができることが判つた。比較
的高含有量のスズを添加すると、高温度の水及び
水蒸気の腐食作用に対するジルコニウムの抵抗性
を上昇させることは特に重要な事実である。この
特性は腐食性水素の生成を鈍化する作用を伴い、
従つて高含有量の水素が生成して局部的水素化の
結果としての被覆管の機械的特性の劣化を起すこ
とがなくなる。

本発明によれば、被覆管の内面上の実質的にジ
ルコニウムから成る層は0.1〜１重量％のスズを
含有している。ジルコニウム中の他の物質の合計
量は重量で0.5％以下である。これらの物質は、
原子炉級のスポンジジルコニウム中に通常含有さ
れている不純物から成り、前に述べた含有量にて
存在していることが好ましい。

実質的にジルコニウムから成る層の厚さは
0.005−0.8mm、適当な厚さとしては0.04−0.32mm
で、好適には0.05−0.1mmである。また、この層
の厚さは被膜管の肉厚の５−40％が適当で、５−
15％の範囲であるのが好ましい。

実質的にジルコニウムから成る層が内側に配置
されていジルコニウム基合金は、ジルコニウム−
スズ合金例えばジルカロイ２及びジルカロイ４な
る商品名で知られているジルコニウム基合金から
成つているのが好ましく、これら合金の合金物質
の含有量はスズについては1.2−1.7％、鉄につい
ては0.07−0.24％、クロムについては0.05−0.15
％、ニツケルについては０−0.08％酸素について
は、0.09−0.16％の限度内にあり、残部はジルコ
ニウム及び原子炉級ジルコニウム中に通常存在す
る不純物である。ジルカロイ２は、1.2−1.7％の
スズと、0.07−0.20％の鉄と、0.05−0.15％のク
ロムと、0.03−0.08％のニツケルと0.09−0.16％
の酸素を含有する。ジルカロイ４は、1.2−1.7％
のスズと、0.18−0.24％の鉄と、0.07−0.13％の
クロムと0.09−0.16％の酸素を含有する。ここに
述べたパーセントは全て重量パーセントである。
燃料棒中の核燃料は二酸化ウランから成るのが好
ましい。

添付の図面を参照して、本発明の実施例につい
て本発明を詳細に説明するが、図面は本発明によ
る軽水形動力炉用燃料棒の断面図である。

0.5重量部のスズを本明細書中で既に述べた組
成を有する99.5重量部の原子炉級スポンジジルコ
ニウムと混合した。この混合物を溶解して、肉厚
が1.25mmで外径が44mmの管を製造した。この管を
肉管が10mmで内径が45mmのジルカロイ２製の管内
に装着した。この両方の管を両端面で一体に溶接
した。このようにして得られた複合管を加熱せず
に押出した。押出した製品を約650℃の何回かの
中間際結晶焼なましと、最終圧延後約525℃の最
終焼なましとを含む数段階で冷間圧延して、図に
示すように0.73mmの肉厚と10.65mmの内径とを有
するジルカロイ２から成る層１と、0.07mmの肉厚
を有する合金化したスズを含むジルコニウムの層
２とから成る管状製品が得られた。図面には核燃
料も示されているが、それは前記被覆管の軸線方
向に相互に積み重ねられた二酸化ウランの円柱状
ペレツト３から成つている。

原子炉の操業条件を模した腐食試験の間、本発
明によつて製造された被覆管の内層の重量増加
は、この内層に相当するが合金化されたスズを全
く含有しない内層が示す重量増加の30％以下であ
つた。

本発明による燃料棒は、冷却材として水を使用
する原子炉に使用することを本来意図したもので
ある。

【図面の簡単な説明】

図は、本発明による軽水形動力炉用燃料棒の断
面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ジルコニウム基合金製の被覆管と、前記被覆
   管内に収容された核燃料とを有する原子炉用燃料
   棒であつて、前記被覆管はその内面が重量で0.1
   −１％のスズを含有するジルコニウムの層で裏張
   りされており、前記層中のジルコニウム内に存在
   する他の物質の合計含有量が重量で0.5％以下で
   あることを特徴とする原子炉用燃料棒。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の原子炉用燃料
   棒において、前記他の物質が原子炉級スポンジジ
   ルコニウム中に通常存在している不純物から成つ
   ている原子炉用燃料棒。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   原子炉用燃料棒において、前記ジルコニウム基合
   金が重量で約1.2から約1.7％までのスズと、約
   0.07％から約0.24％までの鉄と、約0.05％から約
   0.15％までのクロムと、約０％から約0.8％まで
   のニツケルと、 約0.10％から約0.15％までの酸素とを含有し、
   残部がジルコニウム及び原子炉級スポンジジルコ
   ニウム中に通常存在する不純物である原子炉用燃
   料棒。 ４ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   原子炉用燃料棒において、前記核燃料が二酸化ウ
   ランから成つている原子炉用燃料棒。