JPH0441794B2

JPH0441794B2 -

Info

Publication number: JPH0441794B2
Application number: JP59046300A
Authority: JP
Inventors: Keizo Ogata; Toshio Kubo; Hiromichi Imahashi; Hideyuki Mukai; Kazumi Asahi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1984-03-09
Publication date: 1992-07-09
Also published as: JPS60190889A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は核分裂原子炉の炉心に使用する核燃料
要素に係り、特にジルコニウムまたはジルコニウ
ムを主成分とする合金からなるジルコニウムライ
ナ被覆管を有する核燃料要素に関する。

〔発明の背景〕

核燃料要素は通常、第１図に示すように、被覆
管１内に多数の燃料ペレツトを収納し、被覆管１
の両端を端栓３ａ，３ｂで密封して構成される。
核燃料要素の上部には核分裂によつて生じる気体
状核分裂生成物を溜めるプレナム４及び燃料ペレ
ツト２を保持するスプリング５が設けられてい
る。被覆管１は、燃料ペレツトと冷却材または減
速材との接触および化学反応を防止するととも
に、核分裂によつて生じる放射性核分裂生成物が
核燃料要素から冷却材または減速材にもれ出るの
を防止する機能が要求される。このため、被覆管
１の材質は、機械的性質に優れ、原子炉内での使
用条件下で良好な耐食性を有し、更には中性子吸
収の少ない事が必要である。この様な観点から、
現在はジルコニウムを主成分とするジルカロイが
被覆管材料として多数用いられている。

しかしながら、現在までの経験によれば、ジル
カロイ被覆管の内表面は腐食性核分裂生成物との
化学反応および燃料ペレツト２の膨張によつて生
じる応力の重畳作用によつて応力腐食割れを起こ
すことがわかつてきた。また、被覆管１の外表面
は原子炉冷却材または減速材によつて局部的な酸
化反応を生じることがある。

上記の被覆管１の応力腐食割れを防ぐために、
第１図において被覆管１の内側部に例えば厚さ80
〜100μmの純ジルコニウム層６を冶金的に結合さ
せたいわゆるジルコニウムライナ被覆管が開発さ
れている。純ジルコニウム層６は、被覆管１と腐
食性核分裂生成物の接触を防止するとともに、燃
料ペレツト２の膨張によつて被覆管１に生じる局
所応力を緩和することにより応力腐食割れを防止
することが期待されている。

しかし、純ジルコニウム層６中には実質的に多
少の不純物が含有されており、不純物の種類およ
びそれらの含有量によつては応力腐食割れ防止効
果を低下することがある。このため、従来は高純
度に精製したジルコニウムライナや、ジルコニウ
ムの高純度の部分のみを選択的に使用して不純物
の含有量をできるだけ低くしたジルコニウムライ
ナ層を被覆管の内側に設けることが考えられた。
しかしこの様な高純度のジルコニウムを得るに
は、その製造が非常に面倒である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、ジルコニウムライナ材に含有
する不純物による応力腐食割れ防止効果への悪影
響を低減させる事、更に本発明の他の目的は、被
覆管外表面と冷却材または減速材との反応による
局部腐食を防止し、核燃料の長期間使用時の信頼
性を向上させることにある。

〔発明の概要〕

本発明は、ジルコニウムまたはジルコニウムを
主成分とする合金またはこれら両者を冶金的に結
合した材質から成る被覆管に、ウラン化合物、プ
ルトニウム化合物、トリウム化合物またはこれら
の混合物から成る燃料ペレツトを収納し、前記被
覆管の両端に固着された端栓を有する核燃料要素
において、本発明は前記被覆管の内表面または外
表面に分散しているFe、Cr、Ni、Snなどを含む
化合物の析出粒子を取り除いた事を特徴とする。

一般に、被覆管の内外面に現われている粒子の
部分は、化学的活性度が高く、また荷重が加わつ
た場合に応力集中を生じ易い。発明者らによる
と、ライナ材であるジルコニウム層の内表面部に
おいて析出粒子の量が増すに従つて応力腐食割れ
の感受性が高くなる事が判明した。これは、腐食
性環境下で荷重を加えた場合、析出粒子の部分の
化学的活性度の高いことまたは応力集中域となる
ことによりき裂の発生及び進展が助長されるため
と考えられる。

一方、被覆管外面の水または水蒸気との反応に
よる局部腐食（ノジユラー腐食など）について
も、析出粒子が寄与していると考えられている。
すなわち、析出粒子が良好な電子伝導体となり、
その近傍の腐食反応を加速するという考えが提案
されている。

上記の応力腐食割れおよび局部腐食はいずれも
被覆管の内面又は外面のごく表面層から生じて内
部へ進行するものであるため、表面層の応力腐食
割れあるいは局部腐食に対する初期段階の感受性
を低く保つておく必要がある。従つてジルコニウ
ムライナ被覆管表面部に析出した析出粒子を取り
除き、表面の応力腐食割れ、または局部腐食の感
受性を低くすることが本発明の意図するところで
ある。

〔発明の実施例〕

(1) 内側に純ジルコニウム層、その外側にジルコ
ニウム合金（例えばジルカロイ−２）層を有す
る被覆管の表面の析出物を取り除くことは、電
解研磨によつて実施できる。例えば、約1500〜
2000ppmの不純物を含有する第１図に示す純ジ
ルコニウム層６の内表面を約20000倍の倍率で
観察すると、約0.5μm以下の析出粒子が多数観
察される。この部分を塩化アルミニウム及び塩
化亜鉛を含むエチルアルコール溶液中で電流密
度約10mA／mm²で10秒間電解研磨することによ
り、約20000倍で観察しても析出物が確認でき
ない程度まで析出物を取り除くことができた。
このような被覆管内に多数の燃料ペレツトを装
填し、被覆管の両端を密封して第１図のような
核燃料要素を得る。

(2) また、上記二重層からなるジルコニウムライ
ナ被覆管表面の析出物を除く他の例として、表
面を酸で洗浄する酸洗いを適当な時間行う事に
より析出物を取り除く事ができる。第２図は第
１図に示すジルカロイ−２被覆管１の外表面
を、容積率５％のフツ化水素酸、45％の硝酸の
水溶液中で20秒間酸洗したものの外表面の走査
型電子顕微鏡写真である。表面積１mm²あたりの
析出粒子の平均個数は約２×10⁵個であるが、
第３図に示す様に、上記酸の水溶液中で約２分
間酸洗したものは析出粒子が非常に少なく、平
均析出粒子数は約1/10にまで減少した。

得られた被覆管内に多数の燃料ペレツト、ス
プリングを装填し、被覆管の両端を密封する。
このようにして核燃料要素が得られる。

(3) 更に他の実施例として、第１図に示す二重層
のジルコニウムライナ被覆管において不純物と
して約800ppmの鉄を。含む純ジルコニウム層
６の内表面を約20000倍の倍率で観察すると、
約2μm以下の析出粒子が多数観察され、この析
出粒子をＸ線マイクロアナライザー（XMA）
及び電子線回析により分析したところ、ジルコ
ニウムと鉄の金属間化合物であると判つた。こ
の純ジルコニウム層６の内表面を上記実施例(1)
と同様に塩化アルミニウム及び塩化亜鉛を含む
エチルアルコール溶液中で電流密度約20mA／
mm²で10秒間電解研磨することにより、約20000
倍で観察しても析出物が確認できなかつた。す
なわち、純ジルコニウム層６の内表面部に析出
粒子として存在した不純物の鉄を、電解研磨に
よつて取り除くことができた。

このような被覆管内に燃料ペレツトを装填し、
被覆管の両端を密封して、核燃料要素を得ること
ができる。

ここで、応力腐食割れに対する感受性の指標と
して、ヨウ素ガス雰囲気中とアルゴンガス雰囲気
中でそれぞれの被覆管の単軸引張試験を行い、試
料破断部の断面減少率の比を求めた。すなわち、
アルゴンガス雰囲気中で延性破断したときの断面
減少率をE₁、ヨウ素ガス雰囲気中で破断したと
きの断面減少率をE₂として、応力腐食割れ感受
性指標を（E₁−E₂）／E₁とする。この値が小さ
い方が、応力腐食割れ感受性が低い。すなわち耐
応力割れ性に優れている。第４図は、不純物量が
約2000ppm及び1500ppmのジルコニウムについ
て、それぞれ実施例(1)で示した電解研磨によつて
析出物を取り除いたものと取り除かないものの応
力腐食割れ感受性指標を示したものである。すな
わち、Ａ及びＢは不純物含有量2000ppmの場合で
あつてＡが析出物を取除く前、Ｂがそれを取除い
た後のものである。また、Ｃ及びＤは不純物含有
量1500ppmの場合であつてＣが析出物を取除く
前、Ｄがそれを取除いた後のものである。不純物
含有量約2000ppmの場合は、析出物を取り除かな
いものが応力腐食割れ感受性指標が0.25であるの
に対し、析出物を取り除くと0.10まで減少した。
同様に、不純物量約1500ppmの場合は、析出物を
取り除くことにより0.15から0.05に減少した。こ
の様に、表面層に存在する析出粒子を取り除くこ
とにより応力腐食割れに対する感受性を著しく低
くすることができた。

また、不純物として約800ppmの鉄を含むジル
コニウムと約600ppmの鉄を含むジルコニウムを
ヨウ素ガス雰囲気中で単軸引張試験を行つたとこ
ろ、鉄の含有量が多い試料の方が少ない伸びで応
力腐食割れを生じ、不純物の鉄が応力腐食割れ感
受性を高めている事が判つた。この約800ppmの
鉄不純物を含むジルコニウムを前記実施例(3)の方
法で電解研磨を行い、表面に析出する不純物の鉄
を含む析出粒子を取り除いた後にヨウ素ガス雰囲
気中で単軸引張試験を行つたところ、破断するま
での試料延びが著しく大きくなり、より不純物鉄
の濃度の低い600ppmの試料よりも延びが大きく
なつた。すなわち、試料表面に析出した鉄を含む
析出粒子を取り除く事により応力腐食割れに対す
る感受性を著しく低くする事ができた。

上述の様に、被覆管内表面の析出粒子を取り除
くあるいは減少させる事により、応力腐食割れに
対する感受性を著しく低下させる事が可能とな
り、安価で、多少純度の悪いジルコニウム層６を
用いた場合でも、応力腐食割れ防止効果を十分に
発揮できる。また、被覆管外表面についても局部
腐食に大きな影響を及ぼすと考えられている析出
粒子を取り除くことで、長期間使用時の局部腐食
の増大を低減し、核燃料要素の信頼性を向上させ
る事ができる。

なお、本発明は、被覆管表面の析出粒子を取り
除く事を意図するところであり、その方法は上述
の実施例に限るものでは無く。化学的あるいは電
気化学的表面処理を適宜行う事で本発明を実施す
ることができる。また、析出粒子は完全に取り除
かれなくても、その量を減少させる事によつて、
表面層を確率的に生じる初期段階の応力腐食割れ
あるいは局部腐食に対する発生確率を下げる事が
可能となり、被覆管の改良効果が発揮される。

また、上述の応力腐食割れおよび局部腐食は、
析出物の存在する部分を核として確率的に生じる
現象であるため、析出物を完全に取り除かなくて
も減少させる事により効果があり、実質的に観測
できる析出粒子のうち、体積率で50％以下または
析出粒子の数で50％以下になるまで取り除くこと
により充分な改善効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、応力腐食割れの危険性が著し
く少なく、寿命の長い核燃料要素を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は核燃料要素の縦断面図、第２図は約20
秒間酸洗した被覆管のジルカロイ−２の表面の金
属組織を示す走査型電子顕微鏡写真、第３図は約
２分間酸洗した被覆管のジルカロイ−２の表面の
金属組織を示す走査型電子顕微鏡写真、第４図は
ジルコニウムの応力腐食割れ感受性指標をそれぞ
れ示す特性図である。１…被覆管、２…核燃料物質、３…端栓、４…
プレナム、５…保持部材（スプリング）、６…ジ
ルコニウムライナ。

Claims

【特許請求の範囲】

１ジルコニウム層を内側にそしてジルコニウム
合金層を前記ジルコニウム層の外側に配置して成
り、両端が密封されたジルコニウムライナ被覆管
と、前記被覆管内に装填された複数の燃料ペレツ
トとを有する核燃料要素において、前記被覆管の
内表面または内表面と外表面両面に徴視的な大き
さで分散している鉄またはニツケルまたはクロム
またはスズを含む化合物の析出粒子を取り除いた
事を特徴とする核燃料要素。