JPH0442094A

JPH0442094A - 原子炉炉心構造体

Info

Publication number: JPH0442094A
Application number: JP2147471A
Authority: JP
Inventors: Emiko Higashinakagaha; 東中川　恵美子; Kanemitsu Sato; 佐藤　金光
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-07
Filing date: 1990-06-07
Publication date: 1992-02-12

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）この発明は、原子炉の炉心に使用される、燃料被覆管、
燃料チャンネル、スペーサ等の原子炉炉心構造体に関す
る。

（従来の技術）原子炉炉心構造体の材料としては、燃料経済性の観点か
ら、中性子吸収断面積の小さいジルコニウム合金が使用
されている。ジルコニウムは単独では原子炉雰囲気であ
る高温高圧水中では耐食性が悪いため、ジルコニウムに
、Ｓｎ、Ｆｅ。

Ｎｉ、Ｃｒ等を合計で２％以下加えた「ジルカロイ」と
称する合金が使用されている。ジルカロイは上記雰囲気
での耐食性が良好であり、炉心構造体の寿命である４年
間は健全に使用することができる。

（発明が解決しようとする課題）原子力発電が総電力に占める割合が多くなるにつれて、
原子炉稼働率を高めることが要望され、従って炉心構造
体も現行より長時間使用することが考えられてきた。現
在使用されているジルカロイは、長時間使用すると、そ
の表面にノジュラー腐食と称する白い斑点状の腐食生成
物が発生することがあり、耐ノジユラー腐食性の高いジ
ルコニウム合金が盛んに開発され始めた。

ところが、現在までのところ、添加物元素としての錫、
鉄、ニッケル、クロム、ニオブ、モリブデン等では決定
的に優れたものはなく、未だ模索中の段階である。すな
わち、燃料ベレットを効率よく使用するために、長期間
原子炉内で使用できる炉心材料が求められている。

この発明はこのような点を考慮してなされたものであっ
て、低い中性子吸収断面積を維持しつつ、原子炉雰囲気
下での耐久性が高い原子炉炉心構造体を提供することを
目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明に係る原子炉炉心構造体は、ジルカロイで構成
された本体と、この本体の全面又はその外面に設けられ
、Ｆｅ基合金又はＮｉ基合金で構成されたコーティング
層とを有することを特徴とする。

従来より、原子炉炉心のうちタイブレート、上部格子板
およびフィンガースプリング等に、Ｆｅ基合金またはＮ
ｉ基合金、例えばフェライト鋼、オーステナイト鋼、イ
ンコネル等を使用している。

本発明者らは、これら部材が原子炉の長期使用にも何等
不変で健全であることを見出した。また、本願発明者ら
は原子炉の炉水状態を模擬した５００℃、１０５気圧水
蒸気によるノジュラー感受性試験装置をインコネルでつ
くり、試験片保持具を５ＵＳ３１６ステンレス鋼でつく
って試験を行った。その結果、インコネルも、５ＵＳ３
１６ステンレスも、繰り返し使用に対して耐食性が極め
て良好であった。

事実、この試験装置および保持具を使用してジルコニウ
ム合金のノジュラー腐食試験を行うと、２４時間でジル
コニウム合金は腐食し、耐食性が良いものでも５０　ｍ
　ｇ　／　ｄ　ｍ　２程度の腐食増量を示し、耐食性の
劣るものでは２０００ｍ　ｇ　／　ｄ　ｍ　２にも達す
るのに対し、前述のインコネルでは腐食増量は殆どゼロ
で干渉色がつく程度であり、５ＵＳ３１６ステンレス鋼
では黒色化はするが、腐食増量は３　ｍ　ｇ　／　ｄ　
ｍ　２以下であった。

このように、本願発明者らは、Ｆｅ基合金およびＮｉ基
合金が原子炉内という特殊雰囲気において耐食性が優れ
ているという点に着目し、燃料被覆管、燃料チャンネル
、スペーサ等の炉心構造体にＦｅ基合金またはＮｉ基合
金を適用することに想到した。

一方、原子炉の構成材料としてジルコニウム合金が使用
されている理由は、前述したように、中性子吸収断面積
が小さいことによる。例えば、ジルコニウムの中性子吸
収断面積は０．１８バーンであり、これに対し、鉄は２
．５２バーン、ニッケルは４．６バーンと、ジルコニウ
ムの場合と比較して１４倍、２５倍にも達する。

従って、炉心構造体をＦｅ基合金またはＮｉ基合金で構
成すると、中性子経済性が低下してしまう。中性子は炉
心構造体になるべく吸収されずにウランの核分裂に寄与
することが望ましいので、炉内構造体を全てＦｅ基合金
やＮｉ基合金とすることは好ましくない。

以上のことを考慮した結果、上記構成の本願発明を完成
するに至った。すなわち、炉心構造体のうち、炉水と接
する部分、すなわち表面部分のみを耐食性の良好なＦｅ
基合金またはＮｉ基合金で構成し、本体をジルカロイで
構成することにより、低い中性子吸収断面積を維持しつ
つ、耐食性を良好にすることができる。

以下、この発明について詳細に説明する。

第１図は原子炉炉心の概略構造を示す断面図、第２図は
燃料集合体の概略構造を示゛す斜視図である。炉心１の
内部はセル構造を有しており、多数の燃料集合体１１と
、これらの間に配設された制御棒とで構成されている。

燃料集合体１１は、燃料棒１４の束と、その外側を覆う
チャンネル１３と、燃料棒１４の間に介装されるスペー
サ１５と、ハンドル１６と、フィンガースプリング１７
と、タイブレート１８とを有している。燃料棒１４は、
低濃縮二酸化ウランからなる燃料１４ａと燃料被覆管１
４ｂとで構成されている。このような燃料集合体１１は
、図示しない上部格子板、炉心支持板で炉心本体に固定
されている。

これら炉心構造体のうち、特に、燃料被覆管１４、チャ
ンネル１３、スペーサ１５、炉水に接触し、腐食環境下
にさらされる。

この発明においては、炉心構造体としての燃料被覆！、
チャンネル、スペーサの本体等をジルカロイで構成し、
その本体の全面又はその外面に、Ｆｅ基合金又はＮｉ基
合金で構成されたコーティング層を形成する。

ここでコーティング層に適用されるＦｅ基合金としては
、Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｆｅ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ
合金が好ましい。

なお、ここでのＦｅ基合金、Ｎｉ基合金の組成の好まし
い範囲は以下の通りである。

Ｆｅ基合金（重量％）Ｃ＝≦０．０８Ｓｉ：≦１．００Ｍｎ：≦２．００Ｐ　：≦０．０４０Ｓ　：≦０．０３ＯＮｉ：８．ＯＯ〜１５．００Ｃｒ　：１６．００〜２０．００Ｍ０＝≦３．０ＯＮｂ：≦１．００Ｔａ：≦１６００Ｆｅ：残部ＮｉＭｎＣｒＮｉＦｅ ≦　０．２０ ≦　０．７５ ≦　１．５０ ≦　０．　０４０ ≦　０．　０３０２３、　００〜３０．　００ ≦　０．５００、１０〜０．２５残部 ■ Ｎｉ：３３〜５０Ｆｅ：残部Ｎｉ基合金（重量％）Ｃ：０．０３〜０．１５Ｆｅ：２０以下Ｃｏ　：　３０以下Ｃｒ；６〜５０Ｍｏ：１８以下Ｗ　：５以下Ｎｂ　：　７以下Ｔｉ：０．１〜５ＡＮ：０．１〜５Ｎｉ：残部以上のような組成範囲に属するＦｅ基合金としては５Ｕ
Ｓ３０４，３１６，３４７等のオーステナイト系ステン
レス鋼、Ａｌ５Ｉ４４６等のフェライト鋼等があり、Ｎ
ｉ基合金としてはインコネル、ハステロイ等がある。

また、Ｆｅ基合金およびＮｉ基合金で構成されたコーテ
ィング層は、ノジュラー腐食試験の際、すなわち５００
℃、１０５気圧の水蒸気中において２４時間保持した際
における腐食増量が２０ｍ　ｇ　／　ｄ　ｍ　２以下で
あることが望ましい。

なお、炉心構造体の炉水に接する部分を同一材料（例え
ば、Ｆｅ基材料のみ、あるいはＮｉ基材料のみ）で構成
すると、接触部分における局部電池の問題もなく、接触
腐食、隙間腐食に強い。さらに、上部格子板や制御棒吊
り下げハンドル近辺のチャンネルの連腐食も起こらない
。

Ｆｅ基合金、またはＮｉ基合金からなるコーティング層
の厚みは、ＦｅあるいはＮｉの中性子断面積が大きいた
め、なるべく薄いほうが良く、その厚みが各炉心構造体
の全厚みの３０％を超えないことが望ましい。さらに、
その厚みが１００μｍ以下であることが一層望ましい。

この範囲は、燃料被覆管において特に重要である。

さらに、コーティング層は、本体と冶金的に結合してお
り、これら界面に数原子以上の拡散層が形成されている
ことが望ましい。

炉心構造体のうちの燃料被覆管は、燃料としてのウラン
が核分裂する際に発生する熱を被覆管の外側に流されて
いる冷却水に伝える役割をするので、被覆管材料の熱伝
導率は高いほどよい。ジルカロイの熱伝導率は０．　０
４ｃａｌ　／ｃｓ−ｓｅｃ　・”Ｃであり、本発明にお
けるコーティング層構成材料のＦｅ基合金、Ｎ１基合金
は、ジルカロイと同等かそれ以上である。特に、Ｆｅ基
合金のフェライト系ステンレスでは、熱伝導率はジルカ
ロイの１．５倍以上あり、ジルカロイ単体の場合よりも
熱効率が良いので、好ましい。

炉心構造体を本発明のように層構造にする場合には、本
体とコーティング層との密着性が良好なことが必要であ
る。この密着性保持のためには、これらの層の熱膨張係
数が重要な要素であり、コーティング層の熱膨張係数が
ジルカロイの熱膨張係数の０．２５〜４倍であることが
好ましい。ジルカロイの熱膨張係数は４．９Ｘ１０−６
／”Ｃであるのに対し、Ｆｅ基合金やＮｉ基合金では通
常１０〜１７　Ｘ　１０−６／’Ｃとジルカロイの２倍
乃至３倍程度である。

ところで、燃料被覆管は内側が高温のウランベレットに
接し、外側が低温の冷却水と接するので、熱膨張率は内
側で低く外側で高いことが全体としてのバランスが良い
。本発明の構造によれば、外側が熱膨張係数が高いＦｅ
基合金またはＮｉ基合金であり、内側が熱膨張係数が低
いジルカロイであるから、使用中に熱膨張差による悪影
響が極めて少ない。

燃料被覆管は、高燃焼度、高性能を目的として、従来よ
り内側に純ジルコニウムがライニングされたジルカロイ
管が使われている。従って、このような被覆管に本発明
を適用すれば、外側がＦｅ基合金あるいはＮｉ基合金コ
ーティング層、内側が純ジルコニウムのライニングであ
る３層構造の被覆管となる。

純ジルコニウムをライニングした被覆管をライナ管と称
しているが、そのライチ部の厚さは約９０μｍであり、
その厚さは渦電流法で全長に亘って制度良く非破壊で測
定することができる。本発明のＦｅ基合金またはＮｉ基
合金のコーティング層を有する被覆管、チャンネル、ス
ペーサ等の炉心構造体におけるコーティング層の厚さも
、同様に渦電流法で容易に測定できるので、出荷検査、
受入検査を迅速に実施することができる。従って、厚さ
の保証ができ、その寿命、安全性は充分に保証すること
ができる。

なお、炉心構造体のうち、スペーサは薄板であるので、
Ｆｅ基合金またはＮｉ基合金のコーティング層を形成せ
ずに、全体をＦｅ基合金またはＮｉ基合金で構成するこ
ともできる。

次に、本発明に係る炉心構造物の製造方法の例について
説明する。

燃料被覆管の場合には、以下のようにして製造する。先
ず、最内周を形成する純ジルコニウムの円筒ビレット、
中央部を形成するジルカロイ−２の円筒ビレット、及び
最外周を形成するＦｅ基合金あるいはＮｉ基会合金製円
筒ビレットを用意し、これら３種のビレットを洗浄後嵌
合する。次に、この嵌合ビレットの両端部２本の同心円
の境界線に沿ってＥＢ溶接を行い、組合わせビレットと
する。この組合わせビレットは、ＥＢ溶接を行っている
ことから、３つの筒の境界面が真空である。

このため、その後熱間圧延を行うことにより、用意に拡
散接合が行われ、一体ビレットとすることができる。こ
の複合一体ビレットを通常の方法で冷間圧延し、焼鈍す
ることにより燃料被覆管とする。純ジルコニウムの最内
筒を有しない被覆管の場合には、最外周ビレットとジル
カロイビレットとを一体化して被覆管とすればよい。

チャネルおよびスペーサの場合には、以下のようにして
製造する。先ず、ジルカロイ板をＦｅ基合金あるいはＮ
ｉ基合金板でサンドイッチした構造とし、圧延方向に垂
直な両端面の夫々２本の境界線をＥＢ溶接する。その後
、熱間圧延を行い、Ｆｅ基合金あるいはＮｉ基合金とジ
ルカロイとの界面を拡散接合させる。この複合体に対し
て冷間圧延および焼鈍を繰り返してチャネルおよびスペ
ーサとする。

（実施例）以下、この発明の実施例について説明する。

実施例１インコネル製の厚さ９０μｍの円筒ビレットを外周部に
し、純ジルコニウム製の厚さ９０μｍの円筒ビレットを
内周部にして、ジルカロイ管をこれらでサンドイッチし
た状態の３層構造の燃料被覆管を製造した。この被覆管
を長さ５０１１こ切断し、インコネル製端栓を溶接し、
５００℃。

１０５気圧水蒸気中の腐食試験、所謂ノジュラー腐食試
験を行った。その結果、２４時間経過後の腐食増量は０
．５ｍｇ／ｄｍ２であり、外表面は薄黄色の干渉色を示
したに過ぎなかった。

比較例として、純ジルコニウム製の厚さ９０μｍを内周
部にしたライナ管を作製して、同様に５０厘層の長さに
切断し、ジルカロイの端栓を溶接して、同様のノジュラ
ー腐食試験を行った。その結果、腐食増量は２７０　ｍ
　ｇ　／　ｄ　ｍ　２であり、白色斑点状のノジュラー
が発生した。

なお、ノジュラー腐食試験で端栓溶接を行うのは、内周
部の純ジルコニウムが腐食雰囲気にさらされると、ノジ
ュラー試験で酸化ジルコニウムの白色生成物に変わり、
大幅な重量増となり外面の特性が見分けられないため、
内周部の純ジルコニウムが腐食雰囲気にさらされるのを
防止するためである。

次に、ジルカロイの表面にインコネルのコーティング層
を設けた構造のチャンネル、スペーサ、上部格子板、タ
イブレート、制御棒等の炉心構造体を作製した。また、
これらをインコネルのみで製造したものについても作成
した。これらを用いて炉心状態を模擬した試験を行った
結果、３０００時間経過しても何等変化を示さなかった
。

実施例２ジルカロイ板にフェライト鋼（ＡＩＳＩ４４６）のコー
ティング層を形成した構造の燃料チャネルを作製した。

このチャネルに対し、実施例１と同様にノジュラー腐食
試験を施した。２４時間後の腐食増量は２　ｍ　ｇ　／
　ｄ　ｍ　２で紫色の干渉色を示した。

実施例３ジルカロイ板にオーステナイト鋼（Ａ　Ｉ　Ｓ　１３１
６）のコーティング層を形成した構造のスペーサを作製
した。このスペーサに対し、ノジュラー腐食試験を施し
た。２４時間後の腐食増量は３ｍ　ｇ　／　ｄ　ｍ　２
で紫色の干渉色を示した。

実施例４スペーサをＦｅ−４ＯＮｉ合金で製造し、ノジュラー腐
食試験を施した結果、腐食増量は０，５ｍ　ｇ　／　ｄ
　ｍ　”で黄色がかった干渉色を示した。

［発明の効果］この発明によれば、炉心構造体をジルカロイの表面にＦ
ｅ基合金またはＮｉ基合金のコーティング層を形成した
構造としたので、ジルカロイの低い中性子吸収断面積を
維持しつつ、原子炉内での耐久性を向上させることがで
きる。

また、製造方法が簡便であり、非破壊検査でコーティン
グ層の厚みを測定することができるので、信頼性が高い
。

さらに、コーティング層として使用されるＦｅ基合金、
Ｎｉ基合金は材料の種類が多岐に亘っているので、材料
の選択の幅が広い。

【図面の簡単な説明】

第１図は原子炉炉心の概略構造を示す断面図、第２図は
炉心の一部をなす燃料集合体の概略構造を示す斜視図で
ある。１；炉心、１１；燃料集合体、１２；制御棒、１３；チ
ャンネル、１４；燃料棒、１４ａ；燃料、１４ｂ；燃料
被覆管、１５；スペーサ、１６；ハンドル、１７；スプ
リング、１８；タイブレート第　１　図出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ジルカロイで構成された本体と、この本体の表面
に設けられ、Ｆｅ基合金又はＮｉ基合金で構成されたコ
ーティング層とを有することを特徴とする原子炉炉心構
造体。
（２）前記コーティング層は、前記本体と冶金的に結合
しており、これら界面に数原子以上の拡散層が形成され
ていることを特徴とする請求項１に記載の原子炉炉心構
造体。