JPH0449919B2 - - Google Patents
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- JPH0449919B2 JPH0449919B2 JP60050461A JP5046185A JPH0449919B2 JP H0449919 B2 JPH0449919 B2 JP H0449919B2 JP 60050461 A JP60050461 A JP 60050461A JP 5046185 A JP5046185 A JP 5046185A JP H0449919 B2 JPH0449919 B2 JP H0449919B2
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Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
Description
〔発明の利用分野〕
本発明は、特に応力腐蝕割れ防止構造を改良し
た核燃料要素の被覆管に関するものである。 〔発明の背景〕 現在、設計、製造並びに運転がなされている原
子炉においては、通常、核燃料物質を耐食性、非
反応性で熱伝導性にすぐれた被覆管内に封入した
核燃料要素を使用している。この核燃料要素を冷
却材流れチヤンネル内に一定間隔に格子状に集合
して組み立てて燃料集合体を形成し、この燃料集
合体を適当数組み合せて格分裂反応が可能な核分
裂連鎖反応集合体または炉心を形成し、この炉心
を冷却材が流通する原子炉容器内に入れてある。 被覆管は幾つかの目的で使用され、その第１の
目的は、核燃料と冷却材または減速材との接触及
び化学反応を防止することにある。第２の目的は
一部が気体である放射性核分裂生成物が燃料から
冷却材または減速材、あるいは冷却材と減速材の
双方が存在する場合にはその双方中に漏れ出るの
を防止することにある。 通常、被覆管材料には、ステンレス鋼、ジルコ
ニウム及びジルコニウム合金等が用いられてい
る。これらの被覆管の破断、即ち、漏れや密封性
の喪失が生じると、冷却材または減速材、及びそ
れらが関連する系が放射性長寿命生成物でブラン
トの運転が妨げられる程度に汚染されるおそれが
ある。 ジルコニウム及びジルコニウム合金は、平常の
条件下では優秀な被覆管材料である。その理由
は、ジルコニウム及びジルコニウム合金は小さい
中性子吸収断面を有し、さらに、約400℃以下の
温度では、原子炉冷却材及び減速材として普通に
使用される水蒸気の存在下で強く、しかも、延性
を有し、極めて安定で、かつ、非反応性であるか
らである。このような原子炉燃料棒を用いた長年
の運転経験によれば、現在使用されている燃料棒
は高度の信頼性を有していることがあきらかであ
る。 しかし、特開昭55−33037号公報に示してある
ように、原子炉が変動する負荷をもつて運転する
必要がある場合、あるいは出力を急上昇させる必
要がある場合には、燃料の障害がすばしば発生す
ることが明らかとなつた。この場合の変動負荷
は、原子炉燃料棒の温度の変動を生じ、従つて、
燃料棒は更に周期的に熱膨張の作用をうけること
になる。この場合、被覆管の内壁には燃料ペレツ
ト、被覆管及び核分裂生成物質間の相互作用によ
り、応力腐食割れ（SCC）を起こすと云う問題が
明らかとなつた。その場合の腐食性媒体としてヨ
ウ素が確認された。 上記問題を解決する一つの方法として被覆管を
二重構造とし、ジルカロイ−２被覆管の内側に耐
SCC性の良好なジルコニウムをライニングする方
法が提案された。この方法によれば、耐SCC性能
はジルカロイ２被覆管のままよりもすぐれている
ことが確認された。しかし、原子炉の運転方法に
よつては、必ずしもSCC破損を完全に防止できる
までには至つていない。その原因の一つはジルコ
ニウムと云えども、腐食性媒体環境中ではSCC破
損を起こすと云う点にある。 〔発明の目的〕 本発明は上記の状況に鑑みなされたものであ
り、耐応力腐食割れ性能を向上すると共に従来の
被覆管と同等の強度及び耐食性を有する核燃料要
素の被覆管を提供することを目的としたものであ
る。 〔発明の概要〕 本発明の核燃料要素の被覆管は、内側ジルコニ
ウム層と、該内側ジルコニウム層の外側を取り囲
むように形成された外側ジルコニウム合金層から
なると共に内部に核燃料物質が封入された被覆管
からなり、上記内側ジルコニウム層の結晶粒形が
5μｍ以下に形成されているものである。 一般に、ジルコニウム合金、例えば、ジルカロ
イ−２よりもクリスタルバージルコニウムあるい
はスポンジジルコニウムのような純ジルコニウム
の方が耐SCC性能がすぐれている。逆に耐食性は
ジルカロイ−２の方が純ジルコニウムよりもすぐ
れている。 一方、ジルコニウムのヨウ素によるSCCのメカ
ニズムは、まず、ヨウ素とジルコニウムの化学反
応によりジルコニウムの粒界が優先的にアタツク
され粒界の結合力が低下する。ジルコニウムに応
力が作用していると、この結合力の低下により粒
界破壊を起こす。ヨウ素と反応していないジルコ
ニウム層の内部では、最初は結晶粒界の低下は起
らないが、粒界破壊が進むに従つてヨウ素のアタ
ツクを受けて粒界破壊を起こす。このように、ヨ
ウ素によるSCC破壊は、被覆管内表面から順次結
晶粒界に沿つて起こる。従つて、被覆管の耐SCC
性能を向上させるためには、ジルコニウム層の粒
界の面積を増加させればよいことになる。ジルコ
ニウム層の粒界面積を増加させる最も簡単な方法
はジルコニウム層の厚さを増加させることであ
る。 しかし、ジルコニウムはジルカロイより強度が
低く、ジルコニウム層の厚さを増加すれば被覆管
の設計応力を満足することができなくなる。ジル
コニウム層の粒界面積を増加させる他の方法は、
結晶粒径を小さくすることである。結晶粒を近似
的に球と仮定すると、単位体積当りの結晶粒界面
積は結晶粒径に逆比例する。従つて、結晶粒径の
減少率、α｛α＝（D0−Ｄ）／D0，D0及びＤはそ
れぞれ結晶粒径を小さくする前の後の結晶粒径）
と、単位体積当りの結晶粒界面積の増加率β｛β
＝（Ａ−A0）／A0，A0及びＡはそれぞれ結晶粒
径を小さくする前と後の結晶粒界面積｝との関係
は次の(1)式のようになる。 β＝１／（１−α）−１ ……(1) 第１表にαとβとの関係を示す。
た核燃料要素の被覆管に関するものである。 〔発明の背景〕 現在、設計、製造並びに運転がなされている原
子炉においては、通常、核燃料物質を耐食性、非
反応性で熱伝導性にすぐれた被覆管内に封入した
核燃料要素を使用している。この核燃料要素を冷
却材流れチヤンネル内に一定間隔に格子状に集合
して組み立てて燃料集合体を形成し、この燃料集
合体を適当数組み合せて格分裂反応が可能な核分
裂連鎖反応集合体または炉心を形成し、この炉心
を冷却材が流通する原子炉容器内に入れてある。 被覆管は幾つかの目的で使用され、その第１の
目的は、核燃料と冷却材または減速材との接触及
び化学反応を防止することにある。第２の目的は
一部が気体である放射性核分裂生成物が燃料から
冷却材または減速材、あるいは冷却材と減速材の
双方が存在する場合にはその双方中に漏れ出るの
を防止することにある。 通常、被覆管材料には、ステンレス鋼、ジルコ
ニウム及びジルコニウム合金等が用いられてい
る。これらの被覆管の破断、即ち、漏れや密封性
の喪失が生じると、冷却材または減速材、及びそ
れらが関連する系が放射性長寿命生成物でブラン
トの運転が妨げられる程度に汚染されるおそれが
ある。 ジルコニウム及びジルコニウム合金は、平常の
条件下では優秀な被覆管材料である。その理由
は、ジルコニウム及びジルコニウム合金は小さい
中性子吸収断面を有し、さらに、約400℃以下の
温度では、原子炉冷却材及び減速材として普通に
使用される水蒸気の存在下で強く、しかも、延性
を有し、極めて安定で、かつ、非反応性であるか
らである。このような原子炉燃料棒を用いた長年
の運転経験によれば、現在使用されている燃料棒
は高度の信頼性を有していることがあきらかであ
る。 しかし、特開昭55−33037号公報に示してある
ように、原子炉が変動する負荷をもつて運転する
必要がある場合、あるいは出力を急上昇させる必
要がある場合には、燃料の障害がすばしば発生す
ることが明らかとなつた。この場合の変動負荷
は、原子炉燃料棒の温度の変動を生じ、従つて、
燃料棒は更に周期的に熱膨張の作用をうけること
になる。この場合、被覆管の内壁には燃料ペレツ
ト、被覆管及び核分裂生成物質間の相互作用によ
り、応力腐食割れ（SCC）を起こすと云う問題が
明らかとなつた。その場合の腐食性媒体としてヨ
ウ素が確認された。 上記問題を解決する一つの方法として被覆管を
二重構造とし、ジルカロイ−２被覆管の内側に耐
SCC性の良好なジルコニウムをライニングする方
法が提案された。この方法によれば、耐SCC性能
はジルカロイ２被覆管のままよりもすぐれている
ことが確認された。しかし、原子炉の運転方法に
よつては、必ずしもSCC破損を完全に防止できる
までには至つていない。その原因の一つはジルコ
ニウムと云えども、腐食性媒体環境中ではSCC破
損を起こすと云う点にある。 〔発明の目的〕 本発明は上記の状況に鑑みなされたものであ
り、耐応力腐食割れ性能を向上すると共に従来の
被覆管と同等の強度及び耐食性を有する核燃料要
素の被覆管を提供することを目的としたものであ
る。 〔発明の概要〕 本発明の核燃料要素の被覆管は、内側ジルコニ
ウム層と、該内側ジルコニウム層の外側を取り囲
むように形成された外側ジルコニウム合金層から
なると共に内部に核燃料物質が封入された被覆管
からなり、上記内側ジルコニウム層の結晶粒形が
5μｍ以下に形成されているものである。 一般に、ジルコニウム合金、例えば、ジルカロ
イ−２よりもクリスタルバージルコニウムあるい
はスポンジジルコニウムのような純ジルコニウム
の方が耐SCC性能がすぐれている。逆に耐食性は
ジルカロイ−２の方が純ジルコニウムよりもすぐ
れている。 一方、ジルコニウムのヨウ素によるSCCのメカ
ニズムは、まず、ヨウ素とジルコニウムの化学反
応によりジルコニウムの粒界が優先的にアタツク
され粒界の結合力が低下する。ジルコニウムに応
力が作用していると、この結合力の低下により粒
界破壊を起こす。ヨウ素と反応していないジルコ
ニウム層の内部では、最初は結晶粒界の低下は起
らないが、粒界破壊が進むに従つてヨウ素のアタ
ツクを受けて粒界破壊を起こす。このように、ヨ
ウ素によるSCC破壊は、被覆管内表面から順次結
晶粒界に沿つて起こる。従つて、被覆管の耐SCC
性能を向上させるためには、ジルコニウム層の粒
界の面積を増加させればよいことになる。ジルコ
ニウム層の粒界面積を増加させる最も簡単な方法
はジルコニウム層の厚さを増加させることであ
る。 しかし、ジルコニウムはジルカロイより強度が
低く、ジルコニウム層の厚さを増加すれば被覆管
の設計応力を満足することができなくなる。ジル
コニウム層の粒界面積を増加させる他の方法は、
結晶粒径を小さくすることである。結晶粒を近似
的に球と仮定すると、単位体積当りの結晶粒界面
積は結晶粒径に逆比例する。従つて、結晶粒径の
減少率、α｛α＝（D0−Ｄ）／D0，D0及びＤはそ
れぞれ結晶粒径を小さくする前の後の結晶粒径）
と、単位体積当りの結晶粒界面積の増加率β｛β
＝（Ａ−A0）／A0，A0及びＡはそれぞれ結晶粒
径を小さくする前と後の結晶粒界面積｝との関係
は次の(1)式のようになる。 β＝１／（１−α）−１ ……(1) 第１表にαとβとの関係を示す。
以下本発明の核燃料要素の被覆管を実施例を用
い第１図により説明する。第１図は断面図であ
る。図において、１は被覆管であり外側ジルコニ
ウム合金層２及び内側ジルコニウム層３からなつ
ている。被覆管１の外径は12.5mmである。内側ジ
ルコニウム層３はスポンジジルコニウムから形成
され厚さ100μｍであり、外側ジルコニウム合金
層２はジルカロイ−２により形成され厚さは
760μｍである。被覆管１内には多数の燃料ペレ
ツト（図示せず）が充填され、両端部は密封され
て燃料棒が構成されている。燃料ペレツトの外周
面は内側ジルコニム層３に対向している。 内側ジルコニウム層３のジルコニウムの結晶粒
径を、3μｍ、4μｍ、5μｍ、6μｍ及び8μｍに変え
た被覆管１のSCC試験を行ない、従来得られてい
る通常のジルコニウムライナの被覆管（ジルコニ
ウムの結晶粒径12μｍ）の試験結果と比較した。
試験はヨウ素雰囲気（ヨウ素濃度１mg／cm3）でア
ルゴンガスによる内圧加圧方式にて行つた。試験
温度は350℃で、負荷応力は25Kg／mm2（被覆管の
円周方向応力）である。試験結果を、横軸に結晶
粒径をとり縦軸に破断時間をとつて第２図に示
す。第２図において黒丸の４は本実施例の結晶粒
径毎の破断時間、白丸の５は従来の二重被覆管の
結晶粒径12μｍの破断時間である。第２図よりジ
ルコニウムの結晶粒径が、6μｍ以上ではSCCに
よる破断時間には余り差は見られないが、結晶粒
径が5μｍ以下では破断時間に有意差が見られ、
かつ、結晶粒径が小さい程破断時間が長くなつて
いる。即ち、結晶粒径が5μｍ以下の範囲で耐
SCC性能の改善が認められる。 このように本実施例の核燃料要素の被覆管は、
内側ジルコニウム層の結晶粒径が5μｍ以下に形
成されていることにより、従来のジルコニウム及
びジルコニウム合金からなる二重被覆管に比べ著
しく耐SCC性を向上し、かつ、従来と同等の強度
及び耐食性を有している。 〔発明の構成〕 以上記述した如く本発明の核燃料要素の被覆管
は、耐応力腐食割れ性能を著しく向上するととも
に従来の被覆管と同等の強度及び耐食性を備えて
いる効果を有するものである。
い第１図により説明する。第１図は断面図であ
る。図において、１は被覆管であり外側ジルコニ
ウム合金層２及び内側ジルコニウム層３からなつ
ている。被覆管１の外径は12.5mmである。内側ジ
ルコニウム層３はスポンジジルコニウムから形成
され厚さ100μｍであり、外側ジルコニウム合金
層２はジルカロイ−２により形成され厚さは
760μｍである。被覆管１内には多数の燃料ペレ
ツト（図示せず）が充填され、両端部は密封され
て燃料棒が構成されている。燃料ペレツトの外周
面は内側ジルコニム層３に対向している。 内側ジルコニウム層３のジルコニウムの結晶粒
径を、3μｍ、4μｍ、5μｍ、6μｍ及び8μｍに変え
た被覆管１のSCC試験を行ない、従来得られてい
る通常のジルコニウムライナの被覆管（ジルコニ
ウムの結晶粒径12μｍ）の試験結果と比較した。
試験はヨウ素雰囲気（ヨウ素濃度１mg／cm3）でア
ルゴンガスによる内圧加圧方式にて行つた。試験
温度は350℃で、負荷応力は25Kg／mm2（被覆管の
円周方向応力）である。試験結果を、横軸に結晶
粒径をとり縦軸に破断時間をとつて第２図に示
す。第２図において黒丸の４は本実施例の結晶粒
径毎の破断時間、白丸の５は従来の二重被覆管の
結晶粒径12μｍの破断時間である。第２図よりジ
ルコニウムの結晶粒径が、6μｍ以上ではSCCに
よる破断時間には余り差は見られないが、結晶粒
径が5μｍ以下では破断時間に有意差が見られ、
かつ、結晶粒径が小さい程破断時間が長くなつて
いる。即ち、結晶粒径が5μｍ以下の範囲で耐
SCC性能の改善が認められる。 このように本実施例の核燃料要素の被覆管は、
内側ジルコニウム層の結晶粒径が5μｍ以下に形
成されていることにより、従来のジルコニウム及
びジルコニウム合金からなる二重被覆管に比べ著
しく耐SCC性を向上し、かつ、従来と同等の強度
及び耐食性を有している。 〔発明の構成〕 以上記述した如く本発明の核燃料要素の被覆管
は、耐応力腐食割れ性能を著しく向上するととも
に従来の被覆管と同等の強度及び耐食性を備えて
いる効果を有するものである。
第１図は本発明の核燃料要素の被覆管の実施例
の横断面図、第２図は第１図の内側ジルコニウム
層の結晶粒径と破断時間との関係説明図である。 １……被覆管、２……外側ジルコニウム合金
層、３……内側ジルコニウム層。
の横断面図、第２図は第１図の内側ジルコニウム
層の結晶粒径と破断時間との関係説明図である。 １……被覆管、２……外側ジルコニウム合金
層、３……内側ジルコニウム層。
Claims (1)
- １ 内側ジルコニウム層と、該内側ジルコニウム
層の外側を取り囲むように形成された外側ジルコ
ニウム合金層からなり、内部に核燃料物質が封入
される被覆管において、上記内側ジルコニウム層
の結晶粒径が5μｍ以下に形成されていることを
特徴とする核燃料要素の被覆管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60050461A JPS61210987A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 核燃料要素の被覆管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60050461A JPS61210987A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 核燃料要素の被覆管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61210987A JPS61210987A (ja) | 1986-09-19 |
| JPH0449919B2 true JPH0449919B2 (ja) | 1992-08-12 |
Family
ID=12859509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60050461A Granted JPS61210987A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 核燃料要素の被覆管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61210987A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3644645A1 (de) * | 1985-12-27 | 1987-08-27 | Honda Motor Co Ltd | Motorroller-fahrzeug |
-
1985
- 1985-03-15 JP JP60050461A patent/JPS61210987A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61210987A (ja) | 1986-09-19 |
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