JPH0556833B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

発明の分野 本発明は、ホウ素含有可燃性吸収材が一体的に
組み込まれている改良型の核燃料被覆管及び該核
燃料被覆管で形成される燃料要素に関するもので
ある。 発明の背景 原子炉において、燃料の寿命初期に過大な量の
燃料の使用を可能とする可燃性吸収材を種々の仕
方で燃料棒に組み込むと、燃料棒の寿命が長くな
ることは良く知られている。或る場合には、可燃
性吸収材は燃料に直接混合されてこれと合体さ
れ、別の場合には、可燃性吸収材の被覆を燃料ペ
レツトの表面に付着させるか、又は、別個の形状
の可燃性吸収材を、普通の燃料ペレツトの間に散
在させるか、さもなければ他の仕方で、燃料ペレ
ツトの被覆管の内部に配置させる。例えば、米国
特許第3427222号明細書においては、燃料棒は、
それぞれの表面に被覆が溶着された燃料ペレツト
を収容した管状被覆管から構成されており、この
被覆は、可燃性吸収材として作用するホウ素含有
物質から成つている。 燃料棒を有する原子炉の運転中に核燃料から放
出される種々の成分による作用から被覆管を保護
するために、該被覆管の内壁上に種々の被覆又は
バリヤー手段を備えたジルコニウム基合金のよう
な被覆管材料を用いることも提案されている。被
覆管の全面を覆うこれ等の被覆又はバリヤー手段
の一例として、米国特許第4022662号明細書には、
固着されていない別部材の金属ライナーに組み合
わされた被覆管が記載されている。このライナー
は、ステンレス鋼、銅、銅合金、ニツケル又はニ
ツケル合金からできており、被覆管と核燃料との
間に配設される。また、クロム又はクロム合金の
拡散隔膜も被覆管と金属ライナーとの間に配設さ
れている。米国特許第4045288号明細書に記載さ
れた燃料要素の複合被覆管は、ジルコニウム又は
ジルコニウム合金の基体を有し、この基体は、ニ
オブ、アルミニウム、銅、ニツケル、ステンレス
鋼及び鉄から形成されている、壁厚の１〜４％の
金属バリヤーと、該金属バリヤーの内面に冶金的
に接着されたステンレス鋼、ジルコニウム又はジ
ルコニウム合金の内層とを備えている。 被覆管材料に直接組み合わされたホウ素含有化
合物のような可燃性吸収材を用いることも提案さ
れている。例えば、米国特許第3019176号明細書
には、容器内に収容された耐放射性金属のマトリ
ツクス中に置かれた金属水素化合物減速材と粒状
核分裂性物質との混合物を含む燃料要素が開示さ
れている。マトリツクスは、金属水素化物及び容
器に接着されて一体的な燃料要素を形成する。米
国特許第3103476号明細書は、ホウ素のような可
燃性吸収材を燃料要素の被覆管内に組み込むこと
を開示している。ホウ素は、被覆管（ステンレス
鋼製であることが好ましいが、ジルコニウムその
他の材料からできていてもよい）に、被覆管材料
100万部当り200−1000部の量の天然ホウ素が添加
され、被覆管全体に均質に分散される。米国特許
第3625821号明細書に記載された燃料要素は、ジ
ルコニウム又はジルカロイ製被覆管を有し、管内
面は、可燃性吸収材であるホウ素により被覆され
ている。ホウ素は、微細に分散された粒状物とし
て、ニツケルその他の保持金属のマトリツクス中
に分散される。カナダ特許第682057号明細書に
は、被覆管中に可燃性吸収材を含有させた燃料要
素が記載されている。被覆管の外層は、耐食性金
属又は合金からできていてもよく、内層は、好ま
しくは、これと同一の材料から成るが、その他に
ホウ素（混合物でも金属中に分散されていてもよ
い）を含有している。分散ホウ素含有被覆管に対
する利点として、内層の一部分となるホウ素が冷
却材と接触しないことが挙げられている。 本発明の目的は、可燃性ホウ素吸収材が一体的
に組み込まれた複合核燃材料被覆管を提供するこ
とにある。 発明の概要 可燃性吸収材が一体的に組み込まれた核燃料被
覆管は、中空の複合管として形成され、この複合
管は、ジルコニウム合金の管状外層と、ホウ素含
有可燃性吸収材が混入されていて該外層の厚さよ
りも薄い厚さを有するジルコニウム合金の中間層
と、該中間層の厚さよりも薄い厚さを有するジル
コニウム金属の内層とから成つている。複合管の
各層は、一体的なユニツトとして互いに接合さ
れ、原子炉の燃料棒に用いられる。 ジルコニウム合金は、好ましくは、ジルカロイ
であり、好ましいホウ素含有可燃性吸収材は、ホ
ウ化ジルコニウムである。また、快適な実施例に
よれば、外層の厚さは約0.38mm（15ミル）、中間
層の厚さは約0.07〜0.13mm（３〜５ミル）、内層
の厚さは約0.025〜0.050mm（１〜２ミル）であ
る。 詳細な説明 本発明は、ホウ素含有可燃性吸収材を内部に一
体的に組み込んだ複合材料である燃料被覆管と、
この被覆管を含む燃料棒とを提供する。 第１図を参照すると、複合被覆管（核燃料被覆
管）１が横断面により図示されている。複合被覆
管１は、第１の厚さを備えたジルコニウム合金製
の管状外層３と、外層３の厚さよりも薄い第２の
厚さを有し、ホウ化ジルコニウムのようなホウ素
含有材料とジルコニウム合金との混合物から形成
されている中間層５とから成り、中間層５は、管
状外層３の内壁７に接合されている。中間層５の
厚さよりも薄い厚さのジルコニウム金属の内層９
は、中間層５の内面１１に接合されている。 外層３は、原子炉において使用可能な合金元素
を約５重量％以下含むジルコニウム合金から形成
されている。このようなジルコニウム合金は、ジ
ルコニウム金属の機械的特性及び／又は耐食性を
改善する元素を含有する。これ等の合金の形成に
用いられる要素としては、ニオブ、酸素、錫、
鉄、クロム、ニツケル、モリブデン、銅、バナジ
ウム等がある。特に有用な合金は、ニオブを約
2.5％含有するジルコニウム合金と、ジルカロイ
−２及びジルコニウム−４として知られるジルコ
ニウム合金である。ジルカロイ−２は、錫約1.2
〜1.7重量％、鉄約0.07〜0.20重量％、クロム0.05
〜0.15重量％、ニツケル約0.03〜0.08重量％、ジ
ルコニウム残量から成り、ジルカロイ−４は、錫
約1.2〜1.7重量％、鉄0.12〜0.18重量％、クロム
0.05〜0.15重量％、ジルコニウム残量から成る。
中間層５も、外層３について前述した合金のよう
なジルコニウム合金、好ましくは、外層３と同一
の合金から形成され、この合金にはホウ素含有可
燃性吸収材が混入されている。ホウ素含有可燃性
吸収材は、天然ホウ素のようなホウ素化合物、濃
縮ホウ素（天然ホウ素よりも同位元素B¹⁰を高い
重量百分比で含有するホウ素）、ホウ化ジルコニ
ウム（ZrB₂）、炭化ホウ素（B₄C）、窒化ホウ素
（BN）その他から選択される。ホウ素含有可燃
性吸収材は、ジルコニウム合金に対し３重量％よ
り少ない量がジルコニウム合金全体に分散され、
混合物は、ジルコニウム合金の外層の内面に接合
された中間層中に形成される。 内層９は、ジルコニウム金属層であり、中間層
５の厚さよりも薄い厚さを有し、中間層５の内面
１１に接合されることにより、ホウ素含有可燃性
吸収材が一体的に合体された管状複合被覆管が形
成される。ジルコニウムの内層９は、燃料ペレツ
トと被覆管との相互作用による被覆管に起こる可
能性のある破損や応力腐食の問題を防止する。こ
こに、燃料ペレツトと被覆管との相互作用とは、
沃素、カドミウム、或は原子炉の運転中に燃料か
ら放出されるその他の揮発性元素のような揮発性
の核分裂物質による被覆管に対する腐食作用を意
味している。この腐食作用と運転時の被覆管の応
力とが組み合わさつて、金属製被覆管の応力腐食
割れや最終的には管状被覆管の壁部の貫通が起こ
る。更に、照射中に、ホウ素含有可燃性吸収材に
よつて、ヘリウムガスが中間層に発生する。ジル
コニウム金属の内層は、管状被覆管の内部スペー
スにこのヘリウムガスが進入することを阻止す
る。 中間層５は、もつと厚いジルコニウム合金の管
状外層３を外面に有すると共に、もつと薄いジル
コニウムの内層９を内面に有するので、中間層５
は、外層３と接触する原子炉の冷却材の作用も、
内層９と接触する燃料ペレツト及びその放出生成
物の作用も受けない。 管状外層３は、最大の断面積を有することによ
り、被覆管の通常の機能を果たしている、即ち、
燃料ペレツトを閉じ込めておくと共に、燃料と、
放出生成物と、燃料要素が置かれる冷却材とによ
る腐食に抗する機械的な健全性及び強度を備えて
いる。第３図に示すように、ジルコニウム合金の
外層３は、少なくとも約0.38mm（15ミル）に等し
い第１の厚さＡを有する。中間層５（ホウ素含有
可燃性吸収材を含むジルコニウム合金）は、厚さ
Ａよりも薄い例えば約0.07−0.13mm（３−５ミ
ル）の第２の厚さＢを有する。この厚さは、使用
したホウ素含有可燃性吸収材の種類と所望の可燃
性吸収材の量とに依存する。ジルコニウム金属の
内層９の厚さＣは、第２の厚さＢよりも薄く、約
0.025〜0.050mm（１〜２ミル）であることが好ま
しい。内層９は、最も薄い層であり、中間層５を
燃料ペレツトから遮断するために用いられてい
る。複合被覆管１の全厚Ａ＋Ｂ＋Ｃは、約0.46〜
0.56mm（18〜22ミル）である（ただしＡ＞Ｂ＞
Ｃ）。多くの場合、管状外層Ａの厚さが大きいた
め、外層Ａの厚さは、中間層５及び内層９の厚さ
の和の少なくとも２倍である（Ａ＞（Ｂ＋Ｃ））。 ホウ素含有可燃性吸収材を含有する中間層５
は、所望の特定の吸収材含量を与えるように製造
することができる。特別の用途においての可燃性
吸収材の濃度は、燃料要素を使用する原子炉の運
転中の照射挙動、製造可能性及び原子炉系統の要
求に依存する。原子炉系統の同一の要求につい
て、可燃性吸収材の濃度は、ホウ素含量可燃性吸
収材のB¹⁰濃縮度又は中間層の厚みを変えること
によつて調節できる。 ジルカロイ−４合金中にホウ化ジルコニウム
（ZrB）の中間層５（厚さ0.13mm＝５ミル）を使
用した場合にホウ素含有吸収材の量をどのように
定めるかについての主要なパラメーターは次の通
りである。

【表】

【表】 Ｃ、Ｖの相互的な関係は次の通りである。 Ｃ＝V1／Vρ₁＋（１−Ｖ）ρ₂＝6.09V／6.55−0.46V
Ｖ＝ 6.55C／6.09＋0.46C 単位長さ当たりのB¹⁰含量は次式によつて得ら
れる。 Ｂ＝πDτ×（2.54）²×Ｖ×ρ₁×Ｅ／100 VE＝Ｂ×100／πDτ（2.54）²ρ₁F_B＝2.26B Ｖ＝1.356／Ｅ（ｖ／ｏ ofZrB₂） 典型的な軽水炉の場合には、混合物層中におけ
るZrB₂濃度は、層の厚さとホウ素B¹⁰濃縮度とを
調節することによつて、製造可能性の範囲内で容
易に調節することができる。 管状の複合被覆管は、種々の方法によつて形成
される。一例として、最終的な管において所望さ
れるよりも厚みを大きくした構造体となるよう
に、粉末冶金法によつて中間層を形成し、この中
間層を、やはり最終製品について所望されるもの
よりも大きな厚さの構造体の管状外側部材に挿入
し、２つの構造体をピルガー製管法のような冷間
圧延加工によつて縮径し、所望の直径及び厚さと
して、２つの層を互いに接合し、中間層の内面上
にジルコニウムの内層を被覆し、所望の管状複合
被覆管とする。 本発明による被覆管１を用いた燃料要素１３
は、第２図及び第３図に示すように、燃料ペレツ
ト１５を気密に封止するように用いられる。燃料
ペレツト１５は、慣用されるように、濃縮二酸化
ウランの焼結ペレツト、或はウラン及び二酸化プ
ルトニウムの混合物の焼結ペレツトであることが
好ましい。これ等のペレツトは、ジルカロイ製の
下部端栓１７（管状複合被覆管に予め溶接され
る）と、溶接されるジルカロイ製の上部端栓１９
とによつて、被覆管１中に保持される。頂部のペ
レツトとジルカロイ製上部端栓１９との間にボイ
ドスペース又はプレナム２１が形成されている。
複合被覆管１の内層９とペレツトとの間の〓間２
５（第３図）と共に、ばね２３のような付勢手段
によつて、ペレツト１５を被覆管１中に保持す
る。〓間２５とプレナム２１とは、約２〜３気圧
（標準状態）に加圧された高純度ヘリウムのよう
な高熱伝導度の不活性雰囲気によつて満たされ
る。 本発明による複合被覆管は、燃料ペレツトの製
造ラインから可燃性吸収材の取り扱いを分離する
と共に、燃料棒にホウ素含有可燃性吸収材を使用
することに関係した利点を与える。また、可燃性
吸収材の照射によるヘリウムガスは、管の内部ス
ペースに入ることはなく、ペレツトと被覆管との
相互作用を防止する改善された特性が得られる。
更に、本発明は、使用可能な可燃性吸収材の量
と、燃料棒の製造段階の後工程における燃料棒中
の該吸収材のパターンとについて、より多様な融
通性を与える。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の複合被覆管の横断面図、第
２図は、本発明による原子炉燃料要素の部分的な
縦断面図、第３図は、複合被覆管を直径を通る縦
断面によつて示した、第２図の燃料要素の拡大断
面図である。 １……核燃料被覆管、３……管状外層、５……
中間層、７……管状外層の内壁、９……内層、Ａ
……第１の厚さ、Ｂ……第２の厚さ、Ｃ……内装
の厚さ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 核燃料を閉じ込めておくために原子炉内で使
   用され、内部に可燃性吸収材が一体的に組み込ま
   れ、中空複合管として形成された核燃料被覆管で
   あつて、 基本的にジルコニウム合金から成る、第１の厚
   さを有する管状外層と、 基本的にホウ素含有物質とジルコニウム合金と
   の混合物から成り、前記第１の厚さよりも薄い第
   ２の厚さを有し、前記管状外層の内壁に接合され
   た中間層と、 前記第２の厚さよりも薄い厚さを有し、該中間
   層に接合された、ジルコニウム金属から成る内層
   と、 から構成される核燃料被覆管。