JPH0640136B2 - 核燃料用被覆管 - Google Patents

核燃料用被覆管

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JPH0640136B2
JPH0640136B2 JP60175875A JP17587585A JPH0640136B2 JP H0640136 B2 JPH0640136 B2 JP H0640136B2 JP 60175875 A JP60175875 A JP 60175875A JP 17587585 A JP17587585 A JP 17587585A JP H0640136 B2 JPH0640136 B2 JP H0640136B2
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JP
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zirconium
cladding tube
nuclear fuel
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iron
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博道 今橋
利雄 久保
恵造 緒方
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Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
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Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

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、特に軽水冷却型原子炉の核燃料用被覆管に関する
ものである。
〔発明の背景〕
第6図は通常の核燃料要素の断面図である。図におい
て、1は被覆管、2は燃料ペレツト、3a,3bは端
栓、4はプレナム、5はスプリング、6はライナ層であ
る。被覆管1内は、ウラン酸化物からなる多数の燃料ペ
レツト2が積層収納されると共に両端開口は端栓3a,
3bで密封されている。尚、核燃料要素上部にはガス溜
め用プレナム4が設けられると共に燃料ペレツト2を安
定に支持するためのスプリング5が配設されている。
上記のように構成された核燃料要素において、被覆管1
には燃料ペレツト2から放出された放射性核分裂生成物
が冷却材中に浸入することを阻止する機能が要求され
る。しかしながら、現在までの運転経験によると高燃焼
度時において被覆管1は、腐食性核分裂生成物との化学
反応及び燃料ペレツト2の熱膨張によつて被覆管1に発
生する応力の重畳作用に基づく応力腐食割れが発生する
ことがわかつてきた。
上記のような被覆管1の応力腐食割れを防ぐために、第
6図のように被覆管1の内表面に、例えば、厚さが80
〜100μmの純ジルコニウムのライナ層6を設けたい
わゆるジルコニウムライナ被覆管が開発されている。純
ジルコニウムのライナ層6は、被覆管1と腐食性核分裂
生成物との接触を防ぐとともに、被覆管1に発生する局
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。
しかしながら、純ジルコニウムライナ層6中には実質的
に多かれ少なかれ不純物が含有されており、不純物の種
類及びそれらの含有量によつては応力腐食割れ低減効果
がそこなわれる。このため従来は、高純度のクリスタル
バージルコニウムやスポンジジルコニウムの高純度な部
分を使用し、不純物の含有量をできるだけ低くしたジル
コニウムライナ材が使用されていた。
〔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、被覆管
の応力腐食割れの危険性を低減でき信頼性を向上できる
核燃料用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〕
本発明の核燃料用被覆管は、内側のジルコニウムライナ
層と、外側のジルコニウム合金の被覆管とからなり、上
記ジルコニウムライナ層中の酸素濃度aと鉄濃度bとの
比、a/bが1.0より大きく、かつ、該ジルコニウム
ライナ層中に含有されている不純物がジルコニウムマト
リツクス中に固溶されているものである。
本発明は、ジルコニウムライナ層の不純物総量が5000p
pm以下であることが好ましく、その中に含まれる酸素
と鉄とについて、酸素濃度a(ppm)と鉄濃度b(p
pm)の比a/bの値を上記のように1.0より大きく
すると共に、ジルコニウムライナ層中に含有されている
不純物がジルコニウムマトリツクス中に固溶されている
ことにより、応力腐食割れに対する感受性の低いジルコ
ニウムライナとなるようにし応力腐食割れを防止するも
のである。
従来は不純物のなかで酸素がジルコニウムの機械的強度
を高めることから特に酸素濃度が重要な因子と考えられ
ており、またこの反面、酸素濃度を一定値以下に抑える
技術思想は、特公昭55-33037号公報及び特開昭54-59600
号公報に開示されている。しかしながら本発明者らが最
近行なつた実験結果によると、酸素濃度よりも鉄濃度が
より重要な因子であることがわかつた。第5図は横軸に
不純物含有量をとり縦軸に応力腐食割れ感受性をとつて
示した最近行なつた実験結果によるジルコニウムの応力
腐食割れ感受性に及ぼす酸素濃度及び鉄濃度の影響を示
したものである。酸素濃度は顕著な影響を及ぼさないの
に対し、鉄濃度が増加すると応力腐食割れが生じ易くな
ることを示している。この原因は、ジルコニウムと鉄の
金属間化合物の粒子が存在するためであることがわかつ
た。
ところで、現在製造されている核燃料要素の被覆管1の
ジルコニウムライナ層6の場合、酸素濃度a(ppm)
と鉄濃度b(ppm)との比、a/bの値がおよそ1.
0に近く、酸素濃度と鉄濃度とがほぼ同じ割合にある。
即ち、現行のジルコニウムライナ材は、酸素濃度及び鉄
濃度がそれぞれ200ppm以下という極めて高純度の
クリスタルバージルコニウム、あるいは酸素濃度及びジ
ルコニウム濃度がそれぞれ500ppmから1000ppm
のスポンジジルコニウムが考えられている。本発明は第
5図に示されている実験結果に基づいてなされたもので
あり、スポンジジルコニウム中の鉄を除去し鉄濃度を少
なくすることにより、即ち、酸素濃度a及び鉄濃度bの
比a/bの値を1.0より大きくすることにより、クリ
スタルバージルコニウムと同等の低い応力腐食割れ感受
性を有するようにするものである。そして、本発明は、
鉄含有による応力腐食割れ感受性をさらに改善するため
に、固溶化処理を施こすことである。固溶化処理は、鉄
以外にもジルコニウムと金属間化合物を形成する不純物
元素、即ち、Cr,Ni,Si,C,W,Alなどに対
しても有効である。
また、本発明者らは、ジルコニウムマトリツクス中にジ
ルコニウムとの金属間化合物(以下第二相粒子と称す)
が多く存在する程、ジルコニウムライナの応力腐食割れ
低減効果が損なわれることを発見した。即ち、よう素
(核分裂生成物)中の応力腐食環境下で、約0.1μm
以上の第二相粒子がジルコニウムの結晶粒界、結晶粒内
を問わず不規則に分散していると、第二相粒子の析出領
域が応力集中場となり、き裂の発生及び進展を大幅に助
長することがわかつた。従つて、第二相粒子を生成する
不純物に着目し、それらをジルコニウムマトリツクス中
に強制的に固溶させておけば第二相粒子は析出量が少な
くなり、純ジルコニウム層の本来の目的である応力腐食
緩和効果が発揮されるのである。
〔発明の実施例〕
以下本発明の核燃料用被覆管を実施例を用い従来と同部
品は同符号を用い図面により説明する。第1図は純ジル
コニウムライナ層6を有する被覆管の製造工程を示す。
ジルコニウムライナ層6は酸素濃度a、及び鉄濃度bの
比、a/b>1なるライナ材とし、かつ、第1図の製造
工程中、以下の(A),(B),(C)の工程を加える
ものである。
(A)ジルコニウム中空ビレツト(ライナ層6)の固溶
化処理 (B)熱間押出後、素管の固溶化処理 (C)最終焼鈍後、ジルコニウムライナ被覆管の固溶化
処理 本実施例においては、上記(A),(B),(C)の工
程のすべてを適用することが最も効果的である。しか
し、工程(A),(B),(C)の何れか1つを加えて
もよい。特に、工程(C)を加えることは効果的であ
る。
第二相粒子の析出量は少なければ少ない程好ましいが、
上記したように、応力腐食割れは第二相粒子の存在する
部分を核として確率的に生ずる現象であるため、実質的
に観測できる第二相粒子のうち、約0.1μm以上のも
のの数を、本発明を適用しない従来のものの50%以下
におさえることにより、十分に改善効果が得られる。
固溶化処理は、上記不純物元素をジルコニウム中に再固
溶させるため、800℃あるいは860℃、即ち、ジル
コニウムの変態温度(862℃)近傍よりライナとして
用いるジルコニウムに固溶化処理を施こし、均一に第二
相粒子を再固溶させる。さらには、固溶化処理による焼
入歪を除去するために、第二相粒子を再析出させない程
度の低温域で歪取り焼鈍を施こす。
第2図は横軸に鉄濃度をとり縦軸に酸素濃度をとつて示
した、本発明者らの先願(特願昭59-46300号)に記載し
た鉄及び酸素濃度の比の異なるジルコニウムライナ管の
応力腐食試験結果である。そして、これに加えた第2図
中の試料7,8,9は、本発明を実施した試料を記載し
たものであり、試料7,8,9は、評価○(性能がすぐ
れている)であつたものが本発明を実施したことにより
評価◎(性能がきわめてすぐれている)となり、本発明
の効果が明らかである。そして、第2図の試料7,8,
9以外の◎は良好な材料のジルコニウムを使用したもの
である。尚、試験条件は次の通りである。また、試料
7,8,9の不純物分析値は第1表に示す通りである。
試験条件 よう素濃度:0.20torr ひずみ速度:10-6〜10-3sec-1 試験温度 :350℃ 試料7,8,9は、上記した如く第1図の工程によつて
製作され、そして、最終焼鈍後に850℃、2時間、真
空中で加熱し室温まで急冷した。さらに、試料を530
℃で2時間真空中で焼鈍した。第3図に試料7のジルコ
ニウムライナ層内面の走査型電子顕微鏡写真を示す。
(イ)は上記の固溶化処理前の写真、(ロ)は固溶化処
理後の写真である。固溶化処理により第二相粒子の析出
数がきわめて少なくなつていることがわかる。
第4図は、純ジルコニウム内に含まれている不純物の総
量、即ち、(Fe+Cr+Ni+Si+W+Al+C)
量を横軸にとり、縦軸に応力腐食割れ感受性指標である
平均周方向破断歪をとつた両者の関係を示す説明図であ
る。第4図に示した結果は、歪集中方式による応力腐食
割れ試験を実施した結果を示したものであり、試験条件
は下記の通りである。
試験条件 よう素濃度:1mg/cm2 歪速度 :1×10-3min-1 試験温度 :350℃ また、第2表に、用いた3種類のジルコニウムライナ管
A,B,Cのライナ層6の不純物濃度を示す。いずれも
酸素濃度と鉄濃度との比は、1.0より大きいものであ
る。そして、特性10は本発明の固溶化処理を施したも
の、特性11は固溶化処理を施さないものである。その
結果、上記不純物量の増加と共にいずれも破断歪が低下
するが、本発明のものはいずれも破断歪が高めである。
即ち、応力腐食割れ感受性が低くなることがわかる。
尚、固溶化処理は第2図の場合と同様である。
このように本実施例の核燃料用被覆管は、ジルコニウム
ライナ層中の酸素濃度と鉄濃度との比が1.0より大き
く、かつ、ジルコニウムライナ層中に含有されている不
純物ジルコニウムマトリツクス中に固溶されているの
で、ジルコニウムライナ層による応力腐食割れ防止機能
が十分に発揮されて被覆管の応力腐食割れの危険性を著
しく低減でき信頼性を向上できる。
〔発明の効果〕
以上記述した如く本発明の核燃料用被覆管は、被覆管の
応力腐食割れの危険性を著しく低減でき信頼性を向上で
きる効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の核燃料用被覆管の実施例の製造工程説
明図、第2図は第1図の製造工程で製造された被覆管の
鉄、酸素濃度と応力腐食割れ感受性の関係説明図、第3
図(イ),(ロ)はそれぞれ第1図の工程の固溶化処理
前及び後のライナ層表面の走査型電子顕微鏡写真、第4
図は第1図の工程で製造されたライナ層の不純物総量と
平均周方向破断歪との関係説明図、第5図は鉄、酸素の
不純物含有量と応力腐食割れ感受性との関係説明図、第
6図は通常の核燃料要素の縦断面図である。 1…被覆管、6…ライナ層。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内側のジルコニウムライナ管と、外側のジ
    ルコニウム合金の被覆管とからなるものにおいて、上記
    ジルコニウムライナ層中の酸素濃度aと鉄濃度bとの
    比、a/bが1.0より大きく、かつ、該ジルコニウム
    ライナ層中に含有されている不純物がジルコニウムマト
    リツクス中に固溶されていることを特徴とする核燃料用
    被覆管。
  2. 【請求項2】上記不純物が、鉄、クロム、ニツケル、け
    い素、炭素、タングステン及びアルミニウムなどのジル
    コニウムと金属間化合物を生成する元素である特許請求
    の範囲第1項記載の核燃料用被覆管。
  3. 【請求項3】上記ジルコニウムライナ層が、ジルコニウ
    ムの変態温度近傍で加熱された後室温まで急冷される固
    溶化処理と、該固溶化処理の後での歪とり焼鈍処理とを
    受けている特許請求の範囲第1項記載の核燃料用被覆
    管。
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