JPH065312B2 - 複合核燃料被覆管 - Google Patents
複合核燃料被覆管Info
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- JPH065312B2 JPH065312B2 JP61190724A JP19072486A JPH065312B2 JP H065312 B2 JPH065312 B2 JP H065312B2 JP 61190724 A JP61190724 A JP 61190724A JP 19072486 A JP19072486 A JP 19072486A JP H065312 B2 JPH065312 B2 JP H065312B2
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-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
-
- 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
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- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の背景〕 この発明は、ジルコニウム基合金上にチタン被覆を有す
る水冷却型原子炉の内部構造に関する。この発明は特に
水冷却型原子炉用燃料棒の被覆に関する。
る水冷却型原子炉の内部構造に関する。この発明は特に
水冷却型原子炉用燃料棒の被覆に関する。
軽水型原子炉用核燃料被覆は、高温、高圧の含水液体中
または水蒸気条件下またはそれら両者中で耐食性を有し
ていなければならない。さらに、核燃料被覆は十分な構
造上の機械的強度と低熱中性子吸収断面積を有していな
ければならない。
または水蒸気条件下またはそれら両者中で耐食性を有し
ていなければならない。さらに、核燃料被覆は十分な構
造上の機械的強度と低熱中性子吸収断面積を有していな
ければならない。
軽水型原子炉用燃料被覆として選定された初期の材料は
ジルコニウムであった。しかも間もなく、強度および耐
食性がジルコニウムよりも改善された材料が望ましいこ
とが判明した。ジルコニウム燃料被覆の耐食性および／
または強度を改善する開発研究は２つの大まかな領域に
分けられる：(1)合金元素を添加することにより耐食性
および／または強度を改善しようとする研究；および
(2)ジルコニウム被覆を非ジルコニウムをベースとした
材料で被覆することにより、耐食性および／または強度
を改善しようとする研究。ジルコニウム基合金の領域に
おける研究が結局実を結び、核燃料被覆として用いられ
る多くの工業的ジルコニウム基合金が得られ、これら工
業的ジルコニウム基合金にはジルカロイ−２およびジル
カロイ−４が包含される。
ジルコニウムであった。しかも間もなく、強度および耐
食性がジルコニウムよりも改善された材料が望ましいこ
とが判明した。ジルコニウム燃料被覆の耐食性および／
または強度を改善する開発研究は２つの大まかな領域に
分けられる：(1)合金元素を添加することにより耐食性
および／または強度を改善しようとする研究；および
(2)ジルコニウム被覆を非ジルコニウムをベースとした
材料で被覆することにより、耐食性および／または強度
を改善しようとする研究。ジルコニウム基合金の領域に
おける研究が結局実を結び、核燃料被覆として用いられ
る多くの工業的ジルコニウム基合金が得られ、これら工
業的ジルコニウム基合金にはジルカロイ−２およびジル
カロイ−４が包含される。
ジルコニウム燃料被覆をさらに被覆する領域における開
発研究は、本発明者の知る限りでは成功しなかった。し
かし、これらの研究には、ベリリウム、インコネル、モ
ネル〔インコネルおよびモネルは、それぞれニッケル−
クロム合金およびニッケル−銅合金に関するインコ・ア
ロイズ・インターナショナル・インコーポーレーテッド
（INCO Alloys International Inc.）の登録商標であ
る〕、ニッケル、鉄、モリブデン、白金、銀、18-8ステ
ンレス鋼、タンタルおよびチタンからなる被覆について
の調査が含まれる。これらの材料のうちでチタンだけ
が、もろい金属間化合物を含まない延性を有するジルコ
ニウムとの治金学的結合を生じることが可能であったの
にすぎない。しかし、チタンの熱中性子吸収断面積はジ
ルコニウムに比べて非常に大きい（チタンの熱中性子吸
収断面積はほぼ5.6（バーン；barns）であるのに対して
ジルコニウムは0.18）。さらに、チタンの水に対する耐
食性は、ジルコニウムのそれより良くないということが
研究者により報告されている。
発研究は、本発明者の知る限りでは成功しなかった。し
かし、これらの研究には、ベリリウム、インコネル、モ
ネル〔インコネルおよびモネルは、それぞれニッケル−
クロム合金およびニッケル−銅合金に関するインコ・ア
ロイズ・インターナショナル・インコーポーレーテッド
（INCO Alloys International Inc.）の登録商標であ
る〕、ニッケル、鉄、モリブデン、白金、銀、18-8ステ
ンレス鋼、タンタルおよびチタンからなる被覆について
の調査が含まれる。これらの材料のうちでチタンだけ
が、もろい金属間化合物を含まない延性を有するジルコ
ニウムとの治金学的結合を生じることが可能であったの
にすぎない。しかし、チタンの熱中性子吸収断面積はジ
ルコニウムに比べて非常に大きい（チタンの熱中性子吸
収断面積はほぼ5.6（バーン；barns）であるのに対して
ジルコニウムは0.18）。さらに、チタンの水に対する耐
食性は、ジルコニウムのそれより良くないということが
研究者により報告されている。
ジルカロイ−２および−４は、その低熱中性子断面積
（約0.22バーン）、高い強度および比較的良好な水に対
する耐食性のゆえに、工業的軽水型原子炉用燃料被覆お
よび構造部材の合金として選定されている。このジルカ
ロイ部材の耐食性は熱処理、たとえばベータ焼入れによ
り、さらに改善される。
（約0.22バーン）、高い強度および比較的良好な水に対
する耐食性のゆえに、工業的軽水型原子炉用燃料被覆お
よび構造部材の合金として選定されている。このジルカ
ロイ部材の耐食性は熱処理、たとえばベータ焼入れによ
り、さらに改善される。
本発明者らは、従来の研究者のこれまでの結果とは逆
に、チタンおよびその合金が水に対する耐食性の領域に
おいて、ジルカロイより大きい利点を有することを見出
した。
に、チタンおよびその合金が水に対する耐食性の領域に
おいて、ジルカロイより大きい利点を有することを見出
した。
従って、この発明はジルコニウム基合金からなる第１層
（内層）と、その上に設けられた公称３ｗ／ｏＡｌおよ
び２．５ｗ／ｏＶを含有するアルファおよびベータチタ
ン合金からなり第２層（外層）とを有する、長い複合核
燃料被覆管または他の該要素を提供するものである。
（内層）と、その上に設けられた公称３ｗ／ｏＡｌおよ
び２．５ｗ／ｏＶを含有するアルファおよびベータチタ
ン合金からなり第２層（外層）とを有する、長い複合核
燃料被覆管または他の該要素を提供するものである。
チタン材料の組成は、３６０℃（６８０゜F、１８９kg／
cm2（２７００psi）圧の水中でのチタン材料の水に対す
る長時間腐食率が、同一条件におけるジルカロイ−４の
水に対する遷移後腐食率の約1/10あるいはそれ以下であ
るように選定される。選定されたチタン材料の腐食率が
前述の条件において、ジルカロイ−４のそれの1/100あ
るいはそれより小さいことがさらに好ましい。
cm2（２７００psi）圧の水中でのチタン材料の水に対す
る長時間腐食率が、同一条件におけるジルカロイ−４の
水に対する遷移後腐食率の約1/10あるいはそれ以下であ
るように選定される。選定されたチタン材料の腐食率が
前述の条件において、ジルカロイ−４のそれの1/100あ
るいはそれより小さいことがさらに好ましい。
チタン材料層が、約0.1mm（約0.004インチ）より薄い肉
厚を有することが好ましく、また約0.025mm（約0.001イ
ンチ）より薄ければさらに好ましく、かつ約0.013mm
（約0.0005インチ）より薄いことが最も好ましい。チタ
ン材料層は、少なくとも約0.00036mm（約0.000014イン
チ）の肉厚を有することが好ましい。
厚を有することが好ましく、また約0.025mm（約0.001イ
ンチ）より薄ければさらに好ましく、かつ約0.013mm
（約0.0005インチ）より薄いことが最も好ましい。チタ
ン材料層は、少なくとも約0.00036mm（約0.000014イン
チ）の肉厚を有することが好ましい。
この発明の前述ならびに他の特徴は、図面及び図面に関
連するこの発明の詳細な説明から明らかになるであろ
う。
連するこの発明の詳細な説明から明らかになるであろ
う。
発明の詳細な記載 本質的に公称３ｗ／ｏＡｌおよび２．５ｗ／ｏＶを含有
するアルファ（稠密六方格子構造）およびベータ（体心
立方格子構造）チタン合金が、ジルカロイ−２および−
４に比較して非常に改善された水に対する耐食性を有す
ることが見出された。これらの知見により、冷却水に接
触するチタン材料からなる外層を備えるようにした、水
型原子炉用複合該燃料被覆および他の内部構造部材を構
成することが可能となった。前述のように、チタンは水
に対する耐食性がジルコニウムの水に対する耐食性とほ
ぼ同等であるが、ジルコニウムに比較して高い熱中性子
断面積をもつものと業界において一般に考えられてお
り、このことが当業者をして熱中性子炉たとえばBWRs
（沸騰水型原子炉）およびPWRs（加圧水型原子炉）に用
いる材料としてのチタンおよびチタン合金を軽視させる
ようになった。
するアルファ（稠密六方格子構造）およびベータ（体心
立方格子構造）チタン合金が、ジルカロイ−２および−
４に比較して非常に改善された水に対する耐食性を有す
ることが見出された。これらの知見により、冷却水に接
触するチタン材料からなる外層を備えるようにした、水
型原子炉用複合該燃料被覆および他の内部構造部材を構
成することが可能となった。前述のように、チタンは水
に対する耐食性がジルコニウムの水に対する耐食性とほ
ぼ同等であるが、ジルコニウムに比較して高い熱中性子
断面積をもつものと業界において一般に考えられてお
り、このことが当業者をして熱中性子炉たとえばBWRs
（沸騰水型原子炉）およびPWRs（加圧水型原子炉）に用
いる材料としてのチタンおよびチタン合金を軽視させる
ようになった。
本発明者によりチタンおよびその合金が高い耐食性をも
つことを見出したことがチタン材料からなる外側薄層を
有する複合燃料被覆を構成することを可能にした。チタ
ン層は360℃(680゜F)、１８９kg／cm2（２７００psi）の
水中での長期腐食率が同一条件におけるジルカロイ−４
のそれの約1/10あるいはそれより小さいことが好まし
く、さらにジルカロイ−４のそれの約1/100に等しい
か、あるいはそれより小さいことが好ましい。
つことを見出したことがチタン材料からなる外側薄層を
有する複合燃料被覆を構成することを可能にした。チタ
ン層は360℃(680゜F)、１８９kg／cm2（２７００psi）の
水中での長期腐食率が同一条件におけるジルカロイ−４
のそれの約1/10あるいはそれより小さいことが好まし
く、さらにジルカロイ−４のそれの約1/100に等しい
か、あるいはそれより小さいことが好ましい。
このように耐食性が非常に増進されているために耐食性
が増進された被覆を得るのに薄肉のチタン層をジルコニ
ウム合金燃料被覆管の外面に接合するだけで良い。従っ
て、チタンの高熱中性子断面積の不利な影響は最少にな
る。本発明では外層のチタン材料は約0.1mm(約０．００
４インチ）より薄い肉厚を有すべきことを意図するもの
であり、さらに０．０２５mm（０．００１インチ）より
も薄いことが好ましく、０．０１３ｍｍ（0.0005イン
チ）より薄いことが最も好ましい。最も薄肉の被覆は、
チタンの高熱中性子断面積の作用を最少にするために好
ましい。選定された肉厚により、複合被覆は通常のロー
ル接合（すなわち、共押出しに続く冷間ピルガー加工お
よび焼なまし処理）により、またはPVD（物理蒸着）技
法により、またはCVD（化学蒸着）技法により製造され
る。
が増進された被覆を得るのに薄肉のチタン層をジルコニ
ウム合金燃料被覆管の外面に接合するだけで良い。従っ
て、チタンの高熱中性子断面積の不利な影響は最少にな
る。本発明では外層のチタン材料は約0.1mm(約０．００
４インチ）より薄い肉厚を有すべきことを意図するもの
であり、さらに０．０２５mm（０．００１インチ）より
も薄いことが好ましく、０．０１３ｍｍ（0.0005イン
チ）より薄いことが最も好ましい。最も薄肉の被覆は、
チタンの高熱中性子断面積の作用を最少にするために好
ましい。選定された肉厚により、複合被覆は通常のロー
ル接合（すなわち、共押出しに続く冷間ピルガー加工お
よび焼なまし処理）により、またはPVD（物理蒸着）技
法により、またはCVD（化学蒸着）技法により製造され
る。
以下の実施例はこの発明をさらに明瞭に説明するための
ものであり、単なる発明の例示態様である。商業的に純
粋なチタンとチタン合金（Ti−3Al−2.5Ｖ）が水環境内
で評価された。供試材料は管で、その寸法は12.8mm（0.
502インチ）の外径／0.91mm（0.036インチ）の肉厚、1
2.7mm（0.500インチ）の外径／0.91mm（0.036インチ）
の肉厚、および15.9mm（0.625インチ）の外径／0.81mm
（0.032インチ）の肉厚で、それぞれ第２グレードの純
度のチタン継目無し管純粋チタン溶接管、およびTi−3A
l−2.5Ｖ合金継目無し管である。商業的に純粋なチタン
材料の販売者保証値を表Ｉに要約する。本発明で使用さ
れる、公称ｗ／ｏＡｌおよび２．５ｗ／ｏＶを含有する
アルファおよびベータチタン合金（Ｔｉ−３Ａｌ−２．
５Ｖ）は通常以下の組成限界を有する（重量％）：2.5
〜3.5Al；2.0〜3.0Ｖ；最大0.12のＯ；最大の0.002の
Ｎ；最大0.10のＣ；最大0.25のFe；最大0.013のＨ；残
りはTiおよび微少不純物〔ASTM B338〜83グレード、お
よびSAE規格AMS４９４３Ｃ（１９８５版）およびAMS４
９４４Ｃ（１９８５版）参照〕である。
ものであり、単なる発明の例示態様である。商業的に純
粋なチタンとチタン合金（Ti−3Al−2.5Ｖ）が水環境内
で評価された。供試材料は管で、その寸法は12.8mm（0.
502インチ）の外径／0.91mm（0.036インチ）の肉厚、1
2.7mm（0.500インチ）の外径／0.91mm（0.036インチ）
の肉厚、および15.9mm（0.625インチ）の外径／0.81mm
（0.032インチ）の肉厚で、それぞれ第２グレードの純
度のチタン継目無し管純粋チタン溶接管、およびTi−3A
l−2.5Ｖ合金継目無し管である。商業的に純粋なチタン
材料の販売者保証値を表Ｉに要約する。本発明で使用さ
れる、公称ｗ／ｏＡｌおよび２．５ｗ／ｏＶを含有する
アルファおよびベータチタン合金（Ｔｉ−３Ａｌ−２．
５Ｖ）は通常以下の組成限界を有する（重量％）：2.5
〜3.5Al；2.0〜3.0Ｖ；最大0.12のＯ；最大の0.002の
Ｎ；最大0.10のＣ；最大0.25のFe；最大0.013のＨ；残
りはTiおよび微少不純物〔ASTM B338〜83グレード、お
よびSAE規格AMS４９４３Ｃ（１９８５版）およびAMS４
９４４Ｃ（１９８５版）参照〕である。
表 Ｉ チタン材料の販売者保証書 1.継目無し管 仕様；ASTM B338＊グレード２ 化学組成（重量％）＊＊ Ｃ：0.009、Ｎ：0.006、Ｏ：0.114、Ｆｅ：0.039、Ｈ：
0.0022、Ti：残り 機械的性質 降伏点：7.05kg／cm2（45.5ksi）、最高引張り強さ（UT
S）：11.2kg／cm2（72.5ksi）、 伸び：34.0％ 販売者：チコ・チタニウム（Tico Titanium） 2.溶接Ti管 仕様；ASTM B338グレード２ 化学組成（重量％）＊ Ｃ：0.012、Ｎ：0.011、Ｏ：0.10、Ｆｅ：0.18、Ｈ：0.
007、Ti：残り 機械的性質： 降伏点：9.6kg／cm2（６２ksi）、UTS：12.8kg／cm2（8
2.5ksi）、伸び：３１％ 販売者：チタニウム・メタルス・コーポレーション・オ
ブ・アメリカ（Titanium Metals Corporation of Ameri
ca） ＊この管はASTM B338グレード１の化学的要件も満たし
ている。
0.0022、Ti：残り 機械的性質 降伏点：7.05kg／cm2（45.5ksi）、最高引張り強さ（UT
S）：11.2kg／cm2（72.5ksi）、 伸び：34.0％ 販売者：チコ・チタニウム（Tico Titanium） 2.溶接Ti管 仕様；ASTM B338グレード２ 化学組成（重量％）＊ Ｃ：0.012、Ｎ：0.011、Ｏ：0.10、Ｆｅ：0.18、Ｈ：0.
007、Ti：残り 機械的性質： 降伏点：9.6kg／cm2（６２ksi）、UTS：12.8kg／cm2（8
2.5ksi）、伸び：３１％ 販売者：チタニウム・メタルス・コーポレーション・オ
ブ・アメリカ（Titanium Metals Corporation of Ameri
ca） ＊この管はASTM B338グレード１の化学的要件も満たし
ている。
腐食試験サンプルについての材料条件は以下の通りであ
る（記載した数字は、第１図、第２図および第３図にお
ける番号である）： (1)ジルカロイ対照：標準ジルカロイ−４またはレーザ
ベータ処理ジルカロイ−２、すべて酸洗してある。
る（記載した数字は、第１図、第２図および第３図にお
ける番号である）： (1)ジルカロイ対照：標準ジルカロイ−４またはレーザ
ベータ処理ジルカロイ−２、すべて酸洗してある。
(2)純粋チタン、継目無し管、購入したままの状態 (3)純粋チタン、継目無し管、酸洗処理ずみ (4)Ti−3Al−2.5V購入したままの状態 (5)Ti−3Al−2.5V酸洗い処理ずみ (6)純チタン、溶接管、購入したままの状態 (7)純チタン、溶接管、酸洗い処理ずみ (8)Ti−3Al−2.5V、レーザ処理、購入したままの状態 (9)Ti−3Al−2.5V、レーザ処理、酸洗い処理ずみ 購入したままの状態のサンプルはアセトンおよびエチル
アルコール（２００純度）で洗浄してあり、また酸洗い
処理ずみチタンおよびチタン合金サンプルは、９０部の
H2O、３０部のHF、２０部のH2O2および６０部のHNO
3（すべて体積部である）の溶液中で１５秒間、浸漬す
ることによりエッチングした。チタンおよびチタン合金
材料のレーザー処理は、927℃（1700゜F）以上の温度で
行ない、前記熱処理温度においてサンプルの管の全肉厚
にわたってベータ相へ完全な変換を行ない、引続き典型
的なバスケット編み組織のアルファ／ベータ相へ変換し
た。
アルコール（２００純度）で洗浄してあり、また酸洗い
処理ずみチタンおよびチタン合金サンプルは、９０部の
H2O、３０部のHF、２０部のH2O2および６０部のHNO
3（すべて体積部である）の溶液中で１５秒間、浸漬す
ることによりエッチングした。チタンおよびチタン合金
材料のレーザー処理は、927℃（1700゜F）以上の温度で
行ない、前記熱処理温度においてサンプルの管の全肉厚
にわたってベータ相へ完全な変換を行ない、引続き典型
的なバスケット編み組織のアルファ／ベータ相へ変換し
た。
腐食データは各条件について２〜４のサンプルの重量増
加の平均値である。オートクレーブ中の脱イオン水の平
均pHおよび平均電導度は、実験の開始時にそれぞれ、6.
5および0.34マイクロモーであった。テスト後平均pHは
6.7であった。
加の平均値である。オートクレーブ中の脱イオン水の平
均pHおよび平均電導度は、実験の開始時にそれぞれ、6.
5および0.34マイクロモーであった。テスト後平均pHは
6.7であった。
腐食テストは３６０℃（６８０゜F）蒸気〔189kg／cm
2（2700psi）〕、３９９℃（750゜F）蒸気〔105kg／cm2
（1500psi）〕および500℃（932゜F）蒸気〔105kg／cm2
（1500psi）〕において行ない、３種類の雰囲気中での
平均重量増加をそれぞれ第１図、第２図および第３図に
示した。すべての純チタンおよびチタン合金サンプル
は、360℃（680゜F）および399℃（750゜F）雰囲気中での
対照ジルカロイ−４の管より重量増加が少ないことを示
している。特に、500℃（932゜F）蒸気中では、チタンサ
ンプルは１００日間の暴露にも耐え、まだ酸化物が付着
残存しているのに対して、レーザー処理されたジルカロ
イ−２からなる対照サンプルは、30日間の暴露後に砕け
始めた。チタンサンプルの表面はすべての暴露後に薄い
フイルムが付着していることを示していた。
2（2700psi）〕、３９９℃（750゜F）蒸気〔105kg／cm2
（1500psi）〕および500℃（932゜F）蒸気〔105kg／cm2
（1500psi）〕において行ない、３種類の雰囲気中での
平均重量増加をそれぞれ第１図、第２図および第３図に
示した。すべての純チタンおよびチタン合金サンプル
は、360℃（680゜F）および399℃（750゜F）雰囲気中での
対照ジルカロイ−４の管より重量増加が少ないことを示
している。特に、500℃（932゜F）蒸気中では、チタンサ
ンプルは１００日間の暴露にも耐え、まだ酸化物が付着
残存しているのに対して、レーザー処理されたジルカロ
イ−２からなる対照サンプルは、30日間の暴露後に砕け
始めた。チタンサンプルの表面はすべての暴露後に薄い
フイルムが付着していることを示していた。
水腐食による金属損失は、重量増加データから評価され
る。重量増加に関する式は次のようになる： Ｗ＝ａｔｂ ここでＷ＝重量mg／dm2、ｔ＝日数、そしてａおよびｂ
は定数である。対照ジルカロイ−４の管（遷移後）およ
び継目無し純チタン管の360℃（680゜F）水中での定数は
次のとおりである： ａ ｂ ジルカロイ−４ 0.46 1.02 純Ti 4.97 0.10 速度式から、６年間の重量増加、対応する金属損失、お
よび酸化フイルムの蓄積量は表IIに示すように評価され
る： 表 II 重量増加 肉 厚 酸化物厚 （mg／dm2） 〔mm（ミル）〕 〔mm（ミ
ル）〕 ジルカロイ−４ 1175 0.051(20) 0.079(3.1) 純Ti 11 0.00036(0.014) 0.00063(0.025) 従って、管の外径表面をほぼ0.4μｍのチタンで被覆す
ることにより、６年間の運転には十分であり、形成され
る酸化物の肉厚は、ジルカロイ−４の1/100より小さ
い。
る。重量増加に関する式は次のようになる： Ｗ＝ａｔｂ ここでＷ＝重量mg／dm2、ｔ＝日数、そしてａおよびｂ
は定数である。対照ジルカロイ−４の管（遷移後）およ
び継目無し純チタン管の360℃（680゜F）水中での定数は
次のとおりである： ａ ｂ ジルカロイ−４ 0.46 1.02 純Ti 4.97 0.10 速度式から、６年間の重量増加、対応する金属損失、お
よび酸化フイルムの蓄積量は表IIに示すように評価され
る： 表 II 重量増加 肉 厚 酸化物厚 （mg／dm2） 〔mm（ミル）〕 〔mm（ミ
ル）〕 ジルカロイ−４ 1175 0.051(20) 0.079(3.1) 純Ti 11 0.00036(0.014) 0.00063(0.025) 従って、管の外径表面をほぼ0.4μｍのチタンで被覆す
ることにより、６年間の運転には十分であり、形成され
る酸化物の肉厚は、ジルカロイ−４の1/100より小さ
い。
この発明による複合燃料被覆管（40）の概略デザインを
第４図に示す。チタン、チタン合金、チタン化合物およ
びそれらの相互の混合物から選択されたチタン材料から
なる外層（42）が設けられている。この外層はできるだ
け薄くすることが好ましく、最小肉厚は、必要な暴露時
間を乗じたパイル中での腐食速度、または金属損失によ
り決定することが好ましい。たとえば前述のように360
℃（680゜F）、189kg／cm2（2700psi）の水中に６年間置
いた場合、チタンの最小肉厚は、0.4μm（0.014ミル）
と評価される。しかし、外層（42）の最小肉厚は使用す
る製造技術および／または検査技術によっても限定され
る。たとえば、工業的な共押出し操作および共ピルガー
加工の場合には、外層の肉厚が約0.0254mm（約0.001イ
ンチ）であることが好ましい。十分に薄肉の被覆を可能
とする他の方法には、CVD、PVDおよび電気メッキ技法が
含まれ、これらの技法は最終サイズの燃料被覆管、また
は燃料を装填して端部キャップを溶接した後の燃料棒自
体に実施する。希チタン合金（たとえばTi−3Al−2.5
Ｖ）を外層に用いる場合は、熱処理によりミクロ組織を
ベータまたはアルファ相＋ベータ相に調質することがで
きる。
第４図に示す。チタン、チタン合金、チタン化合物およ
びそれらの相互の混合物から選択されたチタン材料から
なる外層（42）が設けられている。この外層はできるだ
け薄くすることが好ましく、最小肉厚は、必要な暴露時
間を乗じたパイル中での腐食速度、または金属損失によ
り決定することが好ましい。たとえば前述のように360
℃（680゜F）、189kg／cm2（2700psi）の水中に６年間置
いた場合、チタンの最小肉厚は、0.4μm（0.014ミル）
と評価される。しかし、外層（42）の最小肉厚は使用す
る製造技術および／または検査技術によっても限定され
る。たとえば、工業的な共押出し操作および共ピルガー
加工の場合には、外層の肉厚が約0.0254mm（約0.001イ
ンチ）であることが好ましい。十分に薄肉の被覆を可能
とする他の方法には、CVD、PVDおよび電気メッキ技法が
含まれ、これらの技法は最終サイズの燃料被覆管、また
は燃料を装填して端部キャップを溶接した後の燃料棒自
体に実施する。希チタン合金（たとえばTi−3Al−2.5
Ｖ）を外層に用いる場合は、熱処理によりミクロ組織を
ベータまたはアルファ相＋ベータ相に調質することがで
きる。
この外層（42）は、希ジルコニウム基合金、例えばASTM
B353-77に記載のように、市販の合金ジルカロイ−２ま
たはジルカロイ−４（900〜1600ppmの酸素を含有）また
はジルコニウム・ニオブ合金（それぞれ、UNS No. R608
02、R60804およびR60901参照）からなる内層（44）に接
合される。他のジルコニウム・ニオビウム合金、例えば
係属中の米国特許願第693,545号および第693,547号（共
に、1985年１月２２日出願）明細書に記載されるもの
も、層（44）を形成することができる。この層（44）の
肉厚は、核燃料棒被覆の強度に関する特性要件を満た
し、可能な限り薄くすることが好ましい。この点に関す
る一例としては、イー・エム・シュルソン（E.M.Schuls
on）による「ザ・テンサイル・エンド・コロージョン・
ビヘイビアー・オブ・オーダード・Zr3Al−ベースド・
アロイズ（The Tensile and Corrosion Behaviour of O
rdered Zr3Al-Based Alloys）」〔ジャーナル・オブ・
ニュークレア・マテリアルズ（Journal of Nuclear Mat
erials）第５０巻（1974）、127〜138頁〕に記載される
Zr−Al合金のような高強度希ジルコニウム基合金を利用
することである。イー・エム・シュルソンは、約７〜約
９ｗ／ｏアルミニウムを含有すると共に、ジルカロイ−
２に比較して良好な水に対する耐食性、良好な延性およ
び非常に改善された強度を有するジルコニウム基合金を
述べている。高強度合金は層（42）のチタンの中性子吸
収断面積の欠点を補償するために、層（44）の肉厚を減
少させる可能性を提供する。
B353-77に記載のように、市販の合金ジルカロイ−２ま
たはジルカロイ−４（900〜1600ppmの酸素を含有）また
はジルコニウム・ニオブ合金（それぞれ、UNS No. R608
02、R60804およびR60901参照）からなる内層（44）に接
合される。他のジルコニウム・ニオビウム合金、例えば
係属中の米国特許願第693,545号および第693,547号（共
に、1985年１月２２日出願）明細書に記載されるもの
も、層（44）を形成することができる。この層（44）の
肉厚は、核燃料棒被覆の強度に関する特性要件を満た
し、可能な限り薄くすることが好ましい。この点に関す
る一例としては、イー・エム・シュルソン（E.M.Schuls
on）による「ザ・テンサイル・エンド・コロージョン・
ビヘイビアー・オブ・オーダード・Zr3Al−ベースド・
アロイズ（The Tensile and Corrosion Behaviour of O
rdered Zr3Al-Based Alloys）」〔ジャーナル・オブ・
ニュークレア・マテリアルズ（Journal of Nuclear Mat
erials）第５０巻（1974）、127〜138頁〕に記載される
Zr−Al合金のような高強度希ジルコニウム基合金を利用
することである。イー・エム・シュルソンは、約７〜約
９ｗ／ｏアルミニウムを含有すると共に、ジルカロイ−
２に比較して良好な水に対する耐食性、良好な延性およ
び非常に改善された強度を有するジルコニウム基合金を
述べている。高強度合金は層（42）のチタンの中性子吸
収断面積の欠点を補償するために、層（44）の肉厚を減
少させる可能性を提供する。
随意であるが、耐PCI（ペレット被覆相互作用）性内張
（46）を内層（44）の内径面（48）に接合することがで
きる。内張（46）は米国特許第4,200,492号および同第
4,372,817号明細書に記載されるようにジルコニウムあ
るいは軟質ジルコニウム基合金とすることができる。
（46）を内層（44）の内径面（48）に接合することがで
きる。内張（46）は米国特許第4,200,492号および同第
4,372,817号明細書に記載されるようにジルコニウムあ
るいは軟質ジルコニウム基合金とすることができる。
この発明では核燃料被覆および燃料棒に適用した例を示
したが、これが他の水型原子炉のジルコニウム基合金要
素、たとえばチャンネル、スペーサ、格子、およびはめ
輪管においても、これら要素の耐食性の改善のために適
用できることは明らかであろう。水腐食が２面またはそ
れ以上の面に発生する場合は、チタン材料をジルコニウ
ム基合金の少くとも両主要面に接合してジルコニウム合
金層が２層のチタン材料間に配置されるサンドイッチ構
造体を形成するようにすることが好ましい。
したが、これが他の水型原子炉のジルコニウム基合金要
素、たとえばチャンネル、スペーサ、格子、およびはめ
輪管においても、これら要素の耐食性の改善のために適
用できることは明らかであろう。水腐食が２面またはそ
れ以上の面に発生する場合は、チタン材料をジルコニウ
ム基合金の少くとも両主要面に接合してジルコニウム合
金層が２層のチタン材料間に配置されるサンドイッチ構
造体を形成するようにすることが好ましい。
発明者らはASTM B338のグレード２および９を用いて本
質的に純チタンおよびアルファおよびベータチタン合金
の優れた耐食性を示したが、同様の耐食性を有する他の
チタン組成の使用を企図すると共に、特に、ASTM B338-
83の表Ｉに示されるグレード1,3,7,10,11および１２の
化学的要件に適合するチタンおよびチタン合金組成の利
用を企図するものである。さらに、この発明によるチタ
ンまたはチタン合金の薄い被覆層を有する部材の取扱い
中にこの被覆層が破損することを保護するため、チタン
材料被覆層上に薄肉の硬質チタン化合物を被覆すること
を意図するものである。特に、このチタン化合物の被覆
はオートクレーブ中でのチタン材料の酸化により、ある
いは陽極酸化により形成される酸化チタンとすることを
企図するものである。
質的に純チタンおよびアルファおよびベータチタン合金
の優れた耐食性を示したが、同様の耐食性を有する他の
チタン組成の使用を企図すると共に、特に、ASTM B338-
83の表Ｉに示されるグレード1,3,7,10,11および１２の
化学的要件に適合するチタンおよびチタン合金組成の利
用を企図するものである。さらに、この発明によるチタ
ンまたはチタン合金の薄い被覆層を有する部材の取扱い
中にこの被覆層が破損することを保護するため、チタン
材料被覆層上に薄肉の硬質チタン化合物を被覆すること
を意図するものである。特に、このチタン化合物の被覆
はオートクレーブ中でのチタン材料の酸化により、ある
いは陽極酸化により形成される酸化チタンとすることを
企図するものである。
これまでの実施例は、この発明の実施により達成される
利点を明瞭に示している。この発明の他の実施例は、明
細書を考察することあるいは開示された発明を実施する
ことにより明らかになるであろう。明細書および実施例
は例示のためのものであり、この発明の範囲は特許請求
の範囲に示されるものである。
利点を明瞭に示している。この発明の他の実施例は、明
細書を考察することあるいは開示された発明を実施する
ことにより明らかになるであろう。明細書および実施例
は例示のためのものであり、この発明の範囲は特許請求
の範囲に示されるものである。
第１図は360℃（680゜F）、189kg／cm2（2700psi）水雰
囲気中での種々の条件におけるチタンおよびチタン合金
管の水に対する長期間耐食性をジルカロイ−４の長期間
耐食性と比較するグラフ、第２図は399℃（750゜F）、10
5kg／cm2（1500psi）蒸気雰囲気中での種々の条件にお
けるチタンおよびチタン合金管の水に対する長期間耐腐
食性をジルカロイ−４の長時間耐食性と比較するグラ
フ、第３図は500℃（932゜F）、105kg／cm2（1500psi）
蒸気雰囲気中での種々の条件におけるチタンおよびチタ
ン合金管の水に対する長期間耐食性をベータ焼入れジル
カロイ−２の長時間耐食性と比較するグラフ、第４図は
この発明の実施例の斜視図である。図中： ４０・・核燃料被覆管、４２・・第２環状層、４４・・
第１環状層 １・・対照〔標準ジルカロイ−４またはレーザーベータ
ー処理ジルカロイ−２（いずれも酸洗い処理ずみ）〕 ２・・純チタン（継目無し管、購入時のままの状態） ３・・純チタン（継目無し管、酸洗い処理ずみ） ４・・Ti−3Al−2.5Ｖ（購入したままの状態） ５・・Ti−3Al−2.5Ｖ（酸洗い処理ずみ） ６・・純チタン（溶接管、購入したままの状態） ７・・純チタン（溶接管、酸洗い処理ずみ） ８・・Ti−3Al−2.5Ｖ（レーザ処理、購入したままの状
態） ９・・Ti−3Al−2.5Ｖ（レーザ処理、酸洗い処理ずみ）
囲気中での種々の条件におけるチタンおよびチタン合金
管の水に対する長期間耐食性をジルカロイ−４の長期間
耐食性と比較するグラフ、第２図は399℃（750゜F）、10
5kg／cm2（1500psi）蒸気雰囲気中での種々の条件にお
けるチタンおよびチタン合金管の水に対する長期間耐腐
食性をジルカロイ−４の長時間耐食性と比較するグラ
フ、第３図は500℃（932゜F）、105kg／cm2（1500psi）
蒸気雰囲気中での種々の条件におけるチタンおよびチタ
ン合金管の水に対する長期間耐食性をベータ焼入れジル
カロイ−２の長時間耐食性と比較するグラフ、第４図は
この発明の実施例の斜視図である。図中： ４０・・核燃料被覆管、４２・・第２環状層、４４・・
第１環状層 １・・対照〔標準ジルカロイ−４またはレーザーベータ
ー処理ジルカロイ−２（いずれも酸洗い処理ずみ）〕 ２・・純チタン（継目無し管、購入時のままの状態） ３・・純チタン（継目無し管、酸洗い処理ずみ） ４・・Ti−3Al−2.5Ｖ（購入したままの状態） ５・・Ti−3Al−2.5Ｖ（酸洗い処理ずみ） ６・・純チタン（溶接管、購入したままの状態） ７・・純チタン（溶接管、酸洗い処理ずみ） ８・・Ti−3Al−2.5Ｖ（レーザ処理、購入したままの状
態） ９・・Ti−3Al−2.5Ｖ（レーザ処理、酸洗い処理ずみ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート・フランシス・バリー アメリカ合衆国、ペンシルベニア州、モン ロービル、ウッドクリフ・ドライブ 1318 (56)参考文献 特開 昭61−30681（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】ジルコニウム合金からなる第１環状層；公
称３ｗ／ｏＡｌおよび２．５ｗ／ｏＶを含有するアルフ
ァおよびベータチタン合金からなる第２環状層からな
り、 前記第２環状部材が前記第１環状層に同心であると共
に、前記第１環状部材の外周縁に接合されており、か
つ、 前記第２環状層が0.00036mm(0.000014インチ）〜0.10mm
(0.004インチ）の肉厚を有してなる、長い複合核燃料被
覆管。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US766323 | 1985-08-15 | ||
| US06/766,323 US4751044A (en) | 1985-08-15 | 1985-08-15 | Composite nuclear fuel cladding tubing and other core internal structures with improved corrosion resistance |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6239787A JPS6239787A (ja) | 1987-02-20 |
| JPH065312B2 true JPH065312B2 (ja) | 1994-01-19 |
Family
ID=25076100
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61190724A Expired - Lifetime JPH065312B2 (ja) | 1985-08-15 | 1986-08-15 | 複合核燃料被覆管 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4751044A (ja) |
| JP (1) | JPH065312B2 (ja) |
Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2580273B2 (ja) * | 1988-08-02 | 1997-02-12 | 株式会社日立製作所 | 原子炉用燃料集合体およびその製造方法並びにその部材 |
| US4980121A (en) * | 1989-07-28 | 1990-12-25 | Westinghouse Electric Corp. | Protective device for lower end portion of a nuclear fuel rod cladding |
| FI923892L (fi) * | 1991-09-16 | 1993-03-17 | Siemens Power Corp | Strukturella element foer en kaernreaktors braenslestavsmontering |
| ES2094528T3 (es) * | 1992-03-13 | 1997-01-16 | Siemens Ag | Barra combustible de reactor nuclear con tubo de vaina de dos capas. |
| GB2282478B (en) * | 1993-10-01 | 1997-08-13 | Us Energy | Method of fabricating 99Mo production targets using low enriched uranium |
| US20040105999A1 (en) * | 1995-06-29 | 2004-06-03 | Stanley Abkowitz | Bi-metallic macro composite |
| US6005906A (en) * | 1996-06-12 | 1999-12-21 | Siemens Power Corporation | Corrosion and hydride resistant nuclear fuel rod |
| DE50016008D1 (de) * | 1999-03-29 | 2010-11-25 | Areva Np Gmbh | Brennelement für einen druckwasser-reaktor und verfahren zur herstellung seiner hüllrohre |
| DE19944509A1 (de) * | 1999-09-16 | 2001-04-19 | Siemens Ag | Kernbrennelementbauteile mit Schutzschichtsystem |
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| US7922065B2 (en) * | 2004-08-02 | 2011-04-12 | Ati Properties, Inc. | Corrosion resistant fluid conducting parts, methods of making corrosion resistant fluid conducting parts and equipment and parts replacement methods utilizing corrosion resistant fluid conducting parts |
| FR2883006A1 (fr) * | 2005-03-09 | 2006-09-15 | Carbone Lorraine Equipements G | Plaques en acier revetues de zirconium et elements de dispositifs chimiques realises avec de telles plaques |
| US20090022259A1 (en) * | 2007-07-20 | 2009-01-22 | General Electric Company | Fuel rod with wear-inhibiting coating |
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| US9287012B2 (en) | 2010-07-25 | 2016-03-15 | Global Nuclear Fuel—Americas, LLC | Optimized fuel assembly channels and methods of creating the same |
| US8971476B2 (en) | 2012-11-07 | 2015-03-03 | Westinghouse Electric Company Llc | Deposition of integrated protective material into zirconium cladding for nuclear reactors by high-velocity thermal application |
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| WO2017197105A1 (en) | 2016-05-11 | 2017-11-16 | Free Form Fibers, Llc | Multilayer functional fiber and method of making |
| KR101941673B1 (ko) * | 2017-04-18 | 2019-01-23 | 가천대학교 산학협력단 | 다층구조 핵연료 피복관 및 다층구조 핵연료 피복관의 제조방법 |
| JP7170431B2 (ja) * | 2017-09-25 | 2022-11-14 | 株式会社東芝 | 容器および容器における開口部の閉塞方法 |
| EP4143359A2 (en) * | 2020-04-27 | 2023-03-08 | Westinghouse Electric Company Llc | Plated metallic substrates and methods of manufacture thereof |
| WO2022272192A1 (en) | 2021-06-21 | 2022-12-29 | Free Form Fibers, Llc | Fiber structures with embedded sensors |
| JP2024525468A (ja) | 2021-06-29 | 2024-07-12 | フリー フォーム ファイバーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー | 埋め込みワイヤ化学気相堆積（ｅｗｃｖｄ） |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL210138A (ja) * | 1955-04-30 | |||
| BE620101A (ja) * | 1961-07-18 | |||
| NL131777C (ja) * | 1963-12-16 | |||
| GB1081512A (en) * | 1965-01-22 | 1967-08-31 | Atomic Energy Authority Uk | Improvements in or relating to nuclear fuel elements |
| FR1479289A (fr) * | 1966-02-02 | 1967-05-05 | Commissariat Energie Atomique | élément combustible et son procédé de fabrication |
| US3301763A (en) * | 1966-04-28 | 1967-01-31 | Ronald L Beatty | Method for preparing actinide oxide fuel particles and article thereof |
| DE2010871A1 (de) * | 1970-03-07 | 1971-10-07 | Kernforschung Gmbh Ges Fuer | Gegen Kernbrennstoff und Reaktorkuhl mittel korrosionsbeständige Brennstoff hülle fur Kernreaktoren |
| US3802939A (en) * | 1971-03-22 | 1974-04-09 | Kobe Steel Ltd | Surface-hardened titanium or zirconium and their alloys and method of processing same |
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| US4268586A (en) * | 1975-06-26 | 1981-05-19 | General Electric Company | Corrosion resistant zirconium alloy structural components and process |
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-
1985
- 1985-08-15 US US06/766,323 patent/US4751044A/en not_active Expired - Fee Related
-
1986
- 1986-08-15 JP JP61190724A patent/JPH065312B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6239787A (ja) | 1987-02-20 |
| US4751044A (en) | 1988-06-14 |
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