JPS58199836A - 改善された耐食性を有するジルコニウム合金隔壁 - Google Patents

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】 発明の分野 本発明は原子炉の炉心内において使用すべき燃料要素の
改良に関するもので、更に詳しく言えば、鉄、クロム、
鉄＋クロム、および銅の中から選ばれた金属とジルコニ
ウムとから成りかつジルコニウム合金製被覆基体の内面
に接合された希薄ジルコニウム合金の金属ライナを有す
る複合被覆容器を含む改良された燃料要素に関する。

発明の背景　　　　　　。

現在設計され、建設され、かつ運転されている原子炉に
おいては、核燃料は板状、管状または棒状のごとき様々
々幾何学的形状を持った燃料要素中に含まれている。こ
の場合、核燃料は耐食性、非反応性かつ熱伝導性の容器
または被覆材の中に収容されるのが通例である。かかる
燃料要素を冷却材流通用のチャネルボックス内に一定の
間隔で格子状に組立てることによって燃料集合体が形成
され、次いで十分な数の燃料集合体を組合わせることに
よって持続核分裂反応の可能な核分裂連鎖反応系すなわ
ち炉心が形成される。このような炉心は原子炉容器の内
部に収容され、そしてその原子炉容器を通して冷却材が
流される。

上記の被覆材は幾つかの目的に役立つが、主なものを２
つ挙げれば次の通りである。第一には、冷却材、（減速
材が存在する場合ならば）減速材または１（冷却材と減
速材とが存在する場合ならば）それら両者と核燃料との
接触および化学反応を防止するのに役立つ。第二には、
気体状のものをも含む放射性核分裂、化１．．成物が核
燃料から冷却材、減速材または（冷却材と減速材とが存
在する場合ならば）それら両者中に放出されるのを防止
するのに役立つ。通常の被覆材としては、ステンレス鋼
、アルミニウムおよびその合金、ジルコニウムおよびそ
の合金、ニオブ（コロンピニウム）、ある種のマグネシ
ウム合金などが挙げられる。被覆材の破損すなわち密閉
性の喪失が起これば、冷却材や減速材および関連系統が
長寿命の放射性生成物で汚染され、そのために発電所の
運転が妨害されることもある。

ある種の金属および合金を被覆材として使用する燃料要
素の製造および運転に当っては、特定の情況下でかかる
被覆材が機械的または化学的な反応を示すことに由来す
る幾つかの問題が見出された。ジルコニウムおよびその
合金は、通常の場合ならば優れた核燃料被覆材である。

すなわち、それらは中性子吸収断面積が小さく、シかも
約７５０下（約３９８℃）より低い温度下では強靭で延
性に富み、極めて安定であり、かつ原子炉の冷却材およ
び減速材として通例使用される脱イオン水または水蒸気
の存在下でもほとんど反応を起こさない。

しかるに、燃料要素の性能を試験したところ、核燃料、
被覆材、および核分裂反応に際して生じる核分裂生成物
の間の総合的な相互作用の結果として脆性破裂が起こる
という問題が明らかとなった。また、かかる望ましくな
い性能は、核燃料と被覆材との熱膨張の違いに原因する
機械的応力の局在によって助長されることも見出された
（被覆材中の応力は核燃料中の割れ目に集中するのであ
る）。他方、核燃料から放出される腐食性の核分裂生成
物は核燃料の割れ目と被覆材の内面との交点に蓄積する
。かかる核分裂生成物は原子炉運転時における核分裂連
鎖反応によって核燃料から生成されるものである。こう
して核燃料と被覆材との間の摩擦が大きくなる結果、局
部的な応力は一層増大することになる。

密閉された燃料要素の内部においては、被覆材とそれの
内部の残留水分との緩徐な反応によって水素ガスが生成
されることがある。かかる水素ガスが蓄積すると、ある
種の条件下では、被覆材の局部的な水素化およびそれに
伴う被覆材の機械内性質の局部的な劣化をもたらし得る
ほどのレベルに達することもある。被覆材はまた、広範
囲の温度下において酸素、窒素、−酸化炭素および二酸
化炭素のよう々ガスからも悪影響を受ける。燃料要素の
ジルコニウム被覆材は、原子炉内での照射に際して上記
のごときガスや核分裂生成物の１種まだは数種に暴露さ
れる。これは、原子炉の冷却材や減速材中にかかるガス
の存在する可能性力；なくても起こるし、また被覆材や
燃料要素の製造時に周囲の雰囲気からかかるガスをでき
るだけ排除したとしても起こる。すなわち、核燃料とし
て使用される耐火性の焼結セラミック組成物（たとえば
二酸化ウランやその他の組成物）は加熱時（たとえば燃
料要素の製造時）にかなりの量の上記ガスを放出し、ま
た照射時には核分裂生成物を放出する。更に、核燃料と
して使用される耐火性の粒状セラミック組成物（たとえ
ば二酸化ウラン粉末やその他の粉末）は照射時に一層多
量の上Ｂｅガスを放出することが知られそいる。こうし
て放出されたガスは、核燃料を収容するジルコニウム被
覆材と反応し得るものである。

以上の説明かられかる通り、原子力発電所の運転に当っ
て燃料要素を使用する期間全体を通じて燃料要素の内側
から被覆材と反応し得る水、水蒸気およびその他のガス
（特に水素）の被覆材に対する作用を抑制することは望
ましいわけである。

そのための方法の一つは、水、水蒸気およびその他のガ
スと急速に化学反応を行うことによってそれらを被覆材
の内側から排除するのに役立つような物質を見出すこと
であった。かかる物質はゲッタと呼ばれる。

別の方法は、核燃料物質が水分に触れるのを防止するた
めに核燃料物質自体を各種の材料で被覆することであっ
た。かかる核燃料物質自体の被覆には、欠陥のない均一
な被＠を形成するのが困難であるという点から見て信頼
性に問題がある。

その上、被膜の劣化が起これば、核燃料物質の長期性能
の点で問題が生じることもある。

１９６４年２月付の文書ＧＦｉＡＰ−４５５５中には、
ジルコニウム合金に対してステンレス鋼の内張りを冶金
的に接合した複合被覆材が開示きれている。かかる複合
被覆材はステンレス鋼の内張りを有する中空のジルコニ
ウム合金ビレットを押出すことによって製造される。こ
のような被覆材には、ステンレス鋼が脆性相を生じ、か
つまたステンレス鋼の層が同じ厚さのジルコニウム合金
に比べ゛Ｃ約１０〜１５倍の中性子吸収障害を示すとい
う欠点がある。

米国特許第３５０２５４９号明細書中には、ジルコニウ
ムまだはその合金上にクロムを電着させて保護すること
により原子炉用の複合材料を製造する方法が開示されて
いる。また、［エネルギア・ヌクレアーレ（Ｅｎｅｒｇ
ｉａ　Ｎｕｃｌｅａｒｅ　）　Ｊ第１１巻第９号（１９
６４年９月）の５０５〜５０８頁には、ジルカロイ−２
の表面上に銅を電着させ、次いで熱処理によって電着金
属の表面拡散を行う方法が記載されている。また、エフ
・フ゛ロツサ（Ｆ、　ＢｒＯ日ｓａ）等の論文［ジルコ
ニウム合金に付カロされた水素障壁の安定性および適合
性（５ｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄ　Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌ
ｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｇｅｎ　ＢａｒｒｉｅｒｓＡ
ｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ　Ａ１１０ｙ
ｓ　）　Ｊ　（ヨーロソノ；原子力共同体（Ｅｕｒｏｐ
ｅａｎ　Ａｔｏｍｉｃ　ＥｎｅｒｇｙＣｏｍｍｕｎｉｔ
ｙ　）、合同原子力研究センター（ＪｏｉｎｔＮｕｃｌ
、ｅａｒ　　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　　）　
、　ＫＵＲ４０９８ｅ　。

１９６９年〕中年上中各種の被膜を設置する方法および
かかる被膜の水素拡散障壁としての効率が記載されてい
る。それによれば、水素の拡散に対する障壁としてはＡ
ｔ−８ｉ被嘆が最も有望であると述べられている。更に
また、ダブリュー・ンー・ンノクナー（Ｗ、　Ｏ，５ｃ
ｈｉｃｋｎｅｒ　）等の論文［ジルコニウムおよびジル
コニウム−スズへの電気めっき（Ｋｌｅｃｔｒｏｐｌａ
ｔｉｎｇ　ｏｎ　Ｚｉｒｃｏｎｉｕｍ　ａｎｄ　Ｚｉｒ
ｃｏｎｉｕｍ−Ｔｉｎ　）　Ｊ　［ＢＭＩ　−７５７、
技術情報ヤービス（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｉｎｆｏｒｍ
ａｔｉｏｎ　５ｅｒｖｉｃｉ　）、１９５２年〕中ニハ
、ジルコニウムおよびジルコニウム−スズ合金にニッケ
ルを電気めっきし、次いで熱処理によって合金拡散接合
層を形成する方法が開示されている。

米国特許第３６２５８２１号明細書中に記載された原子
炉用の燃料要素においては、中性子捕獲断面積の小さい
金属（たとえばニッケル）およびその中に配置された可
燃性毒物の分散微粒子から成る被膜が燃利彼覆管の内面
上に設置されているＣまた、１９７３年８月付の１原子
炉開発ゾロクラム経過報告書（Ｒｅａｃｔｏｒ　Ｄｅｖ
ｅｌｏｐｍｅｎｔ　ＰｒｏｇｒａｍＰｒｏｇｒｅｓｓ　
Ｒｅｐｏｒｔ　）　ｊ　（ＡＩＪＬ−ＲＤＰ−１９）　
　中には、化学ゲッタとして消費されるべきクロム層を
ステンレス鋼被覆材の内面上に設置することが開示され
ている。

もう一つの方法は、核燃料物質とそ才ｔを収容する被覆
材との間に隔壁を導入することであった。

かかる方法の実例は、米国特許第３２３０１５０号（銅
箔）、強国特許ＤＡＳ　１２３８１１５号（チタン層）
、米国特許第３２１２９８８号（ジルコニウム、アルミ
ニウムまたはベリリウムの鞘）、米国特許第５０１８２
３８号（ＵＯ３とジルコニウム合金被覆相との間に配置
された結晶質炭素の隔壁）および米国特許第３０８Ｑ８
９３号（ステンレス鋼箔）によって開示されている。隔
壁の使用は有雫であることが判明しだが、上記文献中に
記載された材料の一部は適合性に問題がある。すなわち
、核燃料（たとえば炭素は核燃料から生じた酸素と化合
することがある）、被覆材（たとえば銅やその他の金属
は被覆材と反応してそれの性質を変化させることがある
）または核分裂反応（たとえばある種の材料は中性子吸
収材とし７て作用する）と適合しないものが含まれてい
るのである。

また、上記文献のいずれによっても、核燃料と被覆材と
の局部的な化学的−機械的相互作用の問題に対する解決
策は開示されてい、ない。

隔壁の使用に関するその他の方法は、米国特許第３９６
９１８６号（モリブデン、タングステン、レニウム、−
オブおよびそれらの合金のごとき超耐熱合鴨を単層もし
くは多層の管または陥として使用するか、あるいは被覆
材の内面上に被膜として使用する方法）および米国特許
第３９２５１５１号（ジルコニウム、ニオブまたはそれ
らの合金から成るライナを核燃料と被覆材との間に配置
しかつ滑性の大きい物質の被膜をライナと被覆材との間
に配置する方法）によって開示されている。

米国特許第４０４５２８８号明細書中には、ジルコニウ
ム合金基体、かかる−基体に対して冶金的に接合された
金属隔壁、およびかかる金属隔壁に対し゛Ｃ冶金的に接
合されたジルコニウム合金の内層から成る複合被覆材が
開示されている。上記隔壁の材料（はニオブ、アノしミ
ニラム、銅１ニッケル、ステンレス鋼および鉄の中から
選ばれる。このように即設された金属隔壁は核分裂生成
物や腐食性ガスによるヴ食を低減させるが、他方では応
力腐食割れや液体金属脆化を生じ易い。

米ト１特許第４２００４９２号明細書中には、ジルコニ
ウム合金基体および海綿状ジルコニウムのライナから成
る複合被覆材が開示されている。

かかる軟質のジルコニウムライナは局部的なひずみを抑
制しかつ応力腐食割れや液体金属脆化を低減させるが、
他方では製造時のホーニング仕上などや酸化による損失
を受は易い。その上、被覆材に裂は目が生じて水および
（または）水蒸気が燃料棒内に侵入すると、ジルコニウ
ムライナは急速に酸化する傾向を示す。

それ故、上記の諸問題を解決するような燃料要素を開発
することは今なお望ましいわけである。

発明の概要 さて本発明に従って述べれば、原子炉の炉心内において
特に効果的に使用し得る燃料要素は、基体の内面に対し
て冶金的に接合された希薄ジルコニウム合金のライナを
有する複合被覆容器を含むようなものである。かかる希
薄ジルコニウム合金は鉄、クロム、鉄十クロム、および
銅の中から選ばれた金属とジルコニウムとから成るもの
で、ジルコニウムと合金化される鉄の量は約０．２〜約
０３（重量）％、クロムの量は約０．０５〜約０．６（
重量）％、鉄子クロムの合計量は約０１５〜約０３（重
量）％かつ鉄とクロムとの重量比は約１：１〜約４：１
、そして銅の量は約０．０２〜約０２（重量）％である
。

かかる複合被覆容器の基体は原子炉用の従来の被覆材、
に比べて設計および機能の点で全く変わりがなく、従っ
てジルコニウム合金のごとき通常の材料から成るもので
あればよい。ジルコニウム合金から成る場合、複合被覆
容器の基体は希薄ジルコニウム合金ライナよりも高い合
金含量を有する。このような希薄ジルコニウム合金ライ
ナは複合被覆容器の液体とその中に収容された核燃料物
質との間に連続した隔壁を形成すると共に、ジルコニウ
ム合金やその他の材料から成る基体を核分裂生成物やガ
スから遮蔽するのに役立つ。

上記の希薄ジルコニウム合金ライナは複合被覆容器の厚
さの約１〜約２０％を占める。かかるライナは照射時に
も（基体に比べ）軟らかい状態を保って燃料要素内部の
局部的な応力を低減させ、それにより基体の応力腐食割
れや液体金属脆化を防＋ｈするのに役立つ。また、希薄
ジルコニウム合金は燃料要素の内部に存在する揮発性不
純物や核分裂生成物との反応から基体を防護し、それに
よって揮発性不純物や核分裂生成物の作用から基体全保
護するのにも役立つ。　ｊ９、。

このように本発明は、希薄ジルコニウム合金ライナによ
って複合被覆容器の基体が核分裂生成物、腐食性ガスな
どとの接触から防護されると共に、基体の応力腐食割れ
や液体金属脆化も防＋ｈ　Ｊれるという顕著な利点を有
している。しがも、がかるライナは中性子捕獲障害、熱
伝達障害、あるいは核燃料とライナとの不適合の問題を
導入することがほとんどない。その上、複合被覆容器に
裂は目が生じた場合でも、かかるライナは合金化されな
いジルコニウムに比べて優れた水蒸気または熱水酸什抵
抗性を示すのである。

本発明の上記およびその他の目的は、添付の図面を参照
しながら以下の詳細な説明を読むことにより当業者にと
って明らかなものとなろう。

〈発明の説明〉 先ず第１図を見ると、燃料集合体１０の部分切欠き断面
図が示されている。かかる燃料集合体１０は、上端に吊
上げ用取手１２および下端にノーズピース（燃料集合体
１０の下部を省略したため図示されていない）を具備し
たほぼ正方形の横断面の管状チャネルボックス１１を含
んでいる。

チャネルボックス１１の上端は出口１３において開いて
おり、またノーズピースの下端には冷却材流通の開口が
設けられている。チャネルボックス１１内には１Ｗの燃
料要素または燃料棒１４が収容され、そして上部タイプ
レート１５お−よび下部タイプレート（下部を省略した
ため図示されていない）により支持されている。普通、
液体冷却材はノーズピースの下端にある開１コから流入
し、燃料要素１４の周囲を上向きに通過し、次いで高温
となって上部の出口１６から流出する。このようにして
流出する冷却材は沸騰形原子炉では部分的に気化した状
態にある一方、加圧形原子炉では気化しない状態にある
。

燃料要素まだは燃料棒１４の両端は被覆管１７に溶接さ
れた端栓１８により密封されており、また端栓１８には
燃料集合体中への燃料棒の装着を容易にするだめの支柱
１９が設げられることかある。燃料要素の一端には、′
核燃料物質の縦方向膨張および核燃料物質から放出され
るガスの蓄積を可能にするための空間またはプレナム２
０が設けられている。空間２０の内部には、特に燃料要
素の取扱いおよび輸送に際してペレット柱の軸方向運動
を抑制するため、らせん部材から成る核燃料物質保持手
段２４が配置されている。

上記のような燃料要素は、被覆管と核燃料物質との間に
優れた熱的接触が達成され、寄生的中性子吸収が最小と
なり、かつ低速での冷却材の流れによって時折引起こさ
れる振動や彎曲に対する抵抗性が得られるように設計さ
れる。

本発明の原理に従うて製造された燃料要素または燃料棒
１４が、第１図中に部分断面図として示されている。か
かる燃料要素は、被穆管または被覆容器１７の内部に配
置された核燃料物質の芯体または中心円柱部分（この場
合には核分裂可能物質および（または）燃料親物質から
成る複数の燃料ペレット）１６を含んでいる。場合に応
じ、円柱状や球状のごとき様々な形状の燃料ペレットが
使用されることがあり、また粒状燃料のととき別の形態
の燃料が使用されることもある。なお、本発明にとって
燃料の物理的形態は重要でない。

また、ウラン化合物、プルトニウム化合物、トリラム化
合物およびそれらの混合物をはじめとする各種のｔＳＩ
８ｖ＝１物質を使用することができる。好適な燃料は二
酸化ウランまたは二酸化ウランと二酸化プルトニウムと
の混合物である。

次に第２図を見ると、燃料要素１４の中心芯体を構成す
る核燃料物質１６は被検管１７によって包囲されている
が、かかる被覆管１７は本発明の場合には複合被覆容器
と呼ばれる。複合被覆容器の内部に核分裂性の芯体を収
容する場合には、原子炉内での使用に際して芯体と容器
との間に空隙２３が形成されるようにする。かかる複合
被覆容器は、ステンレス鋼やジルコニウム合金のごとき
通常の材料から成る基体２！を外側に有している。なお
、本発明の好適な実施例においては、かかる基体はジル
カロイ−２のごときジルコニウム合金か、ら成る。

基体２１の内面には希薄ジルコニウム合金のライナ２２
が冶金的に接合されていて、それにより複合被覆容器内
の核燃料物質１６から基体を保護するだめの隔壁が形成
される。上記の希薄ジルコニウム合金ライナは複合被覆
容器の厚さ′の約１〜約２０％を占めることが好ましい
。複合被覆容器の厚さの約１％未満を占める希薄ジルコ
ニウム合金ライナは商業的生産に際して実現することが
難しく、また複合被覆容器の厚さの２０％を越える希薄
ジルコニウム合金ライナを用いても厚さの増加に相当す
る利塩が得られるわけではない。それどころか、ライナ
が複合被覆容器の厚さの約２０％を越えるのに応じて基
体の厚さは減少し、そのため複合被覆容器の強度が低下
することもあり得る。

上記の希薄ジルコニウム合金は、ジルコニウムと鉄、ク
ロム、鉄子クロム、および銅の中から選ばれた合金添加
剤とから成るものである。なお、本明細書中で使用され
る［希薄ジルコニウム合金」という用語は、同等の応力
条件下で基体材１よりも大きい延性およびひずみ速度を
示すのに十分な低い合金含量を持ったジルコニウム合金
を意味する。

ジルコニウムと合金化される鉄の量は、約０２〜約Ｏ，
Ｓ　（重量）％好ましくは約０．２〜約０．２５（重量
）％である。

クロムの使用量は、約００５〜約０３（重ｉ）％好”ま
しくは約０１５〜約０．２５　（重量）％の範囲内であ
る。

鉄子クロムの使用に当っては、両成分の合計量が約０１
５〜約０３（重量）％好ましくは約０２〜約０２５（電
蓄）％となり、かつ鉄とクロムとの重量比が約１＝１〜
約４：１好ましくは約２：１となるようにすればよい。

銅の使用量は、約１］０２〜約０．２（電歇）％好まし
くは約００５〜約０１５（重量）％である。

かかる希薄ジルコニウム合金ライナは、基体を気体状の
不純物や核分裂生成物から遮蔽し、かかる不純物や核分
裂生成物との接触および反応から複合被覆容器の基体部
分を防獲し、かつ局部的な応力の発生を防止するのに役
立つ。

鉄、クロム、鉄子クロム、および銅の中から選ばれた少
量の金属をジルコニウムに添加することは、添加量が各
金属の規定範囲内にありさえすれば、耐食性とりわけ熱
水または水蒸気による酸化に対しての抵抗性を改善する
のに役立つ。ジルコニウムと合金化される各金喝の量の
下限は、合金化されないジルコニウムに比べて耐食性を
顕著に改善するのに十分な該金属の量である。

ジルコニウムと合金化される各金属の量の上限は、一般
に、海綿状のジルコニウムに比べて耐食性を顕著に改善
するような該金属の最大量として設定されている。かか
る上限を越える量の金属を添加しても、ジルコニウムの
耐食性を顕著に向トさせることができないばかりか、ラ
イナの軟度および延性を低下させる点で有害となること
もある。

耐食性の最高度の改善を達成するためジルコニウムに添
加すべき各金属の量は、好ましい範囲として述べられて
いる。

鉄、クロムおよび銅はジルコニウム中に離溶である。１
種以上のかかる金属を含有する希薄ジルコニウム合金に
熱処理を施せば、ゾルコニウム母体に対して不活性力微
細金属粒子を内部に分散させた材料を得ることができる
。合金成分は離溶であるから、ジルコニウムの固溶体強
化はほとんど起こら々い。このような強化効果暖少ない
から、ペレットと被覆材との相互作用による燃料要素の
破損を防止または低減させるため希薄ジルコニウム合金
ライナに対して要求される軟度は十分に維持される。

複合被覆容器中の希薄ジルコニウム合金ライナハ、ジル
カロイやその他の通常のジルコニウム合金に比べて照射
硬化に耐える。そのため、長期照射後においても希薄ジ
ルコニウム合金ライナは、耐力や硬度のような望ましい
構造特性を通常のジルコニウム合金の場合よりもかなり
低いレベルに維持することができる。実際、照射を受け
た場合に希薄ジルコニウム合金ライチは通常のジルコニ
ウム合金はどには硬化しない。その結果、もともと耐力
の小さい希薄ジルコニウム合金ライナは塑性変形を示す
ことにより、た゛とえば原子炉の運転温度（３００−５
’　５０℃）下で核燃料ペレットが膨張して被情材と接
触するため燃料要素中に生じることのあるペレット由来
の応力を緩和することができる。

鉄、クロム、鉄十クロム、および銅の中から選ばれた金
属とジルコニウムとから成り、通常のジルコニウム合金
製基体に対して接合され、かつ好ましくは複合被覆容器
の厚さの約５〜１５％を占めるような希薄ジルコニウム
合金ライナは、複合被覆容器の破損を防止または低減さ
せるのに十分なだけの応力緩和をもたらす。

鉄、クロム、鉄子クロム、または銅と合金化されるジル
コニウム金属の純度は重要であって、希薄ジルコニウム
合金ライナに特別の性質を付４するだめの一因となる。

一般に、ジルコニウム金属中にはＳ　Ｏ００ｐｐｍ未満
の不純物が存在する。

その内、酸素はできるだけ少なくすべきであるが、約１
０００　ｐｐｍまでならば許容される。

本発明の燃料要素の複合被覆容器は、基体に対して冶金
的に接合された希薄ジルコニウム合金ライナを含んでい
る。金属組織学的検査によれば、基体と希薄ジルコニウ
ム合金ライナとの間には全国結合を生み出すのに十分な
相互拡散が存在するが、希薄ジルコニウム合金ライナ自
体との著しい合金化をもたらすほどの相互拡散は存在し
ないことがわかる。

適当な基体として使用し得る通常のジルコニウム合金の
中にはジルカロイ−２およびジルカロイ−４が含量れる
。ジルカロイ−２は約１．５（重量）％のスズ、０１２
（重重）％の鉄、００９（１酸）％のクロム、および０
００５（重着）％のニッケルを含有するもので、水冷形
原子炉において広く採用されている。ジルカロイ−４は
ジルカロイ−２より低いニッケル含量を有するが、鉄含
量は僅かに高い。本発明の燃料要素において使用される
複合被覆容器は、下記の方法のいずれかによって製造す
ることができる。

一つの方法によれば、希薄ジルコニウム合金ライチ材料
製の管が基体用として選ばれた材料から成る中空ビレッ
トの中に挿入される。次いで、かかる集合体に爆発接合
操作を施すことによって管がビレゾｒに接合される。こ
うして得られた複合物に対し、約１０００〜１４００下
（約５３８〜７６０℃）の高温下で通常の管押出操作が
施される。その後、通常の減径操作を含むプロセスによ
り、かかる押出複合物が所望寸法の被覆管に成形される
。この場合、中空ビレットと希薄ジルコニウム合金ライ
ナ管との相対肉厚は、完成した被覆管において所望の厚
さ比が得られるように選定される。

別の方法によれば、希薄ジルコニウム合金ライナ材料製
の管が基体用として選ばれた材１から成る中空ビレット
の中に挿入される。次いで、良好な金萬間接触、をもた
らす圧縮応力の下でかかる集合体に（たとえば７５０℃
で８時間の）加熱操作を施すことによって管とビレット
との拡散接合が達成される。かかる拡散接合によって得
られた複合物に対して上記のごとき通常の管押出操作か
施される。その後、通常の減径操作を含むプロセスによ
り、かかる押出複合物が所望寸法の被覆管に成形される
。

更に別の方法によれば、希薄ジルコニウム合金ライナ材
料製の管が基体用として選ばれた材料から成る中空ビレ
ットの中に挿入される。次いで、かかる集合体に対して
上記のごとき通常の前押出操作が施される。その後、通
常の減径操作を含むプロセスにより、かかる押出複合物
が所望手法の被覆管に成形される。

本発明の複合被覆容器の上記製造方法は、被覆管の製造
に使用されるその他の方法（たとえば電気めっきや蒸着
）に比べて著しく経済的である。

燃料要素の製造に当っては、先ず、一端の開いた複合被
覆容器が作製される。かかる複合被覆容器は基体および
内側の希薄ジルコニウム合金ライナから構成されるもの
で、後者は鉄、クロム、鉄十クロム、および銅の中から
選ばれた金属とジルコニウムとから成りかつ基体の内面
に対して冶金的に接合されている。次いで、開放端側に
空間が残るようにしながら、複合被覆容器内に核燃料物
質が充填される。空間内に核燃料物質保持手段を挿入し
た後、空間が核燃料物質と連”絡するようにしながら複
合被覆容器の開放端に端栓が設置される。

最後に、複合被覆容器の端部を端栓に接合することによ
って両者間が密封される。

本発明によれば、燃料要素の使用寿命の延長をもたらす
幾つかの利点が達成される。かかる利点としては、複合
被覆容器の化学的相互作用の低減、複合被覆容器のジル
コニウム合金製基体部分に加わる局部的な応力の緩和、
およびジルコニウム合金製基体に破損の起こる可能性の
減少が挙げられる。

本発明の希薄ジルコニウム合金ライナは、周体に関する
応力および応力腐食を緩和するばかりでなく、基体に裂
は目が生じた場合でも水蒸気や熱水による酸化に耐える
。それに対し、合金化されないジルコニウムはこのよう
な条件下では急速に酸化する。他方、本発明の希薄ジル
コニウム合金ライナは合金化されないジルコニウムと同
等の塑性を示す。このような利点は、耐食性とりわけ熱
水や水蒸気による酸化に対しての抵抗性の増反と共に得
られるのである。

本発明の複合被覆容器の重要な性質の一つは、上記の様
々々改善が実質的な中性子捕獲障害を導入することなし
に達成されることである。かかる複合被覆容器は、冷却
材喪失事故や制御棒の落下に係る事故に際しても共融合
金を生成しないから、原子炉内に容易に受入れられるも
のである。その上、かかる複合被覆容器がもたらす熱伝
達障害は啄めて小さい。々ぜなら、燃料要素中に独立し
た箔やライナが挿入さｉＬる場合とは異なり、熱伝達に
対する障壁が存在しないからである。本発明の複合被覆
容器はまた、様々な製造段階および運転時期において通
常の非破壊試験法により検査することができる。

当業者にとっては自明の通り、本明ｍｔ中に記載された
本発明の実施例には様々な変更や修正を加えることがで
きる。それ故、本発明の範囲は前記特許請求の範囲に従
って最も広義に解釈すべきであることは言うまでもない
。

、４、図面の簡単な説明 第１図は本発明の原理に従って製造された燃料要素を含
む燃料集合体の部分切欠き断面図、そ［７て第２図は本
発明の詳細な説明するのに役ｑつ第１図の燃料要素の拡
大横断面図である。

図中、１０は燃料集合体、１１はチャネルボックス、１
２は取手、１４は燃料要素または燃料棒、１５は上部タ
イプレート、１６は芯体、１７は複合被覆容器、１８は
端栓、１９は支柱、２０はプレナム、２１は基体、２２
は希薄ジルコニウム合金ライナ、そして２３は空隙を表
わす。

Ｆｉｇ、１ Ｆｉｇ、；）

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）（ａ）基体を形成するジルコニウム合金製の外側
   部分並びに（ｂ）鉄、クロム、鉄十クロム、および銅の
   中から選ばれた金属とジルコニウムから成りかつ前記基
   体の内面に対して冶金的に接合された希薄ジルコニウム
   合金ライナの両者から構成され、しかも前記希薄ジルコ
   ニウム合金ライナがそれによって得られる複合被覆容器
   の厚さの約５〜約１５％を占めることを特徴とする原子
   炉用の複合被覆容器。
2. （２）前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０．２〜約
   ０．３（重量）％の鉄および残部のジルコニウムから成
   る特許請求の範囲第１項記載の複合被覆容器。
3. （３）　　前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０．２
   〜約０．２　ｓ　（重量）％の鉄および残部のジルコニ
   ウムから成る特許請求の範囲第１項記載の複合被覆容器
   。
4. （４）前記希薄ジルコニウム合金ライナが約００５〜約
   α３（重量）％のクロムおよび残部のジルコニウムから
   成る特許請求の範囲第１項記載の複合被覆容器。
5. （５）　　前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０１５
   〜約（１２５（重量）％のクロムおよび残部のジルコニ
   ウムから成る特許請求の範囲第１項記載の複合被覆容器
   。
6. （６）　　前記希薄ジルコニウム合金ライナが合計して
   約α１５〜約０．３（重量）％の鉄十クロムおよび残部
   のジルコニウムから成り、かつ前記鉄と前記クロムとの
   重量比が約１＝１〜約４＝１である特許請求の範囲第１
   項記載の複合被覆容器。
7. （７）前記希薄ジルコニウム合金ライナが合計して約α
   ２〜約０．２５　（重量）％の鉄子クロムおよび残部の
   ジルコニウムから成り、かつ前記鉄と前記クロムとの重
   量比が約１：１〜約４＝１である特許請求の範囲第１項
   記載の複合被覆容器。
8. （８）前記希薄ジルコニウム合金ライナが約００２〜約
   ０，２（重量）％の銅および残部のジルコニウムから成
   る特許請求の範囲第１項記載の複合被覆容器。
9. （９）　　前記希薄ジルコニウム合金ライチが約００５
   〜約ｏ、　１ｓ　（重量）％の銅および残部のジルコニ
   ウムから成る特許請求の範囲第１・項記載の複合被覆容
   器。