JPS5860286A - 核燃料要素の被覆管 - 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】 本発明は核燃料要素の被覆管に係り、特に核燃料物質を
装填する強度と耐食性が良好な核燃料−要素の被覆管に
関するものである。

現在運転されている原子炉においては、核燃料物質を耐
食性、非反応性、熱伝導性の容器（コンテナ）または被
覆管内に装填してなる核燃料要素を冷却材流れチャネル
または領域内に互いに一定間隔に格子状に集合して組立
てて燃料集合体（燃料アセンブリ）を形成し、この燃料
集合体を適当数組合せて持続型核分裂反応が可能な核分
裂連鎖反応型集合体また社炉心を形成し、この炉心を冷
却材が流通する原子炉容器内１入れるようにしている。

核燃料要素の被覆（クラツディング）は、幾つかの目的
で行われており、そのうちの主要目的のうちの１つは、
核燃料”物質と冷却材または減速材（冷却材と減速材と
が存在する場合は双方）との接触およ−び化学反応を防
止することにある。他の１つは、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、冷却材
と減速材とが存在する場合にはこれら双方の中にもれ出
るのを防止することにある。普通の被覆材料としては、
□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（コロニビウム）、ある
種のマグネシウム合金などがあるが、被覆の破損、すな
わち、漏れ密封性のそう失が生じると、冷却材または減
速材およびそれらが関連する系が放射性長寿命生成物で
プラントの運転を妨げる程度に汚染さる恐れがあるので
、それの選択には十分注意する必要がある。

被覆材料としである種Ω金属および合金を使用して核燃
料要素を製造し、それを使用して原子炉を運転する場合
、特定の条件下で被覆材料に機械的な種々な問題が起っ
たり、あるいは、化学的反応が生じることから種々の問
題が起ったりする。

ジルコニウムおよびその合金は、平常条件下では、優秀
々−核燃料被覆材である。その理由は、ジルコニウムお
よびその合金が、小さい中性子吸収断面積を有し、さら
に７５０″Ｆ（約ａ　９−ｇ　ｃ　＞以下の温度では、
原子炉冷却材および減速材として普通に使用される脱塩
水または水蒸気の存在下でも強く、かつ、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。

しかし、核燃料要素の作動時に、核燃料、被覆および核
分裂反応中に生成する核分裂生成物間の錯綜した相互作
用によシ被覆に割れ（応力腐食割れ）が生じるという問
題があることが明らかになった。また、この望ましくな
い現象は、燃料−被覆の膨張差に基づく機械的応力の局
在化（被覆に生じる応力は核燃料の割れ目に局在化され
る）によって促進されることが確かめられた。腐食性核
分裂生成物は核燃料から放出され、燃料の割れ目と被覆
表面との交差部に集中する。そして核分裂生成物は、原
子炉を運転する間、核分裂連鎖反応中の核燃料によって
生成される。上記の局在化応力は核燃料と被覆との間の
高い摩擦により拡大される。

上記のような状況から、現状では核分裂生成物の放出と
機械的相互作用による応力の集中を防ぐため、原子炉の
運転方法を制約するようにしている。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的とする
ところは、従来と同様の強度を維持し、しかも、核燃料
物質の核分裂によって生成される核分裂生成物によって
応力腐食割れが発生するのを防止できる核燃料要素の被
覆管を提供することにある。

本発明の特徴は、金属中にセラミック粒子を分散させた
セラミック分散型金属で核燃料要素の被覆管を構成した
点にある。

一般に純金属はその強度において使用目的に適さないこ
とが多く、実際に使用される金属は、あ−る金属を母体
としてそれに他の金属を添加して強度を高めた合金であ
ることがほとんどである。これは添加金属が転位の動き
を阻止し、金属の変形を妨げる働きをするからである。

しかやに、２種あるいはそれ以上の金属が接触した場合
は電位差が生じ、この状態で陰イオンなどを含む腐食性
物質にさらされると、電位が高い何の金属は陰イオンと
結びつき、化学反応が進んで腐食が進行する。

そこで禾発明においては、母体金属への添加物を°セラ
ミックス粒子とし、通常の合金で見られる電気的な分極
を抑えると同時に、セラミックス粒子によって母体金属
中の転位運動を阻止し、従来通りの合金の強さを維持す
るようにした。セラミックス粒子としては、金属の酸化
物、炭化物あるいは窒化物などの粒子の使用が可能であ
る。

一般に金属の結晶粒径は数ミクロン以上であるから、セ
ラミックス粒子の粒径は１−ｓ以下が望ま１、シく、で
きれば０．５＃以下である方がよい。

沸騰水型原子炉の燃料棒被覆管としては通常ｔル：７＝
　ラムに微ｆの鉄、　クロム、ニッケル、スズを添加し
たジルカロイ−２合金が使用されている。

これらの金属の標準電極電位を第１表に示す。

第　　　１　　　表 第１表より添加金属はいずれもジルコニウムを低電位側
に分極させ、陰イオンと反応しやすい状態を生せしめる
可能性をもっていることがわかる。

したがって、本発明の実施例においては、ジルコニウム
中にセラミックス粒子を分散させて、ジルコニウムの強
度を高めると同時に、上記した分極を抑えるようにした
セラミックス分散型金属で核燃料物質を装填する被覆管
を構成するようにした。

なお、セラミックス粒子としては、使用実績および中性
子経済の観点から、酸化ジルコニウムの粒子を使用した
。ジルコニウムの結晶粒径は数ミクロン程度であり、ジ
ルカロイ−２の添加合金の析つムの粒径は０．５μｍ以
下とした。

上記した酸化ジルコニウム粒子を分散させたジルコニウ
ムよシなる被覆管としたことによ）、従来よシ耐腐食性
が向上し、しかも、強度は同様で、核燃料物質の核分裂
によって生成される核分裂生成物あるいはその化合物に
よって応力腐食割れが発生するのを防止できるようにな
った。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、金属被覆管内に核燃料物質を装填してなる核燃料要
   素において、前記金属被覆管を金属沖にセラミックス粒
   子を分散させたセラミックス分散型金属で構成してなる
   ことを特徴とする核燃料要素２、前記金属がジルコニウ
   ムあるいはジル幽量−合金である特許請求の範囲第１項
   記載の核燃料要素の被覆管。 ３、前記セラミックス粒子が金属酸化物である特許請求
   の範囲第１項または第２項記載の核燃料要素の被覆管。 ４、前記金属酸化物が酸化ジルコニウムである特許請求
   の範囲第一３項記載の核燃料要素の被覆管。 ５、前記セラミックス粒子が粒径０．５μｍ以下である
   特許請求の範囲第１項または第２項または第３項または
   第４項記載の核燃料要素の被覆管。