JPS5995496A - 核燃料要素 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、核燃料要素、特に、ジルコニウム合金系被覆
管の応力腐食割れ現象の発生抑制構造を改良した核燃料
要素に関するものである。

〔従来技術〕

一般に、核燃料要素は第１図に示す如き横這を有し、１
は被覆管で、被覆管１内には複数個の核燃料ペレット２
を積層収納すると共に、被包管ｌの両端間ゴを端栓３ａ
、３ｂによシ密封し４１り成されている。核燃料ペレッ
ト２は、核分裂性の酸化物燃料粉末が、例えば長さと直
径との比全約１の円柱状ペレットに成型焼結されたもの
である。同、第１図中、４は＊　ｉ’ｉｔ管ｌ内にガス
溜め用ブレナム５を形成する機能と、核燃料ペレット２
を安定状態に支持する機能とを果すスプリングである。

ところで、上記のように４り１成された核懲料振素にお
いて、被包管１には核燃料ペレット２と冷却材との接触
及び化学反応を阻止する機能と、燃料から放出された放
射性核分裂生成物が冷却材中に混入するのを阻止する機
能とが要求される。従って、このような機能を満足しな
い被覆管１、即ち、被覆管１が被損したような場合には
、冷却系プラントの放射能レベルが上昇し、安全全確保
するために原子炉の運転全停止させなければならない事
態となる。

水冷型原子炉に用いられる核燃料要素の被覆管は、一般
に、ジルコニウム及びその合金系で形成されている。ジ
ルコニウム及びその合金は、中性子吸収断面積が小さく
、かつ、約４００Ｃ以下の温度で強靭で延性がよく、シ
かも、冷却材として用いられる水蒸気とも反応しない安
定した特性を有している。

しかしながら、現在までの運転実績によると、ジルコニ
ウム及びその合金で形成された被覆管にあっても、中性
子照射を受けることによる材料強度の低下及び核分裂生
成物との化学反応による腐食などの相互作用に基づく脆
性割れが発生する。

このような望ましくない現象は次のようにして発生する
ものと考えられる。即ち、核燃料ベレット２で発生した
熱を被覆管１の外表面に効率よく伝えるには、被覆管１
の内側面と核燃料ペレット２との間に形成されるギャッ
プを数十ミクロン以下に設定する必要がある。一方、運
転時には、核燃料ペレット２が発熱するのでペレット自
身が熱応力で割れ、その破面の喰い違いや、さらには、
燃焼とともに核燃料ベレット内に核分裂生成物が容積し
て起こる体債じ張などが原因して第２図に示すように被
覆管１が核燃料ベレット２によって押し拡げられ応力を
受ける。被覆管１が受ける歪の周方向の平均値はさほど
大きくはないが、核燃料ベレット２に生じたクラック６
近伊の壁には局部的に歪が集中し、この歪は降伏応力以
上に達する。更に、核分裂に伴なって核燃料ベレット２
から、よう素及びよう２化合物、セシウムおよびセシウ
ム化合物などの腐食性ガスが発生し、この腐食性ガスは
被覆管１内の自由空間、即ち、クラック６などに集まる
。そして、被Ｏ管１の特に歪が集中している部分近傍に
腐食性ガスが集シ易い。

一般に、腐食性ガスの雰囲気中で応力（特に降伏応力以
上）が作用すると、材料の延性が低減し、応力Ｍ？ｉ食
割れと呼称される脆性破壊現象が発生する。応力腐食割
れは、温度、応力、腐食性ガスの６Ａ反、溶存酸素、合
金の、組成、熱処理、加工度などによっても左右され、
その発生メカニズムは単一ではなく明らかでない。

〔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、腐食性
ガス中において応力が加わった場合、ジルコニウム系被
覆管の応力腐食割れを起こす確率を低減し信頼性を向上
できる核燃料要素を提供することを目的としたものであ
る。

〔発明の概要〕

本発明の核燃料要素は、ジルコニウム合金系被覆管内に
核燃料ペレットが収納され、上記被覆管の両端全密封し
てなシ、上記被覆管の内表面の両端部側を、水素ガス透
過性にすぐれた物質によシ被覆してなるものである。

本発明者らは、上記目的を達成するために、応力腐食割
れの発生メカニズムによる応力腐食割れの防止手段を究
明しその結果、この応力腐食割れの発生メカニズムは、
次の過程によって生じるものと思料する。被覆管内面の
結晶粒が特定の方向を向いた粒界は、粒界析出物と核分
裂生成物であるよう素（Ｉ２）どの反応が活発である。

いわゆるアクチブパスとなり、この付近で歪集中を生じ
ると表面酸化膜が破沼し、この破壊部分がピットとなっ
て割れの核が発生する。この初期クラック先端では工２
の表面吸着によって界面エネルギーが低下すると共に、
水垢の析出面ではへき開割れを生じ易いので、粒内割れ
を伴なってクラックが伝播することが推測される。そこ
で、例等かの手段で、例えばよう索などの腐食性生成物
とジルコニウムとの反応速度が低下されるかまたは停止
されればよい。この目的のためは燃料要素内の酸素分圧
が上昇すればよいことが公知でおる。更に、破損音生じ
易い被覆管部分の水素析出物を低減化することが、この
目的に合致する。

〔発明の実施例〕

以下本発明の核燃料要素を、−実施例金柑い第１図と同
部品は同符号を用い同部分の枯造の説明は省略し第３図
によシ説明する。第３図において、長さが４ｍのシルカ
・ワイー２の被覆管１には、ガスプレナム５の隣接部に
、図示の如く軸方向に１ｍにわたって管内表面に水素ガ
ス透過性にすぐれた物質の例えば、パラジウム７が無電
解メッキ法によって厚さ１０μｍに被覆し形成されてい
る。

また、下部端栓３ｂ隣接側にも長さ１ｍにわたって同様
な手法によって管内表面上にノくラジウム７が被覆され
ている。そして、被覆管１は一方の端部に端栓が溶接さ
れ、核燃料ベレット２が充填された後、他端に端栓が溶
接されて核燃料要素が形スフ。

成されるようになっている。尚、４はプレナムリヘ ングでおシ、燃料ペレット２の移動を阻止している。ま
た、無電解メッキされたパラジウム７は被憶管１内表面
を均一に覆っていることを顕微鏡観察で確認している。

ジルコニウムやその合金はよう索などの核分裂生成物に
よって応力腐食割れ（８ＣＣ）’、ｒ生じることがあり
、これらの材料のＳＣＣ感受性は雰囲気中の酸素分圧に
依存しておシ、酸素分圧が高い状態、即ち、酸化雰囲気
においては、上記ＳＣＣ感受性が低下することが知られ
ている。従来の核燃料要素の被覆管内においては、ジル
コニウム及びその合金は、管内の酸素と容易に反応し、
還元性雰囲気になり易く、厳しい使用条件ではＳＣＣそ
のため、本実施例においては、強度上段も厳しい軸方向
中央部近傍以外、即ち、強度上問題とならない両端部近
傍に、パラジウムなどの水素透過性にすぐれた物質金メ
ッキすることによって還元性雰囲気を緩和させたもので
ある。上記のように本実施例の燃料要素内においては、
パラジウムが被膜された部分では水素が選択的に透過し
被媛管と反応するが、酸素は被覆内弐面と反応し短い。

これによって燃料袂素内の酸素分圧は上昇し、強度上段
も厳しい条件下にあるパラジウム被覆のない部分では管
内表面の酸化が進み、ＳＣＣ感受性を低下させる作用を
生じる。

仏穏管内部での−こね、らの反応を調べるために、被稙
′ａ内部に初期水素圧２Ｘ１０３Ｐａ、水蒸気圧２Ｘ１
０’Ｐａ全封入し４００Ｃに保った。試験後管内表面部
の水素及び酸素濃度を測定した結果を、横軸に被−覆管
軸方向位誼全とシ、縦軸に水系及び酸素濃度をとって表
した第４図に示す。第４図において、８，９，１０．１
１はそれぞれ管内の水素または酸素濃度金示しておシ、
８は本実ｈｔｆ＋　９０の水素濃度、９は従来の水素濃
度、１０は本実施夕Ｕの酸素濃度、１１は従来の咳索議
度、７はノくラジウムでおる。第４図で明らかな如く、
被覆管のＩｉ也力方向位置おいて、非ノくラジウム被覆
音μ（ておいては、酸素濃度が高く水素濃度は低い分布
となっている。従って、ＳＣＣの現象の発生を軽渡でき
る。

このように本実施例の核燃料渋木は、＊＋’ｊｔＩ？の
内子（面の両Ｍａ５１Ｓ側に水素透過性にすく゛れた〕
くラジウムの薄層全形成したことにより中（ｕｊ部の強
度上段も烈しい部分の酸素濃度を高め水系濃度を低くし
、腐食性ガス中において応力が加った場合、２７．７＝
つ４エアや、）９カわえカ、わヶ。。オＪ”太幅に低下
させ信頼性を向上できる。

上記実施例では、ジルコニウム合金系被後管内表面の両
端部側部分のノくラジウム被穢音昏分の長さが゛ ：ｆｔ１ｍの」場合について述べたが、両ＭＪ　１Ｊｉ
ｊ音μ分において被包管軸方向長さのｌ　／　２．５〜
１／８位に選定することが好ましい。また、ジルコニウ
ム合金の被り管の内側に純ジルコニウム管の１弓張りｔ
設け、この内張シ内全上記水素透過性にす（”　ｉまた
物質により被償することによυ災に効果を向上すること
ができる。

−〔発明の効果〕 以上記述した如く本究明の核燃料要素は、腐食性ガス中
において応力が加わった場合、ジルコニム系被覆管の応
力）ｆ巧＊　’ｔ：’Ｊれを起こす確率を大１１幅に低
減し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】

７ｙＪ１図は従来の核燃料快素の縦断面図、第２図は第
１図の核燃料普素の破損原因説明図、第３図は本発明の
核燃料要素の実施例の縦断面図、第４図は第１図、第３
図の各核燃料依累内の水素及酸素ｔ２度比較図である。 １・・・被直管、２・・・核燃料ベレツ）、３ａ、３ｂ
・・・第　　１　　図 第　３　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ジルコニウム合金系被覆管内に核燃料ペレットが収
   納され、上記被包管の両端開口を密封してなる核燃料要
   素において、上記被覆管の内表面の両端部側を、水素ガ
   ス透過性にすぐれた物質にょシ被覆してなることを特徴
   とする核−燃料要素。 ２、上記被包管内表面の各端部側に、全長のν′２．５
   ないし１／８の範囲にわたシバ２ジウムが破口されてい
   る特許請求の範囲第１項記載の核燃料要素。 ３、上記被覆管内表面に純ジルコニウムが内張シされて
   いる特許請求の範囲８２項記載の核燃料要素。