JPS60190890A - 核燃料要素の被覆管 - Google Patents
核燃料要素の被覆管Info
- Publication number
- JPS60190890A JPS60190890A JP59046301A JP4630184A JPS60190890A JP S60190890 A JPS60190890 A JP S60190890A JP 59046301 A JP59046301 A JP 59046301A JP 4630184 A JP4630184 A JP 4630184A JP S60190890 A JPS60190890 A JP S60190890A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- zirconium
- cladding tube
- layer
- nuclear fuel
- fuel element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- 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
Landscapes
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
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。
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、核燃料要素の被覆管に係シ、特に従来と同等
の強度および耐食性を有しかつ、耐応力腐食割れ（ＳＣ
Ｃ）特性の極めて優れた核燃料要素の被覆管に関するも
のである。
の強度および耐食性を有しかつ、耐応力腐食割れ（ＳＣ
Ｃ）特性の極めて優れた核燃料要素の被覆管に関するも
のである。
現在設計、製造もしくは運転されている原子炉において
は、通常、核燃料物質を耐食性、非反応性かつ熱伝導性
の優れた被覆管内に封入した核燃料要素を使用している
。この核燃料要素を冷却材が流れるチャンネルボックス
内に一定間隔に格子状に集合して、燃料集合体を形成す
る。これらの燃料集合体を適当数組合せて核分裂反応の
可能な核分裂連鎖反応型集合体まだは炉心を形成する。
は、通常、核燃料物質を耐食性、非反応性かつ熱伝導性
の優れた被覆管内に封入した核燃料要素を使用している
。この核燃料要素を冷却材が流れるチャンネルボックス
内に一定間隔に格子状に集合して、燃料集合体を形成す
る。これらの燃料集合体を適当数組合せて核分裂反応の
可能な核分裂連鎖反応型集合体まだは炉心を形成する。
炉心は、冷却材の流通する原子炉容器内に配置されてい
る。
る。
被覆管は幾つかの目的で使用される。その第１の目的は
、核燃料と冷却材または減速材との接触及び化学反応を
防止することにある。第２の目的は、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、
あるいは冷却材及び減速材の双方が存在する場合、これ
ら双方の中にもれ出るのを防止することにある。
、核燃料と冷却材または減速材との接触及び化学反応を
防止することにある。第２の目的は、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、
あるいは冷却材及び減速材の双方が存在する場合、これ
ら双方の中にもれ出るのを防止することにある。
普通の被覆管材料は、ステンレス鋼、ジルコニウム及び
その合金等である。これらの被覆管の破損、即ち、漏れ
、密封性の喪失が生じると、冷却材または減速材及びそ
の関連する系が、放射性長寿命生成物でプラントの運転
を妨げる程に汚染されるおそれがある。ジルコニウムお
よびその合金は、平常条件下では優秀な被覆管材料であ
る。その理由は、ジルコニウム及びその合金が小さい中
性子吸収断面を有し、更に、約４００Ｃ以下の温度では
、原子炉冷却材及び減速材として普通に使用される水蒸
気の存在下で強く、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。このような原子炉燃料棒を用
いた長年の運転経験によれば、現在使用されている燃料
棒が高度の信頼性を有することが判明している。
その合金等である。これらの被覆管の破損、即ち、漏れ
、密封性の喪失が生じると、冷却材または減速材及びそ
の関連する系が、放射性長寿命生成物でプラントの運転
を妨げる程に汚染されるおそれがある。ジルコニウムお
よびその合金は、平常条件下では優秀な被覆管材料であ
る。その理由は、ジルコニウム及びその合金が小さい中
性子吸収断面を有し、更に、約４００Ｃ以下の温度では
、原子炉冷却材及び減速材として普通に使用される水蒸
気の存在下で強く、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。このような原子炉燃料棒を用
いた長年の運転経験によれば、現在使用されている燃料
棒が高度の信頼性を有することが判明している。
しかし、原子炉が変動する負荷を以って運転する必要が
ある場合、あるいは出力を急昇する必要がある場合には
、燃料の障害がしばしば発生することが明らかとなった
。この場合の変動負荷は原子炉燃料棒の温度の変動を生
じ、従って燃料棒は更に周期的に熱膨張の作用を受ける
ことになる。
ある場合、あるいは出力を急昇する必要がある場合には
、燃料の障害がしばしば発生することが明らかとなった
。この場合の変動負荷は原子炉燃料棒の温度の変動を生
じ、従って燃料棒は更に周期的に熱膨張の作用を受ける
ことになる。
この場合、被覆管の内壁には燃料ベレット、被覆管およ
び核分裂生成物質間の相互作用によシ、応力腐食割れ（
ＳＣＣ）を起こすという問題が明らかとなった。その場
合の腐食性媒体としてヨウ素が確認された。
び核分裂生成物質間の相互作用によシ、応力腐食割れ（
ＳＣＣ）を起こすという問題が明らかとなった。その場
合の腐食性媒体としてヨウ素が確認された。
上記問題を解決する方法の一つとして被覆管を二重構造
とし、ジルカロイ−２被覆管の内側に耐ＳＣＣ性の良好
なジルコニウムをライニングする方法が提案された。こ
の方法によれば、耐ＳＣＣ性能はジルカロイ−２被覆管
のままよりも優れていることが確認された。しかし、原
子炉の運転方法によっては必ずしもＳＣＣ破損を完全に
防止できるまでには至っていない。その原因の一つはジ
ルコニウムはジルカロイ−２よシも強度が低く、従って
被覆管の設計応力を確保する必要があるため、ジルコニ
ウムライニング層の厚さをＳＣＣが完全に防止できるま
で十分厚くできないと言う点である。
とし、ジルカロイ−２被覆管の内側に耐ＳＣＣ性の良好
なジルコニウムをライニングする方法が提案された。こ
の方法によれば、耐ＳＣＣ性能はジルカロイ−２被覆管
のままよりも優れていることが確認された。しかし、原
子炉の運転方法によっては必ずしもＳＣＣ破損を完全に
防止できるまでには至っていない。その原因の一つはジ
ルコニウムはジルカロイ−２よシも強度が低く、従って
被覆管の設計応力を確保する必要があるため、ジルコニ
ウムライニング層の厚さをＳＣＣが完全に防止できるま
で十分厚くできないと言う点である。
、本発明は」二重した従来の被覆管の欠点をなくすため
になされたもので、その目的とするところは、従来と同
等の強度および耐食性を有しかつ、耐応力腐食割れ（Ｓ
ＣＣ）特性の極めて優れた核燃料要素の被覆管を提供す
ることにある。
になされたもので、その目的とするところは、従来と同
等の強度および耐食性を有しかつ、耐応力腐食割れ（Ｓ
ＣＣ）特性の極めて優れた核燃料要素の被覆管を提供す
ることにある。
前述のごとく、一般にジルコニウム合金、例えばジルカ
ロイ−２よりもクリスタル・バーあるいはスポンジジル
コニウムのような純ジルコニウムの方が耐ＳＣＣ性能が
優れている。反対に耐食性はジルカロイ−２の方が純ジ
ルコニウムよシも優れている。
ロイ−２よりもクリスタル・バーあるいはスポンジジル
コニウムのような純ジルコニウムの方が耐ＳＣＣ性能が
優れている。反対に耐食性はジルカロイ−２の方が純ジ
ルコニウムよシも優れている。
一方、ジルコニウムのヨウ素によるＳＣＣは、先ず、き
裂が発生し、そのき裂が進展して破断する。従って、耐
ＳＣＣ特性の良好な被覆管を得るためには、被覆管内面
に耐ＳＣＣ特性の優れた純ジルコニウムを配し、被覆管
にＳＣＣき裂が発生するのを防止すると同時に、仮にＳ
ＣＣき裂が発生しても耐ＳＣＣ特性の優れたジルコニウ
ム部の進展範囲を大きくして被覆管が容易に破断しない
ようにすれば良い。また、従来と同等の耐食性を得るた
めには、被覆管外表面を耐食性の優れたジルカロイ−２
で覆っておけば良い。
裂が発生し、そのき裂が進展して破断する。従って、耐
ＳＣＣ特性の良好な被覆管を得るためには、被覆管内面
に耐ＳＣＣ特性の優れた純ジルコニウムを配し、被覆管
にＳＣＣき裂が発生するのを防止すると同時に、仮にＳ
ＣＣき裂が発生しても耐ＳＣＣ特性の優れたジルコニウ
ム部の進展範囲を大きくして被覆管が容易に破断しない
ようにすれば良い。また、従来と同等の耐食性を得るた
めには、被覆管外表面を耐食性の優れたジルカロイ−２
で覆っておけば良い。
しかし、上述のごとく被覆管に占めるジルコニウムの割
合を大きくすると、強度が低下し、耐荷重が設計応力以
下となる危険性が有る。この弱点を無くするためには、
ジルコニウム中の特定の不純物の含有量を増やせば良い
。すなわち、被覆管の内側層を形成するジルコニウム中
に不純物を固溶させた固溶強化型ジルコニウムとすれば
よい。
合を大きくすると、強度が低下し、耐荷重が設計応力以
下となる危険性が有る。この弱点を無くするためには、
ジルコニウム中の特定の不純物の含有量を増やせば良い
。すなわち、被覆管の内側層を形成するジルコニウム中
に不純物を固溶させた固溶強化型ジルコニウムとすれば
よい。
不純物のうち、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａ４などの金属不純
物は固溶限が少なく、析出物としてマド１ノツクス中に
析出し易い。さらに、これらの元素７５り一旦析出する
と容易にヨウ素と反応し、ＳＣＣ発生の核として作用す
る。非金属不純物のうち酸素は、固溶限が約３０％（原
子、＜−セント）と大きく従って析出物を作やにくい。
物は固溶限が少なく、析出物としてマド１ノツクス中に
析出し易い。さらに、これらの元素７５り一旦析出する
と容易にヨウ素と反応し、ＳＣＣ発生の核として作用す
る。非金属不純物のうち酸素は、固溶限が約３０％（原
子、＜−セント）と大きく従って析出物を作やにくい。
さらに酸素は夛μ金属であるため、ヨウ素と極めて反Ｓ
ｔしにくく、ＳＣＣ発生の核になシにくい。従って、ジ
ルコニウムの耐ＳＣＣ特性を劣化させることなく、強度
を大きくするためには、酸素の含有量を増やし、他の不
純物は現在使用されている原子力用スポンジジルコニウ
ムまたハクリスタルツク−・ジルコニウム程度以下で十
分である。ジルコニウム中の酸素の量は、クリスタルノ
く−・ジルコニウムの場合に約１００ ｐ ｐｍ、スポ
ンジジルコニウムの場合に６００〜１２００ｐｐｍであ
り、他の不純物はクリスｐルバーージルコニウムの場合
Ｋ ６００ ｐ ｐｍ以下、スポンジジルコニウムの場
合に６００〜３０００１）Ｉ）ｍでちる。従って、本発
明を実施するためには、スポンジジルコニウムに酸素を
富化したジルコニウムを被覆管の内側層に使用すればよ
い。
ｔしにくく、ＳＣＣ発生の核になシにくい。従って、ジ
ルコニウムの耐ＳＣＣ特性を劣化させることなく、強度
を大きくするためには、酸素の含有量を増やし、他の不
純物は現在使用されている原子力用スポンジジルコニウ
ムまたハクリスタルツク−・ジルコニウム程度以下で十
分である。ジルコニウム中の酸素の量は、クリスタルノ
く−・ジルコニウムの場合に約１００ ｐ ｐｍ、スポ
ンジジルコニウムの場合に６００〜１２００ｐｐｍであ
り、他の不純物はクリスｐルバーージルコニウムの場合
Ｋ ６００ ｐ ｐｍ以下、スポンジジルコニウムの場
合に６００〜３０００１）Ｉ）ｍでちる。従って、本発
明を実施するためには、スポンジジルコニウムに酸素を
富化したジルコニウムを被覆管の内側層に使用すればよ
い。
前述のごとくジルコニウムの酸素含有量を増やし、現在
使用されているジルカロイ−２と同等の強度が得られる
ようにすれば、被覆管の内側層であるジルコニウムシイ
ナ層の厚さを十分厚くすることができ、耐ＳＣＣ特性の
優れた被覆管が得られることになる。ただ、被覆管の外
側層は従来と同等の耐食性を得るためにジルコニウム合
金（例えばジルカロイ−２）で構成する必要が有る。ジ
ルコニウム合金の厚さはノジュラーコロージョンの深さ
以上の厚さ、即ち被覆管の肉厚全体の１０チ以上が好ま
しい。
使用されているジルカロイ−２と同等の強度が得られる
ようにすれば、被覆管の内側層であるジルコニウムシイ
ナ層の厚さを十分厚くすることができ、耐ＳＣＣ特性の
優れた被覆管が得られることになる。ただ、被覆管の外
側層は従来と同等の耐食性を得るためにジルコニウム合
金（例えばジルカロイ−２）で構成する必要が有る。ジ
ルコニウム合金の厚さはノジュラーコロージョンの深さ
以上の厚さ、即ち被覆管の肉厚全体の１０チ以上が好ま
しい。
以下、本発明の詳細な説明する。本実施例の被覆管７は
、第１図に示すように、内側層４及び外側層３からなっ
ている。内側層４は酸素を含んでいるスポンジジルコニ
ウムにて構成され、外（１１Ｊ層３はジルカロイ−２に
て構成される。ジルカロイ−２の代シにジルカロイ−４
を用いてもよい。
、第１図に示すように、内側層４及び外側層３からなっ
ている。内側層４は酸素を含んでいるスポンジジルコニ
ウムにて構成され、外（１１Ｊ層３はジルカロイ−２に
て構成される。ジルカロイ−２の代シにジルカロイ−４
を用いてもよい。
図示されていないが、被覆管７内に多数の燃料ベレット
が充填され、被覆管７０両端部が密封されて燃料棒が構
成される。燃料ベレットの外面は、内側層４に対向して
いる。
が充填され、被覆管７０両端部が密封されて燃料棒が構
成される。燃料ベレットの外面は、内側層４に対向して
いる。
内側層４に含゛まれる酸素濃度を種々変えて検討を行っ
た。すなわち、酸素を６５０ ｐｐｍ、１ｌ１００ｐＩ
）、１２００ｐＩ）１１１．１４００ｐｌ）ｍ及び１７
５０ｐｐｌｎに変え他の不純物を９５０ｐｌ）ｍ以下と
したスポンジジルコニウムを用いて３００Ｃで引張試駆
を行い、従来得られているジルカロイ−２被覆管の試験
結果と比較した。その結果を第２図に示す。第２図より
、酸素濃度がｉｚｏｏｐｐｍ以上の範囲ではジルコニウ
ムの引張強さは現在使用されているジルカロイ−２被覆
管の引張強さとはｔ７同等であることがわかる。すなわ
ち、従来のジルカロ・ｆ−２被覆管と同等の強度を得る
ためにはジルコニウム中の１俊素濃度を１２００ｐｐｍ
以上にすればよい。
た。すなわち、酸素を６５０ ｐｐｍ、１ｌ１００ｐＩ
）、１２００ｐＩ）１１１．１４００ｐｌ）ｍ及び１７
５０ｐｐｌｎに変え他の不純物を９５０ｐｌ）ｍ以下と
したスポンジジルコニウムを用いて３００Ｃで引張試駆
を行い、従来得られているジルカロイ−２被覆管の試験
結果と比較した。その結果を第２図に示す。第２図より
、酸素濃度がｉｚｏｏｐｐｍ以上の範囲ではジルコニウ
ムの引張強さは現在使用されているジルカロイ−２被覆
管の引張強さとはｔ７同等であることがわかる。すなわ
ち、従来のジルカロ・ｆ−２被覆管と同等の強度を得る
ためにはジルコニウム中の１俊素濃度を１２００ｐｐｍ
以上にすればよい。
さらに、第１図に示す被覆管において内側層４であるジ
ルコニウムシイナ層と外側層３であるジルカロイ−２の
肉厚の割合を５種類、すなわち全肉厚の５．２０，３０
．６０及び９０％に変えた被覆管を作製し、４０（ｌで
ヨウ素によるＳＣＣ試験を行った。ジルコニウムライナ
層の酸素含有量は１３５０１）Ｉ）Ｉｎ、他の不純物総
量は９１０１）ｌ）ｍである。また、試験法は気体加圧
型ＳＣＣ試験でヨウ素濃度は１ｍｇ／１１ｎ”である。
ルコニウムシイナ層と外側層３であるジルカロイ−２の
肉厚の割合を５種類、すなわち全肉厚の５．２０，３０
．６０及び９０％に変えた被覆管を作製し、４０（ｌで
ヨウ素によるＳＣＣ試験を行った。ジルコニウムライナ
層の酸素含有量は１３５０１）Ｉ）Ｉｎ、他の不純物総
量は９１０１）ｌ）ｍである。また、試験法は気体加圧
型ＳＣＣ試験でヨウ素濃度は１ｍｇ／１１ｎ”である。
試験結果を第３図に示す。第３図の横軸は破断時間、縦
軸は被覆管全肉厚に占めるジルコニウム層の肉厚の割合
（％）である。また、被覆管の負荷応力はいずれの試験
片も２５ ｋｇ／ ｒＮｎ２とした。第３図より内側層
４であるジルコニウム層の肉厚の占める割合の大きい方
が耐ＳＣＣ感受性が良好である。特にジルコニウム層の
厚さが３０％以上の場合にその傾向が著しい。なお、第
３図には内側層４の酸素量がｓｓｏｐｐｍのジルコニウ
ムシイナ管の結果（・印）もプロットしである。この結
果からも、本実施例にかかわる被覆管の方が耐ＳＣＣ性
能が優れていることがわかる。
軸は被覆管全肉厚に占めるジルコニウム層の肉厚の割合
（％）である。また、被覆管の負荷応力はいずれの試験
片も２５ ｋｇ／ ｒＮｎ２とした。第３図より内側層
４であるジルコニウム層の肉厚の占める割合の大きい方
が耐ＳＣＣ感受性が良好である。特にジルコニウム層の
厚さが３０％以上の場合にその傾向が著しい。なお、第
３図には内側層４の酸素量がｓｓｏｐｐｍのジルコニウ
ムシイナ管の結果（・印）もプロットしである。この結
果からも、本実施例にかかわる被覆管の方が耐ＳＣＣ性
能が優れていることがわかる。
本発明によれば、従来のジルコニウムあるいはその合金
から成る二重被覆管に比べ、耐ＳＣＣ性の極めて優れ、
かつ、従来の被覆管と同等の強度および耐食性を有する
被覆管を得ること７＞５−ｙきる。
から成る二重被覆管に比べ、耐ＳＣＣ性の極めて優れ、
かつ、従来の被覆管と同等の強度および耐食性を有する
被覆管を得ること７＞５−ｙきる。
第１図は本発明の好適な一実施例である核燃料要素の被
覆管の断面図、第２図はジルコニウムの酸素含有量（ｐ
ｐｍ）と引張強さくｋｇ／Ｍ”）の関係を示した特性図
、第３図はヨウ素による本実施例の被覆管のＳＣＣ試験
結果を示す特性図である。 醸４含澹量
覆管の断面図、第２図はジルコニウムの酸素含有量（ｐ
ｐｍ）と引張強さくｋｇ／Ｍ”）の関係を示した特性図
、第３図はヨウ素による本実施例の被覆管のＳＣＣ試験
結果を示す特性図である。 醸４含澹量
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、内側のジルコニウム層と、その外側を取囲むジルコ
ニウム合金層とからなる核燃料要素の被覆管において、
前記ジルコニウム層が酸素を含有していることを特徴と
する核燃料要素の被覆管。 ２、前記ジルコニウム層内の酸素濃度が１２００ｐｐｍ
以上で、その層内における酸素以外の全不純物の濃度が
３０００１）Ｉ）ｍ以下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、前記ジルコニウム層がスポンジジルコニウムにて構
成されてい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、内側のフルコニウム層と、その外側を取囲むジルコ
ニウム合金層とからなる核燃料要素の被覆管において、
前記ジルコニウム層が酸素を含有しており、前記ジルコ
ニウム層の厚みが、被覆管の肉厚の３０〜９０％の範囲
にあることを特徴とする核燃料要素の被覆管。 ５、前記ジルコニウム層内の酸素濃度が１２００ｐｐ’
ｍ以上で、その層内における酸素以外の全不純物の濃度
がｓｏｏｏｐｐｍ以下である特許請求の範囲第４項記載
の核燃料要素の被覆管。 ６、前記ジルコニウム層がスポンジジルコニウムにて構
成されている特許請求の範囲第４項または第５項記載の
核燃料要素の被覆管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59046301A JPS60190890A (ja) | 1984-03-09 | 1984-03-09 | 核燃料要素の被覆管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59046301A JPS60190890A (ja) | 1984-03-09 | 1984-03-09 | 核燃料要素の被覆管 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60190890A true JPS60190890A (ja) | 1985-09-28 |
Family
ID=12743375
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59046301A Pending JPS60190890A (ja) | 1984-03-09 | 1984-03-09 | 核燃料要素の被覆管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60190890A (ja) |
-
1984
- 1984-03-09 JP JP59046301A patent/JPS60190890A/ja active Pending
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