JPS60211390A - 核燃料物質収納用被覆管 - Google Patents
核燃料物質収納用被覆管Info
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- JPS60211390A JPS60211390A JP60051545A JP5154585A JPS60211390A JP S60211390 A JPS60211390 A JP S60211390A JP 60051545 A JP60051545 A JP 60051545A JP 5154585 A JP5154585 A JP 5154585A JP S60211390 A JPS60211390 A JP S60211390A
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C16/00—Alloys based on zirconium
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
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- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/16—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of other metals or alloys based thereon
- C22F1/18—High-melting or refractory metals or alloys based thereon
- C22F1/186—High-melting or refractory metals or alloys based thereon of zirconium or alloys based thereon
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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】
本発明は水冷却型原子炉燃料要素における燃料ペレット
とクラッド（被覆）との相互作用（Ｐｃｔ）による望ま
しくない作用を最小とする性質を有するジルコニウム基
合金を使用する核燃料物質を含有する被覆管に関する。
とクラッド（被覆）との相互作用（Ｐｃｔ）による望ま
しくない作用を最小とする性質を有するジルコニウム基
合金を使用する核燃料物質を含有する被覆管に関する。
水冷却型原子炉工業では高ノルコニウム合金から完全に
なる被覆管が使用されてきた。使用される普通の合金の
例は、ノルカロイ−２、ジルカロイ−４、及びジルコニ
ウム−２，５重量％（Ｗｌｏ）ニオブ合金である。これ
らの合金はそれらの耐放射特性、機械的性質、及び高温
度水腐食抵抗性によって選択される。
なる被覆管が使用されてきた。使用される普通の合金の
例は、ノルカロイ−２、ジルカロイ−４、及びジルコニ
ウム−２，５重量％（Ｗｌｏ）ニオブ合金である。これ
らの合金はそれらの耐放射特性、機械的性質、及び高温
度水腐食抵抗性によって選択される。
ノルカロイ−２及びジルカロイ−４が開発され、一方で
はジルカロイ−１及びジルカロイ−３が廃棄された経緯
は、エイ・ニス・ティー・エム・スペシャル・テクニカ
ル・パブリケイションズ（＾ＳＴＨ５ｐｅｃｉａｌ Ｔ
ｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ）、第３６
８号第３頁〜第２７頁（１９６４）に発表されたスタン
レイ・カス（Ｓｔａｎｌｅｙ Ｋａｓｓ）者“ザ・テ゛
イベラツプメント・オブ・ザ・ジルカロイ （Ｔｈｅ
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｔｌ＋ｅ Ｚｉｒｃａｌ
ｏｙｊ）″に要約されている。さらにノルカロイの開発
に関連する特許は、米国特許第２．７７２，９６４号、
３，０９７，０９４号、３，１４８．０５５号である。
はジルカロイ−１及びジルカロイ−３が廃棄された経緯
は、エイ・ニス・ティー・エム・スペシャル・テクニカ
ル・パブリケイションズ（＾ＳＴＨ５ｐｅｃｉａｌ Ｔ
ｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ）、第３６
８号第３頁〜第２７頁（１９６４）に発表されたスタン
レイ・カス（Ｓｔａｎｌｅｙ Ｋａｓｓ）者“ザ・テ゛
イベラツプメント・オブ・ザ・ジルカロイ （Ｔｈｅ
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆｔｌ＋ｅ Ｚｉｒｃａｌ
ｏｙｊ）″に要約されている。さらにノルカロイの開発
に関連する特許は、米国特許第２．７７２，９６４号、
３，０９７，０９４号、３，１４８．０５５号である。
ブルカａイー２及びジルカロイ−４の大抵の工業的な化
学上の規格は、事実上エイ・ニス・ティー ・−Ｌ ム
（ＡＳＴＭ） Ｂ５５Ｏ−８０（合金ｔｌｓＮ Ｎｏ、
Ｒ６０８０２、及びＲ６０８０４）にについて公表され
た要求に合致する。これらの要求にほかに、これらの合
金の酸素含有量は９００ないし１６００ｐｐｍ、代表的
には約１２００±２００ｐ回であることが要求される。
学上の規格は、事実上エイ・ニス・ティー ・−Ｌ ム
（ＡＳＴＭ） Ｂ５５Ｏ−８０（合金ｔｌｓＮ Ｎｏ、
Ｒ６０８０２、及びＲ６０８０４）にについて公表され
た要求に合致する。これらの要求にほかに、これらの合
金の酸素含有量は９００ないし１６００ｐｐｍ、代表的
には約１２００±２００ｐ回であることが要求される。
ノルカロイ被覆管を製造するに際しで、インゴトを熱間
加工して中間寸法のビレット又は棒を造り、得られたビ
レットをベータ溶体化処理し、中空ビレットに切削加工
し、中空ビレットを高温アルファ態化押出成形して中空
円筒押出成形物となし、該押出成形物を各冷間ビルが一
式寸法縮小工程前にアルファ！！再結晶アニール工程を
備えた多数の冷間ピルが一式寸法減少減少工程を通すこ
と−によって、実質上最終寸法の被覆管に寸法を減少さ
せることからなる製造工程が普通実施されている。こう
して得た冷間加工した実質上最終寸法の被覆は、次に最
終的に７ニールされる。この最終アニールは応力除去ア
ニール、部分的再結晶７二−ル又は完全再結晶アニール
である。使用される最終了ニールのタイプは、燃料被覆
の機械的性質についての設計者の仕様に基づいて選定さ
れる。
加工して中間寸法のビレット又は棒を造り、得られたビ
レットをベータ溶体化処理し、中空ビレットに切削加工
し、中空ビレットを高温アルファ態化押出成形して中空
円筒押出成形物となし、該押出成形物を各冷間ビルが一
式寸法縮小工程前にアルファ！！再結晶アニール工程を
備えた多数の冷間ピルが一式寸法減少減少工程を通すこ
と−によって、実質上最終寸法の被覆管に寸法を減少さ
せることからなる製造工程が普通実施されている。こう
して得た冷間加工した実質上最終寸法の被覆は、次に最
終的に７ニールされる。この最終アニールは応力除去ア
ニール、部分的再結晶７二−ル又は完全再結晶アニール
である。使用される最終了ニールのタイプは、燃料被覆
の機械的性質についての設計者の仕様に基づいて選定さ
れる。
前述の被覆を使用する燃料棒の使用時に起こった一つの
問題は、砕けて熱により膨張した酸化物燃料ベレットと
接触することによって応力下に置かれた被覆の内側表面
から発生する急裂が観察さッ れることである。これら
の亀裂は時折被覆管壁を貫通して広がり、燃料棒の一体
性を破壊し、それによって冷却材を燃料棒内及び放射性
核分裂生成物内に混入させて炉心を循環する一次冷却材
を汚染する。この亀裂現象は放射線硬化、機械的応力、
及び核分裂生成物の相互作用によりジルコニウム合金中
に亀裂の発生及び伝播を誘発する環境を生ずることによ
って起こると一般に信じられている。
問題は、砕けて熱により膨張した酸化物燃料ベレットと
接触することによって応力下に置かれた被覆の内側表面
から発生する急裂が観察さッ れることである。これら
の亀裂は時折被覆管壁を貫通して広がり、燃料棒の一体
性を破壊し、それによって冷却材を燃料棒内及び放射性
核分裂生成物内に混入させて炉心を循環する一次冷却材
を汚染する。この亀裂現象は放射線硬化、機械的応力、
及び核分裂生成物の相互作用によりジルコニウム合金中
に亀裂の発生及び伝播を誘発する環境を生ずることによ
って起こると一般に信じられている。
内側にジルコニウム層を結合させたジルカロイ燃料被覆
管は水冷却型原子炉の運転中における核燃料ペレッＦと
被覆との間の境界面に発生する亀裂に対して抵抗性もつ
ものとして提唱されているこれらの提唱は米国特許第４
，３７２．８１７号、同第４．２００，４９２号、及び
同第４，３９０，４９７明細書号−に記載されている。
管は水冷却型原子炉の運転中における核燃料ペレッＦと
被覆との間の境界面に発生する亀裂に対して抵抗性もつ
ものとして提唱されているこれらの提唱は米国特許第４
，３７２．８１７号、同第４．２００，４９２号、及び
同第４，３９０，４９７明細書号−に記載されている。
前述の特許明細書に記載のフルコニウム内張りはＰＣＩ
亀裂の伝播を防止するために選択されたものであるが、
水性液の腐食に対する内張りの抵抗性は考慮されてはい
ない。もしこの被覆に原子炉中で亀裂が入つて冷却材が
被覆の内側に入ったりすると、前記内張りの水性液耐食
性は被覆本体を構成する高ジルコニウム合金の水性液耐
食性より者しく劣ったものとなる。これらの条件下で、
内張りは完全に酸化されて比較的早く役に立たなくなり
、被覆のジルコニウム合金部分における水素化物の生成
が増大し、それによってジルコニウム合金の一体構造を
損傷する。被覆のこの品質低下はウラン及び放射性化学
種を冷却材中にがなり多量に放出することによって全体
が故障するようになる。
亀裂の伝播を防止するために選択されたものであるが、
水性液の腐食に対する内張りの抵抗性は考慮されてはい
ない。もしこの被覆に原子炉中で亀裂が入つて冷却材が
被覆の内側に入ったりすると、前記内張りの水性液耐食
性は被覆本体を構成する高ジルコニウム合金の水性液耐
食性より者しく劣ったものとなる。これらの条件下で、
内張りは完全に酸化されて比較的早く役に立たなくなり
、被覆のジルコニウム合金部分における水素化物の生成
が増大し、それによってジルコニウム合金の一体構造を
損傷する。被覆のこの品質低下はウラン及び放射性化学
種を冷却材中にがなり多量に放出することによって全体
が故障するようになる。
したがって本発明は、核燃料物質を含有する被。 覆管
であって、該被覆管が外側管状部材と、外側管状部材の
内側に設けられた内側管状部材とからなり、該内側管状
部材の外側周縁表面が本質的に全外側周縁表面にわたっ
て外側管状部材の内側周縁表面に結合し、■っ、外側管
状部材がノルカロイ−２、ノルカロイ−４、及びＮｌ＋
１．１１〜３．（）重量％を含むＺｒ−Ｎ１１合金から
選択された第１合金からなり、内側管状部材がスズ０．
１〜（）、６重量％、鉄０．０７〜０．２４重量％、ク
ロム０．０５〜０．１５重量％、ニッケル（１，０５重
且つ完全再結晶粒子構造を有する第２合金がらなり、管
壁の厚さが少なくとも０．０８＋ｎ＋＋＋（０，００３
インチ）であることを特徴とする核燃料物質を含有する
被覆管に存する。
であって、該被覆管が外側管状部材と、外側管状部材の
内側に設けられた内側管状部材とからなり、該内側管状
部材の外側周縁表面が本質的に全外側周縁表面にわたっ
て外側管状部材の内側周縁表面に結合し、■っ、外側管
状部材がノルカロイ−２、ノルカロイ−４、及びＮｌ＋
１．１１〜３．（）重量％を含むＺｒ−Ｎ１１合金から
選択された第１合金からなり、内側管状部材がスズ０．
１〜（）、６重量％、鉄０．０７〜０．２４重量％、ク
ロム０．０５〜０．１５重量％、ニッケル（１，０５重
且つ完全再結晶粒子構造を有する第２合金がらなり、管
壁の厚さが少なくとも０．０８＋ｎ＋＋＋（０，００３
インチ）であることを特徴とする核燃料物質を含有する
被覆管に存する。
上記組成範囲において、スズ含有ｌは０．２ないし０．
６重量％に保つのが好適であり、０．３ないし０．５重
量％に保つのが最も好適である。
６重量％に保つのが好適であり、０．３ないし０．５重
量％に保つのが最も好適である。
付随的な不純物の全量は１５００ｐｐＩ１１以下に限定
することが好適であり、これを１１０００ｐｐ以下に限
定することはさらに好適である。
することが好適であり、これを１１０００ｐｐ以下に限
定することはさらに好適である。
加えて、酸素及び窒素含有量をそれぞれ２５０ρ１ｕｌ
ｌ及び４０ｐｐｍ＋以下に限定することが好適である。
ｌ及び４０ｐｐｍ＋以下に限定することが好適である。
特に第１表に示す合金は、ＰＣＩ遮へい燃料部材としで
使用するのに特に良好に適合する。これらｔｌＳ１表の
合金はスズ、酸素、窒素、及び付随的な全不純物含有量
についての前述した好適な記載に従って、勿論変更して
もよい。
使用するのに特に良好に適合する。これらｔｌＳ１表の
合金はスズ、酸素、窒素、及び付随的な全不純物含有量
についての前述した好適な記載に従って、勿論変更して
もよい。
第１表
元素 範 囲 好適範囲Ｉ 好適範囲■（重量％） （
重量％） （重量％） Ｓｎ ０８１−０．６ ０．１−０．６ ０．１−０．
６Ｆｅ Ｏ，０４−０，２４０，１８−０，２４０，０
４−０，２０Ｃｒ Ｏ，０５−０，１５０，０７−０，
１３０，０５−０，１５Ｎ１ ≦０．０５ ＜ ０．０
０７ ０．０３−０．０！５Ｚｒ 残部窓 残部車 残
部８ ０ ＜ ３５０ｐｐｍ ＜ ２５０ｐｐ＋ｎ ＜ ２５
０１１１１１１１Ｎ ＜ ４０ｐｐＩ１１＜ ４０ｐｐ
＋ｓ ＜ ４０ｐｐ＋ｎ富：ジルコニウムは付随する不
純物以外は合金の残部を構成し、この不純物とは酸素及
び窒素とを含み全量で約１５００ｐｐｍ以下に保たれる
。
重量％） （重量％） Ｓｎ ０８１−０．６ ０．１−０．６ ０．１−０．
６Ｆｅ Ｏ，０４−０，２４０，１８−０，２４０，０
４−０，２０Ｃｒ Ｏ，０５−０，１５０，０７−０，
１３０，０５−０，１５Ｎ１ ≦０．０５ ＜ ０．０
０７ ０．０３−０．０！５Ｚｒ 残部窓 残部車 残
部８ ０ ＜ ３５０ｐｐｍ ＜ ２５０ｐｐ＋ｎ ＜ ２５
０１１１１１１１Ｎ ＜ ４０ｐｐＩ１１＜ ４０ｐｐ
＋ｓ ＜ ４０ｐｐ＋ｎ富：ジルコニウムは付随する不
純物以外は合金の残部を構成し、この不純物とは酸素及
び窒素とを含み全量で約１５００ｐｐｍ以下に保たれる
。
本発明をより明確に理解するために、示例のために図面
に基づいて本発明の実施態様を説明する。
に基づいて本発明の実施態様を説明する。
第１図を参照して説明すると、被覆管は外側層（即ち管
部材）１０が内側層（管部材）１００に結合している。
部材）１０が内側層（管部材）１００に結合している。
外側層１０は第１ジルコニウム基合金からなり、原子炉
中の水性媒体による腐食に対して優れた抵抗性と、高強
度と低クリープ速度とをもつ。このジルコニウム基合金
はジルカロイ−２合金、ノルカロイ−４合金又はジルコ
ニウムとニオブとの合金例えばジルコニウム−２，５重
量％ニオブ合金であるのが好ましい。内側層は第２ジル
コニウム基合金からなる。この第２フルコニウム基合金
はペレットと被覆間の相互作用により生ずる亀裂の伝播
に対する抵抗性と水性媒体による腐食に対する抵抗性と
が増大した合金で、本発明の発明者らにより設計された
合金である。内側層の厚さは０．０７６〜０ 、１１４
＋＋＋１＃（０，００３〜０．００４５インチ）であ
るのが好ましい。
中の水性媒体による腐食に対して優れた抵抗性と、高強
度と低クリープ速度とをもつ。このジルコニウム基合金
はジルカロイ−２合金、ノルカロイ−４合金又はジルコ
ニウムとニオブとの合金例えばジルコニウム−２，５重
量％ニオブ合金であるのが好ましい。内側層は第２ジル
コニウム基合金からなる。この第２フルコニウム基合金
はペレットと被覆間の相互作用により生ずる亀裂の伝播
に対する抵抗性と水性媒体による腐食に対する抵抗性と
が増大した合金で、本発明の発明者らにより設計された
合金である。内側層の厚さは０．０７６〜０ 、１１４
＋＋＋１＃（０，００３〜０．００４５インチ）であ
るのが好ましい。
第２合金の組成範囲は＃１表に示され、下記の理由に基
づき決定される。
づき決定される。
鉄及びクロムと共にスズが存在し且つ適宜ニッケルを添
加すると、ジルコニウムの増大した水性腐食抵抗性を与
える６ しかし、スズ及び酸素はノルコニウムの固溶体
強度付与剤である。鉄、クロム、及びニッケルはＺｒ（
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）析出物を形成することによって付加
的な強度付与効果を呈する。前述の諸元素はジルコニウ
ムのクリープ速度を低下させ、ジルコニウムにおける原
子炉運転温度での中性子照射による欠点を焼きもどし、
それによって材料の照射硬化を増大する能力を低下させ
る。要約すると、スズ、鉄、ニッケル、及びクロムはジ
ルコニウムの水性腐食抵抗性を改善する傾向があるが、
それら元素はジルコニウムのＰＣＩに関連する亀裂の拡
大を阻止する能力には有害である。
加すると、ジルコニウムの増大した水性腐食抵抗性を与
える６ しかし、スズ及び酸素はノルコニウムの固溶体
強度付与剤である。鉄、クロム、及びニッケルはＺｒ（
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｒ）析出物を形成することによって付加
的な強度付与効果を呈する。前述の諸元素はジルコニウ
ムのクリープ速度を低下させ、ジルコニウムにおける原
子炉運転温度での中性子照射による欠点を焼きもどし、
それによって材料の照射硬化を増大する能力を低下させ
る。要約すると、スズ、鉄、ニッケル、及びクロムはジ
ルコニウムの水性腐食抵抗性を改善する傾向があるが、
それら元素はジルコニウムのＰＣＩに関連する亀裂の拡
大を阻止する能力には有害である。
スズ含有量を０．１重量％〜０．６重量％に限定するこ
とによって、及び酸素含有量を３５０ ｐｐｌａ以下、
より好ましくは２５０ ｐｐｍ以下に限定することによ
って、これらの合金のクリープ速度及び応力緩和速度は
、被覆の外側層部を構成する市販のジルコニウム合金に
比べてＰＣＩ亀裂拡大に対する充分で且つ増大した有効
な抵抗性を与える。
とによって、及び酸素含有量を３５０ ｐｐｌａ以下、
より好ましくは２５０ ｐｐｍ以下に限定することによ
って、これらの合金のクリープ速度及び応力緩和速度は
、被覆の外側層部を構成する市販のジルコニウム合金に
比べてＰＣＩ亀裂拡大に対する充分で且つ増大した有効
な抵抗性を与える。
スズ含有量が０．２〜０．６重量％に保たれると、高ク
リープ速度の低中性子照射硬化と耐水性腐食との最適な
組合わせが得られる。０．２〜０．６重量％、さらに好
適には０．３〜（）、５重量％の好適なスズの範囲にお
いては、ＢＷＲ運転条件下での本発明の第２合金のクリ
ープ速度は酸素３５０ｐｐｍ以下のジルコニウムとクリ
ープ速度とほぼ同等であり、ジルコニウムの亀裂拡大抵
抗特性をもつが。
リープ速度の低中性子照射硬化と耐水性腐食との最適な
組合わせが得られる。０．２〜０．６重量％、さらに好
適には０．３〜（）、５重量％の好適なスズの範囲にお
いては、ＢＷＲ運転条件下での本発明の第２合金のクリ
ープ速度は酸素３５０ｐｐｍ以下のジルコニウムとクリ
ープ速度とほぼ同等であり、ジルコニウムの亀裂拡大抵
抗特性をもつが。
ジルカロイ−２及びノルカロイ−４と実質上同じ水性腐
食抵抗性をもつ障壁を生ずる。加うるに、一方の合金が
スズ、鉄、クロム、及びニッケルを含有することによっ
て、ジルコニウムに観察される再結晶結晶粒よりも着し
く細かい再結晶結晶粒を生じさせる。
食抵抗性をもつ障壁を生ずる。加うるに、一方の合金が
スズ、鉄、クロム、及びニッケルを含有することによっ
て、ジルコニウムに観察される再結晶結晶粒よりも着し
く細かい再結晶結晶粒を生じさせる。
水性腐食抵抗性及びＰＣＩｔ裂拡大抵拡大抵抗性に不利
な効果をもつ窒素を６５ ｐｐｕ以下、さらに好ましく
は４０ ｐｐｍ以下に制限するのが好ましい。ＡＳＴＭ
３５０−８０の第１表に記載の他のすべての不純物は
合金６０８０２又は合金６０８０４について該ＡｓＴＭ
３５０−８０に示された要求を満足することが好適で
ある、付随不純物（窒素及び酸素を含めｒ−）の全量は
、付随不純物が照射硬化におよぼす不利な累積効果を最
小とするために、好ましくは１５００ｐｐｍ以下、最も
好ましくは１０００ｐｐ簡以下に保たれる。ＡＳＴＭ
Ｂ５５Ｏ−８０を参照されたい。
な効果をもつ窒素を６５ ｐｐｕ以下、さらに好ましく
は４０ ｐｐｍ以下に制限するのが好ましい。ＡＳＴＭ
３５０−８０の第１表に記載の他のすべての不純物は
合金６０８０２又は合金６０８０４について該ＡｓＴＭ
３５０−８０に示された要求を満足することが好適で
ある、付随不純物（窒素及び酸素を含めｒ−）の全量は
、付随不純物が照射硬化におよぼす不利な累積効果を最
小とするために、好ましくは１５００ｐｐｍ以下、最も
好ましくは１０００ｐｐ簡以下に保たれる。ＡＳＴＭ
Ｂ５５Ｏ−８０を参照されたい。
本明細書に記述した被覆の化学組成に対する条件は全合
金元素及び不純物についてインゴット製造段階での化学
分析を行い、次いで例えば同時押出段階近くのような被
覆管製造の中間段階において間隙に入る元素である酸素
、水素及び水素について分析を行うことによって満足さ
せることができる。最終寸法の被覆管の化学分析は必要
ではな（）。
金元素及び不純物についてインゴット製造段階での化学
分析を行い、次いで例えば同時押出段階近くのような被
覆管製造の中間段階において間隙に入る元素である酸素
、水素及び水素について分析を行うことによって満足さ
せることができる。最終寸法の被覆管の化学分析は必要
ではな（）。
内側層用の原料管状部材は、市販のジルコニウムを必要
な合金生成条件下で例えばアーク溶解して下記第２表に
記載の公称組成をもつ２種の合金を造ることにより製造
される。
な合金生成条件下で例えばアーク溶解して下記第２表に
記載の公称組成をもつ２種の合金を造ることにより製造
される。
第２表
Ｓｎ Ｏ，５１Ａ１０ Ｏ，４Ｗｌｏ
Ｆ ｅ ０００６ Ｗｌｏ ０．１８
Ｃｒ Ｏ，０６Ｈｌｏ ０．０６
Ｎ ｉ ０．０３ Ｗｌｏ 不純物
ｈ＃９
０’ｔ ５０−１５０ ｐｐＩ１１４５０−１５０ ｐ
ｐｍＺ「 残部と共に全量 残部と共に全量１５００１
１１）Ｉ１１以下の １５００１１１１１１１以下の付
随不純物 付随不純物 （酸素を含む） （酸素を含む） 造ったインゴ・ントを次にベータ溶体化処理を含む慣用
の一次シルカロイ製造技法によって内側層用の原料管状
部材を造る。外側層の原料管状部材はＲ６０８０２級及
びＲ６０８０４級用のＡ Ｓ Ｔ Ｍ Ｂ５５Ｏ−８０
の要求を満足し、且つ酸素含有量が約９００〜１６００
ｐｐｔａのインゴットから造るのが便宜である。これら
の内側層用及び外側層用原料管状部材は冷間加工、熱間
加工、アル７Ｔアニールし又はベータ急冷したミクロ組
繊をもつ。
ｐｍＺ「 残部と共に全量 残部と共に全量１５００１
１１）Ｉ１１以下の １５００１１１１１１１以下の付
随不純物 付随不純物 （酸素を含む） （酸素を含む） 造ったインゴ・ントを次にベータ溶体化処理を含む慣用
の一次シルカロイ製造技法によって内側層用の原料管状
部材を造る。外側層の原料管状部材はＲ６０８０２級及
びＲ６０８０４級用のＡ Ｓ Ｔ Ｍ Ｂ５５Ｏ−８０
の要求を満足し、且つ酸素含有量が約９００〜１６００
ｐｐｔａのインゴットから造るのが便宜である。これら
の内側層用及び外側層用原料管状部材は冷間加工、熱間
加工、アル７Ｔアニールし又はベータ急冷したミクロ組
繊をもつ。
外側層用原料部材の内径表面並びに内側層用原料部材の
外径表面は次いで前記各部材嵌合した時にそれら部材間
のクリアランスが最小となる寸法に機械加工する。ｌ！
械加工後、各部材を清浄にして各部材の結合しようとす
る表面がらできるだけ全部の表面の汚れを除去する。清
浄化後、部材の結合しようとする表面を該部材が一つに
溶接されるまで清浄な室条件下に保つのが好ましい。結
合しようとするする表面が再び汚染されることはそれに
よって最も少なくなる。各部材を次に嵌合し、隣接する
各部材の間隙に形成される環状空間を真空電子ビーム溶
接によって嵌合した部材の両端を溶接後には前記環状空
間中に真空が保たれるようこの段階で結合していない環
状管集合体は既知の押出法、冷間ビルが一式寸法縮小工
程及びアニール工程によって完全にノルカロイからなる
被覆管の製造に加工できる状態となる。慣用のノルカロ
イの減摩、清浄、直線加工、及び表面仕上加工は種々の
慣用及び１９８２年１月２９日に出願された米国特許願
明細書第３４３．７８８号及び同第３４３，７８７号に
記載された新規な工程と組合わせて使用してもよい。前
述した９１遣方法によって、些細で不可避的な結合線不
連続部分以外は上記３層の完全で連続的な冶金的結合が
得られる。
外径表面は次いで前記各部材嵌合した時にそれら部材間
のクリアランスが最小となる寸法に機械加工する。ｌ！
械加工後、各部材を清浄にして各部材の結合しようとす
る表面がらできるだけ全部の表面の汚れを除去する。清
浄化後、部材の結合しようとする表面を該部材が一つに
溶接されるまで清浄な室条件下に保つのが好ましい。結
合しようとするする表面が再び汚染されることはそれに
よって最も少なくなる。各部材を次に嵌合し、隣接する
各部材の間隙に形成される環状空間を真空電子ビーム溶
接によって嵌合した部材の両端を溶接後には前記環状空
間中に真空が保たれるようこの段階で結合していない環
状管集合体は既知の押出法、冷間ビルが一式寸法縮小工
程及びアニール工程によって完全にノルカロイからなる
被覆管の製造に加工できる状態となる。慣用のノルカロ
イの減摩、清浄、直線加工、及び表面仕上加工は種々の
慣用及び１９８２年１月２９日に出願された米国特許願
明細書第３４３．７８８号及び同第３４３，７８７号に
記載された新規な工程と組合わせて使用してもよい。前
述した９１遣方法によって、些細で不可避的な結合線不
連続部分以外は上記３層の完全で連続的な冶金的結合が
得られる。
１９８２年１月２９日に出願された米国特許願明細書第
３４３，７８８号に記載されたレーザー加熱又は誘導加
熱による表面ベータ処理は、本発明の実施に必要ではな
いが明らかに好適である。このような処理を行う場合は
、最終冷間ピルが一式寸法縮小工程に最も近い工程と最
終冷開ピルが一式寸法縮小工程との闇で行うか、又は最
終冷間ビルが一式寸法縮小工程に最も近い工程の前で行
う。両者の場合、管は所望により表面ベータ処理前に中
間アニール並びに直線加工を行っておくべきである。表
面ベータ処理後、全中間アニール並びに最終アニールは
６００°Ｃ以下、さらに好適には５５０℃以下で行うべ
きである。最も好適には最終アニールは約５００℃以下
で行う。これらの低温度アニールは、ベータ表面処理に
よって増大した腐食抵抗を維持するために使用される。
３４３，７８８号に記載されたレーザー加熱又は誘導加
熱による表面ベータ処理は、本発明の実施に必要ではな
いが明らかに好適である。このような処理を行う場合は
、最終冷間ピルが一式寸法縮小工程に最も近い工程と最
終冷開ピルが一式寸法縮小工程との闇で行うか、又は最
終冷間ビルが一式寸法縮小工程に最も近い工程の前で行
う。両者の場合、管は所望により表面ベータ処理前に中
間アニール並びに直線加工を行っておくべきである。表
面ベータ処理後、全中間アニール並びに最終アニールは
６００°Ｃ以下、さらに好適には５５０℃以下で行うべ
きである。最も好適には最終アニールは約５００℃以下
で行う。これらの低温度アニールは、ベータ表面処理に
よって増大した腐食抵抗を維持するために使用される。
表面ベータ処理は、表面処理時の電量寸法の管の外側の
管厚の約１０ないし４０％の区域にライドマスタラテン
（Ｗｉｄ＋＊ａｓｔａｔｔｅｎ）ミクロ組織を生じるが
、この処理によって生じた増大した耐水性腐食性は該区
域に限定されるものではなく、好適には最外層並びに最
内層全体にも広がり、冷間ビルが一式寸法縮小処理及び
アニール処理後も保持される。最も好適には内側層及び
外側層の耐水性抵抗は５００℃、１０５ Ｋｇ／ａｍ２
（１５００ｐｓｉ）のスチームに２４時間さらした試験
後、かなり黒い接着した耐食フィルムであって、約２０
０仔ｇ／ｄＬ１１２以下、好ましくは約１００ ｍｇ／
ｄｍ２以下のフィルムによって特徴付けられる。
管厚の約１０ないし４０％の区域にライドマスタラテン
（Ｗｉｄ＋＊ａｓｔａｔｔｅｎ）ミクロ組織を生じるが
、この処理によって生じた増大した耐水性腐食性は該区
域に限定されるものではなく、好適には最外層並びに最
内層全体にも広がり、冷間ビルが一式寸法縮小処理及び
アニール処理後も保持される。最も好適には内側層及び
外側層の耐水性抵抗は５００℃、１０５ Ｋｇ／ａｍ２
（１５００ｐｓｉ）のスチームに２４時間さらした試験
後、かなり黒い接着した耐食フィルムであって、約２０
０仔ｇ／ｄＬ１１２以下、好ましくは約１００ ｍｇ／
ｄｍ２以下のフィルムによって特徴付けられる。
表面ベータ処理を行うか否かによって、最終冷開ビルが
一式寸法減少工程後の最終アニールは好適にはジルコニ
ウム合金内側層の結晶粒径が約１／１０以下、より好ま
しくは１／１０〜１／２０の平均結晶粒径になるように
実質上完全に再結晶させるようなアニールであり、内側
層壁厚及びジルカロイ外側層は少なくとも完全に応力緩
和アニールされる。最終了ニール後、慣用のジルカロイ
管の清浄、直線処理、最終寸法調整、及び仕上げ工程が
行なわれる。
一式寸法減少工程後の最終アニールは好適にはジルコニ
ウム合金内側層の結晶粒径が約１／１０以下、より好ま
しくは１／１０〜１／２０の平均結晶粒径になるように
実質上完全に再結晶させるようなアニールであり、内側
層壁厚及びジルカロイ外側層は少なくとも完全に応力緩
和アニールされる。最終了ニール後、慣用のジルカロイ
管の清浄、直線処理、最終寸法調整、及び仕上げ工程が
行なわれる。
仕上げ処理後、内張した被覆管は核分裂性燃料を装填で
きる状態となる。気密に封止した沸騰水型原子炉燃料棒
の好適な実施例を第２図及び第３図に示す。第３図に示
すように燃料棒３００は本発明による被覆管１を使用し
、この被覆管１は例えば前述の合金Ａ又はＢからなり且
つ厚さが約０．０７６＋ａａ＋（０，００３インチ）の
内側層１００に冶金的に結合した、好適にはジルカロイ
−２又はジルカロイ−４からなる外側層１０を備える。
きる状態となる。気密に封止した沸騰水型原子炉燃料棒
の好適な実施例を第２図及び第３図に示す。第３図に示
すように燃料棒３００は本発明による被覆管１を使用し
、この被覆管１は例えば前述の合金Ａ又はＢからなり且
つ厚さが約０．０７６＋ａａ＋（０，００３インチ）の
内側層１００に冶金的に結合した、好適にはジルカロイ
−２又はジルカロイ−４からなる外側層１０を備える。
被覆管１の全体の厚さは好適には０．７４〜０．８１＋
ｓ＋ｅ（０，０２９〜０．０３２インチ）である。被覆
管１の内にはこの発明による被覆管１の内径より好適に
は約０．２１Ｉ６（０，００８インチ）小さい直径の大
体円筒状燃料ペレツ） ４ （１０が含まれる。
ｓ＋ｅ（０，０２９〜０．０３２インチ）である。被覆
管１の内にはこの発明による被覆管１の内径より好適に
は約０．２１Ｉ６（０，００８インチ）小さい直径の大
体円筒状燃料ペレツ） ４ （１０が含まれる。
本発明による燃料棒３００の最も好適な実施態様におい
では燃料ペレット４００は理論密度の約９５％の密度に
焼結され、約１０ｍ＋ｎ（０，３９インチ）の外径と約
１２＋ｎｒＩｌ（ｐ、４ フィンチ）の高さとをもつ。
では燃料ペレット４００は理論密度の約９５％の密度に
焼結され、約１０ｍ＋ｎ（０，３９インチ）の外径と約
１２＋ｎｒＩｌ（ｐ、４ フィンチ）の高さとをもつ。
第３図に示すように濃縮核分裂化合物のペレットの端部
４１０は凹んだ皿状を呈して使用時の燃料ペレット４０
０の熱中央部の軸方向の相対膨張を最小としている。各
燃料ペレッ）４００の端縁４２０は面取りされている。
４１０は凹んだ皿状を呈して使用時の燃料ペレット４０
０の熱中央部の軸方向の相対膨張を最小としている。各
燃料ペレッ）４００の端縁４２０は面取りされている。
燃料ベレッＦ４００自体は濃縮二酸化ウラン、濃縮二酸
化ウラン＋Ｇｄ２Ｏ，ベレットおよび天然ＬＪ Ｏ２ペ
レツトを含む。混合酸化物、Ｌｌ ０２ ＋Ｐ ｕ Ｏ
２ペレツトも使用できる。濃縮ペレットは約２．８〜３
．２重量％の［１２）５を含むように濃縮しであるウラ
ンを含有するのが好適である。第２図に示すように燃料
ベレツ） ４００は好適には被覆管１の中に３つの区域
分けて積重ねられる。底部区域Ａは天然ウランを含有す
るＵＯ２ベレットからなる。この区域の底部ベレットは
被覆管１に予め溶接しである底部ノルカロイ端部栓２０
０に接している。中央区域Ｂの積重ねられた燃料ベレッ
トは燃料ベレットの構体の長さの少なくとも約８０％を
厚生し、前述の濃縮二酸化ウランベレットからなる。３
〜５重量％の酸化ガドリニウム（Ｇｄ２０ｓ）を含有す
る濃縮ベレットによりこの区域の前記濃縮ベレットの全
部または一部を置換してもよい。燃料ベレット積重体の
頂部区域Ｃは天然ウランを含有するＵ０２ペレットから
なる。好適な実施態様では区域Ａの長さと区域Ｃの長さ
とは同じで、それら区域を合わせて燃料ベレット積重体
の長さの２０％以下である。頂部区域Ｃの一番上のベレ
ットはジルカロイ頂部端部キャップ２２０と頂部燃料ベ
レットとの間に形成された空間すなわちプレナム室２３
０中に圧縮して保持されるバネにより押圧力下にバネと
接触しでいる。溶接された頂部端部キャップ２２０は周
縁を被覆管１に溶接されている。溶接された頂部端部キ
ャップ２２０と端部栓２００とは被覆管１と一緒になっ
て燃料ベレット４００およびバネのまわりの気密に封止
された容器を形成する。空間すなわちプレナム室２３（
）は燃料ベレットと被覆９（第３図参照）の内面との間
に残されたクリヤランス空間４５０と連通している。ク
リヤランス空間４５０．４６０とプレナム室２３０とは
高純度、高〃ス熱伝導度をもつ不活性雰囲気で満たされ
ている。この雰囲気は２〜５気圧［標準状態（Ｓ Ｔ
Ｐ ）］、最も好ましくは約３気圧に加圧された高純度
ヘリウムである。
化ウラン＋Ｇｄ２Ｏ，ベレットおよび天然ＬＪ Ｏ２ペ
レツトを含む。混合酸化物、Ｌｌ ０２ ＋Ｐ ｕ Ｏ
２ペレツトも使用できる。濃縮ペレットは約２．８〜３
．２重量％の［１２）５を含むように濃縮しであるウラ
ンを含有するのが好適である。第２図に示すように燃料
ベレツ） ４００は好適には被覆管１の中に３つの区域
分けて積重ねられる。底部区域Ａは天然ウランを含有す
るＵＯ２ベレットからなる。この区域の底部ベレットは
被覆管１に予め溶接しである底部ノルカロイ端部栓２０
０に接している。中央区域Ｂの積重ねられた燃料ベレッ
トは燃料ベレットの構体の長さの少なくとも約８０％を
厚生し、前述の濃縮二酸化ウランベレットからなる。３
〜５重量％の酸化ガドリニウム（Ｇｄ２０ｓ）を含有す
る濃縮ベレットによりこの区域の前記濃縮ベレットの全
部または一部を置換してもよい。燃料ベレット積重体の
頂部区域Ｃは天然ウランを含有するＵ０２ペレットから
なる。好適な実施態様では区域Ａの長さと区域Ｃの長さ
とは同じで、それら区域を合わせて燃料ベレット積重体
の長さの２０％以下である。頂部区域Ｃの一番上のベレ
ットはジルカロイ頂部端部キャップ２２０と頂部燃料ベ
レットとの間に形成された空間すなわちプレナム室２３
０中に圧縮して保持されるバネにより押圧力下にバネと
接触しでいる。溶接された頂部端部キャップ２２０は周
縁を被覆管１に溶接されている。溶接された頂部端部キ
ャップ２２０と端部栓２００とは被覆管１と一緒になっ
て燃料ベレット４００およびバネのまわりの気密に封止
された容器を形成する。空間すなわちプレナム室２３（
）は燃料ベレットと被覆９（第３図参照）の内面との間
に残されたクリヤランス空間４５０と連通している。ク
リヤランス空間４５０．４６０とプレナム室２３０とは
高純度、高〃ス熱伝導度をもつ不活性雰囲気で満たされ
ている。この雰囲気は２〜５気圧［標準状態（Ｓ Ｔ
Ｐ ）］、最も好ましくは約３気圧に加圧された高純度
ヘリウムである。
第１図は被覆管の横断面図、第２図は部分断面図で示し
た水冷却型核燃料要素の概略図、第３図は第２図の核燃
料要素の部分拡大断面図である。 図中： １・・・被覆管 ９・・・被覆 １０・・・外
側層１００・・・内側層 ２００・・・端部栓 ２１０
・・・バネ２２０・・・端部キャップ ２３０・・・空
洞（プレナム室） ３００・・・燃料棒 ４００・・・
燃料ベレット４１０・・・（燃料ベレット）端部 ４２
０・・・ｃｍ料ベレット）端縁 ４５０．４６０・・・
クリヤランス空間。 第１頁の続き ０発 明 者 フレッド・デイウ上 アメイ拳キンゲス
バリー、スキ ジュニア リカ合衆国、ペンシルベニア州、ピッツバーグ、プレユ
ウ・アイル・ドライブ ６６３
た水冷却型核燃料要素の概略図、第３図は第２図の核燃
料要素の部分拡大断面図である。 図中： １・・・被覆管 ９・・・被覆 １０・・・外
側層１００・・・内側層 ２００・・・端部栓 ２１０
・・・バネ２２０・・・端部キャップ ２３０・・・空
洞（プレナム室） ３００・・・燃料棒 ４００・・・
燃料ベレット４１０・・・（燃料ベレット）端部 ４２
０・・・ｃｍ料ベレット）端縁 ４５０．４６０・・・
クリヤランス空間。 第１頁の続き ０発 明 者 フレッド・デイウ上 アメイ拳キンゲス
バリー、スキ ジュニア リカ合衆国、ペンシルベニア州、ピッツバーグ、プレユ
ウ・アイル・ドライブ ６６３
Claims (1)
- 核燃料物質を含有する被覆管であって、該被覆管が外側
管状部材と、外側管状部材の内側に設けられた内側管状
部材とからなり、該内側管状部材の外側周縁表面が本質
的に全外側周縁表面にわたって外側管状部材の内側周縁
表面に結合し、且つ、外側管状部材がジルカロイ−２、
プルカロイ−４、及びＮｂｌ、０−３．０重量％を含む
Ｚｒ−Ｎｂ合金から選択された第１合金からなり、内側
管状部材がスズ０．１〜０．６重量％、鉄０．０７〜０
．２４重量％、クロム０．０５〜０．１５重量％、ニッ
ケル０．０５重量％まで、残部ジルコニウム及び合金重
量の３５０ ｐｐｍ以下の酸素ｇ１随不純物を含み、且
つ完全再結晶粒子構造を有する第２合金からなり、管壁
の厚さが少なくとも０．０８１であることを特徴とする
核燃料物質を含有する被覆管。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US589300 | 1984-03-14 | ||
| US06/589,300 US4664881A (en) | 1984-03-14 | 1984-03-14 | Zirconium base fuel cladding resistant to PCI crack propagation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60211390A true JPS60211390A (ja) | 1985-10-23 |
| JPH0151948B2 JPH0151948B2 (ja) | 1989-11-07 |
Family
ID=24357438
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60051545A Granted JPS60211390A (ja) | 1984-03-14 | 1985-03-14 | 核燃料物質収納用被覆管 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4664881A (ja) |
| EP (1) | EP0155167B1 (ja) |
| JP (1) | JPS60211390A (ja) |
| KR (1) | KR920009645B1 (ja) |
| DE (1) | DE3568892D1 (ja) |
| ES (1) | ES8702693A1 (ja) |
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| JPS62226090A (ja) * | 1986-03-28 | 1987-10-05 | 原子燃料工業株式会社 | ライナ−付き核燃料被覆管の製造方法 |
| JPS63284490A (ja) * | 1987-04-24 | 1988-11-21 | ウエスチングハウス・エレクトリック・コーポレーション | 加圧水型原子炉用燃料要素 |
| JPH01267493A (ja) * | 1988-02-05 | 1989-10-25 | General Electric Co <Ge> | 耐酸化性被覆を有する燃料要素 |
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| US4775508A (en) * | 1985-03-08 | 1988-10-04 | Westinghouse Electric Corp. | Zirconium alloy fuel cladding resistant to PCI crack propagation |
| FR2579122B1 (fr) * | 1985-03-19 | 1989-06-30 | Cezus Co Europ Zirconium | Procede de fabrication de tubes-gaines composites pour combustible nucleaire et produits obtenus |
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| US4814136A (en) * | 1987-10-28 | 1989-03-21 | Westinghouse Electric Corp. | Process for the control of liner impurities and light water reactor cladding |
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| DE19942463C1 (de) * | 1999-09-06 | 2001-05-10 | Siemens Ag | Brennstab mit Kernbrennstoffsinterkörper und Hüllrohr, und Druckwasserreaktor-Brennelement mit einem solchen Brennstab |
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| DE10332239B3 (de) * | 2003-07-16 | 2005-03-03 | Framatome Anp Gmbh | Zirkoniumlegierung und Bauteile für den Kern von leichtwassergekühlten Kernreaktoren |
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| WO2010038109A1 (en) * | 2008-09-30 | 2010-04-08 | Areva Np | Nuclear reactor green and sintered fuel pellets, corresponding fuel rod and fuel assembly |
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1984
- 1984-03-14 US US06/589,300 patent/US4664881A/en not_active Expired - Fee Related
-
1985
- 1985-03-11 EP EP85301661A patent/EP0155167B1/en not_active Expired
- 1985-03-11 DE DE8585301661T patent/DE3568892D1/de not_active Expired
- 1985-03-11 ES ES541166A patent/ES8702693A1/es not_active Expired
- 1985-03-14 JP JP60051545A patent/JPS60211390A/ja active Granted
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