JPS618695A - 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、核燃料要素の改良に関するものである。

〔発明の背景〕

一般に、核燃料要素は、第２図に示すように、゛被覆管
１内に複数個の核燃料ペレツト２を積層収納すると共に
、被覆管１の両端開口が端栓３ａ。

３ｂにより密閉されている。上記燃料ペレット２は、核
分裂性の酸化物燃料粉末を、例えば、長さと直径との比
が約１の円柱状ペレットに成型焼結したものである。同
、第２図中、符号４は、被覆管１内にガス溜め用ブレナ
ム５を形成する機能と、核燃料ペレツト２を安定に支持
する機能とを併せ持たせたスプリングである。

ところで、上記のように構成された核燃料要素において
、被覆管１には、核燃料ペレツト２との間で冷却材が接
触すること及び化学反応が生じることを阻止する機能と
、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樟管、即ち被覆管が破損し
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、安全を確保するために原子炉の運転を停止させな
ければならない事態となる。

一方、水冷型原子炉に用いられる核燃料要素の被覆管は
、一般Ｋ、ジルコニウム及びその合金系材料で形成され
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、しかも冷却材として用いられる水蒸気とも反応し
ない％性を有している。

しかしながら、現在までの運転経験によると、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ぐ脆
性割れが発生している。しかして、上記したごとき望ま
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、核燃料ペレツト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の内周面と核燃料ペ
レツト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
レツト２が発熱するので、ペレツ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
ペレツト内に核分裂生成物が蓄積して起こる体積膨張な
どが原因して、第３図に示すように、被覆管１が核燃料
ペレツト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１１ど大きくはな
いが、核燃料ペレツト２に生じたクラック６近傍の壁に
は、局部的に歪が集中し、この歪は、降伏応力以上に達
する。さらに、核分裂に伴なって、核燃料ペレツト２か
らよう素及びよう素化合物、セシウム及びセシウム化合
物などの腐食性ガスが発生し、この腐食性ガスは、被覆
管ｌ内の自由空間、即ちクラック６などに集まる。

つまり、被覆管１の特に歪が集中している部分近傍に腐
食性ガスが集まり易い。

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、応力腐食割れ
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、腐食性ガスの濃度、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い。

これらの好ましくない破壊を防止する目的で、従来例と
して、例えば、燃料ペレツト２と被覆管ｌとの間に潤滑
剤を挿入する方法が米国特許３０１８２３８号明ａ書に
示されており、また被覆管１と燃料ペレツト２間に障壁
を設けた例として、ＤＡＳ　１２３８１１５では、チタ
ン層について述べられている。さらに、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍ
ｏ、ＺｚＤ金網状膜で燃料を包囲した核燃料棒も知られ
ている。

その他の障壁材として、ステンレス鋼、ガラス質物質、
Ａ４．Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃｕなどが米国特許３０８０８９３
号、同３０８５０５９号、同３２１２７８８号、同３２
９１７００号、同３２３０１５０号明細書及び特開・昭
５０−１０９３９７号公報で公知になっている。同様に
、被覆管を内張すする概念も周知であり、米国特許３５
０２５４９号、同３６２５８２１号明細書、特開昭５１
−６９７９２号、同５１−６９７９５号、同５１−６９
７９６号及び同５１−７１４９７号公報において、内張
り材としてＭＯ，Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒ。

Ｎｉ、　Ｆｅ、　Ｍｇ、　Ｃｕ、純Ｚｒ、Ａｌ、Ｎｉ−
Ｃｒ合金、アルミ化コーテング、珪素化コーテングなど
が示されている。

これらのうち、高純度ジルコニウムは、腐食性ガス雰囲
気中における被覆管１の耐応力腐食割れ性能の点で一応
の評価を得ているが（ＧＥＡＰ２５１６３−６　）　、
高純度ジルコニウムは非常に高価であると云う難点があ
る。一方、以上の従来技術に述べである障壁材及び内張
り材の成るものは中性子吸収断面積が大きく、炉の経済
性を低下させるなどの欠点がある。また、上記引用した
提案の幾つかは、障壁とし使用する物質が核燃料ペレツ
トと両立し難い物質であるが、被覆管と両立し難い物質
である場合があり、上記引用した提案の殆どのものは、
最近問題となっている核燃料と被覆管との間の局部的な
化学的−機械的相互作用に対する根本的な解決法まで達
しているとは云えない。

〔発明の目的〕 本発明は以上の点に鑑み、種々研究、開発の結果なされ
たものであって、その目的とするところは、腐食性ガス
雰囲気中における燃料との相互作用により、被覆管に応
力が作用した場合であっても、応力腐食割れが起り難く
、シかも経済性の点でも優れた、改良された核燃料要素
を提供しようとするものである。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため、本発明は、被覆管内に燃料ペ
レツトを充填し、被覆管の両端開口部を端栓で密閉する
構造の核燃料要素において、上記被覆管の内周面に、内
側が高純度ジルコニウム層、外側が低純度ジルコニウム
層の二層のジルコニウムライナ層をほどこしてなること
を特徴とするものである。

即ち、本発明者は、高純度ジルコニウムライナ管が優れ
た耐応力腐食割れ性能を現すメカニズムを検討・考察し
た結果、ライナ内表面部の高い耐ＳＣＣ性能がライナ管
全体の性能向上に大きく寄与していることを発見し、こ
の発見に基づいて、ライナ内表面部に高純度ジルコニウ
ム材を配し、他のライナ部には、廉価でしかも強度の高
い低純度ジルコニウム材を配することにより、耐ＳＣＣ
性能に富む廉価な核燃料要素の製作を可能としたもので
ある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を、第１図の実施例に基づいて詳細に説明
すると、同図は本発明に係る核燃料要素の要部を構成す
るジルコニウム二重ライナ管の斜視図である。

第１図に示すように、不純物濃度の合計が１０００〜５
０００重量ｐｐｍであるスポンジジルコニウム（低純度
ジルコニウム）からなる外径６２篩、内径４８ｍの管７
と、不純物濃度の合計が１０００重量ｐｐｍ以下である
クリスタルバージルコニウム（高純度ジルコニウム）か
らなる外径４８ｍ、内径４２關の管８とを機械加工し、
後者を前者に挿入した後、両者の界面に接触圧力を与え
、高真空中（５Ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒ以下）で加熱処
理（約７８０Ｃ，５時間）を施し、両者の界面を拡散結
合させて、不純物濃度の異なる二種類のジルコニウムか
らなるジルコニウム二重ライナ管を作製した。一方、Ａ
ＳＴＭ　Ｂ５５３に適合する標準ジルカロイ−２ビレツ
トの外径を１４６ｍ、内径管６２ｍに機械加工した。そ
して、上記のジルコニウム二重ライナ管をジルカロイ−
２中空ビレツトに挿入し、両端面の境界部を溶接した。

その後、高温押出プレス（温度約６ｓｏｃ）で一体化し
た三重管を押出し、外径６３ｍ、内径４２ａ＋の管を得
た。引き続き、この管を燃料被覆管製造の標準工程（例
えば、永井信行・角間孜：塑性と加工。

ＶＯＩ　１１．Ａ　１１０（１９７０）２１３ページ）
に従って圧延した。このようにして製造した被覆管の最
終仕上り寸法を第１表に示す。ジルコニウム層の厚さは
、高純度部が約２４μｍ１低純度部が約５６μｍであり
、合計約８０μｍのジルコニウムライナ層が形成された
。

同、高純度ジルコニウム層の厚さは、内表面部における
応力腐食割れ感受性を低下させるためのものであるので
、低純度ジルコニウム層よりも薄くてよいが、上記試作
例において、高価な高純度−シルコニウム（クリスタル
バージルコニウム）ノ体積は、全ジルコニウムライナ層
の約３０優にとどまっており、残りのジルコニウムライ
ナ層部は。

比較的廉価な低純度ジルコニウムで構成することができ
る。

ここで、高純度ジルコニウムのみを素材とするライナ管
を内張すした被覆管（本発明の試作例と同様、ジルコニ
ウム層の厚さを８０μｍとした場合）について注目して
みると、高純度ジルコニウムライナ管は低強度であり、
従って高純度ジルコニウムを素材とする上記ライナ管は
、強度部材として考慮することができないので、被覆管
の肉厚を、ジルカロイ−２に対応する０、７８ｗｍとし
て設計する必要がある。これに対し、上記本発明の試作
例にあっては、高純度ジルコニウムと低純度ジルコニウ
ムとにより内外二層に構成されているライナ管のうち、
外側に位置する低純度ジルコニウム材の強度が被覆管を
構成するジルカロイ−２のそれと同等であるため、設計
上、被覆管の肉厚を０．８３６ｍと考えることができ、
従ってその強度は、高純度ジルコニウムのみを素材とす
るライナ管を内張すした被覆管に比較して、約７チ向上
させることができる。

ところで、高純度ジルコニウムは、低純度ジルコニウム
に比べて約５倍程度高価であるが、本発明にあっては、
被覆管の内周面に高純度ジルコニウムと低純度ジルコニ
ウムとを内外二層に内張すしたことにより、計算から、
高純度ジルコニウムのみを内張すした被覆管に対し、材
料費を約４０多コストダウ／することができる。

高純度ジルコニウムと低純度ジルコニウムとを内外二層
に内張りした被覆管の特性を調べるため、被覆管内に中
空の核燃料ペレツトを挿入すると共に、核燃料ペレツト
の中空部に円柱状の純アルミニウム棒を充填し、よう素
濃度３ｍｇ／ｌｃｃ。

被覆管温度３５０Ｃの雰囲気下でアルミニウム棒を長手
方向に圧縮し、中空の核燃料ペレツトを介して被覆管に
円周方向応力を加えた。そして、このときに得られた被
覆管に生じた破断伸びを求めた。その結果、第４図の棒
グラフの棒、ｌＪｃに示す特性が得られた。一方、比較
のため、低純度ジルコニウムのみを素材とするライナ管
を内張すした被覆管と、高純度ジルコニウムのみを素材
とするライナ管を内張すした被覆管とを用意し、同様の
実験を行った結果、第４図の棒線ａおよびｂに示す結果
が得られた。高純度ジルコニウムのみを素材とするライ
ナ管を内張すした被覆管にあっては、本発明の場合と同
様、大きな破断伸びを示しているが、高純度ジルコニウ
ムが高価であることは既述した通りである。これに対し
、低純度ジルコニウムのみを素材とするライナ管を内張
すした被覆管にあっては、上記２者に比べて、破断伸び
が小さいことが判る。

尚、上記実施例においては、被覆管の長手方向全域にわ
たってライナ層を内張すした場合について例示したが、
被覆管の腐食割れは、当該被覆管の軸方向の中間部分に
最も生じ易いので、この中間部分だけにライナ層を配置
しても効果がある。

〔発明の効果〕

以上詳述した如く、本発明によれば、腐食性ガス雰囲気
中における燃料との相互作用によシ、被覆管に応力が作
用した場合であっても、応力腐食割れが起り難く、しか
も経済性の点でも優れた、改良された核燃料要素を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る核燃料要素の要部を構成する二重
ジルコニウムライナ管の斜視図、第２図は従来形核燃料
要素の内部構造を示す縦断面図、第３図は従来形核燃料
要素に起り易い問題点を説明する第２図の一部破断斜視
図、第４図は本発明に係る核燃料要素と従来形核燃料要
素との破断伸び特性を比較して示す棒線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、被覆管内に燃料ペレツトを充填し、被覆管の両端開
   口部を端栓で密閉する構造の核燃料要素において、上記
   被覆管の内周面に、内側が高純度ジルコニウム層、外側
   が低純度ジルコニウム層の二層のジルコニウムライナ層
   をほどこしてなることを特徴とする核燃料要素。