JPS6236588A - 核燃料用被覆管 - Google Patents

核燃料用被覆管

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JPS6236588A
JPS6236588A JP60175875A JP17587585A JPS6236588A JP S6236588 A JPS6236588 A JP S6236588A JP 60175875 A JP60175875 A JP 60175875A JP 17587585 A JP17587585 A JP 17587585A JP S6236588 A JPS6236588 A JP S6236588A
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JP
Japan
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zirconium
nuclear fuel
cladding tube
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stress corrosion
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JP60175875A
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今橋 博道
久保 利雄
緒方 恵造
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Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
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Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、核分裂原子炉の炉心に使用する核燃料要素に
係り、特に軽水冷却型原子炉の核燃料用被覆管に関する
ものである。
〔発明の背景〕
第6図は通常の核燃料要素の断面図である。図において
、」、は被覆管、2は燃料ペレット、3a。
3bは端栓、4はプレナム、5はスプリング、6はライ
ナ層である。被覆管1内は、ウラン酸化物からなる多数
の燃料ペレット2が積層収納されると共に両端開口は端
栓3a、3bで密封されている。尚、核燃料要素上部に
はガス溜め用プレナム4が設けられると共に燃料ペレッ
ト2を安定に支持するためのスプリング5が配設されて
いる。
上記のように構成された核燃料要素において、被覆’l
!?1には燃料ペレット2から放出された放射性核分裂
生成物が冷却材中に浸入することを阻止する機能が要求
される。しかしながら、現在までの運転経験によると高
燃焼度時において被覆管lは、腐食性核分裂生成物との
化学反応及び燃料べレット2の熱膨張によって被覆管1
に発生する応力の重畳作用に基づく応力腐食割れが発生
することがわかってきた。
上記のような被覆管1の応力腐食割れを防ぐために、第
6図のように被覆管1の内表面に、例えば、厚さが80
〜100μmの純ジルコニウムのライナ層6を設けたい
わゆるジルコニウムライナ被覆管が開発されている。純
ジルコニウムのライナ層6は、被覆管1と腐食性核分裂
生成物との接触を防ぐとともに、被覆管1に発生する局
所応力を緩和することにより応力腐食割れを防止するこ
とが期待されている。
しかしながら、純ジルコニウムライナ層6中には実質的
に多かれ少なかれ不純物が含有されており、不純物の種
類及びそれらの含有量によっては応力腐食割れ低減効果
がそこなわれる。このため従来は、高純度のクリスタル
バージルコニウムやスポンジジルコニウムの高純度な部
分を使用し、不純物の含有量をできるだけ低くしたジル
コニウムライナ材が使用されていた。
〔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、被覆管
の応力腐食割れの危険性を低減でき信頼性を向上できる
核燃料用被覆管を提供することを目的としたものである
〔発明の概要〕
本発明の核燃料用被覆管は、内側のジルコニウムライナ
層と、外側のジルコニウム合金の被覆管とからなり、上
記ジルコニウムライナ層中の酸素濃度aと鉄濃度すとの
比、a / bが1.0 より大きく、かつ、該ジルコ
ニウムライナ層中に含有され七いる不純物がジルコニウ
ムマトリックス中に固溶されているものである。
本発明は、ジルコニウムライナ層の不純物総量が500
0p p m以下であることが好ましく、その中に含ま
れる酸素と鉄とについて、酸素濃度a(ppm)と鉄濃
度b(ppm)の比a / bの値を上記のように1.
0  より大きくすると共に、ジルコニウムライナ層中
に含有されている不純物がジルコニウムマトリックス中
に固溶されていることにより、応力腐食割れに対する感
受性の低いジルコニウムライナとなるようにし応力腐食
割れを防止するものである。
従来は不純物のなかで酸素がジルコニウムの機械的強度
を高めることから特に酸素濃度が重要な因子と考えられ
ており、またこの反面、酸素濃度を一定値以下に抑える
技術思想は、持分55−33037号公報及び特開昭5
4−59600号公報に開示されている。しかしながら
本発明者らが最近行なった実験結果によると、酸素濃度
よりも鉄濃度がより重要な因子であることがわかった。
第5図は横軸に不純物含有量をとり縦軸に応力腐食割れ
感受性をとって示した最近行なった実験結果によるジル
コニウムの応力腐食割れ感受性に及ぼす酸素濃度及び鉄
濃度の影響を示したものである。酸素濃度は顕著な影響
を及ぼさないのに対し、鉄濃度が増加すると応力腐食割
れが生じ易くなることを示している。この原因は、ジル
コニウムと鉄の金属間化合物の粒子が存在するためであ
ることがわかった。
ところで、現在製造されている核燃料要素の被覆管1の
ジルコニウムライナ層6の場合、酸素濃度a(ppm)
と鉄濃度b(ppm)との比。
a / bの値がおよそ1.0 に近く、酸素濃度と鉄
濃度とがほぼ同じ割合にある。即ち、現行のジルコニウ
ムライナ材は、酸素濃度及び鉄濃度がそれぞれ200p
pm以下という極めて高純度のクリスタルバージルコニ
ウム、あるいは酸素濃度及びジルコニウム濃度がそれぞ
れ500ppmから11000ppのスポンジジルコニ
ウムが考えられている。本発明は第5図に示されている
実験結果に基づいてなされたものであり、スポンジジル
コニウム中の鉄を除去し鉄濃度を少なくすることにより
、即ち、酸素濃度a及び鉄濃度すの比a / bの値を
1.0 より大きくすることにより、クリスタルバージ
ルコニウムと同等の低い応力腐食割れ感受性を有するよ
うにするものである。そして1本発明は、鉄含有による
応力腐食割れ感受性をさらに改善するために、固溶化処
理を施こすことである。固溶化処理は、鉄以外にもジル
コニウムと金属間化合物を形成する不純物元素、即ち、
Cr。
Ni、Si、C,W、Al1などに対しても有効である
また、本発明者らは、ジルコニウムマトリックス中にジ
ルコニウムとの金属間化合物(以下第二相粒子と称す)
が多く存在する程、ジルコニウムライナの応力腐食割れ
低減効果が損なわれることを発見した。即ち、よう素(
核分裂生成物)中の応力腐食環境下で、約0.1μm以
」ユの第二相粒子がジルコニウムの結晶粒界、結晶粒内
を問わず不規則に分散していると、第二相粒子の析出領
域が応力集中場となり、き裂の発生及び進展を大幅に助
長することがわかった。従って、第二相粒子を生成する
不純物に着目し、それらをジルコニウムマトリックス中
に強制的に固溶させておけば第二相粒子は析出量が少な
くなり、純ジルコニウム層の本来の目的である応力腐食
緩和効果が発揮されるのである。
〔発明の実施例〕
以下本発明の核燃料用被覆管を実施例を用い従来と同部
品は同符号を用い図面により説明する6第1図はジルコ
ニウムライナ層6を有する被覆管の製造工程を示す、ジ
ルコニウムライナ層6は酸素濃度a、及び鉄濃度すの比
、a / b > 1なるライナ材とし、かつ、第1−
図の製造工程中、以下の(A)、(B)、(C)の工程
を加えるものである。
(A)ジルコニウム中空ビレット(ライナ層6)の固溶
化処理 (B)熱間押出後、素管の固溶化処理 (C)最終焼鈍後、ジルコニウムライナ被覆管の固溶化
処理 本実施例においては、上記(A)、(B)。
(C)の工程のすべてを適用することが最も効果的であ
る。しかし、工程(A)、(B)、(C)の何れか1つ
を加えてもよい。特に、工程<c>を加えることは効果
的である。
第二相粒子の析出量は少なければ少ない程好ましいが、
上記したように、応力腐食割れは第二相粒子の存在する
部分を核として確率的に生ずる現象であるため、実質的
に観測できる第二相粒子のうち、約0.1 μm以上の
ものの数を、本発明を適用しない従来のものの50%以
下におさえることにより、十分に改善効果が得られる。
固溶化処理は、上記不純物元素をジルコニウム中に再固
溶させるため、800℃あるいは860℃、即ち、ジル
コニウムの変態温度(862℃)近傍よりライナとして
用いるジルコニウムに固溶化処理を施こし、均一に第二
相粒子を再固溶させる。さらには、固定化処理による焼
入歪を除去するために、第二相粒子を再析出させない程
度の低温域で歪取り焼鈍を施こす。
第2図は横軸に鉄濃度をとり縦軸に酸素濃度をとって示
した、本発明者らの先m(特願昭59−46300号)
に記載した鉄及び酸素濃度の比の異なるジルコニウムラ
イナ管の応力腐食試験結果である。そして、これに加え
た第2図中の試料7,8゜9は、本発明を実施した試料
を記載したものであり、試料7,8.9は、評価O(性
能がすぐれている)であったものが本発明を実施したこ
とにより評価O(性能がきわめてすぐれている)となり
本発明の効果が明らかである。そして、第2図の試料7
,8.9以外のOは良好な材料のジルコニウムを使用し
たものである。尚、試験条件は次の通りである。また、
試料7,8.9の不純物分析値は第1表に示す通りであ
る。
試験条件 よう素濃度: 0 、20torr ひずみ速度: 10−” i 0−’ s e c−1
試験温度 ;350℃ 試料7,8.9は、上記した如く第1図の工程によって
製作され、そして、最終焼鈍後に850℃、2時間、真
空中で加熱し室温まで急冷した7さらに、試料に530
℃で2時間真空中で焼鈍した。第3図に試料7のジルコ
ニウムライナ層内面の走査型電子顕微鏡写真を示す。(
イ)は上記の固溶化処理前の写真、(ロ)は固溶化処理
後の写真である。固溶化処理により第二相粒子の析出数
がきわめて少なくなっていることがわかる。
第4図は、純ジルコニウム内に含まれている不純物の総
量、即ち、(Fa+Cr+Ni+S i十W+AQ+C
)ikを横軸にとり、縦軸に応力腐食割れ感受性指標で
ある平均周方向破断歪をとった両者の関係を示す説明図
である。第4図に示した結果は、歪集中方式による応力
腐食割れ試験を実施した結果を示したものであり、試験
条件は下記の通りである。
試験条件 よう青濃度:1■/d 歪速度  : I X 10−’m i n−’試験温
度 :350℃ また、第2表に、用いた3種類のジルコニウムライナ管
A、B、Cのライナ層6の不純物濃度を示す。いずれも
酸素濃度と鉄濃度との比は、1.0より大きいものであ
る。そして、特性10は本発明の固溶化処理を施したも
の、特性11は固溶化処理を施さないものである。その
結果、上記不純物量の増加と共にいずれも破断歪が低下
するが、本発明のものはいずれも破断歪が高めである。
即ち、応力腐食割れ感受性が低くなることがわかる。
尚、固溶化処理は第2図の場合と同様である。
第 2 表      (単位ppm)このように本実
施例の核燃料用被覆管は、ジルコニウムライナ層中の酸
素濃度と鉄濃度との比が1.0 より大きく、かつ、ジ
ルコニウムライナ層中に含有されている不純物がジルコ
ニウムマトリックス中に固溶されているので、ジルコニ
ウムライナ層による応力腐食割れ防止4Ik能が十分に
発揮されて被覆管の応力腐食割れの危険性を著しく低減
でき信頼性を向上できる。
〔発明の効果〕
以上記述した如く本発明の核燃料用被覆管は、被覆管の
応力腐食割れの危険性を著しく低減でき信頼性を向上で
きる効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の核燃料用被覆管の実施例の製造工程説
明図、第2図は第1図の製造工程で製造された被覆管の
鉄、酸素濃度と応力腐食割れ感受性の関係説明図、第3
図(イ)、(ロ)はそれぞれ第1図の工程の固溶化処理
前及び後のライナ層表面の走査型電子顕微鏡写真、第4
図は第1図の工程で製造されたライナ層の不純物総量と
平均周方向破断歪との関係説明図、第5図は鉄、a素の
不純物含有量と応力腐食割れ感受性との関係説明図、第
6図は通常の核燃料要素の縦断面図である。 亭2図 鋏漉良(、PPm) 率3図 (匂           5 芥組物含*’x<PPvv

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、内側のジルコニウムライナ管と、外側のジルコニウ
    ム合金の被覆管とからなるものにおいて、上記ジルコニ
    ウムライナ層中の酸素濃度aと鉄濃度bとの比、a/b
    が1.0より大きく、かつ、該ジルコニウムライナ層中
    に含有されている不純物がジルコニウムマトリックス中
    に固溶されていることを特徴とする核燃料用被覆管。 2、上記不純物が、鉄、クロム、ニッケル、けい素、炭
    素、タングステン及びアルミニウムなどのジルコニウム
    と金属間化合物を生成する元素である特許請求の範囲第
    1項記載の核燃料用被覆管。 3、上記ジルコニウムライナ層が、ジルコニウムの変態
    温度近傍で加熱された後室温まで急冷される固溶化処理
    と、該固溶化処理の後での歪とり焼鈍処理とを受けてい
    る特許請求の範囲第1項記載の核燃料用被覆管。
JP60175875A 1985-08-12 1985-08-12 核燃料用被覆管 Expired - Lifetime JPH0640136B2 (ja)

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JPH0640136B2 JPH0640136B2 (ja) 1994-05-25

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0527739U (ja) * 1991-05-22 1993-04-09 台湾群昌工業股▲ふん▼有限公司 多機能カメラ

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0527739U (ja) * 1991-05-22 1993-04-09 台湾群昌工業股▲ふん▼有限公司 多機能カメラ

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