JPS6324193A - 耐応力腐食割れ性の良好な原子燃料用Zr合金製被覆管の製造法 - Google Patents
耐応力腐食割れ性の良好な原子燃料用Zr合金製被覆管の製造法Info
- Publication number
- JPS6324193A JPS6324193A JP61058251A JP5825186A JPS6324193A JP S6324193 A JPS6324193 A JP S6324193A JP 61058251 A JP61058251 A JP 61058251A JP 5825186 A JP5825186 A JP 5825186A JP S6324193 A JPS6324193 A JP S6324193A
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- Japan
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- cladding tube
- fuel
- cladding
- resistance
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-
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- 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
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- Coating With Molten Metal (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
- Heat Treatment Of Nonferrous Metals Or Alloys (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】
[産業上の利用分野]
本発明は原子炉に用いられる原子燃料用被覆管に関する
ものである。
ものである。
[従来の技術と問題点1
原子力発電プラントの原子炉で使用さ八る燃料集合体は
、一般的に、ウラン酸化物の柱状焼結体(ベレットと呼
ぶ)をジルコニウム合金の被覆管で被覆し、被覆管両端
を端栓で封止した棒状の燃料要素、即ち燃料棒から構成
されている。
、一般的に、ウラン酸化物の柱状焼結体(ベレットと呼
ぶ)をジルコニウム合金の被覆管で被覆し、被覆管両端
を端栓で封止した棒状の燃料要素、即ち燃料棒から構成
されている。
原子力発電プラントの運転中においては、燃料棒の外表
面は高温・高圧の冷却水と接触しており、燃料棒の内部
はジルコニウム合金製の被覆管により冷却水から隔離さ
れた状態にある。燃料棒は冷却水圧力が燃料棒内圧より
高い条件で使用されているため、被覆管材料のクリープ
により燃料棒外径が減少する。また、燃料の燃焼が進む
につれて、ヨウ素等の核分裂生成物がベレット内に蓄積
され、スウェリングと、呼ばれるベレットの体積膨張に
より、ベレッ)の外径が増大する。従って、運転初期に
ベレット外面と被覆管内面との間に存在した径方向のギ
ャップは、燃焼が進むにつれて減少し、ベレット外面と
被覆管内面とが接触する状態になる。
面は高温・高圧の冷却水と接触しており、燃料棒の内部
はジルコニウム合金製の被覆管により冷却水から隔離さ
れた状態にある。燃料棒は冷却水圧力が燃料棒内圧より
高い条件で使用されているため、被覆管材料のクリープ
により燃料棒外径が減少する。また、燃料の燃焼が進む
につれて、ヨウ素等の核分裂生成物がベレット内に蓄積
され、スウェリングと、呼ばれるベレットの体積膨張に
より、ベレッ)の外径が増大する。従って、運転初期に
ベレット外面と被覆管内面との間に存在した径方向のギ
ャップは、燃焼が進むにつれて減少し、ベレット外面と
被覆管内面とが接触する状態になる。
このような状態下で原子炉の出力が急上昇した場合、ペ
レッYの温度上昇によりベレット外径は更に増加し、被
覆管に大きな応力が負荷される。また、ベレット温度の
上昇により、ベンツト内に蓄積されたヨウ素等の核分裂
生成ガスが放出され、燃料棒内は腐食性雰囲気になる。
レッYの温度上昇によりベレット外径は更に増加し、被
覆管に大きな応力が負荷される。また、ベレット温度の
上昇により、ベンツト内に蓄積されたヨウ素等の核分裂
生成ガスが放出され、燃料棒内は腐食性雰囲気になる。
ヨウ素等の腐食性ガス雰囲気下でジルコニウム合金製の
被覆管に過大な応力が負荷された場合、被覆管が破損す
る応力腐食割れという現束の起こる可能性があることが
わかっており、原子炉でその出力急上昇時にジルコニウ
ム合金製被覆管の応力腐食割れに起因する燃料破損が発
生する可能性がある。
被覆管に過大な応力が負荷された場合、被覆管が破損す
る応力腐食割れという現束の起こる可能性があることが
わかっており、原子炉でその出力急上昇時にジルコニウ
ム合金製被覆管の応力腐食割れに起因する燃料破損が発
生する可能性がある。
そこで、燃料被覆管の応力腐食割れによる燃料破損を防
止するため、燃料に対して種々の改良が加えられている
が、その−例として、ノルコニウム合金製被覆管の内面
に、全肉厚の10%程度となるような厚さにほぼ純粋な
ジルコニウム金属を冶金的に内張すした複合被覆管が開
発されている。
止するため、燃料に対して種々の改良が加えられている
が、その−例として、ノルコニウム合金製被覆管の内面
に、全肉厚の10%程度となるような厚さにほぼ純粋な
ジルコニウム金属を冶金的に内張すした複合被覆管が開
発されている。
ところが、このような複合被覆管では、内面に内張すし
た純ノルフニウム金属はノルコニウム合金に比べ酸化性
雰囲気下での腐食性が劣るため、被覆管の内外面を貫通
する欠陥が発生し冷却水が被覆管内部に侵入しrこ場合
、内張りのないジルコニウム合金被覆管に比べ、純シ゛
ルフニウム金属内面での腐食反応量が多くなる。
た純ノルフニウム金属はノルコニウム合金に比べ酸化性
雰囲気下での腐食性が劣るため、被覆管の内外面を貫通
する欠陥が発生し冷却水が被覆管内部に侵入しrこ場合
、内張りのないジルコニウム合金被覆管に比べ、純シ゛
ルフニウム金属内面での腐食反応量が多くなる。
ジルコニウム金属が腐食すると、ノルコニウム酸化物を
形成すると共に、発生した水素がノルコニウム合金から
なる被覆管の母材に吸収され水素化物として析出する。
形成すると共に、発生した水素がノルコニウム合金から
なる被覆管の母材に吸収され水素化物として析出する。
被覆管に多量の水素化物が析出すると、当業者周知のよ
うに被覆管の機械的特性は低下し、燃料棒の形状維持性
能が損なわれる可能性がある。
うに被覆管の機械的特性は低下し、燃料棒の形状維持性
能が損なわれる可能性がある。
一方、プルカロイ被覆管は、燃料棒内部に湿分(水分)
が存在した場合使用中にこれと反応し酸化すると同時に
発生した水素を吸収する。吸収された水素はその湿度に
おける溶解度をこえると水素化物として析出し、ジルカ
ロイ被覆管を脆化させて燃料破損の原因となることがあ
る。
が存在した場合使用中にこれと反応し酸化すると同時に
発生した水素を吸収する。吸収された水素はその湿度に
おける溶解度をこえると水素化物として析出し、ジルカ
ロイ被覆管を脆化させて燃料破損の原因となることがあ
る。
これを防ぐため、現在の燃料製造工程においては、燃料
ベレットに含まれる湿分を十分に低く管理したり、また
燃料棒中に湿分を吸収するためのデフターを入れたりし
て水素化破損を防止する工夫をしている。
ベレットに含まれる湿分を十分に低く管理したり、また
燃料棒中に湿分を吸収するためのデフターを入れたりし
て水素化破損を防止する工夫をしている。
しかしながら水素化が燃料棒内の一部で局部的に生じた
場合には、湿分を十分に管理した場合でも水素化により
燃料破損が、生じることがあり、この局所水素化の発生
機構は未だに未解明であった。
場合には、湿分を十分に管理した場合でも水素化により
燃料破損が、生じることがあり、この局所水素化の発生
機構は未だに未解明であった。
さらに燃料被覆管は冷間加工により仕上げ加工が行われ
、次に最終焼鈍により最終的に内面の酸化物除去等の目
的で弗硝酸等による酸洗工程を経る。酸洗により内面は
一応なめらかになるが、微小な欠陥は除去できない。す
なわち酸により内面は全面にわたって平均に腐食される
が、特に鋭いキズ等が存在する場合いわゆる隙間腐食に
よりキズの内部の腐食がさらに進行し、酸洗後も微小な
欠陥となって残る可能性があるのである。
、次に最終焼鈍により最終的に内面の酸化物除去等の目
的で弗硝酸等による酸洗工程を経る。酸洗により内面は
一応なめらかになるが、微小な欠陥は除去できない。す
なわち酸により内面は全面にわたって平均に腐食される
が、特に鋭いキズ等が存在する場合いわゆる隙間腐食に
よりキズの内部の腐食がさらに進行し、酸洗後も微小な
欠陥となって残る可能性があるのである。
このような欠陥は被覆管の使用時に応力腐食割れの起点
となり、また局部的水素化をひき起す要因となり被覆管
破損の原因となる可能性を有するのである。
となり、また局部的水素化をひき起す要因となり被覆管
破損の原因となる可能性を有するのである。
[問題点を解決するための手段]
本発明では、上記のような問題点を解決するため、被覆
管を最終焼鈍したあと、その内面を切削、研摩等の機械
的方法あるいは電気化学的方法により片gA5〜50μ
m(従って径で10〜100μm)除去し、その表面粗
さを2μRm’ax以下に精密仕上げすることにより、
実質的に微小欠陥をなくし、応力腐食割れ抵抗を高めた
ジルコニウム合金製燃料被覆管であり、また、さらに被
覆管の集合組織異方性を示す半径方向のf値、すなわち
fr値を0.6〜0.7の範囲となるように加工方法を
設定してなる上記の被覆管である。
管を最終焼鈍したあと、その内面を切削、研摩等の機械
的方法あるいは電気化学的方法により片gA5〜50μ
m(従って径で10〜100μm)除去し、その表面粗
さを2μRm’ax以下に精密仕上げすることにより、
実質的に微小欠陥をなくし、応力腐食割れ抵抗を高めた
ジルコニウム合金製燃料被覆管であり、また、さらに被
覆管の集合組織異方性を示す半径方向のf値、すなわち
fr値を0.6〜0.7の範囲となるように加工方法を
設定してなる上記の被覆管である。
さらに詳細に本発明の詳細な説明すると、被覆管の内面
を機械的に除去する方法としては、ホーニング加工、ブ
ローチ加工、リーマ−加工、バフ研摩等でもよいし、ま
た電解研摩も同様の効果があり、また適宜これらの方法
を組合せてもよい。要するに酸洗のように隙間腐食を起
すような液体を使用せず、表面から均等に内径を除去す
ることが可能な方法であればよい。このような方法によ
り管の内径側を5〜50A1m除去することにより、冷
間前ニー焼鈍を繰返す前工程等で生じた微細な傷を取除
くことが可能となるのである。除去する量が5μω以下
では有害な傷を十分に取除くことができず、また50μ
m以上取除いても性能改良の効果が増加せず、さらに肉
厚が薄くなり、また材料歩留りの点からも好ましくない
ので5〜50μmの範囲に抑えることが必要である。ま
たさらに耐応力腐食割れ性を向上させるために、材料の
結晶異方性を管の方向と関連づけることが有効である。
を機械的に除去する方法としては、ホーニング加工、ブ
ローチ加工、リーマ−加工、バフ研摩等でもよいし、ま
た電解研摩も同様の効果があり、また適宜これらの方法
を組合せてもよい。要するに酸洗のように隙間腐食を起
すような液体を使用せず、表面から均等に内径を除去す
ることが可能な方法であればよい。このような方法によ
り管の内径側を5〜50A1m除去することにより、冷
間前ニー焼鈍を繰返す前工程等で生じた微細な傷を取除
くことが可能となるのである。除去する量が5μω以下
では有害な傷を十分に取除くことができず、また50μ
m以上取除いても性能改良の効果が増加せず、さらに肉
厚が薄くなり、また材料歩留りの点からも好ましくない
ので5〜50μmの範囲に抑えることが必要である。ま
たさらに耐応力腐食割れ性を向上させるために、材料の
結晶異方性を管の方向と関連づけることが有効である。
即ち(1)、式で算出される半径方向のf値を0.60
0〜0.700の範囲に設定した集合組織を有すること
を特徴とするものである。
0〜0.700の範囲に設定した集合組織を有すること
を特徴とするものである。
式中(φ、a) : X線回折強度
φ:第1図に示す投影球における
緯度方向角(ラジアン)
a :同緯度方向角(ラジアン)
ジルコニウム金属は大方晶の結晶構造であり、結晶の配
向によって、緒特性が変化することが知られている。
向によって、緒特性が変化することが知られている。
原子燃料用ノルフニウム合金被覆管の結晶配向状態を第
2図に示す。六方晶底面の法線(C紬)の方向がより半
径方向を向いた結晶が多いほど、(1)式で算出される
fr値は大きい。すなわち、第2図において(B)に比
べ(八)の結晶配向状態を有する被覆管でfr値は大き
い。
2図に示す。六方晶底面の法線(C紬)の方向がより半
径方向を向いた結晶が多いほど、(1)式で算出される
fr値は大きい。すなわち、第2図において(B)に比
べ(八)の結晶配向状態を有する被覆管でfr値は大き
い。
fr値が0.600以上になると、応力腐食割れ雰囲気
下での円周方向破損歪は著しく増大する。
下での円周方向破損歪は著しく増大する。
また、内面を研磨仕上げした被覆管は、他に比べ円周方
向破損歪が更に増大し、耐応力腐食割れ特性が改良され
ることが確認された。
向破損歪が更に増大し、耐応力腐食割れ特性が改良され
ることが確認された。
被覆管のクリープ特性はfr値に依存することが知られ
ており、fr値の増加と共にクリープ速度が太き(なる
。前述したよう1こ、原子力発電プラントの運転中にお
いてはクリープ速度の増大は、燃料棒の外径減少を加速
しベレット外面と被覆管内面との接触次期を速めるため
被覆管に過大な応力を負荷する要因にもなる。従って、
fr値の増大に伴う不利益を減少させるため、fr値の
上限を0.700に設定するものである。
ており、fr値の増加と共にクリープ速度が太き(なる
。前述したよう1こ、原子力発電プラントの運転中にお
いてはクリープ速度の増大は、燃料棒の外径減少を加速
しベレット外面と被覆管内面との接触次期を速めるため
被覆管に過大な応力を負荷する要因にもなる。従って、
fr値の増大に伴う不利益を減少させるため、fr値の
上限を0.700に設定するものである。
本発明の被覆管は、ジルコニウム金属1こ比べ耐食性に
優れたジルコニウム合金の単一材料から構成されている
ため、被覆管肉厚を貫通する欠陥が発生した場合の被覆
管水素吸収量はジルコニウム金属層の内管を有する複合
被覆管に比べ小さく、燃料棒の形状維持性能を確保する
上で優れている。
優れたジルコニウム合金の単一材料から構成されている
ため、被覆管肉厚を貫通する欠陥が発生した場合の被覆
管水素吸収量はジルコニウム金属層の内管を有する複合
被覆管に比べ小さく、燃料棒の形状維持性能を確保する
上で優れている。
[実施例]
1)外径9.50mI!+、肉厚0.60+++mのジ
ルカロイ−4合金製燃料被覆管を公知の方法で製造し、
最終焼鈍工程まで行った後、ホーニング加工により内弗
面を2,5.10,30a+m+れぞれ除去した6内表
面の7ラサはJl、5BO601に従って測定したとこ
ろ、0,5−L<)μRm&xであった。またb値は0
.62であった。
ルカロイ−4合金製燃料被覆管を公知の方法で製造し、
最終焼鈍工程まで行った後、ホーニング加工により内弗
面を2,5.10,30a+m+れぞれ除去した6内表
面の7ラサはJl、5BO601に従って測定したとこ
ろ、0,5−L<)μRm&xであった。またb値は0
.62であった。
これらの被覆管から長さ100mの試料を切出し応力腐
食割FL(SCC)試験に供した。SCC試験は360
℃のヨウ素を含む雰囲気中で長さ1.5+++m直径8
.21のALOz製模擬ベレットにより内側・から被覆
管を押広げ、SCCき裂が被覆管を貫通した際の被覆管
の歪(SCC破損歪)を測定するという方法で実施した
。
食割FL(SCC)試験に供した。SCC試験は360
℃のヨウ素を含む雰囲気中で長さ1.5+++m直径8
.21のALOz製模擬ベレットにより内側・から被覆
管を押広げ、SCCき裂が被覆管を貫通した際の被覆管
の歪(SCC破損歪)を測定するという方法で実施した
。
試験結果
従来法に比し本発明による方法で5μ国以上の表面層を
除去したものはSCC被覆歪が大きくなったおり耐SC
C性が改善されていることが分る。
除去したものはSCC被覆歪が大きくなったおり耐SC
C性が改善されていることが分る。
2)外径9.50ao++、肉厚0.60mmのジルカ
ロイ−2製燃料被覆管につき通常工程で最終焼鈍工程ま
で行った後、過塩素酸10;氷酢酸90の電解溶液中で
8■の電圧をかけ内面を電解研磨することにより2,5
,5,12.25.60μm除去した。内表面のアラサ
はJISBO661に従って測定したところ0.2〜0
.4μR111axであった。fr値は0.58であっ
た。
ロイ−2製燃料被覆管につき通常工程で最終焼鈍工程ま
で行った後、過塩素酸10;氷酢酸90の電解溶液中で
8■の電圧をかけ内面を電解研磨することにより2,5
,5,12.25.60μm除去した。内表面のアラサ
はJISBO661に従って測定したところ0.2〜0
.4μR111axであった。fr値は0.58であっ
た。
aS瀦−」
表面層除去量 SCC破損歪
μ %
2.5 1.7
5 2.5
12 2.8
25 2.7
60 3.0
3) 前2例と同様に、た)’シfr値が0.55〜0
.74となるように最終加工工程の加工モードを調節し
た試料を作成した。さらに内面をリーマ−加工後バフ研
磨することにより平均20μ鶴除去した。表面粗さは0
,7μRmaxである。前2例と同様SCCCC破損側
定結果を次表に示す。
.74となるように最終加工工程の加工モードを調節し
た試料を作成した。さらに内面をリーマ−加工後バフ研
磨することにより平均20μ鶴除去した。表面粗さは0
,7μRmaxである。前2例と同様SCCCC破損側
定結果を次表に示す。
fr値 0.55 0,62 0.67 0,7
4SCC破損歪(%) 1,6 4,0 3,9 4
.3超短波欠陥深傷試験により約Sμの深さの内面欠陥
のあることが確認された外径9.501001、肉厚0
,60a+mのジルカロイ−4製被覆管につき通常工程
で最終焼鈍工程まで行った後、過塩素酸10:氷酢酸9
0の電解液中で10vの電圧をかけ管内面を電解研摩に
より3.10.30.60μω除去した。
4SCC破損歪(%) 1,6 4,0 3,9 4
.3超短波欠陥深傷試験により約Sμの深さの内面欠陥
のあることが確認された外径9.501001、肉厚0
,60a+mのジルカロイ−4製被覆管につき通常工程
で最終焼鈍工程まで行った後、過塩素酸10:氷酢酸9
0の電解液中で10vの電圧をかけ管内面を電解研摩に
より3.10.30.60μω除去した。
こうして作成した管から30mmのの試料を切出し、水
蒸気を含んだ水素ガス気流中で400℃に72時間保持
した。水蒸気を含んだ水素ガスは、ボン゛べから出た水
素を蒸留水でバブリングすることにより得た。流量は約
117分とした。その後試料をたて割りにし、たて断面
の金属組織を観察することにより局部水素化の有無を確
認した。
蒸気を含んだ水素ガス気流中で400℃に72時間保持
した。水蒸気を含んだ水素ガスは、ボン゛べから出た水
素を蒸留水でバブリングすることにより得た。流量は約
117分とした。その後試料をたて割りにし、たて断面
の金属組織を観察することにより局部水素化の有無を確
認した。
内面層除去量μm 局所水素化
3 発 生10
発生せず 30 〃 60 〃 [発明の効果1 以上のとおり本発明によれば、耐応力腐食割れ性に優れ
た燃料被覆管が得られるので、原子力発電プラントの出
力急上昇時における燃料破損の可能性を著しく低下する
ことが可能で、また何等かの要因によって、被覆管の肉
厚を貫通する欠陥が発生した場合でも、燃料棒の形状維
持・確保が可能であるという著しい効果を発揮できるの
である。
発生せず 30 〃 60 〃 [発明の効果1 以上のとおり本発明によれば、耐応力腐食割れ性に優れ
た燃料被覆管が得られるので、原子力発電プラントの出
力急上昇時における燃料破損の可能性を著しく低下する
ことが可能で、また何等かの要因によって、被覆管の肉
厚を貫通する欠陥が発生した場合でも、燃料棒の形状維
持・確保が可能であるという著しい効果を発揮できるの
である。
第1図はf値を求める式を説明する図、第2菌はfr値
を説明する図である。
を説明する図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)最終焼鈍後、その内面を機械的または電気化学的方
法により5〜50μm除去し、かつその表面粗さを2μ
Rmax以下に精密仕上げしてなる、実質的に微少欠陥
のないことを特徴とする応力腐食割れ抵抗の高いジルコ
ニウム合金製燃料被覆管。 2)被覆管の集合組織異方性を表す半径方向のf値、す
なわちfr値が0.6〜0.7の範囲にある特許請求の
範囲第1項記載の被覆管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61058251A JPH0830746B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 耐応力腐食割れ性の良好な原子燃料用Zr合金製被覆管の製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61058251A JPH0830746B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 耐応力腐食割れ性の良好な原子燃料用Zr合金製被覆管の製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6324193A true JPS6324193A (ja) | 1988-02-01 |
| JPH0830746B2 JPH0830746B2 (ja) | 1996-03-27 |
Family
ID=13078913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61058251A Expired - Lifetime JPH0830746B2 (ja) | 1986-03-18 | 1986-03-18 | 耐応力腐食割れ性の良好な原子燃料用Zr合金製被覆管の製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0830746B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH022975A (ja) * | 1988-06-20 | 1990-01-08 | Mitsubishi Atom Power Ind Inc | ジルコニウム基合金製原子燃料被覆管 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54197A (en) * | 1977-06-02 | 1979-01-05 | Toshiba Corp | Nuclear fuel element |
| JPS5636870A (en) * | 1979-08-27 | 1981-04-10 | Duracell Int | Chemical battery |
| JPS5950160A (ja) * | 1982-09-17 | 1984-03-23 | Toshiba Corp | 原子炉用炉内構造材 |
-
1986
- 1986-03-18 JP JP61058251A patent/JPH0830746B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS54197A (en) * | 1977-06-02 | 1979-01-05 | Toshiba Corp | Nuclear fuel element |
| JPS5636870A (en) * | 1979-08-27 | 1981-04-10 | Duracell Int | Chemical battery |
| JPS5950160A (ja) * | 1982-09-17 | 1984-03-23 | Toshiba Corp | 原子炉用炉内構造材 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH022975A (ja) * | 1988-06-20 | 1990-01-08 | Mitsubishi Atom Power Ind Inc | ジルコニウム基合金製原子燃料被覆管 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0830746B2 (ja) | 1996-03-27 |
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