JP2001004770A - 核燃料要素 - Google Patents
核燃料要素Info
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- hydrogen
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- fuel element
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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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- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】燃料棒の被覆管が健全時には燃料棒内の微量水
分および水素を吸収するとともに、破損時には過重な水
素を発生しない安全性を向上させた水素ゲッターを備え
た核燃料要素を提供する。 【解決手段】燃料被覆管２の内部に核燃料ペレット３と
ゲッター９とを装填し密封してなる核燃料要素におい
て、前記ゲッター９を、水素ガスを吸収するゲッター材
の表面層部の一部もしくは全部表面に、該ゲッター材組
成とは異種類の物質を表面から一定の深さまで添加した
水素ゲッター用物質で構成するようにした。
分および水素を吸収するとともに、破損時には過重な水
素を発生しない安全性を向上させた水素ゲッターを備え
た核燃料要素を提供する。 【解決手段】燃料被覆管２の内部に核燃料ペレット３と
ゲッター９とを装填し密封してなる核燃料要素におい
て、前記ゲッター９を、水素ガスを吸収するゲッター材
の表面層部の一部もしくは全部表面に、該ゲッター材組
成とは異種類の物質を表面から一定の深さまで添加した
水素ゲッター用物質で構成するようにした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば燃料棒の被
覆管が健全時には燃料棒内の微量水分および水素を吸収
するとともに、破損時には過重な水素を発生しない安全
性を向上させた水素ゲッターを備えた核燃料要素に関す
るものである。
覆管が健全時には燃料棒内の微量水分および水素を吸収
するとともに、破損時には過重な水素を発生しない安全
性を向上させた水素ゲッターを備えた核燃料要素に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】核燃料要素は、燃料被覆管内に複数個の
核燃料ペレットを積層収納し、上端部にガス溜用プレナ
ム部と核燃料ペレットを安定に支持するためのプレナム
スプリングおよびゲッタを有し、ヘリウム等の封入ガス
を充填した後、両端閉口部を上部および下部端栓で密封
溶接した構造になっている。
核燃料ペレットを積層収納し、上端部にガス溜用プレナ
ム部と核燃料ペレットを安定に支持するためのプレナム
スプリングおよびゲッタを有し、ヘリウム等の封入ガス
を充填した後、両端閉口部を上部および下部端栓で密封
溶接した構造になっている。
【０００３】このペレット内には製造工程において水素
ガスや有機化合物のバインダが微量ながら混入する懸念
があり、またペレットの表面および被覆管の内面に水分
が付着しやすい。その結果、原子炉運転中に被覆管内で
は水素ガス、ハイドロカーボンなどの有機化合物ガスお
よび水蒸気などが発生する可能性がある。これらの混合
ガスが酸化雰囲気である限りでは、ジルコニウム被覆管
の水素化は起こらない。しかし、水蒸気が被覆管や燃料
ペレットと反応して水素を遊離したり、また有機化合物
が分解し水素を遊離して混合ガスが還元性雰囲気になる
と、被覆管は水素化されて脆化され亀裂を生じる恐れが
ある。
ガスや有機化合物のバインダが微量ながら混入する懸念
があり、またペレットの表面および被覆管の内面に水分
が付着しやすい。その結果、原子炉運転中に被覆管内で
は水素ガス、ハイドロカーボンなどの有機化合物ガスお
よび水蒸気などが発生する可能性がある。これらの混合
ガスが酸化雰囲気である限りでは、ジルコニウム被覆管
の水素化は起こらない。しかし、水蒸気が被覆管や燃料
ペレットと反応して水素を遊離したり、また有機化合物
が分解し水素を遊離して混合ガスが還元性雰囲気になる
と、被覆管は水素化されて脆化され亀裂を生じる恐れが
ある。
【０００４】このため、たとえば特開昭４７−６９５３
号公報に提案されているものでは、ニッケル−チタン−
ジルコニウム合金からなるゲッター材料で被覆管内の水
分ならびに水素ガス、酸素ガスなどを吸収させるように
している。
号公報に提案されているものでは、ニッケル−チタン−
ジルコニウム合金からなるゲッター材料で被覆管内の水
分ならびに水素ガス、酸素ガスなどを吸収させるように
している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術のゲ
ッターでは次のような問題があった。すなわち、水分お
よび水素を同時に吸収させると、ゲッターの表面は水分
と反応し酸化物相が形成され、水素ガスを吸収する能力
が低下する。また、燃料ペレット中の水素ガスよりも表
面に吸着された水分の方が先に被覆管内を満たすので、
従来のゲッターは先に水分を吸収してしまい残った雰囲
気を還元性にして、被覆管が水素化する危険性を増大さ
せ、なおかつ水素除去能力が減少する欠点がある。
ッターでは次のような問題があった。すなわち、水分お
よび水素を同時に吸収させると、ゲッターの表面は水分
と反応し酸化物相が形成され、水素ガスを吸収する能力
が低下する。また、燃料ペレット中の水素ガスよりも表
面に吸着された水分の方が先に被覆管内を満たすので、
従来のゲッターは先に水分を吸収してしまい残った雰囲
気を還元性にして、被覆管が水素化する危険性を増大さ
せ、なおかつ水素除去能力が減少する欠点がある。
【０００６】なお、被覆管に端栓溶接し排気した後へリ
ウムガスを充填し封じ切る工程において、真空排気中に
高温加熱して水分などを乾燥除去する方法も行われてい
る。しかし、この方法では乾燥後すばやく封じる必要が
あり、また封じた後の雰囲気を還元性にしてしまうの
で、やはり被覆管を水素化する可能性は去らない。さら
に、核燃料被覆管が何らかの原因で破損した場合には、
冷却水が燃料被覆管の中に侵入し、上記ゲッター材が多
量の高温水と反応し、酸化物を形成するとともに燃料棒
内に多量の水素を放出し被覆管を水素脆化させる懸念が
ある。
ウムガスを充填し封じ切る工程において、真空排気中に
高温加熱して水分などを乾燥除去する方法も行われてい
る。しかし、この方法では乾燥後すばやく封じる必要が
あり、また封じた後の雰囲気を還元性にしてしまうの
で、やはり被覆管を水素化する可能性は去らない。さら
に、核燃料被覆管が何らかの原因で破損した場合には、
冷却水が燃料被覆管の中に侵入し、上記ゲッター材が多
量の高温水と反応し、酸化物を形成するとともに燃料棒
内に多量の水素を放出し被覆管を水素脆化させる懸念が
ある。
【０００７】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、燃料棒の被覆管が健全時には燃料
棒内の微量水分および水素を吸収するとともに、破損時
には過重な水素を発生しない安全性を向上させた水素ゲ
ッターを備えた核燃料要素を提供することにある。
目的とするところは、燃料棒の被覆管が健全時には燃料
棒内の微量水分および水素を吸収するとともに、破損時
には過重な水素を発生しない安全性を向上させた水素ゲ
ッターを備えた核燃料要素を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、燃料
被覆管の内部に核燃料ペレットとゲッターを装填し密封
してなる核燃料要素において、前記ゲッターを、水素ガ
スを吸収するゲッター材の表面層部の一部もしくは全部
表面に、該ゲッター材組成とは異種類の物質を表面から
一定の深さまで添加した水素ゲッター用物質で構成する
ようにし所期の目的を達成するようにしたものである。
被覆管の内部に核燃料ペレットとゲッターを装填し密封
してなる核燃料要素において、前記ゲッターを、水素ガ
スを吸収するゲッター材の表面層部の一部もしくは全部
表面に、該ゲッター材組成とは異種類の物質を表面から
一定の深さまで添加した水素ゲッター用物質で構成する
ようにし所期の目的を達成するようにしたものである。
【０００９】またこの場合、前記水素ゲッター用物質
を、高温水中での耐腐食性が良好な合金を母材としたも
のである。また、前記耐水腐食性の良好な合金を、ジル
コニウムを主成分とする合金で、かつ前記表面層に添加
する元素が母材の耐高温水腐食性を劣化させる元素で、
かつ前記添加深さを１００μｍ以内としたものである。
を、高温水中での耐腐食性が良好な合金を母材としたも
のである。また、前記耐水腐食性の良好な合金を、ジル
コニウムを主成分とする合金で、かつ前記表面層に添加
する元素が母材の耐高温水腐食性を劣化させる元素で、
かつ前記添加深さを１００μｍ以内としたものである。
【００１０】すなわち、ジルコニウム金属やその合金は
水素と反応しやすい物質であるが、酸化雰囲気中にいっ
たん曝されると表面に酸化皮膜を生じる。この酸化皮膜
は保護膜となって水素と反応し難くなるため、ジルコニ
ウム金属やその合金をそのままの形で水素ゲッターとし
て使用することができない。そこで、この発明ではこの
酸化皮膜の保護膜が生じやすいジルコニウム金属やその
合金などのゲッター用物質の表面層を、ジルコニウムや
その合金などの母材の耐水腐食性を劣化させる元素で覆
い、その後の新たなる酸化皮膜の形成を耐水腐食性を劣
化させる元素の層によって防ぎ、ゲッター用物質の水素
反応性を常に維持するとともに、燃料棒の破損時に侵入
した高温高圧水と反応し新たな水素を被覆管内に放出す
ることがないようにしたものである。
水素と反応しやすい物質であるが、酸化雰囲気中にいっ
たん曝されると表面に酸化皮膜を生じる。この酸化皮膜
は保護膜となって水素と反応し難くなるため、ジルコニ
ウム金属やその合金をそのままの形で水素ゲッターとし
て使用することができない。そこで、この発明ではこの
酸化皮膜の保護膜が生じやすいジルコニウム金属やその
合金などのゲッター用物質の表面層を、ジルコニウムや
その合金などの母材の耐水腐食性を劣化させる元素で覆
い、その後の新たなる酸化皮膜の形成を耐水腐食性を劣
化させる元素の層によって防ぎ、ゲッター用物質の水素
反応性を常に維持するとともに、燃料棒の破損時に侵入
した高温高圧水と反応し新たな水素を被覆管内に放出す
ることがないようにしたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその核燃料要素が断面
で示されている。図中、２が燃料被覆管であり、３が核
燃料ペレット、４が上部端栓、５が下部端栓、６が上部
プレナム、７がプレナムスプリング、８がゲッター用物
質、９がゲッターである。
発明を詳細に説明する。図１にはその核燃料要素が断面
で示されている。図中、２が燃料被覆管であり、３が核
燃料ペレット、４が上部端栓、５が下部端栓、６が上部
プレナム、７がプレナムスプリング、８がゲッター用物
質、９がゲッターである。
【００１２】核燃料要素１にはジル力口イ−２製の被覆
管２内に燃料ペレット３が積層されて充填され、上、下
両端部は、それぞれ上部端栓４および下部端栓５が溶接
されて塞がれている。被覆管２内には、ヘリウムガスが
封入されており、上部プレナム部には、プレナムスプリ
ング７および本発明のゲッター用物質８を詰めたゲッタ
ー９が設けられている。
管２内に燃料ペレット３が積層されて充填され、上、下
両端部は、それぞれ上部端栓４および下部端栓５が溶接
されて塞がれている。被覆管２内には、ヘリウムガスが
封入されており、上部プレナム部には、プレナムスプリ
ング７および本発明のゲッター用物質８を詰めたゲッタ
ー９が設けられている。
【００１３】すなわち、被覆管２内に水素ガスと反応す
るか，あるいは水素ガスを吸収する能力をもった物質，
たとえばジルコニウムの表面層に添加する元素が母材の
耐水腐食性を劣化させる元素で覆った水素ゲッター９が
装填されるのである。
るか，あるいは水素ガスを吸収する能力をもった物質，
たとえばジルコニウムの表面層に添加する元素が母材の
耐水腐食性を劣化させる元素で覆った水素ゲッター９が
装填されるのである。
【００１４】また、この水素ゲッターは、水素ガスを吸
収するゲッター材の表面層部の一部もしくは全表面部
に、ゲッター材組成とは異種類の物質を表面から一定の
深さまで添加した水素ゲッター用物質で構成される。こ
の場合、前記添加深さは１００μｍ以内であればよく、
最も好ましくは１０μｍ以内が良い。
収するゲッター材の表面層部の一部もしくは全表面部
に、ゲッター材組成とは異種類の物質を表面から一定の
深さまで添加した水素ゲッター用物質で構成される。こ
の場合、前記添加深さは１００μｍ以内であればよく、
最も好ましくは１０μｍ以内が良い。
【００１５】この水素ゲッターは、たとえば次のように
して製造することができる。水素と反応しやすいたとえ
ばジルコニウムに約１．５重量％のスズおよび微量の
鉄、クロム他を添加したジル力口イを１〜２ｍｍの粒状
に成形し、窒素雰囲気下で約４００℃で約２４時間加熱
する。このような熱処理を行うと粒状ジル力口イの表面
層にジルコニウムの窒化物が形成される。この場合の窒
素の添加量は約１０００〜１４００ｐｐｍである。
して製造することができる。水素と反応しやすいたとえ
ばジルコニウムに約１．５重量％のスズおよび微量の
鉄、クロム他を添加したジル力口イを１〜２ｍｍの粒状
に成形し、窒素雰囲気下で約４００℃で約２４時間加熱
する。このような熱処理を行うと粒状ジル力口イの表面
層にジルコニウムの窒化物が形成される。この場合の窒
素の添加量は約１０００〜１４００ｐｐｍである。
【００１６】窒化処理を行った粒状ジル力口イを約１×
１０~4Ｐａの真空中で約３０分間８５０℃で焼鈍する。
このような拡散処理を行うと粒状ジル力口イの表面層に
形成したジル力口イの窒化物は粒状ジル力口イ中に固溶
し、表面は金属光沢が示されている。なお、拡散深さと
して１００μｍ、好ましくは１０μｍであった。
１０~4Ｐａの真空中で約３０分間８５０℃で焼鈍する。
このような拡散処理を行うと粒状ジル力口イの表面層に
形成したジル力口イの窒化物は粒状ジル力口イ中に固溶
し、表面は金属光沢が示されている。なお、拡散深さと
して１００μｍ、好ましくは１０μｍであった。
【００１７】次に、本実施例のジル力口イを母材とする
ゲッター用物質８を水蒸気を含有する水素中で反応性を
調べた結果について述べる。
ゲッター用物質８を水蒸気を含有する水素中で反応性を
調べた結果について述べる。
【００１８】図２は、露点−６４℃におけるゲッター用
物質と水素との反応性を示し、また図３は、露点−３４
℃におけるゲッター用物質と水素との反応関係を示して
いる。図中、縦軸は水素反応量を（ｐｐｍ）で示し、横
軸は反応時間を（ｈｒ）で示している。黒丸はジル力口
イに窒化処理を施した後に焼鈍処理を施した本発明のゲ
ッター材の場合を、白丸は従来のゲッター材の場台をそ
れぞれ示している。
物質と水素との反応性を示し、また図３は、露点−３４
℃におけるゲッター用物質と水素との反応関係を示して
いる。図中、縦軸は水素反応量を（ｐｐｍ）で示し、横
軸は反応時間を（ｈｒ）で示している。黒丸はジル力口
イに窒化処理を施した後に焼鈍処理を施した本発明のゲ
ッター材の場合を、白丸は従来のゲッター材の場台をそ
れぞれ示している。
【００１９】これらの図から明らかなように、窒化処理
を施した本発明のゲッター用物質は、従来のゲッター用
物質に比較して格段に水素と反応しやすいことが認めら
れる。また、本発明のゲッター用物質は、露点が高い雰
囲気つまり酸化性雰囲気においても水素と選択的に反応
することが明らかである。
を施した本発明のゲッター用物質は、従来のゲッター用
物質に比較して格段に水素と反応しやすいことが認めら
れる。また、本発明のゲッター用物質は、露点が高い雰
囲気つまり酸化性雰囲気においても水素と選択的に反応
することが明らかである。
【００２０】さらに、データは省略したが、ゲッター母
材として高温耐食性に優れるジル力口イを用いているの
で、核燃料破損時にゲッターは酸化皮膜を形成し、水素
を発生することがなかった。
材として高温耐食性に優れるジル力口イを用いているの
で、核燃料破損時にゲッターは酸化皮膜を形成し、水素
を発生することがなかった。
【００２１】以上の実施例からこの発明によれば優れた
水素除去能力を有し、さらに燃料要素中で実現されるよ
うな酸化性雰囲気でも水素と選択的に反応し、燃料要素
中の雰囲気を還元性にすることを防止するのに有効であ
ると同時に被覆管破損時に高温の冷却水と反応し水素を
発生することがない。
水素除去能力を有し、さらに燃料要素中で実現されるよ
うな酸化性雰囲気でも水素と選択的に反応し、燃料要素
中の雰囲気を還元性にすることを防止するのに有効であ
ると同時に被覆管破損時に高温の冷却水と反応し水素を
発生することがない。
【００２２】なお、上記実施例では窒素をガス中熱拡散
方式で表面層に添加するようにしたが、ガス中熱拡散方
式の代わりに、添加の方法が、加速器、電気または化学
メッキ方式などを用いてもよい。また、窒素を表面に添
加したか同元素に限定するものでなく基本的にはゲッタ
ー母材の高温水中耐水腐食性を劣化させる酸素、炭素等
の他の元素でも同様な効果が期待できる。
方式で表面層に添加するようにしたが、ガス中熱拡散方
式の代わりに、添加の方法が、加速器、電気または化学
メッキ方式などを用いてもよい。また、窒素を表面に添
加したか同元素に限定するものでなく基本的にはゲッタ
ー母材の高温水中耐水腐食性を劣化させる酸素、炭素等
の他の元素でも同様な効果が期待できる。
【００２３】以上説明してきたようにこのように形成さ
れた核燃料要素であると、優れた水素除去能力を有し、
燃料要素中で実現されるような酸化性雰囲気でも水素と
選択的に反応し、燃料要素中の雰囲気を還元性にするこ
とを防止するのに有効であるとともに、核燃料破損時に
も安全な核燃料要素とすることができるのである。
れた核燃料要素であると、優れた水素除去能力を有し、
燃料要素中で実現されるような酸化性雰囲気でも水素と
選択的に反応し、燃料要素中の雰囲気を還元性にするこ
とを防止するのに有効であるとともに、核燃料破損時に
も安全な核燃料要素とすることができるのである。
【００２４】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、燃料棒の被覆管が健全時には燃料棒内の微量水分お
よび水素を吸収するとともに、破損時には過重な水素を
発生しない安全性を向上させた水素ゲッターを備えた核
燃料要素を得ることができる。
ば、燃料棒の被覆管が健全時には燃料棒内の微量水分お
よび水素を吸収するとともに、破損時には過重な水素を
発生しない安全性を向上させた水素ゲッターを備えた核
燃料要素を得ることができる。
【図１】本発明の一実施例に係わる核燃料要素の縦断面
略示図である。
略示図である。
【図２】露点−６４℃におけるゲッターと水素との反応
性を示す図である。
性を示す図である。
【図３】露点−３４℃におけるゲッターと水素との反応
性を示す図である。
性を示す図である。
【符号の説明】 １…核燃料要素、２…燃料被覆管、３…核燃料ペレッ
ト、４…上部端栓、５…下部端栓、６…上部プレナム、
７…プレナムスプリング、８…ゲッター用物質、９…ゲ
ッター。
ト、４…上部端栓、５…下部端栓、６…上部プレナム、
７…プレナムスプリング、８…ゲッター用物質、９…ゲ
ッター。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今村 光孝 茨城県東茨城郡大洗町成田町2163番地 日 本核燃料開発株式会社内 (72)発明者 中司 雅文 茨城県東茨城郡大洗町成田町2163番地 日 本核燃料開発株式会社内
Claims (5)
- 【請求項１】 燃料被覆管の内部に核燃料ペレットとゲ
ッターを装填し密封してなる核燃料要素において、 前記ゲッターを、水素ガスを吸収するゲッター材の表面
層部の一部もしくは全部表面に、該ゲッター材組成とは
異種類の物質を表面から一定の深さまで添加した水素ゲ
ッター用物質で構成するようにしたことを特徴とする核
燃料要素。 - 【請求項２】 前記水素ゲッター用物質が、高温水中で
の耐腐食性が良好な合金を母材としたものである請求項
１記載の核燃料要素。 - 【請求項３】 前記耐水腐食性の良好な合金が、ジルコ
ニウムを主成分とする合金で、かつ前記表面層に添加す
る元素が母材の耐高温水腐食性を劣化させる元素であ
り、かつ前記添加深さが１００μｍ以内である請求項２
記載の核燃料要素。 - 【請求項４】 前記ゲッター母材をジル力口イから形成
するとともに、このゲッター母材の表面層に酸素もしく
は窒素もしくは炭素を深さ１００μｍ以内添加してなる
請求項２記載の核燃料要素。 - 【請求項５】 ジルコニウム合金の被覆管内に燃料パレ
ットを充填し密封してなる核燃料要素において、 前記被覆管内に、水素ガスと反応するか若しくは水素ガ
スを吸収する能力を有する物質で、かつその表面層にそ
の物質の耐水腐食性を劣化させる元素で覆った水素ゲッ
ターを装填するようにしたことを特徴とする核燃料要
素。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11178067A JP2001004770A (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | 核燃料要素 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11178067A JP2001004770A (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | 核燃料要素 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001004770A true JP2001004770A (ja) | 2001-01-12 |
Family
ID=16042045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11178067A Pending JP2001004770A (ja) | 1999-06-24 | 1999-06-24 | 核燃料要素 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001004770A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104575627A (zh) * | 2013-10-15 | 2015-04-29 | 上海核工程研究设计院 | 一种用于燃料元件的气体吸收装置 |
-
1999
- 1999-06-24 JP JP11178067A patent/JP2001004770A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104575627A (zh) * | 2013-10-15 | 2015-04-29 | 上海核工程研究设计院 | 一种用于燃料元件的气体吸收装置 |
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