JP2002540437A - 加圧水炉用の燃料要素およびその被覆管の製造方法 - Google Patents
加圧水炉用の燃料要素およびその被覆管の製造方法Info
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Abstract
Description
トン内に挿入され燃料ペレットから成る柱状体をそれぞれ取囲む気密な多層の被
覆管とを備え、案内管には多数のスペーサと燃料要素の頭部および燃料要素の脚
部とが固定されている加圧水炉用の燃料要素に関する。さらに、本発明はその被
覆管の製造方法に関する。
に固定され、これによって側方を開口したスケルトンが形成され、このスケルト
ン内に燃料棒6が挿入されているこの種の燃料要素が示されている。運転中、冷
却水は下から上へ燃料要素を通って流れ、同様に燃料棒間の隙間から側方へ隣接
する燃料要素内へ流入する。さらに、図1において、燃料要素の上側部分のスペ
ーサ4間に、流れ案内羽根の支持体として作用する補助混合格子7が設けられて
いる。流れ案内羽根は燃料要素の上側部分のスペーサ4の少なくとも上面に設け
られ、冷却水の乱流混合および燃料棒への冷却水の押し寄せを達成する。
ており、図2に示されている。しかしながら、(例えば互いに溶接されたスリー
ブから成る)他のスペーサならびに流れ案内羽根9の他の形状も可能であり、そ
の場合隣接する燃料棒間の隙間内に異なった個数の混合翼を設けることもできる
。
5%)しか蒸発せず、むしろ燃料内に核分裂によって発生した熱が主として対流
搬出によって高圧状態に保持されている高温水から排出される。それとは異なり
、沸騰水炉は低い圧力および低い温度で運転され、燃料棒からの熱は少なくとも
燃料要素の上側部分において主として2相混合物内への恒温蒸発によって搬出さ
れる。その場合には生成した蒸気を排出する必要がある。従って、燃料要素は燃
料要素ボックスによって側方から取囲まれる。
護のためにおよび同じような理由から、加圧水には例えば水酸化リチウムおよび
類似の添加物が添加される。これらは沸騰水には適用可能ではなく、種々の水化
学(例えば種々の酸素濃度)を生じる。燃料要素内の燃料棒のサイズおよび個数
、ならびに原子炉炉心内への制御棒の配置は同様に異なっている。冷却水の温度
および圧力の相違は、被覆管に種々異なった荷重をもたらし、燃料の特性を異な
らせ、特に、原子炉炉心がフィードバックを備えた制御技術的な全体システムと
して考慮される場合には原子炉炉心の時定数を異ならせる。
変化し、すなわち加圧水炉は殆ど見た限りでは定常的に運転され、特にベース負
荷に対処するのに適している。原子炉に接続された需要家のピーク負荷に対処す
るには、出力が例えば著しく急速かつランプ状に増大する沸騰水炉が特に適して
いる。そのために、被覆管の外面は種々異なった水化学および運転温度に応じて
別の化学的な負荷に曝され(例えば沸騰水炉内の結節状腐食および加圧水炉内の
一様な腐食)、種々の運転圧力が維持されねばならない。被覆管の内面も種々異
なった荷重を受ける。
てジルカロイ−4が開発されている)とは異なった合金(つまりジルカロイ−2
)から構成されている。高温原子炉の圧力管用としては2.5%のニオブを有す
るジルコニウム合金が知られており、この合金はロシアの軽水炉において使用さ
れている。
成(いわゆる“ジルコニウムスポンジ”は“スポンジ”で、“ジルカロイ−2”
は“Zry−2”で、“ジルカロイ−4”は“Zry−4”で、“ジルコニウム
−ニオブ”は“Zr/Nb”で)が示されている。酸素不純物がジルコニウムへ
の硬化作用のために所望され、従って合金化される場合、酸素は多量の許容可能
な不純物として示されている。
ペレット、従って燃料の利用可能な大容量エネルギー(いわゆる“燃焼”)が利
用される場合、燃料要素はその被覆管が長い有効寿命を有するという要求に耐え
られる場合には炉心内に長時間に亘って置かれる。これは加圧水炉の燃料要素に
おいては、被覆管の外面が加圧水によって生ぜしめられる一様な腐食に対して耐
性を有しなければならず、長い有効寿命の経過中にも高い圧力によって燃料が押
圧されて損害を被ってはならないことを意味している。従って、加圧水炉におい
て長い有効寿命を有するという要求を満たす被覆管を開発する際、管全体の機械
的安定性および一様な腐食に対する外面の耐性が特に注意されねばならない。
被覆管によって充分に満たされる。この被覆管は一般的な例では0.8〜1.7
%のSnと、0.07〜0.5%のFeと、0.05〜0.35%のCrと、0
.07〜0.2%のOと、約0.015%までのSiと、最大0.1%までのN
iとを有するジルコニウムから構成されている。その場合、ジルコニウム内に実
質的に溶解せず金属間化合物(“二次相”)として析出する金属のFe、Cr、
Niが約0.1〜0.3μの平均粒子サイズを有していることは特に重要である
ことが判明している。この粒子サイズは、合金が先ず析出物の溶解温度(いわゆ
る“溶体化処理”)にもたらされ、その後急速に冷却された(いわゆる“焼入れ
”)後に、合金の熱処理によって調整される。二次析出物のその際に生成したサ
イズおよび分布は“粒子成長パラメータ”として算出され、実際の製造において
は累積された“標準化焼きなまし時間”Aによって調整される。
ップの時間、Qは活性化エネルギーである。値QはQ=40.000ケルビンで
ある。
管の表面の一様な酸化膜の日常的な成長と、被覆管の製造時に使用された標準化
焼きなまし時間Aとの関係を示す。一般的に加圧水炉用としては、2×10-18
〜50×10-18時間の標準化焼きなまし時間がヨーロッパ特許第049825
9号明細書に記載されているようなこの種のジルカロイ状合金に好都合であると
見なせる(ガルザローリ他著“原子力産業におけるジルコニウム;第8回国際シ
ンポジウム、米国のフィラデルフィア、1989年(ASTM 特殊技術刊行物
1023)第202頁〜第212頁参照)。このように大きな焼きなまし時間は
、しかしながら、被覆管の機械的安定性を高めるために、高温度の際にも同様に
大きな粒子に成長する合金粒子を、冷間加工法を用いたピルガー法によって冷間
加工法により砕いて小さな粒子にするという専門家の努力と衝突する。というの
は、微細な粒子は高い延性と共に高い安定性を生じるかである。それゆえ、上述
の特許明細書によれば、焼入れされた材料が押出し成形されて管素材を形成する
前に先ず高温度で鍛造され、その後引続いて行なわれるピルガー法において適度
の中間焼きなましで冷間加工されることによって、高い標準化焼きなまし時間が
達成される。
リックス膜とからいわゆる”二重管“として構成された複合管である。マトリッ
クスは必要な機械的安定性を保証し、一方外側保護膜は加圧水炉を脅かす一様な
腐食に対して耐性を有している。かかる二重管はヨーロッパ特許第021235
1号明細書に記載されており、外側保護膜用として、0.1〜1%のVと1%ま
でのFeとが合金添加物として使用されている。ヨーロッパ特許第030139
5号明細書には、外側合金が0.2〜3%のNb及び/又は0.4〜4%のFe
,Cr,Ni,Snの全含有量(残り:技術的に可能な純度のジルコニウム)を
含む二重管が記載されている。ヨーロッパ特許第0630514号明細書から、
ジルカロイ−マトリックス用のこの種の外側膜は、個々の合金添加物に対して決
められた制限が守られている限り、特に錫含有量がジルカロイの錫含有量以下で
ある限り、同様にFe,Cr,Ni,Snを大きな全含有量で含むことができる
ことが知られている。上述の被覆管は加圧水炉の運転条件下でも役立っており、
得ようとした高い有効寿命を可能にする。
ては、低い運転温度のために一様な腐食は殆ど発生しないが、しかしながら酸化
物のいぼ状突起が生じる。ここでは大きな二次析出物がいぼ状突起として作用し
ないが、しかしながらこのいぼ状突起は、材料が二次相を微細に分散させ、特に
低い標準化焼きなまし時間で処理される場合に回避される。しかしながら、沸騰
水炉の燃料棒の被覆管は、管内面から出発し応力腐食割れに由来する腐食損傷を
しばしば示す。このような損傷は、ジルカロイから成るマトリックスが技術的に
可能な純度のジルコニウム(すなわち軟らかいが腐食し易い材料)から成る保護
膜を内面に有する複合管によって最少にされる。しかしながら、その場合、純粋
ジルコニウムの腐食し易さは欠点である。というのは、稀な事例であるが管内の
僅かな損傷によって水が沸騰水炉から被覆管の内部へ流入し、その後腐食が発生
して亀裂を広げ、この亀裂によって、原子炉の水が局部的に制限された損傷を有
する多数の燃料棒による場合よりも著しく強く汚染されるからである。それゆえ
、純粋ジルコニウムから成る保護膜の代わりにしばしば、ジルコニウムが1%ま
での他の合金添加物を含む保護膜が使用されている。すなわち、ヨーロッパ特許
第0726966号明細書にはジルカロイから成る厚いマトリックス膜を備えた
被覆管が記載されている。このマトリックス膜においては、二次析出物が0.0
3〜0.1μの粒子サイズを有している。マトリックス膜の内面には0.2〜0
.8%の鉄を持つジルコニウムから成る内張りが冶金によって結合されている。
析出物が小さなサイズであることによって特に小さなA値が必要とされ、この小
さなA値は保護膜の相応する合金において被覆管内面上に同様に二次析出物およ
び粒子の僅かな成長しか惹き起さず、それにより内面が、腐食に対して良好に保
護されると共に、Feの二次析出物のために過度の分散硬化を受けないので軟ら
かく保たれるからである。
していない。というのは、外面における二次析出物の僅かなサイズは一様な腐食
を加速させ、短い有効寿命の経過後に被覆管の交換を余儀なくさせるからである
。他方では、内張りは加圧水炉の従来の運転条件の場合にも必要とされない。と
いうのは、今までは内面から出発する損傷(応力腐食割れ)は観察されなかった
からである。さらに、加圧水炉の出力は、沸騰水炉においては通常に生じている
ようなランプ状に急速に変化しない。寧ろ、出力が緩慢に変化するという加圧水
炉の制御技術的な条件が必要であり、その場合制御装置には、被覆管が許容でき
ないほど荷重をかけられるべきではないことも考慮されている変化速度が予め設
定される。
ならない。崩壊の際には多数のガス状分裂生成物が生成されるので、燃料が膨張
し、これによって被覆管を拡大させる体積増大が生じる。被覆管は時間の経過と
共に(特に加圧水炉の高い圧力下で)圧縮され、燃料へ向かって徐々に収縮する
。低い原子炉出力の際に既に被覆管の内面に接触している燃料が、沸騰水炉にお
いては通常に生じる急速な出力増大によって急速に加熱されると、その熱膨張が
被覆管の付加的な荷重になる。構造的な観点において、この荷重は、少なくとも
燃料棒の上側端部にガス集合室が設けられ、被覆管と燃料ペレットとの間に隙間
が自由に残され、燃料要素が(例えばスペーサおよび場合によっては中間格子に
設けられている上述の流れ案内羽根によって)有効かつ急速に冷却される限りは
考慮に入れられる。加圧水炉の出力制御の際、この荷重は従来では重要視されて
いなかった。というのは、制御技術的には出力の変化速度を制限する方が確実で
あると見なされていたからである。
水炉のフレキシブルな運転を、特に原子炉に接続された需要家もしくはエネルギ
ー供給系統の必要なピークに対処するために加圧水炉の使用を可能にする燃料要
素を提供することにある。
強い変化速度を可能にするという認識に基づいている。これによって、燃料要素
が急激な負荷変化の際に発生する荷重を維持する場合、フレキシブルな運転が可
能になる。
ケルトンを用いる。案内管にはスペーサと燃料要素の頭部および燃料要素の脚部
とが固定される。スケルトン内には、それぞれ燃料ペレットから成る柱状体を気
密に包囲する被覆管が挿入される。少なくとも数個の被覆管はそれぞれ多層の壁
を有する。壁の中心部には、本発明により、強く合金化された第1のジルコニウ
ム合金から成る機械的に安定なマトリックスが設けられ、第1のジルコニウム合
金には弱く合金化された第2のジルコニウム合金から成る薄い保護膜が冶金によ
って結合される。この保護膜はマトリックスの燃料ペレット側の内面に設けられ
る。両ジルコニウム合金が、異なった標準化焼きなまし時間を持つ温度処理によ
って異なった平均サイズに成長する二次相の析出物を有すると好ましい。
れとは反対側で、加圧水を混合するための流れ案内羽根を担持している場合には
、燃料要素のこの構成が全負荷または部分負荷時での長時間運転の全ての水力学
的および冷却技術的な要求を満たすことに基づいている。特に被覆管が高圧力の
ガスを充填され、少なくとも上側端部にガス集合室(”プレナム“)を有し、被
覆管内面に対して環状隙間を有するペレットを挿入されている場合には、燃料棒
の構成もこの要求を満たす。
に記載されている特徴を有する場合に、このマトリックスが全負荷での長時間運
転に対しても充分な耐食性を有することも考慮に入れている。場合によっては、
マトリックスを囲んで被覆管の外面にも、上述のヨーロッパ特許第021235
1号、第0301295号または第0630514号明細書に記載されているよ
うな別の保護膜を結合できる。
.6重量%のFeと、0.3重量%までのCrと、残りとして場合によっては2
.0%までの酸素含有量を有する技術的に可能な純度のジルコニウムとから成る
)から成るこの種のマトリックスは、(2〜80)×10-18時間の標準化焼き
なまし時間Aで処理される場合には、最良に所望の特性を発揮する。
(場合によっては2,7%までの別の添加物、および残りとして場合によっては
2.0%までの酸素を含む技術的に可能な純度のジルコニウム)を有するジルコ
ニウム合金である。その際、別の添加物の量がニオブの量以下であると好ましい
。ニオブを含有するこのようなジルコニウム合金は著しく僅かな標準化焼きなま
し時間A、特に0.5×10-18h以下の標準化焼きなまし時間Aで処理される
場合には最も良好な特性を発揮する。
を保証し、被覆管が燃料へ向かって収縮するのを防止できるほど大きくはない。
この合金は、被覆管が長時間の有効寿命の経過中に燃料の体積成長により再び大
きくなることに耐えられる。この合金は、出力が最大値以下へ短時間で相当低下
し、直に再び最大値へ増大するような負荷変化にも耐えられる。
ければならない。このケースは、原子炉運転時に多数回の負荷変化が起り、その
後長時間に亘って、燃料が熱によって収縮しこれにより燃料への被覆管の新規な
収縮が起る部分負荷運転が行なわれる場合である。その後、原子炉が急速に再び
出力を増大させ、燃料が再び熱によって膨張する場合に、突然の荷重が生じる。
これは被覆管の特に高い延性を必要とするが、この延性は望ましくない急速な収
縮を助長させる。
負荷で運転されている状態から、制御要素の引出しによって出力を増大させる場
合、引出される制御要素に隣接する燃料ペレットが突然の熱的負荷を受ける。と
いうのは、そのペレットは今までは制御要素によって高い中性子束から保護され
ていたが、突然にその中性子束に曝されるようになったからである。それにより
、図4に示されているように最初は無傷の状態であるペレットが、図5に示され
ているように割れて構造変化を生ずる。その際、割れたペレットからは個々の破
片が移動し、被覆管の内面を局部的に押圧する。それにより、長い期間の経過後
に部分負荷は少なくとも局部的に燃料棒と燃料との間に密接した接触を生じさせ
(”条件の欠落“)、この接触は、燃料が熱によって突然の体積変化を起こすと
、被覆管内に相当の応力を生じる。
な出力増大のみが可能である。 しかしながら、本発明は、上述した応力を、マトリックスの内面に冶金によっ
て結合され弱く合金化されたジルコニウムから成る保護膜によって受け止めるこ
とを意図している。その場合、この保護膜が、0.2〜0.8重量%の鉄で合金
化された技術的に可能な純度のジルコニウムから構成されていると好ましい。通
常、この第2のジルコニウム合金は0.3重量%以上、好ましくは少なくとも0
.35%の鉄を含んでいる。好ましい最高値は0.5%、もしくは何れにしても
0.6%以下である。
の標準化焼きなまし時間に相当する平均サイズを有する場合には、最も良好な特
性を発揮する。
べたヨーロッパ特許第0726966号明細書により知られており、互いに挿入
された2つの管の共押出しによって製作された複合管素材から製造されるが、し
かしながらこの素材の継続処理によって、焼入れ後に両方の膜が高いA値を得る
(これは保護膜の作用を妨害する)か、又は低いA値を得る、すなわち外面が同
様に微細な二次析出物を有するようになる(これは沸騰水炉の要求に一致するが
、しかし加圧水炉にとっては有害である)。
分焼入れ“(Partial Quenching”)として知られている方法
によって作成できる。長い焼きなまし時間によって比較的大きな二次析出物を既
に有している被覆管の場合、内面は冷却材流によって低い温度に保持され、一方
外面は(例えば誘導によって)短時間で溶解温度へ上昇する。冷却すると外面に
は析出物が微細に分散する、すなわち結局は被覆管内に析出物に関する“冶金学
的勾配”が発生する。しかしながら、この“冶金学的勾配”によって、外面には
内面よりも著しく微細な二次析出物が出現する、すなわち両方の膜がニオブを含
まないZrFe合金から構成されている場合には沸騰水炉に適する分布のみが出
現するようになる。
成されている場合には少なくとも理論的には可能である。
ているZrNb製マトリックスを有する被覆管は、先ず両ジルコニウム合金が互
いに関係なく熱的に処理され、その場合その都度の溶体化処理が異なった標準化
焼きなまし時間Aで行なわれることによって製造できる。第1のジルコニウム合
金と少なくとも第2のジルコニウム合金とから多層の複合管が製造され、その壁
の中心部がマトリックスとしての第1のジルコニウム合金から成る厚い膜を含み
、その内面に第2のジルコニウム合金から成る保護膜が冶金によって結合される
。その後、両方の膜が溶体化処理を持たない実質的に同じ熱的条件下に置かれて
、この複合管が継続処理され、被覆管を完成させる。
、第1のジルコニウム合金が被覆管の完成までに要する標準化焼きなまし時間と
は少なくとも80%異なっている。第2のジルコニウム合金が複合管の製造前に
0.1×10-18h〜3×10-18hの標準化焼きなまし時間で処理されると好ま
しく、高々2×10-18h以下の標準化焼きなまし時間で処理されると有利であ
る。
製造前に保護膜のジルコニウム合金よりも短い標準化焼きなまし時間で処理され
ると好ましい。
、好ましくは2×10-18h以下の標準化焼きなまし時間)を有する類似の方法
は、1〜1.8%のSnと、0.2〜0.6%のFeと、0.3%までのCrと
(残り:技術的に可能な純度のジルコニウム)から成るジルコニウム合金がマト
リックスとして使用され、このマトリックスが複合管の製造前に(2〜80)×
10-18hの標準化焼きなまし時間で処理されねばならない場合にも適用できる
。
ルガー法)が必要であり、そのステップ間にその都度中間焼きなましが行なわれ
る。その際、この継続処理のために最大標準化焼きなまし時間(例えば3×10 -18 h)が守られる。2×10-18h以下の焼きなまし時間も製造技術的に可能で
ある。
第3のジルコニウム合金を第1のジルコニウム合金に冶金によって結合すること
もできる。
を概略的に示す。 図2は少なくとも数個のスペーサまたは中間格子に有利に設けられている案内
羽根を示す。 図3は加圧水炉の燃料棒の表面における標準化焼きなまし時間の腐食率とパラ
メータAとの関係を示す。 図4および図5は出力のランプ状の増大前および後における新しい燃料ペレッ
トの状態を示す。 図6は燃料棒の有利な内部を示す。 図7は優れた第1実施例による被覆管の断面を示す。 図8は2つの実施例においてマトリックスとして使用されている合金の相範囲
を示す。 図9は第1実施例の製造方法の概略図を示す。 図10は優れた第2実施例による被覆管の断面を示す。 図11は第2実施例の製造方法の概略図を示す。
よってそれぞれ気密に閉鎖され、上側端部には圧力に応動するばね12が設けら
れ、これによって少なくともこの上側端部に適当なプレナム13が維持されてい
る。燃料ペレット14の柱状体はその上端部および下端部にそれぞれ例えば酸化
アルミニウム又は天然ウラン又は濃縮ウランから構成された物体15を含んでい
る。この物体15は分裂可能な材料を実質的に含んでいない。被覆管はペレット
14と被覆管10との間の導電率を高めるために高圧力のガス(例えばヘリウム
)を充填されている。
いる。
れば、被覆管20は、厚みが被覆管壁の約75〜95%の大きさであるマトリッ
クス21から構成されている。このマトリックスには被覆管の内面において保護
膜22が冶金によって結合されている。さらに、外面にも同様に別の保護膜22
が取付けられていることが示されている。
る。括弧内に挙げられている値は、個々の合金成分の含有量に対する優れた狭い
限界値、もしくは不純物として技術的に可能な純度のジルコニウム(表1の”ス
ポンジ“参照)内に既に含まれ−酸素またはシリコンの場合のように−有利な下
限値に対して守られる合金成分の随伴元素に対する特に優れた限界値をそれぞれ
示す。
0.28±0.04%のFeと、0.16±0.03%のCrと、0.01±0
.002%のSiと、0.14±0.02%のOとを含んでいる。析出した二次
相のサイズは30×10-18hに相当する。
されており、析出サイズはA=1×10-18hによって決められる。
、マトリックスの場合にはジルコニウムと鉄およびクロムとの混合化合物から構
成され、その場合図8のIに、約820℃の温度までこの析出物の二次相γの他
にZrSnから成るα相が存在することが示されている。約820〜960℃の
範囲にはα相の他に同様にZrSnから成るβ相が存在し、その場合約840℃
(溶解温度)で金属間化合物のγ相が溶解し始める。960℃以上では溶解した
析出物を有するβ相のみが安定している。マトリックスが従ってβ範囲(960
℃以上の温度)まで加熱され、引続いて急速に冷却されると、先ずγ相の析出物
として鉄成分が微細分散にて分布している微粒子のα相が現れ、一方鉄の残りは
中程度に安定な過飽和としてα相内に結合して残されている。微細分散の析出物
は核を形成している。温度が高ければ高いほど、しかもマトリックス材料がα範
囲(820℃以下の温度)で別の温度処理を受ける期間が長ければ長いほど、こ
の核には過剰な鉄成分が急速かつ強く付着する。
nFeCrから成る第1のジルコニウム合金が合金成分を均質化するためのステ
ップ30aで数回真空下にて再溶解され、ステップ31aで管素材を加工するの
に適する形状に鍛造され、次のステップ32aでβ範囲の温度(960℃以上)
によって急速に冷却される(β焼入れ)。それに続いて別の鍛造(ステップ33
)が行なわれ、その場合遅くともステップ34中に第1の管素材Raが製造され
る。このステップ34には、この第1の管素材にパラメータA=30×10-18
hを設定するために、さらに別の焼きなましが続く。
e)がステップ30bで同様に再溶解され、ステップ31bでβ範囲(960℃
以上の温度)に加熱され、ステップ32bで急速に冷却される。このステップ中
に第2の管素材Rbが製造される。β焼入れ(ステップ32b)の後にこの場合
には実際上は別の加熱が続けられず、寧ろ形状が互いに整合する両方の管素材が
互いに挿入されて互いに溶接され、ステップ35で一緒に押出される。この共押
出しは実質的に析出物の成長には寄与せず、それゆえ生成された複合管ではマト
リックス材料が値A=30×10-18hを有し、第2のジルコニウム合金が実質
的に値A=0を有している。引続いて数回のピルガーステップ36が実施され、
そのステップの間に短時間の焼きなましが、冷間加工された材料を回復させ次の
ピルガーステップのために前処理するために、820℃より充分に低い温度で実
施される。最終焼きなまし37によって、複合管を加工して被覆管を完成させる
ためにパラメータAがA=1×10-18hに設定され、すなわちマトリックスの
第1のジルコニウム合金が値A=31×10-18hを有し、保護膜の第2のジル
コニウム合金が値A=1×10-18hを有するようになる。
その場合5×10-18h以上の値が有利である。60×10-18h以上の値は不必
要と思われる高い温度での長い焼きなまし時間を要することを意味している。ス
テップ35〜37に対しては一般的に2×10-18h以下の値Aが守られる。マ
トリックスの完成したジルコニウム合金に対しては従って値A=(5〜60)×
10-18hが有利であり、一方保護膜の第2のジルコニウム合金に対しては値A
=(1〜3)×10-18hが守られねばならない。
.14±0.02%のOと、残り(技術的に可能な純度のジルコニウム)との組
成を有するマトリックスから構成され、その場合表2においてIIにて類似の組
成の成分に対する優れた限界値が示されている。
定なα相を示していることが分かる。このα相では、ニオブの約半分が溶解し、
一方その残りはニオブの安定なβ相として析出する。580℃で混合相α+βが
出現し、この混合相では実質的に全てのニオブが溶解し、一方960℃以上の温
度ではニオブが完全に溶解したジルコニウムのβ相のみが存在する。
第1実施例と同じZrFe合金から構成されている。
しかしながら、この場合には、マトリックスの第1のジルコニウム合金ZrNb
が真空下での数回の再溶解(ステップ50a)およびβ範囲(960℃以上の温
度)での鍛造の後に焼入れされ(ステップ52a)、その場合β焼入れ(ステッ
プ52a)に続いて重要なパラメータ値Aを持つ温度処理を行なうことなく、マ
トリックス材料から成る第1の管素材Rcが製造される。このようなステップは
保護膜の第2のジルコニウム合金に対しても用いられ、真空中での数回の再溶解
(ステップ50b)およびβ範囲(ステップ51b)での鍛造でβ焼入れ(ステ
ップ52b)が約600℃以下、特に580℃以下(α範囲)の温度での焼きな
ましによって除かれる。この場合、第1の管素材Rcの内部にぴったり入れられ
る第2の管素材Rdが製造される。ステップ51a、52aで製造された第1の
管素材Rcに対しては実質的にパラメータ値A=0が挙げられ、一方ステップ5
1b、52b、53において第2の管素材Rdは2×10-18h以下のパラメー
タ値で製造される。この実施例においてステップ53ではA=1×10-18hに
設定されている。
数回のピルガーステップにて被覆管の最終寸法にもたらされ(ステップ55)(
なお、各ピルガーステップの間に回復焼きなましが行なわれる)、最終焼きなま
し56が行なわれる。ステップ54〜56において0.5×10-18h以下のA
が守られ、その場合0.1×10-18h以下の値Aも可能である(ここでA=0
.9×10-18h)。
も0.3×10-18h以下のA)と同様に、ステップ50a〜52aで、完成し
た被覆管においてマトリックス41の第1のジルコニウム合金に対しては0.1
×10-18h以下の値Aが、第2のジルコニウム合金に対しては値A=(0.1
〜3)×10-18h、好ましくは(0.2〜1.5)×10-18hが生じる。
る柱状体と高圧力のガスとを充填され、端部蓋によって気密に閉鎖され、上述し
たスケルトン内へ挿入される。被覆管は加圧水炉内で長い有効寿命を可能にする
高い燃焼(バーンアップ)を有する。加圧水炉の運転時に、出力制御時の許容可
能な変化速度がほぼ燃料物理学と原子炉物理学とによって与えられた時定数に合
わせられることが必要である。その場合には、長時間の部分負荷運転後に原子炉
出力の増大時に被覆管に生じる材料損傷を僅かに考えに入れる必要があるだけで
ある。
との関係を示す図
図
Claims (27)
- 【請求項1】 制御棒の案内管から成る側方を開口したスケルトンと、この
スケルトン内に挿入されそれぞれ燃料ペレットから成る柱状体を充填された気密
な被覆管とを備え、案内管にはスペーサと燃料要素の頭部および燃料要素の脚部
とが固定され、少なくとも数個の被覆管はそれぞれ多層の壁を、 a)壁の中心部に、強く合金化された第1のジルコニウム合金から成る機械的
に安定なマトリックスが設けられ、第1のジルコニウム合金には弱く合金化され
た第2のジルコニウム合金から成る薄い保護膜が冶金によって結合されており、 b)保護膜がマトリックスの燃料ペレット側の内面に設けられる、 ことによって有する加圧水炉用の燃料要素。 - 【請求項2】 両ジルコニウム合金が、異なった標準化焼きなまし時間を持
つ温度処理によって異なった平均サイズに成長する二次相の析出物を有すること
を特徴とする請求項1記載の燃料要素。 - 【請求項3】 第2のジルコニウム合金が0.2重量%、好ましくは少なく
とも0.30重量%、0.8重量%まで、好ましくは高々0.6重量%の鉄と、
残りとして技術的に可能な純度のジルコニウムとを含むことを特徴とする請求項
1又は2記載の燃料要素。 - 【請求項4】 第2のジルコニウム合金の鉄含有量が0.40±0.04重
量%であることを特徴とする請求項3記載の燃料要素。 - 【請求項5】 第2のジルコニウム合金が、(約0.1〜3)×10-18h
の標準化焼きなまし時間に相当するサイズを持つ二次相の析出物を有することを
特徴とする請求項1乃至4の1つに記載の燃料要素。 - 【請求項6】 第1のジルコニウム合金が、1.0(好ましくは少なくとも
1.2)〜1.8(好ましくは最大1.5)%のSnと、0.2(好ましくは少
なくとも0.24)〜0.6(好ましくは最大0.5)%のFeと、0.3%ま
で(好ましくは少なくとも0.10%〜最大0.25%)のCrと、残りとして
技術的に可能な純度のジルコニウムとを含むことを特徴とする請求項1乃至5の
1つに記載の燃料要素。 - 【請求項7】 第1のジルコニウム合金内に、1.3±0.1%のSnと、
0.28±0.04%のFeと、0.16±0.03%のCrと、0.01±0
.002%のSiと、0.14±0.02%のOとが存在していることを特徴と
する請求項6記載の燃料要素。 - 【請求項8】 第1のジルコニウム合金が、第2のジルコニウム合金におけ
る析出物のサイズに相当する焼きなまし時間よりも大きい標準化焼きなまし時間
に相当するサイズを持つ二次相の析出物を有することを特徴とする請求項1乃至
7の1つに記載の燃料要素。 - 【請求項9】 第1のジルコニウム合金における析出物のサイズが(2〜8
0)×10-18h、好ましくは(30±10)×10-18hの標準化焼きなまし時
間に相当していることを特徴とする請求項8記載の燃料要素。 - 【請求項10】 第1のジルコニウム合金が、0.8〜2.8%のニオブと
、技術的に可能な純度のジルコニウムと、場合によっては最大2.7%の別の添
加物とから構成されていることを特徴とする請求項1乃至5の1つに記載の燃料
要素。 - 【請求項11】 第1のジルコニウム合金における別の添加物の量がニオブ
の量より少ないことを特徴とする請求項10記載の燃料要素。 - 【請求項12】 第1のジルコニウム合金において1.0±0.2%のニオ
ブと、0.14±0.02%の酸素と、残りとして技術的に可能な純度のジルコ
ニウムとが存在することを特徴とする請求項11記載の燃料要素。 - 【請求項13】 第1のジルコニウム合金が、第2のジルコニウム合金に比
較して少ない(好ましくは少なくとも80%少ない)標準化焼きなまし時間に相
当するサイズを持つ二次相の析出物を有することを特徴とする請求項10乃至1
2の1つに記載の燃料要素。 - 【請求項14】 燃料要素の上側部分において少なくともスペーサが加圧水
の流れとは反対側で、加圧水を混合するための流れ案内羽根を担持していること
を特徴とする請求項1乃至13の1つに記載の燃料要素。 - 【請求項15】 被覆管が高圧力のガスを充填され、少なくとも上側端部に
プレナムを有していることを特徴とする請求項1乃至14の1つに記載の燃料要
素。 - 【請求項16】 燃料ペレットから成る柱状体の端部が、分裂可能な材料を
実質的に含まない物体を担持していることを特徴とする請求項15記載の燃料要
素。 - 【請求項17】 壁の外面には、第3のジルコニウム合金から成りマトリッ
クスよりも薄い別の保護膜が冶金によって結合されていることを特徴とする請求
項1乃至5の1つに記載の燃料要素。 - 【請求項18】 a)第1および第2のジルコニウム合金が互いに関係なく
熱的に異なって処理され、その場合その都度の溶体化処理が異なった標準化焼き
なまし時間で行なわれ、 b)第1のジルコニウム合金と少なくとも第2のジルコニウム合金とから多層
の複合管が製造され、その壁の中心部がマトリックスとしての第1のジルコニウ
ム合金から成る厚い膜を含み、その内面に第2のジルコニウム合金から成る保護
膜が冶金によって結合され、 c)両方の膜が溶体化処理を持たない実質的に同じ熱的条件下に置かれて、複
合管が継続処理され被覆管を完成させる、 加圧水炉の燃料棒用の被覆管の製造方法。 - 【請求項19】 第2のジルコニウム合金の標準化焼きなまし時間が、被覆
管の完成まで、第1のジルコニウム合金が持つ標準化焼きなまし時間とは少なく
とも80%異なっていることを特徴とする請求項18記載の方法。 - 【請求項20】 第2のジルコニウム合金が複合管の製造前に(0.1〜3
)×10-18h、好ましくは(約1±0.5)×10-18hの標準化焼きなまし時
間を持つことを特徴とする請求項18又は19記載の方法。 - 【請求項21】 第2のジルコニウム合金が、0.2(好ましくは少なくと
も0.3)〜0.8(好ましくは最大0.5)重量%の鉄と、残りとして技術的
に可能な純度のジルコニウムとを含み、複合管の製造前に高々2×10-18h以
下の標準化焼きなまし時間で処理されることを特徴とする請求項18乃至20の
1つに記載の方法。 - 【請求項22】 第2のジルコニウム合金が0.40±0.04重量%の鉄
を含んでいることを特徴とする請求項18乃至21の1つに記載の方法。 - 【請求項23】 第1のジルコニウム合金が技術的に可能な純度のジルコニ
ウムと0.8〜2.8%のニオブとを含み、複合管の製造前に第2のジルコニウ
ム合金の標準化焼きなまし時間より短い標準化焼きなまし時間で処理されること
を特徴とする請求項18乃至22の1つに記載の方法。 - 【請求項24】 第1のジルコニウム合金がニオブ、好ましくは0.8〜1
.3重量%のニオブと、最大0.2%の酸素を有する技術的に可能な純度のジル
コニウムとから構成され、複合管の製造前に高々0.5×10-18h以下の標準
化焼きなまし時間で処理されることを特徴とする請求項23記載の方法。 - 【請求項25】 第1のジルコニウム合金が1〜1.8重量%のSnと、0
.2〜0.6重量%のFeと、0.3重量%までのCrと、残りとして技術的に
可能な純度のジルコニウムとを含み、複合管の製造前に(2〜80)×10-18
hの標準化焼きなまし時間で処理されることを特徴とする請求項18乃至22の
1つに記載の方法。 - 【請求項26】 複合管が、3×10-18h以下、好ましくは2×10-18h
以下の標準化焼きなまし時間で継続処理され、被覆管を完成させることを特徴と
する請求項18乃至25の1つに記載の方法。 - 【請求項27】 複合管を製造する際、第3のジルコニウム合金が冶金によ
って第1のジルコニウム合金に結合されることを特徴とする請求項18乃至26
の1つに記載の方法。
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