JP2522627B2 - 燃料被覆管 - Google Patents

燃料被覆管

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JP2522627B2 JP4341857A JP34185792A JP2522627B2 JP 2522627 B2 JP2522627 B2 JP 2522627B2 JP 4341857 A JP4341857 A JP 4341857A JP 34185792 A JP34185792 A JP 34185792A JP 2522627 B2 JP2522627 B2 JP 2522627B2
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zirconium
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雅文 中司
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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)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料被覆管に係り、特に
ジルコニウム合金からなる燃料被覆管母材の内表面にジ
ルコニウム層を張設したジルコニウムライナ付き燃料被
覆管に関する。
【0002】
【従来の技術】軽水炉用核燃料要素は、酸化物系核燃料
ペレットをジルコニウム合金製核燃料被覆管内に積層収
納し、上端にはガス溜用プレナム部、及び核燃料ペレッ
トを安定に支持するためのプレナムスプリングを有し、
両端開口部を上部及び下部の各端栓で、それぞれ密封溶
接した構造となっている。
【0003】燃料被覆管内の核燃料ペレットは、燃焼に
より放射性核分裂生成物を放出するので、放射性核分裂
生成物が燃料被覆管から多量に漏洩する場合には、冷却
材中の放射能レベルが増加する。このような漏洩は好ま
しいことではないので、漏洩の阻止機能を備えた燃料被
覆管が要求されている。
【0004】現在までの運転経験から、燃料の燃焼度が
高くなり、出力が急上昇した場合は、核燃料ペレットが
熱膨張することによって燃料被覆管に引張り応力が発生
し、両者の化学的相互作用によって燃料被覆管に応力腐
食割れの発生する可能性が考えられることがわかってい
る。
【0005】この問題に関連する従来技術としては、特
開昭50−111496号公報に、ジルカロイからなる
燃料被覆管の半径方向座標軸、及びこの半径方向座標軸
に直交する円周方向座標軸を含む平面内で、ジルコニウ
ムの底面への垂直方向(最密六方晶のc軸方向)を、燃
料被覆管の半径方向座標軸に対して約5度から約18度
までの範囲内に最も集中させるという品質管理下で製造
した燃料被覆管が開示されている。
【0006】また、燃料被覆管の応力腐食割れを防止す
るために、燃料被覆管の内表面に各種の金属を張設する
ことが開示されている。例えば、米国特許第35025
49号明細書、米国特許3625821号明細書、特開
昭51−69792号公報、特開昭51−69795号
公報、特開昭51−69796号公報及び特開昭51−
71497号公報には、張設する金属として、Mo,
W,Nb,Cr,Ni,Fe,Mg,Cu,Zr,Al
又はNi−Cr合金が開示され、燃料被覆管の内表面
に、Al化コーティング及びSi化コーティングを施す
ことが開示されている。
【0007】また、特開昭55−164396号公報
に、ジルカロイ合金製核燃料被覆管の内表面に厚さ80
〜100μmの高純度ジルコニウムライナ層を障壁とし
て冶金的に結合させたジルコニウムライナ付き燃料被覆
管が開示されている。このジルコニウムライナ付き燃料
被覆管は実用化されており、ジルコニウムライナ層によ
り燃料被覆間のジルカロイと核分裂生成物との間の化学
反応と燃料被覆管への過大な加負荷とが防止され、燃料
被覆間の応力腐食割れを抑制する効果が期待されてい
る。なお、ジルコニウムはその純度により、スポンジジ
ルコニウムとクリスタルバージルコニウムがあり、文献
(小久保定次郎著「原子炉用材料」pp41−44;昭
和52年第2刷発行)などに周知である。前者の場合
は、不純物となる鉄の濃度は約300−800ppm、
後者の場合の鉄の濃度は約200ppmである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記の結晶方位調整ジ
ルカロイ燃料被覆管、及びライナに高純度のジルコニウ
ムを使用していないジルコニウムライナ付き燃料被覆管
においては、過度な出力上昇を経験した場合には燃料被
覆管に微細な貫通亀裂が発生し、冷却材が燃料被覆管内
に浸入する可能性を有している。
【0009】本発明は、以上の事情に鑑みてなされたも
のであり、腐食性核分裂生成物の存在する雰囲気下にお
いて、核燃料ペレットとの機械的な相互作用により燃料
被覆管に応力が発生する場合に、障壁となるライナを低
廉な材料によって製造しても、燃料被覆管に応力腐食割
れの起こる確率が著しく低く、破損確率が低く信頼性に
富んだ燃料被覆管を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的は、次のように
して達成することができる。
【0011】ジルコニウム合金からなる燃料被覆管母材
の内表面にジルコニウム層を張設したジルコニウムライ
ナ付き燃料被覆管の内部に核燃料ペレットを収納し、ジ
ルコニウムライナ付き燃料被覆管の両端にそれぞれ端栓
を溶接してある核燃料要素の燃料被覆管において、ジル
コニウムライナ層を構成する材料の結晶のfr値〔燃料
被覆管の半径方向と平行に並んだc軸の相対割合〕が、
ジルコニウムライナ付き燃料被覆管の半径方向におい
て、0.65以上となっていること。
【0012】
【作用】本発明者は、まず、本発明のための資料を確保
するために、ジルコニウムライナ付き燃料被覆管の原子
炉内での性能、及び金属的な特性について検討した。こ
の結果、次のことが明らかになった。
【0013】(1)核燃料ペレットから放出された放射
性核分裂生成物は、燃料被覆管を腐食させる性質を持
ち、燃料の燃焼度が高くなり、出力が急上昇した場合
は、燃料被覆管と核分裂生成物との間で化学反応が起こ
るとともに、核燃料ペレットが熱膨張することによって
燃料被覆管に引張り応力が発生し、両者の相互作用によ
って燃料被覆管に応力腐食割れが起こる。
【0014】(2)ジルカロイ被覆管にジルコニウムを
張設したジルコニウムライナ付き燃料被覆管を用いた場
合には、上記の応力腐食割れ現象の発生確率が大幅に低
下する。
【0015】(3)同一の製造方法で製作したジルコニ
ウムライナ付き燃料被覆管では、ライナ材の純度が高い
ほど破損確率が低下する。
【0016】(4)更に、同一純度のジルコニウムライ
ナ材からなるジルコニウムライナ付き燃料被覆管におい
ても、ジルコニウムライナ部の結晶のc軸が燃料被覆管
の半径方向に集中するように加工するほど破損確率が低
減する。
【0017】すなわち、製造が容易で低コストである低
純度のジルコニウムをライナ材として用いても、結晶の
c軸を燃料被覆管の半径方向に集中するように加工する
ことによって、高純度ジルコニウムライナ付き燃料被覆
管と同等の性能を示す燃料被覆管を得ることが可能であ
る。
【0018】本発明では、上記の知見を基にして、スポ
ンジジルコニウムと呼ばれる低純度の材料でライナを構
成し、かつ、該材料によるジルコニウムの結晶のc軸が
燃料被覆管の半径方向に集中するように、燃料被覆管の
引き抜き加工を行ったので、応力腐食割れの起こる確率
が著しく低く、破損確率の低い信頼性に富んだ燃料被覆
管を得ることができた。
【0019】すなわち、ジルコニウムライナを構成する
α−ジルコニウムの結晶のc軸について、燃料被覆管の
半径方向への集中の程度を表すパラメータfr値[fr
値は燃料被覆管の半径方向と平行に並んだc軸の相対割
合と定義された値で、0≦fr≦1であり、c軸の方向
が無秩序のときは、fr=1/3になる。〔J.J.K
earns,WAPD−TM−472(1965)参
照〕]が、0.65以上になるように加工し、上記の効
果を得た。
【0020】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。
【0021】図1は本発明の一実施例の核燃料要素の縦
断面図であり、1は核燃料要素、2は燃料被覆管であ
り、本実施例ではジルカロイ−2と呼ばれる、Snを
1.51%、Feを0.14%、Crを0.1%、Ni
を0.05%を含有するジルコニウム合金から構成され
ている。3は端栓であり、本実施例ではジルカロイ−2
を用いている。4は燃料被覆管に一体的に張設したジル
コニウムライナであり、本実施例では、低純度ジルコニ
ウム(スポンジジルコニウム)を用いており、主な不純
物としてFeを600ppm、酸素を500ppmを含
んでいる。そのほか、燃料被覆管2内に積層収納された
核燃料ペレット5、及び核燃料ペレット5を安定に支持
するためのスプリング6を有している。
【0022】上記の燃料被覆管2の製造方法は、ジルコ
ニウムライナ付き燃料被覆管の製造に関する公知の技術
と同様であり、ジルカロイ−2のインゴットを厚肉円筒
状に成形加工し、これとは別に、Feを600ppm、
酸素を500ppmを含むジルコニウムインゴットの芯
部を機械加工によってえぐった後、上記のジルカロイ−
2からなる厚肉円筒の内側に挿入し、熱間押し出しによ
り、両者を一体化する。
【0023】その後、ピルガー圧延機と称される圧延機
による冷間圧延と焼鈍とを組み合わせながら外径12.
2mm、肉厚0.86mmの燃料被覆管2に仕上げる。
この場合、ジルコニウムライナ4の厚さは0.09mm
である。
【0024】本発明では、燃料被覆管2の製造時の仕様
として、ジルコニウムライナ4の結晶方位を表すfr値
を、0.65以上になるように管理した。
【0025】本実施例の効果を検討するために、純度に
差がある下記の2種類のジルコニウム、すなわち、スポ
ンジジルコニウムと呼ばれる比較的廉価な低純度ジルコ
ニウム(鉄濃度、酸素濃度が、それぞれ約500pp
m、500ppm)、及びそれとの比較用にクリスタル
バージルコニウムと呼ばれる高純度ジルコニウムを準備
し、内表面近傍のfr値を、約0.5から約0.7まで
変化させた肉厚0.86mm、外径12.26の円筒を
製作し、ジルコニウムライナ付き燃料被覆管を模擬した
模擬ジルコニウムライナ付き燃料被覆管を取り揃えた。
【0026】次に、原子炉内で燃料被覆管に作用する腐
食性雰囲気と荷重とを模擬するために、模擬ジルコニウ
ムライナ付き燃料被覆管内に中空の核燃料ペレットを挿
入するとともに、核燃料ペレットの中空部に円柱状の純
アルミニウム棒を充填し、ヨウ素濃度約1mg/c
3、温度350℃の雰囲気下で上記の純アルミニウム
棒を長手方向に圧縮し、中空の核燃料ペレットを半径方
向に膨張させることにより、原子炉内の燃料被覆管に発
生する円周方向応力を模擬した。
【0027】そして、燃料被覆管の破損に至るまで燃料
被覆管に許容される平均ひずみを、低純度ジルコニウム
(スポンジジルコニウム)ライナ付き模擬燃料被覆管と
高純度ジルコニウム(クリスタルバージルコニウム)ラ
イナ付き模擬燃料被覆管とを比較したものが図2であ
る。
【0028】図2において、横軸はfr値、縦軸は許容
ひずみ比であり、図2中の四角印は高純度ジルコニウム
ライナ付き模擬燃料被覆管7、図2中の丸印は低純度ジ
ルコニウムライナ付き模擬燃料被覆管8を示してある。
【0029】図2により、高純度ジルコニウムライナ付
き模擬燃料被覆管7のほうが許容ひずみが大きいが、f
r値が増加しても許容ひずみの増加は少ないのに対し
て、低純度ジルコニウムライナ付き模擬燃料被覆管8で
は、fr値の増加とともに許容ひずみも増加し、fr値
が0.65に達した場合は、高純度ジルコニウム付き模
擬燃料被覆管7と同等の許容ひずみになる。
【0030】本実施例では、上記の基礎資料を基に、比
較的廉価なスポンジジルコニウムライナ付き燃料被覆管
を、fr値が0.65以上になるように製造して、高純
度ジルコニウムライナ付き燃料被覆管と比較し、同等の
性能を有することを確認した。
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、燃料被覆管のライナに
スポンジジルコニウムと呼ばれる廉価な材料を使用して
も、燃料被覆管に応力腐食割れが起こし難く、信頼性に
富んだ核燃料要素を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の核燃料要素の縦断面図であ
る。
【図2】模擬試験による本発明と従来の燃料被覆管の許
容ひずみの比較図である。
【符号の説明】 1…核燃料要素、2…燃料被覆管、3…端栓、4…ジル
コニウムライナ、5…核燃料ペレット、6…スプリン
グ、7…高純度ジルコニウムライナ付き模擬燃料被覆
管、8…低純度ジルコニウムライナ付き模擬燃料被覆
管。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ジルコニウム合金からなる燃料被覆管母
    材の内表面にジルコニウム層を張設したジルコニウムラ
    イナ付き燃料被覆管の内部に核燃料ペレットを収納し、
    前記ジルコニウムライナ付き燃料被覆管の両端にそれぞ
    れ端栓を溶接してある核燃料要素の燃料被覆管におい
    て、前記ジルコニウムライナ層を構成する材料が不純物
    濃度の高いスポンジジルコニウムからなり、かつ該材料
    の結晶のfr値(核燃料被覆管の半径方向と平行に並ん
    だc軸の相対割合)が、前記ジルコニウムライナ付き燃
    料被覆管の半径方向において、0.65以上となってい
    ることを特徴とする燃料被覆管。
  2. 【請求項2】 前記不純物濃度は、主な不純物である鉄
    の含有濃度を約600重量ppmまたはそれ以上とする
    請求項1記載の燃料被覆管
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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