JP2522627B2 - 燃料被覆管 - Google Patents
燃料被覆管Info
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- 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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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
して達成することができる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
する。
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。
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。
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。
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。
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。
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
m3、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。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
容ひずみの比較図である。
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)
- 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4341857A JP2522627B2 (ja) | 1992-12-22 | 1992-12-22 | 燃料被覆管 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4341857A JP2522627B2 (ja) | 1992-12-22 | 1992-12-22 | 燃料被覆管 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06186365A JPH06186365A (ja) | 1994-07-08 |
JP2522627B2 true JP2522627B2 (ja) | 1996-08-07 |
Family
ID=18349288
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4341857A Expired - Lifetime JP2522627B2 (ja) | 1992-12-22 | 1992-12-22 | 燃料被覆管 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2522627B2 (ja) |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2633531B2 (ja) * | 1986-03-31 | 1997-07-23 | 株式会社東芝 | 核燃料複合被覆管 |
-
1992
- 1992-12-22 JP JP4341857A patent/JP2522627B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH06186365A (ja) | 1994-07-08 |
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