JP2750865B2 - 原子炉燃料要素用燃料棒 - Google Patents

原子炉燃料要素用燃料棒

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    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、合金成分として錫1.2〜２重量％、鉄0.07
〜0.2重量％、クロム0.05〜0.15重量％、ニッケル0.03
〜0.08重量％、酸素0.07〜0.15重量％を有しまた合金成
分である鉄、クロム及びニッケルの総重量％が0.18〜0.
38重量％であるか、又は合金成分として錫1.2〜２重量
％、鉄0.18〜0.24重量％、クロム0.07〜0.13重量％、酸
素0.10〜0.16重量％を有しまた合金成分である鉄及びク
ロムの総重量％が0.28〜0.37重量％である第１のジルコ
ニウム合金からなり被覆管内にある核燃料物質を有する
加圧水形原子炉燃料要素用燃料棒に関する。
〔従来の技術〕
この種の燃料棒はすでに常用されている。この燃料棒
は原子炉燃料要素の骨格中に組み込まれている。この原
子炉燃料要素は最終的には軽水で冷却される加圧水形原
子炉内に装入される。この原子炉内で被覆管のジルコニ
ウム合金は熱中性子に対して極めて僅かな捕獲断面積を
有する。
燃料棒の被覆管の外面には原子炉内での運転中に腐食
が生じ、これが原子炉内での原子炉燃料要素の使用可能
性を時間的に限定する。通常の耐用期間は３〜４年であ
る。
欧州特許出願公開第0212351号明細書から、先に記載
した種類の燃料棒の被覆管の外面に合金成分として鉄及
び／又はバナジウム、白金及び銅を有するジルコニウム
合金からなる表面層を存在させることによってこの種の
原子炉燃料要素の使用可能性を改良し、また原子炉内で
のその耐用期間を延長させることはすでに知られてい
る。
この種の被覆管は、内管と、その上に被覆管の表面層
用のバナジウム含有ジルコニウム合金からなる外管とを
有する管粗材を押圧成形することにより得られる管状の
プレス加工品を、ピルガー圧延することによって製造さ
れる。
この管粗材は、バナジウム含有ジルコニウム合金から
なる外管に亀裂が生じないように、ピルガー圧延毎に僅
かな変形が生じるに過ぎないように、すなわち徐々にピ
ルガー圧延しなければならない。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明の課題は、被覆管の完成、従ってまた燃料棒の
完成をピルガー圧延の促進により経済的に達成すること
にある。
〔課題を解決するための手段〕
この課題を解決するために冒頭に記載した形式の燃料
棒において本発明によれば、被覆管がその外面に第２の
ジルコニウム合金からなる表面層を有し、この表面層が
被覆管の全壁厚の５〜20％の層厚を有し、また鉄、クロ
ム、ニッケル及び錫の群から選択される合金成分の少な
くとも１種を総重量％で0.4〜１重量％又は他の合金成
分としてのニオブを0.2〜３重量％，残りは通常のジル
コニウム合金有するようにする。
〔作用効果〕
本発明は、燃料棒の被覆管の外面に存在する表面層を
構成するジルコニウム合金が公知の燃料棒の場合のよう
に被覆管の残部を構成しているジルコニウム合金よりも
はるかに耐食性であるという認識に基づく。またこの被
覆管はクリープ強さが顕著である。更に原子炉内での熱
中性子の吸収損は被覆管の表面層中の合金成分によって
極く僅かである。それにもかかわらずこのジルコニウム
合金は管粗材のピルガー圧延処理で亀裂することなく著
しく変形することができ、従ってピルガー圧延には極く
僅かな時間が必要とされるにすぎない。
請求項２は、燃料棒の被覆管のクリープ強さを更に高
めることのできる、燃料棒の有利な実施態様に関する。
主としてジルコニウム−ニオブ−合金からなる被覆管
を有する燃料棒は公知である。しかしこの種の被覆管は
原子炉内でそこに存在する条件下にまったく著しいクリ
ープ現象を起こす。すなわち原子炉中で冷却剤の圧力に
より核燃料物質が加圧されることから、その外径は収縮
し、燃料棒自体は原子炉燃料要素の骨格に属する間隔保
持材内にもはやばねで押圧保持されず、従って揺動し、
損傷する可能性がある。
〔実施例〕
原子炉内での実験によれば、合金成分としてニオブ2.
5重量％を有するか又は合金成分として錫0.25重量％、
鉄0.5重量％及びクロム0.05重量％を有するジルコニウ
ム合金からなるテスト管の水中での腐食速度は、商品名
ジルカロイ（Zircaloy）４を有するジルコニウム合金
（これはジルコニウムの外に他の合金成分として錫1.2
〜1.7重量％、鉄0.18〜0.24重量％、クロム0.07〜0.13
重量％及び酸素0.1〜0.16重量％を含み、合金成分であ
る鉄及びクロムの重量％の合計は0.28〜0.37重量％であ
る）からなる比較管の同じ条件下における腐食速度の約
1/3にすぎないことを示した。本発明による燃料棒を有
する原子炉燃料要素の原子炉内での耐用期間は、その被
覆管が例えばその外面もジルカロイ４からなる燃料棒を
有する原子炉燃料要素の耐用期間よりも少なくとも１年
も長い可能性がある。
鉄0.5重量％及びバナジウム0.25重量％を有するジル
コニウム−バナジウム−鉄合金からなる管は約40％の冷
却変形を伴う唯一のピルガー圧延ですでに亀裂し始める
が、この亀裂はニオブ2.5重量％を有するジルコニウム
−ニオブ合金又は錫0.25重量％、鉄0.5重量％及びクロ
ム0.05重量％を有するジルコニウム−錫−鉄−クロム合
金からなる同じ寸法の管の場合、80％以上の冷却変形を
伴う唯一のピルガー圧延で初めて生じる。
本発明による燃料棒用被覆管を製造するには有利に
は、例えばジルカロイ４からなる内管とこの内管上に載
せられたジルコニウム−ニオブ合金からなるか、又はジ
ルコニウム−錫−鉄−クロム合金からなる外管とを有す
る管粗材から出発する。双方の管は真空中で両端を互い
に溶接され、従って双方の間にはガスは存在しない。こ
の管粗材を650℃〜850℃の温度に加熱し、次いで押出成
形する〔例えば「製鉄所、製鉄工用ポケットブック（Ｈ
tte,Teschenbuch fr Eisenhttenleute）、「アイ
ゼンヒュッテ」（Eisenhtte）、1961年、第1083頁参
照〕、同時押出法により双方のジルコニウム合金間に固
い冶金学上の結合が生じる。
引続き管状のプレス加工品をピルガー圧延することに
よって、例えば直径10.7mm及び壁厚0.72mmを有する燃料
棒用の最終的被覆管が得られる。ニオブを含有するか又
は錫−鉄−クロムを含有するジルコニウム合金からなる
表面層はこの被覆管の全外面を覆い、例えば0.1mmの厚
さを有していてもよい。ピルガーミルは例えば米国特許
第4233834号明細書に記載されている。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フリードリツヒ、ガルツアロリ ドイツ連邦共和国ヘヒシユタツトアイシ ユ、ベーマーワルトシユトラーセ12 (56)参考文献 特開 昭62−35287（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−46484（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−43450（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】合金成分として錫1.2重量％、鉄0.07〜0.2
    重量％、クロム0.05〜0.15重量％、ニッケル0.03〜0.08
    重量％、酸素0.07〜0.15重量％を有しまた合金成分であ
    る鉄、クロム及びニッケルの総重量％が0.18〜0.38重量
    ％であるか、又は合金成分として錫1.2〜２重量％、鉄
    0.18〜0.24重量％、クロム0.07〜0.13重量％、酸素0.10
    〜0.16重量％を有しまた合金成分である鉄及びクロムの
    総重量％が0.28〜0.37重量％である第１のジルコニウム
    合金からなり被覆管内にある核燃料物質を有する加圧水
    形原子炉燃料要素用燃料棒において、被覆管がその外面
    に第２のジルコニウム合金からなる表面層を有し、この
    表面層が被覆管の全壁厚の５〜20％の層厚を有し、また
    鉄、クロム、ニッケル及び錫の群から選択される合金成
    分の少なくとも１種を総重量％で0.4〜１重量％又は他
    の合金成分としてニオブを0.2〜３重量％、残りは通常
    のジルコニウム合金を有していることを特徴とする加圧
    水形原子炉燃料要素用燃料棒。
  2. 【請求項２】第１ジルコニウム合金中の合金成分である
    錫が1.5〜２重量％であることを特徴とする請求項１記
    載の燃料棒。
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