JP3501106B2

JP3501106B2 - 軽水炉用燃料集合体とそれに用いられる部品及び合金並びに製造法

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Publication number: JP3501106B2
Application number: JP2000171982A
Authority: JP
Inventors: 清美中村; 正寿稲垣; 祥子谷越; 英夫牧; 素行橋本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-03-18
Filing date: 2000-06-05
Publication date: 2004-03-02
Anticipated expiration: 2019-03-02
Also published as: JP2001027683A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料にＰｕ²³⁹ を含
有する軽水炉炉心で使用される軽水炉用燃料集合体，集
合体部材及びその合金部材の製造法に関する。また水対
ウラン燃料体積比が１.５以下であり、Ｕ²³⁸からＰｕ
²³⁹への転換比が高い炉心で使用される燃料集合体，集
合体部材及びその合金部材の製造法に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子力発電に使用される燃料集合体部材
には、軽水炉ではジルコニウム合金が使用され、高速増
殖炉ではステンレス鋼が使用される。高転換炉は、軽水
炉から高速増殖炉への橋渡し的役割を有する炉型であ
り、その特徴は天然ウラン中に含まれる非核分裂性Ｕ
²³⁸を効率よく核分裂性Ｐｕ²³⁹に転換し、発電に利用す
ることにある。従来の軽水炉では利用できなかった非核
分裂性Ｕ²³⁸ を利用できる結果、ウラン資源の有効活性
ができる。さらに、蓄積されたＰｕ²³⁹ は高速増殖炉の
燃料，高転換炉及び一般増水炉用燃料として有効活用で
きる。

【０００３】従来の軽水炉並びに高転換炉において、運
転サイクルの長期化，燃料の高燃焼度化により使用済燃
料の非出量の低減を図ると、発電コストの低減等の経済
的メリットがある。運転サイクルが長期化し、燃料の燃
焼度が高くなると、燃料集合体の炉内携在期間は長期化
し、その結果、高温高圧の水環境における燃料集合体部
材表面の腐食がより一層進行する。また、Ｕ²³⁸から核
分裂性Ｐｕ²³⁹への効率の良い転換は、熱中性子よりエ
ネルギーが高い共鳴中性子が主役となる。その結果、炉
心における中性子スペクトルが硬化し（高エネルギーの
中性子が多く存在し）材料の中性子による損傷が促進さ
れる。

【０００４】高耐食性合金としてジルコニウム合金は高
速中性子の照射による脆化が懸念される。

【０００５】ジルコニウム合金部材の耐食性を改善する
技術は、（ａ）製造プロセスの改善、（ｂ）合金組成の
改善の２つに大別できる。以下に両技術の内容について
述べる。（ａ）製造プロセスの改善ＢＷＲ（沸騰水型軽水炉）環境下において、ジルカロイ
燃料集合体部材にはノジュラー腐食と呼ばれる局部酸化
が発生し、時間経過とともに腐食部が拡大する。この腐
食を軽減する方法として、α＋β相あるいはα相温度範
囲にジルコニウム合金を短時間加熱し急冷する熱処理を
部材製造時の下流工程に挿入する技術（例えば、特開昭
51−110411 号，特開昭51−110412 号，特公昭60−5998
3 号，特公昭63−31543 号等）が知られている。これら
公知技術はα＋βクエンチあるいはβクエンチと呼ばれ
ており、いずれも現用軽水炉に使用されているジルカロ
イ−２（Ｓｎ：１.２−１.７ｗｔ％，Ｆｅ：０.１０−
１.２０ｗｔ％，Ｃｒ：０.０５−０.１５ｗｔ％，Ｎ
ｉ：０.０３−０.０８ｗｔ％，Ｏ：０.０６−0.14ｗｔ
％,残：Ｚｒ）及びジルカロイ−４（Ｓｎ：１.２−１.
７ｗｔ％，Ｆｅ：０.１５−１.２４ｗｔ％，Ｃｒ：０.
０５−０.１５ｗｔ％，Ｏ：０.０６−０.１４ｗｔ％,
残：Ｚｒ）を適用対象合金としている。上記合金成分の
うちＦｅ，Ｃｒ, Ｎｉは耐食性向上元素であり、Ｓｎは
強度向上元素である。Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉは金属間化合物
として結晶粒内及び粒界に析出する。α＋βクエンチあ
るいはαクエンチ技術の適用により、これら金属間化合
物は微細化し、冷却速度が十分速いとマトリックス中に
も固溶する。高耐食化のメカニズムについては必ずしも
明らかではないが、析出物の微細化，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ
の固溶濃度の増加が耐食性向上に寄与するとの考え方が
一般的である。（ｂ）合金組成の改善合金組成並びに合金成分を改善することにより耐食性を
改善することも可能である。合金添加元素は現用ジルカ
ロイと同様であるが添加量を最適化することにより耐食
性を改善した合金（特開昭62−228442号），ジルカロイ
にＮｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｖ，Ｔｅ，Ｔａ，Ｓｉ，Ｒｕ，Ｒ
ｈ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ａｕ、等の第５元素を添加した合金
（特開昭60−36640 号,特開昭63−33535号，特開昭64−
73037 号，特開昭64−73038 号，特開平1−242747号、
等），Ｚｒ−Ｎｂ合金にＳｎ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｆ
ｅ，Ｖ，Ｗ，Ｃｕ、等の元素を微量添加した合金（特開
昭50−148213 号，特開昭51−134304 号，特開昭61−17
0552 号，特開昭62−207835号,特開平1−119650 号、
等），Ｚｒ−Ｂｉ合金（特開昭63−290234号），Ｚｒ−
Ｓｎ−Ｔｅ，Ｍｏ合金（特開昭63−290233号）が知られ
ている。これらジルコニウム合金は、軽水炉での使用を
目的とした材料であり、中性子のスペクトルが現用軽水
炉に比べて高エネルギー側にシフトする高転換炉型の将
来炉にそのまま適用するには問題点が残る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述した様に、高転換
炉型の将来炉においては非核分裂性Ｕ²³⁸ を効率よく核
分裂性Ｐｕ²³⁹ に転換し発電に利用する。この核変換は
共鳴中性子（エネルギー：１０⁰〜１０⁴ｅＶ）をＵ²³⁸
が吸収することによって起こる。このような炉心では水
対ウラン燃料比を小さくし、中性子スペクトルを高エネ
ルギー側にシフトさせる（スペクトルを硬くする）必要
があり、その結果、燃料集合体部材の中性子損傷率が増
加する。

【０００７】よって、軽水炉の大幅高燃焼度化，高転換
炉型の将来炉の実現には燃料集合体部材の耐中性子損傷
性の向上，耐食性の向上，共鳴中性子捕獲量の低減が重
要な技術課題である。

【０００８】本発明の目的は、高い耐中性子損傷性，高
耐食性を備え、且つ共鳴中性子捕獲断面積の小さな燃料
集合体部材用Ｚｒ基合金を提供することである。更に本
発明の目的は、長期間の使用に堪え、健全性を維持でき
る高転換炉型将来炉に適用可能な燃料被覆管等の燃料集
合体部材の製造方法を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】耐中性子損傷性の向上に
は、結晶粒を極めて微細にすることが有効である。何故
なら、中性子照射によって生成する格子間原子と空孔の
ペアーが結晶粒界で速やかに消失するため、結晶粒内に
照射欠陥が発生しない。照射欠陥が発生したとしても、
その密度は大幅に低下する。このような効果が得られる
結晶粒径は、１００ｎｍ以下である。

【００１０】耐食性の向上にはＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒ等の耐
食性向上元素をマトリックス中に固溶させておくのが有
効である。超微細結晶で且つこのような過飽和固溶体を
得る方法としてメカニカルアロイング，溶湯急冷，スプ
ラットクーリング等の非平衡な結晶構造を実現する手段
が良い。

【００１１】エネルギー範囲１０⁰〜１０⁴ｅＶ（共維中
性子のエネルギー範囲）ではＦｅの中性子捕獲断面積は
Ｚｒの約１／３である。燃料集合体部材の共鳴中性子捕
獲量の低減は、（ａ）Ｆｅ添加量の増加による共鳴中性
子捕獲断面積の低減及び(ｂ)Ｚｒ基合金の高強度化によ
る部材の薄肉化によって可能となる。ジルコニウム合金
中のＦｅ添加量を増すと、前述した析出物が粗大化し、
材料が脆化する。特に、溶解時の析出物の粗大化が著し
く、従来の製造プロセスを適用出来ない。よって、前述
した非平衡な結晶構造を実現する手段がこの場合におい
ても有効である。

【００１２】本発明は、プルトニウムを含有する燃料用
ウランペレット，該ペレットを被覆する燃料被覆管，該
被覆管を保持するスペーサー及び複数の被覆管を収容す
るチャンネルボックスを備えた燃料集合体において、該
燃料被覆管，スペーサー及びチャンネルボックスの少な
くとも一つの部材が０.０５〜３０ｗｔ％のＦｅを含む
Ｚｒ基合金からなり、且つ該Ｚｒ基合金中は１０００ｎ
ｍ以下の微細結晶からなることを特徴とするものであ
る。

【００１３】更に、本発明は、前述の燃料被覆管，スペ
ーサー及びチャンネルボックスの少なくとも一つの部材
の平均結晶粒径が１０００ｎｍ以下の微細結晶からなる
ことを特徴とするものである。

【００１４】更に、本発明は、前述の燃料被覆管，スペ
ーサー及びチャンネルボックスの少なくとも１つが２重
量％以上の含有量で強制固溶した合金元素を有するＺｒ
基合金からなることを特徴とするものである。

【００１５】更に、本発明は、前述の燃料被覆管，スペ
ーサー及びチャンネルボックスの少なくとも１つが、重
量で、Ｆｅ０.５〜３０％，Ｎｉ０〜５％，Ｃｒ０〜５
％，Ｎｂ０〜５％，Ｍｏ０〜１％，Ｔｅ０〜１％，Ｓｎ
０〜５％，Ｂｉ０〜２％，Ｓｉ０〜０.５％及びＯ０〜
１％を含むＺｒ基合金からなることを特徴とする。

【００１６】更に、本発明は、平均結晶粒径が１０００
ｎｍ以下のＺｒ基合金からなることを特徴とする。

【００１７】更に、本発明は、重量で、Ｆｅ０.５〜３
０％，Ｎｉ０〜５％，Ｃｒ０〜５％，Ｎｂ０〜５％，
Ｍｏ０〜１％，Ｔｅ０〜１％，Ｓｎ０〜５％，Ｂｉ０〜
２％，Ｓｉ０〜０.５％を含むＺｒ基合金からなること
を特徴とする。

【００１８】更に、本発明は２重量％以上で強制固溶し
た合金元素を有するＺｒ基合金からなることを特徴とす
る。

【００１９】更に、本発明は非晶質Ｚｒ基合金粉末から
なることを特徴とする。

【００２０】本発明は、平均結晶粒径が１０００ｎｍ以
下の結晶粒を有する非晶質Ｚｒ基合金粉末からなること
を特徴とする。

【００２１】本発明は、重量で、Ｆｅ０.５〜３０％，
Ｎｉ０〜５％，Ｃｒ０〜５％，Ｎｂ０〜５％，Ｍｏ０〜
１％，Ｔｅ０〜１％，Ｓｎ０〜５％，Ｂｉ０〜２％，Ｓ
ｉ０〜０.５％を含むＺｒ基合金粉末からなることを特
徴とする。

【００２２】本発明は、２重量％以上で強制固溶した合
金元素を有するＺｒ基合金粉末からなることを特徴とす
る。

【００２３】更に、本発明は、軽水炉炉心で使用され、
プルトニウムを含有する燃料用ウランペレットを被覆す
る燃料被覆管，該被覆管を保持するスペーサー及び複数
の被覆管を収容するチャンネルボックスによって構成さ
れる軽水炉用燃料集合体の燃料被覆管，スペーサー及び
チャンネルボックスのいずれかを製造する方法におい
て、ａ）Ｚｒを含む純金属粉末あるいは結晶質Ｚｒ基合
金粉末を機械的に混合撹拌し合金化しほぼ全体が非晶質
であるＺｒ基合金からなる非晶質合金粉末を製造する工
程、ｂ）該非晶質合金粉末の再結晶化温度よりも低い温
度において、静水圧下で固化する工程、ｃ）該固化した
ブロックを熱間加工及び冷間加工により前記部材のいず
れかの部材の形状に整形する工程、及びｄ）前記整形後
熱処理により金属組織を結晶化する工程を順次行うこと
を特徴とする。

【００２４】前記純Ｚｒ粉末あるいは結晶質Ｚｒ合金粉
末の製造工程において、純ＺｒスポンジあるいはＺｒ基
合金のインゴットを水素化し、ついで粉砕して所定の粒
径の粉末とし、真空雰囲気中で加熱することにより脱水
素することが好ましい。

【００２５】前記固化したブロックを熱間加工及び冷間
加工により所定の形状整形する工程において、６５０℃
以下で熱間加工を行い、次いで冷間加工することが好ま
しい。

【００２６】前記熱処理により金属組織を結晶化する工
程において、最終結晶化焼き鈍しを少なくとも５３０℃
よりも高い温度で行うことが好ましい。

【００２７】本発明の原子炉用燃料集合体として構成さ
れる燃料被覆管，スペーサー及びチャンネルボックスを
Ｚｒ基合金によって構成するとともに、そのＺｒ基合金
を超微細な結晶粒径とすること、Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ及び
Ｃｒ量を従来合金より、より多量に含有させかつその含
有される添加元素をほぼ全部固溶させることにある。Ｚ
ｒ基合金を特に１００ｎｍ以下の超微細な結晶粒とする
ことにより照射損傷をほぼ完全に防止することができ
る。更に、前述の合金元素はいずれも強度を高めるとと
もに耐食性を高めるために添加される。

【００２８】本発明のＺｒ基合金の結晶粒は１０００ｎ
ｍ以下とするものであるが、より好ましくは前述の如く
３００ｎｍ以下特に１０〜１００ｎｍとする。

【００２９】Ｓｎは１５重量％以下含有される。従来の
Ｚｒ基合金と同様に１〜２重量％含有することができる
が、これより多く含有させることによってより大きな効
果が得られ、３〜７重量％とすることができる。

【００３０】Ｆｅは０.０５〜３０重量％以下含有され
る。従来のＺｒ基合金と同様に0.1〜０.５％含有する
ことができ、従来合金では冷間加工と焼鈍のくり返しに
よってＦｅの析出物が形成され耐食性が低下するが、本
発明においてはその析出が生じにくく固溶されるので、
高い耐食性が得られる。特に、０.５％以上の含有によ
って高い効果が得られ、特に１〜５重量％とすることが
できる。

【００３１】Ｎｉは５重量％以下含有される。Ｎｉは水
素吸収性が高いが、本発明の如くより超微細な結晶粒と
するので、０.２％以上の高い含有量とすることができ
る。

【００３２】他、Ｃｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｅ，Ｂｉ，Ｓｉ
等の少なくとも１種が、より高強度とするために５重量
％以下含有される。特に、Ｃｒ０.０５〜３％，ｎｂ０.
２〜２.５％，Ｍｏ０.２〜１％，Ｔe０．１〜１％，Ｂ
ｉ１〜２％，Ｓｉ０.１〜0.5％の少なくとも１種が含有
される。また、酸素（Ｏ）は本発明における合金化に際
して含有されるもので、その含有は高温での加熱による
結晶粒成長を抑制する作用を有し、超微細の結晶粒が得
られる。

【００３３】本発明におけるＺｒ基合金組成（重量％）
の例は次の通りである。 (1）Ｓｎ１〜５％を含み、Ｆｅ０.１〜３０％，Ｎｉ０.
０１〜５％及びＴｅ0.1〜５％の１種以上を含有するＺ
ｒ基合金。 (2）(1）にＣｒ０.１〜５％を含有するＺｒ基合金。 (3）Ｎｂ０.５〜５％を含有するＺｒ基合金。 (4）(3）にＢｉ０.１〜５％含有するＺｒ基合金。 (5）(3）にＳｎ０.１〜５％を含み、Ｍｏ０.２〜５
％，Ｆｅ０.１〜５％，Ｎｉ０.０１〜５％及びＴｅ０.
１〜５％の１種以上を含むＺｒ基合金。

【００３４】通常の溶解，加工，熱処理のプロセスで
は、Ｆｅ等の遷移金属元素を添加するとＺｒマトリック
ス中に多量の粗大な金属間化合物が形成される。このよ
うな金属組織を有するＺｒ基合金はもろく且つ加工が極
めて困難である。しかし、このように通常の状態におい
ては脆い金属間化合物の組成であっても微細結晶の状態
にすることにより、高い延性を維持することが可能であ
る。本発明の要点は、このような合金添加元素がＺｒ中
に固溶した超微細結晶状態の材料を使用して、加工，熱
処理によって超微細結晶状態の構造部材を製造する点に
ある。

【００３５】純Ｚｒ粉末と合金添加元素粉末、又はＺｒ
基合金粉末を機械的に混合粉砕して、非平衡な状態（過
飽和固溶体）の合金粉末を形成させる。このとき純金属
粉末のかわりに１０００ppm〜１００００ppmの酸素を含
む金属粉末を使ってもよい。また、ＺｒＯ₂ 等の酸化物
粉末を添加,混合してもよい。これら酸化物の添加は、
後のＨＩＰ（熱間等方圧加圧）時に結晶化温度を高め、
ＨＩＰ，熱間加工，最終焼き鈍し時において結晶粒の粗
大化を防止することにもなる。

【００３６】こうして得られた合金粉末をＨＩＰにより
焼結し、Ｚｒ基合金のバルク材を形成する。合金粉末の
少なくとも一部は、ＨＩＰ後も非平衡な状態を維持する
ために、また金属間化合物の粗大化を防ぐために再結晶
化温度よりも低い温度（＜８００℃）で焼結を行うのが
よい。また合金粉末が非晶質合金であるときには、合金
の結晶化温度より約１００℃高い温度よりも低い温度で
行い、結晶の粗大化，析出する金属間化合物の粗大化を
防ぐ。ＨＩＰ後、溶体化処理を実施する必要はなく省略
することができる。

【００３７】熱間塑性加工は再結晶温度以下で６５０℃
で行うのがよい。冷間塑性加工は加工度８０％以下と
し、最終焼き鈍しは８００℃以下の温度で行う。

【００３８】合金添加元素のうち、Ｓｎ，Ｏは強度向上
元素、Ｆｅは共鳴中性子捕獲断面積低減元素，Ｆｅ，Ｃ
ｒ，Ｎｉは耐食性向上元素である。

【００３９】

【発明の実施の形態】（実施例１）粒径１００μｍ以下
の表１の組成（重量％）の合金粉末（合金Ｎo.１）及び
所定の組成のＺｒ，Ｆｅ，Ｓｎ，Ｃｒ，Ｎｉの原料粉末
（Ｎo.２，３）を、遊星型ボールミル中で、アルゴン雰
囲気下、室温において１０１及び１５５時間機械的に合
金化（ＭＡ）した。合金化後の組成を表１のＭＡ合金粉
末として示した。ボールミルは容器及びボールともにＡ
ＩＳＩ３０４鋼からなるものである。原料粉末のＮo.
１の合金粉末，Ｚｒ粉末には約９００ppm の酸素を含有
しているものを用いた。

【００４０】

【表１】

【００４１】ＭＡ後の合金粉末には酸素は約４０００pp
m 含まれていた。原料粉末に比べてＭＡ合金粉末中のＳ
ｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉの組成比が高くなっているのは、
遊星型ボールミル容器の壁にＺｒが付着したこと、容
器，ボールから供給された為である。Ｎo.１のＭＡ合金
粉末の微細構造を透過型電子顕微鏡により観察した結果
ＭＡ合金粉末内部は粒径が１０ｎｍ乃至それ以下の超微
細結晶を囲んでほとんどが非晶質からなること及び室温
で強加工をうけているにも係わらず結晶粒内に一切転位
が存在しないことがわかった。さらに、従来のＺｒ合金
には、Ｚｒ（Ｆｅ，Ｎｉ)₂，Ｚｒ₂（Ｆｅ，Ｎｉ)，Ｚｒ
（Ｆｅ，Ｃｒ)₂、等の金属間化合物が存在するが、この
合金粉末にはこれら析出相は存在しないものであった。
このことは、合金元素は過飽和固溶体としてマトリック
ス中に固溶していることを示している。

【００４２】図１はＭＡ合金粉末の結晶粒径分布を測定
した結果を示すグラフである。前述のように合金粉末中
の結晶はわずか約５vol％以下であるが、その結果粒は
２〜１０ｎｍの範囲のものが９０％以上のほとんどを占
めた。１０１時間より１５５時間と長時間ＭＡすること
によって合金粉末中の結晶化された部分が減少し、約２
００ｈのＭＡで全非晶質化されるものと思われる。本発
明ではＭＡ合金粉末は実質的に全非晶質化されたものと
するのが好しい。

【００４３】図２は、Ｎo.１合金粉末を走査示差熱分析
し、再結晶温度を測定した結果を示す線図である。７１
９℃で発熱のピークがあることから、この温度以上に長
時間保持すると前述の非晶質が再結晶して結晶粒が成長
する可能性があることがわかる。しかし、Ｎo.１ＭＡ合
金粉末を８００℃において５時間加熱すると、結晶粒の
大きさは約５０ｎｍとわずかに結晶粒の成長が認められ
たが依然として超微細結晶を維持していた。よって、Ｍ
Ａ後の粉末加工（固化）温度を８００℃程度に設定して
も超微細結晶を維持できることがわかった。

【００４４】この８００℃に加熱したものでも析出相が
見られず、ほぼ過飽和固溶体として存在することがわか
った。

【００４５】図３は中性子照射に対する超微細結晶の損
傷防止機構について示す。図に示すように、中性子によ
って原子が弾き出され、格子間原子と空孔とのペアがで
きる。通常の結晶では格子間原子どうしが結合して転位
のループを形成し、照射脆化，照射成長等の原因とな
る。しかし、微細結晶合金においては、格子間原子と空
孔は結晶粒界が近傍に存在するため移動し消滅する。よ
って、粒界が格子間原子と空孔の近傍に存在する超微細
結晶においては結晶粒内に欠陥を発生せず、照射脆化，
照射成長等の損傷が発生しない。照射損傷が発生しない
結晶粒径と照射条件との関係は（１）式で表すことがで
きる。

【００４６】

【数１】

【００４７】図４は（１）式に基づいて中性子照射率と
照射損傷が発生しない限界結晶粒との関係を示したもの
である。図より、軽水炉では結晶粒界を１００ｎｍ以下
にすれば照射損傷を防止できることが明らかである。ま
た、高転換炉においては結晶粒径を５０ｎｍ以下とすれ
ばよいことが分る。現在の原子炉の中性子照射率は５×
１０^-8(dpa／ｓ）及び照射量は７dpa ，高転換炉では前
者が３×１０^-7dpa／ｓ及び後者が２０dpa である。

【００４８】図５は耐食性に及ぼすＦｅ，Ｎｉ，Ｃｒの
効果を示す模式図である。これら元素は酸化膜中ではＺ
ｒの位置に置換して存在する。腐食は酸化膜の電子伝導
性が高いほどすみやかに進行する。Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒは
これら伝導電子をトラップし、酸化膜の電子伝導性を低
下させ、耐食性を向上させる。Ｚｒの位置にＦｅ，Ｎ
ｉ，Ｃｒが置換する確率は、過飽和固溶体とすることに
より著しく高くなる。よって、耐食性の観点からも、本
発明の燃料集合体部材は極めて優れている。しかし、５
価のＮｂ６価のＭｏ，Ｔｅは電子伝導性を増加させるの
で、耐食性を低めると思われる。Ｚｒの腐食は酸化皮膜
の電子移動が律速する。

【００４９】図６は、全中性子生成割合を１００とした
ときの共鳴中性子捕獲断面積で表わされる中性子吸収割
合に及ぼす、水対燃料体積比の関係を示す。図中の線は
合金組成及び強度を変化させることにより、Ｚｒ基合金
の共鳴中性子捕獲断面積が減少する様子を示す。図より
水対燃料体積比が約０.５以下においても、Ｚｒ基合金
の強度を２倍に上げることにより、厚さを１／２にする
と、共鳴中性子吸収割合をステンレス鋼並みにすること
ができる。あるいはＦｅの添加量を５０ｗｔ％以上とす
ることにより共鳴中性子捕獲断面積を低減し、ステンレ
ス鋼と同等の特性を有する燃料集合体部材が実現でき
る。高転換炉においては、水対燃料体積比を１.５以下
とするものである。

【００５０】この微細結晶粉末を電子線照射し、その耐
照射性について調べた。中性子照射量として１０dpa に
相当する損傷を与える電子線を照射した後の微細構造を
調べた。照射温度は２８０℃とし、原子炉内炉水温度と
同等とした。照射欠陥は一切認められず極めて優れた耐
照射性を示すことがわかった。

【００５１】Ｎo.２，３の合金粉末についても同様な試
験を行い、観察したところ、Ｎo.１の合金粉末と同様な
結果が得られた。以上のことから、ＭＡ法によって結晶
粒を超微細化することにより、極めて優れた耐照射性が
得られることがわかった。（実施例２）実施例１で述べたＮo.１の合金粉末として
１５５時間ＭＡしたものを使用して燃料構造部材を製造
した。ＭＡ合金粉末を約８００℃で等方静水加圧（ＨＩ
Ｐ）により円柱状に焼結固化成形した。密度は理論密度
の約９８％であった。焼結固化した円柱体中心に穴を空
けて中空ビレットとし、内部に純Ｚｒ管を挿入し端面を
溶接し、合金管中空ビレットと挿入した純Ｚｒ管とを一
体化した。６５０℃でこの一体化した管を熱間押出し加
工し、素管とした。この熱間押出し素管の密度はほぼ理
論密度と同等であった。得られた素管をピルガーミルに
よる冷間圧延と焼鈍とを交互に３回繰り返した。加工
度：７０％，最終焼鈍温度は６００℃とし、外径：１
２.３mm ，肉厚：０.８６mm の燃料被覆管寸法に仕上げ
た。このようにして得られた被覆管の平均粒径は１００
ｎｍよりも小さく、また析出物も見られずマトリックス
中に合金添加元素はほぼ全部固溶していた。また、純Ｚ
ｒライナー層は１０〜１００μｍの範囲内の所望の厚さ
に設定できる。前述の中空ビレットとして６０〜７０mm
φ，厚さ１０〜１２mmとするものとすることができる。

【００５２】この被覆管の純Ｚｒライナー層を機械研削
により除去し、５００℃，１０.３ＭＰａの水蒸気中に
５０時間保持してその耐食性を調べた。その結果、腐食
による重量増加量は、４０mg／ｄｍ² 以下であり、極め
て優れた耐食性をしめした。従来の燃料被覆管を同様な
条件で腐食試験すると、約５０mg／ｄｍ² の腐食増量と
なる。

【００５３】前記被覆管を用い、更に端栓に同じ合金を
用いて、図７に示す燃料棒を製作した。燃料棒はＭＡ合
金被覆管１，純Ｚｒライナー２，上部端栓３，核燃料ペ
レット４，プレナムスプリング５，溶接部６，下部端部
７によって構成される。溶接はＴＩＧ溶接によって行
い、純Ｚｒライナーは、約１００μｍの肉厚を有する。

【００５４】本実施例においては冷間加工と焼鈍とを繰
返すことによって薄肉化しているので、六方晶Ｚｒの
（０００２）面の方位が板面に垂直に配向する傾向を有
するが、極めて結晶粒が微細なためにその配向が生じに
くく、結晶粒はランダムになっているものと思われる。
Ｆｒ値で０.２５〜０.３５程度と思われる。（実施例３）実施例１で述べたＮo.１の合金粉末として１５５時間Ｍ
ＡしたものをＨＩＰにより焼結固化し、スラブ（板）を
製造した。このスラブを６５０℃で熱間圧延し、材料の
密度をほぼ理論密度まで高めた。この熱間圧延板を約３
０％の冷間圧延加工と６００℃での真空焼鈍とを交互に
繰返すことにより厚さ２mmの板とした。この板をコの字
型に曲げ加工したものを２つ製作し、これらを溶接して
角筒とした。この角筒を寸法整形して所定寸法のチャン
ネルボックスとした。本実施例でも析出物は見られず、
合金元素は固溶していた。図７，図８はチャンネルボッ
クスの斜視図で、図７のものは厚さが一定のストレート
構造を有し、図８は角度２０が辺部２１の肉厚より厚
く、（ｂ）が外側で厚肉とし、（ｃ）が内側で厚肉とし
たものである。このような成形加工はマスキングして弗
化水素と硝酸の混酸水溶液による化学エッチング又は機
械加工によって行われる。

【００５５】また、同様な製造プロセスに従って、六角
形状のチャンネルボックスとすることもできる。その肉
厚は一定のもの又は同様に角部を厚肉としたものとする
ことができる。（実施例４）実施例１に示す表１のＮo.３組成からな
り、同じ製法により合金化し、被覆管と同様にＨＩＰ，
熱間加工を施し、冷間加工を経てスペーサの形状とし
た。但し、管状のスペーサーの内径は被覆管の外径より
大きく、管状スペーサー内径部には純Ｚｒのライナーが
設けていない。純Ｚｒの内筒管を挿入しない状態で熱間
押出し加工を実施した。

【００５６】図１０は８×８タイプのスペーサーの平面
図（ａ）及び側面図（ｂ）である。スペーサーは燃料棒
を集合体として規則正しく配置するもので、集合体中に
７個以上配置され、集合体間には図に示すように制御棒
が十字に配置される。

【００５７】スペーサーには図１１に示す円筒状の丸セ
ル１４が一列当り８〜１０個設けられ、８×８，９×
９，１０×１０個の配置となり、本実施例と同じ材料で
製造することができる。セルの製造方法は実施例１の被
覆管と同じ工程で製造することができ、中空ビレットの
内部に純Ｚｒを設けないで行う。

【００５８】本実施例においてはより前述した組成の高
強度材としたものを用いるので、スペーサー及びセルの
いずれも０.３５〜０.６mmとより薄肉化でき、燃料間の
平均間隔をより小さくし、高転換炉が達成できる。

【００５９】図１２は同じく９×９タイプのスペーサー
とその中に配置したセルを示す平面図である。

【００６０】図１０における８×８タイプの被覆管の隣
接する同志間の平均間隔は約３.０〜４.５mm とするこ
とができ、図１１の９×９タイプにおいては１.０〜２.
５mmとすることができる。被覆管，スペーサー及びセル
材としてより合金元素含有量を多くしたものを用い高強
度化することにより９×９タイプ又は１０×１０タイプ
のより高集積化することができるとともに、前述の平均
間隔を１〜２.０mm とより近接したものとすることがで
きる。各丸セルは互いに溶接又は構造上スペーサー外枠
に固定され、被覆管同志間にわずかの空間を形成するた
めバネ製の保持部材が取り付けられている。バネ製保持
部材は本発明のＺｒ基合金又はＮｉ基合金の薄板によっ
て形成される。（実施例５）図１３及び図１４はウォータロッドの部分
断面平面図である。本実施例におけるウォータロッドは
実施例１の表１に示すＮo.１及びＮo.２の合金を用い、
実施例１と同様の方法で純Ｚｒライナー管を設けない中
空ビレッドを製造し、実施例１と同様にピルガーミルに
よる冷間加工と焼鈍を繰り返し製造される。図１４の細
径部２８と太径部２９とは各々別々の径のものを製造
し、溶接によって一体にする。３０は端栓である。（実施例６）図１５は本発明に係る沸騰水型高転換原子
炉用燃料集合体の断面図である。燃料集合体は、図に示
す様に多数の燃料棒３１とそれらを相互に所定の間隔で
保持する７段以上のスペーサー１３、さらに、それらを
収納する角筒のチャンネルボックス１１，燃料被覆管内
に燃料ペレットが入った燃料棒３１の両端を保持する上
端タイプレート１５，下端タイプレート３６，全体を搬
送するための吊上げ取手１２から構成される。

【００６１】燃料チャンネルボックス１１は燃料スペー
サー１３により一体化された燃料棒を内部に収納する。
燃料チャンネルボックス１１は実施例２で製造した二分
割したコの字型板加工材をプラズマ溶接で接合した角筒
形状を呈する。この部材はプラント運転時に燃料棒表面
で発生した蒸気及び燃料棒間を流れる高温水を整流し、
強制的に上部へ導く働きをさせるものである。内部の圧
力が外部よりわずに高い為、角筒を外側に押し広げる応
力が作用した状態で長期間使用される。

【００６２】本実施例におけるチャンネルボックスは図
１６に示すスペーサーを配置し、燃料棒として２４７本
配置した例を示したものである。スペーサー中の丸セル
は実施例４に示すものと同じものが用いられる。

【００６３】高転換型ＢＷＲ燃料には、減損ウラン、ま
たは天然ウランにプルトニウムを富加工したＭＯＸ燃料
を使用する。ＢＷＲで転換比を高くし、プルトニウム生
成量を増やすには、水対燃料比を小さくする必要があ
る。これは、燃料集合体内に燃料棒を稠密に配置し、燃
料に対する減速材の量を小さくすることで達成される。
また、同じ転換比を実現する場合、ＢＷＲは炉心内の蒸
気ボイドによって水密度を簡単に低減できるので、加圧
水型原子炉に比べて燃料棒間隔を大きくできる。これは
燃料の冷却だけでなく製造上にも有利である。

【００６４】本炉心は、従来型炉心への適用を考えて、
正方断面を持つ燃料集合体と十字型制御棒を用い、原子
炉構造の改造が最小限で済むようにする。燃料棒配列
は、水対燃料比を小さくするために図１６に示す稠密三
角格子配列を採用する。また、燃料集合体の大型化によ
って燃料集合体間の水ギャップ部面積を減少させる。こ
れらの方法により、単位面積当たりの燃料棒本数を従来
型ＢＷＲの約２倍に増やすことができる。したがって、
炉心等価直径が同じ場合、燃料棒有効長さを約半分にす
れば、燃料棒の単位長さ当たりの熱出力を従来炉心と同
じにできる。この場合、燃料有効長さを短くすることで
炉心圧力損失も小さくできる。

【００６５】水対燃料比は稠密格子燃料棒配列に加え、
制御棒の吸収材の先端にジルコニウム製のフォロアを付
けたフォロア付き制御棒を採用することで、さらに小さ
くできる。すなわち、炉停止時にはフォロア付き制御棒
の吸収材部分を炉心に挿入するが、運転時にはフォロア
部だけを挿入して水ギャップ部から水を排除し、これに
より水対燃料比を減少させ、転換比を増加させることが
できる。また、必要ならばサイクル末期に制御棒フォロ
ア部を全引抜きとして水対燃料比を大きくし、反応度利
得を得ることもできる。

【００６６】本実施例における燃料棒は１チャンネルボ
ックス当り２４７本配置したものである。

【００６７】図１７は高転換炉の構造を示す断面図であ
る。

【００６８】原子炉圧力容器は従来型ＢＷＲからの設計
変更は必要なく、圧力容器内に装荷される燃料集合体と
制御棒の大型化に伴う制御棒案内管，炉心支持板，上部
格子板の変更が必要となる。インターナルポンプシ
ステムや汽水分離器など、その他の部分は現行と同じ構
造を適用できる。高転換炉は、燃料有効長を短くする。
しかし、制御棒はフォロア付きとなり、従来と同じ長さ
となる。このため、燃料チャンネルボックスを制御棒の
支持とガイド用として従来どおりの長さとする。これに
より、チャンネルボックスは従来型ＢＷＲと同様に上部
格子板によって支持させることができ、特別な設計変更
は不要である。

【００６９】図１８は制御棒の斜視図である。

【００７０】

【発明の効果】以上に説明したように本発明によれば、
照射損傷が極めて小さく、高強度，高耐食性，耐ＩＡＳ
ＣＣ性を備え、且つ共鳴中性子捕獲断面積の小さなＺｒ
基合金が得られることから、現用軽水炉のみならず、中
性子照射率が高い高転換型将来炉における燃料被覆管等
の燃料集合体部材として使用しても、長期間の使用に堪
え、健全性を維持できる優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】結晶粒径と頻度との関係を示す線図。

【図２】加熱温度とＤＳＣとの関係を示す線図。

【図３】中性子照射による損傷防止機構を示す図。

【図４】中性子照射率と限界結晶粒径との関係を示す模
式図。

【図５】Ｚｒ基合金の耐食性に及ぼすＦｅ及びＮｉの効
果を示す模式図。

【図６】水対燃料体積比と中性子吸収割合との関係を示
す線図。

【図７】燃料棒の断面図。

【図８】チャンネルボックスの斜視図。

【図９】チャンネルボックスの斜視図。

【図１０】スペーサーと制御棒の平面図。

【図１１】スペーサー内のセルを示す斜視図。

【図１２】スペーサーの平面図。

【図１３】ウォータロッドの部分断面図。

【図１４】ウォータロッドの部分断面図。

【図１５】高転換炉用燃料集合体の平面図。

【図１６】高転換炉における制御棒と集合体とを示す平
面図。

【図１７】高転換炉炉心構造を示す断面図。

【図１８】高転換炉用制御棒の斜視図。

【符号の説明】

１…被覆管、２…ライナー、３…端栓、４…核燃料ペレ
ット、５…バネ、６…溶接部、１０…燃料集合体、１１
…チャンネルボックス、１２…吊上げ取手、１３…スペ
ーサー、１４…セル、１５…上端プレート、１６…制御
棒、１７…汽水分離器、１８…上部格子板、１９…炉心
支持板、２２…制御棒案内管、２３…インターナルポン
プ、２４…圧力容器、２５…フォロア、２６…シース、
２７…Ｂ₄Ｃチューブ、３１…燃料棒、３６…下端タイ
プレート。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＣ２２Ｆ 1/00 ６４１Ｃ２２Ｆ 1/00 ６８７６８７６９１Ｂ６９１６９４Ａ６９４ 1/18 Ｅ 1/18 Ｇ２１Ｃ 3/06 ＫＧ２１Ｃ 3/07 Ｎ 3/30 3/30 Ｖ 3/34 3/34 Ｙ (72)発明者牧英夫茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者橋本素行茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内 (56)参考文献特開平６−51079（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−210987（ＪＰ，Ａ) 特開平３−65690（ＪＰ，Ａ) 特開平２−263943（ＪＰ，Ａ) 特開平５−214471（ＪＰ，Ａ) 特開平５−17837（ＪＰ，Ａ) 特開平３−94031（ＪＰ，Ａ) 特開平５−117716（ＪＰ，Ａ) 特表平４−502650（ＪＰ，Ａ) 王景唐、沈同▲徳▼，机械合金▲化▼ 研究▲与▼▲迸▼展，物理，中国，科学出版社，1993年８月，22巻８号，Ｐ 456−460 ＬＩＵＦ，ＤＯＮＧＹ，机械合金▲化▼合金相成机制的研究▲現▼状, 物理，中国，科学出版社，1994年10月, Ｖｏｌ．23 Ｎｏ．10，Ｐ599−604 Ｌ．Ｍ．Ｗａｎｇ，Ｒ．Ｃ．ＢｉｒｔｃｈｅｒＲ．Ｃ．Ｅｗｉｎｇ，ｉｏｎｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄｎａｎｏ−ｓｃａｌｅｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃａｎｄｃｅｒｅｍｉｃｍａｔｅｒｉａｌｓ，ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｉＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈｓｅｃｔｉｏｎＢ，ＮＬ，ＥｌｓｅｖｉｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，1993年６月，80／81（ＰＴ２），Ｐ1109−1113 Ｔ．Ｓｐａｓｓｏｖ，Ｕ．Ｋ▲ｏ▼ ｓｔｅｒ，ＧｒａｉｎｇｒｏｗｔｈｋｉｎｅｔｉｃｓｉｎｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＺｒ−ｂａｓｅｄａｌｌｏｙｓ，ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，スイス，ＴｒａｎｓＴｅｃｈＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，1993年７月14日，Ｖｏｌ．81−83，Ｐ249−254 Ｅ．ＭＡ，Ｍ．Ａｔｚｍｏｎ，Ａｌｌｏｙｐｈａｓｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｌｏｙｉｎｇ：ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ＭｏｄｅｒｎＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓＢ，ＷｏｒｌｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，1992年２月10日，Ｖｏｌ．６Ｎｏ．３，Ｐ127−138 Ｈ．Ｊ．Ｆｅｃｈｔ，Ｇ．Ｈａｎ, Ｚ．Ｆｕ，Ｗ．Ｌ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，ＭｅｔａｓｔａｂｌｅｐｈａｓｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＺｒ−Ａｌｂｉｎａｒｙｓｙｓｔｅｍｉｎｄｕｃｅｄｂｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｌｌｏｙｉｎｇ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓ，米国，ＡｍｅｒｉｃａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓ，1990年２月15日，ｖｏｌ．67 Ｎｏ．４，Ｐ1744−1748 Ｈ．Ｊ．Ｆｅｃｈｔ，Ｅ．Ｈｅｌｌｓｔｅｒｎ，Ｚ．Ｆｕ，Ｗ．Ｌ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，ＮｏｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＭｅｔａｌｓＰｒｅｐａｒｅｄｂｙＨｉｇｈ−ＥｎｅｒｇｙＢａｌｌＭｉｌｌｉｎｇ，ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎＡ，1990年９月，Ｖｏｌ．21ＡＮｏ．９，Ｐ2333−2337 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/06 G21C 3/30 G21C 3/34

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】プルトニウムを含有する燃料用ウランペレ
ット，該ペレットを被覆する燃料被覆管，該被覆管を保
持するスペーサー及び複数の被覆管を収容するチャンネ
ルボックスを備えた燃料集合体において、該燃料被覆
管，スペーサー及びチャンネルボックスの少なくとも一
つの部材がＺｒ基合金からなり、該合金の平均結晶粒径
が１００ｎｍ以下の微細結晶からなることを特徴とする
軽水炉用燃料集合体。
【請求項２】プルトニウムを含有する燃料用ウランペレ
ット，該ペレットを被覆する燃料被覆管，該被覆管を保
持するスペーサー及び複数の被覆管を収容するチャンネ
ルボックスを備えた燃料集合体において、該燃料被覆
管，スペーサー及びチャンネルボックスの少なくとも一
つの部材がＺｒ基合金からなり、該合金の平均結晶粒径
が５０ｎｍ以下の微細結晶からなることを特徴とする高
転換炉用燃料集合体。
【請求項３】プルトニウムを含有する燃料用ウランペレ
ット，該ペレットを被覆する燃料被覆管，該被覆管を保
持するスペーサー及び複数の被覆管を収容するチャンネ
ルボックスを備えた燃料集合体において、該燃料被覆
管，スペーサー及びチャンネルボックスの少なくとも一
つの部材が強制固溶した合金元素を有するＺｒ基合金か
らなり、前記合金元素はＦｅを０．５重量％以上を含む
ことを特徴とする軽水炉用燃料集合体。
【請求項４】プルトニウムを含有する燃料用ウランペレ
ットを被覆する燃料被覆管であって、該燃料被覆管はＺ
ｒ基合金からなり、該Ｚｒ基合金が平均結晶粒径１００
ｎｍ以下の微細結晶からなり、結晶方位がランダムであ
ることを特徴とする軽水炉用燃料集合体の燃料被覆管。
【請求項５】平均結晶粒径が１００ｎｍ以下のＺｒ基合
金からなることを特徴とする燃料被覆管。
【請求項６】平均結晶粒径が５０ｎｍ以下のＺｒ基合金
からなることを特徴とする燃料被覆管。
【請求項７】強制固溶した合金元素を有するＺｒ基合金
からなり、前記合金元素はＦｅを０.５重量％以上を含
むことを特徴とする燃料被覆管。
【請求項８】平均結晶粒径が１００ｎｍ以下のＺｒ基合
金からなることを特徴とする燃料集合体用スペーサー。
【請求項９】平均結晶粒径が５０ｎｍ以下のＺｒ基合金
からなることを特徴とする燃料集合体用スペーサー。
【請求項１０】強制固溶した合金元素を有するＺｒ基合
金からなり、前記合金元素はＦｅを０.５重量％以上を
含むことを特徴とする燃料集合体用スペーサー。
【請求項１１】平均結晶粒径が１００ｎｍ以下のＺｒ基
合金からなることを特徴とする燃料集合体用チャンネル
ボックス。
【請求項１２】平均結晶粒径が５０ｎｍ以下のＺｒ基合
金からなることを特徴とする燃料集合体用チャンネルボ
ックス。
【請求項１３】強制固溶した合金元素を有するＺｒ基合
金からなり、前記合金元素はＦｅを０.５重量％以上を
含むことを特徴とする燃料集合体用チャネルボックス。
【請求項１４】軽水炉炉心で使用され、プルトニウムを
含有する燃料用ウランペレットを被覆する燃料被覆管，
該被覆管を保持するスペーサー及び複数の被覆管を収容
するチャンネルボックスによって構成される軽水炉用燃
料集合体の燃料被覆管，スペーサー及びチャンネルボッ
クスのいずれかを製造する方法において、ａ）Ｚｒを含
む純金属粉末あるいは結晶質Ｚｒ基合金粉末を機械的に
混合撹拌し合金化しほぼ全体が非晶質であるＺｒ基合金
からなる非晶質合金粉末を製造する工程、ｂ）該非晶質
合金粉末の再結晶化温度よりも低い温度において、静水
圧下で固化する工程、ｃ）該固化したブロックを熱間加
工及び冷間加工により前記部材のいずれかの部材の形状
に整形する工程、及びｄ）前記整形後熱処理により金属
組織を結晶化する工程を順次行うことを特徴とする燃料
集合体の製造方法。
【請求項１５】請求項１４の前記純Ｚｒ粉末あるいは結
晶質Ｚｒ合金粉末の製造工程において、純Ｚｒスポンジ
あるいはＺｒ基合金のインゴットを水素化し、ついで粉
砕して所定の粒径の粉末とし、真空雰囲気中で加熱する
ことにより脱水素することを特徴とする燃料集合体の製
造方法。
【請求項１６】請求項１４の前記固化したブロックを熱
間加工及び冷間加工により所定の形状整形する工程にお
いて、６５０℃以下で熱間加工を行い、次いで冷間加工
することを特徴とする燃料集合体の製造方法。
【請求項１７】請求項１４の前記熱処理により金属組織
を結晶化する工程において、最終結晶化焼鈍を少なくと
も５３０℃よりも高い温度で行うことを特徴とする燃料
集合体の製造方法。