JP4318478B2

JP4318478B2 - Fuel assembly for boiling water LWR

Info

Publication number: JP4318478B2
Application number: JP2003101593A
Authority: JP
Inventors: 仁上村; 拓司福田
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2023-04-04
Also published as: JP2004251871A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は沸騰水型軽水炉用燃料集合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軽水炉用燃料集合体として使用される部材において、沸騰水型軽水炉（ＢＷＲ）では主にジルカロイ被覆管およびジルカロイスペーサが使用されている。しかし、軽水炉燃料の高燃焼度化が進み、４５ＧＷｄ／ｔを超える高燃焼度燃料では被覆管およびスペーサの水素吸収量の増大が問題となってきた。
【０００３】
ＢＷＲにおいて４５ＧＷｄ／ｔを超える高燃焼度燃料では被覆管および部材の水素化が問題とされてきた。被覆管においては改良合金の開発が進められており、水素吸収に対して有効である。
【０００４】
一方、スペーサ部材についても被覆管と同様の改良合金を使用して低減する対策が考えられるが、冷却材に接している外面からのみ水素が吸収される被覆管に対して、スペーサは板の両面が冷却材にさらされるため水素吸収量が高く、抜本的対策とはならない。そこで、スペーサ部材について水素吸収に関する問題のないＮｉ基合金の採用が検討されている。
【０００５】
これにより、Ｎｉ基合金スペーサの使用は従来のＺｒ基合金スペーサーに比較して水素吸収の問題を解消するだけでなく、高強度であるためスペーサ材の肉厚を薄くすることが可能となり高燃焼度燃料の設計において限界出力特性の大幅な改善や集合体圧損の低減といった燃料性能の大幅な改善に寄与できる。更に、スペーサの特性及び軸方向の配置を最適化することにより、スペーサによる圧力損失を低減して核熱水力安定性を改善すると共に、沸騰遷移に対する熱的余裕を維持、改善して限界出力特性を維持、向上することができる。（特許文献１参照）
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２６４７６８号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スペーサ部材にＮｉ基合金を使用した場合、Ｎｉ基合金とジルカロイ被覆管との接触面又は対向面でシャドウ腐食と呼ばれる局所的に酸化膜が厚くなる現象が生じる。シャドウ腐食とは、被覆管と異種金属との距離が近い場合に発生する異常腐食であり、そのメカニズムとしては電気化学的なガルバニック腐食等が考えられている。
【０００８】
シャドウ腐食は一様腐食と比較して数百μｍに達する酸化膜を呈する場合があることから燃料破損につながる可能性があるため、Ｎｉ基合金をスペーサ部材として利用するための大きなデメリットとなっており、わが国におけるＢＷＲにおいて高燃焼度燃料用スペーサとしてインコネルスペーサが使用されたことはない。
【０００９】
本発明は、前記背景の基、４５ＧＷｄ／ｔを超える高燃焼度燃料について、Ｎｉ基合金スペーサを使用してもシャドウ腐食の抑制が可能で水素吸収が少なく、信頼度の高い沸騰水型燃料集合体を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載された発明に係る沸騰水型軽水炉用燃料集合体は、４５ＧＷｄ／ｔ以上の高燃焼度用燃料集合体であって、燃料被覆管内に予め定められた個数の燃料ペレットが充填密封された複数本の燃料棒と該燃料棒よりも太径の水管とを含む棒状要素を正方格子状に配列して複数のスペーサ部材により長手方向に間隔を開けた複数箇所で支持してなる沸騰水型軽水炉用燃料集合体において、
前記燃料被覆管の組成が
Ｓｎ１．２〜１．７ｗｔ％、
Ｆｅ０．３５より大きく、０．５０ｗｔ％以下、
Ｃｒ０．０５〜０．１５ｗｔ％、
Ｎｉ０．０５〜０．１０ｗｔ％、
残部Ｚｒ
の組成を有する改良ジルコニウム合金からなり、
前記スペーサ部材が主にＮｉ基合金からなり、且つ、
前記被覆管及びスペーサ部材の両方又は何れか一方の表面に表面予備酸化被膜処理によって形成された酸化被膜を備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２に記載された発明に係る沸騰水型軽水炉用燃料集合体は、請求項１に記載の表面予備酸化被膜処理が、大気圧の０．５倍〜２倍までの酸素分圧条件下で熱処理温度を５２５℃、熱処理時間を最大２４ｈとした熱処理条件によって行われ、
形成された酸化被膜の厚さが、被覆管では１μｍ以上、スペーサ部材では１０ｎｍ以上であることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に記載された発明に係る沸騰水型軽水炉用燃料集合体は、請求項１又は２に記載のスペーサ部材の全部又は前記被覆管に接触するスプリング部が、Ｎｉ基合金からなり、
前記Ｎｉ基合金の組成が
Ｎｉ（＋Ｃｏ）：７０．００％以上、
Ｃｒ：１４．００〜１７．００％、
Ｆｅ：５．００〜９．００％、
Ｔｉ：２．２５〜２．７５％、
Ａｌ：０．４０〜１．００％、
Ｎｂ（＋Ｔａ）：０．７０〜１．２０％、
Ｍｎ：０より大きく、１．００％以下、
Ｓｉ：０より大きく、０．５０％以下、
Ｓ：０より大きく、０．０１０％以下、
Ｃｕ：０より大きく、０．５０％以下、
Ｃ：０より大きく、０．０８％以下
又は
Ｎｉ（＋Ｃｏ）：５０．００〜５５．００％、
Ｃｒ：１７．００〜２１．００％、
Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、
Ａｌ：０．２０〜０．８０％、
Ｎｂ（＋Ｔａ）：４．７５〜５．５０％、
Ｍｎ：０より大きく、０．３５％以下、
Ｓｉ：０より大きく、０．３５％以下、
Ｓ：０より大きく、０．０１５％以下、
Ｃｕ：０より大きく、０．３０％以下、
Ｃ：０より大きく、０．０８％以下、
Ｃｏ：０より大きく、１．００％以下、
Ｐ：０より大きく、０．０１５％以下、
Ｂ：０より大きく、０．００６％以下、
実質的に残りの成分がＦｅ
であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４に記載された発明に係る沸騰水型軽水炉用燃料集合体は、請求項１又は２に記載のスペーサ部材が、前記改良ジルコニウム合金からなるスペーサ本体とＮｉ基合金からなる前記スプリングとを含むことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項５に記載された発明に係る沸騰水型軽水炉用燃料集合体は、請求項１，２又は４の何れかに記載の改良ジルコニウム合金が焼鈍材であり、その焼鈍時の焼鈍パラメータΣＡｉが、２×１０^−１８≦ΣＡｉ≦５×１０^−１７に制御されていることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項６に記載された発明に係る沸騰水型軽水炉用燃料集合体は、請求項１，２，４又は５の何れかに記載の燃料ペレットを装填した被覆管を密封するための端栓が、抵抗溶接により被覆管に溶接されていることを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
ノジュラー腐食や一様腐食に関しては、被覆管に緻密な酸化被膜をつけることが腐食に対して有効な低減策であることが知られている。これは緻密な酸化被膜が電気化学的なものに起因する腐食に対し不動態として作用するためである。
【００１７】
一方、原子炉の通常運転においても一様腐食等により酸化膜は形成されるが、このような酸化膜の構造は粗なものであり、このような酸化膜では防食効果を得ることができない。したがって合金表面に燃料被覆管の異常な腐食を防ぐのに十分な絶縁効果を有する緻密な酸化被膜を付けるためには、大気圧の０．５倍〜２倍までの酸素分圧条件下での酸化処理が有効である。
【００１８】
しかしながら、従来使用されているジルカロイ−２（Ｚｒｙ−２；合金成分Ｓｎ：１．２〜１．７％、Ｆｅ：０．０７〜０．２０％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％、Ｎｉ：０．０３〜０．０８％、Ｚｒ：残部）被覆管に対し前記のような表面予備酸化処理を施しても酸化膜剥離などが生じるため、シャドウ腐食に対しては十分な効果を得ることができなかった。
【００１９】
そこで、被覆管の合金成分を検討したところ、従来のＺｒｙ−２に比較してＦｅ濃度を０．２５％以上好ましくは０．３５％以上とし、Ｎｉの下限値を０．０５％とした場合に、表面酸化処理を併せて用いることで酸化膜剥離を抑え、シャドウ腐食に対し大きな防食効果が得られることを見出して本発明に至った。
【００２０】
本発明は、４５ＧＷｄ／ｔ以上の高燃焼度用燃料集合体であって、燃料被覆管内に予め定められた個数の燃料ペレットが充填密封された複数本の燃料棒と該燃料棒よりも太径の水管とを含む棒状要素を正方格子状に配列して複数のスペーサ部材により長手方向に間隔を開けた複数箇所で支持してなる沸騰水型軽水炉用燃料集合体において、
前記燃料被覆管の組成が
Ｓｎ１．２〜１．７ｗｔ％、
Ｆｅ０．２５〜０．５０ｗｔ％、
Ｃｒ０．０５〜０．１５ｗｔ％、
Ｎｉ０．０５〜０．１０ｗｔ％、
残部Ｚｒ
の組成を有する改良ジルコニウム合金からなり、
前記スペーサ部材が主にＮｉ基合金からなり、且つ、
前記被覆管及びスペーサの両方又は何れか一方に表面予備酸化被膜処理が施されたものである。
【００２１】
これにより、４５ＧＷｄ／ｔを超える高燃焼度燃料について、Ｎｉ基合金スペーサを使用してもシャドウ腐食の抑制が可能で水素吸収が少なく、信頼度の高い沸騰水型燃料集合体を得ることができる。
【００２２】
本発明の表面予備酸化被膜処理によって形成された酸化被膜が、大気圧の０．５倍〜２倍までの酸素分圧条件下で熱処理温度を最大５２５℃、熱処理時間を最大２４ｈとした熱処理条件によって形成され、形成された酸化被膜の厚さが、被覆管では１μｍ以上、スペーサ部材では１０ｎｍ以上であるものである。これにより、製造工程において得られた材料特性を変化させずにシャドウ腐食の抑制に十分な酸化被膜を形成することができる。
【００２３】
Ｆｅ濃度を高めたＺｒ基合金は一様腐食に対する耐腐食効果があることが知られており、一様腐食の場合Ｆｅ濃度が０．２％以上添加されると耐腐食効果があらわれるが、Ｆｅ濃度を０．２５％以上とすることではじめてシャドウ腐食抑制効果があらわれる。図１はシャドウ腐食部の酸化膜厚に対するＦｅ濃度依存性を示した線図である。図１から０．３５％以上で最も大きいシャドウ腐食耐性が得られ、それ以上の濃度ではＦｅ濃度による耐腐食効果に変化はみられないことがわかる。
【００２４】
従って、Ｚｒ基合金の被覆管での材料特性や金属間化合物などの影響を考慮するとシャドウ腐食抑制に対するＦｅ濃度は０．２５〜０．５０％の範囲が有効であり、最適値は０．３５％〜０．５０％であることがわかった。従来のＺｒ基合金、例えばＺｒｙ−２は重量比でＳｎ：１．２〜１．７％、Ｆｅ：０．０７〜０．２０％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％、Ｎｉ：０．０３〜０．０８％および残部Ｚｒで調製されているが、本発明における高Ｆｅ含有のＺｒ基合金の成分はＳｎ１．２〜１．７ｗｔ％、Ｆｅ０．２５〜０．５０ｗｔ％、Ｃｒ０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ０．０５〜０．１０ｗｔ％、残部をＺｒから構成される。また、先に述べたようにＦｅ濃度を高めたＺｒ基合金は一様腐食に対する耐腐食効果があることが知られ、長期サイクルにおける水素吸収量を低減できるため高燃焼度用燃料としても適用することができる。
【００２５】
一方、被覆管のみならずＮｉ基合金スペーサに対しても前記の表面予備酸化処理を施すことでよりシャドウ腐食を低減できることがわかった。
【００２６】
図２は表面予備酸化処理の防食効果を示す説明図であり、ａ図は被覆管とスペーサとの関係を示す説明図であり、ｂ図は酸化膜厚さの経時変化を示す線図である。表面予備酸化処理による防食効果を調べるために次のような実験を行った。被覆管２１とスペーサ２２とをａ図に示すような位置に配置し、ＢＷＲ環境下においてシャドウ腐食模擬試験を実施した。被覆管には現行のＺｒｙ−２と、現行のＺｒｙ−２組成のうちＦｅを０．３５％にした改良ジルコニウム合金としての高ＦｅＺｒｙ−２を、またスペーサ部材には炉心構造材として使用されているＮｉ基合金であるインコネルを用意し、それぞれ表面予備酸化処理を施した。
【００２７】
図２のｂ図に示すように従来のＺｒｙ−２被覆管の場合、試験開始初期では酸化被膜による防食効果が現れているが、酸化膜剥離が生じると酸化膜が急激に成長しているのが分かる（シャドウ腐食）。一方、本発明における高ＦｅＺｒｙ−２被覆管の場合、Ｚｒｙ−２と比較して一様な腐食量も低く、酸化膜剥離が生じないため著しい腐食は認められず、従来の軽水炉燃料集合体よりもシャドウ腐食耐性に優れていることがわかった。
【００２８】
ところで、Ｚｒ合金被覆管の製作工程における熱処理条件と耐食性には図３のような関係が知られており、
ΣＡｉ＝Σｔｉ × ｅｘｐ（−４００００／Ｔｉ）
（但し、Ｔｉは焼鈍温度Ｋ、ｔｉは焼鈍時間ｈを示す）で定義される累積焼鈍パラメータΣＡｉを１×１０^−１９ ≦ΣＡｉ≦２×１０^−１８に制御することにより高燃焼度での耐食性を高め、水素吸収の加速を抑制できることが知られているが、さらにシャドウ腐食の感受性を考慮すると、高ＦｅＺｒｙ−２では２×１０^−１８ ≦ΣＡｉ≦５×１０^−１７が最適値であることがわかった。
【００２９】
ここで、表面予備酸化処理における熱処理は累積焼鈍パラメータΣＡｉに対して十分小さいため無視できる。この熱処理条件はシャドウ腐食抑制の観点から、表面予備酸化処理を施さない場合においてもＺｒ基合金をベースとし、Ｎｉ基合金のスプリングを組み合わせたスペーサに対しても適用可能である。
【００３０】
また、一般に燃料集合体に使用されるＮｉ基合金は構造材として十分な強度を持つために以下の組成からなるものが使用されている。
【００３１】
Ｎｉ（＋Ｃｏ）：７０．００％以上、
Ｃｒ：１４．００〜１７．００％、
Ｆｅ：５．００〜９．００％、
Ｔｉ：２．２５〜２．７５％、
Ａｌ：０．４０〜１．００％、
Ｎｂ（＋Ｔａ）：０．７０〜１．２０％、
Ｍｎ：０より大きく、１．００％以下、
Ｓｉ：０より大きく、０．５０％以下、
Ｓ：０より大きく、０．０１０％以下、
Ｃｕ：０より大きく、０．５０％以下、
Ｃ：０より大きく、０．０８％以下
の成分をもつＮｉ基合金、又は
Ｎｉ（＋Ｃｏ）：５０．００〜５５．００％、
Ｃｒ：１７．００〜２１．００％、
Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、
Ａｌ：０．２０〜０．８０％、
Ｎｂ（＋Ｔａ）：４．７５〜５．５０％、
Ｍｎ：０より大きく、０．３５％以下、
Ｓｉ：０より大きく、０．３５％以下、
Ｓ：０より大きく、０．０１５％以下、
Ｃｕ：０より大きく、０．３０％以下、
Ｃ：０より大きく、０．０８％以下、
Ｃｏ：０より大きく、１．００％以下、
Ｐ：０より大きく、０．０１５％以下、
Ｂ：０より大きく、０．００６％以下、
実質的に残りの成分がＦｅ
【００３２】
本発明における燃料集合体は、前記高ＦｅＺｒｙ−２被覆管と、Ｎｉ基合金を本体を含む全部又はスプリングのみに使用したスペーサとに対し表面予備酸化処理を施したものにより構成される。
【００３３】
また、被覆管に対し表面予備酸化処理を施した場合、被覆管内に燃料ペレットを密封するための端栓の溶接が困難になる。従来、端栓の溶接はアーク溶接により行なっていたが、被覆管に酸化被膜が形成されている状態では酸化被膜が不動態として作用するためアーク溶接は難しく、溶接部外表面の酸化被膜を取り除く必要がある。これに対しアーク溶接に代わって抵抗溶接により端栓を密封する方法が有効である。抵抗溶接では管端面部のみの酸化被膜を除去するのみで十分に密封できるため、工程が短縮でき合理的である。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の沸騰水型軽水炉用燃料集合体の実施例を図４に示す。図４において、被覆管４１は、合金成分がＳｎ１．２〜１．７ｗｔ％、Ｆｅ０．２５〜０．５０ｗｔ％、Ｃｒ０．０５〜０．１５ｗｔ％、Ｎｉ０．０５〜０．１０ｗｔ％、残部Ｚｒの改良ジルコニウム合金からなっており、高燃焼度における耐水素吸収性に優れている。被覆管４１内には核燃料ペレットが充填され、両端開口部を上部および下部の各端栓で抵抗溶接により密封溶接した構造となっている。
【００３５】
また、スペーサ４２は、水素吸収の問題のないＮｉ基合金であり、合金成分としてＮｉ（＋Ｃｏ）：７０．００％以上、Ｃｒ：１４．００〜１７．００％、Ｆｅ：５．００〜９．００％、Ｔｉ：２．２５〜２．７５％、Ａｌ：０．４０〜１．００％、Ｎｂ（＋Ｔａ）：０．７０〜１．２０％、Ｍｎ：１．００％以下、Ｓｉ：０．５０％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｃｕ：０．５０％以下、Ｃ：０．０８％以下の成分をもつＮｉ基合金、あるいはＮｉ（＋Ｃｏ）：５０．００〜５５．００％以上、Ｃｒ：１７．００〜２１．００％、Ｔｉ：０．６５〜１．１５％、Ａｌ：０．２０〜０．８０％、Ｎｂ（＋Ｔａ）：４．７５〜５．５０％、Ｍｎ：０．３５％以下、Ｓｉ：０．３５％以下、Ｓ：０．０１５％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｃ：０．０８％以下、Ｃｏ：１．００％以下、Ｐ：０．０１５％以下、Ｂ：０．００６％以下、実質的に残りの成分がＦｅより成っている。
【００３６】
また、被覆管４１およびスペーサ４２の表面には酸化被膜４３が被覆されている。この酸化被膜４３の構造は緻密であり、不動態として作用しシャドウ腐食の抑制効果がある。この酸化被膜４３は被覆管４１およびスペーサ４２製造時において大気の０．５倍〜２倍の酸素分圧条件下で熱処理を施すことにより形成され、その厚さは被覆管で１μｍ以上、スペーサにおいては１０ｎｍ以上で十分なシャドウ腐食抑制効果が得られる。
【００３７】
ａ図は被覆管のみに表面予備酸化処理を施した場合の使用例であり、また、ｂ図はスペーサのみに表面予備酸化処理を施した場合の使用例である。ｃ図は被覆管およびスペーサに対して表面予備酸化処理を施し、使用した場合の例である。ａ図、ｂ図に示すように、単体で用いてもシャドウ腐食抑制効果があり、ｃ図のように併用した場合にもっとも大きいシャドウ腐食抑制効果が得られる。
【００３８】
以上の実施例により、ジルコニウム合金被覆管およびＮｉ基合金スペーサの使用において問題となるシャドウ腐食を抑制することで４５Ｇｗｄ／ｔ以上の高燃焼度においても被覆管の水素吸収を抑制し、またスペーサの水素吸収の問題を回避することができる信頼性の高い沸騰水型軽水炉用燃料集合体を提供することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は以上説明した通り、ジルコニウム合金を成分とした被覆管およびＮｉ基合金スペーサーに対し、表面予備酸化処理を施すことによって大幅にシャドウ腐食を抑制し、高燃焼サイクルにおいても水素吸収量が少ない燃料集合体を提供することができる。また、Ｎｉ基合金がスペーサ部材として使用可能となることでスペーサ部の水素吸収を回避できるだけでなく、薄肉で圧力損失の少ない信頼性に優れた燃料集合体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シャドウ腐食部の酸化膜厚に対するＦｅ濃度依存性を示した線図である。
【図２】表面予備酸化処理の防食効果を示す説明図であり、ａ図は被覆管とスペーサとの関係を示す説明図であり、ｂ図は酸化膜厚さの経時変化を示す線図である。
【図３】Ｚｒ合金被覆管の製作工程における熱処理条件と耐食性との関係を示す線図である。
【図４】本発明の沸騰水型軽水炉用燃料集合体の一実施例を示す説明図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel assembly for a boiling water type light water reactor.
[0002]
[Prior art]
Among members used as a fuel assembly for a light water reactor, a boiling water type light water reactor (BWR) mainly uses a zircaloy cladding tube and a zircaloy spacer. However, the high burnup of light water reactor fuel has progressed, and with high burnup fuel exceeding 45 GWd / t, an increase in the hydrogen absorption amount of the cladding tube and spacer has become a problem.
[0003]
Hydrogenation of cladding tubes and components has been a problem with high burnup fuel exceeding 45 GWd / t in BWR. In the cladding tube, the development of an improved alloy is in progress, which is effective for hydrogen absorption.
[0004]
On the other hand, it is conceivable to reduce the spacer member by using the same improved alloy as that of the cladding tube, but the spacer is formed on both sides of the plate against the cladding tube that absorbs hydrogen only from the outer surface in contact with the coolant. As it is exposed to coolant, the amount of hydrogen absorbed is high and is not a drastic measure. Therefore, the adoption of a Ni-based alloy that does not have a problem regarding hydrogen absorption for the spacer member has been studied.
[0005]
As a result, the use of Ni-based alloy spacers not only solves the problem of hydrogen absorption compared to conventional Zr-based alloy spacers, but also has a high strength, so that the thickness of the spacer material can be reduced and high combustion is achieved. This can contribute to a significant improvement in fuel performance, such as a significant improvement in the critical output characteristics and a reduction in assembly pressure loss in the design of fuel. In addition, by optimizing the spacer characteristics and axial arrangement, the pressure loss due to the spacer is reduced to improve nuclear thermal hydraulic stability, while maintaining and improving the thermal margin for boiling transitions and limiting output. Characteristics can be maintained and improved. (See Patent Document 1)
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-264768
[Problems to be solved by the invention]
However, when a Ni-based alloy is used for the spacer member, a phenomenon called a shadow corrosion where the oxide film is locally thickened occurs on the contact surface or the facing surface between the Ni-based alloy and the Zircaloy-coated tube. Shadow corrosion is abnormal corrosion that occurs when the distance between the cladding tube and the dissimilar metal is close, and as its mechanism, electrochemical galvanic corrosion or the like is considered.
[0008]
Since shadow corrosion may cause an oxide film reaching several hundred μm compared to uniform corrosion, it may lead to fuel damage, which is a major demerit for using Ni-based alloys as spacer members. Inconel spacers have never been used as high burnup fuel spacers in BWRs in Japan.
[0009]
The present invention is a highly reliable boiling water type fuel assembly that can suppress shadow corrosion even when a Ni-based alloy spacer is used for the high burnup fuel exceeding 45 GWd / t in the background, and has low hydrogen absorption and high reliability. The purpose is to obtain a body.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A fuel assembly for a boiling water type light water reactor according to the invention described in claim 1 is a fuel assembly for high burnup of 45 GWd / t or more, and a predetermined number of fuel pellets are filled in a fuel cladding tube. A rod-like element including a plurality of sealed fuel rods and a water pipe having a diameter larger than that of the fuel rods is arranged in a square lattice shape and is supported at a plurality of locations spaced in the longitudinal direction by a plurality of spacer members. In fuel assemblies for boiling water light water reactors,
The composition of the fuel cladding tube is Sn 1.2 to 1.7 wt%,
Larger than Fe 0.35, 0.50 wt% or less ,
Cr 0.05-0.15 wt%,
Ni 0.05-0.10 wt%,
Remainder Zr
An improved zirconium alloy having the composition:
The spacer member is mainly made of a Ni-based alloy, and
An oxide film formed by surface pre-oxidation film treatment is provided on the surface of either or both of the cladding tube and the spacer member.
[0011]
The fuel assembly for a boiling water type light water reactor according to the invention described in claim 2 is such that the surface pre-oxidation coating treatment according to claim 1 is performed under an oxygen partial pressure condition of 0.5 to 2 times atmospheric pressure. The heat treatment temperature is 525 ° C. and the heat treatment time is a maximum of 24 hours.
The thickness of the oxide film formed is 1 μm or more for the cladding tube and 10 nm or more for the spacer member.
[0012]
In the fuel assembly for a boiling water type light water reactor according to the invention described in claim 3, the entire spacer member according to claim 1 or 2 or the spring portion in contact with the cladding tube is made of a Ni-based alloy,
The composition of the Ni-based alloy is Ni (+ Co): 70.00% or more,
Cr: 14.00-17.00%,
Fe: 5.00 to 9.00%,
Ti: 2.25 to 2.75%,
Al: 0.40 to 1.00%,
Nb (+ Ta): 0.70 to 1.20%,
Mn: greater than 0 and 1.00% or less,
Si: greater than 0 and 0.50% or less,
S: greater than 0 and 0.010% or less,
Cu: larger than 0 and 0.50% or less,
C: greater than 0 and 0.08% or less or Ni (+ Co): 50.00 to 55.00%,
Cr: 17.00 to 21.00%,
Ti: 0.65 to 1.15%,
Al: 0.20 to 0.80%
Nb (+ Ta): 4.75-5.50%,
Mn: greater than 0 and 0.35% or less,
Si: larger than 0 and 0.35% or less,
S: larger than 0 and 0.015% or less,
Cu: larger than 0 and 0.30% or less,
C: greater than 0 and 0.08% or less,
Co: greater than 0 and 1.00% or less,
P: greater than 0 and 0.015% or less,
B: greater than 0 and 0.006% or less,
Substantially the remaining components are Fe
It is characterized by being.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a fuel assembly for a boiling water type light water reactor, wherein the spacer member according to the first or second aspect comprises a spacer body made of the improved zirconium alloy and the spring made of a Ni-based alloy. It is characterized by including.
[0014]
The fuel assembly for a boiling water type light water reactor according to the invention described in claim 5 is an improved zirconium alloy according to any one of claims 1, 2 or 4, and an annealing parameter ΣAi at the time of annealing is It is controlled to be 2 × 10 ⁻¹⁸ ≦ ΣAi ≦ 5 × 10 ⁻¹⁷ .
[0015]
The fuel assembly for a boiling water type light water reactor according to the invention described in claim 6 has an end plug for sealing the cladding tube loaded with the fuel pellet according to any one of claims 1, 2, 4 or 5. It is characterized by being welded to the cladding tube by resistance welding.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As for nodular corrosion and uniform corrosion, it is known that a dense oxide film on the cladding tube is an effective reduction measure against corrosion. This is because a dense oxide film acts as a passive to corrosion caused by electrochemical things.
[0017]
On the other hand, an oxide film is formed by uniform corrosion or the like in the normal operation of the nuclear reactor, but such an oxide film has a rough structure, and such an oxide film cannot provide an anticorrosion effect. Therefore, in order to attach a dense oxide film having an insulating effect sufficient to prevent abnormal corrosion of the fuel cladding tube on the alloy surface, it is necessary to operate under an oxygen partial pressure condition of 0.5 to 2 times atmospheric pressure. Oxidation treatment is effective.
[0018]
However, conventionally used zircaloy-2 (Zry-2; alloy component Sn: 1.2 to 1.7%, Fe: 0.07 to 0.20%, Cr: 0.05 to 0.15%, Ni: 0.03-0.08%, Zr: balance) Even if the surface pre-oxidation treatment as described above is performed on the cladding tube, the oxide film is peeled off, so that a sufficient effect is obtained against shadow corrosion. I couldn't.
[0019]
Therefore, when the alloy components of the cladding tube were examined, the Fe concentration was set to 0.25% or more, preferably 0.35% or more, and the lower limit value of Ni was set to 0.05% compared to the conventional Zry-2. In addition, the present inventors have found that the use of the surface oxidation treatment together suppresses the oxide film peeling and provides a great anticorrosion effect against shadow corrosion, and has led to the present invention.
[0020]
The present invention is a fuel assembly for high burnup of 45 GWd / t or more, a plurality of fuel rods filled with a predetermined number of fuel pellets in a fuel cladding tube, and a diameter larger than that of the fuel rods In a fuel assembly for a boiling water type light water reactor, in which rod-shaped elements including a water pipe are arranged in a square lattice and supported at a plurality of locations spaced apart in the longitudinal direction by a plurality of spacer members,
The composition of the fuel cladding tube is Sn 1.2 to 1.7 wt%,
Fe 0.25 to 0.50 wt%,
Cr 0.05-0.15 wt%,
Ni 0.05-0.10 wt%,
Remainder Zr
An improved zirconium alloy having the composition:
The spacer member is mainly made of a Ni-based alloy, and
A surface preliminary oxide film treatment is applied to both or one of the cladding tube and the spacer.
[0021]
As a result, for high burnup fuel exceeding 45 GWd / t, shadow corrosion can be suppressed even if a Ni-based alloy spacer is used, hydrogen absorption is low, and a highly reliable boiling water fuel assembly can be obtained. .
[0022]
The oxide film formed by the surface pre-oxidation film treatment of the present invention is a heat treatment condition in which the heat treatment temperature is a maximum of 525 ° C. and the heat treatment time is a maximum of 24 h under oxygen partial pressure conditions of 0.5 to 2 times atmospheric pressure. The thickness of the formed oxide film is 1 μm or more for the cladding tube and 10 nm or more for the spacer member. Thereby, an oxide film sufficient for suppressing shadow corrosion can be formed without changing the material characteristics obtained in the manufacturing process.
[0023]
It is known that a Zr-based alloy with an increased Fe concentration has a corrosion resistance effect against uniform corrosion. In the case of uniform corrosion, a corrosion resistance effect appears when the Fe concentration is 0.2% or more. Only when the concentration is 0.25% or more, an effect of suppressing shadow corrosion appears. FIG. 1 is a diagram showing the Fe concentration dependence on the oxide film thickness of the shadow corrosion part. It can be seen from FIG. 1 that the greatest shadow corrosion resistance is obtained at 0.35% or more, and that the corrosion resistance effect due to Fe concentration is not changed at concentrations higher than that.
[0024]
Therefore, when considering the influence of the material characteristics, intermetallic compounds, etc. on the cladding tube of the Zr-based alloy, the Fe concentration with respect to shadow corrosion inhibition is effectively in the range of 0.25 to 0.50%, and the optimum value is 0.35. % To 0.50%. Conventional Zr-based alloys, such as Zry-2, are Sn: 1.2 to 1.7%, Fe: 0.07 to 0.20%, Cr: 0.05 to 0.15%, Ni: 0 by weight ratio. 0.03 to 0.08% and the balance Zr, but the composition of the high Fe content Zr-based alloy in the present invention is Sn 1.2 to 1.7 wt%, Fe 0.25 to 0.50 wt%, Cr 0. 05 to 0.15 wt%, Ni 0.05 to 0.10 wt%, and the balance is composed of Zr. In addition, as described above, Zr-based alloys with an increased Fe concentration are known to have a corrosion-resistant effect against uniform corrosion, and can be applied as high burn-up fuels because hydrogen absorption can be reduced in long-term cycles. be able to.
[0025]
On the other hand, it was found that shadow corrosion can be further reduced by performing the surface pre-oxidation treatment not only on the cladding tube but also on the Ni-based alloy spacer.
[0026]
FIG. 2 is an explanatory view showing the anticorrosion effect of the surface pre-oxidation treatment, FIG. 2A is an explanatory view showing the relationship between the cladding tube and the spacer, and FIG. 2B is a diagram showing a change with time of the oxide film thickness. . In order to investigate the anticorrosion effect by the surface pre-oxidation treatment, the following experiment was conducted. The cladding tube 21 and the spacer 22 were arranged at positions as shown in FIG. A, and a shadow corrosion simulation test was performed in a BWR environment. The current Zry-2 is used for the cladding tube, and high FeZry-2 as an improved zirconium alloy in which Fe is 0.35% of the current Zry-2 composition. The spacer member is used as a core structure material. Inconel, which is a Ni-based alloy, was prepared, and each surface was pre-oxidized.
[0027]
As shown in FIG. 2b, in the case of the conventional Zry-2 cladding tube, the anticorrosion effect by the oxide film appears at the beginning of the test, but when the oxide film is peeled off, the oxide film grows rapidly. (Shadow corrosion). On the other hand, in the case of the high FeZry-2 cladding tube according to the present invention, the uniform corrosion amount is also lower than that of Zry-2, and no oxide film peeling occurs, so that no significant corrosion is observed. It was also found to be excellent in shadow corrosion resistance.
[0028]
By the way, the relationship as shown in FIG. 3 is known for the heat treatment conditions and the corrosion resistance in the production process of the Zr alloy coated tube.
ΣAi = Σti × exp (−40000 / Ti)
(However, Ti represents the annealing temperature K, and ti represents the annealing time h). By controlling the cumulative annealing parameter ΣAi defined by 1 × 10 ⁻¹⁹ ≦ ΣAi ≦ 2 × 10 ⁻¹⁸ , corrosion resistance at high burnup is achieved. It is known that the acceleration of hydrogen absorption can be suppressed, but considering the sensitivity of shadow corrosion, 2 × 10 ⁻¹⁸ ≦ ΣAi ≦ 5 × 10 ⁻¹⁷ is the optimum value for high FeZry-2 I understood.
[0029]
Here, the heat treatment in the surface pre-oxidation treatment is negligible because it is sufficiently small with respect to the cumulative annealing parameter ΣAi. This heat treatment condition is also applicable to a spacer based on a Zr-based alloy and combined with a Ni-based alloy spring from the viewpoint of suppressing shadow corrosion even when the surface pre-oxidation treatment is not performed.
[0030]
In general, Ni-based alloys used for fuel assemblies have the following composition in order to have sufficient strength as a structural material.
[0031]
Ni (+ Co): 70.00% or more,
Cr: 14.00-17.00%,
Fe: 5.00 to 9.00%,
Ti: 2.25 to 2.75%,
Al: 0.40 to 1.00%,
Nb (+ Ta): 0.70 to 1.20%,
Mn: greater than 0 and 1.00% or less,
Si: greater than 0 and 0.50% or less,
S: greater than 0 and 0.010% or less,
Cu: larger than 0 and 0.50% or less,
C: Ni-based alloy having a component greater than 0 and 0.08% or less, or Ni (+ Co): 50.00 to 55.00%,
Cr: 17.00 to 21.00%,
Ti: 0.65 to 1.15%,
Al: 0.20 to 0.80%
Nb (+ Ta): 4.75-5.50%,
Mn: greater than 0 and 0.35% or less,
Si: larger than 0 and 0.35% or less,
S: larger than 0 and 0.015% or less,
Cu: larger than 0 and 0.30% or less,
C: greater than 0 and 0.08% or less,
Co: greater than 0 and 1.00% or less,
P: greater than 0 and 0.015% or less,
B: greater than 0 and 0.006% or less,
Substantially the remaining components are Fe
[0032]
The fuel assembly according to the present invention is configured by subjecting the high FeZry-2 cladding tube and the Ni-based alloy to the entire body including the main body or a spacer used only for the spring, to surface pre-oxidation treatment.
[0033]
Further, when the surface pre-oxidation treatment is performed on the cladding tube, it becomes difficult to weld an end plug for sealing the fuel pellet in the cladding tube. Conventionally, the end plugs are welded by arc welding. However, when an oxide film is formed on the cladding tube, the oxide film acts as a passive state, so arc welding is difficult, and the oxide film on the outer surface of the weld is removed. There is a need. On the other hand, a method of sealing the end plugs by resistance welding instead of arc welding is effective. In resistance welding, since it can be sufficiently sealed only by removing the oxide film only on the pipe end face, the process can be shortened and is rational.
[0034]
【Example】
FIG. 4 shows an embodiment of a boiling water type light water reactor fuel assembly according to the present invention. In FIG. 4, the cladding tube 41 is composed of Sn 1.2-1.7 wt%, Fe 0.25-0.50 wt%, Cr 0.05-0.15 wt%, Ni 0.05-0.10 wt%, and the balance Zr. It is made of an improved zirconium alloy and has excellent hydrogen absorption resistance at high burnup. The cladding tube 41 is filled with nuclear fuel pellets, and both end openings are sealed and welded by resistance welding with upper and lower end plugs.
[0035]
The spacer 42 is a Ni-based alloy that does not have a problem of hydrogen absorption. Ni (+ Co): 70.00% or more, Cr: 14.00-17.00%, Fe: 5.00-9 0.000%, Ti: 2.25 to 2.75%, Al: 0.40 to 1.00%, Nb (+ Ta): 0.70 to 1.20%, Mn: 1.00% or less, Si: Ni-based alloy having components of 0.50% or less, S: 0.010% or less, Cu: 0.50% or less, C: 0.08% or less, or Ni (+ Co): 50.00 to 55.00 % Or more, Cr: 17.00 to 21.00%, Ti: 0.65 to 1.15%, Al: 0.20 to 0.80%, Nb (+ Ta): 4.75 to 5.50%, Mn: 0.35% or less, Si: 0.35% or less, S: 0.015% or less, Cu: 0.30% or less, C: 0 08% or less, Co: 1.00% or less, P: 0.015% or less, B: 0.006% or less, is made from Fe substantially remaining ingredients.
[0036]
The surfaces of the cladding tube 41 and the spacer 42 are covered with an oxide film 43. The structure of the oxide film 43 is dense and acts as a passivating and has an effect of suppressing shadow corrosion. The oxide film 43 is formed by performing heat treatment under the oxygen partial pressure condition of 0.5 to 2 times that of the atmosphere when the cladding tube 41 and the spacer 42 are manufactured, and the thickness thereof is 1 μm or more in the cladding tube. A sufficient shadow corrosion inhibiting effect can be obtained at 10 nm or more.
[0037]
Fig. a shows an example of use when surface pre-oxidation treatment is applied only to the cladding tube, and Fig. b shows an example of use when surface pre-oxidation treatment is applied only to the spacer. FIG. c shows an example in which the surface pre-oxidation treatment is applied to the cladding tube and the spacer. As shown in FIGS. a and b, even when used alone, there is a shadow corrosion inhibiting effect, and when used together as shown in FIG. c, the greatest shadow corrosion inhibiting effect is obtained.
[0038]
By the above embodiment, by suppressing the shadow corrosion which is a problem in the use of the zirconium alloy cladding tube and the Ni-based alloy spacer, the hydrogen absorption of the cladding tube is suppressed even at a high burnup of 45 Gwd / t or more. A highly reliable fuel assembly for a boiling water light water reactor that can avoid the problem of hydrogen absorption can be provided.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, the present invention significantly suppresses shadow corrosion by applying surface pre-oxidation treatment to the cladding tube and Ni-based alloy spacer containing zirconium alloy as a component, and the hydrogen absorption amount is small even in a high combustion cycle. A fuel assembly can be provided. Further, since the Ni-based alloy can be used as a spacer member, not only hydrogen absorption of the spacer portion can be avoided, but also a fuel assembly that is thin and has low pressure loss and excellent reliability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the Fe concentration dependence on the oxide film thickness of a shadow corrosion part.
FIG. 2 is an explanatory view showing the anticorrosive effect of surface pre-oxidation treatment, FIG. A is an explanatory view showing a relationship between a cladding tube and a spacer, and FIG. is there.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between heat treatment conditions and corrosion resistance in the production process of a Zr alloy-coated tube.
FIG. 4 is an explanatory view showing an embodiment of a fuel assembly for a boiling water light water reactor according to the present invention.

Claims

A fuel assembly for high burnup of 45 GWd / t or more, comprising a plurality of fuel rods filled with a predetermined number of fuel pellets in a fuel cladding tube and a water tube having a diameter larger than that of the fuel rod. In a fuel assembly for a boiling water type light water reactor, in which rod-shaped elements are arranged in a square lattice and supported at a plurality of positions spaced apart in the longitudinal direction by a plurality of spacer members,
The composition of the fuel cladding tube is Sn 1.2 to 1.7 wt%,
Larger than Fe 0.35, 0.50 wt% or less ,
Cr 0.05-0.15 wt%,
Ni 0.05-0.10 wt%,
Remainder Zr
An improved zirconium alloy having the composition:
The spacer member is mainly made of a Ni-based alloy, and
A fuel assembly for a boiling water type light water reactor, comprising an oxide film formed by surface pre-oxidation film treatment on the surface of either or both of the cladding tube and the spacer member.

The surface preliminary oxide film treatment is performed under heat treatment conditions of a heat treatment temperature of 525 ° C. and a heat treatment time of up to 24 hours under an oxygen partial pressure condition of 0.5 to 2 times atmospheric pressure.
2. The fuel assembly for a boiling water type light water reactor according to claim 1, wherein the thickness of the formed oxide film is 1 μm or more for the cladding tube and 10 nm or more for the spacer member.

The spring portion that contacts the entire spacer member or the cladding tube is made of a Ni-based alloy,
The composition of the Ni-based alloy is Ni (+ Co): 70.00% or more,
Cr: 14.00-17.00%,
Fe: 5.00 to 9.00%,
Ti: 2.25 to 2.75%,
Al: 0.40 to 1.00%,
Nb (+ Ta): 0.70 to 1.20%,
Mn: greater than 0 and 1.00% or less,
Si: greater than 0 and 0.50% or less,
S: greater than 0 and 0.010% or less,
Cu: larger than 0 and 0.50% or less,
C: greater than 0 and not more than 0.08% or Ni (+ Co): 50.00-55.00%
Cr: 17.00 to 21.00%,
Ti: 0.65 to 1.15%,
Al: 0.20 to 0.80%
Nb (+ Ta): 4.75-5.50%,
Mn: greater than 0 and 0.35% or less,
Si: larger than 0 and 0.35% or less,
S: larger than 0 and 0.015% or less,
Cu: larger than 0 and 0.30% or less,
C: greater than 0 and 0.08% or less,
Co: greater than 0 and 1.00% or less,
P: greater than 0 and 0.015% or less,
B: greater than 0 and 0.006% or less,
Substantially the remaining components are Fe
The fuel assembly for a boiling water light water reactor according to claim 1 or 2, wherein the fuel assembly is for a boiling water reactor.

The fuel assembly for a boiling water type light water reactor according to claim 1 or 2, wherein the spacer member includes a spacer body made of the improved zirconium alloy and the spring made of a Ni-based alloy.

The improved zirconium alloy is an annealed material, and an annealing parameter ΣAi at the time of annealing is controlled to 2 × 10 ⁻¹⁸ ≦ ΣAi ≦ 5 × 10 ⁻¹⁷ . The fuel assembly for a boiling water light water reactor according to any one of the above.

The boiling point according to any one of claims 1, 2, 4, and 5, wherein an end plug for sealing the cladding tube loaded with the fuel pellets is welded to the cladding tube by resistance welding. Fuel assembly for water-type light water reactors.