JP4434884B2 - 燃料被覆管及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、原子力発電所の運転効率向上の観点から高温高圧下で使用できる燃料被覆管及びその製造方法に関する。
近年、沸騰水型軽水炉（以下、ＢＷＲという）の燃料被覆管は、ジルコニウムライナ管が利用されている。この従来の沸騰水型軽水炉の燃料被覆管の構成について、図５に示す。この燃料被覆管３は、最外周の基材として被覆管本体１より形成される。この被覆管本体１の内側にジルコニウムライナ素管２が使用されている（例えば、特許文献１参照）。
このＢＷＲにおける被覆管本体１は、高温における力学的強度が十分あること、原子炉の冷却水との反応が小さいこと、熱中性子の吸収が小さいこと等の観点から、ジルコニウム金属材料が使用されている。このとき、純ジルコニウムのままでは高温水の耐食性や強度の面で不十分であることから、合金元素としてＳｎ、Ｆｅ、Ｃｒ，Ｎｉ等の金属元素が微量添加されたジルコニウム基合金、例えばジルカロイ(商標)が広く使用されている。このときの各元素の主な添加目的は、Ｓｎは機械的特性の向上、Ｆｅ、Ｃｒ，Ｎｉが機械的特性及び耐食性の向上である。
ところで、ジルコニウム合金製の被覆管本体１は中性子の照射を受けると照射脆化し、応力腐蝕割れによる破損が起き易くなる。また、燃料被覆管３内に装荷された燃料ペレット（図示せず）は、中性子の照射を受けると体積膨張し、燃料被覆管３の内面を長期間押し付けて変形させる恐れがある。この燃料被覆管３と燃料ペレットの相互作用をペレット被覆管相互作用という。このペレット被覆管相互作用は、ジルコニウム合金製の被覆管本体１の内面にジルカロイ合金に比べて軟質な純ジルコニウム製の被覆管ライナ２を内張りすることによって抑制される。
このように構成されたＢＷＲの燃料被覆管３は、最外周の基材としてジルカロイ製被覆管本体１より形成し、この被覆管本体１の内側にジルコニウムライナ素管２を介在させて、ＢＷＲの高温高圧運転の下で供用されている。
特開平８−２１１１７６号公報
しかしながら、現行のＢＷＲは、運転効率の向上の観点から、より高温高圧下で利用できる高性能な燃料被覆管の開発が課題となっている。
将来型軽水炉は、高効率化が最大の目的の1つであり、そのためには燃料被覆管の伝熱特性向上、運転温度の高温、高圧化を検討する必要がある。４００℃以上の高温では、ジルカロイは強度不足となるため、より高温強度に優れた材料を利用しなければならない。一例として、高速増殖炉で利用されているステンレス鋼が挙げられる。ステンレス鋼は、以前は軽水炉でも利用されていたが、現在は中性子経済にすぐれたジルカロイが使われている。ステンレス鋼を被覆管材として利用するためには、中性子経済の不利益以上の有益性を見出す必要がある。
高温高圧でのＢＷＲ運転中の下では、燃料ペレットは現行のＢＷＲの場合よりも長期間稼動されるために中性子照射が増加してより照射脆化し、応力腐蝕割れによる破損が起き易くなる。また、燃料被覆管３内に装荷された燃料ペレットは、現行のＢＷＲの場合よりも中性子の照射を受けて体積膨張し、燃料被覆管の内面を長期間押し付けて変形させる恐れがある。このペレット被覆管相互作用は、ジルコニウム合金製の被覆管本体１の内面にジルカロイ合金に比べて軟質な純ジルコニウム製のライナ２を内張りすることによって抑制することになる。今後の燃料被覆管の開発においてもこの被覆管ライナ２の存在が重要な構成要素となり、より機能性を向上させる必要がある。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、今後の高効率原子炉における運転条件の高温高圧化に対応するために、高温強度、高温での優れた耐食性、燃料との相互作用の抑制を図れる燃料被覆管材を製造できる燃料被覆管及びその製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、多数の燃料ペレットを挿入する燃料被覆管において、最外周の基材となるステンレス鋼又はニッケル基合金から成る被覆管本体と、この被覆管本体の内側にジルコニウムから形成される被覆管ライナ層と、前記被覆管本体と被覆管ライナ層との間に介在され、この被覆管本体を形成する材料の格子定数と被覆管ライナ層を形成する材料の格子定数との間の格子定数を有するニオブより形成される中間層と、を有することを特徴とするものである。
また、上記目的を達成するため、本発明は、多数の燃料ペレットを挿入する請求項１記載の燃料被覆管の製造方法において、最外周の基材となるステンレス鋼又はニッケル基合金から成る被覆管本体を製造する被覆管本体製造工程と、この被覆管本体の内側にジルコニウムから形成される被覆管ライナ層を製造する被覆管ライナ層製造工程と、前記被覆管本体と被覆管ライナ層との間に介在され、この被覆管本体を形成する材料の格子定数と被覆管ライナ層を形成する材料の格子定数との間の格子定数を有するニオブより成る中間層を形成する中間層形成工程と、この製造された被覆管本体、中間層及び被覆管ライナ層を組合せて押出して素管を形成する素管形成工程と、この形成された素管を熱処理、冷間圧延及び焼鈍して被覆管を形成する被覆管形成工程と、を有することを特徴とするものである。
本発明によれば、高温強度、高温での優れた耐食性及び燃料との相互作用の抑制を満足する燃料被覆管材を製造することができるので、原子炉の高燃焼度化に対応した燃料被覆管の長期健全性を確保でき、原子炉の運転の高効率化を図ることができる。
以下、本発明に係る燃料被覆管及びその製造方法の実施の形態について、図１乃至図４を参照して説明する。ここで、同一又は類似の部分には共通の符号を付すことにより、重複説明を省略する。
図１は、本発明の実施の形態の燃料被覆管の基本構成を示す模式的斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ矢視方向を切断して示す縦断面図である。
図１及び図２に示すように、多数の燃料ペレット（図示せず）を挿入する燃料被覆管１４は、最外周の基材となる被覆管本体１１を有する。この被覆管本体１１は、一般に、中性子経済にすぐれたジルカロイが使用されている。または、原子炉の運転高効率化の要望が高まり、原子炉の高燃焼度化に対応した燃料被覆管の長期健全性を確保するために、高温強度、高温での優れた耐食性に優れたステンレス鋼又はニッケル基合金が使用される。
この被覆管本体１１の内側には被覆管ライナ層１２が形成される。この被覆管ライナ層１２は、純ジルコニウム又はチタンから製造される。被覆管ライナ層１２の存在により、燃料被覆管と燃料ペレットにおける相互作用であるペレット被覆管相互作用が抑制される。
被覆管本体１１としてジルカロイが使用される場合は、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２との材料組織が極めて類似しているため、長期使用しても問題は生じない。
しかし、被覆管本体１１としてステンレス鋼又はニッケル合金が使用される場合は、
被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２との長期間の接合によりジルコニウムと金属間化合物相を生成する。この生成された金属間化合物相は、脆い相である。このため、被覆管ライナ層１２としてジルコニウムを直接には使用できない。また被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２の結晶構造も異なるため、接合部の整合性も悪く、安定した接合状態を得ることは困難である。
被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２との長期間の接合によりジルコニウムと金属間化合物相を生成する。この生成された金属間化合物相は、脆い相である。このため、被覆管ライナ層１２としてジルコニウムを直接には使用できない。また被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２の結晶構造も異なるため、接合部の整合性も悪く、安定した接合状態を得ることは困難である。
そこで、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２との非整合の緩和、基材との組織改良の方法として、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２の間に中間層１３を設ける。
この中間層１３は、被覆管本体１１を形成する材料が有する格子定数と被覆管ライナ層１２を形成する材料が有する格子定数の間の格子定数を有する材料より形成される。この被覆管本体１１及び被覆管ライナ層１２を形成する両材料の中間の格子定数を有する材料より中間層１３を形成することにより、結晶格子のずれ量を抑制するとともに、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２の両組成が混合して生成される脆い相や析出物の生成を防ぐことができる。
例えば、ジルコニウムとステンレスとの間の格子定数又はジルコニウムとニッケル合金との間の格子定数を有し、鉄、クロム、ニッケルと塊状に成長し易い析出物が生じないものがよい。一例としてニオブがある。被覆管ライナ層１２より薄いニオブより形成された中間層１３を介在させることで、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２との剥離を回避することができる。
ところで、被覆管本体１１がステンレス鋼より製造されている場合、ジルカロイに比べて、中性子経済が悪化する。この中性子経済を改善する方法として、ステンレス鋼の肉厚を薄くすることが挙げられる。
一方で被覆管本体１１の強度向上のためには、肉厚を厚くした方がよい。これらは相反する条件である。ここで、運転効率向上を目指した将来炉は、高温高圧が前提であるが、炉心全体が高温高圧ではなく、熱勾配があることが特徴になっている。一般には、下部から上部に向かうに伴い、温度が高くなる。すなわち、燃料被覆管１４も下部より上部の温度が高くなる。そのため、高温強度に対する条件は上部側で厳しくなる。
そこで、上記相反する条件を満たすため、図１に示すように、被覆管ライナ層１２であるジルコニウム製ライナ肉厚を炉心の上部と下部で変えるようにする。
または被覆管ライナ層１２のライナ肉厚は一定とし、被覆管本体１１の被覆管厚さを上部で厚くする。いずれの場合も、強度が厳しい高温側で燃料被覆管１４全体の肉厚を厚くすることとする。被覆管本体１１の被覆管側を厚くする方が強度上昇には、より望ましいが、中性子経済の点で不利になる。どちらを厚くするかは、原子炉の特徴により決定される。
被覆管本体１１又は被覆管ライナ層１２の肉厚を厚くするための具体的方法として、図１に示すように、上方向に次第に厚くする傾斜式がある。
次に、一段または数段に分けて段階的に肉厚を厚くする段階式の実施の形態についって図３を使用して説明する。
図３において、被覆管本体１１の内面に、ニオブ製の中間層１３を介在させて被覆管ライナ層１２ａを設ける。この被覆管ライナ層１２ａの肉厚を二段又は数段に分けて段階的に厚くする段階式を採用している。
上記のように、被覆管本体１１又は被覆管ライナ層１２、１２ａの肉厚を厚くするための方法として、図１に示す傾斜式を採用するか、又は図３に示す段階式を採用するかは、ＢＷＲの設計仕様、製造方法を考慮して決定することになる。
このように構成された本実施の形態において、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２、１２ａとの間に中間層１３を介在させることにより、結晶格子のずれ量を抑制するとともに、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２、１２ａの両組成が混合することで生成される脆い相や析出物の生成を防ぐことができる。
本実施例の形態によれは、高温高圧下での高温強度、高温での耐食性、燃料との相互作用の抑制を満足する燃料被覆管を製造することができるので、原子炉の高燃焼度化に対応した燃料被覆管の長期健全性を確保でき、原子炉の運転の高効率化を図ることができる。
次に、本発明の実施の形態の燃料被覆管の製造方法について説明する。
図４は、本発明の実施の形態の燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。
被覆管本体製造工程Ｓ１において、最外周の基材となる被覆管本体１１は、一般に、中性子経済にすぐれたジルカロイより製造される。または、原子炉の運転高効率化の要望が高まり、原子炉の高燃焼度化に対応した燃料被覆管の長期健全性を確保するために、高温強度、高温での優れた耐食性に優れたステンレス鋼又はニッケル合金より製造される。ここでは、一例として、被覆管本体１１として外管を形成する。
この被覆管本体製造工程Ｓ１とほぼ並行して、被覆管ライナ層製造工程Ｓ２において、被覆管ライナ層１２が製造される。この被覆管ライナ層１２は、ペレット被覆管相互作用を抑制するために、純ジルコニウム又はチタンから製造される。ここでは、一例として、被覆管ライナ層１２として内管を形成する。
次に、中間層形成工程Ｓ３において、この中間層１３は、薄板、めっき又は蒸着により被覆管ライナ層１２の外周面に形成される。中間層１３は、被覆管ライナ層１２より薄いニオブより製造される。すなわち、この中間層１３は、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２との非整合の緩和、基材との組織改良の方法として、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２の間に設けられる。この中間層１３は、ジルコニウムの格子定数とステンレス鋼との間の格子定数又はジルコニウムの格子定数とニッケル合金の格子定数との間の格子定数を有する材料であって、鉄、クロム、ニッケルと塊状に成長し易い析出物が生じないものとして、本実施の形態ではニオブを使用する。
次に、素管形成工程Ｓ４において、外管としての被覆管本体１１及び中間層１３を外周面に形成した被覆管ライナ層１２を組み合せ押し出して素管を形成する。これらの被覆管本体１１、中間層１３及び被覆管ライナ層１２を組み合せ、真空溶封してビレットを製造する。このビレットを押出して素管を形成する。
この素管形成工程Ｓ４において、前記被覆管ライナ層１２及び被覆管本体１１の少なくとも一方の低温側に比べ高温側の肉厚を厚くする。この場合、被覆管本体１１の低温側に比べ高温側の肉厚を厚くする場合もあり、必要に応じて、被覆管ライナ層１２の低温側に比べ高温側の肉厚を厚くする場合もある。この燃料被覆管１３の肉厚の変更は、押し出し成形をしているので、ノズル径を変えることにより実施される。
なお、被覆管本体製造工程Ｓ１において、被覆管本体１１の低温側に比べ高温側の肉厚を厚くする場合もある。また、被覆管ライナ層製造工程Ｓ２において、必要に応じて、被覆管ライナ層１２の低温側に比べ高温側の肉厚を厚くする場合もある。
被覆管本体１１の被覆管側を厚くする方が強度上昇には、より望ましいが、中性子経済の点で不利になる。被覆管本体１１若しくは被覆管ライナ層１２のどちらを厚くするか又は上述のどちらの製造方法を採用するかは、原子炉の特徴、ＢＷＲの設計仕様及び製造方法等を考慮して決定することになる。
次に、被覆管形成工程Ｓ５において、被覆管本体１１、中間層１３及び被覆管ライナ層１２を組合せて押出して成形した素管を、その後熱処理、冷間圧延、真空焼鈍を繰り返して燃料被覆管１４を形成する。
本実施例の形態によれは、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２との間に中間層１３を介在させることにより、結晶格子のずれ量を抑制するとともに、被覆管本体１１と被覆管ライナ層１２の両組成が混合することで生成される脆い相や析出物の生成を防ぐことができ、高温高圧下での高温強度、高温での耐食性、燃料との相互作用の抑制を満足する燃料被覆管を製造することができる。
１、１１・・・被覆管本体、２、１２、１２ａ・・・被覆管ライナ 、１３・・・中間層、３、１４・・・燃料被覆管
Claims (8)
- 多数の燃料ペレットを挿入する燃料被覆管において、
最外周の基材となるステンレス鋼又はニッケル基合金から成る被覆管本体と、
この被覆管本体の内側にジルコニウムから形成される被覆管ライナ層と、
前記被覆管本体と被覆管ライナ層との間に介在され、この被覆管本体を形成する材料の格子定数と被覆管ライナ層を形成する材料の格子定数との間の格子定数を有するニオブより形成される中間層と、
を有することを特徴とする燃料被覆管。 - 前記被覆管ライナ層は、低温側に比べ高温側の肉厚を厚くすること、を特徴とする請求項１記載の燃料被覆管。
- 前記被覆管本体は、低温側に比べ高温側の肉厚を厚くすること、を特徴とする請求項１記載の燃料被覆管。
- 前記低温側に比べ高温側の肉厚を厚くすることは、肉厚を連続的に変化することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料被覆管。
- 前記低温側に比べ高温側の肉厚を厚くすることは、肉厚を段階的に変化することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料被覆管。
- 前記低温側に比べ高温側の肉厚を厚くすることは、肉厚を２分割にして変化することを特徴とする請求項５記載の燃料被覆管。
- 多数の燃料ペレットを挿入する請求項１記載の燃料被覆管の製造方法において、
最外周の基材となるステンレス鋼又はニッケル基合金から成る被覆管本体を製造する被覆管本体製造工程と、
この被覆管本体の内側にジルコニウムから形成される被覆管ライナ層を製造する被覆管ライナ層製造工程と、
前記被覆管本体と被覆管ライナ層との間に介在され、この被覆管本体を形成する材料の格子定数と被覆管ライナ層を形成する材料の格子定数との間の格子定数を有するニオブより成る中間層を形成する中間層形成工程と、
この製造された被覆管本体、中間層及び被覆管ライナ層を組合せて押出して素管を形成する素管形成工程と、
この形成された素管を熱処理、冷間圧延及び焼鈍して被覆管を形成する被覆管形成工程と、
を有することを特徴とする燃料被覆管の製造方法。 - 前記中間層形成工程は、この中間層を薄板、めっき又は蒸着により前記被覆管ライナ層の外周面に形成するものであること、を特徴とする請求項７記載の燃料被覆管の製造方法。
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