JPH0151948B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は水冷却型原子炉燃料要素における燃料
ペレツトとクラツド（被覆）との相互作用
（PCI）による望ましくない作用を最小とする性
質を有するジルコニウム基合金を使用する核燃料
物質を含有する被覆管に関する。 水冷却型原子炉工業では高ジルコニウム合金か
ら完全になる被覆管が使用されてきた。使用され
る普通の合金の例は、ジルカロイ−２、ジルカロ
イ−４、及びジルコニウム−2.5重量％（Ｗ／Ｏ）
ニオブ合金である。これらの合金はそれらの耐放
射特性、機械的性質、及び高温度水腐食抵抗性に
よつて選択される。 ジルカロイ−２及びジルカロイ−４が開発さ
れ、一方ではジルカロイ−１及びジルカロイ−３
が廃棄された経緯は、エイ・エス・テイー・エ
ム・スペシヤル・テクニカル・パブリケイシヨン
ズ（ASTM Special Technical Publication）、
第368号第３頁〜第27頁（1964）に発表されたス
タンレイ・カス（Stanley Kass）著“ザ・デイ
ベラツプメント・オブ・ザ・ジルカロイ（The
Development of the Zircaloys）”に要約されて
いる。さらにジルカロイの開発に関連する特許
は、米国特許第2772964号、3097094号、3148055
号である。 ジルカロイ−２及びジルカロイ−４の大抵の工
業的な化学上の規格は、事実上エイ・エス・テイ
ー・エム（ASTM）B350−80（合金USN No.
R60802、及びR60804）について公表された要求
に合致する。これらの要求のほかに、これらの合
金の酸素含有量は900ないし1600ppm、代表的に
は約1200±200ppmであることが要求される。 ジルカロイ被覆管を製造するに際して、インゴ
ツトを熱間加工して中間寸法のビレツト又は棒を
造り、得られたビレツトをベータ溶体化処理し、
中空ビレツトに切削加工し、中空ビレツトを高温
アルフア態化押出成形して中空円筒押出成形物と
なし、該押出成形物を各冷間ピルガー式寸法縮小
工程前にアルフア態再結晶アニール工程を備えた
多数の冷間ピルガー式寸法減少減少工程を通すこ
とによつて、実質上最終寸法の被覆管に寸法を減
少させることからなる製造工程が普通実施されて
いる。こうして得た冷間加工した実質上最終寸法
の被覆は、次に最終的にアニールされる。この最
終アニールは応力除去アニール、部分的再結晶ア
ニール又は完全再結晶アニールである。使用され
る最終アニールのタイプは、燃料被覆の機械的性
質についての設計者の仕様に基づいて選定され
る。 前述の被覆を使用する燃料棒の使用時に起こつ
た一つの問題は、砕けて熱により膨張した酸化物
燃料ペレツトと接触することによつて応力下に置
かれた被覆の内側表面から発生する急裂が観察さ
れることである。これらの亀裂は時折被覆管壁を
貫通して広がり、燃料棒の一体性を破壊し、それ
によつて冷却材を燃料棒内及び放射性核分裂生成
物内に混入させて炉心を循環する一次冷却材を汚
染する。この亀裂現象は放射線硬化、機械的応
力、及び核分裂生成物の相互作用によりジルコニ
ウム合金中に亀裂の発生及び伝播を誘発する環境
を生ずることによつて起こると一般に信じられて
いる。 内側にジルコニウム層を結合させたジルカロイ
燃料被覆管は水冷却型原子炉の運転中における核
燃料ペレツトと被覆との間の境界面に発生する亀
裂に対して抵抗性もつものとして提唱されてい
る。これらの提唱は米国特許第4372817号、同第
4200492号、及び同第4390497明細書号に記載され
ている。 前述の特許明細書に記載のジルコニウム内張り
はPCI亀裂の伝播を防止するために選択されたも
のであるが、水性液の腐食に対する内張りの抵抗
性は考慮されてはいない。もしこの被覆に原子炉
中で亀裂が入つて冷却材が被覆の内側に入つたり
すると、前記内張りの水性液耐食性は被覆本体を
構成する高ジルコニウム合金の水性液耐食性より
著しく劣つたものとなる。これらの条件下で、内
張りは完全に酸化されて比較的早く役に立たなく
なり、被覆のジルコニウム合金部分における水素
化物の生成が増大し、それによつてジルコニウム
合金の一体構造を損傷する。被覆のこの品質低下
はウラン及び放射性化学種を冷却材中にかなり多
量に放出することによつて全体が故障するように
なる。 したがつて本発明は、核燃料物質収納用被覆管
であつて、該被覆管が外側管状部材と、外側管状
部材の内側に設けられた内側管状部材とからな
り、該内側管状部材の外側周縁表面が本質的に全
外側周縁表面にわたつて外側管状部材の内側周縁
表面に結合し、且つ、外側管状部材がジルカロイ
−２、ジルカロイ−４、及びNb1.0〜3.0重量％を
含むZr−Nb合金から選択された第１合金からな
り、内側管状部材がスズ0.1〜0.6重量％、鉄0.04
〜0.24重量％、クロム 0.05〜0.15重量％、ニツケル0.05重量％まで、
残部ジルコニウム及び合金重量の350ppm以下の
酸素を含む付随不純物を含み、且つ完全再結晶粒
子構造を有する第２合金からなり、肉厚が少なく
とも0.08mm（0.003インチ）であることを特徴と
する核燃料物質収納用被覆管に存する。 上記組成範囲において、スズ含有量は0.2ない
し0.6重量％に保つのが好適であり、0.3ないし0.5
重量％に保つのが最も好適である。 付随的な不純物の全量は1500ppm以下に限定す
ることが好適であり、これを1000ppm以下に限定
することはさらに好適である。 加えて、酸素及び窒素含有量をそれぞれ
250ppm及び40ppm以下に限定することが好適で
ある。 特に第１表に示す合金は、PCI遮へい燃料部材
として使用するのに特に良好に適合する。これら
第１表の合金はスズ、酸素、窒素、及び付随的な
全不純物含有量についての前述した好適な記載に
従つて、勿論変更してもよい。

【表】 本発明をより明確に理解するために、示例のた
めに図面に基づいて本発明の実施態様を説明す
る。 第１図を参照して説明すると、被覆管１は外側
層（即ち管部材）１０が内側層（管部材）１００
に結合している。外側層１０は第１ジルコニウム
基合金からなり、原子炉中の水性媒体による腐食
に対して優れた抵抗性と、高強度と低クリープ速
度とをもつ。この第１ジルコニウム基合金はジル
カロイ−２合金、ジルカロイ−４合金又はジルコ
ニウムとニオブとの合金例えばジルコニウム−
2.5重量％ニオブ合金であるのが好ましい。内側
層は第２ジルコニウム基合金からなる。この第２
ジルコニウム基合金はペレツトと被覆間の相互作
用により生ずる原子炉内での亀裂の伝播に対する
抵抗性と水性媒体による腐食に対する抵抗性とが
増大した合金で、本発明の発明者らにより設計さ
れた合金である。内側層の厚さは0.076〜0.114mm
（0.003〜0.0045インチ）であるのが好ましい。 第２合金の組成範囲は第１表に示され、下記の
理由に基づき決定される。 鉄及びクロムと共にスズが存在し且つ適宜ニツ
ケルを添加すると、ジルコニウムの増大した水性
腐食抵抗性を与える。しかし、スズ及び酸素はジ
ルコニウムの固溶体強度付与剤である。鉄、クロ
ム、及びニツケルはZr（Fe，Ni，Cr）析出物を
形成することによつて付加的な強度付与効果を呈
する。前述の諸元素はジルコニウムのクリープ速
度を低下させ、ジルコニウムにおける原子炉運転
温度での中性子照射による欠点を焼きもどし、そ
れによつて材料の照射硬化を増大する能力を低下
させる。要約すると、スズ、鉄、ニツケル、及び
クロムはジルコニウムの水性腐食抵抗性を改善す
る傾向があるが、それら元素はジルコニウムの
PCIに関連する亀裂の拡大を阻止する能力には有
害である。 スズ含有量を0.1重量％〜0.6重量％に限定する
ことによつて、及び酸素含有量を350ppm以下、
より好ましくは250ppm以下に限定することによ
つて、これらの合金のクリープ速度及び応力緩和
速度は、被覆の外側層部を構成する市販のジルコ
ニウム合金に比べてPCI亀裂拡大に対する充分で
且つ増大した有効な抵抗性を与える。スズ含有量
が0.2〜0.6重量％に保たれると、高クリープ速度
と低中性子照射硬化と耐水性腐食との最適な組合
わせが得られる。0.2〜0.6重量％、さらに好適に
は0.3〜0.5重量％の好適なスズの範囲において
は、BWR運転条件下での本発明の第２合金のク
リープ速度は酸素350ppm以下のジルコニウムの
クリープ速度とほぼ同等であり、ジルコニウムの
亀裂拡大抵抗特性をもつが、ジルカロイ−２及び
ジルカロイ−４と実質上同じ水性腐食抵抗性をも
つ障壁を生ずる。加うるに、一方の合金がスズ、
鉄、クロム、及びニツケルを含有することによつ
て、ジルコニウムに観察される再結晶結晶粒より
も著しく細かい再結晶結晶粒を生じさせる。 水性腐食抵抗性及びPCI亀裂拡大抵抗性の両方
に不利な効果をもつ窒素を65ppm以下、さらに好
ましくは40ppm以下に制限するのが好ましい。
ASTM 350−80の第１表に記載の他のすべての
不純物は合金60802又は合金60804について該
ASTM 350−80に示された要求を満足すること
が好適である。付随不純物（窒素及び酸素を含め
た）の全量は、付随不純物が照射硬化におよぼす
不利な累積効果を最小とするために、好ましくは
1500ppm以下、最も好ましくは1000ppm以下に保
たれる。ASTM B350−80を参照されたい。 本明細書に記述した被覆の化学組成に対する条
件は全合金元素及び不純物についてインゴツト製
造段階での化学分析を行い、次いで例えば同時押
出段階近くのような被覆管製造の中間段階におい
て格子間元素である酸素、水素及び水素について
分析を行うことによつて満足させることができ
る。最終寸法の被覆管の化学分析は必要ではな
い。 内側層用の原料管状部材は、市販のジルコニウ
ムを必要な合金添加成分と共に例えばアーク溶解
して下記第２表に記載の公称組成をもつ２種の合
金を造ることにより製造される。

【表】 造つたインゴツトを次にベータ溶体化処理を含
む慣用の一次ジルカロイ製造技法によつて内側層
用の原料管状部材を造る。外側層の原料管状部材
はR60802級及びR60804級用のASTM B350−80
の要求を満足し、且つ酸素含有量が約900〜
1600ppmのインゴツトから造るのが便宜である。
これらの内側層用及び外側層用原料管状部材は冷
間加工、熱間加工、アルフアアニールし又はベー
タ急冷したミクロ組織をもつ。 外側層用原料部材の内径表面並びに内側層用原
料部材の外径表面は次いで前記各部材嵌合した時
にそれら部材間のクリアランスが最小となる寸法
に機械加工する。機械加工後、各部材を清浄にし
て各部材の結合しようとする表面からできるだけ
全部の表面の汚れを除去する。清浄化後、部材の
結合しようとする表面を該部材が一つに溶接され
るまで清浄な室条件下に保つのが好ましい。結合
しようとするする表面が再び汚染されることはそ
れによつて最も少なくなる。各部材を次に嵌合
し、隣接する各部材の間隙に形成される環状空間
を真空電子ビーム溶接によつて嵌合した部材の両
端を溶接後には前記環状空間中に真空が保たれる
ように封止する。 この段階で結合していない環状管集合体は既知
の押出法、冷間ピルガー式寸法縮小工程及びアニ
ール工程によつて完全にジルカロイからなる被覆
管の製造に加工できる状態となる。慣用のジルカ
ロイの減摩、清浄、直線加工、及び表面仕上加工
は種々の慣用及び1982年１月29日に出願された米
国特許願明細書第343788号及び同第343787号に記
載された新規な工程と組合わせて使用してもよ
い。前述した製造方法によつて、些細で不可避的
な結合線不連続部分以外は上記３層の完全で連続
的な冶金的結合が得られる。 1982年１月29日に出願された米国特許願明細書
第343788号に記載されたレーザー加熱又は誘導加
熱による表面ベータ処理は、本発明の実施に必要
ではないが明らかに好適である。このような処理
を行う場合は、最終冷間ピルガー式寸法縮小工程
に最も近い工程と最終冷間ピルガー式寸法縮小工
程との間で行うか、又は最終冷間ピルガー式寸法
縮小工程に最も近い工程の前で行う。両者の場
合、管は表面ベータ処理前に中間アニール並びに
必要に応じ矯正加工を行つておくべきである。表
面ベータ処理後、全中間アニール並びに最終アニ
ールは600℃以下、さらに好適には550℃以下で行
うべきである。最も好適には最終アニールは約
500℃以下で行う。これらの低温度アニールは、
ベータ表面処理によつて増大した腐食抵抗を維持
するために使用される。 表面ベータ処理は、表面処理時の中間寸法の管
の外側の管厚の約10ないし40％の区域にウイドマ
スタツテン（Widmastatten）ミクロ組織を生じ
るが、この処理によつて生じた増大した耐水性腐
食性は該区域に限定されるものではなく、好適に
は最外層並びに最内層全体にも広がり、冷間ピル
ガー式寸法縮小処理及びアニール処理後も保持さ
れる。最も好適には内側層及び外側層の耐水性抵
抗500℃、105Kg／cm²（1500psi）のスチームに24
時間さらした試験後、かなり黒い接着した耐食フ
イルムであつて、約200mg／dm²以下、好ましく
は約100mg／dm²以下の重量増加のフイルムによ
つて特徴付けられる。 表面ベータ処理を行つたにせよ、行わなかつた
にせよ、最終冷間ピルガー式寸法減少工程後の最
終アニールを行うことにより内側層のジルコニウ
ム合金は少なくとも実質上完全に再結晶されて内
側層肉厚の約1/10以下、より好ましくは1/10〜1/
２０の結晶粒径を生じ且つジルカロイ外側層は少な
くとも完全に応力緩和アニールされる。最終アニ
ール後、慣用のジルカロイ管の清浄、直線処理、
最終寸法調整、及び仕上げ工程が行なわれる。 仕上げ処理後、内張した被覆管は核分裂性燃料
を装填できる状態となる。気密に封止した沸騰水
型原子炉燃料棒の好適な実施例を第２図及び第３
図に示す。第３図に示すように燃料棒３００は本
発明による被覆管１を使用し、この被覆管１は例
えば前述の合金Ａ又はＢからなり且つ厚さが約
0.076mm（0.003インチ）の内側層１００に冶金的
に結合した、好適にはジルカロイ−２又はジルカ
ロイ−４からなる外側層１０を備える。被覆管１
の全体の厚さは好適には0.74〜0.81mm（0.029〜
0.32インチ）である。被覆管１の内にはこの発明
による被覆管１の内径より好適には約0.2mm
（0.008インチ）小さい直径の大体円筒状燃料ペレ
ツト４００が含まれる。 本発明による燃料棒３００の最も好適な実施態
様においては燃料ペレツト４００は理論密度の約
95％の密度に焼結され、約10mm（0.39インチ）の
外径と約12mm（0.47インチ）の高さとをもつ。第
３図に示すように濃縮核分裂化合物のペレツトの
端部４１０は凹んだ皿状を呈して使用時の燃料ペ
レツト４００の熱中央部の軸方向の相対膨張を最
小としている。各燃料ペレツト４００の端縁４２
０は面取りされている。燃料ペレツト４００自体
は濃縮二酸化ウラン、濃縮二酸化ウラン＋Gd₂O₃
ペレツトおよび天然UO₂ペレツトを含む。混合酸
化物、UO₂＋PuO₂ペレツトも使用できる。濃縮
ペレツトは約2.8〜3.2重量％のU₂₃₅を含むように
濃縮してあるウランを含有するのが好適である。
第２図に示すように燃料ペレツト４００は好適に
は被覆管１の中に３つの区域分けて積重ねられ
る。底部区域Ａは天然ウランを含有するUO₂ペレ
ツトからなる。この区域の底部ペレツトは被覆管
１に予め溶接してある底部ジルカロイ端部栓２０
０に接している。中央区域Ｂの積重ねられた燃料
ペレツトは燃料ペレツトの積重ね体の長さの少な
くとも約80％を構成し、前述の濃縮二酸化ウラン
ペレツトからなる。３〜５重量％の酸化カドリニ
ウム（Gd₂O₃）を含有する濃縮ペレツトによりこ
の区域の前記濃縮ペレツトの全部または一部を置
換してもよい。燃料ペレツト積重体の頂部区域Ｃ
は天然ウランを含有するUO₂ペレツトからなる。
好適な実施態様では区域Ａの長さと区域Ｃの長さ
とは同じで、それら区域を合わせて燃料ペレツト
積重体の長さの20％以下である。頂部区域Ｃの一
番上のペレツトはジルカロイ頂部端部キヤツプ２
２０と頂部燃料ペレツトとの間に形成された空間
すなわちプレナム室２３０中に圧縮して保持され
るバネにより押圧力下にバネ２１０と接触してい
る。頂部端部キヤツプ２２０は周縁を被覆管１に
溶接されている。溶接された頂部端部キヤツプ２
２０と端部栓２００とは被覆管１と一緒になつて
燃料ペレツト４００およびバネ２１０のまわりの
気密に封止された容器を形成する。空間すなわち
プレナム室２３０は燃料ペレツトと被覆９（第３
図参照）の内面との間に残されたクリヤランス空
間４５０と連通している。クリヤランス空間４５
０，４６０とプレナム室２３０とは高純度、高ガ
ス熱伝導度をもつ不活性雰囲気で満たされてい
る。この雰囲気は２〜５気圧［標準状態
（STP）］、最も好ましくは約３気圧に加圧された
高純度ヘリウムである。

【図面の簡単な説明】

第１図は被覆管の横断面図、第２図は部分断面
図で示した水冷却型核燃料要素の概略図、第３図
は第２図の核燃料要素の部分拡大断面図である。 図中：１……被覆管、９……被覆、１０……外
側層、１００……内側層、２００……端部栓、２
１０……バネ、２２０……端部キヤツプ、２３０
……空洞（プレナム室）、３００……燃料棒、４
００……燃料ペレツト、４１０……（燃料ペレツ
ト）端部、４２０……（燃料ペレツト）端縁、４
５０，４６０……クリヤランス空間。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 核燃料物質収納用被覆管であつて、該被覆管
   が外側管状部材と、外側管状部材の内側に設けら
   れた内側管状部材とからなり、該内側管状部材の
   外側周縁表面が本質的に全外側周縁表面にわたつ
   て外側管状部材の内側周縁表面に結合し、且つ、
   外側管状部材がジルカロイ−２、ジルカロイ−
   ４、及びNb1.0〜3.0重量％を含むZr−Nb合金か
   ら選択された第１合金からなり、内側管状部材が
   スズ0.1〜0.6重量％、鉄0.04〜0.24重量％、クロ
   ム0.05〜0.15重量％、ニツケル0.05重量％まで、
   残部ジルコニウム及び合金重量の350ppm以下の
   酸素を含む付随不純物を含み、且つ完全再結晶粒
   子組織を有する第２合金からなり、且つ肉厚が少
   なくとも0.08mm（0.003インチ）であることを特
   徴とする、核燃料物質収納用被覆管。