JPH0240595A - 燃料要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は核燃料要素、ことにクラツデイング管の内部に
ホウ素含有合金の薄層の形の可燃性毒物をそなえた燃料
要素に関する。この可燃性毒物は、ジルコニウム合金管
の内部にホウ素含有還元材を用いるエレクトロレスニッ
ケルタリウムホウ素めっき法を用いて合金として析出せ
しめるものである。

本発明に属する型式の核燃料要素は燃料束立体の一部と
なるものである。従来典型的には燃料束立体は減衰期間
が短い反応性と出力ピーキングとを制御するために固定
格子可燃性毒物ロッドを採用している。これらのロッド
は軽水炉の第１の炉心の燃料管理のための必要な設計的
特徴となり、同時に燃焼を延長し半径方向中性子漏洩を
減じさせる。この上うなロッドは集合体格子内の燃料棒
と置き換える。これは炉心平均直線熱発生率および局部
ピーキングファクタを増大せしめる。

他の従来手段としては、燃料棒の内部に燃料材料の置換
する虫がごく少なくなるようにして可燃性毒物材料を配
置、たとえば［０２ペレツトにポライド被覆を施すこと
が提案された。しかしながらこのような被覆は最初に施
した時には付着するものの、原子炉炉心の照射環境の応
力下においては割れ落ちてしまう傾向がある。これは一
部には、υ０２ベレットの分裂性材料の熱膨張特性とこ
の被覆の熱膨張特性とを整合させることが困難であるこ
とにも由来している。ＵＯ２ベレット内にホウ素化合物
を混合物として合体せしめる試みは不成功であった。何
故ならば、これは高温の製作過程中におけるホウ素類の
揮発の問題と、照射下におけるホウ素の再分布の問題が
あるからであった。

米国特許第３．６２５，８２１号には、マトリックスメ
タとたとえばニッケル、鉄、マンガンまたはクロムのポ
ウ素化合物との被覆を管の内側に電気めっきすることが
記載されている。窒化ホウ素（ＢＮ）、チタニウムポラ
イド（Ｔ＋Ｂｔ）およびジルコニウムポライド（ＺｉＢ
、）が特記されている。この米国特許第３．６２５．８
２１号に記載されているようにホウ素化合物をジルカロ
イ基層に電気めっきすることはこの基層を水素化物とす
ることとなることがわかって来た。この水素を拾い上げ
ることは材料の物理的性質をぜい化することとなるので
ある。

米国特許第４，６９５，４７６号は燃料棒クラツデイン
グ内部に揮発ホウ素化合物を蒸着せしめることを開示し
ている。

その他の背景技術としては、米国特許第３．９２５１５
１号、同第４，３７２，８１７号、同第４，５６０，５
７５号、同第４．５６６．９８９号、同第４．５８２，
６７６号、同第４．５８７０８７号、同第４，５８７，
０８８号、および同第４，６３６，４０４号を参照され
たい。

発明の概要 本発明は、基層と被覆材料との熱膨張係数かよく整合し
ており、かつ核分裂焼結の作用が被覆の基層への付着を
強めることから、上述の割れ落ちおよび被覆の一体性の
問題を実質的に克服した可燃性毒物被覆を有する改良し
た燃料要素を提供することにある。

本発明は、燃料要素のジルコニウム合金クラツデイング
管の内面にホウ素含有合金の薄層を被覆するこ七にある
。好適なホウ素含有合金は、ＳＡＥＡＭＳ　２４３３と
して知られているエレクトロレスニッケルタリウムボロ
ンめっきまたは被覆である。これは、ジルカロイ合金ク
ラツデイング管の引張特性には昔しい効果を有してはい
ないものの、硬さ、延性、低厚擦係数の組合せにおいて
ユニークなものがある。ジルカロイ合金クラツデイング
管に対するニッケルタリウムボロン被覆の付着は管の準
備ずなわら表面汚染を少なくすることに依存する。

基層材料は被覆と両立性があり、付着はすぐれたものと
なる。それゆえ、この被覆はＵＯ，ベレットにおける同
様な被覆と比べて照射下の劣化が少ないのである。

クラッディング管の内面における均質のアモルファスニ
ッケルタリウムボロンの薄層または被覆は、核燃料棒ク
ラッディングの内面にエレクトロレスめっきまたはナト
リウムボロハイドライド還元剤を用いる化学析出によっ
て施される。

液体処理浴としては、ニッケルと、大略５重量パーセン
トのホウ素と、２５ないし６重量パーセントのタリウム
と、還元剤とを包含するものとする。ホウ素成分と同位
体成分とは最終製品の可燃性毒物特性を決定する。ホウ
素は好適には５０ないし８０重量パーセントの範囲のレ
ベルまでＢ１０同位体を最初に富化しておく（シかしな
がら、天然のホウ素でも富化したホウ素でもいずれでも
機能する）。

イーグル・ピッヂャー、インダストリー社（Ｅａｇｌｅ
−Ｐｉｃｈｅｒ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ、　Ｉｎｃ、、
ＱｕａｐａｗＯｋｌａｈｏｍａ　７４３６３）は分留法
でホウ素を富化している。ボロントリフルオライド（Ｂ
Ｐ、）ジメチルエーテル錯塩を分留カラム内で溶解せし
める。Ｂ”Ｆ３ツメチルエーテルは、さらに容易に再結
合して、Ｂ”が気相において濃縮され、Ｂ１０が液相に
おいて濃縮される。このようにしてＢ”の富化がイーグ
ル・ピッチャー法で果たされる。

好ましい実施例の説明 符号１０は、原子炉に用いる、本発明の原理によりて製
作した燃料要素を示す。この燃料要素は、ジルコニウム
−錫合金クラッディング管または基層２０と、このノル
コニウム−錫合金クラツデイング管の内側に施したＳＡ
Ｅ　ＡＳＭ　２４３３エレクトロレスニツケルタリウム
ボロンのホウ素含有化合物被覆３０と、たとえばＵＯ，
のような核分裂性材料のベレット４０とを包含する。

ニッケルタリウムボロン被覆３０はエレクトロレスめっ
き法により形成する。従ってこの被覆３０はクラツデイ
ング管の全長にわたって非常に均一に施される。また、
プロセスコントロールを用いると、クラツデイング管の
寸法は、均一な被覆を施すことに何の影響も与えるもの
ではなくなる。これは、たとえば硬クロムのような他の
めっき材料において経験された特性形成のない被覆を得
ることを可能とし、めっき工程後のみがき直しの必要を
なくするものである。めっきの技術で開発されている、
ニッケルホウ素合金の付着率および支持プロセスコント
ロールは、この被覆の厚さ全非常に精密に制御すること
を可能としている。すなわちこの厚さは０．０００１イ
ンチないし０．００１０インチの範囲にわたって非常に
正確に制御することができる。

基層２０への被覆の付着の品質は、管の予処理、よごれ
などを包含する多くの因子に依存する。もちろん、その
うちの主要な因子は基層自体である。

すなわちニッケルタリウムボロン合金は必ずしもすべて
の金属質基層材料に適合するものではないからである。

しかしながら、これらの型式の材料のいくつかのものに
適用できる処理システムが開発されて来ている。現在行
なわれているこのような開発のひとつは、クロムの上に
めっきすることでコストを減することである。

ニッケルタリウムボロン被覆はその性質として小さなこ
ぶのあるもので、このこぶの寸法は被覆の厚さが増大す
るにつれて著しく大きくなる。めっき面の成長は、この
表面上のこぶの数を減する効果を有するように行なわれ
る。従って被覆の表面の構造は変化するが、表面仕上げ
の品質には本当に関連するものではない。

本発明者は研究の結果、エレクトロレスニッケルタリウ
ムボロン被覆では、この被覆の表面仕上げはおそらくは
そのこぶ特性によって、めっき前の元の管基層に非常に
よく合致することを発見した。

被覆表面のこぶ構造のため、ニッケルタリウムホロン被
覆の硬さを測定するマイクロ硬さ技術を用いることが必
要であることも見出した。試験プログラムが、最小厚さ
ｌミル（０，００１インチ）に被覆したサンプルについ
てニッケルタリウムボロンの硬さを評価するために行な
われた。次いでこの硬さ測定が被覆の磨いた断面につい
ても行なわれた。

また、熱処理の様々な段階においても硬さの試験が行な
われた。これらの試験の結果、Ｒｃ５８のアズプレート
硬さが８００″ＦにおいてＲｃ７２の硬さにまで増加し
たことがわかった。これは熱処理により被覆の硬さが増
大したことを示すものである。

ニッケルタリウムボロン合金被覆はまた、現在用いられ
ている他のめっきシステムに比較して特別によい摩耗特
性を提供するものである。すなわち、硬クロムのような
被覆に比較して著しい改善を示すこのニッケルタリウム
ボロン被覆の有効性を評価するための試験を行なった。

典型的な摩耗跡の比較がニッケルタリウムボロンと硬ク
ロムとニッケルリンとの間でなされ、特別の条件の下に
おける性能が比較された。すなわち摩耗跡の大きさが被
覆の耐摩耗性の指標である。

摩耗跡の面積がブラシザーフアナライザを用いて測定さ
れた。５〜６回の走査が各摩耗領域を横切ってなされ、
各走査について得られた測定曲線で摩耗面積が平方ミリ
メートルの単位でプラニメータで測定された。硬ニッケ
ルおよびニッケルリンで得た高い数値は耐摩耗性が低い
ことを示している。

長期間の耐久試験がニッケルタリウムボロン被覆と硬ク
ロム被覆とを比較するために行なわれた。

試験サイクルの関数となる摩耗線測定の結果は、この被
覆が比較的低い摩擦係数を有することを示している。こ
の低摩擦係数は燃料ロッドのベレットクラッドインター
アクション（Ｐｃｔ）抵抗を増大せしめて、作動中燃料
ペレットを低抵抗を以て動することを理解すべきである
。第１表は合金化成かすこととなる。この特別の摩耗特
性もまた、ペレットインターアクションによりクラツデ
イングの摩耗を制限することとなる。

制御された実験室試験の結果、このニッケルタリウムボ
ロン法はジルコニウム合金（ジルカロイ）クラツデイン
グ管の機械的性質に何のネガティブな効果も与えないよ
うであった。このことは、水素のひろい上げに由来する
、他のめっきプロセスを適用することから生ずる水素ぜ
い弱化に関する本当の関心が存する材料について非常に
重要な考慮である。この特別の被覆か水素ひろい上げに
むすび付かない理由はよくわからないが、他のエレクト
ロレス被覆ではぜい弱化が生ずることが実証された。

管１０は通常ジルカロイ２またはジルカロイ４と呼称さ
れているジルコニウム錫合金で作られる。

ジルカロイ２およびジルカロイ４の成分は第１表に示し
であるが、これらはそれぞれ当業者に知られている許容
限界以内の若干の他の不純物を包含分を示すもので、残
りの成分はジルコニウムであり、すべての範囲は重量パ
ーセントで示しである。

このように、本発明はニッケルタリウムボロン含有合金
の薄層の形の可燃性毒物被覆を有する核燃料要素を提供
するものである。これらの改良された燃料要素の使用は
集合体格子内で燃料棒を移動する必要をなくし、従って
原子炉炉心内で移動させる燃料材料を最少限とすること
ができる。

ジルコニウム合金（ジルカロイ）にニッケルを施すこと
はまた、燃料棒の内部からの水素輸送を増大せしめ、こ
れによりジルカロイクラッドにハイトライドブリスクの
形成を阻止する。従ってニッケルタリウムボロン被覆の
燃料棒はハイトライドブリスク形成前における高レベル
の内部水素に耐えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理によって製作した可燃性毒物被覆
を有する燃料要素の横断面図である。 １０・・燃料要素、２０・・クラツデイング管または基
層、３０・・ホウ素含有化合物、４０・・ペレット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　ジルコニウム合金クラッディング管内に収容された
   核分裂性材料を包含する、原子炉に用いる燃料要素にお
   いて、前記ジルコニウム合金クラッディング管の内側に
   被覆を設け、この被覆にニッケルタリウムボロン可燃性
   毒物化合物を包含させたことを特徴とする燃料要素。 ２　請求項１記載の燃料要素において、前記可燃性毒物
   化合物が、ホウ素含有還元剤を包含するエレクトロレス
   めっき法による付着物であることを特徴とする燃料要素
   。 ３　請求項１記載の燃料要素において、前記可燃性毒物
   化合物が５０ないし８０重量パーセントの範囲のＢ＾１
   ＾０富化ホウ素を包含し原子炉に用いるに所望の核毒レ
   ベルを与えるようにしたことを特徴とする燃料要素。 ４　請求項１記載の燃料要素において、前記ジルコニウ
   ム合金がジルカロイ２またはジルカロイ４であることを
   特徴とする燃料要素。