JPH033917B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は原子炉の炉心において使用すべき燃料
要素の改良に関するもので、更に詳しく言えばジ
ルコニウムおよびニオブから成る希薄ジルコニウ
ム合金製の金属ライナがジルコニウム合金被覆基
体の内面に接合されたような複合被覆容器を有す
る改良された燃料要素に関する。

発明の背景 現在設計され、建設され、かつ運転されている
原子炉においては、板状、管状、棒状などの様々
な幾何学的形状を持つた燃料要素中に核燃料が含
まれている。かかる核燃料は、通例、耐食性、非
反応性かつ熱伝導性の容器または被覆材の中に収
容されている。かかる燃料要素は冷却材チヤネル
内において相互の間隔が一定となるように組立て
られ、こうして得られた燃料集合体を十分な数だ
け組合わせることによつて、持続核分裂反応の可
能な核分裂連鎖反応系すなわち炉心が形成され
る。このような炉心は原子炉容器内に収容され、
そしてその中に冷却材が流される。

上記の被覆材は幾つかの目的に役立つが、主な
ものを２つ挙げれば次の通りである。第一には、
冷却材、（減速材が存在する場合には）減速材ま
たは（冷却材と減速材とが存在する場合には）そ
れら両者と核燃料との接触および化学反応を防止
するのに役立つ。第二には、気体状のものをも含
む放射性核分裂生成物が核燃料から冷却材、減速
材またはそれら両者中に放出されるのを防止する
のに役立つ。通常の被覆材としては、ステンレス
鋼、アルミニウムおよびその合金、ジルコニウム
およびその合金、ニオブ（コロンビウム）、ある
種のマグネシウム合金などが挙げられる。被覆材
の破損すなわち密閉性の喪失が起これば、冷却材
や減速材および関連系統が長寿命の放射性核分裂
生成物で汚染され、そのために発電所の運転が妨
害されることもある。

ある種の金属および合金を被覆材として使用す
る燃料要素の製造および運転に際し、特定の状況
下でかかる被覆材が機械的または化学的な反応を
示すことに原因する問題が見出された。ジルコニ
ウムおよびその合金は、通常の場合ならば優れた
核燃料被覆材である。すなわち、それらは中性子
吸収断面積が小さい上、約750〓（約398℃）より
低い温度では強靭で延性に富み、極めて安定であ
り、かつ原子炉の冷却材および減速材として通例
使用される脱イオン水または水蒸気の存在下でも
ほとんど反応を起こさない。

しかるに、燃料要素の性能を試験したところ、
核燃料、被覆材、および核分裂反応中に生じる核
分裂生成物の間の総合的な相互作用のために被覆
材の脆性破損が起こるという問題が明らかとなつ
た。かかる望ましくない性能は、核燃料と被覆材
との熱膨脹の意いに原因した機械的反応の局在に
よつて助長されることも見出された（なお被覆材
中の反応は核燃料中の割れ目の位置に集中する）。
他方、核燃料から腐蝕性の核分裂生成物が放出さ
れ、そして核燃料の割れ目と被覆材の内面との交
点に蓄積する。かかる核分裂生成物は原子炉運転
時における核分裂連鎖反応によつて核燃料から生
成されるものである。こうして核燃料と被覆材と
の間の摩擦が大きくなる結果、局部的な応力は一
層増大することになる。

密封された燃料要素の内部では、被覆材の内側
に残留する水と被覆材との緩徐な反応によつて水
素ガスが発生することがある。このような水素ガ
スが蓄積すれば、ある種の条件下では、被覆材の
局部的な水素化およびそれに伴う被覆材の機械的
性質の局部的な劣化が起こり得る。被覆材はま
た、広範囲の温度下において酸素、窒素、一酸化
炭素および二酸化炭素のごときガスからも悪影響
を受ける。燃料要素のジルコニウム被覆材は、原
子炉内における照射に際し、１種以上の上記ガス
や核分裂生成物に暴露される。これは、原子炉の
冷却材や減速材中にかかるガスが存在しなくて
も、また被覆材や核燃料の製造に際し周囲雰囲気
からかかるガスをできるだけ排除しても起こるの
である。核燃料として使用される二酸化ウランペ
レツトなどの焼結耐火性セラミツク組成物は、加
熱時にかなりの量の上記ガスを放出すると共に、
照射に際しては核分裂生成物を放出する。これら
の放出ガスは、核燃料を収容したジルコニウム被
覆材と反応する性質を有する。

上記の事実に基づき、原子力発電所の運転のた
めに燃料要素が使用される期間全体にわたり燃料
要素の内部から被覆材と反応し得る水、水蒸気お
よびその他のガス（特に水素）が被覆材に及ぼす
作用を低減させることは望ましいものと判明し
た。そのために考えられた方法の１つは、水、水
蒸気およびその他のガスと迅速に化学反応するこ
とによつてそれらを被覆材の内部から除去するよ
うな物質を探し出すことであつた。かかる物質は
ゲツタと呼ばれる。

もう１つの方法は、核燃料物質を各種の材料で
被覆することによつて水分が核燃料物質に接触す
るのを防止することであつた。しかるに、欠陥の
ない均一な被膜を得ることが困難であるため、核
燃料物質の被覆には信頼性の点で問題がある。そ
の上、被覆の劣化により、核燃料物質の長期性能
に関して問題が起こることもある。

1964年２月付の文書GEAP−4555中には、ジル
コニウム合金に対してステンレス鋼の内張りを治
金的に接合したものから成る複合被覆材が開示さ
れている。かかる複合被覆材は、ステンレス鋼の
内張りを有する中空のジルコニウム合金ビレツト
を押出すことによつて製造される。このような複
合被覆材には、ステンレス鋼が脆性相を生じると
共に、ステンレス鋼の層が同じ厚さのジルコニウ
ム合金層に比べて約10〜15倍の中性子吸収能を有
するという欠点がある。

米国特許第3502549号明細書中には、ジルコニ
ウムおよびその合金上にクロムを電着させて保護
することにより原子炉用の複合材料を製造する方
法が開示されている。「エネルギア・ヌクレアー
レ（Energia Nucleare）」第11巻第９号（1964年
９月）の505〜508頁には、ジルカロイ−２の表面
上に銅を電着させ、次いで熱処理によつて電着金
属の表面拡散を行わせる方法が記載されている。
また、エフ・ブロツサ（F.Brossa）等の論文
「ジルコニウム合金に付加された水素障壁の安定
性および適合性（Stability and Compatibility
of Hydrogen Barriers Applied to Zirconium
Alloys）」［ヨーロツパ原子力共同体（Europeab
Atomic Energy Community）、合同原子力研究
センター（Joint Nuclear Research Center）、
EUR4098e、1969年］中には、各種の被膜の設置
方法および水素拡散障壁としてかかる被覆の効率
が記載され、そして水素の拡散に対する障壁とし
てはAl−Si被膜が最も有望であると述べられて
いる。更に、ダブリユー・シー・シツクナー
（W.C.Schickner）等の論文「ジルコニウムおよ
びジルコニウム−スズへの電気めつき
（Electroplating on Zirconium and Zirconium
−Tin）」［BMI−757、技術情報サービス
（Technical Information Service）、1952年］中
には、ジルコニウムおよびジルコニウム−スズ合
金にニツケルを電気めつきし、次いで熱処理によ
つて合金拡散接合層を形成する方法が記載されて
いる。

米国特許第3625821号明細書中には、中性子捕
獲断面積の小さい金属（たとえばニツケル）およ
びその中に保持された可燃性毒物の分散微粒子か
ら成る被膜で内面が被覆された燃料被覆管を具備
する原子炉用の燃料要素が記載されている。ま
た、1973年８月付の「原子炉開発プログラム経過
報告書（Reactor Development Program
Progress Report）」（ANL−RDP−19）中には、
ステンレス鋼被覆材の内面上に化学ゲツタとして
消費されるべきクロム層を配置することが開示さ
れている。

もう１つの手段は核燃料物質とそれを収容する
被覆材との間に隔壁を導入することで、かかる手
段は米国特許第3230150号（銅箔）、独国特許
DAS1238115号（チタン層）、米国特許第3212988
号（ジルコニウム、アルミニウムまたはベリリウ
ムの鞘）、米国特許第3018238号（UO₂とジルコニ
ウム合金被覆材との間に配置された結晶質炭素の
隔壁）および米国特許第3088893号（ステンレス
鋼箔）によつて開示されている。隔壁使用の着想
は有望であることが判明したけれど、上記引例中
に記載された材料の中には、核燃料との適合性に
欠けているもの（たとえば炭素は核燃料からの酵
素と化合することがある）、被覆材との適合性に
欠けていたもの（たとえば銅やその他の金属は被
覆材と反応して被覆材の性質を変化させることが
ある）、また（たとえば中性子吸収材として作用
するため）核分裂反応との適合性に欠けるものが
ある。その上、上記引例のいずれを見ても、核燃
料と被覆材との間における局部的な化学的−機拡
的相互作用の問題に対する解決策は開示されてい
ない。

隔壁使用の着想に基づくその他の手段は、米国
特許第3969186号（モリブデン、タングステン、
レニウム、ニオブおよびこれらの合金のごとき超
耐熱金属を単層もしくは多層の管または箔として
使用するか被覆材の内面上に被膜として使用する
方法）および米国特許第3925151号（核燃料と被
覆材との間にジルコニウム、ニオブまたはそれら
の合金のライナを配置しかつライナと被覆材との
間に滑性の大きい物質の被膜を配置する方法）に
よつて開示されている。

米国特許第4045288号明細書中には、ジルコニ
ウム合金基体、基体に対して治金的に接合された
金属隔壁、および金属隔壁に対して治金的に接合
されたジルコニウム合金の内層から成る複合被覆
材が開示されている。かかる隔壁の材料はニオ
ブ、アルミニウム、銅、ニツケル、ステンレス鋼
および鉄の中から選ばれる。理設された金属隔壁
は掛分裂生成物および腐蝕性ガスに原因する腐食
を低減させるが、応力腐食割れや液体金属脆化を
起こし易い。

米国特許第4200492号明細書中には、ジルコニ
ウム合金基体および海綿状ジルコニウムライナか
ら成る複合被覆材が開示されている。かかる軟質
のジルコニウムライナは局部的な応力を抑制する
と共に応力腐食割れや液体金属脆化を低減させる
が、製造時のホーニング加工などや酸化のために
損失を受け易い。その上、被覆材の破裂が起こつ
て燃料棒中に水および（または）水蒸気が侵入し
た場合、かかるジルコニウムライナは急速に酸化
する傾向ある。

このようなわけで、上記の諸問題を解決する燃
料要素を開発することは今なお望ましいのであ
る。

発明の要素 原子炉の炉心において特に有効に使用し得る本
発明の燃料要素は、基体の内面に対して治金的に
接合された希薄ジルコニウム合金ライナを有する
複合被覆容器を具備するのみである。かかる希薄
ジルコニウム合金は、約0.1〜約0.5（重量）％好
ましくは約0.2〜約0.4（重量）％のニオブおよび
残部のジルコニウムから成る。

上記複合被覆容器の基体は原子炉用の従来のも
のに比べ形状および機能の点で全く変がりが無い
のであつて、ジルコニウム合金のごとき通常の被
覆材の中から選ばれる。なお、ジルコニウム合金
製の基体は希薄ジルコニウム合金ライナよりも高
い合金成分含量を有する。

このような希薄ジルコニウム合金ライナは、基
体とその中の収容された核燃料物質との間に連続
的な隔壁を形成すると共に、ジルコニウム合金ま
たはその他の基体材料を核分裂生成物およびガス
から遮蔽するために役立つ。なお、希薄ジルコニ
ウム合金ライナは複合被覆容器の厚さの約１〜約
20％を占める。

かかる希薄ジルコニウム合金ライナは照射時に
も基体に比べて軟らかい状態に保たれて燃料要素
の内側の局部的な応力を抑制し、それによつて基
体の応力の腐食割れおよび液体金脆化を防止する
のに役立つ。また、希薄ジルコニウム合金ライナ
は燃料要素の内部に存在する揮発性不純物や核分
裂生成物との優先的な反応部位を提供し、それに
よつて基体を揮発性不純物や核分裂生成物の作用
から保護するためにも役立つ。

本発明は、希薄ジルコニウム合金ライナによつ
て基体と核分裂生成物や腐蝕性ガスなどの接触お
よび基体の応力腐食割れや液体金属脆化が防止さ
れれるばかりでなく、かかるライナが顕著な中性
子吸収能、低い伝熱性または燃料−ライナ間の不
適合性の問題をもたらすことがないという大きな
利点を有する。その上、複合被覆容器の破裂が起
こつた場合でも、かかるライナは合金化されてい
ないジルコニウムに比べて熱水または水蒸気によ
る酸化に対し優れた抵抗性を有する。

発明の説明 本発明の上記およびその他の目的は、添付の図
面を参照しながら以下の説明を読めば当業者にと
つて自ら明らかとなろう。

先ず第１図を見ると、燃料集合体１０の部分切
欠き断面図が示されている。かかる燃料集合体１
０はほぼ正方形の横断面を持つた管状のチヤネル
ボツクス１１を含んでいて、その上端には吊上げ
用の取手１２が備わり、またその下端にはノーズ
ピース（燃料集合体１０の下部を省略したために
図示されていない）が備わつている。チヤネルボ
ツクス１１の上端は出口１３において開放されて
おり、またノーズピースの下端には冷却材流通用
の開口が設けられている。チヤネルボツクス１１
内には１群の燃料要素（または燃料棒）１４が配
列され、かつ上部タイプレート１５および下部タ
イプレート（下部省略のために図示されていな
い）によつて支持されている。通例、液体冷却は
ノーズピース下端の開口から流入し、燃料要素14
の周囲を上方へ通過し、それから高温となつて上
部の出口１３から流出する。その場合、沸騰水形
原子炉ならば冷却材は部分的に気化した状態にあ
り、また加圧水形原子炉なざば気化しない状態に
ある。

燃料要素（または燃料棒）１４の両端は、被覆
管１７に溶接された端栓１８によつて密封されて
いる。端栓１８にはまた、燃料集合体中の燃料要
素の装着を容易にするための支柱１９が備わつて
いることもある。燃料要素の一端には空所（また
はプレナム）２０が設けられているが、これは核
燃料物質の縦方向膨脹および核燃料物質から放出
された気体の蓄積を可能にする。空所２０の内部
にはつる巻部材から成る核燃料物質保持手段２４
が配置されているが、これは特に燃料要素の取扱
いや輸送に際してペレツトの軸方向運転を防止す
るのに役立つ。

かかる燃料要素は、被覆層と核燃料物質との間
に優れた熱的接触が達成され、寄生的中性子吸収
が最小限に抑えられ、かつ冷却材が高速で流れる
ことによつて時折生じる弓そりや振動が回避され
るように設計される。

第１図中には、本発明に従つて製造された燃料
要素（または燃料棒）１４が部分断面図として示
されている。かかる燃料要素は核燃料物質１６か
ら成る円柱状の中心芯体を含むが、この場合の芯
体は被覆管１７の内部に配置された各分裂性物質
および（または）燃料親物質から成る多数の燃料
ペレツトとして図示されている。場合によつて
は、燃料ペレツトが円柱状や球状など各種の形状
を有することがあり、またその他の形態の核燃料
（たとえば粒状の核燃料）が使用されることもあ
る。なお、核燃料の物理的形態は本発明にとつて
重要でない、ウラン化合物、プルトニウム化合
物、トリウム化合物およびそれらの混合物を含め
た各種の核燃料物質が使用できるが、好適なもに
は二酸化ウランまたは二酸化ウランと二酸化プル
トニウムとの混合物である。

次に第２図を見ると、燃料要素１４の中心芯体
を成す核燃料物質１６は被覆管１７によつて包囲
されているが、本発明においては被覆管１７を複
合被覆容器と呼ぶことにする。かかる複合被覆容
器１７は、原子炉内での使用に際して芯体と複合
被覆容器との間に空隙２３が生じるようにして核
分裂性の芯材を封入している。複合被覆容器１７
はステンレス鋼やジルコニウム合金のごとき通常
の被覆材から成る基体２１を有するが、本発明の
好適な実施態様に従えば基体２１はジルカロイ−
２のごときジルコニウム合金から成る。

基体２１の内面には希薄ジルコニウム合金ライ
ナ２２が治金的に接合されていて、それにより複
合被覆容器内の核燃料物質１６から基体２１を遮
蔽するための連続的な隔壁が形成される。かかる
希薄ジルコニウム合金ライナは複合被覆容器の厚
さの約１〜約20％を占めることが好ましい。な
お、本発明中において使用される「希薄ジルコニ
ウム合金」という用語は基体材料よりも大きい延
性が得られるよう十分に低い合金成分含量を持つ
たジルコニウム合金を意味する。

複合被覆容器の厚さの約１％よりも薄い希薄ジ
ルコニウム合金ライナは商業的生産において形成
することが困難である一方、複合被覆容器の厚さ
の約20％よりも厚い希薄ジルコニウム合金ライナ
を用いても追加の利益は得られない。その上、複
合被覆容器の厚さの約20％よりも厚い希薄ジルコ
ニウム合金ライナを使用すれば、それに伴つて基
体の厚さが減少するために複合被覆容器が弱くな
る可能もなる。

かかる希薄ジルコニウム合金ライナは、気体状
の不純物や核分裂生成物との優先的な反応部位と
して役立ち、複合被覆容器の基体部分がそのよう
な不純物や核分裂生成物と接触したり反応したり
するのを防止し、かつ局部的な応力の発生を抑制
する。

かかる希薄ジルコニウム合金ライナは、約0.1
〜約0.5（重量）％好ましくは約0.2〜0.4（重量％）
のニオブおよび残部のジルコニウムから成る。

約0.1〜約0.5（重量）％のニオブを含有する希
薄ジルコニウム合金は、合金化されないジルコニ
ウムに比べ、熱水や水蒸気との接触による腐食ま
たは酸化に対して抵抗性の増大を示す。約0.1（重
量）％未満のニオブを含有する希薄ジルコニウム
合金は耐食性の顕著な増大を示さないばかりでな
く、商業的生産において得ることが困難である。

約0.1〜約0.5（重量）％の範囲内では、ニオブ
はジルコニウム中に可溶である。ニオブの溶解性
のために多少の固溶体強化が起こることは確かで
あるが、その程度は希薄ジルコニウム合金がペレ
ツトと被覆管との相互作用に原因する燃料棒の破
損を防止することを妨げるほどではない。

約0.5（重量）％を越えるとニオブは析出物を生
じるから、ジルコニウム合金の強度は増大し、そ
してその延性または塑性は著しく減少する。それ
故、希薄ジルコニウム合金が高度の延性および放
射線硬化に対する抵抗性を保持し、それにより長
期の照射後にも希薄ジルコニウム合金ライナの望
ましい構造特性（たとえば耐力や硬度）が通常の
ジルコニウム合金よりもかなり低いレベルに維持
されるようにするためには、約0.5（重量）％の上
限を守ることが好ましい。実際上、かかる希薄ジ
ルコニウム合金は照射を受けた場合でも通常のジ
ルコニウム合金ほどには硬化しない。このような
事実およびそれの耐力が元来小さいという事実に
基づけば、かかる希薄ジルコニウム合金ライナが
容易に塑性変形を受け、従つてペレツトにより被
覆管中に誘発された応力を除去し得ることがわか
る。このような応力は、たとえば、原子炉の運転
温度（300〜350℃）における燃料ペレツトの膨腸
の結果としてペレツトが被覆管に接触することに
よつてもたらされることがある。

約0.2〜約0.4（重量）％のニオブを含有する希
薄ジルコニウム合金ライナは、好ましい組合せの
耐食性および延性を示すため特に好適である。ジ
ルコニウム中のニオブ含量が約0.2（重量）％より
低くなると、その耐食性は海綿状ジルコニウムの
耐食性に接近し始める。長期間にわたる燃料要素
の高温暴露に際してもジルコニウム合金ライナが
固溶解限度内にあり、それによつて延性が持続す
るようにするためには、約0.4（重量）％の最大ニ
オブ含量を守ることが特に好ましい。

このように、約0.1〜約0.5（重量）％好ましく
は約0.2〜約0.4（重量）％のニオブを含有しかつ
得られる複合被覆容器の厚さの約１〜20％好まし
くは約５〜15％を占める希薄ジルコニウム合金ラ
イナを通常のジルコニウム合金から成る基体に接
合すれば、耐食性（特に被覆管が破裂した場合に
見られるような熱水や水蒸気による酸化に対して
の抵抗性）の改善と共に応力の低減が得られるの
である。

ニオブと合金化されるジルコニウム金属の純度
は重要であつて、これは希薄ジルコニウム合金ラ
イナに特定の性質を付与する目的に役立つ。一般
的に言えば、かかるジルコニウム金属中には少な
くとも1000ppmかつ5000ppm未満好しくは
4200ppmの不純物が存在するものとする。その
内、酸素の含量は約1000ppmまでであればよい。

本発明の燃料要素の複合被覆容器は、基体に対
して磁金的に接合された希薄ジルコニウム合金ラ
イナを含んでいる。金属組織学的検査によれば、
基体と希薄ジルコニウム合金ライナとの間に相互
拡散の起こつていることがわかる。かかる相互拡
散の程度は両者間に金属学的結合を生み出すのに
十分なものであるが、希薄ジルコニウム合金ライ
ナ自体との顕著な金化をもたらすほどではない。

基体として適する通常のジルコニウム合金の中
には、ジルカロイ−２およびジルカロイ−４があ
る。ジルカロイ−２は約1.5（重量）％のスズ、
0.12（重量）％の鉄、0.09（重量）％のクロムおよ
び0.005（重量）％のニツケルを含有するもので、
水冷却形原子炉において広く使用されている。ジ
ルカロイ−４はジルカロイ−２よりもニツケル含
量が少ないが、鉄含量はやや多い。本発明の燃料
要素において使用される複合被覆容器は、下記の
ような方法のいずれかによつて製造することがで
きる。

１つの方法によれば、基体用として選ばれた中
空のビツト内に希薄ジルコニウム合金ライナ材料
製の管が挿入され、次いでかかる管ビレツトに対
して爆発接合される。こうして得られた複合物が
約1000〜1400〓（約538〜760℃）の高温下で通常
の管材押出法に従つて押出される。次に、通常の
管絞り操作を含む工程において押出し後の複合物
を処理すれば所望の被覆管方法が達成される。な
お、中空のビレツトおよび希薄ジルコニウム合金
ライナ材料の管の相対的な肉厚は、完成後の被覆
管において所望の肉厚比が得られるように選ばれ
る。

別の方法によれば、基体用として選ばれた中空
のビレツト内に希薄ジルコニウム合金ライナ材料
製の管が挿入される。次いで、かかる集合体に圧
縮応力下で（たとえば750℃で８時間の）加熱操
作を施すことにより、管とビレツトとの良好な金
属間接触および拡散接合が実現される。拡散接合
後の複合物は、上記のごとき通常の管材押出法に
従つて押出される。次に通常の管絞り操作を含む
工程において押出し後の複合物を処理すれば所定
望の被覆管寸法が達成される。

更に別の方法によれば、基体用として選ばれた
中空のビレツト内に希薄ジルコニウム合金ライナ
材料製の管が挿入され、次いでかかる集合体が上
記のごとき通常の管材押出法に従つて押出され
る。次に、通常の管絞り操作を含む工程において
押出し後の複合物を処理すれば所望の被覆管寸法
が達成される。

本発明の複合被覆容器を製造するための上記方
法は、被覆管を製造するためのその他の方法（た
とえば電気めつきや蒸着）よりも経済的である。
燃料要素の製造に当つては、基体およびその内面
に対して治金的に接合された希薄ジルコニウム合
金ライナから成りかつ一端の開いた複合被覆容器
が用意される。かかる複合被覆容器に核燃料物質
を充填し、開放端には空所を残し、その空所内に
核燃料物質保持手段を挿入し、空所を核燃料物質
と連絡する状態に保ちながら複合被覆容器の開放
端に閉鎖手段を配置し、次いで複合被覆容器の端
部に閉鎖手段を接合して両者間を密封すれば、完
成した燃料要素が得られる。

本発明は、燃料要素の使用寿命の延長をもたら
す幾つかの利点を有している。かかる利点として
は、複合被覆容器の化学的相互作用の低減、複合
被覆容器のジルコニウム合金基体部分における局
部的応力の抑制、複合被覆容器のジルコニウム合
金基体部分における応力腐食の抑制、およびジル
コニウム合金基体において破裂損傷が起こる可能
性の低下が挙げられる。

基体における応力の低減および応力腐食の抑制
に加えて、希薄ジルコニウム合金ライナは複合被
覆容器が破裂した場合でも水蒸気や熱水による酸
化に対して抵抗性を示す。それに対し、合金化さ
れないジルコニウムはこのような条件下では極め
て急速に酸化する。かかる希薄ジルコニウム合金
は合金化されないジルコニウムと同様な塑性を有
しており、しかもそのような利点は耐食性（特に
熱水や水蒸気による酸化に対しての抵抗性）の増
大と共に得られるのである。

本発明の複合被覆容器の重要な特性の１つは、
上記の改善が中性子吸収能の実質的な増大なしに
達成されることである。かかる複合被覆容器はま
た、冷却材喪失事故や燃料棒落下事故に際して共
融合金の生成をもたらすことがないから、原子炉
において容易に受入れられるものである。更にま
た、燃料要素内に独立した箔やライナを挿入した
場合に見られるように熱伝達に対する障壁が存在
しないため、かかる複合被覆容器がもたらす伝熱
性の低下は極めて小さい。その上、本発明の複合
被覆容器は製造および運転の様々な段階において
通常の非破壊試験法により検査することができ
る。

当業者にとつては自明の通り、本明細書中に記
載された本発明の実施態様には様々な変更や修正
を施すことができる。それ故、本発明は前記特許
請求の範囲に示された精神および範囲に沿つて最
も広義に解釈すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて製造された燃料要素を
含む燃料集合体の部分切欠き断面図、そして第２
図は本発明を説明するために第１図中の燃料要素
を拡大して示す横断面図である。 図中、１０は燃料集合体、１１はチヤネルボツ
クス、１４は燃料要素、１５は上部タイプレー
ト、１６は核燃料物質、１７は被覆管または複合
被覆容器、１８は端栓、２０は空所またはプレナ
ム、２１は基体、２２は希薄ジルコニウム合金ラ
イナ、そして２３は空隙を表わす。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (A)ウラン化合物、プルトニウム化合物、トリ
   ウム化合物およびそれらの混合物から成る群より
   選ばれた核燃料物質の中心芯体並びに(B)前記芯体
   を包囲する細長い複合被覆容器から構成されてい
   て、前記複合被覆容器は(a)基体を形成する外側部
   分および(b)0.1〜0.5（重量）％のニオブと残部の
   ジルコニウムとから成りかつ前記基体の内面に対
   して治金的に接合された希薄ジルコニウム合金ラ
   イナを有し、しかも前記希薄ジルコニウム合金ラ
   イナは前記複合被覆容器の厚さの１〜20％を占め
   ることを特徴とする燃料要素。 ２ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが0.2〜0.4
   （重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムか
   らなる特許請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ３ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合
   被覆容器の厚さの５〜15％を占める特許請求の範
   囲第１項記載の燃料要素。 ４ (a)基体を形成するジルコニウム合金の外側部
   分および(b)ジルコニウムとその中に0.1〜0.5（重
   量）％溶解したニオブとから成りかつ前記基体の
   内面に対して治金的に接続された希薄ジルコニウ
   ム合金ライナから構成されていて、前記希薄ジル
   コニウム合金ライナは得られる複合被覆容器の厚
   さの５〜15％を占めることを特徴とする原子炉用
   の複合被覆容器。 ５ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが0.2〜0.4
   （重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムか
   ら成る特許請求の範囲第４項記載の複合被覆容
   器。 ６ (a)基体を形成するジルコニウム合金の外側部
   分および(b)0.1〜0.5（重量）％のニオブと残部の
   ジルコニウムとから成りかつ前記基体の内面に対
   して接合された希薄ジルコニウム合金ライナから
   構成されることを特徴とする原子炉用の複合被覆
   容器。 ７ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが0.2〜0.4
   （重量）％のニオブと残部のジルコニウムとから
   成る特許請求の範囲第６項記載の複合被覆容器。 ８ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合
   被覆容器の厚さの１〜20％を占める特許請求の範
   囲第６項記載の複合被覆容器。 ９ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合
   被覆容器の厚さの５〜15％を占める特許請求の範
   囲第６項記載の複合被覆容器。 １０ (A)細長い複合被覆容器、(B)ウラン化合物、
   プルトニウム化合物、トリウム化合物およびそれ
   らの混合物から成る群より選ばれ、前記複合被覆
   容器内に配置されてその内部に空所を残しながら
   前記複合容器を部分的に満たし、かつ原子炉内で
   の使用に際し前記複合被覆容器との間に空〓を残
   すように前記複合被覆容器によつて包囲された核
   燃料物質の中心芯体、(C)前記複合被覆容器の両端
   に対して一体的に固定された閉鎖手段並びに(D)前
   記空所内に配置された核燃料物質保持手段から構
   成される燃料要素において、前記複合被覆容器は
   (a)ジルコニウム合金から成りかつ基体を形成する
   外側部分および(b)0.1〜0.5（重量）％のニオブと
   残部のジルコニウムから成りかつ前記基体の内面
   に対して治金的に接合された連続的な希薄ジルコ
   ニウム合金ライナを有し、しかも前記希薄ジルコ
   ニウム合金ライナは前記複合被覆容器の厚さの５
   〜15％を占めることを特徴とする燃料要素。 １１ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが0.2〜
   0.4（重量）％のニオブおよび残部のジルコニウム
   から成る特許請求の範囲第１０項記載の燃料要
   素。 １２ (a)ジルコニウム合金から成る外側の基体お
   よび(b)前記基体の内面に対して治金的に接合さ
   れ、かつ、得られる複合被覆容器の厚さの１〜20
   ％の範囲内の厚さを有する内側の保護ライナから
   構成された、原子炉で使用すべき核燃料用の中空
   の複合被覆容器において、前記ライナが0.1〜0.5
   （重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムか
   ら本質的に成る希薄ジルコニウム合金ライナであ
   ることを特徴とする複合被覆容器。 １３ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが0.2〜
   0.4（重量）％のニオブおよび残部のジルコニウム
   から成る特許請求の範囲第１２項記載の複合被覆
   容器。 １４ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複
   合被覆容器の厚さの５〜15％の範囲内の厚さを有
   する特許請求の範囲第１２項記載の複合被覆容
   器。 １５ (a)基体を形成するジルコニウム合金の外側
   部分および(b)前記基体の内面に対して治金的に接
   合された希薄ジルコニウム合金ライナから構成さ
   れていて、前記希薄ジルコニウム合金ライナはジ
   ルコニウムとその中に0.1〜0.5（重量％）溶解し
   たニオブとから本質的に成りかつ前記基体よりも
   低い合金成分含量を有することを特徴とする原子
   炉用の複合被覆容器。 １６ 前記希薄ジルコニウム合金ライナのニオブ
   が0.2〜0.4（重量）％の範囲内にある特許請求の
   範囲第１５項記載の複合被覆容器。 １７ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複
   合被覆容器の厚さの１〜20％の範囲内の厚さを有
   する特許請求の範囲第１５項記載の複合被覆容
   器。 １８ 前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複
   合被覆容器の厚さの５〜15％の範囲内の厚さを有
   する特許請求の範囲第１５項記載の複合被覆容
   器。 １９ (a)基体を形成するジルコニウム合金の外側
   部分および(b)前記基体の内面に対して治金的に接
   合されたジルコニウム合金ライナから構成されて
   いて、前記ジルコニウム合金ライナはジルコニウ
   ムとその中に0.1〜0.5（重量）％溶解したニオブ
   とから成り、かつ、前記基体よりも低い合金成分
   含量を有し、しかも前記ジルコニウム合金ライナ
   は得られる複合被覆容器の厚さの５〜15％を占め
   ることを特徴とする原子炉用の複合被覆容器。 ２０ 前記ジルコニウム合金ライナ0.2〜0.4（重
   量）％のニオブおよび残部のジルコニウムから成
   る特許請求の範囲第１９項記載の複合被覆容器。 ２１ (a)基体を形成するジルコニウム合金の外側
   部分並びに(b)0.1〜0.5（重量）％のニオブおよび
   残部のジルコニウムから成りかつ前記基体の内面
   に対して接合されたジルコニウム合金ライナから
   構成されることを特徴とする原子炉用の複合被覆
   容器。 ２２ 前記ジルコニウム合金ライナが0.2〜0.4
   （重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムか
   ら成る特許請求の範囲第２１項記載の複合被覆容
   器。 ２３ 前記ジルコニウム合金ライナが前記複合被
   覆容器の厚さの１〜20％を占める特許請求の範囲
   第２１項記載の複合被覆容器。 ２４ 前記ジルコニウム合金ライナが前記複合被
   覆容器の厚さの５〜15％を占める特許請求の範囲
   第２１項記載の複合被覆容器。