JPH06186364A - 核燃料要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 核燃料要素の端栓部の健全性を向上させ、ジ
ルコニウムライナ付き燃料被覆管が破損した場合でも、
核燃料要素の安全性を確保する。 【構成】 ジルコニウム合金からなる燃料被覆管１母材
の内周面にジルコニウムライナ２を張設したジルコニウ
ムライナ付き燃料被覆管の内部に燃料ペレットを収納
し、端部に端栓３を溶接してある核燃料要素において、
端部に端栓３を溶接する以前に、ジルコニウムライナ付
き燃料被覆管の両端部に対応するジルコニウムライナ２
の内表面に、スズメッキ層４を張設してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は核燃料要素に係り、特に
ジルコニウムライナ付き燃料被覆管を有する核燃料要素
に関する。

【０００２】

【従来の技術】軽水炉用の核燃料要素は、酸化物系核燃
料ペレットをジルコニウム合金製の燃料被覆管内に積層
収納し、上部にはガス溜用プレナムと核燃料ペレットを
安定に支持するためのプレナムスプリングとを有し、上
下両端の開口部を上部及び下部の各端栓でそれぞれ密封
溶接した構造となっている。

【０００３】燃料被覆管内の核燃料ペレットは、燃焼に
より放射性核分裂生成物を放出するので、放射性核分裂
生成物が燃料被覆管から多量に漏洩する場合には、冷却
材中の放射能レベルが増加する。この漏洩は好ましいこ
とではないので、放射性核分裂生成物の漏洩を阻止する
機能を有する燃料被覆管の開発が要望されている。

【０００４】燃料の燃焼度が高くなって、出力が急激に
上昇した場合、核燃料ペレットが熱膨張して燃料被覆管
に引張り応力が発生し、燃料被覆管と放射性核分裂生成
物との間の化学的相互作用によって、燃料被覆管に応力
腐食割れの発生する可能性が考えられることが、現在ま
での軽水炉の運転経験から明らかになっている。

【０００５】このように燃料被覆管への応力腐食割れの
発生を防止するため、燃料被覆管の内表面に各種の金属
を張設する手段が開示されている。例えば、米国特許第
３５０２５４９号公報、米国特許第３６２５８２１号公
報、特開昭５１−６９７９２号公報、特開昭５１−６９
７９５号公報、特開昭５１−６９７９６号公報及び特開
昭５１−７１４９７号公報において、内張り材として、
Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｚ
ｒ、Ａｌ及びＮｉ−Ｃｒ合金が開示され、アルミ化コー
ティング及び珪素化コーティングなどを用いる方法も開
示されている。

【０００６】また、ジルカロイ合金製の燃料被覆管の内
表面に厚さ８０〜１００μｍの高純度のジルコニウムラ
イナ層を障壁として冶金的に結合させた、いわゆるジル
コニウムライナ付き燃料被覆管が、特開昭５５−１６４
３９６号公報に開示されている。このジルコニウムライ
ナ付き燃料被覆管は、既に実用化されており、燃料被覆
管を構成するジルカロイ合金と核分裂生成物との間の化
学的反応と、燃料被覆管への過大な加負荷とを、ジルコ
ニウムライナ層により防止し、燃料被覆管の応力腐食割
れを抑制する効果が期待されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のジルコ
ニウムライナ付き燃料被覆管であっても、過度な出力上
昇時においては、燃料被覆管に微細な貫通亀裂が発生
し、冷却材が燃料被覆管の内部に浸入する可能性を有し
ている。

【０００８】冷却材である水と、燃料、及び燃料被覆管
の内表面のＺｒとが反応した場合は、一般には、燃料被
覆管内に水素が生じ、水素は燃料被覆管の上下端栓の溶
接部で集中的に吸収され、溶接部を脆化させる傾向があ
ると言われている。

【０００９】特に、ジルコニウムライナ付き燃料被覆管
では、溶接部の内表面に活性な純ジルコニウム層が露出
しているので、水素は活性な純ジルコニウム層を経由し
て溶接部に吸収されやすく、ジルコニウムライナ付き燃
料被覆管が破損した場合、端栓部は脆化する危険性が考
えられるので、このような現象の発生を極力抑制する必
要がある。

【００１０】本発明の目的は、核燃料要素の端栓部の健
全性を向上させ、ジルコニウムライナ付き燃料被覆管が
なんらかの原因によって破損した場合でも、核燃料要素
の安全性を確保することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、次のように
して達成することができる。

【００１２】（１）ジルコニウム合金からなる燃料被覆
管母材の内周面にジルコニウムライナを張設したジルコ
ニウムライナ付き燃料被覆管の内部に燃料ペレットを収
納し、両端に端栓を溶接してある核燃料要素において、
ジルコニウムライナ付き燃料被覆管の両端部に対応する
ジルコニウムライナの内表面に、ジルコニウムライナの
構成材料とは異なる材料を張設してあること。

【００１３】（２）（１）において、ジルコニウムライ
ナの内表面に張設してある材料が、Ｓｎ、Ｆｅ若しくは
Ｃｒ、又はこれらの金属の少なくとも１つを含む合金若
しくは混合物であること。

【００１４】（３）（１）において、ジルコニウムライ
ナの構成材料とは異なる材料が、溶接、電気メッキ、無
電解メッキ、溶融メッキ及び蒸着のうちの少なくとも一
つによって張設されたものであること。

【００１５】

【作用】本発明者は、まず、本発明のための基礎資料を
得るために、燃料被覆管が破損し、燃料被覆管内に冷却
水が浸入したときの燃料被覆管の脆化現象について検討
した。

【００１６】すなわち、燃料被覆管がなんらかの原因で
破損した場合、燃料被覆管の内表面、及び燃料ペレット
は、冷却材が浸入して酸化され、その結果として水素が
発生し、燃料被覆管には水蒸気と水素との混合気体が内
在する。

【００１７】この混合気体は乾燥しながら、すなわち水
蒸気を吸収しながら燃料被覆管の上下方向に拡散し、上
下の端栓溶接部に到達する。これらの端栓溶接部は、溶
接時に燃料被覆管及び端栓のそれぞれの一部が溶融さ
れ、その後急冷されて生成したものであるので、端栓溶
接部を構成する金属の結晶は微視的には歪んだ状態にあ
る。

【００１８】したがって、燃料被覆管内の混合気体のう
ち、端栓部まで到達した水素は、燃料被覆管の内表面を
透過して溶接部に集中的に吸収され、水素化物（Ｚｒ−
Ｈ化合物）が形成される。

【００１９】水素化物（Ｚｒ−Ｈ化合物）は、燃料被覆
管の構成元素であるジルコニウムよりも低密度であるの
で、端栓溶接部を構成する金属の結晶を加速度的に歪ま
せながら、いわゆるサンバーストと称呼される巨視的な
水素化領域を形成し、溶接部を著しく脆化させる。

【００２０】この現象を詳細に調べるために、以下のよ
うな加速試験を行った。すなわち、長さ約２０ｃｍのジ
ルカロイ−２燃料被覆管（以下、試験片ａと略称）、ジ
ルコニウムの厚さが約１００μｍのジルコニウムライナ
付き燃料被覆管（以下、試験片ｂと略称）、及び管端部
約５ｍｍに厚さ約５μｍのスズメッキを施したジルコニ
ウムライナ付き燃料被覆管（以下、試験片ｃと略称）の
３種類の試験片を製作した。そして、それぞれの試験片
の内部に、水１００ｍｇとフツ化水素酸２ｍｇとの混合
液を含むガラスアンプルを挿入し、上下端をジルカロイ
−２からなる端栓を用い不活性ガス雰囲気内で溶接し、
燃料被覆管内を密封した。

【００２１】その後、これらの試験片を電気炉内に入
れ、２８０℃で２０時間保持した後、端栓溶接部の断面
の金属組織を観察し、水素化の大小の程度を比較した。

【００２２】図２は、試験後における各試験片の要部の
縦断面図であって、図２の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）
は、それぞれ試験片ａ、ｂ及びｃに対応する図であり、
１は燃料被覆管、２はジルコニウムライナ、３は端栓、
４はスズメッキ層、５は溶接部、６はジルコニウム酸化
物、７は水素化物を示している。

【００２３】試験片ｂでは、図２の（ｂ）に示すよう
に、水素がジルコニウムライナ２を経由して溶接部５に
吸収されて、水素化物７が形成されている。また、試験
片ａでは、図２の（ａ）に示すように、ジルコニウム酸
化物６は、試験片ａの内表面に一様に形成され、この酸
化物層の存在により、試験片ａでは溶接部への水素の吸
収が阻止されたと解釈される。更に、試験片ｃでは、図
２の（ｃ）に示すように、ジルコニウムライナ２の内表
面にスズメッキして得られたスズメッキ層４が溶接時の
熱で溶融して、ジルコニウムライナ２の内表面にスズの
被膜が形成され、水素の吸収が防止されたとみられる。

【００２４】すなわち、ジルコニウムライナ２の内表面
にスズメッキ層４を張設すれば、水素の吸収を防止する
効果のあることがわかった。

【００２５】以上の検討結果から、メッキ材に、鉄若し
くはクロム、又はこれらのうちの少なくとも一成分を含
む合金若しくは混合物を使用しても、スズメッキの場合
と同様の効果を上げることができる。また、溶接、無電
解メッキ、溶融メッキ又は蒸着の各方法を用いても、上
記の電気メッキの場合と同様の効果を期待することがで
きる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図を用いて説明す
る。

【００２７】図１は本発明の一実施例のジルコニウムラ
イナ付き燃料被覆管の要部の部分断面図であり、図２と
同一部品には同じ符号を用いている。

【００２８】本実施例で使用した燃料被覆管１は、ジル
カロイ−２であり、スズを１．５１％、鉄を０．１４
％、クロムを０．１％、ニッケルを０．０５％を、それ
ぞれ含有するジルコニウム合金から構成されている。

【００２９】端栓３はジルカロイ−２からなり、ジルコ
ニウムライナ２は燃料被覆管１に一様に張設されてお
り、主な不純物として鉄を５００ｐｐｍ、酸素を４００
ｐｐｍを含有するジルコニウムからなっている。

【００３０】そして、本実施例では、ジルコニウムライ
ナ２の内表面に、厚さ約５μｍのスズメッキ層４を張設
してある。

【００３１】なお、上記のジルコニウムライナ付き燃料
被覆管の製造方法は、ジルコニウムライナ２の内表面に
スズメッキ層４を張設する工程より以前の部分は、ジル
コニウムライナ付き燃料被覆管製造に関する公知の技術
と同様である。

【００３２】すなわち、ジルカロイ−２のインゴットを
厚肉円筒状に成形加工し、これとは別に、鉄を５００ｐ
ｐｍ、酸素を４００ｐｐｍを含むジルコニウムインゴッ
トの芯部を機械加工によってえぐった後、上記のジルカ
ロイ−２からなる厚肉円筒の内側に挿入し、熱間押し出
しにより、両者を一体化する。その後、ピルガー圧延機
と称される圧延機による冷間圧延と、焼鈍との操作を組
み合わせながら、外径１２．２ｍｍ、肉厚０．８６ｍｍ
のジルコニウムライナ付き燃料被覆管に仕上げている。

【００３３】本実施例では、その後、ジルコニウムライ
ナ付き燃料被覆管と端栓とを溶接する前行程において、
ジルコニウムライナの上下両端部における端から約５ｍ
ｍまでの範囲を、それぞれスズの電気メッキ液中に浸漬
し、厚さ約５μｍのスズメッキ層４を形成させている。

【００３４】また、本実施例ではジルコニウムライナ内
表面へのメッキ材としてスズを用いたが、本発明の目的
は、溶接時において、ジルコニウムライナ層中にジルコ
ニウムライナを構成する材料とは異種の材料を溶け込ま
せることによって、燃料被覆管が破損したときの端栓部
領域の耐水素脆化を向上することであるので、この目的
を達成することが可能な、他の材料、例えば鉄若しくは
クロム、又はこれらのうちの少なくとも一成分を含む合
金若しくは混合物を使用して、スズメッキの場合と同様
の効果を上げることができる。

【００３５】更に、ジルコニウムライナ内表面へスズな
どを張設する場合、上記の電気メッキのほかに、溶接、
無電解メッキ、溶融メッキ又は蒸着の各方法を用いて
も、同様の効果が期待できる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、核燃料要素の端栓部の
健全性が向上するので、ジルコニウムライナ付き燃料被
覆管がなんらかの原因によって破損した場合でも、核燃
料要素の安全性を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のライナ付き燃料被覆管の要
部の部分断面図である。

【図２】試験後における各試験片の要部の縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１…核燃料被覆管、２…ジルコニウムライナ、３…端
栓、４…スズメッキ層、５…溶接部、６…ジルコニウム
酸化物、７…水酸化物。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジルコニウム合金からなる燃料被覆管母
   材の内周面にジルコニウムライナを張設したジルコニウ
   ムライナ付き燃料被覆管の内部に燃料ペレットを収納
   し、両端に端栓を溶接してある核燃料要素において、前
   記ジルコニウムライナ付き燃料被覆管の両端部に対応す
   る前記ジルコニウムライナの内表面に、前記ジルコニウ
   ムライナの構成材料とは異なる材料を張設してあること
   を特徴とする核燃料要素。
2. 【請求項２】 前記ジルコニウムライナの内表面に張設
   してある材料が、Ｓｎ、Ｆｅ若しくはＣｒ、又はこれら
   の金属の少なくとも１つを含む合金若しくは混合物であ
   る請求項１記載の核燃料要素。
3. 【請求項３】 前記ジルコニウムライナの構成材料とは
   異なる材料が、溶接、電気メッキ、無電解メッキ、溶融
   メッキ及び蒸着のうちの少なくとも一つによって張設さ
   れたものである請求項１記載の核燃料要素。