JPH0618686A - 核燃料のための被覆管 - Google Patents

核燃料のための被覆管

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JPH0618686A
JPH0618686A JP5090628A JP9062893A JPH0618686A JP H0618686 A JPH0618686 A JP H0618686A JP 5090628 A JP5090628 A JP 5090628A JP 9062893 A JP9062893 A JP 9062893A JP H0618686 A JPH0618686 A JP H0618686A
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JP
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zirconium
liner
cladding
cladding tube
nuclear fuel
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JP5090628A
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Richard A Perkins
エイ パーキンス リチヤード
Raymond A Busch
エイ ブツシユ レイモンド
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Siemens Nuclear Power Corp
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    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
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    • G21C3/20Details of the construction within the casing with coating on fuel or on inside of casing; with non-active interlayer between casing and active material with multiple casings or multiple active layers
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 核燃料棒のジルコニウム合金製被覆管のペレ
ット・被覆間相互作用による脆性破壊を防止するために
被覆管内面に設けたジルコニウムライナにおいて、ジル
コニウムの延性を維持しながら耐食性を持たせる。 【構成】 核燃料棒のための被覆20が外側の細長い被
覆管30とこの管を裏打ちするジルコニウムライナ40
とを有し、ライナの内壁がスズ及び/又はバナジウムの
ジルコニウムベース合金から成る内側拡散部41を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は原子炉燃料集合体のた
めの核燃料棒に関し、特にジルコニウム合金から作られ
かつ内面上にジルコニウムライナを裏打ちされた被覆管
に関する。
【0002】
【従来の技術】核燃料要素は一般に、焼結された酸化ウ
ラン、酸化トリウム、酸化プルトニウム又はこの種の酸
化物燃料の混合物から成る燃料ペレットの積み重ね体を
収容する被覆管、及び被覆管の上下の端部を封止する端
栓を有する。また気体貯蔵プレナム又はスペースが核分
裂生成気体を収容するために被覆管内に設けられてい
る。プレナム内には、焼結された燃料ペレットを被覆管
内に安定保持するためにばね又は機構が設けられてい
る。
【0003】被覆管は一つには燃料ペレットと冷却材及
び/又は減速材との間の接触及び化学反応を防止するよ
うに働く。加えるに被覆管は、原子炉の運転により燃料
ペレットから放出された放射性核分裂生成物による冷却
材の汚染を防止する。被覆管の気密性の低下は原子炉及
び関連装置を汚染し、プラント運転を妨げるおそれがあ
る。
【0004】被覆管のための材料は、原子炉運転中に予
想される環境及び作動条件のもとで優れた機械的特性及
び高い耐食性を有することを要求される。通常の被覆材
料はジルコニウムとその合金とステンレス鋼とを含む。
主成分がジルコニウムであるジルコニウム合金は被覆管
の材料として広く用いられている。最も広く用いられて
いるジルコニウム合金のうちの二つはジルカロイ2及び
ジルカロイ4であり、ASTM規格B350−91(1
991年)「原子力用ジルコニウム及びジルコニウム合
金のインゴットのための標準仕様書」のそれぞれ組成R
60802及びR60804に記載されている。ジルコ
ニウム2(組成R60802)は1.20〜1.70重
量%のスズ、0.07〜0.20重量%の鉄、0.05
〜0.15重量%のクロム、0.03〜0.08重量%
のニッケルを含み、ここで鉄+クロム+ニッケルの含有
量は0.18〜0.38重量%であり、かつ残部はジル
コニウム+不純物である。ジルカロイ4(組成R608
04)は1.20〜1.70重量%のスズ、0.18〜
0.24重量%の鉄、0.07〜0.13重量%のクロ
ムを含み、ここで鉄+クロムの含有量は0.28〜0.
37重量%であり、かつ残部はジルコニウム+不純物で
ある。ジルカロイ2及びジルカロイ4のための最大不純
物レベルはASTM規格B350−91の表1から引用
された下記の[表1]に与えられている。
【0005】
【表1】 最大不純物量(重量%) R60001 R60802 R60804 アルミニウム 0.0075 0.0075 0.0075 ホウ素 0.00005 0.00005 0.00005 カドミウム 0.00005 0.00005 0.00005 炭素 0.027 0.027 0.027 クロム 0.020 --- --- コバルト 0.0020 0.0020 0.0020 銅 0.0050 0.0050 0.0050 ハフニウム 0.010 0.010 0.010 鉄 0.150 --- --- 水素 0.0025 0.0025 0.0025 酸素 * * * マグネシウム 0.0020 0.0020 0.0020 マンガン 0.0050 0.0050 0.0050 モリブデン 0.0050 0.0050 0.0050 ニッケル 0.0070 --- 0.0070 ニオブ 0.010 0.010 0.010 窒素 0.0065 0.0065 0.0065 ケイ素 0.0120 0.012 0.0120 スズ 0.0050 --- --- チタン 0.0050 0.0050 0.0050 タングステン 0.010 0.010 0.010 ウラン(合計) 0.00035 0.00035 0.00035 *購入注文書に規定されるとき酸素量を測定し報告しな
ければならない。最大又は最小許容値又は両値は購入注
文書に規定されたとおりでなければならない。
【0006】ジルカロイ2及びジルカロイ4のような幾
つかのジルコニウム合金は通常の状態のもとで被覆材料
として優れた特性を有するが、高い燃焼度では被覆管
は、燃料から放出されしかし被覆内に閉じ込められた核
分裂生成気体の存在と相まって、燃料と被覆との間の異
なる膨張及び摩擦に由来する局部の機械的応力による脆
性破壊を被りやすい。この種の破壊現象はペレット・被
覆間相互作用と呼ばれる。
【0007】ペレット・被覆間相互作用による亀裂を防
止するために、被覆ライナ材料が燃料ペレットとジルカ
ロイ管との間に置かれる。このライナはジルカロイと核
分裂生成物との間の直接接触を防止する。燃料ペレット
の熱膨張により引き起こされる局部応力を軽減するため
に、ライナ材料は高い延性を有しなければならない。ラ
イナのために適した材料は純粋なジルコニウムであるこ
とがよく知られている。原子炉級ジルコニウムのための
最大不純物レベルは組成R60001のもとに[表1]
に記載されている。結晶棒状及びスポンジ状ジルコニウ
ムがこの目的のために用いられている。ジルコニウムは
大きい延性を有する必要があるので、それが合金化され
ていないならばその機能を最善に果たす。しかし合金化
されていないジルコニウムは耐食性が非常に低い。もし
被覆が破れて水及び/又は蒸気が燃料棒内部に入ると、
ジルコニウムライナ特にその内壁は急速な酸化を被り、
それにより異常に大きい二次的破壊を引き起こすおそれ
がある。この種の破壊は被覆中に大きい軸線方向割れを
生じ、冷却材中への放射性物質の許容できない大量放出
を招くおそれがある。しかしながら耐食性を改善するた
めにライナへ合金化材料を加えることはライナの延性を
低下させるおそれがある。
【0008】ジルコニウムライナの延性及び大きい粒度
は被覆の製造中に表面亀裂又は微細亀裂の発生を促進す
るおそれがある。アメリカ合衆国特許第4894203 号明細
書には、製造中に亀裂をまた作動中に酸化を起こすジル
コニウムライナの傾向を抑えるために、合金を形成する
鉄、クロム、銅、窒素又はニオブの添加物を有するジル
コニウム合金の層がジルコニウムライナの内壁上に置か
れているようにした改良形核燃料棒が記載されている。
アメリカ合衆国特許第4610842 号及び同第4816215 号明
細書には、耐食性を改善するために0.1〜4%のスズ
をライナ全体に合金として添加することが記載されてい
る。しかしながらスズによる置換的合金化はジルコニウ
ム・スズ合金の強度を純粋なジルコニウムの強度を超え
て増加するので、ジルコニウム・スズ合金から作られた
ライナの延性が減る。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、ジ
ルコニウムライナの延性を維持しながら耐食性の内側合
金面を有するような、核燃料棒の被覆用ジルコニウムラ
イナを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】この課題はこの発明に基
づき、外側の細長い金属製被覆管と、内壁を有するジル
コニウム被覆ライナとを備え、外側の細長い金属製被覆
管が内面を被覆ライナにより裏打ちされ、被覆ライナが
内壁から内へ向かって形成され広がる内側拡散部を有
し、内側拡散部がジルコニウム・スズ合金、ジルコニウ
ム・バナジウム合金及びジルコニウム・スズ・バナジウ
ム合金の群から選択されたジルコニウムベース合金を含
み、残部がジルコニウム被覆ライナ中に通常生じる不純
物を含むジルコニウムであることを特徴とする核燃料の
ための被覆管により解決される。
【0011】
【実施例】次にこの発明に基づく核燃料のための被覆管
の一実施例を示す図面により、この発明を詳細に説明す
る。
【0012】図1には、沸騰水型原子炉のための典型的
な8×8燃料集合体が全体を符号10で示されている。
燃料集合体10は上側及び下側タイプレート(図示され
ていない)及び管形の多数の燃料棒13を備え、これら
の燃料棒は両端部を上側及び下側タイプレートに保持さ
れている。複数の格子スペーサ15が燃料棒13の全長
に沿って配置されている。スペーサ15は燃料棒13が
貫通して延びる小区画を形成する。チャネルボックス
(図示されていない)が燃料棒13の束の外周を囲んで
配置されている。この種の構造の詳細な説明に対しては
アメリカ合衆国特許第4803044 号明細書を参照された
い。
【0013】本明細書では8×8燃料棒アレーを参照し
ているが、この種のアレーは説明のために選択されたに
すぎない。この発明は管形燃料棒又は円形断面領域を有
する燃料棒に対して説明されているが、当業者であれば
この発明をすべての燃料棒の寸法、形状及び断面輪郭に
ついて利用できることを容易に認識するであろう。
【0014】各燃料棒13は燃料ペレット11の積み重
ね体を囲む。各積み重ね体中のペレット11は、棒13
の上端部と一番上のペレット11との間に配置されたば
ね17により相互に密着保持されている。
【0015】図2に示すように、燃料棒被覆20は被覆
管30及びライナ40から成る。ライナ40の内壁上に
はスズ又はバナジウムの層50が析出させられている。
そして被覆がスズ及び/又はバナジウムをライナ中へ拡
散させるために焼きなましされる。
【0016】図3は、図1に示された集合体に採用され
た核燃料棒の一端部の断面図である。図3に示された燃
料棒13は図2に示された被覆管30、ライナ40及び
層50を焼きなましした後に形成される。ライナ40
は、スズ又はバナジウムの析出層50からライナ40中
へのスズ又はバナジウムの移行により焼きなまし中に作
られた拡散領域である内側拡散部41を有する。被覆2
0の形成後に燃料ペレット11が被覆中へ挿入される。
燃料ペレット11は間隙60によりライナ40の内側拡
散部41から隔離されている。
【0017】スズ又はバナジウムがジルコニウムライナ
40の内側拡散部41を形成するように拡散するのと同
時に、合金化金属がジルカロイ被覆30からライナ40
の外壁を貫いてライナ40中へ拡散する。鉄、クロム及
び/又はニッケルのような金属の拡散が、ジルコニウム
合金の外側拡散部42を形成するためにジルカロイ被覆
30からライナ40中へ起こる。変形例では、ライナの
内面の一層高い耐食性に更に貢献するスズ又はバナジウ
ムを含むジルコニウム合金を形成するために、この種の
金属をライナ40を貫いて内側拡散部41中へ拡散させ
ることができる。
【0018】この発明によればライナ40の組成は、被
覆製造工程中にライナ40の内面上にスズ及び/又はバ
ナジウムを析出させ、次の焼きなまし中に析出材料をラ
イナ40中へ拡散させることにより、製造中に変更され
る。析出は押し出しに続く任意の縮小段階後に行われ
る。スズ及び/又はバナジウム層は、化学的又は物理的
蒸着、電解又は浸漬(無電解)めっき又はスパッタリン
グを含むが、しかしこれには制限されない種々の公知の
方法によりライナ40の内壁上に置かれる。
【0019】スズ及びバナジウムがライナ40の内壁上
に析出させられ、続いて被覆管30の亀裂の際にジルコ
ニウムの耐食性を増すように働く内側拡散部41を形成
するように焼きなましされる。スズ又はバナジウムは内
側拡散部41中に薄いジルコニウム合金を形成するため
にジルコニウムライナ40中へ拡散するが、ライナの大
部分の置換的合金化は起こらない。これによりスズ又は
バナジウムによる合金化の生じないライナ部分が、ペレ
ット・被覆間相互作用による亀裂発生に対する保護を提
供するために必要な延性を保持することができる。急速
に酸化されるおそれのある下側のジルコニウムライナと
冷却材の接触を防止する保護性酸化物被膜の形成は内側
拡散部41の表面での改善された耐食性を引き起こす。
ライナ40の内側部分上の内側拡散部41中に合金を形
成することにより、水又は蒸気が棒内部に入った場合に
改善された耐食性が得られ、かつ燃料ペレット11によ
り加えられる機械的負荷に耐えるためにライナ40の延
性を維持する。
【0020】被覆30のために用いられる材料はジルコ
ニウム、その合金及びステンレス鋼を含むが、有利な材
料はジルコニウム及びその合金特にジルカロイ2及びジ
ルカロイ4である。ライナ40のための有利な材料はス
ポンジ又は結晶棒を原料としたジルコニウムのような高
純度ジルコニウムである。
【0021】この発明に基づく被覆20は、インゴット
又は管用中空材を薄壁の細長い管へ加工する処理により
成形される。被覆管30のための望ましくはジルカロイ
である材料のインゴット又は棒は管用中空材に成形さ
れ、望ましくはジルコニウムのライナ40がこの中空材
中へ挿入され管30の内面に取り付けられる。その後こ
の複合被覆ビレットが押し出され、後に一連の圧延又は
ピルガ式製管段階を加えられる。管30とライナ40と
の間の拡散接合が、高温押し出し処理及び次のピルガ式
製管加工及び被覆の焼きなまし加工中になし遂げられ
る。スズ又はバナジウム析出は製造工程中の任意の縮小
段階後に行うことができる。焼きなましは、ジルコニウ
ムのスズ又はバナジウムとの合金を含む層41をジルコ
ニウムライナ40の内面上に形成するために、500〜
750°Cの温度で行われる。有利な焼きなまし条件は
650°Cで4時間ないし750°Cで1時間の範囲に
わたる。焼きなまし条件は所望量のスズ又はバナジウム
拡散がライナ中へ行われるように調節することができ
る。次の焼きなましのために用いられる時間及び温度
は、ライナ中での析出元素の所望の分布を提供するため
に変更することができる。
【0022】ライナ40の内側拡散部41の形成のため
にスズ又はバナジウムを使用すればライナの強度が向上
するが、下に横たわる軟らかいジルコニウムライナ40
がライナ中での亀裂発生の防止並びに亀裂伝搬の鈍化を
可能にする延性を保持するために、内側拡散部41の厚
さが制限される。この発明の有利な実施例では内側拡散
部41の厚さは約0.1ないし1.0μmである。
【0023】内側拡散部41中のスズ及びバナジウムの
量が増すにつれて、又は内側拡散部41の厚さが増すに
つれて、亀裂伝搬を防止するライナの能力が低下する。
従って内側拡散部41がライナ40の厚さの4分の1以
下、好ましくはライナの厚さの10分の1以下であるこ
とが望ましい。合金層中のスズ含有量及びバナジウム含
有量は、ライナの延性を保持するために合計で1.0重
量%以下好ましくは0.2重量%以下とすべきである。
【0024】この発明を有利な実施例に関連して図示及
び説明したが、この発明の趣旨及び範囲から逸脱するこ
となく形式及び詳細の種々の変更を行うことができるこ
とは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】原子炉のための典型的な燃料集合体の部分断面
を含む立面図である。
【図2】この発明に基づく燃料被覆管の焼きなまし前の
横断面図である。
【図3】図2に示す被覆管を焼きなまし後に燃料ペレッ
トを挿入した燃料棒の横断面図である。
【符号の説明】
13 核燃料要素(燃料棒) 17 保持装置(ばね) 30 被覆管 40 被覆ライナ 41 内側拡散部 42 外側拡散部 60 間隙
フロントページの続き (72)発明者 レイモンド エイ ブツシユ アメリカ合衆国 99320 ワシントン ベ ントンシテイ ルート 2 ピーオーボツ クス 2289

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外側の細長い金属製被覆管と、内壁を有
    するジルコニウム被覆ライナとを備え、外側の細長い金
    属製被覆管が内面を被覆ライナにより裏打ちされ、被覆
    ライナが内壁から内へ向かって形成され広がる内側拡散
    部を有し、内側拡散部がジルコニウム・スズ合金、ジル
    コニウム・バナジウム合金及びジルコニウム・スズ・バ
    ナジウム合金の群から選択されたジルコニウムベース合
    金を含み、残部がジルコニウム被覆ライナ中に通常生じ
    る不純物を含むジルコニウムであることを特徴とする核
    燃料のための被覆管。
  2. 【請求項2】 内側拡散部中のジルコニウムベース合金
    がジルコニウム被覆ライナの内壁上の材料層の析出と被
    覆管の焼きなましとにより形成され、材料層を有する被
    覆ライナが内側拡散部を形成するために約500°Cな
    いし約750°Cの温度でライナの内壁を貫いて材料を
    拡散させられ、材料は元素状態のスズ又は元素状態のバ
    ナジウムの群から選択されることを特徴とする請求項1
    記載の被覆管。
  3. 【請求項3】 内側拡散部中のスズ及びバナジウムの含
    有量が約1重量%以下であることを特徴とする請求項2
    記載の被覆管。
  4. 【請求項4】 内側拡散部中のスズ及びバナジウムの含
    有量が約0.2重量%以下であることを特徴とする請求
    項3記載の被覆管。
  5. 【請求項5】 内側拡散部が約0.1μmないし約1.
    0μmの厚さを有することを特徴とする請求項3記載の
    被覆管。
  6. 【請求項6】 内側拡散部が約0.1μmないし約1.
    0μmの厚さを有することを特徴とする請求項4記載の
    被覆管。
  7. 【請求項7】 ジルコニウム被覆ライナのための材料が
    結晶棒状ジルコニウム及びスポンジ状ジルコニウムから
    成る群から選択されることを特徴とする請求項5記載の
    被覆管。
  8. 【請求項8】 外側の細長い金属製被覆管の材料がジル
    コニウム合金であることを特徴とする請求項7記載の被
    覆管。
  9. 【請求項9】 被覆ライナが或る厚さを有し、内側拡散
    部がライナの厚さの約4分の1以下の厚さを有すること
    を特徴とする請求項8記載の被覆管。
  10. 【請求項10】 内側拡散部の厚さがライナの厚さの約
    10分の1以下であることを特徴とする請求項9記載の
    被覆管。
  11. 【請求項11】 ジルコニウム合金がジルカロイ2であ
    ことを特徴とする請求項10記載の被覆管。
  12. 【請求項12】 ジルコニウム合金がジルカロイ4であ
    ることを特徴とする請求項10記載の被覆管。
  13. 【請求項13】 被覆ライナが外壁を有し、ライナが更
    に外壁から内へ向かって形成され広がる外側拡散部を有
    し、外側拡散部が被覆管からの金属の拡散により形成さ
    れたジルコニウムベース合金を含み、金属が主にニッケ
    ル、鉄及びクロムから成る群から選択されることを特徴
    とする請求項11記載の被覆管。
  14. 【請求項14】 被覆ライナが外壁を有し、ライナが外
    壁から内へ向かって形成され広がる外側拡散部を有し、
    外側拡散部が被覆管からの金属の拡散により形成された
    ジルコニウムベース合金を含み、金属が主に鉄及びクロ
    ムから成る群から選択されることを特徴とする請求項1
    2記載の被覆管。
  15. 【請求項15】 焼きなましが約650°Cで約4時間
    ないし約750°Cで約1時間の温度で行われることを
    特徴とする請求項14記載の被覆管。
  16. 【請求項16】 外側の細長い金属製被覆管と、内壁を
    有するジルコニウム被覆ライナと、ジルコニウム被覆ラ
    イナの内壁との間に環状の間隙を残すように被覆管内に
    配置された多数の燃料ペレットと、被覆管の端部を封止
    する封止装置と、被覆管内に燃料ペレットを保持する保
    持装置とを備え、外側の細長い金属製被覆管が内面を被
    覆ライナにより裏打ちされ、被覆ライナが内壁から内へ
    向かって形成され広がる内側拡散部を有し、内側拡散部
    がジルコニウム・スズ合金、ジルコニウム・バナジウム
    合金及びジルコニウム・スズ・バナジウム合金の群から
    選択されたジルコニウムベース合金を含み、残部がジル
    コニウム被覆ライナに通常生じる不純物を含むジルコニ
    ウムであることを特徴とする核燃料要素。
  17. 【請求項17】 内側拡散部中のジルコニウムベース合
    金がジルコニウム被覆ライナの内壁上の材料層の析出及
    び被覆管の焼きなましにより形成され、材料層を有する
    被覆ライナが内側拡散部を形成するために約500°C
    ないし約750°Cの温度でライナの内壁を貫いて材料
    を拡散させられ、材料が元素状態のスズ及び元素状態の
    バナジウムの群から選択されることを特徴とする請求項
    16記載の核燃料要素。
  18. 【請求項18】 内側拡散部中のスズ及びバナジウムの
    含有量が約1重量%以下であることを特徴とする請求項
    17記載の核燃料要素。
  19. 【請求項19】 内側拡散部中のスズ及びバナジウムの
    含有量が約0.2重量%以下であることを特徴とする請
    求項18記載の核燃料要素。
  20. 【請求項20】 内側拡散部が約0.1μmないし約
    1.0μmの厚さを有することを特徴とする請求項18
    記載の核燃料要素。
  21. 【請求項21】 内側拡散部が約0.1μmないし約
    1.0μmの厚さを有することを特徴とする請求項19
    記載の核燃料要素。
  22. 【請求項22】 ジルコニウム被覆ライナのための材料
    が結晶棒状ジルコニウム及びスポンジ状ジルコニウムか
    ら成る群から選択されることを特徴とする請求項20記
    載の核燃料要素。
  23. 【請求項23】 外側の細長い金属製被覆管の材料がジ
    ルコニウム合金であることを特徴とする請求項22記載
    の核燃料要素。
  24. 【請求項24】 被覆ライナが或る厚さを有し、内側拡
    散部がライナの厚さの約4分の1以下の厚さを有するこ
    とを特徴とする請求項23記載の核燃料要素。
  25. 【請求項25】 内側拡散部の厚さがライナの厚さの約
    10分の1以下であることを特徴とする請求項24記載
    の核燃料要素。
  26. 【請求項26】 ジルコニウム合金がジイルカロイ2で
    あることを特徴とする請求項25記載の核燃料要素。
  27. 【請求項27】 ジルコニウム合金がジルカロイ4であ
    ることを特徴とする請求項25記載の核燃料要素。
  28. 【請求項28】 被覆ライナが外壁を有し、ライナが外
    壁から内へ向かって形成され広がる外側拡散部を有し、
    外側拡散部が被覆管からの金属の拡散により形成された
    ジルコニウムベース合金を含み、金属が主にニッケル、
    鉄及びクロムから成る群から選択されることを特徴とす
    る請求項26記載の核燃料要素。
  29. 【請求項29】 被覆ライナが外壁を有し、ライナが外
    壁から内へ向かって形成され広がる外側拡散部を有し、
    外側拡散部が被覆管からの金属の拡散により形成された
    ジルコニウムベース合金を含み、金属が主に鉄及びクロ
    ムから成る群から選択されることを特徴とする請求項2
    7記載の核燃料要素。
  30. 【請求項30】 焼きなましが約650°Cで約4時間
    ないし約750°Cで約1時間の温度で行われることを
    特徴とする請求項28記載の核燃料要素。
  31. 【請求項31】 焼きなましが約650°Cで約4時間
    ないし約750°Cで約1時間の温度で行われることを
    特徴とする請求項29記載の核燃料要素。
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