JPH06324169A - 高速増殖炉用金属燃料被覆管 - Google Patents

高速増殖炉用金属燃料被覆管

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JPH06324169A
JPH06324169A JP5113338A JP11333893A JPH06324169A JP H06324169 A JPH06324169 A JP H06324169A JP 5113338 A JP5113338 A JP 5113338A JP 11333893 A JP11333893 A JP 11333893A JP H06324169 A JPH06324169 A JP H06324169A
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JP
Japan
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fuel
alloy
cladding tube
covering pipe
pipe
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Withdrawn
Application number
JP5113338A
Other languages
English (en)
Inventor
Moriyasu Tokiwai
守泰 常磐井
Kenji Kako
謙司 加古
Masayuki Fujiwara
優行 藤原
Masaaki Horie
正明 堀江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central Research Institute of Electric Power Industry
Kobe Steel Ltd
Original Assignee
Central Research Institute of Electric Power Industry
Kobe Steel Ltd
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Publication date
Application filed by Central Research Institute of Electric Power Industry, Kobe Steel Ltd filed Critical Central Research Institute of Electric Power Industry
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 金属燃料と対応する被覆管内面に障壁を設け
ることによって、被覆管の槽成成分が金属燃料へおよび
金属燃料の成分若しくは核分裂生成物が被覆管へ拡散す
る様な、相互拡散を抑制し、被覆管の侵食を抑えて燃料
要素が過熱された場合における被覆管破損に対する余裕
度を増大させ、金属燃料要素の寿命を延伸することので
きる様な被覆管を提供する。 【構成】 Fe基合金またはNi基合金からなる被覆管
本体の内面側のうち少なくとも前記金属燃料と対応する
領域に、Zr若しくはZr合金またはTi若しくはTi
合金からなる継目無管を機械的接合によってライニング
したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高速増殖炉で使用され
る金属燃料を被覆する為の被覆管に関し、殊に燃料要素
の使用可能時間を長くし、燃料温度の上限を高めること
ができると共に、燃料破損に対する余裕度を増大させる
ことのできる様な高速増殖炉用金属燃料被覆管に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】高速増殖炉の燃料被覆管は、高速中性子
の照射下において、300〜900℃の高温で核分裂生
成ガスによる内圧に耐え、内部の原子燃料を保護する役
目を持っており、その寿命は主に耐スエリング性とクリ
ープ強度に支配されるとされている。また実用期の高速
増殖炉では、経済性向上のため、燃料要素の取り替え時
間をできるだけ長く延ばすことが望まれており、燃料の
長寿命化のために、長期間の使用に耐える燃料被覆管の
開発が要望されている。
【0003】ところで開発初期の高速増殖炉では、原子
燃料として増殖性能や熱伝導度の優れた金属燃料(即ち
金属Uおよび/または金属Pu)が用いられていたが、
金属燃料はスエリングが大きく、燃料と被覆管との機械
的相互作用が生じて寿命が制限されることから、軽水炉
で用いられる様な酸化物燃料が重点的に使用され、また
開発されてきた。しかしながら、金属燃料のスエリング
が一定量で飽和することが見出され、金属燃料と被覆管
の間に隙き間を設けておくという設計によってスエリン
グの問題の解決が図られる様になった。これによって再
び金属燃料の優位性が見直され、その実用化が検討され
ている。またこのとき前記隙き間には、Naが充填さ
れ、熱伝達を良好にする様にしている。
【0004】金属燃料要素の構造を図面を用いて説明す
る。図2は金属燃料要素の一般的な構造を示す断面図で
あり、図中1は金属燃料,2は被覆管,3は上部端栓,
4は下部端栓,5はボンドナトリウム,6はガスプレナ
ムである。図2に示した金属燃料料要素において、円柱
状の金属燃料1は、被覆管2内に挿入された後、被覆管
2の上下には夫々上部端栓3および下部端栓4が接合さ
れて被覆管2は密封される。このとき金属燃料1のスエ
リング量を考慮して、金属燃料1と被覆管2の間には、
前述した隙き間が設けられ、この隙き間には金属燃料1
と被覆管2を熱的に結合するため、Na(ボンドナトリ
ウム5)が充填される。尚ガスプレナム6は、核分裂生
成ガスを貯める為のものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】前記金属燃料1として
は、金属Uおよび/またはPuが用いられ、一方被覆管
2としては、ステンレス鋼等のFe基合金が一般的に用
いられる他、Ni基合金も用いられている。しかしなが
ら、燃料要素が過熱された場合、金属燃料1と被覆管2
の間で化学的な相互作用が起こることが見出された。こ
うした不都合を解消する手段として、金属燃料1にZr
を添加して合金化すること(即ち、U−Zr2元素系合
金やU−Pu−Zr3元系合金等)が試みられ、ある程
度の効果が得られているが、依然として、金属燃料1と
被覆管2の間で化学的な相互作用が生じており、被覆管
破損の原因となっている。また過熱時のみならず、通常
運転時においても、上記の様な相互作用を起こし、被覆
管2が侵食されることが見出されており、これが金属燃
料要素の寿命を制限する原因になっている。この様な化
学的相互作用は、被覆管2の構成成分が金属燃料1へ、
および金属燃料1の成分若しくは核分裂生成物が被覆管
2へ、相互に拡散することによって生じるものと考えら
れる。
【0006】本発明は上述した様な技術的課題を解決す
る為になされたものであって、その目的は、金属燃料と
対応する被覆管内面に障壁を設けることによって、上記
の様な相互拡散を抑制し、被覆管の侵食を抑えて燃料要
素が過熱された場合における被覆管破損に対する余裕度
を増大させ、燃料要素の寿命を延伸することのできる様
な被覆管を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明の被覆管の構成は、Fe基合金またはNi基合金か
らなる被覆管本体の内面側のうち少なくとも前記金属燃
料と対応する領域に、Zr若しくはZr合金またはTi
若しくはTi合金からなる継目無管を機械的接合によっ
てライニングしたものである点に要旨を有するものであ
る。
【0008】
【作用】本発明者らは、被覆管成分と金属燃料成分、ま
たは被覆管成分と核分裂生成物の相互拡散を抑制し、被
覆管の侵食を抑制するには、燃料要素の使用温度におい
て、金属燃料および被覆管と化合物を形成しにくい材料
を、金属燃料と対応する被覆管本体の内面側にライニン
グしておくことが有効であると考えた。そこで本発明者
らは、その様な材料について様々な角度から検討した。
その結果、ZrやZr合金は、金属燃料であるUやPu
等と、および被覆管本体の主要構成元素であるFeやN
i等とも、使用温度において化合物を形成せず、この様
な物質から構成されるライニング層を被覆管本体の内面
側のうち少なくとも金属燃料と対応する領域に形成すれ
ば、上記の様な相互拡散を防止できることを見出し、本
発明を完成した。尚本発明者らは、Ti,Nb,Ta,
Mo,W若しくはこれらの合金等についても、ZrやZ
r合金と同様の作用を有するのではないかと検討した
が、TiまたはTi合金以外の金属は中性子吸収断面積
が大きく、炉心への適用は好ましくなく、TiやTi合
金だけがZrやZr合金と同様の作用を有し、このTi
やTi合金もライニング層の構成物質として使用できる
ことが分かった。本発明の被覆管を図面を用いて更に詳
細に説明する。図1は本発明の被覆管2aの構成を示す
縦断面図であり、図中7は被覆管本体,8はライニング
層を夫々示し、この被覆管本体7とライニング層8によ
って被覆管2aが構成される。そしてこの被覆管2aの
内部には、図2にも示した様に金属燃料1およびボンド
ナトリウム5が挿入される。
【0009】ライニング層8は、前述したZr若しくは
Zr合金またはTi若しくはTi合金からなるものであ
るが、均一性が要求されるので、継目の無いことが必要
である。この様なライニング層8を被覆管本体7内に形
成するには、蒸着法の様な物理的方法や気相合成法の様
な化学的方法によることも考えられるが、被覆管本体8
を外管とし、ライニング層8となる継目無管を内管とし
て外管内に挿入し、被覆管製造工程の最終段階で圧延や
抽伸加工によってライニング層8を形成する様な機械的
接合法が、ライニング層8の均一性や製造コストの点で
最適である。
【0010】尚上記ライニング層8の厚さは、燃料要素
の使用期間によって決定され、特に限定されないが、相
互拡散を防止する為の健全な障壁とする為には、少なく
とも20μm以上であることが好ましい。但し、あまり
厚くなると、被覆管全体の厚さや外形が大きくなるの
で、150μm以下であることが好ましい。また前記被
覆管本体8として用いる材料としては、通常用いられて
いるステンレス鋼やNi基合金が使用できるが、本発明
者らが先に提案したFe基耐熱合金(例えば、特願平3
−72488号)もその構成素材として使用できる。即
ち、本発明者らは、延性および靭性の優れた燃料被覆管
材料として、「C≦0.1%およびCr:9〜18%を
含有すると共に、Mo:6〜15%およびY23
0.03〜1%を含有し、必要によりNi≦2%を含有
するFe基耐熱合金」を提案しており、この様な合金は
被覆管本体8の構成素材として最適である。
【0011】以下本発明を実施例によって更に詳細に説
明するが、下記実施例は本発明を限定する性質のもので
はなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはい
ずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【0012】
【実施例】外管(被覆管本体7)にFe基耐熱合金(F
e−12Cr−8Mo−0.1Y 23 )、内管(ライ
ニング層8)にZr合金(Zry−2:Zr−1.5S
n−0.1Fe−0.1Cr−0.05Ni)を用い、
これらを組み合わせた金属燃料被覆管を製作した。
【0013】このとき外管は、外径:7.40mm,内
径:6.56mmの寸法に仕上げ、これに外径:6.46
mm,内径:6.20mmに仕上げたZr合金内管を挿入し
た後、一旦、抽伸加工により外径:7.66mm,内径:
6.60mmまで拡管し、内管を外管に密着させた。拡管
の後、空引抽伸加工により外径:7.50mm,内径:
6.44mmまで絞り加工を施すことによって、所定の寸
法精度を得ると共に、さらに密着性を高めた。製作した
被覆管の内面側には健全で密着性の優れた約100μm
厚さのZr合金ライニング層が形成されており、十分実
用化に耐えるものと判断された。
【0014】
【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、被
覆管成分と燃料用合金成分、あるいは被覆管成分と核分
裂生成物の相互拡散を抑制し、被覆管の侵食を抑えて、
燃料要素が過熱された場合における被覆管破損に対する
余裕度を増大させ、かつ燃料要素の寿命を延伸させるこ
とができる様な金属燃料被覆管が実現できた。この結
果、金属燃料の優れた特性を生かした経済性、安全性の
高い高速増殖炉の実現に貢献するものと期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の被覆管2aの構成を示す断面図であ
る。
【図2】金属燃料要素の一般的な構造を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
1 金属燃料 2,2a 被覆管 3 上部端栓 4 下部端栓 5 ボンドナトリウム 6 ガスプレナム 7 被覆管本体 8 ライニング層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤原 優行 兵庫県加古川市金沢町1番地 株式会社神 戸製鋼所加古川製鉄所内 (72)発明者 堀江 正明 東京都千代田区丸の内1丁目8番2号 株 式会社神戸製鋼所東京本社内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 金属Uおよび/または金属Puからなる
    高速増殖炉用金属燃料を被覆する為の金属燃料被覆管で
    あって、Fe基合金またはNi基合金からなる被覆管本
    体の内面側のうち少なくとも前記金属燃料に対応する領
    域に、Zr若しくはZr合金またはTi若しくはTi合
    金からなる継目無管を機械的接合によってライニングし
    たものであることを特徴とする高速増殖炉用金属燃料被
    覆管。
  2. 【請求項2】 ライニングされた継目無管の厚さが20
    〜150μmである請求項1に記載の高速増殖炉用金属
    燃料被覆管。
JP5113338A 1993-05-14 1993-05-14 高速増殖炉用金属燃料被覆管 Withdrawn JPH06324169A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012237574A (ja) * 2011-05-10 2012-12-06 Yuji Uenohara 被覆管及び原子炉
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JP2014501907A (ja) * 2010-10-07 2014-01-23 コミシリア ア レネルジ アトミック エ オ エナジーズ オルタネティヴズ 炭化ケイ素(sic)で作られた撚り糸または繊維を有するシェルを含む金属核燃料ピン
US9640283B2 (en) 2010-01-29 2017-05-02 Advanced Reactor Concepts LLC Small, fast neutron spectrum nuclear power plant with a long refueling interval
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