JPH0815469A - 核燃料被覆管 - Google Patents

核燃料被覆管

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Publication number
JPH0815469A
JPH0815469A JP6153586A JP15358694A JPH0815469A JP H0815469 A JPH0815469 A JP H0815469A JP 6153586 A JP6153586 A JP 6153586A JP 15358694 A JP15358694 A JP 15358694A JP H0815469 A JPH0815469 A JP H0815469A
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JP
Japan
Prior art keywords
cladding tube
grain size
zirconium
stress
nuclear fuel
Prior art date
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Pending
Application number
JP6153586A
Other languages
English (en)
Inventor
Sayoko Shimizu
佐代子 清水
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.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP6153586A priority Critical patent/JPH0815469A/ja
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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

Abstract

(57)【要約】 【目的】PCIによるSCCが起こり難く、万一SCC
が発生しても、純ジルコニウム金属被膜を貫通し難い核
燃料被覆管を提供する。 【構成】純ジルコニウム金属被膜3を内張りしたジルコ
ニウム基合金2製原子炉核燃料棒用核燃料被覆管におい
て、前記純ジルコニウム金属被膜3は結晶粒径が10μm
以上で、かつ肉厚方向厚さに対する結晶粒数が5層以上
からなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は核燃料被覆管に係り、と
くに原子炉の核燃料棒に使用され、純ジルコニウムを内
張りしたジルコニウム基合金製核燃料被覆管に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に軽水炉用核燃料棒は、ジルコニウ
ム基合金製被覆管内に低濃縮ウランをペレット状に焼き
固めた複数の核燃料ペレット(以下、ペレットという)
を挿入して積み重ねて被覆管の上下両端をジルコニウム
基合金製の端栓で溶接密封して構成されている。
【0003】ところで、この種の核燃料棒においては、
ペレットが使用時の熱応力で割れ、割れたペレット片が
径方向に動くことがある。また、同時にペレット内に核
分裂で生じた核分裂生成物(以下FPという)が蓄積さ
れるため、ペレットの体積が膨脹する。
【0004】燃焼度が高くなるに従って、製造時に被覆
管とペレットとの間に設けられていた間隙は次第に小さ
くなり、やがてその間隙が消滅し、被覆管とペレットと
が強く接触するようになる。
【0005】このような状態、すなわち照射がある程度
進んだ燃料寿命中期以降において、制御棒の引き抜き等
により出力過渡変化を受けて局部的な出力上昇が加えら
れた場合には、ペレットと被覆管との熱膨脹差に基づ
く、いわゆるペレット−被覆管相互作用(以下PCIと
いう)により、被覆管に大きな応力が生じるおそれがあ
る。
【0006】さらに、ペレット内のFP中の腐食性物質
であるヨウ素等が化学的に作用し、被覆管が応力腐食割
れ(以下SCCという)を起こし、被覆管に貫通孔等の
損傷が生じるおそれがある。
【0007】上記問題点を回避するために、従来からと
られてきた方法としては、つぎのようなものが知られて
いる。第1の方法としては、原子炉の運転条件に厳しく
制限を課し、いかなる箇所においても応力がその設計制
限値を越えるような大きな出力過渡変化が生じないよう
にすることである。
【0008】しかしながら、この第1の方法では原子炉
運転時の融通性を著しく損なうとともに、起動時の出力
上昇速度を小さな値に制限する必要があり、全出力運転
に到着するまでに多大の日数を費やし、原子炉の稼働率
を引き下げることになるという課題がある。
【0009】第2の方法は、PCIが起こっても応力が
設計制限値を越えないように、被覆管とペレットとの間
に緩衝材を設け、緩衝材の変形により応力を緩和しよう
とするもので、たとえばジルコニウム基合金製被覆管の
内面に、ジルコニウム基合金より結晶粒径が大きく、柔
らかい純ジルコニウムの金属被膜を内張りした被覆管を
用いることである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第2の
方法においては何らかの原因でひとたびジルコニウムの
結晶粒界に亀裂が生じた場合、その粒界に生じた亀裂は
ある程度進展する可能性がある。炉内環境下での被覆管
のSCCでは、初期亀裂発生が律速過程になるといわれ
ており、発生した亀裂は比較的小さな応力で進展し、隣
接した結晶粒に達する。
【0011】粒界亀裂が結晶粒1個の長さに成長する
と、隣接結晶粒界のすべりによって、亀裂先端の応力が
緩和される。したがって、純ジルコニウム部に並ぶ結晶
粒数が少ないとき、粒数が多い場合と比較して、万一亀
裂が発生した場合、亀裂が純ジルコニウム部を貫通する
可能性が高いことになる課題がある。
【0012】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、PCIによるSCCが起こりにくく、かつP
CIが生じ万一亀裂が発生しても、亀裂の進展しにくい
核燃料被覆管を提供することにある、
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は純ジルコニウム
金属被膜を内張りしたジルコニウム基合金製原子炉核燃
料棒用核燃料被覆管において、前記純ジルコニウム金属
被膜は結晶粒径が10μm以上で、かつ純ジルコニウム金
属被膜の肉厚方向厚さに対する結晶粒数が5層以上から
なることを特徴とする。
【0014】また、本発明は前記純ジルコニウム金属被
膜の結晶粒径と結晶粒数は純ジルコニウム金属中に含ま
れる不純物の濃度を制御して保持されてなることを特徴
とし、さらに、ジルコニウム基合金はジルコニウムにス
ズ,鉄,クロムおよびニッケルまたはニオブを微量添加
したものからなり、制御する不純物は鉄からなることを
特徴とする。
【0015】
【作用】90μm程度に内張りした純ジルコニウム金属被
膜の結晶粒径を制御して5層以上好ましくは8層とする
ことにより、クラックどうしが連結しにくい構造とな
る。たとえ、粒界割れがPCI等で生じても純ジルコニ
ウム被膜の結晶が積み重なっているので、PCIで生じ
るSCCによる亀裂の発生・進展を防止でき、燃料の健
全性を維持することができる。
【0016】
【実施例】図1から3を参照しながら本発明に係る核燃
料被覆管の一実施例を説明する。図1は本実施例の核燃
料被覆管の斜視図で、図2は図1におけるA−A矢視方
向を切断し拡大して示す横断面図、図3は図2における
B−B矢視断面の結晶粒を拡大して示す模写図である。
【0017】この被覆管1は、図1および2に示すよう
にジルコニウム基合金2と、純ジルコニウム金属被膜3
からなり、この純ジルコニウム金属被膜3の肉厚方向厚
さは、約90μmである。ジルコニウム基合金2は例えば
ジルコニウムにスズ,鉄,クロムおよびニッケルを添加
するか、またはニオブ等を微量添加したジルコニウム基
合金で製造される。
【0018】被覆管1は、図3に示すように、ジルコニ
ウム基合金2の平均結晶粒径は2〜3μmであるが、純
ジルコニウム金属被膜3の結晶粒径は10μm以上であ
る。なお、図3は図2におけるB−B矢視断面を顕微鏡
写真に撮り、その写真を模写したもので、ジルコニウム
基合金2は外面方向に沿って一部分のみを示している。
【0019】一般に被覆管の降伏応力σyは平均結晶粒
径dにより変化し、つぎの(1)式の関係にある。 σy=A+B・d-1/2 …………(1) (ただし、A,Bは定数)
【0020】したがって、平均結晶粒径の大きな純ジル
コニウム金属被膜3は、平均結晶粒径の小さなジルコニ
ウム基合金2よりも降伏応力σyが小さくなる。このた
め、PCIが発生して被覆管内面に局部的な課題の応力
が生じても、この被覆管の純ジルコニウム金属被膜3が
変形することによって、局部応力が吸収されて荷重が緩
和され、被覆管のジルコニウム基合金2への悪影響が低
減される。
【0021】本実施例に係る核燃料被覆管においては、
図4に示すように、降伏応力をSCCが発生する20MPa
を十分下回るように、ジルコニウム基合金2の平均結晶
粒径2〜3μmに対して6割程度の降伏応力値となるよ
う、純ジルコニウム金属被膜3の平均結晶粒径を10μm
以上としている。
【0022】さらにこの被覆管1は、図3に示すよう
に、純ジルコニウム金属被膜3は、厚さが約90μmであ
り、その結晶粒径は10〜18μm、またその肉厚方向に5
〜9層並んでいる。
【0023】ところで、SCCの代表的な形態として粒
界亀裂、粒内亀裂がある。被覆管は燃焼が進むにつれ
て、PCIにより、あるいは高温クリープが起きる条件
下では、クリープにより粒界における結晶のすべりが生
じる。それによって粒界の3重点に応力集中がおきて結
晶粒界で亀裂が発生する。これを粒界亀裂というが、結
晶粒内を通る粒内亀裂と比較して小さな応力で亀裂が発
生しうる。
【0024】また、亀裂の成長段階にはいる条件では、
一般に亀裂は特定の経路(ここでは粒界)を選択する傾
向がある。さらに、粒界亀裂がある程度成長し隣接した
結晶粒に達すると、隣接結晶粒界のすべりによって亀裂
先端の応力は緩和される。
【0025】炉内環境下での被覆管の割れは初期亀裂発
生が律速過程になるといわれているので、万一亀裂が発
生しても、結晶を多重に積み重ねることによって亀裂先
端の応力がますます緩和され、亀裂が純ジルコニウム部
を貫通することを防止する。
【0026】図4は本実施例に係る被覆管1の純ジルコ
ニウム金属被膜3に代表される金属結晶の粒界亀裂の進
展と亀裂先端の応力との関係を従来の被覆管と対比して
示したもので、たて軸は発生応力を、横軸は被覆管1の
内面から外面までの長さをとっている。図4から明らか
なように、本発明は従来例よりも約90μmの純ジルコニ
ウム金属領域において発生応力が小さいことが認められ
る。
【0027】また図5は、本発明の純ジルコニウム金属
の結晶粒径と関連して亀裂長さと発生応力との関係を示
している。図5において、粒界亀裂がある程度成長し、
隣接した結晶粒に達すると、その隣接結晶粒界のすべり
によって亀裂先端の応力は緩和され、亀裂の進展はいっ
たん停止する。したがって、純ジルコニウム金属被膜3
の結晶粒層が多い方が亀裂の進展の可能性は低下する。
【0028】図6は、破断ひずみに及ぼす被覆管の結晶
粒数の影響を示したものである。亀裂が純ジルコニウム
金属被膜を貫通しないためには、純ジルコニウムの結晶
粒数は4層から顕著となる。
【0029】ここで、図7は、本発明の効果を従来例と
比較するために、従来のジルコニウムライナ管の照射後
の超微小硬さ測定結果を示したものである。FPの打ち
込みにより内表面部は硬化している。この照射によって
硬化する部分の純ジルコニウム金属被膜は約10μm程度
であるので、結晶粒数にして1つ分の余裕が必要であ
る。したがって、純ジルコニウム金属被膜の結晶粒数
は、肉厚方向に対し5層以上必要である。
【0030】以上述べたように純ジルコニウム金属被膜
の結晶粒径と結晶粒数を制御するために、例えば、純ジ
ルコニウム金属に含まれる不純物としての鉄濃度を制御
することで、製作する。図8は純ジルコニウム金属中の
不純物濃度と結晶粒径を示したものである。
【0031】一般に金属の結晶粒径は、それに含まれる
不純物元素の種類と濃度、加熱最高温度と冷却速度に依
存するが、従来の製造工程を変更する必要がない、不純
物元素、例えば鉄の濃度を制御することによって、一定
の結晶粒径を保持することができる。鉄の濃度制御は他
の元素よりも容易にできる効果がある。
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、ジルコニウムライナ被
覆管内面の純ジルコニウム金属被膜の不純物濃度を制御
することで、純ジルコニウム金属被膜の結晶粒径を10μ
m以上、肉厚方向結晶粒数を5層以上とし、PCIによ
るSCCが起こりにくい。また、万一SCCが発生して
も亀裂が進展し、純ジルコニウム金属被膜を貫通しにく
い核燃料被覆管を製造することが可能となり、より信頼
性の高い核燃料被覆管を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る核燃料被覆管の一実施例を示す斜
視図。
【図2】図1におけるA−A矢視線に沿って拡大して示
す横断面図。
【図3】図2におけるB−B矢視方向に沿って切断して
示す拡大模写図。
【図4】本発明に係る被覆管の応力分布を従来の被覆管
の応力分布と比較して示す特性図。
【図5】本発明に係る純ジルコニウム金属の結晶粒径と
関連して、亀裂長さと発生応力との関係を示す特性図。
【図6】破断ひずみに及ぼす被覆管の結晶粒数の影響を
示す特性図。
【図7】ジルコニウムライナ管の照射後の超微小硬さの
内表面からの深さ依存を示す特性図。
【図8】純ジルコニウム金属中の不純物濃度とジルコニ
ウム結晶粒径との関係を示す特性図。
【符号の説明】
1…被覆管、2…ジルコニウム基合金、3…純ジルコニ
ウム金属被膜。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 純ジルコニウム金属被膜を内張りしたジ
    ルコニウム基合金製原子炉核燃料棒用核燃料被覆管にお
    いて、前記純ジルコニウム金属被膜は結晶粒径が10μm
    以上で、かつ純ジルコニウム金属被膜の肉厚方向厚さに
    対する結晶粒数が5層以上からなることを特徴とする核
    燃料被覆管。
  2. 【請求項2】 前記純ジルコニウム金属被膜の結晶粒径
    と結晶粒数は純ジルコニウム金属中に含まれる不純物の
    濃度を制御して保持されてなることを特徴とする請求項
    1記載の核燃料被覆管。
  3. 【請求項3】 前記純ジルコニウム基合金はジルコニウ
    ムにスズ,鉄,クロムおよびニッケルまたはニオブを微
    量添加したものからなることを特徴とする請求項1記載
    の核燃料被覆管。
  4. 【請求項4】 前記結晶粒径と結晶粒数を制御する不純
    物は鉄からなることを特徴とする請求項2記載の核燃料
    被覆管。
JP6153586A 1994-07-05 1994-07-05 核燃料被覆管 Pending JPH0815469A (ja)

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JP6153586A JPH0815469A (ja) 1994-07-05 1994-07-05 核燃料被覆管

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5039844A (en) * 1986-03-31 1991-08-13 Nippon Mektron, Ltd. PTC devices and their preparation
KR100827297B1 (ko) * 2005-03-17 2008-05-06 세키스이가가쿠 고교가부시키가이샤 혈액응고 촉진제 및 혈액 검사용 용기
CN104183286A (zh) * 2013-05-23 2014-12-03 环境保护部核与辐射安全中心 用于堆芯熔融物状态监测的图像重建方法、装置和系统

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