JPH08170992A

JPH08170992A - 被覆管及び被覆管を製造する方法

Info

Publication number: JPH08170992A
Application number: JP7171240A
Authority: JP
Inventors: Thomas Richard Anthony; トーマス・リチャード・アンソニー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1995-07-07
Publication date: 1996-07-02
Also published as: EP0692792A1; TW258815B

Abstract

(57)【要約】【目的】水素による被覆管損傷を有効に防止すること
のできる被覆管及び被覆管を製造する方法を提供する。【構成】本発明に係る被覆管１７は、外周ジルコニウ
ム合金基層２１と、その内面に冶金学的に接合されたジ
ルコニウム障壁層２２と、ジルコニウム障壁層２２の内
面上の金被覆２７とを含んでいる。金被覆２７は、水素
と水素含有化学種とがジルコニウム又はジルコニウム合
金に入り込むことを防止する。被覆管１７の内部の金被
覆２７は、水素又は水素含有種が金被覆２７を貫通する
ことを防止するのに十分厚く、そして核分裂性燃料から
のかなりの中性子束を通すのに十分薄いような平均厚さ
を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉で用いる燃料構
成部に関し、特に、水素の通過を阻止する金被覆を有し
ている被覆管に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉では一般に、炉心内の燃料集合体
の構成部、例えば、燃料被覆、端栓、フローチャンネル
及びスペーサにジルコニウムと、ジルコニウム基合金と
を用いている。ジルコニウムと、その合金とは、通常の
状況では、低中性子吸収断面積を有しているので、上述
の構成部の優れた材料であり、そして約３５０℃以下の
温度では、脱イオン水又は蒸気の存在の下で、強く、延
性を有し、極めて安定しており、そして比較的無反応で
ある。「ジルカロイ」は、１群の耐食性ジルコニウム合
金被覆材料であり、９８重量％〜９９重量％のジルコニ
ウムを含有しておおり、残部は、スズと、鉄と、クロム
と、ニッケルとを有している。「ジルカロイ２」と、
「ジルカロイ４」とは、広範に使用されている２種の被
覆用合金である。ジルカロイ２は重量百分率で、約１．
２％〜１．７％のスズと、０．１３％〜０．２０％の鉄
と、０．０６％〜０．１５％のクロムと、０．０５％〜
０．０８％のニッケルとを含有している。ジルカロイ４
は本来、ニッケルを含有しておらず、約０．２％の鉄を
含有しているが、それ以外はジルカロイ２と実質的に同
様である。

【０００３】通常の原子炉使用中、ジルコニウム基構成
部は、水又は蒸気環境内のジルコニウム又はジルコニウ
ム合金の腐食により水素を吸収し得る。このとき、水素
はジルコニウムと反応して水素化ジルコニウムを形成
し、この水素化物は材料を脆くするので、燃料構成部が
破損し得る状態が発生する。特に有害な形態の水素化物
脆化は、水が被覆壁の破損部を経て入り込んだときに燃
料被覆の内部で発生する。水を通す初期の「１次欠陥」
は必ずしも破壊的ではなく、破損した被覆を時には、あ
る期間使用することができる。しかしながら、破損した
被覆は局所水素化を起こし易く、その結果、「２次欠
陥」が発生する。２次欠陥は、１次欠陥よりもはるかに
悪性となるおそれがあり、多量の核分裂生成物の放出
と、燃料物質の壊食及び腐食部からの多量の燃料物質の
放出とを許容するおそれがある。

【０００４】２次欠陥は、次の一連の事象によって発生
し得る。燃料棒が最初に破損したときに、冷却水が管に
入り、瞬時に蒸気に変化する。蒸気の一部は多分、被覆
の内面に通例設けられているジルコニウム・ライナと接
触するときに、水素を発生するように反応する。こうし
て生じた水素の一部は、ただちにジルコニウムに吸収さ
れる。残りの水素は気相である。もし阻止されなけれ
ば、吸収された水素と、水素ガスとによって水素化ジル
コニウムが発生し得る。しかしながら、水素ガスは、破
壊的となり得る２次欠陥を直接引き起こすものと思われ
る。水素ガスが雰囲気中の酸素をかなり除去する臨界濃
度（時には「酸素欠乏（oxygen starvation）」と呼ば
れる状態）に達したときに、多量の水素化ジルコニウム
が裸のジルコニウム（又はジルコニウム合金）表面に、
例えば、ジルコニウム又はジルコニウム合金を通常覆っ
ている薄い酸化物層の破損により現れた裸表面に局所的
に発生する。その結果、かさばった水素化物がしばしば
「ブリスタ（膨れ）」又は「サンバースト（日輪形裂
傷）」として現れる。

【０００５】直接吸収された水素もジルコニウム構成部
を破損する。しかしながら、この破損は、母材内に脆い
水素化ジルコニウム小板を形成することにより生ずる。
これらの小板は一般に、先ず結晶粒界に形成され、次い
で水素含有量の増加と共に成長し続け、結局、連続的な
水素化物相が粒界に生ずる。核燃料用の構造要素内の水
素化ジルコニウムの発生を防止するために従来様々な方
策が採られてきた。例えば、イットリウムと、他のいく
つかの希土類金属とは、ジルコニウムに密着したとき
に、水素のための優先シンクとして作用することがわか
っている。ジルコニウム基合金管の内側ライナとして、
又は端栓の内部キャップとして設けられているイットリ
ウムの単板状層を包含している燃料棒の設計が、１９７
６年１２月１６日に発行されたドイツのアウスレーゲシ
ュリフト１９０３００９に記載されている。残念なが
ら、このような管内に用いられた裸のイットリウムは、
燃料炉心環境において腐食し、水素化物形成防止の有用
性が低下する可能性がある。

【０００６】米国特許番号第４６５９５４５号（１９８
７年４月２１日フェラリ（Ferrari）に付与）には、被
覆内面の面積の１％〜４０％を多数の薄膜ニッケル・ス
ポットで被覆した同様の設計が記載されている。この設
計は、被覆の内面に比較的均等に水素を分布させるよう
に多数の水素侵入域（ニッケル膜スポット）を設けるも
のと思われる。残念ながら、この設計はそれでも、ニッ
ケル・スポット近辺のジルコニウム合金母材内の局所的
に高い水素濃度の発生を許容する。従って、水素化物小
板がやはり被覆管に、但し、相隔たった区域に形成され
得る。

【０００７】１９９４年３月１６日出願され、本出願人
に譲渡された発明者マーロウ（Marlowe）による米国特
許出願番号第０８／２１５４５１号（発明の名称「水素
吸収性ライナを有している核燃料被覆」）には、水素吸
収性ジルコニウム合金内側ライナを有している改良され
た燃料被覆設計が記載されている。このジルコニウム合
金は、比較的高い濃度の水素吸収性材料、例えばニッケ
ルを有している母材を含有している。従って、燃料棒内
の水素は被覆内部に均等に吸収される。この設計は先行
技術に比べてかなり進歩したものであるが、それでも
尚、水素が原子炉部品内のジルコニウム又はジルコニウ
ム合金と反応することを防止する他の設計を成すことが
望ましい。

【０００８】

【発明の概要】本発明は、保護用金被覆を有している被
覆管のような改良されたジルコニウム及びジルコニウム
合金製原子炉燃料構成部を提供する。金被覆は、水素
と、水素を含有した化学種（水素含有種）とがジルコニ
ウム又はジルコニウム合金に入り込むことを効果的に防
止することにより、水素化ジルコニウム形成の悪影響に
対する保護を成す。このような金被覆を被覆管内部のラ
イニングとして用いるとき、金被覆は好ましくは、水素
又は水素含有種が金被覆を貫通することを防止するのに
十分厚く、そして核分裂性燃料からのかなりの中性子束
を通すのに十分薄いような平均厚さを有している。特に
好適な実施例では、被覆管は、外周ジルコニウム合金基
層と、この基層の内面に冶金学的に接合されたジルコニ
ウム障壁層と、ジルコニウム障壁層の内面に設けられた
金被覆とを含んでいる。

【０００９】好適な実施例では、内周金被覆の厚さは、
周基層の肉厚の約０．０００１倍〜０．０１倍である。
更に好ましくは、金被覆の厚さは周基層の肉厚の約０．
００５倍である。従来の被覆の場合、金被覆の厚さは約
０．０５マイクロメートル〜１０マイクロメートルであ
る。更に好ましくは、金被覆の厚さは約０．５マイクロ
メートル〜１０マイクロメートルであり、更に好ましく
は、約１マイクロメートル〜５マイクロメートルであ
る。

【００１０】他の実施例において、本発明は、金の被覆
を有している被覆管を製造する方法を提供する。好適な
方法は、次のような工程、即ち、（１）１つ以上の層を
有している管を設ける工程であって、この層の少なくと
も１つは、ジルコニウム又はジルコニウム合金を含んで
おり、これらの層の各々は、内周面と、外周面とを有し
ている、管を設ける工程と、（２）前述の層のうちの１
つの層の内周面及び外周面のうちの少なくとも一方の面
に金の被覆を形成する工程とを含んでいる。金被覆は様
々な方法で形成することができる。特に好適な方法は、
金スリーブを、（基層を形成する）ジルコニウム合金ビ
レット及び必要となり得る他の任意の被覆層用のスリー
ブ（例えば、ジルコニウム障壁層スリーブ）と共に押し
出すことである。金被覆を形成する他の適当な方法は、
電気めっき、無電解めっき、蒸着及び化学蒸着を包含し
ている。

【００１１】本発明のこれらの及び他の特徴を図面によ
り以下に詳述する。

【００１２】

【実施例】

Ｉ．金被覆付き核燃料被覆構造水素は金に全く溶けない。従って、ジルコニウム表面又
はジルコニウム合金表面に設けられた薄い金被覆は、水
素の侵入と、その結果としての水素化ジルコニウムの発
生とを防止する。加えて、金は可鍛性及び延性が高く、
従って、被覆表面に薄い金被覆を形成することができ
る。本発明は、金のこれらの特性を利用して、原子炉環
境における水素の悪影響に対する抵抗性を高めた被覆管
と、他の原子炉部品とを提供する。

【００１３】図１は沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）用の核燃
料バンドル又は核燃料集合体１０の切除断面図である。
燃料バンドル１０は、個別に密封された多数の燃料要素
又は燃料棒Ｒを含んでいる燃料の個別ユニットであり、
各燃料棒は、被覆管と、核燃料とを有している。更に、
燃料バンドルはフローチャンネルＣを含んでおり、この
フローチャンネルの上端には上側吊上げベイル１２が設
けられており、下端にはノーズピースＬと、下側吊上げ
ベイル１１とが設けられている。チャンネルＣの上端
は、参照番号１３で示すように開いており、ノーズピー
スの下端には、冷却材流用開口が設けられている。配列
状の燃料要素又は燃料棒ＲはチャンネルＣに包囲されて
いると共に、上部タイプレートＵと、下部タイプレート
（図示していない）とによってチャンネル内に支持され
ている。ある燃料棒は、上部及び下部タイプレートを連
結するように作用し、従って、しばしば「タイ・ロッ
ド」（図示していない）と呼ばれる。加えて、１つ以上
のスペーサＳが、相互にそしてフローチャンネルに整合
して燃料要素を保持するように、フローチャンネル内に
配設されている。燃料バンドルの供用寿命中、液状冷却
材が通常、ノーズピースの下端の開口を経て流入し、燃
料要素Ｒの周囲を上昇して、部分的に蒸発した状態で上
側出口１３から流出する。

【００１４】図１に示す燃料バンドルは、単に一例とし
て設けられているものであり、本発明は、加圧水型原子
炉（ＰＷＲ）及び「ＣＡＮＤＵ」原子炉等にも用い得る
ものであることを理解されたい。ＰＷＲの核燃料バンド
ルは、いくつかの点でＢＷＲの燃料バンドルと似ている
が、いくつかの重要な相違がある。例えば、ＰＷＲの燃
料バンドルにはチャンネルがない。更に、その燃料バン
ドルには、より多くの、１７×１７、即ち２８９本もの
燃料棒が配列されている。他のほとんどの点ではＰＷＲ
の燃料バンドルはＢＷＲの燃料バンドルと同様である。
例えば、両者とも吊上げベイルと、タイプレートとを有
している。ＣＡＮＤＵ原子炉は、いくつかがカナダの原
子炉として使用されているが、幾分異なる設計を有して
おり、天然二酸化ウランを水平方向の被覆管に入れて用
いていると共に重水を減速材として用いているものであ
る。

【００１５】次に図２について説明すると、燃料要素又
は燃料棒Ｒは、端部が端栓１８によって密封されてい
る。端栓１８は燃料棒コンテナ１７に溶接されており、
燃料集合体内の燃料要素の装着を容易にする植込みボル
ト１９を含んでいてもよい。燃料要素は、燃料棒コンテ
ナ１７と燃料物質の中心（コア）との優れた熱的接触を
成し、寄生中性子吸収が極めて少なく、そして高速冷却
材流によって時折生ずる湾曲及び振動に耐えるように設
計されている。燃料物質のコアは通例、核分裂性物質及
び（又は）親物質から成る複数の燃料ペレットである。
燃料のコアは様々な形態、例えば、円筒形ペレット、球
又は小粒の形態を有していてもよい。様々な核燃料、例
えば、ウラン化合物、トリウム化合物、及びそれらの混
合物を用い得る。好適な燃料は、二酸化ウラン、又は二
酸化ウランと二酸化プルトニウムとを含んでいる混合物
を包含している。

【００１６】空所又はプレナム２０が燃料要素の一端部
に設けられており、燃料物質１６の周方向膨張を許容し
得ると共に、燃料物質から放出されるガスを捕集し得
る。ゲッタ（図示していない）を、製造後の燃料棒内に
存在している水素を含有した不純物の除去に用いること
ができる。螺旋部材の形態の核燃料物質保持体２４が、
空所２０内に配置されており、燃料要素の取扱い及び輸
送中のペレット柱の軸方向移動を抑制する。

【００１７】図３は本発明に従って設けられた燃料要素
１４の断面図である。燃料要素１４は、燃料物質のコア
１６を囲んでいる燃料棒コンテナ１７を含んでいる。コ
ンテナ１７は、基層２１と、ジルコニウム障壁２２とを
含んでいる構造を有している複合被覆であり、基層２１
と、障壁２２とは、内周面と、外周面とをそれぞれ有し
ている。ジルコニウム障壁層の内面は金被覆又は金ライ
ナ２７を有している。基層２１は被覆管の外周域を画成
しており、内側被覆２７は内周域を画成しており、そし
てジルコニウム障壁２２は基層と内側被覆との間に配置
されている。内側金被覆は、耐食性と、完全な水素不透
過性とを有することにより、管内部における水素がジル
コニウム障壁層又はジルコニウム合金基層に達すること
を防止する。

【００１８】被覆基層は好ましくは、ジルコニウム合金
で製造されている。最も一般的には、適当なジルコニウ
ム合金は、（１）沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）及び（又
は）加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の冷却材に対して耐食性
を有しており、そして（２）燃料要素としての使用のた
めに十分な強度及び延性を有しているものである。基層
用の好適なジルコニウム合金は、少なくとも約９８％の
ジルコニウムと、約０．２５％以下の鉄と、約０．１％
以下のニッケルと、約０．２５％以下のクロムと、約
１．７％以下のスズ（すべて重量％）とを含有してい
る。他の合金元素は、ニオブ、ビスマス、モリブデン、
及び当該技術において使用される他の様々な元素を包含
し得る。

【００１９】本発明の好適な実施例における基層は、ジ
ルカロイ２又はジルカロイ４である。他の好適な実施例
では、約１％のスズと、約１％のニオブと、約０．２％
以下の鉄とを含有しているジルコニウム基合金である
「ジルロ（Zirlo）」が用いられている。他の基層合金
の例は、ジルコニウム／２．５％ニオブ、「ＮＳＦ」合
金（約１％のスズと、約０．２％〜０．５％の鉄と、約
０．０５％のニッケルと、約０．６％〜１％のニオブと
を含有しており、残余はジルコニウムである。）、「ヴ
ァロイ（Valloy）」（約０．１％の鉄と、約１．２％の
クロムとを含有しており、残余はジルコニウムであ
る。）、他のクロム含有率の高い合金、並びに「エクセ
ル（Excel）」又は「エクセライト（Excellite）」（約
０．３％のニオブと、約０．３％のモリブデンと、約
１．２％〜１．５％のスズとを含有しており、残余はジ
ルコニウムである。）である。更に他の合金の例は、様
々なビスマス含有ジルコニウム合金、例えば、テイラ
（Taylor）の１９８９年１０月２４日付米国特許番号第
４８７６０６４号に記載されているようなものである。
これらの合金は、例えば、（１）約０．５重量％〜２．
５重量％のビスマス、（２）約０．５重量％〜２．３重
量％のビスマスとスズとの混合物、及び例えばニオブ、
モリブデン、テルル又はそれらの混合物であるような約
０．５重量％〜１．０重量％の溶質、又は（３）約０．
５重量％〜２．５重量％のスズとビスマスとの混合物、
及び約０．３重量％〜１．０重量％のテルルを含有して
いる。

【００２０】２層被覆においては、純粋な（又は希薄合
金化）ジルコニウム障壁層がジルカロイ管（基層）の内
面に冶金学的に接合されている。基層は原子炉内に生ず
る機械的な応力に対して必要な強度をもたらす。障壁層
は、ペレットと被覆との相互作用（ペレット被覆相互作
用）として知られている現象の悪影響に対して必要な順
応性をもたらす。ペレット被覆相互作用は、核燃料と、
被覆と、核反応中に発生する核分裂生成物との相互作用
により生ずる。この望ましくない結果は、燃料と被覆と
の膨張差及び摩擦に起因する燃料被覆の機械的な局所応
力と、腐食性核分裂生成種により同時に発生する応力腐
食割れとによることがわかっている。ジルコニウム障壁
層被覆に関する先駆的な研究は、アーミホ（Armijo）及
びコフィン（Coffin）の米国特許番号第４２００４９２
号及び同第４３７２８１７号と、ヴァネショ（Vannesj
o）の米国特許番号第４６１０８４２号と、アダムソン
（Adamson）の米国特許番号第４８９４２０３号とに記
載されており、これらの特許は、それぞれすべての目的
のためにここに参照されるべきものである。障壁層は、
ペレットとの相互作用による被覆の破損を効果的に防止
することがわかっている。事実上、ジルコニウム障壁は
膨張中に塑性変形して、燃料要素においてペレットによ
り生ずる応力を除去する。障壁は又、応力腐食割れを阻
止すると共に、被覆を不純物及び核分裂生成物との接触
及び反応から保護する。

【００２１】金の内側層又は被覆は好ましくは、ジルコ
ニウム障壁層への水素又は他の水素含有化学種の移送を
防止するのに十分な厚さを有している。本明細書におけ
る水素含有種という用語は、水素原子を含有している化
学種を意味し、水、水酸イオン（ＯＨ）及び水素化金属
のような化合物を包含している。金被覆は又、水素を含
んでいないいくつかの核分裂生成物、例えば、窒素、酸
素、貴ガス、並びに低濃度から中程度濃度のハロゲン
Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ及びＡｔの移送を阻止する。

【００２２】非常に薄い、即ち約１００オングストロー
ムの薄さの金層は、水素含有種の移送を防止する。しか
しながら、本発明の被覆で用いる金被覆は好ましくは、
それよりも幾分厚い。このため、燃料装荷のような取扱
い中に金被覆の引き裂き及び破裂が起こる可能性が減少
する。もちろん、金層を引き裂き又は擦過の発生し難い
位置（例えば、ジルカロイ基層とジルコニウム障壁層と
の間）に設ける場合には、金層の厚さは下限値（例え
ば、約１００オングストローム）で十分である。

【００２３】金被覆は、水素含有種の移送を阻止し且つ
引き裂きに耐えるほど厚くすべきものであると共に、熱
中性子の貫通を許容するほど薄くすべきものである。金
の中性子断面積は約９９バーンであるのに対し、ジルコ
ニウムの中性子断面積は約０．３バーン〜０．４バーン
である。従って、金被覆の最適な厚さは、熱中性子の透
過要件に依存する。このため、金被覆は、ジルコニウム
基被覆壁よりもあまり多くの熱中性子を吸収しないよう
に十分薄くする必要がある。従って、金被覆は、通常の
被覆の厚さの約０．０００１倍〜０．０１倍であること
が一般に望ましい。更に好ましくは、金被覆の厚さは、
通常の被覆厚さのほぼ０．００５倍である。代表的な被
覆管では、ジルコニウム合金基層は、厚さが約７５０マ
イクロメートル（μｍ）であり、そしてジルコニウム障
壁層は、厚さが約７５μｍである。このような被覆の場
合、金被覆の厚さは約０．０５μｍ〜１０μｍである。
更に好ましくは、金被覆の厚さは約０．５μｍ〜１０μ
ｍであり、更に好ましくは約１μｍ〜５μｍである。

【００２４】他の実施例では、本発明は、基層と、障壁
と、更に内側ライナとを含んでいる金被覆付き３層被覆
を提供する。基層と、障壁層とは、前述と同様の形態を
採り得る。内側ライナ母材は好ましくは、ジルカロイ又
は他のジルコニウム合金である。「ジルコニウム障壁層
を有している燃料被覆用の内側ライナ」と題した１９９
３年７月１４日付の同時係属米国特許出願番号第０８／
０９２１８８号に説明されているように、内側ライナ
は、万一、水が被覆管内部に入った場合にジルコニウム
障壁層を酸化から保護する。尚、上述の米国特許出願
は、すべての目的のためにここに参照されるべきもので
ある。

【００２５】図４は本発明の代替実施例を示す。構造体
４７は、基層４１と、ジルコニウム障壁４２と、内層又
は内側ライナ４３とを含んでいる３層燃料被覆に施した
金被覆４５を含んでいる。基層４１は被覆管の外周域を
形成しており、内側ライナ４３は内周域を形成してお
り、そしてジルコニウム障壁４２は、基層と内側ライナ
との間に配置されている。好ましくは、内側ライナ４３
は耐食性を有しており、従って、万一、燃料要素内部が
蒸気と接触した場合に、ジルコニウム障壁を急速な酸化
から保護する。（基層と、障壁層とを有している）２層
被覆と関連して起こり得る１つの問題は、水又は蒸気が
被覆壁の１次欠陥を経て被覆管に入ったときのジルコニ
ウム障壁層の急速腐食である。従って、内側ライナはジ
ルコニウム合金（例えば、改質ジルカロイ）のような耐
食性の高い材料の層で形成されているべきである。金被
覆４５は内側ライナ４３を水素含有種から保護する。

【００２６】金被覆は好ましくは、被覆の内面に配置さ
れているが、被覆の他の位置における保護も成し得る。
例えば、金被覆を基層の外面に配置してもよい（即ち、
基層の外周面の被覆として設けてもよい）。これは、被
覆外面と接触する減速材又は他の媒体内の水素含有種に
よる水素化物損傷から被覆を保護する。更に、金被覆は
被覆壁内部において、被覆の基層とジルコニウム障壁層
との間に配置されていてもよい。この構成は、やはり、
燃料要素内部に発生する水素含有種による水素化物損傷
から基層（燃料要素の主構造部材）を保護する。代替的
に、内側ライナを有している被覆構造体では、金被覆
を、（１）内側ライナとジルコニウム障壁層との間に、
又は（２）ジルコニウム障壁層と基層との間に設けるこ
とができる。（被覆内面又は外面に対して）被覆壁内部
に前述のように設けられた金被覆を有している被覆は、
取扱いによる引き裂き又は破裂のおそれが比較的少な
い。多層の金を上述と同じ位置に設けてもよい。但し、
その場合、多層の厚さの合計を前述の特定した厚さ限度
よりも少なくすべきである。例えば、被覆管は、基層と
障壁層との間に設けられた厚さ１μｍの第１の金層と、
ジルコニウム層と内側ライナとの間に設けられた厚さ１
μｍの第２の金層とを含んでいてもよい。ＩＩ．管の製造様々な方法を用いて上述の金被覆付き被覆管を製造する
ことができる。好適な実施例では、金被覆は先ず、スリ
ーブとして設けられ、被覆の他の構成部に接合される。
このような方法では、基層は先ず、適当なジルコニウム
合金、例えばジルカロイ２又はジルカロイ４のβ焼き入
れインゴットで作成される。このインゴットは機械加工
されて中空ビレットを形成し、このビレットはその後、
金スリーブに接合されてチューブシェルを形成する。金
は、室温まで延性及び可鍛性が高いので、障壁層として
の金の使用には接合工程での低温限度が存在しない。む
しろ、金を障壁層として用いるときには、金とジルコニ
ウムとの相互拡散又は過多の金属間化合物ＺｒＡｕ₃ の
形成を防止するためには低温の方が好ましい。好ましく
は、接合工程は、約１０６３℃以下の温度でのジルコニ
ウム合金ビレットと金スリーブとの合体押し出しを包含
している。押し出されたチューブシェルは次いで、一連
の低温管圧下工程（例えば、ピルガ圧延工程）によって
最終管寸法に圧下され、各圧下工程後に、６５０℃以下
の温度で焼鈍工程が行われる。最終圧下工程後に、管の
所望の機械的特性と用途とに応じて、完全再結晶最終管
又は部分再結晶管を形成するように選定された温度で最
終焼鈍を行う。

【００２７】本発明に従って多層被覆を形成するために
は、ジルコニウム合金ビレットを上述のように製造し、
次いで（好ましくは、合体押し出しにより）ジルコニウ
ム・スリーブと金スリーブとに接合する。３層被覆を形
成する場合には、ジルコニウム合金内側スリーブも接合
工程に包含される。内側ライナと、ジルコニウム障壁層
と、基層とを有している３層構造体を形成する適当な方
法の詳細は、「ジルコニウム障壁層と内側ライナとを有
している燃料被覆の製造方法」と題した１９９３年７月
１４日付の米国特許出願番号第０８／０９１６７２号に
記載されている。この米国特許出願は、アーミホ（Armi
jo）、ローゼンバウム（Rosenbaum）及びウィリアムズ
（Williams）が発明者であって、本発明の譲受人（本出
願人）に譲渡されたものであり、すべての目的のために
ここに参照されるべきものである。

【００２８】様々な被覆構成部の合体押し出しを別々の
工程で行うことができることに注意されたい。例えば、
基層とジルコニウム障壁層とを第１の工程で一緒に押し
出し、その結果生じた構造体をその後の第２の工程で金
スリーブと共に押し出す。又、被覆構成部の少なくとも
いくつかを押し出し以外の方法で互いに接合し得ること
に注意されたい。このような方法は、例えば、熱間静水
圧圧縮成形、爆発接合及び拡散焼鈍を包含している。

【００２９】代替実施例では、金は薄い箔として被覆管
内面に付着される。金箔はテフロン又は他の適当な材料
のダウ（dow）に巻かれ、次いでダウと共に管内に挿入
される。その後、ダウを被覆管内で回すことにより、金
箔のみが被覆管内面に付着する。他の実施例では、金被
覆は従来の電気化学的方法又は無電解の化学的方法によ
り被覆管のジルコニウム又はジルコニウム合金の表面に
施される。例えば、従来の処理により製造された被覆管
の内面に金を電気めっきすることができる。１つの適当
な電気めっき方法は、被覆管内に塩化金（ＡｕＣｌ₃）
の水溶液を設ける工程を包含している。この塩溶液内の
金イオンはそのときに、被覆管をカソード電位に保つこ
とにより被覆管内面に層状に付着する。様々な適当なア
ノードを用いることができる。アノードは好ましくは、
被覆内に軸方向に保持されていると共にアノード電位に
保たれている金のワイヤである。金の電気めっき用の適
当な製品の販売業者は、例えば、ノーバート・プレイテ
ィング・カンパニイ（Norbert Plating Company, 340-T
N. Ashland Ave., Chicago, Ill., 60607）、アクテロ
ン・コーポレイション（Acteron Corporation, 851 Sha
sta Street, RedwoodCity, CA 94063）、アメリカン・
エレクトロ・プロダクツ（American Electro Products,
1360 Thomaston Avenue, Waterbury, Conn., 0670
4）、及びインタナショナル・テクニカル・アソシエイ
ツ（International Technical Associates,2281 Calle
de Luna, Santa Clara, CA, 95054）である。金めっき
に適する処理条件は、様々な周知の参考資料、例えば、
ニューヨークのマグロウ・ヒル（MaGraw Hill）により
出版されたメイセル（L. I. Maissel）及びグラング
（R. Glang）の「ハンドブック・オブ・スィン・フィル
ム・テクノロジイ（Handbook of Thin Film Technolog
y）」（１９７０年）の５ページ〜９ページに記載され
ており、これはすべての目的のためにここに参照される
べきものである。

【００３０】無電解金めっきに適した溶液は、エプナ・
テクノロジイ・インコーポレイテッド（Epner Technolo
gy Inc., 25 Division Place, Brooklyn, NY 11222）、
マクダーミッド・インコーポレイテッド（MacDermid In
c., Waterbury Conn. 06704）、アクテロン・コーポレ
イション（Acteron Corporation, 851 Shasta Street,
Redwood City, CA 94063）、及びインタナショナル・テ
クニカル・アソシエイツ（International Technical As
sociates, 2281 Calle de Luna, Santa Clara,CA, 9505
4）によって供給される。このような溶液は、例えば、
ＡｕＣｌ₃ と共に数ｐｐｂのパラジウム塩（触媒として
作用）と、有機付加反応を保つ有機化合物とを含有して
いる。適当な無電解金めっき方法の更なる詳細は、前述
のメイセル及びグラングのハンドブックに記載されてい
る。

【００３１】他の実施例では、金を被覆管の内面に蒸着
する。この実施例では、金を被覆したタングステン線
を、排気した被覆管内部に挿入する。次いで、十分な電
流をタングステン線に流して、タングステン線の温度を
約１２００℃に上げる。この温度で、金の蒸気圧が十分
高くなって金は蒸発し、そして比較的低温のジルコニウ
ム内面に付着して、本発明に適した厚さの金被覆を形成
する。この方法の更なる詳細も、前述のメイセル及びグ
ラングのハンドブックに記載されている。

【００３２】他の実施例では、金被覆を化学蒸着により
形成する。被覆管は細長い形状（例えば、５メートルの
長さと、１ｃｍの直径と）を有しているので、十分に均
等な金被覆を設けるためには、従来の化学蒸着方法をい
くらか改変する必要があるかもしれない。１つの適当な
方法は、金線を被覆内部軸線に沿って設け、そして被覆
内部に塩素ガスを充填することを包含している。次い
で、電流を金線に通すことにより、金線を約９００℃〜
１０００℃に加熱する。被覆管の内部は約７００℃に保
たれる。このような状態において、塩素ガスは金線と反
応して、約９００℃で安定するガス状（ＡｕＣｌ）₂ を
形成する。このように形成されたガス状（ＡｕＣｌ）₂
は比較的低温の被覆壁に拡散し、そこでは（低温のた
め）もはや安定せず分解して、金属金と塩素ガスとを放
出する。次いで塩素ガスは、拡散により比較的高温の金
線に戻り、そこで固体の金と反応して更に（ＡｕＣｌ）
₂ を形成する。最終的に、本発明に十分な厚さの均等な
金被覆が形成される。例えば、ニューヨークのアカデミ
ック・プレス（Academic Press）により出版されたシェ
イファ（H. Schafer）の「ケミカル・トランスポート・
リアクションズ（Chemical Transport Reactions）」
（１９６４年）の３９ページを参照されたい。これはす
べての目的のためにここに参照されるべきものである。

【００３３】以上、本発明を明確に理解し得るように詳
述したが、もちろん本発明の要旨の範囲内で様々な変更
及び改変が可能である。例えば、本明細書では金被覆付
き被覆管について述べたが、水素損傷を起こし易い他の
原子炉部品に金被覆を施してもよい。例えば、燃料要素
端栓、スペーサ、タイロッド、タイプレート、フローチ
ャンネル、ウォータロッド及び制御管等にも本発明に従
って金被覆を施すことができる。加えて、本発明におい
て用いる金は、純粋な合金化していない金以外の形態で
使用することができることを理解されたい。例えば、こ
こに教示した被覆管は、金合金と、水素及び水素含有種
が実質的に又は全く溶けない均等物とで被覆され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】核燃料棒を含んでいる核燃料バンドルの部分切
除斜視図である。

【図２】燃料棒の内部を示す核燃料バンドルの部分切除
断面図である。

【図３】本発明の被覆管の断面図である。

【図４】基層と、障壁層と、内側ライナと、本発明によ
る内側金被覆とを有している核燃料要素の断面図であ
る。

【符号の説明】

１４燃料要素（燃料棒）１７燃料棒コンテナ（被覆管）２１、４１ジルコニウム合金基層２２、４２ジルコニウム障壁２７、４５金被覆４３内側ライナ（ジルコニウム合金）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素による被覆管損傷を防止する金被覆
を有している被覆管であって、内周面と、外周面とを有しているジルコニウム合金周基
層と、金の周被覆であって、該金の被覆は、水素又は水素含有
種が該金の被覆を貫通することを防止するのに十分な、
且つ核分裂性燃料からの有意な中性子束を通すのに十分
薄い平均厚さを有している、金の周被覆とを備えた被覆
管。
【請求項２】内周面を有していると共に前記周基層の
前記内周面に冶金学的に接合されているジルコニウム障
壁層を更に含んでいる請求項１に記載の被覆管。
【請求項３】前記金の被覆は、前記ジルコニウム障壁
層の前記内周面に設けられている請求項２に記載の被覆
管。
【請求項４】前記金の内周被覆の前記平均厚さは、前
記周基層の肉厚の約０．０００１倍〜０．０１倍である
請求項１に記載の被覆管。
【請求項５】前記金の内周被覆の前記平均厚さは、約
０．５マイクロメートル〜１０マイクロメートルである
請求項１に記載の被覆管。
【請求項６】水素による被覆管損傷を防止する金の被
覆を有している被覆管を製造する方法であって、１つ以上の層を有している管を設ける工程であって、前
記層のうちの少なくとも１つの層は、ジルコニウム又は
ジルコニウム合金を含んでおり、前記層の各々は、内周
面と、外周面とを有している、管を設ける工程と、前記層のうちの１つの層の内周面及び外周面のうちの少
なくとも一方の面に金の被覆を形成する工程とを備えた
被覆管を製造する方法。
【請求項７】前記１つ以上の層の一方の面に金の被覆
を形成する工程は、前記管の最も内側の層の内周面に金
の被覆を形成する工程を含んでいる請求項６に記載の方
法。
【請求項８】前記金の被覆を形成する工程は、前記管
の前記層の内周面及び外周面のうちの少なくとも一方の
面に金スリーブを冶金学的に接合する工程を含んでいる
請求項６に記載の方法。
【請求項９】前記冶金学的な接合は、前記金スリーブ
と、前記管の前記層のうちの少なくとも１つの層とを共
に押し出すことにより成される請求項８に記載の方法。
【請求項１０】前記金の被覆を形成する工程は、前記
管の前記層の内周面及び外周面のうちの少なくとも一方
の面に金の被覆を電気めっきする工程を含んでいる請求
項６に記載の方法。