JPH08248159A - 燃料被覆管及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、高耐食性を維持しつつ、定検
時における作業員の被曝量増加を抑制できる燃料被覆管
及びその製造方法を提供することにある。 【構成】燃料被覆管の表面粗さを、１.６μｍ を越えな
い範囲で、被覆管への炉水からのクラッド付着速度によ
り規定される下限値と、被覆管の腐食発生率により規定
される上限値の間の許容範囲内とする。 【効果】本発明によれば、被覆管の表面粗さを、耐食性
に対する現行の仕様値を越えない範囲で、被覆管へのク
ラッド付着及び被覆管の腐食発生の両面から適切な許容
範囲内に調整できるので、被覆管の高耐食性を維持しつ
つ、炉水中のイオン状及びクラッド状の腐食生成物の付
着特性を向上できる。これに伴い、定検時における作業
員の被曝量増加を抑制することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は核分裂性物質を装填する
燃料被覆管に係り、特に表面処理を施した高耐食性燃料
被覆管及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】軽水冷却型原子炉の燃料被覆材は、高耐
食性と非常に小さい中性子吸収断面積を必要とすること
からジルコニウム基合金（Ｚｒ及びＳｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，
Ｎｉの合金）が使用されている。原子炉内においてその
外表面は高温の水あるいは水蒸気と接しているため酸化
が進み、時にはノジュラー腐食と呼ばれる斑点状の白色
酸化物が表面に析出する。このような異常腐食を防止す
る方法として、被覆管外表面に酸化皮膜を設ける等の手
段が施されてきたが、十分ではなかった。しかし、現在
では被覆管外表面にβ焼き入れ処理を施したものが使用
されており、耐食性の向上が図られている。

【０００３】この高耐食性被覆管には表面粗さの仕様値
として１.６μｍ 以下という規制があるだけで、実際に
は０.３μｍから０.５μｍといった非常に粗さの小さ
い、つまり凹凸の少ない鏡面状態の表面仕上げとなって
いた。

【０００４】また、β焼き入れ処理に伴って機械的特性
を損なうことなく耐食性を向上する目的で、被覆管の外
表面に冷間加工層を形成し、この外表面を表面粗さ６.
３Ｓ以下（JISB0601）にした被覆管が、特開昭61−2723
59号公報に記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に原子炉内におい
て被覆管外表面は高温の水あるいは水蒸気と接してお
り、特に液相と気相の混在する沸騰開始部分のボイド内
では、沸騰濃縮により炉水中のクラッド（Ｆｅ，Ｎｉ，
Ｃｏ等）が被覆管表面に付着する。付着したこれらのク
ラッドは燃料表面で中性子照射により放射化され、それ
ぞれＭｎ−５４，Ｃｏ−５８，Ｃｏ−６０に変化する。
これらの放射性核種の一部は再びクラッドあるいはイオ
ンの形態で炉水中に溶け出すことが知られており、これ
が炉水の放射能増加ひいては定検時の作業員の被曝量増
加につながる。

【０００６】このため、一度燃料に付着したクラッドが
溶出あるいは剥離しにくいことが放射能低減の前提条件
であるといえる。しかし、前述したβ焼き入れを施した
被覆管の場合、製造工程の簡略化あるいは表面の健全性
保持の観点から、表面に酸化皮膜が施されていないた
め、酸化皮膜を施したものに比べて表面の粗さが低くな
っている。前述の沸騰濃縮によるクラッド付着が被覆管
表面の粗さに起因していることを考えると、β焼き入れ
処理を施した被覆管は耐食性は向上したものの、クラッ
ド保持能力が低下していると考えられ、定検時における
作業員の被曝量の増加を招く恐れがある。

【０００７】また、特開昭61−272359号公報に記載の被
覆管の場合、定検時における作業員の被曝量増加に関し
ては考慮されていなかった。

【０００８】本発明の目的は、高耐食性を維持しつつ、
定検時における作業員の被曝量増加を抑制できる燃料被
覆管及びその製造方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の第１の手段は、燃料被覆管の表面粗さを、１.６μmを
越えない範囲で、被覆管への炉水からのクラッド付着速
度により規定される下限値と、被覆管の腐食発生率によ
り規定される上限値の間の許容範囲内としたものであ
る。

【００１０】また、第２の手段は、前記表面粗さが前記
許容範囲内にある部分を、炉水中のクラッドが付着し易
い部分としたものである。

【００１１】また、第３の手段は、燃料の平均濃縮度が
高い燃料集合体の燃料被覆管の表面粗さを、前記許容範
囲内としたものである。

【００１２】

【作用】第１の手段によれば、被覆管の表面粗さを、耐
食性に対する現行の仕様値を越えない範囲で、被覆管へ
のクラッド付着及び被覆管の腐食発生の両面から適切な
許容範囲内に調整できるので、被覆管の高耐食性を維持
しつつ、炉水中のイオン状及びクラッド状の腐食生成物
の付着特性を向上できる。これに伴い、定検時における
作業員の被曝量増加を抑制することもできる。

【００１３】また、第２及び第３の手段によれば、腐食
生成物が付着し易い部分、及び炉内に長期間滞在する燃
料集合体の燃料被覆管の表面粗さを適切に調整できるの
で、燃料製造工程をさほど複雑にせずに、第１の手段に
よる効果を達成することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明による第１の実施例を図１〜図
４を用いて説明する。図１は本発明による燃料被覆管の
製造方法の第１の実施例を示す図、図４は本発明による
燃料被覆管を有する燃料棒の概略構成図、図３は図４の
燃料棒を備えた燃料集合体の概略構成図、図２は図３の
燃料集合体を備えた原子炉圧力容器の概略構成図であ
る。

【００１５】図２の原子炉圧力容器において、炉心１に
よって昇温された冷却材は気水分離器２及び、蒸気乾燥
器３によって蒸気が分離され、蒸気は主蒸気配管４より
タービン系へ移送される。一方水は気水分離器２の外側
へ振り落とされ、給水配管５から流入する給水と混合さ
れてシュラウド６の外側ダウンカマ１４へと移送され
る。炉心下部の高さまで移送された冷却材は原子炉再循
環系７に入り、一部は原子炉冷却材浄化系８に分岐し残
りは再循環ポンプ９及び、ジェットポンプ１０によって
原子炉下部へと移送される。その後、燃料下部支持格子
板１１を通り、再び炉心１へと循環する仕組みとなって
いる。その際、一部は燃料集合体１２内へ、残りは炉心
バイパス１３へと分岐して流入する。

【００１６】図３に示すように、燃料集合体は燃料棒２
１，スペーサ２２，ウォータロッド２３，燃料バンドル
２４，上部タイプレート２５，下部タイプレート２６及
び、燃料チャンネルボックス２７を有した構成となって
おり、燃料棒２１及び、ウォータロッド２３は下部タイ
プレート２６上に８×８の配列をなして設置されてい
る。

【００１７】図４に示すように、燃料棒２１は被覆管３
１内に核燃料ペレット３２を積層充填し、その上端にプ
レナムスプリング３３を配し、さらに、上下端をそれぞ
れ上部端栓３４，下部端栓３５で密封溶接したもので構
成されている。被覆管３１及び、端栓３４，３５はジル
コニウム基合金が使用されており、被覆管３１の外表面
には前述のように耐食性向上の目的でβ焼入処理が行わ
れている。冷却水は下部タイプレート上の冷却材通過孔
を通って燃料集合体１２内へ流入し、核燃料ペレット３
２の核分裂によって発生する熱によって昇温され、燃料
棒２１の下端より４０cmから５０cmのあたりで沸騰を開
始し、被覆管表面のキズ部を中心に気胞が成長し始め
る。

【００１８】伝熱面（被覆管表面）における気泡の成長
概念を図５に示す。気泡４１の成長の初期段階Ａ→Ｂで
は主として伝熱面４２に平行に急速に成長し、薄膜４３
が伝熱面４２上に形成される。中間段階Ｂ→Ｃでは比較
的長時間にわたって気泡４１は主として伝熱面に垂直に
成長し、薄膜４３から水が蒸発して中心部にはドライア
ウト点４４が形成されるＣ以降では気泡４１の成長は止
まり気泡４１は伝熱面４２から離脱する。Ｂ→Ｃにおけ
る気泡４１成長の段階で薄膜４３表面からは一様に蒸発
が起こると考えると図に示すようにこの間に蒸発した水
量４５を考えることが出来る。この蒸発水量４５内に含
まれる金属イオンのみが伝熱面４２上に付着するものと
考えられる。つまり金属が被覆管に付着するための条件
は気泡が形成することであり、その気泡形成を容易にす
るためには表面に気泡径に対応したある程度の粗さを確
保しておくことが必要となる。

【００１９】図６は、これまでのプラントの運転履歴及
び被覆管の表面粗さの調査から推定される表面粗さと、
被覆管クラッド付着速度及び被覆管腐食発生率の関係を
示したものである。これによれば表面粗さが大きいほど
クラッド付着速度が増大し付着特性は向上するが、表面
粗さがあまり大きくなると腐食発生率が急激に増加する
ことが分かる。

【００２０】従って、被覆管の表面粗さには、クラッド
付着速度によって決まる下限値と、被覆管腐食発生率に
よって決まる上限値の間の最適な許容範囲が存在するこ
とになる。被覆管の表面粗さをこの最適な許容範囲内に
調整することにより、被覆管へのクラッド付着及び被覆
管の腐食発生の両面から適切な表面粗さを維持できるの
で、被覆管の高耐食性を維持しつつ、炉水中のイオン状
及びクラッド状の腐食生成物の付着特性を向上できる。
更に、これに伴って定検時における作業員の被曝量増加
を抑制することも可能となる。

【００２１】図６から、許容範囲としては、下限値０.
６μｍ，上限値１.６μｍ程度の範囲を選定すれば良い
ことがわかる。但し、前述したように、一般に表面粗さ
を増加させると被覆管の酸化速度が増加する傾向がある
ので、被覆管の耐食性に対する余裕も考慮した許容範囲
としては、下限値０.６μｍ，上限値１.０μｍ程度の範
囲が最適と考えられる。

【００２２】以下、図１を用いて本発明による燃料被覆
管の製造方法の第１の実施例を説明する。本製造方法で
は、まずジルコニウムを内面にライニングした素管をも
とに特殊熱処理，冷間圧延及び焼鈍により高耐食性を確
保する。その後、最終圧延，切断，酸洗，ロール矯正を
経て外面研磨に至るわけであるが、ここで研磨目標値を
０.３μｍ とするべく研磨粒子を設定する。研磨方法と
してはＳｉＣによる砥石研磨が一般的である。高耐食性
被覆管のこれまでの粗さの経歴を調査した限りにおいて
は平均粗さは０.３μｍ 程度であり、この段階における
研磨は従来の研磨工程で十分に達成できると考えられ
る。これで外表面を均一に平滑化しておくことが出来
る。その後、研磨目標値を０.８μｍ として調整研磨を
行う。この場合の研磨方法としても上記のような砥石に
よるもので十分達成できると考えられるが、その際、被
覆管の送り速度を遅くして均一な粗さとする事が必要で
ある。また、調整研磨の他の方法として、図７に示すよ
うに回転させた被覆管４６に一定の押圧４７を持ってバ
イト４８を当て、らせん上の溝４６ａを彫る方法が考え
られる。この押圧４７は溝の深さ４９（平均表面粗さの
中心５０との距離）が０.８μｍ 程度となるように設定
しておく。また溝の間隔Ｌは数十μｍ程度が適当である
と考えられる。調整研磨の他の方法としては、図８に示
すように櫛状のバイトを当て、被覆管４６の軸方向に垂
直な溝４６ｂを彫るあるいは、上記２つの方法を組合わ
せた方法も考えられる。これらの方法により均一な粗さ
を確保することができる。また、上記の物理的な処理方
法の他に酸洗い、化学研磨表面酸化処理等の化学的な処
理方法により、表面粗さを均一化させることも可能であ
る。

【００２３】次に図９を用いて本発明による燃料被覆管
の製造方法の第２の実施例を説明する。本実施例では、
第１実施例と同様に高耐食性処理を施した後、最終焼鈍
を行う。その後、ロール矯正と同時に第１実施例に記載
のようなバイトを当てる。これまでの調査より、次の外
面研磨工程で研磨される量は２０μｍ〜６０μｍと報告
されており、このことを考えると図７における溝の深さ
４９は４０μｍ程度が適当であると考えられる。その後
従来通りの外面研磨，最終洗浄を行う。最後に製品検査
を行うわけであるが、表面粗さの項目について従来は
１.６μｍ 以下という仕様値を満たしていれば合格であ
ったが、本発明ではさらに、上限値１.０μｍ以下，下
限値０.６μｍ 以上の基準を追加することになる。この
基準を満たしていないものについては被覆管強度の問題
から再研磨できるものについては研磨し直し、そうでな
いものについては破棄することになる。

【００２４】また、本発明による燃料被覆管の製造方法
の第３の実施例として図１０に示すように、上記新基準
は満たしていないものの仕様値を満たしている製品につ
いてはウラン濃縮度が３％未満の低濃縮度の燃料用、あ
るいはプラント運転第２サイクル以降の取替え燃料用と
して選別使用する方法も考えられる。

【００２５】また、第１実施例又は第２実施例を適用し
た燃料被覆管の一部断面図を図１１に示す。第１実施例
において平均粗さが０.８μｍ 程度となるように調整研
磨を行う場合、あるいは第２実施例においてロール矯正
時にバイト下降を行う場合において、これらの処理を被
覆管全体に施すのではなく、実機プラント炉水中におい
て沸騰の開始する領域、具体的には濃縮ウランペレット
５１の充填されている領域５２にのみに限定して行うこ
とも可能であり、これによれば付着の起らない部分につ
いて表面処理工程が簡略化でき、製造へのインパクトを
軽減することができる。

【００２６】上記実施例では何れも表面粗さが上限値と
下限値の範囲内にはいるように調整加工したが、表面粗
さのピークが前記と同じ、または上限値と下限値の範囲
内にはいるようにし、最大値が仕様値１.６μｍ を越え
ないような加工をする事も可能である。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、被覆管の表面粗さを、
耐食性に対する現行の仕様値を越えない範囲で、被覆管
へのクラッド付着及び被覆管の腐食発生の両面から適切
な許容範囲内に調整できるので、被覆管の高耐食性を維
持しつつ、炉水中のイオン状及びクラッド状の腐食生成
物の付着特性を向上できる。これに伴い、定検時におけ
る作業員の被曝量増加を抑制することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による燃料被覆管の製造方法の第１の実
施例を示す図。

【図２】図３の燃料集合体を備えた原子炉圧力容器の概
略構成図。

【図３】図４の燃料棒を備えた燃料集合体の概略構成
図。

【図４】本発明による燃料被覆管を有する燃料棒の概略
構成図。

【図５】被覆管表面における気泡の成長概念を示す図。

【図６】表面粗さと被覆管クラッド付着速度及び被覆管
腐食発生率の関係を示す図。

【図７】図１の調整研磨の他の方法を示す図。

【図８】図１の調整研磨の他の方法を示す図。

【図９】本発明による燃料被覆管の製造方法の第２の実
施例を示す図。

【図１０】本発明による燃料被覆管の製造方法の第３の
実施例を示す図。

【図１１】第１実施例又は第２実施例を適用した燃料被
覆管の一部断面図。

【符号の説明】

２１…燃料棒、２２…スペーサ、２３…ウォータロッ
ド、２４…燃料バンドル、２５…上部タイプレート、２
６…下部タイプレート、２７…燃料チャンネルボック
ス、２８…冷却材通過孔、３１…被覆管、３２…核燃料
ペレット、３３…プレナムスプリング、３４…上部端
栓、３５…下部端栓、４６…被覆管、４６ａ，４６ｂ…
溝、４７…押圧、４８…バイト、４９…溝深さ、５０…
粗さ中心線、５１…濃縮ウランペレット、５２…濃縮ウ
ランペレット充填領域。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 賢一 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 堤 信郎 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 大角 克已 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 植竹 直人 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に特殊熱処理を施し、原子炉用核燃料
   を装填するジルコニウム基合金製の燃料被覆管におい
   て、 該被覆管の表面粗さは、１.６μｍ を越えない範囲で、
   被覆管への炉水からのクラッド付着速度により規定され
   る下限値と、被覆管の腐食発生率により規定される上限
   値の間の許容範囲内にあることを特徴とする燃料被覆
   管。
2. 【請求項２】請求項１において、前記下限値は０.６μ
   ｍ、前記上限値は１.０μｍであることを特徴とする燃
   料被覆管。
3. 【請求項３】請求項１又は２において、表面粗さが前記
   許容範囲内にある部分は、炉水中のクラッドが付着し易
   い部分であることを特徴とする燃料被覆管。
4. 【請求項４】請求項１又は２において、外表面全体の表
   面粗さが前記許容範囲内にあることを特徴とする燃料被
   覆管。
5. 【請求項５】ジルコニウム基合金製の管を特殊熱処理
   後、その表面を研磨して燃料被覆管を製造する燃料被覆
   管の製造方法において、 該被覆管の表面粗さを、１.６μｍ を越えない範囲で、
   被覆管への炉水からのクラッド付着速度により規定され
   る下限値と、被覆管の腐食発生率により規定される上限
   値の間の許容範囲内とすることを特徴とする燃料被覆管
   の製造方法。
6. 【請求項６】請求項５において、前記下限値は０.６μ
   ｍ、前記上限値は１.０μｍであることを特徴とする燃
   料被覆管の製造方法。
7. 【請求項７】請求項５又は６において、表面粗さが前記
   許容範囲内にある部分は、炉水中のクラッドが付着し易
   い部分であることを特徴とする燃料被覆管の製造方法。
8. 【請求項８】請求項５又は６において、前記表面粗さが
   前記上限値以下になるまで研磨した後に、該表面粗さが
   前記下限値以上となる範囲で調整研磨することを特徴と
   する燃料被覆管の製造方法。
9. 【請求項９】請求項５又は６において、前記研磨工程の
   後に、前記被覆管の表面粗さが前記許容範囲内にあるこ
   とを検査する工程を有することを特徴とする燃料被覆管
   の製造方法。
10. 【請求項１０】原子炉炉心部に装荷される燃料集合体に
    おいて、燃料の平均濃縮度が高い燃料集合体の燃料被覆
    管として、請求項１乃至４の何れかに記載の燃料被覆管
    を用いたことを特徴とする燃料集合体。