JPH0868885A - 高速増殖炉酸化物燃料用被覆管 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 ウラン酸化物および／またはプルトニウム酸
化物よりなる高速増殖炉酸化物燃料を被覆するための燃
料被覆管において、Ｆｅ基もしくはＮｉ基合金で構成さ
れた該被覆管本体における少なくとも前記酸化物燃料装
入領域の内面側に、Ｔｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｚｒよりなる群か
ら選択される少なくとも１種の金属粒子が分散された複
合Ｎｉ系めっき層を形成する。 【効果】 燃料被覆管本体の内面に、酸素ゲッター機能
を有する金属微粉末の複合されたＮｉめっき層を形成す
ることによって、被覆管−酸化物燃料間の化学的相互作
用による被覆管の内面侵食を大幅に抑制することがで
き、被覆管破損に対する余裕度を増大すると共に、燃料
要素の寿命を延長することができ、経済性および安全性
の高い高速増殖炉の実現に貢献できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、酸化物燃料を使用する
高速増殖炉用の燃料被覆管に関し、この燃料被覆管は、
核分裂生成物による被覆管内面の腐食を抑制し、燃料の
使用可能時間を延長すると共に、燃料破損に対する余裕
度を高めることのできる技術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
照射の下に３００〜９００℃の高温条件下で核分裂生成
ガスによる内圧に耐え、内部の原子燃料を保護する役目
を果たしており、その寿命は主にスエリング性と高温ク
リープ強度に支配される。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期間をできる
だけ長くすることが望まれており、燃料の長寿命化のた
めには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、わが国で開発中の高速増殖炉に
は、原子燃料として主にプルトニウム（Ｐｕ）−ウラン
（Ｕ）混合酸化物燃料が使用されており、これら酸化物
燃料が装入される燃料被覆管はＦｅ基合金やＮｉ基合金
よって形成される。この様な燃料被覆管では、使用中に
燃料と被覆管の間で化学的相互作用（Ｆｕｅｌ−Ｃｌａ
ｄｄｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏ
ｎ：以下、ＦＣＣＩと略記する）による内面側の腐食が
起こり、被覆管の減肉によって燃料寿命に少なからぬ影
響を及ぼす。

【０００４】現在のところは、被覆管材料のスエリング
性と高温クリープ強度が燃料寿命を支配する主な要因と
なっているが、被覆管材料の改質や設計条件の改善等に
よってこれらの性能が高められるにつれて、上記ＦＣＣ
Ｉが寿命を支配する大きな要因になってきており、高速
増殖炉の長寿命化を推進する上でＦＣＣＩの低減対策
は、今後の重要な解決課題とされている。しかしなが
ら、現在のところ工業的に実用可能なＦＣＣＩ低減策は
まだ確立されていない。

【０００５】高速増殖炉の酸化物燃料要素の構造を図面
を用いて説明すると次の通りである。即ち図１は、酸化
物燃料要素の一般的な構造を示す縦断面図であり、図中
１はＵ−Ｐｕ混合酸化物燃料ペレット、２は被覆管、３
は上部端栓、４は下部端栓、５は燃料ペレットを固定す
るプレナムスプリング、６はプレナムスリーブ、７は核
分裂生成ガスを溜めるガスプレナムを夫々示している。

【０００６】下部端栓４を接合した被覆管２内に円柱状
の燃料ペレット１、プレナムスプリング５およびプレナ
ムスリーブ６を装入した後、上部端栓３を接合して被覆
管２の密封が行なわれる。このとき、被覆管２の内部に
はヘリウムガスが充填され、燃料ペレット１と被覆管２
の間には僅かなギャップが設けられる。そして燃料要素
の使用期には燃料温度が上昇し、燃料ペレット１と被覆
管２の熱膨張差等によってこのギャップは早い時期に閉
じられる。核分裂生成物が燃料ペレット１と被覆管２の
間に生成し、被覆管２と核分裂生成物および燃料の成分
の化合物が生成し、これによって被覆管の内面腐食が進
行するのである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＦＣＣＩに起因する被
覆管の内面腐食は、酸化物燃料から放出される酸素とＣ
ｓ，Ｔｅ，Ｉ等の核分裂生成元素によって引き起こされ
るものであって、酸化物の生成が主体となる反応であ
り、酸素の供給量が増大するにつれて腐食速度は大きく
なる。従って、ＦＣＣＩ低減法としては被覆管内部の酸
素ポテンシャルを下げることが有効であり、そのため酸
素吸収物質（酸素ゲッター材：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ等の酸化
物形成傾向の大きい元素）を被覆管内面にコーティング
する方法がある。

【０００８】ところで、被覆管は細径・長尺であるた
め、その内面コーティングはかなり困難な技術である
が、その具体策として真空蒸着法を利用した被覆管内面
Ｔｉコーティング法が開発されている。この方法は、Ｔ
ｉ芯線を被覆管の内側に装着し、内部を真空にしてから
該芯線を通電加熱し、蒸発させて被覆管内面にコーティ
ング皮膜を形成する方法であり、細径・長尺の被覆管内
面にコーティングする方法として有望であるが、芯線を
精度良く装着することが必要であり、しかも高真空度の
処理が必要であるので、量産性やコスト上の問題があ
る。

【０００９】これらの従来技術を含めて、工業的に実施
するための被覆管内面コーティング技術に必要と考えら
れる課題をまとめると、ＦＣＣＩ低減に有効であるこ
と、細径・長尺管への適用を容易に行ない得ること、
量産が可能で低コストであること、密着性や耐剥離
性に優れた内張り皮膜を形成し得ること、被覆管本体
の機械的性質に悪影響を及ぼさないこと、等が主なもの
として挙げられる。

【００１０】本発明は、上記の様な状況の下でなされた
ものであって、その目的は、酸化物燃料の装入位置に対
応する被覆管内面に、ＦＣＣＩ低減に有効で且つ密着性
や耐剥離性、耐食性に優れた内張り皮膜を形成し、酸化
物燃料要素の寿命延長を増進することができ、しかも工
業的に量産可能な内張り被覆管を提供しようとするもの
である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するこ
とのできた本発明に係る高速増殖炉酸化物燃料用被覆管
の構成は、ウラン酸化物および／またはプルトニウム酸
化物よりなる高速増殖炉酸化物燃料を被覆するための燃
料被覆管において、Ｆｅ基もしくはＮｉ基合金で構成さ
れた該被覆管本体における少なくとも前記酸化物燃料装
入領域の内面側にＮｉ系めっき層が形成されてなり、該
Ｎｉめっき層中にＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｚｒよりなる群から
選択される少なくとも１種の金属粒子が分散されたもの
であるところに要旨を有するものである。上記において
金属粒子が分散された複合Ｎｉ系めっき層は、無電解め
っき法によって容易に形成することができ、該めっき層
の厚さは１０〜１００μｍの範囲が好まく、また該金属
粒子の複合Ｎｉ系めっき層中に占める好ましい含有量
は、体積率で３０〜４０％の範囲である。

【００１２】

【作用】上記の様に本発明では、Ｆｅ基もしくはＮｉ基
合金で構成された被覆管本体における酸化物燃料装入領
域の内面側に、酸素ゲッターとして機能する金属粒子を
分散せしめたＮｉめっき層を形成し、それによりＦＣＣ
Ｉを低減すると共に密着性、耐剥離性、耐食性等を高
め、それにより燃料要素の寿命延長を達成したものであ
り、以下、研究の経緯を追って本発明の構成および作用
効果を詳細に説明する。

【００１３】本発明者等は前述の様な課題を解決するた
めの手段として、まず被覆管内面コーティング法と酸素
ゲッターの組み合わせを考えた。コーティング法として
は、加熱蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティ
ング法等の物理的方法と、湿式めっき法や化学的気相成
長法等の化学的方法、および圧延密着法の様な機械的方
法がある。しかしながら、被覆管内面へのコーティング
は、前述の如く細径・長尺管という形状面からの制約に
加えて、被覆管を構成する合金と酸素ゲッターとの反応
という問題もあって実用化は容易でない。即ち芯線加熱
蒸着法は、前述の如く細径・長尺管の内面コーティング
には適した方法であるが、量産性と製造コストに問題が
あり、また化学的気相成長法も同様に細径・長尺管の内
面コーティングには適した方法であるが、高温で処理さ
れるため酸素ゲッター材と被覆管を構成する合金との反
応によって両者の界面に脆化層が生成し、健全なコーテ
ィング層は得られにくい。めっき法も有効であるが、酸
素ゲッターそのものをめっきすることはできない。

【００１４】そこで、本発明者等は簡便で効果的な複合
めっき法として、無電解めっき法の適用を考えた。即ち
無電解めっき法とは、金属イオンを還元剤によって化学
的に還元して被めっき材の表面に析出させる方法であ
り、電気めっき法の様に電源や電極を必要とせず単にめ
っき浴中に被めっき材を浸漬するだけでめっきを行なう
ことができるので、形状の複雑なものに対するめっき法
として適しており、本発明に係る燃料被覆管への内面め
っき法としても適した方法といえる。

【００１５】こうした無電解めっき法は、Ｃｕ，Ｎｉ，
Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄ等のめっきには広く実用化されている
が、例えば燃料被覆管において酸素ゲッターとして機能
するＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｚｒについては、これらを無電解
めっき法によって形成することはできない。そこで本発
明者等は、燃料被覆管の内面コーティング材として知ら
れたＮｉめっきを無電解めっき法によって形成する方法
を採用し、該Ｎｉめっき層中に、上記酸素ゲッターとし
て機能する金属微粒子を混入して複合化する方法を考え
た。即ち、無電解法によって燃料被覆管内面にＮｉめっ
き層を形成する際に、該めっき浴中に酸素ゲッターとし
て機能する金属微粒子を分散させておくと、無電解めっ
き工程でＮｉめっき表面に該金属微粒子が吸着すると共
に、引き続いて析出するＮｉに次々に埋め込まれ、Ｎｉ
めっき層中に酸素ゲッター能を備えた該金属微粒子が均
一に分散された複合Ｎｉ系めっき層が形成されることを
知った。

【００１６】ここで、めっき金属としてＮｉ系を選択し
たのは、 燃料被覆管の構成素材として一般的に用いられるＦｅ
基合金やＮｉ基合金との親和性が良好で優れた密着性と
耐剥離性が得られ易いこと、 高速増殖炉の使用期には高温条件下で被覆管素材とめ
っき層の接合部にＦｅやＮｉの全律固溶拡散層が形成さ
れるが、Ｎｉめっきでは被覆管素材との界面に有害な脆
化層の形成が起こらず優れた密着性が保証されること、 酸素ゲッター材が被覆管素材と密着したときに生じる
炭素移行や合金の脱炭による強度低下が、上記ＦｅやＮ
ｉの全律固溶拡散層によって阻止され、被覆管素材の機
械的性質に悪影響を及ぼすことがないこと、といった理
由によるものである。

【００１７】また、酸素ゲッター材として用いられる好
ましい金属微粒子の種類は、酸化物燃料の種類、酸素ポ
テンシャル、酸素ゲッター速度等によって決まってくる
が、本発明では、約７００℃程度にまで上昇する被覆管
内面の温度条件下で、被覆管を構成する合金中に含まれ
るＣｒの酸化ポテンシャルよりも低く、且つ燃料である
ＵーＰｕ酸化物を過度に還元することのない酸素ポテン
シャルを有するもので且つ核的性質に問題のないＴｉ，
Ｖ，Ｎｂ，Ｚｒを選択した。

【００１８】これらの金属はそれぞれ単独で使用し得る
他、場合によっては２種以上を併用することも可能であ
る。またこれら金属の微粒子は、Ｎｉめっき層中に満遍
なく均一に混入して複合化率を高め得る様、できるだけ
微細なものを使用するのがよく、通常は１０μｍ程度以
下、より好ましくは５μｍ程度以下の微粒子が用いられ
る。また、Ｎｉめっき層中に複合化されるこれら金属微
粒子の好ましい含有量は、Ｎｉめっき自体によってもた
らされる前記〜として記載した様な作用効果を有効
に発揮させると共に優れた密着性や耐剥離性を保証しつ
つ、酸素ゲッター材としての機能を有効に発揮させるた
め、複合めっき層全体中に占める体積率で２０〜６０
％、より好ましくは３０〜４０％の範囲に設定するのが
よい。しかして、金属微粒子の配合量が不足する場合
は、酸素ゲッター材としての機能が有意に発揮されず、
特にＦＣＣＩ低減効果が不十分となり、逆に多過ぎる場
合は、複合めっき層の密着性や耐剥離性が低下し、寿命
を却って低下させる傾向が生じてくるからである。

【００１９】上記の様な複合化Ｎｉめっき層の形成方法
は特に限定されないが、工業的に実用化する上で最も好
ましいのは無電解めっき法であり、その好ましい具体例
を示すと次の通りである。即ち、無電解Ｎｉめっき浴中
に前述の様な金属微粒子を添加し、めっき浴を攪拌もし
くは流動させる等によって該金属微粒子を均一な懸濁状
態に保つ。この懸濁めっき浴を８０〜９０℃程度に保持
し、該浴中に、表面を脱脂・洗浄処理した被めっき材を
浸漬すればよい。めっき厚は浸漬時間に比例して増大し
てくるので、目標めっき厚さに応じて浸漬時間を調整す
れば、任意の厚みの複合めっき層を形成することができ
る。このめっき工程で、めっき浴中の被めっき材に回転
や揺動等の動きを与えてやれば、より均一な厚みのめっ
き層を形成することができるので好ましい。

【００２０】図２は、本発明に係る内面複合めっき被覆
管２の構成を示す横断面説明図であり、図中１は燃料ペ
レット、２ａは被覆管本体、１０は被覆管２と燃料１の
ギャップ、８は複合めっき層を夫々示しており、被覆管
本体２ａと複合めっき層８によって被覆管２が構成され
る。図３は、内面被覆層形成部を拡大して示す部分断面
説明図であり、被覆管本体２ａの内側に形成される複合
めっき層８は、Ｎｉめっき層中に酸素ゲッターとして機
能する金属微粒子９が均一に分散されている。

【００２１】

【実施例】以下、実施例を挙げて本発明の構成および作
用効果を具体的に説明するが、本発明はもとより下記実
施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣
旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施すること
も可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に含
まれる。

【００２２】実施例 被覆管本体として、Ｆｅ基合金（Ｆｅ−１５％Ｃｒ−２
０％Ｎｉのオーステナイト系ステンレス鋼）よりなる外
径７．５ｍｍ、内径６．７ｍｍ、長さ１５００ｍｍの管
を使用し、また酸素ゲッター材として粒径１０μｍ以下
のＴｉ微粉末を使用し、無電解Ｎｉ複合めっきを行なっ
て高速増殖炉酸化物燃料用内面複合めっき被覆管を製造
した。

【００２３】図４は、上記で用いた無電解めっき装置を
示す概念図であり、めっき槽Ａおよびめっき液ストック
槽Ｂでは、金属微粒子が均一に懸濁する様に常時攪拌を
行ない、まためっき槽Ａ中のめっき液が約８７℃となる
様に加熱し、めっき液はストック槽Ｂからめっき槽Ａへ
ポンプＰによって循環させた。被覆管本体２ａは、めっ
き槽Ａのめっき液（硫酸ニッケル：２０ｇ／リトッル、
次亜りん酸ナトリウム：２５ｇ／リットル、およびｐＨ
調整剤）中に浸漬し、回転させながら所定時間めっきを
行なった。また図５は全体の製作工程図であり、被覆管
本体はまず脱脂処理および酸活性化処理を施して内表面
を清浄にしておき、また無電解めっき層と被覆管本体と
の密着性を高めるため、予め内面にストライクＮｉめっ
き（電気めっき）処理を行なっておく。そして上記の複
合めっき処理を行なった後、洗浄・乾燥して内面複合め
っき被覆管を得る。

【００２４】図６は、１５０分間浸漬して複合めっきを
行なった後における被覆管中央部縦断面の内面側を、走
査型電子顕微鏡で観察した写真を示したものであり、こ
の図からも明らかである様に、被覆管内面に密着した３
０μｍ程度の厚さの複合Ｎｉめっき層が形成され、該め
っき層の中にＴｉ微粒子が均一に分散して埋め込まれて
いる。この複合Ｎｉ系めっき被覆管は、その後、厚みを
調節するために冷間引抜き加工を行なったり、あるいは
表面平滑性を高めるために内面研磨を行なうことも有効
である。

【００２５】上記の方法により、密着性の優れた内面複
合めっき被覆管を得ることができるが、この複合めっき
層は、被覆管本体の機械的性質に悪影響を及ぼさないこ
とが必要である。そこで、得られた複合Ｎｉ系めっき被
覆管の高温強度特性を調べるため、該被覆管を７００℃
で３０００時間加熱した後、７００℃における引張試験
を行なった。結果は図７に示した通りであり、内面複合
Ｎｉ系めっきの有無による高温引張強度の有意差は認め
られない。また図８は、７００℃における内圧クリープ
破断試験結果から、強度を支配する管の接線方向応力
（フープ応力という）と破断時間の関係を示したもので
ある。やはり内面複合Ｎｉ系めっきの有無によるクリー
プ破断強度の有意差は認められず、本発明の内面複合Ｎ
ｉ系めっき被覆管は、高温下の長期使用によっても優れ
た機械的性質を発揮し得るものであることが分かる。

【００２６】更に下記表１は、炉外模擬ＦＣＣＩ実験を
行なった結果を示したものである。即ち、模擬核分裂生
成化合物として水酸化セシウム（ＣｓＯＨ）を使用し、
このパウダーと被覆管を石英ガラス製のるつぼに装入
し、真空中で５００℃および６００℃に加熱する。する
と、高温で水酸化セシウムは液状となって被覆管内面と
接触するので、この状態で２４時間反応させた後、取り
出して被覆管の断面を光学顕微鏡によって観察し、その
結果を示したものである。

【００２７】表１からも明らかである様に、複合Ｎｉ系
めっき無しのものでは、全面腐食と粒界腐食による腐食
変質層が５００℃において約２０μｍ、６００℃におい
ては約３０μｍ認められたのに対し、複合Ｎｉ系めっき
を施した本発明の内面めっき被覆管では、めっき層の剥
離や変質は殆ど認められず、被覆管本体の変質もなく、
優れた耐ＦＣＣＩ性を有していることが分かる。尚Ｎｉ
単独めっきの場合は、めっき層下部の被覆管本体に腐食
変質層が形成され、その程度は温度が高くなるにつれて
大きくなることが確認された。

【００２８】尚上記では、Ｎｉめっき層内にＴｉ粒子を
分散させた例を示したが、こうしたＴｉ粒子による内面
被覆層の改質効果は、Ｔｉと同様に酸素ゲッターとして
機能することが知られているＶ，Ｎｂ，Ｚｒ粒子をＮｉ
系めっき層に分散させた内面被覆層についても得ること
ができる。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、Ｆ
ｅ基もしくはＮｉ基合金で構成された該被覆管本体の内
面に、酸素ゲッター機能を有する金属微粉末の複合され
たＮｉめっき層を形成することによって、被覆管−酸化
物燃料間の化学的相互作用による被覆管の内面侵食を大
幅に抑制することができ、被覆管破損に対する余裕度を
増大すると共に、燃料要素の寿命を延長することがで
き、経済性および安全性の高い高速増殖炉の実現に貢献
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】高速増殖炉の酸化物燃料要素の一般的な構成を
示す縦断面説明図である。

【図２】本発明に係る被覆管の構成を例示する横断面説
明図である。

【図３】本発明に係る被覆管の内面被覆構造を例示する
一部拡大断面説明図である。

【図４】無電解複合Ｎｉ系めっき法を例示する概略説明
図である。

【図５】無電解複合Ｎｉ系めっき被覆管作成の工程説明
図である。

【図６】無電解複合Ｎｉ系めっきされた被覆管における
中央部縦断面の内面側の走査型電子顕微鏡写真である。

【図７】内面複合Ｎｉ系めっき処理を行なった被覆管と
行なっていない被覆管の７００℃における引張強度を対
比して示すグラフである。

【図８】内面複合Ｎｉ系めっき処理を行なった被覆管と
行なっていない被覆管の、５００℃および６００℃にお
けるＣｓＯＨを用いた模擬ＦＣＣＩ実験結果を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１ 酸化物ペレット ２ａ 被覆管本体 ２ 被覆管 ３ 上部端栓 ４ 下部端栓 ５ プレナムスプリング ６ プレナムスリーブ ７ ガスプレナム ８ Ｎｉ複合めっき層 ９ 金属微粒子 Ａ めっき槽 Ｂ めっき液ストック槽 Ｐ ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三次 岳志 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力 炉・核燃料開発事業団 大洗工学センター 内 (72)発明者 野村 茂雄 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力 炉・核燃料開発事業団 大洗工学センター 内 (72)発明者 桑島 幸夫 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002 動力 炉・核燃料開発事業団 大洗工学センター 内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウラン酸化物および／またはプルトニウ
   ム酸化物よりなる高速増殖炉酸化物燃料を被覆するため
   の燃料被覆管において、Ｆｅ基もしくはＮｉ基合金で構
   成された該被覆管本体における少なくとも前記酸化物燃
   料装入領域の内面側に、Ｎｉ系めっき層が形成されてな
   り、該Ｎｉ系めっき層中にはＴｉ，Ｖ，Ｎｂ，Ｚｒより
   なる群から選択される少なくとも１種の金属粒子が分散
   されたものであることを特徴とする高速増殖炉酸化物燃
   料用被覆管。
2. 【請求項２】 金属粒子が分散されたＮｉ系めっき層
   が、無電解めっき法によって形成されたものである請求
   項１に記載の高速増殖炉酸化物燃料用被覆管。
3. 【請求項３】 めっき層の厚さが１０〜１００μｍであ
   る請求項１または２に記載の高速増殖炉酸化物燃料用被
   覆管。
4. 【請求項４】 金属粒子の好ましい含有量が、体積率で
   ３０〜４０％である請求項１〜３のいずれかに記載の高
   速増殖炉酸化物燃料用被覆管。