JPH10260280A

JPH10260280A - 原子炉用ジルコニウム基合金及び燃料被覆管並びに燃料集合体

Info

Publication number: JPH10260280A
Application number: JP9066644A
Authority: JP
Inventors: Masao Endo; 正男遠藤; Yoshitaka Nishino; 由高西野; Takayoshi Yasuda; 隆芳安田; Kenichi Ito; 賢一伊東; Motohiro Aizawa; 元浩会沢; Iwao Takase; 磐雄高瀬
Original assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd; Hitachi Nuclear Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Engineering Co Ltd; Hitachi Ltd; Hitachi Nuclear Engineering Co Ltd
Priority date: 1997-03-19
Filing date: 1997-03-19
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】低コストで耐一様腐食性を向上できる原子炉用
ジルコニウム基合金及び燃料被覆管並びに燃料集合体を
提供する。【解決手段】燃料集合体２０に備えられた燃料棒５ａの
燃料被覆管９を、Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ及び不
可避不純物から構成されかつ全体に対するＦｅの含有率
と全体に対するＮｉの含有率との和を０．２５重量パー
セント以上０．３５重量パーセント以下とした原子炉用
ジルコニウム基合金で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、沸騰水型原子炉の
燃料集合体に係わり、特に、燃料被覆管の材料として好
適な原子炉用ジルコニウム基合金及びこれを用いた燃料
被覆管並びに燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】沸騰水型原子炉（以下適宜、ＢＷＲとい
う）における燃料被覆管は、高温における力学的強度が
十分であること、原子炉の冷却水との反応が小さいこ
と、熱中性子の吸収が小さいこと等の観点から、ジルコ
ニウム金属材料が用いられている。この際、純ジルコニ
ウムのままでは高温水の耐食性や強度の面で不十分であ
ることから、合金元素としてＳｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ等
の金属元素が微量添加されたジルコニウム基合金（ジル
カロイ−２）が広く用いられている。このときの各元素
の主な添加目的は、Ｓｎが機械的特性の向上、Ｆｅ，Ｃ
ｒ，Ｎｉが機械的特性及び耐食性の向上である。このジ
ルカロイ−２の化学成分は、日本工業規格ＪＩＳＨ４
７５１で規定されており、Ｓｎ＝１．２０〜１．７０重
量％、Ｆｅ＝０．０７〜０．０２重量％、Ｃｒ＝０．０
５〜０．１５重量％、Ｎｉ＝０．０３〜０．０８％とな
っている。

【０００３】そして、このような燃料被覆管をＢＷＲに
配置して運転を行うと、運転開始後時間の経過と共に、
炉水と接する外面に腐食が発生するようになる。この腐
食の一例としては、数十μｍ〜数ｍｍのレンズ状酸化膜
が局所的に点在するように発生するノジュラー腐食があ
る。このノジュラー腐食を抑制するための公知技術とし
ては、例えば、合金成分に関する特公平６−２５８３９
号公報や、合金製造方法に関する特開昭５１−１１０４
１２号公報及び特開昭５２−７０９１７号公報がある。

【０００４】特公平６−２５３８９号公報には、Ｓｎ，
Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｒの各濃度の範囲と、ＦｅとＮｉの濃
度和の範囲とを限定した高耐食低水素吸収性ジルコニウ
ム基合金が開示されている。また、特開昭５１−１１０
４１２号公報及び特開昭５２−７０９１７号公報には、
いわゆるβクエンチ熱処理法といわれる熱処理方法が開
示されており、ジルコニウム基合金をα＋β相あるいは
β相の温度領域（約８４０℃以上）に加熱後急冷する方
法が示されている。そしてこのような熱処理を施すこと
により、合金中の析出物である金属間化合物を粒界に選
択的に再分布させ、耐食性を向上させている。

【０００５】一方、近年の燃料の高燃焼度化・運転サイ
クルの長期化の傾向により、上記の局所的なノジュラー
腐食以外に、燃料被覆管の一様腐食に対する耐食性向上
を図る必要が生じている。ジルコニウム基合金の一様腐
食に影響すると考えられる炉水側因子（＝腐食に係わる
不純物）としては、主に、構造材や配管等から溶出して
くる金属イオン、イオン交換樹脂等から微量溶出してく
るアニオン種（ＳＯ₄ ^2-，ＣｒＯ₄ ^2-等）、及び水自身が
強い放射線をうけて分解し生成する各種酸化性ラジカル
成分等がある。また、特に、新設プラントでは起動試験
において出力を高低させるが、酸化性ラジカルは低温時
には消失しにくい性質を有するため、低出力時に酸化性
ラジカル濃度が上昇する傾向となる。また新設プラント
では構造材の表面に酸化皮膜が十分に形成されていない
ため、この構造材から不純物金属イオンが溶出しやす
い。したがって、新設プラントに装荷される初装荷燃料
集合体では、通常の燃料集合体よりも腐食環境が厳しく
なり、耐一様腐食性の向上がより多く望まれている。

【０００６】このような耐一様腐食性の向上を図った公
知技術としては、例えば特開平７−１６６２８０号公報
があり、合金元素であるＳｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｏ2，Ｎｉ
の濃度を限定し、かつ熱処理でＺｒ母相中に析出させた
第２次相の粒径割合を限定することにより、ジルコニウ
ム基合金の耐一様腐食性を向上させている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平７−１６６２８０号公報においては、限定された特
定の熱処理方法を実施する必要があるため、従来と同一
の熱処理設備で熱処理を行うことが困難となる。したが
って、専用の熱処理設備を設けるか、従来の熱処理設備
を改良することが必要となり、高コスト化を招く。

【０００８】本発明の目的は、低コストで耐一様腐食性
を向上できる原子炉用ジルコニウム基合金及び燃料被覆
管並びに燃料集合体を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】

（１）上記目的を達成するために、本発明は、Ｓｎ，Ｆ
ｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ及び不可避不純物から構成される
原子炉用ジルコニウム基合金において、全体に対するＦ
ｅの含有率と、全体に対するＮｉの含有率との和を、
０．２５重量パーセント以上０．３５重量パーセント以
下とする。沸騰水型原子炉の燃料集合体内環境を模した
炉外腐食加速実験を行うと、ＦｅとＮｉの含有率の和が
比較的小さい場合には、含有率が小さいほど一様腐食量
が増大する。すなわち、ＦｅとＮｉの含有率の和が０．
２５重量％における腐食量を基準値１とすると、Ｆｅと
Ｎｉの含有率の和が０．２４重量％では腐食量は約１．
０９、０．２２重量％では腐食量は約１．４２、０．２
０重量％では腐食量は約１．８５、０．１８重量％では
腐食量は約２．１９となる。一方、ＦｅとＮｉの含有率
の和が０．２５重量％以上になると腐食量はあまり変わ
らず、含有率が０．３０重量％で腐食量は約０．９４、
０．３５重量％でも腐食量は約１．０４である。以上の
結果に基づき、ＦｅとＮｉの含有率の和を０．２５重量
％以上０．３５重量％以下とすることにより、これらの
含有率をこの範囲以外の値とする場合よりも一様腐食量
を低減することができ、耐一様腐食性を向上することが
できる。

【００１０】（２）上記（１）において、好ましくは、
全体に対するＦｅの含有率が、０．１８重量パーセント
以上０．３０重量パーセント以下である。これにより、
Ｆｅの含有量が少なすぎることによる高温水中での耐食
性及び機械的強度の不足や、Ｆｅの含有量が多すぎるこ
とによる高温水中での耐食性及び製造工程上における加
工性の低下を確実に防止できる。

【００１１】（３）上記（１）において、また好ましく
は、全体に対するＮｉの含有率が、０．０５重量パーセ
ント以上０．１５重量パーセント以下である。これによ
り、Ｎｉの含有量が少なすぎることによる高温水中での
耐食性の不足や、Ｎｉの含有量が多すぎて水素吸収率が
増大することによる機械的強度の低下を確実に防止でき
る。

【００１２】（４）上記（１）において、また好ましく
は、全体に対するＦｅの含有率と、全体に対するＮｉの
含有率との和が、０．２５重量パーセント以上０．３０
重量パーセント以下である。これにより、ＦｅやＮｉの
含有量が少なすぎることによる高温水中での耐食性及び
機械的強度の不足や、ＦｅやＮｉの含有量が多すぎるこ
とによる水素吸収率増大や耐食性・機械的強度の低下を
確実に防止できる。さらに、高速中性子照射による核的
性質の変化の観点では、中性子吸収断面積が大きすぎる
と、照射により起こる結晶格子中の原子のはじき出しに
よって格子欠陥が造成され、これによって材料の延性が
低下したり、核変換で材料中に生じたヘリウムが高温で
結晶粒界に気泡として析出するいわゆるヘリウム脆化が
発生したりするが、ＦｅやＮｉの含有量の和の上限を
０．３０重量％とすることにより中性子吸収断面積が大
きくなりすぎるのを防止し、上記原子のはじき出しやヘ
リウム脆化等の発生を確実に防止できる。

【００１３】（５）また上記目的を達成するために、本
発明によれば、沸騰水型原子炉用燃料集合体に配置され
る燃料棒の外皮に用いられ、Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，
Ｚｒ及び不可避不純物からなる原子炉用ジルコニウム基
合金を用いて形成された燃料被覆管において、前記原子
炉用ジルコニウム基合金における、Ｆｅの含有率とＮｉ
の含有率との和を０．２５重量パーセント以上０．３５
重量パーセント以下とする。

【００１４】（６）上記（５）において、好ましくは、
外周面の平均表面粗さを０．２５μｍ以下とする。これ
により接水面積を小さくすることができ、不純物、例え
ば、構造材や配管等から溶出してくる金属イオン、イオ
ン交換樹脂等から微量溶出してくるアニオン種（ＳＯ₄
^2-，ＣｒＯ₄ ^2-等）、及び水自身が強い放射線をうけて
分解し生成する各種酸化性ラジカル成分のうち、かなり
の部分（大きさが０．２５μｍより大きいもの）の付着
を防止することができる。また、凹部において酸化性ラ
ジカル濃度が局所的に高くなるのを抑制できる。したが
って、これらによる一様腐食発生への影響を緩和するこ
とができる。

【００１５】（７）さらに上記目的を達成するために、
本発明によれば、Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ及び不
可避不純物からなるジルコニウム基合金の燃料被覆管に
核分裂性物質を充填して燃料棒を形成し、その燃料棒を
正方格子状に複数本配列して構成した燃料集合体におい
て、前記複数本の燃料棒のうち、前記正方格子状配列の
四隅位置近傍にある燃料棒は、前記燃料被覆管の前記原
子炉用ジルコニウム基合金におけるＦｅの含有率とＮｉ
の含有率との和を、０．２５重量パーセント以上０．３
５重量パーセント以下とする。

【００１６】（８）上記（７）において、好ましくは、
前記複数本の燃料棒のうち、前記正方格子状配列中の四
隅位置以外の最外周領域にある燃料棒は、前記燃料被覆
管の前記原子炉用ジルコニウム基合金におけるＦｅの含
有率とＮｉの含有率との和が、０．２５重量パーセント
以上０．３５重量パーセント以下である。これにより、
酸化性ラジカル濃度がより高く水質環境が厳しい領域に
耐一様腐食性が向上した被覆管を配置できるので、燃料
集合体全体でみた一様腐食の発生を低減できる。したが
って、燃料集合体の使用期間を伸ばすことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を図面
を参照しつつ説明する。本実施形態によるジルコニウム
基合金からなる燃料被覆管を備えた、燃料集合体の全体
構造を表す縦断面図及び横断面図をそれぞれ図２及び図
３に示す。図２及び図３において、燃料集合体２０は、
９行９列の正方格子状に配列された８４本の燃料棒５、
及びこの燃料棒５の７本分のスペースに配置された２本
のウォータロッド２からなる燃料バンドルと、この燃料
バンドルの軸方向複数箇所を位置決め支持するスペーサ
３と、燃料バンドルの上部及び下部をそれぞれ支持する
上部タイプレート１及び下部タイプレート６と、燃料バ
ンドルの周囲を取り囲み、内部に原子炉炉水を上方へ循
環させる燃料チャンネルボックス４とから構成されてい
る。

【００１８】燃料棒５の構造を表す縦断面図を図１に示
す。図１において、燃料棒５は、燃料棒５の外皮を構成
する燃料被覆管９と、この燃料被覆管９中に充填され、
核分裂性物質である二酸化ウランを含有する複数個の燃
料ペレット１０と、燃料被覆管９の上端及び下端にそれ
ぞれ設けられた上部端栓７ａ及び下部端栓７ｂと、上部
端栓７ａに溶接固定されたスプリング８とを有する。

【００１９】燃料被覆管９は、Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃ
ｒ，Ｚｒ及び不可避不純物からなる原子炉用ジルコニウ
ム基合金（ジルカロイ−２）を用いて形成されている。
そして図２及び図３に示した７４本の燃料棒５のうち、
９行９列正方格子状配列の最外周領域（四隅位置を含
む）に配置される燃料棒５ａは、図４に示すように、そ
れ以外の燃料棒５ｂと区別されている。すなわち、燃料
棒５ａは、その燃料被覆管９の構成材料として、本実施
形態による原子炉用ジルコニウム基合金（詳細構成は後
述）を用いるとともに、その外周面の表面粗さが０．２
５μｍ以下（例えば平均表面粗さ０．０５μｍ〜０．２
５μｍ）となるように形成されている。一方、他の燃料
棒５ｂは、通常の公知の原子炉用ジルコニウム基合金を
用いて構成されており、表面粗さは０．２５μｍより大
きくなっている。

【００２０】ここで、本実施形態の要部である、原子炉
用ジルコニウム基合金の構成及び製造方法について説明
する。本実施形態による原子炉用ジルコニウム基合金
は、公知のものと同様、Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ
及び不可避不純物からなるジルコニウム基合金（ジルカ
ロイ−２）であり、そのうちのＦｅ及びＮｉの含有率を
ある範囲に限定しただけのものである。すなわち、合金
全体に対するＦｅの含有率と、合金全体に対するＮｉの
含有率との和を、０．２５重量パーセント以上０．３５
重量パーセント以下としたものである。したがって、本
実施形態の合金及びこれを用いた燃料被覆管９の製造方
法は、通常の公知の原子炉用ジルコニウム基合金及びこ
れを用いた燃料被覆管の製造方法とほぼ同様の手順とな
り、例えば、図５に示すようなプロセスとなる。その詳
細を以下に説明する。

【００２１】（１）ジルコニウムスポンジの製作まずジルコニウムスポンジを、通常通りいわゆるクロー
ル法で製作する。すなわち、二酸化ジルコニウムに、カ
ーボンブラック、結合材及び水を混合した後、乾燥させ
る。そして、これを加熱炉内で６００〜８００℃に加熱
しながら四塩化ジルコニウムとし、この四塩化ジルコニ
ウムをＭｇで還元し、ジルコニウムスポンジとする。

【００２２】（２）ブリケットの製作上記の方法で製作したジルコニウムスポンジに、正確に
秤量・配合した合金元素Ｓｎ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉなどを
微量添加する。このとき、Ｆｅ及びＮｉの合金全体に対
する含有率の和が、０．２５重量％〜０．３５重量％と
なるように秤量・配合する。それぞれの添加量の例とし
ては、Ｓｎ＝１．２０〜１．７０重量％、Ｃｒ＝０．０
５〜０．１５重量％、Ｆｅ＝０．１８〜０．３０重量
％、Ｎｉ＝０．０５〜０．１５重量％等が考えられる。
特に、ＦｅとＮｉについては、上記した範囲が好まし
い。その理由は、以下のようである。一般に、合金元素
Ｆｅの添加は、高温水中での耐食性（対一様腐食）の向
上や機械的強度を高める効果があることが知られてい
る。しかしながら、添加量が多すぎると、逆に高温水中
での耐食性（対一様腐食）の低下や製造工程上の加工性
の低下を招く。したがって、これらを考慮に入れると、
Ｆｅ添加量は０．１８重量％〜０．３０重量％の範囲が
好ましい。また、合金元素Ｎｉの添加は、高温水中での
耐食性（対一様腐食）を向上させる効果があることが知
られている。しかしながらＮｉの添加は、同時に水素吸
収率を高めることとなるので、添加量が多すぎると機械
的強度を低下させる。したがって、これらを考慮に入れ
ると、Ｎｉ添加量は、０．０５重量％〜０．１５重量％
の範囲が好ましい。以上のようにして合金元素を添加し
た後、冷間プレスで圧縮・成形を行うことにより、小塊
状のブリケットを製作する。

【００２３】（３）消耗電極・インゴットの製作上記の方法で製作したブリケットを多数つなぎ合わせ、
溶接して丸棒状の消耗電極とする。そして、水冷銅るつ
ぼを用いた消耗電極式真空アーク溶接法によりこの消耗
電極の溶解が行われる。このとき、脱ガス、合金成分の
均質化、鋳肌の改善を図るため、２回以上の溶解を繰り
返し、ジルカロイインゴットを溶製する。この時点で燃
料被覆管９の合金組成が決定される。

【００２４】（４）ビレットの製作この工程は、上記の方法で製作したインゴットの金属組
織の調整を行う重要工程である。すなわちまず、熱間鍛
造を行った後、１０００℃以上のβ相領域に加熱して合
金元素をいったん固溶させてから急冷し合金元素を均一
かつ微細に分散析出させる（β焼入れ熱処理）。その
後、研削・孔あけ等の機械加工を行って仕上げ、押し出
し用の中空ビレットを形成する。

【００２５】（５）ジルカロイ素管の製作上記の方法で製作したビレットに、熱間押し出し及び真
空焼鈍等の熱処理を行う。そしてさらに、研削等の機械
加工による内外面の精整を経て、清浄な内外装面と高い
寸法精度をもつ冷間圧延用のジルカロイ素管とする。

【００２６】（６）ジルカロイ被覆管の製作上記の方法で製作したジルカロイ素管に、コールドピル
ガーミルによる冷間圧延→切断→脱脂・洗浄→真空焼き
鈍しの手順を繰り返し行った後、曲がり矯正が行われ
る。そしてさらに、管の表面及び内面に対し、砥石・極
微粒等を備えた研磨機を用いた機械的研磨（あるいは酸
洗方式による化学研磨、溶液に浸漬しての前酸化処理、
電解研磨法等を行う場合もある）を施し、これらの面を
滑らかに仕上げる。その後、脱脂・洗浄が再び行われ
る。これらの手順を経て、管の表面・内面の微小な傷を
完全に取り除き、高い寸法精度が確保されて、ジルカロ
イ燃料被覆管９が完成する。

【００２７】次に、本実施形態の作用効果を図６及び図
７により説明する。（Ｉ）ＦｅとＮｉの含有率調整による合金・燃料被覆管
の一様腐食低減作用本発明は、ジルコニウム合金等における、全体に対する
ＦｅとＮｉの含有率の和を調整することにより、対一様
腐食性を向上するものである。本願発明者等は、Ｆｅと
Ｎｉの含有率の和と一様腐食との関係を検討し、図６に
示す結果を得た。この図６は、ＦｅとＮｉの含有率の和
が異なる（０．１８重量％〜０．３５重量％）７種類の
合金で図２、図３及び図１に示した燃料棒５の燃料被覆
管９とほぼ同径の短い円筒状試験片をそれぞれ製作し、
これら７つの試験片を、初装荷炉心の燃料集合体内に近
い条件を想定した５２０℃かつ１０５ｋｇ／ｃｍ²の蒸
留水蒸気中に２４時間配置し、炉外腐食加速試験を行っ
た結果を示したものである。なお、縦軸は一様腐食量を
示しているが、ＦｅとＮｉの含有率の和が０．２５重量
％のときの腐食量を１．０とした相対値で表している。

【００２８】図６において、ＦｅとＮｉの含有率の和が
比較的小さい場合には、含有率が小さいほど一様腐食量
が増大する。すなわち、ＦｅとＮｉの含有率の和が０．
２４重量％では腐食量は約１．０９、０．２２重量％で
は腐食量は約１．４２、０．２０重量％では腐食量は約
１．８５、０．１８重量％では腐食量は約２．１９とな
る。一方、ＦｅとＮｉの含有率の和が０．２５重量％以
上になると腐食量はあまり変わらず、含有率が０．３０
重量％で腐食量は約０．９４、０．３５重量％でも腐食
量は約１．０４である。以上の結果に基づき、ＦｅとＮ
ｉの含有率の和を０．２５重量％以上０．３５重量％以
下とすることにより、これらの含有率をこの範囲以外の
値とする場合よりも一様腐食量を低減することができる
ことがわかる。

【００２９】本実施形態による原子炉用ジルコニウム基
合金及びこれを用いた燃料棒５ａの燃料被覆管９は、上
記した（２）ブリケット製作手順において、ＦｅとＮｉ
の含有率の和が０．２５重量％以上０．３５重量％以下
となるように配合されている。したがって、一様腐食量
を低減し、耐一様腐食性を向上することができる。また
このとき、このような含有率の範囲の限定を行うだけ
で、熱処理については上記（１）〜（６）の中で説明し
たような従来通りの熱処理方法を行えば足り、既設の熱
処理設備で熱処理を行うことができる。したがって、限
定された特定の熱処理を必要とする場合に比べ、低コス
ト化を図ることができる。

【００３０】なお、さらに好ましくは、Ｆｅ及びＮｉ濃
度の和は重量で０．２５％から０．３０％の範囲がよ
い。これは、以下の２つの理由による。ＦｅやＮｉの含有量が少なすぎることによる高温水中
での耐食性及び機械的強度の不足や、ＦｅやＮｉの含有
量が多すぎることによる水素吸収率増大や耐食性・機械
的強度の低下を確実に防止できる。高速中性子照射による核的性質の変化の観点では、中
性子吸収断面積が大きすぎると、照射により起こる結晶
格子中の原子のはじき出しによって格子欠陥が造成さ
れ、これによって材料の延性が低下したり、核変換で材
料中に生じたヘリウムが高温で結晶粒界に気泡として析
出（＝ヘリウム脆化）したりするが、ＦｅやＮｉの含有
量の和の上限を０．３０重量％とすることにより、中性
子吸収断面積が大きくなりすぎるのを防止し、上記原子
のはじき出しやヘリウム脆化等の発生を確実に防止でき
る。

【００３１】（II）燃料被覆管の表面粗さ低減による一
様腐食緩和作用既に前述したように、ジルコニウム基合金の一様腐食に
影響すると考えられる炉水中の不純物としては、金属イ
オン、アニオン種、及び酸化性ラジカル成分等がある。
これらは、炉水中を流れてきた後に燃料被覆管９の外周
面に付着し、被覆管を酸化する反応を行う。これによっ
て腐食が引き起こされる。そこで、燃料棒５ａに備えら
れる本実施形態の燃料被覆管９においては、その外周面
の表面粗さが０．２５μｍ以下となるように形成する。
これにより接水面積を小さくすることができ、不純物の
うちかなりの部分（大きさが０．２５μｍより大きいも
の）の付着を防止することができる。また一方、燃料被
覆管９の表面に凸凹があると、その凹部では、水の放射
線分解で生成した酸化性ラジカルの濃度が局部的に高く
なり、これにより腐食環境が厳しくなって腐食が促進さ
れやすい。したがって、燃料被覆管９の表面粗さを０．
２５μｍ以下の平滑にすることにより、この酸化性ラジ
カルの局所的濃度上昇をある程度抑制し、腐食促進を防
止する作用もある。以上２つにより、一様腐食発生への
影響を緩和することができる。

【００３２】（III）燃料棒５ａの配置位置による燃料
集合体の寿命延長作用上記（II）でも説明したように、ジルコニウム基合金の
一様腐食に影響すると考えられる炉水中の不純物の１つ
として酸化性ラジカル成分があるが、燃料集合体内にお
いて、この酸化性ラジカルの濃度がある分布をもつこと
が知られている（例えばJournal of Nu-clear Mater
ials，vol.130(1985),p.45）。本願発明者等は、主要な
酸化性ラジカルであるＯ₂ ^-の、図３の構造とほぼ同様の
燃料集合体内における濃度分布を、この公知技術に示さ
れた数値計算に基づき求めた。その結果を図７に示す。

【００３３】図７は、燃料集合体の９行９列格子状配列
の四隅位置（破線）、四隅位置以外の最外周領域（点
線）、中心側領域（３点鎖線）の３つについて、Ｏ₂ ^-濃
度を求めた結果を比較して示したものである。なお、横
軸には、燃料集合体下部（チャンネルボックス４下端）
からの距離をとって示している。この図７において、３
つの曲線はいずれも概ね傾向は同一である。すなわち、
下部タイプレート６に流入直後から急激にＯ₂ ^-濃度は上
昇し、炉水が沸騰を開始する位置付近（対応する燃料棒
５の軸方向真ん中やや下方付近）でピークを迎える。そ
してＯ₂ ^-濃度は急激に減少するが、ある値まで下がった
以降はほとんど濃度は下がらずほぼ一定となり、チャン
ネルボックス４の上端に至る。しかしながら、これら３
つの曲線を互いに比較してみると、図示されるように、
四隅位置、最外周領域、内側領域の順でＯ₂ ^-濃度が高
く、特に四隅位置は突出してＯ₂ ^-濃度が高いことがわか
る。

【００３４】ここで、本実施形態による燃料集合体２０
は、図４に示したように、最外周領域（四隅位置を含
む）に配置される燃料棒５ａに、本実施形態による原子
炉用ジルコニウム基合金による燃料被覆管９を用いてい
る。すなわちこれらの燃料被覆管９は、ＦｅとＮｉの含
有率の和が０．２５重量％以上０．３５重量％以下であ
る合金を用い、かつ外周面の表面粗さが０．２５μｍ以
下となっており、これにより上記（Ｉ）（II）で説明し
た原理によって一様腐食が低減されるようになってい
る。したがって、Ｏ₂ ^-濃度がより高く水質環境が厳しい
領域に、耐一様腐食性が向上した燃料被覆管９が配置さ
れていることとなるので、燃料集合体２０全体でみた一
様腐食の発生を低減できる。したがって、燃料集合体２
０の使用期間を伸ばすことができる。

【００３５】なお、上記実施形態の燃料集合体２０は、
特にどのような炉心に用いられるかは限定しなかった
が、新設プラントの初装荷炉心に備えられる燃料集合体
として用いる場合に特に有効である。これは、以下の理
由による。すなわち、新設プラントでは起動試験におい
て出力を高低させるが、酸化性ラジカルは低温時には消
失しにくい性質を有するため、低出力時に酸化性ラジカ
ル濃度が上昇する傾向となる。また新設プラントでは構
造材の表面に酸化皮膜が十分に形成されていないため、
この構造材から金属イオン等の不純物が溶出しやすい。
したがって、耐一様腐食性が向上された燃料被覆管９を
含み長期間の使用が可能である本実施形態の燃料集合体
２０を、初装荷炉心の燃料集合体として用いることによ
り、その効果を有効に発揮することができる。

【００３６】また、上記実施形態における燃料被覆管９
は、使用する合金の成分を変化させたものであり、図１
に示すように構造自体は従来タイプと同様であった。し
かしながら、近年、原子炉の大幅な出力変動にも燃料が
耐えられるように、従来の被覆管の内面に軟らかい純ジ
ルコニウムを内張りした構造のライナ被覆管が提唱され
ている。本実施形態の合金は、このライナ被覆管の従来
被覆管部分の材料としても使用でき、この場合も同様の
効果を得る。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、ＦｅとＮｉの含有率の
和を０．２５重量％以上０．３５重量％以下とするの
で、一様腐食量を低減することができる。したがって、
燃料のさらなる高燃焼度化や長期サイクル運転への対応
が可能となり、さらにプラントの経済向上にも効果があ
る。またこのとき、このような含有率の範囲の限定を行
うことで、熱処理については従来通りの方法を行えば足
りるので、既設の熱処理設備で熱処理を行うことができ
る。したがって、限定された特定の熱処理を必要とする
場合に比べ、低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によるジルコニウム基合金
の適用対象である燃料被覆管を備えた、燃料棒の構造を
表す縦断面図である。

【図２】図１に示した燃料棒を備えた燃料集合体の全体
構造を表す縦断面図である。

【図３】図２に示した燃料集合体の横断面である。

【図４】図３において、本発明の実施形態が適用された
燃料棒と他の燃料棒とを区別して示す図である。

【図５】本発明の実施形態によるジルコニウム基合金及
び燃料被覆管の製造方法プロセスを説明する図である。

【図６】ＦｅとＮｉの含有率の和と一様腐食との関係を
示す図である。

【図７】図３の構造とほぼ同様の燃料集合体内における
Ｏ₂ ^-の濃度分布を示す図である。

【符号の説明】

５ａ，ｂ燃料棒９燃料被覆管２０燃料集合体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者遠藤正男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電力・電機開発本部内 (72)発明者西野由高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電力・電機開発本部内 (72)発明者安田隆芳茨城県日立市幸町三丁目２番２号日立ニュークリアエンジニアリング株式会社内 (72)発明者伊東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)発明者会沢元浩茨城県日立市幸町三丁目２番１号日立エンジニアリング株式会社内 (72)発明者高瀬磐雄茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ及び不可避
不純物から構成される原子炉用ジルコニウム基合金にお
いて、全体に対するＦｅの含有率と、全体に対するＮｉの含有
率との和を、０．２５重量パーセント以上０．３５重量
パーセント以下としたことを特徴とする原子炉用ジルコ
ニウム基合金。
【請求項２】請求項１記載の原子炉用ジルコニウム基合
金において、全体に対するＦｅの含有率が、０．１８重
量パーセント以上０．３０重量パーセント以下であるこ
とを特徴とする原子炉用ジルコニウム基合金。
【請求項３】請求項１記載の原子炉用ジルコニウム基合
金において、全体に対するＮｉの含有率が、０．０５重
量パーセント以上０．１５重量パーセント以下であるこ
とを特徴とする原子炉用ジルコニウム基合金。
【請求項４】請求項１記載の原子炉用ジルコニウム基合
金において、全体に対するＦｅの含有率と、全体に対す
るＮｉの含有率との和が、０．２５重量パーセント以上
０．３０重量パーセント以下であることを特徴とする原
子炉用ジルコニウム基合金。
【請求項５】沸騰水型原子炉用燃料集合体に配置される
燃料棒の外皮に用いられ、Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚ
ｒ及び不可避不純物からなる原子炉用ジルコニウム基合
金を用いて形成された燃料被覆管において、前記原子炉用ジルコニウム基合金における、Ｆｅの含有
率とＮｉの含有率との和を０．２５重量パーセント以上
０．３５重量パーセント以下としたことを特徴とする燃
料被覆管。
【請求項６】請求項５記載の燃料被覆管において、外周
面の平均表面粗さを０．２５μｍ以下としたことを特徴
とする燃料被覆管。
【請求項７】Ｓｎ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｚｒ及び不可避
不純物からなるジルコニウム基合金の燃料被覆管に核分
裂性物質を充填して燃料棒を形成し、その燃料棒を正方
格子状に複数本配列して構成した燃料集合体において、前記複数本の燃料棒のうち、前記正方格子状配列の四隅
位置近傍にある燃料棒は、前記燃料被覆管の前記原子炉
用ジルコニウム基合金におけるＦｅの含有率とＮｉの含
有率との和が、０．２５重量パーセント以上０．３５重
量パーセント以下であることを特徴とする燃料集合体。
【請求項８】請求項７記載の燃料集合体において、前記
複数本の燃料棒のうち、前記正方格子状配列中の四隅位
置以外の最外周領域にある燃料棒は、前記燃料被覆管の
前記原子炉用ジルコニウム基合金におけるＦｅの含有率
とＮｉの含有率との和が、０．２５重量パーセント以上
０．３５重量パーセント以下であることを特徴とする燃
料集合体。