JPH11295460A - 複合部材及びそれを用いた燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、純ガドリニウムの諸特性を改
善したジルコニウム−ガドリニウム合金を中性子吸収材
として用いることにより、燃料棒内部に中性子吸収材又
は可燃性毒物を混入することなく余剰反応を適切に抑制
することのできる複合部とそれを用いた燃料集合体，被
覆管，スペーサ，ウォータロッド，チャンネルボックス
及び制御棒を提供することである。 【解決手段】本発明は、被覆管，スペーサ，ウォータロ
ッド，チャンネルボックス及び制御棒の少なくとも１つ
がガドリニウム含有量が２０％以上であるジルコニウム
−ガドリニウム合金が内包された前記合金より耐食性の
高いジルコニウム基合金よりなる複合部材からなる燃料
集合体にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は新規な合金とその複
合部材及びそれを用いた原子力プラント用の燃料集合体
に係り、特に出力ピーキングを抑制して核熱的制約を軽
減し、核燃料の経済性の向上を目的として配置される複
合部材とその用途に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉においては、一定の運転期間の運
転が可能になるようにあらかじめ炉心には余剰反応度を
有する設計としている。この余剰反応度を抑制するため
には、燃料棒内部に、ガドリニアに代表される可燃性毒
物（ＢＰ）を混入する設計としている。ＭＯＸを用いた
原子炉炉心においても、燃料自身に可燃性毒物を混入し
た燃料棒を複数本利用することによって、余剰反応度の
抑制に供している。

【０００３】一般に、中性子吸収断面積は中性子エネル
ギーに対して１／ｖ依存性を有しており、エネルギーの
低い中性子ほどよく吸収される傾向がある。そのため可
燃性毒物の中性子吸収量は、中性子エネルギースペクト
ルが柔らかい、つまり熱中性子の多い体系ほど多くな
る。従って、可燃性毒物の反応度抑制効果は、ＭＯＸを
用いた原子炉炉心においては小さくなり、ウラン炉心と
同等の反応度抑制効果を得ようとすれば、可燃性毒物を
混入した燃料棒の使用本数を増加させねばならない。こ
のことに対しては、公知例・特開昭60−146185号に示さ
れる技術は、燃料集合体内部において、水ギャップに近
い燃料集合体外周部分が熱中性子量が多く、中性子スペ
クトルが柔らかいことに着目し、この領域にガドリニア
入り燃料棒を配置することで、ガドリニアの反応度価値
を高めて、使用するガドリニア本数を減少し、燃料集合
体のプルトニウムインベントリの増加、及び使用ペレッ
ト種類の低減を図るものである。しかしながら、この方
法では、燃料集合体内部の燃料内に存在する可燃性毒物
を全くなくすることはできず、プルトニウムインベント
リを増加させるという観点からは、不十分であった。

【０００４】また、特開昭59−72087 号に示される技術
には、燃料集合体の燃料チャンネルボックス外周に反応
度制御部材を着脱自在に取付けることにより、燃料ペレ
ットに可燃性毒物を添加したり、ウラン濃縮度の調節を
不要にすることができる。この場合の反応度制御部材
は、不錆鋼，ジルコニウム合金などの中性子吸収材，ガ
ドリニウム，銀，インジウム，ホウ素，カドミウム，ハ
フニウム等の可燃性毒物を単体または化合物の形で不錆
鋼中に分散もしくはそのまま不錆鋼で被覆したもの、ベ
リリウム等の反射材を不錆鋼で被覆したもの等の他、前
途の中性子毒物，反射材，天然，劣化ウランなどを不錆
鋼でサンドイッチ状に挾み圧延する。

【０００５】Coextrusion加工を施したものが使用され
る。しかしながら、この方法では、チャンネルボックス
と反応度制御部材との間に隙間が生じ、隙間腐食やガル
バニック腐食が生じやすくなる。さらに、反応度制御部
材が直接炉水に接してしまうため、反応度制御部材自体
の腐食も問題になる。

【０００６】また、前記問題に対して、特開平6−34209
1 号に示された技術が提案されている。該技術は、燃料
体の中央に配置される減速材棒（ウォータロッド）を外
管と内管の二重管とし、該内外管の間に可燃性毒物を充
填したものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】先に述べたとおり、原
子炉燃料には初期の余剰反応度を抑制するために可燃性
毒物を混入している。

【０００８】ウランとプルトニウムの吸収断面積の中性
子エネルギーに対する依存性を比較すると、図１のよう
にプルトニウムの方が中性子吸収が多い。このため、プ
ルトニウムを軽水炉で用いる場合には、制御棒材質や可
燃性毒物といった反応度抑制物質が吸収する熱中性子量
が減少し、ＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心では制御棒
価値や可燃性毒物の反応度価値が低下する。そのため、
ＭＯＸ燃料集合体を装荷した炉心では、使用する可燃性
毒物を含んだ燃料棒の本数を多くする必要が生じてい
た。このことは、燃料集合体１体あたりのプルトニウム
インベントリが減少することを意味し、同量のプルトニ
ウムを消費するために製造する燃料集合体数が増加する
結果となる。これは、燃料製造費や燃料輸送費の上昇を
招く。前記特開昭59−72087 号の技術では、チャンネル
ボックスと反応度制御部材との間に間隙が生じ、隙間腐
食やガルバニック腐食が生じやすくなる。さらに、反応
度制御部材が直接炉水に接してしまうために、反応度制
御部材自体の腐食も問題になる。

【０００９】また、原子炉燃料は、その健全性を維持す
るために、局所ピーキング係数を燃料寿命中にわたって
適切な値を保ち、熱的な運転制限域を守るように設計し
なければならない。一般に、沸騰水型原子炉燃料では、
燃料集合体の外周部、つまり水ギャップに近いところで
は熱中性子束が相対的に高くなり、外周部の燃料棒の出
力が高くなる傾向がある。そのため、燃料集合体外周部
に配置された燃料棒の局所ピーキング係数を低く抑える
ために、ペレットの濃縮度・富化度種類を増やして設計
する必要が生じている。ＭＯＸ燃料の製造に当たって
は、燃料ペレットの成形加工を完全密封容器内で行うた
めに、プルトニウム富化度を変える際のグローブボック
スの洗浄は、ウランの場合に比べると時間がかかり、製
造時の稼働率低下が大きい。そのため、富化度種類が増
えれば、クリーンアップ回数が増加し、燃料成形加工費
の上昇につながるという問題点がある。前記特開平6−3
42091号に示された技術では、燃料体の中央部に可燃性
毒物が配置されていることから、熱中性子束が比較的高
い外周部の燃料棒の出力ピーキングを低く抑えるには不
十分である。

【００１０】ガドリニウムは非常に活性な金属であり、
特に高温水中では著しく腐食するため、反応度制御部材
として使用するためには、ジルコニウム基合金／ガドリ
ニウム／ジルコニウム基合金のサンドウイッチ構造の複
合材とすることにより完全に密封して使用する必要があ
る。しかし、純ガドリニウムをジルコニウム基合金中に
配置した場合、両材料の熱膨張係数の差に起因して接合
界面で熱応力が発生して界面剥離などが生じる可能性が
ある。また、ガドリニウムはジルコニウム基合金に比べ
て、機械的強度が劣るため、該複合材の機械的強度が低
下する。

【００１１】さらに、ガドリニウムはジルコニウム基合
金に比べて室温での延性が小さいため、成形加工しづら
いという問題点がある。このような両材料特性の差に起
因した問題を最小限にし、さらに製造性の観点から、ガ
ドリニウムにジルコニウムを適正量添加した合金として
使用する必要がある。さらに、ジルコニウム含有ガドリ
ニウム基合金板材の適切な製造方法を確立する必要があ
る。

【００１２】本発明の目的は、純ガドリニウムの諸特性
を改善したジルコニウム−ガドリニウム合金を中性子吸
収材として用いることにより、燃料棒内部に中性子吸収
材又は可燃性毒物を混入することなく余剰反応を適切に
抑制することのできる複合部とそれを用いた燃料集合
体，被覆管，スペーサ，ウォータロッド，チャンネルボ
ックス及び制御棒を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガドリニウム
２０重量％以上であるジルコニウム−ガドリニウム合金
が該合金より耐食性の高いジルコニウム基合金によって
被われていることを特徴とする複合部材にある。

【００１４】本発明は、ガドリニウム２０〜９９重量％
を有するジルコニウム−ガドリニウム合金が内包された
前記合金より耐食性の高いジルコニウム基合金よりなる
ことを特徴とする複合部材にある。

【００１５】本発明は、２８８℃での引張強さが９２Ｍ
Ｐａ以上又は室温の引張強さが200ＭＰａ以上であるこ
とを特徴とするジルコニウム−ガドリニウム合金が該合
金より耐食性の高いジルコニウム基合金によって被われ
ていることを特徴とする複合部材にある。

【００１６】本発明は、室温から３００℃までの平均熱
膨張係数が０.１６〜０.１８％であるジルコニウム−ガ
ドリニウム合金が該合金より耐食性の高いジルコニウム
基合金によって被われていることを特徴とする複合部材
にある。

【００１７】本発明は、合金製被覆管内に核燃料が装荷
される複数本の燃料棒と、該燃料棒を所望の位置に配置
するスペーサと、該配置された燃料棒をその上端と下端
で支持する上部タイプレート及び下部タイプレートと、
前記スペーサ内に配置されたウォータロッドとを一体に
集合させその外周を被う合金製チャンネルボックスとを
備える燃料集合体において、前記被覆管，スペーサ，ウ
ォータロッド及びチャンネルボックスの少なくとも１つ
がガドリニウム含有量が８５重量％以下であるジルコニ
ウム−ガドリニウム合金が内包された前記合金より耐食
性の高いジルコニウム基合金よりなる複合部材によって
構成されることを特徴とする。

【００１８】本発明は、ジルコニウム−ガドリニウム合
金が内包された前記合金より耐食性の高いジルコニウム
基合金よりなる複合部材によって構成されていることを
特徴とする原子炉用燃料被覆管原子炉用スペーサ，原子
炉用ウォータロッド，チャンネルボックス及び制御の少
なくとも１つからなる。

【００１９】本発明はジルコニウム粒子が分散している
ことを特徴とするガドリニウム基合金板にある。

【００２０】熱間鍛造後の不活性ガスまたは真空中で６
００〜９００℃の温度での焼きなましを省略できる。

【００２１】熱間圧延，焼きなまし後の１０％前後の低
圧延率での冷間圧延およびその後の焼きなましを省略で
きる。

【００２２】熱間鍛造，焼きなまし以後、あるいは熱間
圧延，焼きなまし以後の製造工程を省略し、直接、切断
することにより所望の厚さにすることができる。

【００２３】燃料チャンネルボックスの製造工程中で、
少なくとも一度はジルコニウムβ相温度領域からの焼き
入れを行うことが好ましい。

【００２４】即ち、原子炉では、ウラン２３５に代表さ
れる核分裂性物質を燃料棒内に封入し、燃焼させること
によって、エネルギーを利用している。

【００２５】この燃料棒中に封入される核燃料物質は天
然ウランを濃縮して得られる濃縮ウランが一般に用いら
れている。この濃縮ウランは、二酸化ウラン焼結の状態
で燃料ペレットに成型・焼結され、正方格子形状に配列
された燃料被覆管の中に収めて利用される。

【００２６】一方、近年ウラン資源の有効利用という観
点から、軽水炉から取り出された使用済みウラン燃料中
のプルトニウムを再び軽水炉へリサイクルするプルサー
マル計画が進められている。これは、ウラン燃料集合体
のウラン燃料棒の一部あるいは大部分をプルトニウムを
富化した混合酸化物（Mixed Oxide ）燃料棒で置き換え
たＭＯＸ燃料集合体を燃料として軽水炉に装荷して使用
するものである。この時、このＭＯＸ燃料体の特性はウ
ラン燃料に近い方が望ましい。また、ウラン燃料設計は
高燃焼度化の方向にあり、これに伴いＭＯＸ燃料設計も
高富化度化、すなわち１体当たりのプルトニウム装荷量
をできるだけ大きくすることが望ましい。しかし、ＭＯ
Ｘ燃料集合体においてプルトニウムの装荷割合を増加さ
せた場合、ウランとプルトニウムの核特性の違いにより
炉心特性上ウラン炉心との差異を生じる。すなわち、核
分裂性物質であるＰｕ−２３９，Ｐｕ−２４１の熱中性
子吸収断面積がＵ−２３５より大きいことや、Ｐｕ−２
４０による中性子共鳴吸収が大きいことなどによって、
ＭＯＸ燃料の中性子束スペクトルがウラン燃料の中性子
スペクトルよりも硬くなり、中性子減速効果が低下して
しまう。

【００２７】本発明は、このような問題に鑑みて、ＭＯ
Ｘ燃料集合体の燃料ペレット内部に中性子吸収材または
可燃性毒物を混入することなく、余剰反応度を適切に抑
制する方法として、チャンネルボックスや燃料棒等のジ
ルコニウム基合金からなる燃料部材中に可燃性毒物を配
置する方法が好ましいと考えた。特に、燃料集合体外周
部のピーキングを抑制するためには、チャンネルボック
スに該可燃性毒物を配置することが好ましく、可燃性毒
物としては原子炉運転初期時の反応度制御効果が最も大
きいガドリニウムが好ましいと考えた。

【００２８】複合部材のベースとなるジルコニウム基合
金の結晶粒は７０〜５００μｍが好ましく、特に１００
〜５００μｍが好ましい。

【００２９】ジルコニウム基合金として、Ｓｎ５重量％
以下及び又はＮｂ５重量％以下、及び残部９０重量％以
上（好ましくは９５〜９８.５ 重量％）のＺｒを有する
ジルコニウム基合金が好ましい。Ｓｎ及びＮｂはＺｒの
強度を高めるに必要なもので、前者が３％，後者が５％
以下必要である。下限として、各々０.１ ％が好まし
い。ジルカロイ系合金として、Ｓｎは１〜２％が好まし
く、特に１.２〜１.７％が好ましい。この合金にはＦｅ
０.５％以下，Ｃｒ０.５％以下、又はこれにＮｉ０.２
％以下を含むことができ、特にＦｅ０.１〜０.３８％，
Ｃｒ０.０５〜0.15％，Ｎｉ０.０３〜０.２５％を含む
もの、Ｆｅ０.２２〜０.３８％，Ｃｒ0.05〜０.１５ ％
及びＮｉ０.０９〜０.１５％を含むもの、これらのジル
コニウム基合金の（Ｆｅ／Ｎｉ）比は１.３ 〜１０が好
ましい。

【００３０】Ｎｂを含む合金として、Ｚｒ−０.５ 〜２
％Ｎｂ，Ｚｒ−２〜５％Ｓｎ−0.5〜１.５％Ｎｂ−０.
５〜１.５％Ｍｏ，Ｚｒ−０.５〜０.１５％Ｓｎ−０.５
〜１.５％Ｎｂ−０.１〜１.０％Ｆｅ，Ｚｒ−０.５〜
５.０％Ｎｂ−０〜３.０％Ｓｎ−２％以下のＦｅ，Ｎ
ｉ，Ｃｒ，Ｔａ，Ｐｄ，Ｍｏ，Ｗの１種又は２種以上含
む合金を用いるのが好ましい。

【００３１】ガドリニウム基合金は０.０５〜０.５％好
ましくは０.２５ｗｔ％ 以下の酸素を含んでおり、製造
に当っては真空溶解される。

【００３２】本発明は、被覆管内に核燃料が装荷される
複数本の燃料棒と、該燃料棒を所望の位置に配置するス
ペーサと、該配置された燃料棒をその上端と下端で支持
する上部タイプレート及び下部タイプレートと、前記ス
ペーサ内に配置されたウォータロッドとを一体に集合さ
せその外周を被うチャンネルボックスとを備える燃料集
合体において、前記チャンネルボックスは周方向に複数
個の短冊状ジルコニウム−ガドリニウム合金が内包され
た前記合金より耐食性の高いジルコニウム基合金よりな
る複合部材よりなり、前記ジルコニウム−ガドリニウム
合金は前記チャンネルボックスの中央部に全長の９０％
以上にわたって配置されていることを特徴とする燃料集
合体にある。

【００３３】チャンネルボックスの長手方向に、特定の
合金からなる可燃性毒物や中性子吸収材を配置させるこ
との機能は次のとおりである。

【００３４】沸騰水型原子炉では、原子炉炉心内部でそ
の冷却水が沸騰しながら原子炉炉心下部から上部に向か
って流れているために、原子炉炉心軸方向に水蒸気泡
（ボイド）が分布しており、しかも、このボイドの量
は、炉心上部に向かうにつれて増加する傾向にある。軽
水減速型原子炉では、減速材（水）の密度が核分裂反応
を制御しており、減速材密度が大きいほど核分裂反応が
促進するように設計されている。したがって、炉心軸方
向の出力分布を考えた場合、ボイドの少ない炉心下部の
方が、ボイドの多い炉心上部よりも出力が大きくなる傾
向がある。これに対しては、チャネルボックス内に存在
する中性子吸収材や可燃性毒物の量を、軸方向で反応度
の大きい下部領域で多く、上部領域に行くに従って少な
くなるように分布させることで、効果的に対応できるよ
うになる。

【００３５】更に、軸方向上部領域は、ボイド率が高い
ために中性子スペクトルも硬くなっているために、可燃
性毒物や中性子吸収材の減損も下部領域に比べて遅くな
る傾向があり、可燃性毒物，中性子吸収材を軸方向に分
布させることで、軸方向での減損が均等に進行する。

【００３６】更にまた、本発明においては、可燃性毒物
をチャンネルボックス内に埋設したことによって、該可
燃性毒物が直接炉水に接することがなくなったことで、
可燃性毒物自体腐食及びチャンネルボックスと可燃性毒
物との間の隙間腐食やガルバニック腐食が生じなくな
る。

【００３７】更にまた、本発明は、チャンネルボックス
を形成する前段の製造行程の素材板の状態で、該素材板
の内部に可燃性毒物を埋設させたので、外部に可燃性毒
物が露出しないすっきりとしたチャンネルボックスを構
成できると共に、本発明のチャンネルボックスの製造方
法を採用することによって、可燃性毒物を埋設したチャ
ンネルボックスが容易に製造でき、かつ、チャンネルボ
ックスの素材板間の剥離等の現象をなくすることができ
る。

【００３８】

【発明の実施の形態】本実施例におけるジルコニウム−
ガドリニウム合金の製造方法を図１に示す。不活性ガス
または真空中で消耗電極式のアーク溶解によりインゴッ
トを作製し、熱間鍛造性試験結果より変形抵抗が急激に
低下し始める８００℃以上１１００℃以下の温度で熱間
鍛造し、その後、不活性ガスまたは真空中で６００℃〜
９００℃の再結晶温度で２時間焼きなました後、８００
℃以上１１００℃以下の温度で熱間圧延および不活性ガ
スまたは真空中で６００〜９００℃の再結晶温度で２時
間の焼きなましを適宜繰り返し、その後、１０％前後の
低圧延率での冷間圧延を施した後、不活性ガスまたは真
空中で６００℃〜９００℃の再結晶温度で２時間焼きな
まし、それ以後は２０〜３０％位の圧延率での冷間圧延
および不活性ガスまたは真空中で６００℃〜９００℃の
再結晶温度で２時間の焼きなましを適宜繰り返し、所望
の厚さの板材にした。但し、熱間鍛造後の焼きなまし、
低圧延率での冷間圧延は必要に応じ省略できる。さら
に、焼きなまし温度は、前工程の圧延率により再結晶温
度が変化するため、６００℃〜９００℃の間で変化させ
た。また、熱間鍛造，熱間圧延及び冷間圧延が困難もし
くは不必要な場合には、アーク溶解，焼なまし後，熱間
鍛造，焼きなまし後あるいは熱間圧延，焼きなまし後の
製造工程を省略し、放電加工などにより所望の厚さの板
材にスライスすることも可能である。

【００３９】ジルコニウム−ガドリニウム合金における
諸特性とガドリニウム濃度の関係を検討した。ジルコニ
ウム−ガドリニウム合金は共晶合金で、ほとんど固溶量
を持たないもので、Ｇｄが多いものはＧｄ中にＺｒ粒子
が分散した組織を有する。

【００４０】図３は、核設計上から前述した反応度制御
に必要なガドリニウム濃度と板厚との関係を示す線図で
ある。チャンネルボックス一体当たりのガドリニウム量
は一定であり、純ガドリニウム板（幅：３４mm，長さ：
チャンネルボックス全長）をチャンネルボックスに配置
した場合、板厚を０.９３mm以上にする必要がある。こ
れを基準にして、ジルコニウム含有ガドリニウム基合金
板のガドリニウム濃度に対する板厚を計算した結果が図
３である。なお、板厚０.９３mm のガドリニウム板中に
含まれるガドリニウム原子と同数のガドリニウム原子を
含有するという条件で計算した。これにより、現用チャ
ンネルボックスの最大肉厚が約３mmであることから、ガ
ドリニウム濃度が３４ｗｔ％付近が限界値である。

【００４１】製造性の観点からジルコニウム基合金板と
ジルコニウム含有ガドリニウム基合金板を熱間圧延によ
り複合化する際、ジルコニウム基合金板とジルコニウム
−ガドリニウム合金板が均一に減肉することが望まし
い。

【００４２】図４は、熱間鍛造性試験で求めた各ガドリ
ニウム濃度のジルコニウム含有ガドリニウム基合金の各
鍛造温度における変形抵抗を測定した結果である。これ
により、ジルコニウム含有ガドリニウム基合金における
ガドリニウム濃度が５０〜８０ｗｔ％の場合は、全鍛造
温度域において、割れも発生せず、現用のジルコニウム
基合金と同等以上の熱間鍛造性を有していることがわか
る。さらに、熱間鍛造温度が８５０℃以上１１００℃以
下の場合には、これらの組成のジルコニウム含有ガドリ
ニウム基合金と現用のジルコニウム基合金との変形抵抗
はほぼ一致しており、この温度範囲で熱間鍛造及び熱間
圧延を行うことが望ましい。

【００４３】図５は最終製造工程でジルコニウムβ相温
度領域から焼き入れを施し、６００℃での焼きなましを
行った各ジルコニウム含有ガドリニウム基合金の室温で
の引張試験結果である。これにより、純ガドリニウムに
比べて、ジルコニウム含有ガドリニウム基合金とした方
が強度や延性といった機械的特性が改善されていること
がわかる。さらに、ガドリニウム濃度が５０〜８０ｗｔ
％の場合は、現用のジルカロイ４のジルコニウム基合金
とほぼ同程度の延性を示すことから、現用のジルコニウ
ム基合金とほぼ同程度の冷間加工性を有すると言える。
焼入れによってＺｒは結晶方位がランダムになる。Ｇｄ
は変態点が１２３５℃と高いので、焼入れによっては組
織は変らず、α相のままである。ランダムの度合は後述
と同様の配向度を持つのが好ましい。

【００４４】また、図６に、ジルコニウムβ相温度領域
から焼き入れし、６００℃での焼きなましを行った複合
材（厚さ１２０mil ）の２８８℃におけるジルコニウム
−ガドリニウム合金のガドリニウム濃度と複合材の強度
との関係を示す。これにより、ジルコニウム−ガドリニ
ウム合金におけるガドリニウム濃度が約７０ｗｔ％以下
の場合は、ジルコニウム含有ガドリニウム基合金をジル
コニウム基合金中に係合配置した複合材の機械的強度
は、現用のジルカロイ４のジルコニウム基合金板と同程
度以上の強度を示すことがわかる。

【００４５】ところで、炉内滞在中、該複合材の接合界
面近傍では、ジルコニウム基合金板とジルコニウム含有
ガドリニウム基合金材との熱膨張差に起因する熱応力が
発生する。図７に室温から３００℃におけるジルコニウ
ムβ相温度領域から焼き入れした各ジルコニウム含有ガ
ドリニウム基合金の平均線膨張率を測定した結果を示
す。

【００４６】図に示すように、現用のジルカロイ４のジ
ルコニウム基合金の０.１６％ に対して０.１６〜０.１
８％範囲内でのＧｄ量は２０〜９９％であることが分
る。そのときの平均熱膨脹係数は６.２〜６.６×１０^-7
／℃である。

【００４７】図８に、２８８℃におけるジルコニウム含
有ガドリニウム基合金をジルコニウム基合金中に係合配
置した複合材（厚さ：１２０mil ）中の発生応力とジル
コニウム含有ガドリニウム基合金におけるガドリニウム
濃度との関係を示す。なお、熱膨張の大小関係よりジル
コニウム基合金側には引張応力、ジルコニウム含有ガド
リニウム基合金側には圧縮応力が発生する。これによ
り、ジルコニウム含有ガドリニウム基合金におけるガド
リニウム濃度が８０ｗｔ％以上の場合、ジルコニウム含
有ガドリニウム基合金側に発生する応力は急激に大きく
なっているが、特に問題となるほどの大きさではない。

【００４８】ところで、前述したように、ジルコニウム
含有ガドリニウム基合金の耐食性は著しく悪いため、チ
ャンネルボックス使用期間中に内部からガドリニウムが
拡散してきてチャンネルボックス表面に達して、耐食性
を低下させる可能性がある。そこで、ジルコニウム含有
ガドリニウム基合金の板厚が薄くなるほど、ガドリニウ
ムがチャンネルボックス表面まで拡散するのに時間がか
かるので、この点からは、ガドリニウム濃度が高い合金
板ほど板厚を薄くできるので有利である。

【００４９】以上の検討事項を総合的に判断すると、ジ
ルコニウム−ガドリニウム合金における最適ガドリニウ
ム濃度は、５０〜９０ｗｔ％である。但し、最適ガドリ
ニウム濃度は、ジルコニウム−ガドリニウム合金板材の
寸法，配置位置により変化する。

【００５０】本発明により製造したジルコニウム含有ガ
ドリニウム基合金を重量で、Ｓｎ１.５０％，Ｆｅ０.２
５％，Ｃｒ０.１０％，Ｎｉ０.１０％又はＳｎ１.５０
％，Ｆｅ０.２１％，Ｃｒ０.１０％を含むジルコニウム
基合金中に係合配置した複合板材の製造方法の一例を図
９，図１０に示す。図９における製造方法では、まず、
凹部を設けたジルコニウム基合金板の凹部に該ジルコニ
ウム１５〜２０重量％含有ガドリニウム基合金を配置
し、ジルコニウム基合金板で覆い、真空ビーム溶接を行
った後、８００℃〜１１００℃の温度域（特に８００℃
〜１０００℃の温度範囲が望ましい。）で熱間圧延を行
い、完全にジルコニウム基合金と該ジルコニウム含有ガ
ドリニウム基合金を接合する。そして、再結晶温度域で
ある600℃〜９００℃の温度で２時間焼きなまし（但
し、連続焼鈍炉で焼きなましを行う場合は、焼なまし時
間は２〜１０min でも可能である。）を行った後、冷間
圧延，焼きなましを適宜繰り返すことにより、所望の板
厚にする。また、前記熱間圧延による接合に代わって、
ホットプレスによる拡散接合を行う場合は、前工程の真
空ビーム溶接を省略しても良い。ここで、ホットプレス
の条件としては、真空中もしくは不活性ガス雰囲気中で
加圧力：９８０ＭＰａ，接合温度：９００℃〜１１００
℃，接合温度保持時間：１時間が望ましい。図９はＧｄ
基合金板を一個形成したものであるが、２個又は３個以
上好ましくは４個を幅方向に並べて製造するのが好まし
い。

【００５１】図１０における製造方法は、穴のあいた前
述のジルコニウム基合金板に前述のジルコニウム−ガド
リニウム合金をはめ込み、その上下をジルコニウム基合
金板で覆い、その後の製造工程は図９の場合と同様であ
り、２個以上、好ましくは４個のＧｄ合金板を配置して
製造することができる。

【００５２】前記のようにして製造した複合材板を燃料
集合体に適用した実施例が図１１，図１２である。図１
１は、該複合材板を燃料集合体の構成部材である燃料チ
ャンネルボックスに適用した実施形態の一例である。こ
のように、該ジルコニウム含有ガドリニウム基合金は、
各面に２個づつ合計８個端部を除いて中心部に全長の９
４％の長さで配置され、チャンネルボックスの４つのコ
ーナー近傍の長手方向に埋め込まれて配置されている。
このような構造のチャンネルボックスを用いることによ
り、前述したように、熱中性子束が相対的に高いチャン
ネルボックスコーナー部の局所ピーキング係数を低く抑
え、かつ燃料内に可燃性毒物を混入することなく、原子
炉運転初期の余剰反応度を適切に抑制することが可能と
なる。

【００５３】本実施例では図９又は図１０の製法によっ
て４個のＧｄ基合金を配置して複合板を製造し、Ｇｄ基
合金が配置されていない部分でコの字型に加工して、互
いに突合せてＧｄ基合金が配置されていない部分で溶接
によって一体にされたものである。具体的な製法は図２
５，図２６と同様である。

【００５４】図１２は上述の本発明に係る複合板を用い
た沸騰水型原子炉用燃料集合体の断面図である。

【００５５】ＢＷＲ燃料集合体は、図に示す様に多数の
燃料棒１とそれらを相互に所定の間隔で保持する複数段
のスペーサ７、更に、それらを収納する角筒のチャンネ
ルボックス４，燃料被覆管内に燃料ペレットが入った燃
料棒１の両端を保持する上部タイプレート５，下部タイ
プレート６，スペーサの中心部に配置されたウォータロ
ッド２，全体を搬送するためのハンドル１１から構成さ
れる。また、これら燃料集合体の製造に際しては、通常
の工程を経て組立てられる。

【００５６】チャンネルボックス４は燃料スペーサ７に
より一体化された燃料棒およびウォータロッド２を内部
に収納し、上部タイプレート５と下部タイプレート６と
はウォータロッド２で固定した状態で使用される。チャ
ンネルボックス４は二分割したコの字型板加工材をプラ
ズマ溶接で接合した角筒形状を呈する。この部材はプラ
ント運転時に燃料棒表面で発生した蒸気及び燃料棒間を
流れる高温水を整流し、強制的に上部へ導く働きをさせ
るものである。内部の圧力が外部よりわずかに高い為、
角筒を外側に押し広げる応力が作用した状態で長期使用
される。

【００５７】本発明における燃料集合体はウォータロッ
ド２がスペーサ７の中心部に対称に３本配置されてお
り、いずれも両端でタイプレートにネジで固定され、ま
たチャンネルボックス４が上部タイプレート５にネジ止
め固定され、燃料集合体がハンドル１１によって一体で
運搬できる構造となっている。本実施例では燃料棒はタ
イプレートには固定はされていない。

【００５８】チャンネルボックスはジルコニウム基合金
のβ相温度領域、好ましくは1000〜１１００℃で加熱後
水冷による焼入れ熱処理によりβＺｒ結晶粒径が平均で
５０〜３００μｍ好ましくは１００〜２００μｍとなる
とともに結晶方位がランダムとなり、著しく照射伸びが
防止され、チャンネルボックスと制御棒との干渉が防止
される。特に、チャンネルボックスの結晶方位は板面に
垂直は方向での値(Fr)が０.２０〜０.５０、好ましくは
０.２６〜０.４０、長手方向での値（Ｆｌ）が０.２５
〜０.３６、好ましくは０.３１〜０.３５、周方向での
値（Ｆｔ）が0.25〜０.３６ 、好ましくは０.３１〜０.
３５である。

【００５９】図１３は、本発明に基づくチャンネルボッ
クスの熱処理の一例を示す斜視図である。本発明では、
前述の複合板の他に、合金組成として５０重量％のＧｄ
を含むジルコニウム合金板材をコの字型に冷間曲げ加工
し、長さ：４ｍの２つのコの字型部材とし、これらをレ
ーザ又はプラズマ溶接して角筒１２としたものである。
溶接部の凹凸は平坦に仕上げられる。図１１及び図１３
に示す角筒１２を高周波誘導加熱によるβ相温度範囲へ
の加熱及び高周波誘導加熱用コイル１４の直下に設けた
水噴霧ノズル１６から吹き付ける冷却水で急冷した。角
筒１２が一定速度で上方から下方へコイル内に通過する
ことにより全体の熱処理が完了する。加熱温度は好まし
くは１１００℃以下，９８０℃以上の保持時間は１０秒
以上となるように角筒１２の送り速度及び高周波電源１
５の出力を調整した。熱処理完了後、幅：４０mm，長
さ：４０mmの試験片を切り出しＦ値を測定した。熱処理
はオーステナイトステンレス鋼製マンドレル１８を角筒
１２に固定ネジ３で両端を固定して行った。熱処理後の
ジルコニウム基合金の結晶粒の方位は前述の特定の値を
有する本実施例では特定の配向を持たないほぼランダム
な結晶方位となった。このもののβＺｒ平均結晶粒は約
１００μｍであった。この熱処理を施した後、高寸法精
度に成形サンドブラスト処理及び酸洗を行い、表面酸化
膜を除去した後、水蒸気によるオートクレーブ処理が施
される。

【００６０】図１４から図１６は本発明は係る種々の断
面構造を有し、前述の複合板を用いたもの又はＧｄを含
むジルコニウム合金板を用いたもののチャンネルボック
スの斜視図である。本実施例では図１４は一定の厚さの
もの、図１５は辺部が内側又は外側で角部より薄肉とし
たもの、図１６は厚肉コーナ部２０が辺部２１の肉厚よ
り厚く、辺部が上部２２でその下部２３より薄肉になっ
ている長手方向肉厚分布を有するものである。このよう
な成形加工は熱処理後に行われる。成形加工はマスキン
グして弗化水素と硝酸の混酸水溶液による化学エッチン
グ又は機械加工によって行われ、本実施例では外面側を
加工し凹したものである。このような肉厚分布は内面側
で凹にしてもよい。

【００６１】また、図１７は燃料集合体内の燃料棒に該
複合材板を適用した実施形態の一例である。燃料棒は、
ジルコニウム基合金製の燃料被覆管内に燃料ペレットが
封入されたものであり、この図１７のように、燃料被覆
管内部に前述のジルコニウム含有ガドリニウム基合金が
埋め込まれて配置されている燃料棒を燃料集合体の４つ
のコーナー近傍部に多く配置することにより、前述した
のと同様の効果を得ることができる。また、これらの燃
料部材の製造工程は、ジルコニウム含有ガドリニウム基
合金を係合配置したジルコニウム基合金の複合材板又は
直接ジルコニウム基合金とジルコニウム含有ガドリニウ
ム基合金管同士の複合管を用いることにより、従来と同
様の工程で製造可能である。複合管の場合には熱間押出
しによって素管を作製した後、ピルガーミルによって冷
間加工と焼鈍を繰返し製造される。さらに、該複合材板
は核設計上の要求に合わせて、ウォータロッド，制御棒
などにも同様に適用可能である。

【００６２】図１７ではガドリニウム基合金をリングで
配置したものであるが、長さ方向にジルコニウム基合金
内の円周内に短冊状のものを等間隔に複数本配置するこ
とができる。

【００６３】図１８は図１７の本発明に係る複合材を用
いた被覆管からなる燃料棒の部分断面図である。燃料棒
は被覆管２４，核燃料ペレット２５，端栓２７，プレナ
ムスプリング２６からなり、内部にＨｅが封入されてい
る。本実施例では１５〜２５気圧のＨｅが封入されてい
る。被覆管２４は次の様に製造される。被覆管２４は内
側に純Ｚｒライナーが一体に設けられる。このライナー
は以下の熱処理後の素管の段階で形成され、冷間加工と
焼鈍が施される。

【００６４】熱間押出し加工により外径：６３.５mm，
厚さ：１０.９mmの管に加工した。この素管を高周波誘
導加熱コイル中に通過させるとともに内部に水を下から
上部へと流しながら加熱し、コイル直下に設けたノズル
から管外表面に水を吹き付て急冷した。最高加熱温度は
９３０℃とし、９３０℃から５００℃までの平均冷却速
度が約１５０℃／ｓであった。高周波焼き入れ処理を施
した素管をピルガーミルによる冷間圧延と６００℃、真
空中で焼鈍とを交互に３回繰り返し（最終なまし温度は
５７７℃とした。）て、燃料被覆管及び丸型スペーサの
形状の素材として用いた。スペーサの場合は素管内に水
を流さずに加熱した。燃料被覆管及びスペーサの形状の
相違は管径及び肉厚であり、最終冷間圧延の加工度を変
化させることにより管径及び肉厚が異なる２種類の管を
製造した。スペーサの外径は被覆管より大きく、肉厚は
被覆管より薄い。冷間加工の断面減少率は１回当り７０
〜８０％とした。ライナーの厚さは約１０〜１００μｍ
である。被覆管は内側は特定の結晶方位を有し、Ｆｒ値
で０.６〜０.７である。

【００６５】図１９及び図２０はウォータロッドの部分
断面図で、本実施例では図２０の太径のものが用いられ
る。このものの合金は前述した図１７の複合材又は一体
の合金が用いられ、また、前述のように素管に対し焼き
入れが施された後、所定の形状まで冷間加工と焼鈍が施
され、細径部２８，太径部２９，端栓３０によって構成
される。端栓３０にはネジが設けられ、前述のように上
部と下部タイプレートに固定される。

【００６６】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）用燃料集合体の
基本構造の例を図２１を用いて説明する。燃料集合体は
核分裂性物質（低濃縮酸化ウランペレット等）が充填さ
れた燃料棒と円管状の減速材棒（ウォータロッド）をス
ペーサで束ね、横方向の間隔を保持し、上端を上部タイ
プレート、下端を下部タイプレートで保持し、これらの
周囲をチャンネルボックスが取り囲んでいる。十字形の
制御棒は４体の燃料集合体で囲まれた中央に配置され
る。

【００６７】本実施例の燃料集合体３４は核分裂性物質
ペレットを充填した燃料棒３６とＧを付記した可燃性毒
物（ガドリニア）入り燃料棒３７と可燃性毒物入り減速
材棒としてのＢＰ部材４０を束ねて、チャンネルボック
ス３５で囲み構成される。減速材棒としてのＢＰ部材４
０は外径約４０mmの外管３１と内管３２による二重管構
造となっている。

【００６８】内管３２と外管３１は前述の図１７で説明
したジルコニウム基合金管内にガドリニウム基合金を有
する複合管で構成されている。環状部３３にはボロンま
たはほう素化合物（例えば炭化ほう素，ほう化ジルコニ
ウム等）を添加したジルコニウム合金または酸化アルミ
ニウムで構成されている。

【００６９】ＢＰ部材４０の下端近傍には冷却材を内管
３２の内側に導入する開口を、上端近傍には内管３２の
内側の冷却材を放出する開口が設けられている。その開
口の径や数はＢＰ部材４０の内部で冷却材が沸騰しない
ように設定される。

【００７０】可燃性毒物含有部材がジルコニウム合金の
場合の合金中の重量割合は例えばガドリニアが約２０
％，ボロンが約０.５％ に設定されている。可燃性毒物
含有部材がジルコニウム合金でない場合または可燃性毒
物の化学形態が異なる場合は可燃性毒物元素（ここでは
ガドリニウムとボロン）の絶対量がほぼ等量になるよう
に濃度を選定すればよい。

【００７１】外管３１と内管３２との間に形成される環
状部３３は制御棒３９側を起点とする対角線に対して対
称位置となるようにＢＰ部材４０の位置が設定されてい
る。また、未燃焼時局所出力が大きい最外周燃料棒３８
は４本あって、燃料ペレット表面に可燃性毒物としてガ
ドリニアまたはほう化ジルコニウムがコーティングされ
ており、その毒物反応度がＢＰ部材４０に入れた可燃性
毒物より早い時点でなくなるように厚さ（１.５ ミクロ
ン程度）が決められている。燃料ペレットの表面に可燃
性毒物をコーティングする代わりに低濃度（０.５ 〜３
％程度）のガドリニアを添加した燃料ペレットを充填し
た燃料棒でもよい。

【００７２】図２２及び図２３は、本発明の燃料集合体
の他の実施形態を示したものであり、図の上部の図はチ
ャンネルボックス長手方向から見た断面図（ａ）、下部
の図はチャンネルボックス長手方向から見た側面図
（ｂ）である。該ＭＯＸ燃料集合体Ａは、チャンネルボ
ックス４，多数の燃料棒１の束，ウォータロッド２、及
び、前記チャンネルボックス４の四囲の部材内に配置さ
れた可燃性中性子吸収毒物（ＢＰ）を含有するＢＰ部材
４０から形成されている。ＢＰ部材４０は、チャンネル
ボックス４の四囲側面のコーナー近傍に長手方向に埋め
込まれ配置されている。図２２（ａ）はウォータロッド
２が二つであり、図２３は、ウォータロッド２が一つで
ある。その他の構造はいずれも同じくしている。図２４
はＢＰ部材４０がチャンネルボックス４の側面のコーナ
ー部の長手方向に埋め込まれて配置されている。ＭＯＸ
燃料はＰｕ量が１.５ 〜１０重量％を含むウラン２３８
燃料からなるものである。Ｐｕ量の多いものをチャンネ
ルボックスの内側、その少ないものをその外側に配置す
るのが好ましい。本実施例ではＢＰ部材４０はチャンネ
ルボックスの全長にわたって配置されている。ＢＰ部材
が露出している部分は耐食性金属によってコーテングさ
れる。

【００７３】このようにＢＰ部材４０をチャンネルボッ
クス４内に埋め込んで配置することにより、ＢＰ部材４
０が直接炉水に接することがないため、隙間腐食やガル
バニック腐食等を防止することができる。

【００７４】更に、ＢＰ部材４０をチャンネルボックス
４のコーナー部及びコーナー近傍部に配置したことによ
り、燃料集合体のコーナー部の局所ピーキング係数を効
果的に抑制することが可能となる。

【００７５】図２４は本発明の複合材を用いたチャンネ
ルボックスを使用したＢＷＲ燃料集合体の断面図であ
る。

【００７６】本実施例はチャンネルボックスのコーナー
部に前述の２０重量％Ｚｒ−Ｇｄ基合金をジルカロイ４
の合金内に埋め込んだものであり、その製法は前述と同
様である。

【００７７】図２５及び図２６は、前述の図２２〜図２
４の実施形態の燃料集合体のチャンネルボックスの製造
方法を示している。まず、図２５（ａ）に示されている
ようにチャンネルボックスとなるジルカロイ４素材板に
深さ０.１mm〜０.４mm又は６mm程度のへこみを板の長手
方向に形成し、該へこみに、そのへこみと同じ大きさの
ＢＰ部材４０をはめ込み、他の薄いジルカロイ素材板を
貼り合わせ、合わせ目を真空中で溶接部４２のように電
子ビーム溶接する。その後、６００〜７００℃（最高１
２２０℃）、好ましくは８００〜１１００℃で熱間圧
延，冷間圧延，焼鈍（アニール）を数回行い、完全な一
枚板にする。前記熱間圧延するのに代えて、前記素材を
最高１２２０度まで加熱してホットプレスで圧延して一
枚板にする方法もある。また、素材板間の剥離等がない
ならば、電子ビーム溶接を省くこともでき、特に、ホッ
トプレスで圧延した場合には、該電子ビーム溶接を省略
する可能性が高い。前記一枚板にした後、チャンネルボ
ックスの形状とするために、曲げ加工をし、図２６に示
すように、曲げ加工した二枚の板を突き合わせて溶接
し、矩形のチャンネルボックスを作り、その後、ジルコ
ニウム基合金のβ相での加熱後急冷する焼入れの熱処
理，熱処理整形、及び、オートクレーブ処理を実施し
て、チャンネルボックスを完成させる。ジルカロイ４は
重量で、Ｓｎ1.20〜１.７０％，Ｆｅ０.１８〜０.２４
％，Ｃｒ０.０７〜０.１３％，酸素０.１０〜０.１６
％，残部ＺｒからなるＺｒ基合金である。

【００７８】以上の構造から理解できるように、本発明
のプルトニウムを混入した燃料集合体（ＭＯＸ燃料集合
体）は、燃料棒内部に中性子吸収材又は可燃性毒物を混
入することなく、余剰反応度を適切に抑制することがで
きる。

【００７９】また、可燃性毒物を燃料に混入しないの
で、燃料集合体当たりのプルトニウム装荷量を減少させ
ることなく、プルトニウムの軽水炉利用が実現できる。

【００８０】更に、ペレット富化度種類を増加すること
なく、燃料集合体の外周部分の局所ピーキングを効果的
に低減することが可能になり、これにより、燃料集合体
を構成するペレットの富化度種類を減少させることがで
きる。

【００８１】更にまた、可燃性毒物をチャンネルボック
ス内に埋設したことによって、可燃性毒物自体腐食及び
チャンネルボックスと可燃性毒物との間の隙間腐食やガ
ルバニック腐食が生じなくなると共に、該可燃性毒物自
体が直接炉水に接することがないので、該可燃性毒物の
炉水内への溶出を防止できる。

【００８２】また、外部に可燃性毒物が露出しないすっ
きりとしたチャンネルボックスを構成できると共に、可
燃性毒物を埋設したチャンネルボックスが容易に製造で
き、かつ、チャンネルボックスの素材板間の剥離等の現
象をなくすることができる。

【００８３】

【発明の効果】本発明によれば、ガドリニウム含有量を
２０％以上とし、残りをジルコニウムをするジルコニウ
ム−ガドリニウム合金を中性子吸収材とすることによ
り、燃料棒内部に中性子吸収材を混入することなく核設
計上、余剰反応度を適切に抑制することができる燃料集
合体が得られる。また、本発明の中性子吸収材用ジルコ
ニウム−ガドリニウム合金の製造工程により、現用ジル
コニウム基合金の製造と同様の製造ができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ジルコニウム含有ガドリニア基合金板材の製造
方法を示す構成図。

【図２】ウランとプルトニウムの吸収断面積の中性子エ
ネルギーに対する依存性を比較した線図。

【図３】ジルコニウム含有ガドリニウム基合金板のガド
リニウム濃度と板厚の関係を示す線図。

【図４】熱間鍛造性試験で求めた鍛造温度と各ガドリニ
ウム濃度のジルコニウム含有ガドリニウム基合金の変形
抵抗との関係を示す線図。

【図５】ガドリニウム濃度と室温での引張強さとの関係
を示す線図。

【図６】ガドリニウム濃度と複合材の２８８℃における
引張強さとの関係を示す線図。

【図７】ガドリニウム濃度と平均線膨張率との関係を示
す線図。

【図８】熱応力とガドリニウム濃度との関係を示す線
図。

【図９】ジルコニウム含有ガドリニウム基合金をジルコ
ニウム基合金中に係合配置した複合板材の製造方法を示
す構成図。

【図１０】ジルコニウム含有ガドリニウム基合金をジル
コニウム基合金中に係合配置した複合板材の製造方法を
示す構成図。

【図１１】ジルコニウム含有ガドリニウム基合金をジル
コニウム基合金中に係合配置した複合材板を燃料チャン
ネルボックスに適用した燃料集合体の斜視図。

【図１２】本発明に係る燃料集合体の断面図。

【図１３】チャンネルボックスの熱処理装置の構成図。

【図１４】各種チャンネルボックスの斜視図とその断面
図。

【図１５】各種チャンネルボックスの斜視図とその断面
図。

【図１６】各種チャンネルボックスの斜視図とその断面
図。

【図１７】燃料棒の断面図。

【図１８】燃料棒の部分断面図。

【図１９】ウォータロッドの部分断面図。

【図２０】ウォータロッドの部分断面図。

【図２１】本発明に係る燃料集合体の断面図。

【図２２】本発明に係る燃料集合体の断面図。

【図２３】本発明に係る燃料集合体の断面図。

【図２４】本発明に係る燃料集合体の断面図。

【図２５】本発明に係る複合板の製造工程を示すフロー
図。

【図２６】本発明に係る複合板の製造工程を示すフロー
図。

【符号の説明】

１…燃料棒、２…ウォータロッド、３…ウォータロッド
固定ネジ、４…チャンネルボックス、５…上部タイプレ
ート、６…下部タイプレート、７…スペーサ、８…チャ
ンネルボックス嵌合代、９…燃料棒伸び代、１０…燃料
棒貫通孔、１１…ハンドル、１２…角筒、１４…コイ
ル、１５…高周波電源、１６…水噴霧ノズル、１７…溶
接部、１８…マンドレル、２０…厚肉コーナ部、２１…
辺部、２２…上部辺部、２３…下部辺部、２４…被覆
管、２５…核燃料ペレット、２６…プレナムスプリン
グ、２７，３０…端栓、２８…細径部、２９…太径部、
４０…ＢＰ部材、４１…ジルコニウム基合金。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ２１Ｃ 7/04 Ｇ２１Ｃ 3/34 Ｙ (72)発明者 松下 崇 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 富田 和雄 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 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

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ガドリニウム２０％重量以上であるジルコ
   ニウム−ガドリニウム合金が該合金より耐食性の高いジ
   ルコニウム基合金によって被われていることを特徴とす
   る複合部材。
2. 【請求項２】ガドリニウム２０〜９９重量％を有するジ
   ルコニウム−ガドリニウム合金が内包された前記合金よ
   り耐食性の高いジルコニウム基合金よりなることを特徴
   とする複合部材。
3. 【請求項３】２８８℃での引張強さが９２ＭＰａ以上又
   は室温の引張強さが２００ＭＰａ以上であるジルコニウ
   ム−ガドリニウム合金が該合金より耐食性の高いジルコ
   ニウム基合金によって被われていることを特徴とする複
   合部材。
4. 【請求項４】室温から３００℃までの平均熱膨張率が
   ０.１６〜０.１８％であるジルコニウム−ガドリニウム
   合金が該合金より耐食性の高いジルコニウム基合金によ
   って被われていることを特徴とする複合部材。
5. 【請求項５】被覆管内に核燃料が装荷される複数本の燃
   料棒と、該燃料棒を所望の位置に配置するスペーサと、
   該配置された燃料棒をその上端と下端で支持する上部タ
   イプレート及び下部タイプレートと、前記スペーサ内に
   配置されたウォータロッドとを一体に集合させその外周
   を被うチャンネルボックスとを備える燃料集合体におい
   て、前記被覆管，スペーサ，ウォータロッド及びチャン
   ネルボックスの少なくとも１つがガドリニウム含有量が
   ２０重量％以上であるジルコニウム−ガドリニウム合金
   が内包された前記合金より耐食性の高いジルコニウム基
   合金よりなる複合部材によって構成されることを特徴と
   する燃料集合体。
6. 【請求項６】ジルコニウム−ガドリニウム合金が内包さ
   れた前記合金より耐食性の高いジルコニウム基合金より
   なる複合部材によって構成されていることを特徴とする
   原子炉用燃料被覆管。
7. 【請求項７】ジルコニウム−ガドリニウム合金が内包さ
   れた前記合金より耐食性の高いジルコニウム基合金より
   なる複合部材によって構成されていることを特徴とする
   原子炉用スペーサ。
8. 【請求項８】ジルコニウム−ガドリニウム合金が内包さ
   れた前記合金より耐食性の高いジルコニウム基合金より
   なる複合部材によって構成されていることを特徴とする
   原子炉用ウォータロッド。
9. 【請求項９】ジルコニウム−ガドリニウム合金が内包さ
   れた前記合金より耐食性の高いジルコニウム基合金より
   なる複合部材によって構成されていることを特徴とする
   原子炉用チャンネルボックス。
10. 【請求項１０】ジルコニウム−ガドリニウム合金が内包
    された前記合金より耐食性の高いジルコニウム基合金よ
    りなる複合部材によって構成されることを特徴とする制
    御棒。
11. 【請求項１１】被覆管内に核燃料が装荷される複数本の
    燃料棒と、該燃料棒を所望の位置に配置するスペーサ
    と、該配置された燃料棒をその上端と下端で支持する上
    部タイプレート及び下部タイプレートと、前記スペーサ
    内に配置されたウォータロッドとを一体に集合させその
    外周を被うチャンネルボックスとを備える燃料集合体に
    おいて、前記チャンネルボックスは周方向に複数個の短
    冊状ジルコニウム−ガドリニウム合金が内包された前記
    合金より耐食性の高いジルコニウム基合金よりなる複合
    部材よりなり、前記ジルコニウム−ガドリニウム合金は
    前記チャンネルボックスの中央部に全長の９０％以上に
    わたって配置されていることを特徴とする燃料集合体。
12. 【請求項１２】ジルコニウム粒子が分散していることを
    特徴とするガドリニウム基合金板。