JPS58147680A - Nuclear fuel element - Google Patents

Nuclear fuel element

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JPS58147680A
JPS58147680A JP57028983A JP2898382A JPS58147680A JP S58147680 A JPS58147680 A JP S58147680A JP 57028983 A JP57028983 A JP 57028983A JP 2898382 A JP2898382 A JP 2898382A JP S58147680 A JPS58147680 A JP S58147680A
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JP
Japan
Prior art keywords
nuclear fuel
zirconium
alloy
fuel element
metal
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Pending
Application number
JP57028983A
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Japanese (ja)
Inventor
島田 祥雄
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Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
Original Assignee
Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は核燃料要素に係り、臀に核分裂原子炉の炉心に
使用したときに被覆管に応力腐食割れが発生するのを防
止するのに好適な構成の核燃料要素に関するものである
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a nuclear fuel element, and more particularly, to a nuclear fuel element having a configuration suitable for preventing stress corrosion cracking from occurring in a cladding tube when used in the core of a nuclear fission reactor. It is.

現在運転されている原子炉においては、核燃料物質を耐
食性、非反応性、熱伝導性の容器(コンテナ)ま友は被
覆管内に装填してなる核燃料要素を冷却材流れチャネル
または冷却材流れ領域内に互いに一定間隔に格子状に集
合して組み立てて燃料系合体(燃料アセンブリ)を形成
し、この燃料系合体を適当数組み合せて持続型核分裂反
応が可能な核分裂連鎖反応型果合体または炉心を形成し
、この炉心を冷却材が流通する原子炉容器内に入れるよ
うにしている。
In currently operating nuclear reactors, nuclear fuel elements are placed within a corrosion-resistant, non-reactive, thermally conductive container within a cladding tube, and within a coolant flow channel or region. They are assembled in a lattice shape at regular intervals and assembled to form a fuel system combination (fuel assembly), and an appropriate number of these fuel system combinations are combined to form a nuclear fission chain reaction type assembly or reactor core that can perform a sustained nuclear fission reaction. However, this core is placed inside a reactor vessel through which coolant flows.

核燃料物質の被oI(クラツディング)は、幾つかの目
的で行われておシ、その主要目的の1つは、核燃料物質
と冷却材または減速材(冷却材と減速材とが共存する場
合は双方)との接触および化学反応を防止することにあ
る。他の1つは、一部が気体である放射性核分裂生成物
が核燃料から冷却#盲えは減速材、冷却材と減速材とが
共存する場合はその双方の中に漏れ出るのを防止するこ
とにある。普通の被覆材料としては、ステンレス鋼、ア
ル2ニウ五まえはその合金、ジルコニウムまたはその合
金、ニオブ(コロニビウム)、ある楓の!グネシウム合
金などがあるが、被覆の破損、すなわち、漏れ1耐性の
喪失が生じると、冷却材ま丸社減遍材およびそれらが1
!41遵する系が放射性長寿命生成物でプラントの運転
を妨げる程度に汚染される恐れがあるので、それの遇択
には十分注意する必要がある。
OI (cludding) of nuclear fuel material is carried out for several purposes, and one of the main purposes is to separate the nuclear fuel material and the coolant or moderator (if both coolant and moderator coexist). ) and to prevent chemical reactions. The other is to prevent radioactive fission products, some of which are gases, from escaping from the nuclear fuel into the cooling moderator, or into both the coolant and moderator if they coexist. It is in. Common coating materials include stainless steel, aluminum and its alloys, zirconium or its alloys, niobium (coronibium), and some maple! gnesium alloys, etc., but if damage to the coating occurs, i.e., loss of leakage resistance, the coolant Mamarusha reduction materials and their
! Since there is a risk that the compliant system may be contaminated with radioactive long-lived products to the extent that it may interfere with plant operation, great care must be taken in selecting the appropriate option.

被覆材料としである種の金属および合金を便用して核燃
料要素を構成し、それを使用して原子炉を運転する場合
、特定の条件下で被覆材料に機械的な種々の問題が起っ
たり、あるいは、化学的反応が生じることから種々の問
題が起ったシする。
When certain metals and alloys are conveniently used as cladding materials to construct nuclear fuel elements and operate nuclear reactors, various mechanical problems can occur with the cladding materials under certain conditions. Otherwise, various problems may occur due to chemical reactions occurring.

ジルコニウムおよびその合金は、平常条件下でL優秀な
核燃料被覆材料である。その理由は、ジルコニウムおよ
びその合金は、小さい中性子吸収断面積を有し、さらに
、750’F(約3980)以下の温度で社、原子炉冷
却材および減速材として普通に使用される脱塩水または
水蒸気の存在下でも強く、かつ、処性を有し、極めて安
定で、しかも、非反応性であるからである。
Zirconium and its alloys are excellent nuclear fuel cladding materials under normal conditions. The reason is that zirconium and its alloys have a small neutron absorption cross section, and at temperatures below 750'F, demineralized water or This is because it is strong and has treatment properties even in the presence of water vapor, is extremely stable, and is non-reactive.

しかし、核燃料尿素の作動時に、核燃料、被覆材料およ
び核分裂反応中に生成される核分裂生成物間の錯綜した
相互作用により、被覆の割れ(応力腐食割れ)が生じる
という問題があることが明らか罠なうた。また、この望
ましくない現象は、核燃料と被覆間の膨張差に基づく機
械的応力の局在化(被板に生じる応力は核燃料の割れ目
に局在化される。)によって促進されることが確認され
た。を九、腐食性核分裂生成物は、核燃料から放出され
、核燃料の割れ目と被覆表面との交差部に集中する。そ
して、核分裂生成物は、原子炉を運転してり6関、核分
裂連鎖反応中の核燃料によって生成され、上記の局在化
応力は、核燃料と被覆とO関の高い摩擦によって拡大さ
れる。
However, it is clear that during operation of nuclear fuel urea, there is a problem of cracking of the cladding (stress corrosion cracking) due to complex interactions between the nuclear fuel, the cladding material, and the fission products produced during the fission reaction. Song. It has also been confirmed that this undesirable phenomenon is promoted by the localization of mechanical stress due to the expansion difference between the nuclear fuel and the cladding (the stress generated in the cladding is localized at the cracks in the nuclear fuel). Ta. Nine, corrosive fission products are released from the nuclear fuel and are concentrated at the intersection of the nuclear fuel's cracks and the cladding surface. Fission products are generated by the nuclear fuel during the nuclear fission chain reaction during operation of the nuclear reactor, and the above localized stress is magnified by the high friction between the nuclear fuel, the cladding, and the O-ring.

上記のような状況から、現状では核分裂生成物の放出と
機械的相互作用による応力の集中を防ぐ丸め、原子炉の
運転方法を制約するようにしている。しかし、これは好
ましいことではない。
Due to the situation described above, current efforts are being made to restrict rounding and reactor operating methods to prevent the release of fission products and the concentration of stress due to mechanical interactions. However, this is not desirable.

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的とする
ところは、被覆管にλ力腐食割れが発生するのを防止す
ることができる核燃料要素を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to provide a nuclear fuel element that can prevent λ force corrosion cracking from occurring in the cladding tube.

本発@01111黴は、核燃料物質を装填するジルコニ
ウムあるいはジルコニウム合金からなる金属被覆管内に
ジル−ニウムおよびジルコニウム合金と反応せず、かつ
、そのヨウ化物が使用温度では熱力学的に安定で、ジル
コニウム合金と反応しない金属を装填し九構成とし死点
にある。
This @01111 mold does not react with zirconium or zirconium alloy in the metal clad tube made of zirconium or zirconium alloy in which nuclear fuel material is loaded, and its iodide is thermodynamically stable at the operating temperature. Loaded with metals that do not react with alloys, it has nine configurations and is at dead center.

核燃料要素の金属被積管内表面に金属製保護膜を款ける
ことはすでに提案されているが、それらは保議膜をニオ
ブ層とするか、あるいは、クロム層にステンレス、銅、
ニッケルのライナを設けるか、を九は、アルミニウム、
モリブデン層を設けるようにしたものである。上記し九
金属層は一時的には核分裂生成物として放出されるヨウ
素を捕獲してヨウ化瞼となるが、このヨウ化物よりジル
コニウムヨウ化物の方が熱力学的に安定である丸め、上
記した金属ヨウ化物はジルコニウムあるいはジルコニウ
ム合金と接触すると、ジルコニウムヨウ化物を作p1 
ジルコニウムあるいはジルコニウム合金に応力腐食割れ
を発生させる原因となる。
It has already been proposed to provide a metal protective film on the inner surface of the metal cladding tube of a nuclear fuel element, but these have been proposed to use a niobium layer as the protective film, or a chromium layer with stainless steel, copper,
Provided with a nickel liner, or with an aluminum liner,
A molybdenum layer is provided. The metal layer described above temporarily captures iodine released as a fission product and becomes an iodide, but zirconium iodide is thermodynamically more stable than this iodide. When metal iodide comes into contact with zirconium or zirconium alloys, it forms zirconium iodide p1
It causes stress corrosion cracking in zirconium or zirconium alloys.

そこで本発明においては、核分裂生成物として放出され
るヨウ素を捕獲して作られる金属ヨウ化物が熱力学的に
ジルコニウムヨウ化物よシ安定なものになるように、ジ
ルコニウムま九はジルコニウム合金よシなる被覆管内に
、ツリウム、セリウム、ランタン、イツトリウム、ネオ
ジム、プラセオジム、ストロンチウムのうちいずれかを
選定して装填するようにした。この種金属としてセシウ
ム、ルビジウムもあるが、これらは融点がそれぞれ28
5Ci385Cと低いため、適当でない、その他の上記
した金llI4祉融点が十分高く、使用温度で剛体の状
態を保つことができる。上記した金属の璽り化物がジル
コニウムと反応し九ときの生成自由エネルギーは第1図
に示しである。図のa〜g自−はそれぞれL”Is *
 ”Is * S’Im @ Cel5 +P’I婁e
 YIs * Ndl5の場合τ、いずれも生成自由エ
ネルギーが正のi[t−とっており、これらの金属OW
り化物はジルコニウムと反応しないことを示して−る。
Therefore, in the present invention, zirconium is made from a zirconium alloy so that the metal iodide produced by capturing iodine released as a fission product is thermodynamically more stable than zirconium iodide. One of thulium, cerium, lanthanum, yttrium, neodymium, praseodymium, and strontium was selected and loaded into the cladding tube. There are also cesium and rubidium as such metals, each of which has a melting point of 28
5Ci385C, which is not suitable due to its low melting point, is sufficiently high to maintain a rigid state at the operating temperature. FIG. 1 shows the free energy of formation when the metal oxide described above reacts with zirconium. A to g in the figure are each L”Is *
”Is * S'Im @ Cel5 +P'I 婁e
In the case of YIs * Ndl5, τ, the free energy of formation is positive i[t-, and these metals OW
This shows that chlorides do not react with zirconium.

以下本発明を第2図、第3図に示し九実施例および84
図を用iて#細に説明する。
The present invention will be described below with reference to FIGS. 2 and 3.
This will be explained in detail using figures.

JII8IlIは本発明に係る核燃料貴素の一実施例を
示す部分11Fr面図である。42図において、1は二
酸化クツンまたは二酸化プルトニウムあるいはそれらO
温合物からなる核燃料ベレット(核燃料資質)、2は核
燃料ベレット1を装填したジルコニウムあるいはジルコ
ニウム合金(ジルカロイ)からなる金属被横管で、仮積
t2の内部全面にランタンからなる金属保lI膜3が密
着して装填しである。
JII8IlI is a section 11Fr side view showing one embodiment of the nuclear fuel element according to the present invention. In Figure 42, 1 is plutonium dioxide or plutonium dioxide or their O
A nuclear fuel pellet (nuclear fuel quality) made of a hot compound, 2 is a metal sheathed tube made of zirconium or zirconium alloy (zircaloy) loaded with a nuclear fuel pellet 1, and a metal insulation film 3 made of lanthanum is provided on the entire inside of the temporary volume t2. are loaded in close contact.

上記した実施例によれは、使用中に核燃料ベレット1か
ら放出される核分裂生成物であるヨク索は、まず、ラン
タンと反応してヨウ化ランタン(LaIs)t’影形成
る。一度ヨク化ランタンが形成されると、このヨウ化物
は熱力学的に安定である丸め、例えに、第4図に示すよ
うに、金属保護膜3が部分的に破損して、La134が
ジルコニウムあるいはジルカロイよりなる被覆管2と接
触しても反応せず、被覆管2に応力腐食割れが発生する
のを防止できる。
According to the embodiment described above, the fission products released from the nuclear fuel pellet 1 during use, the fission products, first react with lanthanum to form a lanthanum iodide (LaIs) shadow. Once lanthanum iodide is formed, this iodide is thermodynamically stable.For example, as shown in FIG. Even if it comes into contact with the cladding tube 2 made of Zircaloy, it does not react, and the occurrence of stress corrosion cracking in the cladding tube 2 can be prevented.

第3図は本発明の他の実施例を示す第2図に相当するl
#r面図で、第3図においては、ランタンからなる金属
保111Jig3が41榎管2の内我面よp離しも て装填しである。このように構成しS効果は同一である
FIG. 3 corresponds to FIG. 2 showing another embodiment of the present invention.
In FIG. 3, which is a side view of #r, a metal retainer 111Jig3 made of lanthanum is loaded at a distance from the inner surface of the 41 tube 2. With this configuration, the S effect is the same.

を九、第2図、第3図においては、金属保麟膜3として
ランタンを用いたが、第1図かられかるように、バリウ
ム、セリウム、イツトリウム、ネオジム、プラセオジム
、ストロンチウムまたはそれぞれの合金を用いてもよく
、同一の効果が得られる。
In Figs. 2 and 3, lanthanum was used as the metal barrier film 3, but as can be seen from Fig. 1, barium, cerium, yttrium, neodymium, praseodymium, strontium, or their alloys were used. may also be used to achieve the same effect.

また、金属保llI膜3は被覆管2の内面の一部に設け
るようにしてもよく、ハは崗−の効果が得られる。
Furthermore, the metal retaining film 3 may be provided on a part of the inner surface of the cladding tube 2, and a similar effect can be obtained.

以上説明したように、本発明によれば、被覆管に応力腐
食割れが発生するのを防止できるという効果がある。
As explained above, according to the present invention, it is possible to prevent stress corrosion cracking from occurring in the cladding tube.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

M1図は各榔金属曹つ化物がジルコエラふと反応したと
110生成自由エネルギーとiii*と−の関係を示す
IIi図、第2図は本発明の核燃料要素の一実施例を示
す部分wR面図、第一図線本発明O他O爽應例を示す部
分断面図、第4図はlI2図の金属保麟属が破れて金j
llWり化物が被−管と接触した状態を示す説fIAw
Jである。 1・−核燃料ベレット、2−・被覆管、3・・・フンタ
ン第 1 目 500              JOOO’;A 
膚  (ベラ 第2図 算3 図 l!4  図
Figure M1 is a diagram IIi showing the relationship between the free energy of 110 formation and iii* and - when each metal sulfide suddenly reacts with zircoela, and Figure 2 is a partial wR view showing an embodiment of the nuclear fuel element of the present invention. , Figure 1 is a partial cross-sectional view showing an example of the present invention O and others;
A theory showing the state in which the llW compound is in contact with the tube sheath fIAw
It is J. 1.-Nuclear fuel pellet, 2-.Claying tube, 3...Huntan 1st item 500 JOOO';A
Skin (Vera 2nd Calculation 3 Figure l! 4 Figure

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、ジルコニウムあるいはジルコニウム合金からなる金
属被覆管内に核燃料物質を装填してなる核燃料要素にお
いて、前記被覆管内にジルコニウムおよびジルコニウム
合金と反応せず、かつ、そのヨク化物が使用温度では熱
力学的に安定で、ジルコニウム合金と反応しない金属を
装填しであることを脣做とする核燃料要素。 2、前記被積管内に装填する金属がセリウムかセリクム
合金ま九はランタンかランタン合金またはイツトリウム
かイツトリウム合金またはネオジムかネオジム合金まえ
はプラセオジムかプラセオジム合金またはストロンチウ
ムかストロンチウム合金である特許請求の範囲第1項記
載の核燃料要素。 3、前記被覆管内に装填する金属が前記被積管内の一部
あるいは全面に装填しである特許請求の範囲第1項また
は第2項記載の核燃料要素。 4、前記核燃料喪素讐二酸化ウランまたは二酸化プルト
ニウムあるいはこれらの混合物からなる特許請求の範囲
第1項または第2項または第3項記載の核燃料要素。
[Scope of Claims] 1. A nuclear fuel element in which a nuclear fuel material is loaded into a metal cladding tube made of zirconium or a zirconium alloy, in which the iodine in the cladding tube does not react with the zirconium or the zirconium alloy, and the iocide is present at the operating temperature. The nuclear fuel element is loaded with a metal that is thermodynamically stable and does not react with the zirconium alloy. 2. The metal charged in the tube is cerium, cericum alloy, lanthanum, lanthanum alloy, yttrium, yttrium alloy, neodymium, neodymium alloy, and praseodymium, praseodymium alloy, strontium or strontium alloy. Nuclear fuel element according to item 1. 3. The nuclear fuel element according to claim 1 or 2, wherein the metal loaded into the cladding tube is partially or entirely loaded inside the cladding tube. 4. The nuclear fuel element according to claim 1, 2, or 3, wherein the nuclear fuel element is uranium dioxide, plutonium dioxide, or a mixture thereof.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0450161A2 (en) * 1990-03-05 1991-10-09 Rockwell International Corporation Yttrium and rare earth stabilized fast reactor metal fuel

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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