JPS58195185A - 改善された耐食性を有するジルコニウム合金隔壁 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 発　　明　　の　　分　　野 本発明は原子炉の炉心において使用すべき燃料要素の改
良に関するもので、更に詳しく言えばジルコニウムおよ
びニオブから成る希薄ジルコニウム合金製の金属ライナ
がジルコニウム合金被覆基体の内面に接合されたような
複合被覆容器を有する改良された燃料要素に関する。

発　　明　　の　　背　　景 現在設計され、建設され、かつ運転されている原子炉に
おいては、板状、管状、棒状などの様々な幾何学的形状
を持った燃料要素中に核燃料が含まれている。かかる核
燃料は、通例、耐食性、非反応性かつ熱伝導性の容器ま
たは被覆材の中に収容されている。かかる燃料要素は冷
却材チャネル内において相互の間隔が一定となるように
組立てられ、こうして得られた燃料集合体を十分な数だ
け組合わせることによって、持続核分裂反応の可能な核
分裂連鎖反応系すなわち炉心が形成される。

このような炉心は原子炉容器内に収容され、そしてその
中に冷却材が流される。

上記の被覆材は幾つかの目的に役立つが、主なものを２
つ挙げれば次の通りである。第一には、冷却材、（減速
材が存在する場合には）減速材または（冷却材と減速材
とが存在する場合には）それら両者と核燃料との接触お
よび化学反応を防止するのに役立つ。第二には、気体状
のものをも含む放射性核分裂生成物が核燃料から冷却材
、減速材またはそれら両者中に放出されるのを防止する
のに役立つ。通常の被覆材としては、ステンレス鋼、ア
ルミニウムおよびその合金、ジルコニウムおよびその合
金、ニオブ（コロンビウム）、ある種のマグネシウム合
金などが挙げられる。被覆材の破損すなわち密閉性の喪
失が起これば、冷却材や減速材および関連系統が長寿命
の放射性核分裂生成物で汚染され、そのために発電所の
運転が妨害されることもある。

ある種の金属および合金を被覆材として使用する燃料要
素の製造および運転に際し、特定の状況下でかかる被覆
材が機械的または化学的な反応を示すことに原因する問
題が見出された。ジルコニウムおよびその合金は、通常
の場合ならば優れた］ 核燃料被覆材である。すなわち、それらは中性子＠　１
５！　［ｒ　１ｌｌｉｉ　＠ｈ＜　／Ｉｓ　ｇ°゛１・
Ｉｊ％、、、５０’　Ｆ　（Ｆ１ａ　９８℃）より低い
温度では強靭で延性に富み、極めて安定であり、かつ原
子炉の冷却材および減速材として通例使用される脱イオ
ン水または水蒸気の存在下でもほとんど反応を起こさな
い。

しかるに、燃料要素の性能を試験したところ、核燃料、
被覆材、および核分裂反応中に生じる核分裂生成物の間
の総合的な相互作用のために被覆材の脆性破損が起こる
という問題が明らかとなった。かかる望ましくない性能
は、核燃料と被覆材との熱膨張の違いに原因した機械的
反応の局在によって助長されることも見出された（なお
被覆材中の反応は核燃料中の割れ目の位置に集中する）
。

他方、核燃料から腐蝕性の核分裂生成物が放出され、そ
して核燃料の割れ目と被覆材の内面との交点に蓄積する
。かかる核分裂生成物は原子炉運転時における核分裂連
鎖反応によって核燃料がら生成されるものである。こう
して核燃料と被覆材との間の摩擦が大きくなる結果、局
部的な応力は一層増大することになる。

密封された燃１要素の内部では、被覆材の内側に残留す
る水と被１材との緩徐な反応によって水′１ 素ガスが発生することがある。このような水素ガ　　　
　１スが蓄積すれば、ある種の条件下では、被覆材の局
部的な水素化およびそれに伴う被覆材の機械的性質の局
部的な劣化が起こり得る。被覆材はまた、広範囲の湯度
下において酸素、窒素、−酸化炭素および二酸化炭素の
ごときガスからも悪影響を受ける。燃料要素のジルコニ
ウム被覆材は、原子炉内における照射に際し、１種以上
の上記ガスや核分裂生成物に暴露される。これは、原子
炉の冷却材や減速材中にかかるガスが存在しなくても、
また被覆材や核燃料の製造に際し周囲雰囲気からかかる
ガスをできるだけ排除しても起こるのである。

核燃料として使用される二酸化ウランペレットなどの焼
結耐火性セラミック組成物は、加熱時にかなりの慢の上
記ガスを放出すると共に、照射に際しては核分裂生成物
を放出する。これらの放出ガスは、核燃料を収容したジ
ルコニウム被覆材と反応する性質を有する。

上記の事実に基づき、原子力発電所の運転のために燃料
要素が使用される期間全体にわたり燃料要素の内部から
被覆材と反応し得る水、水蒸気およびその他のガス（特
に水素）が被覆材に及ぼす作用を低減させることは望ま
しいものと判明した。

そのために考えられた方法の１つは、水、水蒸気および
その他のガスと迅速に化学反応することによってそれら
を被覆材の内部から除去するような物質を探し出すこと
であった。かかる物質はゲッタと呼ばれる。

もう１つの方法は、核燃料物質を各種の材料ぐ被覆する
ことによって水分が核燃料物質に接触するのを防止する
ことであった。しかるに、欠陥のない均一な被膜を得る
ことが困難であるため、核燃料物質の被覆には信頼性の
点で問題がある。その上、被覆の劣化により、核燃料物
質の長期性能に関して問題が起こることもある。

１９６４年２月付の文書ＧＥＡＰ−４５５５中には、ジ
ルコニウム合金に対してステンレス鋼の内張りを冶金的
に接合したものから成る複合被覆材が開示されている。

かかる複合被覆材は、ステンレス鋼の内張りを有する中
空のジルコニウム合金ビレットを押出すことによって製
造される。このような複合被覆材には、ステンレス鋼が
脆性相を生じると共に、ステンレス鋼の層が同じ厚さの
ジルコニウム合金層に比べて約１０〜１５倍の中性子吸
収能を有するという欠点がある。

米国特許第３５０２５４９号明細−中には、ジルコニウ
ムおよびその合金上にクロムを電着させて保護すること
により原子炉用の複合材料を製造する方法が開示されて
いる。［エネルギア・ヌクレアーレ（Ｅｎｅｒｏｉａ　
　Ｎｕｃｌｅａｒｅ　）　Ｊ第１１巻第９号（１９６４
年９月）の５０５〜５０８頁には、ジルカロイ−２の表
面上に銅を電着させ、次いで熱処理によって電着金属の
表面拡散を行わせる方法が記載されている。また、エフ
・プロッサ（Ｆ。

Ｂｒｏｓｓａ　）等の論文「ジルコニウム合金に付加さ
れた水素障壁の安定性および適合性（Ｓ　ｔａｂＮｉｔ
ｙａｎｄ　　Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｙ
ｄｒｏｏｅｎ　ＢａｒｒｉｅｒｓＡｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ
　Ｚ　ｉｒｃｏｎｉｕｍ　　Ａ１１ｏｙｓ　）　Ｊ　　
［Ｅ−。

ツバ原子力共同体（Ｅ　ｕｒｏｐ護−ｐｎ　Ａ　ｔｏｎ
＋ｉｃ　Ｅ　ｎｅｒｇｙＣｏｍｍｕｎｉｔｙ）　、合同
原子力研究センター（Ｊ　ｏｉｎｔＮｕｃｌｅａｒ　　
Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　）　、Ｅ　Ｕ　Ｒ４
０９８ｅ　、１９６９年］中には、各種の被膜の設置方
法および水素拡散障壁としてかかる被覆の効率が記載さ
れ、そして水素の拡散に対する障壁としではＡｌ−８ｉ
ｌ＆膜が最も有望であると述べられている。更に、ダブ
リュー・シー・シックナー（Ｗ。

Ｃ、Ｓ　ｃｈｉｃｋｎｅｒ）等の論文［ジルコニウムお
よびジルコニウム−スズへの電気めっき（Ｅ　ｌｅｃｔ
ｒｏｐｌａｔｉｎｇ　　ｏｎ　　　ｚ　ｉｒｃｏｎｉｕ
ｇ＋　　　ａｎｄ　　ｚ　ｉｒｃｏｎｉｕｍ−Ｔｉｎ）
　　Ｊ［ＢＭｌ−７５７、技術情報サービス（Ｔ　ｅｃ
ｈｎｉｃａｌ　　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　　５ｅｒｖ
ｉｃｅ）　、１９５２年］中には、ジルコニウムおよび
ジルコニウム−スズ合金にニッケルを電気めっきし、次
いで熱処理によって合金拡散接合層を形成する方法が記
載されている。

米国特許第３６２５８２１号明細書中には、中性子捕獲
断面積の小さい金属（たとえばニッケル）およびその中
に保：持された可燃性毒物の分散微粒子から成る被膜省
：内面が被覆された燃料被覆管を具備する原子炉用の燃
料要素が記載されている。

また、１９７３年８月付の［原子炉開発プロゲラ　　　
　ｔム経過報告書（Ｒｅａｃｔｏｒ　　Ｄ　ｅｖｅｌｏ
ｐｉｅｎｔ　　Ｐ　ｒｏａｒａｓ　　Ｐｒｏｇｒｅｓｓ
　　Ｒｅｐｏｒｔ　　）　　Ｊ　　（ＡＮＬ　　−ＲＤ
Ｐ　　−１９）中には、ステンレス鋼被覆材の内面上に
化学ゲッタとして消費されるべきクロム層を配置するこ
とが開示されている。

もう１つの手段は核燃料物質とそれを収容する被覆材と
の間に隔壁を導入することで、かかる手段は米国特許第
３２３０１５０号（銅箔）、強国特許０Ａ８１２３８１
１５号（チタン層）、米国特許第３２１２９８８号（ジ
ルコニウム、アルミニウムまたはベリリウムの鞘）、米
国特許第３０１８２３８号（ＵＯ２とジルコニウム合金
波Ｗｉ材との間に配置された結晶質炭素の隔壁）および
米国特許第３０８８８９３号（ステンレス鋼箔）によっ
て開示されている。隔壁使用の着想は有望であることが
判明したけれど、上記引例中に記載された材料の中には
、核燃料との適合性に欠けているもの（たとえば炭素は
核燃料からの酸素と化合することがある）、被覆材との
適合性に欠けているものくたとえば銅やその他の金属は
被覆材と反応して被覆材の性質を変化させることがある
）、また（たとえば中性子吸収材として作用するため）
核分裂反応との適合性に欠けるものがある。その上、上
記引例のいずれを見ても、核燃料と被覆材との間におけ
る局部的な化学的−機械的相互作用の問題に対する解決
策は開示されていない。

隔壁使用の着想に基づくその他の手段は、米国特許第３
９６９１８６号（モリブデン、タングステン、レニウム
、ニオブおよびそれらの合金のごとき超耐熱金属を単層
もしくは多層の管または箔として使用するか被覆材の内
向上に被膜として使用する方法）および米国特許第３９
２５１５１号（核燃料と被覆材との間にジルコニウム、
ニオブまたはそれらの合金のライナを配置しかつライナ
と被覆材との間に滑性の大きい物質の被膜を配置する方
法）によって開示されている。

米国特許第４０４５２８８号明細書中には、ジルコニウ
ム合金基体、基体に対して冶金的に接合された金属隔壁
、および金属隔壁に対して冶金的に接合されたジルコニ
ウム合金の内層から成る複合被覆材が開示されている。

かかる隔壁の材料はニオブ、アルミニウム、銅、ニッケ
ル、ステンレス鋼および鉄の中から選ばれる。埋設され
た金属隔壁は核分裂生成物および腐蝕性ガスに原因する
腐食を低減させるが、応力腐食割れや液体金属脆化を起
こし易い。

米国特許第４２００４９２号明細書中には、ジルコニウ
ム合金基体および海綿状ジルコニウムライナから成る複
合被覆材が開示されている。かがる軟質のジルコニウム
ライナは局部的な応力を抑制すると共に応力腐食割れや
液体金属脆化を低減させるが、製造時のホーニング加工
などや酸化のために損失を受は易い。その上、被覆材の
破裂が起こって燃料棒中に水および（または）水蒸気が
侵入した場合、かかるジルコニウムライナは急速に酸化
する傾向がある。

このようなわけで、上記、ρ諸問題を解決する燃料要素
を開発することは含、Ｐお望ましいのである。

発　　明　　の、、、：５′・；・−要原子炉の炉心に
おいて特に有効に使用し得る本発明の燃料要素は、基体
の内面に対して冶金的に接合された希薄ジルコニウム合
金ライナを有する複合被覆容器を具備するみのである。

かがる希薄ジルコニウム合金は、約０．１〜約０．５（
重量）％好ましくは約０．２〜約０．４（重量）％のニ
オブおよび残部のジルコニウムから成る。

上記複合被覆容器の基体は原子炉用の従来のものに比べ
形状および機能の点で全く変わりが無いのであって、ジ
ルコニウム合金のごとき通常の被覆材の中から選ばれる
。なお、ジルコニウム合金製の基体は希薄ジルコニウム
合金ライナよりも高い合金成分含量を有する。

このような希薄ジルコニウム合金ライナは、基体とその
中の収容された核燃料物質との間に連続的な隔壁を形成
すると共に、ジルコニウム合金またはその他の基、体材
料を核分裂生成物およびガスから遮蔽するた１めに役立
つ。なお、希薄ジル］二中 ラム合金ライナー複合被覆容器の厚さの約１〜約２０％
を占める。□：１１ かかる希薄ジルコニウム合金ライナは照射時に　　　１
も基体に比べて軟らかい状態に保たれて燃料要素の内側
の局部的な応力を抑制し、それによって基体の応力腐食
割れおよび液体金属脆化を防止するのに役立つ。また、
希薄ジルコニウム合金ライナは燃料要素の内部に存在す
る揮発性不純物や核分裂生成物との優先的な反応部位を
提供し、それによって基体を揮発性不純物や核分裂生成
物の作用から保護するためにも役立つ。

本発明は、希薄ジルコニウム合金ライナによって基体と
核分裂生成物や腐蝕性ガスなどの接触および基体の応力
腐食割れや液体金属脆化が防止さ力＼。

れるばかりでなく、かかるライナ顕著な中性子吸へ 収能、低い伝熱性または燃料−ライナ間の不適合性の問
題をもたらすことがないという大きな利点を有する。そ
の上、複合被覆容器の破裂が起こった場合でも、かかろ
ライナは合金化されていないジルコニウムに比べて熱水
または水蒸気による酸化に対し優れた抵抗性を有する。

発　　明　　の　　説　　明 本発明の上記およびその他の目的は、添付の図面を参照
しながら以下の説明を読めば当業者にと６で自ら明らか
となろう。

先ず第１図を見ると、燃料集合体１０の部分切欠き断面
図が示されている。かかる、燃料集合体１０ははは正方
形の横断面を持った管状のチャネルボックス１１を含ん
でいて、その上端には吊上げ用の取手１２が備わり、ま
たその下端にはノーズピース（燃料集合体１０の下部を
省略したために図示されていない）が備わっている。チ
ャネルボックス１１の上端は出［１１３において開放さ
れており、またノーズ叛ピースの下端には冷却材流通用
の開口が設けられている。チャネルボックス１１内には
１群の燃料要素（または燃料棒）１４が配列され、かつ
上部タイブレート１５および下部タイブレート〈下部省
略のために図示されていない〉によって支持されＣいる
。通例、液体冷却はノーズピース下端の開口から流入し
、燃料要素１４の周囲を上方へ通過し、それから高温と
なって上部の出口１３から流出する。その場合、沸騰水
形原子炉ならば冷却材は部分的に気化した状態にあり、
また加圧水膨原子炉ならば気化しない状態にある。

燃料要素（または燃料棒）１４の両端は、被覆管１７に
溶接された端栓１８によって密封されている。端栓１８
にはまた、燃料集合体中の燃料要素の装着を容易にする
ための支柱１９が備わっていることもある。燃料要素の
一端には空所（またはプレナム）２０が設けられている
が、これは部にはつる巻部材から成る核煙料拗質保持手
段２４が配置されているが、これは特に燃料要素の取扱
いや輸送に際してベレットの軸方向運動を防止するのに
役立つ。

かかる燃料要素は、被覆管と核燃料物質との間１：１ に優れた熱的接触が達成され、寄生的中性子吸収ゾ が最小限に抑えられ、かつ冷却材が高速で流れることに
よって時折生じる弓そりゃ振動が回避され、ｔ、“、、
［・土 るように設計される。　　　′：１ 第１図中には、本発明に従って製造された燃料要素（ま
たは燃料棒）１４が部分断面図として示されている。か
かる燃料要素は核燃料物質１６から成る円柱状の中心芯
体を含むが、この場合の芯体は被覆管１７の内部に配置
された各分裂性物質および（または）燃料親物質から成
る多数の燃料ペレットとして図示されている。場合によ
っては、燃料ペレットが円柱状や球状など各種の形状を
有することがあり、またその他の形態の核燃料（たとえ
ば粒状の核燃料）が使用されることもある。

なお、核燃料の物理的形態は本発明にとって重要でない
。ウラン化合物、プルトニウム化合物、トリウム化合物
およびそれらの混合物を含めた各種の核燃料物質が使用
できるが、好適なものは二酸化ウランまたは二酸化ウラ
ンと二酸化ブルトニウムとの混合物である。

次に第２図を見′ると、燃料要素１４の中心芯体へ′。

を成す核燃料物質、１６は被覆管１７によって包囲され
ているが、本１明においては被覆管１７を複）（・Ｊｌ 金被覆容器と呼ぶことにする。かかる複合被覆容器１７
は、原子炉内゛□での使用に際して芯体と複合　　　　
へ被覆容器との間に空隙２３が生じるようにして核分裂
性の芯材を封入している。複合被覆容器１７はステンレ
ス鋼やジルコニウム合金のごとき通常の被覆材から成る
基体２１を有するが、本発明の好適な実施態様に従えば
基体２１はジルカロイ−２のごときジルコニウム合金か
ら成る。

基体２１の内面には希薄ジルコニウム合金ライナ２２が
冶金的に接合されていて、それにより複合被覆容器内の
核燃料物質１６から基体２１を遮蔽するための連続的な
隔壁が形成される。かかる希薄ジルコニウム合金ライナ
は複合被覆容器の厚さの約１〜約２０％を占めることが
好ましい。なお、本発明中において使用される［希薄ジ
ルコニウム合金」という用語は基体材料よりも大きい延
性が得られるよう十分に低い合金成分含量を持ったジル
コニウム合金を意味する。

複合被覆容器の厚さの約１％よりも薄い希薄ジルコニウ
ム合金ライナは商業的生産において形成することが困難
である一方、複合被覆容器の厚さの約２０％よりも厚い
希薄ジルコニウム合金ライチを用いても追加の利益は得
られない。その上、複合被覆容器の厚さの約２０％より
も厚い希薄ジルコニウム合金ライナを使用すれば、それ
に伴って基体の厚さが減少するために複合被覆容器が弱
くなる可能もある。

かかる希薄ジルコニウム合金ライナは、気体状の不純物
や核分裂生成物との優先的な反応部位として役立ち、複
合被覆容器の基体部分がそのような不純物や核分裂生成
物と接触したり反応したりするのを防止し、かつ局部的
な応力の発生を抑制する。

かかる希薄ジルコニウム合金ライナは、約０゜１〜約０
．５（重量）％好ましくは約０．２〜０４（重量）％の
ニオブおよび残部のジルコニウムから成る。

約０．１〜約０．５（重量）％のニオブを含有する希薄
ジルコニウム合金は、合金化されないジルコニウムに比
べ、熱水や水蒸気との接触による腐食または酸化に対し
て抵抗性の増大を示す。約０．１（軍部）％未満のニオ
ブを含有する−８簿ジルコニウム合金は耐食性の顕著な
増大を示さないばかりでなく、商業的生産において得る
ことが困難である。

約０．１〜約０．５（重量）％の範囲内では、ニオブは
ジルコニウム中に可溶である。ニオブの溶解性のために
多少の固溶体強化が起こることは確かであるが、その程
度は希薄ジルコニウム合金がペレットと被覆管との相互
作用に原因する燃料棒の破損を防止することを妨げるほ
どではない。

約０．５（重量）％を越えるとニオブは析出物を生じる
から、ジルコニウム合金の強度は増大し、そしてその延
性または塑性は著しく減少する。それ故、希薄ジルコニ
ウム合金が高度の延性および放射線硬化に対する抵抗性
を保持し、それにより長期の照射後にも希薄ジルコニウ
ム合金ライナの望ましい椛造特性（たとえば耐力や硬度
）が通常のジルコニウム合金よりもかなり低いレベルに
雑：１ 持されるようにするためには、約０．５（重＠）；、：
゛・：、 ％の上限を守ることが好ま、しい。実際上、かかる６′
・覧。

希薄ジルコニウム合金は照射を受けた場合でも通常のジ
ルコニウム合金はどには硬化しない。このような事実お
よびそれの耐りが元来小さいという事実に基づけば、か
かる希薄ジルコニウム合金ライナが容易に塑性変形を受
け、従ってペレットにより被覆管中に誘発された応力を
除去し得ることがわかる。このような応力は、たとえば
、原子炉の運転′４Ａｒ！Ｉ（３００〜３５０℃）にお
ける燃料ペレットの膨張の結果としてペレットが被覆管
に接触することによってもたされることがある。

約０．２〜約０．４　＜ｍｌ）％のニオブを含有する希
薄ジルコニウム合金ライナは、好ましい組合せの耐食性
および延性を示すため特に好適である。ジルコニウム中
のニオブ含量が約０．２（重量）％より低くなると、そ
の耐食性は海綿状ジルコ１ニウムの耐食性に接近し始め
る。長期間にねたる燃料要素の＾温暴露に際してもジル
コニウム合金ライナが固溶前限度内にあり、それによっ
て延性が持続するよ毛にするためには、約０．４（重、
１１゜ 吊）％の最大ニオＹ含量を守ることが特に好ましい。

このように、約０．１〜約０．５（重量）％好　　　　
Ｘましくは約０．２〜約０．４（重量）％のニオブを含
有しかつ得られる複合被覆容器の厚さの約１〜２０％好
ましくは約５〜１５％を占める希薄ジルコニウム合金ラ
イナを通常のジルコニウム合金から成る基体に接合すれ
ば、耐食性（特に被覆管が破裂した場合に見られるよう
な熱水や水蒸気による酸化に対しての抵抗性）の改善と
共に応力の低減が得られるのである。

ニオブと合金化されるジルコニウム金属の純度は重要で
あって、これは希薄ジルコニウム合金ライナに特定の性
質を付与する目的に役立つ。一般的に古えば、かかるジ
ルコニウム金属中には少なくとも１０００ｐｐＩ１１か
つ５０００９０１未満好ましくは４２００ｐｐｍの不純
物が存在するものとする。

その内、酸素の含量は約１０００１）ｐＨまでであれば
よい。

本発明の燃料要素の複合被覆容器は、基体に対して冶金
的に接合された希薄ジルコニウム合金ライナを含んでい
る。金属組織学的検査によれば、基体と希薄ジルコニウ
ム合金ライナとの間に相互拡散の起こっていることがわ
かる。かかる相互拡散の程度は両者間に金属学的結合を
生み出すのに十分なものであるが、希薄ジルコニウム合
金ライナ自体との顕著な合金化をもたらすほどではない
。

基体として適する通常のジルコニウム合金の中には、ジ
ルカロイ−２およびジルカロイ−４がある。ジルカロイ
−２は約１．５（重量）％のスズ、０．１２＜重量）％
の鉄、０．０９　（重量）％のクロムおよび０．００５
　（重量）％のニッケルを含有するもので、水冷却形原
子炉において広く使用されている。ジルカロイ−４はジ
ルカロイ−２よりもニッケル含量が少ないが、鉄含量は
やや多い。本発明の燃料要素において使用される複合被
覆容器は、下記のような方法のいずれかによっ−Ｃ製造
することができる。

１つの方法によれば、基体用として選ばれた中空のビレ
ット内に希薄ジルコニウム合金ライナ材料製の管が挿入
され、次いでかかる管ビレットに対して爆発接合される
。こうして得られた複合物が約１０００〜１４００”Ｆ
（約５３８〜７６０℃）の高温下で通常の管材押出法に
従って押出される。次に、通常の管絞り操作を含む工程
において押出し後の複合物を処理すれば所望の被覆管方
法が達成される。なお、中空のビレットおよび希薄ジル
コニウム合金ライナ材料の管の相対的な肉厚は、完成後
の被覆管において所望の肉厚比が得られるように選ばれ
る。

別の方法によれば、基体用として選ばれた中空のビレッ
ト内に希薄ジルコニウム合金ライナ材料製の管が挿入さ
れる。次いで、かかる集合体に圧縮応力下で（たとえば
７５０℃で８時間の）加熱操作をＷＡｔことにより、管
とビレットとの良好な金属間接触および拡散接合が実現
される。拡散接合後の複合物は、上記のごとき通常の管
材押出法に従って押出される。次に通常の管絞り操作を
含む工程において押出し後の複合物を処理すれば所、。

□□□□ゎ誓１・・１゜ 更に別の方法によれば、基体用として選ばれた中空のビ
レット内に８薄ジルコニウム合金ライナ材料製の管が挿
入され、次いでかかる集合体が上記のごとき通常の管材
押出法に従って押出される。

次に、通常の管絞り操作を含む工程において押出し後の
複合物を処理すれば所望の被覆管寸法が達成される。

本発明の複合被覆容器を製造するための上記方法は、被
覆管を製造するためのその他の方法〈たとえば電気めっ
きや蒸着）よりも経済的である。

燃料要素の製造に当っては、基体およびその内面に対し
て冶金的に接合された希薄ジルコニウム合金ライナから
成りかつ一端の開いた複合被覆容器が用意される。かか
る複合被覆容器に核燃料物質を充填し、開放端には空所
を残し、その空所内に核燃料物質保持手段を挿入し、空
所を核燃料物質と連絡する状態に保ちながら複合被覆容
器の開放端に閉鎖手段を配置し、次いで複合被覆容器の
端１１・ 部に閉鎖手段を接・・合して両者間を密封すれば、完成
した燃料要素が“：□：１・得られる。

１１１（ 本発明は、燃料要素の使用寿命の延長をもたらす幾つか
の利点を有している。かかる利点として　　　　ｔは、
複合被覆容器の化学的相互作用の低減、複合被覆容器の
ジルコニウム合金基体部分における局部的応力の抑制、
複合被覆容器のジルコニウム合金基体部分における応力
腐食の抑制、およびジルコニウム合金基体において破裂
損傷が起こる可能性の低下が挙げられる。

基体における応力の低減および応力腐食の抑制に加えて
、希薄ジルコニウム合金ライナは複合被覆容器が破裂し
た場合でも水蒸気や熱水による酸化に対して抵抗性を示
す。それに対し、合金化されないジルコニウムはこのよ
うな条件下では極めて急速に酸化する。かかる希薄ジル
コニウム合金は合金化されないジルコニウムと同様な塑
性を有しており、しかもそのような利点は耐食性（特に
熱水や水蒸気による酸化に対しての抵抗性）の増大と共
に得られるのである。

本発明の複合被覆容器の重要な特性の１つは、上記の改
善が中性子吸収能の実質的な増大なしに達成されること
である。かかる複合被覆容器はまた、冷却材喪失事故や
燃料・棒落下事故に際して共融合金の生成をもたらすこ
とがないから、原子炉においで容易に受入れられるもの
である。更にまた、燃料要素内に独立した箔やライナを
挿入した場合に見られるような熱伝達に対する障壁が存
在しないため、かかる複合被覆容器がもたらす伝熱性の
低下は極めて小さい。その上、本発明の複合被覆容器は
製造および運転の様々な段階において通常の非破壊試験
法により検査することができる。

当業者にとっては自明の通り、本明細書中に記載された
本発明の実施態様には様々な変更や修正を施すことがで
きる。それ故、本発明は前記特許請求の範囲に示された
精神および範囲に沿って最も広義に解釈すべきである。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に従って製造された燃料要素を含む燃料
集合体の部分切欠き断面図、そして第２図は本発明を説
明するために第１図中の燃料要素を拡大して示す横断面
図である。 図中、１０は燃料集合体、１１はチャネルボックス、１
４は燃料要素、１５は上部タイブレート、１は基体、２
２は希薄ジルコニウム合金ライナ、そして２３は空隙を
表わす。 特許出願人ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ代理
人　　（）６３ｏ）　　生　沼　徳　二・、７・１ ：（ Ｆｉｇ、Ｉ　　　　　　　　　　　　　　　’ｊ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（Ａ）ウラン化合物、プルトニウム化合物、トリウ
   ム化合物およびそれらの混合物から成る群より選ばれた
   核燃料物質の中心芯体並びに（Ｂ）前記芯体を包囲する
   細長い複合被覆容器から構成されていて、前記複合被覆
   容器は（ａ）基体を形成する外側部分および（ｂ）ジル
   コニウムとニオブとから成りかつ前記基体の内面に対し
   て冶金的に接合された希薄ジルコニウム合金ライナを有
   し、しかも前記希薄ジルコニウム合金ライナは前記複合
   被覆容器の厚さの約２０％を占めることを特徴とする燃
   料要素。 ２、前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０゜１〜約０
   ．５（重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムから
   成る特許請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ３、前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０゜２〜約０
   ．４（重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムから
   なる特許請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ４、前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合被覆容
   器の厚さの約５〜約１５％を占める特許請求の範囲第１
   項記載の燃料要素。 ５、（ａ）基体を形成するジルコニウム合金の外側部分
   および（ｂ）ジルコニウムとその中に溶解したニオブと
   から成りかつ前記基体の内面に対して冶金的に接続され
   た希薄ジルコニウム合金ライナから構成されていて、前
   記希薄ジルコニウム合金ライナは得られる複合被覆容器
   の厚さの約５〜約１５％を占めることを特徴とする原子
   炉用の複合被覆容器。 ６、前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０゜１〜約０
   ．５（重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムから
   成る特許請求の範囲の複合被覆容器。 ７、前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０゜２〜約０
   ．４　（重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムか
   ら成る特許請求の範囲第５項記載の複合被覆容器。 ８、（ａ）基体を形成するジルコニウム合金の外側部分
   および（ｂ）約０．１〜約０．５（重量）％のニオブと
   残部のジルコニウムとから成りかつ前記基体の内面に対
   して接合された希薄ジルコニウム合金ライナから構成さ
   れることを特徴とする複合被覆容器。 ９、前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０゜２〜約０
   ．４（重量）％のニオブと残部のジルコニウムとから成
   る特許請求の範囲第８項記載の複合被覆　器。 １０、前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合被覆
   容器の厚さの約１〜約２０％を占める特許請求の範囲第
   ８項記載の複合被覆容器。 １１、前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合被覆
   容器の厚さの約５〜約１５％を占める特許請求の範囲第
   ８項記載の複合被覆容器。 １２、（Ａ）細長い複合被覆容器、（Ｂ）ウラン化合物
   、プルトニウム化合物、トリウム化合物およびそれらの
   混合物から成る群より選ばれ、前記複合被覆容器内に配
   置されたその内部に空所を残しながら前記複合容器を部
   分的に満たし、かつ原子炉内での使用に際し前記複合被
   覆容器との間に空隙が生じるように前記複合被覆容器に
   よって包囲された核燃料物質の中心芯体、（Ｃ）前記複
   合被覆容、Ｓの両端に対して一体的に固定された閉鎖、
   、）手段並びに（Ｄ）前記空所内、、１．１ に配置された−１、燃料物質保持手段から構成されてい
   て、前記複合被覆容器は＜ａ　＞ジ　　　　　１ルコニ
   ウム合金から成りかつ基体を形成する外側部分および（
   ｂ）約０．１〜約００５（重量）％のニオブと残部のジ
   ルコニウムから成りかつ前記基体の内面に対して冶金的
   に接合された連続的な希薄ジルコニウム合金ライナを有
   し、しかも前記希薄ジルコニウム合金ライナは前記複合
   被覆容器の厚さの約５〜約１５％を占めることを特徴と
   する燃料要素。 １３、前記希薄ジルコニウム合金ライナが約０゜２〜約
   ０．４（重量）％のニオブおよび残部のジルコニウムか
   ら成る特許請求の範囲第１２項記載の燃料要素。 １４、（ａ）ジルコニウム合金から成る外側の基体およ
   び（ｂ）前記基体の内面に対して冶金的に接合されかつ
   得られる複合被覆容器の厚さの約１〜約２０％の範囲内
   の厚さを有する内側の保護ライナから構成された、原子
   炉で使用すべき核燃料用の中空の複合被覆容器において
   、前記ライナが約０．１〜約０．５（重ｉ）％のニオブ
   および残部のジルコニウムから本質的に成る希薄ジルコ
   ２９６合金ライナであることを特徴とする複合被覆容器
   。 １５、前記希薄ジルコニウム合金ライナが約Ｏ１斗 ２〜約０．＼（重量）％のニオブおよび残部のジルコニ
   ウムから成る特許請求の範囲第１４項記載の複合被覆容
   器。 １６、前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合被覆
   容器の厚さの約５〜約１５％の範囲内の厚さを有する特
   許請求の範囲第１４項記載の複合被覆容器。 １７、（ａ）基体を形成するジルコニウム合金の外側部
   分および（ｂ　）前記基体の内面に対して冶金的に接合
   された希薄ジルコニウム合金ライナから構成されていて
   、前記希薄ジルコニウム合金ライナはジルコニウムとそ
   の中に溶解したニオブとから本質的に成りかつ前記基体
   よりも低い合金成分含量を有することを特徴とする複合
   被覆容器。 １８、前記希薄ジルコニウム合金ライナのニオブ含量が
   約０．１〜０．５（重鎖）％の範囲内にある特許請求の
   範囲第１７項記載の複合被覆容器。 １９、前記希薄ジルコニウム合金ライナのニオブが約０
   ．２〜０．４（重量）％の範囲内、　　にある特許請求
   の範囲第１７項記載の複合被覆容器。 ２０、前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合被覆
   容器の厚さの約１〜約２０％の範囲内の厚さを有する特
   許請求の範囲第１７項記載の複合被覆容器。 ２１、前記希薄ジルコニウム合金ライナが前記複合被覆
   容器の厚さの約５〜約１５％の範囲内の厚さを有する特
   許請求の範囲第１７項記載の複合被覆容器１．。 ２２、（ａ）基体を形成す、るジルコニウム合金゛°。 の外側部分および＜　ｔ！、、、、、」）、前記基体の
   内面に対して冶金的に接合されたジルコニウム合金ライ
   ナから構成されていて、前記ジルコニウム合金ライナは
   ジルコニウムとその中に・溶解したニオブとから成りか
   つ前記基体よりも低い合金成分含量を有し、しかも前記
   ジルコニウム合金ライナは得られる複合被覆容器の厚さ
   の約５〜約１５％を占めることを特徴とする複合被覆容
   器。 ２３、前記ジルコニウム合金ライナが約０．１〜約０．
   ５（重ω）％のニオブおよび残部のジルコニウムから成
   る特許請求の範囲第２２項記載の複合被覆容器。 ２４、前記ジルコニウム合金ライナ約０．２〜約０．４
   （重Ｉ）％のニオブおよび残部のジルコニウムから成る
   特許請求の範囲第２２項記載の複合被覆容器。 ２５、（ａ）基体を形成するジルコニウム合金の外側部
   分並びに（ｂ）約０．１〜約０゜５（重量）％あニオブ
   および残部のジルコニウムから、、、１１うかつ前記基
   体の内面に対し、Ｉ：ｔ。 て接合されたジルコニウム合金ライナから　　　　　１
   構成されることを特徴とする複合被覆容器。 ２６、前記ジルコニウム合金ライナが約０．２〜約０．
   ４（重ｉ１）％のニオブおよび残部のジルコニウムから
   成る特許請求の範囲第２５項記載の複合被覆容器。 ２７、前記ジルコニウム合金ライナが前記複合被覆容器
   の厚さの約１〜約２０％を占める特許請求の範囲第２５
   項記載の複合被覆容器。 ２８、前記ジルコニウム合金ライナが前記複合被覆容器
   の厚さの約５〜約１５％を占める特許請求の範囲第２５
   項記載の複合被覆容器。