JPS58216988A - Buried zirconium layer - Google Patents

Buried zirconium layer

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JPS58216988A
JPS58216988A JP58077678A JP7767883A JPS58216988A JP S58216988 A JPS58216988 A JP S58216988A JP 58077678 A JP58077678 A JP 58077678A JP 7767883 A JP7767883 A JP 7767883A JP S58216988 A JPS58216988 A JP S58216988A
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zirconium
cladding
nuclear fuel
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ジヨセフ・サム・アルミ−ホ
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
    • G21C3/16Details of the construction within the casing
    • G21C3/20Details of the construction within the casing with coating on fuel or on inside of casing; with non-active interlayer between casing and active material with multiple casings or multiple active layers
    • 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】 明  の     野 本発明は一般に核分裂炉の炉心に用いる核燃料要素の改
良に関し、さらに詳しくはジルコニウム合金基体と、基
体の内面に冶金結合した非合金化ジルコニウムの障壁と
、ジルコニウム障壁に冶金結合したジルコニウム合金内
層とよりなる複合クラツディング(被覆)容器を有する
改良型核燃料4− 要素に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION This invention relates generally to improvements in nuclear fuel elements for use in the core of nuclear fission reactors, and more particularly to improvements in nuclear fuel elements for use in nuclear fission reactor cores, and more particularly, a zirconium alloy substrate, an unalloyed zirconium barrier metallurgically bonded to the interior surface of the substrate, and a zirconium barrier. An improved nuclear fuel 4-element having a composite cladding vessel comprising a zirconium alloy inner layer metallurgically bonded to a zirconium alloy inner layer.

発  明  の   −景 現在設計され、建造され、また運転されている原子炉に
おいては、核燃料が平板、管または棒のような種々の幾
何形状を有する燃料要素に収容されている。燃料物質は
普通耐食性、非反応性、伝熱性容器またはクラツディン
グに納められる。複数の燃料要素を冷却材流れ領域、即
ちチャンネル内で互に一定間隔で格子状に組立てて燃料
集合体を形成し、そして十分な数の燃料集合体を組合わ
せて、核分裂連鎖反応アセンブリ、即ら自己持続性核分
裂反応を行い得る炉心を構成する。
BACKGROUND OF THE INVENTION In nuclear reactors currently designed, constructed, and in operation, nuclear fuel is contained in fuel elements having various geometries, such as plates, tubes, or rods. The fuel material is normally contained in a corrosion-resistant, non-reactive, thermally conductive container or cladding. A plurality of fuel elements are assembled in a lattice pattern with regular spacing from each other within coolant flow regions, or channels, to form fuel assemblies, and a sufficient number of fuel assemblies are assembled to form a fission chain reaction assembly. A reactor core capable of carrying out self-sustaining nuclear fission reactions will be constructed.

炉心はさらに原子炉容器内に収容され、原子炉容器には
冷却材が流通する。
The reactor core is further housed within a reactor vessel, with coolant flowing through the reactor vessel.

クラツディングは幾つかの目的に役立つ。そのうち2つ
の主要目的を挙げると、第1の目的は、核燃料と冷却材
または減速材が存在する場合にはその減速材または冷却
材および減速材両者が存在する場合にはその両者との間
の接触および化学反応を防止することであり、第2の目
的は、放射性核分裂生成物(一部はガスである)が燃料
から冷II +Jまたは減速材または冷却材および減速
材両者が存在Jる場合にはその両者の中に漏れ出るのを
防止することである。よく用いられるクラツディング材
料はステンレス鋼、アルミニウムとその合金、ジルコニ
ウムとその合金、ニオブ(コロンビウム)、ある種のマ
グネシウム合金などである。
Cladding serves several purposes. The two main objectives are: The first objective is to improve the relationship between the nuclear fuel and the coolant or moderator, if present, or between the coolant and moderator, if both are present. The second purpose is to prevent contact and chemical reactions, and the second purpose is to remove the radioactive fission products (some of which are gases) from the fuel when cooled or a moderator or when both a coolant and a moderator are present. The key is to prevent it from leaking into both of them. Common cladding materials include stainless steel, aluminum and its alloys, zirconium and its alloys, niobium (columbium), and certain magnesium alloys.

クラツディングが破損すると、つまり漏洩防止性が失な
われると、冷却材または減速材および関連システムが放
射性長寿命生成物でプラント運転をさまたげる程に汚染
される恐れがある。
If the cladding fails, i.e., loses leak protection, the coolant or moderator and related systems may become contaminated with radioactive long-lived products to the extent that plant operations are disrupted.

ある種の金属および合金をクラツド材として用いている
核燃料要素の製造および使用に際して、特定の状況下で
のこれらクラツディング材の機械的または化学的反応か
ら幾つかの問題が起っている。ジルコニウムおよびその
合金は正常な条件下では優秀な核燃料クラツディング材
である。ジルコニウムおよびその合金は、中性子吸収断
面積が小さく、約398℃(約750’ F)以下の温
度では、原子炉冷却材および減速材として普通用いられ
る脱塩水またはスチームの存在下でも強く、延性で、非
常に安定でかつ非反応性である。
In the manufacture and use of nuclear fuel elements using certain metals and alloys as cladding materials, several problems arise from the mechanical or chemical reactions of these cladding materials under certain circumstances. Zirconium and its alloys are excellent nuclear fuel cladding materials under normal conditions. Zirconium and its alloys have a small neutron absorption cross section and are strong and ductile at temperatures below about 398°C (about 750'F), even in the presence of demineralized water or steam commonly used as reactor coolants and moderators. , very stable and non-reactive.

しかし、燃料要素の使用につれて、核燃料とクラツディ
ングと核分裂反応中に生成した核分裂生成物との間のか
らみあった相互作用に基づく、クラツディングの脆性割
れの問題が明らかになった。
However, with the use of fuel elements, the problem of brittle cracking of the cladding became apparent due to the entangled interaction between the nuclear fuel, the cladding, and the fission products produced during the fission reaction.

この望ましくない現象が燃料−クラツディング間の膨張
差に基づく局部的機械応力により促進される(クラツデ
ィング中の応力が燃料ペレット界面に、そして時には核
燃料中の亀裂に局在化する)ことを確かめた。この現象
は用語[ペレット−クラツディング相互作用(PCI)
Jで定義されている。腐蝕性核分裂生成物が核燃料から
放出され、燃料ペレット界面とクラツディング表面との
交差部に存在する。か)る核分裂生成物は、原子炉の作
動中の核分裂連鎖反応中に核燃料中に生成する。
We have confirmed that this undesirable phenomenon is promoted by local mechanical stresses due to the differential expansion between the fuel and the cladding (stresses during the cladding are localized at the fuel pellet interface and sometimes at cracks in the nuclear fuel). This phenomenon is described by the term [pellet-clutting interaction (PCI)].
It is defined in J. Corrosive fission products are released from the nuclear fuel and are present at the intersection of the fuel pellet interface and the cladding surface. Such fission products are formed in nuclear fuel during the nuclear fission chain reaction during operation of a nuclear reactor.

密閉燃料要素の中で、クラツディングとその内部の残留
水分との間の遅い反応により水素ガスが発生する。この
水素ガスがある程度まで貯まると、ある条件下ではクラ
ツディングが局部的に水素化7− され、また同時にクラツディングの機械的特性が局部的
に劣化する。ウランデイングは広い温度範囲にわたって
酸素、窒素、−酸化炭素および二酸化炭素などのガスに
よっても悪影響を受ける。核燃料要素のジルコニウムク
ラップインクは原子炉内での照射中に上記ガスの1種以
上および核分裂生成物にさらされ、このことはこれらの
ガスが原子炉冷却材または減速材中に存在せず、またク
ラツディングおよび燃料要素の製造中に周囲雰囲気から
できる限り排除されているにもか)ねらず起る。焼結耐
火およびセラミック組成物、例えば二酸化ウランおよび
核燃料として用いられる他の組成物は、加熱時に、例え
ば燃料要素製造中に測定回″能■の上記ガスを放出し、
またさらに照射中に核分裂生成物を放出する。粒状耐火
およびセラミック組成物、例えば二酸化ウラン粉末およ
び核燃料として用いられる他の粉末は照射中にさらに多
量の上記ガスを放出することが知られている。これらの
放出ガスは核燃料を収容したジルコニウムクラツディン
グと反応し得る。
Within the closed fuel element, hydrogen gas is generated by a slow reaction between the cladding and residual moisture within it. When this hydrogen gas accumulates to a certain extent, under certain conditions, the cladding is locally hydrogenated, and at the same time, the mechanical properties of the cladding are locally degraded. Ulanding is also adversely affected by gases such as oxygen, nitrogen, carbon oxides and carbon dioxide over a wide temperature range. The zirconium crap ink of nuclear fuel elements is exposed to one or more of the above gases and fission products during irradiation in a nuclear reactor, which means that these gases are not present in the reactor coolant or moderator and This always occurs during the cladding and manufacturing of the fuel element, although it is excluded as much as possible from the ambient atmosphere. Sintered refractory and ceramic compositions, such as uranium dioxide and other compositions used as nuclear fuels, when heated, e.g. during fuel element manufacture, emit a measured amount of the above gases;
It also releases fission products during irradiation. Particulate refractory and ceramic compositions, such as uranium dioxide powder and other powders used as nuclear fuels, are known to release even greater amounts of these gases during irradiation. These released gases can react with the zirconium cladding containing the nuclear fuel.

8− 従って、上述したことを考慮すると、燃料要素を原子力
発電所の運転に使用する期間中ずっと、燃料要素の内部
でクラツディングと反応する、水、水蒸気および他のガ
ス、特に水素からのクラツディングの攻撃を最小に抑え
るのが望ましいことがわかる。このような解決策の一つ
は、水、水蒸気および仙のガスと迅速に化学反応してこ
れらをクラツディングの内部から除くことのできる物質
を発見することである。このような物質はゲッターと呼
ばれる。
8- Therefore, in view of the above, during the entire period when the fuel element is used in the operation of a nuclear power plant, there is a possibility that cladding from water, water vapor and other gases, in particular hydrogen, will react with the cladding inside the fuel element. It can be seen that it is desirable to minimize attacks. One such solution is to find materials that can rapidly chemically react with water, water vapor, and gases to remove them from the interior of the cladding. Such substances are called getters.

もう一つの解決策は、米国特許第3,108゜936号
に開示されているように、核燃料物質をセラミックで被
覆して、水分が核燃料物質と接触するのを防止する被覆
法である。米国特許第3゜085.059号に記載され
た燃料要素においては、金属ケーシングに核分裂可能セ
ラミック物質のペレット1個以上を収容し、ガラス質物
質の層をセラミックペレットに結合し、このガラス質物
質層をケーシングと核燃料との間に配してペレットから
ケーシングへの熱伝導を均一に良好に保つ。
Another solution is coating, as disclosed in US Pat. No. 3,108,936, in which the nuclear fuel material is coated with a ceramic to prevent moisture from coming into contact with the nuclear fuel material. In the fuel element described in U.S. Pat. A layer is placed between the casing and the nuclear fuel to maintain uniform and good heat transfer from the pellets to the casing.

米国特許第2,873,238号では、ジャクツ1〜付
きの核分裂可能ウランスラグを金属ケースに入れ、ここ
でのスラグ用の保護ジャケットまたはカバーはジルコニ
ウム−アルミニウム結合層である。米国特許第2,84
9.387号に開示されたジャクツ1〜付き核分裂可能
本体は、核燃料の端部開ロジャケット何ぎ本体部分複数
個よりなり、これら本体部分が予め結合物質の溶融浴に
浸漬されており、ウラン本体部分と容器(ま1ζはクラ
ツディング)との間に効率よい熱伝導結合を形成する。
In US Pat. No. 2,873,238, a fissile uranium slug with jacks 1 is encased in a metal case, where the protective jacket or cover for the slug is a zirconium-aluminum bonding layer. U.S. Patent No. 2,84
The fissionable body with jackets 1 to 1 disclosed in No. 9.387 consists of a plurality of main body parts with open end jackets for nuclear fuel, and these main body parts are immersed in a molten bath of a bonding substance in advance, and the uranium An efficient thermally conductive connection is formed between the main body portion and the container (1ζ is the cladding).

コーティングは良好な熱伝導特性を有する金属合金とし
て開示されており、その例にはアルミニウムー珪素およ
び亜鉛−アルミニウム合金が挙げられている。特公昭4
7−46559号(1972年11月24日公告)には
、個別の核燃料粒子を高密度の滑らかな炭素含有コーテ
ィングで被覆することにより、個別の核燃料粒子を炭素
含有fn 44燃料複合体に固結することが開示されて
いるゎさらに他のコーティングが特公昭47−1420
0号に開示されており、ここでは2群のベレン1〜のう
ち1群のペレットが炭化珪素の層で被覆され、他群のペ
レットが熱分解炭素または金属炭化物の層で被覆されて
いる。
Coatings are disclosed as metal alloys with good thermal conductivity properties, examples of which include aluminum-silicon and zinc-aluminum alloys. Tokuko Showa 4
No. 7-46559 (published November 24, 1972) describes the method of consolidating individual nuclear fuel particles into carbon-containing fn 44 fuel composites by coating the individual nuclear fuel particles with a dense, smooth carbon-containing coating. Another coating is disclosed in Japanese Patent Publication No. 47-1420.
No. 0, in which one group of pellets of two groups of belenes 1-1 is coated with a layer of silicon carbide and the other group of pellets is coated with a layer of pyrolytic carbon or metal carbide.

核燃料物質を被覆すると、欠陥のない均一なコーティン
グを得るのが難しいという意味で信頼性の問題が生じる
。ざらに、コーティングの劣化も、核燃料物質の長寿命
性能と関連して問題となる。
Coating nuclear fuel material presents reliability problems in the sense that it is difficult to obtain a uniform coating free of defects. In addition, coating degradation is also a problem in connection with the long-life performance of nuclear fuel materials.

米国特許出願第330.152号<1973年2月6日
出願)に、核燃料にニオブのような金属を添加すること
により核燃料クラツディングの腐食を防止する方法が開
示されている。添加剤は、後続の燃料加工処理がその金
属を酸化しないならば、粉末の形態とすることができ、
或はまた燃料ペレット中、ペレット周囲またはペレット
間にワイヤ、シートまたは他の形態として燃料要素に導
入することができる。
US Patent Application No. 330.152, filed February 6, 1973, discloses a method for preventing corrosion of nuclear fuel cladding by adding metals such as niobium to nuclear fuel. The additive can be in powder form, provided that subsequent fuel processing does not oxidize the metal;
Alternatively, it can be introduced into the fuel element as a wire, sheet or other form in, around or between the fuel pellets.

刊行物、GEAP−4555(1964年2月刊)にジ
ルコニウム合金とこれに冶金結合したステンレス鋼の内
面ライニングとの複合クラツディングが開示されており
、この複合タラップイングー 11− は、ステンレス鋼の内面ライニングを有するジルコニウ
ム合金の中空ビレットを押出すことによって製造される
。このクラツディングには、ステンレス鋼が脆い相を充
用し、ステンレス鋼層が同じ厚さのジルコニウム合金層
と較べて約10〜15倍の中性子吸収ペナルティを有す
る欠点がある。
Publication GEAP-4555 (February 1964) discloses a composite cladding of a zirconium alloy and a stainless steel inner lining metallurgically bonded thereto; It is manufactured by extruding a hollow billet of zirconium alloy with This cladding has the disadvantage that the stainless steel employs a brittle phase and the stainless steel layer has a neutron absorption penalty of about 10-15 times compared to a zirconium alloy layer of the same thickness.

米国特許第3,502,549号に、ジルコニウムおよ
びその合金を、クロムメッキにより原子炉に有用な複合
材料を形成することによって保護する方法が開示されて
いる。ジルカロイ−2の表面に銅をメッキし、次いでメ
ッキ金属を表面拡散させる目的で熱処理を行う方法がE
 n[!r!Jia  N IC1eare 、 Vo
l、 11. No 、 9 (1964年9月)、5
05〜508頁に記載されている。13 rossaら
の論文[ジルコニウム合金に被着した水素障壁の安定性
と適合性(Stability  and Compa
tibility of l−11−1ydro 3a
rriers Applied to Z ircon
ium’ A 1loys > −1(Europen
  Atomic Energy Community
、 Joint  Nuclear  Re5earc
hCenter 、EUR4098e 、1969)に
、種12− 々のコーティングを堆積する方法とその水素拡散障壁と
しての効能が記載されており、AI −8iコーテイン
グが水素拡散に対するもっとも有望な障壁とされている
。ジルコニウムおよびジルコニウム−錫合金にニッケル
をメッキし、これらの合金を熱処理して合金−拡散結合
を生成する方法が、W 、 C、S chnicker
らの論文[シルコニウムオヨびジルコニウム−錫へのメ
ッキ(E lectroplating on  Zi
rconium and  Zirconium−Ti
n) J(BM I −757、Technical 
 I nformation3ervice、 195
2 )に記載されている。米国特許第3.625,82
1号に開示された二重クラツディング管を有する原子炉
用燃料要素にあっては、クラツディング管の内面が中性
子捕獲断面積の小さい金属、例えばニッケルで被覆され
、可燃性毒物の分散粒子を埋設されている。React
or[) evelopment  p rogram
  p rocess  Report(1973年8
月、ANL−RDP−19)に、ステンレス鋼つラッテ
ィングの内面にクロムの犠牲層を設けた化学的ゲッタ構
造が開示されている。
US Pat. No. 3,502,549 discloses a method of protecting zirconium and its alloys by chromium plating to form a composite material useful in nuclear reactors. E is a method in which the surface of Zircaloy-2 is plated with copper and then heat treated to diffuse the plated metal onto the surface.
n[! r! Jia N IC1eare, Vo
l, 11. No. 9 (September 1964), 5
It is described on pages 05-508. 13 Rossa et al. [Stability and Compatibility of Hydrogen Barriers Deposited on Zirconium Alloys]
tility of l-11-1ydro 3a
rriers Applied to Zircon
ium' A 1loys > -1 (Europen
Atomic Energy Community
, Joint Nuclear Re5earc
hCenter, EUR 4098e, 1969) describes methods for depositing various coatings and their effectiveness as hydrogen diffusion barriers, with AI-8i coatings being identified as the most promising barrier to hydrogen diffusion. A method for plating zirconium and zirconium-tin alloys with nickel and heat treating these alloys to produce alloy-diffusion bonds has been described by W. C. Schnicker.
[Electroplating on Zi]
rconium and Zirconium-Ti
n) J (BM I-757, Technical
Information3service, 195
2). U.S. Patent No. 3.625,82
In the nuclear reactor fuel element having a double cladding tube disclosed in No. 1, the inner surface of the cladding tube is coated with a metal having a small neutron capture cross section, such as nickel, and dispersed particles of a burnable poison are buried therein. ing. React
or[) development program
Process Report (August 1973)
A chemical getter structure in which a sacrificial layer of chromium is provided on the inner surface of a stainless steel ratting is disclosed in ANL-RDP-19).

さらに別の解決法は、核燃料物質とこれを保持するクラ
ツディングとの間に障壁を介在させる方法で、これらの
方法は米国特許第3,230,150@(銅箔)、西ド
イツ国特許DAS1.238.115(チタンN)、米
国特許第3,212゜988号(ジルコニウム、アルミ
ニウムまたはベリリウムのシース)、米国特許第3,0
18,238号(UO2とジルコニウムクラツディング
との間の結晶質炭素の障壁)、および米国特許第3゜0
88.893号(ステンレス鋼箔)に開示されている。
Yet another solution is to interpose a barrier between the nuclear fuel material and the cladding that holds it; these methods are described in U.S. Pat. .115 (titanium N), U.S. Pat. No. 3,212°988 (zirconium, aluminum or beryllium sheath), U.S. Pat.
No. 18,238 (crystalline carbon barrier between UO2 and zirconium cladding), and U.S. Pat.
No. 88.893 (Stainless Steel Foil).

障壁を設ける思想が有望であることはわかったが、これ
らの先行例のあるものは核燃料と不適合な物質(例えば
、炭素は核燃料からの酸素と結合する)、あるものはク
ラツディングと不適合な物質(例えば、銅や他の金属は
クラツディングと反応し、その性質を変える)、またあ
るものは核分裂反応と不適合な物質(例えば中性子吸収
材どして作用づ−る)を用いている。上掲の特許公報の
いずれにも、最近発見された核燃料とクラツディングと
の間の局部的化学的−機械的相互作用の問題の解決策が
掲示されていない。
Although the idea of creating a barrier has shown promise, some of these precedents involve materials that are incompatible with nuclear fuel (e.g., carbon combines with oxygen from nuclear fuel), others with materials that are incompatible with cladding (e.g., carbon combines with oxygen from nuclear fuel), For example, some use materials that are incompatible with fission reactions (e.g., act as neutron absorbers) (copper and other metals react with the cladding and change its properties). None of the above patent publications discloses a solution to the recently discovered problem of local chemical-mechanical interaction between nuclear fuel and cladding.

障壁思想についてのさらに他のアブローヂが米国特許第
3,969,186号および第3,925.151号に
開示されており、前者では耐火金属、例えばモリブデン
、タングステン、レニウム、ニオブおよびその合金を単
層または多重層の管または箔の形態にてまたはコーティ
ングとしてクラツディングの内面に設け、後者ではジル
コニウム、ニオブまたはその合金のライナを核燃料とク
ラツディングとの間に設け、高潤滑性物質のコーティン
グをライナとクラツディングとの間に設けている。
Still other advances on the barrier concept are disclosed in U.S. Pat. in the form of a layer or multilayer tube or foil or as a coating on the inner surface of the cladding, in the latter case a liner of zirconium, niobium or their alloys is provided between the nuclear fuel and the cladding, and a coating of a highly lubricious substance is placed between the liner and the cladding. It is located between Klatsding.

米国特許第4,045,288号に、ジルコニウム合金
基体と、基体に冶金結合した金属障壁と、金属障壁に冶
金結合したジルコニウム合金の内層とよりなる複合クラ
ツディングが開示されている。
No. 4,045,288 discloses a composite cladding consisting of a zirconium alloy substrate, a metal barrier metallurgically bonded to the substrate, and an inner layer of zirconium alloy metallurgically bonded to the metal barrier.

この障壁はニオブ、アルミニウム、鋼、ニッケル、ステ
ンレス鋼および鉄の中から選択される。ニオブ障壁を例
外として、他の物質はずべてジルコニウム合金基体と低
融点共晶層を形成し、予想され15− る冷却材喪失事故に際し望ましくない。
This barrier is selected from niobium, aluminum, steel, nickel, stainless steel and iron. With the exception of the niobium barrier, all other materials form a low melting point eutectic layer with the zirconium alloy substrate, which is undesirable in the event of a predicted loss of coolant accident.

米国特許第4.200.492号に、ジルコニウム合金
基体と非合金化ジルコニウムライナとよりなる複合クラ
ツディングが開示されている。軟らかいジルコニウム合
金チは局部歪を最小にし、応力腐食割れおよび液体金属
脆化を抑制するが、製造時にホーニングなどに基づく損
傷や減損を受【プたり、またクラツディングが破けた場
合には腐食を受ける。
No. 4,200,492 discloses a composite cladding consisting of a zirconium alloy substrate and an unalloyed zirconium liner. Although soft zirconium alloys minimize local strain and suppress stress corrosion cracking and liquid metal embrittlement, they are susceptible to damage and deterioration during manufacturing due to honing, etc., and are susceptible to corrosion if the cladding ruptures. .

従って、上jホした問題を最小に抑制した核燃料要素を
開発することが依然としで望まれている。
Therefore, it remains desirable to develop nuclear fuel elements that minimize the problems discussed above.

発  明  の     6 原子炉の炉心に用いるのに特に有効な核燃料要素・は、
基体と、基体の内面に冶金結合した非合金化ジルコニウ
ム障壁と、ジルコニウム障壁の内面に冶金結合した内層
とよりなる複合クラツディングを具える。このクラツデ
ィングの基体は、その設計および機能の点で従来の原子
炉で慣用のものとまったく変らず、普通のクラツディン
グ材料、例えばジルコニウム合金から選択される。
Invention 6 Nuclear fuel elements particularly effective for use in the core of a nuclear reactor are:
A composite cladding comprising a substrate, an unalloyed zirconium barrier metallurgically bonded to the interior surface of the substrate, and an inner layer metallurgically bonded to the interior surface of the zirconium barrier. The substrate of this cladding does not differ in its design and function from that customary in conventional nuclear reactors and is selected from common cladding materials, such as zirconium alloys.

16− ジルコニウム障壁および内層は基体とクラツディング内
に保持される核燃料物質との間のシールドを形成すると
ともに、基体を核分裂生成物およびガスから遮蔽する。
16- The zirconium barrier and inner layer forms a shield between the substrate and the nuclear fuel material held within the cladding and shields the substrate from fission products and gases.

また内層は燃料から放出される核分裂生成物や燃料要素
内に存在する伯の反応性元素からジルコニウム障壁を遮
蔽する。この遮蔽作用は、反跳核分裂生成物によるか、
または燃わ1要素中に存在する化学元素との反応による
硬化を防止することによって、ジルコニウム障壁が最大
限の純度および延性を維持できるようにする。
The inner layer also shields the zirconium barrier from fission products released from the fuel and other reactive elements present within the fuel element. This shielding effect may be due to recoil fission products;
or by preventing hardening due to reaction with chemical elements present in the combustible element, allowing the zirconium barrier to maintain maximum purity and ductility.

ジルコニウム障壁はクラツディングの厚さの約1〜30
%を占める。クラツディングの厚さの約1未満のジルコ
ニウム障壁は工業生産を行うのが難しく、またジルコニ
ウム障壁をクラツディングの厚さの約30%より厚くし
ても、その厚さの増分に見合った追加利益が得られない
。ざらに、障壁クラツディングの厚さの約30%より厚
くすると、それに応じて基体の厚さが薄くなり、複合ク
ラツディングが弱くなる。
The zirconium barrier is approximately 1 to 30 times the thickness of the cladding.
%. Zirconium barriers less than about 1% of the cladding thickness are difficult to manufacture industrially, and zirconium barriers greater than about 30% of the cladding thickness provide additional benefits commensurate with the increased thickness. I can't do it. In general, increasing the barrier cladding thickness by more than about 30% reduces the substrate thickness and weakens the composite cladding.

内層はクラツディング全厚の1〜10%をなすように形
成するのがよい。この厚さ範囲に特定したのは、管成形
用同時押出および同時減径技術によって製造可能な最小
厚さの内層を得るためである。障壁の純度と内層の遮蔽
効果とに基づいて、障壁は照射中軟らかいま1で、核燃
料要素の内部の局部歪を最小にし、従って基体を応力腐
食割れや液体金属脆化から保護する。内層およびジルコ
ニウム障壁は、核燃料要素の内部に存在する揮発性不純
物または核分裂生成物と反応する優先反応位首を!jえ
、このようにして、障壁およびクラツディングを揮発性
不純物または核分裂生成物の攻撃から保護する作用をな
す。
The inner layer is preferably formed to form 1 to 10% of the total thickness of the cladding. This thickness range was specified in order to obtain the smallest inner layer thickness that could be produced by co-extrusion and co-diameter reduction techniques for tube forming. Due to the purity of the barrier and the shielding effectiveness of the inner layer, the barrier remains soft during irradiation, minimizing local strains inside the nuclear fuel element and thus protecting the substrate from stress corrosion cracking and liquid metal embrittlement. The inner layer and zirconium barrier are the preferred reactive sites for reacting with volatile impurities or fission products present inside the nuclear fuel element! In this way, it serves to protect the barrier and cladding from attack by volatile impurities or fission products.

そのほかに、内層はクラツディング製造中に軟らかい障
壁の減損や損傷を防止するのに有効で、従って加工性を
改善する。さらに、内層は燃料要素破損の場合に障壁を
水性腐食から保護する。
In addition, the inner layer is effective in preventing loss or damage of the soft barrier during cladding manufacture, thus improving processability. Furthermore, the inner layer protects the barrier from aqueous corrosion in case of fuel element failure.

本発明は、クラツディングの基体および障壁が内層によ
って核分裂生成物、腐蝕性ガスなどとの接触から保護さ
れるだけでなく、応力腐食割れおよび液体金属脆化から
保護され、しかもその内層自体は何ら著しい中性子捕獲
ペナルティ、熱伝達ペナルティおよび材料不適合問題を
伴なわない。
The present invention provides that the cladding substrate and barrier are not only protected by the inner layer from contact with fission products, corrosive gases, etc., but also protected from stress corrosion cracking and liquid metal embrittlement, yet the inner layer itself has no significant No neutron capture penalties, no heat transfer penalties, and no material incompatibility issues.

明  の  目  的 本発明の目的は、クラツディングの割れや、クラツディ
ングの腐食や他の燃料破損問題を生じることなく、長期
間にわたって原子炉で使用できる核燃料要素を提供する
ことにある。
OBJECTS OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a nuclear fuel element that can be used in nuclear reactors for extended periods of time without cladding cracking, cladding corrosion or other fuel failure problems.

本発明の伯の目的は、基体と、基体の内面に冶金結合し
たジルコニウム障壁と、ジルコニウム障壁の内面に冶金
結合した内層とよりなる複合クラツディングを具え、こ
れらの冶金結合により基体とジルコニウム障壁間にまた
ジルコニウム障壁と内層間に永続連結部を形成した核燃
料要素を提供することにある。
It is an object of the present invention to provide a composite cladding comprising a substrate, a zirconium barrier metallurgically bonded to the inner surface of the substrate, and an inner layer metallurgically bonded to the inner surface of the zirconium barrier, the metallurgical bond providing a bond between the substrate and the zirconium barrier. It is also an object to provide a nuclear fuel element having a permanent connection between the zirconium barrier and the inner layer.

本発明の上記目的および他の目的は、添付図面を参照し
た以下の説明を読むことにより当業者には容易に理解で
きるであろう。
The above and other objects of the present invention will be easily understood by those skilled in the art after reading the following description with reference to the accompanying drawings.

明  の  詳  述 第1図に核燃料集合体10を一部破断した側面図として
示す。この燃料集合体10はは9正方形19− 断面の管状流れチャンネル11を具え、このチャンネル
の上端に吊り上げペイル12が、また下端にノーズピー
ス(燃料集合体10の下部が省略されているので図示さ
れでいない)が設けられている。チャンネル11の上端
13は開口しており、ノーズピースの下端には冷却材流
れ開口があけられている。燃料要素または燃料棒14の
配列体がチャンネル11内に収容され、そこに上部プレ
ート15および下部プレー1−(下部が省略されている
ので図示されていない)によって支持されている。通常
液体冷却材がノーズピースの下端の開口を経て進入し、
燃料要素14のまわりを上向きに流れ、上部出口13を
経て高温で、沸とう形原子炉の場合には部分的に蒸発し
た状態で、また圧力形原子炉の場合には蒸発してない状
態で出てゆく。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows a partially cutaway side view of a nuclear fuel assembly 10. The fuel assembly 10 has a 9 square 19-section tubular flow channel 11 with a lifting pail 12 at its upper end and a nosepiece (not shown since the lower part of the fuel assembly 10 is omitted) at its lower end. ) is provided. The upper end 13 of the channel 11 is open and the lower end of the nosepiece is provided with coolant flow openings. An array of fuel elements or fuel rods 14 is housed within the channel 11 and supported therein by an upper plate 15 and a lower plate 1- (not shown as the lower part has been omitted). Usually liquid coolant enters through an opening in the lower end of the nosepiece;
It flows upwardly around the fuel element 14 and through the upper outlet 13 at a high temperature and in a partially evaporated state in the case of boiling reactors or in a non-vaporized state in the case of pressure reactors. Go out.

核燃料要素または棒14はその両端でクラツディング1
7に溶接された端栓(エンドプラグ)18によって密閉
され、端栓18には短軸(スタッド)1つを設【プて燃
料棒の集合体への組立てを容易にする。燃料要素14の
一端に空間、即ちプレ20− ナム20を設けて、燃料物質の長さ方向膨張を許し、燃
料物質から放出されるガスを貯められるようにする。空
間20内に螺旋部材の形態の核燃料物質保持手段24を
配置して、特に燃料要素の取扱いおよび輸送中に、ペレ
ット柱を軸線方向移動に対して拘束する。
Nuclear fuel element or rod 14 is cladded 1 at both ends thereof.
The end plug 18 is sealed by an end plug 18 welded to the fuel rod 7 and has a single short shaft (stud) to facilitate assembly of the fuel rods into an assembly. A space or plenum 20 is provided at one end of the fuel element 14 to permit longitudinal expansion of the fuel material and to store gases released from the fuel material. A nuclear fuel material retention means 24 in the form of a helical member is arranged within the space 20 to restrain the pellet column against axial movement, particularly during handling and transportation of the fuel elements.

燃料要素は、クラツディングと燃料物質との熱的接触が
良好で、寄生中性子吸収が最小で冷却材の高速流れによ
り時折中じる反りや振動に耐えるように設計される。
The fuel element is designed to have good thermal contact between the cladding and the fuel material, minimal parasitic neutron absorption, and to withstand occasional warping and vibration caused by high velocity coolant flow.

本発明に従って構成した核燃料要素または棒14を第1
図の断面に示しである。燃料要素は、燃料物質16のコ
アまたは中心円柱部分、本図では核分裂可能物質および
/または親物質の多数の燃料ペレットとして図示した円
柱部分を構造用クラツディングまたは容器17内に配置
してなる。場合によっては、燃料ペレットを円柱または
球形ペレットなど種々の形状とすることができ、また別
の場合には粒子状燃料のような異なる燃料形態を用いる
こともできる。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
化合物およびこれらの混合物を含めて種々の核燃料物質
を使用できる。好適な燃料は二酸化ウランまたは二酸化
ウランと二酸化プルトニウムよりなる混合物である。
A nuclear fuel element or rod 14 constructed in accordance with the present invention is
The figure is shown in cross section. The fuel element comprises a core or central cylindrical portion of fuel material 16, shown here as a number of fuel pellets of fissile material and/or parent material, disposed within a structural cladding or vessel 17. In some cases, the fuel pellets can be of various shapes, such as cylindrical or spherical pellets, and in other cases, different fuel forms can be used, such as particulate fuel. The physical form of the fuel is not important to the invention. A variety of nuclear fuel materials can be used including uranium compounds, plutonium compounds, thorium compounds and mixtures thereof. The preferred fuel is uranium dioxide or a mixture of uranium dioxide and plutonium dioxide.

第2図を参照すると、燃料要素14の中心コアを形成し
ている核燃料物質16はクラツディング17で囲まれて
いる。クラツディング17は本発明においては複合クラ
ツディングとも称される。
Referring to FIG. 2, nuclear fuel material 16 forming the central core of fuel element 14 is surrounded by cladding 17. Cladding 17 is also referred to as composite cladding in the present invention.

複合クラツディング容器は核分裂性コアを、原子炉での
使用中にコアとクラツディング容器との間に隙間26を
残すように囲む。複合クラツディングは通常の燃料クラ
ツディング材料用に選択される外部基体21を有し、本
発明の好適実施例では基体はジルコニウム合金、例えば
ジルカロイ(Z 1rcaloy ) −2またはジル
カロイ−4である。
A composite cladding vessel surrounds the fissile core to leave a gap 26 between the core and the cladding vessel during use in a nuclear reactor. The composite cladding has an outer substrate 21 selected for conventional fuel cladding materials, and in the preferred embodiment of the invention the substrate is a zirconium alloy, such as Zircaloy-2 or Zircaloy-4.

基体21の内周面に非合金化ジルコニウム障壁22が冶
金結合され、従ってジルコニウム障壁22は複合クラツ
ディング内部の核燃料物質16から基体21を遮蔽する
シールドを形成する。ジルコニウム障壁22は複合クラ
ツディングの厚さの約1〜30%をなすのが好ましい。
An unalloyed zirconium barrier 22 is metallurgically bonded to the inner peripheral surface of the substrate 21, such that the zirconium barrier 22 forms a shield that shields the substrate 21 from the nuclear fuel material 16 within the composite cladding. Preferably, the zirconium barrier 22 comprises about 1-30% of the thickness of the composite cladding.

ジルコニウム障壁22の内周面に内層23が冶金結合さ
れ、従って内層23は複合クラツディングの核燃料物質
16にもつとも近い部分を構成づ−る。内層23はクラ
ツディングの厚さの約1〜10%をなすのが好ましく、
通常のクラツディングttA料で形成され、本発明の好
適実施例では、内層はジルコニウム合金、例えばジルカ
ロイ−2またはシルカ[1イー4である。ジルコニウム
障壁は内層23の割れや欠陥を通り抜りた気体状不純物
および核分裂生成物と反応する反応位置どして作用し、
クラツディングの基体部分をか)る不純物や核分裂生成
物との接触や反応から保護し、またペレット−クラツデ
ィング相互作用(PCI )による局部応力およびクラ
ツディングの発生を最小限に抑制する。
An inner layer 23 is metallurgically bonded to the inner peripheral surface of the zirconium barrier 22, so that the inner layer 23 constitutes the closest portion of the composite cladding to the nuclear fuel material 16. Preferably, the inner layer 23 comprises about 1-10% of the thickness of the cladding;
Formed from a conventional cladding TTA material, in the preferred embodiment of the invention the inner layer is a zirconium alloy, such as Zircaloy-2 or Silka[1-4]. The zirconium barrier acts as a reaction site that reacts with gaseous impurities and fission products that have passed through cracks and defects in the inner layer 23,
It protects the base portion of the cladding from contact with and reactions with impurities and fission products, and minimizes the occurrence of local stress and cladding due to pellet-cladding interaction (PCI).

本発明の実施例においては、ジルコニウム障壁層が厚さ
約3ミル、ジルカロイ−2の内層が厚さ約1ミルである
。内層および障壁層のいずれも連23− 続層でなければならない。即ち、穴や継目のない層でな
ければならない。
In an embodiment of the invention, the zirconium barrier layer is about 3 mils thick and the Zircaloy-2 inner layer is about 1 mil thick. Both the inner layer and the barrier layer must be continuous layers. That is, the layer must be free of holes and seams.

本発明の核燃料要素の複合クラツディングは、基体に冶
金結合した非合金化ジルコニウム障壁およびジルコニウ
ム障壁に冶金結合した内層を有する。金属組織学的検査
により、基体とジルコニウム障壁間およびジルコニウム
障壁と内層間に生じている交差拡散が冶金結合を形成す
るのに十分であるが、ジルコニウム障壁自体の純度を著
しく減じる程ではないことを確かめた。また第2図から
れかるように、ジルコニウム障壁は「埋設」ジルコニウ
ム障壁と呼ぶことができる。なぜなら、ジルコニウム障
壁は基体と内層との間にはさまれているからである。
The composite cladding of the nuclear fuel element of the present invention has an unalloyed zirconium barrier metallurgically bonded to the substrate and an inner layer metallurgically bonded to the zirconium barrier. Metallographic examination shows that the cross-diffusion occurring between the substrate and the zirconium barrier and between the zirconium barrier and the inner layer is sufficient to form a metallurgical bond, but not so much as to significantly reduce the purity of the zirconium barrier itself. I confirmed it. As can also be seen from FIG. 2, the zirconium barrier can be referred to as a "buried" zirconium barrier. This is because the zirconium barrier is sandwiched between the substrate and the inner layer.

複合クラツディングにおいて障壁を形成する非合金化ジ
ルコニウムは放射線硬化抵抗性が高く、この特性により
ジルコニウム障壁は長期間の照射後も望ましい構造的特
性、例えば降伏強さおよび硬さを通常のジルコニウム合
金より著しく低いレベルに維持することができる。実際
、ジルコニラ−24= ム障壁は照射時に通常のジルコニウム合金程著しくは硬
化せず、このことが初期の低い降伏強さと相まって、ジ
ルコニウム障壁は出力過渡変動時に塑性変形し燃料要素
内のペレット誘引応力を吸収することができる。燃おl
要素内のペレット誘引応力は、例えば原子炉運転温度(
300〜350℃)で核燃料ペレットが熱膨張および/
または膨潤し、かくしてベレン1〜がクラツディングと
接触することによって生じる。
The unalloyed zirconium that forms the barrier in composite cladding is highly resistant to radiation hardening, and this property allows the zirconium barrier to maintain desirable structural properties, such as yield strength and hardness, even after long-term irradiation, to a greater extent than conventional zirconium alloys. can be maintained at a low level. In fact, the zirconium barrier does not harden as significantly during irradiation as conventional zirconium alloys, and this, combined with its initially low yield strength, causes the zirconium barrier to plastically deform during power transients and to reduce pellet-induced stresses within the fuel element. can be absorbed. burn it
The pellet-induced stress within the element is determined by e.g. the reactor operating temperature (
300-350℃), nuclear fuel pellets undergo thermal expansion and/or
or swelling, thus resulting from contact of berene 1~ with the cladding.

ざらに、クラツディングの厚さの好ましくは約5〜15
%程度のジルコニウム障壁、特に好ましくはクラツディ
ングの10%の厚さの、ジルコニウム合金の外部基体に
結合したジルコニウム障壁により、複合クラツディング
の破損を防止するのに十分な障壁効果と応力軽減とが達
成される。
Roughly, the thickness of the crutching is preferably about 5 to 15
% of the zirconium barrier, particularly preferably 10% of the thickness of the cladding, a zirconium barrier bonded to the outer substrate of the zirconium alloy achieves sufficient barrier effect and stress relief to prevent failure of the composite cladding. Ru.

本発明の原理による好適例では「低酸素海綿」級ジルコ
ニウムを埋設障壁層として用いるが、もっと高い純度の
「結晶棒ジルコニウム」級およびもつと低い純度の「原
子4級海綿」ジルコニウムも使用できる。海綿ジルコニ
ウムの残留不純物はジルコニウム障壁に特別な特性を伺
与する役目を果す。一般に、海綿ジルコニウムには約i
 oo。
A preferred embodiment according to the principles of the invention uses "hypoxic sponge" grade zirconium as the buried barrier layer, but higher purity "crystal rod zirconium" grade and lower purity "quaternary sponge" zirconium can also be used. Residual impurities in sponge zirconium serve to impart special properties to the zirconium barrier. Generally, sponge zirconium contains about i
oo.

ppm以上約5000 ppm未満の不純物が、好まし
くは/I’200+11)In未満の不純物が含まれる
。酸素を約200〜1200111)mの範囲内に維持
するのが好ましい。他の代表的な不純物レベルを以下に
示す。アルミニウム751)l1m以下、ホウ素0.4
ppm以下、カドミウム0.4.f’ll1m以下、炭
素27o ppm以下、り[lム2001)l)m以下
、コバル1〜2o ppm以下、銅501]pm以下、
ハフニウム1100pp以下、水素25111)m以下
、鉄1500ppm以下、マグネシウム20 ppm以
下、マンガン50ppm以下、モリブデン50 DDm
以下、ニッケシフ0IIDm以下、ニオブ1ooppm
以下、窒素80 pl)m以下、珪素1201)11m
以下、錫50 ppm以下、タングステン100111
1m以下、チタン50 pl’1m以下、およびウラン
3.5pl)m以下。
Impurities of greater than or equal to about 5000 ppm, preferably less than /I'200+11)In, are included. Preferably, the oxygen is maintained within the range of about 200-1200111) m. Other typical impurity levels are shown below. Aluminum 751) l1m or less, boron 0.4
ppm or less, cadmium 0.4. f'll 1 m or less, carbon 27 o ppm or less, rim [lm 2001) l) m or less, cobal 1 to 2 o ppm or less, copper 501] pm or less,
Hafnium 1100 ppm or less, hydrogen 25111) m or less, iron 1500 ppm or less, magnesium 20 ppm or less, manganese 50 ppm or less, molybdenum 50 DDm
Below, Nicke Schiff 0IIDm or less, Niobium 1ooppm
Below, nitrogen 80 pl) m or less, silicon 1201) 11 m
Below, tin 50 ppm or less, tungsten 100111
1 m or less, titanium 50 pl'1 m or less, and uranium 3.5 pl' m or less.

海綿ジルコニウムは代表的には、高温大気圧で元素マグ
ネシウムで還元することにより製造される。反応は不活
性雰囲気、例えばヘリウムまたはアルゴン中で行う。
Sponge zirconium is typically produced by reduction with elemental magnesium at elevated temperatures and atmospheric pressure. The reaction is carried out in an inert atmosphere, for example helium or argon.

他の好適実施例では、結晶棒ジルコニウムで形成した埋
設障壁層を用いる。結晶棒ジルコニウムは四ヨウ化ジル
]ニウムの気相分解によって生成する。結晶棒ジルコニ
ウムは一層高価であるが、不純物が少なく、放射線損傷
抵抗性が海綿ジルコニウムより大ぎい。
Another preferred embodiment uses a buried barrier layer formed of crystal rod zirconium. Zirconium crystal rods are produced by gas-phase decomposition of zirconium tetraiodide. Although crystal bar zirconium is more expensive, it has fewer impurities and is more resistant to radiation damage than sponge zirconium.

ジルコニウムの埋設層を使用することにより望ましい製
造上の利点も得られる。管成形から仕上げまでの工程は
管の内側から月利を僅かに取除く傾向がある。相対的に
高価な非合金化ジルコニウムを管壁に埋設することによ
り、製造時に失なわれるのはそれより安いジルコニウム
合金となり、その結果非合金化ジルコニウムを完全に〈
100%)利用できる。さらに、管の内側にできる製造
欠陥は相対的に重要度の低い内層に生じ、代表的には数
ミル厚さしかないジルコニウム障壁の連続性が保証され
る。さらに、合金化ジルコニウム内層は非合金化ジルコ
ニウムの内層付き容器より良好である。その理由は、ジ
ルコニウム合金は、そ27− れより軟らかい非合金化ジルコニウムより機械加T1ホ
ーニングなどが容易であるからである。
The use of a buried layer of zirconium also provides desirable manufacturing advantages. The process from tube forming to finishing tends to remove a small amount of molybdenum from the inside of the tube. By embedding the relatively expensive unalloyed zirconium in the tube wall, the cheaper zirconium alloy is lost during manufacturing, so that the unalloyed zirconium is completely
100%) available. Furthermore, manufacturing defects on the inside of the tube occur in relatively unimportant inner layers, ensuring continuity of the zirconium barrier, which is typically only a few mils thick. Additionally, alloyed zirconium inner layers are better than containers with unalloyed zirconium inner layers. This is because zirconium alloys are easier to machine, such as T1 honing, than softer unalloyed zirconium.

しかし、クラツディング容器の内面に埋設層を設(プた
い場合には、管を最終寸法まで仕上げた後、エツチング
によりジルコニウム合金の内層を除去づることができる
However, if it is desired to provide a buried layer on the inner surface of the cladding vessel, the inner layer of zirconium alloy can be removed by etching after the tube has been finished to final dimensions.

適当な合金基体として役立つジルコニウム合金にはジル
カロイ−2およびジルカロイ−4がある。
Zirconium alloys that serve as suitable alloy substrates include Zircaloy-2 and Zircaloy-4.

ジルカロイ−2は重量基準で約1.5%の錫、0゜12
%の鉄、0.09%のクロムおよび0.005%のニッ
ケルを含有し、水冷原子炉で広範に用いられている。ジ
ルカロイ−4はジルカロイ−2より少量のニッケルを含
有するが、ジルカロイ−2J:り僅かに多量の鉄を含有
する。本発明の核燃料要素に使用する複合クラツディン
グは、次の方法で製造することができる。
Zircaloy-2 is approximately 1.5% tin by weight, 0°12
% iron, 0.09% chromium and 0.005% nickel and is widely used in water-cooled nuclear reactors. Zircaloy-4 contains less nickel than Zircaloy-2, but slightly more iron than Zircaloy-2J. The composite cladding used in the nuclear fuel element of the present invention can be manufactured by the following method.

第1の1j法では、非合金化ジルコニウム障壁月利の管
を基体として選択した月利の中空ビレットに挿入し、内
層として選択した材料の管をジルコニウム障壁管に挿入
し、次いでこの組立体に爆発28− 加工を施こして管をビレットに結合する。複合管を通常
の管シェル押出によって約538〜760°C(約10
00〜1400’F)の高温で押出す。
In the first 1j method, an unalloyed zirconium barrier tube is inserted into a hollow billet of the selected material as the substrate, a tube of the selected material as the inner layer is inserted into the zirconium barrier tube, and then this assembly is Explosion 28- Process and join the tube to the billet. The composite tube is heated to approximately 538-760°C (approximately 10
Extrusion at high temperature (00-1400'F).

次に押出した複合管に、通常の管成形を含む加工を施こ
し、所望の寸法のクラツディングを得る。
The extruded composite tube is then processed, including conventional tube forming, to obtain the desired cladding dimensions.

中空ビレッ1〜、ジルコニウム障壁管および内層管の相
対的壁厚は、完成タラツデイング管に望ましい壁厚比を
実視するように選択する。
The relative wall thicknesses of the hollow billet 1, the zirconium barrier tube, and the inner layer tube are selected to demonstrate the desired wall thickness ratio for the finished tartarding tube.

第2の方法では、非合金化ジルコニウム障壁材料の管を
基体として選択しt= U利の中空ビレットに挿入し、
内層として選択した材料の管をジルコニウム障壁管に挿
入し、次いでこの組立体を圧縮圧力下の加熱工程に供し
、例えば750℃で8時間)、良好な金属−金属接触お
よび管およびビレット間の拡散結合を達成する。拡散結
合した複合管を通常の管シェル押出により、例えば第1
の方法に記載した通りに押出ず。次に押出した複合管に
、通常の管成形を含む加工を施こし、所望の寸法のクラ
ツディングを得る。
In the second method, a tube of unalloyed zirconium barrier material is selected as the substrate and inserted into a hollow billet at t=U;
A tube of the material chosen as the inner layer is inserted into the zirconium barrier tube and the assembly is then subjected to a heating step under compressive pressure (e.g. 750° C. for 8 hours) to ensure good metal-to-metal contact and diffusion between the tube and the billet. Achieve union. The diffusion-bonded composite tube is processed by conventional tube shell extrusion, e.g.
Extrude as described in the method. The extruded composite tube is then processed, including conventional tube forming, to obtain the desired cladding dimensions.

さらに他の方法では、非合金化ジルコニウム障1¥31
の管を基体として選択した月利の中空ビレットに挿入し
、内層として選択した月利の管をジルコニウム障壁管に
挿入し、この組立体を上述したように通常の管シェル押
出によって押出す。次に押出した複合管に、通常の管成
形を含む加工を施こし、所望の寸法のクラツディングを
得る。
In yet another method, unalloyed zirconium alloy 1¥31
The tubing is inserted into the hollow billet of the selected tubing as the substrate, the tubing of the selected tubing as the inner layer is inserted into the zirconium barrier tube, and the assembly is extruded by conventional tube shell extrusion as described above. The extruded composite tube is then processed, including conventional tube forming, to obtain the desired cladding dimensions.

本発明の複合クラツディングを製造する上記方法はいず
れも、メッキや蒸着などのクラツディング製造に用いら
れる他の方法より経済的である。
All of the above methods of manufacturing the composite cladding of the present invention are more economical than other methods used to manufacture cladding, such as plating and vapor deposition.

本発明の核燃料要素を製造する方法においては、基体と
、基体の内面に冶金結合した非合金化ジルコニウム障壁
と、ジルコニウム障壁の内面に冶金結合した内層とより
なる一端の開口した複合クラツディング容器を形成し、
この複合クラツディング容器に核燃料物質を充填し、開
口端側に空所を残し、該空所に核燃料物質保持手段を差
込み、核燃料と連通した空所に封止部材を施こし、次い
でクラツディング容器の端部を封止部材に結合して両者
間に気密シールを形成する。
A method of manufacturing a nuclear fuel element of the present invention includes forming an open-ended composite cladding vessel comprising a substrate, an unalloyed zirconium barrier metallurgically bonded to the inner surface of the substrate, and an inner layer metallurgically bonded to the inner surface of the zirconium barrier. death,
This composite cladding container is filled with nuclear fuel material, a space is left at the open end side, a nuclear fuel material holding means is inserted into the space, a sealing member is applied to the space communicating with the nuclear fuel, and then the end of the cladding container is filled with nuclear fuel material. and a sealing member to form a hermetic seal therebetween.

本発明は、クラツディングの化学的相互作用を軽減し、
クラツディングのジルコニウム合金基体部分にか)る局
部ス1〜レスを最小にし、クラツディングのジルコニウ
ム合金基体部分の応力腐食を最小にし、またペレット−
クラツディング相互作用(PCI)の結果としてジルコ
ニウム合金基体に生じる割れ破損の可能性を軽減するこ
となど、核燃料要素の運転寿命を長くするのに役立つ多
くの利点を有する。本発明はさらに、核分裂生成物とジ
ルコニウム合金基体との直接接触を防止するとともに、
ジルコニウム合金基体への局部応力の発生を防止する。
The present invention reduces the chemical interactions of cluttering,
This minimizes local stress on the zirconium alloy base portion of the cladding, minimizes stress corrosion on the zirconium alloy base portion of the cladding, and minimizes the stress corrosion of the zirconium alloy base portion of the cladding.
It has many benefits that help extend the operational life of nuclear fuel elements, including reducing the potential for crack failure in zirconium alloy substrates as a result of cladding interactions (PCI). The present invention further prevents direct contact between fission products and the zirconium alloy substrate, and
Prevents local stress from occurring on the zirconium alloy substrate.

従って本発明は合金基体中の応力腐食割れの発生または
伝帳を防止する。
Thus, the present invention prevents the occurrence or transmission of stress corrosion cracking in alloy substrates.

非合金化ジルコニウムを埋設障壁として用いることに特
別な利点がある。非合金化ジルコニウムは延性が非常に
よく、応力腐食割れが内層に発生した場合に、割れの伝
帳がジルコニウム障壁で効果的に止められる。非合金化
ジルコニウムでの亀裂の末端の曲率半径がジルコニウム
合金より著しく大きく、これにより伝帳に著しく高い応
力レベルを要するためと考えられる。非合金化シルコニ
31− ラムはヨウ素応力腐食に対する感受性も低く、さらに亀
裂伝帳を阻止する傾向にある。
There are particular advantages to using unalloyed zirconium as a buried barrier. Unalloyed zirconium is very ductile, and when stress corrosion cracking occurs in the inner layer, the propagation of the crack is effectively stopped by the zirconium barrier. This is believed to be because the radius of curvature at the end of the crack in unalloyed zirconium is significantly larger than in zirconium alloy, which requires significantly higher stress levels in the conductor. Unalloyed Silcony 31-ram is also less susceptible to iodine stress corrosion and also tends to resist crack propagation.

本発明の複合クラツディングの重要な特徴は、上述した
改良が何ら中性子ペナルティを追加することなく達成さ
れることである。このようなりラッディングは、冷却祠
喪失事故または制御棒の落下を含む反応度挿入事故の際
に共晶を形成しないので、原子炉に直ちに適用できる。
An important feature of the composite cladding of the present invention is that the improvements described above are achieved without any additional neutron penalty. Such rudding can be readily applied to nuclear reactors since it does not form eutectics in the event of a loss of cooling house accident or a reactivity insertion accident, including a control rod drop.

さらに複合クラツディングは、燃料要素内に別個の箔ま
たはライナを挿入した状況下で生じるような熱伝達に対
する熱障壁を形成しないという意味で熱伝達ペナルティ
をもたない。また本発明の複合クラツディングは、製造
および運転の種々の段階で、通常の非・破壊試験法によ
って検査できる。
Additionally, composite claddings do not have a heat transfer penalty in the sense that they do not create a thermal barrier to heat transfer as would occur in the situation of inserting a separate foil or liner within the fuel element. The composite cladding of the present invention can also be tested by conventional non-destructive testing methods at various stages of manufacture and operation.

当業者にとっては明らかなように、本発明には種々の変
更、改変が可能である。本発明は特許請求の範囲に記載
された限度内でもっとも広い意味で解釈すべきである。
As will be apparent to those skilled in the art, various changes and modifications can be made to the present invention. The invention is to be construed in the broadest sense within the scope of the claims.

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

第1図は本発明に従って構成した核燃料要素を32− 含む核燃料集合体を一部破断して示す側面図で、第2図
は本発明の核燃料要素の拡大横断面図である。 10・・・・・・燃料集合体、 11・・・・・・チャンネル、 14・・・・・・燃料要素、 16・・・・・・核燃料物質、 17・・・・・・クラツディング、 21・・・・・・基体、 22・・・・・・ジルコニウム障壁、 23・・・・・・内層。 特許出願人 ゼネラル・エレクトリック・ノjンパニイ代理人 (7
630)  生 沼 徳 二Fig、1 11 Ft’g−2
FIG. 1 is a partially cutaway side view of a nuclear fuel assembly including 32 nuclear fuel elements constructed in accordance with the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the nuclear fuel element of the present invention. 10... Fuel assembly, 11... Channel, 14... Fuel element, 16... Nuclear fuel material, 17... Cladding, 21 ...Base body, 22 ... Zirconium barrier, 23 ... Inner layer. Patent Applicant General Electric Company Representative (7
630) Raw Numa Toku 2Fig, 1 11 Ft'g-2

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、(a>ウラン、プル1−ニウム、1−リウム化合物
およびこれらの混合物よりなる群から選択される核燃料
物質の本体の中心コア、および(11)前記コアを囲む
細長い複合クラツディング容器を具え、該複合クラツデ
ィング容器が外部基体と、該基体の内面に冶金結合され
、クラツディング容器の厚さの約1〜30%をなす非合
金化ジルコニウムの連続ジルコニウム障壁と、該ジルコ
ニウム障壁の内面に冶金結合され、クラツディング容器
の厚さの約1〜10%をなす連続内層とよりなることを
特徴とする核燃料要素。 2、前記外部基体がジルコニウム合金で形成された特許
請求の範囲第1項記載の核燃料要素。 3、前記内層がジルコニウム合金で形成された特許請求
の範囲第1項記載の核燃料要素。 4、前記ジルコニウム障壁がクラツディング容器の厚さ
の約5〜15%をなす特許請求の範囲第1項記載の核燃
料要素。 5、前記非合金化ジルコニウム障壁が海綿ジルコニウム
である特許請求の範囲第1項記載の核燃料要素。 6、前記非合金化ジルコニウム障壁が結晶棒ジルコニウ
ムである特許請求の範囲第1項記載の核燃料要素。 7、前記核燃料物質がウラン化合物、プル1〜ニウム化
合物およびこれらの混合物よりなる群から選択される特
許請求の範囲第1項記載の核燃料要素。 8、前記核燃料物質が二酸化ウランよりなる特許請求の
範囲第1項記載の核燃料要素。 9、前記核燃料物質が二酸化ウランと二酸化プルトニウ
ムの混合物である特許請求の範囲第1項記載の核燃料要
素。 10、(a>ウラン、プルトニウム、トリウム化合物お
よびこれらの混合物よりなる群から選択される核燃料物
質の本体の中心コア、および(b)前記コアを囲む細長
い複合クラツディング容器を具え、該複合クラツディン
グ容器がジルコニウムおよびジルコニウム合金から選択
される材料で形成され基体を形成する外側部分と、該基
体の内面に冶金結合され、クラツディング容器の厚さの
約1〜30%をなす非合金化ジルコニウムで形成された
連続ジルコニウム障壁と、該ジルコニウム障壁の内面に
冶金結合され、クラツディング容器の厚さの約1〜10
%をなすジルコニウムまたはジルコニウム合金で形成さ
れた連続内層とよりなることを特徴とづる核燃料要素。 11、基体を形成するジルコニウム合金外側部分と、該
基体の内面に冶金結合され、クラツディング容器の厚さ
の約5〜15%をなす非合金化ジルコニウムで形成され
た連続ジルコニウム障壁と、該金属障壁の内面に冶金結
合され、クラツディング容器の厚さの約1〜10%をな
すジルコニウム合金の連続内層とよりなる、原子炉用複
合クラツディング容器。 12、前記非合金化ジルコニウム障壁がクラツディング
容器の厚さの約5〜15%をなす特許請求の範囲第11
項記載の複合クラツディング容器。 13、前記非合金化ジルコニウム障壁が海綿ジルコニウ
ムで形成された特許請求の範囲第11項記載の複合クラ
ツディング容器。 14、前記非合金化ジルコニウム障壁が結晶棒ジルコニ
ウムで形成された特許請求の範囲第11項記載の複合ク
ラツディング容器。 15、ジルコニウムおよびジルコニウム合金から選択さ
れる材料で形成され基体を形成する外側部分と、該基体
の内面に冶金結合され、クラツディング容器の厚さの約
5〜15%をなす非合金化ジルコニウムで形成された連
続ジルコニウム障壁と、該金属障壁の内面に冶金結合さ
れ、クラツディング容器の厚さの約1〜10%をなすジ
ルコニウムまたはジルコニウム合金の連続内層とよりな
る細長い複合クラツディング容器:ウラン、プルトニウ
ム、トリウム化合物およびこれらの混合物から選択され
る核燃料物質よりなり、前記容器内に配置され容器内に
内部空所を残して容器を部分3− 的に充填する中心]ア;前記容器の両端に一体的に固着
および密封された封止部材;および前記空所に配置され
た核燃料物質保持手段を具え、前記クラツディング容器
が前記コアを原子炉での使用中にコアとクラツディング
との間に隙間を残すように囲むことを特徴とする核燃料
要素。 16、ジルコニウム合金の外側基体とジルコニウム合金
の内側ライナとを有する、原子炉に用いるのに適当な核
燃料用中空複合クラツディング容器において、前記外側
基体と内側ライナとの間に冶金結合した非合金化ジルコ
ニウムの障壁層を設(プたことを特徴とする複合クラツ
ディング容器。
Claims: 1. (a> a central core of a body of nuclear fuel material selected from the group consisting of uranium, plu-1-nium, 1-lium compounds, and mixtures thereof; and (11) an elongated body surrounding said core. a composite cladding vessel, the composite cladding vessel having an outer substrate, a continuous zirconium barrier of unalloyed zirconium metallurgically bonded to an interior surface of the substrate and comprising about 1 to 30% of the thickness of the cladding vessel; and the zirconium barrier. 2. A nuclear fuel element comprising a continuous inner layer metallurgically bonded to the inner surface of the cladding vessel and comprising about 1 to 10% of the thickness of the cladding vessel. 2. The outer substrate is formed of a zirconium alloy. The nuclear fuel element of claim 1. 3. The nuclear fuel element of claim 1, wherein the inner layer is formed of a zirconium alloy. 4. The nuclear fuel element of claim 1, wherein the zirconium barrier is about 5-15% of the thickness of the cladding vessel. The nuclear fuel element according to claim 1. 5. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein the unalloyed zirconium barrier is sponge zirconium. 6. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein the unalloyed zirconium barrier is crystal rod zirconium. 7. The nuclear fuel element according to claim 1. 7. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein the nuclear fuel material is selected from the group consisting of uranium compounds, plu-1-nium compounds, and mixtures thereof. 8. 9. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein the nuclear fuel material is uranium dioxide. 9. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein the nuclear fuel material is a mixture of uranium dioxide and plutonium dioxide. 10. (a) a central core of a body of nuclear fuel material selected from the group consisting of uranium, plutonium, thorium compounds, and mixtures thereof; and (b) an elongate composite cladding vessel surrounding said core, the composite cladding vessel comprising zirconium and thorium compounds. a continuous zirconium outer portion formed of a material selected from zirconium alloys and forming a base body, and a continuous zirconium formed of unalloyed zirconium metallurgically bonded to the inner surface of the base body and comprising about 1 to 30% of the thickness of the cladding vessel; a barrier metallurgically bonded to the inner surface of the zirconium barrier and having a thickness of about 1 to 10 times the thickness of the cladding vessel.
A nuclear fuel element characterized in that it consists of a continuous inner layer formed of zirconium or a zirconium alloy comprising %. 11. A zirconium alloy outer portion forming a substrate, a continuous zirconium barrier formed of unalloyed zirconium metallurgically bonded to the inner surface of the substrate and comprising about 5 to 15% of the thickness of the cladding vessel; and the metal barrier. A composite cladding vessel for a nuclear reactor, comprising a continuous inner layer of zirconium alloy metallurgically bonded to the inner surface of the cladding vessel and comprising about 1 to 10% of the thickness of the cladding vessel. 12. Claim 11, wherein said unalloyed zirconium barrier comprises about 5-15% of the thickness of the cladding vessel.
Composite cladding container as described in Section 1. 13. The composite cladding container of claim 11, wherein said unalloyed zirconium barrier is formed from cancellous zirconium. 14. The composite cladding container of claim 11, wherein said unalloyed zirconium barrier is formed of crystal rod zirconium. 15. An outer portion formed of a material selected from zirconium and zirconium alloys and forming a base body, and formed of unalloyed zirconium metallurgically bonded to the inner surface of the base body and comprising about 5 to 15% of the thickness of the cladding vessel. an elongated composite cladding vessel consisting of a continuous zirconium barrier made of metal and a continuous inner layer of zirconium or zirconium alloy metallurgically bonded to the inner surface of the metal barrier and comprising about 1 to 10% of the thickness of the cladding vessel: uranium, plutonium, thorium. A center consisting of a nuclear fuel material selected from compounds and mixtures thereof, disposed within the container and partially filling the container leaving an internal void within the container; a sealing member secured and sealed; and nuclear fuel material retaining means disposed in the cavity, such that the cladding vessel leaves a gap between the core and the cladding during use of the core in a nuclear reactor. A nuclear fuel element characterized by enclosing. 16. A hollow composite cladding vessel for nuclear fuel suitable for use in a nuclear reactor having an outer substrate of a zirconium alloy and an inner liner of a zirconium alloy, wherein unalloyed zirconium is metallurgically bonded between the outer substrate and the inner liner. A composite cladding container characterized by having a barrier layer.
JP58077678A 1982-05-03 1983-05-04 Buried zirconium layer Granted JPS58216988A (en)

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ES521804A0 (en) 1986-12-01
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