JPS5826560B2 - 核燃料要素 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は核燃料要素に係り、特に被覆管内に装填された
燃料内部に存在する水分および水素ガスなどの有害成分
を効率良く吸蔵し、かつ水分吸蔵初期に於ても水素ガス
の放出を低減させ、さらに水蒸気を過多に吸蔵した場合
にも水素ガスを放出し難いモイスチャーゲツターを装着
した該燃料要素に関する。

ジルコニウム合金にて被覆して成る核燃料要素において
発生する被覆管の破損事故は、燃料ペレットに含まれて
いる水分および水素ガスが被覆管と反応し被覆管の材料
中に水素化物を作ることによる水素脆化が原因の１つで
あった。

これに対して、被覆管材料中に水素化物を作ることを抑
制する方策の１つとしてモイスチャ・ゲッターを被覆管
内部に装着する方法が採用されている。

例えば特開昭４７〜６９５３号公報に開示されたもので
は約３〜１２重量％のニッケル（Ｎｉ）、約３〜３０重
量％のチタン（Ｔｉ）および残部ジルコニウム（Ｚｒ）
から成る合金と高温の包囲領域内の水素およびガスとを
接触させることにより、前記包囲領域内の水分およびガ
ス含有量を調整する方法である。

しかるに従来のこのような化学的に活性な合金からなる
モイスチャ・ゲッターを装着した核燃料要素には次のよ
うな改良すべき不都合な事象が存在した。

すなわち、（１）被覆管内部に設置するモイスチャ・ゲ
ッターが高温包囲領域内で水分と接触する際、ゲッター
合金表面は直ちに酸化され過渡的現象として水素を遊離
する。

ゲッターは水素との反応も活性である為、遊離した水素
をしばらくの後、再び吸蔵するのであるが、例えば６０
〜１００μ厚さの従来のゲッターでは約１０〜３０ｍ９
７？の吸蔵量に達するまでは所望されざる放出水素は高
温包囲領域に遊離して存在する。

被覆管内にモイスチャ・ゲッターを装着するのは前述の
ごとく燃料ペレットに含まれている水分および水素ガス
を吸蔵させて被覆管の水素脆化を抑制することが目的で
あるので少量であっても吸蔵初期に水素を遊離すること
は望ましいことではない。

（２）燃料棒の乾燥脱ガス処理方法が進歩して最近では
燃料棒に残留する水分は徐々に減少して高高数■となっ
た、しかしながら燃料棒稼動初期においては極めて速や
かにモイスチャ・ゲッターが残留水分を吸蔵することが
要求されている。

上記モイスチャ・ゲッターもかなりの速やさで水分及び
有害ガスを吸蔵するのであるが、被覆管の水分および水
素ガスによる水素脆化を完全に抑制するには使用初期に
おける吸蔵速度が特に問題であり、従来のモイスチャ・
ゲッターではこれを達成することが不可能であった。

（３）燃料棒稼動中、本来起こるべきではない被覆管の
微視的欠陥による水分浸入事故が起こったときを想定す
る。

水分の燃料棒内への侵入は徐々に進行すると燃料棒に装
填されたモイスチャ・ゲッターはこの侵入水分を吸蔵す
るが、約８０■／ｉ以上の水分を吸蔵するとそれ以上は
水素を吸蔵できず酸素とだけ反応を起こし、所望されざ
る水素を逆に放出する。

水分とゲッターとの反応が継続する限り、所望されざる
水素は燃料棒内高温包囲領域内に蓄積することになり該
蓄積水素は被覆管の水素脆化を誘起する。

微視的欠陥による水分侵入事故はモイスチャー・ゲッタ
ーを燃料棒に装填することにより防止することは不可能
であるが、水分を多量に吸蔵しても所望されざる水素を
放出し難いゲッターを燃料棒内に装着することにより、
被覆管の寿命を延ばすことができる。

これら従来のゲッターに観られる改良すべき不都合な事
象を解消すべく現在までに種々の方法が提案されている
。

例えば特開昭５１−１２４７９５号公報に記載の技術内
容では水蒸気吸蔵初期に於ける水素発生を防止するため
にＺｒ２Ｎｉのみから成るゲッター合金を提案している
。

ところが特開昭５１−１２４７９５号公報に提案された
Ｚｒ２Ｎｉは非常に脆い性質を有し加工が困難であるば
かりでなく、性能にばらつきが多く、活性化する為に高
温保持を必要とする欠点があった。

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、従来のゲッ
ター合金よりニッケル含有量を増加させたゲッター合金
からなるモイスチャーゲツターを被覆管内に装着するこ
とにより、（１）水分吸蔵初期に所望されざる水素の発
生を低減させること、（２）水分吸蔵速度を向上させる
こと、（３）水分の過吸蔵によっても水素の発生が極め
て少なく微視的欠陥の生じた被覆管による燃料棒の寿命
を長びかせることを目的とした核燃料要素を提供するこ
とにある。

すなわち、被覆管内にウラン、プルトニウムなどの核燃
料が収態された核燃料要素において、重量％で１３〜１
４％のニッケルを含むジルコニウム−チタン−ニッケル
合金でＺｒ２Ｎｉとα−Ｚｒ（Ｔｉを固溶）の二相から
成る合金すなわち第１図Ａ、Ｂ、Ｃの範囲で包囲された
領域の成分比から成る合金を粉砕して鞘に充填したモイ
スチャ・ゲッターを被覆管内に装着したことを特徴とす
る核燃料要素である。

本発明に於て使用するモイスチャーゲツターは構成する
合金元素のニッケル含有量を従来のゲッター合金より増
加させることにより戒り立っており、核燃料被覆管内に
該ゲッターと設置し、高温包囲雰囲気内で水分と接触し
た場合、（１）初期において水素の放出が極めて少ない
こと、（２）従来ゲッターの数倍の吸蔵速度で水分を吸
蔵すること、（３）且つ、多量に水分を吸蔵したときに
も水素の放出が少なく、その結果、被覆管は水分および
水素ガスと接触することが防止され、被覆管の水素脆化
は防止される。

第１図は本発明の核燃料要素に使用するゲッターの合金
成分の範囲を示す三角図表である。

三角図表のそれぞれの辺に、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニ
ッケル（Ｎｉ）およびチタン（Ｔｉ）の重量％を表示し
、ジルコニウム−ニッケルーチタン合金の１種類の成分
が図表中１点に対応する。

図中、本発明の核燃料要素に使用するゲッターはニッケ
ルが重量で１３％、チタンが重量で約５０％、残部ジル
コニウムなる成分を表わす点Ａ、ニッケルが重量で１３
％、チタンがＯ＋％、残部ジルコニウムなる成分を表わ
す点Ｂ１ニッケルが重量で２４％、チタンが０＋％、残
部ジルコニウムなる水分を表わす点Ｃの三点に包囲され
た領域りなる成分比から放り立っている。

Ａ点はＺｒ、Ｎｉとα−Ｚｒ（Ｔｉを固溶せず）とが重
量比で約１：１存在する点、Ｃ点はＺｒ２Ｎｉ単−相の
点を表わし、直線ＡＢで表わされた領界はＡからＢに成
分を変えると、即ちＮｉを重量％で１３％に保持したま
ま、Ｔｉを重量で約５０％から０％まで減少すると、Ｚ
ｒ２Ｎｉ相とα−Ｔｉ相とが重量比で約１＝１を保持し
たままα−Ｔｉ相のＺｒの固溶量を増加しつつα−Ｚｒ
相に至る領界を示す。

直線ＡＣで表わされた領界はＡからＣに成分を変えると
Ｚｒ２Ｎｉ相とα−Ｔｉ相（Ｚｒを固溶せず）とが重量
比で約１：１からα−Ｔｉ相を減少しつつ、Ｚｒ２−Ｎ
ｉ単−相に至る。

直線ＢＣで表わせる領界はＢからＣに成分を変えるとＺ
ｒ２Ｎｉ相とαＺｒ （Ｔｉを固溶せず）相とが重量
比で約１：１から、α−Ｚｒ相を減少しつつ、Ｚｒ２Ｎ
ｉ単−相に至る。

本発明の核燃料要素に使用するゲッターの成分は、第１
図のＡ、Ｂ、Ｃで包囲された領域内のジルコニウム・チ
タン・ニッケル三成分のいかなる組合せのものでも良く
、いずれの成分に於ても真空アーク溶解によるインゴッ
トは、Ｚｒ２Ｎｉ相とａ−Ｚｒ （Ｔｉを０〜１００
％固溶）相の二相から成立している。

なお、第１図中領域Ｅは前述した従来例のゲッタに使用
する合金の成分範囲である。

つぎに本発明に係る核燃料要素の実施例を図面を参照し
て詳細に説明する。

即ち、第２図に示す如く、例えばジルカロイ被覆管１１
内には圧鉛焼結して得られた例えばウラン燃料あるいは
プルトニウム燃料ペレット１２が積層装填される。

そして該燃料ペレット１２は前記被覆管１１の端部の端
栓１３に１端が当接したスプリング１４の中心空間部に
はゲッター１５が装着されている。

該ゲッター１５は第３図に拡大して示す如く、長さが例
えば１４０ｍｍ、直径が例えば６關、肉厚が例えば０．
５１ｊＬｍのステンレス鋼管の鞘１６内に上記範囲に調
整されたジルコニウム−チタン−ニッケル合金系ゲッタ
ー材料１７が充填されている。

また前記ステンレス鋼管１６の１端には例えばステンレ
ス鋼製の金網１８が設けられている。

該金網１８を通して燃料ペレット１２中の有害ガス成分
が前記ジルコニウム−チタン−ニッケル合金系ゲッター
材料に吸蔵される。

そして該ジルコニウム−チタン−ニッケル合金系ゲッタ
ー材料１７は重量％で例えばジルコニウムが８０％、チ
タンが例えば７％ニッケルが例えば１３％を有し、厚さ
が例えば６０〜１００μで粒度が例えば２０〜４２メツ
シユの粗粒状に形成されているものが、例えば３ｉより
成り立っている。

（実施例１：第１図中点Ｆ参照）あるいはまた重量％で
例えばジルコニウムが７９％、チタンが例えば３％、ニ
ッケルが例えば１８％を有し、厚さが例えば６０〜１０
０μで粒度が例えば２０〜４２メツシユの粗粒状に形成
されているものが例えば３１より成り立っている。

（実施例２；第１図中点Ｇ参照）上述の如き本発明に係
る核燃料要素の各実施例に使用されるゲッター材料の効
果を具体的に述べる。

第４図は厚さが０．０５〜０．０９μで粒度が２０〜４
２メツシユである重量％でジルコニウム約８５％、チタ
ン約１０％、ニッケル約５％なる合金粗粒３グを上記ス
テンレス鋼管１６に充填した従来のゲッター（曲線２１
）と、同上厚さ、同上粒度で重量％でジルコニウム約８
０％、チタン約７％、ニッケル約１３％なる合金粗粒３
グを上記ステンレス鋼管に充填した本発明実施例１に係
るゲッター（曲線２２）及びジルコニウム約７９％、チ
タン約３％、ニッケル約１８％なる合金粗粒３グを上記
ステンレス鋼管１６に充填した本発明実施例２に係るゲ
ッター（曲線２３）との水蒸気吸蔵特性を示した曲線図
である。

水蒸気吸蔵は２５±５ｔｏｒｒの水蒸気雰囲気に於て、
約３００℃の温度加熱に於て施行したものである。

本発明において使用されるゲッター（曲線２２および２
３）は従来のゲッター（曲線２１）に比較して吸蔵性能
は数倍良い。

また第５図は上記各ゲッター２１゜２２および２３の水
蒸気吸蔵初期に於ける水素の発生量を示す曲線図であり
、従来のゲッター（曲線２１）は水蒸気吸蔵初期に所望
せざる水素を発生し吸蔵試験開始より３時間にわたり包
囲領域に遊離水素が存在するが、本発明において使用す
る実施例１および２のゲッター（曲線２２，２３）は水
蒸気吸蔵初期に発生する水素の量が微量であり、遊離時
間も極めて短時間である。

さらにまた第４図に示した水蒸気吸蔵は、水蒸気を多量
に吸蔵して水素を発生しはじめた時点まで施行したもの
である。

本発明に係るゲッター（曲線２２および２３）は従来の
ゲッター２１より多量の水蒸気を吸蔵するまで水素を発
生しない。

即ち本発明によるゲッターは核燃料要素中の高温包囲雰
囲気中にあって水分と速やかに反応する性能が従来品の
数倍にも達し、水蒸気吸蔵初期に所望されざる水素の発
生は従来品に比較して著るしく少なく、更に従来品より
多量の水蒸気を吸蔵するまで水素の発生を見ない為、本
発明におけるゲッターを設置した核燃料要素は内部に水
分及び遊離水素などの有害成分が存在せず、したがって
被覆管はそれらの有害成分との反応により水素脆化を起
こすことが防止される。

次にＮｉの成分比を１３％〜２４％（重量比）に限定し
た理由について説明する。

Ｎｉ の成分を上記合金の重量比で１３％以上とした理
由は高温下における実用初期特性、すなわち水素の発生
を十分に押えて水蒸気を能率よく吸蔵する下限値であり
、これによって水蒸気の初期における吸蔵速度を倍化さ
せるためのものであり、またＮｉ量が２４％を越えると
Ｎｉ量が過大となって水蒸気の吸蔵反応が遅くなりいわ
ゆる立ち上り速度が低下する。

すなわち２４％〜１３％の間においてはＮｉはｚｒ２Ｎ
ｉの金属間化合物となっており、母材中に網目状に鎖列
した状態を維持しており、水蒸気の吸蔵反応が活性化さ
れα−Ｚｒ（含Ｔｉ ）は水蒸気吸蔵初期の立ち上り特
性が極めて高く、Ｚｒ、、Ｎｉはこれを持続させる役目
をさせるものである。

上記ゲッター合金を構成するチタンの含有はゲッター合
金が始めて水分に接触して後、水分と反応するまでの初
期活性度を高めるが、含有量に対する依存性はほとんど
ない。

本発明の実施例１および２において核燃料棒に装荷する
ゲッター粗粒の重量３グについて述べたが、従来の性能
と同等の性能を期待するには、その充填量は１ｚ以下で
も良く、ゲッターの小型化に役立つ効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に使用するゲッターの成分比と従来のゲ
ッターの成分比とを比較して示す三角図表、第２図は本
発明に係る核燃料要素の１実施例と１部切り欠いて示す
側面図、第３図は第２図に適用したゲッターを１部切欠
きして示す側面図、第４図は従来のゲッターと本発明に
係るゲッターとの水蒸気吸蔵特性を比較して示す曲線図
、第５図は従来のゲッターと本発明に係るゲッターとの
水蒸気吸蔵にともなう水素放出挙動の時間変化を比較し
て示す曲線図である。 １１・・・・・・被覆管、１２−・・・・・燃料ペレッ
ト、１３・・・・・・端栓、１４・・・・・・スプリン
グ、１５・・・・・・ゲッター、１６・・・・・・ステ
ンレス鋼管、１７・・・・・・ゲッター材料、１８・・
・・・・金網、２１・・・・・・従来のゲッター２２．
２３・・・・・・本発明のゲッター。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被覆管内にウランプルトニウムなどの核燃料が収納
   された核燃料要素において、重量％で１３〜２４％のニ
   ッケルを含むジルコニウム−チタンニッケル合金でＺｒ
   ２Ｎｉとα−Ｚｒ（Ｔｉを固溶）の二相から成る合金即
   ち第１図Ａ、Ｂ、Ｃの範囲で包囲された領域の成分比か
   ら成る合金を粉砕して鞘に充填したモイスチャ・ゲッタ
   ーを被覆管内に装着したことを特徴とする核燃料要素。