JPS60129690A - 核燃料複合被覆管およびその製造方法 - Google Patents
核燃料複合被覆管およびその製造方法Info
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- JPS60129690A JPS60129690A JP58238660A JP23866083A JPS60129690A JP S60129690 A JPS60129690 A JP S60129690A JP 58238660 A JP58238660 A JP 58238660A JP 23866083 A JP23866083 A JP 23866083A JP S60129690 A JPS60129690 A JP S60129690A
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- Japan
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- composite
- nuclear fuel
- cladding tube
- zirconium alloy
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear 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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は核燃料波レットを装填する被覆管の内面に金属
チタン層を形成して複合構造を改良した核燃料複合被覆
管およびその製５遣方法に関するものである。。
チタン層を形成して複合構造を改良した核燃料複合被覆
管およびその製５遣方法に関するものである。。
従来、酸化ウランあるいは酸化プルトニウムを含有した
核燃料ベレットを、ジルコニウム合金で被覆した核燃料
要素において、被覆管の破損事故は主に水素が原因であ
ると考えられていた。この水素は核、、燃料ペレットを
製造する際に除去されずに潜在していた水分が分解して
生成されるものと考えられ、従来は杢蒸気ｒワタ−を被
覆管内に装填することによシ水素の発生を軽減させる方
策が採られていた。ところが、核燃料開発の研究が進む
につれて水素脆化による破損の他に、燃料の核分裂生成
物である沃素ガスあるいはセシウムガスによる被覆管の
応力腐食割れも、被覆管破損の大きな原因であることが
分ってきた。
核燃料ベレットを、ジルコニウム合金で被覆した核燃料
要素において、被覆管の破損事故は主に水素が原因であ
ると考えられていた。この水素は核、、燃料ペレットを
製造する際に除去されずに潜在していた水分が分解して
生成されるものと考えられ、従来は杢蒸気ｒワタ−を被
覆管内に装填することによシ水素の発生を軽減させる方
策が採られていた。ところが、核燃料開発の研究が進む
につれて水素脆化による破損の他に、燃料の核分裂生成
物である沃素ガスあるいはセシウムガスによる被覆管の
応力腐食割れも、被覆管破損の大きな原因であることが
分ってきた。
このような応力腐食割れの防止策として、従来は原子炉
運転初期に出力上昇速度を落して運転し、被覆管に急激
な応力が加わらない様に運転している。しかしながら近
年、原子力発電の比重が高まるにつれて、原子炉の経済
的高効率運転が切望され、急速立上り、負荷変動の追従
など過酷な運転条件下でも、核燃料ペレットと被覆管と
の機械的々相互作用を低減させ、核分裂生成物による被
覆管の応力腐食割れを低減させるための研究がなされて
いる。
運転初期に出力上昇速度を落して運転し、被覆管に急激
な応力が加わらない様に運転している。しかしながら近
年、原子力発電の比重が高まるにつれて、原子炉の経済
的高効率運転が切望され、急速立上り、負荷変動の追従
など過酷な運転条件下でも、核燃料ペレットと被覆管と
の機械的々相互作用を低減させ、核分裂生成物による被
覆管の応力腐食割れを低減させるための研究がなされて
いる。
例えばベルイー特許第８３５４８１号明細書中には、ジ
ルコニウム合金製被覆管の内面に、クッション作用をな
す純ジルコニウム層を形成して、核燃料ペレットとの機
械的な相互作用を低減さジルコニウムの如き酸素濃度の
高い金属ジルコニウム層を形成することが記載されてい
る。
ルコニウム合金製被覆管の内面に、クッション作用をな
す純ジルコニウム層を形成して、核燃料ペレットとの機
械的な相互作用を低減さジルコニウムの如き酸素濃度の
高い金属ジルコニウム層を形成することが記載されてい
る。
このように被覆管の内面に金属ジルコニウム層を形成し
た複合被覆管の製造方法としては、例えばジルコニウム
合金から成る中空ビレットの内側に、金属ジルコニウム
からなる中空ビレットを挿着して複合ビレットとする。
た複合被覆管の製造方法としては、例えばジルコニウム
合金から成る中空ビレットの内側に、金属ジルコニウム
からなる中空ビレットを挿着して複合ビレットとする。
次にこれを熱間押出した後、ピルガ−管絞り機などにょ
）、複数回の／ｌスを行う冷間加工を施して、所定の内
径および肉厚まで縮小して核燃料複合被覆管を製造する
。なお前記冷間加工の各ノ４スの後においては、ジルコ
ニウム合金をほぼ完全に再結晶させるのに十分な温度と
時間を用いて熱処理を行う。この結果、最終的には被覆
管が所望の機械的性質、結晶粒度等を満足すると共に、
内面に軟質でクッション効果を有し、苛酷な高温度長時
間の原子炉運転条件においても接合界面に脆弱な中間層
が生成されないライナ一層を形成した核燃料複合被覆管
が得られる。
）、複数回の／ｌスを行う冷間加工を施して、所定の内
径および肉厚まで縮小して核燃料複合被覆管を製造する
。なお前記冷間加工の各ノ４スの後においては、ジルコ
ニウム合金をほぼ完全に再結晶させるのに十分な温度と
時間を用いて熱処理を行う。この結果、最終的には被覆
管が所望の機械的性質、結晶粒度等を満足すると共に、
内面に軟質でクッション効果を有し、苛酷な高温度長時
間の原子炉運転条件においても接合界面に脆弱な中間層
が生成されないライナ一層を形成した核燃料複合被覆管
が得られる。
ところが最近の原子力発電においては原子炉の安全性お
よび性能の向上と共に、経済性も大きく要求されるよう
になってきた。
よび性能の向上と共に、経済性も大きく要求されるよう
になってきた。
本発明はかかる点に鑑み種々研廃を行った結果、被覆管
の内面にクッション作用をなすライ与一層を設けて核燃
料ペレットと被覆管との機械的な相互□°作用を低減さ
せ、核分裂生成物による被覆管の応力腐食割れを低減さ
せ、しかも製造コストの安い核燃料複合被覆管およびそ
の製造方法を提供することを目的とするものである。
の内面にクッション作用をなすライ与一層を設けて核燃
料ペレットと被覆管との機械的な相互□°作用を低減さ
せ、核分裂生成物による被覆管の応力腐食割れを低減さ
せ、しかも製造コストの安い核燃料複合被覆管およびそ
の製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明はクッション作用を左すライナ一層として、従来
用いられていた金属ジルコニウム層に代シ、安価な金属
チタン層を用いたものである。
用いられていた金属ジルコニウム層に代シ、安価な金属
チタン層を用いたものである。
即ち本発明はジルコニウム合金被覆管の内面′に、金属
チタン層を設け、両者が冶金的に接合されていることを
特徴とする核燃料複合被覆管□を第１の要旨とするもの
である。
チタン層を設け、両者が冶金的に接合されていることを
特徴とする核燃料複合被覆管□を第１の要旨とするもの
である。
更に本発明はジルコニウム合金から成る中空ビレットの
内側に、金属チタンから成る中空ビレットを挿着し、こ
の複合した両端面の境界部５− を溶接して複合ビレットを形成した後、該複合ビレット
を熱間押出し、および圧延の製管工程を経て、所定の内
径および肉厚に形成することを特徴とする核燃料複合被
覆管の製造方法を第２の要旨とするものである。
内側に、金属チタンから成る中空ビレットを挿着し、こ
の複合した両端面の境界部５− を溶接して複合ビレットを形成した後、該複合ビレット
を熱間押出し、および圧延の製管工程を経て、所定の内
径および肉厚に形成することを特徴とする核燃料複合被
覆管の製造方法を第２の要旨とするものである。
第１図および第２図は本発明に係る複合被覆管１の断面
構造を示すもので、ジルコニウム合金から成る被覆管２
の内側にクッション作用をなすライナ一層として金属チ
タン層３が形成され、冶金的に一体に接合されている。
構造を示すもので、ジルコニウム合金から成る被覆管２
の内側にクッション作用をなすライナ一層として金属チ
タン層３が形成され、冶金的に一体に接合されている。
この複合被覆管１の内部には、ペレット状に形成された
、例えば酸化ウラン、酸化プルトニウムなどの核燃料ペ
レット４が複数個積層装填され、更にこの核燃料ペレッ
ト４は、複合被覆管１の上端を塞ぐ上部端栓５に出接し
たスプリング６にょシ抑圧固定されて核燃料要素を構成
している。
、例えば酸化ウラン、酸化プルトニウムなどの核燃料ペ
レット４が複数個積層装填され、更にこの核燃料ペレッ
ト４は、複合被覆管１の上端を塞ぐ上部端栓５に出接し
たスプリング６にょシ抑圧固定されて核燃料要素を構成
している。
本発明において′被覆管となるジルコニウム合金として
は、例え“ばジルカロイ−２、あるいはジルカロイ−４
等が用いられる。
は、例え“ばジルカロイ−２、あるいはジルカロイ−４
等が用いられる。
また金属チタンとしては、酸素、鉄、水素、６−
硬さが軟かく、有効なりッション作用が得られ“るので
好ましい。なお不純物の含有量が７０００ｐｐｍ以上に
なると硬度がジルコニウム合金被覆管に比べて高くなシ
、クッション作用が低下するので好ましく々い。
好ましい。なお不純物の含有量が７０００ｐｐｍ以上に
なると硬度がジルコニウム合金被覆管に比べて高くなシ
、クッション作用が低下するので好ましく々い。
従って上記構成の核燃料複合被覆管は、ジルコニウム合
金被覆管内の内面にクッション作用をなす軟質の金属チ
タン層が冶金的に一体に接合されているので、核燃料ベ
レットと被覆管との機械的な相互作用を低減させて、沃
素ガスやセシウムガスなどの核分裂生成物による被覆管
の応力腐食割れを低減させることができる。
金被覆管内の内面にクッション作用をなす軟質の金属チ
タン層が冶金的に一体に接合されているので、核燃料ベ
レットと被覆管との機械的な相互作用を低減させて、沃
素ガスやセシウムガスなどの核分裂生成物による被覆管
の応力腐食割れを低減させることができる。
またチタンはジルコニウム合金被覆管の主成分であるジ
ルコニウムとは周期律表の同族の元素で類似した性質を
有している。従って、高温下長時間の原子炉運転によっ
てもチタンとジルコニウム合金とは、拡散による脆弱な
中間層の生成はほとんどない。例え拡散によシ中間層が
生成されても、チタンとジルコニウムは全率固溶するた
め、両者の冶金的接合に悪影響を及ぼすことはない。更
にチタンはジルコニウムに比べて資源が豊富であシ安価
に入手できるため、複合被覆管の製造コストを低減でき
経済性にも優れている。
ルコニウムとは周期律表の同族の元素で類似した性質を
有している。従って、高温下長時間の原子炉運転によっ
てもチタンとジルコニウム合金とは、拡散による脆弱な
中間層の生成はほとんどない。例え拡散によシ中間層が
生成されても、チタンとジルコニウムは全率固溶するた
め、両者の冶金的接合に悪影響を及ぼすことはない。更
にチタンはジルコニウムに比べて資源が豊富であシ安価
に入手できるため、複合被覆管の製造コストを低減でき
経済性にも優れている。
次に本発明の核燃料複合被覆管の製造方法について説明
する。
する。
市販のチタンはスポンジチタンと沃化物で作った高純度
の結晶棒（クリスタルパー）とがある。例えばスポンジ
チタンを用いる場合、先ずこれを溶接およびプレス加工
によシミ極を作成し、次いでこの電極を真空Ｔ−り溶解
によシインコゝットを作成する。なおこのインゴットは
必要に応じて再溶解した上、約８００℃の熱間鍛造およ
びその後の庇取シを含めた皮むき加工によシ円柱状のビ
レット素材を得る。次にこのビレット素材を機械加工に
よシ中空に加工してチタン中空ビレットを作成する。ま
たこれとは別にジルカロイ−２あるいはジルカロイ−４
から成るジルコニウム合金中空ビレットを作成しておく
。
の結晶棒（クリスタルパー）とがある。例えばスポンジ
チタンを用いる場合、先ずこれを溶接およびプレス加工
によシミ極を作成し、次いでこの電極を真空Ｔ−り溶解
によシインコゝットを作成する。なおこのインゴットは
必要に応じて再溶解した上、約８００℃の熱間鍛造およ
びその後の庇取シを含めた皮むき加工によシ円柱状のビ
レット素材を得る。次にこのビレット素材を機械加工に
よシ中空に加工してチタン中空ビレットを作成する。ま
たこれとは別にジルカロイ−２あるいはジルカロイ−４
から成るジルコニウム合金中空ビレットを作成しておく
。
次にジルコニウム合金中空ビレットの内側にチタン中空
ビレットを挿着した後、この複合した両端面の境界部を
溶接して一体化し、複合ビレットを作成する。この場合
の溶接方法としては高真空中で行うエレクトロンビーム
溶接、あるいはレーザー溶接、超音波溶接、ＴＩＧ溶接
等により行う。
ビレットを挿着した後、この複合した両端面の境界部を
溶接して一体化し、複合ビレットを作成する。この場合
の溶接方法としては高真空中で行うエレクトロンビーム
溶接、あるいはレーザー溶接、超音波溶接、ＴＩＧ溶接
等により行う。
次にこの複合ビレットを熱間押出し加工するとジルコニ
ウム合金中空ビレットとチタン中空ビレットは、その長
さ方向に沿って全界面が冶金的に一体に接合される。こ
の後、複合ビレットに複数回の圧延を繰シ返し行う製管
工程を経て、最終的に所定の内径および肉厚に仕上げ、
ジルコニウム合金被覆管の内面に冶金的に金属チタン層
を形成した核燃料複合被覆管が得られる。
ウム合金中空ビレットとチタン中空ビレットは、その長
さ方向に沿って全界面が冶金的に一体に接合される。こ
の後、複合ビレットに複数回の圧延を繰シ返し行う製管
工程を経て、最終的に所定の内径および肉厚に仕上げ、
ジルコニウム合金被覆管の内面に冶金的に金属チタン層
を形成した核燃料複合被覆管が得られる。
〔発明の実施例〕
市販のスポンジチタン（ＪＩＳＩ種）を原料として、真
空溶解を行いチタンインゴットを得た。この９− チタンインゴットとジルコニウム合金ビレットを夫々切
削加工して、下記の寸法の中空ビレットを作成した。
空溶解を行いチタンインゴットを得た。この９− チタンインゴットとジルコニウム合金ビレットを夫々切
削加工して、下記の寸法の中空ビレットを作成した。
ジルコニウム合金中空ビレット：
外径１４６ｍφ×内径６５．８鰭φ×長さ４５０篤チタ
ン中空ビレット： 外径６５．８ｍｍφ×内径４４＋ｏ＋φ×長さ４５０■
次にジルコニウム合金中空ビレットの内面およびチタン
中空ビレットの外面を洗浄した後、チタン中空ビレット
を挿着して組合せた。次いで組合せた両中空ビレットの
両端面の境界部を、真空中でエレクトロンビーム溶接し
て一体化し複合ビレットを得た。この場合の溶接方法は
、真空チャンバー内に設置した回転台上に、組合せた中
空ビレットの境界面がエレクトロンビームの入射ビーム
に垂直になるように載置して、回転台を回転させながら
境界面の全周を溶接した。
ン中空ビレット： 外径６５．８ｍｍφ×内径４４＋ｏ＋φ×長さ４５０■
次にジルコニウム合金中空ビレットの内面およびチタン
中空ビレットの外面を洗浄した後、チタン中空ビレット
を挿着して組合せた。次いで組合せた両中空ビレットの
両端面の境界部を、真空中でエレクトロンビーム溶接し
て一体化し複合ビレットを得た。この場合の溶接方法は
、真空チャンバー内に設置した回転台上に、組合せた中
空ビレットの境界面がエレクトロンビームの入射ビーム
に垂直になるように載置して、回転台を回転させながら
境界面の全周を溶接した。
この後、複合ビレットを熱間押出しして、ジルコニウム
合金中空ビレットとチタン中空ビレ１０− ットの長手方向に治った全界面を冶金的に一体に接合す
る。この後、複合ビレットに複数回の圧延と、その後の
熱処理を行って、最終的に下記の寸法の核燃料複合被覆
管を得た。
合金中空ビレットとチタン中空ビレ１０− ットの長手方向に治った全界面を冶金的に一体に接合す
る。この後、複合ビレットに複数回の圧延と、その後の
熱処理を行って、最終的に下記の寸法の核燃料複合被覆
管を得た。
複合被覆管全寸法（Ｗａｎ） ：
外径１２．５２３φ×内径１０．７９５φ×肉厚０．８
４６ｔ×全長１４９０００Ｌ 金属チタン層（、、） ： 外径１０．９６８φ×内径１０．７９５φ×肉厚０．０
８６ ｔ×全長１４９０００Ｌ 次にこのようにして得られた核燃料複合被覆管を用いて
硬さ測定と、拡散加熱試験を行った。
４６ｔ×全長１４９０００Ｌ 金属チタン層（、、） ： 外径１０．９６８φ×内径１０．７９５φ×肉厚０．０
８６ ｔ×全長１４９０００Ｌ 次にこのようにして得られた核燃料複合被覆管を用いて
硬さ測定と、拡散加熱試験を行った。
硬さ測定の結果、ジルコニウム合金被覆管はヴイッカー
ス硬度でＨＶ １８０であるのに対し、内面にライナー
した金属チタン層はＨＶ１２０と軟かく、優れたクッシ
ョン効果を有することが認められた。
ス硬度でＨＶ １８０であるのに対し、内面にライナー
した金属チタン層はＨＶ１２０と軟かく、優れたクッシ
ョン効果を有することが認められた。
拡散加熱試験は、苛酷な高温下長時間の原子炉運転条件
において接合界面の拡散状態を炉外の加速試験によって
調べたもので、複合被覆管を加熱温度６００℃で１００
０時間真空中に保持した後の断面組織を観察した。この
結果、ジルコニウム合金被覆管と金属チタン層との界面
には、加熱拡散による脆弱な中間層の生成は認められな
かった。
において接合界面の拡散状態を炉外の加速試験によって
調べたもので、複合被覆管を加熱温度６００℃で１００
０時間真空中に保持した後の断面組織を観察した。この
結果、ジルコニウム合金被覆管と金属チタン層との界面
には、加熱拡散による脆弱な中間層の生成は認められな
かった。
以上説明した如く、本発明に係る核燃料複合被覆管およ
びその製造方法によれば、ジルコニウム合金被覆管の内
面にクッション作用をなす金属チタン層を設けて、核燃
料ペレットと被覆管との機械的な相互作用を低減させ、
核分裂生成物による被覆管の応力腐食割れを低減させる
と共に、製造コストが安く経済的にも優れているなど顕
著な効果を有するものである。
びその製造方法によれば、ジルコニウム合金被覆管の内
面にクッション作用をなす金属チタン層を設けて、核燃
料ペレットと被覆管との機械的な相互作用を低減させ、
核分裂生成物による被覆管の応力腐食割れを低減させる
と共に、製造コストが安く経済的にも優れているなど顕
著な効果を有するものである。
第１図は本発明に係る核燃料複合被覆管の縦断面図、第
２図は第１図の拡大水平断面図である。 １・・・複合被覆管、２・・・被覆管、３・・・金属チ
タン層、４・・・核燃料ペレット、５・・・上部端栓、
６・・・スプリング。
２図は第１図の拡大水平断面図である。 １・・・複合被覆管、２・・・被覆管、３・・・金属チ
タン層、４・・・核燃料ペレット、５・・・上部端栓、
６・・・スプリング。
Claims (3)
- （１） ジルコニウム合金被覆管の内面に、金属チ、タ
ン層を設け、、両者が冶金的に接合されている。ことを
特徴とする核燃料、複合被覆管。 - （２） 金属チタン層が、不純物含有量７０００ｐｐｍ
未満、の純チタンであることを特徴とする特許請求の、
範囲第１項記載の核燃料複合被覆管。 - （３）、ジルコニウム合金から成る中空ビレットの：内
側に１、金属チタンから成る中空ビレットを挿着し、こ
の複合した両端面の境界部を溶接して複合、ビどットを
形成した後、該複合ビレットを、熱間押出しおよび圧延
の製管工程を経て、所定の内径および肉厚にしてジルコ
ニウム合金被覆、管の内面に冶金的に接合した金属チタ
ン層を形成することを特徴とする核燃料複合被覆管の製
造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58238660A JPS60129690A (ja) | 1983-12-17 | 1983-12-17 | 核燃料複合被覆管およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58238660A JPS60129690A (ja) | 1983-12-17 | 1983-12-17 | 核燃料複合被覆管およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60129690A true JPS60129690A (ja) | 1985-07-10 |
Family
ID=17033428
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58238660A Pending JPS60129690A (ja) | 1983-12-17 | 1983-12-17 | 核燃料複合被覆管およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS60129690A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016176961A (ja) * | 2010-06-16 | 2016-10-06 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | 核燃料棒のための開孔を有する固体インターフェースジョイント |
-
1983
- 1983-12-17 JP JP58238660A patent/JPS60129690A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016176961A (ja) * | 2010-06-16 | 2016-10-06 | コミッサリア ア レネルジー アトミーク エ オ ゼネルジ ザルタナテイヴ | 核燃料棒のための開孔を有する固体インターフェースジョイント |
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