JPS606893A - 核燃料要素用被覆容器の微小割れを防止する方法および被覆容器 - 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】

本発明は、広くは核分裂原子炉の炉心に使用する核燃料
要素、特に基体ｄ５よびイの内表面に冶金的に結合しｌ
〔金属障壁を右Ｊる？１２合被ｉηを貝える優れた核燃
料要素に開力る。 現在設計、製ｊ香Ｊ５　Ｊ、び連転されている原子；Ｊ
Ｉにおいては、核燃料を平板、管まｔこ（」俸のような
種々の幾何学的形状としｊ９Ｉる焼判要素中に収容しＣ
いる。通常核燃料物質を耐食性、非反応１Ｊ１かつ鋼！
伝導性の容器または被覆内に月入りる。、燃１°；１要
桑を冷却拐流れチ１７ネルまたは領ｊ或内にひに一定間
隔に格子状に集合し絹Ｘγてて燃オ′３］集合体く燃１
ｔ’ｌ　ｉ’センブリ）を形成し、これら燃料集合イホ
を適当数組合せて自己持続型核分裂反応のｉ＋ｌ能な核
分裂連鎖反応型集合体または炉心を形成づる。この炉心
を冷却（Ａの流通する原子炉容器内に入れる。 被覆（クラツディング）は幾つかの目的（使用され、そ
の２つの主要Ｌｊ的のうら第一は、核燃料と冷却材また
は減速４Ａ（減速祠が存γｊづる場合には減速材、また
は冷却′４；Ａ６３　Ｊ：び減速祠の双方が存在する場
合にはこれら双方）との接触および化学反応を防止づる
ことにある。第二の目的は、一部が気体である放射性核
分裂生成物が燃料から冷却材または減速材または冷ｌ、
１１祠および減速材の双方が存在する場合にはこれら双
方の中にもれ出るのを防止することにある。普通の被覆
材料は、ステンレス鋼、ノフルミニウムａ３よびその合
金、ジルコニウムａ３よびその合金、二Ａブ（コロンビ
ウム）、ある種のマグネシウム合金などである。被覆の
破損、即ら漏れ密封性の喪失が生じると、冷却材または
減速材およびその関連りる系が放射性長寿命生成物でプ
ラン１〜の運転を妨げる程に汚染される恐れがある。 被覆月利としである種の金属および合金を使用して核燃
料要素を製造および運転する場合、特定の条件下でこれ
らの被覆月利に牧械的または化学的反応が生じることか
ら種々の問題が起っている。 ジルコニウムおよびその合金は、平常条件下では、優秀
な核燃料被覆材である。その理由は、ジルコニウムおよ
びその合金が、小さい中性子吸収断面積を有し、さらに
約７５０下（約３３９８℃）以ＩＺの温度では、原子炉
冷ム１１月おＪ、ぴ減速材としＣ晋通に使用される１ｊ
；２塩水または水蒸気の存在ト′ｃ′強く、延性を有し
、極めて安定Ｃ゛、かつ非反応性Ｃあるからである。 しかし、燃料要素の作動から、核燃１’ｉｌ、ＩＩ５よ
び核分裂反応中に生成する核分裂生成物間の１１１綜し
た相互作用により被覆材に脆い割れが牛じるという問題
が明らかになった。この望ましくない作動は、燃料−被
覆の膨張差に基づく礪械的応力の局在化（被覆に生じる
応力は核燃料の割れ［」に局在化される）によって促進
されることが１１Ｔ「かめられた。腐食性核分裂生成物
が核燃オ′」から放出され、燃料の割れ目と被覆表面ど
の交差部に集中りる。核分裂生成物は、原子炉を運転づ
る間、核分裂連鎖反応中の核燃お１に生成される。１記
の局右化応力は燃料と被覆との間の高い摩擦により拡大
される。 シールされた燃料要素内で、被覆どでの内側の残留水と
の遅い反応により水素ガスが発生し冑、この水素カスが
ある程度のレベルまで増加し、この結果、特定の条件下
で被覆が局部的に水素化され、これと同時に被覆の機械
的特性が局部的に劣化づ−ることが起り得る。被覆は、
広範囲の湿度にわたって、酸素、窒素、−酸化炭素およ
び二酸化炭素のような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被覆は、原子炉での照射中に
一］二連した１種またはそれ以上のガスおよび核分裂生
成物にさらされ、このことは、これらのガスが原子炉冷
印材または減速÷Ａ中に存在′ｔ！す゛、ざらに被覆お
よび燃料要素の製造時に周囲雰囲気からできる限り除去
され−Ｃいる事実があるにもかかわらず生起する。核燃
オ′）１として使用される焼結耐火祠およびセラミック
組成物、例えば二酸化ウランおよび他の組成物は、加熱
時、例えば燃料要素の製造中に３１足し得る量の上記ガ
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。核燃料と
しで使用される粒状耐火祠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他の粉末は、照射中に上記
ガスを一層多量に放出することが知られている。これら
の放出カスは核燃Ｊ８１を収容したジルコニウム被覆ど
艮応角−Ｃある。 上述したところから明らかなにうに、１京ｊ’−／Ｊ光
電所の運転に燃料要素を使用し−Ｃいる期間全体にねた
って燃料要素の内側から、被覆と反応Ｉ１１の水、水蒸
気および伯のガス、特に水素による被覆の侵食を最小に
づるのが望ましい。このＪ、う＜ｒ　ｆ二ｌ的を達成す
るための１　ｒｔｌ’ｌ究として、水、水蒸気ＪｊＪ、
ひ他のガスと迅速に化学反応しく一層、水ＸｊＡ　％　
に　Ｊ、び他のガスを被覆の内部から除去し冑る’ｔＡ
　’Ａ’：＋を見′）りる試みがなされている。このＪ
、うな祠オ′１０まゲッタと称される。 他の研究として、米田特￥１第３１０８　：Ｉ　９６号
明細書に記載されているように、核燃料（Ａ料４ヒラミ
ックで被覆して水分が核燃利月利と接触りるのを防止す
ることが行われている。米国時ｉｉ’ｔ−’＞”＋３０
８５０５９号明細書に１１を案された燃料要素において
は、核分裂可能セラミック＋Ａわ１の１個またはそれ以
上のペレットを含イｊ！ｌる金属クーシングおよびセラ
ミックペレットに結合したカラス覧（Ａ籾の層を設（プ
、上記層をケーシングと核燃料との間に配置してペレッ
トからケーシングへの均一かつ良好な熱伝導を保証して
いる。米国特許第２８７３２３８号明細書に提案された
金属クースに内蔵されたジ１？クツトイ」の核分裂可能
ウランスラグにおいては、スラグのための保護シャグツ
１〜またはカバーを亜鉛−アルミニウム結合層としてい
る。米国特許第２８４９３８７号明細書には、核燃料の
複数個の端部間口ジャケット付本体部分よりなるシトグ
ツトイ」核分裂可能本体が記載され−Ｃおり、上記本体
部分を、ウラン本体部分と容器（または被覆）どの間に
有効な熱伝導性結合を形成する結合材料の溶融浴中に浸
漬している。良好な熱伝導特性を右づ゛る任意の金属合
金とし・てコーティングが記載されており、その例には
アルミニウムー珪素および１ｆＩｉ６４）−アルミニウ
ム合金が含まれる。特公昭４７−４６５５９号（昭和４
７年１１月２４日）明細書には、各別の核燃料粒子を高
密度に滑らかな炭素含有コーティングで被監することに
より各別の核燃料粒子を炭素含有母料の燃料組成物に固
めることが記載されている。他のコーティングが性分＋
＋ａ　４７−１　／１．２００号明細潟に記載されてお
り、この場合には２　ｆ！Ｙのペレツ］〜のうち１群を
炭化■」累の層Ｃコーティングし、曲の群を熱分解炭素
または金属炭化物の層Ｃ’−］〜ゲイングする。 核燃料物質のコーティングには、欠陥のない均一なコー
ティングを得るのが困難であるというイ＾頼性に関する
問題がある。さらに、Ｌｌ−ｊ−ｒングの劣化から、核
燃料物質の長寿命作動に関りる問題が生じる。 米国特許出願第３３０１５２号（１９７３年２月６日出
願）明細出にに載された核燃旧被覆の１１ぢ食防止法に
おいては、ニオ１のにうな金属を燃料に添加する。この
添加剤は、後続の燃料処理運Φ１１により金属が酸化さ
れないとりれば粉末の形態で添加でき、あるいはまた燃
料ベレットの中、−そのまわりまたはそれらの間に存在
するワイヤ、シートまたは他の形状として燃斜要素内に
入れることができる。 １９６４年２月付の文内ＧＥＡＰ−４５５５には、ジル
−コニウム合金に冶金結合したステンレス鋼の内側ライ
ニングを有ツるジルコニウム合金の複合被覆が記載され
ている。この複合被覆は、ステンレス鋼の内側ライニン
グを有するジルコニウム合金の中空ビレッ１へを押出し
成形することによって製造Ｊ−る。この被膜は、ステン
レス鋼が幅弱相を発現し、まｌこステンレス鋼層の中性
子吸収ペナルティが同じ厚さのジルコニウム合金層のペ
ナルティの１０〜１５倍であるという欠点を有Ｊる。 米国特許第３５０２５４９号明細書に記載されたジルコ
ニウムおよびその合金の保護方法においては、クロムを
電着してＤ丁ミ子炉に有用な複合材料を形成する。ジル
カロイ−２の表面に銅を雷名し、次いで電着金属に表面
拡Ｍｋを行わせるために熱処理覆る方法か、［エネルギ
ア・ニコークリア（Ｅｎｅｒｇｉａ　Ｎｕｃｌｅａｒｅ
　）　Ｊ第１１巻、第９号（１９６４年９月）、第５０
５・〜５０８頁に記載されている。エフ・ブロン（す（
Ｆ　、　’Ｂ　ｒｏｓｓａ　）らの（゛ジルコニウム合
金に適用しＩこ水素障壁の安定性ｄ３ヨび融和性（３ｔ
ａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ　
ｏｆ　ｌ−１１−１ｙｄｒｏ　１３ａｒｒｉｅｒｓＡ　
ｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　７　ｉｒｃｏｎｉｕｍ　Δ１ｌｏ
ｙｓ　）　Ｊ　Ｂ−ＩＪ　ツバ原子力共同体、合同原子
核ｉｌｌｌｌラセンター　Ｅ　ｕｒｏｐｃａｎ　Ａ　ｔ
ｏｍｉｃ　を三　ｎｅｒｇｙ　に　ｔ＋ｍｍｔｕ＋ｉｔ
ｙ。 Ｊｏｉｎｔ　ＮＵＣｌｅａ　ｒ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｃ
ｅｎｔｅｒ　）　ＩＥ　Ｌノ　１く４０９８ｅ　（１９
６９年）に、種々の」−ｉインクの堆積方法およびその
水素拡ｆｉＱ　トイへ？としてσ）効率が記載されてお
り、Ａａ−ｓ：　」−ｊインクが水素拡散に対するもつ
とも有望なｌ（Ｑ　Ｂψ゛とされＣいる。ダブリュ・シ
ー・シックナー（Ｗ、Ｃ。 Ｓ　ｃｈｉｃｋｎｅｒ）らの「ジル」ニウムａ＞　Ｊ、
ひシル−１−ラム−錫への電気めっき（にｌｅ（：Ｉｌ
’０ｐｌｉｌ［１ｌＩ（Ｉ　ＯｎＺ　ｉｒｃｏｎｉｕｍ
　ａ面　７１ｒｃｏｎｉｕｎ＋−−１ｉ＋＋）　Ｊ　ノ
クニカル・インフＡメーション・リービス（Ｉ　ｉｃｌ
＋ｎｉｃ；＋１ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　３ｅｒｖｉｃ
ｅ）　ＢＭ　ｌ　−７５７（１９５２年）に、ジルコニ
ウムおよびシル−」−ラム錫合金にニッケルを電気めっ
きし、これらの含↑を熱処理して合金層１１（結合を形
成りるジノ法か記載されている。米国特許第３６２５８
２１号明細ｊすに燃料被覆管を有する原子炉用燃料要素
が記載されており、この燃料被覆管の内表面にニッケル
のような中性子捕獲断面積の小ざい保持金属をコーティ
ング−するとともに、可燃性毒物の微細分散粒子を配置
覆る。［原子炉開発計画進行レポート（Ｒｃａｃｔｏｒ
　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｐ　ｒｏｇｒａｍＰｒｏｇ
ｒｅｓｓ　Ｒｅｐｏｒｔ　）　Ｊ　ＡＮ　Ｌ−ＲＤＰ　
−１９（１９７３年８月〉に、ステンレス鋼被覆の内表
面にクロムの犠牲層を設ｐ）ｉ＝化学的ゲッタ配置が記
載されている。 他の方法では核燃料物質どこれを保持り゛る被覆との間
に障壁を介在させる。このＪ、うな方法は、米国時ｒ［
第３２３０１５１乃（銅箔）、ドイツ連邦共和国特許公
告第りΔ５１２３８１１５号（チタン層）、米国時Ｗ（
第３２１２９８８号（ジルコニウム、アルミニウムまｌ
ζはベリリウムのさや）、米国時８！［第３０１８２３
８号（（ＪＯ２とジルコニウム被覆とど［バｊに結晶質
炭素の障壁）、および米国時Ｗ［第３０８８８９３号（
ステンレス鋼箔）に記載されている。ｒ４壁を設置Ｊる
思想は有望であるが、上）ボした文献の一部には核燃料
Ａ：　ＩＪ＋、Ｌ被覆または核分裂反応と適合し欠１１
い＋Ａ１゛１が含まれている。 例えば核燃料に関しては、炭素が核燃料からの酸素と結
合し得、被覆に関し−Ｃは、銅および他の金　□属が被
覆と反応し得、被覆の特性を変え、さらに核分裂反応に
関しては、中性子吸収（Ａどしく作用し得る。上述した
文献に（，１いずれも、最近発見された核燃料おＪ：ひ
被覆間の局部的化学的−（幾械的相互作用の問題への解
決案が示唆されていない。 障壁の思想に治った他のＴｄｌ究どしく、米１Ｅ、＋　
４ご７１１’１出願第４４１１３１号（１９７４；１２
月１１１１１ｉ願）には、耐火物金属、例えばｔリゾデ
ン、タングステン、レニウム、ニオブおよびこれらの合
金を単層または多層の管または箔、または被覆の内表面
上のコーティングの形状に設りることか、よた米国時Ｙ
［出願第４４１１３３札（１９７／ｌイ１２月１１日出
願）には、ジルコニウム、二Δ−１またはこれらの合金
のライナを核燃オ′３１ど被覆どの間に設けるとともに
、高潤滑性月別の」−アイングをライナと被覆との間に
設（プることがイれぞれ記載されている。 従って、上述した問題を最小に抑制した核燃料要素を聞
光りることが現在す望まれ−Ｃいる。 本発明の原子炉の炉心に使用する特に有効な核燃料要素
は、基体およびその内表面に冶金結合した金属障壁を有
り−る複合被覆を具え、上記金属障壁により被覆内に保
持された核燃料物質から基体を遮蔽づる。上記金属障壁
は、被覆の厚さの約１〜３０％を構成するようにし、は
ず純粋なジルコニウムの低中性子吸収金１１７Ｘをもつ
−Ｃ形成覆る。この金属障壁は、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優先的に反応
り−る位置としで作用し、さらにこの態様で基体を揮発
性不純物まＩこは核分裂生成物への露出およびこれらに
よる侵食から保護する作用をなす。被覆の基体部分は、
原子炉に従来ねわれＣいたところから設８１および（ぷ
能の双方とｂまったく変らず、ジルコニウム合金のＪ、
う４ｒ通常の被覆拐判から選択゛りる。本発明に係わる
複合被覆を製造する方法においＣは、（１）金属障壁の
中空管を基体の中空ビレット内に嵌挿し、管をビレット
に爆発結合し、次いでこの複合体を押出してから管年１
１１小加「覆るか、（２）金属障壁の中空管を基体の中
空ビレツ１〜内に１１１挿し、管およびビレツ１′・を
Ｊ工縮伺ΦのＩ−Ｃ加〃１して管のビレットへの拡散結
合を形成し、次い（この複合体を押出してから管縮小加
工するか、＋ｌ、たは（３）金属障範の中空管を基体の
中空ビレツ１〜内に嵌挿し、次いでこの複合体を押出し
てから管縮小加工する。本発明は、被覆の基体が核分裂
生成物や腐食性ガスなどと接触Ｊるのか冶金結合した金
属障壁によって防止され−Ｃ８３す、しから−ぞの金属
障壁が認め得る程の中性子抽犯ベナルｊイ、伝熱ペナル
ティまたは拐料不適台問題を惹起し４「いという顕著な
利点を有する。この金属障壁（ま（、を体を・燃料−金
属障壁界面に！１：じる局イ（応力からし保護している
。 本発明を一層よく理解で込るＪ、うにりるたσ）に、以
下に図面を釡照しながら本発明を説明づる。 第１図に核燃料集合体１０を部分的に破ｌ１７１シｌＪ
断面図として示り−０この燃料集合体１０は、１９ｉ：
に吊上げ取手１２を、下端に先端部ｖＪ（集合体１０の
下部を省略したので図示されていない）をそれぞれ設（
プた晋通正ノラ形断面の管状流れヂ（・ネル１１を具え
る。チャネル１１の上端には開口１３が、また下端の先
喘部祠には冷却材流れ開口がそれぞれ設（プられている
。燃料要素または棒１４の配列体はチャネル１１内に入
れられ、ここに上端プレート１５および下端プレー１−
（集合体１０の下部を省略したので図示されでいない）
によって支持されている。冷却液は通常、下端の先頭部
材の開口から入り、燃お１要素１４のまわりを上方に通
過し、土部出１］１３から沸騰形原子炉の場合には部分
的に蒸発した状態で、また加圧形原子炉の場合には蒸発
せぬ状態でかつ高温度で外へ出る。 核燃Ｊ：３１要素または棒１　／ｌ　ｔＪぞの端部が被
覆管１７に溶接された端部プラグ１８によってシールさ
れ、プラグ１８にはスタッド１９が設けられ、これによ
り燃料棒の集合体への装着を容易にしている。燃お１要
素の一端に空隙スペースまたは空所２０を設けて燃料物
質が長さＩｊ向に膨張し、また燃料物質から放出された
ガスが溜まり（Ｅ、するように′する。螺線部拐の形状
の核燃３′≧１物質保持部＋Ａ　２　／１を空所２０内
に配置して、特に燃料要素の取扱いＪ３よび輸送中にペ
レッ（〜社が軸り向に移動りるのを制止づる。 燃料要素は、被覆管ｄ５よび燃お１物質が良Ｉ）１′に
熱接触し、寄生的中性子吸収を最小にし、さらに冷却材
が高速度で流れることにより肋々４１じる反りおよび振
動に対して抵抗力を右ケるように設ｉ１りる。 本発明に従って構成した核燃料要素または捧１４を第１
図に一部を破断して承り１．この燃料要素は、本例では
核分裂可能Ｊ５　、Ｊ、び７／２または燃オ′８１親物
質の複数個の燃料ペレットとしく示されている核燃お１
物質の心または中央円１ｊ）形部分１（３を＋１．ｊ　
光用被覆または容器１７内に配置して構成されＣいる。 場合によっては、燃料ペレットを円筒形ペレットまたは
球のような種々の形状どりることがひき、他の場合には
粒状燃料のような異なる燃オ″３１形状を使用すること
ができる。燃″！３１の物理的形状は本発明にとって重
要でない。核燃料にはウラン化合物、プルトニウム化合
物、トリウム化合物ｄ３よびこれらの混合物を含む種々
の核燃料物質を使用覆ることができる。好適な燃料は二
酸化ウランまたは二酸化ウランおよび二酸化プルトニウ
ムよりなる混合物である。 第２図に第１図の燃料要素の１つの横断面を拡大して承
り１．燃わ１要素１４の中央心を形成する核燃料物質１
６は被覆１７（以下「複合被覆」とも称する）でかこま
れ−Ｃいる。複合被覆１７は基体２１を有づ−る。この
基体２１を慣例の被覆材料、例えばステンレス鋼および
ジルコニウム合金から選択し、本発明の好適例にｄ３い
ては基体をジルノコロイ−２のにうなジルコニウム合金
とする。基体２１はその内径で金属障壁２２に冶金結合
し、従って金属障壁は基体と被覆内に保持された核燃お
１との間に遮蔽を形成する。金属障壁は被覆の厚さの約
１〜３０％をなすようにし、はず純粋なジルコニウムの
低中性子吸収金属により形成する。金属障壁２２はガス
状不純物および核分裂生成物の（０先約反応位置どして
作用し、／Ｉ旨、）　？ＪＱ苗のｊ、を休１１１（を上
記不純物おＪ、び核分裂生成物どの接触ｊ５　Ｊ、ひ反
応から保護する。 金属障壁の金属の純１σは重要４１因子Ｃ１金１＋Ｊ：
’冒ｉｉ：％壁に特殊な性質を（ｌ与づる０川を・な！
１９．一般に：消属障壁の金属中に含まれる不純物を約
１０００ｐｐｍ　（百方分率）以下、好：Ｉ：　Ｌ　＜
　Ｌ、Ｌ　ＦＪ　！’ｉ　（’）　０１＋１＋＋ｎ以下
とする。これら不純物のなか（酸メ；を約２００ｐｐｍ
以下のレベルに紐持覆る、。 本発明の核燃料要素の複合被覆（Ｊ基体に強固＜、ｃ結
合で冶金結合した金属障壁を右りる。、金属組織学的な
検査によれば、結合を形成りるのに一１分２．″基体お
よび金属障壁の交差拡散か（７（１！Ｊるが、この交差
拡散は障壁自体を結合］ス域から囚（れ（ある程度の範
囲まで汚染りる稈ではない、。 本発明者らは、複合被覆の企屈ｐ７；Ｘ壁を形成（する
ほず純粋なジルコニウム金属が高い耐敢用線硬化性を有
し、これがため金属障壁か長門間の照ｑ・ＮＯに降伏強
さおよび硬さのよｐな４ｉｆ、　迄的１、′ｉ刊を照１
１ＪＪ前の普通のジルコニウム合金と同一のレベルに紐
持し得ることを確かめた。実際に金属障壁は極めて低い
照射硬化特性を右し、このこととその当初の低い降伏強
さとによって金属障壁が発電中に塑性変形し、燃判要素
内のベレットによって誘起された応力を解除し得るよう
になる。燃お１要素内のベレッ１〜誘起応力は、例えば
原子炉運転温度（３００〜３５０℃）で核燃わ１のベレ
ットが膨潤し−ＣＣペッツ〜が被覆と接触１ノることに
よって牛じ１ｑるものである。 さらに、本発明者らは、ジル」ニウムの金属障壁を好ま
しくは被覆の厚さの約５〜１５％程度、特に好ましくは
被覆の厚さの１０％の厚さとしてジルコニウム合金の基
体に冶金結合した場合に、応力が減少し、被覆の基体の
破損を防止するのに十分な障壁作用が得られることを確
かめた。 本発明の核燃料要素に使用゛りる複合被覆は以下に３１
明１“る方法のうち任意の方法で製造することができる
。 １方法においては、金属障壁として選択された金属の中
空管を基体として選択された合金の中ζ！ヒビレット中
１Φ入し、次いでこの組立４本に爆発結合を施こしてノ
ｊラーをビレットにｌ！ｉ含する。通１；；の管胴押出
技術を用いてこの複合体を約１０００〜１４００下（約
５３８　□−７５０’”Ｃ）の１１ら渇（−＋ＩＩＩ出
づ−。次に押出複合体に通常の艙柑ｉ小加−■処理を施
こして所望の寸法の被覆を杓る。 他の方法においては、金属陣５１にどしてｊ茸択された
金属の中空管を基体として選択された合金の中空ビレッ
ト中に挿入し、次いでこの組立体に加熱処理「例えば１
４００°［（７ｂＯ’に）に約８１１；’ｉ間１を施こ
して管およびビレツ１〜間に拡散結合を形成Ｊる。次に
通常の管胴押出技術を用い−にの複合体を押出し、押出
複合体に通常の管１ｉ’ｉ小・加土処１１１ｊを施こし
て所望の寸法の被覆を得る３゜さらに他の方法において
は、金属障壁としてｊバ択された金属の中空管をＭｔ−
（木とし−（選択され〕Ｊ合金の中空ビレツ１〜中に仲
人し、次いで通出゛のτ；　ＩＮｌ押出技術を用いてこ
の組立体を押出゛す１１次に押出複合体に通常の管縮小
加工処理をｈ１！！こして所望の寸法の被覆を得る。 本発明の複合被覆を製造りる−）＝述の方法は、被覆の
製造に用いられる電気めっきまたは蒸着のような伯の方
法よりも経済的である。 出発材′！３１の寸θ、は、複合被覆の金属障壁および
基体部分の断面積の比によって決まる。例えば、最終被
覆の全断面積は次式？、″与えられる。 Ａ１　ト　−　π　／４　＜００１１　２−Ｉｌｌ）Ｔ
Ｆ２　）ここに、ΔＴ「は最終生成物の面積、Ｑｌ）Ｔ
Ｆは最終生成物の外径、Ｉ　ｌ）　ＩＦは最終生成物の
内径である。所望の１！！７＋壁の…１而槓は次式で与
えられる。 ΔＦ参Ｆ　・−π／４　＜ＯＤ［３Ｆ２−ＩＤＢＦ２　
）ここに、ΔＢ１：（よ金属障壁の断面積、ＯＤＢ　Ｆ
は金属１（９壁の外径、ｌ［）ＢＦは金属障壁の内径で
ある。さらに、基体の当初のビレットの全断面積は次式
で−りえられる。 ＡＴＴ−π／４（ＯＤ［ｌ２−ＩＤＴｌ２）ここに、△
Ｔ１は金属障壁を含む当初のビレットの全断面積、０Ｄ
ＴＩは当初のビレットの夕日￥、ＩＤＴｌは当初のビレ
ツ１−の内径である。当初の障壁の所要断面積は次式に
よ・）（決まる１、本発明は核無ロ：３１要素の製造１
）＞１、をｂ　Ｊ！ｊ１供し、この方法においては、基
体おＪ、０・ぞの内表面に冶金結合した金属障壁を右り
る一端の聞１−１シた複合被覆容器をつくり、この複合
被覆容器にどの１１１１０端に空所を残して核燃料物質
を充填し、１記空ｊｉＩｉ　４こ核燃料物質保持装置を
挿入し、」−記空所を核燃料と連通させた状態で容器の
聞１丁１端に閉山部祠を設

【フ、次に被覆容器の端部を
上記閉止部Ｈに結合さけてこれらの間に緻密なシールを
形成りる１、本発明により核燃ｒＮ＋要素に長い動作右
向を付りづる幾つかの利点が得られる。これらの刊貞と
１．Ｌ、被覆基体の化学的侵食を減少さけること、被覆
基体に加わる局在化応力を最小にりること、被覆７Ｈｔ
体に加わる応力ひずみ腐食を最小にりること、被覆基体
に割れ破損が生じる可能１′１を減少さけることである
。さらに本発明にＪ、れば、核燃オ゛ミ１が膨張くまた
は膨潤）して被覆阜１本と白１ｇ接触りるりが防１トさ
れ、このことにより被覆基体への局在化応力、被覆基体
の応力腐食の開始または加速、ｄ３よび核燃料の被覆具
体への結合が防止される。 本発明に係わる複合被覆の重要な性質は、上述した種々
の改良を中性子ペナルティをほとんど増加することなく
実現できることにある。このような被覆は原子炉に容易
に使用できる。この理由は、被覆が冷却材そう失事故ま
たは核制御棒が落■Ｚするなどの事故の際に共融混合物
を形成しないからである。さらにこの複合被覆は、別個
の箔またはライナを燃料要素内に挿入した状態で生じる
ような熱伝達に対りる熱障壁が４１いので、その熱伝達
ペナルティが（〜めで小さい、１また本発明の複合被覆
は、製造の種々の段階で通常の非破壊測定法によって検
査りることができる。。 本発明を一層具体的に示覆ために、以下に本発明の詳細
な説明リ−る。これらの実施例は例示にづぎず、本発明
を限定するものＣはない。 実施例１および２ ビレットおよび挿入管を機械加工し、清浄化し、標準押
出法に従って合体さけた１、リヘ（のス」法を適当に選
択して複合ビレツｊ〜を高熱押出１７’レスで押出し得
るようにした１、ビレツ１〜はＡＳｌｆｖｌ１３３５３
、グレードＲＡ　−１にｊ色合りるイｊＦ　１ｌｌ−ジ
ルカロイ−２で、挿入管は高１ｆｌＴ！度（結晶棒）の
シル、、】ニウムでつくった。リベてのビ１ノツＩ−穴
Ｊ′３．１、ひ挿入管に８０μ／ｃｍ（８ｍ　ｉ　ｕ／
ｉｎ）のラーバを付【プ、−緒にプレスして隣接表面を
（１（ｒ実かつｒ、ｙ　Ｍに接触させた。機械加工部品
の刈払は次の通りＣあった。 実施例　１ ヒ゛　し　ッ　ト　２．７ｍ　Ｘ１４，６ｃｍＸ　Ｇ、
２（Ｊａｍ長さ×外径×内径（９，ｏｒｔｘ　５，７４
ｉｎ　Ｘ　２，４４ｉｎ　）金　属　障　壁　Ｇ、２０
ｃｍ　Ｘ　４，２２ｃｍ外径×　内　径　（２，４４ｉ
ｎ　ｘ　１．６Ｇｉｎ　）実施例　２ ヒ゛　し　ッ　ｌ−２，７ｎｌ　Ｘ　１４ｊｉにｍＸ　
（ｉ、２０ｃＴｌｌ長さ×外径×内径（９，０ｆｔｘ　
！ｉ、７４ｉｎ　ｘ　２，４７１ｉｎ　）金　Ｋ　ｊ９
　壁　Ｇ　、　２　（ｌ　Ｃｍ　Ｘ　４　、２２　ＣＩ
ｌｌ外径×内　径　（２，／１４ｉｎ　Ｘ　１．６［１
ｉｌｌ　）ビレットと挿入管を組合ける前に、隣接する
表面に軽いエツチングを行って痕跡量の不純物を除去し
た。ジルカロイ−２および結晶棒ジルコニウムに対して
使用したエツチング液は、 ７０　ロ順およびＨ２Ｏ ３０ｍｕのｌ−１ＮＯ３Ｊ５よび ５ｍｆＬの１」１： にりなる溶液であ・ノた。 押出時に挿入管とビレットどの間に満足し得る結合を１
−する可能性を高めるために、組立体を予備結合−りる
ことにした。予備結合は、チーバイ」挿入管をビレット
のチーバイ」穴中に６２０μｍの真空下でプレス嵌めし
、ヒレツ１〜温度を１４００’１＝（７５０℃）に８時
間相持りることによつＣ行った。最初のプレスの間挿入
管に１４〜２０００　ｋｇ（３０〜４５０００１ｂ）の
「む囲の力を加えた。 熱処理後、２つのビレツ１〜を結合に関して超音波試験
によって試験した。試験結果から挿入管おにびビレット
間の結合の範囲が界面面積の２０〜２５％程度ひあるこ
とがわかった。 押出の際の端部損失を減少さυるために、２インチのジ
ルカロイ−２のじレフ１ヘハを複合じレットの各端部に
溶接し、両省を車用に機械加工した。 ビレットの管胴への押出を次のバシメータを用いて行っ
た。 押出速度１５　ｃｍ／＋ｎｉｎ　（６ｉｎ、、’１ｎｉ
ｎ　）縮小比　６：１ 温　度　６００　℃　（１１００’丁　）押　出　ノフ
　３　５　０　０　を 穴および遊動マンドレル以外のリベ（のヒレ１１〜表面
を水溶性潤清拐で滑らかにし、潤滑月４７００℃（１３
００下）で１時間焼付【ノたｎ　’Ｉ”’＋胴の両端を
清浄に切断し、内径を小−ニングしく表面傷を除去づる
とどもにイ１上りを改；へした。１′へＩＩ］（の最終
寸法は次の通りであった。 外　径　Ｃ５，３５０ｃｍ（２，３ｉ００ｉｎ＞内　径
　４．　１　６６ｃｍ（１、（Ｌ’Ｉ　０ｉｎ）長　さ
　１　、　５ｍ　（５ｆｔ） 管胴の燃料管への最終成形を標ｉ（［」稈に従つＣ行っ
た。標準工程では４回の縮小加工を行い１回毎に清浄化
および焼鈍を行う。この工程における種々のパラメータ
を第１表に示す。 （この頁以Ｆ余白） 一体押出管の縮小加工パラメータ 出発管胴　６．３５０ｃｍ　１．０９２ｃｎ＋（２，５
００ｉｎ）　（０，４３０ｉｎ）焼鈍用の清浄化（油除
去−せっｔ）ん基ｊ焼鈍６８０℃（１２５０下）　１時
間 第１回通過　４，２８５ｃｍ　０．６８６ｃｎ＋（１，
６８７ｉｎ）　（０，２７０ｉｎ）焼鈍用の清浄化 焼鈍　６２０℃（１１５０°Ｆ）　１時間第２回通過　
２，８５８ｃｍ　０．４０６０ｍ（１，１２５ｉｎ）　
（０，１６０ｉｎ）焼鈍用の清浄化 焼鈍６２０℃（１１５０°Ｆ）　１時間第３回通過　１
，９０５ｃｍ　Ｏ，２１６ｃｍ（０，７５０ｉｎ）　（
０，０８５ｉｎ）焼鈍用の清浄化 焼鈍６２０℃（１１５０下）　１時間 第４回通過　１．２５７ｃｍ０．０７１ｃｍ（０，’４
９５ｉｎ）　（０，０２８ｉｎ）焼鈍用の清浄化 焼鈍５８０℃（１０７０下）２１／２　〜ｌｌラッチン
グ行って １．２５５ｃｍ　０．０７１ｃｍ （０，４９４ｉｎ）　（０，０２８ｉｎ）Ｑｅは壁厚の
変化割合（パーセント）対平均直径の≦（パーセント）
の比として定義される。 入管の内径　縮小（％＞　ｏｅ ４．１９１ｃｍ　−−− （１，６５０ｉｎ） １１Ｊ苛性ソーダ） ２．９１３ｃｍ　５７　１．２ （１，１４７ｉｎ） ２．０４５ｃｍ　６０　１．４ （０，８０！＋１ｎ） １．４７３ｃｍ　６４　１．７ （０，５８０ｉｎ） １、１１５ｃｍ　７０　２．３ （０，４３９ｉｎ） １時間 １．１１２ｃｍ （０，４３８ｉｎ） 夕化割合 最終生成物の寸法を第２表に示づ。 第２表 実施例１ 内径　外径　内径ライナの＼」法 １、　ｌ１ｃｍ　１．２５ｃｍ　８Ｇ、Ａ↓　７．６μ
（０，４３８ｉｎ）　（０，４９４ｉｒ＋）　（３，４
４０，３ｍ１ｌ　）実施例２ 内径　外径　内径ライナの刈Ｖ、 １．１１０ｎｌ　１，２５ｃｍ　８３．８　１−　７．
（３／１（０，４３８ｉｎ＞　（０，４９４ｉｎ＞　（
３，３コ　０．３０１１１　）各管胴から１０６ｍ　（
３５０［）以」−の高品質燃料管が得られ、界面はり一
ベて良りｒに結合され−ていた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って構成された核燃料要素を右づ′
る核燃わ１集合体を承り部分破断断面図１、）コよび第
２図は第１図の核燃わ１要素を拡大して示す横断面図で
ある。 １０・・・核燃料集合体　１１・・・ヂ曳・ネル１４・
・・核燃料要素　１６・・・核燃料１７・・・被″Ｅｉ
　１８・・・端部プラグ２０・・・空所　２１・・・基
体 ２２・・・金属障壁　２４・・・保持装置代理人　弁理
士　三　好　保　男 第１図 第２図 ７

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）核燃料物質を収容するように形成されたジルコニ
   ウム合金の被覆容器の内側に実質的に高＠度のジルコニ
   ウム金属の障壁を冶金結合により設置ノ、原子炉の運転
   時に核燃料物質と被覆容器の間に生じる橢械的−化学的
   相互作用による微小割れの伝播を高純度ジル」ニウム金
   属の障壁内で止める方法。
2. （２）核燃おＩ物質を収容するように形成された被覆容
   器を、シルコニ・クム合金の外層と該外層に冶金結合さ
   れた実質的に高純庶のジルコニウム金属の内層からなる
   複合被覆容器として形成し、ジルコニウム金属の内層が
   被覆容器の全体の厚さの５〜３０％である複合被覆容器
   。