JPS61210987A - 核燃料要素の被覆管 - Google Patents
核燃料要素の被覆管Info
- Publication number
- JPS61210987A JPS61210987A JP60050461A JP5046185A JPS61210987A JP S61210987 A JPS61210987 A JP S61210987A JP 60050461 A JP60050461 A JP 60050461A JP 5046185 A JP5046185 A JP 5046185A JP S61210987 A JPS61210987 A JP S61210987A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- zirconium
- layer
- cladding tube
- nuclear fuel
- grain size
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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- Y—GENERAL 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
- 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
Landscapes
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Rigid Pipes And Flexible Pipes (AREA)
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】
〔発明の利用分野〕
本発明は、特に応力腐食割れ防止構造を改良した核燃料
要素の被覆管に関するものである。
要素の被覆管に関するものである。
現在、設計、製造並びに運転がなされている原子炉にお
いては、通常、核燃料物質を耐食性、非反応性で熱伝導
性にすぐれた被覆管内に封入した核燃料要素を使用して
いる。この核燃料要素を冷却材流れチャンネル内に一定
間隔に格子状に集合して組み立てて燃料集合体を形成し
、この燃料集合体を適当数組み合せて核分裂反応が可能
な核分裂連鎖反応集合体ま九は炉心を形成し、この炉心
を冷却材が流通する原子炉容器内に入れである。
いては、通常、核燃料物質を耐食性、非反応性で熱伝導
性にすぐれた被覆管内に封入した核燃料要素を使用して
いる。この核燃料要素を冷却材流れチャンネル内に一定
間隔に格子状に集合して組み立てて燃料集合体を形成し
、この燃料集合体を適当数組み合せて核分裂反応が可能
な核分裂連鎖反応集合体ま九は炉心を形成し、この炉心
を冷却材が流通する原子炉容器内に入れである。
被覆管は幾つかの目的で使用され、その第１の目的は、
核燃料と冷却材または減速材との接触及一部が気体であ
る放射性核分裂生成物が燃料から冷却材または減速材、
あるいは冷却材と減速材の通常、被覆管材料には、ステ
ンレス鋼、ジルコニウム及びジルコニウム曾金等が用い
られている。
核燃料と冷却材または減速材との接触及一部が気体であ
る放射性核分裂生成物が燃料から冷却材または減速材、
あるいは冷却材と減速材の通常、被覆管材料には、ステ
ンレス鋼、ジルコニウム及びジルコニウム曾金等が用い
られている。
これらの被覆管の破断、即ち、漏れや密封性の喪失が生
じると、冷却材ま７ｔｄ減速材、及びそれらが関連する
系が放射性長寿命生成物でプラントの運転が妨げられる
程度に汚染されるおそれがある。
じると、冷却材ま７ｔｄ減速材、及びそれらが関連する
系が放射性長寿命生成物でプラントの運転が妨げられる
程度に汚染されるおそれがある。
ジルコニウム及びジルコニウム合金は、平常の条件下で
は優秀な被覆管材料である。その理由は、ジルコニウム
及びジルコニウム合金は小さい中性子吸収断面を有し、
さらに、約４００Ｃ以下の温度では、原子炉冷却材及び
減速材として普通に使用される水蒸気の存在下で強く、
しかも、延性を有し、極めて安定で、かつ、非反応性で
あるからである。このような原子炉燃料棒を用いた長年
の運転経験によれば、現在使用されている燃料棒は高度
の信頼性を有していることがあきらかである。
は優秀な被覆管材料である。その理由は、ジルコニウム
及びジルコニウム合金は小さい中性子吸収断面を有し、
さらに、約４００Ｃ以下の温度では、原子炉冷却材及び
減速材として普通に使用される水蒸気の存在下で強く、
しかも、延性を有し、極めて安定で、かつ、非反応性で
あるからである。このような原子炉燃料棒を用いた長年
の運転経験によれば、現在使用されている燃料棒は高度
の信頼性を有していることがあきらかである。
しかし、特開昭５５−３３０３７号公報に示しであるよ
うに、原子炉が変動する負荷をもって運転する必要があ
る場合、あるいは出力を急上昇させる必要がある場合に
は、燃料の障害がしばしば発生することが明らかとなっ
た。この場合の変動負荷は、原子炉燃料棒の温度の変動
を生じ、従って、燃料棒は更に周期的に熱膨張の作用を
うけることになる。この場合、被覆管の内壁には燃料ベ
レット、被覆管及び核分裂生成物質間の相互作用により
、応力腐食割れ（ＳＣＣ）ｔ−起こすと云う問題が明ら
かとなり′ｌｌ−０その場合の腐食性媒体としてヨウ素
が確認された。
うに、原子炉が変動する負荷をもって運転する必要があ
る場合、あるいは出力を急上昇させる必要がある場合に
は、燃料の障害がしばしば発生することが明らかとなっ
た。この場合の変動負荷は、原子炉燃料棒の温度の変動
を生じ、従って、燃料棒は更に周期的に熱膨張の作用を
うけることになる。この場合、被覆管の内壁には燃料ベ
レット、被覆管及び核分裂生成物質間の相互作用により
、応力腐食割れ（ＳＣＣ）ｔ−起こすと云う問題が明ら
かとなり′ｌｌ−０その場合の腐食性媒体としてヨウ素
が確認された。
上記問題を解決する一つの方法として被覆管を二重構造
とし、ジルカロイ−２被覆管の内側に耐ＳＣＣ性の良好
なジルコニウムを２イニングする方法が提案された。こ
の方法によれば、耐８ＣＣ性能はジルカロイ２被覆管の
ｉまよりもすぐれてｉることが確認された。しかし、原
子炉の運転方法によっては、必ずしもＳＣＣ＊慣を完全
く防止できるまでには至っていない。その原因の一つは
ジルコニウムと云えども、腐食性媒体環境中では８０Ｃ
破損を起こすと云う点にある。
とし、ジルカロイ−２被覆管の内側に耐ＳＣＣ性の良好
なジルコニウムを２イニングする方法が提案された。こ
の方法によれば、耐８ＣＣ性能はジルカロイ２被覆管の
ｉまよりもすぐれてｉることが確認された。しかし、原
子炉の運転方法によっては、必ずしもＳＣＣ＊慣を完全
く防止できるまでには至っていない。その原因の一つは
ジルコニウムと云えども、腐食性媒体環境中では８０Ｃ
破損を起こすと云う点にある。
・本発明は上記の状況に鑑みなされたものであり、耐応
力腐食割れ性能を向上すると共に従来の被覆管と同等の
強度及び耐食性を有する核燃料要素の被覆管を提供する
ことを目的としたものである。
力腐食割れ性能を向上すると共に従来の被覆管と同等の
強度及び耐食性を有する核燃料要素の被覆管を提供する
ことを目的としたものである。
〔発明のｇｌり
本発明の核燃料＊＊の被覆管は、内側ジルコニウム層と
、該内側ジルコニウム層の外側を取り囲むようく形成さ
れた外側ジルコニウム合金層からなると共に内部に核燃
料物質が封入された被覆管からなり、上記内側ジルコニ
ウム層の結晶粒径が５μｍ以下に形成されてｉるもので
ある。
、該内側ジルコニウム層の外側を取り囲むようく形成さ
れた外側ジルコニウム合金層からなると共に内部に核燃
料物質が封入された被覆管からなり、上記内側ジルコニ
ウム層の結晶粒径が５μｍ以下に形成されてｉるもので
ある。
一般に、ジルコニウム合金、例えば、ジルカロイ−２よ
りもクリスタルバージルコニウムあるいはスポンジジル
コニウムのような純ジルコニウムの方が耐ＳＣＣ性能が
すぐれている。逆に耐食性はジルカロイ−２の方が純ジ
ルコニウムよシもすぐれている。
りもクリスタルバージルコニウムあるいはスポンジジル
コニウムのような純ジルコニウムの方が耐ＳＣＣ性能が
すぐれている。逆に耐食性はジルカロイ−２の方が純ジ
ルコニウムよシもすぐれている。
一方、ジルコニウムのヨウ素によるＳＣＣのメカニズム
は、まず、ヨウ素とジルコニウムの化学反応によりジル
コニウムの粒界が優先的にアタックされ粒界の結合力が
低下する。ジルコニウムに応力が作用していると、この
結合力の低下により粒界破壊を起こす。ヨウ素と反応し
ていないジルコニウム層の内部では、最初は結晶粒界の
低下は起こらないが、粒界破壊が進むに従ってヨウ素の
アタックを受けて粒界破壊を起こす。このように、目つ
素によるＳＣＣ破壊は、被覆管内表面から順次結晶粒界
に沿って起こる。従って、被覆管の耐８ＣＣ性能を向上
させるためには、ジルコニウム層の粒界の面積を増加さ
せればよ−ことになる。
は、まず、ヨウ素とジルコニウムの化学反応によりジル
コニウムの粒界が優先的にアタックされ粒界の結合力が
低下する。ジルコニウムに応力が作用していると、この
結合力の低下により粒界破壊を起こす。ヨウ素と反応し
ていないジルコニウム層の内部では、最初は結晶粒界の
低下は起こらないが、粒界破壊が進むに従ってヨウ素の
アタックを受けて粒界破壊を起こす。このように、目つ
素によるＳＣＣ破壊は、被覆管内表面から順次結晶粒界
に沿って起こる。従って、被覆管の耐８ＣＣ性能を向上
させるためには、ジルコニウム層の粒界の面積を増加さ
せればよ−ことになる。
ジルコニウム層の粒界面積を増加させる最も簡単な方法
はジルコニウム層の厚さを増加させることである。
はジルコニウム層の厚さを増加させることである。
しかし、ジルコニウムはジルカロイより強度が低く、ジ
ルコニウム層の厚さを増加すれば被覆管の設計応力ｔ−
満足することができ々くなる。ジルコニウム層の粒界面
積を増加させる他の方法は、結晶ｖｔＬｔ！ｈｔ−小さ
くすることである。結晶粒を近似的に球と仮定すると、
単位体積当りの結晶粒界面積は結晶ａ径に逆比例する。
ルコニウム層の厚さを増加すれば被覆管の設計応力ｔ−
満足することができ々くなる。ジルコニウム層の粒界面
積を増加させる他の方法は、結晶ｖｔＬｔ！ｈｔ−小さ
くすることである。結晶粒を近似的に球と仮定すると、
単位体積当りの結晶粒界面積は結晶ａ径に逆比例する。
従って、結ａ１粒儀の減少率、α（α−（Ｄｏ −Ｄ）
／Ｄｏ 、Ｄｏ及びＤｔｌそれぞれ結晶：ｇｌｍを小さ
くする前と後の結晶棺儀）と、単位体積当りの結晶粒界
ｒｒＪ積の増加率／（β■（Ａ−ム・）７人・、＾０及
び人はそれぞれ結晶、１１２匝を小さくする前と＊Ｏ＃
蟲粒界聞積）との関係は次の（１）式のようになる。
／Ｄｏ 、Ｄｏ及びＤｔｌそれぞれ結晶：ｇｌｍを小さ
くする前と後の結晶棺儀）と、単位体積当りの結晶粒界
ｒｒＪ積の増加率／（β■（Ａ−ム・）７人・、＾０及
び人はそれぞれ結晶、１１２匝を小さくする前と＊Ｏ＃
蟲粒界聞積）との関係は次の（１）式のようになる。
β■１／（１−α）−１・・・・・・・・・Ｕ）第１表
にαとβとの関係を示す。
にαとβとの関係を示す。
第１表
上記の如く、ヨウ素によるＳＣＣはヨウ素とジルコニウ
ムの結晶粒界との反応によって進行する。
ムの結晶粒界との反応によって進行する。
従って、ジルコニウム層の厚さが同一であっても、結晶
粒界面積が広がれば広い程ＳＣＣき裂がジルコニウム層
を通過して耐ＳＣＣ性があまシよくな一ジルカロイー２
層に達する時間が長くなシ、耐ＳＣＣ性能が向上する。
粒界面積が広がれば広い程ＳＣＣき裂がジルコニウム層
を通過して耐ＳＣＣ性があまシよくな一ジルカロイー２
層に達する時間が長くなシ、耐ＳＣＣ性能が向上する。
例えば、第１表から結晶粒径ｔ−５０１減少させれば、
粒界面積は１００％。
粒界面積は１００％。
即ち、元の粒界面積の２倍の粒界間積のジルコニウム層
を有する被覆管を得ることができる。従って、これに伴
って被覆管の耐ＳＣＣ性能も向上することになる。また
、第１表から判断して結晶粒径が小さくなればなる程、
耐８ＣＣ性能は飛躍的に向上する。通常のジルコニウム
ライナ層を有する被覆管のジルコニウムの結晶粒径は１
０〜１４μｍである。また、シルカ四イー２層の結晶粒
径Ｆ１２〜４μｍである。従って、ジルコニウム２イナ
層の結晶粒径をジルカロイ−２層の結晶粒径程度まで減
少させれば、βの値は２００％ （ジルコニウムの結晶
粒径ｔ−１２μｍから４μｍに減少させたものとして求
めた値）となる。現在の被覆管製作技術をもってすれば
、ジルコニウムライナ層の結晶粒ｇｋを４μｍ程度まで
減少させることは可能である。尚、結晶粒径がこの程度
変っても被覆管の強度はほとんど変らない。
を有する被覆管を得ることができる。従って、これに伴
って被覆管の耐ＳＣＣ性能も向上することになる。また
、第１表から判断して結晶粒径が小さくなればなる程、
耐８ＣＣ性能は飛躍的に向上する。通常のジルコニウム
ライナ層を有する被覆管のジルコニウムの結晶粒径は１
０〜１４μｍである。また、シルカ四イー２層の結晶粒
径Ｆ１２〜４μｍである。従って、ジルコニウム２イナ
層の結晶粒径をジルカロイ−２層の結晶粒径程度まで減
少させれば、βの値は２００％ （ジルコニウムの結晶
粒径ｔ−１２μｍから４μｍに減少させたものとして求
めた値）となる。現在の被覆管製作技術をもってすれば
、ジルコニウムライナ層の結晶粒ｇｋを４μｍ程度まで
減少させることは可能である。尚、結晶粒径がこの程度
変っても被覆管の強度はほとんど変らない。
以下本発明の核燃料要素の被覆管を実施例を用い第１図
により説明する。第１図は断面図である。
により説明する。第１図は断面図である。
図において、ｌは被覆管であシ外側ジルコニウム合金層
２及び内側ジルコニウム層３からなっている。被覆管１
の外径は１２．５ｍである。内側ジルコニウム層３はス
ポンジジルコニウムから形成され厚さ１００μｍであり
、外側ジルコニウム合金層２はジルカロイ−２により形
成され厚さは７６０μｍである。被覆管１内には多数の
燃料ペレット（図示せず）が充填され、両端部＃ｉ密封
されて燃料棒が構成されている。燃料ペレットの外周面
は内側ジルコニウム層３に対向している。
２及び内側ジルコニウム層３からなっている。被覆管１
の外径は１２．５ｍである。内側ジルコニウム層３はス
ポンジジルコニウムから形成され厚さ１００μｍであり
、外側ジルコニウム合金層２はジルカロイ−２により形
成され厚さは７６０μｍである。被覆管１内には多数の
燃料ペレット（図示せず）が充填され、両端部＃ｉ密封
されて燃料棒が構成されている。燃料ペレットの外周面
は内側ジルコニウム層３に対向している。
内側ジルコニウム層３のジルコニウムの結晶粒径を、３
μｍ、４μｍ、 ５μｍ、 ６μｍ及び８μｍに変
えた被覆管ｌの８ＣＣ試験を行ない、従来得られている
通常のジルコニウム２イチ被覆管（ジルコニウムの結晶
粒径１２μｍ）の試験結果と比較し虎。試験はヨウ素雰
囲気（Ｎつ素濃度１ｍｇ／ｍ’ ）でアルゴンガスによ
る内圧加圧方式にて行った。試験１度はａｓｏｃで、負
荷応力は２５１４／ｍ” （被覆管の円周方向応力）
である。
μｍ、４μｍ、 ５μｍ、 ６μｍ及び８μｍに変
えた被覆管ｌの８ＣＣ試験を行ない、従来得られている
通常のジルコニウム２イチ被覆管（ジルコニウムの結晶
粒径１２μｍ）の試験結果と比較し虎。試験はヨウ素雰
囲気（Ｎつ素濃度１ｍｇ／ｍ’ ）でアルゴンガスによ
る内圧加圧方式にて行った。試験１度はａｓｏｃで、負
荷応力は２５１４／ｍ” （被覆管の円周方向応力）
である。
試験結果を、横軸に結ル粒径をと１縦軸に破断時間をと
って貴台＾第２図に示す。第２図において黒丸の４は本
実施例の結晶粒径毎の破断時間、白丸の５は従来の二重
被覆管の結晶粒径１２μｍの破断時間である。第２図よ
りジルコニウムの結晶粒径が、６μｍ以上では８ＣＣに
よる破断時間には余り差は見られないが、結晶粒径が５
μｍ以下では破断時間に有意差が見られ、かつ、結晶粒
径が小さい程破断時間が長くなっている。即ち、結晶粒
僅か５μｍ以下の範囲で耐ＳＣＣ性能の改善が認められ
る。
って貴台＾第２図に示す。第２図において黒丸の４は本
実施例の結晶粒径毎の破断時間、白丸の５は従来の二重
被覆管の結晶粒径１２μｍの破断時間である。第２図よ
りジルコニウムの結晶粒径が、６μｍ以上では８ＣＣに
よる破断時間には余り差は見られないが、結晶粒径が５
μｍ以下では破断時間に有意差が見られ、かつ、結晶粒
径が小さい程破断時間が長くなっている。即ち、結晶粒
僅か５μｍ以下の範囲で耐ＳＣＣ性能の改善が認められ
る。
このように本実施例の核燃料要素の被覆管は、内側ジル
コニウム層の結晶粒径が５μｍ以下に形成されているこ
とにより、従来のジルコニウム及びジルコニウム合金か
らなる二重被覆管に比べ著しく耐ＳＣＣ性を向上し、か
つ、従来と同等の強度及び耐食性を有している。
コニウム層の結晶粒径が５μｍ以下に形成されているこ
とにより、従来のジルコニウム及びジルコニウム合金か
らなる二重被覆管に比べ著しく耐ＳＣＣ性を向上し、か
つ、従来と同等の強度及び耐食性を有している。
以上記述した如く本発明の核燃料要素の被覆管は、耐応
力腐食割れ性能を著しく向上するとともに従来の被覆管
と同等の強度及び耐食性を備えている効果を有するもの
である。
力腐食割れ性能を著しく向上するとともに従来の被覆管
と同等の強度及び耐食性を備えている効果を有するもの
である。
第１図は本発明の核燃料要素の被覆管の実施例の横断面
図、第２図ｒｉ第１図の内側ジルコニウム層の結晶８径
と破断時間との関係説明図である。 １・・・被覆管、２・・・外側ジルコニウム合金層、３
・・・内側ジルコニウム層。
図、第２図ｒｉ第１図の内側ジルコニウム層の結晶８径
と破断時間との関係説明図である。 １・・・被覆管、２・・・外側ジルコニウム合金層、３
・・・内側ジルコニウム層。
Claims (1)
- １、内側ジルコニウム層と、該内側ジルコニウム層の外
側を取り囲むように形成された外側ジルコニウム合金層
からなり、内部に核燃料物質が封入される被覆管におい
て、上記内側ジルコニウム層の結晶粒径が５μｍ以下に
形成されていることを特徴とする核燃料要素の被覆管。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60050461A JPS61210987A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 核燃料要素の被覆管 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60050461A JPS61210987A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 核燃料要素の被覆管 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61210987A true JPS61210987A (ja) | 1986-09-19 |
| JPH0449919B2 JPH0449919B2 (ja) | 1992-08-12 |
Family
ID=12859509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60050461A Granted JPS61210987A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 核燃料要素の被覆管 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61210987A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5044646A (en) * | 1985-12-27 | 1991-09-03 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Scooter type vehicle |
-
1985
- 1985-03-15 JP JP60050461A patent/JPS61210987A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5044646A (en) * | 1985-12-27 | 1991-09-03 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Scooter type vehicle |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0449919B2 (ja) | 1992-08-12 |
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