JPS63179285A - 核燃料棒 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は核燃料棒に係り、特に原子力発電プラントの原
子炉に用いるのに好適な核燃料棒に関するものである。

〔従来の技術〕

核燃料棒は通常、第１図に示すように被覆管１内に複数
個の核燃料ペレット２を積層収納するとともに被覆管１
の両端開口を端栓３ａ、３ｂで密封したものとなってい
る。上記核燃料ペレット２は核分裂性の酸化物燃料粉末
を例えば長さと直径との比が約１の円柱状ペレットに成
型焼結したものである。なお、第１図中、４は被覆管１
内にガス溜め用プレナム５を形成する機能と核燃料ペレ
ット２を安定に支持する機能とを果すスプリングを示し
ている。

ところで、上記のように構成された核燃料棒において、
被覆管１には、核燃料ペレット２と冷却材との接触及び
化学反応を阻止する機能と、ｆｆｉ料から放出される放
射性核分裂生成物が冷却材中に５、・遣いすう、、阻止
す６機能、ヵ１□ゎう、、えかって、このような機能を
満足しない被覆管、つまり被覆管が破損したような場合
には、冷却系プラントの放射能レベルが上昇し、安全を
確保するために原子炉の運転を停止させなければならな
いことも考えられ、原子カプラント全体の稼動率を低下
させることになり、好ましくない。

水冷型原子炉に用いられる核燃料棒の被覆管は、一般に
ジルコニウム及びその合金系で形成されている。ジルコ
ニウム及びその合金は、中性子吸収断面積が小さく、か
つ、約４００℃以下の温度で強靭で延性が良く、しかも
冷却材として用いられる水蒸気とも反応しない安定した
特性を有している。　しかしながら、現在までの運転経
験によると、ジルコニウム及びその合金で形成された被
覆管であっても、中性子照射を受けることによる材料強
度の低下及び核分裂生成物との化学反応による腐食など
の相互作用に基づく脆性割れを発生する可能性がある。

このような望ましくない現象は次のようにして発生する
ものと考えられる。すなわち、核燃料ペレット２で発生
した熱を被覆管１の外表面に効率よく伝えるには、被覆
管１の内側面と核燃料ペレット２との間に形成されるギ
ャップを約１００ミクロン以下に設定する必要がある。

一方、運転時には核燃料ペレット２が発熱するのでペレ
ット自身が熱応力で割れ、その破面のくい違いや、さら
には燃焼とともに核燃料ペレット内に核分裂生成物が蓄
積して起こる体積膨張などが原因して被覆管１が核燃料
ペレット２によって押し拡げられ応力を受ける。被覆管
１が受ける歪の周方向の平均値はさほど大きくはないが
、核燃料ペレット２と被覆管１との界面摩擦力により核
燃料ペレット２に生じたクラック近傍の被覆管内面に歪
が集中し、この歪は降伏応力以上に達する。さらに、核
分裂にともなって核燃料ペレット２からヨウ素及びヨウ
素化合物、セシウム及びセシウム化合物などの腐食性ガ
スが発生し、この腐食性ガスは被覆管１１１’：ｘ、’
、、’＊す、被覆管１に特に歪が集中している部分近傍
に腐食性ガスが集り易く、この部分を起点にして、たと
えば応力腐食割れと呼称される脆性破壊現象が発生する
。

この問題に対処する従来技術として特開昭５０−１１１
４９６号公報°では、被覆管の半径方向座標軸とこの半
径方向座標軸に直交する円周方向座標軸とを含む平面内
でジルコニウムの稠密六方晶の中心軸（Ｃ軸）が被覆管
半径方向座標軸に対して約５度から約１８度の範囲に最
も集中するように品質管理されて製造された被覆管が述
べられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、製造に高度な技術を必要とするもので
あった。

本発明は以上の事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは腐食性ガス中において。

燃料との相互作用により被覆管に応力が作用した場合、
被覆管の応力腐食割れを起こす確率が大幅に低く、破損
確率の低い信頼性に富んだ核燃料棒を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、被覆管を構成するα−ジルコニウムのＣ軸
方向が上記被覆管の半径方向から円周方向に±３５度以
内に傾いていて上記α−ジルコニウムの結晶の占める体
積が上記被覆管の全体積の６０％以上になるように結晶
が集中するように上記被覆管を引抜き加工するようにし
て達成するようにした。

〔作用〕

核分裂によって生じた腐食性ガスによる核燃料棒の被覆
管の脆性割れの起しやすさくＳＣＣ感受性）は、最近の
研究によれば、ジルコニウム単結晶の底面の方向と応力
の方向とに重要な相関関係があることが明らかになって
いる。すなわち、被覆管の脆性割れ（ＳＣＣ）は、ジル
コニウム単結晶の底面に垂直方向の引張り歪が発生する
ことにより、その底面にへき開割れが生ずることがわが
ってきた。

そこで、被覆管に典型的な荷重が作用したときのα−ジ
ルコニウムのＣ軸の傾きと同結晶の底面−（へき開面）
に垂直方向の歪について解析した結一 ：：’、被覆管の半径方向から円周方向に±３５度以内
の角度にあるときには、へき開面は圧縮され、へき開に
よるＳＣＣが発生しないことを見い出し、この知見に基
づいて被覆管のＳＣＣ発生の頻度を低減するようにした
。

〔実施例〕

以下本発明を第１図、第２図に示した実施例および第３
図〜第５図を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の核燃料棒の一実施例を示す縦断面図で
、１は被覆管、２は被覆管１内に積層収納した核燃料ペ
レット、３ａ、３ｂはそれぞれ被覆管１の両端開口を密
封した端栓、４は被覆管１内にガス溜め用プレナム５を
形成するとともに核燃料ペレット２を支持するスプリン
グである。

第２図は第１図の被覆管１の製造工程の一実施例を示す
工程図である８本発明では、第２図の中間圧延から最終
圧延までの圧延工程において、直径減少率に対する肉厚
減少率を１．３　　、１．７　。

２．０　　、２．４　　、３．０　　と５段階に変化さ
せて５７．４類の集合組織をもった被覆管Ａ、Ｂ、Ｃ，
Ｄ。

Ｊ）・Ｅ材を製作した。このようにして製造した被覆管
の集合組織を調べるため、薄肉試料のＸ線回折を行った
結果、第４図に示す結果を得た。この測定例では、α−
ジルコニウムのＣ軸が被覆管の半径方向から円周方向に
測って±３５度の角度内に向っている結晶を選び出し、
全結晶に対する体積割合ΔＶ／Ｖを示している。

第３図は本発明に係る第４図のＣで示した核燃料棒の被
覆管を構成するα−ジルコニウムのＣ軸方向の分布図で
、被覆管の単位体積当りの結晶の６０％が半径方向から
円周方向に±３５度以内のところにあることがわかる。

このようにして製造した被覆管の特性を調べるため、被
覆管内に中空の核燃料ペレットを挿入するとともに、核
燃料ペレットの中空部に円柱状の純アルミニウム捧を充
填し、ヨウ素濃度約ｌａｇ／ｄ、温度３５０℃の雰囲気
下で上記アルミニウム棒を長手方向に圧縮し、中空の核
燃料ペレットを半径方向に膨張させることによって、炉
内の被覆歪と各種被覆管との関係を模擬試験によって求
めた。その結果を第５図に示しである。第５図において
、横軸はα−ジルコニウムの結晶のＣ軸が半径方向から
同局方向Ｌ；測って±３５度以下の傾きで向っている結
晶の体積割合（ΔＶ／Ｖ）で、縦軸は被覆管の破損歪で
ある。そして白丸印はΔＶ／Ｖを変えた５種類の被覆管
に対する結果であり、黒丸印は比較のために求めた従来
使用されている被覆管の場合の結果である。第５図によ
れば、ΔＶ／Ｖが従来使用されている管に対する値（５
７％）より小さい場合には、許容歪が著しく低下する。

一方、ΔＶ／Ｖが従来の管に対する値より大きい場合に
は、従来の管より許容歪が大きく、特にΔＶ／Ｖが６０
％を越える場合には、許容歪が飽和することがわかる。

本発明に係るΔＶ／Ｖが６０％以上の被覆管は、圧延工
程において肉厚減少率／直径減少率の比を２．０以上に
することによって得られる。

この結果かられかるように、本発明に係る被覆管は、応
力腐食割れに対する抵抗力が、従来のものより大きく、
大きな変形まで許容し得る。つまり、結晶軸方向を調整
した本発明に係る被覆管は、被覆管の脆性割れに対する
抵抗力が大きい。

なお、本発明はジルカロイ−２製の被覆管を用いた核燃
料棒に限らず、ジルカロイ−４及び純ジルコニウムを内
張すしたジルコニウムライナー管層の被覆管を用いた核
燃料棒の被覆管にも適用で′きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、従来のものに比
較して被覆管の応力腐食割れを起し難く、信頼性に富ん
だ核燃料棒を提供できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

一第１図は本発明の核燃料の一実施例を示す縦断面図、
第２図は第１図の被覆管の製造工程の一実施例を示す工
程図、第３図は本発明の核燃料棒の被覆管を構成するα
−ジルコニウムの稠密六方晶の中心軸（Ｃ軸）方向の分
布図、第４図は核燃料棒の被覆管の製造条件を変化させ
て得られる被覆管材と個々の材料の結晶集合程度を表わ
す線図。 第５図は本発明に係る被覆管と従来の被覆管との破損歪
を示す線図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ジルコニウム合金系燃料被覆管内に核燃料ペレット
   を収納し、前記被覆管の両端開口をそれぞれ端栓で密封
   してなる核燃料棒において、前記被覆管を構成するα−
   ジルコニウムは、その結晶の中心軸方向が前記被覆管の
   半径方向から円周方向に±３５度以内に傾いていて前記
   α−ジルコニウムの結晶の占める体積が前記被覆管の全
   体積の６０％以上になるように結晶が集中しているもの
   であることを特徴とする核燃料棒。