JPS63222292A - 核燃料被覆管 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、原子炉の核燃料棒用被覆管に係り、特に一種
類のジルコニウム基合金よりなる核燃料被覆管に関する
。

（従来の技術） 一般に、原子炉用燃料棒は、ジルカロイ製の被覆管内に
複数の核燃料ベレットを積重ねて装入し、上下端を、ジ
ルカロイ製の端栓で溶接密封して構成されている。

ところで、この種の燃料棒においては、核燃料ベレット
が使用時の熱応力で割れ、割れたベレット片が径方向に
動くことがある。また同時に、核燃料ペレット内に核分
裂で生じた核分裂生成物が蓄積されるため、ベレット体
積が膨張する。そしてこれらの結果、製造時に被覆管と
ペレットとの間に設けられていた間隙が次第に小さくな
り、燃焼度が高くなると消滅し、被覆管とベレットとが
強く接触するようになる。

このような状態、すなわち照射がある程度進んだ燃料寿
命中期以降において、制御棒引抜き等により出力過渡変
化を受けて局部的な出力上昇が加えられた場合には、ベ
レットと被覆管との熱膨張差に基づく、いわゆるペレッ
ト−被覆管相互作用（ＰＣＩ）により、被覆管に大きな
応力が生じることになる。そしてさらに、ベレット中の
核分裂生成物中の腐蝕性物質であるヨウ素等が化学的に
作用し、被覆管が応力腐蝕割れを起こし、被覆管に貫通
孔等の損傷が生じるおそれがある。

このような問題点を回避するために従来から採られてき
た方策としては以下のようなものがある。

すなわちその第１は、原子炉の運転条件に厳しい制限を
課し、如何なる個所においても設定制限値を超えるよう
な大きな出力過渡変化（出力上昇）が生じないようにす
ることである。しかしながらこの場合、原子炉運転時の
融通性を著しく損なうとともに、起動時の出力上昇速度
を小さな値に制限する必要があって全出力運転に到達す
るまでに多大の日数を要し、原子炉の稼働率を引下げる
原因となる等の問題がある。

また第２の方策は、燃料棒被覆管自体に改良を加えるも
ので、例えば通常用いられるジルカロイ−２と呼ばれる
ジルコニウム基合金製の管体の内面に、純ジルコニウム
の薄い金属波膜を肉張りし、このライナ層によってジル
カロイ−２の管体母材部の内面を保護をするジルコニウ
ムライナ被覆管を用いることである。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、前記ジルコニウムライナ被覆管は、内面の純
ジルコニウムがジルカロイ−２よりも軟いため、ＰＣＩ
が生じても被覆管にかかる応力が緩和され、応力腐蝕割
れは生じない。

しかしながら、純ジルコニウムを内張すするため、被覆
管の製造工程が非常に複雑となるとともに、純ジルコニ
ウムを均一に内張すすることが困難となり、また二種類
の被覆管材料が必要となる等の問題がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたちので、一
種類のジルコニウム基合金を用いて容易に製造でき、し
かもＰＣＩによる応力腐蝕割れを防止して核燃料棒の健
全性を維持できる核燃料被覆管を提供することを目的と
する。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、被覆管を、その肉厚方向に内周部領域と外周
部領域とに区分し、内周部領域の平均結晶粒径を、外周
部領域の平均結晶粒径よりも太きくするようにしたこと
を特徴とする。

（作　用） 本発明に係る核燃料被覆管においては、被覆管の内周部
領域の平均結晶粒径が、外周部領域の平均結晶粒径より
も大きくなっている。

一般に、被覆管の降伏応力σ　は、平均結晶粒径により
変化し、下式の関係にある。

σｙ　−Ａ＋Ｂ　・　ｄ　　　　　　・・・・・・・・
・・・・・・・　　（１）ただしｄ：平均結晶粒径 ＡＳＢ：定数 したがって、平均結晶粒径の大きな内周部領域は、平均
結晶粒径の小さな外周部粒径よりも降伏応力σ　が小さ
くなる。このため、ＰＣＩが発生して被覆管内面に局部
的な過大な応力が生じても、この被覆管の内周部領域が
変形することによって局部応力が吸収されて荷重が緩和
され、被覆管の外周部領域への悪影響が防止される。そ
してこれにより、ＰＣＩによる応力腐蝕割れを防止でき
、燃料の健全性を維持することが可能となる。

（実施例） 以下本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図および第２図は本発明に係る核燃料被覆管の一例
を示すもので、この被覆管１は例えばジルカロイ−２、
ジルカロイ−４、あるいはジルコニウム−ニオブ合金等
の一種類のジルコニウム基合金で製作されている。

この１ｍ管１は、第１図に示すようにその肉厚方向に内
周部領域２と外周部領域３との三領域に区分されており
、内周部領域２の平均結晶粒径は、外周部領域３の平均
結晶粒径よりも大きく設定されている。

すなわち、外周部領域３の平均結晶粒径は、ジルコニウ
ム基合金の再結晶化温度領域である約５８０℃で真空焼
鈍したときの粒径（例えばジルカロイ−２の場合には約
５μｍ程度）に設定され、一方向周部領域２の平均結晶
粒径は、ＰＣＩにより発生する応力を充分緩和するため
、外周部領域３の平均結晶粒径の２倍以上に設定されて
いる。

また同様の理由により内周部領域２の層厚Ｗ＋は、第１
図に示すように被覆管１の肉厚Ｗｐの５〜３０％に設定
されている。

以上の構成を有する被覆管１は、従来の被覆管を熱処理
することにより製造されるようになっている。

すなわち被覆管１は、その外面を冷却しながら焼鈍し、
内周部領域２の温度を、結晶粒成長が著しくなる約７０
０〜８００℃とすることにより得られるようになってい
る。

第３図は、本実施例に係る被覆管１の応力分布を従来の
被覆管と比較して示したもので、以下、第３図を参照し
て本実施例の作用を説明する。

従来の被覆管の場合には、その肉厚方向全域が同一平均
結晶粒径の一種類のジルコニウム基合金製であるため、
ＰＣＩにより発生した応力は、被覆管内表面部で最大と
なっている。そしてその値は、応力腐蝕割れを引起こす
のに充分な応力以上となっている。

一方、本実施例に係る被覆管１の場合には、内周部領域
２の平均結晶粒径が大きく降伏応力が小さいため、局部
応力が緩和されて発生応力は小さくなる。この結果、被
覆管１のどこをとっても応力腐蝕割れを引起こす応力以
上となることはなく、被覆管１の損傷を防止できる。

なお、内周部領域２にかかる降伏応力は、その平均結晶
粒径が大きくなればなるほど低下し、被覆管１全体に発
生する応力も低下する。したがって、応力腐蝕割れを引
起こす応力以下に被覆管１の応力を低下させるためには
、内周部領域２の平均結晶粒径を、外周部領域３の平均
結晶粒径の２倍以上にすることが好ましい。また同様の
理由により、内周部領域２の層厚Ｗ１は、被覆管１の肉
厚ＷＦの５％以上とすることが望ましい。しかしながら
この層厚Ｗ＋を厚くし過ぎると、被覆管１の強度が低下
することになるので、層厚Ｗ＋は被覆管１の肉厚Ｗ、の
３０％以下とすることが望ましい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、被覆管の内周部領域の平
均結晶粒径を、外周部領域の平均結晶粒径よりも大きく
しているので、内周部領域の降伏応力が小さくなって局
部応力が緩和され、発生応力を小さくすることができる
。このため、ＰＣＩによる応力腐蝕割れを防止して核燃
料棒の健全性を維持できる。

また、ジルコニウムライナ被覆管に比較して、一種類の
ジルコニウム基合金で製造できるため安価であり、また
熱処理のみで簡単に製造することができ、製造工程が簡
素化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す核燃料被覆管の断面図
、第２図は同様の外観図、第３図は本発明に係る被覆管
の応力分布を従来の被覆管の応力分布と比較して示すグ
ラフである。 １・・・被覆管、２・・・内周部領域、３・・・外周部
領域、Ｗｌ・・・内周部領域の層厚、Ｗ、・・・被覆管
の肉厚。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、一種類のジルコニウム基合金よりなる被覆管を備え
   た核燃料被覆管において、前記被覆管を、その肉厚方向
   に内周部領域と外周部領域とに区分し、内周部領域の平
   均結晶粒径を、外周部領域の平均結晶粒径よりも大きく
   したことを特徴とする核燃料被覆管。 ２、ジルコニウム基合金は、ジルカロイ−２またはジル
   カロイ−４であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の核燃料被覆管。 ３、外周部領域の平均結晶粒径は、ジルコニウム基合金
   の再結晶化温度領域である約５８０℃で焼鈍したときの
   結晶粒径で、かつ内周部領域の平均結晶粒径は、外周部
   領域の平均結晶粒径の２倍以上であることを特徴する特
   許請求の範囲第１項または第２項記載の核燃料被覆管。 ４、内周部領域は、被覆管の肉厚の５〜３０％であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項または第
   ３項記載の核燃料被覆管。