JPS6330594B2 - - Google Patents
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- JPS6330594B2 JPS6330594B2 JP55004660A JP466080A JPS6330594B2 JP S6330594 B2 JPS6330594 B2 JP S6330594B2 JP 55004660 A JP55004660 A JP 55004660A JP 466080 A JP466080 A JP 466080A JP S6330594 B2 JPS6330594 B2 JP S6330594B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/16—Details of the construction within the casing
- G21C3/20—Details of the construction within the casing with coating on fuel or on inside of casing; with non-active interlayer between casing and active material with multiple casings or multiple active layers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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- C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
-
- 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
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Description
本発明はエネルギー庁の契約AT（11―１）
2170のもとで仕事中に発明がなされたものであ
る。 本発明は特にナトリム冷却式増殖炉のための核
燃料被覆管に関するものである。 ナトリウム冷却式高速増殖炉においては、被覆
材の外側表面上においてナトリウムに対して良好
な耐蝕性を有する燃料棒被覆用合金を使用しなけ
ればならない。同時に、被覆材は54Mnが燃料被
覆管からナトリウムへ外側に拡散するのを防ぐた
めの拡散障壁として働くものでなければならな
い。 現在のところ、ニツケル―クロム基合金または
少くとも10％のニツケルを含有するステンレス鋼
が被覆材として使用されている。これらの材料は
その目的とする用途には一般に良好なものである
が、本発明の目的は腐蝕性の高い液体ナトリウム
の環境において使用するためのさらに改良された
耐蝕性を備えた燃料被覆管を提供することにあ
る。 すなわち、本発明は少なくとも10％のニツケル
を含有するステンレス鋼およびニツケル―クロム
基合金から選ばれた材料から成るナトリウム冷却
原子炉燃料要素用被覆管において、前記被覆管は
その表面中に拡散したアルミニウムを含むことに
よつて厚さが0.0254mm〜0.0381mm（１〜1.5ミル）
で液体ナトリウムの侵食に対して耐食性があり、
燃料被覆からの 54Mnに対する拡散障壁として働
くアルミナイド皮膜を形成してなる実質上ケイ素
を含まないニツケル―アルミニウム金属間化合物
相区域を備えることを特徴とするナトリウム冷却
原子炉燃料要素用被覆管に関するものである。 ナトリウムに対する耐蝕性及び 54Mnの外部へ
の拡散防止は核燃料の被覆管の表面上に約0.0254
〜0.0381mm（１〜1.5ミル）の厚さを有するアル
ミナイド皮膜を形成させることによつて著しく改
良されることが発見された。アルミナイド皮膜は
ニツケル―アルミニウム金属間化合物相の混合物
を含み、主成分はNiAl及びNi3Alであるが、
Ni2Al3，Al2O3及び錯体のNi―Al―Ｏ酸化物が
存在しても良い。 この皮膜はナトリウム側の被覆材の消耗を最小
限にくいとめ、放射性核種が原子炉の熱輸送ルー
プへ放出するのを実質的に防いでいる。被覆材
（クラツデイング）の消耗が少くなることによつ
て炉心の設計において燃料／皮膜材比を高めるこ
とが可能であり、従つてある一定の面積における
燃料の量を最大にすることができ、その結果増殖
利得を改良することができる。放射性核種の漏出
を減少させることによつて、保善のための無駄時
間が少くなり、保守のための被覆材が少くて済
み、より高い温度でより長時間燃料サイクル操作
が可能である。これらのフアクターの全ては工場
の設備投資費を減少させ、設備の燃料―蒸気サイ
クル経済を改良する。 ニツケル―アルミニウム合属間化合物相を形成
させるためには被覆管身体が好ましくは少くとも
10％のニツケルを含有するステンレス鋼合金（す
なわち300系統）またはニツケル―クロム基合金
（たとえば本願の譲受人の1978年６月22日付米国
特許願第917832号及び1978年６月22日付米国特許
願第917834号に開示されているもの）から製造さ
れる。アルミニウム化物（アルミナイド）コーテ
イングは公知のアルミニウム化技術によつてアル
ミニウムまたはアルミニウム化合物の層を被覆管
の表面に拡散させて約0.0254〜0.0381mm（１〜1.5
ミル）の厚さの皮膜を形成させることによつて成
される。 被覆管の場合、被覆管は1963年１月16日付米国
特許第3073015号に開示されているようなアルミ
ニウム拡散法に委ねられる。しかしながら、アル
ミニウム及び／又はアルミニウム化合物を被覆管
の表面上に置き、しかる後加熱してアルミニウム
を被覆管の表面上に拡散させることができるもの
であればいずれのアルミニウム化法を使用しても
良い。 本発明の好ましい実施態様によれば、被覆管は
純粋なアルミニウム粉末、粉末状のフツ化ナトリ
ウムのようなハロゲン化物活性剤及び酸化アルミ
ニウム粉末の混合物中に充填される。前記粉末混
合中に充填された被覆管はしかる後約980℃の温
度で所望する深さの層を形成するまで充分な時間
加熱される。この加熱工程中、フツ化アルミニウ
ムが形成され、これが金属の表面に拡散してニツ
ケル―アルミニウム金属間化合物相を形成する。
下記の表は表面下の種々の深さにおけるアルミニ
ウム化皮膜の組成を示す。
2170のもとで仕事中に発明がなされたものであ
る。 本発明は特にナトリム冷却式増殖炉のための核
燃料被覆管に関するものである。 ナトリウム冷却式高速増殖炉においては、被覆
材の外側表面上においてナトリウムに対して良好
な耐蝕性を有する燃料棒被覆用合金を使用しなけ
ればならない。同時に、被覆材は54Mnが燃料被
覆管からナトリウムへ外側に拡散するのを防ぐた
めの拡散障壁として働くものでなければならな
い。 現在のところ、ニツケル―クロム基合金または
少くとも10％のニツケルを含有するステンレス鋼
が被覆材として使用されている。これらの材料は
その目的とする用途には一般に良好なものである
が、本発明の目的は腐蝕性の高い液体ナトリウム
の環境において使用するためのさらに改良された
耐蝕性を備えた燃料被覆管を提供することにあ
る。 すなわち、本発明は少なくとも10％のニツケル
を含有するステンレス鋼およびニツケル―クロム
基合金から選ばれた材料から成るナトリウム冷却
原子炉燃料要素用被覆管において、前記被覆管は
その表面中に拡散したアルミニウムを含むことに
よつて厚さが0.0254mm〜0.0381mm（１〜1.5ミル）
で液体ナトリウムの侵食に対して耐食性があり、
燃料被覆からの 54Mnに対する拡散障壁として働
くアルミナイド皮膜を形成してなる実質上ケイ素
を含まないニツケル―アルミニウム金属間化合物
相区域を備えることを特徴とするナトリウム冷却
原子炉燃料要素用被覆管に関するものである。 ナトリウムに対する耐蝕性及び 54Mnの外部へ
の拡散防止は核燃料の被覆管の表面上に約0.0254
〜0.0381mm（１〜1.5ミル）の厚さを有するアル
ミナイド皮膜を形成させることによつて著しく改
良されることが発見された。アルミナイド皮膜は
ニツケル―アルミニウム金属間化合物相の混合物
を含み、主成分はNiAl及びNi3Alであるが、
Ni2Al3，Al2O3及び錯体のNi―Al―Ｏ酸化物が
存在しても良い。 この皮膜はナトリウム側の被覆材の消耗を最小
限にくいとめ、放射性核種が原子炉の熱輸送ルー
プへ放出するのを実質的に防いでいる。被覆材
（クラツデイング）の消耗が少くなることによつ
て炉心の設計において燃料／皮膜材比を高めるこ
とが可能であり、従つてある一定の面積における
燃料の量を最大にすることができ、その結果増殖
利得を改良することができる。放射性核種の漏出
を減少させることによつて、保善のための無駄時
間が少くなり、保守のための被覆材が少くて済
み、より高い温度でより長時間燃料サイクル操作
が可能である。これらのフアクターの全ては工場
の設備投資費を減少させ、設備の燃料―蒸気サイ
クル経済を改良する。 ニツケル―アルミニウム合属間化合物相を形成
させるためには被覆管身体が好ましくは少くとも
10％のニツケルを含有するステンレス鋼合金（す
なわち300系統）またはニツケル―クロム基合金
（たとえば本願の譲受人の1978年６月22日付米国
特許願第917832号及び1978年６月22日付米国特許
願第917834号に開示されているもの）から製造さ
れる。アルミニウム化物（アルミナイド）コーテ
イングは公知のアルミニウム化技術によつてアル
ミニウムまたはアルミニウム化合物の層を被覆管
の表面に拡散させて約0.0254〜0.0381mm（１〜1.5
ミル）の厚さの皮膜を形成させることによつて成
される。 被覆管の場合、被覆管は1963年１月16日付米国
特許第3073015号に開示されているようなアルミ
ニウム拡散法に委ねられる。しかしながら、アル
ミニウム及び／又はアルミニウム化合物を被覆管
の表面上に置き、しかる後加熱してアルミニウム
を被覆管の表面上に拡散させることができるもの
であればいずれのアルミニウム化法を使用しても
良い。 本発明の好ましい実施態様によれば、被覆管は
純粋なアルミニウム粉末、粉末状のフツ化ナトリ
ウムのようなハロゲン化物活性剤及び酸化アルミ
ニウム粉末の混合物中に充填される。前記粉末混
合中に充填された被覆管はしかる後約980℃の温
度で所望する深さの層を形成するまで充分な時間
加熱される。この加熱工程中、フツ化アルミニウ
ムが形成され、これが金属の表面に拡散してニツ
ケル―アルミニウム金属間化合物相を形成する。
下記の表は表面下の種々の深さにおけるアルミニ
ウム化皮膜の組成を示す。
【表】
【表】
表に示したものの場合、ナトリウムに2000時
間さらされたので、若干内部拡散が生じた。被覆
管の組成は外側表面上において、ニツケル約42重
量％、アルミニウム32重量％、クロム10重量％及
び鉄約11重量％であつた。表からわかるよう
に、アルミニウムの含有率は表面における約35〜
37％の最高値から41ミクロンの深さにおける0.5
％まで低下する。 本発明のアルミニウム化した合金の腐蝕速度を
他のアルミニウム化しない被覆材の場合と比較し
た結果を下記の表に示す。
間さらされたので、若干内部拡散が生じた。被覆
管の組成は外側表面上において、ニツケル約42重
量％、アルミニウム32重量％、クロム10重量％及
び鉄約11重量％であつた。表からわかるよう
に、アルミニウムの含有率は表面における約35〜
37％の最高値から41ミクロンの深さにおける0.5
％まで低下する。 本発明のアルミニウム化した合金の腐蝕速度を
他のアルミニウム化しない被覆材の場合と比較し
た結果を下記の表に示す。
【表】
表に記載したテストは700℃で、酸素1ppm
で、ナトリウム速度６ｍ／秒で、2000時間行つ
た。テスト条件は500時間後に完了した先の操作
の場合と同じであつた。さらに、先の操作におけ
るサンプルをこれらのテストに使用し、その結果
を表に示した。最小自乗法によつて、最初の
500時間の操作の腐蝕データ及び表に示したこ
のテストにおける2500時間の累積腐蝕データを分
析した。これらのデータは下記の式にあてはまつ
た。 Ｒ＝a1t＋b1 logR＝a2logt＋b2 上式中、Ｒは重量損失（μｇ／mm2）であり、ｔ
は1000時間単位のテスト時間であり、a1，b1，a2
及びb2は定数である。年間に相当する腐蝕量を直
線式及び対数式で表わした値を上記の表に示し
ている。 合金D11の腐蝕速度は参考例のAISI316合金の
場合に近い。合金D25は良好な腐蝕特性を示す。
合金D66の腐蝕速度は許容できないほど高いが、
最初の500時間の操作の場合に計算した値の約50
％である。25〜40％のニツケルを含有するアルミ
ニウム化した合金PE16は700℃で2000時間ナトリ
ウムにさらした後も優秀な耐蝕性を維持した。 本発明のニツケル―アルミニウム金属間化合物
は 60Co及び 58Coの移動に対しても防御壁として
働き、Coアイソトープのシンクとして良好に働
く。もし酸化アルミニウム層が表面上で発達する
と、それもナトリウムに対して耐蝕性を有する。
市販のアルミナの場合はナトリウムがSiO2不純
物に攻撃するのでナトリウムに対して耐蝕性がな
い。スーパー・アロイを硫酸塩、塩化物及び酸素
を含有する雰囲気による腐蝕から保護するために
ある方法で成されるようなケイ素のアルミナイド
への混入はここではできないことを注意すべきで
ある。アルミニウムは長寿命の放射性核種は形成
せず、中性子吸収の見地から望ましくないことは
ない。アルミナイドは硫黄がアルミナイド皮膜に
移動してAl2S3を形成する程度に応じて硫黄に対
して有効な拡散防御壁であつても良い。 皮膜中のきずは 54Mn放出の見地からはさぼど
重要でない。この場合、きずは 54Mnを放出させ
るが、その量はきずの面積に比例した量に過ぎな
い。またきずの部分では合金の通常の腐蝕が起こ
るが、きずの位置が温度が525℃以上の燃料ピン
上の位置と合致しない限りさほど重要な問題は生
じない。 本発明はある特定の実施態様について述べて来
たが、当業者なら本発明の精神及び範囲を逸脱し
ないで種々の応用変化が可能であることを理解す
べきである。
で、ナトリウム速度６ｍ／秒で、2000時間行つ
た。テスト条件は500時間後に完了した先の操作
の場合と同じであつた。さらに、先の操作におけ
るサンプルをこれらのテストに使用し、その結果
を表に示した。最小自乗法によつて、最初の
500時間の操作の腐蝕データ及び表に示したこ
のテストにおける2500時間の累積腐蝕データを分
析した。これらのデータは下記の式にあてはまつ
た。 Ｒ＝a1t＋b1 logR＝a2logt＋b2 上式中、Ｒは重量損失（μｇ／mm2）であり、ｔ
は1000時間単位のテスト時間であり、a1，b1，a2
及びb2は定数である。年間に相当する腐蝕量を直
線式及び対数式で表わした値を上記の表に示し
ている。 合金D11の腐蝕速度は参考例のAISI316合金の
場合に近い。合金D25は良好な腐蝕特性を示す。
合金D66の腐蝕速度は許容できないほど高いが、
最初の500時間の操作の場合に計算した値の約50
％である。25〜40％のニツケルを含有するアルミ
ニウム化した合金PE16は700℃で2000時間ナトリ
ウムにさらした後も優秀な耐蝕性を維持した。 本発明のニツケル―アルミニウム金属間化合物
は 60Co及び 58Coの移動に対しても防御壁として
働き、Coアイソトープのシンクとして良好に働
く。もし酸化アルミニウム層が表面上で発達する
と、それもナトリウムに対して耐蝕性を有する。
市販のアルミナの場合はナトリウムがSiO2不純
物に攻撃するのでナトリウムに対して耐蝕性がな
い。スーパー・アロイを硫酸塩、塩化物及び酸素
を含有する雰囲気による腐蝕から保護するために
ある方法で成されるようなケイ素のアルミナイド
への混入はここではできないことを注意すべきで
ある。アルミニウムは長寿命の放射性核種は形成
せず、中性子吸収の見地から望ましくないことは
ない。アルミナイドは硫黄がアルミナイド皮膜に
移動してAl2S3を形成する程度に応じて硫黄に対
して有効な拡散防御壁であつても良い。 皮膜中のきずは 54Mn放出の見地からはさぼど
重要でない。この場合、きずは 54Mnを放出させ
るが、その量はきずの面積に比例した量に過ぎな
い。またきずの部分では合金の通常の腐蝕が起こ
るが、きずの位置が温度が525℃以上の燃料ピン
上の位置と合致しない限りさほど重要な問題は生
じない。 本発明はある特定の実施態様について述べて来
たが、当業者なら本発明の精神及び範囲を逸脱し
ないで種々の応用変化が可能であることを理解す
べきである。
Claims (1)
- １ 少なくとも10％のニツケルを含有するステン
レス鋼およびニツケル―クロム基合金から選ばれ
た材料から成るナトリウム冷却原子炉燃料要素用
被覆管において、前記被覆管はその表面中に拡散
したアルミニウム含むことによつて厚さが0.0254
mm〜0.0381mmで、液体ナトリウムの侵食に対して
耐食性があり、且つ燃料被覆からの 54Mnに対す
る拡散障壁として働くアルミナイド皮膜を形成し
てなる実質上ケイ素を含まないニツケル―アルミ
ニウム金属間化合物相区域を備えることを特徴と
するナトリウム冷却原子炉燃料要素用被覆管。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/041,273 US4362696A (en) | 1979-05-21 | 1979-05-21 | Corrosion-resistant fuel cladding allow for liquid metal fast breeder reactors |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS55155291A JPS55155291A (en) | 1980-12-03 |
| JPS6330594B2 true JPS6330594B2 (ja) | 1988-06-20 |
Family
ID=21915687
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP466080A Granted JPS55155291A (en) | 1979-05-21 | 1980-01-21 | Nuclear fuel cladding tube |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4362696A (ja) |
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| JP (1) | JPS55155291A (ja) |
Cited By (2)
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| GB1169505A (en) * | 1967-05-16 | 1969-11-05 | Du Pont | Improvements in Internal Combustion Engine Exhaust Systems |
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-
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-
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- 1980-01-21 JP JP466080A patent/JPS55155291A/ja active Granted
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|---|---|
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