JPS6029915B2 - Composite cladding, fuel elements and manufacturing methods - Google Patents
Composite cladding, fuel elements and manufacturing methodsInfo
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Classifications
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- G—PHYSICS
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は一般に原子炉の炉心内に使用するための燃料要
素に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates generally to fuel elements for use within the core of a nuclear reactor.
更に詳しく言えば本発明は核燃料に近接した内面上に銅
被膜および酸化ジルコニウムの中間境界層を有する核燃
料用のジルコニウム含有複合被膜に関する。現在設計さ
れ、建設され、そして運転されている原子炉におあては
、板状、管状、棒状など各種の幾何学的形状を持った燃
料要素中に核燃料ぱ含まれている。More particularly, the present invention relates to a zirconium-containing composite coating for nuclear fuel having a copper coating and an intermediate boundary layer of zirconium oxide on the inner surface adjacent to the nuclear fuel. Nuclear reactors currently designed, constructed, and operated contain nuclear fuel in fuel elements having a variety of geometric shapes, such as plates, tubes, and rods.
通例、、核燃料物資は中性子吸収度の低い耐食性非反応
性かつ燃伝導性の容器すなわち被覆内に封入される。こ
うして得られた燃料要素を冷却材チャンネル内において
一定の間隔で格子状に組立てることによって燃料集合体
が形成され、次いで十分な数の燃料集合体を組合わせる
ことによって持続核分裂分応の可能な核分裂連鎖反応系
すなわち炉心が形成される。かかる炉心は原子炉容器内
に収納され、そしてその中に冷却材が流される。被膜は
幾つかの目的に役立つが、主たる目的は次の2つである
。Typically, nuclear fuel materials are enclosed within a corrosion-resistant, non-reactive, and flame-conducting container or cladding that has low neutron absorption. Fuel assemblies are formed by assembling the fuel elements thus obtained in a lattice pattern at regular intervals within coolant channels, and then by combining a sufficient number of fuel assemblies, nuclear fission is possible for sustained nuclear fission. A chain reaction system or core is formed. Such a core is housed within a reactor vessel, into which coolant is flowed. Coatings serve several purposes, but the two main ones are:
第1は核燃料と冷却材または(減速材の存在時ならば)
減速材あるし、は(冷却材および減速材の共存時ならば
)それら両者との接触および化学反応の防止することで
ある。第2は、気体をも含む放射性核分裂生成物が核燃
料から冷却材または減速材あるし、は(冷却材および減
速材の共存時ならば)それらの両者中へ放出されるのを
防止することである。通常の被覆材としては、銅および
その合金、ジルコニウムおよびその合金、ニオブ(コロ
ンビウム)およびその合金などが挙げられる。被覆が破
損した場合、すなわち密封性が失われた場合には、冷却
材または減速材および関連系統が放射・性の核分裂生成
物で汚染され、そのための発電所の運転が妨げられるこ
ともある。ところで、ある種の金属および合金属を被覆
材とする燃料要素の製造や使用に際しては、特定の情況
下における被覆の機械的作用や化学反応に原因する諸問
題が見られた。The first is nuclear fuel and coolant or (if moderator is present)
If there is a moderator, the goal is to prevent contact and chemical reaction with the coolant and moderator (if they coexist). Second, it prevents radioactive fission products, including gases, from being released from the nuclear fuel into the coolant or moderator (if the coolant and moderator coexist). be. Common coating materials include copper and its alloys, zirconium and its alloys, niobium (columbium) and its alloys, and the like. If the cladding is breached, or the seal is lost, the coolant or moderator and associated systems may become contaminated with radioactive fission products, thereby interfering with plant operation. However, in the manufacture and use of fuel elements coated with certain metals and metal alloys, problems have been encountered due to the mechanical behavior and chemical reactions of the coating under certain circumstances.
たとえば、ジルコニウムおよびその合金は通常の情況下
ならば優れた核燃料被覆材である。なぜなら、それらは
小さな中性子吸収断面積を有し、強鞭で延性に富み、極
めて安定であり、しかも約75岬(約398qo)より
低い温度下では原子炉の冷却材または減速材として通例
使用される脱イオン水および(または)水蒸気の存在下
では反応性を示さない。ところが、燃料要素の性能を調
べたところ、核分裂反応によって生じるある種の核分裂
生成物の存在下では核燃料と被覆との機械的相互作用の
ために被覆の欠陥が生じるという問題が発見された。For example, zirconium and its alloys are excellent nuclear fuel cladding materials under normal circumstances. Because they have small neutron absorption cross sections, are strong, ductile, and extremely stable, they are commonly used as coolants or moderators in nuclear reactors at temperatures below about 75 qo. It shows no reactivity in the presence of deionized water and/or water vapor. However, when examining the performance of the fuel element, it was discovered that in the presence of certain fission products produced by nuclear fission reactions, cladding defects could occur due to mechanical interaction between the nuclear fuel and the cladding.
その上、かかる望ましくない性能は核燃料中の割れ目や
べレット間界面に(核燃料と被覆との間の熱膨張の違い
に原因する)機械的応力が局在することによって助長さ
れることも判明した。すなわち、核燃料からは腐食性の
核分裂生成物が放出され、そしてべレット間界面および
核燃料の割れ目と被覆表面との接点に存在する。かかる
核分裂生成物は原子炉運転時における核分裂連鎖反応に
際して核燃料中に生じるものである。その場合、核燃料
と被覆その間の摩擦が大きければ局在した応力は更に拡
大されることにもなる。原子炉において照射を受ける際
、燃料要素のジルコニウム合金被覆は核分裂生成物に暴
露される。Furthermore, it has been found that such undesirable performance is facilitated by the localization of mechanical stresses (due to differences in thermal expansion between the nuclear fuel and the cladding) at the cracks and inter-pellet interfaces in the nuclear fuel. . That is, corrosive fission products are released from the nuclear fuel and are present at the inter-bellet interface and at the interface between the nuclear fuel cracks and the coating surface. Such fission products are produced in nuclear fuel during nuclear fission chain reactions during nuclear reactor operation. In that case, if the friction between the nuclear fuel and the cladding is large, the localized stress will be further magnified. During irradiation in a nuclear reactor, the zirconium alloy cladding of the fuel element is exposed to fission products.
核燃料として使用される耐火性の糠絹セラミミック組成
物(たとえば二酸化ウランやその他の組成物)は照射に
際して多量の核分裂生成物を放出する。かかる核分裂生
成物の一部は核燃料を封入するジルコニウムまたはジル
コニウム合金被覆と反応し得るものである。原子炉設計
に際しては採用された別種の手段としては、米国特許第
3108936号明細書中に記載のごとく、核燃料物資
が湿気に触れないようにするさめそれをセラミックで被
覆するという方法がある。Refractory bran-silk ceramic compositions (eg, uranium dioxide and other compositions) used as nuclear fuels release large amounts of fission products upon irradiation. Some of these fission products can react with the zirconium or zirconium alloy cladding that encapsulates the nuclear fuel. Another approach taken in nuclear reactor design is to coat the nuclear fuel materials with ceramics to protect them from exposure to moisture, as described in U.S. Pat. No. 3,108,936.
また、米国特許第3085059号明細書中に記載され
た燃料要素は、核分裂性セラミック燃料から成る1個以
上のべレットおよびそれに接合されたガラス質材料の層
を封入した金属容器によって構成されている。その結果
、容器と核燃料との間にはガラス質材料の層が存在する
ため、ベレットから容器への熱伝導が一様に良くなるの
である。米国特許第2873238号明細書中には、金
属容器内に封入された外皮付きの核分裂性ウランスラグ
が記載されているが、この場合のスラグ用保護外皮は亜
鉛−アルミニウム接合層から成る。米国特許第2849
387号明細書中には、接合材の溶融裕中に浸糟するこ
とによってウラン断片と容器(または被覆)との間に効
果的な熱伝導性接合層を形成する外皮付きの核燃料断片
が開示されている。この場合の外皮は良好な熱伝導性を
持った任意の合金から成るものと定義され、その実例と
してはアルミニウムーケイ素合金および亜鉛−アルミニ
ウム合金が挙げられている。袴公昭47一14200号
中には、2つのべレット郡の一方に炭化ケイ素の被膜を
設置しかつ他方に熱分解炭素または金属炭化物の被膜を
設置する方法が記載されている。核燃料物質上に被膜を
設置することは、欠陥のない一様な被膜を得るのが困難
であるため、信頼性に問題がある。The fuel element described in U.S. Pat. No. 3,085,059 is comprised of a metal container enclosing one or more pellets of fissile ceramic fuel and a layer of vitreous material bonded thereto. . As a result, there is a layer of glassy material between the container and the nuclear fuel, which improves uniform heat transfer from the pellet to the container. No. 2,873,238 describes a skinned fissile uranium slug enclosed within a metal container, the protective skin for the slag consisting of a zinc-aluminum bonding layer. US Patent No. 2849
No. 387 discloses a skinned nuclear fuel fragment that forms an effective thermally conductive bonding layer between the uranium fragment and the vessel (or cladding) by immersion into the molten layer of the bonding material. has been done. The skin in this case is defined as being made of any alloy with good thermal conductivity, examples of which include aluminum-silicon alloys and zinc-aluminum alloys. Hakama Kosho No. 47-114200 describes a method in which a silicon carbide coating is applied to one of the two pellets and a pyrolytic carbon or metal carbide coating is applied to the other. Placing a coating on nuclear fuel material is unreliable because it is difficult to obtain a uniform coating free of defects.
その上、かかる被膜が劣化すれば、核燃料物資の性能寿
命の点でも問題を生じることがある。核燃料の被覆が欠
陥を生じるのを防止する方法として、ニオブのごとき金
属を核燃料に添加することも提唱された。Moreover, degradation of such coatings can also cause problems in terms of the performance life of the nuclear fuel material. It has also been proposed to add metals such as niobium to nuclear fuel as a way to prevent the nuclear fuel cladding from developing defects.
かかる添加剤は、以後の核燃料加工作業が金属の酸化を
引起さない限りは粉末として混入できる。あるいは、綾
状、薄板状またはその他の形状の添加剤を燃料べレット
の内部、周囲または中間に導入してもよい。196仏王
2月の日付を持った文書GEAP−4555中には、ジ
ルコニウム合金に対して捨金的に接合されたステンレス
銅の内張りを有するジルコニウム合金製の複合被覆が記
載されている。Such additives can be incorporated as powders as long as subsequent nuclear fuel processing operations do not cause oxidation of the metal. Alternatively, twilled, lamellar or other shaped additives may be introduced within, around or between the fuel pellets. Document GEAP-4555, dated February 196, describes a composite cladding made of a zirconium alloy with a lining of stainless copper bonded to the zirconium alloy.
かかる複合被覆を製造するには、ステンレス鋼の内張り
をを持ったジルコニウム合金の中空ビレットの押出しを
行えばよい。しかるに、このような複合被覆はステンレ
ス鋼層が同じ厚さのジルコニウム合金層に比べて約70
〜15者の中性子吸収損失をもたらすという欠点を有し
ている。米国特許第350254び号明細書中には、ク
ロムを蚕着させてジルコニウムおよびその合金を保護す
ることによって原子炉用の複合材料を製造する方法が記
載されている。Such a composite cladding can be produced by extruding a hollow billet of zirconium alloy with a stainless steel lining. However, in such a composite coating, the stainless steel layer has a thickness of about 70% compared to a zirconium alloy layer of the same thickness.
It has the disadvantage of resulting in neutron absorption losses of ~15. US Pat. No. 3,502,54 describes a method for producing composite materials for nuclear reactors by depositing chromium to protect zirconium and its alloys.
ェネルギア・ヌクレアーレ(Energia−Nucl
eare)第11巻第9号(1964年9月)の505
〜508頁には、ジルカロィー2の表面上に銅を露着さ
せた後、雷着した銅の表面拡散を達成するために熱処理
を行う方法が紹介されている。ェフ・フロツサ(F.B
rossa)等の「ジルコニウム合金にに対して使用さ
れた水素障壁の安定性および適合性」(ヨーロッパ原子
力共同体、合同原子力研究センター、EUR409$、
196逆手)中には、各種の被膜を沈着させる方法およ
び水素拡散障壁としてのかかる被膜の効率が記載され、
そして水素拡散に対する最も有望な障壁としてはAそ−
Si被膜が挙げられている。ダブリュー・シー・シック
ナイン(W.C.Schiekner)等の「ジルコニ
ウムおよびジルコニウムースズの電気めつき」(BMI
−757、技術情報局、1952年)中には、ジルコニ
ウムおよびジルコニウムースズ合金上にニッケルを露気
めつきした後、熱処理を施すことによって合金拡散接合
層を形成する方法が開示されている。米国特許第362
5821号中明細書中には、中性子捕獲断面積の小さい
保持金属(たとえばニッケル)の被膜を内面上に有する
燃料被覆管を含みかつ可燃性毒物の微細な粒子を内部に
配置した原子炉用燃料要素が記載されている。1973
年8月の日付を持った「原子炉開発プログラムの経過報
告」(ANL−RDP−19)中には、ステンレス鋼被
覆の内面上に蟻性となるクロム層を設置した化学的ゲッ
タ機構が開示されている。Energia-Nucleale (Energia-Nucleale)
eare) Volume 11, No. 9 (September 1964), 505
Pages 508 to 508 introduce a method in which copper is exposed on the surface of Zircaloy 2 and then heat treated to achieve surface diffusion of the deposited copper. Fehu Hlotsa (F.B.
"Stability and compatibility of hydrogen barriers used for zirconium alloys" (European Atomic Energy Community, Joint Nuclear Research Center, EUR 409$)
196 Gyakuten) describes methods for depositing various coatings and the efficiency of such coatings as hydrogen diffusion barriers;
And the most promising barrier to hydrogen diffusion is A.
A Si film is mentioned. “Zirconium and Zirconium-Tin Electroplating” (BMI) by W. C. Schiekner et al.
757, Technical Information Bureau, 1952) discloses a method of forming an alloy diffusion bonding layer by plating nickel on zirconium and a zirconium-tin alloy with open air and then subjecting it to heat treatment. US Patent No. 362
The specification of No. 5821 describes a fuel for a nuclear reactor that includes a fuel cladding tube having a coating of a retaining metal (for example, nickel) with a small neutron capture cross section on the inner surface, and in which fine particles of a burnable poison are arranged. elements are listed. 1973
The Nuclear Reactor Development Program Progress Report (ANL-RDP-19), dated August 2013, discloses a chemical getter mechanism that places an ant-like chromium layer on the inner surface of the stainless steel cladding. has been done.
更に別の手段としては、核燃料物資と被覆との間に障壁
を導入するというものがある。Yet another option is to introduce a barrier between the nuclear fuel material and the cladding.
その実例は、米国特許第3230150号(銅箔)、独
国特許DAS1238115号(チタン層)、米国特許
第3212988号(ジルコニウム、アルミニウムまた
はベリリウムの外装)、米国特許第3018238号(
二酸化ウランとジルコニウム被覆との間における結晶質
炭素の障壁)および米国特許第3088893号(ステ
ンレス鋼箔)明細書中に見出させる。かかる障壁使用の
着想は有妨望なものであるが、上記引例の一部に記載さ
れた材料は(たとえば炭素が核燃料由来の酸素と反応す
るなどの理由により)核燃料との共存が不可能であった
り、(たとえば節その他の金属が被覆と反応して被覆の
性質を変化させるなどの理由により)被覆との共存が不
可能であったり、あるし、は(たとえば中性子吸収材と
して作用するなどの理由により)核分裂生成物との共存
が不可能であったりする。また、核燃料と被覆との間に
おける局部的な化学的かつ機械的相互作用という最近発
見された問題に対する解決策は上記引例のいずれにも記
載されていない。障壁使用の着想に基づくその他の手段
は、米国特許第3969186号(被覆の内面上に単層
ないし多層の管や箔または被膜の形で耐火性金属たとえ
ばモリブデン、タングステン、レニウム、ニオブまたは
それら合金を設置する方法)および米国特許第3925
151号(核燃料と被膜との間にジルコニウム、ニオブ
またはそれらの合金ろラィナを配置すると同時にラィナ
と被覆との間には減摩性の大きい物質の被覆を配置する
方法)明細書中にに開示されている。Examples are US Pat. No. 3,230,150 (copper foil), German Patent DAS 1,238,115 (titanium layer), US Pat.
crystalline carbon barrier between uranium dioxide and zirconium coating) and US Pat. No. 3,088,893 (stainless steel foil). Although the idea of using such a barrier is controversial, the materials mentioned in some of the above references cannot coexist with nuclear fuel (for example, because carbon reacts with oxygen from nuclear fuel). Sometimes it is impossible to coexist with the coating (e.g. because knots or other metals react with the coating and change its properties), and sometimes it is impossible (e.g. because it acts as a neutron absorber). coexistence with fission products may be impossible. Also, no solution to the recently discovered problem of localized chemical and mechanical interactions between the nuclear fuel and the cladding is described in any of the above references. Other solutions based on the idea of using a barrier are disclosed in U.S. Pat. method of installing) and U.S. Patent No. 3925
No. 151 (Method of disposing a zirconium, niobium, or alloy filter liner between the nuclear fuel and the coating and at the same time disposing a coating of a material with high anti-friction properties between the liner and the coating) disclosed in the specification has been done.
ジルコニウムまたはジルコニウム合金被覆容器の保護の
問題を解決しようというその他の努力は、本発明の場合
と同じ該受人に譲渡されたゴードン(Wrdon)等の
米国特許第4029545号明細書中に示されている。Other efforts to solve the problem of protecting zirconium or zirconium alloy coated containers are shown in U.S. Pat. No. 4,029,545 to Wrdon et al., assigned to the same assignee as the present invention. There is.
それによれば、ジルコニウムまたはジルコニウム合金被
覆上にクロムが霞気めつきされ、次いでクロム層上に銅
が亀気めつきされる。ところが、ジルコニウムまたはジ
ルコニウム合金被覆(以後は単にジルコニウム被覆と呼
ぶことがある)クロムの電気メッチを施すことは経済性
が悪く、そのため方法全体が当初の予想ほど有望でない
ことが判明した。ゴードン等の米国特許第402266
2号明細書中には代案が示されているが、それによれば
核燃料と被覆との間に金属ラィナ(たとえば鋼ラィナ)
を有しかつライナと被覆との間に拡散障壁(たとえばク
ロム被膜)を有する燃料要素が提供される。この場合の
燃料要素もまた、露着が要求されると同時に銅ライブの
製造が必要であるために不経済である。そこで、燃料べ
レットと被覆との相互作用に原因する金属縦化や応力腐
触割れのために被覆基体に穿孔や破損が生じるのを防止
するという問題の経済的な解決策を見出すことを目標に
して研究努力が続けられた。さて本発明は、核燃料物資
に近援したジルコニウム被覆基体の表面を銅被膜で覆い
かつ銅被膜とジルコニウム被覆基体との間に酸化ジルコ
ニウムの中間境界層を配置すれば、燃料べレットと被覆
との相互作用にに原因する金属腕化や応力腐触割れを実
質的に低減させ得るという発見に基づものである。According to this, chromium is hazy-plated onto the zirconium or zirconium alloy coating, and then copper is hazy-plated onto the chromium layer. However, it has been discovered that electroplating chromium with a zirconium or zirconium alloy coating (hereinafter sometimes referred to simply as a zirconium coating) is not economical, and the overall process therefore turns out to be less promising than originally anticipated. U.S. Pat. No. 402,266 to Gordon et al.
An alternative plan is presented in the specification No. 2, according to which a metal liner (for example, a steel liner) is placed between the nuclear fuel and the cladding.
A fuel element is provided having a diffusion barrier (eg, a chrome coating) between the liner and the cladding. The fuel element in this case is also uneconomical due to the requirement for debonding and the production of live copper. Therefore, our goal is to find an economical solution to the problem of preventing perforation and failure of the cladding substrate due to metal warping and stress corrosion cracking caused by the interaction of fuel pellets with the cladding. Research efforts continued. Now, in the present invention, if the surface of the zirconium-coated substrate attached to the nuclear fuel material is covered with a copper coating and an intermediate boundary layer of zirconium oxide is disposed between the copper coating and the zirconium-coated substrate, the fuel pellet and the coating can be separated. It is based on the discovery that metal arming and stress corrosion cracking caused by interactions can be substantially reduced.
その場合、酸化ジルコニウムの中間境界層は銅に対して
優れた拡散障壁を成すことが判明した。その上、非導電
性の酸化ジルコニウム上に銅を直接電気めつきすること
はできないが、酸化に先立ってジルコニウム被覆基体の
表面を改賀すれば無電解めつきによる銅被覆のの設置が
可能となることも判明した。本発明の一方の側面に従え
ば、‘a}核燃料物資から成る芯材並びに【b)ジルコ
ニウムまたはジルコニウム合金基体、核燃料物資に近接
したジルコニウムまたはジルコニウム合金基体の内面を
覆う銅、ニッケル、鉄またはそれらの合金の金属被膜お
よびジルコニウムまたはジルコニウム合金基体と金属被
膜との間に配置されたジルコニウムまたはジルコニウム
合金基体の酸化膜から成る核燃料物資用の細長いし、複
合被覆容器の両者から構成された燃料要素が提供される
。In that case, the intermediate boundary layer of zirconium oxide was found to provide an excellent diffusion barrier for copper. Furthermore, although copper cannot be electroplated directly onto non-conductive zirconium oxide, it is possible to install copper coatings by electroless plating if the surface of the zirconium-coated substrate is modified prior to oxidation. It also became clear that this was the case. According to one aspect of the invention, a core material comprising a nuclear fuel material; and b) a zirconium or zirconium alloy substrate, copper, nickel, iron or the like covering the inner surface of the zirconium or zirconium alloy substrate in close proximity to the nuclear fuel material. A fuel element consisting of both an elongated and composite cladding vessel for nuclear fuel material consisting of a metal coating of a zirconium or zirconium alloy substrate and an oxide film of a zirconium or zirconium alloy substrate disposed between the zirconium or zirconium alloy substrate and the metal coating. provided.
また、本発明の他方の側面に従えば、‘a〕ジルコニウ
ムまたはジルコニウム合金容器の表面の粗面化または腐
食を行い、‘bにうして処理されたジルコニウムまたは
ジルコニウム合金容器の表面を酸化して酸化膜を形成し
し、{cー無電解めつきによる金属被膜の設置が可能と
なるようにジルコニウムまたはジルコニウム合金容器の
酸化膜表面を活性化し、次いで{dージルコニウム合金
またはジルコニウム合金容器の活性化した酸化膜表面上
に銅、ニッケル、鉄またはそれらの合金の金属被膜を設
置することにより、核燃料物資封入用ジルコニウムまた
はジルコニウム合金容器の応力腐食割れあるいは金属脆
化を防止して改良された燃料要素の製造を可能にする方
法が提供される。According to another aspect of the present invention, 'a] the surface of the zirconium or zirconium alloy container is roughened or corroded, and 'b) the surface of the zirconium or zirconium alloy container thus treated is oxidized. forming an oxide film, {c-activating the oxide film surface of the zirconium or zirconium alloy container so that a metal coating can be installed by electroless plating, and then {d-activating the zirconium alloy or zirconium alloy container An improved fuel element that prevents stress corrosion cracking or metal embrittlement in zirconium or zirconium alloy containers for containing nuclear fuel materials by installing a metal film of copper, nickel, iron, or their alloys on the surface of the oxidized film. A method is provided that allows the production of.
以下、添付の図面を参照しながら本発明を一層詳しく説
明しよう。The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
先ず第1図を見ると、、燃料集合体10の部分切取断面
図が示されている。Turning first to FIG. 1, a partially cutaway cross-sectional view of fuel assembly 10 is shown.
かかる燃料集合体10‘まほぼ正方形の横断面を持った
管状の冷却材チャンネル11から成っていて、その上端
には吊上げ用の取手12が備わり、またその下端には先
端部材が備わっている(ただし燃料集合体10の下部が
省略されているため図示されてはいない)。チャンネル
11の上端は13の所で開放されており、また先端部材
の下端には冷却材流通用の開口が設けられている。チャ
ンネル11内には1郡の燃料要素(または燃料棒)14
が配列され、しかも上部端板15および下部端板(下部
省略のため図示されてはいない)によって支持されてい
る。通例、液体冷却材は先端部材の下端にある開口から
流入し、燃料要素14の周囲を上方へ通過し、それから
高温となって上部の出口13から流出する。その場合、
沸騰水形原子炉ならば冷却材は部分的に気化した状態に
あり、また加圧水形原子炉ならば気化しない状態にある
。燃料要素14の両端は、被覆17に溶接された栓18
によって密封されている。Such a fuel assembly 10' consists of a tubular coolant channel 11 with a substantially square cross section, the upper end of which is provided with a lifting handle 12, and the lower end of which is provided with a tip member ( However, since the lower part of the fuel assembly 10 is omitted, it is not shown). The upper end of the channel 11 is open at 13, and the lower end of the tip member is provided with an opening for coolant flow. Within the channel 11 is a group of fuel elements (or fuel rods) 14.
are arranged and supported by an upper end plate 15 and a lower end plate (not shown because the lower part is omitted). Typically, the liquid coolant enters through an opening at the lower end of the tip, passes upwardly around the fuel element 14, and then exits at an elevated temperature through an outlet 13 at the top. In that case,
In a boiling water reactor, the coolant is partially vaporized, and in a pressurized water reactor, the coolant is not vaporized. Both ends of the fuel element 14 have plugs 18 welded to the cladding 17.
sealed by.
栓18にはまた、燃料集合体中への燃料要素の取付けを
容易にするための支柱19が備わっていることもある。
燃料要素の一端には空所(または充気室)20が設けら
れているが、これは核燃料物資の縦方向の膨張および核
燃料物資から放出された気体の蓄積を可能にする、空所
20の内部にはつる巻部材としての核燃料物資保持手段
24が配置されているが、これは特に燃料要素の取扱い
や輸送に際してべレットの鞠方向の移動を防止するのに
役立つ。かかる燃料要素は、核燃料物資と被覆材との間
に優れた熱伝導が得られると同時に、冷却材が高速で流
れることによって時折生じる弓そりや振動が回避される
ように設計される。第1図中に部分断図の形で示された
燃料要素14は本発明に従って製造されたものである。The bung 18 may also be provided with a strut 19 to facilitate installation of the fuel element into the fuel assembly.
A cavity (or plenum) 20 is provided at one end of the fuel element, which allows longitudinal expansion of the nuclear fuel material and accumulation of gas released from the nuclear fuel material. A nuclear fuel material holding means 24 in the form of a helical member is arranged inside, which serves to prevent the pellet from moving in the vertical direction, especially during handling and transport of the fuel elements. Such fuel elements are designed to provide excellent heat transfer between the nuclear fuel material and the cladding while avoiding bowing and vibrations that can sometimes occur due to high velocity coolant flow. Fuel element 14, shown in partial section in FIG. 1, is constructed in accordance with the present invention.
かかる燃料要素14は核燃料物資16から成る芯材を含
むが、この場合の芯材は被覆17の内部に配置された核
分裂性物質および(または)燃料親物質から成る多数の
燃料べレットとして図示されている。場合によっては、
燃料べレットが円柱状や球状など各種の形状を有するこ
とがあり、またその他の形態の核燃料(たとえば粒状、
核燃料)が使用されることもある。なお、核燃料の物理
的形態は本発明にとって重要でない。ウラン化合物、プ
ルトニウム化合物、トリウム化合物およびそれらの混合
物をはじめとする各種の核燃料物資が使用できるが、好
適なものは二酸化ウランまたは二酸化ウランと二酸化ル
トニウムとの混合物である。次に第2図を見ると、燃料
要素14の芯材を成す核燃料物資16が被覆(以後の設
明においては複合被覆とも呼ぶ)17によって包囲され
ている。複合被覆17はジルコニウムまたはジルコニウ
ム合金(たとえばジルカロィ−2)からなる基体21を
含んでいる。かかる基体の内面には拡散障壁としての基
体の酸化膜22が結合している。その結果、拡散障壁2
2は他の化学種が拡散障壁22を通って基体21へ拡散
するのを防止する遮蔽体を成す。拡散障壁22は約1×
10‐5インチ(約2.54×10‐5〜約12.7×
10‐4伽)の厚さを持った二酸化ジルコニウム層から
成ることが好ましい。かかる拡散障壁はまた、基体21
が金属被膜23に接触して反応することをも防止する。
拡散障壁22には金属被膜23が結合している。Such fuel element 14 includes a core of nuclear fuel material 16, illustrated as a number of fuel pellets of fissile material and/or fuel parent material disposed within a cladding 17. ing. In some cases,
Fuel pellets may have various shapes, such as cylindrical or spherical, and may also contain other forms of nuclear fuel (e.g. granular,
Nuclear fuel) may also be used. It should be noted that the physical form of the nuclear fuel is not important to the present invention. A variety of nuclear fuel materials can be used, including uranium compounds, plutonium compounds, thorium compounds, and mixtures thereof, but preferred is uranium dioxide or a mixture of uranium dioxide and rutonium dioxide. Referring now to FIG. 2, the nuclear fuel material 16 forming the core material of the fuel element 14 is surrounded by a cladding (hereinafter also referred to as a composite cladding) 17. Composite coating 17 includes a substrate 21 of zirconium or a zirconium alloy (eg Zircaloy-2). An oxide film 22 of the substrate as a diffusion barrier is bonded to the inner surface of the substrate. As a result, the diffusion barrier 2
2 forms a shield that prevents other chemical species from diffusing into the substrate 21 through the diffusion barrier 22 . The diffusion barrier 22 is approximately 1×
10-5 inches (about 2.54 x 10-5 to about 12.7 x
Preferably, it consists of a zirconium dioxide layer having a thickness of 10-4 mm. Such a diffusion barrier may also be applied to the substrate 21
It also prevents the metal coating 23 from contacting and reacting.
A metal coating 23 is bonded to the diffusion barrier 22 .
その結果、金属被膜23は拡散障壁22を覆うと同時に
、被覆内に封入された核燃料物資から放出される核分裂
生成物および気体不純物に対して基体21を保護する遮
蔽体を成す。金属被膜23は約2×10‐4〜約4×1
0‐4インチ(約5.雌×10‐4〜約1.02×10
‐3弧)の厚さを持った中性子損失の4・さし、金属層
から成る。かかる金属としては銅、ニッケル、鉄または
それらの合金が挙げられるが、中でも銅が好ましい。か
かる鋼被膜は核分裂生成物に対し一次的ないし優先的な
反応部位として役立つと同時に、基体21が有害な核分
裂生成物に接触して反応するのを防止する障壁としても
働く。中性子損失といいう面から見れば銅被膜の純度は
重要である。2つの層中における不純物の全量はホウ素
に換算して4のpm以下に制限される。As a result, the metal coating 23 covers the diffusion barrier 22 and at the same time provides a shield that protects the substrate 21 against fission products and gaseous impurities released from the nuclear fuel material encapsulated within the coating. The metal coating 23 has a thickness of about 2×10-4 to about 4×1
0-4 inches (approx. 5. female x 10-4 to approx. 1.02 x 10
It consists of a metal layer with a thickness of -3 arc) for neutron loss. Such metals include copper, nickel, iron, and alloys thereof, with copper being preferred among them. Such a steel coating serves as a primary or preferential reaction site for the fission products, and also acts as a barrier to prevent the substrate 21 from contacting and reacting with harmful fission products. The purity of the copper coating is important from the perspective of neutron loss. The total amount of impurities in the two layers is limited to less than 4 pm in terms of boron.
その上、大きな延性および良好な熱伝導性を維持するた
めには、不純物を1(重量)%未満好ましくは100岬
pm未満のレベルに保つ必要がある。本発明の燃料要素
の複合被覆においては、基体に対して拡散障壁が強固に
結合しかつ拡散障壁に対して金属被膜が強固に結合して
いる。拡散障壁と基体との結合の強さを調べるための試
験を行ったところ、弾性領域を折曲げたり約2%の永久
歪を与えたりした際にも拡散障壁はしつかりと付着した
ままであることが判明した。商業的な原子炉に見出され
る条件たとえば500〜75岬(260〜39900)
の温度下では、銅被膜はジルコニウムやジルコニウム合
金に比べて放射線硬化や放射線損傷のごとき有害な効果
に対する抵抗性が大きい。従って、原子炉の運転条件下
では銅はジルコニウムやジルコニウム合金に比べて機械
的破損を生じることなく塑性変形に耐える能力が大きい
。その上、銅は出力の過渡的変化の際にべレットが謙発
する応力に従って塑性変化し、それによってかかる応力
を緩和する。更にまた、かかる金属は機械的に破断せず
、従ってジルコニウムまたはジルコニウム合金基体を核
分裂生成物の有害な作用から保護することにもなる。ジ
ルコニウムまたはジルコニウム合金基体に結合した拡散
障壁に約0.0001〜約0.001インチ(約0.0
00254〜約0.00254cの)程度の厚さを持っ
た金属被膜が結合していれば、複合被覆の基体中に破損
の中心が形成されるのを防止するために十分な応力緩和
および化学的抵抗性の得られることが判明した。Moreover, in order to maintain high ductility and good thermal conductivity, it is necessary to keep impurities at a level of less than 1% (by weight), preferably less than 100 pm. In the composite coating of the fuel element of the present invention, the diffusion barrier is tightly bonded to the substrate and the metal coating is tightly bonded to the diffusion barrier. When we conducted tests to examine the strength of the bond between the diffusion barrier and the substrate, we found that the diffusion barrier remained firmly attached even when the elastic region was bent or a permanent strain of approximately 2% was applied. It has been found. Conditions found in commercial nuclear reactors such as 500-75 capes (260-39900)
At temperatures of , copper coatings are more resistant to deleterious effects such as radiation hardening and damage than zirconium and zirconium alloys. Therefore, under nuclear reactor operating conditions, copper has a greater ability to withstand plastic deformation without mechanical failure than zirconium and zirconium alloys. Moreover, the copper plastically changes in accordance with the stresses that the pellet experiences during power transients, thereby relieving such stresses. Furthermore, such metals will not fracture mechanically, thus protecting the zirconium or zirconium alloy substrate from the deleterious effects of fission products. A diffusion barrier bonded to a zirconium or zirconium alloy substrate has a thickness of about 0.0001 to about 0.001 inches (about 0.0
Bonded metal coatings with thicknesses on the order of 0.00254 to about 0.00254 C) provide sufficient stress relief and chemical protection to prevent failure centers from forming in the composite coating substrate. It was found that resistance was obtained.
かかる金属被膜は燃料要素中に存在し得る核分裂生成物
や気体に対する顕著な化学的抵抗性をもたらし、それに
よってかかる核分裂生成物や気体が複合被覆の基体に接
触するのを防止する。たとえば、銅被膜はほとんど酸化
せず、従って二酸化ウラン燃料の成分の量的関係は安定
化することが判明した。Such metal coatings provide significant chemical resistance to fission products and gases that may be present in the fuel element, thereby preventing such fission products and gases from contacting the substrate of the composite coating. For example, it has been found that the copper coating undergoes little oxidation, thus stabilizing the quantitative relationship of the components of the uranium dioxide fuel.
もし銅被膜が存在しなければ、ジルコニウムまたはジル
コニウム合金が酸化物核燃料と反応して二酸化ジルコニ
ウムを生成し、従って酸化物核燃料の成分の量的関係が
変化することになる。様々な核分裂生成物の化学的状態
は酸化物核燃料の成分の量的関係に大きく依存する。た
とえば、酸素/ウラン比が大きいとセシウムは二酸化ウ
ランと共に化合物を生じる。しかるに、その比が小さく
なると上記化合物は不安定となり、従ってセシウムが燃
料要素の低温領域(たとえば被覆の内面へ移動すること
があり得る。その場合、セシウムは(単独または他の核
分裂生成物と共に)被覆の応力腐触を保進することにな
る。被膜を持たない被覆を含む燃料要素の場合には、た
とえ酸化物核燃料の初期酸素/ウラン比が大きくても、
ジルコニウムまたはジルコニウム合金の酸化によって酸
素が消費される結果としてその比は小さくなり、そのた
めにセシウムが放出かれて被覆の内面へ移動することが
ある。金属被膜および拡散障壁を使用した本発明の場合
、上記の比はほぼ一定に保たれるかあるいはゆっくりし
た速度で変化する。従って、かかる複合被覆内には任意
所望の量的関係を持った酸化物核燃料を使用することが
でき、しかもその量的関係は一定に保たれるかあるいは
遥かにゆっくりした速度で変化することが予想されるの
である。本発明の実施によれば、ジルコニウムまたはジ
ルコニウム合金の管(以後は単にジルコニウム管あるい
はジルコニウム基体と呼ぶ)が内面上に銅被膜および中
間境界層をなすジルコニウム管の酸化膜を持ったジルコ
ニウム管から成る複合被覆に改造される。If the copper coating were not present, the zirconium or zirconium alloy would react with the oxide nuclear fuel to form zirconium dioxide, thus changing the quantitative relationship of the components of the oxide nuclear fuel. The chemical states of the various fission products are highly dependent on the quantitative relationship of the components of the oxide nuclear fuel. For example, at high oxygen/uranium ratios, cesium forms compounds with uranium dioxide. However, as the ratio decreases, the compound becomes unstable and cesium can therefore migrate to cold regions of the fuel element (e.g. to the inner surface of the cladding), in which case the cesium (alone or together with other fission products) This will prevent stress corrosion of the cladding.For fuel elements with uncoated cladding, even if the initial oxygen/uranium ratio of the oxide nuclear fuel is large,
Oxidation of the zirconium or zirconium alloy results in a lower ratio of oxygen as a result of which cesium can be released and migrate to the inner surface of the coating. In the case of the present invention using metal coatings and diffusion barriers, the above ratio remains approximately constant or changes at a slow rate. Thus, oxide nuclear fuels with any desired quantitative relationships can be used within such composite claddings, and the quantitative relationships can remain constant or vary at a much slower rate. It is expected. According to the practice of the invention, the zirconium or zirconium alloy tube (hereinafter simply referred to as zirconium tube or zirconium substrate) comprises a zirconium tube with a copper coating on its inner surface and a zirconium tube oxide layer forming an intermediate boundary layer. Converted to composite cladding.
そのためには、先ずジルコニウム管の内面の改質が行わ
れる。ジルコニウム管の内面の改費は、グリツトブラス
トまたはロ・‐ラミル処理あるいは特定の腐食剤の使用
によって達成することができる。ジルコニウム管の内面
を改質した後、それの酸化が行われる。次いで、ジルコ
ニウム管の酸化膜に対する金属(たとえば銅)の無電解
めつきが可能となるようにジルコニウム管の酸化内面が
活性化される。ジルコニウム管の内面を粗面化技術によ
って改良する場合には、酸化アルミニウムグリツトを用
いてグリツトブラストを行うか、あるいは約8〜IQ物
の外径および約5〜7脚の内径を有する重り付き酸化ア
ルミニウム管を用いて内面のローラミル処理を行えばよ
い。後者の場合には、湿った酸化アルミニウム粉末を封
入してジルコニウム管の両端を栓でふさいだ後、かかる
管を12〜20RPMの速度で24〜7幼時間にわたっ
て回転させればよい。腐食技術の使用によってジルコニ
ウム管の内面を改質する場合には、管の内面を洗剤で洗
浄し、光沢浸漬溶液に暴露し、次いで水洗することが好
まし。好適な腐食剤は米国特許第4017368号明細
書中に示されている。曲型的な腐食手順を述べれば、約
10〜2雌ノクのフッ化水素アンモニウムおよび約0.
75〜2.咳ノその硫酸を含む熟成済みの活性化水溶液
にジルコニウム管が接触させられる。かかる溶液を熟成
させるには、溶液1のこ付き100地の面積を持ったジ
ルコニウム片を10間浸溝すればよい。次いで所望なら
ば、ジルコニウム管の腐食内面にゆるく付着した皮膜を
剥離除去してもよい。上記のごとくに粕面化を施したジ
ルコニウム管または腐食および皮膜除去を施したジルコ
ニウム管の酸化を行うには、300〜50000の温度
下で1〜10餌時間にわたって酸素雰囲気に暴露すれば
よい。あるいは、改質後におけるジルコニウム管の内面
を350〜450qoの温度下で5〜5斑寺間にわたっ
て水蒸気処理してもよい。経験によれば、ジルコニウム
管の酸化内面を活性化するにはスズ塩および各種の貴金
属塩を使用すればよいことが判明した。For this purpose, the inner surface of the zirconium tube is first modified. Refurbishment of the internal surface of the zirconium tube can be accomplished by grit blasting or Roramil treatment or by the use of certain caustic agents. After modifying the inner surface of the zirconium tube, its oxidation is carried out. The oxidized inner surface of the zirconium tube is then activated to allow electroless plating of metal (eg, copper) onto the oxide film of the zirconium tube. If the inner surface of the zirconium tube is modified by roughening techniques, grit blasting is carried out using aluminum oxide grit or a weight having an outer diameter of about 8 to IQ and an inner diameter of about 5 to 7 feet. The inner surface may be roller milled using a coated aluminum oxide tube. In the latter case, the zirconium tube may be rotated at a speed of 12 to 20 RPM for 24 to 7 hours after filling the moist aluminum oxide powder and plugging the ends of the zirconium tube. When modifying the inner surface of a zirconium tube by the use of corrosion techniques, it is preferred to clean the inner surface of the tube with a detergent, expose it to a brightening solution, and then rinse with water. Suitable caustic agents are shown in US Pat. No. 4,017,368. To describe the curved corrosion procedure, about 10 to 2 degrees of ammonium hydrogen fluoride and about 0.
75-2. A zirconium tube is brought into contact with an aged activated aqueous solution containing sulfuric acid. To age such a solution, a piece of zirconium with an area of 100 square meters coated with Solution 1 may be immersed for 10 hours. If desired, the loose coating on the corroded interior surface of the zirconium tube may then be stripped away. In order to oxidize a zirconium tube that has been subjected to scattering or corrosion and film removal as described above, it is sufficient to expose it to an oxygen atmosphere for a period of 1 to 10 hours at a temperature of 300 to 50,000 °C. Alternatively, the inner surface of the zirconium tube after modification may be subjected to steam treatment at a temperature of 350 to 450 qo for 5 to 5 days. Experience has shown that tin salts and various noble metal salts can be used to activate the oxidized interior surfaces of zirconium tubes.
好適な組合せは第一スズのアルカリ溶液(たとえば亜ス
ズ酸ナトリウム)および塩化パラジウムから成るもので
ある。とは言え、その他の貴金属塩たとえば硝酸銀、塩
化白金、塩化金など並びに貴金属のアルカリ溶液たとえ
ば金酸ナトリウム、パラジウム酸ナトリウム、白金酸ナ
トリウムなども使用できる。曲型的な活性化混合物はシ
ー・アール・シプレー(C.R.Shipley)米国
特許第301192び号明細書またはィー・ソーベスト
ル(E.Sa肋estre)の米国電気めつき協会19
5単王技術会報中に示されている。実際には、ジルコニ
ウム管の酸化内面は米国マサチュ−セッツ州ニュートン
市のシプレー社(ShipleyCompany)の製
品であるキュポジット・カタリスト(CupositC
atalyst)9Fで処理される。次いで、酸化内面
を水洗の後、やはりシプレー社の製品であるキュポジッ
ト・アクセラレータ(CupositAccelera
tor)19で処理すればよい。A preferred combination consists of an alkaline solution of stannous (e.g. sodium stannite) and palladium chloride. However, other noble metal salts, such as silver nitrate, platinum chloride, gold chloride, etc., as well as alkaline solutions of noble metals, such as sodium goldate, sodium palladate, sodium platinate, etc., may also be used. Curved activation mixtures are described in C.R. Shipley, U.S. Pat.
It is shown in the 5-mono technical bulletin. In fact, the oxidized inner surface of the zirconium tube is manufactured by Cuposit Catalyst, a product of the Shipley Company of Newton, Massachusetts, USA.
atalyst) 9F. Next, after washing the oxidized inner surface with water, the Cuposit Accelera, also a product of Shipley, was applied.
tor) 19.
ジルコニウム管の活性化済み酸化内面の無電解めつきは
標準的な手順に従って行うことができる。たとえば、ジ
ルコニウム管中にめつき液を一様に流すことによってそ
の内面上に金属を一様に沈着させればよい。好適な金属
は銅であるけれど、その他の金属(たとえばニッケルや
鉄)をジルコニウム管の酸化内面上にめつきしても満足
すべき結果を得ることができる。無電解めつき用として
は、次のような組成の水性めつき格が使用できる。Electroless plating of the activated oxidized inner surface of the zirconium tube can be performed according to standard procedures. For example, a plating solution may be uniformly flowed through the zirconium tube to uniformly deposit the metal on the inner surface of the tube. Although the preferred metal is copper, other metals (such as nickel or iron) can be plated onto the oxidized interior surface of the zirconium tube with satisfactory results. For electroless plating, an aqueous plating grade having the following composition can be used.
すなわち、水600の‘、酒石酸カリウムナトリウム(
KNaC4は06・4日20)141.5g、水酸化ナ
トリウム(NaCH)41.5gおよび硫酸銅(CuS
04・斑20)2班を混合した後、水を加えて1夕とす
ればよい。また、使用直前に73%ホルムアルデヒド溶
液(日2CO)16.7柵を加えてもよい。これは公知
のフェーリング鋼めつき格を改変したものである。それ
以外にも、マグダーミツド(MacDermid)90
38、シブレーCP74およびセルレツクス(Sel一
Rex)Cu510のごとき市販の無電競鋼めつき格が
使用できる。実際には、約25〜約75つ0の温度に維
持されためつき俗を壇拝しながらジルコニウム管中に一
様に流せばよい。かかる手順によれば、気孔をほとんど
含まずかつめつきしたままで極めて良好な密着性を示す
めつき層が得られる。めつき済みのジルコニウム管を高
温下で使用しても付着力の実質的な低下が起らないよう
にするためには、アルゴン中または真空中において約3
00〜約40岬(149〜20400)の温度下でガス
抜きが行われる。かかるガス抜きに際しては、毎時約5
0〜125o F(10〜520)の速度で室温から最
終温度までの昇温を行えばよい。ジルコニウム管に銅の
無電解めつきを施す際には、かなり多量の水素ガスが発
生することがある。i.e. 600% of water, potassium sodium tartrate (
KNaC4 was 141.5 g on 2006-4, 41.5 g of sodium hydroxide (NaCH) and copper sulfate (CuS).
04・Spot 20) After mixing the two groups, add water and leave it overnight. Also, 73% formaldehyde solution (2 CO per day) 16.7% may be added immediately before use. This is a modification of the known Fehling steel plating. Besides that, MacDermid 90
Commercially available electroless steel plating grades such as No. 38, Sibley CP74 and Sel-Rex Cu510 can be used. In practice, it may be uniformly flowed through the zirconium tube while maintaining a temperature of about 25 to about 75 degrees centigrade. According to this procedure, a plated layer containing almost no pores and exhibiting extremely good adhesion while remaining stuck is obtained. To ensure that pre-plated zirconium tubes can be used at elevated temperatures without substantial loss of adhesion, it is necessary to
Degassing takes place at a temperature of 0.00 to about 40 Cape (149 to 20400). During such degassing, approximately 5
The temperature may be raised from room temperature to the final temperature at a rate of 0 to 125 degrees Fahrenheit (10 to 520 degrees Fahrenheit). When electroless copper is plated on zirconium tubes, a considerable amount of hydrogen gas may be generated.
水素ガスは管壁に付着する傾向があり、したがって無電
解めつき工程が妨げられることもあるから、めつき格を
管中に流すことによって水素ガスの除去を容易にするこ
とが好ましい。その上、管を直立状態にして無電解めつ
きを施すことも好ましい。ジルコニウム管にニッケルめ
つきを施すためには、次のような組成の水性めつき格が
使用される。Since hydrogen gas tends to adhere to the tube walls and thus may interfere with the electroless plating process, it is preferred to facilitate the removal of hydrogen gas by flowing the plating layer through the tube. Moreover, it is also preferable to perform electroless plating with the tube in an upright position. In order to apply nickel plating to zirconium tubes, a water-based plating grade having the following composition is used.
すなわち、3雌/その塩化ニッケル(Njc〆・細20
)、log/その次亜リン酸ナトリウム(Na比P02
・QO)、12.6g/そのクエン酸ナトリウム(Na
2C6日507・汎20)および5g/その酢酸ナトリ
ウム(NaC2馬0)を含む水溶液を調製した後、水酸
化ナトリウム(NaOH)の添加によってpを4〜6の
範囲内に調整すればよい。それ以外にも、ェンプレート
(Enplaに)410および416のごとき市販の無
電解ニッケルめつき俗が使用できる。実際には、約19
4〜約212o F(90〜100℃)の温度に維持さ
れためつき俗を櫨拝しながらジルコニウム管中に一様に
流せばよい。なお、その場合の好適な目標温度は95±
2℃である。かかる手順によれば、気孔を含まずかつめ
つきしたままでも極めて良好な密着性を示すめつき層が
得られる。めつき済みのジルコニウム管を高温下で使用
しても付着力の実質的な低下が起らないようにするため
には、銅の場合と同じ手順に従ってガス抜きが行われる
。本発明の方法によって処理されるジルコニウム管は、
切削作業から得られたままのものであってもよいし、あ
るいは前以て機械的清浄操作(たととえばグリットブラ
スト)または化学的清浄操作(たとえば酸やアルカ川こ
よる腐食)を施したものであってもよい。That is, 3 females/its nickel chloride (Njc〆・fine 20
), log/its sodium hypophosphite (Na ratio P02
・QO), 12.6g/sodium citrate (Na
After preparing an aqueous solution containing 2C6day507, Pan20) and 5g of its sodium acetate (NaC2ma0), p may be adjusted within the range of 4 to 6 by adding sodium hydroxide (NaOH). Alternatively, commercially available electroless nickel plating products such as Enpla 410 and 416 can be used. Actually, about 19
It may be uniformly poured into a zirconium tube while maintaining a temperature of 4 to about 212 degrees Fahrenheit (90 to 100 degrees Celsius). In addition, the suitable target temperature in that case is 95±
It is 2℃. According to this procedure, a plated layer that does not contain pores and exhibits extremely good adhesion even when stuck is obtained. To ensure that plated zirconium tubes can be used at elevated temperatures without substantial loss of adhesion, degassing is carried out following the same procedure as for copper. Zirconium tubes treated by the method of the invention are
It may be as obtained from the cutting operation, or it may have been previously subjected to mechanical cleaning operations (e.g. grit blasting) or chemical cleaning operations (e.g. acid or alkaline corrosion). It may be.
当業者が本発明を一層容易に実施できるようにするため
、以下に実施例を示す。In order to enable those skilled in the art to more easily practice the invention, the following examples are provided.
これらの実施例は本発明の実施を例証するものに過ぎな
いのであって、本発明の範囲を限定するものではない。
実施例 10.490インチ(1.24肌)の外径およ
び0.425インチ(1.08肌)の内径を持った長さ
5インチ(12.7弧)のジルカィロー2管を50ワッ
ト超音波洗浄器内において洗剤客液で10分間洗浄した
。These examples are merely illustrative of the practice of the invention and are not intended to limit the scope of the invention.
EXAMPLE 1 Two 5-inch long (12.7 arc) Zircairo tubes with an outside diameter of 10.490 inches (1.24 skins) and an inside diameter of 0.425 inches (1.08 skins) were subjected to 50 watts ultrasound. It was washed for 10 minutes with detergent liquid in a washer.
次に、蒸留水で10分間水洗した。その後、水500の
【、濃硝酸500の【およびフッ化水素アンモニウムl
ogから成る光沢浸債溶液を毎分約1000の‘の流量
で2分間にわたり管中に流した。次いで、管を水洗して
から水酸化ナトリウム水溶液で中和した。蒸留水で5分
間水洗した後、水1000奴、フッ化水素アンモニウム
1鬼および硫酸0.5の‘から成る溶液を使用しながら
超音波洗浄器内において1分間にわたり管の腐食を行っ
た。腐食溶液は前以て混合した後、約100c鰭の面積
を持ったジルカロイー2管の断片に10分間接触させる
ことによって熟成させた超音波洗浄器は腐食中に生じた
スケール状物質を除去するのに役立った。腐食後、管を
蒸留水で約1分間水洗し、それから乾燥窒素を用いて乾
燥した。次いで、管を酸化用の炉内に装入し、それから
毎時約0.2立方フィート(毎時約0.0057で)の
酸素を流しながら400℃で2独特間にわたって酸化を
行った。冷却後、管を炉から取出し、水酸化ナトリウム
水溶液の入った超音波洗浄器内において5分間洗浄し、
次いで蒸留水で1び分間水洗した。かかる管を活性化す
るため、米国マサチューセッツ州ニュートン市のシブレ
−社によって製造されたキュポジット・カタリスト班の
溶液を毎分1000の‘の流量で3分間にわたり管中に
流し、それから3分間水洗した。次に、キュポジット・
アクセラレー夕19の溶液を毎分1000地の流量で6
分間にわたり管中に流し、それから蒸留水で10分間水
洗した。その後、米国コネチカット州ウオーターフオー
ド市のマグダーミッド社の製品であるメテツクス(Me
tex)+9038めつき裕中において60℃で2時間
にわたり管のめつきを行った。なお、めつき俗は温度調
節を備えた容器から毎分1000の‘の流量で管中に流
した。その結果、内面上に厚さ約3.8×10‐4イン
チ(約9.65×10‐4肌)の銅被膜および厚さ約4
×10‐5インチ(約1.02×10‐4仇)のジルカ
ロィー2管の酸化膜でできた中間境界層を持ったジルカ
ロィ−2管から成る複合被覆が得られた。次に、標準技
術に従って0.4インチ×1.5インチ(1.02肌×
3.81伽)の二酸化ウランベレツトを上記の複合被覆
に装填することにより、原子炉の炉心において使用可能
な燃料要素を製造した。銅被膜とジルコニウム基体との
間に配置されたジルコニウム基体の酸化膜の中間境界層
が原子炉条件(すなわちセシウムなどに溶解されたカド
ミウムと接触しながら290qoを越える温度に暴露さ
れるような条件)下における金属腕化や破損を低減させ
る手段として優れた能力を有することを証明するため、
1/8インチ(0.318伽)のゲージ厚さおよび1′
2インチ(1.27伽)の長さをもった一連のジルカロ
イー2引張試験片を作製した。カドミウムを飽和させた
液体セシウム中にかかる引張試験片を浸潰しながら、イ
ンストロン(lnstron)引張試験機により300
ooの温度下で評価を行った。一部の引張試験片には、
液体セシウム中における上記の引張試験に先立ち、アル
ゴン中または真空中において約58000で21/独特
間にわたる熱処理を施した。評価を受けた引張試験片は
、風被膜を持たないジルカロィ−2、曲鋼被膜を持った
ジルカロィ−2およびにー銅被膜を有しかつ銅被膜とジ
ルカロイ−2基体との間にジルカロィ−2基体の酸化膜
の中間境界層を含んだジルカロイー2からなるものであ
った。Next, it was washed with distilled water for 10 minutes. Then, 500 g of water, 500 g of concentrated nitric acid, and 1 l of ammonium hydrogen fluoride.
A brightening solution consisting of 0.0 g was flowed into the tube for 2 minutes at a flow rate of about 1000'/min. The tube was then washed with water and neutralized with an aqueous sodium hydroxide solution. After rinsing with distilled water for 5 minutes, the tubes were eroded for 1 minute in an ultrasonic cleaner using a solution consisting of 1,000 parts water, 1 part ammonium hydrogen fluoride, and 0.5 parts sulfuric acid. The corrosive solution was premixed and then aged by contacting it for 10 minutes with a piece of two Zircaloy tubes with an area of approximately 100 cm of fin.An ultrasonic cleaner was used to remove the scale-like material produced during corrosion. It was useful. After corrosion, the tubes were flushed with distilled water for approximately 1 minute and then dried using dry nitrogen. The tube was then placed in an oxidation furnace and oxidized at 400 DEG C. for two periods with a flow of about 0.2 cubic feet of oxygen per hour. After cooling, the tube was removed from the furnace and cleaned in an ultrasonic cleaner containing an aqueous sodium hydroxide solution for 5 minutes.
Then, it was washed with distilled water for 1 minute. To activate the tubes, a solution of Cuposite Catalyst Group, manufactured by Sibley, Inc., Newton, Mass., was run into the tubes for 3 minutes at a flow rate of 1000' per minute, followed by a 3 minute water rinse. Next, the cuposit
Accelerator 19 solution at a flow rate of 1000 m/min 6
The tube was flushed for 10 minutes and then rinsed with distilled water for 10 minutes. After that, Metex, a product of Magdermid Company of Waterford, Connecticut, USA, was introduced.
The tubes were plated at 60° C. for 2 hours in a +9038 plating Yunaka. Note that the metal was poured into the tube at a flow rate of 1,000 minutes per minute from a temperature-controlled container. The result is a copper coating approximately 3.8 x 10-4 inches thick on the inner surface and a copper coating approximately 4 inches thick.
A composite coating consisting of two Zircaloy tubes with an intermediate boundary layer of oxide film was obtained. Then 0.4 inch x 1.5 inch (1.02 skin x
A fuel element usable in the core of a nuclear reactor was produced by loading uranium dioxide pellets of 3.81g) into the composite cladding described above. An intermediate boundary layer of an oxide film on the zirconium substrate disposed between the copper coating and the zirconium substrate is exposed to reactor conditions (i.e., conditions in which it is exposed to temperatures exceeding 290 qo while in contact with cadmium dissolved in cesium, etc.). In order to prove that it has excellent ability as a means to reduce metal arm formation and breakage at the bottom,
1/8 inch (0.318 C) gauge thickness and 1'
A series of Zircaloy 2 tensile specimens having a length of 2 inches (1.27 mm) were prepared. The tensile test specimen was immersed in liquid cesium saturated with cadmium while an Instron tensile tester was used to
Evaluation was performed at a temperature of oo. Some tensile test specimens include
Prior to the above tensile test in liquid cesium, a heat treatment was performed in argon or vacuum at about 58,000 °C for 21/2 hours. The tensile test specimens evaluated were Zircaloy-2 without wind coating, Zircaloy-2 with curved steel coating, and Zircaloy-2 with copper coating and Zircaloy-2 between the copper coating and the Zircaloy-2 substrate. It consisted of Zircaloy 2 containing an intermediate boundary layer of an oxide film on the substrate.
得られた結果は下記の表に示されている。表中において
「熱処理」の欄に見られる「有一は、インストロン引張
試験に先立ち、アルゴン中または真空中において引張試
験片が21′4にわたり580ooの温度に暴露された
ことを表す。上記の結果によれば、銅被膜を有しかつジ
ルカロィ−2基体の酸化膜の中間境界層を含むジルカロ
ィ−2引張試験片に}が最大の被断時塑性歪を示したこ
とが確認される。意外にも、熱処理後にカドミウムを飽
和させた液体セシウムの環境下に置いた引張試験片の彼
断時塑性歪である。3.8%は熱処理を施さなかった引
張試験片の破断時塑性歪に比べて一段と大きかった。The results obtained are shown in the table below. In the table, the "Y" in the "Heat Treatment" column indicates that the tensile specimen was exposed to a temperature of 580 oo for 21'4 in argon or vacuum prior to the Instron tensile test. According to the authors, it was confirmed that a Zircaloy-2 tensile test piece with a copper coating and an intermediate boundary layer of an oxide film on a Zircaloy-2 substrate exhibited the maximum plastic strain at break.Unexpectedly, is also the plastic strain at break of a tensile test piece placed in an environment of liquid cesium saturated with cadmium after heat treatment.It is 3.8% compared to the plastic strain at break of a tensile test piece that was not heat treated. It was even bigger.
このような事実は、長時間にわたって実際の運転条件に
暴露たれた本発明の燃料要素が優れた破損抵抗性を示す
ことを示唆していると言える。かかるジルコニウム被覆
は、銅被膜によって保護されると同時にジルコニウム基
体中への銅の拡散も拡散障壁としてのジルコニウム基体
の酸化膜によって防止されるため、縦化に対して一層良
く耐えるのである。当業者にとっては自明の通り、1%
の破断時塑性歪と言えども割れに対してかなり良く耐え
ることを表わしている。なお、銅被膜のみを有する引張
試験片【B}が熱熱処理後に破損を生じたことも重要で
ある。拡散障壁としてのジルコニウム基体の酸化膜が存
在しないため、580℃に加熱された際にはジルコニウ
ム基体中への銅の拡散が起り、従って0%の被断時塑性
歪が示すごとくに腕化および破損が生じたのである。実
施例 2
酸化に先立ってジルコニウム基体の腐食を行う代り‘こ
1伽×1.5弧の平らなクーポポンをグリットプラスト
によって粗面化した点を除き、実施例1の手順を繰返し
た。These facts may suggest that the fuel element of the present invention exhibits superior failure resistance when exposed to actual operating conditions for extended periods of time. Such a zirconium coating resists verticalization better because it is protected by the copper coating and at the same time the diffusion of copper into the zirconium substrate is also prevented by the oxide layer of the zirconium substrate as a diffusion barrier. As is obvious to those skilled in the art, 1%
This indicates that it can withstand cracking quite well even though it has plastic strain at break. It is also important to note that the tensile test specimen [B] having only a copper coating was damaged after the heat treatment. Since there is no oxide film on the zirconium substrate as a diffusion barrier, copper diffusion into the zirconium substrate occurs when heated to 580°C, resulting in arm formation and Damage had occurred. Example 2 The procedure of Example 1 was repeated, except that instead of etching the zirconium substrate prior to oxidation, a 1 x 1.5 arc flat coupon was roughened by grit blasting.
すなわち、90メッシュの酸化アルミニウムグルットで
1硯砂、間にわたり機械的摩滅を施すことによって粗面
化を行った。その後実施例1の手順に従って400qo
で224時間にわたりクーポンの酸化を行った。実施例
3
平らなクーポンの代りにジルカロイー2管を使用した点
を除き、実施例2の手順を繰返した。That is, the surface was roughened by applying mechanical abrasion with a 90-mesh aluminum oxide grout over one inkstone sand interval. Then, according to the procedure of Example 1, 400 qo
The coupons were oxidized for 224 hours. Example 3 The procedure of Example 2 was repeated except that two tubes of Zircaloy were used instead of flat coupons.
この場合には、0.31インチ(0.787肌)の外径
および0.28インチ(0.711肌)の内径を持った
酸化アルミニウム管をローラとして用いたロ−ラミル処
理によって粗面化を行った。すなわち、上記の酸化アル
ミニウム管に水銀を充填して重みを加えた後、前述のご
とき90メッシュの湿った酸化アルミニウムグリツトと
共にジルカロィー2管の内部に封入した。グリットおよ
び水が漏れないように両端を栓でふさいだ後かかる管を
12級PMの速度でM時間にわたって回転させた。その
後、蒸留水で管を水洗してから、前述のごと〈に400
℃で24時間にわたって表面の酸化を行った。上記のご
とく酸化された管を実施例1の手順に従って活性化した
後、鋼の無電解めつきを施した。In this case, the surface is roughened by roller milling using an aluminum oxide tube with an outer diameter of 0.31 inch (0.787 inch) and an inner diameter of 0.28 inch (0.711 inch) as a roller. I did it. That is, the above aluminum oxide tube was filled with mercury to add weight, and then sealed inside a Zircaloy 2 tube together with 90 mesh wet aluminum oxide grit as described above. After plugging both ends to prevent leakage of grit and water, the tube was rotated at a speed of 12 PM for M hours. Afterwards, rinse the tube with distilled water, and then
Surface oxidation was carried out for 24 hours at °C. The tube oxidized as described above was activated according to the procedure of Example 1 and then subjected to electroless plating of steel.
こうして得られたジルカロィー2管は外観が互いに似て
いたことは勿論、実施例1に記載のごとくにして銅被膜
およびジルカロィ−2管の酸化膜を設置したジルカロィ
−2管にも似ていた。以上の実施例は、本発明方法にお
いて使用すれば各種の有用な燃料要素および核燃料封入
用被覆を与えるような極めて数多〈のの材料や手順のほ
んの一部を例示するものに過ぎない。上記の実施例に先
立って記載した通り、本発明方法においては遥かに広い
範囲の材料や手順が使用し得ることは言うまでもあるま
い。The Zircaloy 2 tubes thus obtained were not only similar in appearance to each other, but also similar to the Zircaloy 2 tubes in which the copper coating and the oxide film of the Zircaloy 2 tube were provided as described in Example 1. The foregoing examples are merely illustrative of a very large number of materials and procedures that may be used in the method of the present invention to provide a variety of useful fuel elements and nuclear fuel containment claddings. It goes without saying that a much wider range of materials and procedures may be used in the method of the present invention, as described prior to the examples above.
第1図は本発明に従って製造された燃料要素を含む燃料
集合体の都分切取断面図、そして第2図は本発明に従っ
て製造された燃料要素の拡大横断面図である。
図中、10は燃料集合体、11は冷却材チャンネル、1
4は燃料要素、16は核燃料物質、17は複合被覆、2
0は空所、21はジルコニウム基体、22はジルコニウ
ム基体の酸化層、23は金属被膜、そして24は核燃料
物質保持手段を表わす。
み鶴Z.
ス雀.ィFIG. 1 is a cut-away cross-sectional view of a fuel assembly including a fuel element made in accordance with the present invention, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a fuel element made in accordance with the present invention. In the figure, 10 is a fuel assembly, 11 is a coolant channel, 1
4 is a fuel element, 16 is a nuclear fuel material, 17 is a composite cladding, 2
0 represents a void, 21 represents a zirconium substrate, 22 represents an oxidized layer of the zirconium substrate, 23 represents a metal coating, and 24 represents a nuclear fuel material holding means. Mitsuru Z. Sparrow. I
Claims (1)
合被覆容器とを有する燃料要素において、この容器が基
体、核燃料物資に近接した基体表面を被覆する金属被膜
及び基体と金属被膜との間に介在する基体の酸化膜から
成り、基体はジルコニウムまたはジルコニウム合金で、
金属被膜は銅、ニツケル、鉄またはこれらの合金である
ことを特徴とする燃料要素。 2 酸化膜が実資的に二酸化ジルコニウムから成ること
を特徴とする特許請求の範囲第1項記載の燃料要素。 3 核燃料物資でできた芯材と、基体、核燃料物資に近
接した基体表面を被覆する金属被膜及び基体と金属被膜
との間に介在する基体の酸化膜から成る細長い複合被覆
容器とを有する燃料要素の製造方法であつて、(a)ジ
ルコニウムまたはジルコニウム合金基体21の表面の粗
面化または腐食を行い、(b)こうして処理された基体
を酸化して酸化膜を形成し、(c)無電解めつきによる
金属被膜の設置が可能となるように工程(b)で得られ
た酸化膜表面を活性化し、次いで(d)工程(c)で得
られた前記ジルコニウムまたはジルコニウム合金基体の
活性化した酸化膜表面上にに鋼、ニツケル、鉄またはそ
れらの合金の金属被膜を設置する諸工程を含む方法。 4 活性化した酸化膜表面に銅の被覆を無電解めつきに
より設けることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載
の方法。 5 酸化に先立ち機械的擦過を施すことによつてジルコ
ニウム合金の表面が粗面化されることを特徴とする特許
請求の範囲第3または4項記載の方法。 6 フツ化水素アンモニウムおよび硫酸の溶液で処理す
ることによつてジルコニウム合金の表面が腐食され、次
いでゆるく付着した薄皮をシーリングにより除去するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第3項及至第5項のいず
れか1項に記載の方法。 7 ジルコニウム合金を水蒸気中で高温に加熱すること
によつて酸化が達成させることを特徴とする特許請求の
範囲第3項及至第6項のいずれか1項に記載の方法。 8 ジルコニウム合金を酸素雰囲気中で高温に加熱する
ことによつて酸化が達成されることを特徴とする特許請
求の範囲第3項及至第6項のいずれか1項に記載の方法
。[Scope of Claims] 1. A fuel element having a core material made of a nuclear fuel material and an elongated composite cladding container for the nuclear fuel material, in which the container includes a base body, a metal coating covering the surface of the base body in proximity to the nuclear fuel material, and a base material. It consists of a base oxide film interposed between a metal coating, and the base is zirconium or a zirconium alloy.
A fuel element characterized in that the metal coating is copper, nickel, iron or an alloy thereof. 2. The fuel element according to claim 1, wherein the oxide film consists essentially of zirconium dioxide. 3. A fuel element having a core material made of nuclear fuel material, a base, a metal coating covering the surface of the base close to the nuclear fuel material, and an elongated composite coated container consisting of an oxide film of the base interposed between the base and the metal coating. A manufacturing method comprising: (a) roughening or corroding the surface of a zirconium or zirconium alloy substrate 21, (b) oxidizing the thus treated substrate to form an oxide film, and (c) electroless The surface of the oxide film obtained in step (b) is activated so that a metal coating can be installed by plating, and then (d) the zirconium or zirconium alloy substrate obtained in step (c) is activated. A method that includes the steps of placing a metal film of steel, nickel, iron, or an alloy thereof on the surface of an oxide film. 4. The method according to claim 3, characterized in that a copper coating is provided on the surface of the activated oxide film by electroless plating. 5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that the surface of the zirconium alloy is roughened by subjecting it to mechanical abrasion prior to oxidation. 6. Claims 3 to 5, characterized in that the surface of the zirconium alloy is corroded by treatment with a solution of ammonium hydrogen fluoride and sulfuric acid, and then the loosely attached skin is removed by sealing. The method according to any one of the above. 7. A method according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the oxidation is achieved by heating the zirconium alloy to a high temperature in steam. 8. A method according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the oxidation is achieved by heating the zirconium alloy to a high temperature in an oxygen atmosphere.
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