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JPH0160797B2 - - Google Patents
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JPH0160797B2 - - Google Patents

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Publication number
JPH0160797B2
JPH0160797B2 JP58077678A JP7767883A JPH0160797B2 JP H0160797 B2 JPH0160797 B2 JP H0160797B2 JP 58077678 A JP58077678 A JP 58077678A JP 7767883 A JP7767883 A JP 7767883A JP H0160797 B2 JPH0160797 B2 JP H0160797B2
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JP
Japan
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zirconium
nuclear fuel
cladding
composite
barrier
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JP58077678A
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Samu Arumiiho Josefu
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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Publication of JPH0160797B2 publication Critical patent/JPH0160797B2/ja
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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
    • G21C3/16Details of the construction within the casing
    • G21C3/20Details 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
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
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  • Materials For Medical Uses (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は一般に核分裂炉の炉心に用いる核燃料
要素の改良に関し、さらに詳しくはジルコニウム
合金基体と、基体の内面に冶金結合した非合金化
ジルコニウムの障壁と、ジルコニウム障壁に冶金
結合したジルコニウム合金内層とよりなる複合ク
ラツデイング(被覆)容器を有する改良型核燃料
要素に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates generally to improvements in nuclear fuel elements for use in nuclear fission reactor cores, and more particularly, includes a zirconium alloy substrate, an unalloyed zirconium barrier metallurgically bonded to the interior surface of the substrate, and a zirconium An improved nuclear fuel element having a composite cladding vessel comprising a zirconium alloy inner layer metallurgically bonded to a barrier.

発明の背景 現在設計され、建造され、また運転されている
原子炉においては、核燃料が平板、管または棒の
ような種々の幾何形状を有する燃料要素に収容さ
れている。燃料物質は普通耐食性、非反応性、伝
熱性容器またはクラツデイングに納められる。複
数の燃料要素を冷却材流れ領域、即ちチヤンネル
内で互に一定間隔で格子状に組立てて燃料集合体
を形成し、そして十分な数の燃料集合体を組合わ
せて、核分裂連鎖反応アセンブリ、即ち自己持続
性核分裂反応を行い得る炉心を構成する。
BACKGROUND OF THE INVENTION In nuclear reactors currently designed, constructed, and in operation, nuclear fuel is contained in fuel elements having various geometries, such as plates, tubes, or rods. The fuel material is normally contained in a corrosion-resistant, non-reactive, thermally conductive container or container. A plurality of fuel elements are assembled in a grid at regular intervals from each other within a coolant flow region, or channel, to form a fuel assembly, and a sufficient number of fuel assemblies are assembled to form a fission chain reaction assembly, or Construct a reactor core capable of self-sustaining nuclear fission reactions.

炉心はさらに原子炉容器内に収容され、原子炉
容器には冷却材が流通する。
The reactor core is further housed within a reactor vessel, with coolant flowing through the reactor vessel.

クラツデイングは幾つかの目的に役立つ。その
うち2つの主要目的を挙げると、第1の目的は、
核燃料と冷却材または減速材が存在する場合には
その減速材または冷却材および減速材両者が存在
する場合にはその両者との間の接触および化学反
応を防止することであり、第2の目的は、放射性
核分裂生成物(一部はガスである)が燃料から冷
却材または減速材または冷却材および減速材両者
が存在する場合にはその両者の中に漏れ出るのを
防止することである。よく用いられるクラツデイ
ング材料はステンレス鋼、アルミニウムとその合
金、ジルコニウムとその合金、ニオブ(コロンビ
ウム)、ある種のマグネシウム合金などである。
クラツデイングが破損すると、つまり漏洩防止性
が失なわれると、冷却材または減速材および関連
システムが放射性長寿命生成物でプラント運転を
さまたげる程に汚染される恐れがある。
Kratzding serves several purposes. The two main objectives are:
The second purpose is to prevent contact and chemical reactions between the nuclear fuel and the coolant or moderator, if present, or both the coolant and moderator, if both are present. The goal is to prevent radioactive fission products (some of which are gases) from escaping from the fuel into the coolant or moderator, or both coolant and moderator if both are present. Common cladding materials include stainless steel, aluminum and its alloys, zirconium and its alloys, niobium (columbium), and certain magnesium alloys.
If the cladding fails, ie, loses leak protection, the coolant or moderator and related systems can become contaminated with radioactive long-lived products to the extent that plant operations are disrupted.

ある種の合属および合金をクラツド材として用
いている核燃料要素の製造および使用に際して、
特定の状況下でのこれらクラツデイング材の機械
的または化学的反応から幾つかの問題が起つてい
る。ジルコニウムおよびその合金は正常な条件下
では優秀な核燃料クラツデイング材である。ジル
コニウムおよびその合金は、中性子吸収断面積が
小さく、約398℃(約750〓)以下の温度では、原
子炉冷却材および減速材として普通用いられる脱
塩水またはスチームの存在下でも強く、延性で、
非常に安定でかつ非反応性である。
In the manufacture and use of nuclear fuel elements using certain metals and alloys as cladding materials,
Several problems arise from the mechanical or chemical reaction of these cladding materials under certain circumstances. Zirconium and its alloys are excellent nuclear fuel cladding materials under normal conditions. Zirconium and its alloys have a small neutron absorption cross section and are strong, ductile, and durable at temperatures below about 398°C (about 750°C), even in the presence of demineralized water or steam, commonly used as reactor coolants and moderators.
Very stable and non-reactive.

しかし、燃料要素の使用につれて、核燃料とク
ラツデイングと核分裂反応中に生成した核分裂生
成物との間のからみあつた相互作用に基づく、ク
ラツデイングの脆性割れの問題が明らかになつ
た。この望ましくない現象が燃料−クラツデイン
グ間の膨脹差に基づく局部的機械応力により促進
される(クラツデイング中の応力が燃料ペレツト
界面に、そして時には核燃料中の亀裂に局在化す
る)ことを確かめた。この現象は用語「ペレツト
−クラツデイング相互作用(PCI)」で定義され
ている。腐蝕性核分裂生成物が核燃料から放出さ
れ、燃料ペレツト界面とクラツデイング表面との
交差部に存在する。かゝる核分裂生成物は、原子
炉の作動中の核分裂連鎖反応中に核燃料中に生成
する。
However, with the use of fuel elements, the problem of brittle cracking of the cratzding became apparent due to the intertwined interaction between the nuclear fuel, the cratzding, and the fission products produced during the fission reaction. It has been determined that this undesirable phenomenon is promoted by local mechanical stresses due to differential expansion between the fuel and the cladding (stresses during cladding are localized at the fuel pellet interface and sometimes at cracks in the nuclear fuel). This phenomenon is defined by the term "pellet-cracking interaction" (PCI). Corrosive fission products are released from the nuclear fuel and are present at the intersection of the fuel pellet interface and the cladding surface. Such fission products are formed in nuclear fuel during the nuclear fission chain reaction during operation of a nuclear reactor.

密閉燃料要素の中で、クラツデイングとその内
部の残留水分との間の遅い反応により水素ガスが
発生する。この水素ガスがある程度まで貯まる
と、ある条件下ではクラツデイングが局部的に水
素化され、また同時にクラツデイングの機械的特
性が局部的に劣化する。クラツデイングは広い温
度範囲にわたつて酸素、窒素、一酸化炭素および
二酸化炭素などのガスによつても悪影響を受け
る。核燃料要素のジルコニウムクラツデインクは
原子炉内での照射中に上記ガスの1種以上および
核分裂生成物にさらされ、このことはこれらのガ
スが原子炉冷却材または減速材中に存在せず、ま
たクラツデイングおよび燃料要素の製造中に周囲
雰囲気からできる限り排除されているにもかゝわ
らず起る。焼結耐火およびセラミツク組成物、例
えば二酸化ウランおよび核燃料として用いられる
他の組成物は、加熱時に、例えば燃料要素製造中
に測定可能量の上記ガスを放出し、またさらに照
射中に核分裂生成物を放出する。粒状耐火および
セラミツク組成物、例えば二酸化ウラン粉末およ
び核燃料として用いられる他の粉末は照射中にさ
らに多量の上記ガスを放出することが知られてい
る。これらの放出ガスは核燃料を収容したジルコ
ニウムクラツデイングと反応し得る。
Within the sealed fuel element, hydrogen gas is generated by a slow reaction between the cladding and residual moisture within it. When this hydrogen gas accumulates to a certain extent, the cladding is locally hydrogenated under certain conditions, and at the same time, the mechanical properties of the cladding are locally degraded. Cladding is also adversely affected by gases such as oxygen, nitrogen, carbon monoxide and carbon dioxide over a wide temperature range. The zirconium chloride ink of nuclear fuel elements is exposed to one or more of the above gases and fission products during irradiation in a nuclear reactor, which means that these gases are not present in the reactor coolant or moderator. , and occur even though they are excluded as much as possible from the ambient atmosphere during cladding and fuel element manufacturing. Sintered refractory and ceramic compositions, such as uranium dioxide and other compositions used as nuclear fuels, release measurable amounts of the above gases when heated, e.g. during fuel element manufacture, and also release fission products during irradiation. discharge. Particulate refractory and ceramic compositions, such as uranium dioxide powder and other powders used as nuclear fuels, are known to release even greater amounts of these gases during irradiation. These released gases can react with the zirconium cladding containing the nuclear fuel.

従つて、上述したことを考慮すると、燃料要素
を原子力発電所の運転に使用する期間中ずつと、
燃料要素の内部でクラツデイングと反応する、
水、水蒸気および他のガス、特に水素からのクラ
ツデイングの攻撃を最小に抑えるのが望ましいこ
とがわかる。このような解決策の一つは、水、水
蒸気および他のガスと迅速に化学反応してこれら
をクラツデイングの内部から除くことのできる物
質を発見することである。このような物質はゲツ
ターと呼ばれる。
Therefore, in view of the above, during each period during which a fuel element is used in the operation of a nuclear power plant,
Reacts with Kratzding inside the fuel element,
It can be seen that it is desirable to minimize crazing attacks from water, water vapor and other gases, especially hydrogen. One such solution is to find materials that can rapidly chemically react with water, water vapor, and other gases to remove them from the interior of the cladding. Such substances are called getters.

もう一つの解決策は、米国特許第3108936号に
開示されているように、核燃料物質をセラミツク
で被覆して、水分が核燃料物質と接触するのを防
止する被覆法である。米国特許第3085059号に記
載された燃料要素においては、金属ケーシングに
核分裂可能セラミツク物質のペレツト1個以上を
収容し、ガラス質物質の層をセラミツクペレツト
に結合し、このガラス質物質層をケーシングと核
燃料との間に配してペレツトからケーシングへの
熱伝導を均一に良好に保つ。米国特許第2873238
号では、ジヤケツト付きの核分裂可能ウランスラ
グを金属ケースに入れ、ここでのスラグ用の保護
ジヤケツトまたはカバーはジルコニウム−アルミ
ニウム結合層である。米国特許第2849387号に開
示されたジヤケツト付き核分裂可能本体は、核燃
料の端部開口ジヤケツト付き本体部分複数個より
なり、これら本体部分が予め結合物質の溶融浴に
浸漬されており、ウラン本体部分と容器(または
クラツデイング)との間に効率よい熱伝導結合を
形成する。コーテイングは良好な熱伝導特性を有
する金属合金として開示されており、その例には
アルミニウム−珪素および亜鉛−アルミニウム合
金が挙げられている。特公昭47−46559号(1972
年11月24日公告)には、個別の核燃料粒子を高密
度の滑らかな炭素含有コーテイングで被覆するこ
とにより、個別の核燃料粒子を炭素含有母材燃料
複合体に固結することが開示されている。さらに
他のコーテイングが特公昭47−14200号に開示さ
れており、ここでは2群のペレツトのうち1群の
ペレツトが炭化珪素の層で被覆され、他群のペレ
ツトが熱分解炭素または金属炭化物の層で被覆さ
れている。
Another solution is coating, as disclosed in US Pat. No. 3,108,936, in which the nuclear fuel material is coated with ceramic to prevent moisture from coming into contact with the nuclear fuel material. In the fuel element described in U.S. Pat. No. 3,085,059, a metal casing contains one or more pellets of fissionable ceramic material, a layer of vitreous material is bonded to the ceramic pellet, and the vitreous layer is bonded to the casing. and the nuclear fuel to maintain uniform and good heat conduction from the pellets to the casing. US Patent No. 2873238
No. 3, a jacketed fissionable uranium slug is placed in a metal case, where the protective jacket or cover for the slug is a zirconium-aluminum bonding layer. The jacketed fissionable body disclosed in U.S. Pat. No. 2,849,387 consists of a plurality of open-ended jacketed body sections of nuclear fuel that have been previously immersed in a molten bath of a bonding material and that are combined with a uranium body section. Forms an efficient thermally conductive bond with the container (or cladding). Coatings are disclosed as metal alloys with good thermal conductivity properties, examples of which include aluminum-silicon and zinc-aluminum alloys. Special Publication No. 47-46559 (1972
Published on November 24, 2017) discloses the consolidation of individual nuclear fuel particles into a carbon-containing matrix fuel composite by coating the individual nuclear fuel particles with a dense, smooth carbon-containing coating. There is. Yet another coating is disclosed in Japanese Patent Publication No. 47-14200, in which one of the two groups of pellets is coated with a layer of silicon carbide and the other group of pellets is coated with a layer of pyrolytic carbon or metal carbide. covered with a layer.

核燃料物質を被覆すると、欠陥のない均一なコ
ーテイングを得るのが難しいという意味で信頼性
の問題が生じる。さらに、コーテイングの劣化
も、核燃料物質の長寿命性能と関連して問題とな
る。
Coating nuclear fuel material presents reliability problems in the sense that it is difficult to obtain a uniform coating free of defects. Additionally, coating degradation is also a problem in connection with the long-life performance of nuclear fuel materials.

米国特許出願第330152号(1973年2月6日出
願)に、核燃料にニオブのような金属を添加する
ことにより核燃料クラツデイングの腐食を防止す
る方法が開示されている。添加剤は、後続の燃料
加工処理がその金属を酸化しないならば、粉末の
形態とすることができ、或はまた燃料ペレツト
中、ペレツト周囲またはペレツト間にワイヤ、シ
ートまたは他の形態として燃料要素に導入するこ
とができる。
U.S. Patent Application No. 330,152, filed February 6, 1973, discloses a method for preventing corrosion of nuclear fuel cladding by adding metals such as niobium to the nuclear fuel. The additive can be in powder form, provided that subsequent fuel processing does not oxidize the metal, or it can also be incorporated into the fuel element as a wire, sheet or other form in, around or between the fuel pellets. can be introduced into

刊行物、GEAP−4555(1964年2月刊)にジル
コニウム合金とこれに冶金結合したステンレス鋼
の内面ライニングとの複合クラツデイングが開示
されており、この複合クラツデイングは、ステン
レス鋼の内面ライニングを有するジルコニウム合
金の中空ビレツトを押出すことによつて製造され
る。このクラツデイングには、ステンレス鋼が脆
い相を発現し、ステンレス鋼層が同じ厚さのジル
コニウム合金層と較べて約10〜15倍の中性子吸収
ペナルテイを有する欠点がある。
Publication GEAP-4555 (February 1964) discloses a composite cladding of a zirconium alloy with a stainless steel inner lining metallurgically bonded thereto; It is manufactured by extruding a hollow billet of. This cladding has the drawback that the stainless steel develops a brittle phase and the stainless steel layer has a neutron absorption penalty of about 10 to 15 times that of a zirconium alloy layer of the same thickness.

米国特許第3502549号に、ジルコニウムおよび
その合金を、クロムメツキにより原子炉に有用な
複合材料を形成することによつて保護する方法が
開示されている。ジルカロイ−2の表面に銅をメ
ツキし、次いでメツキ金属を表面拡散させる目的
で熱処理を行う方法がEnergia Nucleare、
Vol.11、No.9(1964年9月)、505〜508頁に記載さ
れている。Brossaらの論文「ジルコニウム合金
に被着した水素障壁の安定性と適合性
(Stability and Compatibility of Hydrogen
Barriers Applied to Zirconium Alloys)」
(Europen Atomic Energy Community、Joint
Nuclear Research Center、EUR4098e、1969)
に、種々のコーテイングを堆積する方法とその水
素拡散障壁としての効能が記載されており、Al
−Siコーテイングが水素拡散に対するもつとも有
望な障壁とされている。ジルコニウムおよびジル
コニウム−錫合金にニツケルをメツキし、これら
の合金を熱処理して合金−拡散結合を生成する方
法が、W.C.Schnickerらの論文「ジルコニウムお
よびジルコニウム−錫へのメツキ
(Electroplating on Zirconium and Zirconium
−Tin)」(BMI−757、Technical Information
Service、1952)に記載されている。米国特許第
3625821号に開示された二重クラツデイング管を
有する原子炉用燃料要素にあつては、クラツデイ
ング管の内面が中性子捕獲断面積の小さい金属、
例えばニツケルで被覆され、可燃性毒物の分散粒
子を埋設されている。Reactor Development
Program Process Report(1973年8月、ANL−
RDP−19)に、ステンレス鋼クラツデイングの
内面にクロムの犠牲層を設けた化学的ゲツタ構造
が開示されている。
No. 3,502,549 discloses a method of protecting zirconium and its alloys by chroming them to form composite materials useful in nuclear reactors. Energia Nucleare is a method in which the surface of Zircaloy-2 is plated with copper and then heat treated to diffuse the plated metal onto the surface.
Vol. 11, No. 9 (September 1964), pages 505-508. The paper “Stability and Compatibility of Hydrogen Barriers Deposited on Zirconium Alloys” by Brossa et al.
Barriers Applied to Zirconium Alloys)
(Europe Atomic Energy Community, Joint
Nuclear Research Center, EUR4098e, 1969)
describes the method of depositing various coatings and their effectiveness as hydrogen diffusion barriers,
-Si coatings have been shown to be a very promising barrier to hydrogen diffusion. A method for plating zirconium and zirconium-tin alloys with nickel and heat treating these alloys to create alloy-diffusion bonds is described in the paper by WC Schnicker et al.
−Tin)” (BMI−757, Technical Information
Service, 1952). US Patent No.
In the nuclear reactor fuel element having a double cladding tube disclosed in No. 3625821, the inner surface of the cladding tube is made of a metal having a small neutron capture cross section;
For example, it is coated with nickel and embedded with dispersed particles of burnable poison. Reactor Development
Program Process Report (August 1973, ANL-
RDP-19) discloses a chemical getter structure in which a sacrificial layer of chromium is provided on the inner surface of a stainless steel cladding.

さらに別の解決法は、核燃料物質とこれを保持
するクラツデイングとの間に障壁を介在させる方
法で、これらの方法は米国特許第3230150号(銅
箔)、西ドイツ国特許DAS1238115(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シース)、米国特許第
3018238号(UO2とジルコニウムクラツデイング
との間の結晶質炭素の障壁)、および米国特許第
3088893号(ステンレス鋼箔)に開示されている。
障壁を設ける思想が有望であることはわかつた
が、これらの先行例のあるものは核燃料と不適合
な物質(例えば、炭素は核燃料からの酸素と結合
する)、あるものはクラツデイングと不適合な物
質(例えば、銅や他の金属はクラツデイングと反
応し、その性質を変える)、またあるものは核分
裂反応と不適合な物質(例えば中性子吸収材とし
て作用する)を用いている。上掲の特許公報のい
ずれにも、最近発見された核燃料とクラツデイン
グとの間の局部的化学的−機械的相互作用の問題
の解決策が掲示されていない。
Yet another solution is to interpose a barrier between the nuclear fuel material and the holding material; these methods are described in US Pat.
U.S. Pat. No. 3,212,988 (zirconium, aluminum or beryllium sheath), U.S. Pat.
3018238 (crystalline carbon barrier between UO 2 and zirconium cladding), and U.S. Pat.
No. 3088893 (stainless steel foil).
Although the idea of creating a barrier has shown promise, some of these precedents involve materials that are incompatible with nuclear fuel (e.g., carbon combines with oxygen from nuclear fuel), and some with materials that are incompatible with crazing (e.g., carbon combines with oxygen from nuclear fuel). For example, some use materials that are incompatible with fission reactions (e.g., act as neutron absorbers). None of the above-mentioned patent publications discloses a solution to the recently discovered problem of local chemical-mechanical interaction between nuclear fuel and crazing.

障壁思想についてのさらに他のアプローチが米
国特許第3969186号および第3925151号に開示され
ており、前者では耐火金属、例えばモリブデン、
タングステン、レニウム、ニオブおよびその合金
を単層または多重層の管または箔の形態にてまた
はコーテイングとしてクラツデイングの内面に設
け、後者ではジルコニウム、ニオブまたはその合
金のライナを核燃料とクラツデイングとの間に設
け、高潤滑性物質のコーテイングをライナとクラ
ツデイングとの間に設けている。
Still other approaches to barrier thinking are disclosed in U.S. Pat.
Tungsten, rhenium, niobium and their alloys in the form of single or multi-layered tubes or foils or as coatings are provided on the inner surface of the cladding, in the latter case a liner of zirconium, niobium or their alloys is provided between the nuclear fuel and the cladding. , a coating of highly lubricious material is provided between the liner and the cladding.

米国特許第4045288号に、ジルコニウム合金基
体と、基体に冶金結合した金属障壁と、金属障壁
に冶金結合したジルコニウム合金の内層とよりな
る複合クラツデイングが開示されている。この障
壁にはニオブ、アルミニウム、鋼、ニツケル、ス
テンレス鋼および鉄の中から選択される。ニオブ
障壁を例外として、他の物質はすべてジルコニウ
ム合金基体と低融点共晶層を形成し、予想される
冷却材喪失事故に際し望ましくない。
No. 4,045,288 discloses a composite cladding consisting of a zirconium alloy substrate, a metal barrier metallurgically bonded to the substrate, and an inner layer of zirconium alloy metallurgically bonded to the metal barrier. This barrier is selected from niobium, aluminum, steel, nickel, stainless steel and iron. With the exception of the niobium barrier, all other materials form low melting point eutectic layers with the zirconium alloy substrate, which is undesirable in the event of a potential loss of coolant accident.

米国特許第4200492号に、ジルコニウム合金基
体と非合金化ジルコニウムライナとよりなる複合
クラツデイングが開示されている。軟らかいジル
コニウムライナは局部歪を最小にし、応力腐食割
れおよび液体金属脆化を抑制するが、製造時にホ
ーニングなどに基づく損傷や減損を受けたり、ま
たクラツデイングが破けた場合には腐食を受け
る。
No. 4,200,492 discloses a composite cladding consisting of a zirconium alloy substrate and an unalloyed zirconium liner. The soft zirconium liner minimizes local strain and inhibits stress corrosion cracking and liquid metal embrittlement, but is susceptible to corrosion during manufacturing if it is damaged or degraded due to honing, or if the crazing ruptures.

従つて、上述した問題を最小に抑制した核燃料
要素を開発することが依然として望まれている。
Accordingly, it remains desirable to develop nuclear fuel elements that minimize the problems described above.

発明の要旨 原子炉の炉心に用いるのに特に有効な核燃料要
素は、基体と、基体の内面に冶金結合した非合金
化ジルコニウム障壁と、ジルコニウム障壁の内面
に冶金結合した内層とよりなる複合クラツデイン
グを具える。このクラツデイングの基体は、その
設計および機能の点で従来の原子炉で慣用のもの
とまつたく変らず、普通のクラツデイング材料、
例えばジルコニウム合金から選択される。
SUMMARY OF THE INVENTION A nuclear fuel element particularly useful for use in the core of a nuclear reactor comprises a composite cladding comprising a substrate, an unalloyed zirconium barrier metallurgically bonded to the interior surface of the substrate, and an inner layer metallurgically bonded to the interior surface of the zirconium barrier. equip This crazing substrate is not unlike that used in conventional nuclear reactors in terms of its design and function, and is made of ordinary crazing materials.
For example, it is selected from zirconium alloys.

ジルコニウム障壁および内層は基体とクラツデ
イング内に保持される核燃料物質との間のシール
ドを形成するとともに、基体を核分裂生成物およ
びガスから遮蔽する。また内層は燃料から放出さ
れる核分裂生成物が燃料要素内に存在する他の反
応性元素からジルコニウム障壁を遮蔽する。この
遮蔽作用は、反跳核分裂生成物によるか、または
燃料要素中に存在する化学元素との反応による硬
化を防止することによつて、ジルコニウム障壁が
最大限の純度および延性を維持できるようにす
る。
The zirconium barrier and inner layer form a shield between the substrate and the nuclear fuel material held within the cladding and shield the substrate from fission products and gases. The inner layer also shields the zirconium barrier from other reactive elements present within the fuel element by fission products released from the fuel. This shielding action allows the zirconium barrier to maintain maximum purity and ductility by preventing hardening by recoil fission products or by reaction with chemical elements present in the fuel element. .

ジルコニウム障壁はクラツデイングの厚さの約
1〜30%を占める。クラツデイングの厚さの約1
未満のジルコニウム障壁は工業生産を行うのが難
しく、またジルコニウム障壁をクラツデイングの
厚さの約30%より厚くしても、その厚さの増分に
見合つた追加利益が得られない。さらに、障壁ク
ラツデイングの厚さの約30%より厚くすると、そ
れに応じて基体の厚さが薄くなり、複合クラツデ
イングが弱くなる。
The zirconium barrier accounts for approximately 1-30% of the thickness of the cladding. Approximately 1 of the thickness of the Kratzding
Zirconium barriers less than 30% of the thickness of the cladding are difficult to produce industrially, and making the zirconium barrier thicker than about 30% of the thickness of the cladding does not provide additional benefits commensurate with the increased thickness. Additionally, increasing the barrier cladding thickness by more than about 30% reduces the substrate thickness correspondingly and weakens the composite cladding.

内層はクラツデイング全厚の1〜10%をなすよ
うに形成するのがよい。この厚さ範囲に特定した
のは、管成形用同時押出および同時減径技術によ
つて製造可能な最小厚さの内層を得るためであ
る。障壁の純度と内層の遮蔽効果とに基づいて、
障壁は照射中軟らかいまゝで、核燃料要素の内部
の局部歪を最小にし、従つて基体を応力腐食割れ
や液体金属脆化から保護する。内層およびジルコ
ニウム障壁は、核燃料要素の内部に存在する揮発
性不純物または核分裂生成物と反応する優先反応
位置を与え、このようにして、障壁およびクラツ
デイングを揮発性不純物または核分裂生成物の攻
撃から保護する作用をなす。
The inner layer is preferably formed to have a thickness of 1 to 10% of the total thickness of the cladding. This thickness range was specified in order to obtain the smallest inner layer thickness that could be produced by co-extrusion and co-diameter reduction techniques for tube forming. Based on the purity of the barrier and the shielding effect of the inner layer,
The barrier remains soft during irradiation, minimizing local strain within the nuclear fuel element and thus protecting the substrate from stress corrosion cracking and liquid metal embrittlement. The inner layer and the zirconium barrier provide preferential reaction sites to react with volatile impurities or fission products present inside the nuclear fuel element, thus protecting the barrier and the zirconium barrier from attack by volatile impurities or fission products. act.

そのほかに、内層はクラツデイング製造中に軟
らかい障壁の減損や損傷を防止するのに有効で、
従つて加工性を改善する。さらに、内層は燃料要
素破損の場合に障壁を水性腐食から保護する。
In addition, the inner layer is effective in preventing the soft barrier from deteriorating or being damaged during crazing manufacturing.
Therefore, processability is improved. Furthermore, the inner layer protects the barrier from aqueous corrosion in case of fuel element failure.

本発明は、クラツデイングの基体および障壁が
内層によつて核分裂生成物、腐蝕性ガスなどとの
接触から保護されるだけでなく、応力腐食割れお
よび液体金属脆化から保護され、しかもその内層
自体は何ら著しい中性子捕獲ペナルテイ、熱伝達
ペナルテイおよび材料不適合問題を伴なわない。
The present invention provides that the crazing substrate and barrier are not only protected from contact with fission products, corrosive gases, etc. by the inner layer, but are also protected from stress corrosion cracking and liquid metal embrittlement, and that the inner layer itself There are no significant neutron capture penalties, heat transfer penalties, or material incompatibility problems.

発明の目的 本発明の目的は、クラツデイングの割れや、ク
ラツデイングの腐食や他の燃料破損問題を生じる
ことなく、長期間にわたつて原子炉で使用できる
核燃料要素を提供することにある。
OBJECTS OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a nuclear fuel element that can be used in nuclear reactors for extended periods of time without cladding cracking, cladding corrosion or other fuel failure problems.

本発明の他の目的は、基体と、基体の内面に冶
金結合したジルコニウム障壁と、ジルコニウム障
壁の内面に冶金結合した内層とよりなる複合クラ
ツデイングを具え、これらの冶金結合により基体
とジルコニウム障壁間にまたジルコニウム障壁と
内層間に永続連結部を形成した核燃料要素を提供
することにある。
Another object of the invention is to provide a composite cladding comprising a substrate, a zirconium barrier metallurgically bonded to the inner surface of the substrate, and an inner layer metallurgically bonded to the inner surface of the zirconium barrier, the metallurgical bond providing a barrier between the substrate and the zirconium barrier. It is also an object to provide a nuclear fuel element having a permanent connection between the zirconium barrier and the inner layer.

本発明の上記目的および他の目的は、添付図面
を参照した以下の説明を読むことにより当業者に
は容易に理解できるであろう。
The above and other objects of the present invention will be easily understood by those skilled in the art after reading the following description with reference to the accompanying drawings.

発明の詳述 第1図に燃料集合体10を一部破断した側面図
として示す。この燃料集合体10はほゞ正方形断
面の管状流れチヤンネル11を具え、このチヤン
ネルの上端に吊り上げベイル12が、また下端に
ノーズピース(燃料集合体10の下部が省略され
ているので図示されていない)が設けられてい
る。チヤンネル11の上端13は開口しており、
ノーズピースの下端には冷却材流れ開口があけら
れている。燃料要素または燃料棒14の配列体が
チヤンネル11内に収容され、そこに上部プレー
ト15および下部プレート(下部が省略されてい
るので図示されていない)によつて支持されてい
る。通常液体冷却材がノーズピースの下端の開口
を経て進入し、燃料要素14のまわりを上向きに
流れ、上部出口13を経て高温で、沸とう形原子
炉の場合には部分的に蒸発した状態で、また圧力
形原子炉の場合には蒸発していない状態で出てゆ
く。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 1 shows a fuel assembly 10 as a partially cutaway side view. The fuel assembly 10 comprises a tubular flow channel 11 of approximately square cross-section, with a lifting bail 12 at the upper end of the channel and a nosepiece (not shown since the lower part of the fuel assembly 10 has been omitted) at the lower end. ) is provided. The upper end 13 of the channel 11 is open,
Coolant flow openings are drilled in the lower end of the nosepiece. An array of fuel elements or fuel rods 14 is housed within the channel 11 and supported therein by an upper plate 15 and a lower plate (not shown as the lower part has been omitted). Typically, liquid coolant enters through an opening in the lower end of the nosepiece, flows upwardly around the fuel element 14, and exits through the upper outlet 13 at a high temperature and, in the case of a boiling reactor, in a partially vaporized state. , and in the case of pressure reactors, it leaves the reactor unevaporated.

核燃料要素または棒14はその両端でクラツデ
イング17に溶接された端栓(エンドプラグ)1
8によつて密閉され、端栓18には短軸(スタツ
ド)19を設けて燃料棒の集合体への組立を容易
にする。燃料要素14の一端に空間、即ちプレナ
ム20を設けて、燃料物質の長さ方向膨脹を許
し、燃料物質から放出されるガスを貯められるよ
うにする。空間20内に螺旋部材の形態の該燃料
物質保持手段24を配置して、特に燃料要素の取
扱いおよび輸送中に、ペレツト柱を軸線方向移動
に対して拘束する。
Nuclear fuel elements or rods 14 have end plugs 1 welded to cladding 17 at both ends thereof.
8 and the end plug 18 is provided with a stud 19 to facilitate assembly of the fuel rods into an assembly. A space or plenum 20 is provided at one end of the fuel element 14 to permit longitudinal expansion of the fuel material and to store gases released from the fuel material. The fuel material retention means 24 in the form of a helical member are arranged within the space 20 to restrain the pellet column against axial movement, particularly during handling and transportation of the fuel elements.

燃料要素は、クラツデイングと燃料物質との熱
的接触が良好で、寄生中性子吸収が最小で冷却材
の高速流れにより時折生じる反りや振動に耐える
ように設計される。
The fuel element is designed to have good thermal contact between the cladding and the fuel material, minimal parasitic neutron absorption, and to withstand warping and vibrations occasionally caused by the high velocity flow of coolant.

本発明に従つて構成した核燃料要素または棒1
4を第1図の断面に示してある。燃料要素は、燃
料物質16のコアまたは中心円柱部分、本図では
核分裂可能物質および/または親物質の多数の燃
料ペレツトとして図示した円柱部分を構造用クラ
ツデイングまたは容器17内に配置してなる。場
合によつては、燃料ペレツトを円柱または球形ペ
レツトなど種々の形状とすることができ、また別
の場合には粒子状燃料のような異なる燃料形態を
用いることもできる。燃料の物理的形態は本発明
にとつて重要でない。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これらの混合物
を含めて種々の核燃料物質を使用できる。好適な
燃料は二酸化ウランまたは二酸化ウランと二酸化
プルトニウムよりなる混合物である。
Nuclear fuel element or rod constructed according to the invention 1
4 is shown in cross section in FIG. The fuel element comprises a core or central cylindrical portion of fuel material 16, shown here as a plurality of fuel pellets of fissile material and/or parent material, disposed within a structural cladding or vessel 17. In some cases, the fuel pellets can be of various shapes, such as cylindrical or spherical pellets, and in other cases, different fuel forms can be used, such as particulate fuel. The physical form of the fuel is not important to the invention. A variety of nuclear fuel materials can be used including uranium compounds, plutonium compounds, thorium compounds and mixtures thereof. The preferred fuel is uranium dioxide or a mixture of uranium dioxide and plutonium dioxide.

第2図は参照すると、燃料要素14の中心コア
を形成している核燃料物質16はクラツデイング
17で囲まれている。クラツデイング17は本発
明においては複合クラツデイングとも称される。
複合クラツデイング容器は核分裂性コアを、原子
炉での性用中にコアとクラツデイング容器との間
に隙間26を残すように囲む。複合クラツデイン
グは通常の燃料クラツデイング材料用に選択され
る外部基体21を有し、本発明の好適実施例では
基体はジルコニウム合金、例えばジルカロイ
(Zircaloy)−2またはジルカロイ−4である。
Referring to FIG. 2, the nuclear fuel material 16 forming the central core of the fuel element 14 is surrounded by a cladding 17. Cladding 17 is also referred to as composite cladding in the present invention.
A composite cladding vessel surrounds the fissile core to leave a gap 26 between the core and the cladding vessel during operation in a nuclear reactor. The composite cladding has an outer substrate 21 selected for conventional fuel cladding materials, and in the preferred embodiment of the invention the substrate is a zirconium alloy, such as Zircaloy-2 or Zircaloy-4.

基体21の内周面に非合金化ジルコニウム障壁
22が冶金結合され、従つてジルコニウム障壁2
2は複合クラツデイング内部の核燃料物質16か
ら基体21を遮蔽するシールドを形成する。ジル
コニウム障壁22は複合クラツデイングの厚さの
約1〜30%をなすのが好ましい。
A non-alloyed zirconium barrier 22 is metallurgically bonded to the inner circumferential surface of the substrate 21, so that the zirconium barrier 2
2 forms a shield that shields the base body 21 from the nuclear fuel material 16 inside the composite cladding. Preferably, the zirconium barrier 22 comprises about 1-30% of the thickness of the composite cladding.

ジルコニウム障壁22の内周面に内層23が冶
金結合され、従つて内層23は複合クラツデイン
グの核燃料物質16にもつとも近い部分を構成す
る。内層23はクラツデイングの厚さの約1〜10
%をなすのが好ましく、通常のクラツデイング材
料で形成され、本発明の好適実施例では、内層は
ジルコニウム合金、例えばジルカロイ−2または
ジルカロイ−4である。ジルコニウム障壁は内層
23の割れや欠陥を通り抜けた気体状不純物およ
び核分裂生成物と反応する反応位置として作用
し、クラツデイングの基体部分をかゝる不純物や
核分裂生成物との接触や反応から保護し、またペ
レツト−クラツデイング相互作用(PCI)による
局部応力およびクラツデグ破損の発生を最小限に
抑制する。
An inner layer 23 is metallurgically bonded to the inner peripheral surface of the zirconium barrier 22, so that the inner layer 23 constitutes the closest portion of the composite cladding to the nuclear fuel material 16. The inner layer 23 is approximately 1 to 10 times thicker than the Kratzding.
% and is preferably made of a conventional cladding material; in a preferred embodiment of the invention, the inner layer is a zirconium alloy, such as Zircaloy-2 or Zircaloy-4. The zirconium barrier acts as a reaction site to react with gaseous impurities and fission products that have passed through cracks and defects in the inner layer 23, and protects the base portion of the cladding from contact with and reactions with such impurities and fission products. It also minimizes the occurrence of local stress and cracking damage due to pellet-cludding interaction (PCI).

本発明の実施例においては、ジルコニウム障壁
層が厚さ約3ミル、ジルカロイ−2の内層が厚さ
約1ミルである。内層および障壁層のいずれも連
続層でなければならない。即ち、穴や継目のない
層でなければならない。
In an embodiment of the invention, the zirconium barrier layer is about 3 mils thick and the Zircaloy-2 inner layer is about 1 mil thick. Both the inner layer and the barrier layer must be continuous layers. That is, the layer must be free of holes and seams.

本発明の核燃料要素の複合クラツデイングは、
基体に冶金結合した非合金化ジルコニウム障壁お
よびジルコニウム障壁に冶金結合した内層を有す
る。金属組織学的検査により、基体とジルコニウ
ム障壁間およびジルコニウム障壁と内層間に生じ
ている交差拡散が冶金結合を形成するのに十分で
あるが、ジルコニウム障壁自体の純度を著しく減
じる程ではないことを確かめた。また第2図から
わかるように、ジルコニウム障壁は「埋設」ジル
コニウム障壁と呼ぶことができる。なぜなら、ジ
ルコニウム障壁は基体と内層との間にはさまれて
いるからである。
The composite cladding of nuclear fuel elements of the present invention comprises:
It has an unalloyed zirconium barrier metallurgically bonded to the substrate and an inner layer metallurgically bonded to the zirconium barrier. Metallographic examination shows that the cross-diffusion occurring between the substrate and the zirconium barrier and between the zirconium barrier and the inner layer is sufficient to form a metallurgical bond, but not so much as to significantly reduce the purity of the zirconium barrier itself. I confirmed it. As can also be seen in FIG. 2, the zirconium barrier can be referred to as a "buried" zirconium barrier. This is because the zirconium barrier is sandwiched between the substrate and the inner layer.

複合クラツデイングにおいて障壁を形成する非
合金化ジルコニウムは放射線硬化抵抗性が高く、
この特性によりジルコニウム障壁は長期間の照射
後も望ましい構造的特性、例えば降伏強さおよび
硬さを通常のジルコニウム合金より著しく低いレ
ベルに維持することができる。実際、ジルコニウ
ム障壁は照射時に通常のジルコニウム合金程著し
くは硬化せず、このことが初期の低い降伏強さと
相まつて、ジルコニウム障壁は出力過渡変動時に
塑性変形し燃料要素内のペレツト誘引応力を吸収
することができる。燃料要素内のペレツト誘引応
力は、例えば原子炉運転温度(300〜350℃)を核
燃料ペレツトが熱膨脹および/または膨潤し、か
くしてペレツトがクラツデイングと接触すること
によつて生じる。
Unalloyed zirconium, which forms the barrier in composite cladding, is highly resistant to radiation hardening;
This property allows zirconium barriers to maintain desirable structural properties, such as yield strength and hardness, at levels significantly lower than conventional zirconium alloys even after long-term irradiation. In fact, the zirconium barrier does not harden as significantly as normal zirconium alloys during irradiation, and this, combined with its initially low yield strength, causes the zirconium barrier to plastically deform during power transients and absorb pellet-induced stresses within the fuel element. be able to. Pellet-induced stresses within the fuel element are caused, for example, by thermal expansion and/or swelling of the nuclear fuel pellets through reactor operating temperatures (300-350 DEG C.) and thus contact of the pellets with the cladding.

さらに、クラツデイングの厚さの好ましくは約
5〜15%程度のジルコニウム障壁、特に好ましく
はクラツデイングの10%の厚さの、ジルコニウム
合金の外部基体に結合したジルコニウム障壁によ
り、複合クラツデイングの破損を防止するのに十
分な障壁効果と応力軽減とが達成される。
Furthermore, failure of the composite cladding is prevented by a zirconium barrier bonded to the zirconium alloy external substrate, preferably on the order of about 5-15% of the thickness of the cladding, particularly preferably 10% of the thickness of the cladding. A sufficient barrier effect and stress relief is achieved.

本発明の原理による好適例では「低酸素海綿」
級ジルコニウムを埋設障壁層として用いるが、も
つと高い純度の「結晶棒ジルコニウム」級および
もつと低い純度の「原子炉級海綿」ジルコニウム
も使用できる。海綿ジルコニウムの残留不純物は
ジルコニウム障壁に特別な特性を付与する役目を
果す。一般に、海綿ジルコニウムには約1000ppm
以上約5000ppm未満の不純物が、好ましくは
4200ppm未満の不純物が含まれる。酸素を約200
〜1200ppmの範囲内に維持するのが好ましい。他
の代表的な不純物レベルを以下に示す。アルミニ
ウム75ppm以下、ホウ素0.4ppm以下、カドミウ
ム0.4ppm以下、炭素270ppm以下、クロム
200ppm以下、コバルト20ppm以下、銅50ppm以
下、ハフニウム100ppm以下、水素25ppm以下、
鉄1500ppm以下、マグネシウム20ppm以下、マン
ガン50ppm以下、モリブデン50ppm以下、ニツケ
ル70ppm以下、ニオブ100ppm以下、窒素80ppm
以下、珪素120ppm以下、錫50ppm以下、タング
ステン100ppm以下、チタン50ppm以下、および
ウラン3.5ppm以下。
A preferred example of the principle of the present invention is "hypoxic sponge"
grade zirconium is used as the buried barrier layer, although higher purity "crystal rod zirconium" grade and lower purity "reactor grade sponge" zirconium can also be used. Residual impurities in the sponge zirconium serve to impart special properties to the zirconium barrier. Generally, about 1000ppm for sponge zirconium
More than about 5000 ppm of impurities, preferably
Contains less than 4200ppm of impurities. Oxygen about 200
Preferably it is maintained within the range of ~1200 ppm. Other typical impurity levels are shown below. Aluminum 75ppm or less, Boron 0.4ppm or less, Cadmium 0.4ppm or less, Carbon 270ppm or less, Chromium
200ppm or less, cobalt 20ppm or less, copper 50ppm or less, hafnium 100ppm or less, hydrogen 25ppm or less,
Iron 1500ppm or less, magnesium 20ppm or less, manganese 50ppm or less, molybdenum 50ppm or less, nickel 70ppm or less, niobium 100ppm or less, nitrogen 80ppm
Below, 120ppm or less of silicon, 50ppm or less of tin, 100ppm or less of tungsten, 50ppm or less of titanium, and 3.5ppm or less of uranium.

海綿ジルコニウムは代表的には、高温大気圧で
元素マグネシウムで還元することにより製造され
る。反応は不活性雰囲気、例えばヘリウムまたは
アルゴン中で行う。
Sponge zirconium is typically produced by reduction with elemental magnesium at elevated temperatures and atmospheric pressure. The reaction is carried out in an inert atmosphere, for example helium or argon.

他の好適実施例では、結晶棒ジルコニウムで形
成した埋設障壁層を用いる。結晶棒ジルコニウム
は四ヨウ化ジルコニウムの気相分解によつて生成
する。結晶棒ジルコニウムは一層高価であるが、
不純物が少なく、放射線損傷抵抗性が海綿ジルコ
ニウムより大きい。
Another preferred embodiment uses a buried barrier layer formed of crystal rod zirconium. Zirconium crystal rods are produced by gas phase decomposition of zirconium tetraiodide. Crystal rod zirconium is more expensive, but
It has fewer impurities and has greater radiation damage resistance than sponge zirconium.

ジルコニウムの埋設層を使用することにより望
ましい製造上の利点も得られる。管成形から仕上
げまでの工程は管の内側から材料を僅かに取除く
傾向がある。相対的に高価な非合金化ジルコニウ
ムを管壁に埋設することにより、製造時に失なわ
れるのはそれより安いジルコニウム合金となり、
その結果非合金化ジルコニウムを完全に(100%)
利用できる。さらに、管の内側にできる製造欠陥
は相対的に重要度の低い内層に生じ、代表的には
数ミル厚さしかないジルコニウム障壁の連続性が
保証される。さらに、合金化ジルコニウム内層は
非合金化ジルコニウムの内層付き容器より良好で
ある。その理由は、ジルコニウム合金は、それよ
り軟らかい非合金化ジルコニウムより機械加工、
ホーニングなどが容易であるからである。
The use of a buried layer of zirconium also provides desirable manufacturing advantages. The process from tube forming to finishing tends to remove a small amount of material from the inside of the tube. By embedding the relatively expensive unalloyed zirconium in the tube wall, what is lost during manufacturing is the cheaper zirconium alloy.
The result is completely (100%) unalloyed zirconium
Available. Furthermore, manufacturing defects on the inside of the tube occur in relatively unimportant inner layers, ensuring continuity of the zirconium barrier, which is typically only a few mils thick. Additionally, alloyed zirconium inner layers are better than containers with unalloyed zirconium inner layers. The reason is that zirconium alloys are easier to machine than the softer unalloyed zirconium.
This is because honing and the like are easy.

しかし、クラツデイング容器の内面に埋設層を
設けたい場合には、管を最終寸法まで仕上げた
後、エツチングによりジルコニウム合金の内層を
除去することができる。
However, if it is desired to provide a buried layer on the inner surface of the cladding vessel, the inner layer of zirconium alloy can be removed by etching after the tube has been finished to its final dimensions.

適当な合金基体として役立つジルコニウム合金
にはジルカロイ−2およびジルカロイ−4があ
る。ジルカロイ−2は重量基準で約1.5%の錫、
0.12%の鉄、0.09%のクロムおよび0.005%のニツ
ケルを含有し、水冷原子炉で広範に用いられてい
る。ジルカロイ−4はジルカロイ−2より少量の
ニツケルを含有するが、ジルカロイ−2より僅か
に多量の鉄を含有する。本発明の核燃料要素に使
用する複合クラツデイングは、次の方法で製造す
ることができる。
Zirconium alloys that serve as suitable alloy substrates include Zircaloy-2 and Zircaloy-4. Zircaloy-2 is approximately 1.5% tin by weight,
It contains 0.12% iron, 0.09% chromium and 0.005% nickel and is widely used in water-cooled nuclear reactors. Zircaloy-4 contains less nickel than Zircaloy-2, but slightly more iron than Zircaloy-2. The composite cladding used in the nuclear fuel element of the present invention can be manufactured by the following method.

第1の方法では、非合金化ジルコニウム障壁材
料の管を基体として選択した材料の中空ビレツト
に挿入し、内層として選択した材料の管をジルコ
ニウム障壁管に挿入し、次いでこの組立体に爆発
加工を施こして管をビレツトに結合する。複合管
を通常の管シエル押出によつて約538〜760℃(約
1000〜1400〓)の高温で押出す。次に押出した複
合管に、通常の管成形を含む加工を施こし、所望
の寸法のクラツデイングを得る。中空ビレツト、
ジルコニウム障壁管および内層管の相対的壁厚
は、完成クラツデイング管に望ましい壁厚比を実
現するように選択する。
In the first method, a tube of unalloyed zirconium barrier material is inserted into a hollow billet of the material selected as the substrate, a tube of the material selected as the inner layer is inserted into the zirconium barrier tube, and the assembly is then subjected to explosive processing. Connect the tube to the billet. The composite tube is heated to approximately 538 to 760℃ (approx.
Extrude at a high temperature of 1000~1400〓). The extruded composite tube is then processed, including conventional tube forming, to obtain cladding of the desired dimensions. hollow billet,
The relative wall thicknesses of the zirconium barrier tube and inner layer tube are selected to achieve the desired wall thickness ratio for the finished cladding tube.

第2の方法では、非合金化ジルコニウム障壁材
料の管を基体として選択した材料の中空ビレツト
に挿入し、内層として選択した材料の管をジルコ
ニウム障壁管に挿入し、次いでこの組立体を圧縮
圧力下の加熱工程に供し、例えば750℃で8時
間)、良好な金属−金属接触および管およびビレ
ツト間の拡散結合を達成する。拡散結合した複合
管を通常の管シエル押出により、例えば第1の方
法に記載した通りに押出す。次に押出した複合管
に、通常の管成形を含む加工を施こし、所望の寸
法のクラツデイングを得る。
In the second method, a tube of unalloyed zirconium barrier material is inserted into a hollow billet of the material selected as the substrate, a tube of the material selected as the inner layer is inserted into the zirconium barrier tube, and the assembly is then placed under compressive pressure. (e.g. 750° C. for 8 hours) to achieve good metal-to-metal contact and diffusion bonding between the tube and billet. The diffusion bonded composite tube is extruded by conventional tube shell extrusion, eg, as described in the first method. The extruded composite tube is then processed, including conventional tube forming, to obtain cladding of the desired dimensions.

さらに他の方法では、非合金化ジルコニウム障
壁材料の管を基体として選択した材料の中空ビレ
ツトに挿入し、内層として選択した材料の管をジ
ルコニウム障壁管に挿入し、この組立体を上述し
たように通常の管シエル押出によつて押出す。次
に押出した複合管に、通常の管成形を含む加工を
施こし、所望の寸法のクラツデイングを得る。
Yet another method involves inserting a tube of unalloyed zirconium barrier material into a hollow billet of the material selected as the substrate, inserting a tube of the material selected as the inner layer into the zirconium barrier tube, and completing the assembly as described above. Extruded by conventional tube shell extrusion. The extruded composite tube is then processed, including conventional tube forming, to obtain cladding of the desired dimensions.

本発明の複合クラツデイングを製造する上記方
法はいずれも、メツキや蒸着などのクラツデイン
グ製造に用いられる他の方法より経済的である。
本発明の核燃料要素を製造する方法においては、
基体と、基体の内面に冶金結合した非合金化ジル
コニウム障壁と、ジルコニウム障壁の内面に冶金
結合した内層とよりなる一端の開口した複合クラ
ツデイング容器を形成し、この複合クラツデイン
グ容器に核燃料物質を充填し、開口端側に空所を
残し、該空所に核燃料物質保持手段を差込み、核
燃料と連通した空所に封止部材を施こし、次いで
クラツデイング容器の端部を封止部材に結合して
両者間に気密シールを形成する。
All of the above methods of making the composite cladding of the present invention are more economical than other methods used to make cladding, such as plating and vapor deposition.
In the method of manufacturing a nuclear fuel element of the present invention,
A composite cladding vessel with an open end is formed of a substrate, an unalloyed zirconium barrier metallurgically bonded to the inner surface of the substrate, and an inner layer metallurgically bonded to the inner surface of the zirconium barrier, and the composite cladding vessel is filled with nuclear fuel material. , leaving a space on the open end side, inserting the nuclear fuel material holding means into the space, applying a sealing member to the space communicating with the nuclear fuel, and then joining the end of the crudding container to the sealing member to seal both forming an airtight seal between them.

本発明は、クラツデイングの化学的相互作用を
軽減し、クラツデイングのジルコニウム合金基体
部分にかゝる局部ストレスを最小にし、クラツデ
イングのジルコニウム合金基体部分の応力腐食を
最小にし、またペレツト−クラツデイング相互作
用(PCI)の結果としてジルコニウム合金基体に
生じる割れ破損の可能性を軽減することなど、核
燃料要素の運転寿命を長くするのに役立つ多くの
利点を有する。本発明はさらに、核分裂生成物と
ジルコニウム合金基体との直接接触を防止すると
ともに、ジルコニウム合金基体への局部応力の発
生を防止する。従つて本発明は合金基体中の応力
腐食割れの発生または伝幡を防止する。
The present invention reduces the chemical interactions of the cladding, minimizes local stress on the zirconium alloy substrate portion of the cladding, minimizes stress corrosion of the zirconium alloy substrate portion of the cladding, and minimizes the pellet-cladding interaction ( It has many benefits that help extend the operational life of nuclear fuel elements, including reducing the potential for crack failure that occurs in zirconium alloy substrates as a result of PCI. The present invention further prevents direct contact between the fission products and the zirconium alloy substrate, and prevents the generation of local stress on the zirconium alloy substrate. Accordingly, the present invention prevents the occurrence or propagation of stress corrosion cracking in alloy substrates.

非合金化ジルコニウムを埋設障壁として用いる
ことに特別な利点がある。非合金化ジルコニウム
は延性が非常によく、応力腐食割れが内層に発生
した場合に、割れの伝幡がジルコニウム障壁で効
果的に止められる。非合金化ジルコニウムでの亀
裂の末端の曲率半径がジルコニウム合金より著し
く大きく、これにより伝幡に著しく高い応力レベ
ルを要するためと考えられる。非合金化ジルコニ
ウムはヨウ素応力腐食に対する感受性も低く、さ
らに亀裂伝幡を阻止する傾向にある。
There are particular advantages to using unalloyed zirconium as a buried barrier. Unalloyed zirconium is very ductile, and when stress corrosion cracking occurs in the inner layer, propagation of the crack is effectively stopped by the zirconium barrier. This is believed to be because the radius of curvature at the end of the crack in unalloyed zirconium is significantly larger than in zirconium alloy, which requires significantly higher stress levels for propagation. Unalloyed zirconium is also less susceptible to iodine stress corrosion and also tends to inhibit crack propagation.

本発明の複合クラツデイングの重要な特徴は、
上述した改良が何ら中性子ペナルテイを追加する
ことなく達成されることである。このようなクラ
ツデイングは、冷却材喪失事故または制御棒の落
下を含む反応度挿入事故の際に共晶を形成しない
ので、原子炉に直ちに適用できる。さらに複合ク
ラツデイングは、燃料要素内に別個の箔またはラ
イナを挿入した状況下で生じるような熱伝達に対
する熱障壁を形成しないという意味で熱伝達ペナ
ルテイをもたない。また本発明の複合クラツデイ
ングは、製造および運転の種々の段階で、通常の
非破壊試験法によつて検査できる。
The important features of the composite cladding of the present invention are:
The improvements described above are achieved without any additional neutron penalty. Such cladding is readily applicable to nuclear reactors because it does not form eutectics during loss of coolant accidents or reactivity insertion accidents, including control rod drops. Furthermore, composite cladding does not have a heat transfer penalty in the sense that it does not create a thermal barrier to heat transfer as would occur in the situation of inserting a separate foil or liner within the fuel element. The composite cladding of the present invention can also be tested by conventional non-destructive testing methods at various stages of manufacture and operation.

当業者にとつては明らかなように、本発明には
種々の変更、改変が可能である。本発明は特許請
求の範囲に記載された限度内でもつとも広い意味
で解釈すべきである。
As will be apparent to those skilled in the art, various changes and modifications can be made to this invention. The invention is to be interpreted in the broadest sense within the scope of the claims.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に従つて構成した核燃料要素を
含む核燃料集合体を一部破断して示す側面図で、
第2図は本発明の核燃料要素の拡大横断面図であ
る。 10……燃料集合体、11……チヤンネル、1
4……燃料要素、16……核燃料物質、17……
クラツデイング、21……基体、22……ジルコ
ニウム障壁、23……内層。
FIG. 1 is a partially cutaway side view of a nuclear fuel assembly including nuclear fuel elements constructed according to the present invention;
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a nuclear fuel element of the present invention. 10... Fuel assembly, 11... Channel, 1
4... Fuel element, 16... Nuclear fuel material, 17...
Cladding, 21...Substrate, 22...Zirconium barrier, 23...Inner layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 (a)ウラン、プルトニウム及びトリウムの化合
物並びにこれらの混合物よりなる群から選択され
る核燃料体材料の中心コア16、および(b)前記コ
アを囲む細長い複合容器17を具える核燃料要素
14において、 前記複合容器が、外側にジルコニウム合金基体
21と、かかる基体の内面に対して非合金のジル
コニウムを冶金結合してなり前記複合容器の器壁
の厚さの約1〜30%を占めるジルコニウムの連続
障壁22と、かかるジルコニウム障壁の内面に対
して冶金結合して前記複合容器の器壁の厚さの約
1〜10%を占めるジルコニウム合金の連続内層2
3とよりなることを特徴とする核燃料要素。 2 前記ジルコニウム連続障壁22が前記複合容
器17の器壁の厚さの約5〜15%を占める特許請
求の範囲第1項記載の核燃料要素。 3 前記ジルコニウム連続障壁が海綿ジルコニウ
ムからなる特許請求の範囲第1項記載の核燃料要
素。 4 前記ジルコニウム連続障壁が結晶棒ジルコニ
ウムからなる特許請求の範囲第1項記載の核燃料
要素。 5 原子炉内にて使用中、前記コアと前記複合容
器との間に〓間25を残すように、前記複合容器
は前記コアを囲んでいる特許請求の範囲第1項記
載の核燃料要素。 6 前記核燃料がウラン化合物、プルトニウム化
合物およびこれらの混合物よりなる群から選択さ
れる特許請求の範囲第1項記載の核燃料要素。 7 前記核燃料が二酸化ウランよりなる特許請求
の範囲第1項記載の核燃料要素。 8 前記核燃料が二酸化ウランと二酸化プルトニ
ウムの混合物である特許請求の範囲第1項記載の
核燃料要素。 9 ジルコニウム合金製の外側部分が基体をな
し、かかる基体の内面に対して非合金のジルコニ
ウムを冶金結合してなるジルコニウムの連続障壁
がクラツデイング容器の厚さの約1〜30%を占
め、かかる連続障壁の内面にジルコニウム合金を
冶金結合してなる連続内層がクラツデイング容器
の厚さの約1〜10%を占める原子炉用複合クラツ
デイング容器。 10 前記連続障壁がクラツデイング容器の厚さ
の約5〜15%を占める特許請求の範囲第9項記載
の複合クラツデイング容器。 11 前記連続障壁が海綿ジルコニウムで形成さ
れた特許請求の範囲第9項記載の複合クラツデイ
ング容器。 12 前記連続障壁が結晶棒ジルコニウムで形成
された特許請求の範囲第9項記載の複合クラツデ
イング容器。
Claims: 1 (a) a central core 16 of a nuclear fuel body material selected from the group consisting of compounds of uranium, plutonium, and thorium, and mixtures thereof; and (b) an elongated composite vessel 17 surrounding the core. In the nuclear fuel element 14, the composite container has a zirconium alloy substrate 21 on the outside and non-alloyed zirconium metallurgically bonded to the inner surface of the substrate, and the composite container has a thickness of about 1 to 30% of the vessel wall thickness of the composite container. % and a continuous inner layer 2 of zirconium alloy metallurgically bonded to the inner surface of said zirconium barrier and comprising about 1 to 10% of the thickness of the vessel wall of said composite container.
A nuclear fuel element characterized by consisting of 3. 2. The nuclear fuel element of claim 1, wherein the zirconium continuous barrier 22 accounts for about 5-15% of the thickness of the wall of the composite vessel 17. 3. The nuclear fuel element of claim 1, wherein said zirconium continuous barrier is comprised of sponge zirconium. 4. The nuclear fuel element of claim 1, wherein the zirconium continuous barrier is comprised of crystal bar zirconium. 5. The nuclear fuel element of claim 1, wherein during use in a nuclear reactor, the composite vessel surrounds the core such that a space 25 remains between the core and the composite vessel. 6. The nuclear fuel element of claim 1, wherein the nuclear fuel is selected from the group consisting of uranium compounds, plutonium compounds and mixtures thereof. 7. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein the nuclear fuel comprises uranium dioxide. 8. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein the nuclear fuel is a mixture of uranium dioxide and plutonium dioxide. 9. An outer part made of a zirconium alloy forms the base, and a continuous barrier of zirconium formed by metallurgically bonding unalloyed zirconium to the inner surface of such base accounts for about 1 to 30% of the thickness of the cladding vessel; A composite cladding vessel for a nuclear reactor, in which a continuous inner layer formed by metallurgically bonding a zirconium alloy to the inner surface of the barrier occupies approximately 1 to 10% of the thickness of the cladding vessel. 10. The composite cladding container of claim 9, wherein the continuous barrier comprises about 5-15% of the thickness of the cladding container. 11. The composite cladding container of claim 9, wherein the continuous barrier is formed of sponge zirconium. 12. The composite cladding container of claim 9, wherein the continuous barrier is formed of crystal rod zirconium.
JP58077678A 1982-05-03 1983-05-04 Buried zirconium layer Granted JPS58216988A (en)

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DE3315820A1 (en) 1983-11-10
IT8320851A0 (en) 1983-04-29
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