JP7068058B2 - Manufacturing method of fuel cladding tube and fuel cladding tube - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、燃料被覆管および燃料被覆管の製造方法に関する。 An embodiment of the present invention relates to a fuel cladding tube and a method for manufacturing a fuel cladding tube.
加圧水型原子力発電プラント(PWR)は、原子炉で核燃料の核分裂反応から発生する熱エネルギーを、一次冷却系に設けられた蒸気発生器を介して、蒸気タービンサイクルに供給し、発電機により発電を行う。また、沸騰水型原子力発電プラント(BWR)においては、原子炉が、PWRの蒸気発生器に相当する部分を兼ね、原子炉から直接にタービンサイクルに熱が供給される。 A pressurized water reactor (PWR) supplies thermal energy generated from the nuclear split reaction of nuclear fuel in a nuclear reactor to a steam turbine cycle via a steam generator installed in the primary cooling system, and generates power with a generator. conduct. Further, in a boiling water reactor (BWR), the nuclear reactor also serves as a portion corresponding to a steam generator of the PWR, and heat is directly supplied from the nuclear reactor to the turbine cycle.
ここで、核燃料として一般に用いられているウランは、酸化ウランの焼結体(燃料ペレット)として、燃料被覆管に収納されており、燃料被覆管の周囲を冷却水が流れている。複数の燃料被覆管とその周囲を覆うチャンネルボックスは燃料集合体を構成する。燃料集合体内は、燃料被覆管の周囲に効率的に冷却水が流れる構成となっている。 Here, uranium generally used as nuclear fuel is housed in a fuel cladding tube as a sintered body (fuel pellet) of uranium oxide, and cooling water flows around the fuel cladding tube. A plurality of fuel cladding tubes and a channel box surrounding them form a fuel assembly. In the fuel assembly, the cooling water efficiently flows around the fuel cladding tube.
PWRおよびBWRにおいては、一般に、燃料被覆管には、ジルコニウム基合金が使用されている。すなわち、ジルコニウムは、優れた耐食性を有し、また、中性子吸収断面積が小さいことから、PWRでは、ジルカロイ-4と呼ばれるSn-Fe-Cr-Zr合金、また、BWRではジルカロイ-2と呼ばれるSn-Fe-Cr-Ni-Zr合金が使用されている。これらのジルコニウム基合金中のジルコニウムは、高温において、周囲の水分と次の反応式(1)に示すように、水素を発生させる反応を生じる。
Zr + 2H2O → ZrO2 + 2H2 …(1)
In PWRs and BWRs, zirconium-based alloys are generally used for fuel cladding. That is, zirconium has excellent corrosion resistance and has a small neutron absorption cross-sectional area. Therefore, in PWR, it is a Sn—Fe—Cr—Zr alloy called Zircaloy-4, and in BWR, it is called Zircaloy-2. -Fe-Cr-Ni-Zr alloy is used. Zirconium in these zirconium-based alloys undergoes a reaction at high temperatures to generate hydrogen with the surrounding moisture, as shown in the following reaction equation (1).
Zr + 2H 2 O → ZrO 2 + 2H 2 … (1)
ここで、反応式(1)で示した反応は発熱反応であり、ジルコニウム基合金は自身の発した熱により反応式(1)の酸化反応を促進し、およそ1000℃以上の高温になると劇的に水素の発生が増加する。 Here, the reaction represented by the reaction formula (1) is an exothermic reaction, and the zirconium-based alloy promotes the oxidation reaction of the reaction formula (1) by the heat generated by itself, and is dramatic at a high temperature of about 1000 ° C. or higher. The generation of hydrogen increases.
原子炉内に水分が存在する環境のもとで、ジルコニウム基合金がこのような高温にさらされると、短時間に多量の水素が発生する。この水素が格納容器から漏洩した場合には、水素が原子炉建屋内に滞留して、水素爆発を引き起こすおそれがある。 When a zirconium-based alloy is exposed to such a high temperature in an environment where water is present in a nuclear reactor, a large amount of hydrogen is generated in a short time. If this hydrogen leaks from the containment vessel, the hydrogen may stay inside the reactor building and cause a hydrogen explosion.
このような理由から、燃料被覆管の材料として、その優れた耐熱・耐酸化性と小さな中性子吸収断面積から、炭化ケイ素セラミックス材料の使用が検討されている。 For this reason, the use of silicon carbide ceramics as a material for fuel cladding is being studied because of its excellent heat resistance and oxidation resistance and its small neutron absorption cross section.
炭化ケイ素セラミックス材料の場合、脆性破壊を示す。このため、破壊に対する抵抗が必ずしも大きくない。また、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素セラミックス材料の場合、炭化ケイ素繊維が複合化されていないものに比べて、破壊エネルギーは高くなるが、強度、熱伝導率、気密性、耐環境性が低下するという問題がある。 In the case of silicon carbide ceramic materials, it exhibits brittle fracture. Therefore, the resistance to destruction is not necessarily large. Further, in the case of the silicon carbide ceramic material in which the silicon carbide fiber is compounded, the breaking energy is higher than that in the case of the material in which the silicon carbide fiber is not compounded, but the strength, thermal conductivity, airtightness, and environmental resistance are high. There is a problem that
燃料被覆管としては、水分との反応による水素の発生が抑制でき、強度および破壊エネルギーが高次元で両立され、高熱伝導性、ヘリウムガスを通さない高気密性など、通常運転時および事故時のいずれにおいても耐環境性を有する必要がある。 As a fuel cladding tube, it is possible to suppress the generation of hydrogen due to the reaction with moisture, and it has both strength and breaking energy at a high level, high thermal conductivity, high airtightness that does not allow helium gas to pass through, etc. In either case, it is necessary to have environmental resistance.
そこで、本発明の実施形態は、通常運転時および事故時において耐環境性を有する燃料被覆管を提供することを目的とする。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a fuel cladding tube having environmental resistance during normal operation and during an accident.
上述の目的を達成するため、本実施形態は、核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管であって、炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第1の複合材料層と、前記第1の複合材料層の径方向外側に前記第1の複合材料層を覆うように前記第1の複合材料層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第2の複合材料層と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present embodiment is a tubular fuel cladding tube for accommodating nuclear fuel, and is a first composite material layer in which long fibers of silicon carbide and a matrix of silicon carbide are composited. And laminated in direct contact with the first composite material layer so as to cover the first composite material layer on the radial outer side of the first composite material layer, and a matrix of carbon filaments and silicon carbide. It is characterized by having a second composite material layer in which the material is composited.
また、本実施形態は、核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管であって、炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第1の複合材料層と、前記第1の複合材料層の径方向外側に前記第1の複合材料層を覆うように前記第1の複合材料層と直接に接して積層された中間層と、前記中間層の径方向外側に前記中間層を覆うように前記中間層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第2の複合材料層と、を有し、前記中間層は、炭素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料の単体で形成されている、ことを特徴とする。
また、本実施形態は、核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管であって、炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第1の複合材料層と、前記第1の複合材料層の径方向外側に前記第1の複合材料層を覆うように前記第1の複合材料層と直接に接して積層された中間層と、前記中間層の径方向外側に前記中間層を覆うように前記中間層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第2の複合材料層と、を有し、前記中間層は、結晶形態が六方晶形であることを特徴とする。
Further, the present embodiment is a tubular fuel cladding tube for accommodating nuclear fuel, which is a first composite material layer in which long fibers of silicon carbide and a matrix of silicon carbide are composited, and the first composite material layer. An intermediate layer laminated in direct contact with the first composite material layer so as to cover the first composite material layer on the radial outer side of the composite material layer, and the intermediate layer on the radial outer side of the intermediate layer. It has a second composite material layer that is laminated in direct contact with the intermediate layer so as to cover it and is a composite of long carbon fibers and a matrix of silicon carbide, and the intermediate layer is carbon, titanium aluminum carbide. , Vanadium Aluminum Carbide, Chrome Aluminum Carbide, Niobium Aluminum Carbide, Tantal Aluminum Carbide, Titanium Silicon Carbide .
Further, the present embodiment is a tubular fuel cladding tube for accommodating nuclear fuel, which is a first composite material layer in which long fibers of silicon carbide and a matrix of silicon carbide are composited, and the first composite material layer. An intermediate layer laminated in direct contact with the first composite material layer so as to cover the first composite material layer on the radial outer side of the composite material layer, and the intermediate layer on the radial outer side of the intermediate layer. It has a second composite material layer that is laminated in direct contact with the intermediate layer so as to cover it, and is a composite of long carbon fibers and a matrix of silicon carbide, and the intermediate layer has a hexagonal crystal form. It is characterized by being.
また、本実施形態は、核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管を製造する燃料被覆管の製造方法であって、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維を複合化させることによって第1の複合材料層を形成する第1複合材料層形成ステップと、前記第1複合材料層形成ステップの後に、前記第1の複合材料層の径方向の外側に単体の材料による中間層を形成する中間層形成ステップと、前記中間層形成ステップの後に、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維を複合化させることによって前記中間層の径方向外側に第2の複合材料層を形成する第2複合材料層形成ステップと、を有し、前記第1の複合材料層の形成および前記第2の複合材料層のそれぞれの形成には、化学気相蒸着法および化学気相浸透法の少なくとも一方を用い、前記中間層は、炭素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料の単体で形成されており、前記中間層の形成は、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方で行う、ことを特徴とする。 Further, the present embodiment is a method for manufacturing a fuel cladding tube for manufacturing a tubular fuel cladding tube for accommodating nuclear fuel, and the first method is to composite long fibers of silicon carbide with a matrix of silicon carbide. After the first composite material layer forming step for forming the composite material layer and the first composite material layer forming step, an intermediate layer for forming an intermediate layer made of a single material is formed on the radial outer side of the first composite material layer. After the layer forming step and the intermediate layer forming step, a second composite material layer is formed on the radial outer side of the intermediate layer by compounding long carbon fibers with a silicon carbide matrix. It has a forming step, and at least one of a chemical vapor phase vapor deposition method and a chemical vapor phase infiltration method is used for the formation of the first composite material layer and the formation of each of the second composite material layer. The intermediate layer is formed of a single material selected from the group consisting of carbon, titanium aluminum carbide, vanadium aluminum carbide, chrome aluminum carbide, niobium aluminum carbide, tantalum aluminum carbide, and titanium silicon carbide, and the intermediate layer is formed. Is characterized by performing at least one of a chemical vapor phase vapor deposition method and a chemical vapor phase infiltration method .
本発明の実施形態によれば、通常運転時および事故時において耐環境性を有する燃料被覆管を提供することができる。 According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide a fuel cladding tube having environmental resistance during normal operation and accidents.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料被覆管、および燃料被覆管の製造方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。 Hereinafter, the fuel cladding tube according to the embodiment of the present invention and the method for manufacturing the fuel cladding tube will be described with reference to the drawings. Here, common reference numerals are given to parts that are the same as or similar to each other, and the description of superimposing them will be omitted.
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る燃料被覆管を有する燃料棒の構成を示す分解図である。燃料棒10は、本実施形態に係る燃料被覆管100と、その上下の開放部に取り付けられる上部端栓3および下部端栓4と、核燃料であるたとえば長手方向に積層された複数の円柱状の燃料ペレット1およびその振動を抑制するためのスプリング2を有する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an exploded view showing a configuration of a fuel rod having a fuel cladding tube according to the first embodiment. The
燃料被覆管100は、円筒状の管であり、上部端栓3および下部端栓4と相俟って密閉空間を形成する。この密閉空間内に、核燃料を収納する。なお、本実施形態との関係においては、燃料ペレット1および燃料被覆管100の断面形状は、円形に限定されない。たとえば正方形や三角形に近い形状であってもよい。
The
図2は、第1の実施形態に係る燃料被覆管の構成を示す横断面図である。燃料被覆管100は、円筒状に形成された第1の複合材料層110と、第1の複合材料層110の径方向外側に形成された円筒状の第2の複合材料層120とを有する。図2に示すように、第1の複合材料層110と第2の複合材料層120は、径方向に積層されて、第1の複合材料層110の外面と第2の複合材料層120の内面とは互いに接している。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel cladding tube according to the first embodiment. The
第1の複合材料層110は、複数の炭化ケイ素の第1の複合材用長繊維111(図4)と、炭化ケイ素の第1のマトリックス(母材)112(図4)とを有する。複数の第1の複合材用長繊維111はマトリックス112中に複合化している。
The first
第2の複合材料層120は、複数の炭素の第2の複合材用長繊維121(図5)と、炭化ケイ素の第2のマトリックス(母材)122(図5)とを有する。複数の第2の複合材用長繊維121は第2のマトリックス122中に複合化している。
The second
燃料被覆管100は、たとえば、外径が10mm前後である。燃料被覆管100の厚みは、腐食代を考慮した構造強度上の必要厚さと、核分裂生成物を含む核燃料から外部への熱除去の上での厚みの上限値等を考慮して決定されるが、0.7mm以上、1.2mm以下程度が好ましい。
The
第1の複合材料層110の厚みは、燃料被覆管100における機械的特性や耐環境性の面から0.2mm以上で、かつ、損傷時に長繊維による強化機構が十分に発現されるために1.0mm以下であることが好ましい。
The thickness of the first
また、第2の複合材料層120の厚みは、燃料被覆管100における機械的特性や耐環境性の面から0.2mm以上で、かつ、損傷時に長繊維による強化機構が十分に発現されるために0.6mm以下であることが好ましい。
Further, the thickness of the second
すなわち、第1の複合材料層110の厚みが0.2mm以上、1.0mm以下で、かつ、第2の複合材料層120の厚みが0.2mm以上、0.6mm以下で、かつ、第1の複合材料層110と第2の複合材料層120により形成された燃料被覆管の厚みが0.7mm以上、1.2mm以下となるように、第1の複合材料層110の厚みおよび第2の複合材料層120の厚みを選定することが好ましい。
That is, the thickness of the first
図3は、第1の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。 FIG. 3 is a flow chart showing a procedure of a method for manufacturing a fuel cladding tube according to the first embodiment.
第1の複合材料層110の径方向外側に第2の複合材料層120を形成する場合は、まず、第1の複合材料層110を形成し(ステップS101)、その後に第2の複合材料層120を形成する(ステップS201)。
When forming the second
第1の複合材料層110の形成(ステップS101)については、まず、炭化ケイ素の長繊維である第1の複合材用長繊維111(図4)の繊維束を用いて、第1の予備成形体115(図4)を形成する(ステップS111)。詳細には、まず、炭化ケイ素の長繊維を複数束ねた繊維束(ヤーン)を準備する。このとき、繊維束内の長繊維の本数は100本以上、500本以下であることが好ましい。その繊維束を用いて、たとえば炭素系材料で製作した円筒状の予備成形体形成用ガイド50(図6、7)を用いて、この周囲に円筒形状の第1の予備成形体(繊維プリフォーム)115を形成する。
Regarding the formation of the first composite material layer 110 (step S101), first, the fiber bundle of the first
図4は、第1の複合材料層の形成における第1の複合材用長繊維の配列を示す平面図である。第1の複合材用長繊維111は、第1の方向に向けて配された第1方向長繊維111aと第2の方向に向けて配された第2方向長繊維111bを有する。第1方向長繊維111aのそれぞれのグループが互いに並列に配された上に、すなわち径方向外側に第2方向長繊維111bのそれぞれのグループが互いに並列に配されている。なお、図4は、第1方向長繊維111aのそれぞれのグループ間、および第2方向長繊維111bのそれぞれのグループ間に間隔が設けられている例を示しているが、この間隔を設けなくともよい。
FIG. 4 is a plan view showing the arrangement of the long fibers for the first composite material in the formation of the first composite material layer. The first
第1の方向と第2の方向とは、互いに交差角Φをもって交差している。2つの方向に配列させることにより、燃料被覆管100の軸方向および周方向それぞれについての応力を負担させ、それぞれの方向について強度を向上させることができる。なお、第1の方向が周方向で第2の方向が軸方向、あるいは両者が同じ角度だけずれている場合は、第1の方向と第2の方向とは直交、すなわちΦが90度となる。
The first direction and the second direction intersect each other with an intersection angle Φ. By arranging them in two directions, stress can be applied in each of the axial direction and the circumferential direction of the
なお、図4では、第1方向長繊維111aのそれぞれのグループが互いに並列に配された上に、すなわち径方向外側に第2方向長繊維111bのそれぞれのグループが互いに並列に配されており、両者はいわゆる編み目状には形成されていない。ただし、燃料被覆管100は長尺であることから、第1の予備成形体115の形成過程において、複数の第1方向長繊維111aおよび複数の第2方向長繊維111bの中での互いの結合部分を形成する等のために、一部において編み目を設けることがあってもよい。
In FIG. 4, each group of the first-direction
図4は、第1方向長繊維111aと第2方向長繊維111bの組み合わせが1層の場合を示している。第1の予備成形体115は、第1方向長繊維111aと第2方向長繊維111bの組み合わせの層が、1層あるいは径方向に複数の層を積層することにより形成される。
FIG. 4 shows a case where the combination of the first-direction
図5は、第2の複合材料層の形成における第2の複合材用長繊維の配列を示す平面図である。第2の複合材用長繊維121は、第1の方向に向けて配された第1方向長繊維121aと第2の方向に向けて配された第2方向長繊維121bを有する。第1方向長繊維121aのそれぞれのグループが互いに並列に配された上に、すなわち径方向外側に第2方向長繊維121bのそれぞれのグループが互いに並列に配されている。第2の予備成形体125についても第1の予備成形体と同様である。ただし、必ずしも、第1の予備成形体と同一の成形方法をとらなくともよい。
FIG. 5 is a plan view showing the arrangement of the long fibers for the second composite material in the formation of the second composite material layer. The second composite length fiber 121 has a first-direction
図6は、第1の複合材料層の形成における第1の例による予備成形体の形成後の状態を示す斜視図である。この第1の例においては、第1の方向は、燃料被覆管100の周方向であり、第2の方向は、燃料被覆管100の軸方向である。
FIG. 6 is a perspective view showing a state after the formation of the preformed body according to the first example in the formation of the first composite material layer. In this first example, the first direction is the circumferential direction of the
周方向である第1の方向については、たとえばフィラメントワインディング法を用いて、スパイラルの傾斜角を小さくとることにより実現することができる。あるいは、完全に周方向に形成する、すなわち、傾斜角を0度とするためには、軸方向に第1の方向用すなわち周方向用の繊維束を並列に並べ、第2の方向用すなわち軸方向用の繊維束を挟み込みながら、周方向用の繊維束を巻きつける方法でもよい。この場合は、この操作により多層の構成を一回で実現するので、何周巻くことでどの程度の厚さになるかを事前に把握しておく必要がある。 The first direction, which is the circumferential direction, can be realized by, for example, using a filament winding method and reducing the inclination angle of the spiral. Alternatively, in order to form completely in the circumferential direction, that is, to set the inclination angle to 0 degrees, the fiber bundles for the first direction, that is, the circumferential direction are arranged in parallel in the axial direction, and the fiber bundles for the second direction, that is, the axis are arranged in parallel. A method of winding the fiber bundle for the circumferential direction while sandwiching the fiber bundle for the direction may also be used. In this case, since a multi-layered configuration can be realized at one time by this operation, it is necessary to know in advance how many turns will make the thickness.
なお、第1の方向は、周方向に対してプラスマイナス30度の範囲に、第2の方向は、軸方向に対してプラスマイナス30度の範囲にすることが好ましい。30度であれば、30度の余弦は約0.86であり、ほぼ所期の方向の強度を確保することができる。すなわち、この範囲で複合化できると、燃料被覆管用構造部材に求められる強度特性を十分に発現することが可能となる。 It is preferable that the first direction is in the range of plus or minus 30 degrees with respect to the circumferential direction, and the second direction is in the range of plus or minus 30 degrees with respect to the axial direction. If it is 30 degrees, the cosine of 30 degrees is about 0.86, and the strength in the desired direction can be secured. That is, if it can be compounded within this range, it becomes possible to sufficiently exhibit the strength characteristics required for the structural member for the fuel cladding tube.
第1方向長繊維111aと第2方向長繊維111bのそれぞれの長繊維の強化方向が周方向と軸方向とに同一層に配置されることにより、繊維束間のマトリックスも、厚み方向に連続して形成される。これにより、燃料被覆管の厚み方向の熱伝導率は、マトリックスの炭化ケイ素の優れた熱伝導率を活かした構造を提供できる。
By arranging the strengthening directions of the
図7は、第1の複合材料層の形成における第2の例による予備成形体の形成後の状態を示す斜視図である。この第2の例においては、第1の方向は、燃料被覆管100の周方向に対して角度を持った方向である。すなわち、予備成形体形成用ガイド50の外表面に沿ってスパイラル状に巻かれている。また、第2の方向は、燃料被覆管100の周方向に対して角度を持った方向であるが、周方向に見て第1の方向とは反対側に向かう方向である。すなわち、予備成形体形成用ガイド50の外表面に沿って、周方向に見て第1の方向とは反対側に向かってスパイラル状に巻かれている。すなわち、第1方向長繊維111aと第2方向長繊維111bとは、図4に示すように、ある交差角Φをもって交差している。
FIG. 7 is a perspective view showing a state after formation of the preformed body according to the second example in the formation of the first composite material layer. In this second example, the first direction is a direction having an angle with respect to the circumferential direction of the
なお、繊維プリフォームの製造方法としては、フィラメントワインディング法、ブレーディング法を用いることができる。 As a method for producing the fiber preform, a filament winding method and a braiding method can be used.
円柱状の予備成形体形成ガイド50の周囲に、炭化ケイ素の長繊維の繊維束を、方向をそろえて配列し所定の厚みになるまで巻いた後に固化させる。この後、予備成形体形成ガイド50は、たとえば、第1の予備成形体115の形成の後、あるいは、第1の複合材料層110の形成の後に取り外す。
Around the columnar preformed
この結果、第1の複合材用長繊維111は、第1方向長繊維111aと第2方向長繊維111bの組み合わせの層を、単一あるいは複数を積層することにより、径方向に所定の厚みを有する第1の予備成形体115が形成される。この径方向の所定の厚みは、第1の複合材料層110の最終の厚みと、第1の予備成形体115の径方向内外へのマトリックス材の付着の厚み等を考慮して設定する。
As a result, the
次に、ステップS111で形成した第1の予備成形体115に第1のマトリックス112を形成する(ステップS121)。第1のマトリックス112は、炭化ケイ素を材料とする。
Next, the
第1のマトリックス112の形成は、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方の方法で行われ、両者を用いてもよい。たとえば、第1の予備成形体115を構成する第1の複合材用長繊維111の間に、化学気相浸透法で第1のマトリックス112を形成するものとし、必要に応じて、第1の予備成形体115の周囲をマトリックスが覆うように、化学気相蒸着法でマトリックスを形成することでもよい。
The formation of the
なお、プリカーサ含浸焼成法(PIP)でマトリックスの形成を行う場合には、焼成による収縮などに起因して、マトリックスに微細なクラックが発生する。また、形成される炭化ケイ素マトリックスはアモルファス炭化ケイ素(Si-C-O)であり、酸素を含有してしまう。このため、燃料被覆管100において気密性および高熱伝導性を確保するためには、プリカーサ含浸焼成法(PIP)でなく、化学気相蒸着法、化学気相浸透法でマトリックスの形成を行う方が好ましい。
When the matrix is formed by the precursor impregnation firing method (PIP), fine cracks are generated in the matrix due to shrinkage due to firing. Further, the silicon carbide matrix formed is amorphous silicon carbide (Si—CO) and contains oxygen. Therefore, in order to ensure airtightness and high thermal conductivity in the
以上のように、第1の予備成形体115に第1のマトリックス112を形成することにより、第1の複合材料層110が形成される。
As described above, the first
次に、第2の複合材料層120の形成(ステップS201)については、まず、炭素の長繊維の繊維束を用いて、第2の予備成形体125(図5)を形成する(ステップS211)。詳細には、炭素の長繊維を複数束ねた繊維束(ヤーン)を準備する。このとき、繊維束内の長繊維の本数は100本以上、500本以下であることが好ましい。その繊維束を用いて、第1の複合材料層110の外表面に、第1の複合材料層110を覆うようにかつ第1の複合材料層110に接触して、円筒形状の第2の予備成形体(繊維プリフォーム)125を形成する。
Next, regarding the formation of the second composite material layer 120 (step S201), first, the second preformed body 125 (FIG. 5) is formed by using the fiber bundle of long carbon fibers (step S211). .. Specifically, a fiber bundle (yarn) in which a plurality of long carbon fibers are bundled is prepared. At this time, the number of long fibers in the fiber bundle is preferably 100 or more and 500 or less. Using the fiber bundle, the outer surface of the first
第2の予備成形体125についても、第1の予備成形体115と同様に、第1の方向と第2の方向に配列された長繊維の単一あるいは径方向に積層された複数の層により形成する。
Similarly to the first
次に、ステップS211で形成した第2の予備成形体125に第2のマトリックス122を形成する(ステップS221)。第2のマトリックス122は、炭化ケイ素を材料とする。第2のマトリックス122の形成は、第1の複合材料層110の場合と同様な方法で行う。
Next, the
炭化ケイ素の長繊維は、炭素の長繊維に比べて、たとえば、400℃を超えるような大気中温度が高い環境下における耐性が高い。また、炭化ケイ素の長繊維は、引張強度が2~4GPaであって、引張弾性率が150~400GPaである。したがって、炭化ケイ素の長繊維である第1の複合材用長繊維111を用いた第1の複合材料層110は、特に、事故時のような高温条件において効果を発揮する。
Silicon carbide long fibers have higher resistance than carbon long fibers in an environment where the atmospheric temperature is high, for example, exceeding 400 ° C. Further, the long fibers of silicon carbide have a tensile strength of 2 to 4 GPa and a tensile elastic modulus of 150 to 400 GPa. Therefore, the first
一方、炭素の長繊維は、炭化ケイ素の長繊維に比べて、400℃程度以下の水に曝される環境下での耐性が高い。また、炭素の長繊維は、引張強度が1~7GPaであって、引張弾性率が30~950GPaである。したがって、炭素の長繊維である第2の複合材用長繊維121を用いた第2の複合材料層120は、特に、通常運転時を中心にした運転条件において効果を発揮する。
On the other hand, carbon long fibers have higher resistance in an environment exposed to water of about 400 ° C. or lower than silicon carbide long fibers. Further, the long carbon fiber has a tensile strength of 1 to 7 GPa and a tensile elastic modulus of 30 to 950 GPa. Therefore, the second
前述のように、第1の複合材料層110の厚みが0.2mm以上、1.0mm以下で、かつ、第2の複合材料層120の厚みが0.2mm以上、0.6mm以下で、かつ、第1の複合材料層110と第2の複合材料層120により形成される燃料被覆管100の厚みの合計値が0.7mm以上、1.2mm以下となるような第1の複合材料層110の厚みおよび第2の複合材料層120の厚みを選定することが好ましい。
As described above, the thickness of the first
このような条件のもとで、通常運転時および事故時においての耐環境性および機械的特性をどのようにバランスさせるかという方針に応じて、第1の複合材料層110と第2の複合材料層120のそれぞれの厚みを適宜設定して積層させることができる。また、マトリックスの形成に、化学気相蒸着法および化学気相浸透法の少なくともいずれかを用いることにより、気密性および高熱伝導性を確保することができる。
Under these conditions, the first
このように、炭化ケイ素の第1のマトリックス112に炭化ケイ素の第1の複合材用長繊維111が複合化した第1の複合材料層110と、炭化ケイ素の第2のマトリックス122に炭素の第2の複合材用長繊維121が複合化した第2の複合材料層120との積層構造で、燃料被覆管100を構成することによって、広い環境条件にわたって、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。
As described above, the first
本実施形態による燃料被覆管100の製造に用いる長繊維強化炭化ケイ素部材は、燃料集合体を構成するチャンネルボックスや燃料棒を固定するタイプレート、制御棒の構造材料などの材料に利用することができる。
The long fiber reinforced silicon carbide member used for manufacturing the
以上のように、本実施形態における燃料被覆管および燃料被覆管の製造方法により、通常運転時および事故時において耐環境性を有する燃料被覆管を提供することができる。 As described above, the method for manufacturing a fuel cladding tube and a fuel cladding tube according to the present embodiment can provide a fuel cladding tube having environmental resistance during normal operation and during an accident.
[第2の実施形態]
図8は、第2の実施形態に係る燃料被覆管101の構成を示す横断面図である。本第2の実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第2の実施形態においては、第1の複合材料層110の径方向外側であって第2の複合材料層120の径方向内側に、中間層130が設けられている。第1の複合材料層110と中間層130、および中間層130と第2の複合材料層120は、互いに密着している。それ以外は、第1の実施形態と同様である。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the
中間層130は、たとえば、炭素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料のいずれかの単体で形成されている。
The
中間層130は、厚みが0.01mm以上、0.1mm以下であることが好ましい。第1の複合材料層110と第2の複合材料層120との間において異なる機械的特性を十分発現させるためには、中間層130が上記範囲の下限値以上であることが好ましい。また、燃料被覆管100の機械的強度特性の観点からは、中間層130が上記範囲の上限値以下であることが好ましい。このため、中間層130の厚みは、特に、0.02mm以上、0.05mm以下の範囲にあることが、より好ましい。
The thickness of the
中間層130は、燃料被覆管101において、長さ方向(軸方向)と周方向とで強度が異なる異方性を備えた層である。中間層130は、結晶形態が六方晶形または擬六方晶形を示す単斜晶形であることが更に好ましい。この場合には、中間層130を構成する六方晶形の結晶において、結晶面の滑りが生ずる。このため、第1の複合材料層110と第2の複合材料層120とのそれぞれにおいてクラックが進展することを抑制することができる。その結果、燃料被覆管101の機械的特性を更に向上することができる。特に、三元の炭化物(たとえば、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイド)について、結晶形態が六方晶形であることが更に好ましい。
The
なお、中間層130は、上記した特定の材料の単体層が一つである場合の他に、その単体層を複数積層することで構成してもよい。たとえば、炭素の単体層とチタンケイ素カーバイドの単体層とを順次積層することによって、中間層130を構成してもよい。
In addition to the case where the
図9は、第2の実施形態に係る燃料被覆管101の製造方法の手順を示すフロー図である。本実施形態による燃料被覆管101の製造方法においては、第1の複合材料層の形成ステップS101の後で、かつ、第2の複合材料層の形成ステップS202の前に、中間層の形成ステップS301を行う。
FIG. 9 is a flow chart showing a procedure of a method for manufacturing the
第1の複合材料層の形成ステップS101については、第1の実施形態と同様である。 The first composite material layer forming step S101 is the same as that of the first embodiment.
中間層の形成ステップS301においては、第1の複合材料層110の径方向外側に、所定の材料の単体層を形成する(ステップS311)。1種類の単体層で、あるいは複数種類の単体層を積層することにより、中間層130を形成する。
In the intermediate layer forming step S301, a single layer of a predetermined material is formed on the radial outer side of the first composite material layer 110 (step S311). The
中間層130の形成は、真空蒸着(Vacuum Vapor Deposition)法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法、熱CVD法、光CVD法、有機金属気相成長(Metal Organic CVD)法などの成膜方法で行う。このうち、熱CVD法は、原料ガスを切り替えることによって、第1の複合材料層110の成膜と中間層130の成膜とを連続的に行うことができるので、好適である。
The
つぎに、第2の複合材料層120を形成する(ステップS202)。まず、中間層130の外周面に第2の予備成形体125を形成する(ステップS212)。次に、ステップS212で形成した第2の予備成形体125に第2のマトリックス122を形成する(ステップS222)。具体的には、第1の実施形態の場合と同様な方法で行う。以上のようにして、本実施形態の燃料被覆管101を完成させる。
Next, the second
本実施形態においては、この特定材料で形成した中間層130が長さ方向と周方向と厚み方向で強度が異なることを利用した材料設計により、長繊維による強化方向の機械的特性をさらに向上させることができる。
In the present embodiment, the mechanical properties in the strengthening direction by the long fibers are further improved by the material design utilizing the fact that the
[第3の実施形態]
図10は、第3の実施形態に係る燃料被覆管102の構成を示す横断面図である。本第3の実施形態は、第1の実施形態の変形である。本実施形態においては、第2の複合材料層120の径方向外側に、さらに、炭化ケイ素セラミックスの外側表面材料層140を有している。これに関連する点を除き、本実施形態は、第1実施形態の場合と同様である。
[Third Embodiment]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the
外側表面材料層140は、厚みが0.2mm以上、0.4mm以下であることが好ましい。外側表面材料層140が上記範囲の下限値よりも薄い場合には、燃料被覆管102において十分に耐環境性、気密性を保持できない場合があると共に、強度的に安定した設計強度の確保上、初期強度の機械的特性が不十分になる場合がある。また、外側表面材料層140が上記範囲の上限値よりも厚い場合には、燃料被覆管102全体における第1の複合材用長繊維111および第2の複合材用長繊維121の存在割合が相対的に減少するため、燃料被覆管102の破壊エネルギーに関する機械的特性が不十分になる場合がある。
The outer
図11は、第3の実施形態に係る燃料被覆管102の製造方法の手順を示すフロー図である。第1の複合材料層110を形成するステップS101の後に第2の複合材料層120を形成するステップS201を実施する部分は、第1の実施形態と同様である。
FIG. 11 is a flow chart showing a procedure of a method for manufacturing the
本実施形態においては、第2の複合材料層120を形成するステップS201の後に、外側表面材料層140を形成する(ステップS401)。具体的には、化学気相蒸着法により、炭化ケイ素セラミックス材料の単体で、外側表面材料層140を形成する(ステップS411)。
In the present embodiment, the outer
以上のように形成された本実施形態による燃料被覆管102は、その径方向外側の表面が外側表面材料層140で被覆された状態であるので、腐食減肉量が少なくなり、耐環境性の向上を更に容易に実現することができる。さらに、化学気相蒸着法により緻密質な炭化ケイ素を形成していることから、ヘリウムガスの通過も抑制する高気密性が実現できる。
Since the radial outer surface of the
[第4の実施形態]
図12は、第4の実施形態に係る燃料被覆管103の構成を示す横断面図である。本実施形態は、第3の実施形態の変形である。第3の実施形態では、第2の複合材料層120の径方向外側に外側表面材料層140が形成されている。一方、本第4の実施形態では、第1の複合材料層110の径方向内側に内側表面材料層150が形成されている。
[Fourth Embodiment]
FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the
すなわち、第3の実施形態における燃料被覆管102においては、径方向の外側の表面に外側表面材料層140が形成されているのに対して、本第4の実施形態における燃料被覆管103においては、径方向の内側の表面に炭化ケイ素セラミックスの内側表面材料層150が形成されている。
That is, in the
図13は、第4の実施形態に係る燃料被覆管103の製造方法の手順を示すフロー図である。本実施形態による燃料被覆管103の製造方法においては、まず、内側表面材料層150を形成する(ステップS501)。具体的には、化学気相蒸着法により、炭化ケイ素セラミックス材料の単体で、内側表面材料層150を形成する(ステップS511)。
FIG. 13 is a flow chart showing a procedure of a method for manufacturing the
その後、第1の複合材料層110の形成を行う(ステップS102)。すなわち、内側表面材料層150の径方向外側に第1の予備成形体115を形成(ステップS112)し、その第1の予備成形体115に第1のマトリック112を形成する(ステップs122)。その後、さらに、第2の複合材料層120を形成する(ステップS201)。
After that, the first
以上のように、本実施形態においては、燃料被覆管103の最内層が内側表面材料層150である。すなわち、燃料被覆管103の内面が内側表面材料層150に被覆されていることから、燃料ペレット1から放出された核分裂生成物であるアウトガスに対する耐性を高め、高気密性を確保することができる。
As described above, in the present embodiment, the innermost layer of the
[第5の実施形態]
図14は、第5の実施形態に係る燃料被覆管104の構成を示す横断面図である。本第5の実施形態は、第2の実施形態と第3の実施形態の組み合わせである。すなわち、本第5の実施形態に係る燃料被覆管104においては、径方向内側から径方向外側に向かって、第1の複合材料層110、中間層130、第2の複合材料層120、および外側表面材料層140の順に積層されている。
[Fifth Embodiment]
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of the
図15は、第5の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。まず、第1の複合材料層110を形成する(ステップS101)。次に、第1の複合材料層110の径方向の外側表面に中間層130を形成する(ステップS301)。具体的な単体層の形成(ステップS311)については、第2の実施形態と同様である。
FIG. 15 is a flow chart showing a procedure of a method for manufacturing a fuel cladding tube according to a fifth embodiment. First, the first
次に、中間層130の径方向の外側表面に第2の複合材料層120を形成する(ステップS202)。そして、第2の複合材料層120を形成するステップS20の後に、外側表面材料層140を形成する(ステップS401)。
Next, a second
以上のように形成された本実施形態による燃料被覆管104においては、第1の実施形態、第2の実施形態および第3の実施形態のそれぞれにおける燃料被覆管100、101、および102に関する作用、効果を有する。
In the
すなわち、炭化ケイ素の第1のマトリックス112に炭化ケイ素の第1の複合材用長繊維111が複合化した第1の複合材料層110と、炭化ケイ素の第2のマトリックス122に炭素の第2の複合材用長繊維121が複合化した第2の複合材料層120との積層構造で、燃料被覆管104を構成することによって、広い環境条件にわたって、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。また、特定材料で形成した中間層130が長さ方向と周方向と厚み方向で強度が異なることを利用した材料設計により、長繊維による強化方向の機械的特性をさらに向上させることができる。さらに、径方向外側の表面が外側表面材料層140で被覆された状態であるので、腐食減肉量が少なくなり、耐環境性の向上を更に容易に実現することができる。また、化学気相蒸着法により緻密質な炭化ケイ素を形成していることから、ヘリウムガスも通さない高気密性が実現できる。
That is, the first
[その他の実施形態]
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、燃料被覆管100が、核燃料としてウラン燃料を収納している場合を例にとって示したが、これに限定されるものではない。たとえば、プルトニウム燃料、ウランとプルトニウムの混合酸化物燃料、あるいは、酸化物以外のたとえば炭化物あるいは窒化物のような形態の場合であってもよい。また、実施形態では、燃料被覆管100が、冷却材が軽水である場合を例にとって示したが、これに限定されるものではない。たとえば、ヘリウムガス、炭酸ガスのようなガス冷却炉の場合、さらにはナトリウムや鉛等を含む液体金属冷却炉の場合であってもよい。
[Other embodiments]
Although some embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. For example, in the embodiment, the case where the
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第3の実施形態および第4の実施形態を組み合わせてもよい。 Moreover, you may combine the features of each embodiment. For example, a third embodiment and a fourth embodiment may be combined.
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。 Furthermore, these embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and variations thereof are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof, as are included in the scope and gist of the invention.
以下に、5つの実施例と、これらとの比較例を挙げて、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明の実施形態は、これらの例によって限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to five examples and comparative examples thereof, but the embodiments of the present invention are not limited to these examples.
なお、以下に示す実施例1ないし5は、それぞれ第1の実施形態1ないし5に対応する。 In addition, Examples 1 to 5 shown below correspond to the first Embodiment 1 to 5, respectively.
[実施例1]
実施例1においては、燃料被覆管100について作製に際して、最初に、第1の複合材料層110を構成する第1の予備成形体(プリフォーム)115の形成を行った。本工程では、まず、直径が12μmである炭化ケイ素の長繊維(商品名:ハイニカロン(登録商標) タイプS,日本カーボン製)の表面に、カーボンをCVD法で被覆した。そして、その第1の複合材用長繊維111を500本束ねた繊維束(ヤーン)を用いて、フィラメントワインディング法によって、円筒形状の予備成形体(厚みが0.5mm)を作製した。
[Example 1]
In Example 1, when the
つぎに、第1の複合材料層110の予備成形体、すなわち第1の予備成形体115にマトリックス、すなわち第1のマトリックス112を形成した。本工程では、上記の第1の予備成形体115を化学気相反応炉内のカーボンモールド内部にセットした後に、温度が1300~1400℃であって圧力が4~100kPaである条件の下で、原料ガス(四塩化ケイ素ガス、プロパンガス、水素ガス)を反応炉の内部に導入した。これによって、炭化ケイ素を主成分とする第1のマトリックス112を第1の予備成形体115において形成して、厚みが0.5mmである第1の複合材料層110を準備した。ここでは、第1の複合材料層110の第1の予備成形体115を構成する1の複合材用長繊維111の間に化学気相浸透法で第1のマトリックス112を形成するとともに、第1の予備成形体115の周囲を第1のマトリックス112が覆うように、化学気相蒸着法で第1のマトリックス112を形成した。
Next, a matrix, that is, a
つぎに、第2の複合材料層120を構成する第2の予備成形体(プリフォーム)125の形成を行った。本工程では、まず、直径が10μmである炭素の長繊維(商品名:トレカ(登録商標) M60,東レ製)の表面に、カーボンをCVD法で被覆した。そして、その第2の複合材用長繊維121を3000本束ねた繊維束(ヤーン)を分繊し、500本にした繊維束を用いて、フィラメントワインディング法によって、円筒形状で厚みが0.5mmの第2の予備成形体125を第1の複合材料層110の外周面に作製した。
Next, a second preformed body (preform) 125 constituting the second
つぎに、第2の複合材料層120の第2の予備成形体125に第2のマトリックス122を形成した。本工程では、上記の第2の予備成形体125を化学気相反応炉内のカーボンモールド内部にセットした後に、温度が1300~1400℃であって圧力が4~100kPaである条件の下で、原料ガス(四塩化ケイ素ガス、プロパンガス、水素ガス)を反応炉の内部に導入した。これによって、炭化ケイ素を主成分とする第2のマトリックス122を第2の予備成形体125に形成することで、厚みが0.5mmである第2の複合材料層120を形成した。ここでは、第1の複合材料層110の場合と同様に、第2の複合材料層120の第2の予備成形体125を構成する第2の複合材用長繊維121の間に化学気相浸透法で第2のマトリックス122を形成するとともに、第2の予備成形体125の周囲を第2のマトリックス122が覆うように、化学気相蒸着法で第2のマトリックス122を形成した。これにより、実施例1の燃料被覆管100を完成させた。
Next, a
[実施例2]
実施例2においては、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層110を準備した後に、第1の複合材料層110の外周面に中間層130を形成した。ここでは、炭素(C)の単体層(厚みが0.1mm)を成膜することによって、中間層130の形成を行った。その後、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層110の外周面に、中間層130を介して、第2の複合材料層120を形成した。これにより、実施例2の燃料被覆管101を完成させた。
[Example 2]
In Example 2, as in the case of Example 1, after preparing the first
[実施例3]
実施例3では、実施例1の場合と同様に、厚み0.4mmの第1の複合材料層110を準備した後に、第1の複合材料層110の外周面に厚み0.4mmの第2の複合材料層120を形成した。その後、第2の複合材料層120の外周面に外側表面材料層140を形成した。化学気相蒸着法で、炭化ケイ素の単体層(厚みが0.2mm)を成膜することによって、外側表面材料層140の形成を行った。これにより、実施例3の燃料被覆管102を完成させた。
[Example 3]
In Example 3, as in the case of Example 1, after preparing the first
[実施例4]
実施例4においては、実施例1の場合の前に、内側表面材料層150を、化学気相蒸着法により炭化ケイ素の単体層(厚みが0.2mm)を成膜することによって形成した。その上に、実施例1の場合と同様に、厚み0.4mmの第1の複合材料層110を形成した後に、第1の複合材料層110の外周面に厚み0.4mmの第2の複合材料層120を形成した。これにより、実施例4の燃料被覆管103を完成させた。
[Example 4]
In Example 4, the inner
[実施例5]
実施例5においては、実施例3の場合と同様に、厚み0.4mmの第1の複合材料層110を形成した後に、第1の複合材料層110の外周面に中間層130を形成した。ここでは、チタンケイ素カーバイド(Ti3SiC2)の単体層(厚みが0.1mm)を成膜することによって、中間層130の形成を行った。そして、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層110の外周面に、中間層130を介して、厚み0.3mmの第2の複合材料層120を形成した。その後、第2の複合材料層120の外周面に外側表面材料層140を厚み0.2mm形成した。これにより、実施例5の燃料被覆管104を完成させた。
[Example 5]
In Example 5, similarly to the case of Example 3, the
[比較例]
比較例においては、実施例1の場合と同様に、第1の複合材料層110の形成を行ったが、第2の複合材料層120の形成については行わなかった。これにより、厚み1mmの第1の複合材料層110のみからなる燃料被覆管を比較例として準備した。
[Comparison example]
In the comparative example, the first
なお、実施例1ないし実施例5および比較例において、第1の複合材料層110の第1の予備成形体115の第1方向長繊維111aと第2方向長繊維111bの方向は、それぞれ、第1の実施形態で説明した周方向および軸方向に組み合わせたケースであり、第2の複合材料層120の第2の予備成形体125についても同様である。
In Examples 1 to 5 and Comparative Examples, the directions of the first-direction
[試験内容]
実施例および比較例の各サンプルについて、気密性試験、熱的特性試験、耐環境性試験(通常運転時、事故時)と機械的特性試験とを行った。
[contents of the test]
Airtightness test, thermal property test, environmental resistance test (during normal operation, accident) and mechanical property test were performed on each sample of Examples and Comparative Examples.
それぞれの実施例の条件を表1に、またそれぞれの実施例についての評価結果を表2に示す。 The conditions of each example are shown in Table 1, and the evaluation results for each example are shown in Table 2.
気密性試験では、ヘリウムリーク試験を実施した。熱的特性試験は、レーザフラッシュ法による熱伝導率測定試験を実施した。 In the airtightness test, a helium leak test was carried out. As the thermal property test, a thermal conductivity measurement test by a laser flash method was carried out.
また、耐環境性試験として、通常運転時を想定して中温水熱試験と、事故時を想定して高温水蒸気試験を行った。中温水熱試験については、オートクレーブを用いて、下記試験条件で行った。試験前の重量と試験後の重量とを測定し、両者の差分値から、減肉量を換算した。表1では、各例について求めた値を、比較例の値で割った割合を示している。つまり、各実施例の値について比較例の値を「1」とした場合の割合を示している。
(中温水熱試験の条件)
・温度:360℃
・圧力:18MPa
・保持時間:1週間(高温水蒸気試験)
・温度:1200℃
・水蒸気量:100%
・保持時間:72時間
In addition, as environmental resistance tests, a medium-temperature water heat test was conducted assuming normal operation, and a high-temperature steam test was conducted assuming an accident. The medium temperature water heat test was performed under the following test conditions using an autoclave. The weight before the test and the weight after the test were measured, and the amount of wall loss was converted from the difference between the two. Table 1 shows the ratio of the values obtained for each example divided by the values of the comparative examples. That is, the ratio when the value of the comparative example is set to "1" is shown for the value of each embodiment.
(Conditions for medium temperature water heat test)
-Temperature: 360 ° C
・ Pressure: 18MPa
・ Retention time: 1 week (high temperature steam test)
・ Temperature: 1200 ℃
・ Amount of water vapor: 100%
・ Holding time: 72 hours
また、各例のサンプルについて、機械的特性試験を実施した。ここでは、機械的特性試験として、室温で引張強度試験を実施することで、初期破壊強度と破壊エネルギーとのそれぞれを測定した。試験方法は、ASTM C1793-15に準拠して実施した。初期破壊強度と破壊エネルギーとのそれぞれに関しても、表1では、各例について求めた値を、比較例の値で割った割合を示している。つまり、各実施例の値について比較例の値を「1」とした場合の割合を示している。 In addition, mechanical property tests were conducted on the samples of each example. Here, as a mechanical property test, a tensile strength test was carried out at room temperature to measure the initial fracture strength and the fracture energy. The test method was carried out in accordance with ASTM C1793-15. For each of the initial fracture strength and the fracture energy, Table 1 shows the ratio of the values obtained for each example divided by the values of the comparative examples. That is, the ratio when the value of the comparative example is set to "1" is shown for the value of each embodiment.
[評価結果]
表2に示すように、実施例1は、ヘリウムリーク量は、比較例の100分の1以下、熱伝導率は1.5倍に向上した。耐環境性試験において比較例の100分の1以下となり、耐環境性に優れる。また、実施例1は、機械的特性試験において比較例よりも初期破壊強度および破壊エネルギーが高いため、機械的特性に優れる。実施例1は、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第1の複合材料層110と、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第2の複合材料層120との積層構造で構成されている。これに対して、比較例は、第1の複合材料層110のみで構成されている。このように、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第1の複合材料層110に対して、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第2の複合材料層120を積層させることで、材料自体の緻密性も向上し、気密性、熱伝導率、そして耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。
[Evaluation results]
As shown in Table 2, in Example 1, the amount of helium leak was 1/100 or less of that of Comparative Example, and the thermal conductivity was improved by 1.5 times. In the environmental resistance test, it is 1/100 or less of the comparative example, and is excellent in environmental resistance. Further, Example 1 is excellent in mechanical properties because the initial fracture strength and fracture energy are higher than those in the comparative example in the mechanical property test. In Example 1, a first
実施例2は、さらに実施例1に比べて、破壊エネルギーが高くなり、機械的特性に優れる。実施例2は、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第1の複合材料層110と、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第2の複合材料層120との間にさらに中間層130が形成された積層構造で構成されている。これに対して、比較例は、第1の複合材料層110のみで構成されている。
Further, the second embodiment has a higher breaking energy and is excellent in mechanical properties as compared with the first embodiment. In Example 2, a first
このように、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第1の複合材料層110に対して、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第2の複合材料層120、中間層130を積層させることで、材料自体の緻密性も向上し、さらなる機械的特性の向上を実現することができる。
As described above, the second
実施例3は、緻密質な単体の外側表面材料層140が形成されるため、ヘリウムリーク量が検出限界以下となり、非常に優れた気密性を示す。さらに、耐環境性試験において、比較例よりも大幅に腐食減肉量が少なく、通常運転時および事故時ともに耐環境性に優れる。
In Example 3, since the outer
また、実施例3および実施例5は、機械的特性試験において、比較例よりも初期破壊強度および破壊エネルギーが高く、機械的特性に優れる。特に、破壊エネルギーについては、実施例2および実施例5は、実施例1よりも高い。 Further, in the mechanical property test, Examples 3 and 5 have higher initial fracture strength and fracture energy than Comparative Examples, and are excellent in mechanical properties. In particular, with respect to the destructive energy, Example 2 and Example 5 are higher than Example 1.
実施例2は、第1の複合材料層110と第2の複合材料層120との間に、炭素(C)の単体層が中間層130として設けられている。実施例3は、チタンケイ素カーバイド(Ti2SiC2)の単体層が、中間層130として設けられている。
In Example 2, a simple substance layer of carbon (C) is provided as an
このように、特定の材料で形成された中間層130を、第1の複合材料層110と第2の複合材料層120との間に介在させることによって、破壊エネルギーが高くなるため、機械的特性を更に向上させることができる。
As described above, by interposing the
表1において実施例として列挙していないが、中間層130が、炭素またはチタンアルミニウムカーバイドの単体層である場合の他に、クロムアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドの単体層である場合においても同様に、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。
Although not listed as an example in Table 1, in addition to the case where the
1…燃料ペレット、2…スプリング、3…上部端栓、4…下部端栓、10…燃料棒、50…予備成形体形成用ガイド、100、101、102、103、104…燃料被覆管、110…第1の複合材料層、111…第1の複合材用長繊維、111a…第1方向長繊維、111b…第2方向長繊維、112…第1のマトリックス(母材)、115…第1の予備成形体、120…第2の複合材料層、121…第2の複合材用長繊維、121a…第1方向長繊維、121b…第2方向長繊維、122…第2のマトリックス(母材)、125…第2の予備成形体、130…中間層、140…外側表面材料層、150…内側表面材料層 1 ... fuel pellets, 2 ... springs, 3 ... upper end plugs, 4 ... lower end plugs, 10 ... fuel rods, 50 ... guides for forming preformed bodies, 100, 101, 102, 103, 104 ... fuel cladding tubes, 110. ... 1st composite material layer, 111 ... 1st composite long fiber, 111a ... 1st direction long fiber, 111b ... 2nd direction long fiber, 112 ... 1st matrix (base material), 115 ... 1st Preformed body, 120 ... second composite material layer, 121 ... second composite long fiber, 121a ... first direction long fiber, 121b ... second direction long fiber, 122 ... second matrix (base material). ), 125 ... Second preformed body, 130 ... Intermediate layer, 140 ... Outer surface material layer, 150 ... Inner surface material layer
Claims (13)
炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第1の複合材料層と、
前記第1の複合材料層の径方向外側に前記第1の複合材料層を覆うように前記第1の複合材料層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第2の複合材料層と、
を有することを特徴とする燃料被覆管。 A tubular fuel cladding tube for storing nuclear fuel.
A first composite material layer in which long fibers of silicon carbide and a matrix of silicon carbide are composited,
The first composite material layer is laminated in direct contact with the first composite material layer so as to cover the first composite material layer on the radial outer side of the first composite material layer, and the long carbon fibers and the matrix of silicon carbide are composited. With the second composite material layer
A fuel cladding tube characterized by having.
炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第1の複合材料層と、
前記第1の複合材料層の径方向外側に前記第1の複合材料層を覆うように前記第1の複合材料層と直接に接して積層された中間層と、
前記中間層の径方向外側に前記中間層を覆うように前記中間層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第2の複合材料層と、
を有し、
前記中間層は、炭素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料の単体で形成されている、
ことを特徴とする燃料被覆管。 A tubular fuel cladding tube for storing nuclear fuel.
A first composite material layer in which long fibers of silicon carbide and a matrix of silicon carbide are composited,
An intermediate layer laminated in direct contact with the first composite material layer so as to cover the first composite material layer on the radial outer side of the first composite material layer.
A second composite material layer in which long carbon fibers and a matrix of silicon carbide are composited and laminated in direct contact with the intermediate layer so as to cover the intermediate layer on the radial outer side of the intermediate layer.
Have,
The intermediate layer is formed of a single material selected from the group consisting of carbon, titanium aluminum carbide, vanadium aluminum carbide, chrome aluminum carbide, niobium aluminum carbide, tantalum aluminum carbide, and titanium silicon carbide.
A fuel cladding tube characterized by that.
炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第1の複合材料層と、
前記第1の複合材料層の径方向外側に前記第1の複合材料層を覆うように前記第1の複合材料層と直接に接して積層された中間層と、
前記中間層の径方向外側に前記中間層を覆うように前記中間層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第2の複合材料層と、
を有し、
前記中間層は、結晶形態が六方晶形であることを特徴とする燃料被覆管。 A tubular fuel cladding tube for storing nuclear fuel.
A first composite material layer in which long fibers of silicon carbide and a matrix of silicon carbide are composited,
An intermediate layer laminated in direct contact with the first composite material layer so as to cover the first composite material layer on the radial outer side of the first composite material layer.
A second composite material layer, which is laminated in direct contact with the intermediate layer so as to cover the intermediate layer on the radial outer side of the intermediate layer, and is a composite of long carbon fibers and a matrix of silicon carbide.
Have,
The intermediate layer is a fuel cladding tube characterized by having a hexagonal crystal form .
前記第2の複合材料層における第2の複合材用長繊維は、第1方向に配列されたものと、前記第1方向と方向の異なる第2方向に配列されたものとが、径方向に積層され、
ていることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の燃料被覆管。 The long fibers for the first composite material in the first composite material layer are arranged in the first direction and those arranged in the second direction different from the first direction in the radial direction. Laminated,
The long fibers for the second composite material in the second composite material layer are arranged in the first direction and those arranged in the second direction different from the first direction in the radial direction. Laminated,
The fuel cladding tube according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cladding tube is characterized by the above.
前記第2の複合材料層における第2の複合材用長繊維は、第1方向に配列されたものと、前記第1方向と方向の異なる第2方向に配列されたものの複数の組み合わせが径方向に積層されており、積層された前記第2の複合材用長繊維の間に第2のマトリックスが厚み方向に連続して配置されている、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の燃料被覆管。 The long fibers for the first composite material in the first composite material layer are a plurality of combinations of those arranged in the first direction and those arranged in the second direction different from the first direction in the radial direction. The first matrix is continuously arranged in the thickness direction between the laminated long fibers for the first composite material.
The long fibers for the second composite material in the second composite material layer are a plurality of combinations of those arranged in the first direction and those arranged in the second direction different from the first direction in the radial direction. A second matrix is continuously arranged in the thickness direction between the laminated long fibers for the second composite material.
The fuel cladding tube according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cladding tube is characterized.
炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維を複合化させることによって第1の複合材料層を形成する第1複合材料層形成ステップと、
前記第1複合材料層形成ステップの後に、前記第1の複合材料層の径方向の外側に単体の材料による中間層を形成する中間層形成ステップと、
前記中間層形成ステップの後に、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維を複合化させることによって前記中間層の径方向外側に第2の複合材料層を形成する第2複合材料層形成ステップと、
を有し、
前記第1の複合材料層の形成および前記第2の複合材料層のそれぞれの形成には、化学気相蒸着法および化学気相浸透法の少なくとも一方を用い、
前記中間層は、炭素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料の単体で形成されており、
前記中間層の形成は、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方で行う、
ことを特徴とする燃料被覆管の製造方法。 It is a method of manufacturing a fuel cladding tube that manufactures a cylindrical fuel cladding tube for storing nuclear fuel.
The first composite material layer forming step of forming the first composite material layer by compounding the long fibers of silicon carbide with the silicon carbide matrix,
After the first composite material layer forming step, an intermediate layer forming step of forming an intermediate layer made of a single material on the radial outside of the first composite material layer,
After the intermediate layer forming step, a second composite material layer forming step of forming a second composite material layer on the radial outer side of the intermediate layer by compounding long carbon fibers in a silicon carbide matrix.
Have,
At least one of the chemical vapor deposition method and the chemical vapor phase infiltration method was used for the formation of the first composite material layer and the formation of each of the second composite material layer.
The intermediate layer is formed of a single material selected from the group consisting of carbon, titanium aluminum carbide, vanadium aluminum carbide, chrome aluminum carbide, niobium aluminum carbide, tantalum aluminum carbide, and titanium silicon carbide.
The formation of the intermediate layer is performed by at least one of the chemical vapor deposition method and the chemical vapor phase infiltration method.
A method for manufacturing a fuel cladding tube.
前記内側表面材料層の形成には、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項11に記載の燃料被覆管の製造方法。 Prior to the first composite material layer forming step, an inner surface material layer forming step for forming a tubular inner surface material layer is further provided.
The method for manufacturing a fuel cladding tube according to claim 11, wherein at least one of a chemical vapor deposition method and a chemical vapor phase infiltration method is used for forming the inner surface material layer .
前記外側表面材料層の形成には、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項11または請求項12に記載の燃料被覆管の製造方法。 After the second composite material layer forming step, the outer surface material layer forming step for forming the cylindrical outer surface material layer is further provided.
The method for manufacturing a fuel cladding tube according to claim 11 or 12, wherein at least one of a chemical vapor deposition method and a chemical vapor phase infiltration method is used for forming the outer surface material layer .
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