JP2004061421A - 中性子吸収材収納用容器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易で、高強度で、かつ安価な原子炉の制御棒を構成するＣ／Ｃ複合材製中性子吸収材収納用容器およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】原子炉の制御棒を構成する中性子吸収材収納用容器の材質を２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料としたものであり、さらに２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料として学振法による格子面間隔（ｄ_００２）が０．３４ｎｍ以下、Ｃ軸方向の結晶子サイズ（Ｌｃ）が１０ｎｍ以上であり、かさ密度が１．４５〜１．８０Ｍｇ／ｍ^３であり、曲げ強さが１００ＭＰａ以上、圧縮強さが７５ＭＰａ以上、引張り強さが１００ＭＰａ以上、灰分が２０ｍａｓｓ　ｐｐｍ以下のもので構成する。
【選択図】　　　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に炭化ホウ素ペレットなどの中性子吸収材を収納し原子炉の制御棒を構成する中性子吸収材収納用容器およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原子炉の制御棒を構成する中性子吸収材収納用容器としては、中性子照射によるクラック発生がなく、放射化されにくく、耐熱性を有し、軽量で、かつ高強度の、炭素繊維強化炭素複合材料（以下、Ｃ／Ｃ複合材ということがある。）製のものが提案されている。例えば、特許第２７８４３０４号公報にはクロス織りにより布帛となし、該布帛を三軸織り等の方法により三次元的に編んで、中性子吸収材収納用容器に相当する制御棒外筒の形状に成形し、成形した炭素繊維にコールタールピッチを含浸させた後、炭化・黒鉛化して、密度を２．０ｇ／ｃｍ^３　　以上とした炭素複合材料からなる制御棒外筒が開示されている。また、特開平５−１７２９７８にはメッシュ状の円筒に編み上げたカーボンファイバーを、炭化させた樹脂またはタールにて固化せしめて形成したコンポジットからなる制御棒の被覆管が開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＣ／Ｃ複合材製中性子吸収材収納用容器は炭素繊維を三次元的に編んで成形しているため、所望の形状に形成させるためには繊維を編んで繊維だけでほぼ最終形状の円筒状にしなければならず、非常に手間がかかり容器の製造に長時間を要し製造コストが高いものとなっている。また、寸法変化にすぐに対応することができないなどの成形性の悪いものとなっている。また、特開平５−１７２９７８に開示されているようなメッシュ状の円筒に編み上げるためには専用の編み機が必要であり、量産性の面で劣りしかも製造コストも高くなるという欠点があった。
【０００４】
また、特許第２７８４３０４号に開示されている制御棒外筒は密度が２．０ｇ／ｃｍ^３以上であって、Ｃ／Ｃ複合材としては非常に高密度なものであり、何度も緻密化処理を繰り返さなければならず、上述の炭素繊維の成形方法に加えて
、更に製造コストのかかるものとなっている。
【０００５】
そこで、本発明は製造が容易で高強度で、しかも安価な原子炉の制御棒を構成する中性子吸収材収納用容器およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の請求項１の発明は、原子炉の制御棒を構成する中性子吸収材収納用容器であって、前記中性子吸収材収納用容器が２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料で形成されてなる中性子吸収材収納用容器を要旨とする。
【０００７】
請求項２の発明は、前記２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料の学振法による格子面間隔（ｄ_００２）が０．３４ｎｍ以下、Ｃ軸方向の結晶子サイズ（Ｌｃ）が１０ｎｍ以上である請求項１に記載の中性子吸収材収納用容器を要旨とする。
【０００８】
請求項３の発明は、前記２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料のかさ密度が１．４５〜１．８０Ｍｇ／ｍ^３である請求項１又は請求項２に記載の中性子吸収材収納用容器を要旨とする。
【０００９】
請求項４の発明は、前記２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料の曲げ強さが１００ＭＰａ以上、圧縮強さが７５ＭＰａ以上、引張り強さが１００ＭＰａ以上である請求項１乃至請求項３に記載の中性子吸収材収納用容器を要旨とする。
【００１０】
請求項５の発明は、前記２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料の灰分が２０ｍａｓｓ　ｐｐｍ以下である請求項１乃至請求項４に記載の中性子吸収材収納用容器を要旨とする。
【００１１】
請求項６の発明は、炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を塗工しながらマンドレルに巻きつけて円筒状に成形し、熱硬化させた後、焼成、緻密化、黒鉛化、高純度化処理する中性子吸収材収納用容器の製造方法を要旨とする。
【００１２】
請求項７の発明は、炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を塗工してプリプレグを作製し、作製したプリプレグをマンドレルに貼り付けて円筒状に成形し、熱硬化させた後、焼成、緻密化、黒鉛化、高純度化処理する中性子吸収材収納用容器の製造方法を要旨とする。
【００１３】
本発明に係わる中性子吸収材収納用容器は、２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材で形成することにより、従来のように制御棒外筒形状に炭素繊維を編んで成形する必要がなく、平織りクロス等の炭素繊維クロスに樹脂を付与して、円筒形状になるために必要な分量だけ円筒形状のマンドレルに積層すればよいので、簡単に成形することができるため製造コストを下げることができる。また、マンドレルの直径、炭素繊維クロスの積層量、積層させる炭素繊維クロスの寸法等を変えるだけで、すぐに所望の中性子吸収材収納用容器形状のものを得ることができるので成形性が良好である。
【００１４】
ここで、本発明に係わる２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材の製造方法は、まず、ＰＡＮ系またはピッチ系の炭素繊維からなる二次元の炭素繊維クロスを用意する。この炭素繊維クロスには、平織りクロス、朱子織りクロス、斜文織りクロス等が使用できる。
【００１５】
次に、上述した炭素繊維クロスにフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を付与して、積層して円筒形状に成形する。具体的には、所定の幅にカットした炭素繊維クロスを円筒形状のマンドレルに巻き取りながら、熱硬化性樹脂を塗工して円筒形状に成形した後、熱硬化させてＣＦＲＰシリンダーを得る方法が例示できる。また、他の方法として、炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を塗工してプリプレグを作製した後、このプリプレグを所定の大きさに裁断し、肉厚に応じて所定の枚数を円筒状のマンドレルに少しずつずらしながら貼り付けて、円筒状に成形した後、熱硬化させてＣＦＲＰシリンダーとする方法が例示できる。さらに、円周方向の強度を向上させるために、上述したＣＦＲＰシリンダーに樹脂を付与した炭素繊維を円周方向に捲回することも可能である。これらの他にも、前記プリプレグを通常のパイプ成形機でＣＦＲＰシリンダーとすることもできる。
【００１６】
得られたＣＦＲＰシリンダーを電気炉内で熱硬化性樹脂の炭化処理を約１０００℃で行い、緻密化処理としてピッチ等の含浸焼成を数回繰り返し、２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材製シリンダーを得る。その後、最終熱処理として、２５００℃以上、好ましくは２８００℃以上で黒鉛化処理を行う。本発明の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は、炭素材料のＸ線回折法の学振法による（００２）面の格子面間隔（ｄ_００２）が０．３４ｎｍ以下、好ましくは０．３３７５ｎｍ以下、Ｃ軸方向の結晶子サイズ（Ｌｃ）が１０ｎｍ以上、好ましくは１５ｎｍ以上であるように黒鉛化されているので結晶化度が高く、中性子吸収材を収納して原子炉用制御棒として使用したときに中性子照射による寸法変化や性能変化が少ない制御棒とすることができる。
【００１７】
また、本発明の中性子吸収材収納用容器を形成するＣ／Ｃ複合材は、上記のような２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材とし、高強度のものが得られることにより、緻密化処理を最小限に抑えることができ、かさ密度が１．４５〜１．８０Ｍｇ／　ｍ^３　、好ましくは、１．５〜１．７Ｍｇ／ｍ^３の低密度のものであっても、中性子吸収材収納用容器とすることができる。これによって、低コストで、軽量の中性子吸収材収納用容器を得ることができる。
【００１８】
なおかつ、本発明の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は曲げ強さが１００ＭＰａ以上、好ましくは１１０ＭＰａ以上で、圧縮強さが７５ＭＰａ以上、好ましくは１００ＭＰａ以上で、引張り強さが１００ＭＰａ以上、好ましくは１３０ＭＰａ以上である。これらの強度を備えている中性子吸収材収納用容器を備えた制御棒とすることにより、原子炉の停止・出力調整を行う場合に高温の原子炉中へ制御棒を挿入したり、炉外への引き抜いたりするための上下方向の運転を支障なく行うことができる。これにより、高強度なＣ／Ｃ複合材製中性子吸収材収納用容器とすることができ、上記低密度と相俟って、軽量でかつ高強度の中性子吸収材収納用容器とすることができる。
【００１９】
上記黒鉛化処理の後、または黒鉛化と同時に２０００℃以上の高温下、塩素ガス等のハロゲンガス中で高純度化処理を行う。本発明の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は、高純度化処理により灰分が２０ｍａｓｓ　ｐｐｍ以下、好ましくは１０ｍａｓｓ　ｐｐｍ以下のものとすることができるので高純度で、なおかつ放出ガスの少ない中性子吸収材収納用容器とすることができ、原子炉を長時間運転しても原子炉中の清浄度の低下ならびに不純物による制御棒を含めた炉内構造材料の酸化腐食の促進を防止することができる。
【００２０】
【実施例】
以下に実施例をあげ、本発明を具体的に説明する。
【００２１】
（実施例１）
二次元の炭素繊維クロス（ＰＡＮ系６Ｋ平織りクロス）を５００ｍｍ幅にカットし、φ８０×１０００（ｍｍ）の円筒状のマンドレルに巻き取りながらフェノール樹脂を塗工した。巻き取った炭素繊維クロスを１６０℃で加熱、加圧処理を行って、熱硬化させ、ＣＦＲＰシリンダーを製作した。次いで、得られたＣＦＲＰシリンダーを電気炉を用い窒素気流中８００℃で焼成した。この後、ピッチ含浸、焼成を３回繰り返して緻密化処理を行い、かさ密度が１．６Ｍｇ／ｍ^３のＣ／Ｃ複合材製シリンダーを得た。その後、抵抗加熱式電気炉にて２８００℃で黒鉛化処理を行った。次いで、中性子吸収材収納用容器形状に加工を施した後、２０００℃で塩素ガス中で高純度化処理を行い肉厚が１０ｍｍの中性子吸収材収納用容器を得た。
【００２２】
（実施例２）
実施例１と同様の５００ｍｍ幅にカットした炭素繊維クロスに、フェノール樹脂を塗工し、揮発分調整を行い、プリプレグを作製した。このプリプレグを３本ロールを用いたパイプ成形機にかけ、１６０℃に加熱しながら巻き取り、巻き取った炭素繊維クロスを１６０℃で熱硬化させ、ＣＦＲＰシリンダーを製作した。次いで、黒鉛化と高純度化処理を行った後、加工を行い肉厚１０ｍｍの中性子吸収材収納用容器を得た。
【００２３】
（実施例３）
実施例１と同様の炭素繊維クロスを、実施例２と同様の方法でプリプレグを作製し、５００×３００ｍｍに裁断し、実施例１と同じマンドレルに１０ｍｍずつずらしながら順番に２５枚のプリプレグを貼り付けて一周し、円筒状に成形した。その後、１６０℃で加熱、加圧処理を行って熱硬化させ、ＣＦＲＰシリンダーを製作した。次いで、実施例１と同様に黒鉛化、高純度化処理、機械加工をして、肉厚が１０ｍｍの中性子吸収材収納用容器を得た。
【００２４】
上記実施例１乃至実施例３で得られた２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材について、ｄ_００２、Ｌｃ、かさ密度、曲げ強さ、圧縮強さ、引張り強さ、灰分を測定した。結果を表１に示す。
【００２５】
曲げ強さは、６０×１０×３ｍｍの試験片を作成し、スパン４０ｍｍ、の３点曲げにて測定した。圧縮強さは、１０×１０×１０ｍｍの試験片を作成し、積層面に垂直の荷重を加え圧縮破壊強度を測定した。引張り強さは、長さ１５０×つかみ部の幅２０×引っ張り部の長さ３０×引っ張り部の幅６×厚み４（ｍｍ）の試験片を作成し、積層面に平行の荷重を加え引張り破壊強度を測定した。なお、上記曲げ強さ、圧縮強さ、引張り強さは、インストロン材料試験機モデル１１７５を使用し、荷重速度０．５ｍｍ／ｍｉｎで測定した。灰分は、試料を９５０℃電気炉中で、３Ｎｌ／ｍｉｎの酸素を供給して灰化し、重量法にて測定した。
【００２６】
【表１】

【００２７】
実施例１〜３に係る中性子吸収材収納容器の内部に、中性子吸収材となる炭化ホウ素ペレットを収納し実際に原子炉の制御棒として使用したところ、収納容器を構成する炭素繊維クロス間の層間剥離等は認められず、特に問題なく使用することができた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の中性子吸収材収納用容器は２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材によって形成しているので、従来のように制御棒外筒形状に炭素繊維を編んで成形する必要がなく、簡単に成形することができ、しかも製造コストを下げることができる。
【００２９】
また、本発明の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は、学振法による格子面間隔（ｄ_００２）が０．３４ｎｍ以下、Ｃ軸方向の結晶子サイズ（Ｌｃ）が１０ｎｍ以上となるように黒鉛化されているので、結晶化度が高く、中性子吸収材を収納して原子炉用制御棒として使用したときに、中性子照射による寸法変化や、性能変化が少ない制御棒とすることができる。
【００３０】
さらに、本発明の中性子吸収材収納用容器を形成する２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は、高強度のものが得られることにより、緻密化処理を最小限に抑えることができ、かさ密度が１．４５〜１．８０Ｍｇ／ｍ^３の低密度のものであっても、中性子吸収材収納用容器とすることができる。これによって、低コストで、軽量の中性子吸収材収納用容器を得ることができる。
【００３１】
また、本発明の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は１００ＭＰａ以上、圧縮強さが７５ＭＰａ以上、引張り強さが１００ＭＰａ以上であるため高強度の中性子吸収材収納用容器とすることができ、上記低密度と相俟って、軽量でかつ高強度の中性子吸収材収納用容器とすることができる。
【００３２】
またさらに、本発明の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は高純度化処理により灰分が２０ｍａｓｓ　　ｐｐｍ以下のものであるので、高純度で放出ガスの少ない中性子吸収材収納用容器とすることができ、原子炉を長時間運転しても原子炉内の清浄度が低下することを防止でき、しかも不純物による制御棒を含めた炉内構造材料の酸化腐食の促進を防止することができる。

Claims (7)

1. 原子炉の制御棒を構成する中性子吸収材収納用容器であって
   、前記中性子吸収材収納用容器が２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料で形成されてなる中性子吸収材収納用容器。
2. 前記２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料の学振法による格子面間隔（ｄ_００２）が０．３４ｎｍ以下、Ｃ軸方向の結晶子サイズ（Ｌｃ）が１０ｎｍ以上である請求項１に記載の中性子吸収材収納用容器。
3. 前記２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料のかさ密度が１．４５〜１．８０Ｍｇ／ｍ^３である請求項１又は請求項２に記載の中性子吸収材収納用容器。
4. 前記２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料の曲げ強さが１００ＭＰａ以上、圧縮強さが７５ＭＰａ以上、引張り強さが１００ＭＰａ以上である請求項１乃至請求項３に記載の中性子吸収材収納用容器。
5. 前記２Ｄ−炭素繊維強化炭素複合材料の灰分が２０ｍａｓｓ　ｐｐｍ以下である請求項１乃至請求項４に記載の中性子吸収材収納用容器。
6. 炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を塗工しながらマンドレルに巻きつけて円筒状に成形し、熱硬化させた後、焼成、緻密化、黒鉛化、高純度化処理する中性子吸収材収納用容器の製造方法。
7. 炭素繊維クロスに熱硬化性樹脂を塗工してプリプレグを作製し、作製したプリプレグをマンドレルに貼り付けて円筒状に成形し、熱硬化させた後、焼成、緻密化、黒鉛化、高純度化処理する中性子吸収材収納用容器の製造方法。