JP2012503193A

JP2012503193A - 高熱伝導率を有する核燃料クラッディング及びその製造方法

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Publication number: JP2012503193A
Application number: JP2011527369A
Authority: JP
Inventors: カブレロ、ジュリアン; ペレル、ルネ; オードゥベール、ファブレンヌ
Original assignee: コミッサリアアレネルジアトミックエオエネルジオルターネイティブ
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2029-09-18
Also published as: PL2335250T3; EP2335250B1; US9031184B2; RU2504030C2; KR20110056417A; ZA201102878B; EP2335250A2; WO2010031925A2; CN102203879B; JP5318214B2; FR2936088B1; WO2010031925A3; RU2011112480A; ATE544158T1; US20110170653A1; CN102203879A; FR2936088A1

Abstract

本発明は、全体的にあるいは部分的にセラミックマトリクス複合材料から構成された核燃料クラッディングに関する。前記セラミックマトリクス複合材料は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）及び炭化ケイ素チタン（Ｔｉ_３ＳｉＣ_２）から選択される少なくとも１つの炭化物を含むマトリクスと、前記マトリクスの強化材料としての炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維と、前記マトリクス及び前記繊維の間に配置された相間層とを含む。本発明の核燃料クラッディングは、照射を受けて８００℃ないし１２００℃の温度になったときに、該クラッディング内の核燃料を物理的に維持することができると共に、冷却材への熱エネルギー伝達を最適にすることができる。本発明はまた、前記核燃料クラッディングの製造方法に関する。
【選択図】図２

Description

本発明は一般的に核燃料の分野に関し、特に、ヘリウム冷却式の「高温」核リアクター用の核燃料クラッディング及びその製造方法に関する。

未来型原子炉の１つである、冷却ガスとしてヘリウムを用いる高速中性子炉（Fast Neutron Reactor：ＦＮＲ）について説明する（そのような原子炉は「Ｈｅ−ＧＦＲ原子炉」と呼ばれる）。この原子炉は、作動中における原子炉コアの温度が８００℃ないし１２００℃になるので、高温原子炉と呼ばれる。

特許文献１に記載されているように、このような原子炉に用いられる核燃料クラッディングは、板体、円筒体、球体または空洞ネットワークとして提供される。

上記の温度状態にさらされる場合、前記核燃料クラッディングは、高溶融点の耐熱性材料を用いる必要があると共に（クラッディング内の燃料を維持すべく十分な熱機械的安定性を得るために）、照射下で高熱伝導率を有するべきである（原子炉の作動中に、生成された熱エネルギーを冷却ガスに向けて最適に伝達させるために）。

セラミックは、上記の基準を満たすものの、核燃料クラッディングの作動状態に耐えるにはあまりにも脆弱である。

実際には、核燃料内の核分裂反応により固体及びガス状核分裂生成物が生成され、その核分裂生成物によってクラッディングの膨張が引き起こされる。そのような負荷を受けた場合、セラミックにより形成されたクラッディングは破壊され、燃料閉じ込めの損失が生じる。

そのような損失を避けるためには、ＳｉＣ_ｆ／ＳｉＣ型のセラミックマトリクス複合（ceramic matrix composite：ＣＭＣ）材料を使用して物理的性質を向上させることが有効である。そのような材料は、炭化ケイ素繊維（ＳｉＣ_ｆと称される）の二次元または三次元配列からできており、炭化ケイ素繊維は、それが含まれるＳｉＣセラミックマトリクスの補強に寄与する。

しかしながら、所与の温度では、ＳｉＣ_ｆ／ＳｉＣ型のＣＭＣの熱伝導率は、照射にさらされた後は急激に減少する。

このため、ＳｉＣ_ｆ／ＳｉＣ型のＣＭＣは、Ｈｅ−ＧＦＲ原子炉の作動中に高温にさらされたときの、核燃料クラッディングから冷却ガスへの熱エネルギーの伝達については不適切であることが分かっている。

ヨーロッパ特許第EP 1 913 600号

本発明の１つの目的は、核燃料クラッディングであって、照射を受けて８００℃ないし１２００℃の温度になったときに、前記クラッディング内の核燃料を物理的に維持することができると共に、生成された熱エネルギーの冷却ガスへの伝達を最適にすることができる複合材料から全体的にあるいは部分的に構成された核燃料クラッディングを提供することにある。

したがって、本発明の主題は、セラミックマトリクス複合材料から全体的にあるいは部分的に構成されている核燃料クラッディングに関する。セラミックマトリクス複合（ＣＭＣ）材料は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）及び炭化ケイ素チタン（Ｔｉ_３ＳｉＣ_２）から選択される少なくとも１つの炭化物を含むマトリクスと、前記マトリクスの強化材料としての炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維と、前記マトリクス及び前記繊維の間に配置された相間層とを含む。

後述するように、照射を受けて８００℃ないし１２００℃の温度になったときに（好ましくは８００℃ないし１０００℃になったときに、さらに好ましくは８００℃になったときに）、本発明による核燃料クラッディングは、冷却材への熱伝導を向上させることができる熱伝導率を有し、それと同時に、ＣＭＣ固有の及びクラッディング内に収容されている燃料の閉じ込めを最適にすることができる熱物理的特性（高融点）及び物理的特性（脆性低下）を保つことを可能にする。

好適な実施形態では、セラミックマトリクス複合材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）をさらに含む。炭化ケイ素（ＳｉＣ）の含有量は、例えば、前記マトリクスの５０体積％未満（１％ないし５０％）、好ましくは２５体積％未満（１％ないし２５％）、さらに好ましくは１０体積％未満（１％ないし１０％）であり得る。様々な量のＳｉＣを加えることにより、マトリクスの性質（例えば、マトリクスの熱伝導率）を、近年の状況に適合するように最適なものにすることができる。また、マトリクス中にＳｉＣを組み込むことにより、マトリクスのＳｉＣ繊維に対する熱物理的適合性を向上させることができ、例えば、マトリクス及びＳｉＣ繊維の熱膨張係数を互いに一致させることにより、核燃料クラッディングの破壊を引き起こし得る、マトリクスとＳｉＣ繊維との間の熱膨張差の影響を低減することができる。

好適な実施形態では、マトリクスにおける炭化ケイ素（ＳｉＣ）の含有量は、マトリクスの５体積％ないし１５体積％である（特に、マトリクスがＴｉＣを含む場合は）。予期せぬことに、このようなマトリクス複合材料は、後述するように、最適な熱伝導率を実現することを可能にする。

随意的に、前記マトリクスは、円柱状微細構造を有する。

炭化ケイ素繊維は、全体的にあるいは部分的に規則的に配置され得る。炭化ケイ素繊維は、ランダムではなく規則的に配置された炭化ケイ素繊維から多くの場合は構成される繊維プリフォームに由来する。具体的には、炭化ケイ素繊維は、二次元織物（例えば、組物）、疑似的二次元織物（例えば、後で縫った組物布）、三次元織物、編布、またはフェルトなどの形態を有し得る。

核燃料クラッディングが管状あるいは板状の形状を有するときも、炭化ケイ素繊維は、組物（ブレード）あるいはフェルトの形態であることが好ましい。

ＳｉＣは優れた中性子及び熱安定性を有するので、炭化ケイ素繊維は本発明の目的に特に好適である。

さらに、炭化ケイ素繊維と前記マトリクスとの間に、相間層が配置される。

相間層は、全体的にあるいは部分的に、互いに積層させた複数の層を含む複合体から構成される。前記複合体は、熱分解カーボンであることが好ましい。

互いに積層させた複数の層を含む複合体の性質は、
・前記複合体の固有に構造により得られる（すなわち、前記複合体が元々持っている構造。熱分解カーボンの場合は、必然的にグラファイト面により構成される。そのような構造は層状と呼ばれる）
・前記複合体の製造過程によって得られる（例えば、後述するパルスＣＶＩ法。そのような構造は多層型と呼ばれる）。

相間層は、約１０ｎｍないし５００ｎｍ、好ましくは約１０ｎｍないし５０ｎｍ、より好ましくは約１０ｎｍないし３０ｎｍの平均厚さを有し得る。多くの場合、このように厚さを薄くすることにより、物理的特性が向上する。

本発明の核燃料クラッディングの全体または一部を形成する前記複合材料の空隙率は、熱伝導率を高めるために、１０体積％未満（さらには５体積％未満）であることが好ましい。

本発明の他の目的は、本発明の核燃料クラッディングの製造方法を提供することにある。本発明の方法は、複合材料を作製するための連続的なステップである、
（ａ）前記炭化ケイ素繊維から繊維プリフォームを形成するステップと、
（ｂ）化学蒸気浸透法を用いて、前記プリフォーム上に前記相間層を堆積させるステップと、
（ｃ）化学蒸気浸透法を用いて、前記相間層で被覆された前記プリフォーム上に、前記マトリクスを堆積させるステップとを含む。

前記繊維プリフォームは、一般的に、製造される核燃料クラッディングの形状に近い形状を形成される。本発明の製造方法により得られたクラッディングは、多くの場合は最終形態であり、リグラインド作業の必要はほとんどない。

前記ステップ（ｃ）の前記化学蒸気浸透法は、（ｉ）チタン化合物、ジルコニウム化合物及びシリコン系化合物から選択される少なくとも１つの化合物、（ｉｉ）炭化水素、及び（ｉｉｉ）水素を含む前駆体混合物を使用して行うことが好ましい。

より好ましくは、前駆体混合物においては、
・前記チタン化合物は、ＴｉＣｌ_４、ＴｉＢｒ_４またはＴｉ［ＣＨ_２Ｃ（ＣＨ_３）_３］_４から選択される少なくとも１つの化合物であり、
・前記ジルコニウム化合物は、ＺｒＣｌ_４、ＺｒＢｒ_４またはＺｒ［ＣＨ_２Ｃ（ＣＨ_３）_３］_４から選択される少なくとも１つの化合物であり、
・前記シリコン化合物は、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_４またはＣＨ_３ＳｉＣｌ_３から選択される少なくとも１つの化合物であり、
・前記炭化水素は、ＣＣｌ_４Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｃ_４Ｈ_１０またはＣ_３Ｈ_８から選択される少なくとも１つの化合物である。

前記化学蒸気浸透法（すなわち、ステップ（ｂ）において相間層を形成する際の化学蒸気浸透法またはステップ（ｃ）においてマトリクスを堆積させる際の化学蒸気浸透法）は、パルス化学蒸気浸透法であることが好ましい。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、非限定的な実施例によりなされる以下の説明からより明らかになるであろう。

ＳｉＣ比率が互いに異なるＴｉＣ系セラミック材料の熱伝導率の、温度を関数としたグラフを示す。照射を受けたＴｉＣ系セラミック材料の８００℃における熱伝導率の、ＳｉＣ比率を関数としたグラフを示す。

以下の例は、核燃料クラッディングの組成物に組み入れることを目的とする、本発明によるセラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）の製造方法を示す。

上述したように、核燃料クラッディングの形状及び寸法と近いかまたは同一の形状及び寸法を有する繊維プリフォームを使用することにより、本発明による製造方法によって、クラッディングをブランク形態あるいはさらには最終形態で得ることを可能にする。

次に、これらの例の実施形態を、照射を受ける前及び受けた後の、製造されたＣＭＣを代表するセラミック材料（炭化ケイ素繊維または相間層を除く）の熱特性により特徴付ける。

１−本発明の核燃料クラッディングの組成物に組み入れるセラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）の製造。

以下の製造作業は、当業者に公知の方法である化学蒸気浸透法（ＣＶＩ）を用いて行われる。

ＣＶＩを用いて、前駆体から炭化物を形成し、それを繊維プリフォーム上に堆積させる。前記前駆体は、一般的に、ガス形態で利用可能である。

特定のタイプのＣＶＩはパルスＣＶＩであり、そのようなものとしては、例えば、EP 0 385 869または「T.M. Besmann, Ceram. Trans., Vol 58, pages 1-12, 1995」において説明されているものがある。

パルスＣＶＩにおいては、前駆体は、原子炉容器（例えばオーブン）内で、パルスシーケンスにより搬送される。各パルスについて、前記オーブン内での前駆体の圧力は、次の３つの段階において経時的に変更される。
・第１段階：前駆体を導入するために、圧力を作業圧力（一般的に、数ｋＰａ）まで増加させる。
・第２段階：作業圧力を維持する（炭化物を堆積させる段階）。
・第３段階：過剰の前駆体を排出するために、圧力を減少させる。

１．１−ＳｉＣ_ｆ／ＴｉＣ型のＣＭＣの製造

ＣＶＩ法を用いて、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維を規則的に配置することにより構成した繊維プリフォームを、熱分解カーボン（ＰｙＣ）などの層状複合体から構成され、かつ数十ナノメートルないし数百ナノメートルの平均厚さを有する相間層で被覆する。

その後、繊維プリフォームを、加熱壁を有する１０５０℃のオーブン内に入れて、第１の真空を加える。

その後、パルスＣＶＩを用いて、４０ｋＰａ圧力下で混合ベッセル内に最初から収容されているガス前駆体（ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_４及びＨ_２）によって開始される気相反応によって、５ｋＰａの作業圧力下で炭化チタン（ＴｉＣ）を堆積させることにより、ＣＭＣマトリクスを製造する。

炭化物の堆積を可能な限り均一に行うために、組成物及び微細構造に関しては、低い温度（一般的には９００℃ないし１２００℃の範囲）及び低い作業圧力（一般的には１ｋＰａないし１０ｋＰａの範囲）で作業を行うことによって、堆積速度を制限することが好ましい。

温度及び圧力以外のパラメータもまた、炭化物の堆積の均一性に影響を与えることに留意すべきである。そのようなパラメータとしては、特に、炭化水素の性質、炭化物の比率、希釈係数などがある。

したがって、例えば、ＴｉＣ堆積に関しては、次の通りである。
・炭素の比率、すなわち、前駆体のガス状混合物における炭素原子の数のチタン原子の数に対する比率であるｍ^Ｃ／Ｔｉ（この比率は使用する炭化水素に応じて変化する）は、一般的に、１ないし１８の範囲内であるべきである。
・希釈係数α、すなわち、モル／リットル（すなわち、α＝［ＴｉＣｌ_４］＋［ＣＨ_４］＋［Ｈ_２］）／［ＴｉＣｌ_４］）で表される、総前駆体濃度のＴｉＣｌ_４濃度に対する比率は、一般的に、１５〜１００の範囲内であるべきである。

ＣＨ_４とりわけＨ_２のベクトルガスの流速、及びＴｉＣｌ_４の沸点を制御することにより、ＴｉＣｌ_４の流速、ひいては、希釈係数α及び炭素比率ｍ^Ｃ／Ｔｉの制御が可能となる。

前記オーブン内の圧力もまた、前記流速、並びに、遮断弁の開放時間に依存する。

この場合、堆積パラメータは次の通りである。
・キャリアガスの平均流速＝３０リットル／時間
・遮断弁の開放時間（第１段階）＝０．２〜０．３秒間
・滞留時間（第２段階）＝４〜５秒間
・ポンピング時間（第３段階）＝１秒間
・１パルス当たりの堆積厚さ＝１．５ｎｍ
・α＝５０
・ｍ^Ｃ／Ｔｉ＝９
・堆積速度＝約１μｍ／ｈ
上記の作業条件を用いて製造したＳｉＣ_ｆ／ＴｉＣ型のＣＭＣは、マトリクスが化学量論的なＴｉＣから構成され、円柱状微細構造及び４０μｍの平均厚さを有する。

１．２ＳｉＣ_ｆ／ＺｒＣ型のＣＭＣの製造

マトリクスがジルコニウム炭化物（ＺｒＣ）から構成されるＣＭＣは、上記の例に説明したのと同様の作業条件を用いて製造される。この場合の特定パラメータは次の通りである。
・当量のＺｒＣｌ_４、Ｃ_３Ｈ_６、Ｈ_２気体及びＡｒ／１６００°Ｃ／ｍ^Ｃ／Ｚｒ＝０．５（堆積速度は１４μｍ／ｈ未満）；または
・ＺｒＢｒ_４、ＣＨ_４、Ｈ_２、Ａｒ／１０００°Ｃ〜１５００°Ｃ／１〜１０ｋＰａ

１．３ＳｉＣ_ｆ／ＴｉＣ−ＳｉＣ型のＣＭＣの製造

この場合、ＣＭＣは、そのマトリクスが混合組成を有するように製造される。すなわち、ＣＭＣのマトリクスは、チタン炭化物（ＴｉＣ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）の両方を含む。

パルスＣＶＩは、例えば、各炭化物の前駆体に応じてパルス数を変更することによりＴｉＣのＳｉＣに対する比率を容易に変更することが可能なので、混合マトリクスの製造に特に適している。パルスＣＶＩのこの特徴は、マトリクスのＴｉＣ−ＳｉＣ組成が９０／１０、７５／２５、５０／５０体積パーセントの混合ＳｉＣ_ｆ／ＴｉＣ−ＳｉＣのＣＭＣを製造するために用いられる。

様々なパルスＣＶＩ堆積モードが考えられる。

第１の実施形態では、堆積層が不連続となるように、ＴｉＣ及びＳｉＣの各堆積シーケンスにおいてパルス数を減少させる。

ＴｉＣ堆積条件は、上述の例において説明した通りである。

ＳｉＣ堆積の堆積条件は、次のパラメータ以外は、ＴｉＣの堆積条件と同様である。
・ガス前駆体：Ｈ_２及びＭＴＳ（メチルトリクロロシラン：化学式ＣＨ_３ＳｉＣｌ）
・９００℃ないし１０５０℃の温度
・１．５ｋＰａ〜５ｋＰａの作業圧力
・α_ＳｉＣ（Ｐ_Ｈ２／Ｐ_ＭＴＳ）が１／４ないし５（１／４ないし１／２では残留炭素が形成されるが、３を超えると残留炭素は存在しない）。α_ＳｉＣが増加すると、堆積速度も増加する。

ＳｉＣ層の堆積速度は、上記した温度及び圧力に比例することに留意すべきである。

この場合、ＳｉＣを堆積させるのに効果的に使用されるパラメータは次の通りである。
・温度＝１０５０℃
・作動圧力＝４ｋＰａ
・α_ＳｉＣ（Ｐ_Ｈ２／Ｐ_ＭＴＳ）＝０．５
・１パルス当たりの堆積厚さ＝３ｎｍ
・堆積速度＝約０．３〜１μｍ／ｈ

パルスシーケンス構造は次の通りである：ＴｉＣ堆積のために２パルス、その後に、ＳｉＣ堆積のために１パルス。

得られた混合マトリクスは、化学量論的なＳｉＣ及びＴｉＣから製造され、かつ、４０μｍの平均厚さを有する。

第２の実施形態では、ナノ配列された堆積が作製される、すなわち、１０ないし１００ｎｍの平均厚さを有する様々な性質の層が連続的に堆積される。この目的のために、特にＴｉＣまたはＳｉＣのいずれかを対象とする前駆体パルスが連続的に生成される（例えば、ＳｉＣについてのパルス数は４０でＴｉＣについてのパルス数は８０、あるいは、ＳｉＣについてのパルス数は２０で、ＴｉＣについてのパルス数は４０）。

第３の実施形態では、ＳｉＣ前駆体及びＴｉＣ前駆体が同時に導入される。一般的に、前記前駆体及び作業条件は、次から選択される。
・ＴｉＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４、ＣＣｌ_４Ｈ_２／９５０℃〜１１５０℃／１００ｋＰａ
・ＴｉＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｈ_２／９５０℃〜１１５０℃／４〜４０ｋＰａ
・ＴｉＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４、ＣＨ_４、Ｈ_２／９５０℃〜１１５０℃／７ｋＰａ
・ＴｉＣｌ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_４、Ｃ_４Ｈ_１０、Ｈ_２／９５０℃〜１１５０℃／１００ｋＰａ
・ＴｉＣｌ_４、ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３、Ｈ_２／９５０℃〜１１５０℃／１〜１００ｋＰａ
・ＴｉＣｌ_４、ＳｉＣｌ_４、Ｃ_３Ｈ_８、Ｈ_２／９５０℃〜１１５０℃／１００ｋＰａ

２−ＴｉＣを含むセラミックマトリクス複合材料（ＣＭＣ）材料の熱的性質

上記の４つのＴｉＣ系ＣＭＣのマトリクスとして同一の組成を有するセラミック材料（炭化ケイ素繊維及び相間層を含まない）を、圧力下で焼結することにより製造した。

この４つのセラミック材料は、１００／０、９０／１０、７５／２５、５０／５０の堆積パーセンテージのＴｉＣ／ＳｉＣ組成を有する。

これらのセラミック材料は、その熱伝導率の絶対値がそれに対応するＣＭＣの熱伝導率の絶対値と異なる場合であっても、その相対値を比較することが可能であるので、上記の４つのＴｉＣ系ＣＭＣの相対的熱伝導率の測定を可能にする。他の点については、これらのセラミック材料の熱伝導率の挙動は互いに同様であり、上記の４つのＣＭＣの挙動を示す。

実際には、セラミック材料の熱拡散率を、異なる温度で測定する。

これらのセラミック材料の密度及び質量熱容量（Ｃｐ）が与えられると、熱伝導率は次の式に従って計算される。
ｋ＝α・ρ・Ｃｐ
ｋは熱伝導率（Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１）、
αは熱拡散率（ｍ^２・ｓ^−１）、
ρは密度（ｋｇ・ｍ^−３）、
Ｃｐは質量熱容量（Ｊ・ｋｇ^−１・Ｋ^−１）である。

ＴｉＣ及びＳｉＣに使用されるＣｐ（Ｔ）の式は次の通りである。

このセラミック材料が混合組成（例えば７５％のＴｉＣ＋２５％のＳｉＣ）を有する場合、その質量熱容量は、各炭化物の質量熱容量の加重平均である。

計算後、図１の例に示すような、温度を関数とした熱伝導率のグラフ（傾向曲線）が得られる。

図１から分かるように、ＳｉＣ_ｆ／ＴｉＣ−ＳｉＣ型の未照射ＣＭＣのマトリクスにおけるチタン炭化物含有量が増加すると、特に、温度の範囲が８００℃ないし１２００℃の場合及びＴｉＣ成分が５０％を超えた場合に、温度の上昇にもかかわらず、ＣＭＣの熱伝導率が増加する。

次の熱伝導率の測定によって、照射後のセラミック材料の挙動が確かめられた。

照射を受けた５つのセラミック材料、すなわち、４つの前記のセラミック材料及び１つの１００％ＳｉＣのセラミック材料（すなわち、セラミック材料のＴｉＣ／ＳｉＣの体積組成が、１００／０、９０／１０、７５／２５、５０／５０、０／１００）の熱伝導率を互いに同じ方法で測定した。

中性子束のシミュレーションによる前記照射は、核の相互作用によるダメージ領域（中性子損傷をシミュレートする）と電子の相互作用によるダメージ領域との２つのダメージ領域を形成すべく、１ｄｐａ（１原子当たりの弾き出し回数）の放射線量に達するように７４ＭｅＶエネルギーを有するＫｒイオンを注入することにより行った。前記熱伝導率は、核相互作用領域において約８００℃で測定した。

結果を図２に示す。図２には、照射を受けた、ＴｉＣ及びＳｉＣを含むセラミック材料の８００℃での熱伝導率は、ＴｉＣの割合が高くなると向上することが示されている。特に、９０％ＴｉＣ＋１０％ＳｉＣの体積組成を有するセラミック材料（一般的に、９５〜８５体積％のＴｉＣを含み、残りがＳｉＣである材料）が、最適な熱伝導率を有することが分かった。

相補的な結果により、Ａｕイオン（４ＭｅＶ、８ｄｐａ）の照射後は、ＴｉＣからなるセラミック材料の８００℃での熱導電性が、ＳｉＣからなるセラミック材料の８００℃での熱導電性よりも大きいことが示された。

以上のことから、ＳｉＣ繊維と、相間層と、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）及び炭化ケイ素チタン（Ｔｉ_３ＳｉＣ_２）より選択される少なくとも１つの炭化物からなるマトリクス材料とを含むセラミックマトリクス複合材料を使用して核燃料クラッディングを製造することにより、一般的に、照射下での８００ないし１２００℃のときの前記クラッディングの熱伝導率を向上させることができることが分かった。

したがって、本発明の核燃料クラッディングは、「Ｈｅ−ＧＦＲ」原子炉の作動中に、核燃料を物理的に維持することができると共に、冷却ガスへの熱伝導をＳｉＣ_ｆ／ＳｉＣ型のＣＭＣからなるクラッディングの場合よりも効率的に行うことができる。

Claims

全体的にあるいは部分的にセラミックマトリクス複合材料から構成された核燃料クラッディングであって、
前記セラミックマトリクス複合材料が、
炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）及び炭化ケイ素チタン（Ｔｉ_３ＳｉＣ_２）から選択される少なくとも１つの炭化物を含むマトリクスと、
前記マトリクスの強化材料としての炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維と、
前記マトリクス及び前記繊維の間に配置された相間層とを含むことを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項１に記載の核燃料クラッディングであって、
前記マトリクスが、炭化ケイ素（ＳｉＣ）をさらに含むことを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項２に記載の核燃料クラッディングであって、
前記炭化ケイ素（ＳｉＣ）が、前記マトリクスの２５体積％未満の量で含まれることを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項３に記載の核燃料クラッディングであって、
前記炭化ケイ素（ＳｉＣ）が、前記マトリクスの１０体積％未満の量で含まれることを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項３に記載の核燃料クラッディングであって、
前記炭化ケイ素（ＳｉＣ）が、前記マトリクスの５体積％ないし１５体積％の量で含まれることを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項１ないし請求項５に記載の核燃料クラッディングであって、
前記マトリクスが、円柱状微細構造を有することを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項１ないし請求項６に記載の核燃料クラッディングであって、
前記炭化ケイ素繊維が、全体的にあるいは部分的に規則的に配置されていることを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項１ないし請求項７に記載の核燃料クラッディングであって、
前記相間層が、全体的にあるいは部分的に、複数の層を互いに積層させた複合体から構成されていることを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項１ないし請求項８に記載の核燃料クラッディングであって、
前記相間層が、約１０ｎｍないし５００ｎｍの範囲の平均厚さを有することを特徴とする核燃料クラッディング。
請求項１ないし請求項９に記載の核燃料クラッディングであって、
前記複合材料が、１０体積％未満の空隙率を有することを特徴とする核燃料クラッディング。
上記の請求項１ないし請求項１０に記載の核燃料クラッディングの製造方法であって、
前記複合材料を作製するための連続的なステップである、
（ａ）前記炭化ケイ素繊維から繊維プリフォームを形成するステップと、
（ｂ）化学蒸気浸透法を用いて、前記プリフォーム上に前記相間層を堆積させるステップと、
（ｃ）化学蒸気浸透法を用いて、前記相間層で被覆された前記プリフォーム上に、前記マトリクスを堆積させるステップとを含むことを特徴とする方法。
請求項１１に記載の方法であって、
前記ステップ（ｃ）の前記化学蒸気浸透法が、（ｉ）チタン化合物、ジルコニウム化合物及びシリコン系化合物から選択される少なくとも１つの化合物、（ｉｉ）炭化水素、及び（ｉｉｉ）水素を含む前駆体混合物を使用して行われることを特徴とする方法。
請求項１２に記載の方法であって、
前記チタン化合物が、ＴｉＣｌ_４、ＴｉＢ_４またはＴｉ［ＣＨ_２Ｃ（ＣＨ_３）_３］_４から選択される少なくとも１つの化合物であり、
前記ジルコニウム化合物が、ＺｒＣｌ_４、ＺｒＢ_４またはＺｒ［ＣＨ_２Ｃ（ＣＨ_３）_３］_４から選択される少なくとも１つの化合物であり、
前記シリコン化合物が、ＳｉＣｌ_４、ＳｉＨ_２Ｃｌ_４またはＣＨ_３ＳｉＣｌ_３から選択される少なくとも１つの化合物であることを特徴とする方法。
請求項１２または請求項１３に記載の方法であって、
前記炭化水素が、ＣＣｌ_４Ｈ_２、ＣＨ_４、Ｃ_４Ｈ_１０またはＣ_３Ｈ_８から選択される少なくとも１つの化合物であることを特徴とする方法。
請求項１１ないし請求項１４のいずれかに記載の方法であって、
前記化学蒸気浸透法が、パルス化学蒸気浸透法であることを特徴とする方法。