JP2013530397A

JP2013530397A - 核制御棒のための開孔を有する固体インターフェースジョイント

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Publication number: JP2013530397A
Application number: JP2013514716A
Authority: JP
Inventors: マキシムザビーゴ; パトリックダヴィッド; アランラヴネ; デニロシェ
Original assignee: コミッサリアアレネルジーアトミークエオゼネルジザルタナテイヴ
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: KR101832356B1; JP2016176961A; KR20130112857A; CN103098142B; WO2011157782A1; UA106802C2; JP2016186491A; CA2802472A1; RU2567874C2; RU2013101773A; US20130208848A1; FR2961624B1; JP5977232B2; FR2961624A1; EP2583284A1; CN103098142A; EP2583284B1; JP6188872B2; US9620251B2; JP6255446B2

Abstract

本発明は、核制御棒において被覆管とペレット集積体の間に配置される新規なインターフェースに関する。本発明によれば、中性子を透過するとともに開孔を有する材料からなり、高い熱伝導率を有し、厚み方向への圧縮に伴う変形が可能とされた構造（３）を有するインターフェースジョイント（３）が、中性子を吸収する材料である炭化ホウ素からなるペレット集積体と被覆管の間に、当該集積体の高さを上回らないように挿入される。また本発明は、対応する製造方法に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子炉で用いられる核制御棒中における、ペレットの集積体とこれを包囲する被覆管のインターフェースに関するものである。

本発明が想定する用途としては、以下のものが含まれる。
・加圧ヘリウムのようなガスの形態をなす冷却材を用いて動作し、セラミック複合材料（ＣＭＣ）製の被覆管を備える核燃料棒、およびウラン・プルトニウム混合炭化物型燃料ペレットを使用する、第４世代原子炉と呼ばれるガス冷却型原子炉（ＧＦＲ；非特許文献９参照）
・ナトリウム冷却材を用いて動作する高速中性子炉（ＳＦＲ；非特許文献１２参照）
・加圧水型原子炉（ＰＷＲ；非特許文献３参照）または沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）

また本発明は、動力炉に用いられ、ペレットがＢ_４Ｃ中性子吸収材料からなる制御棒に関するものである（非特許文献５、８参照）。

本願明細書においては、「原子炉」という用語を、現時点において理解されているその通常の意味で用いる。すなわち、燃料エレメントを用いた核分裂反応に基づいてエネルギを発生するためのパワープラントを意味している。この核分裂反応において熱出力の放出が生じる。熱出力は、燃料エレメントを冷却する冷却流体との熱交換により燃料エレメントから除去される。

本願明細書においては、「核制御棒」（または「アブソーバ」）という語は、例えば、Dictionnaire des Sciences et Techniques Nucleaires（原子力科学技術辞書）において定義されている、その公式の意味で用いる。すなわち中性子吸収材料を含み、炉心内における位置に応じて原子炉の反応性に影響を与える棒を意味する。

稼働条件および原子炉の性能に応じて、様々なタイプの制御棒が存在する。

核制御棒によって発揮される主たる機能は、次の通りである。
・核反応による中性子吸収の制御を可能にする。当該制御には、性能上の制約（吸収する核の密度）、および安全上の制約（核反応度および冷却の制御に必要な形状安定性）が課せられている。
・核反応から生じる放射性生成物の封じ込めを確実にする。被覆管は、原子炉の通常稼働時において放射性生成物を外部に漏らさない状態を維持することを要する。事故時においても、放射性生成物の漏出は、所定の限界値内に収まることを要する。
・核反応によって放出されるエネルギ除去の制御を保証する。当該制御には、性能上の制約（冷却材への伝達を劣化させうる熱障壁の制限）、および安全上の制約（冷却材チャネルの完全性、アブソーバの溶融までの裕度、構造に過剰な機械的負荷をもたらしうる寸法伸縮を生じる温度勾配の制限など）が課せられている。

原子力施設で通常用いられるアブソーバは、その形状に応じて、次のように分類されうる。
・円筒状：例えばＦＮＲ原子炉またはＰＷＲ原子炉に用いられる制御棒
・板状：例えば沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に用いられる制御棒

本発明は、とりわけ円筒形状と円形の断面を有する核制御棒に関する。当該核制御棒内においては、円形断面を有する円筒形状のＢ_４Ｃ中性子吸収ペレットが、封止された被覆管内に集積されている。このとき被覆管の一端には、エクスパンションベッセルと呼ばれる、ペレットの存在しない領域が確保される。これは核反応の照射を受けて引き起こされるスウェリング現象によるペレット柱の延伸を吸収するためのものである。この円筒構造には、集積されたペレットの柱と被覆管との間にインターフェースが存在する。組立時においてインターフェースは、接触面のみ、あるいは機能的間隙に相当する程度まで小さくすることができる。機能的隙間は、少なくとも一種のガス状または液状の材料からなる少なくとも一つの層から構成される。

発明者らは、吸収エレメントにおけるこのインターフェースによって発揮される機能のリストを以下の通り作成した。

一次的機能：
（ｆ１）集積されたペレットの柱の径方向および軸方向に沿った自由膨張を可能にすることにより、吸収ペレットと被覆管の間の機械的分離を管理して、ペレットと被覆管の間の機械的相互作用（以後ＰＣＭＩと称する）を制限する。
（ｆ２）制御棒の軸方向端に配置されたエクスパンションベッセル、または制御棒の被覆管に形成された排気口まで、中性子吸収反応により生成されるガス（Ｂ_４Ｃペレットの場合は、ヘリウムおよびトリチウム）を輸送可能にする。
（ｆ３）アブソーバと被覆管の間の熱結合を管理する。
（ｉ）アブソーバの過剰な温度上昇を阻止するため、とりわけ径方向に沿った熱障壁を最小限に抑える。
（ｉｉ）とりわけ被覆管にかかる大きい機械的負荷を誘発する寸法伸縮を生じさせうる温度不均一性を最小限に抑えるため、とりわけ軸方向およびアジマス方向について本機能の連続性を保証する。

環境によって誘発される機能：
（ｆ４）原子炉の炉心の性能を保持するため、一次的機能（ｆ１〜ｆ３）を発揮して、インターフェースにおける中性子の衝撃を最小限に抑える。
（ｉ）形状寸法を最小限に抑えることにより発揮する。
（ｉｉ）（とりわけ高速スペクトルにおける）中性子との相互作用断面が大きい材料を利用することにより発揮する。
（ｆ５）一次的機能（ｆ１〜ｆ３）を発揮して、その環境に対するインターフェースの化学的適合性を保証する。
（ｉ）被覆管との化学的適合性を保証する（例えば事故状況下において、高温での稼働速度が上昇しない）。
（ｉｉ）アブソーバとの相互作用の化学的適合性を保証する（例えば、アブソーバの溶融までの裕度を低下させうる「低温」共晶が生じない）。

二次的機能：
（ｆ６）アブソーバ由来の成分（Ｂ_４Ｃペレットについては特に炭素）の被覆管への輸送を制限し、脆化を引き起こしうる内部腐食のリスクを阻止する（これは一次的機能ｆ１に関連した機能である）。
（ｆ７）被覆管にホットポイントを生じ、かつ被覆管の機械的負荷を増大させる温度不均一性を最小限に抑えるため、アブソーバ／被覆管のセンタリングを最適化する（これは、一次的機能ｆ１およびｆ３に関連した二次的機能である）。
（ｆ８）アブソーバと被覆管の隙間（もしあれば）にアブソーバの破片が入り込むリスクを最小限に抑える（生じないようにする）。すなわち、この間隙が歪み差の影響下（熱膨張およびスウェリング）で狭まることにより、被覆管のオーバリングやパンチングによって被覆管全体に欠陥を生じさせうるリスク最小限に抑える（これは、一次的機能ｆ１に関連する機能である）。

制御棒の場合、機能ｆ１とｆ８は切り離して考えることができない。燃料エレメントとは異なり、制御棒は大きな径を有しうる（ＦＮＲの場合は必須であり、ＰＷＲの場合は必須でない）ため、ペレットと被覆管の間に広い隙間が必要になる。すなわちペレットの破片が当該隙間に入り込むリスクが増す。よって機械的負荷のかかる被覆管の完全性を維持しようとしたとき、ペレットの破片の管理は深刻な問題となる。

補助的機能：
（ｆ９）通常の経済的制約条件を満足する。
（ｉ）寿命：一次および二次的機能を発揮して、目標の経済パフォーマンスに適合するアブソーバの稼働時間を実現する。
（ｉｉ）材料の調達および製造方法の実施に関する許容度を満足する。
（ｉｉｉ）コストを満足する。
（ｆ１０）事故状態において、安全性に対する重大な被害をなくす（例えば、炉心劣化が進行中の炉心における、インターフェースの構造材料に対する化学的反応度）。
（ｆ１１）技術上・製造上の問題、とりわけアブソーバ組立工程（アブソーバ、インターフェース、および被覆管）の実施時における問題を最小限に抑える。
（ｆ１２）核反応サイクルの出力側における分離および再利用に係る要件を、最小限の制約で満足する。

円筒形状と円形断面を有する制御棒におけるペレットと被覆管のインターフェースは、ガス（一般にはヘリウム、またはＳＦＲの場合はナトリウム）の形態をなしている。それは利用可能性のあるガスの中で、熱伝導率（機能ｆ３のｉ）、化学的中立性（機能ｆ５）、および補助的機能（機能ｆ９〜ｆ１２）に関して最適な特性を有するものである。ペレットと被覆管の機械的分離機能（機能ｆ１）、およびガスのエクスパンションベッセルや排気口への輸送機能（機能ｆ２）は、ガス状のインターフェースにより理想的に発揮される。そのようなインターフェースは、製造時においてペレットと被覆管の間に十分な機能的隙間が形成されることにより得られ、アブソーバと被覆管の歪み差により照射時において隙間が塞がることを防止する（非特許文献６参照）。

しかしながら、円筒形状および円形の断面、ならびにガス状のインターフェースを備える制御棒は、拮抗作用を示す。非常に厳しい性能的制限の範囲内である場合を除いて、機能ｆ１とｆ２を、そして機能ｆ３のｉとｆ４のｉを同時に発揮することができないためである。中性子の振る舞いに悪影響を及ぼす寸法上の制約条件（吸収エレメント中における吸収物質の濃度）を超えると、ガスインターフェースの熱伝導率が低下する。したがって、組立て中にペレットと被覆管との間の機能的隙間が増大すると、それにより形成される熱障壁が増し、アブソーバの温度が上昇することになる。安全要件が損なわれること（とりわけアブソーバ溶融までの裕度の低下）によって温度上昇が生じるという場合は別として、アブソーバの温度上昇にはペレットの三次元スウェリングが伴い、照射を受ける隙間が狭まる傾向にある。したがって、インターフェースの厚みを増しても吸収エレメントの寿命が延ばすことが難しくなる。

この熱被害を軽減するための解決手段の一つが、特許文献１に開示されており、様々な照射プログラム（非特許文献１０、１１参照）に基づく実験がなされている（当該文献は燃料エレメントを対象とするものであるが、制御棒についても全く同じ手法が適用可能である）。この解決手段においては、ガス状のインターフェースは用いられておらず、燃料エレメントの使用条件下で融点の低い液状の金属（一般にはナトリウム）により、インターフェースが形成されている。金属の伝導率はガスよりも高く、よってインターフェースの熱伝導性に係る問題を大幅に軽減することが可能である。したがって、燃料エレメントまたはアブソーバの熱平衡には影響をほとんど与えることなく、インターフェースの厚みを増すことが可能となる。

液体金属からなるインターフェースを備えることの別の利点は、その優れた熱伝導率のため、被覆管に対して生じうる燃料ペレットまたはアブソーバの偏心によりもたらされる周方向の熱不均一性問題が軽減するという点である。この同心性に係る要件（機能ｆ７）は、ガスまたは液体金属からなるインターフェースによって保証されることはない。ガスや液体金属は、本来的に十分な剛性を有するものではないためである。偏芯は、必ず周方向の熱流束を不均一にする。この熱不均一性の影響（熱歪み差によって誘発される被覆管のホットポイントおよび機械的負荷）は、インターフェースが液体金属からなる場合には緩和される。液体金属と被覆管の間において、また液体金属とペレットの間において、熱伝達が良好なためである。

しかしながら、液体金属からなるインターフェースの形成にあたっては、幾つかの問題が避けられない。

第一に、環境との適合性（例えば化学的側面：機能ｆ５）は極めて限定的であることが知られている。例えば、ナトリウム（ＳＦＲに通常用いられる）の場合、明らかに冷却水との不適合性（ＰＷＲ）、および高温で稼働される原子炉との不適合性を有している。結果として、ナトリウム（沸点８８０℃程度）が沸騰する恐れに対する裕度が不十分になる（例えばＧＦＲの場合には、裕度が無くなりさえする）。

例えば熱不均一性（機能ｆ３のｉｉ）に関しては、液体金属中に気泡（製造中に形成されたり、照射を受けて放出される核分裂ガスによって形成される気泡）が存在することにより誘発されるインターフェースの不連続部のため、この解決手段の熱的有利性が損なわれることになることが明らかである。この問題は実験照射中に観測され、被覆管の初期破損のために、燃料エレメントまたはアブソーバの寿命が短縮されうることが分かった（非特許文献１１参照）。

燃料またはアブソーバ成分輸送の制限（機能ｆ６）に関しては、ヘリウムおよびナトリウムのインターフェースの挙動を比較することを目的として、ＳＦＲ型原子炉における炭化物燃料の実験照射が行なわれた。その結果、液体金属の場合、浸炭が被覆管の脆化の一因となることが明らかになった。被覆管の侵炭は、燃料から生じてナトリウムを通過する炭素の輸送が増大することによって誘発される。この問題は、偏心によるペレットと被覆管の接触が生じない限り、ヘリウムによっては生じることがないように思われる（非特許文献１１参照）。

Ｂ_４Ｃアブソーバ、鋼ベースの被覆管、およびナトリウムのジョイントを用いる制御棒の場合、吸収ペレットの脱炭、ナトリウム経路を通る遊離炭素の移動、および被覆管内面の熱化学的侵食に起因する被覆管の脆化について、同様の問題が生ずる。

機能ｆ８に関しては、本来的なジョイントの剛性不足により、燃料またはアブソーバの破片の移動が可能になる。インターフェースに進入した燃料またはアブソーバ破片は、照射中にペレットと被覆管の間で圧縮されることにより、被覆管のオーバリングやパンチングを生じさせる可能性がある。こうしたパンチングは、被覆管の完全性や封止安全機能の早期損失をもたらす。一方オーバリングは、近傍の燃料エレメントまたはアブソーバ間における熱交換および機械的相互作用（もし存在すれば）に影響を与え、性能を劣化させる。燃料エレメントの照射に関する実操作の体験によれば、ペレットと被覆管との間における径方向の機能隙間の初期値がペレットの半径の約４％未満であれば、ペレットの破片がインターフェースに入り込む確率が制限され、パンチングによる被覆管破損のリスクを最小限に抑えうる（非特許文献１３参照）。

しかしながら、安全面から要請されるこの制限は、燃料エレメントまたはアブソーバの動作寿命にとって比較的不利になることが立証されている。ＰＣＭＩなしに動作寿命が大幅に短縮されるためである。経済パフォーマンスに必要な原子炉における燃料またはアブソーバの長期使用のためには、寿命が尽きる前の期間においてＰＣＭＩを伴う動作が避けられない。

非常に高いスウェリング率が特徴であるＢ_４Ｃアブソーバの作製中においては、ＰＣＭＩの発生を遅延させるために、ペレットと被覆管の隙間を非常に広くする必要がある。例えばＳＦＲの場合、ペレットの半径の１０％を上回るのが通常であり、上述の４％よりも大きい。制御棒の径は（少なくとも高速スペクトル原子炉の場合は）、燃料エレメントの径よりも大きいため、上記の必要性はとりわけ重要である。例えば、燃料ペレットの半径が７ｍｍ程度であるのに対し、SUPERFHENIX（非特許文献８参照）の場合、吸収ペレットの半径は１７．４ｍｍである。よってペレットの破片が被覆管とペレットの隙間に侵入するリスクがとりわけ深刻であり、破片を収容するためのスリーブシステムが開発されてきた所以である（非特許文献８参照）。

経済パフォーマンスおよび安全性能に関して、ＰＣＭＩを伴う動作を許容可能にするために、様々な解決手段が提案されている。

当該解決手段は、ガス状のインターフェースでも液体金属状のインターフェースでも個別に解決できない、以下に示す二つの未解決問題の克服を目的としている。
・アブソーバとの接触状況において被覆管にかかる機械的負荷を軽減
・熱化学的侵食および核分裂ピークによる被覆管の脆化を最小限に抑える

提案された全ての解決手段においては、インターフェースの少なくとも一部として、少なくとも一層の中間材料層を付着させている。

特許文献２には、ＦＮＲ原子炉内において少なくとも７００℃の温度で動作し、金属被覆管を備える燃料棒のために、燃料ペレットと被覆管との間に金属ウランをベースにした中間層を用いることが開示されている。当該文献には、以下に列挙する事項についての記載がある。
・中間層と被覆管の間の密着
・中間層と被覆管の間において温度に係る機能を発揮する、一般にはナトリウムで形成されるインターフェースの別の部分
・中間層と被覆管の間において化学適合性に係る機能を発揮する、一般にはアルミナの追加層
・燃料と中間層の間で真空領域を形成する溝
・中間層や燃料ペレットの空隙率がとりうる値は、理論上８５％を超えない
・中間層の構成エレメントとしてのウラン合金、またはウランとモリブデンによる合金

ＰＷＲ原子炉に用いられる、ジルコニウムベースの被覆管を備える燃料棒について、同様の解決手段が開示されている。

例えば、特許文献３には、消耗品の中性子毒（^１０Ｂで濃縮したホウ化物）をベースにしたライナの形成方法が開示されている。燃料ペレットは、ＰＣＭＩを緩和するため、厚さ１０μｍ〜１００μｍの中性子毒でコートされる。

特許文献４には、被覆管の内面に付着される金属ライナの形成方法が開示されている。金属ライナは、応力腐食割れやペレットと被覆管の機械的相互作用によって誘発される被覆管の穿孔や破損のリスクを防ぐためのものである。

特許文献５には、被覆管の内面のライナ（厚さ４μｍ〜５０μｍ）と燃料ペレット表面のライナ（厚さ１０μｍ〜２００μｍ）の組合せを形成する方法が開示されており、黒鉛のような材料による被覆管の内面のライナは、とりわけ「潤滑材」の役割を果たす。

特許文献６には、溝が形成された延性中間層の形成方法が開示されている。この層は、潜在的なＰＣＭＩによって誘発される応力を吸収するためのものであり、塑性変形可能である。したがって、被覆管内面における亀裂の伝播が回避される。

特許文献７には、ＨＴＲ原子炉に用いられる球形状の燃料粒子も記載されている。多層構造は、中心に位置する燃料ボールとこれを包囲する被覆管からなり、燃料ボールの核分裂ガスの封止と機械的完全性をもたらしている。燃料ボールと被覆管の間には、緩衝機能を発揮する多孔質熱分解炭素層が配置されている。これは核分裂ガスと燃料ボールの膨張容積を確保するためのものである。

円筒形状と円形の断面を有する核制御棒により生ずる問題として、中性子アブソーバの破片がペレットと被覆管の間のインターフェースに進入すること（機能ｆ８）は、ＳＦＲにおけるＢ_４Ｃ材料の使用についての重要な運用実績として記載されている（非特許文献８参照）。吸収ペレットは、^１０Ｂによる中性子の吸収により生成されるヘリウムによって誘発されるスウェリングの効果により破断する。これにより微小な破片が放出されて被覆管とペレットの隙間を埋め、ＰＣＭＩが促進される。ＰＣＭＩは、被覆管にかかる機械的負荷を生じ、許容できない損傷を早期にもたらす。吸収ペレットを薄い金属製のスリーブ内に配置することが、一解決手段として用いられている（非特許文献８参照）。当該解決手段によれば、ペレットの破片を封じ込めることができ（スリーブが破損する場合も含める）、制御棒の寿命を一定の範囲で延長しうる。

特許文献８には、金属網状（当該文献の図１、２に示された実施形態）または金属リボン状（当該文献の図３、４に示された実施形態）を呈するスリーブの利用が開示されている。当該スリーブは、燃料ペレット柱と被覆管の間に挿入されて燃料ペレット柱の周りに螺旋状に巻き付けられ、燃料ペレット柱の両端で閉塞エレメントに固定されている。当該文献に記載の解決手段は、ペレット断片または破片が生じた場合に、これを封じ込めることのみを目的としている。したがって、当該スリーブの唯一の機能は、燃料ペレット破片を封じ込めることであり、ペレットと被覆管との間で熱を伝達する機能は、ナトリウムのような充填流体（例えば、当該文献の第４欄、第２３〜３０行に記載）によって行なわれる。

ペレットの三次元スウェリングを吸収する機能は、当該文献の請求項１に極めて明確に表現されているように、当該目的に適合する寸法の機能隙間を、スリーブと被覆管との間に強制的に設けることによって行なわれる。換言すると、当該文献が開示する解決手段は、スリーブと熱伝導液の間に形成される複合的なインターフェースである。スリーブは、ペレット柱の両端に固定されている。熱伝導液はペレット柱と被覆管の間において十分な厚みを有しており、ペレットの三次元スウェリングを十分に吸収しうる大きさの機能隙間を形成している。なお当該複合的インターフェースは構成が複雑であり、再現性に劣るというリスクが伴う。スリーブが燃料ペレット集積体の両端で閉塞エレメントに固定されるため、核燃料棒の製造において追加の工程が必要となるためである。

特許文献８は、上記の解決手段が核制御棒にも適用可能である旨を記載している（第３欄、第３６行）。

特許文献９は、中性子吸収ペレット（通常はＢ_４Ｃ）の集積体と被覆管の間に挿入され、ＳｉＣ繊維で強化されたスリーブの利用を開示している。当該文献に記載の解決手段は、本来的に機能し得ない。記載されている当該スリーブの材料は、セラミック複合材料（ＣＭＣ）と同等のものである。発明者らによって行なわれた研究により明らかなように、このような複合材は、集積されたペレットの膨張または三次元スウェリングを長期にわたって吸収することができない。ＣＭＣは本来的に硬く（ヤング率が２００〜３００ＧＰａ程度）、延性が低い（破損点伸びが１％未満）ので、中性子アブソーバの三次元スウェリングの影響下でペレットと被覆管との機械的相互作用状況が生じると、すぐに破損が引き起こされる。また当該文献に記載のスリーブ厚は、許容可能な値をはるかに下回る中性子アブソーバの体積分率を示唆している。アブソーバの体積分率を低下させると、^１０Ｂの含有率を増す必要があり、コストが上昇するという不利益がある。

特許文献１０は、繊維からなる金属製のスリーブの使用を開示している。具体的には、Ｂ_４Ｃ吸収ペレットの集積体と被覆管の間に、集積体の全高にわたってブレイズが挿入される。特許文献８の場合、このスリーブ単独では、制御棒におけるペレットと被覆管のインターフェースジョイントに必要な全ての機能を発揮することができない。基本的に吸収ペレットの破片を閉じ込める働き（機能ｆ８）をするものの、特に一次機械的な機能ｆ１と熱的な機能ｆ３を満足のゆくものにするには、充填流体（特許文献１０に記載のナトリウムのような液体金属）と組み合わせる必要があるためである。特許文献８に記載のスリーブは、ナトリウムに浸される状況に適用できるようには見えない。よって当該文献に記載の解決手段は、ＳＦＲへの利用に限定され、例えばＰＷＲやＧＦＲに利用される余地はない。これらの原子炉がナトリウムの使用を禁じているためである（ＰＷＲにおける冷却剤との適合性の問題及びＧＦＲにおける沸点の問題）。

特許文献１１は、中性子吸収ペレットの集積体と被覆管の間に挿入される金属スリーブの利用を開示している。当該スリーブは、集積体の下部にのみ挿入される。当該文献に記載の特定材料、すなわち３４７型ステンレス鋼は、極めて高い温度には適合しない。よってＧＦＲや他の原子炉における事故シナリオには適さない。

特開平１１−１８３６７４号公報英国特許第１１８７９２９号公報米国特許第４８１８４７７号公報米国特許第３９６９１８６号公報米国特許第４７８３３１１号公報特開平３−６８８９５号公報国際公開第２００９／０７９０６８号公報米国特許第４２３５６７３号公報仏国特許第２７６９６２１号公報特開２００４−２４５６７７号公報米国特許第４１７２２６２号公報

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本発明の全般的な目的は、上記の先行技術を参照して説明した欠点のない、円筒形状と円形断面を有する核制御棒におけるペレットと被覆管との間に形成される、改良されたインターフェースを提案することにある。

本発明の別の目的は、円形断面を備えた既存の核制御棒を製造するために設けられた産業施設にも適用可能な、改良されたペレットと被覆管のインターフェースを備える核制御棒を製造するための方法を提案することにある。

上記の目的を達成するために、本発明が対象とするものは、長手方向に延びる核制御棒であって、柱状に集積され、中性子を吸収する材料である炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）からなる複数のペレットと、前記柱状のペレットを包囲する被覆管と、中性子を透過する材料からなり、前記被覆管と前記柱状のペレットの間に挿入されたインターフェースジョイントとを備え、前記ペレット、前記被覆管、および前記インターフェースジョイントは、前記長手方向を横切る円形断面を有し、前記インターフェースジョイントは、前記柱状のペレットを少なくとも上回る高さを有する。

本発明によれば、前記インターフェースジョイントは、前記被覆管および前記柱状のペレットと機械的に結合しておらず、熱伝導率と空隙率の高い固体構造を有し、前記固体構造は、照射を受けた前記ペレットの三次元スウェリング効果による、その厚み方向への圧縮に伴う変形が可能とされており、前記インターフェースジョイントの初期厚さと圧縮比は、照射を受けた前記ペレットにより前記被覆管へ伝達される機械的負荷が所定の閾値よりも小さいままであるように定められている。

高い熱伝導率とは、Ｂ_４Ｃ吸収ペレット柱と被覆管の間で熱を伝達し、吸収ペレットの核温度が融点を下回り続けることを保証するのに十分な高さの熱伝導率を意味している。

よって本発明に係るインターフェースジョイントは、高い空隙率を有する固体構造を備えている。好ましくは、低温状態における空隙率は、ジョイントの体積の３０〜９５％である。原子炉の公称稼働温度に達するまで下記の機能を発揮可能とするためである。
・圧縮による過剰な機械的負荷が被覆管にかからないようにして、照射を受ける集積された中性子吸収ペレットの径方向の膨張を可能にする。
・構造の連続性を損なわない変形により、被覆管に過剰な機械的負荷がかからないようにし、高温かつ照射にさらされた状態で、集積されたペレットとそれらを包囲する被覆管との間における軸方向の歪み差を吸収可能にする。
・被覆管に沿って循環する冷却材に対する、ペレット内の核反応によって生じる熱の一様な伝達を促進する。
・被覆管に形成されている排気口や、被覆管の端部に配置されており、中性子アブソーバが存在しないエクスパンションベッセルへの、照射を受けて放出されるガス（ヘリウムおよびトリチウム）の輸送を可能にする。
・ペレット内のアブソーバによって放出されて被覆管を腐食させうる生成物を保持することにより、ペレット内のアブソーバとの適合性問題から被覆管を保護する。

冷却剤が加圧される原子炉（例えばＧＦＲ）や、加圧を伴わない原子炉で用いられるあらゆる核制御棒に、本発明に係るインターフェースジョイントを適用しうる。冷却剤が加圧される場合、稼働中に被覆管がペレットに接触しないようにするため、使用される被覆管がクリープ変形に対して十分な耐性を有していることが保証されるように、注意が払われる。一般に、耐火性セラミック複合材料（ＣＭＣ）からなる被覆管が最適である。

開孔を有する固体インターフェースジョイントは、被覆管に過剰な機械的負荷をかけることなく、長期にわたりＢ_４Ｃ吸収ペレットの三次元膨張を可能にする。これにより、燃料エレメントに係る稼働停止条件よりも厳しい、再装填のための稼働停止条件を課することなく、長期にわたる照射が可能となる。

「過剰な負荷」とは、核制御棒に関する通常の設計基準によって課せられる制限を超える可能性のある、とりわけ周方向における負荷を表わすものである（非特許文献１４参照）。熱に係る制約（性能や不連続部がないこと）、中性子に係る制約（中性子吸収能力や寸法）、およびエクスパンションベッセルに放出される核分裂ガスの輸送に関する制約についても考慮を要する。

また開孔を有する固体インターフェースジョイントは、アブソーバから放出され、被覆管と化学反応してその機械的性能を劣化（例えばストレス腐食問題）させうる生成物の少なくとも一部を捕獲する。

ジョイントの開孔、およびペレットと被覆管の少なくとも一方からインターフェースジョイントを分離する機能隙間には、ヘリウムのようなガスとナトリウムのような液体金属の少なくとも一方を充填してもよい。

本発明に係る固体インターフェースジョイントは、その生来の剛性（圧縮が始まる機械的負荷の閾値に至るまでの堅さ）により、被覆管内におけるペレットのセンタリングを確実なものにし、Ｂ_４Ｃアブソーバの破片のいかなる移動も阻止する。

被覆管とペレットの機械的相互作用の発生を長期にわたり遅らせる方法の一つとして、厚さ数百μｍの固体インターフェースジョイントを用いることが考えられる。いずれにせよ、その熱特性がＢ_４Ｃ中性子アブソーバの温度制御を保証することに注意が払われる。場合によっては、充填されるガスや液体金属の熱特性も考慮される。

固体インターフェースジョイントは、目的に見合った機械的特性を確実に備えるように注意が払われる。例えば、十分に高い圧縮歪み許容性を備えるように注意が払われる。すなわち、制御棒の径方向について、および剪断方向（燃料棒または制御棒の周方向および回転軸に平行な向き）について、照射を受ける中性子吸収ペレットと被覆管の歪み差を、被覆管に過剰な機械的負荷をかけることなく、またジョイントの軸方向および周方向の不連続性を伴うことなく吸収するように注意が払われる。

上記の機械的特性は、１００〜２００ｄｐａ−Ｆｅ程度の線量（フルエンス換算で２〜４×１０^２７ｎ／ｍ^２）に至るまで保証されることを要する。中性子吸収ペレットは、三次元スウェリングに供されることにより、その直径および長さが増す。被覆管のスウェリングは、本来的にアブソーバのスウェリングよりも大幅に小さいため、ペレットと被覆管の間のインターフェースは、照射中に縮小する。またペレットの集積体は、被覆管よりも大幅に長く延伸するため、それらの間に長手方向の剪断応力を生ずる。

したがって、インターフェースジョイントが以下に列挙する事項を確実に行なうことができるように注意が払われる。
・圧縮歪みにより、被覆管の機械的強度に適合する剛性を備えたインターフェースの縮小を補償する。これにより、局所的に密な領域の存在（製造方法や照射中の焼しまり等から生じる欠陥）を排除する。
・径方向の圧縮や剪断変形（被覆管とアブソーバの少なくとも一方に表面が付着することにより、被覆管の機械的強度に対応する軸方向の力が伝達されるとの仮定に基づく）による延伸（ポアソン比の効果）によって、および／または径方向圧縮の作用に基づく軸方向の粘性押し出し流によって、中性子アブソーバの集積体と被覆管の間の長手方向の滑り変形を補償する。

本発明に係るインターフェースジョイントは、その全高にわたって連続的に形成される。軸方向の不連続部を生ずることなく、上述の長手方向滑り変形を補償するためである。

ジョイントの変形モードが、ジョイントの破砕を生じることがないように、注意が払われる。一般に原子炉の稼働停止中（予定されたものであるかは問わず）にインターフェースが部分的に再開放されたとき、後に例えば出力や温度の上昇時において被覆管にパンチングが生ずるリスクを誘発する破砕片の移動が生ずる可能性があるためである。

固体インターフェースジョイントのために想定される材料が、中性子に対してできる限り吸収性であることを保証するように、注意が払われる。

製造により得られる構造の空隙率の高さは、照射時における効率を大きく低下させることなく、被覆管に形成された排気口（もしあれば）や、吸収エレメントの上部近くに配置されたエクスパンションベッセルへの、放出されたガスの輸送を促進することを要する程度とされる（構造を圧縮すると、全空隙率および開孔比率を低下させることになる）。

この構造によって得られる交換表面積の大きさは、照射を受けたアブソーバによって放出されて腐食による被覆管の脆化の一因となりうる生成物（例えば、Ｂ_４Ｃの場合は炭素）の保持を促進することを要する程度とされる。

本発明に係る構造的固体インターフェースジョイントによれば、ペレットと被覆管の間で通常用いられるインターフェースよりも厚みを増すことができ、中性子吸収材料（Ｂ_４Ｃ）からなるペレットの寿命を延ばすことが可能である。その結果、安全性に影響を与えることなく、大幅な経済的節約をもたらす。

本発明に係るインターフェースジョイントの開孔の体積は、製造後におけるインターフェースジョイントの全体積の３０％以上としうる。好ましくは、３０〜９５％であり、より好ましくは、５０〜８５％である。

インターフェースジョイントに係る上述の空隙率および形状寸法は、低温状態、すなわち製造により得られ、原子炉で使用される前のインターフェースジョイントのものであることは自明である。本発明に係る制御棒の他のエレメントについても同様である。

本発明に係る空隙率は、例えば、ブレイズおよび繊維に関する密度測定や、例えばＸ線断層撮影、光学顕微鏡法または光学肉眼検査による画像解析といった、様々な既知の測定技法によって定量化しうる。

前記長手方向を横切る向きの断面における前記インターフェースジョイントの厚さは、前記ペレットの半径の１０％を上回るようにするとよい。

インターフェースジョイントは、ブレイズ、フェルト、ウェブ、ファブリック、ニットの少なくとも一つを含む、少なくとも一つの繊維構造からなる構成としてもよい。ここで体積百分率が１５〜５０％の繊維を有しているとよい。この値は５０〜８５％の空隙率に対応している。ジョイントに要求される圧縮率と高い熱伝導率を両立し、形成されうるアブソーバの破片の有効な封じ込めが可能である。

一実施形態として、インターフェースジョイントは、複数の炭素繊維層、および当該複数の炭素繊維層に重ねられた炭化珪素繊維を含む複数層を備えるブレイズからなる構成としうる。あるいは、フォームを含むハニカム材料からなる構成としうる。インターフェースジョイントは、セラミックまたは金属をベースにしてもよい。

ガス冷却型原子炉（ＧＦＲ）に用いられる場合、被覆管の基本材料は、ＳｉＣ−ＳｉＣ_ｆのような耐火性セラミック複合材料（ＣＭＣ）とすることが好ましい。ＣＭＣは、場合により耐熱金属合金をベースにしたライナと組み合わせられる。

ナトリウム冷却型高速原子炉（ＳＦＲ）に用いられる場合、被覆管は金属材料製とすることが好ましい。

本発明は、以下の工程を含む核制御棒の製造方法にも関する。
ａ）中性子を透過するとともに良好な熱伝導率と開孔を有する材料からなり、厚み方向への圧縮に伴う変形が可能とされた構造を有するジョイントの少なくとも一部を作製する工程
ｂ）円形状の断面を有し、両端の少なくとも一方が開放された円筒状の被覆管に、前記少なくとも一部が作製されたジョイントを挿入する工程
ｃ）前記被覆管に挿入された前記ジョイントの内側に、高さが前記ジョイントを上回らないように、中性子を吸収する材料である炭化ホウ素からなる複数のペレットを挿入する工程
ｄ）前記ジョイントの全部が作製された後に、前記被覆管を完全に閉塞する工程

第１の実施形態として、前記工程ａ）は、炭化珪素繊維を含む複数のブレイズ層を、マンドレルに被せた複数の炭素繊維ブレイズ層に重ねる工程と、前記複数のブレイズ層および前記複数の炭素繊維ブレイズ層を円筒形の金型内で圧縮する工程と、前記圧縮されたブレイズに可溶性バインダを添加する工程と、溶剤を蒸発させる工程とをさらに備える。前記工程ｂ）は、前記ブレイズが被せられた前記マンドレルを用いて行なわれた後、当該マンドレルが取り外される。前記工程ｃ）では、前記バインダを除去するために真空下で熱処理が行なわれることにより、前記ジョイントは、柱状に集積された前記複数のペレットおよび前記被覆管と接触する。前記ブレイズ層は、前記マンドレルの軸に対してブレイズ角が４５度とされた、二次元タイプのものとしうる。

炭素繊維は、Thornel（登録商標）P-100 type（それぞれ２０００本のフィラメントを含み、解して使用）としうる。炭化ケイ素繊維は、HI-NICALON（商標）type S（それぞれ５００本のフィラメントを含む）である。可溶性バインダは、ポリビニルアルコールを用いるとよい。

第２の実施形態として、前記工程ａ）は、マンドレルに被せられたチューブ状の炭素繊維ウェブに対してニードルボンディングを施す工程と、前記チューブに熱処理を行なう工程と、前記熱処理されたチューブを円筒形の金型内で圧縮する工程と、前記圧縮されたチューブに可溶性バインダを添加する工程と、溶剤を蒸発させる工程とをさらに備える。前記工程ｂ）は、前記チューブが被せられた前記マンドレルを用いて行なわれた後、当該マンドレルが取り外される。前記工程ｃ）では、前記バインダを除去するために真空下で熱処理が行なわれることにより、前記ジョイントは、柱状に集積された前記複数のペレットおよび前記被覆管と接触する。

炭素繊維は、Thornel（登録商標）P-25 typeを用いうる。第１の実施形態と同様に、可溶性バインダは、ポリビニルアルコールを用いるとよい。

第３の実施形態として、前記工程ａ）は、ハニカム開孔からなる炭素フォームチューブを作製する工程と、Ｗ−Ｒｅ合金を前記炭素フォームチューブに化学蒸着（ＣＶＤ）を施す工程とをさらに備える。

本発明の他の利点および特性については、添付の図１および図１Ａを参照しながら、本発明に係る核制御棒の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。

本発明に係る核制御棒の部分縦断面図である。図１による核制御棒の横断面図である。本発明に係るインターフェースジョイントの繰返し圧縮試験を示す図である。負荷モードは、（出力変動により非定常状態にある）原子炉照射下での稼働を表わすものである。

図示のエレメントは、核制御棒である。このエレメントは、低温状態、すなわち最終製造済みの制御棒が原子炉での利用前の状態で示されている。

本発明に係る核制御棒は、外側から内側へ向かい、以下のものを備えている。
・金属またはＣＭＣ（セラミック複合材料）製の被覆管１。その内壁は、場合によりライナでコートされている。
・第１アセンブリセット２（上述のバインダ蒸発プロセスに続く製造中に、場合により除去される限りにおいて、任意）。
・本発明に係る、開孔を有する固体ジョイント３。
・第２アセンブリセット４（上述のバインダ蒸発プロセスに続く製造中に、場合により除去される限りにおいて、任意）。
・柱状に集積された、中性子を吸収する炭化ホウ素Ｂ_４Ｃからなるペレット５。

開孔を有する固体ジョイント３は、集積されたペレット５の柱の高さを上回る高さを有している。多孔質の固体ジョイント３と集積されたペレット５の柱との高さの差は、稼働原子炉の照射でスウェリングによって延伸する柱が、軸方向についてジョイントと対向し続けることを保証しうるように定められている。

非特許文献８に記載のSUPERPHENIX原子炉が備えるアブソーバは、毎年１ｃｍ^３あたり１０^２２個の中性子を捕獲し、同条件下において０．０５％程度のＢ_４Ｃのスウェリングによるアブソーバの延伸が毎年５％程度であることを目標としている。

幾つかのタイプの材料が、本発明に係る多孔質固体ジョイント３の製造に適する可能性がある。繊維構造であって、場合により当該構造にマトリックスを付着させたものや、開孔を有するハニカム材料が有利である。

適性のある繊維構造には、ブレイズ、フェルト、ウェブ、ファブリック、またはニット、もしくはそれらの組合せが含まれる。当該繊維構造は、焼き締め前において体積百分率が少なくとも１５％（フェルトの場合は少なくとも５％）の繊維を含んでいる。繊維は、セラミック化合物（炭素、炭化物、窒化物、または酸化物）製、もしくは金属化合物（Ｗ、Ｗ−Ｒｅ合金、Ｍｏ−Ｓｉ_２等）製とすることが可能である。本発明に係る多孔質固体ジョイント３に適した繊維構造の製造方法の一つとしては、従来のブレイジング、フェルト形成、ウェビング、ニードルボンディング、ウィービングまたはニッティング技法を用いることが考えられる（非特許文献４参照）。

耐熱性の化合物（セラミック化合物または金属化合物）を繊維に付着させることによって、材料の熱伝導率を高めたり、繊維を保護することを考えうる。付着の度合いは、最終材料（付着により補強された構造）の空隙率が３０〜８５％（フェルトの場合は９５％にも達する）というように、体積百分率で表わされる。付着は、化学蒸着（ＣＶＤ）法（非特許文献１参照）、セラミックポリマ前駆体の含浸、熱分解等のような他の技法により行なわれうる。

ジョイント３をペレット５の周りに配置してから、ジョイント３とペレット５のアセンブリを被覆管１に挿入する。あるいは、ジョイント３を被覆管１に挿入してから、ペレット５をジョイント３内に挿入する。

ジョイント３の方が膨張率が高いため、原子炉内の温度上昇時における熱膨張差によって、先ず被覆管１とジョイント３の間で物理的接触が形成され、次いでジョイント３とペレット５の間で物理的接触が形成される。物理的接触を実現する別の方法は、ジョイント３の径方向への圧縮である。この場合、アセンブリ（被覆管１−ジョイント３−ペレット５）の設置後、かつ制御棒が使用される原子炉にて当該アセンブリが稼働に供される前においても、ジョイント３は解放されうる。

適性のあるハニカム材料またはフォームは、空隙率が３０％〜８５％で、直径がペレットの「マクロ片」の移動を阻止するために１００μｍ未満、かつ気孔の相互接続には十分な大きさのものである。これらの材料の組成は、セラミック化合物または金属化合物ベースとすることが可能である。本発明に係る多孔質固体ジョイント３に適したハニカム材料を作製するには、溶融材料または前駆体化合物（炭素用の有機樹脂）中に気泡、あるいは気泡を発生させる化合物を注入したり、化合物や粒子による粉末冶金、基材となるフォームへの化合物付着といった従来技術を用いる（非特許文献２、７参照）。化合物（セラミック化合物または金属化合物）の付着によって補強されるフォーム基材の性質は、フォーム化合物と同一であっても相違してもよい。化合物の付着は、例えば化学蒸着（ＣＶＤ）によって行なわれうる（非特許文献１参照）。

本発明に係る核制御棒の三つの実施例を、SUPERPHENIX原子炉の主制御システム（ＳＣＰ）の特性（非特許文献８参照）とともに以下に示す。全ての例において、制御棒は、Ｂ_４Ｃ吸収ペレット５の集積体と、これを包囲する被覆管１を備えている。吸収ペレット５の直径は１７．４ｍｍであり、被覆管１の内径は１９．８ｍｍである。すなわちアセンブリの径方向における隙間の幅は、１．２ｍｍ（低温時）となる。

比較例としてのSUPERPHENIX原子炉のＳＣＰ制御棒（非特許文献８参照）においては、吸収ペレット柱は厚さ２００μｍのライナによって包囲される。当該ライナは、照射により形成されるペレットの破片を封じ込めるためのものである。そして残されたペレットと被覆管の隙間は、効率的な熱伝導をもたらす液体ナトリウムで充填される。そのような制御棒の最期は、ペレットと被覆管の間の機械的な相互作用と関連付けて説明される。すなわち、当初はペレットが被覆管から離間していることにより形成されていた空間がＢ_４Ｃペレットの三次元スウェリングにより埋められると、機械的負荷が被覆管をすぐに使用不能にしてしまう。

被覆管とペレットの隙間の初期幅（１．２ｍｍ）からライナの厚さ（２００μｍ）を差し引くと、ペレットが将来的に許容される膨張が１ｍｍ程度となる。半径８．７ｍｍのペレットの場合、被覆管とペレットの機械的相互作用に至るまでに許容される膨張率は、１１．５％程度となる。この特性は、アブソーバの中性子捕獲率（２００×１０^２０／ｃｍ^３）を達成するのに十分である。

本発明に係る多孔質固体ジョイントの場合、（Ｂ_４Ｃペレットの三次元スウェリングによる圧縮によって）ジョイントの空隙率が完全に消失することで到達する寿命の終りを考慮すると、製造時空隙率の設計値から想定可能な中性子吸収率の利得を評価することが可能である。厚さ２００μｍのライナを厚さ１．２ｍｍのジョイントに変更することによって、スリーブ型の解決手段により得られる捕獲率を実現し、上述の利点（被覆管内におけるペレットのセンタリング）を得るために、ジョイントの空隙率に必要とされる値は、一般に１／１．２の比率に等しい値、すなわち８３％程度（ジョイントの構成材料の理論的密度が１７％）である。なお、ジョイントによって誘発される熱効果は無視されている（アブソーバのスウェリング比に関して二次的な効果であることが、計算により示されている）。

（実施例１：ＳｉＣ層／Ｃ層を備えるブレイズ）
第１層は、３つのブレイズ層を重ねて形成される。各ブレイズ層は、下記の特性を有する炭素繊維（Thornel（登録商標）P-100 type；それぞれ２０００本のフィラメントを含み、糸径を小さくするために解される）をマンドレルに被せて形成される。
・内径：１７．５ｍｍ
・外径：１９．０ｍｍ
・ブレイジングタイプ：２Ｄ
・ブレイジング角：４５°

第２層は、３つのブレイズ層を重ねて形成される。各ブレイズ層は、下記の特性を有する炭化ケイ素繊維（HI-NICALON（商標）typeＳ；それぞれ５００本のフィラメントを含む）で前述の第１層の上に形成される。
・内径：１９．０ｍｍ
・外径：２１．２ｍｍ
・ブレイジングタイプ：２Ｄ
・ブレイジング角：４５°

こうして形成された多層ブレイズ３は、内径が１９．７ｍｍの円筒形金型内で圧縮される。次いで除去可能な可溶性バインダ（この場合はポリビニルアルコール）がブレイズに添加された後、溶剤が蒸発させられる。

次に、ブレイズ３が脱型され、内径が１９．８ｍｍの金属被覆管１に挿入される。次に、中央のマンドレルが除去され、直径１７．４ｍｍのＢ_４Ｃ中性子吸収ペレット５の柱が、ブレイズ３に挿入される。真空下でアセンブリを熱処理することにより、バインダが除去され、ブレイズ３が膨張し、ペレット５および被覆管１と物理的に接触する。

したがって、製造されたブレイズ３の厚さは、被覆管１とペレット５の間のアセンブリ隙間の全幅、すなわち１．２ｍｍに等しい。

次に、例えば溶接によって、被覆管１の両端が閉塞されうる。図示は省略するが、最終的な閉塞工程の実施前に、圧縮コイルバネが、エクスパンションチャンバあるいはベッセル６内に収容される。このときバネの下端がペレット５の集積体に接触し、バネの上端は上部プラグに接触する。このバネの主たる機能は、長手軸ＸＸ′の方向に沿ってペレット５の集積体を保持し、ペレット５の長手方向スウェリングの影響下でペレット柱の経時的延伸を吸収することである。

こうして本発明に係る多孔質固体ジョイント３を備えるように製造された核制御棒は、原子炉に用いることが可能になる。

（実施例２：ニードルボンディングを施された炭素構造）
炭素繊維層（商標名Thornel（登録商標）P-25）は、黒鉛マンドレルに被せられ、内径１７．５ｍｍで外径２１．２ｍｍのチューブ形状を呈するようにニードルボンディングを施される。

次に、アルゴンの雰囲気中において、３２００℃で集合体に熱処理が施される。こうして形成されたチューブは、内径が１９．７ｍｍの円筒形金型内で圧縮される。次に、除去可能な可溶性バインダ（この場合ポリビニルアルコール）が当該構造に添加された後、溶剤が蒸発させられる。

こうして得られた多孔質ジョイント３が脱型され、内径が１９．８ｍｍの被覆管１に挿入される。次に、中心マンドレルが除去され、直径１７．４ｍｍのＢ_４Ｃ中性子吸収ペレット５の柱が、ジョイント３と被覆管１の組付構造内に挿入される。

真空下でアセンブリを熱処理することにより、バインダが除去され、ジョイント３が膨張し、集積されたペレット５および被覆管１と物理的に接触する。

次に、例えば溶接によって、被覆管１の両端が閉塞されうる。図示は省略するが、最終的な閉塞工程の実施前に、圧縮コイルバネが、エクスパンションチャンバあるいはベッセル６内に収容される。このときバネの下端がペレット５の集積体に接触し、バネの上端は上部プラグに接触する。このバネの主たる機能は、長手軸ＸＸ′の方向に沿ってペレット５の集積体を保持し、ペレット５の長手方向スウェリングの影響下でペレット柱の経時的延伸を吸収することである。こうして本発明に係る多孔質固体ジョイント３を備えるように製造された核制御棒は、高速中性子炉に用いることが可能になる。

（実施例３：Ｗ−Ｒｅ５％合金でコーティングされた炭素フォーム）
直径４０μｍのハニカム孔により構成された炭素フォームからなる、内径１７．４ｍｍで外径１９．８ｍｍのチューブが、化学蒸着（ＣＶＤ）炉内に配置される。

フォームを形成するリガメントに対し、タングステンおよびハロゲン化レニウム化合物の混合物を分解することにより得られるＷ−Ｒｅ５％合金が、約７μｍの厚さで付着される。

次に、このフォームチューブが内径１９．８ｍｍの被覆管１に挿入され、さらに直径１７．４ｍｍのＢ_４Ｃ中性子吸収ペレット５の柱が、当該フォームチューブに挿入される。

本発明の範囲を越えることなく、考えうる改良を行なうことができる。例えば、上述の実施例１〜３の全てにおいて、多孔質固体ジョイント３の製造時の厚み、すなわち被覆管１が閉塞され、制御棒の使用準備が整った後の厚さは、被覆管１とペレット５の柱の間のアセンブリ隙間設計値に等しい。

図１に符号２、４で示すように、制御棒の準備ができた後でも、隙間が維持されていてもよいことは明らかである。当該隙間は、製造方法や条件（とりわけ第一に被覆管１と多孔質固体ジョイント３の熱膨張差、第二に当該ジョイント３とＢ_４Ｃ中性子吸収ペレット５との熱膨張差）により生ずるものである。

図１に符号２、４で示された隙間は、予めガスまたは液体金属で充填されている。この場合、本発明に係る多孔質固体ジョイント３およびＢ_４Ｃ中性子吸収ペレット５の開孔は、必然的に当該ガスまたは液体金属で満たされる。

しかしながら本発明によれば、先行技術の解決手段（とりわけ特許文献８に記載のもの）とは異なり、アセンブリ隙間は必須ではない。よって照射を受けるペレットの三次元スウェリングを吸収するための機能的隙間を設ける必要がない。

また、上述の実施例における多孔質固体ジョイントの形成に用いられるマンドレルは、黒鉛や石英のように、ジョイントに用いられる材料に適合する様々な材料からなるものを用いうる。

また、製造工程における被覆管が閉塞される前の最終ステップとして、実施例１〜３では圧縮コイルバネを配置するとしている。より一般的には、被覆管を最終的に閉塞する工程に先んじる工程においては、核の分野で現在「内部システム」と呼ばれている、バネ、スペーサ、不活性パッキング等の部品アセンブリを利用しうる。その機能は、被覆管内でペレット柱の軸方向における位置決めを行ない、加圧冷却剤を用いる場合においては、被覆管のバックリング（被覆管がエクスパンションベッセル側へ潰れること）を阻止することにある。

図２は、本発明に係るインターフェースジョイントの圧縮挙動を示す。このジョイントは、空隙率が高く、ＳｉＣ材料製のブレイズまたはフェルトをベースにしている。

より具体的には、繰返し圧縮試験の結果が示されている。繰返しの各サイクルは、図２において歪み−応力平面に負荷ループとして示されている、交番する負荷状態と無負荷状態からなる。

横軸は、ジョイントの厚み方向における圧縮比の値（％で表した歪み）を示す。縦軸は、圧縮の影響下においてジョイントによって伝達される機械的負荷の値（ＭＰａで表わした応力）が示されている。

正確には上記の応力は、集積されたＢ_４Ｃ中性子吸収ペレットの三次元スウェリングにより核制御棒の被覆管に加えられる径方向の機械的負荷σ_ｒに相当する。当該応力は、ペレットと被覆管の間に位置するジョイントの圧縮により、被覆管に直接伝達される。この径方向の負荷によって、周方向の制御負荷σ_θが生じる。その強さは径方向の負荷の強さに係数を乗じたものに相当する。当該係数は、被覆管の平均半径ｒ_Ｇの厚さｅ_Ｇに対する比にほぼ等しく（σ_θ≒（ｒ_Ｇ／ｅ_Ｇ）σ_ｒ）、一般に５〜１０の値となる。

よって図２は、本発明に係るインターフェースジョイントが、応力吸収体のごとく機能しうるという事実を示している。すなわち、伝達される負荷が顕著となるのは、十分に高い圧縮比の場合のみであり、その値は、圧縮比とともに漸増する伝達負荷が、（突然変化することなく）許容限界負荷の閾値に達することで超える比の値である。図２に示すブレイズとフェルトについては、それぞれ４０％程度と７０％程度の圧縮率において負荷σ_ｒが顕著（１ＭＰａから）になると考えられる。

原子炉照射を行なう稼動状態においては、被覆管破損が生じないことを保証する限界値をＢ_４Ｃ中性子アブソーバからの機械的負荷が下回らなければ、核制御棒の被覆管は当該負荷に耐えることができない。よって例えば、周方向の許容負荷σ_θの閾値が１００ＭＰａ（通常の許容負荷としては妥当な値）、すなわち径方向負荷σ_ｒが１０程度（ｒ_Ｇ／ｅ_Ｇ比が１０程度のとき）とした場合、図２は、上記のブレイズ型ジョイントとフェルト型ジョイントについて、それぞれ６０％と９５％の圧縮比が得られること、すなわち機械的負荷を被覆管へ伝達可能であることを示している。

図２に示した試験によれば、ブレイズとフェルトをベースとした本発明に係るインターフェースジョイントは、その完全性を維持した。すなわち、ブレイズあるいはフェルト構造は、高速中性子炉（ＦＮＲ）の制御棒におけるペレットと被覆管の間に再形成される隙間に侵入する可能性があるジョイントの破片を生ずることなく保持される。

制御棒が、できる限り長期にわたって最大の許容出力密度で高速中性子炉内に保持されれば、経済パフォーマンスが最適化されうる。このようなパフォーマンスは、安全指針を充足するために、様々な稼働上の制約によって低下することが常である。最も厳しい制約の一つは、あらゆる状況下において制御棒の被覆管に機械的完全性を保証する必要によって課せられる。これにより、被覆管にかかる許容可能な制限負荷（それを超えると、被覆管の完全性を保証できなくなる応力や歪み）の定義が導き出される。しかしながら、照射を受けたＢ_４Ｃ中性子吸収ペレットは、連続的な三次元スウェリングの影響を受ける。これによりペレットと被覆管の機械的相互作用（ＰＣＭＩ）がもたらされ、被覆管に容認できない負荷がかかりうる。

したがって核制御棒の動作寿命は、こうした過剰な相互作用が生じる期間に大きく左右される。上述の本発明に係るインターフェースジョイントは、より長期にわたるペレットの膨張または三次元スウェリングを可能にするので、満足のゆく応答を示す。ペレットの三次元スウェリングが一定の場合、耐久性は、ジョイントの初期厚と圧縮比に依存する。ここで圧縮比とは、被覆管が容認できない機械的負荷の伝達をもたらす圧縮状態に至る前の許容値を表す。取り付けられるジョイントの初期厚は、許容可能な圧縮比が高くなるにつれて薄くなる。

図２は、上記したブレイズ型またはフェルト型のジョイントの圧縮限界に到達するには非常に高い圧縮比が必要であることを示している。すなわち、適切な厚みのジョイントを設置すれば、照射期間を長くすることができることを意味している。高速スペクトル原子炉の場合、ジョイントが厚ければ、空隙率が高くても設置が容易であり、SUPERPHENIXで用いられているスリーブ型解決手段の性能に容易に到達し、あるいはこれを上回ることも可能である。

さらに、厚さ約１ｃｍの本発明に係る繊維構造に対し、温度４００℃において１００μｍ程度の繰返し変位に相当する力を加える剪断試験を実施した。１％の延伸の場合、繊維構造は全く損なわれていなかった。高速スペクトル原子炉の制御棒の場合、ジョイントは大きな厚みを有してよいため、本発明のようにブレイズやフェルトが重ねられた複数の層を有するジョイントを使用することができる。照射を受けるジョイントが供される軸剪断応力については、ペレット柱の延伸（スウェリング効果）が被覆管の延伸よりも顕著であるために生ずるものである。上記の多層構造は、層間の相対摺動を許容することによりジョイントにかかる機械的負荷を軽減し、もって剪断応力によるジョイントが損傷するリスクを抑制することができる。

Claims

長手方向（ＸＸ’）に延びる核制御棒であって、
柱状に集積され、中性子吸収材料である炭化ホウ素からなる複数のペレット（５）と、
前記柱状のペレットを包囲する被覆管（１）と、
中性子を透過するとともに開孔を有する材料からなり、前記被覆管と前記柱状のペレットの間に挿入されたインターフェースジョイント（３）とを備え、
前記ペレット、前記被覆管、および前記インターフェースジョイントは、前記長手方向を横切る円形断面を有し、
前記インターフェースジョイントは、前記柱状のペレットを少なくとも上回る高さを有し、
前記インターフェースジョイントは、前記被覆管および前記柱状のペレットと機械的に結合していない構造を有し、
前記固体構造は、照射を受けた前記ペレットの三次元スウェリング効果による、その厚み方向への圧縮に伴う変形が可能とされており、
前記インターフェースジョイントの初期厚さと圧縮比は、照射を受けた前記ペレットにより前記被覆管へ伝達される機械的負荷が所定の閾値よりも小さいままであるように定められている、核制御棒。
前記開孔の体積は、製造後における前記インターフェースジョイントの全体積の３０％以上である、請求項１に記載の核制御棒。
前記開孔の体積は、製造後における前記インターフェースジョイントの全体積の３０〜９５％である、請求項２に記載の核制御棒。
前記開孔の体積は、製造後における前記インターフェースジョイントの全体積の５０〜８５％である、請求項３に記載の核制御棒。
前記長手方向を横切る向きの断面における前記インターフェースジョイントの厚さは、前記ペレットの半径の１０％を上回る、請求項１から４のいずれか一項に記載の核制御棒。
前記インターフェースジョイントは、ブレイズ、フェルト、ウェブ、ファブリック、ニットの少なくとも一つを含む、少なくとも一つの繊維構造からなる、請求項１から５のいずれか一項に記載の核制御棒。
複数の前記繊維構造からなる前記インターフェースジョイントは、体積百分率が１５〜５０％の繊維を有している、請求項４を引用する請求項６に記載の核制御棒。
前記インターフェースジョイントは、複数の炭素繊維層、および当該複数の炭素繊維層に重ねられた複数の炭化珪素繊維を含む層を備えるブレイズからなる、請求項６に記載の核制御棒。
前記インターフェースジョイントは、フォームを含むハニカム材料からなる、請求項１から５のいずれか一項に記載の核制御棒。
前記インターフェースジョイントは、セラミックをベースにしている、請求項１から９のいずれか一項に記載の核制御棒。
前記インターフェースジョイントは、金属をベースにしている、請求項１から９のいずれか一項に記載の核制御棒。
ガス冷却型原子炉（ＧＦＲ）に用いられる場合、前記被覆管の基本材料は、ＳｉＣ−ＳｉＣ_ｆのような耐火性セラミック複合材料（ＣＭＣ）である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の核制御棒。
ナトリウム冷却型高速原子炉（ＳＦＲ）に用いられる場合、前記被覆管は金属材料からなる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の核制御棒。
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）または沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）に用いられる場合、前記被覆管は、耐火性セラミック複合材料（ＣＭＣ）からなる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の核制御棒。
請求項１から１４のいずれか一項に記載の前記核制御棒を複数備え、それらが格子を形成するように配列されている、核吸収集合体。
ａ）中性子を透過するとともに良好な熱伝導率と開孔を有する材料からなり、厚み方向への圧縮に伴う変形が可能とされた構造（３）を有するジョイントの少なくとも一部を作製する工程と、
ｂ）円形状の断面を有し、両端の少なくとも一方が開放された円筒状の被覆管（１）に、前記少なくとも一部が作製されたジョイントを挿入する工程と、
ｃ）前記被覆管に挿入された前記ジョイントの内側に、高さが前記ジョイントを上回らないように、中性子を吸収する材料である炭化ホウ素からなる複数のペレットを挿入する工程と、
ｄ）前記ジョイントの全部が作製された後に、前記被覆管を完全に閉塞する工程とを備える、核制御棒の製造方法。
前記工程ａ）は、
炭化珪素繊維を含む複数のブレイズ層を、マンドレルに被せた複数の炭素繊維ブレイズ層に重ねる工程と、
前記複数のブレイズ層および前記複数の炭素繊維ブレイズ層を円筒形の金型内で圧縮する工程と、
前記圧縮されたブレイズに可溶性バインダを添加する工程と、
溶剤を蒸発させる工程とをさらに備え、
前記工程ｂ）は、前記ブレイズが被せられた前記マンドレルを用いて行なわれた後、前記マンドレルが取り外され、
前記工程ｃ）では、前記バインダを除去するために真空下で熱処理が行なわれることにより、前記ジョイントは、柱状に集積された前記複数のペレットおよび前記被覆管と接触する、請求項１６に記載の製造方法。
前記ブレイズ層は、前記マンドレルの軸に対してブレイズ角が４５度とされた、二次元タイプのものである、請求項１７に記載の製造方法。
前記炭素繊維は、それぞれ２０００本のフィラメントを含むThornel（登録商標）P-100 typeであり、解して使用される、請求項１７または１８に記載の製造方法。
前記炭化ケイ素繊維は、それぞれ５００本のフィラメントを含むHI-NICALON（商標）type Sである、請求項１７から１９のいずれか一項に記載の製造方法。
前記可溶性バインダは、ポリビニルアルコールである、請求項１７から２０のいずれか一項に記載の製造方法。
前記工程ａ）は、
マンドレルに被せられたチューブ状の炭素繊維ウェブに対してニードルボンディングを施す工程と、
前記チューブに熱処理を行なう工程と、
前記熱処理されたチューブを円筒形の金型内で圧縮する工程と、
前記圧縮されたチューブに可溶性バインダを添加する工程と、
溶剤を蒸発させる工程とをさらに備え、
前記工程ｂ）は、前記チューブが被せられた前記マンドレルを用いて行なわれた後、前記マンドレルが取り外され、
前記工程ｃ）では、前記バインダを除去するために真空下で熱処理が行なわれることにより、前記ジョイントは、柱状に集積された前記複数のペレットおよび前記被覆管と接触する、請求項１６に記載の製造方法。
前記炭素繊維は、Thornel（登録商標）P-25 typeである、請求項２２に記載の製造方法。
前記可溶性バインダは、ポリビニルアルコールである、請求項２２または２３に記載の製造方法。
前記工程ａ）は、
ハニカム開孔からなる炭素フォームチューブを作製する工程と、
Ｗ−Ｒｅ合金を前記炭素フォームチューブに化学蒸着（ＣＶＤ）を施す工程とをさらに備える、請求項１６に記載の製造方法。