JP2017072430A - 燃料被覆管、燃料棒及び燃料棒の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性及び生産性に優れており、且つ管本体と端栓との接合部の強度を比較的高いものにすることが可能な燃料被覆管を提供する。
【解決手段】本実施形態によれば、燃料被覆管は、繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており、内壁２５の径方向内側に複数の燃料ペレットを収容可能な管本体２０と、当該管本体２０の軸方向外側に結合される端栓３０と、を有する。端栓３０は、蓋部３２から軸方向内側に突出しており且つ軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、外面３６が径方向において内壁２５と対向する突出部３５とを有している。突出部３５は、管本体２０を構成する複合材料のうち母材と同じセラミックスと、当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属とを含み、径方向において当該セラミックスと当該金属との比率が変化するよう構成されており、外面３６は、内壁２５と接合されるよう当該セラミックスで構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、核燃料を被覆するための燃料被覆管及び燃料棒に関する。

原子力発電プラントにおいては、核燃料を被覆するための略筒状の容器（以下、単に「燃料被覆管」と記す）が用いられる。燃料被覆管には、一般的に、ジルコニウム合金等により構成されている。ジルコニウム合金は、燃料被覆管の使用環境において必要な耐食性や強度を有している。

上述したジルコニウム合金は、高温環境において水と酸化反応することにより、水素を発生する。このため、原子力発電プラントにおいては、過酷事象（シビアアクシデント）時において、燃料被覆管を構成するジルコニウム合金から多量の水素が発生する虞がある。過酷事象時において燃料被覆管から発生した多量の水素は、原子炉建屋崩壊のような事故を引き起こす原因となる。

高温環境における水との反応性が比較的低く、過酷事象時においても水素の発生を抑制できるという観点から、燃料被覆管を構成する材料に、セラミックス等の非金属材料、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化−炭化ケイ素複合材料（いわゆるＳｉＣ複合材料）を用いることが提案されている。

シー・エイチ・ヘネガー・ジュニア（C.H. Henagar Jr.）ほか、「ジャーナル・オブ・ニュークリア・マテリアルズ（Journal of Nuclear Materials）」2007年、p.1139−1143.

上述したような燃料被覆管は、通常、略筒状をなして軸方向に延びており、燃料ペレットの径方向外側を囲う部分（以下、管本体と記す）と、管本体の軸方向外側の端面に接合される端栓（plug）とを有している。燃料被覆管は、管本体の内壁より径方向内側に複数の燃料ペレットを収容し、当該管本体の軸方向外側に端栓が接合される。燃料被覆管の内部にある燃料ペレットが配置される空間（以下、単に「内部空間」と記す）には、ヘリウム等のガスが充填される。内部空間は、管本体に端栓が結合されることにより密閉される。

このような燃料被覆管において、管本体と端栓との接合部には、内部空間と燃料被覆管外との圧力差（例えば、１５０ＭＰａ以上）に耐え得る強度と、燃料ペレットから放出される核分裂生成物ガス（以下、ＦＰガスと記す）を内部空間に留めるために必要な気密性（例えば、８〜１０ａｔｏｍ・ｃｍ^３／ｓ以下）と、炉心環境における耐食性（例えば、５０μｍ／５年 以下）が要求される。

管本体がジルコニウム合金で構成された燃料被覆管の場合、管本体と端栓との接合には、ＴＩＧ溶接やレーザ溶接が用いられる。一方、ＳｉＣ複合材料のようなセラミックス基複合材料は、ジルコニウム合金等に比べて融点が高く、加えて脆性材料である。このため、セラミックス基複合材料で管本体を構成する場合、管本体と端栓の接合に、融接（fusion welding）や圧接等の溶接手法を用いることは困難である。

例えば、ＳｉＣ複合材料の接合方法として、高温高圧の環境下で行われる固相拡散接合（例えば、非特許文献１）が提案されている。しかし、固相拡散接合法は、通常１００ＭＰａ以上の高い圧力を必要とするため、燃料被覆管のような肉厚１ｍｍ程度の管本体に対しては、座屈等の問題が発生する可能性が高く、また生産性が比較的低いという問題がある。固相拡散接合は、一般的に、溶加材等の接合助剤を用いない接合方法（例えば、融接）に比べて接合強度が劣る。このため、固相拡散接合は、管本体と端栓との接合部のように接合面積が小さい場合には、十分な強度を確保することが困難である。

また、ロウ材等の溶加材（いわゆるインサート金属）を用いた液相拡散接合も考えられる。液相拡散接合は、比較的生産性が高く、実用的な接合方法であるが、炉心環境における耐放射線性や高温高圧の水中における高い化学的安定性を満足できる溶加材が、ほとんどないという問題がある。

上述したように、セラミックス基複合材料で管本体を構成する場合、耐食性の観点から、溶加材（filler metal）を介さずに端栓を接合することが好ましい。溶加材を用いない接合方法には「焼結（sintering）」を利用した融点以下での固相拡散接合が有利であり、ＳｉＣ複合材料で管本体を構成する場合、端栓の接合には、焼結による接合が有利な方法の一つであると考えられる。

焼結により接合する方法は、溶加材を用いないため耐食性の確保が比較的容易であり、また、生産性にも優れることから、有効な接合方法の一つとして挙げられる。しかし、セラミックス基複合材料で燃料被覆管を構成する場合、管本体と端栓とを焼結により接合することは、接合部の強度の点で問題がある。

本発明の実施形態は、上記事情に鑑みてなされたものであって、耐食性及び生産性に優れており、且つ管本体と端栓との接合部の強度を比較的高いものにすることが可能な燃料被覆管を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の燃料被覆管は、繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており、略筒状をなしており、且つ内壁の径方向内側に複数の燃料ペレットを収容可能な管本体と、当該管本体の軸方向外側に結合される端栓と、を備え、前記端栓は、前記管本体より軸方向外側において径方向に広がる略円板状をなしており、前記管本体の軸方向外側の端面と接合される蓋部と、当該蓋部から軸方向内側に突出しており且つ軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、径方向外側にある外面が径方向において前記内壁と対向する突出部と、を有し、前記突出部は、前記管本体を構成する複合材料のうち母材と同じセラミックスと、当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属と、を含み、径方向において当該セラミックスと当該金属との比率が変化するよう構成されており、前記外面は、前記内壁と接合されるよう当該セラミックスで構成されていることを特徴とする。

また、本発明の実施形態の燃料棒は、略円柱状又は略円板状をなしている複数の燃料ペレットと、繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており、略筒状をなしており、且つ内壁の径方向内側に前記複数の燃料ペレットを収容可能な管本体と、当該管本体の軸方向外側に結合される端栓と、を備え、前記端栓は、前記管本体より軸方向外側において径方向に広がる略円板状をなしており、前記管本体の軸方向外側の端面と接合される蓋部と、当該蓋部から軸方向内側に突出しており且つ軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、径方向外側にある外面が径方向において前記内壁と対向する突出部と、を有し、前記突出部は、前記管本体を構成する複合材料のうち母材と同じセラミックスと、当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属と、を含み、径方向において当該セラミックスと当該金属との比率が変化するよう構成されており、前記外面は、前記内壁と接合されるよう当該セラミックスで構成されていることを特徴とする。

また、本発明の実施形態の燃料棒の製造方法は、繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており、略筒状をなしており、且つ内壁の径方向内側に複数の燃料ペレットが配置された管本体の当該内壁の径方向内側に、当該管本体の軸方向外側に結合される端栓のうち、当該管本体より軸方向外側において径方向に広がる略円板状をなしている蓋部から軸方向内側に突出しており、軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、前記管本体を構成する複合材料のうち母材と同じセラミックスと、当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属とを含み、径方向において当該セラミックスと当該金属との比率が変化するよう構成されており、且つ前記外面が当該セラミックスで構成されている突出部を、前記内壁との間に所定の嵌め合い隙間を以って挿入する工程（Ｓ３０）と、前記管本体及び前記端栓を加熱することにより、前記内壁に、前記突出部の前記外面を、焼結により接合する工程（Ｓ３３）とを含むことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、突出部が、管本体に比べて径方向外側に大きく熱膨張し、その外面が、径方向外側に変位して管本体の内壁と接合される。突出部の外面と内壁との間に、比較的大きな接合面積を確保することができ、蓋部と管本体の端面のみを接合する場合に比べて、主にセラミックスで構成された端栓と管本体とをより高い強度で結合することができる。

第１実施形態の燃料棒の内部構造を示す斜視図であり、燃料被覆管のうち管本体については、縦断面を示している。 第１の実施形態の燃料被覆管のうち管本体と端栓との接合部分を示す拡大断面図であり、端栓の突出部が管本体の内壁の内側に挿入され、蓋部が管本体に接する直前の状態を示している。 第１の実施形態の燃料被覆管を構成する端栓のうち突出部の組成を説明する縦断面図である。 第１の実施形態の燃料被覆管を構成する端栓のうち突出部の組成を説明する横断面図であり、図３のIV−IV線による断面図である。 第１の実施形態の燃料棒の製造方法を説明するフローチャートである。 第１の実施形態の燃料被覆管のうち管本体と端栓との接合部分を示す拡大断面図であり、端栓の突出部が径方向外側に熱膨張して、その外面が管本体の内壁に接した状態を示している。 第２の実施形態の燃料被覆管を構成する端栓のうち突出部の組成を説明する縦断面図である。 第２の実施形態の燃料被覆管を構成する端栓のうち突出部の組成を説明する横断面図であり、図７のVIII−VIIIによる断面図である。

以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

〔第１の実施形態〕
本実施形態の燃料棒及び燃料被覆管の概略構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の燃料棒の内部構造を示す斜視図であり、燃料被覆管のうち管本体については、縦断面を示している。図２は、本実施形態の燃料被覆管のうち管本体と端栓との接合部分を示す拡大断面図である。なお、図２には、端栓の突出部が管本体の内壁の内側に挿入され、蓋部が管本体に接する直前の状態が示されている。

図１及び図２には、管本体２０の径方向内側に複数の燃料ペレット１１が収容され、且つ端栓３０のうち突出部３５が、管本体２０の内壁２５の径方向内側に挿入された状態であって、焼結により管本体２０と端栓３０が結合されるより前の状態が示されている。また、図１及び図２においては、理解を容易にするために、管本体２０の内壁２５と、端栓３０の突出部３５の外面３６との間にある隙間を、実際より大きく表示している。

図１に示すように、燃料棒１０は、複数の燃料ペレット１１と、燃料被覆管（fuel-cladding tube）１５から構成されている。燃料ペレット１１は、核燃料の焼結体であり、略円柱状（又は略円板状）をなしている。燃料被覆管１５は、複数の燃料ペレット１１を内部に収容して密閉する容器である。燃料被覆管１５は、所定の方向（以下、軸方向と記す）に延びている略筒状の部分（以下、管本体と記す）２０と、当該管本体２０の軸方向外側に結合される部材（以下、端栓と記す）３０とを有している。

なお、各図において、軸方向のうち内側を矢印Ａ１で示し、外側を矢印Ａ２で示す。また、当該軸方向と直交する径方向のうち内側を矢印Ｒ１で示し、外側を矢印Ｒ２で示す。また、図２には、燃料被覆管１５及び管本体２０の軸心を、一点鎖線Ａで示す。

管本体２０は、その径方向内側を画定する壁面（以下、内壁と記す）２５を有している。当該内壁２５の径方向内側には、複数の燃料ペレット１１が配置される。管本体２０の軸方向外側に端栓３０が結合されることにより、燃料被覆管１５のうち内壁２５の径方向内側には、燃料ペレット１１を収容するための略円柱状の空間（以下、内部空間と記す）１７が形成される。

内部空間１７において、複数の燃料ペレット１１は、軸方向に複数配列されている。なお、内部空間１７には、複数の燃料ペレット１１に加えて、当該燃料ペレット１１を軸方向内側に向けて付勢するばね、いわゆる「プレナムスプリング」（図示せず）が収容される。

管本体２０は、セラミックスを母材とし、強化材としての繊維が配合されたセラミックス基複合材料、いわゆる繊維強化セラミックス基複合材料（fiber-reinforced ceramics matrix composite）で構成されている。より具体的には、管本体２０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を母材とし、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維（長繊維）を強化材とする繊維強化セラミックス基複合材料、いわゆる「ＳｉＣ複合材料」で構成されている。

（端栓）
燃料被覆管１５は、上述した管本体２０に加えて、管本体２０の軸方向外側の端部に結合される端栓３０とを有している。なお、本実施形態において、端栓３０は、管本体２０の軸方向の両側にそれぞれ結合される。なお、各図面には、管本体２０のうち軸方向一方側の端部２２が示されており、当該端部２２に端栓３０が結合されている態様が示されている。

なお、本実施形態の燃料被覆管１５は、略筒状の管本体２０の軸方向両側に、それぞれ端栓３０が結合されて構成されるものとしたが、本発明に係る燃料被覆管は、この態様に限定されるものではない。本発明に係る燃料被覆管は、例えば、管本体が底部を有する筒状をなしており、管本体のうち当該底部とは反対側にのみ端栓が結合されて構成されるものとしても良い。

端栓３０は、管本体２０の端部２２より軸方向外側において径方向に広がる部分（以下、蓋部と記す）３２を有している。蓋部３２は、管本体２０と同軸をなしており、径方向に広がる略円板状をなしている。また、端栓３０は、蓋部３２から軸方向内側に突出している部分（以下、突出部と記す）３５を有している。突出部３５は、略円柱状をなしており、管本体２０及び蓋部３２と同軸に設けられている。端栓３０は、蓋部３２と突出部３５が一体に結合されて構成されている。

（端栓の蓋部）
図２に示すように、管本体２０のうち軸方向外側にある端面２３には、蓋部３２が接している。より具体的には、管本体２０の端面２３には、蓋部３２のうち突出部３５より径方向外側にあって当該端面２３と軸方向に対向する面（以下、外周面と記す）３３が接している。管本体２０の端面２３と、端栓３０の蓋部３２の外周面３３は、後述する焼結により一体に結合される。

外周面３３を含む蓋部３２は、管本体２０を構成する繊維強化セラミックス基複合材料のうち母材と同じセラミックス、すなわち炭化ケイ素で構成されており、本実施形態においては、炭化ケイ素を材料とするモノリシックセラミックス（monolithic ceramics）で構成されている。

（端栓の突出部）
突出部３５のうち径方向外側を画定する面（以下、単に「外面」と記す）３６は、管本体２０の端部２２の内壁２５と対向している。本実施形態において、管本体２０の内径（内壁２５の径）は、８．００ｍｍとなるよう構成されている。一方、突出部３５の外径（外面３６の径）は、管本体２０の内径に比べて僅かに小さい、７．９８ｍｍとなるよう構成されている。

図１及び図２に示すように、管本体２０の内壁２５の径方向内側に、所定の嵌め合い隙間を以って、端栓３０の突出部３５が挿入された状態が示されている。

突出部３５を構成する材料は、管本体２０を構成する複合材料（繊維強化セラミックス基複合材料）のうち母材と同じセラミックスと、当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属とを含んでいる。本実施形態において、突出部３５を構成する材料には、セラミックスとして炭化ケイ素が、セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属としてジルコニウムが含まれている。

（突出部の組成の変化）
端栓３０のうち突出部３５の組成とその変化について、図３及び図４を用いて説明する。図３は、本実施形態の燃料被覆管を構成する端栓のうち突出部の組成を説明する縦断面図である。図４は、本実施形態の燃料被覆管を構成する端栓のうち突出部の組成を説明する横断面図であり、図３のIV−IV線による断面図である。

図３及び図４に示すように、端栓３０のうち突出部３５は、径方向において材料の組成、すなわちセラミックスと金属との比率が変化するよう構成されており、より具体的には、径方向において炭化ケイ素とジルコニウムとの比率が変化するよう構成されている。

突出部３５は、軸方向に軸心が延びる略筒状をなしており、最も径方向外側を構成しており、且つ管本体２０の内壁２５と同じセラミックスで構成された部分（以下、外側セラミック部分と記す）４６を有している。外側セラミック部分４６は、実質的に炭化ケイ素のみで構成されており、且つ突出部３５の外面３６を含んでいる。

突出部３５のうち外側セラミック部分４６の径方向内側には、筒状をなしており、金属で構成された金属部分４５が設けられている。金属部分４５は、炭化ケイ素に比べて線膨張係数が大きい材料であるジルコニウムで構成されている。

一方、突出部３５のうち最も径方向内側を構成しており且つ円柱状をなしている部分（以下、特に「中心金属部分」と記す）４１は、炭化ケイ素に比べて線膨張係数が大きい金属であるジルコニウムで構成されている。中心金属部分４１は、いわゆる丸棒として製作されており、外側セラミック部分４６と同軸に配置されている。

突出部３５の径方向において、外側セラミック部分４６と中心金属部分４１との間には、筒状をなしており且つ炭化ケイ素で構成されたセラミック部分（以下、特に「中間セラミック部分」と記す）４２，４４と、筒状をなしており且つジルコニウムで構成された金属部分（以下、単に「中間金属部分」と記す）４３，４５が、交互に配置されている。

すなわち、ジルコニウムで構成された金属部分４１，４３，４５と、炭化ケイ素で構成されたセラミック部分４２，４４，４６は、突出部３５の軸心（一点鎖線Ａで示す）と同軸に配置されており、且つ径方向において交互に隣接して配置されている。

金属部分４１，４３，４５は、径方向内側に配置されているものほど、径方向の厚みが大きくなるよう構成されている。すなわち、金属部分４１，４３，４５のうち中間金属部分４５が最も厚みが小さい。一方、セラミック部分４２，４４，４６は、径方向内側に配置されているものほど、径方向の厚みが小さくなるよう構成されている。すなわち、セラミック部分４２，４４，４６のうち、外側セラミック部分４６が最も径方向の厚みが大きい。

このように構成された突出部３５は、径方向においてジルコニウムと炭化ケイ素との比率が段階的に変化する。すなわち、突出部３５は、径方向において組成が段階的に変化する材料として構成されている。

本実施形態の突出部３５は、径方向の線膨張係数が、炭化ケイ素の線膨張係数（約４．０×１０^−６／Ｋ）とジルコニウムの線膨張係数（約５．７×１０^−６／Ｋ）との中間の値（約４．６×１０^−６／Ｋ）以上となるように構成されている。なお、突出部３５の径方向の線膨張係数の測定方法は、ＪＩＳ規格 Ｚ２２８５：２００３「金属材料の線膨張係数の測定方法」、及び、Ｒ１６１８：２００２「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張係数の測定方法」のうち、少なくとも一方を用いて測定することが可能である。

このように構成された突出部３５は、別途製作された蓋部３２と接合されて端栓３０を構成する。当該端栓３０は、管本体２０と接合されて、燃料棒１０のうち燃料被覆管１５を構成する。

（燃料棒の製造方法）
次に、本実施形態の燃料棒の製造方法について、図２〜図６を用いて説明する。図５は、本実施形態の燃料棒の製造方法を説明するフローチャートである。図６は、本実施形態の燃料被覆管のうち管本体と端栓との接合部分を示す拡大断面図であり、端栓の突出部が径方向外側に熱膨張して、その外面が管本体の内壁に接した状態を示している。

図３ないし図５に示すように、まず、未焼成の突出部３５を製作する（Ｓ１０）。まず、ジルコニウムで構成された心棒、すなわち中心金属部分４１を製作し、当該中心金属部分４１の外側に、セラミック部分４２，４４，４６と、金属部分４３，４５とを交互に形成する。

セラミック部分４２，４４，４６は、シート（薄板）状に成形した炭化ケイ素の未焼成体（以下、ＳｉＣグリーンシートと記す）が径方向に複数積層されて構成されている。一方、金属部分４３，４５は、ジルコニウム箔が径方向に複数積層されて構成されている。セラミック部分４２，４４，４６のうち最も径方向外側を構成する外側セラミック部分４６の径方向外側が、突出部３５の外面３６となる。

そして、突出部３５の焼結体を製作する（Ｓ１１）。焼結炉内において、未焼成の突出部３５に対して径方向外側から圧力を加えながら加熱する、いわゆる加圧焼結を行うことにより、当該突出部３５の焼結体を製作する。

そして、突出部３５の外径が所定の値となるよう、機械加工等を行って外面３６を仕上げる（Ｓ１２）。本実施形態においては、突出部３５は、外径が、７．９８ｍｍとなるように外面３６を仕上げる。

ステップＳ１０〜Ｓ１２により、径方向において炭化ケイ素とジルコニウムとの比率が変化し、且つ所定の外径を有する突出部３５が製作される。

このように製作された突出部３５とは別に、端栓３０の蓋部３２が製作される（Ｓ１５）。本実施形態において、蓋部３２は、炭化ケイ素のモノリシックセラミックスとして構成される。

そして、ステップＳ１７において、突出部３５と蓋部３２とを接合して端栓３０を製作する。本実施形態においては、蓋部３２と突出部３５の軸心（図に一点鎖線Ａで示す）を一致させ炉内に配置し、治具等を用いて軸方向に加圧しながら加熱する加圧焼結を行うことにより、突出部３５と蓋部３２とを接合する。

このように製作された端栓３０とは別に、ステップＳ２０において、繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており且つ所定の内径を有する管本体２０を製作する。本実施形態において、管本体２０は、炭化ケイ素を母材とし、且つ炭化ケイ素繊維を強化材とする複合材料で構成され、その内径が、８．００ｍｍとなるよう内壁２５が仕上げられる。

そして、ステップＳ２２において、管本体２０の内壁２５より内側に、複数の燃料ペレット１１及びプレナムスプリング（図示せず）が配置される。

そして、ステップＳ３０において、図２に示すように、管本体２０の端部開口２４から内壁２５の内側に端栓３０の突出部３５を挿入する。端栓３０は、蓋部３２の外周面３３が、管本体２０の端面２３に接するまで挿入される。図２には、蓋部３２が管本体２０に接する直前の状態が示されている。突出部３５の外面３６は、図２に示すように、管本体２０の内壁２５と対向しており、外面３６と内壁２５との間には、所定の嵌め合い隙間が形成される。

そして、ステップＳ３３において、管本体２０と端栓３０とを焼結により接合する。なお、当該工程における接合温度、すなわち加熱したときの母材（炭化ケイ素）の温度は、１３００℃〜２０００℃であることが好ましい。

この工程において、端栓３０の突出部３５は、炭化ケイ素に比べて線膨張係数が大きいジルコニウムを内部に含んでいるため、管本体２０の内壁２５に比べて径方向に大きく膨張する。突出部３５の外面３６は、図６に示すように、径方向外側に変位して内壁２５に接する。

突出部３５の外径及び管本体２０の内径が上述した値であり、且つ、突出部３５の径方向の線膨張係数が、炭化ケイ素の線膨張係数とジルコニウムの線膨張係数との中間の値（約４．６×１０^−６／Ｋ）以上、ジルコニウムの線膨張係数（約５．７×１０^−６／Ｋ）未満である場合、突出部３５の外面３６と管本体２０の内壁２５との間には、約２０ＭＰａの圧力が付与される（図６の白抜き矢印Ｐ参照）。

突出部３５の外面３６と管本体２０の内壁２５は、双方共に同じ炭化ケイ素で構成されている。よって、突出部３５の外面３６は、焼結により、管本体２０の内壁２５に接合される。同様に、蓋部３２の外周面３３も、焼結により管本体２０の端面２３に接合される。以上のようにして燃料棒１０が製造される。

以上に説明したように本実施形態の燃料被覆管１５は、図２に示すように、繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており、略筒状をなしており、且つ内壁２５の径方向内側に複数の燃料ペレット１１を収容可能な管本体２０と、当該管本体２０の軸方向外側に結合される端栓３０と、を備え、端栓３０は、管本体２０より軸方向外側において径方向に広がる略円板状をなしており、管本体２０の軸方向外側の端面２３と接合される蓋部３２と、蓋部３２から軸方向内側に突出しており且つ軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、径方向外側にある外面３６が径方向において内壁２５と対向する突出部３５とを有している。

突出部３５は、図３及び図４に示すように、管本体２０を構成する複合材料のうち母材と同じセラミック（セラミック部分４２，４４，４６参照）と、当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属（金属部分４１，４３，４５参照）とを含み、径方向において当該セラミックスと当該金属との比率が変化するよう構成されており、外面３６は、内壁２５と接合されるよう当該セラミックスで構成されているものとした（外側セラミック部分４６参照）。

このように構成された燃料被覆管１５は、加熱されることにより、突出部３５が、管本体２０に比べて径方向外側に大きく熱膨張し、その外面３６は、径方向外側に変位して管本体２０の内壁２５と接合される。突出部３５の外面３６と内壁２５との間に、比較的大きな接合面積を確保することができる。

本実施形態によれば、蓋部３２の外周面３３と管本体２０の端面２３のみを焼結により接合する場合に比べて、端栓３０と管本体２０との接合強度をより高いものにすることができ、主にセラミックスで構成された管本体２０と端栓３０とを高い強度で結合することができる。

また、上述したように突出部３５は、径方向において、線膨張係数が比較的小さいセラミック部分４２，４４，４６と、線膨張係数が比較的大きい金属部分４１，４３，４５が、交互に積層されて構成されているため、内部に生じた熱応力を緩和する効果を有している。突出部３５をモノリシックな材料、例えば、炭化ケイ素のみやジルコニウムのみで構成した場合に比べて、冷却後における残留応力を低減することができる。これにより、端栓３０等に割れが生じることを抑制することができる。

なお、上述した燃料棒の製造方法のうち、突出部３５の焼結体を製作する工程（Ｓ１１）においては、未焼結体の所定の方向に圧力を加える加圧焼結を行うものとしたが、本発明は、この態様に限定されるものではない。当該工程（Ｓ１１）においては、突出部３５の焼結体が得られれば良く、上述した加圧焼結に替えて、熱間等方圧プレス（ＨＩＰ：hot isostatic pressing）や、放電プラズマ焼結を行うものとしても良い。

また、上述した燃料棒の製造方法においては、端栓３０のうち蓋部３２と突出部３５をそれぞれ製作して、蓋部３２と突出部３５とを焼結により接合するものとしたが、本発明に係る燃料棒の製造方法は、この態様に限定されるものではない。本発明に係る端栓は、突出部の外面と、蓋部の外周面が、管本体を構成する複合材料の母材と同じセラミックス（例えば、炭化ケイ素）で構成されていれば良く、蓋部と突出部とを含む端栓を、一体に成形し、その後、突出部３５の外面３６を、所定の寸法に仕上げるものとしても良い。

例えば、本発明に係る蓋部は、セラミックス（例えば、炭化ケイ素）と金属材料（例えば、ジルコニウム）との比率が、突出部３５と同様に径方向において変化する材料で構成されるものとしても良い。この場合、蓋部と突出部は、軸心（図に一点鎖線Ａで示す）からの径方向位置に応じて同一の組成となるように構成し、蓋部のうち突出部より径方向外側においては、管本体を構成する材料の母材と同じセラミックス（炭化ケイ素）で構成することが好適である。このように構成した場合、ＳｉＣグリーシートとジルコニウム箔を用いて、蓋部と突出部を、一つの焼結体として製作することができ、蓋部と突出部とを接合する工程（Ｓ１７）が不要となる。

また、本実施形態において、端栓３０の突出部３５は、径方向において段階的に組成が変化するよう構成されているものとしたが、本発明に係る突出部の構成は、この態様に限定されるものではない。以下にその一例について説明する。

〔第２の実施形態〕
第２の実施形態の燃料被覆管の端栓の構成について、図１、図２、図５、図７及び図８を用いて説明する。図７は、本実施形態の燃料被覆管を構成する端栓のうち突出部の組成を説明する縦断面図である。図８は、本実施形態の燃料被覆管を構成する端栓のうち突出部の組成を説明する横断面図であり、図７のVIII−VIIIによる断面図である。

本実施形態の燃料被覆管は、図７及び図８に示すように、突出部３５Ｃの径方向における炭化ケイ素とジルコニウムとの比率の変化の態様が、第１の実施形態と異なっており、以下に詳細を説明する。

なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態の燃料被覆管のうち管本体２０と、端栓３０のうち蓋部３２は、第１の実施形態と同様に構成されている（図１参照）。図７及び図８に示す本実施形態の突出部３５Ｃは、第１の実施形態と同様に、略円柱状をなしている（軸心を図７に一点鎖線Ａで示す）。

（突出部の構成）
本実施形態の突出部３５Ｃは、軸方向に軸心が延びる略筒状をなしており、最も径方向外側を構成しており、且つ管本体２０の内壁２５と同じセラミックスで構成された外側セラミック部分５４を有している。外側セラミック部分５４は、外面３６を含んでおり、実質的に炭化ケイ素のみで構成されている。

突出部３５Ｃのうち外側セラミック部分５４の径方向内側には、筒状をなしており、炭化ケイ素とジルコニウムが所定の比率で混合されて構成された部分（以下、単に「中間部分」と記す）５２，５３と、突出部３５Ｃのうち最も径方向内側を構成しており且つ円柱状をなしている部分（以下、単に「中心部分」と記す）５１とを有している。中心部分５１、中間部分５２，５３、及び外側セラミック部分５４は、突出部３５Ｃの軸心を中心として同軸に配置されている。

中間部分５３は、外側セラミック部分５４の径方向内側に隣接しており、当該外側セラミック部分５４に比べてジルコニウム（金属）の比率が高くなるように構成されている。中間部分５２は、当該中間部分５３の径方向内側に隣接しており、当該外側セラミック部分５４に比べてジルコニウムの比率が高くなるよう構成されている。

中心部分５１は、中間部分５２の径方向内側に隣接しており、当該中間部分５２に比べてジルコニウムの比率が高くなるよう構成されている。本実施形態において、中心部分５１は、実質的にジルコニウムのみで構成されており、いわゆる丸棒として製作される。なお、中心部分５１は、径方向外側に隣接する中間部分５２に比べてジルコニウムの比率が高い材料で構成されていれば良く、炭化ケイ素を所定の比率で含むよう構成されているものとしても良い。

このように構成された突出部３５Ｃは、外面３６を含む外側セラミック部分５４から径方向内側に向かうに従って金属の比率が増大するよう構成されている。すなわち、径方向においてセラミックと金属との比率が段階的に変化するよう構成されており、径方向内側に向かうに従ってジルコニウムの比率が段階的に増大するように構成されている。

本実施形態の突出部３５Ｃも、第１の実施形態と同様に、径方向の線膨張係数が、炭化ケイ素の線膨張係数（約４．０×１０^−６／Ｋ）とジルコニウムの線膨張係数（約５．７×１０^−６／Ｋ）との中間の値（約４．６×１０^−６／Ｋ）以上となるように構成されている。

（突出部の製作方法）
以上に説明した突出部３５Ｃの製作方法について、図５、図７及び図８を用いて説明する。

まず、未焼成の突出部３５Ｃを製作する（図５のＳ１０に相当）。本実施形態においては、外側セラミック部分５４、中間部分５３及び中間部分５２を構成するために、３種類のスラリ（slurry）を作成する。一方、中心部分５１は、第１の実施形態の中心金属部分４１と同様に、ジルコニウム製の丸棒として作成される。

中間部分５２，５３を構成するスラリは、炭化ケイ素粉末とジルコニウム粉末を乳鉢で混合し、エタノールを加えた後ミキサーで攪拌することにより作成される。中間部分５２を構成するスラリは、中間部分５３を構成するスラリに比べて、混合されるジルコニウム粉末の比率を高くすることにより実現される。一方、外側セラミック部分５４を構成するスラリは、炭化ケイ素粉末のみを含む（ジルコニウム粉末を含まない）ようにすることで実現される。

そして、中心部分（丸棒）５１の径方向外側に、中間部分５２を構成するスラリ、中間部分５３を構成するスラリ、外側セラミック部分５４を構成するスラリの順に、所定の厚みをもった層状に塗布する。これにより、未焼成の突出部３５Ｃが製作される。

そして、突出部３５Ｃの焼結体を製作する（図５のＳ１１に相当）。焼結炉内において、未焼成の突出部３５Ｃを、５Ｐａ以下の真空環境において加圧焼結を行う。このような真空環境において焼結を行うことによりジルコニウムの酸化を抑制することができる。なお、当該加圧焼結の代わりに、放電プラズマ焼結を行うものとしても良い。

このようにして、外側セラミック部分５４から径方向内側に向かうに従って段階的にジルコニウムの比率が高くなる突出部（焼結体）３５Ｃが製作される。当該突出部３５Ｃは、第１の実施形態と同様に、蓋部３２と接合されて端栓３０を構成する（図２及び図５のＳ１７参照）。当該突出部３５Ｃは、図５に示すように、管本体の内側に挿入される（Ｓ３０）。その後、管本体２０の内壁２５と端栓３０の突出部３５Ｃの外面３６が、焼結により接合される（Ｓ３３）。

以上に説明したように本実施形態の燃料被覆管において、突出部３５Ｃは、径方向内側に向かうに従って、金属であるジルコニウムの比率が増大するように構成されているものとした。突出部３５Ｃのうち径方向内側ほど、炭化ケイ素に比べて線膨張係数の大きいジルコニウムが高い比率で含まれているので、焼結工程において当該部分において径方向外側に熱膨張させると共に、突出部３５Ｃ内において生じる熱応力に急激な変化が生じることを抑制することができる。熱膨張により径方向外側に変位した外面３６は、管本体２０の母材と同じ炭化ケイ素で構成されているので、焼結工程において管本体２０の内壁２５と良好に接合される。

なお、本実施形態において、中心部分５１は、ジルコニウム製の丸棒であるものとしたが、本発明に係る中心部分は、この態様に限定されるものではない。中心部分は、炭化ケイ素とジルコニウムを含む焼結体であるものとしても良い。なお、この場合、中心部分は、径方向外側においてある中間部分に比べて、ジルコニウムの比率が高いものにすることが好ましい。

〔他の実施形態〕
以上に説明した各実施形態において、端栓３０のうち突出部３５，３５Ｃは、径方向において炭化ケイ素とジルコニウムとの比率が段階的に変化するよう構成されているものとしたが、本発明に係る端栓の突出部は、この態様に限定されているものではない。突出部は、径方向において徐々に組成が変化する傾斜機能材料として構成するものとしても良い。例えば、突出部の外面３６は、管本体２０の内壁２５と同じ炭化ケイ素で構成されており、突出部は、当該外面３６から径方向内側に向かうに従ってジルコニウムの比率が徐々に増大するよう構成されていることも好適である。このように構成された突出部は、内部に熱応力が生じることを抑制することができる。

また、上述した各実施形態において、管本体２０は、炭化ケイ素を母材とし、且つ炭化ケイ素繊維を強化材とする複合材料で構成されているものとしたが、本発明に係る管本体を構成する材料は、この態様に限定されるものではない。管本体は、繊維強化セラミックス基複合材料で構成されていれば良く、その強化材には、炭化ケイ素繊維と同様の機能を有する様々な長繊維を用いることができる。また、母材には、アルミナ等、炭化ケイ素と同様の機能を有する様々なセラミックスを用いることが可能である。

本発明のいくつかの実施形態について説明したが、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。これら新規な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ともに、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。

１０ 燃料棒
１１ 燃料ペレット
１５ 燃料被覆管
１７ 内部空間
２０ 管本体
２２ 端部
２３ 端面
２４ 端部開口
２５ 内壁
３０ 端栓
３２ 蓋部
３３ 外周面
３５，３５Ｃ 突出部
３６ 外面
４１ 中心金属部分（金属部分、中心部分）
４２ 中間セラミック部分（セラミック部分）
４３ 中間金属部分（金属部分）
４４ 中間セラミック部分（セラミック部分）
４５ 中間金属部分（金属部分）
４６ 外側セラミック部分（セラミック部分）
５１ 中心部分（金属部分）
５２ 中間部分（混合部分）
５３ 中間部分（混合部分）
５４ 外側セラミック部分（セラミック部分）

Claims (10)

1. 繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており、略筒状をなしており、且つ内壁の径方向内側に複数の燃料ペレットを収容可能な管本体と、
   当該管本体の軸方向外側に結合される端栓と、
   を備え、
   前記端栓は、
   前記管本体より軸方向外側において径方向に広がる略円板状をなしており、前記管本体の軸方向外側の端面と接合される蓋部と、
   当該蓋部から軸方向内側に突出しており且つ軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、径方向外側にある外面が径方向において前記内壁と対向する突出部と、
   を有し、
   前記突出部は、
   前記管本体を構成する複合材料のうち母材と同じセラミックスと、
   当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属と、
   を含み、
   径方向において当該セラミックスと当該金属との比率が変化するよう構成されており、
   前記外面は、前記内壁と接合されるよう当該セラミックスで構成されている
   ことを特徴とする燃料被覆管。
2. 前記繊維強化セラミックス基複合材料は、炭化ケイ素を母材とし、且つ炭化ケイ素繊維を強化材とする複合材料であり、
   前記金属は、ジルコニウムであり、
   前記突出部は、径方向において炭化ケイ素とジルコニウムとの比率が変化するよう構成されており、
   前記外面は、炭化ケイ素で構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料被覆管。
3. 前記突出部は、
   軸方向に軸心が延びる略筒状をなしており、前記外面を含む最も径方向外側を構成しており、且つ前記セラミックスで構成された外側セラミック部分を有する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料被覆管。
4. 前記突出部は、
   軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、最も径方向内側を構成しており、且つ前記金属で構成された中心金属部分を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料被覆管。
5. 前記外側セラミック部分の径方向内側には、
   略筒状をなしており、当該外側セラミック部分と同軸に配置されており、且つ前記金属で構成された中間金属部分と、
   略筒状をなしており、当該外側セラミック部分と同軸に配置されており、且つ前記セラミックで構成された中間セラミック部分が、
   径方向において交互に隣接して配置されている
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料被覆管。
6. 前記外側セラミック部分及び前記中間セラミック部分を含み、前記突出部のうち前記セラミックで構成されたセラミック部分は、径方向内側に配置されているものほど径方向の厚みが小さく構成されており、
   前記中間金属部分及び前記中心金属部分を含み、前記突出部のうち前記金属で構成された金属部分は、径方向内側に配置されているものほど径方向の厚みが大きく構成されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料被覆管。
7. 前記突出部は、前記外側セラミック部分から径方向内側に向かうに従って前記金属の比率が段階的に増大するよう構成されている
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料被覆管。
8. 前記外側セラミック部分の径方向内側には、
   略筒状をなしており、当該外側セラミック部分と同軸に配置されており、且つ前記セラミックと前記金属が所定の比率で混合されて構成された中間部分が、径方向に複数配置されており、
   当該中間部分は、径方向内側に配置されているものほど前記金属の比率が高く構成されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の燃料被覆管。
9. 略円柱状又は略円板状をなしている複数の燃料ペレットと、
   繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており、略筒状をなしており、且つ内壁の径方向内側に前記複数の燃料ペレットを収容可能な管本体と、
   当該管本体の軸方向外側に結合される端栓と、
   を備え、
   前記端栓は、
   前記管本体より軸方向外側において径方向に広がる略円板状をなしており、前記管本体の軸方向外側の端面と接合される蓋部と、
   当該蓋部から軸方向内側に突出しており且つ軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、径方向外側にある外面が径方向において前記内壁と対向する突出部と、
   を有し、
   前記突出部は、
   前記管本体を構成する複合材料のうち母材と同じセラミックスと、
   当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属と、
   を含み、
   径方向において当該セラミックスと当該金属との比率が変化するよう構成されており、
   前記外面は、前記内壁と接合されるよう当該セラミックスで構成されている
   ことを特徴とする燃料棒。
10. 繊維強化セラミックス基複合材料で構成されており、略筒状をなしており、且つ内壁の径方向内側に複数の燃料ペレットが配置された管本体の当該内壁の径方向内側に、当該管本体の軸方向外側に結合される端栓のうち、当該管本体より軸方向外側において径方向に広がる略円板状をなしている蓋部から軸方向内側に突出しており、軸方向に軸心が延びる略円柱状をなしており、前記管本体を構成する複合材料のうち母材と同じセラミックスと、当該セラミックスに比べて線膨張係数が大きい金属とを含み、径方向において当該セラミックスと当該金属との比率が変化するよう構成されており、且つ前記外面が当該セラミックスで構成されている突出部を、前記内壁との間に所定の嵌め合い隙間を以って挿入する工程と、
    前記管本体及び前記端栓を加熱することにより、前記内壁に、前記突出部の前記外面を、焼結により接合する工程と、
    を含む
    ことを特徴とする燃料棒の製造方法。

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