JP2020029373A - ＳｉＣ繊維を内包する管状体 - Google Patents

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Abstract

【課題】熱伝導率が高いＳｉＣ繊維を内包する管状体を提供する。【解決手段】本発明のＳｉＣ繊維を内包する管状体１０は、管状に巻付けたＳｉＣ繊維層２０と、前記ＳｉＣ繊維層２０の内面を覆う内側ＳｉＣコーティング層３０と、前記ＳｉＣ繊維層２０の外面を覆う外側ＳｉＣコーティング層４０を設け、前記内側及び外側ＳｉＣコーティング層３０，４０は、前記ＳｉＣ繊維層２０の隙間で互いに結合していることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、特に原子力燃料被覆管などに適用可能なＳｉＣ繊維を内包する管状体に関する。
従来、原子力燃料を格納する被覆管は、材質に中性子吸収が少なく、耐食性、機械的強度があるジルカロイ（ジルコニウムの合金）が広く適用されている。
しかしながら、ジルカロイは所定温度に達すると、周囲の水（冷却材）と反応して水素を発生する性質を有している。この反応は発熱反応であるため急激な温度上昇を伴うため原子力制御を失い重大事故を引き起こす原因の一つとなっている。
そこで近年、材質に耐熱性を有し、化学的安定性、軽量、機械的高強度であり、中性子経済性も良好であり、水との反応性も低いＳｉＣ（炭化ケイ素）を適用した被覆管が提案されている。
特許文献１に開示の管状体は、第１及び第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材と、これを部分的につなぐ緩衝材からなる。この第１及び第２のＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材はＳｉＣ繊維からなる骨材とＳｉＣマトリックスからなる。ＳｉＣマトリックスは、ＳｉＣ繊維からなる骨材の隙間を充填するＰＩＰ−ＳｉＣ材よりなる充填材と、骨材と充填材を覆うＣＶＤ−ＳｉＣ材よりなる被膜材からなる。このような構成により歪みに対する強度を持たせている。
しかしながら、この管状体はＳｉｃ繊維の隙間をＲＩＰ−ＳｉＣ材の充填材で埋めている。ＲＩＰ−ＳｉＣ材は多孔質であり、換言すると空隙がある。このため熱伝導率が悪くエネルギー効率も低下するという問題がある。
特開２０１６−１３５７２７号公報
本発明が解決しようとする課題は、上記従来技術の問題点に鑑み、熱伝導率が高いＳｉＣ繊維を内包する管状体を提供することにある。
本発明は、上記課題を解決するための第１の手段として、管状に巻付けたＳｉＣ繊維層と、前記ＳｉＣ繊維層の内面を覆う内側ＳｉＣコーティング層と、前記ＳｉＣ繊維層の外面を覆う外側ＳｉＣコーティング層を設け、
前記内側及び外側ＳｉＣコーティング層は、前記ＳｉＣ繊維層の隙間で互いに結合していることを特徴とするＳｉＣ繊維を内包する管状体を提供することにある。
上記第１の手段によれば、熱伝導率及び機械的強度の高い管状体が得られる。
本発明は、上記課題を解決するための第２の手段として、第１の手段において、前記内側ＳｉＣコーティング層は、焼結ＳｉＣであることを特徴とするＳｉＣ繊維を内包する管状体を提供することにある。
上記第２の手段によれば、ＣＶＤ−ＳｉＣ層のようにコーティングされる基材（黒鉛基材など）を後工程で除去する必要がなくなる。特に長尺の部材に容易に適用することができる。
本発明は、上記課題を解決するための第３の手段として、第１又は第２の手段において、断面形状は、多角形、円、楕円、外表面に凹凸を設けた筒状のいずれかであることを特徴とするＳｉＣ繊維を内包する管状体を提供することにある。
上記第３の手段によれば、ＳｉＣ繊維を内包する管状体の適用範囲を広げることができる。
本発明によれば、内側及び外側ＳｉＣコーティング層がＳｉＣ繊維層の隙間で互いに結合することにより熱伝導率及び機械的強度の高い管状体が得られる。これを熱交換器の機能を担う被覆管に適用すればエネルギー効率の高い原子炉を提供できる。また燃料ウランの消費が抑えられ原子炉のメンテナス期間が低減されて原子炉全体の稼働効率を高めることができる。
本発明のＳｉＣ繊維を内包する管状体の斜視図である。 本発明のＳｉＣ繊維を内包する管状体の一部断面図である。
本発明のＳｉＣ繊維を内包する管状体の実施形態について、添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
図１は、ＳｉＣ繊維を内包する管状体の斜視図である。図２は本発明のＳｉＣ繊維を内包する管状体の一部断面図である。
本発明のＳｉＣ繊維を内包する管状体１０は、管状に巻付けたＳｉＣ繊維層２０と、ＳｉＣ繊維層２０の内面を覆う内側ＳｉＣコーティング層３０と、ＳｉＣ繊維層２０の外面を覆う外側ＳｉＣコーティング層４０からなる。
ＳｉＣ繊維層２０は、複数のＳｉＣ繊維を束ねてストランドを形成しブレーディング、スパイラル巻きにより複合効果を高めた構造であり、交差する繊維間に所定の隙間（空隙）を設けている（図１参照）。
内側ＳｉＣコーティング層３０は、一例として１０００℃〜１４００℃のＣＶＤ炉内でＳｉＣｌ４とＣＨ４を希釈ガスのＨ２と共に供給することにより形成している。ＣＶＤ−ＳｉＣ膜の厚みは、一例として約３００μｍである。なお内側ＳｉＣコーティング層３０は、外側ＳｉＣコーティング層ほどの耐食性を要求されないため、焼結ＳｉＣ材などであっても適用できる。
外側ＳｉＣコーティング層４０は、内側ＳｉＣコーティング層３０と同様、一例として１０００℃〜１４００℃のＣＶＤ炉内でＳｉＣｌ４とＣＨ４を希釈ガスのＨ２と共に供給することにより形成している。ＣＶＤ−ＳｉＣ膜の厚みは、一例として約５００μｍである。
前記内側及び外側ＳｉＣコーティング層３０，４０は、ＳｉＣ繊維層２０の隙間では互いに緻密に隙間なく結合している（図２参照）。すなわち外側ＳｉＣコーティング層４０の厚みを内側ＳｉＣコーティング層３０の厚みよりも厚くすることにより、ＳｉＣ繊維層２０の表面に加えて隙間にも成膜できる。このようなコーティング層は熱膨張率など同材質のＳｉＣ層どうしが結合してＳｉＣ繊維層２０を間に挟んで層間剥離が発生しにくい。このような内側及び外側ＳｉＣコーティング層の（ＳｉＣ繊維層を介した）構造は複数回繰り返し積層させた構成でもよい。
なお管状体の断面形状は、円の他、楕円、三角形、四角形などの多角形、外表面に凹凸を設けた筒状であっても良い。これによりＳｉＣ繊維を内包する管状体の適用範囲を広げることができる。
次に上記構成による本発明のＳｉＣ繊維を内包する管状体１０の製造方法について以下説明する。本発明のＳｉＣ繊維を内包する管状体の製造方法は、例えば、以下に示す黒鉛基材又は焼結ＳｉＣを用いた製法がある。
［黒鉛基材］
ステップ１：黒鉛基材準備 後工程のＣＶＤ処理などで反応しない黒鉛基材を準備する。黒鉛基材を所定直径及び長さの丸棒状に形成する。
ステップ２：内側ＳｉＣコーティング ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ：Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）により黒鉛基材の全面（外周面）にＳｉＣ膜を形成する。ＳｉＣ膜の厚みは約３００μｍである。
ステップ３：第１ＳｉＣ繊維層の巻き付け 市販の自動織機を利用して内側ＳｉＣコーティングした黒鉛基材の表面に複数のＳｉＣ繊維を巻付けてストランドを形成しブレーディング、スパイラル巻きにより巻付ける。
ステップ４：外側ＳｉＣコーティング層形成 内側ＳｉＣコーティングと同様にＣＶＤ法によりＳｉＣ繊維を巻き付けた黒鉛基材の全面（外周面）にＳｉＣ膜を形成する。ＳｉＣ膜の厚みは約５００μｍである。
ステップ５：外形加工 外側ＳｉＣコーティング層を切削等により外形を整える。
ステップ６：第２ＳｉＣ繊維層の巻き付け 第１ＳｉＣ繊維層と同様に、市販の自動織機を利用して外側ＳｉＣコーティングした黒鉛基材の表面に複数のＳｉＣ繊維を巻付けてストランドを形成しブレーディング、スパイラル巻きにより巻付ける。
ステップ７：外側ＳｉＣコーティング層形成 ＣＶＤ法によりＳｉＣ繊維を巻き付けた黒鉛基材の外周全面にＳｉＣ膜を形成する。ＳｉＣ膜の厚みは例えば約５００μｍである。
ステップ８：外形／長さの切削／切断加工 ステップ７で得られた管状体の外形（直径及び長さ等）を加工（切削／切断等）で調整する。
ステップ９：黒鉛基材除去 高温酸化雰囲気中で黒鉛基材を除去する。
ステップ１０：成形 管状体の研削／研磨・面取り・洗浄処理を行う。
［焼結ＳｉＣ］
ステップ２０：焼結ＳｉＣ基材準備 パイプ状の焼結ＳｉＣ基材を準備する。一例として押し出し成型によりグリーン体を製造した後、イナート（不活性）ガスの雰囲気下で２２００℃で焼結させることにより製造できる。
ステップ２１：内側ＳｉＣコーティング ＣＶＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ：Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ法）により焼結ＳｉＣ基材の全面（外周面）にＳｉＣ膜を形成する。ＳｉＣ膜の厚みは約３００μｍである。なお、管状の焼結ＳｉＣ基材を用いることにより、ステップ２１のＣＶＤ−ＳｉＣ層の形成を省略することもできる。
ステップ２２：第１ＳｉＣ繊維層の巻き付け 市販の自動織機を利用して内側ＳｉＣコーティングした焼結ＳｉＣ基材の表面に複数のＳｉＣ繊維を巻付けてストランドを形成しブレーディング、スパイラル巻きにより巻付ける。
ステップ２３：外側ＳｉＣコーティング層形成 内側ＳｉＣコーティングと同様にＣＶＤ法によりＳｉＣ繊維を巻き付けた焼結ＳｉＣ基材の全面（外周面）にＳｉＣ膜を形成する。ＳｉＣ膜の厚みは約５００μｍである。
ステップ２４：外形加工 外側ＳｉＣコーティング層を必要により切削等により外形を整える。
ステップ２５：第２ＳｉＣ繊維層の巻き付け 第１ＳｉＣ繊維層と同様に、市販の自動織機を利用して外側ＳｉＣコーティングした焼結ＳｉＣ基材の表面に複数のＳｉＣ繊維を束ねてストランドを形成しブレーディングにより巻付ける。
ステップ２６：外側ＳｉＣコーティング層形成 ＣＶＤ法によりＳｉＣ繊維を巻き付けた焼結ＳｉＣ基材の外周全面にＳｉＣ膜を形成する。ＳｉＣ膜の厚みは約５００μｍである。
ステップ２７：外形／長さの切削／切断加工 ステップ２６で得られた管状体の外形（直径及び長さ等）を加工（切削／切断等）で調整する。
ステップ２８：成形 管状体の研削／研磨・面取り・洗浄処理を行う。
以上、ＳｉＣ繊維層が２層の管状体の製法について説明したが、ＳｉＣ繊維層は１層のみ、又は３層以上形成することもできる。
このような本発明によれば、内側及び外側ＳｉＣコーティング層がＳｉＣ繊維層の隙間で互いに結合することにより、熱伝導率及び機械的強度の高い管状体が得られる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。
また、本発明は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。
本発明は、例えば、原子力燃料を格納する被覆管として、広く適用することができる。
１０ ＳｉＣ繊維を内包する管状体
２０ ＳｉＣ繊維層
３０ 内側ＳｉＣコーティング層
４０ 外側ＳｉＣコーティング層

Claims (3)

  1. 管状に巻付けたＳｉＣ繊維層と、前記ＳｉＣ繊維層の内面を覆う内側ＳｉＣコーティング層と、前記ＳｉＣ繊維層の外面を覆う外側ＳｉＣコーティング層を設け、
    前記内側及び外側ＳｉＣコーティング層は、前記ＳｉＣ繊維層の隙間で互いに結合していることを特徴とするＳｉＣ繊維を内包する管状体。
  2. 請求項１に記載のＳｉＣ繊維を内包する管状体において、
    前記内側ＳｉＣコーティング層は、焼結ＳｉＣであることを特徴とするＳｉＣ繊維を内包する管状体。
  3. 請求項１又は２に記載のＳｉＣ繊維を内包する管状体において、
    断面形状は、多角形、円、楕円、外表面に凹凸を設けた筒状のいずれかであることを特徴とするＳｉＣ繊維を内包する管状体。
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