JP6018184B2 - 液体を電気加熱するための装置およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高いサーマルフローを有する液体の電気加熱するための新規な装置に関するものである。
本発明は、保持グリッド（holding grids）のためのアセンブリにおいて組み込まれ、いわゆる動力用原子炉（power reactors）、より具体的には加圧水型原子炉（以下、ＰＷＲ（pressurised water reactors）と省略する）において使用されることを意図された原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための新規な装置の製造に主に適用されるものである。以下において詳細に説明されるとおり、燃料棒が中に浸漬される液体の沸騰危機（boiling crisis）の発生を、このような装置の使用により検出することによって、燃料棒の熱水力的（thermohydraulic）な適格性（qualification）を与える。
本発明は、大まかに言うと既存の高いサーマルフローを有する加熱装置の寿命と品質、具体的には現存する高いサーマルフローを有する原子炉燃料棒の電気シミュレーションを実施するための装置の適格性を向上することを目的とする。
主たる適用例を参照しつつ説明するものの、本発明による装置は、燃料棒を浸漬するための液体を加熱するために使用することが可能である。
加圧水型動力用原子炉燃料棒（ＰＷＲ）において用いられることを意図される原子炉燃料棒アセンブリに適格性を与えるためには、沸騰危機試験を実施することが必要である。より詳細には、沸騰危機の発生を検出できなければならない。その理由は、沸騰危機とは大まかに言うと熱水力的制御パラメータにおける小さな変動による壁温度の著しい暴走を表わすものであると定義され得るためである。具体的には加熱壁とそれを囲む熱伝達液との間の熱交換における急激な劣化につながる。したがってＰＷＲ原子炉におけるこのような現象の発生は、原子炉燃料棒の被覆（sheath）の破壊につながり得る。
現在までの高いサーマルフローを有する原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置は、直接加熱式と称され得る。その理由は、装置の被覆が抵抗器の機能を有する要素をも構成するためである。換言すると、被覆は直接加熱される。
しかしながら、近年の原子炉燃料アセンブリ、特にＰＷＲ原子炉において使用されることを意図されたものは、既にテストされたアセンブリよりもより複雑な設計とより高い熱性能を有するため、特にアセンブリとして組み込まれた燃料棒を電気シミュレーションするための装置の適格性に鑑みた場合に通常の適格性処理を無効化しがちである。
したがって、本発明者らは、近年の高電流分流（high current diversions）を形成する保持グリッドが直接加熱式の棒のための電気シミュレーション装置の急激な劣化の原因となり得ることを分析したものであって、当該保持グリッド上における突起部と与えられた棒との間に形成される接点により過電流強度、またこれに応じて棒の急速な劣化の原因となり得る局所的な電気分解が生じやすい。実際、発明者らは直接加熱式の電気シミュレーション装置が燃料アセンブリの確実な適格性を妨げる可能性があると考えた。
さらに、必要とされる直接加熱装置の種類によって抵抗器機能を有する被覆は、利用可能な給電に対して自身の電気抵抗を適用させるために極めて薄いものである必要があるが、これは当該シミュレーション装置の寿命およびアセンブリの確実な適格性の可能性に対して極めて悪い影響を及ぼすものである。
さらに、直接加熱式電気シミュレーション装置を使用するにあたっては同様の作業条件下において高性能かつ信頼性のある自身の電気絶縁が必要となるものであるが、それには複雑な技術と、高価であるにもかかわらず脆く、その寿命が限定的である素材とがあって初めて実施され得るものである。
最後に、定義上では直接加熱式電気シミュレーション装置は、導電性を有する熱伝達媒体に浸漬することを意図される原子炉燃料アセンブリに適格性を与えるために用いることができない。しかしながら、将来のいわゆる第四世代急速中性子原子炉（ＲＮＲ）に関する安全性研究において、ＲＮＲの機能はナトリウム系熱伝達媒体（ＲＮＲ−Ｎａ）によって保証されているものであるが、同様に高いサーマルフローを有するナトリウムを用いた沸騰試験（boiling tests）が必要である。ナトリウムは、本質的に高い導電率を有するため、直接加熱式電気シミュレーション装置を前述のような原子炉（ＲＮＲ）のための沸騰試験を実施するために用いることはできない。
その他の既存の電気シミュレーション装置は、三相交流が供給される電線から抵抗または抵抗器が構成されるため、間接加熱式と称される。
これらの装置は、被覆に対して横方向における後流プロファイル（backwash profile）、すなわち方位角後流プロファイル（azimuth backwash profile）において均一ではないサーマルフローを発生させるため、不十分である。
したがって本発明は、前述の欠点の全てあるいはいくつかを有しないことによって均一なサーマルフローを確実に発生させて、寿命が長い、高いサーマルフローを有する原子炉燃料棒を電気シミュレーションするための新規な装置を提案し、信頼できる沸騰試験を数多く実施することを目的とする。
また本発明は、安価且つ実施時間が保証された形において沸騰試験を得ることを可能とする、高いサーマルフローを有する原子炉燃料棒を電気シミュレーションするための新規な装置を提案することを目的とする。
本発明のより一般的な目的は、方位角において均一である高いサーマルフローを有する液体を電気加熱するための、信頼性が高く寿命が長い装置を提案することにある。
そのために本発明の主題は、まずは液体を電気加熱するための装置であって、導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器に直流が供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管と
を備えることを特徴とする。
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を備えることを特徴とする。
換言すれば本発明における解決法とは、実質的に以下のうちすべてを含むものである：
均一な横方向プロファイルすなわち方位角変化のないことと抵抗器の厚みの変化とによって規定された軸方向プロファイルのサーマルフローを得るために、現在使用されている直接加熱を実施する電気シミュレーション装置と同様の管型抵抗器を用い、
前記管型抵抗器に対して直流を供給し、
電気絶縁性を有しながら熱伝導性をも有し、好ましくは例えば窒化ホウ素など極めて高い熱伝導係数を有する前記中間要素を用いて前記管型抵抗器を電気的に絶縁するように、より小さい前記管型抵抗器の半径方向寸法を定義し、
規定の外径と熱伝導性とを有する素材からなる被覆であって、ＰＷＲ原子炉用棒被覆と同種であり、好ましくはミネラル成分を除去した水中において酸化し得ない金属からなる被覆を用いて前記管型抵抗器と前記中間要素とからなるアセンブリをカバーする。
均一な横方向プロファイルすなわち方位角変化のないことと抵抗器の厚みの変化とによって規定された軸方向プロファイルのサーマルフローを得るために、現在使用されている直接加熱を実施する電気シミュレーション装置と同様の管型抵抗器を用い、
前記管型抵抗器に対して直流を供給し、
電気絶縁性を有しながら熱伝導性をも有し、好ましくは例えば窒化ホウ素など極めて高い熱伝導係数を有する前記中間要素を用いて前記管型抵抗器を電気的に絶縁するように、より小さい前記管型抵抗器の半径方向寸法を定義し、
規定の外径と熱伝導性とを有する素材からなる被覆であって、ＰＷＲ原子炉用棒被覆と同種であり、好ましくはミネラル成分を除去した水中において酸化し得ない金属からなる被覆を用いて前記管型抵抗器と前記中間要素とからなるアセンブリをカバーする。
間接式と称され得る（管型抵抗器は、中間要素と被覆とを介して熱伝導することによって液体を熱伝導間接的に加熱する）本発明における電気加熱装置は、これを用いて数ＭＷ／ｍ2程度の高いサーマルフローを得ることを可能とし、既存の高性能な直接加熱式電気シミュレーション装置と同様の計量特性を有する。
換言すると、本発明の装置を用いることによってＰＷＲ式動力用原子炉用の原子炉燃料棒に適格性を与えることが可能となる。さらに、数多くのアセンブリに対する制約を排除することを可能とする、外部環境に対する電気絶縁性を有することによって、現存する直接加熱式電気シミュレーション装置においてありがちであるように沸騰危機試験の完了を妨げる急激な劣化が管型抵抗器において生じる恐れがなく、近年の保持グリッドを用いた原子炉燃料棒アセンブリにも適格性を与えることが可能となる。
装置の様々な構成要素間の界面熱抵抗（interface thermal resistances）を低減するために、中間要素と抵抗器間および中間要素と被覆間の直接的機械的接触は密な係止状態であることが好ましい。
本発明における装置において抵抗器内に設けられる、１つ以上の機械的挿入物を設けることが好ましい形で可能であり、このあるいはこれら機械的挿入物は、管型抵抗器の機械的サポートを実施するために用いられる。具体的にはこれら挿入物は被覆を伸ばして装置全体に対して固定する場合に抵抗器の管型壁を有利な形でサポートすることが可能である。また、このあるいはこれら機械的挿入物は、例えば酸化マグネシウム、アルミナあるいは酸化ジルコニウムなどのセラミックスからなることが好ましい。セラミックス製挿入物は、良好な機械的強度とともに高い電気抵抗を有するため、本発明の実施において適している。
管型抵抗器は、インコネル６００または７０／３０の白銅合金を用いて製造されるのが好ましい。
また、電気絶縁性および熱伝導性を有する中間要素は、その中心に穴が開けられて互いに積み重ね合わされた複数のペレットの柱から構成されることが好ましい。これによって絶縁要素を抵抗器の周りに積載することが可能となる。中間要素のペレットは、窒化ホウ素あるいは窒化アルミニウムからなることが好ましい。特に窒化ホウ素は、本発明を実施するのに完全に適した熱的および電気的特性を有する。さらに、窒化ホウ素ペレットを製造することによってコンパクトな中間要素を得ることが可能となる。
耐食性を目的とし、被覆は、ミネラル成分を除去した水中、典型的には過渡状態における３５０℃あるいは６００℃までの水において酸化し得ない金属からなることが好ましい。この被覆は、３１６Ｌステンレス鋼あるいは重量に対するニッケルの割合が５０％より多く、好ましくは少なくともニッケル７２％、クロム１４％以上１７％以下および鉄６％以上１０％以下を含む組成を有するニッケル／クロム／鉄合金（インコネル６００とも称される合金であって、例えばＭｎ（最大１％）および／またはＣｕ（最大０．５％）および／またはＳｉ（最大０．５％）および／またはＣおよび／またはＳなどの少量の補助的要素が存在し得る合金）であることが好ましい。
２つの電気接続部は、以下に説明するように被覆において熱電対を有利な形で挿入することを可能とする固体の部品であることが好ましい。これら固体の部品は、銅あるいはニッケル伝導性素材あるいは特に過焼入など高温における熱処理が必要であると分かった場合にはモリブデンからなることが好ましい。
本発明における装置は、原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置を有利な形で構成する。
当該装置は、さらにそれぞれが好ましくは被覆の外周に形成された溝内に挿入される複数の熱電対を備える。したがって従来の電気シミュレーション装置とは違って熱電対を高い精度において配置することが可能となる。これらは典型的にはＮ型熱電対であってインコネル６００被覆を有する。
本発明の別の目的は、液体を電気加熱するための装置を製造するための方法であって、この装置は、
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器の内部に供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管を有し、
当該方法は、両部材間において密な係止状態を得るために、前記中間要素および前記抵抗器上に前記被覆を固定する、少なくとも１つのステップを含むことを特徴とするものである。
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器の内部に供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管を有し、
当該方法は、両部材間において密な係止状態を得るために、前記中間要素および前記抵抗器上に前記被覆を固定する、少なくとも１つのステップを含むことを特徴とするものである。
また、この固定するステップは、その熱伝導性を増加することによって電気絶縁性を有する中間要素を圧縮（densify）することを好ましい形で可能とする。
固定するステップを実施するためには３つの選択的な変形例が想定され得る：
１つ目は、被覆の外径をハンマリング（hammering）する方法であって、抵抗器、固体の絶縁性を有する中間要素および被覆の間における様々な取り付け隙間がハンマリングによって埋められることによって外径を減少する際に軸方向拡張が生じる方法である。
２つ目は抵抗器の内径を静水圧加圧（isostatic pressure）下におく方法であって、抵抗器、固形の絶縁性を有する中間要素および被覆の間における様々な取り付け隙間が静水圧加圧によって内径を拡張させることによって埋められる際に軸方向拡張が生じない方法である。
３つ目は、熱バンディングする方法であって、ここでは全ステップに亘って抵抗器を熱伝達媒体の内部流によって冷却しながら被覆をジュール効果によって加熱する。この変形例においては電気接続に好ましくは３ｍｍの穴をあける必要がある。
１つ目は、被覆の外径をハンマリング（hammering）する方法であって、抵抗器、固体の絶縁性を有する中間要素および被覆の間における様々な取り付け隙間がハンマリングによって埋められることによって外径を減少する際に軸方向拡張が生じる方法である。
２つ目は抵抗器の内径を静水圧加圧（isostatic pressure）下におく方法であって、抵抗器、固形の絶縁性を有する中間要素および被覆の間における様々な取り付け隙間が静水圧加圧によって内径を拡張させることによって埋められる際に軸方向拡張が生じない方法である。
３つ目は、熱バンディングする方法であって、ここでは全ステップに亘って抵抗器を熱伝達媒体の内部流によって冷却しながら被覆をジュール効果によって加熱する。この変形例においては電気接続に好ましくは３ｍｍの穴をあける必要がある。
ハンマリングあるいは静水圧加圧（静水式拡張（hydrostatic expansion））による固定のための変形例については、被覆における少なくともその長さに亘ってこれらの方法を用いることが可能であり、電気接続部は規定位置のまま、後者に対して拡張部を加えることも可能である。
本発明の別の主題は、液体を電気加熱するための装置を製造するための方法に関し、この装置は、
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器に直流が供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管と、を有し、
当該方法は、少なくとも前記中間要素のセラミックス素材を溶射（thermal spraying）によって前記抵抗器に堆積させるステップと、前記抵抗器に対して噴霧（spraying）された前記中間要素を研磨するステップと、金属性被覆の素材を前記中間要素の上に溶射によって堆積させるステップと、最後に前記金属性被覆を研磨するステップとを順に含むことを特徴とするものである。
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器に直流が供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管と、を有し、
当該方法は、少なくとも前記中間要素のセラミックス素材を溶射（thermal spraying）によって前記抵抗器に堆積させるステップと、前記抵抗器に対して噴霧（spraying）された前記中間要素を研磨するステップと、金属性被覆の素材を前記中間要素の上に溶射によって堆積させるステップと、最後に前記金属性被覆を研磨するステップとを順に含むことを特徴とするものである。
本発明の文脈において用いられる溶射方法とは、必要とされる仕様に応じた中間要素のための被覆用金属あるいはセラミックスを表面に堆積させるための、例えば気相成長（vapour deposition）、液相成長（liquid deposition）、電気分解（electrolysis）あるいはエピタキシなどのありとあらゆる方法であり得る。
噴霧された要素は、自身の比較的低い導電性を補償するために極めて薄くなるように研磨され得る。発明者らは、溶射するステップと研磨するステップには、酸化ジルコニウムとアルミナが特に適していると考えている。
本発明における、高く均一なサーマルフローを有する原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置を得るためには、主に内部最高温度が寸法、素材および界面熱抵抗に関連させて制御されることを保証することが必要とされる。
したがって、抵抗器によって放出されるサーマルフローが横切る半径距離が最小限になるように保証され、次に抵抗器、被覆および中間要素を構成する素材の選択によってこれらの熱伝導を最大限にすることが可能となる。
最後に、本発明における方法においては、装置全体に設けられた被覆の固定あるいは様々な要素の溶射によって得られる半径方向への圧縮（radial compression）によって、界面熱抵抗が低減される。
また、熱電対を１つずつその内部に挿入するために被覆の外径上に複数の縦方向溝が形成されていることが好ましく、これによって原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置を構成する。
こうして異なる方位角および縦方向位置において被覆に挿入された熱電対は、これによって典型的には１ｍｍ単位において極めて高精度に位置づけられ得る。
本発明の更なる利点および特徴は、説明のために実施されたものの限定的なものではなく、図面を参照しつつ本発明の実施例に関する詳細な説明によって明らかになるものである。
ここでは従来技術における電気シミュレーション装置（図１）および本発明における電気シミュレーション装置（図２および図３）が、熱水力的制御パラメータにおける小さな変動による壁温度の著しい暴走を表わすものとして定義される沸騰危機の発生を検出することを可能にする必要があることを示す。
さらに、図１乃至図３のうちいずれにおいても符号Ｌｔ、ＬｎおよびＬｃはそれぞれ以下のものを指すことを示す。
Ｌｔ：装置の全長
Ｌｎ：液体に浸漬された装置の長さ
Ｌｃ：装置の加熱長さ（heating length）
Ｌｔ：装置の全長
Ｌｎ：液体に浸漬された装置の長さ
Ｌｃ：装置の加熱長さ（heating length）
なお、従来技術における電気シミュレーション装置（図１）の構成は、電気接続部の浸漬を前提とするのに対し、本発明における電気シミュレーション装置（図２および図３）の構成は、電気接続部の浸漬を実施しなくてもよいため、外部環境に対して極めて複雑な電気絶縁性を付与する必要がないため有利である。
さらに、沸騰危機試験を実施するために本発明における電気シミュレーション装置は、加熱すべき液体を含む容器（図示せず）内に保持グリッドが設けられた、複数の同一装置のアセンブリ（図示せず）として構成されており、２つの電気接続部は容器から突出しつつこれに対して特別な手段によって絶縁されており、管型抵抗器に対して直流が供給される。加圧水型原子炉において加熱される液体とは水である。その他の応用例においては加熱される液体とは別のものであり得る。典型例としてＲＮＲ−Ｎａ急速中性子原子炉において加熱される液体は、ナトリウムである。
これら沸騰危機試験において、各電気シミュレーション装置について以下のパラメータを規定のものとする。
・加熱長さＬｃは、典型的には、１ｍ以上４．３ｍ以下
・棒ごとの軸方向サーマルフロー特性は、典型的には、０．２ＭＷ／ｍ2以上乃至３ＭＷ／ｍ2以下
・被覆の外径は、典型的には、８．５ｍｍ以上１２．９ｍｍ以下
・全電力は、典型的には、０．５ＭＷ以上１０ＭＷ以下
・加熱長さＬｃは、典型的には、１ｍ以上４．３ｍ以下
・棒ごとの軸方向サーマルフロー特性は、典型的には、０．２ＭＷ／ｍ2以上乃至３ＭＷ／ｍ2以下
・被覆の外径は、典型的には、８．５ｍｍ以上１２．９ｍｍ以下
・全電力は、典型的には、０．５ＭＷ以上１０ＭＷ以下
同様に、これらの試験に際して複数の電気シミュレーション装置を集合する上で以下のパラメータを規定のものとする。
・アセンブリアレイの種類とピッチとを定義する、保持グリッドの種類および位置
・アセンブリ毎の装置の台数を低減する、典型的な台数は、１９乃至３７
・アセンブリアレイの種類とピッチとを定義する、保持グリッドの種類および位置
・アセンブリ毎の装置の台数を低減する、典型的な台数は、１９乃至３７
図面においてＬｉｑと称される、加熱される液体（ミネラル成分を除去した水）の動作条件は、以下のとおりである。
・圧力は、１ｂａｒ以上１７２ｂａｒ以下
・温度は、５０℃以上３５０℃以下
・以下に説明するとおり、各装置に対して適用されるサーマルフローおよび全電力条件下において流量は、０．１ｋｇ／ｓ以上４０ｋｇ／ｓ以下
・圧力は、１ｂａｒ以上１７２ｂａｒ以下
・温度は、５０℃以上３５０℃以下
・以下に説明するとおり、各装置に対して適用されるサーマルフローおよび全電力条件下において流量は、０．１ｋｇ／ｓ以上４０ｋｇ／ｓ以下
明確性のため、従来技術における装置と本発明における装置とにおける同一要素には同じ符号を付すものとする。
図１において従来技術における直接加熱式電気シミュレーション装置が示されている。従来技術における装置１は、被覆としても機能する、管型の抵抗器２から構成される。換言すると管型被覆２は、電気抵抗器、すなわち装置が浸漬される液体を加熱するために電流が供給される部分としての機能をも有する。抵抗器／管型被覆２の内部２０には、加圧窒素が充填される。２つの電気接続部３０、３１がそれぞれ被覆／抵抗器２の一端に嵌合される。両接続のうち一方の接続３０は、電流を供給する接続であり、その中心に穴が開けられ、被覆の内部２０において装置の軸に沿って長手方向に延伸する、計測手段である熱電対４をその中に収容する。
この側において被覆２の内部２０に対する加圧窒素の不浸透性は、接続部３０自体と電気絶縁性を有する素材からなるエンドプラグ５とによって保証される。両接続部のうち他方の接続部３１は、電流出力接続部であり、当該接続部は固体であるため封止プラグとしても機能する。
図１において示される、従来技術における直接加熱式電気シミュレーション装置の主たる欠点は、以下のように詳述される。
・装置を試験容器内に設置するためには数多くの制限が存在する
・保持グリッドを使用する場合、これらは供給電流によって直接加熱される被覆／抵抗器２を極めて急激に劣化させ得る電流分流を形成する可能性があり、これによって試験の完了が妨げられることがある。特に最近の設計の保持グリッドについては、古い設計の保持グリッドと比較してより厚く、特に、より高いためこのことが該当する
・第四世代型ＲＮＲ−Ｎａ原子炉において想定されるようにナトリウムのように高い導電性を有する液体に対する沸騰危機試験を実施するためには使用することができない
・装置を試験容器内に設置するためには数多くの制限が存在する
・保持グリッドを使用する場合、これらは供給電流によって直接加熱される被覆／抵抗器２を極めて急激に劣化させ得る電流分流を形成する可能性があり、これによって試験の完了が妨げられることがある。特に最近の設計の保持グリッドについては、古い設計の保持グリッドと比較してより厚く、特に、より高いためこのことが該当する
・第四世代型ＲＮＲ−Ｎａ原子炉において想定されるようにナトリウムのように高い導電性を有する液体に対する沸騰危機試験を実施するためには使用することができない
燃料の適性にとって必要な数ＭＷ／ｍ2の高いサーマルフローと従来技術における装置１と同様の計測特性を達成する可能性を保ちながらこれらの欠点を解消するため、発明者らは最初に装置の被覆機能と抵抗器機能とを切り離すことを考えた。
したがって、本発明における装置１は、本質的に以下のものを備える。
・均一な横方向プロファイルすなわち方位角変化のないことと抵抗器の厚みの変化とによって規定された軸方向プロファイルのサーマルフローを得るために、図１において示される従来技術における装置１におけるものと同種の管型抵抗器である抵抗器２
・好ましくは高い熱伝導性係数を有する、電気絶縁性を有しながら熱伝導性を有する中間要素６、２２によって電気的に絶縁するために別途設けられた、管型抵抗器の低減された半径方向寸法
・管型抵抗器２と中間要素６、２２とからなるアセンブリをカバーし、この被覆の外径は前述に規定したとおり（８．５ｍｍ以上１２．９ｍｍ以下）であり、いわばＰＷＲ原子炉のための原子炉燃料棒用被覆のものであり、熱伝導性を有する素材からなる被覆７
・均一な横方向プロファイルすなわち方位角変化のないことと抵抗器の厚みの変化とによって規定された軸方向プロファイルのサーマルフローを得るために、図１において示される従来技術における装置１におけるものと同種の管型抵抗器である抵抗器２
・好ましくは高い熱伝導性係数を有する、電気絶縁性を有しながら熱伝導性を有する中間要素６、２２によって電気的に絶縁するために別途設けられた、管型抵抗器の低減された半径方向寸法
・管型抵抗器２と中間要素６、２２とからなるアセンブリをカバーし、この被覆の外径は前述に規定したとおり（８．５ｍｍ以上１２．９ｍｍ以下）であり、いわばＰＷＲ原子炉のための原子炉燃料棒用被覆のものであり、熱伝導性を有する素材からなる被覆７
さらに、本発明において管型抵抗器２には、接続部３０によって直流が供給される。原子炉燃料の適格性以外の用途で使用する場合に、電力供給は、単相交流電流を用いて実施することが可能である。
図２における実施例では、電気絶縁性および熱伝導性を有する中間要素としてその中心に穴が開けられて互いに重ねられたペレット６の柱であって、管型抵抗器２の周りにおいてその全長と電気接続部３０、３１の一部に亘って係止されるものが設けられる。
図３における実施例では、電気絶縁性および熱伝導性を有する中間要素として、液体の状態において噴霧（溶射）によって直接管型抵抗器２に堆積されるセラミックスの外装（cladding）２２が設けられる。
セラミックス製の機械的挿入物２１は、抵抗器２内に積載されており、特にハンマリングによって固定するステップの際に被覆が伸びる際にその壁をサポートする。さらに、セラミックス製挿入物２１に代えて加圧ガスを提供することも可能である。
図示される実施例のいずれにおいても抵抗器２／中間絶縁要素２２、６／被覆７間の界面熱抵抗を可能な限り低減するために、被覆２を装置１におけるその他の要素２２、６、７に対して固定することによって得られるアセンブリに対して半径方向における圧縮が実施される。この固定作業は、これらの熱伝導性を増加させることによって電気絶縁性を有する中間要素を、積載されたペレット６の形に圧縮することも有利な形で可能とする。
沸騰危機試験を実施するための計測手段は熱電対、好ましくはインコネル６００（少なくともニッケル７２％、クロム１４％以上１７％以下および鉄６％以上１０％以下を含む組成を有するニッケル／クロム／鉄合金であって、例えばＭｎ（最大１％）および／またはＣｕ（最大０．５％）および／またはＳｉ（最大０．５％）および／またはＣおよび／またはＳなどの少量の補助的要素が存在し得る合金）で被覆された、８つのＮ型熱電対４であって、それぞれが特定の点において異なる軸方向および方位角位置（azimuthal positions）に±２ｍｍの誤差において配置される熱電対によって構成される。
図２および図３において示すように、固定ステップの後に各熱電対４は、被覆７の外径上に形成された溝に直接挿入されることが好ましい。これによって熱電対を上記誤差内で極めて高い精度において位置づけることが可能となる。
抵抗器２とその接続部３０、３１とを被覆７から電気的に絶縁するために樹脂製の封止要素５が各電気接続３０、３１の周りに設けられる。
一例として本発明における電気シミュレーション装置１について以下の寸法および素材を想定する。
図２および図３における装置１の寸法：
装置１全体：
・浸漬長さＬｎ：１．２ｍ以上４．５ｍ以下
・全長Ｌｔ：１．５ｍ以上４．８ｍ以下
被覆７：
・外径：８．５ｍｍ以上１２．９ｍｍ以下
・厚み： １ｍｍ以下
抵抗器２：
・加熱長さＬｃ：１ｍ以上４．３ｍ以下
・外径は、被覆７の内径よりも約２ｍｍ小さいもの（図２）
・外径は、被覆７の内径よりも約０．５ｍｍ小さいもの（図３）
・内径は、該当する電気抵抗に応じたもの
電気絶縁性および熱伝導性を有する中間要素：
・ペレット６の厚み（図２）：約２ｍｍ
・セラミックス製外装２２の厚み：約０．５ｍｍ
・被覆付き熱電対４：直径約０．５ｍｍ
装置１全体：
・浸漬長さＬｎ：１．２ｍ以上４．５ｍ以下
・全長Ｌｔ：１．５ｍ以上４．８ｍ以下
被覆７：
・外径：８．５ｍｍ以上１２．９ｍｍ以下
・厚み： １ｍｍ以下
抵抗器２：
・加熱長さＬｃ：１ｍ以上４．３ｍ以下
・外径は、被覆７の内径よりも約２ｍｍ小さいもの（図２）
・外径は、被覆７の内径よりも約０．５ｍｍ小さいもの（図３）
・内径は、該当する電気抵抗に応じたもの
電気絶縁性および熱伝導性を有する中間要素：
・ペレット６の厚み（図２）：約２ｍｍ
・セラミックス製外装２２の厚み：約０．５ｍｍ
・被覆付き熱電対４：直径約０．５ｍｍ
図２および図３における装置１の素材：
・被覆７：インコネル６００または３１６Ｌステンレス鋼
・抵抗器２：インコネル６００または７０／３０白銅
・電気絶縁性および熱伝導性を有する中間要素：窒化ホウ素または窒化アルミニウム製の積載ペレット６および酸化ジルコニウム・セラミックス製外装２２
・熱電対４：インコネル６００または３１６Ｌステンレス鋼の被覆
・電気接続３０、３１：銅、ニッケルまたはモリブデン
・セラミックス製挿入物２１：酸化マグネシウムまたはアルミナまたは酸化ジルコニウ ム
・電気絶縁性を有する封止要素５：局部温度が比較的低くとどまる場合には樹脂またはシリコン
・被覆７：インコネル６００または３１６Ｌステンレス鋼
・抵抗器２：インコネル６００または７０／３０白銅
・電気絶縁性および熱伝導性を有する中間要素：窒化ホウ素または窒化アルミニウム製の積載ペレット６および酸化ジルコニウム・セラミックス製外装２２
・熱電対４：インコネル６００または３１６Ｌステンレス鋼の被覆
・電気接続３０、３１：銅、ニッケルまたはモリブデン
・セラミックス製挿入物２１：酸化マグネシウムまたはアルミナまたは酸化ジルコニウ ム
・電気絶縁性を有する封止要素５：局部温度が比較的低くとどまる場合には樹脂またはシリコン
単に沸騰危機試験を実施するための原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置として説明をしてきたが、ここで説明したばかりの図２および図３における本発明における装置１は、特に、典型的には数ＭＷ／ｍ2の高いサーマルフローが必要とされる場合により大まかな意味で液体を電気加熱するための装置を構成することも同様に可能である。
したがって本発明における装置は、以下の理由によってその表面出力が制限されている現存する加熱管に代えて有利な形で用いることが可能である。
・単なる熱的理由によって用いられる素材あるいは電気絶縁性の欠如によって高すぎる内部温度を伴う場合に自身の設計技術
・自身の本質的な物性（熱伝導性、粘度等）あるいは自身の流動条件（低流量、高温等）などに関連する、回りの熱伝達液の交換能力
・単なる熱的理由によって用いられる素材あるいは電気絶縁性の欠如によって高すぎる内部温度を伴う場合に自身の設計技術
・自身の本質的な物性（熱伝導性、粘度等）あるいは自身の流動条件（低流量、高温等）などに関連する、回りの熱伝達液の交換能力
本発明における装置が実際に加熱装置として使用される場合、その両端が電気供給のために機能する。
Claims (14)
- 液体を電気加熱するための装置であって、
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器に直流が供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管と、
を備え、
前記被覆は、ミネラル成分を除去した水において酸化し得ない金属からなり、
前記被覆は、その比率が質量に対してニッケル７２％、クロム１４％以上１７％以下および鉄６％以上１０％以下を含む組成を有するニッケル／クロム／鉄合金または３１６Ｌステンレス鋼からなることを特徴とする液体を電気加熱するための装置。 - 前記中間要素と前記抵抗器との間および前記中間要素と前記被覆との間の直接的機械的接触は、密な係止状態であることを特徴とする、請求項１に記載の液体を電気加熱するための装置。
- さらに、前記抵抗器内に設けられる、１つ以上の機械的挿入物を備え、当該１つあるいはそれ以上の機械的挿入物は、管型の前記抵抗器の機械的サポートを実施するために用いられることを特徴とする、請求項１に記載の液体を電気加熱するための装置。
- 前記１つあるいはそれ以上の機械的挿入物は、酸化マグネシウム、アルミナあるいは酸化ジルコニウムなどのセラミックスからなることを特徴とする、請求項３に記載の液体を電気加熱するための装置。
- 前記管型抵抗器は、その比率が質量に対してニッケル７２％、クロム１４％以上１７％以下および鉄６％以上１０％以下を含む組成を有するニッケル／クロム／鉄合金または７０／３０の白銅合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の液体を電気加熱するための装置。
- 前記電気絶縁性および熱伝導性を有する中間要素は、その中心に穴が開けられて互いに積み重ねあわされた複数のペレットの柱から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の液体を電気加熱するための装置。
- 前記中間要素のペレットは、窒化ホウ素あるいは窒化アルミニウムからなることを特徴とする、請求項６に記載の液体を電気加熱するための装置。
- 前記２つの電気接続部は、固体の部品であることを特徴とする、請求項１に記載の液体を電気加熱するための装置。
- 前記２つの電気接続部は、銅、ニッケルあるいはモリブデンからなることを特徴とする、請求項８に記載の液体を電気加熱するための装置。
- 液体を電気加熱するための装置によって構成される原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置であって、
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器に直流が供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管と、
を備え、
それぞれが被覆の外周に形成された溝内に挿入される、複数の熱電対を備え、
前記熱電対は、その比率が質量に対して少なくともニッケル７２％、クロム１４％以上１７％以下および鉄６％以上１０％以下であるニッケル／クロム／鉄合金からなる被覆を有するＮ型熱電対であることを特徴とする原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置。 - 液体を電気加熱するための装置を製造するための方法であって、当該装置は、
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器に直流が供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、それぞれ前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管と、を有し、
当該方法は、両部材間において密な係止状態を得るために、前記中間要素および前記抵抗器上に前記被覆を固定する、少なくとも１つのステップを含み、
前記固定するステップは、全ステップに亘って抵抗器を熱伝達媒体の内部流を冷却しながら被覆をジュール効果によって加熱する、熱バンディングによって実施されることを特徴とする製造方法。 - 液体を電気加熱するための装置を製造するための方法であって、当該装置は、
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器に直流が供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、それぞれ前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管と、を有し、
当該方法は、両部材間において密な係止状態を得るために、前記中間要素および前記抵抗器上に前記被覆を固定する、少なくとも１つのステップを含み、
前記固定するステップが一旦実施された後、熱電対を１つずつその内部に挿入するために被覆の外径上に複数の縦方向溝が形成されて原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置を構成することを特徴とする製造方法。 - 液体を電気加熱するための装置を製造するための方法であって、当該装置は、
導電性を有する素材からなり、抵抗器を形成する第１の管と、
それぞれが前記抵抗器の端部のうち一方に挿入される２つの電気接続部であって、前記抵抗器に直流が供給されるようにし、それぞれ引き出される電気接続部と、
熱伝導性および電気絶縁性の両方を併せ持つ素材からなる中間要素であって、それぞれ前記抵抗器と２つの前記電気接続部とのそれぞれを、それらの長さの少なくとも一部において直接的機械的接触によって囲む中間要素と、
被覆を形成する第２の管であって、熱伝導性を有する素材からなり、直接的機械的接触によって熱伝導性を有する前記中間要素を囲むものであり、当該被覆はその長さの少なくとも大部分において加熱される液体内に浸漬することを意図される第２の管と、を有し、
当該方法は、少なくとも前記中間要素のセラミックス素材を噴霧によって前記抵抗器に堆積させるステップと、前記抵抗器に対して堆積された中間要素を研磨するステップと、金属性被覆の素材を前記中間要素の上に噴霧によって堆積させるステップと、最後に前記金属性被覆を研磨するステップとを順に含むことを特徴とする製造方法。 - 前記金属性被覆を研磨するステップが一旦実施された後、熱電対を１つずつその内部に挿入するために被覆の外径上に複数の縦方向溝が形成されて原子炉燃料棒の電気シミュレーションのための装置を構成することを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
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