JP6082810B2

JP6082810B2 - 管状体および管状体の製造方法

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Publication number: JP6082810B2
Application number: JP2015522323A
Authority: JP
Inventors: 良石橋; 哲士日野; 和明木藤; 守鴨志田; 茶木　雅夫; 雅夫茶木; 肇男青山; 広中野; 中野　　広; 克仁高橋; 素行橋本; 利則川村; 傑関原; 中根　一起; 一起中根
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2033-06-12
Also published as: JPWO2014199459A1; WO2014199459A1; EP3010024B1; EP3010024A1; EP3010024A4

Description

本発明は、管状体および管状体の製造方法に関する。

原子炉内に核燃料を格納するのに使用される装置として、特許文献１では、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により作製した高純度ＳｉＣ層を内層とし、その上にＳｉＣ繊維を巻いてＣＶＩ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＩｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ）法によりＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を作製し、その外層にＣＶＩ法により細粒ＳｉＣ層を作製した３層構造の燃料被覆管が開示されている。

特表２００８−５０１９７７号公報

軽水炉など水を冷却材として使用する原子炉では、循環装置の停止、循環配管からの大量漏水などが発生して冷却水が原子炉内に流入できなくなる、いわゆる冷却水喪失事故時が発生した場合、ウラン燃料の発熱により原子炉内の温度が上昇し、高温の水蒸気が発生する。

ここで、現行の燃料被覆管に用いられるジルコニウム合金は、熱中性子吸収断面積が小さく、耐食性にも優れることから通常の運転時には優れた燃料特性を示す。しかし、ジルコニウム合金は１０００℃を超える高温の水蒸気にさらされると著しく酸化するとともに大量の水素を発生する。この大量に発生した水素は、原子炉外に流出し、時には水素爆発を生じて事故の拡大につながる場合がある。

このような事態を回避するために、原子炉では、非常用電源、非常用炉心冷却装置など多重の電源、冷却装置といった安全性を強化した設計を施しており、さらに改良、改修を重ねている。このことから事故が発生する確率は確実に低減されている。このような安全性強化の試みは、システム設計に留まらず、炉心を構成する材料にも踏み込むことが望まれている。

この一環として、燃料被覆管の材料を、大量の水素発生の原因となるジルコニウム合金の代わりにセラミックスを用いる検討が進められている。その中でも、ＳｉＣは耐食性に優れ、熱伝導率も高く、熱中性子吸収断面積も小さいことから、被覆管材料として有望であり、研究開発が進んでいる。この中では、モノリシックなＳｉＣよりも靭性の高いＳｉＣ繊維強化ＳｉＣマトリックス複合材（以下、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材）が基材として選定され、新規な被覆管が開示されている。

ここで、１３００℃を超える高温水蒸気環境では、ステンレス鋼であってもジルコニウム合金と酸化速度が近くなり、金属材料で置き換えたことによる水素発生低減の効果はそれほど期待できない。
一方、ＳｉＣの酸化速度はジルコニウム合金より２オーダー低く、水素発生の大幅な低減が期待できる。しかし、ＳｉＣが全く酸化しないわけでなく、高温水蒸気環境ではＳｉＣは酸化してＳｉＯ_２を生成して保護皮膜を形成するが、ＳｉＯ_２はさらに水と反応して揮発性のＳｉ（ＯＨ）_４を生成する。このため、特にガス流速の高い場合はＳｉＣの減量と水素の発生が進む。したがって、ＳｉＣ繊維により強化されたＳｉＣ管を基材とする場合はＳｉ（ＯＨ）_４の生成を抑制する施策が必要である。

また、ＳｉＣ繊維により強化されたＳｉＣ管は、製法にもよるが、一般的に、モノリシックなＳｉＣと比べると気密性に劣るため、燃料被覆管として用いるには内部の放射性核種を閉じ込められるように気密性を向上する施策が必要である。
内層や外層にＳｉＣ層を設けると気密性を向上させることができるが、モノリシックなＳｉＣであるため破壊靭性が低いため、一旦き裂が入るとき裂が進展しやすく、気密性を維持できない可能性があるので、強度を上げるために厚くする必要がある。
一方、機械的強度の高いＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を作製できるＣＶＩ法やＮＩＴＥ（Ｎａｎｏ−ＩｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎＴｒａｎｓｉｅｎｔＥｕｔｅｃｔｉｃｐｈａｓｅ）法での焼結温度（１８００〜２０００℃）は、一部の高融点金属を除いて金属・合金の融点以上の温度である。したがって、金属層との複合化を図る場合、金属層に対して後からＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を作製するには、ＰＩＰ（ＰｏｌｙｍｅｒＩｎｆｉｌｔｒａｔｉｏｎａｎｄＰｙｒｏｌｙｓｉｓ）法など焼成温度の低い手法を採用することになり、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材に強度を期待できなくなる。
他方、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材管と金属管を別々に作製して焼き嵌めによって多重管を作製しようとする場合、被覆管の厚さが１ｍｍ程度であることから、生じた応力で基材が破壊する可能性がある。これとともに、管と管との境界に空隙が所々に生じると、運転時に熱伝導のむらを生じることになるため、適当な対応とならない。

本発明は、水を冷却材として使用する原子炉において、炉心部に設置される燃料の周囲に配置され、万が一の事故時においても水との反応による水素の発生を抑制することが可能な放射性核種閉じ込めに対する信頼性の高い管状体と管状体の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管からなる基材と、この基材の内表面側に形成された金属層と、前記基材の外表面側に形成された希土類シリケート層とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、万が一の事故時においても水との反応による水素の発生を抑制し、放射性核種閉じ込めに対する信頼性の高い構造の管状体と管状体の製造方法が提供される。

本発明の管状体の実施例１である燃料被覆管の断面斜視模式図である。本発明の管状体の実施例１である燃料被覆管のヘリウムガス透過試験による閉じ込め性確認試験の試験結果を示した図である。本発明の管状体の実施例１である燃料被覆管における外層部分の構造の模式図である。本発明の管状体の実施例４である燃料被覆管における外層部分の構造の模式図である。本発明の実施例４である燃料被覆管における水素発生量比較のための１４００℃水蒸気酸化試験結果を示した図である。本発明の管状体の実施例５である燃料被覆管における外層部分の構造の模式図である。本発明の管状体の実施例６である燃料被覆管における外層部分の構造の模式図である。本発明の管状体の実施例７の燃料棒の断面斜視模式図である。本発明の管状体の実施例７のウォータロッドの断面斜視模式図である。本発明の管状体の実施例７のウォータロッドの他の態様の断面斜視模式図である。本発明の実施例７の燃料棒とウォータロッドを用いた燃料集合体の断面模式図である。本発明の実施例８の燃料棒とウォータロッドを用いた燃料集合体の斜視図である。本発明の実施例８の燃料棒とウォータロッドを用いた燃料集合体の横断面図である。本発明の実施例８の燃料棒の一部断面概略図である。

本発明の管状体および管状体の製造方法の実施形態を、図１乃至図１４を用いて説明する。

本発明の管状体は、例えば、水を冷却材として使用する原子炉において、炉心部に設置される燃料を保護する燃料被覆管に主に用いられる。

本発明に係る管状体は、ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管を基材としている。この基材の内表面側に金属層が形成されており、基材の外表面側に希土類シリケート層が形成されている。

管状体の基材は、従来のジルコニウム合金に比べて高温水蒸気と反応し水素を発生する速度が格段に低い円筒形状のＳｉＣ管からなる。
このＳｉＣ管はＳｉＣ繊維で強化されており、モノリシックなＳｉＣと比べて破壊靭性が高いため、構造部材として信頼性が高い、との利点を有する。
なお、ＳｉＳ管は、ＳｉＣ繊維で強化され、マトリックスを含めて大部分がＳｉＣで構成されていればよく、例えば、ＣＶＩ法やＮＩＴＥ法によって作製したものを用いることができる。

管状体の内表面側の層を構成する金属層は、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉのいずれかの金属、あるいはこれらの金属の合金からなる。
基材を構成するＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管は、モノリシックなＳｉＣと比べて気密性が低く、そのままでは燃料棒として要求される放射性核種の閉じ込め性が不十分である。さらに金属と比べると依然として破壊靭性が低いことからき裂が発生しやすい。そこで、延性を有している金属層をＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管の内表面側に設けることで気密性を補い、万が一き裂が生じた場合もこの金属層で気密性を確保し、ペレット相互作用、ＳｉＣとの激しい反応を回避することを図る。

金属層は、基材に対して、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉのいずれかの金属、あるいはこれらの金属の合金を、スパッタリング，蒸着，電気めっき，無電解めっきまたは金属ペースト塗布・焼成のいずれかの成膜プロセスを用いることによって形成する。
または、ＳｉＣ管の内側に、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉのいずれかの金属あるいはこれらの金属の合金からなる金属管を挿入し、この金属管の内部を高圧にして拡管することでＳｉＣ管の内側表面に金属管を密着させることによって形成する。
これらの方法によって形成された金属層は、基材との密着性が高く、熱伝導にむらが生じにくいとの利点を有する。また、基材を作製した後に金属層を形成できるため、ＣＶＩ法やＮＩＴＥ法で作製したＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管を基材として用いることが可能であり、基材の強度を高めることも可能となる。

管状体の外表面側の層を構成する希土類シリケート層は、Ｙ_２ＳｉＯ_５，Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｙｂ_２ＳｉＯ_５，Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７のうちいずれか一つを主要成分として構成された層である。

この希土類シリケート層は、基材の外表面側に単独もしくは中間層を介して成膜することによって形成する。

ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管は、ＳｉＣ繊維の周囲に炭素膜を形成しており、腐食環境にさらされるとこの炭素膜とその周辺が優先的に腐食される。このため、モノリシックなＳｉＣよりも耐食性が劣る。加えて、ＳｉＣそのものが高温水蒸気環境にさらされると揮発性のＳｉ（ＯＨ）_４が生成し、酸化減肉が進む。
これを抑制するために、ＳｉＣ管の外層側に希土類シリケート層を形成する。この希土類シリケート層をＳｉＣとの熱膨張率差の小さいＹ_２ＳｉＯ_５，Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｙｂ_２ＳｉＯ_５，Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７のうちいずれか一つを主要成分として構成することで、熱ひずみによる剥離を抑制することが可能となる。また、熱中性子吸収断面積の低い元素によって構成できるため、燃料被覆管として好適である。

本発明の管状体では、希土類シリケート層と基材であるＳｉＣ管との間に、中間層を形成することが好ましい。
この中間層は、蒸着法で成膜した高純度ＳｉＣ層であることがより好ましい。
中間層を形成する、特に、蒸着法で高純度ＳｉＣ層を成膜することによって、ＳｉＣ管と希土類シリケート層との反応抑制と密着性向上を図ることが可能となる。

また、本発明の管状体では、外表面層を構成する希土類シリケート層の外側に、保護層を設けることが好ましい。
この保護層は、蒸着法で成膜された高純度ＳｉＣ層であることがより好ましい。
保護層は、通常運転時の希土類シリケート層の保護を図ることを目的としている。

本発明によれば、内層である金属層は、ＳｉＣよりも破壊靭性が高いことから、ＳｉＣ膜を用いるよりも薄い厚さの内層で内部の放射性核種を閉じ込めることができるとともに、密着性が高く、熱伝導率のむらが小さい。また、外層の希土類希土類シリケート層は、万一の事故時に基材のＳｉＣが高温水蒸気との反応により発生する水素量を大幅に低減することができる。
よって、例えば、本発明の管状体を、原子燃料棒や、燃料被覆管と同じ構造をしたウォータロッドに適用し、これらの原子燃料棒およびウォータロッドを用いて燃料集合体を構成することにより、燃料棒内部の放射性核種を閉じ込めることができ、万一の事故時に基材のＳｉＣが高温水蒸気との反応により発生する水素量を大幅に低減することが達成される。
従って、万が一の事故時においても水との反応による水素の発生を抑制することができ、通常の運転時はもちろん移送時における放射性核種閉じ込めに対する信頼性の高い構造を備えた燃料被覆管や、ウォータロッド等に用いることができる。

次に、本実施形態の管状体の製造方法について、以下説明する。

まず、ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管からなる基材を作製する。
このＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管からなる基材の作製方法は、公知の方法によれば良い。

次いで、ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管からなる基材の外表面側にβ―ＳｉＣからなる中間層を成膜することが好ましい。
中間層を形成することによって、この後に基材の外表面側に形成する希土類シリケート層の気密性を向上させることができるとともに、基材と希土類シリケート層との付着性を向上させることができる。

次いで、ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管からなる基材、またはβ―ＳｉＣからなる中間層が形成された基材の外表面側に、希土類シリケート層を形成する。
この希土類シリケート層は、例えば、Ｙ_２ＳｉＯ_５，Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｙｂ_２ＳｉＯ_５，Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７等の材料を、塗布などにより表面に分散させた後に焼結、もしくは溶射などにより直接形成する。

次いで、希土類シリケート層が形成された基材の内表面側に金属層を形成する。
この金属層の形成工程は、基材に対して、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉのいずれかの金属、あるいはこれらの金属の合金を、スパッタリング，蒸着，電気めっき，無電解めっきまたは金属ペースト塗布・焼成のいずれかの成膜プロセスを用いることによって形成する。
または、ＳｉＣ管の内側に、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉのいずれかの金属、あるいはこれらの金属の合金からなる金属管を挿入し、この金属管の内部を高圧にして先に挿入した金属管を拡管してＳｉＣ管の内側表面に金属管を密着させることによって形成する。

次いで、先に形成した希土類シリケート層の外表面側に、高純度ＳｉＣからなる保護層を形成することが好ましい。
この保護層は、高純度ＳｉＣ層を蒸着法によって形成するものとすることが望ましい。

上述した本発明の管状体の製造方法により、ＳｉＣよりも破壊靭性が高い金属層を内層に、希土類希土類シリケート層を外層に有する管状体を製造することができる。よって、燃料棒内部の放射性核種を閉じ込めることができ、万一の事故時に基材のＳｉＣが高温水蒸気との反応により発生する水素量を大幅に低減することができる原子燃料棒や、燃料被覆管と同じ構造をしたウォータロッドに好適な管状体を得ることができる。

以下、実施例１〜８を参照して、本発明の具体例およびその効果について説明する。

（実施例１）
図１に、本発明の燃料被覆管の断面斜視模式図を示す。

図１に示すように、燃料被覆管１０は、基材１としてＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管が用いられており、この基材１の内表面側に金属層２が形成されている。また、基材１の外表面側に希土類シリケート層３が形成されている。
燃料被覆管１０は、長さが４ｍ程度，直径が１０ｍｍ程度，管の厚さが１ｍｍ程度である。

ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管（基材１）には、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材が用いられている。
金属層２は、めっきにより成膜したＣｕからなる。

図２は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材を基材１とし、Ｃｕめっきにより金属層２を付与したときのヘリウムガス透過試験による閉じ込め性確認試験の結果である。
図２に示すように、金属層２は、３０μｍ以上の膜厚があれば従来のジルコニウム合金管（厚さ０．７ｍｍ）と同程度までガス透過率を低減することができることが判った。

図３に、本実施例の燃料被覆管の外層構造の模式図を示す。
図３に示すように、本実施例の管状体では、ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管（基材１）の外表面側に、直接希土類シリケート層３１が形成されている。
この希土類シリケート層は、Ｙ_２ＳｉＯ_５を主要成分として構成されたもので、Ｙ_２ＳｉＯ_５粉末を基材１の表面に均一に塗布し、１４００〜１５００℃にて焼結することにより形成したものである。

（実施例２）
金属層２は、Ｃｕの代わりに、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉの金属若しくはそれらの合金からなるものであってもよい。
金属層２は、めっきに限られず、スパッタリング，蒸着または金属ペースト塗布・焼成のいずれかの成膜プロセスによって成膜することができる。
金属層２は、または、ＳｉＣ管の内表面側に、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉからなる金属若しくはこれらの金属の合金からなる金属管を挿入し、その金属管の内部を高圧にして、その金属若しくは合金の管を拡管し、ＳｉＣ管の内面に密着させるプロセスを用いても形成できる。

（実施例３）
希土類シリケート層３１は、Ｙ_２ＳｉＯ_５に限られず、Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｙｂ_２ＳｉＯ_５，Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７のうちのいずれか一つとすることができる。
希土類シリケート層３１は、Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｙｂ_２ＳｉＯ_５，Ｙｂ_２Ｓｉ_２Ｏ_７，Ｌｕ_２Ｓｉ_２Ｏ_７のいずれかからなる粉末を基材１の表面に均一に塗布し、１４００〜１５００℃にて焼結することによって形成したものとすることができる。

（実施例４）
図４に、希土類シリケート層３１とＳｉＣ管からなる基材１との間に中間層３２を設けた本実施例の燃料被覆管の外層構造の模式図を示す。
中間層３２は、高純度ＳｉＣ層であり、蒸着法で成膜したものである。
この中間層３２を設けることによって、希土類シリケート層３１を焼成する際に基材１の含有成分と反応することをより強力に抑制することができ、希土類シリケート層３１と基材との密着性を高めることができる。

図５に、本実施例における燃料被覆管の水素発生量比較実験の結果を示す。
図５に示すように、希土類シリケート層３１を設けたＳｉＣ管は、１４００℃の水蒸気環境における酸化減量速度が希土類シリケート層３１を設けない場合に比べて９分の１に低減させることができることが判った。

（実施例５）
図６に、希土類シリケート層３１の外側に保護層３３を設けた本実施例の燃料被覆管の外層構造の模式図を示す。
保護層３３は、高純度ＳｉＣ層であり、蒸着法で成膜したものである。

このような保護層３３を設けることにより、例えば、３００℃付近の高温純水中での通常の原子炉運転時の腐食や製作、移送時における破損に対する耐性をより高めることが可能となる。

（実施例６）
図７に、中間層３２および保護層３３の両方を設けた本実施例の燃料被覆管の外層構造の模式図を示す。
ＳｉＣ管からなる基材１の外表面側に中間層３２が形成され、その中間層３２の外表面側に希土類シリケート層３１が形成されている。更に希土類シリケート層３１の外表面側に保護層３３が形成されている。
中間層３２および保護層３３は、高純度ＳｉＣ層であり、蒸着法で成膜したものである。

このような中間層３２および保護層３３とを両方設けることにより、実施例４および実施例５で得られる効果の両方を奏することが可能となる。

（実施例７）
本発明の管状体は、燃料集合体における原子燃料棒や、燃料棒の被覆管と同じ構造の管状体を用いたウォータロッドに好適である。
以下、燃料棒やウォータロッド、燃料集合体の構成の一例について、図８乃至図１１を用いて説明する。

図８に、本発明を適用して作製された沸騰水型原子炉用の燃料棒の部分断面図を示す。
本図において、核燃料棒４１は、核燃料ペレット６５を内蔵した被覆管６４で構成されている。被覆管６４の上部には、プレナムスプリング６６が内蔵されている。被覆管６４の両端部は、端栓６７で封じられている。被覆管６４は、細径部６８を有する。
この被覆管６４が、実施例１―６のいずれかの燃料被覆管からなるものである。

図９および図１０に、本発明を適用して作製したウォータロッドの部分断面図を示す。
図９に示すウォータロッド４２は、直径が一様な中空円筒状であり、その両端部を端栓７０で封じてある。
図１０に示すウォータロッド４２は、中央部に太径部６９を有し、その両端側には、細径部６８を有している。また、両端部は、端栓７０で封じられている。
これら図９，９に示すウォータロットについても、実施例１―６のいずれかの燃料被覆管と同じ構造の管状体からなるものである。

図１１は、本発明の管状体を備えた燃料集合体の概略を示したものである。

本図において、燃料集合体７１は、核燃料棒４１（核燃料被覆管）およびウォータロッド４２を、上部タイプレート４５，下部タイプレート４６，スペーサ４７等により整列した束とし、チャンネルボックス４４で覆った構成を有する。
上部タイプレート４５には、核燃料棒貫通孔５０およびウォータロッド固定ネジ５３が設けてある。また、上部タイプレート４５の上部には、ハンドル５１が付設してある。上部タイプレート４５と核燃料棒４１との間には、核燃料棒伸び代４９が設けてある。チャンネルボックス４４の下部には、チャンネルボックス嵌合代４８が設けてある。

このように、本発明の管状体からなる燃料被覆管を用いた原子燃料棒と、この燃料被覆管と同じ構造の管状体を用いたウォータロッドを備えた燃料集合体は、沸騰水型原子炉における燃料集合体において、燃料棒内部の放射性核種を閉じ込めることができ、万一の事故時に基材のＳｉＣが高温水蒸気との反応により発生する水素量を大幅に低減することが可能となる。

（実施例８）
本発明の管状体は、図８乃至図１１に示すような沸騰水型原子炉における燃料集合体の燃料被覆管やウォータロッドに限られず、図１２乃至図１４に示すような加圧水型原子炉の燃料棒の被覆管にも適用することが可能である。

本実施例の燃料集合体の構成図を図１２に、横断面図を図１３に示す。
図１２，１２において、燃料集合体８１は、主として１７×１７の正方配列を形成する燃料棒８２が２６４本、制御棒案内シンブル８３が２４本、炉内計装用案内シンブル８４が１本、および支持構造物として支持格子８５が９個、上部ノズル８６が１個、下部ノズル８７が１個より構成されている。燃料棒８２の両端とノズルの間にはすき間が設けられており、燃料棒８２の熱膨張や成長を許容しうる構造になっている。
上部ノズル８６および下部ノズル８７の主要な機能は、集合体８１の骨格の構成体であると同時に、炉心における集合体８１の位置決めおよび冷却水の流路確保である。

本実施例の燃料棒の構成の一部断面図を図１４に示す。
図１４に示すように、燃料棒８２は、ペレットを１列にしてヘリウムガスで充填した燃料被覆管９１に入れ、この燃料被覆管９１の両端を端栓９２で密封した構造となっている。燃料棒８２には、ペレットより放出された核分裂生成ガスをためるための空所（プレナム９３）が設けられている。プレナム９３の体積は、放出される核分裂生成ガスや他のガスによって過大な内圧とならぬよう充分な大きさを持っている。プレナム部には、輸送時または取り扱い時のペレット９５の移動を防ぐためのコイルばね９４（プレナムスプリング）が入っている。このうち、燃料被覆管９１が、実施例１―６のいずれかの燃料被覆管からなるものである。

このように、加圧水型原子炉における燃料集合体においても、本発明の管状体からなる燃料被覆管を用いた原子燃料棒を用いることにより、燃料棒内部の放射性核種を閉じ込めることができ、万一の事故時に基材のＳｉＣが高温水蒸気との反応により発生する水素量を大幅に低減することが可能となる。

（その他）
なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。

例えば、本発明の管状体は、原子燃料の被覆管やウォータロッドのほか、管の外側が高温の水蒸気を含む腐食環境となる媒体で、管内部の物質若しくは媒体と管壁を介して熱伝達される熱交換配管や発熱体として用いることのできるプラント機器、発電機器、移動体の発動機の部品としても適用可能である。

１…ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管（基材）、
２…金属内層、
１０…燃料被覆管、
３１…希土類シリケート層、
３２…中間層、
３３…保護層、
４１…核燃料棒、
４２…ウォータロッド、
４３…ウォータロッド固定ネジ、
４４…チャンネルボックス、
４５…上部タイプレート、
４６…下部タイプレート、
４７…スペーサ、
４８…チャンネルボックス嵌合代、
４９…核燃料棒伸び代、
５０…核燃料棒貫通孔、
５１…ハンドル、
６０…厚肉コーナー部、
６１…辺部、
６２…上部辺部、
６３…下部辺部、
６４…被覆管、
６５…核燃料ペレット、
６６…プレナムスプリング、
６７…端栓、
６８…細径部、
６９…太径部、
７０…端栓、
７１…燃料集合体、
８１…燃料集合体、
８２…燃料棒、
８３…制御棒案内シンブル、
８４…炉内計装用案内シンブル、
８５…支持格子、
８６…上部ノズル、
８７…下部ノズル、
９１…燃料集合体
９２…端栓、
９３…プレナム、
９４…コイルばね、
９５…ペレット。

Claims

ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管からなる基材と、
この基材の内表面側に形成された金属層と、
前記基材の外表面側に形成された希土類シリケート層と、
前記基材と前記希土類シリケート層との間に形成されたβ―ＳｉＣからなる中間層を備えたことを特徴とする管状体。
請求項１に記載の管状体において、
前記金属層は、Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｚｒ，Ｔｉのいずれかの金属、あるいはこれらの金属の合金からなることを特徴とする管状体。
請求項１に記載の管状体において、
前記希土類シリケート層は、Ｙ２ＳｉＯ５，Ｙ２Ｓｉ２Ｏ７，Ｙｂ２ＳｉＯ５，Ｙｂ２Ｓｉ２Ｏ７，Ｌｕ２Ｓｉ２Ｏ７のうちいずれか一つを主要成分として構成されたことを特徴とする管状体。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の管状体を燃料被覆管として用いた原子燃料棒を備えたことを特徴とする燃料集合体。
ＳｉＣ繊維で強化されたＳｉＣ管からなる基材の外表面側にβ―ＳｉＣからなる中間層を成膜し、前記中間層が形成された基材の外表面側に希土類シリケート層を形成する工程と、
前記希土類シリケート層が形成された前記基材の内表面側に金属層を形成する工程とを備えることを特徴とする管状体の製造方法。
請求項５に記載の管状体の製造方法において、
前記金属層を形成する工程として、スパッタリング，蒸着，電気めっき，無電解めっきまたは金属ペースト塗布・焼成のいずれかの成膜プロセスを実施することを特徴とする管状体の製造方法。
請求項５に記載の管状体の製造方法において、
前記金属層を形成する工程として、前記基材の内側に金属管を挿入し、この金属管の内部を高圧にして前記金属管を拡管し、前記基材の内表面側に密着させるプロセスを実施することを特徴とする管状体の製造方法。