JP6850209B2 - 接合部材、それを用いた接合構造体及び接合部材の製造方法 - Google Patents
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Description
まず始めに、本発明の接合部材の構成について説明する。図1Aは本発明の接合部材の第1の例を示す断面模式図である。図1Aに示すように、本発明の接合部材は、基材1と、基材1同士を接合する接合材2と、接合部(接合材2と、接合材2に隣接する基材1の一部を含む部分)の表面に設けられた皮膜5aを有する。基材1としては、上述したようにSiCを主成分とする基材を用いる。具体的には、SiC/SiC複合材料(SiCからなるマトリックス中にSiCからなる繊維を分散させたSiC繊維強化SiC複合材料)を用いることが好ましい。
次に、本発明の接合構造体の具体例について詳述する。
図2Aは本発明の接合構造体の一例である原子炉燃料棒の断面模式図であり、図2Bは図2Aの横断面図である。図2Aに示すように、本発明の原子炉燃料棒10は、燃料被覆管11と、該燃料被覆管11の両端に接合され燃料被覆管11を封じる端栓12(12a,12b)とを有し、燃料被覆管11内に複数の燃料ペレット13が装填されている。燃料被覆管11及び端栓12が本発明の接合部材に該当する。燃料ペレット13を固定するため、連装された燃料ペレット13の一方の端部は、プレナムスプリング15によって押圧されている。
図4は本発明の接合構造体の第2の例であるウォーターロッドの部分断面模式図である。図4に示すように、本発明のウォータロッド33は、ウォータロッド本体33と、ウォータロッド本体33の両端に接合された端栓12(12a,12b)とを有し、内部に炉水が入るように設計されている。ウォータロッド本体33及び端栓12が本発明の接合部材に該当する。
図5は本発明の接合構造体の第3の例である燃料チャンネルボックスを示す模式図である。図5に示すように、本発明の燃料チャンネルボックス35は、正方形の角管であり、上部にクリップ38部が設けられている。燃料チャンネルボックス35が本発明の接合部材に該当する。図5では、L字形状の部材を4箇所の接合線39により接合された構造だが、コの字形状の部材を2箇所で接合した構造であってもよい。
図6Aは本発明の接合構造体の第4の例である沸騰水型原子炉の燃料集合体の縦断面図の一例を示す立て断面模式図であり、図6Bは図6AのA−A´線の横断面図である。図6A及びBに示す燃料集合体30は、沸騰水型原子炉(BWR:Boiling Water Reactor)用の燃料集合体の一例であり、上部タイプレート31と、下部タイプレート32と、これらの上部・下部タイプレート31,32に両端が保持されている複数の燃料棒10及びウォータロッド33と、燃料棒10及びウォータロッド33を束ねる燃料支持格子(スペーサ)34と、上部タイプレート31に取り付けられ燃料棒束を取り囲むチャンネルボックス35とを備えている。端的に言うと、横断面角筒状のチャンネルボックス35内に、燃料棒10(全長燃料棒とも言う)と部分長燃料棒36とウォータロッド33とが正方格子状に束ねられて収容されている(図6B参照)。
図8は本発明の接合構造体の第6の例である沸騰水型原子炉のセルを示す横断面模式図である。図8に示すように、BWRのセル40は、4体の燃料集合体30が正方状に配置され、その中央部に横断面が十字形の制御棒41が配設されている。セル40は、本発明に係る原子炉燃料棒10および燃料集合体30を利用することにより、通常運転環境下で従来と同等の長期信頼性を維持しつつ、非常事態(例えば、冷却材喪失事故)における安全性を向上することができる。
複数種の皮膜構成(被覆例1〜43)の試験片(接合部材)を作製した。まず始めに、基材としてSiC/SiC複合材料を準備し、基材の表面に化学蒸着によりSiC層を形成した。次に、基材同士を端部で突き合わせて、接合材としてSiを用いてロウ付け接合した。接合材のSiは、SiC材の突き合わせ部に充填されているほか、接合部周辺の表面にも濡れのため広がっていた。
表1〜3に示す皮膜構造の試験片に対して、288℃、溶存酸素濃度8ppmに調整した高純度水中に500時間浸漬することによる高温水腐食試験を実施して、皮膜の腐食状況(耐食性)を評価した。皮膜が単層の試験片(被覆例1〜12)よりも、複数の層の積層体とした試験片(被覆例13〜43)の試験片は、皮膜の酸化は表面層付近に留まっており、高い耐食性を有することが確認された。これは、皮膜を多層構造としたことにより、耐食層(表面層)に存在する空隙が界面層の空隙と連続することが少なくなり、腐食環境との遮蔽性が高まったためであると考えられる。また、高温水腐食試験後での皮膜の剥離は確認されなかった。これは、基材と皮膜の熱膨張の差が小さくなったためであると考えられる。
Claims (11)
- SiCを主成分とする基材と、
前記基材同士を接合する接合材と、
前記接合材及び前記接合材に隣接する前記基材の一部を含む接合部の表面に設けられた皮膜とを有し、
前記皮膜は、前記接合部の表面に設けられたCrを主成分とする界面層と、前記界面層の表面に設けられ、Cr、Ti及びZrのうちの少なくとも1つを主成分とする表面層とが積層された構成を有することを特徴とする接合部材。 - さらに、前記界面層と前記表面層との間に、前記界面層及び前記表面層を構成する元素を含む中間層を有することを特徴とする請求項1に記載の接合部材。
- さらに、前記接合部と前記界面層との間に、前記接合部及び前記界面層を構成する元素を含む反応層を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の接合部材。
- さらに、前記基材と前記界面層との間に、SiCからなる層を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の接合部材。
- 前記基材は、SiCからなるマトリックス中にSiCからなる繊維を分散させたSiC繊維強化SiC複合材料であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の接合部材。
- 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の接合部材を含むことを特徴とする接合構造体。
- 前記接合構造体は、原子炉を構成する燃料棒、燃料チャンネルボックス、ウォータロッド又は燃料集合体であることを特徴とする請求項6に記載の接合構造体。
- 前記接合構造体は原子炉を構成する燃料棒であり、前記基材及び前記界面層との間にモノリシックSiC又は金属からなる層を有する燃料被覆管を備えることを特徴とする請求項請求項6記載の接合構造体。
- SiCを主成分とする基材同士を接合材を用いて接合する接合工程と、
前記接合材及び前記接合材に隣接する前記基材の一部を含む接合部の表面に皮膜を設ける成膜工程と、を有し、
前記成膜工程は、前記基材の表面に、Crを主成分とする界面層と、Cr、Ti及びZrのうちの少なくとも1つを主成分とする表面層とを積層した膜を形成することを特徴とする接合部材の製造方法。 - 前記成膜工程は、化学蒸着、溶射又はコールドスプレーによって実施されることを特徴とする請求項9に記載の接合部材の製造方法。
- 前記成膜工程は、物理蒸着、化学蒸着、溶射、コールドスプレー、メッキ又は粉末塗布によって実施され、
前記成膜工程の後に、950〜1000℃で熱処理し、前記基材と前記界面層との間に拡散反応層を形成することを特徴とする請求項9に記載の接合部材の製造方法。
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