JP7350254B2 - 端栓が接合された燃料棒 - Google Patents

Description

本発明は、端栓が接合された燃料棒に関する。

高温高圧の炉水中においても耐食性、耐放射線特性、接合強度等において優れた燃料被覆管接合体の一例として、特許文献１には、燃料被覆管接合体は、内面に燃料ペレットが挿入されるとともに外面が炉水と接触する燃料被覆管の端部に端栓を接合することで燃料ペレットを封印する際に、燃料被覆管及び端栓はいずれも炭化ケイ素長繊維で強化された炭化ケイ素繊維強化複合材料により形成され、かつ燃料被覆管と端栓とが接合する部分のうち少なくとも炉水と接触する部分が異種材料を介在せず直接接合している、ことが記載されている。

特許第５６７７１８４号

炭化珪素（ＳｉＣ）は、耐食性に優れるだけでなく、熱伝導率も高く、高温まで安定であることから、摺動部材、シール材、あるいは熱処理治具などに使用されている。

さらに、熱中性子吸収断面積も小さいことから、近年、原子炉炉心の燃料集合体を構成する機器の有望な材料として研究開発が進んでいる。特に、ＳｉＣ繊維で強化した複合材料（以下、「ＳｉＣ複合材料」とも称する）は、セラミックスとしては高い靭性を示し、構造材料として適用が検討されている。

一般に、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ：Ｂｏｉｌｉｎｇ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ）や加圧水型原子炉（ＰＷＲ：Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ Ｗａｔｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒ）などの軽水炉の炉心内には、原子炉燃料として燃料集合体が装荷されている。この燃料集合体は、ウラン燃料が装填された複数本の原子炉燃料棒（単に燃料棒とも言う）が、上部タイプレートおよび下部タイプレートにより整列・支持されているものである。

各々の原子炉燃料棒は、長さ約４ｍの燃料被覆管にウラン燃料ペレットが装填されており、その両端が端栓によって封じられている。

これら燃料被覆管および端栓には、従来から、熱中性子吸収断面積が小さく、かつ耐食性に優れたジルコニウム合金（ジルカロイ）がその材料として使用されており、中性子経済に優れるとともに通常の原子炉内環境において安全に使用されてきた。

一方、水を冷却材として使用する軽水炉では、冷却水が原子炉内に流入できなくなる事故（いわゆる、冷却材喪失事故）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。また、冷却水不足により燃料棒が冷却水から露出すると、燃料棒の温度が上昇して１０００℃を優に超え、燃料被覆管を構成するジルコニウム合金が酸化して水蒸気が還元される化学反応により、水素が生成する。水素の大量発生は、爆発事故につながることから厳に避けるべき事象である。

冷却材喪失や爆発のような事故を回避するため、現在の原子炉では、非常用電源、非常用炉心冷却装置など多重の電源装置・冷却装置を設けるといった安全性を強化したシステム設計が施されているが、加えて更なる改良・改修も重ねられている。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対しても検討されている。

例えば、燃料被覆管や端栓の材料として、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。中でも、炭化珪素（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、燃料被覆管・端栓の有望な材料として研究開発が進んでいる。また、１３００℃を超えるような高温水蒸気環境におけるＳｉＣの酸化速度は、ジルコニウム合金のそれよりも２桁以上低いことから、万が一冷却材喪失事故が発生したとしても水素生成の大幅な低減が期待できる。

ＳｉＣ繊維により強化されたＳｉＣ複合材料は、モノリシックなＳｉＣと比べて構造部材としての靭性に優れることから、基材として用いることが好ましい。

一方、通常運転時の温度では、ＳｉＣ複合材料は従来のジルコニウム合金よりも強度が低いことが知られている。このことから、同じ構造強度を得るためには断面積を大きくする必要がある。

しかしながら、燃料集合体を構成する燃料棒等の部品には、適度な中性子束および冷却水流量で核分裂反応を維持するために精緻な設計がなされており、寸法に対して制約がある。

特に、燃料棒や水ロット（以下、燃料棒等）を整列・支持している上部タイプレートおよび下部タイプレートでは、冷却水を通水する孔が設けられており、燃料棒等を嵌合するための孔やくぼみの寸法が大きくなることは、タイプレートの構造強度や冷却水量の確保の観点で好ましくない。このため、タイプレートに直接接する端栓の強度を高めることで対応する必要がある。

次に、燃料棒では、核分裂核種が外部に漏えいさせないために、燃料被覆管、端栓およびその接合部に対して気密性が要求される。

原子力用途のＳｉＣ複合材料の製造方法として、主流に考えられている化学気相浸透法では、ＳｉＣ繊維間にＳｉＣマトリックスを充填しても２０％程度の空隙が残ることから、そのまま用いると気密性の要求を満足しないため、端栓の気密性を高める必要がある。

上記のような弱点を克服するため、種々の技術が開発・提案されている。

例えば、上述の特許文献１では、燃料被覆管と端栓とが接合する部分のうち炉水と接触する側が異種材料を介在せずに直接接合し、炉水と接触しない側が異種材料、例えばチタンシリコンカーバイドとチタンシリサイドの混合体、またはアルミニウムとイットリウムを含む炭化ケイ素を介して接合する、ことが開示されている。

ここで、燃料集合体のジルカロイ部材をＳｉＣ複合材料に置き換えることを検討すると、原子炉の通常運転温度では、一般的にＳｉＣ複合材料のほうがジルカロイよりも強度は低いため、寸法に制約のある部材については高い強度のＳｉＣ複合材料を用いる必要がある。

特に、燃料棒や水ロッドは、端栓を介して、冷却水流路孔のある上部タイプレートおよび下部タイプレートに嵌合されることから、端栓は寸法が制約される。従ってこの端栓には高い強度のＳｉＣ複合材料を用いる必要がある。

これは、端栓は燃料棒の両端に位置しており、上部タイプレートおよび下部タイプレートとの接点において固定端として機能することから、輸送時や運転時の振動により曲げ応力が負荷される、という制約があるためである。

これに対し、特許文献１に記載された技術では、燃料被覆管及び端栓がいずれもＳｉＣ複合材料により形成されていることから、気密性はＳｉＣ複合材料のみに依存する。

ここで、ＳｉＣ複合材料は、その製造方法において空隙率を小さくすることが課題であり、空隙率を０とする製造方法は溶融金属含浸法が知られているが、残留Ｓｉが生じる、という原子力用途には不向きな課題がある。

また、燃料集合体として燃料棒を装填する際には、上部タイプレートおよび下部タイプレートに燃料棒は端栓を介して嵌合されることから、端栓はタイプレートに組み込まれる形状を有しているが、特許文献１に示された端栓の形状は単純で、タイプレートに嵌め合せる形状の特徴を擁しておらず、改善の余地がある。

したがって、本発明の目的は、上記事情に鑑み、燃料集合体の輸送時や運転時の振動により負荷される曲げ応力に対する強度と、放射性核種漏えいを防止するための気密性を備えた端栓が接合された燃料棒を提供することにある。

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、端栓が接合された燃料棒であって、管状部材と、前記管状部材の端部を封止する端栓と、を備え、前記端栓は、端栓先端部と端栓胴部とからなり、前記端栓のうち、前記端栓胴部がＳｉＣ繊維によって強化されたＳｉＣ複合材料の基材により構成され、前記ＳｉＣ繊維の配向方向が、構造形成上不可避なＳｉＣ繊維を除いて前記端栓の長さ方向に平行であり、かつ前記端栓の表面に平行であり、前記ＳｉＣ複合材料は、空隙率は５％未満の液相焼結法ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料またはＳｉＣ繊維結合材料であることを特徴とする。

本発明によれば、燃料集合体の輸送時や運転時の振動により負荷される曲げ応力に対する強度と、放射性核種漏えいを防止するための気密性を備えた接合構造体を提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本発明の接合構造体の一例である沸騰水型原子炉燃料棒の断面模式図である。 本発明の接合構造体の一例である加圧水型原子炉燃料棒の断面模式図である。 本発明の接合構造体の他の一例であるウォータロッドの部分断面模式図である。 本発明の接合構造体のうち、端栓接合部および端栓の構造を示す第１の例である。 本発明の接合構造体のうち、端栓接合部および端栓の構造を示す第２の例である。 本発明の接合構造体のうち、端栓接合部および端栓の構造を示す第３の例である。 本発明の接合構造体のうち、端栓接合部および端栓の構造を示す第４の例である。 本発明の接合構造体を備えた沸騰水型原子炉の燃料集合体の縦断面図の一例を示す模式図である。 図８のＡ－Ａ´線断面図である。 図８に示した沸騰水型原子炉の燃料集合体における下部タイプレート縦断面図の一例を示す模式図である。 本発明の接合構造体を備えた加圧水型原子炉の燃料集合体の模式図である。 本発明の接合構造体を備えた沸騰水型原子炉のセルを示す横断面模式図である。 本発明の接合構造体を備えた加圧水型原子炉のセルを示す横断面模式図である。

以下、本発明の接合部材およびそれを備えた接合構造体の実施形態について、図面を参照しながらより具体的に説明する。なお、同義の部材や部位には同じ符号を付して、重複する説明を省略することがある。また、本発明は、以下に説明する実施形態や実施例に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能ある。

［接合構造体］
最初に、本発明の接合構造体の具体例について図１乃至図３を用いて詳述する。

（１）原子炉燃料棒
図１および図２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る。

図１に示すように、本発明の接合構造体の一例である燃料棒１０は、燃料被覆管１１と、該燃料被覆管１１の両端に接合されており、燃料被覆管１１の端部を封止する端栓１２Ａ，１２Ｂとを備えている。燃料棒１０のうち、端栓１２が本発明の接合部材に該当する。

図１に示す燃料棒１０は、沸騰水型原子炉用の燃料棒であり、その内側に複数の燃料ペレット１３が装填されている。

また、燃料棒１０では、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。このプレナムスプリング１５が配置されている部分に空間（燃料プレナム１６）が形成されており、燃料の燃焼に伴って生成する放射性の核分裂生成物のうち、キセノンやクリプトン等の気体を収容するために設けられている。

また、図２に示す本発明の接合構造体の一例である燃料棒１０Ｃは、加圧水型原子炉用の燃料棒であり、図１に示した燃料棒１０と同様に、燃料被覆管１１Ｃと、この燃料被覆管１１Ｃの端部を封止する端栓１２Ｃと、を備えている。また、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。

端栓１２Ｃの形状は図１に示した端栓１２Ａ，１２Ｂの形状とは異なるが、その役割は同じである。

（２）ウォータロッド
図３は本発明の接合構造体の他の一例であるウォータロッドの部分断面模式図である。

図３に示すように、本発明のウォータロッド２０は、ウォータロッド本体である円管部２１と、円管部２１の両端に設けられており、この円管部２１の端部を封止する端栓２２Ａ，２２Ｂとを備えており、円管部２１の内部側に炉水が入るように設計されている。ウォータロッド２０のうち、端栓２２Ａ，２２Ｂが本発明の接合部材に該当する。

［接合部材］
次に、本発明の接合部材の構成について図４乃至図７を用いて説明する。図４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４に示す接合部材は、上述の端栓１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのうち、端栓１２Ａあるいは端栓１２Ｂのケースであり、燃料被覆管１１とは接合部２において接合されている。端栓１２Ｃについても端栓１２Ａ，１２Ｂと同様の構成であることが望ましいため、以下では説明は省略する。

端栓１２Ａ，１２Ｂは、先端中心１３１、縮径部１３２、および最先端部１３３により構成される端栓先端部１２１と、胴部接液部１１２および胴部挿入部１１３により構成される端栓胴部１１１と、により構成されている。

端栓１２Ａ，１２Ｂを含めた本発明の接合部材は、基本的に端栓先端部１２１がタイプレートに対して嵌合され、燃料棒に対する曲げ変形に対して曲げ応力が負荷される。また、燃料棒では、核分裂で生成されたキセノンやクリプトン等の気体を閉じ込めるとともに、運転時の外圧と平衡を保つために製造時に封入するヘリウムを閉じ込めておくために気密性が要求される。

このため、本発明の端栓１２Ａ，１２Ｂにおける端栓胴部１１１や端栓先端部１２１は、少なくとも表面領域がＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１の基材により構成される。また、その基材を構成するＳｉＣ繊維３の配向方向は、構造形成上不可避なＳｉＣ繊維を除いて基材の長さ方向に平行であり、かつ基材の表面に平行とする。

端栓の端栓胴部１１１のうち、胴部接液部１１２の外周側はＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１であることが望ましい。その中心軸については特に限定されず、気密性の担保を補ううえでモノリシックＳｉＣからなるものとすることができる。モノリシックＳｉＣとする領域は、端栓先端部１２１の縮径部１３２の部分までとすることができる。

また、作製を容易とするために、胴部接液部１１２の中心軸側についてもＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１からなるものとすることができる。この場合において気密性の担保を補うことを目的として、後述する図５や図７のようにその表面にモノリシックＳｉＣ層を形成することができる。

また、端栓の端栓胴部１１１のうち、胴部挿入部１１３についても特に限定されるものではなく、気密性の担保を補ううえで胴部接液部１１２の中心軸と同様にモノリシックＳｉＣからなるものとすることができる。同様に、作製を容易とするうえで、ＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１からなるものとすることができる。

端栓の端栓先端部１２１のうち、先端中心１３１は、そのすべての領域がＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１であることが望ましいが、これに限定されるものではない。

端栓の端栓先端部１２１のうち、縮径部１３２は、そのすべての領域がＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１であることが望ましいが、これに限定されるものではない。

また、ＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１で縮径部１３２を構成する場合、ＳｉＣ繊維の配向方向は「基材の長さ方向に平行である」ことはその構造上不可能であるが、「基材の表面に平行である」ことが望ましい。

端栓の端栓先端部１２１のうち、最先端部１３３は、先端中心１３１や縮径部１３２とは異なり、ＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１よりはモノリシックＳｉＣ等の気密性の高い材料で構成されることが望ましいものの、特に限定されず、その形状は最先端側で丸い形状であることが望まれる。

上述の端栓を構成する部分のうち、ＳｉＣ複合材料１で構成される部分は、その空隙率は５％未満とすることが望ましく、好適には液相焼結法ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料またはＳｉＣ繊維結合材料であることが望ましい。

なお、本発明における「構造形成上不可避なＳｉＣ繊維」とは、ＳｉＣ繊維を束ねた状態で維持するために必要なＳｉＣ繊維や、端栓として必要に応じて縮径部１３２，２３２，３３２，４３２や拡径部が設けられた場合の当該縮径部や拡径部の部分のＳｉＣ繊維のことをさす。

また、本発明における「空隙率」とは、端栓を顕微鏡などで組織観察したときに、「孔部分の面積」／（「ＳｉＣ複合材料１を構成するＳｉＣ繊維３や様々な形のＳｉＣやそれらをベースとした材料等によって占められる面積」＋「孔部分の面積」）×１００［％］で定義されるものとする。

端栓胴部１１１と燃料被覆管１１とを接合している接合部２の構造は特に限定されず、公知の構成とすることができる。

例えば、固相線温度が１２００℃以上である所定の金属接合材を介したろう付けおよび／または拡散接合によって形成されており、接合部２の外表面とこの接合部２外表面に隣接する部分の燃料被覆管１１および端栓１２Ａ，１２Ｂの外表面の一部とが、所定の被覆金属からなる接合部被覆で覆われており、所定の金属接合材および所定の被覆金属は、その平均線膨張係数が１０ｐｐｍ／Ｋ未満であるものとすることができる。

また、燃料被覆管１１の端部および端栓１２Ａ，１２Ｂに傾斜面を形成し、これら傾斜面が当接した状態で金属接合材にて接合され、接合部２を端栓胴部１１１の胴部挿入部１１３により支持することができる。

端栓の構造は図４に示す形態に限定されない。以下、図５乃至図７を参照して他の形態の例について説明する。図５は本発明の接合部材の第２の例を示す断面模式図、図６は本発明の接合部材の第３の例を示す断面模式図、図７は本発明の接合部材の第４の例を示す断面模式図である。

図５は、先端中心２３１、縮径部２３２、および最先端部２３３により構成される端栓先端部２２１と、胴部接液部２１２および胴部挿入部２１３により構成される端栓胴部２１１と、により構成されている端栓であり、端栓先端部２２１、および端栓胴部２１１の胴部接液部２１２を構成するＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１の表面が、接液面となるモノリシックＳｉＣ層４により覆われている。

モノリシックＳｉＣ層４は、ＳｉＣ複合材料１に対して化学蒸着法により付与することができる。あるいは、ＳｉＣ繊維のないＳｉＣ焼結材をＳｉＣ複合材料１を焼成する際に付与することができる。

このモノリシックＳｉＣ層４は、ＳｉＣ複合材料１との組合せで気密性維持に機能することを目的として、厚さは２０μｍ以上であることが望ましい。

図５におけるＳｉＣ複合材料１についても、空隙率は５％未満であることが望ましいが、化学気相浸透法によるＳｉＣ複合材料を適用することができる。

図６は、先端中心３３１、縮径部３３２、および最先端部３３３により構成される端栓先端部３２１と、胴部接液部３１２および胴部挿入部３１３により構成される端栓胴部３１１と、により構成されている端栓であり、端栓先端部３２１、および端栓胴部３１１の胴部接液部３１２を構成するＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１の表面が、耐食金属層５により覆われている。

耐食金属層５は、Ｃｒ、Ｔｉ及びＺｒのうちの少なくとも１つを主成分とする層であり、その厚さは、５～１０００μｍであることが好ましい。５μｍ以上とすることで耐食性を向上する効果を大きくし、１０００μｍ以下とすることでＳｉＣ複合材料１との密着性を確保して、剥離する恐れを低減することができる。

この耐食金属層５は、物理蒸着（ＰＶＤ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、化学蒸着（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、溶射、コールドスプレー、メッキ、又は粉末塗布法を用いることができる。物理蒸着として、具体的にはスパッタリング法を用いることができる。

また、成膜工程後に、熱処理を行ってもよい。熱処理を行うことで成膜した金属層とＳｉＣ層との間に拡散による反応層を形成し、密着性を向上させることができる。化学蒸着、溶射及びコールドスプレーに関しては、熱処理を行わなくても、成膜工程中の入熱や機械的な混合によって反応層が形成されることがある。

耐食金属層５の層厚は、例えば物理蒸着、化学蒸着、メッキ、又は粉末塗布による成膜では１０μｍ以上１００μｍ以下であり、溶射又はコールドスプレーによる成膜では１００μｍ以上１０００μｍ以下とすることができ、求められる耐食性能に基づいて厚さを決定することができる。

図７は、先端中心４３１、縮径部４３２、および最先端部４３３により構成される端栓先端部４２１と、胴部接液部４１２および胴部挿入部４１３により構成される端栓胴部４１１と、により構成されている端栓であり、端栓先端部４２１、および端栓胴部４１１の胴部接液部４１２を構成するＳｉＣ繊維３によって強化されたＳｉＣ複合材料１の表面が、モノリシックＳｉＣ層４に覆われ、更にそのモノリシックＳｉＣ層４の表面が、Ｃｒ、Ｔｉ及びＺｒのうちの少なくとも１つを主成分とする、接液面となる耐食金属層５により覆われている。

形成されるモノリシックＳｉＣ層４の詳細は、上述の図５に示したものと同じであり、ＳｉＣ複合材料１に対して化学蒸着法により付与することができる。あるいは、ＳｉＣ繊維のないＳｉＣ焼結材をＳｉＣ複合材料１を焼成する際に付与することができる。またその厚さは、ＳｉＣ複合材料１との組合せで気密性維持に機能することを目的として、２０μｍ以上であることが望ましい。

また、形成される耐食金属層５の詳細は、上述の図６に示したものと同じであり、Ｃｒ、Ｔｉ及びＺｒのうちの少なくとも１つを主成分とする層であり、その厚さは、５～１０００μｍであることが好ましく、好適には物理蒸着、化学蒸着、溶射、コールドスプレー、メッキ又は粉末塗布法により形成することができる。

なお、図４乃至図７における燃料被覆管１１や図２における燃料被覆管１１Ｃの構造については特に限定されないが、冷却材喪失事故を想定すると、同様に、セラミックス材料を基材として構成され、例えばＳｉＣ材料、特にはＳｉＣ繊維によって強化されたＳｉＣ複合材料であることが望ましい。

また、その内周側や外周側に公知の適切な耐環境遮蔽被覆が施されているものとすることができる。

（３）燃料集合体
図８は本発明の接合構造体を備えた第１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９は図８のＡ－Ａ’線の横断面図である。

図８及び図９に示す燃料集合体３０は、沸騰水型原子炉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、上述の複数の燃料棒１０やウォータロッド２０と、燃料棒１０及びウォータロッド２０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に取り付けられている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。

燃料集合体３０では、複数の燃料棒１０及びウォータロッド２０は、上部タイプレート３１・下部タイプレート３２により両端が保持されている。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１０Ａとウォータロッド２０とが正方格子状に束ねられて収容されている（図９参照）。

冷却水は、図８中下方より、燃料支持金具のオリフィス及び燃料集合体３０の下部タイプレート３２を経由して角筒状のチャンネルボックス３５内に流入し、燃料棒１０，１０Ａにより熱せられ、沸騰により蒸気になって気液二相流となる。

現在の商用の沸騰水型原子炉で用いられる全長燃料棒１０は、燃料有効長が約３．７ｍ、全長が約４ｍである。

部分長燃料棒１０Ａは、原子炉燃料棒の一種であり、燃料棒１０（全長燃料棒）よりも内部の燃料有効長が短く、高さが上部タイプレート３１まで達しない燃料棒である。この部分長燃料棒１０Ａについても全長燃料棒１０と同様の構造とすることが望ましく、特にその両端側を封止する端栓は、図４乃至図７のいずれかに示した端栓と同様の構造とすることが望ましい。

上部タイプレート３１にはハンドル３７が締結されており、ハンドル３７を吊り上げると、燃料集合体３０全体を引き上げることができる。

本発明に係る燃料集合体３０において、ウォータロッド２０又はチャンネルボックス３５は、従来技術と同じもの（ジルコニウム合金製のウォータロッド又はチャンネルボックス）を用いてもよい。

但し、冷却材喪失事故を想定すると、ウォータロッド２０の端栓２２Ａ，２２Ｂについては、燃料棒１０の端栓１２Ａ，１２Ｂと同様の構造であることが望ましい。また、ウォータロッド２０の円管部２１についても、燃料被覆管１１、１１Ｃと同様の構成であることが望ましい。

図１０は本発明の接合構造体を備えた構造物の第１の例である沸騰水型原子炉の燃料集合体における下部タイプレート縦断面図の一例を示す模式図である。

図１０に示すように、燃料集合体３０の内部に異物が侵入することを防ぐことを目的に、全長燃料棒１０、部分長燃料棒１０Ａ及びウォータロッド２０の下端を支持する下部タイプレート３２のメッシュ部４３の下面に、異物フィルタ４７が付加されている。これにより、燃料の健全性の向上が図られている。

下部タイプレート３２は、冷却水入口開口４０から下流側に向かって次第に流路が拡大するノズル部４１と、燃料棒１０，１０Ａとウォータロッド２０の下端を支持し、冷却水を所定の流れ方向に通すことが可能な複数の出口開口４２を有するメッシュ部４３と、ノズル部４１とメッシュ部４３とを連結する周囲側壁４４とを有しており、ノズル部４１とメッシュ部４３との間に周囲側壁４４により取り囲まれた冷却水受入室４５が形成されている。

ノズル部４１には開口４８が形成され、また、メッシュ部４３の下面には数ｍｍの小口径の孔４６が数百個設けられた異物フィルタ４７が取り付けられている。冷却水受入室４５内の冷却水に含まれる異物は、孔４６の孔径サイズに応じて異物フィルタ４７に捕捉され、異物が除去された冷却水のみが出口開口４２より下流側（上部タイプレート３１側）へと通流する。

図１１は本発明の接合構造体を備えた構造物の第２の例である加圧水型原子炉の燃料集合体の模式図である。

図１１に示す燃料集合体５０は、加圧水型原子炉用の燃料集合体の一例であり、複数の燃料棒１０Ｃと、複数の制御棒案内シンブル５１と、炉内計装用案内シンブル５２と、それらを束ねて支持する複数の支持格子（スペーサ）５３と、上部ノズル５４と、下部ノズル５５とを備えている。

上部ノズル５４および下部ノズル５５は、燃料集合体５０の骨格の構成体であると同時に、炉心における燃料集合体５０の位置決めや冷却水の流路確保の役割を担う。

（５）原子炉のセル
図１２は本発明の接合構造体を備えた構造物の第３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１２に示すように、沸騰水型原子炉のセル６０は、図８等に示した燃料集合体３０が４体正方状に配置され、その中央部に横断面が十字形の制御棒６１が配設されている。セル６０では、本発明に係る燃料棒１０，１０Ａを備えた燃料集合体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。

図１３は、本発明の接合構造体を備えた構造物の第４の例である加圧水型原子炉のセルを示す横断面模式図である。

図１３に示すように、加圧水型原子炉のセル７０は、燃料集合体５０の中に制御棒が配設されることから、４体の燃料集合体５０がそのまま正方状に配置される。当該セル７０でも、本発明に係る燃料棒１０Ｃおよび燃料集合体５０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、冷却材喪失の事故）における安全性を向上することができる。

＜効果＞
上述した本実施例の端栓１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，２２Ａ，２２Ｂは、少なくとも表面領域がＳｉＣ繊維によって強化されたＳｉＣ複合材料の基材により構成され、ＳｉＣ繊維の配向方向が、構造形成上不可避なＳｉＣ繊維を除いて基材の長さ方向に平行であり、かつ基材の表面に平行であることによって、ＳｉＣ複合材料を基材とする接合部材において、端栓先端部を細径化するのに十分な曲げ応力強度を備え、かつ、放射性核種漏えいを防ぐ気密性を備えた端栓を提供することができる。

従って、例えば燃料棒１０，１０Ｃやウォータロッド２０などの端栓に用いた場合、タイプレートにおける端栓挿入孔を細径化し、冷却水の通水孔径を確保して、タイプレートの剛性を維持または向上できる。さらに、原子炉水環境でのＳｉＣの腐食を抑制することができる。

また、ＳｉＣ複合材料の空隙率は５％未満であるため、接合構造体としたときにおける気密性をより高く確保することができる。

更に、基材の表面に、接液面となるモノリシックＳｉＣ層４を更に備えたことによっても、接合構造体としたときにおける気密性をより高く確保することができる。

また、基材の表面に、モノリシックＳｉＣ層４、およびモノリシックＳｉＣ層４の表面にＣｒ、Ｔｉ及びＺｒのうちの少なくとも１つを主成分とする、接液面となる耐食金属層５を更に備えたことにより、接合構造体としたときにおける気密性をより高く確保するとともに、例えば水分を含んだ酸化環境、水蒸気環境又は高温水環境において、高い耐食性を有する接合部材とすることができる。

更に、基材の表面に、Ｃｒ、Ｔｉ及びＺｒのうちの少なくとも１つを主成分とする、接液面となる耐食金属層５を更に備えたことで、例えば水分を含んだ酸化環境、水蒸気環境又は高温水環境において、高い耐食性を有するものとすることができる。

また、ＳｉＣ複合材料は、液相焼結法ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料またはＳｉＣ繊維結合材料であることにより、基材部分の空隙率を数％程度と小さいものとすることができ、気密性をより確実に確保することが可能となる。

更に、基材の表面領域以外の領域はモノリシックＳｉＣからなることで、例えば燃料棒１０，１０Ｃとした際の気密性を高いものとすることができる。

また、基材の表面領域以外の領域もＳｉＣ繊維３で強化されたＳｉＣ複合材料１であることで、端栓を容易に製造することができる。

＜実施例＞
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。もちろん本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（１）接合部材の作製
図４に示す端栓形状の接合部材を作製した。

ＳｉＣ繊維には、結晶性の高いハイニカロンタイプＳ（繊維径８μｍ）を用いて、ＳｉＣ繊維３の方向が構造形成上不可避なＳｉＣ繊維を除いて、端栓１２の長さ方向、かつ、端栓１２の表面に平行になるように配置した。

化学気相浸透法では、ＳｉＣ繊維を束ねるため、端栓の周方向に一部のＳｉＣ繊維を織りこんだ状態で、ＳｉＣを生成するガス中で加熱した。液相焼結法では、ＳｉＣ繊維を束ねたものに酸化物とＳｉＣ粉末を加えたスラリーを含浸させ、加熱によりスラリーの樹脂成分を除去した後で、グラファイト製型の中に詰めてホットプレスにより高温高圧で焼結した。ＳｉＣ繊維結合法では、焼結助剤をＳｉＣ繊維の束に含浸させた状態で、グラファイト製型の中に詰めてホットプレスにより高温高圧で焼結した。このとき、ＳｉＣ複合材料内部の空隙率は、液相焼結法では２％、ＳｉＣ繊維結合法では４％、化学気相浸透法では２２％であった。

焼結したＳｉＣ複合材料素材に対して機械加工を施し、所定の形状に成形した。端栓胴部は直径約１０ｍｍ、長さ約２０ｍｍ、端栓先端部は直径約７ｍｍ、長さ約４０ｍｍとした。

次に、図５に示すような、外表面にモノリシックＳｉＣ層を付与した端栓を作製した。モノリシックＳｉＣ層は、上述の所定形状に成形した端栓に対して、化学気相蒸着法により５０～２００μｍのモノリシックＳｉＣ層を付与した。

別の端栓では、液相焼結法でＳｉＣ複合材料素材を焼結する際に、外表面に予め酸化物とＳｉＣ粉末を加えたスラリーを塗布しておき、ホットプレスで素材全体を焼結して、外表面にはスラリーから焼結したモノリシックＳｉＣ層を生成させた。

外表面にモノリシックＳｉＣ層を付与後、接合部、タイプレートと嵌合する端栓先端部などの寸法精度が要求される部位について、機械加工により精密に成形した。

次に、図６あるいは図７に示すような、外表面に耐食金属層を付与した端栓を作製した。上述のＳｉＣ複合材料まま、また外表面にモノリシックＳｉＣ層を付与した端栓に対して、表面に耐食金属層を成膜した。成膜には、物理蒸着、化学蒸着、溶射及びコールドスプレーを用いた。皮膜を物理蒸着及び粉末塗布により成膜したものは、成膜後、基材毎に真空中で熱処理を施した。

物理蒸着による成膜では、スパッタリング法を適用し、Ａｒガスを導入してチャンバ内圧力を１．３Ｐａで一定にした後、スパッタ電力１．５０ｋＷ、バイアス電圧１５０Ｖで実施した。純Ｃｒ、純Ｔｉ、純Ｚｒ及びＺｒ合金のスパッタ蒸発源（ターゲット）を切り替えることにより、多層膜や傾斜組成層を形成した。熱処理では、油拡散ポンプ又はターボ分子ポンプを用いて、１０^－４Ｐａ以下の高真空中、９５０～１０００℃で０．５～１時間加熱し、熱処理中のＴｉ、Ｚｒ等といった活性な金属の皮膜の酸化を抑制した。さらに、熱処理後に剥離がないことを確認した。

化学蒸着による成膜では、原料ガスを流して皮膜形成部にレーザ光又はヒータを用いて局所加熱、もしくは、レーザ光を用いた光分解を実施して化学蒸着を施工した。原料ガスには、Ｃｒ膜を生成する際にはＣｒ（ＣＯ）_６＋Ｈ_２ガス、Ｔｉ膜を生成する際にはＴｉＣｌ_２ガス、Ｚｒ膜を生成する際にはＺｒＣｌ_２ガスを用いた。Ｃｒ層を形成した後に、原料ガスと加熱条件を変更することによって多層膜を形成した。

溶射による成膜では、接合部を含む部位の周辺の空気を一旦パージした後、減圧下で不活性ガスとしてＡｒガスを導入した状態でプラズマ溶射により施工した。溶射プロセス中の原料粉末の酸化が抑制し、活性なＴｉ、Ｚｒ又はＺｒ合金の皮膜を形成した。原料粉末は、純Ｃｒ、純Ｔｉ、純Ｚｒ及びＺｒ合金の粉末（粒径１０～６０μｍ）を用い、原料粉末を切り替えることにより多層膜を形成できたほか、原料粉末を混合することにより中間組成の膜を形成することができた。

コールドスプレーによる成膜では、作動ガスにヘリウムを用いて皮膜形成部に原料粉末を吹き付けて施工した。コールドスプレーは作動ガス温度が原料粉末の融点より低いことが特徴であり、溶射法よりも酸化、熱影響、及び熱応力を抑制し緻密な皮膜の形成が可能である。原料粉末は、純Ｃｒ、純Ｔｉ、純Ｚｒ及びＺｒ合金の粉末（粒径数～５０μｍ）を用い、原料粉末を切り替えることにより多層膜を形成できたほか、原料粉末を混合することにより中間組成の膜を形成することができた。

粉末塗布による成膜では、接合部を含む部位にＣｒ粉末塗布したのち９５０℃～１０００℃で熱処理を実施し、続いてＴｉ，Ｚｒ又はＺｒ合金の粉末を塗布したのち９５０℃～１１００℃で熱処理を実施した。一部の試験片では、Ｃｒ粉末塗布及びそれに続く熱処理の後、ＣｒめっきによりＣｒ層を厚くすることができた。

１…ＳｉＣ複合材料（基材）
２…接合部
３…ＳｉＣ繊維
４…モノリシックＳｉＣ層
５…耐食金属層
１０…全長燃料棒（接合構造体）
１０Ａ…部分長燃料棒（接合構造体）
１０Ｃ…燃料棒（接合構造体）
１１，１１Ｃ…燃料被覆管（管状部材）
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，２２Ａ，２２Ｂ…端栓（接合部材）
１３…燃料ペレット
１５…プレナムスプリング
１６…燃料プレナム
２０…ウォータロッド（接合構造体）
２１…円管部（管状部材）
３０…燃料集合体（ＢＷＲ）
３１…上部タイプレート
３２…下部タイプレート
３４…燃料支持格子（スペーサ）
３５…チャンネルボックス
３７…ハンドル
４０…冷却水入口開口
４１…ノズル部
４２…出口開口
４３…メッシュ部
４４…周囲側壁
４５…冷却水受入室
４６…孔
４７…異物フィルタ
４８…開口
５０…燃料集合体（ＰＷＲ）
５１…制御棒案内シンブル
５２…炉内計装用案内シンブル
５３…支持格子（スペーサ）
５４…上部ノズル
５５…下部ノズル
６０…セル（ＢＷＲ）
６１…制御棒
７０…セル（ＰＷＲ）
１１１，２１１，３１１，４１１…端栓胴部
１１２，２１２，３１２，４１２…胴部接液部
１１３，２１３，３１３，４１３…胴部挿入部
１２１，２２１，３２１，４２１…端栓先端部
１３１，２３１，３３１，４３１…先端中心
１３２，２３２，３３２，４３２…縮径部
１３３，２３３，３３３，４３３…最先端部

Claims (6)

1. 端栓が接合された燃料棒であって、
   管状部材と、
   前記管状部材の端部を封止する端栓と、を備え、
   前記端栓は、端栓先端部と端栓胴部とからなり、
   前記端栓のうち、前記端栓胴部がＳｉＣ繊維によって強化されたＳｉＣ複合材料の基材により構成され、
   前記ＳｉＣ繊維の配向方向が、構造形成上不可避なＳｉＣ繊維を除いて前記端栓の長さ方向に平行であり、かつ前記端栓の表面に平行であり、
   前記ＳｉＣ複合材料は、空隙率は５％未満の液相焼結法ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料またはＳｉＣ繊維結合材料である
   ことを特徴とする端栓が接合された燃料棒。
2. 請求項１に記載の端栓が接合された燃料棒において、
   前記端栓先端部は、先端中心、縮径部、及び最先端部により構成され、
   前記端栓胴部は、胴部接液部及び胴部挿入部により構成される
   ことを特徴とする端栓が接合された燃料棒。
3. 請求項２に記載の端栓が接合された燃料棒において、
   前記胴部接液部の表面側に、モノリシックＳｉＣ層を更に備えた
   ことを特徴とする端栓が接合された燃料棒。
4. 請求項２に記載の端栓が接合された燃料棒において、
   前記胴部接液部の表面側に、モノリシックＳｉＣ層、および前記モノリシックＳｉＣ層の表面側にＣｒ、Ｔｉ及びＺｒのうちの少なくとも１つを主成分とする、接液面となる耐食金属層を更に備えた
   ことを特徴とする端栓が接合された燃料棒。
5. 請求項２に記載の端栓が接合された燃料棒において、
   前記胴部接液部の表面側に、Ｃｒ、Ｔｉ及びＺｒのうちの少なくとも１つを主成分とする、接液面となる耐食金属層を更に備えた
   ことを特徴とする端栓が接合された燃料棒。
6. 請求項２に記載の端栓が接合された燃料棒において、
   前記端栓のうち、前記端栓先端部の前記先端中心及び前記縮径部がＳｉＣ繊維によって強化されたＳｉＣ複合材料の基材により構成され、
   前記端栓先端部の前記最先端部がモノリシックＳｉＣから構成される
   ことを特徴とする端栓が接合された燃料棒。

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