JPWO2014025060A1 - チャンネルボックスおよびこれを備える燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】 寸法精度に優れているとともに、長期間の使用によって腐食や変形の少ないチャンネルボックスおよびこのチャンネルボックスを備える燃料集合体を提供する。【解決手段】 炭化珪素質焼結体からなる基材１を複数組み合わせて形成された筒状体からなるチャンネルボックス10であることにより、寸法精度に優れているとともに、長期間の使用による腐食や変形を少なくできる。また、このチャンネルボックス10を備えることにより、燃料集合体の信頼性が高まる。【選択図】 図１

Description

本発明は、チャンネルボックスおよびこれを備える燃料集合体に関するものである。

沸騰水型原子炉においては、ウラン燃料（ペレット）が充填された複数の燃料棒と、燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、ウォーターロッドと、このウォーターロッドに固定され上部タイプレートおよび下部タイプレートの間で燃料棒を支持する格子状のスペーサと、燃料棒およびスペーサを覆う筒状のチャンネルボックスとを備える燃料集合体が格納されている。そして、この燃料集合体を４体（縦２体×横２体）配置した間には、原子炉内の中性子数を調整して反応度を制御することによって原子炉の出力を制御する制御棒が配置され、この制御棒は、燃料集合体の長手方向に垂直な断面において十字形を示す。

次に、燃料集合体を構成する筒状のチャンネルボックスは、非特許文献１(「燃料チャンネルの機能及び製造方法」 神戸製鋼技法／Vol.53 No.3(Dec.2003)、第98頁から第102頁)によれば、中性子吸収断面積が小さいこと、放射線損傷が少ないこと、誘導放射能を生じる不純物が少ないこと、冷却水に対する耐食性に優れていること、使用環境（約300℃）における機械的特性に優れていることが求められるものであるため、ジルカロイ等のジルコニウム合金が使用されている旨が記載されている。

また、非特許文献１によれば、原子炉内は、放射線環境かつ高温水中環境であり、このような環境において使用されるチャンネルボックスがジルカロイ等のジルコニウム合金からなるとき、均一腐食の他に、薄く均一な酸化膜に不連続的にレンズ状の厚い酸化膜が生じるノジュラ腐食が生じると記載されている。また、使用初期段階において、チャンネルボックスの製作時の残留応力の解放による変形が生じたり、使用期間が長くなったときに、高速中性子照射を受けることによる変形やチャンネルボックスの内外圧差によるクリープ変形が生じたりすることが記載されている。そして、ジルコニウム合金を用いた場合の腐食や変形に対し、様々な提案が為されている（例えば、特許文献１〜４）。

また、原子炉の構成部材として、ホウ素−11からなるホウ素化合物を含む炭化珪素材料が提案され、具体的には、構成部材として燃料クラッデイング（ペレットの被覆管）が記載され、これにホウ素−11のドープされたＳｉＣ繊維を用いることが記載されている（特許文献５）。

特開平５−19079号公報 特公昭51−4234号公報 特開平８−29570号公報 特開平11−231083号公報 特許第4755121号公報

「燃料チャンネルの機能及び製造方法」 神戸製鋼技法／Vol.53 No.3(Dec.2003)、第98頁から第102頁、[平成24年８月８日検索]、インターネット＜www.kobelco.co.jp/technology-review/pdf/53_3/098-102.pdf＞

特許文献５に記載されたホウ素−11のドープされたＳｉＣ繊維は、原子炉の構成部材のうち、燃料クラッディングには好適であるものの、複数の燃料棒を覆って保護する、機械的特性が求められる筒状のチャンネルボックスには不向きである。ここで、放射線環境かつ高温水中環境における腐食や変形を抑制しつつ、複数の燃料棒を覆って保護するチャンネルボックスとして、炭化珪素質焼結体で形成することが考えられる。

しかしながら、非特許文献１によれば、チャンネルボックスは、板厚が２〜３ｍｍ、内寸が約130ｍｍの筒状で、全長が約4.2ｍに及ぶものであって、板厚の寸法公差が±0.07ｍｍ、内寸の寸法公差が±0.25ｍｍ、全長の寸法公差が＋１／−２ｍｍと要求の厳しいものであり、炭化珪素質焼結体からなる長尺の筒状体の作製においては、次の課題を有する。

まず、長尺の筒状体となる成形体の成形については、押出成形法や、冷間等方圧加圧法により得られた成形体を所望形状に加工することによって得ることはできる。しかしながら、炭化珪素質焼結体に限らずセラミックスは、焼成において、成形助剤として用いるバインダの除去が十分でないとクラックが生じたり、部分的に収縮度合いが異なると反りや変形が生じたりしやすいものである。また、長尺であるが故に、取り扱いが容易ではなく、反りや変形がさらに生じやすく、部分的なクラックによって不良品となるものであることから、炭化珪素質焼結体からなる長尺の筒状体を得ることは困難であった。また、上述した寸法公差を満たすものとするには、炭化珪素質焼結体において研磨等の加工が必要となるが、特に長尺の筒状体の内面を加工することは非常に困難であった。

本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、寸法精度に優れているとともに、長期間の使用によって腐食や変形の少ないチャンネルボックスおよびこのチャンネルボックスを備える燃料集合体を提供することを目的とするものである。

本発明のチャンネルボックスは、炭化珪素質焼結体からなる基材を複数組み合わせた筒状体からなることを特徴とするものである。

また、本発明の燃料集合体は、上記構成のチャンネルボックスを備えることを特徴とするものである。

本発明のチャンネルボックスによれば、寸法精度に優れているとともに、長期間の使用による腐食や変形を少なくすることができる。

また、本発明の燃料集合体によれば、寸法精度に優れているとともに、長期間の使用による腐食や変形の少ない本発明のチャンネルボックスを備えることから、長期間にわたって安定した使用が可能であり、信頼性の高い燃料集合体とすることができる。

本実施形態のチャンネルボックスの一例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は側面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は側面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図であり、（ｃ）は側面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’線での断面図である。 本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’線での断面図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＥ部の拡大図である。る。 本実施形態のチャンネルボックスを構成する基材同士の組み合わせの一例を示す模式図である。 本実施形態のチャンネルボックスを構成する基材同士の組み合わせの他の例を示す模式図である。 本実施形態のチャンネルボックスを構成する基材同士の組み合わせの他の例を示す模式図である。 本実施形態のチャンネルボックスを構成する基材同士の組み合わせの他の例を示す模式図である。

以下、本実施形態のチャンネルボックスの一例について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、本実施形態のチャンネルボックスの一例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。なお、以下の記載において、特定の図の構造に限らないときには、チャンネルボックスや基材について符号を付さずに説明する場合がある。

本実施形態のチャンネルボックス10は、炭化珪素質焼結体からなる基材１を複数（１ａ，１ｂ）組み合わせた筒状体からなる。このように、基材１が炭化珪素質焼結体からなることにより、中性子吸収断面積が小さいこと、放射線損傷が少ないこと、誘導放射能を生じる不純物が少ないこと、冷却水に対する耐食性に優れていること、使用環境（約300℃）における機械的特性に優れていること等のチャンネルボックス10に求められる性能を満たすものとすることができる。また、筒状体が、基材１ａ，１ｂを組み合わせてなるものであることから、特にチャンネルボックス10の内面に相当する部分の加工を、基材１ａ，１ｂを組み合わせる前に容易に行なうことができるため、厳しい寸法公差に応えることができる。そのため、寸法精度に優れているとともに、長期間の使用による腐食や変形の少ないチャンネルボックス10とすることができる。

ここで、炭化珪素質焼結体とは、炭化珪素質焼結体を構成する全成分100質量％のうち、炭化珪素が80質量％以上含有する焼結体のことである。含有量の測定方法としては、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置を用いてＳｉの含有量を求め、ＳｉＣに換算すればよい。

なお、図１においては、角筒状の筒状体を示したが円筒状であってもよく、本願の実施形態において、組み合わせとは、接合、結合、嵌合、締結を含む概念である。

次に、図２および図３は、本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。図２および図３におけるチャンネルボックス20，30は、周方向および長手方向における組み合わせ面を増やした構造を示すものである。このような構造であるときには、個々の部材は小さいものであることから、作製時における取り扱いが容易であり、同じ形状の基材（例えば基材２ａ〜２ｄ）を複数作製すればよいことから、高効率および高歩留まりで基材を作製することができる。

また、図４および図５は、本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。図４および図５におけるチャンネルボックス40，50のように、周方向における組み合わせ面をずらしている構成であるときには、他の構成が同じで周方向における組み合わせ面が同じであるときよりも、組み合わされたチャンネルボックス40，50の長手方向における機械的特性が向上するため、信頼性を高めることができる。

また、図６〜図８は、本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図であり、（ｃ）は側面図である。なお、図６〜８において、（ｂ）の正面図とは、（ａ）におけるＡから見た図であり、（ｃ）の側面図とは、（ａ）におけるＢから見た図である。

図６〜図８に示すチャンネルボックス60，70，80のように、長手方向における組み合わせ面をずらしている構成であるときには、他の構成が同じで長手方向における組み合わせ面が同じであるときよりも、周方向における機械的特性が向上するため、信頼性を高めることができる。また、図８に示す例のチャンネルボックス80は、図６や図７に示す例のときよりも、組み合わせ面を角部に設けており、基材８ａおよび基材８ｂにおける組み合わせ面の面積が大きいことから、例えば、これらを接合したとき、接合強度を高めることができるため、信頼性の高いチャンネルボックス80とすることができる。

次に、図９は、本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。図９に示すように、個々の基材９ａ〜９ｄが単一の部材にて筒状とされているときには、周方向を組み合わる工程を省くことができるとともに、長手方向に組み合わされて複数の部材により筒状とされているものよりも周方向における変形をおこしにくくすることができる。また、チャンネルボックス90を構成する基材９ａ〜９ｄは、チャンネルボックス90の全長よりも個々の長さとして短いものであることから、取り扱いが容易であるとともに、チャンネルボックス90の内部の表面の研削は容易であり、歩留まりよく、厳しい寸法公差に応えることができるチャンネルボックス90を形成することができる。

次に、図10は、本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’線での断面図である。図10に示すように、基材10の筒状体の内面にあたる部位に突出部Ｐを備えていることが好適である。このように、突出部Ｐを備えているときには、チャンネルボックス100の内寸の厳しい寸法公差に収める加工を突出部Ｐのみとすることができる。また、突出部Ｐ以外の領域は、薄肉となるため、チャンネルボックス100の軽量化を図ることもできる。

次に、図11は、本実施形態のチャンネルボックスの他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’線での断面図であり、（ｃ）は（ｂ）におけるＥ部の拡大図である。このように、組み合わせる基材11の少なくとも一方に段差を備え、この段差の少なくとも一部が組み合わせ面とされていることが好ましい。なお、図11においては、基材11ｂが段差を備え、この段差を組み合わせ面としている。このような構成であるときには、基材11ａを基材11ｂに嵌合させることができるため、振動に対する信頼性を高くすることができるとともに、チャンネルボックス110の長手方向の向かい合う面のみを組み合わせ面とするときよりも、例えば、これらを接合したとき、接合強度を高めることができる。

また、筒状体からなるチャンネルボックスの内面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａは１μｍ以下であることが好適である。これにより、燃料集合体の組み立て時や取り外し時において、燃料棒や燃料棒を支持するスペーサを傷つけたり、チャンネルボックスの内面と燃料棒やスペーサとの接触による脱粒を少なくしたりすることができる。なお、図10や図11に示す構造のチャンネルボックス100，110であれば、突出部Ｐのみを上述した表面性状とすればよい。

また、筒状体からなるチャンネルボックスの内面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａは、炭化珪素質焼結体の80質量％以上含有する炭化珪素の酸化に影響を与える。チャンネルボックス内を流れる冷却水中の不純物としては、金属イオン、アニオン種および酸化性ラジカル成分等があり、これらの不純物が炭化珪素質焼結体における表面に付着すると、酸化反応を起こして、中性子吸収断面積を大きくするおそれがある。そのため、不純物を付着しにくくするには、筒状体からなるチャンネルボックスの内面における粗さ曲線の算術平均粗さＲａはさらに小さいことが好ましいため、粗さ曲線の算術平均粗さＲａが0.8μｍ以下であることが好適である。このような、表面性状であるときには、中性子吸収断面積が小さい状態を長期間に亘って維持することができるため、耐食性に優れたチャンネルボックスとあすることができる。

なお、粗さ曲線の算術平均粗さＲａはＪＩＳ Ｂ 0601−2001に準拠して測定すればよく、測定長さおよびカットオフ値をそれぞれ５ｍｍおよび0.8ｍｍとし、触針式の表面粗さ計を用いて測定する場合であれば、例えば、チャンネルボックスの内面に、触針先端半径が２μｍの触針を当て、触針の走査速度は0.5ｍｍ／秒に設定して測定すればよい。なお、本実施形態においては、スペーサと近接するチャンネルボックスの内面の５箇所における測定値の平均値を算術平均粗さＲａの値とする。

図12は、本実施形態のチャンネルボックスを構成する基材同士の組み合わせの一例を示す模式図である。このように、組み合わせ面を傾斜させることにより組み合わせ面の面積を増やすことができ、例えば、これらを接合したとき、接合強度を高めることができる。好ましい傾斜角θは、例えば、30°以上60°以下である。

また、図１〜12に示すチャンネルボックスの組み合わせにおいて、接合法を用いたときには、接合部に炭化珪素の結晶粒子が存在していることが好適である。接合部に、炭化珪素の結晶粒子が存在しているときには、高温に曝されて接合部においてマイクロクラックが発生しても、炭化珪素の結晶粒子が存在していることによってマイクロクラックの進行が抑えられ、接合強度の低下を抑制することができる。なお、接合部に炭化珪素の結晶粒子を存在させるには、接合剤として、金属珪素粉末を含むペーストを用いて炭化させたり、炭化珪素粉末を含むペーストを用いて熱処理したりすればよい。

特に、この接合部に存在する炭化珪素の結晶粒子は、接合部の断面における面積比率が10面積％以上50面積％以下であることが好適である。面積比率が10面積％以上50面積％以下であるときには、基材同士や筒状体同士を高い接合強度で接合することができるとともに、高温に曝された際のマイクロクラックの進行による接合強度の低下を抑制することができる。

ここで、接合部の断面における炭化珪素の結晶粒子の面積比率は、光学顕微鏡を用いて測定することができる。具体的には、1000倍の倍率で、面積が1200μｍ^２（横方向の長さが40μｍ、縦方向の長さが30μｍ）となるように範囲を設定し、ＣＣＤカメラでこの範囲の画像を取り込み、画像解析ソフト「Ａ像くん」（登録商標、旭化成エンジニアリング（株）製）を用いて、粒子解析という手法で解析すればよい。ここで、この手法の設定条件としては、明度を暗、２値化の方法を手動、画像の明暗を示す指標であるしきい値を、画像内の各点（各ピクセル）が有する明るさを示すヒストグラムのピーク値の0.8倍以上２倍以下に設定すればよい。なお、光学顕微鏡の代わりに走査型電子顕微鏡を用いても構わない。

また、接合部には、気孔が存在していないことが好適である。気孔が存在していないときには、熱衝撃が基材に掛かっても、気孔の輪郭を起点とするクラックを生じることがないため、熱衝撃に対する信頼性を高めることができる。接合部における気孔の有無は、走査型電子顕微鏡で撮影した反射電子像を用いて、倍率を、例えば、150倍以上1000倍として判断すればよい。

次に、図13〜15は、本実施形態のチャンネルボックスを構成する基材同士の組み合わせの他の例を示す模式図である。図13においては、基材13ａおよび13ｂに凹部を形成した箇所に締結部材16を用いて締結した例を示している。また、図14においては、基材14ａおよび基材14ｂにそれぞれ孔加工を施し、これらの孔を合わせたところに挿入部材17を差し込んで結合した例を示している。さらに、図15においては、締結部材18および挿入部材19を用いた例を示している。なお、挿入部材17，19は、例えば、ピンやネジが該当する。また、挿入部材17，19および締結部材18の少なくともいずれかは、炭化珪素質焼結体からなることが好適であり、特に、炭化珪素質繊維を含む炭化珪素質焼結体からなることが好適である。

このように、基材の組み合わせは、金属珪素粉末や炭化珪素粉末を含むペースト等を用いた接合のみならず、締結部材による締結やピンによる結合を行なってもよい。また、例示していないが、焼き嵌めや冷やし嵌めによる嵌合を行なってもよい。さらに、接合と締結、接合と結合、接合と締結と結合などにより、強固に組み合わせることが可能となり、地震等の振動が発生しても、組み合わせが解けることが少ないため、信頼性が容易に損なわれないチャンネルボックスとすることができる。

また、本実施形態のチャンネルボックスは、複数の基材のうちの少なくとも１つが、炭化珪素質繊維を含む炭化珪素質焼結体からなることが好適である。炭化珪素質繊維を含む炭化珪素質焼結体からなる基材は、炭化珪素質繊維を含まない炭化珪素質焼結体からなる基材よりも靱性が高いため、脆性破壊が起こりにくくなり、機械的特性が低下するおそれが少ないことから信頼性を向上することができる。特に、複数の基材全てが炭化珪素質繊維を含む炭化珪素質焼結体からなることが好適である。

ここで、炭化珪素質繊維とは、例えば、直径が10μｍ以上15μｍの炭化珪素の繊維のことである。なお、炭化珪素質繊維を含む炭化珪素質焼結体とは、炭化珪素質焼結体の内部に炭化珪素質繊維を含むものおよび炭化珪素質焼結体の表面に存在させたものも含む概念である。また、炭化珪素質繊維は、比表面積が10ｍ²／ｇ以上50ｍ²／ｇ以下であることが好適である。さらに、炭化珪素質繊維を構成する炭化珪素は、その組成式がＳｉＣ_ｘ（但し、１＜ｘ≦1.5）であることが好適である。

また、本実施形態のチャンネルボックスは、筒状体の内周が珪素で被覆されていることが好適である。このような構成であるときには、燃料棒や燃料棒を支持するスペーサの取り付け時や取り外し時に筒状体の内面が損傷しにくくなる。また、冷却水に含まれる放射性汚染物質（クラッド）との接触を受けても損傷しにくくなる。また、珪素の融点は1410℃であることから、筒状体の内周の表面温度が1400℃までの高温にならない限りは、珪素の被覆が剥がれることはない。

また、炭化珪素質焼結体からなる基材が、硼素化合物を含み、この硼素化合物を形成する硼素が、硼素−11（“¹¹Ｂ”）であることが好適である。このような構成であると、硼素−11（“¹¹Ｂ”）は放射線に対して安定な同位体であるので、基材の放射化を抑制することができる。さらに、接合部についても、硼素化合物を含んでいることが好適である。

ここで、硼素化合物とは、例えば、酸化硼素、水素化硼素、水酸化硼素、炭化硼素、窒化硼素、三塩化硼素および三弗化硼素の少なくともいずれかである。

また、炭化珪素質焼結体からなる基材に含まれる硼素化合物の含有量は、炭化珪素質焼結体を構成する全成分100質量％のうち、硼素化合物換算で0.5質量％以上２質量％以下であることが好適である。

次に、本実施形態のチャンネルボックスおよびこのチャンネルボックスを備えた燃料集合体の製造方法の一例を説明する。まず、炭化珪素質焼結体からなる基材を得るには、平均粒径（Ｄ_５０）が0.5μｍ以上２μｍ以下である炭化珪素粉末に、焼結助剤として炭化硼素粉末と、カーボン源としてフェノール水溶液、あるいはリグニンスルホン酸塩およびリグニンカルボン酸塩の粉末と、水と、分散剤とを加え、ボールミル、回転ミル、振動ミル、ビーズミル等を用いて、混合・粉砕してスラリー化する。

次に、このスラリーに、成形助剤として、メチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース類やその変成品、糖類、澱粉類、デキストリンやこれらの各種変成品、ポリビニルアルコール等の水溶性各種合成樹脂や酢酸ビニル等の合成樹脂エマルジョン、アラビアゴム、カゼイン、アルギン酸塩、グルコマンナン、グリセリン、ソルビタン脂肪酸エステル等を添加し混合した後、噴霧乾燥することにより炭化珪素を主成分とするセラミックス顆粒を得る。

ここで、焼結助剤である炭化硼素粉末の添加量は、炭化珪素粉末100質量％に対して、例えば、0.12質量％以上1.4質量％以下であり、カーボン源の添加量は、例えば、炭化珪素粉末100質量％に対して、リグニンスルホン酸塩の粉末が0.2質量％以上２質量％以下であり、リグニンカルボン酸塩の粉末が１質量％以上10質量％以下である。また、成形助剤の添加量は、例えば、炭化珪素粉末100質量％に対して、１質量％以上15質量％以下である。また、リグニンスルホン酸塩およびリグニンカルボン酸塩の塩は、リチウム、ナトリウムおよびアンモニウムの少なくとも１種であることが好適である。

なお、噴霧乾燥の前にＡＳＴＭ Ｅ11−61に記載されている粒度番号が200のメッシュまたはこのメッシュより細かいメッシュの篩いに通すことによって、粗大な不純物やゴミを除去し、さらに磁力を用いた除鉄機で除鉄するなどの方法で、鉄およびその化合物を除去することが好適である。

そして、得られたセラミックス顆粒を粉末加圧法または冷間等方圧加圧法によって加圧成形することにより得られた成形体を必要に応じて切削加工を施す。次に、例えば、窒素雰囲気中において、10〜40時間かけて450〜650℃まで昇温して２〜10時間保持した後、自然冷却して脱脂する。さらに、不活性ガス雰囲気において、1800〜2200℃まで昇温し、１〜10時間保持することによって、相対密度が90％以上の所定形状の基材を得ることができる。なお、不活性ガスについては特に限定されるものではないが、入手や取り扱いが容易であることから、アルゴンやヘリウムを用いることが好適である。

ここで、基材における筒状体の内面となる部分や、基材に備えた突出部について、表面の算術平均粗さを１μｍ以下とするには、ＪＩＳ Ｒ 1601−1998に記載されている粒度番号が、例えば、240以上280以下である研磨材が固定された砥石を用いて、研削加工すればよい。

次に、炭化珪素質繊維を含む炭化珪素質焼結体からなる基材を得る場合について説明する。

まず、直径が10μｍ以上15μｍ以下の炭化珪素質繊維を、数百本〜数千本束ねて繊維束（ヤーン）を形成し、この繊維束を二次元または三次元方向に配列してシートやクロスとし、必要に応じて、これらのシートやクロスを積層することによって、所定形状の予備成形体（繊維プリフォーム）を形成する。

ここで、炭化珪素質繊維における酸素の含有量は、0.5質量％以下であることが好適である。酸素の含有量がこの範囲であると、炭化珪素質繊維が高温に曝されても、機械的特性が低下しにくい。

また、炭化珪素質繊維は、化学気相蒸着法によって、熱分解炭素または窒化硼素からなる、厚みが0.5μｍ以上1.5μｍ以下の膜が被覆されていることが好適である。このような構成にすることによって、後述するスラリーに含まれる炭化珪素粉末と炭化珪素質繊維との相互拡散反応を抑え、基材の製造工程における炭化珪素質繊維を損傷から保護する。

そして、平均粒径（Ｄ_５０）が0.1μｍ以上10μｍ以下の微粒の炭化珪素粉末と、平均粒径（Ｄ_５０）が50μｍ以上100μｍ以下の粗粒とからなる炭化珪素粉末と、焼結助剤として炭化硼素粉末と、カーボン源としてフェノール水溶液、あるいはリグニンスルホン酸塩およびリグニンカルボン酸塩の粉末と、水と、分散剤とを加え、ボールミル、回転ミル、振動ミル、ビーズミル等を用いて、混合・粉砕したスラリーを準備する。

そして、このスラリーを予備成形体（繊維プリフォーム）に塗布または含浸した後、予備成形体（繊維プリフォーム）を上述した方法と同様の方法により脱脂する。次に、必要に応じて、スラリーを塗布または含浸された予備成形体（繊維プリフォーム）を積層した後、不活性ガス雰囲気において、1800〜2200℃まで昇温し、１〜10時間加圧焼結することによって、相対密度が90％以上の所定形状の基材を得ることができる。ここで、加圧焼結で用いる圧力は、例えば、10ＭＰａ以上30ＭＰａ以下である。

次に、基材同士の接合による組み合わせの一例を説明する。基材同士の組み合わせ面となる少なくとも一方面に、金属珪素、炭素および炭化珪素の各粉末を含むペーストを塗布した後、自重を含め加圧することにより組み合わせる。そして、組み合わせ面の外側から接合部を被覆するように塗布し、温度および保持時間をそれぞれ80℃以上200℃以下、８時間以上14時間以下として乾燥する。その後、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中、温度および保持時間をそれぞれ1400℃以上1500℃以下、30分以上90分以下として熱処理することにより、基材を複数組み合わせた筒状体からなるチャンネルボックスを得ることができる。

また、成形体の形成において、炭化珪素粉末と、焼結助剤と、バインダと、水とを所定量秤量し、これらをニーダーに入れて投入して混練して粘土状の坏土を得た後、この坏土を用いて、所望形状を成形可能な金型を先端部に備えたスクリュー式の押出成形機で成形して筒状の成形体を得てもよい。そして、成形後の工程について上述した方法により、チャンネルボックスを得てもよい。なお、筒状の成形体をまず焼成し、これを切断した後、基材における筒状体の内面となる部分を研削して、接合してもよいことはいうまでもない。

また、筒状体の内周を珪素で被覆するには、基材または筒状体を、珪素を含む溶液に浸漬した後に引き上げて、乾燥させてから不活性ガス雰囲気中で熱処理うればよい。なお、熱処理条件としては、1420℃以上1460℃以下の温度で１時間以上２時間以下保持すればよい。取り付け時や取り外し時にスペーサと近接することとなるチャンネルボックスの内面のみに珪素を塗布するなどしてもよいことはいうまでもない。

また、他の組み合わせ方法としては、基材に凹部を形成して締結部材によって締結したり、基材に孔加工を施してピンによって結合したり、締結部材による締結、ピンによる結合、ペーストを用いた接合を組み合わせればよい。

次に燃料集合体の製造方法としては、ウラン燃料（ペレット）が充填された燃料棒と、燃料棒の上部および下部をそれぞれ保持する上部タイプレートおよび下部タイプレートと、ウォーターロッドと、このウォーターロッドに固定され上部タイプレートおよび下部タイプレートの間で燃料棒を支持する格子状のスペーサと、本実施形態のチャンネルボックスとを用意する。そして、例えば、スペーサをウォーターロッドに固定し、ウォーターロッドを下部タイプレートに装着し、スペーサの格子に、燃料棒を挿入し、その後、上部タイプレートを装着し、最後に燃料棒およびスペーサが位置する部分をチャンネルボックスで覆うことにより、燃料集合体を得ることができる。

そして、本実施形態のチャンネルボックスが、寸法精度に優れているとともに、長期間の使用によって腐食や変形の少ないものであることから、このようなチャンネルボックスを備える燃料集合体は、長期間にわたって安定した使用が可能であり、信頼性の高いものとなる。

１〜15：基材
10〜110：チャンネルボックス
16，18：締結部材
17，19：挿入部材

Claims (7)

1. 炭化珪素質焼結体からなる基材を複数組み合わせた筒状体からなることを特徴とするチャンネルボックス。
2. 前記基材が単一の部材にて筒状とされていることを特徴とする請求項１に記載のチャンネルボックス。
3. 前記基材は、前記筒状体の内面にあたる部位に突出部を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載のチャンネルボックス。
4. 組み合わせる前記基材同士の少なくとも一方に段差を備え、該段差の少なくとも一部が組み合わせ面とされていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のチャンネルボックス。
5. 複数の前記基材のうちの少なくとも１つが、炭化珪素質繊維を含む炭化珪素質焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のチャンネルボックス。
6. 前記筒状体の内周が珪素で被覆されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のチャンネルボックス。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のチャンネルボックスを備えることを特徴とする燃料集合体。

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