KR101089971B1

KR101089971B1 - 관형체 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101089971B1
Application number: KR1020090016588A
Authority: KR
Inventors: 다까시 다까기
Original assignee: 이비덴 가부시키가이샤
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-12-05
Also published as: CN101521048B; US8603579B2; EP2096643B1; EP2096643A3; EP2096643A2; CN101521048A; JP2009210266A; US20090220040A1; KR20090093857A; US20140079879A1

Abstract

관형체가 제공된다. 이러한 관형체는 세라믹 섬유로 형성되는 집합체와 세라믹 섬유 사이의 간극 내에 채워진 탄소질 재료를 포함하는 관형 섬유 강화 탄소질 기재와, 적어도 관형 섬유 강화 탄소질 기재의 외표면에 형성되는 SiC 층으로 구성된다. 실리콘 원자는 섬유 강화 탄소질 기재와 SiC 층 사이의 경계 영역으로부터 섬유 강화 탄소질 기재의 내측으로 확산된다.

관형체, 섬유 강화 탄소질 기재, 세라믹 섬유, 열분해 탄소, 피복관

Description

관형체 및 그 제조 방법 {TUBULAR BODY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 비등 수형, 가압 수형과 같은 경수로, 중수로, 고온 가스로 또는 초고온 가스로와 같은 가스 냉각로, 용융 금속 냉각로 또는 고속 증식로 등의 핵원자로에 있어서 핵연료를 유지하기 위한 관형체에 관한 것이다.

오늘날 많은 핵원자로에서는 피복관으로 불리는 밀폐 금속관 내에 연료가 수용되고, 이러한 피복관은 일반적으로 지르코늄 합금 또는 강 합금으로 제작된다. 이러한 피복관은 원자로의 정상 작동 동안에 또는 잠재적인 사고 동안에 어떠한 방사성 가스와 고체 핵분열 생성물도 관 내에 안전하게 유지되며, 냉각제로 방출되지 않도록 설계된다. 피복관이 손상되면, 열, 수소 그리고 궁극적으로는 핵분열 생성물이 냉각제로 방출될 수 있다.

종래의 피복관의 문제점은 공지되어 있다. 예를 들어, 금속 피복관은 비교적 연질이며, 때때로 냉각 시스템으로 유입되어 연료와 접촉하는 파편 중 하나와 접촉할 수 있어서, 금속 피복관이 마모되거나 부식된다. 이러한 마모나 부식은 최 종적으로 금속 저장 용기의 경계벽 손상을 야기할 수도 있고, 그 결과로서 핵분열 생성물의 냉각제 내로의 방출을 야기할 수도 있다. 또한, 금속제 피복관은 100O℃ 이상의 가열된 물과 발열 반응하여, 이는 핵연료에 의해 발생된 핵분열 생성물 붕괴열에 추가적인 열을 가하게 된다. 또한, 이러한 피복으로부터의 추가적인 열은, 예를 들어, 쓰리 마일 섬(Three Mile Island)에서 발생했던 것 같은 사고의 심각성 및 지속 시간을 증폭시킨다.

일본 특허 공개 제2008-501977호는 모놀리식(monolithic) SiC의 내층, SiC 섬유가 SiC 기지 재료(matrix)에 의해 둘러싸인 복합재인 중간층 및 SiC의 외층을 포함하는 다층 세라믹관(피복관)을 개시한다.

그러나, 전체적으로 SiC로 구성된 이러한 피복관에서, 모놀리식 SiC 층은 화학 기상 증착(CVD)(Chemical Vapor Deposition) 등으로 형성되고, 내층, 중간층, 외층 모두 높은 강성을 가지므로, 특히 동작 개시 시에 일어나는 즉각적인 온도차에 의해 발생되는 변형이 피복관의 전후로 연장되는 크랙으로 발전될 수 있다.

이러한 문제를 방지하기 위해서, 일본 특허 공개 제2008-501977호는 각각의 섬유에, 크랙의 성장을 막기 위한 내측 열분해 탄소 부층(sublayer), 산화성 환경으로부터 탄소를 보호하기 위한 외측 SiC 부층을 포함하는 이중 코팅을 하는 것을 제안하였다. 그러나, 각각의 섬유에 이중 코팅을 하기 위하여, 각각의 섬유는 섬유 표면에 필름이 형성될 수 있도록 하는 방식으로 분산되어야 한다. 각각의 섬유가 충분히 분산되지 못할 경우에는, 상술한 부층 중 하나로만 코팅될 것이다. 따라서, SiC 섬유 및 SiC 기지 재료(matrix)가 서로 접하고, 열분해 탄소층이 충분히 기능하지 못할 수 있다.

또한, 일본 특허 공개 제2008-501977호에서, SiC 섬유 표면에 코팅을 가하고 CVD 또는 폴리머 침투/열분해가 반복되는 다단식 처리를 가하는 두 개의 공정에 의해 SiC 기지 재료(matrix)가 형성된다. 이러한 제조 방법은 다수 회 반복 처리가 요구되므로 매우 복잡하다.

본 발명은 이러한 문제에 대응하여 개발되었고, 본 발명의 목적은 핵연료를 보호할 수 있고, 요구되는 사용 환경에서 그 보호 기능을 안정적으로 유지하는 것이 충분하도록 강성을 갖고, 크랙의 발생을 방지할 수 있고, 또한, 후술할 단순한 방법으로 개발될 수 있는 관형체와 이를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 양태는 세라믹 섬유로 형성되는 집합체와, 세라믹 섬유 사이의 간극 내에 채워지는 탄소질 재료를 포함하는 관형의 섬유 강화 탄소질 기재와, 적어도 관형 섬유 강화 탄소질 기재의 외표면에 형성된 SiC 층을 포함하는 관형체를 제공하는 것이다. 실리콘 원자가 섬유 강화 탄소질 기재와 SiC 층 사이의 경계 영역으로부터 섬유 강화 탄소질 기재의 내측으로 확산된다.

본 발명의 또 다른 대표적인(examplary) 실시예는 관형체를 제조하는 방법을 제공한다. 이러한 방법은 세라믹 섬유로 집합체를 형성하는 단계와, 섬유 강화 탄소질 기재를 형성하기 위하여 집합체에 열분해 탄소를 증착하는 단계와, SiC 층을 형성하기 위해 적어도 섬유 강화 탄소질 기재의 외표면에 위치된 열분해 탄소를 SiO와의 반응을 통해 SiC로 변환시키는 단계를 포함한다. 변환시키는 단계에서, 실리콘 원자가 섬유 강화 탄소질 기재와 SiC 층 사이의 경계 영역으로부터 섬유 강화 탄소질 기재의 내측으로 확산된다.

상술한 구성에 따르면, 이러한 세라믹 섬유 표면은 탄소질 재료와 접하므로, 열응력(thermal stress)에 의해 야기된 크랙이 세라믹 섬유 표면에서 멈춰질 수 있다. 따라서, 크랙이 관형체의 내측에서 외측으로 관통하지 않을 것이다. 또한, 세라믹 섬유를 미리 코팅 처리할 필요가 없기 때문에 공정이 간소화될 수 있다. 또한, 관형체의 성능이 개선되어 핵원자로가 고온에서 작동될 수 있고, 원자로가 높은 에너지 효율과 긴 작동 수명을 갖도록 할 수 있다.

특히, 이러한 관형체는 단순한 구조를 가질 수도 있고, 냉각제를 사용하는 고온 가스로 내에서 파괴되기 어려우며, 탄소 등과 반응하는 것을 방지할 수도 있다.

본 발명에서 상술한 양태와 기타 다른 양태는 첨부된 도면과 함께 본 발명의 예시된 실시예에 대한 이하의 설명을 통해 더 쉽게 이해되고 명백해질 것이다.

본 발명의 대표적인 실시예에 따른 관형체는 보통 한쪽 단부가 개방된 원통 본체를 가지지만, 원자로의 설계에 따라 단부가 폐쇄될 수도 있다. 이하, 관형체 각각의 부위를 대표적인 실시예에 따라 상세하게 설명한다.

섬유 강화 탄소질 기재는 세라믹 섬유로 형성되는 집합체 및 세라믹 섬유 사이의 간극 내에 채워지는 탄소질 재료를 포함하는 관형체이다.

본 발명에 있어서, 탄소질 재료는 실질적으로 탄소로 구성된 재료로 정의되며, 열분해 탄소나 유리질 탄소 등이 될 수도 있다. 특히 열분해 탄소가 바람직하다.

열분해 탄소가 세라믹 섬유, 특히 SiC 섬유에 훌륭한 부착성을 보이며, 또한, 고순도 원(raw)재료가 사용될 때 고순도 탄소질 재료를 제공할 수 있다. 집합체 상에 열분해 탄소를 증착하도록 화학 증기 침투(CVI)가 사용되어, 세라믹 섬유 사이의 간극에 채워지는 탄소질 재료로 섬유 강화 탄소질 기재를 형성한다. CVI는 CVD와 동일한 원리에 기초한 진공 필름 제조 방법이다.

이러한 섬유 강화 탄소질 기재의 탄소질 재료는 집합체의 세라믹 섬유 사이 간극 모두를 조밀하게 채울 필요는 없으며, 대신 표층부만 조밀하게 채워질 경우에도 SiC 층 및 세라믹 섬유 사이에서 충분한 앵커(anchor) 효과를 얻을 수 있기 때문에 집합체의 표층만을 채울 수 있다.

섬유 강화 탄소질 기재에 있어서, 전체 기재에 대한 세라믹 섬유의 질량비는 바람직하게는 10%에서 50%이며, 더 바람직하게는 20%에서 30%이다. 비율이 10%미만이면, 기재의 강도가 저하되는 반면에, 비율이 50%가 초과되면, CVI 처리에 앞선 압축단계 동안 세라믹 섬유를 유지하기 곤란하고, 따라서 형상이 쉽게 변형될 수 있다.

섬유 강화 탄소질 기재의 두께는 0.3mm 내지 2mm가 바람직하며, 0.5mm 내지 1.2mm가 더 바람직하다. 0.3mm 미만의 두께는 충분한 강도를 갖기 곤란하게 할 수 있는 반면, 2mm를 초과하는 두께는 냉각제에 열전달을 충분하지 못하게 하는 경향 이 있다.

SiC 층은 실질적으로 SiC로 구성된 층으로 한정되며, 보통 SiC를 95 질량% 이상 함유하는 층으로 한정된다.

SiC 층은 SiO 가스와의 반응에 의해 섬유 강화 탄소질 기재 표면의 탄소질 재료를 SiC로 변환하여 얻을 수 있다. SiO 가스는, 예를 들어, Si 파우더 - SiO₂ 파우더, SiC 파우더 - SiO₂ 파우더 또는 탄소 파우더 - SiO₂ 파우더와 같은 다양한 종류의 실리콘 혼합물을 노(furnace)의 바닥에서 공급원으로서 배치하고, 그 위에 섬유 강화 탄소질 기재를 배치하고, 1,300℃ 내지 2,300℃의 열처리를 수행함으로써 얻어진다.

이렇게, 반응 변환으로 얻어진 SiC 층(CVR-SiC 층)과 섬유 강화 탄소질 기재 사이의 경계가 불명확하며, 이러한 경계 영역으로부터 섬유 강화 탄소질 기재의 내측으로 실리콘 원자가 확산된다{도 2에 도시한 바와 같이, CVR-SiC는 관의 내측으로부터 외측으로 밀도가 점진적으로 증가하는 방식으로 경계 영역(7) 및 SiC 층(8)을 형성한다.}. 달리 말하면, 섬유 강화 탄소질 기재와 SiC 층(8) 사이의 경계 영역에서는, 내측에서 외측으로 갈수록 실리콘의 양이 점진적으로 증가한다. CVD 등에 의해 형성된 CVD-SiC 층의 경우, 섬유 강화 탄소질 기재의 경계 영역으로부터 그 내측으로의 실리콘 원자의 확산이 관찰되지 않는다.

SiC는 열팽창 계수가 열분해 탄소의 2 내지 3배이므로, SiC가 쉽게 박리될 수 있는 문제를 야기한다. 그러나, CVR-SiC 층은 원래 탄소질 재료를 SiC로 변환 시켜 얻어지며, 이러한 두 재료 간에 명확한 경계를 가지지 않는다는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 구조는 층간 박리가 일어나기 곤란하다는 이점이 있다.

또한, 탄소와 반응하는, 물과 용융 금속과 같은 냉각제용 피복관으로 사용하는 경우, 대표적인 실시예에 따른 SiC 층의 표면에 새롭게 SiC 층을 증착시킬 수도 있다. SiC 층을 증착시키는 것은 임의의 하나의 방법으로 제한되지 않지만, CVD 법을 사용하여 CVD-SiC 층이 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 CVD-SiC 층은 고밀도이므로, 냉각수 또는 용융 금속과 같은 열매체와 낮은 반응성을 보이며, 차폐 효과가 높다. 이것이 긴 수명의 관형체를 제공한다.

또한, 피복관의 표면에 CVD-SiC 층이 추가로 증착되는 경우, 그 표면상의 CVR-SiC 층 및 CVD-SiC 층은 그 사이의 인터페이스가 동일한 재료로 형성되므로 열팽창에 있어서 거의 동일하며 접착력도 강하다. 이것의 이점은 층간 박리가 일어나기 어려운 SiC 층을 형성한다는 것이다.

대표적인 실시예에 따른 SiC 층의 두께는 l0㎛ 내지 500㎛가 바람직하고, 20㎛ 내지 100㎛가 더욱 바람직하다. 본 실시예의 이점은 이러한 범위 내에서 명백하다. 두께가 1O㎛ 미만이면, 마모에 의해 탄소질 재료 층이 노출되는 경향이 있는 반면, 두께가 500㎛를 초과하면, 섬유 강화 탄소질 기재의 탄소질 재료를 감소시킬 수도 있다.

대표적인 실시예에 따른 SiC 층 위에 CVD-SiC 층이 더 코팅되는 경우, 그 두께는 2㎛ 내지 300㎛이 바람직하며, 10㎛ 내지 100㎛ 은 더 바람직하다. 2㎛ 미만인 경우, CVD-SiC 층은 얇은 부분을 포함할 수도 있고, 충분한 차폐 효과를 제공하 지 못할 수 있다. 300㎛를 초과하는 경우, 형성된 막 두께 불균일에 의해 치수 오차가 증가될 수 있고, 또한, SiC의 경도는 이것의 변형을 수행하기 어렵게 한다.

집합체의 세라믹 섬유로 사용되는 가능한 원재료는 SiC, 탄소, ZrC 등이 있다. 이 중 SiC가 바람직하고, 초고온 가스로 용으로는 특히 ZrC가 바람직하다. 이들은 냉각제와 반응하기 어려우며, 내열성도 가진다.

세라믹 섬유의 굵기는 특별히 제한되지 않지만, 직경 10㎛ 내지 20㎛의 굵기를 가지는 것이 사용될 수 있다. 스트랜드로는 목적에 적합하도록 섬유 100 내지 1000 가닥으로 구성된 것이 사용된다.

대표적인 실시예에 따른 관형체의 섬유 강화 탄소질 기재를 구성하는 집합체로는, 관형을 가지기만 하면, 그 구성에 특별한 제한은 없다. 그러나, 권취법(winding method)을 사용하여 함께 권취된 세라믹 섬유의 스트랜드로 형성되거나, 중공 끈 망사체(hollow braid mesh body)에 스트랜드를 꼬아서 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 끈은 내부 코어 다이(core die)의 중심축에 비스듬히 정렬된 세라믹 섬유의 스트랜드를 직조하여서 또는 그 중심축에 평행한 스트랜드를 사용한 3축 직조(triaxial weave)로 형성된다.

대표적인 실시예에 따른 관형체를 형성하기 위해 사용되는 권취법은 홑섬유(filament)를 권취하는 것을 수반하는 필라멘트 권취법 뿐만 아니라, 같은 직물 등의 시트의 권취를 수반하는 시트 권취법을 포함한다.

이하에서 본 발명에 따른 관형체의 제조 방법을 상세하게 설명한다(도 2 참조).

(1) 집합체 형성 공정

본 실시예에 따른 관형체의 집합체는 필라멘트 권취 또는 꼬임(braiding)과 같은 방법을 사용하여 특정 사이즈를 가지는 내부 코어 다이의 주위에 세라믹 섬유를 권취하여 얻을 수 있다.

끈 형상에서, 서로 반대 방향으로 감겨진 2쌍의 씨실 및 날실로부터 3축 직조(weave)를 사용하여 집합체를 형성하는 것이 특히 유리하다. 3축 직조의 경우에는, 고강도를 가지며 개개의 섬유에 인가되는 장력을 억제할 수 있는 관형체를 제공하도록 2쌍의 씨실에 보강재로서 날실이 첨가된다.

이러한 세라믹 섬유는 어떠한 섬유도 될 수 있다. 예를 들어, SiC 섬유로서, 일본 카본사(Nippon Carbon Co., LTD.)에 의해 제조된 하이-니카론(High-Nicalon)이 사용될 수 있다. 내부 코어 다이으로 사용되는 재료의 종류는 특별히 제한되지 않으나, 후술할 CVD 단계에서 반응하지 않는 흑연을 사용하는 것이 유리하다.

집합체를 주형으로부터 쉽게 해제하기 위해서, 내부 코어 다이에 이형제를 코팅하는 것이 바람직하다. 이형제의 종류는 특별히 제한되지 않으나 불순물이 첨가될 우려 없이, CVD 이후에 이형이 용이하게 행해지는 것을 보장하기 때문에, 흑연 파우더 또는 흑연계 이형제를 사용하는 것이 유리하다.

(2) 탄소질 재료 형성 공정

탄소질 재료는 CVI에 의해 얻어진 열분해 탄소, 탄소 전구체로서 수지 용액의 반복적인 함침과 연소 등으로 얻어진 유리질 탄소 등을 포함한다. 이 중에서, CVI(CVD)에 의해 얻어진 열분해 탄소는 원재료 가스의 순도를 향상시켜 고순도 탄소질 재료를 쉽게 얻을 수 있고, 또한, 연속하여 원재료 가스가 공급되는 1회의 처리를 통해 탄소질 재료가 얻어지기 때문에 가장 유리하다.

CVI(CVD)는 탄화수소 가스를 원재료로, 수소를 캐리어(carrier) 가스로 이용하여 약 1200℃ 내지 1900℃의 온도와 1kPa 내지 30kPa의 진공도의 CVl(CVD) 노에서 수행된다.

또한, 후속 SiC 층 형성 단계에서 충분한 두께의 SiC 층을 형성하기 위해서, 집합체의 섬유 사이의 간극에 탄소질 재료가 채워진 후에, 열분해 탄소만으로 구성된 두꺼운 탄소질 재료 층이 섬유 강화 탄소질 기재 표면상에서 성장하도록 처리가 계속될 수도 있다. 집합체의 섬유 사이의 간극에 탄소질 재료가 채워지면, CVI(CVD) 처리가 정지되고, 섬유 강화 탄소질 기재 표면에는 최대 약 100㎛의 두께를 가지는 열분해 탄소만으로 구성된 탄소질 층만이 섬유 강화 탄소질 기재 표면에 형성된다. 그러나, 계속되는 처리는, 열분해 탄소만으로 구성된 탄소질 재료 층이 충분한 두께의 SiC 층을 형성하는 것을 가능케 해준다.

충분한 두께의 SiC 층을 형성하는 것을 가능하게 해주는 탄소질 재료 형성 단계에서 열분해 탄소만으로 구성된 탄소질 재료 층이 형성되지 않는다면, 도 3에서와 같이, 실리콘 원자가 섬유 강화 탄소질 기재의 탄소질 재료 내측으로 확산된 관형체가 얻어질 수 있다.

(3) SiC 층 형성 단계

전술한 바와 같이 제조된 중간 제품으로서, 열분해 탄소의 표면은 1200℃ 내 지 2300℃의 온도에서 대기압의 반응로를 사용하여 이하의 SiO₂ 가스의 화학 기상 반응(CVR)으로 처리되고, 이는 반응 변환된 SiC로 구성된 CVR-SiC 층을 얻을 수 있도록 한다.

2S + SiO → SiC + CO ↑

SiC 층은 섬유 보강 탄소질 기재의 외표면 뿐만 아니라 그 내표면에도 형성될 수 있다.

SiC 층이 두 표면에 형성되면, 관형 집합체는 말하자면 CVD 노 내에 위치되고, 열분해 탄소는 CVI(CVD) 처리를 받은 후 반응로 내에서의 SiC 변환 처리되어, 외표면과 내표면은 SiC 변환을 수행하도록 반응 변환된다. 또한, SiC 층은, 또한 관형 집합체 내로 내부 코어 다이를 삽입하고, 열분해 탄소가 섬유 보강 탄소질 기재를 얻기 위해 CVD 노 내에서 CVI(CVD) 처리를 받고, 내부 코어 다이를 외부로 인출하고, SiC 변환을 수행하기 위해 반응로 내에서 외표면과 내표면의 반응 변환을 수행함으로써, 양 표면에 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 대표적인 실시예에 따라, 그 외부 면에 CVR-SiC 층을 갖는 관형체는 이하의 3개의 단계, (1) 집합체 형성 단계, (2) 탄소질 재료 형성 단계 및 (3) SiC 층 형성 단계를 수행함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 처리는 일본특허출원공개 제2008-501977호와 같은 종래 기술에서 제공된 기술에 비해 크게 단순화된다.

또한, CVD-SiC 층이 CVR-SiC 층의 기밀성을 증가시키기 위해 그 위에 증착될 수 있다. 원재료 가스로서 메틸트리클로로실란(MTS: CH₃Cl₃Si)을 사용하고, 약 1000℃ 내지 1400℃의 온도와 5kPa 내지 30kPa의 진공도에서 CVD 노 내에서 증착을 수행함으로써 얻어진다.

[예]

대표적인 실시예에 따른 관형체의 보다 상세한 구성과 그 제조 방법은 이하의 예를 참조하여 설명된다. 본 발명은 이러한 제조 방법에 제한되지 않고, 본 발명에 따른 관형체가 얻어질 수 있는 한 임의의 방법이 사용될 수 있다.

(1) 집합체 형성 단계

우선, 로드형 내부 코어 다이가 3축 직조 끈(triaxial weave braid)을 형성하기 위해 준비된다. 흑연으로 제조된 내부 코어 다이는 CVD 단계 동안 반응을 방지하기 위해 사용된다.

내부 코어 다이의 크기(직경)는 핵 연료(직경: 8 내지 11mm)의 크기와 대략 동일하다.

리본형 스트랜드(strand)는 3차원 꼬임 방법(braiding method)을 사용하여 형성 다이의 외주를 따라 끈으로 직조된다. 상업적으로 활용 가능한 자동 베틀[예를 들어, 호와 머시너리 엘티디.(Howa Machinery, Ltd.)에서 제조된 TWM-32C, TRI-AX]은 스트랜드를 직조하는데 활용된다.

이는 SiC 섬유용으로 고순도 SiC 섬유를 사용하는 것에 장점이 있다.

(2) 탄소질 재료 형성 단계

전술한 단계에 의해 얻어진 집합체는 열분해 탄소의 CVD 노 내에 위치되고, 열분해 탄소는 SiC 섬유들 사이의 간극 내로 증착된다. 이 때, 원재료로서 프로판을 사용하고 캐리어 가스로서 수소를 사용하여, 열분해 탄소는 약 1시간 동안 약 1700℃의 온도로 SiC 섬유들 사이의 간극 내로 증착되어, 1mm의 두께를 갖고 20 질량%의 탄소질 섬유를 포함하는 섬유 보강된 탄소질 기재를 얻는다.

(3) SiC 층 형성 단계

전술한 단계에서 얻어진 섬유 보강된 탄소질 기재의 표면은 반응로 내에서 SiO 가스와 반응함으로써 SiC로 변환된다. SiO 가스는 SiC 파우더와 SiO₂ 파우더가 혼합된, 노에 장착된 공급원으로부터 발생되고, 1900℃의 반응 온도와 대기압으로 아르곤 분위기에서 1시간의 반응 시간으로 변환이 수행된다. CVR-SiC 층의 두께는 10㎛이다.

(4) CVD-SiC 증착 단계

대표적인 실시예에 따른 관형체는 전술한 단계(1) 내지 (3)에 의해 생성될 수 있다. 그러나, 기밀성을 증가시키기 위해, CVD-SiC 층은 반응 변환된 SiC 표면에서 부가로 증착된다. 전술한 중간 제품은 CVD 노에 위치되고, 메틸트리클로로실란 가스를 사용하여 1350℃에서 필름 형성이 수행된다. CVD-SiC 층은 20㎛의 두께를 갖는다.

대표적인 실시예에 따른 관형체는 전술한 방법에 의해 얻어질 수 있다. 핵 연료(2)용 피복관(1)으로서 이러한 관형체를 사용하는 예는 도 1에 도시된다.

본 발명은 이러한 대표적인 실시예를 참조하여 도시되고 설명되었지만, 해당 기술 분야의 종사자에 의해 형상의 다양한 변경이 이루어질 수 있고, 그 세부사항은 첨부된 청구항에 의해 한정된 바와 같은 본 발명의 사상과 범주로부터 벗어남 없이 이루어질 수 있다는 점이 이해될 것이다.

본 출원은 2008년 2월 29일자로 출원된, 일본 특허 출원 번호 제2008-050324호를 우선권 주장하고, 그 전체 내용은 참조로써, 본원에 합체된다.

도 1은 대표적인 실시예에 따른 피복관으로 사용되는 관형체로 핵연료가 피복된 상태에서 관형체의 중심축에 평행한 면에서 취한 개략 단면도.

도 2는 대표적인 실시예에 따른 관형체의 임의의 방향에서의 개략 단면도.

도 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 관형체의 임의의 방향에서의 개략 단면도.

Claims

관형체이며,

세라믹 섬유로 형성되는 집합체와, 세라믹 섬유 사이의 간극 내에 채워지는 탄소질 재료를 포함하는 관형 섬유 강화 탄소질 기재와,

적어도 상기 관형 섬유 강화 탄소질 기재의 외표면에 형성되는 SiC 층을 포함하고,

상기 섬유 강화 탄소질 기재와 SiC 층 사이의 경계 영역에서 실리콘 원자의 분포가 내측으로부터 외측으로 갈수록 증가하는, 관형체.
제1항에 있어서, 상기 섬유 강화 탄소질 기재를 구성하는 집합체는 권취법에 의해 관 형상으로 세라믹 섬유를 형성함으로써 제조되는, 관형체.
제1항에 있어서, 상기 섬유 강화 탄소질 기재를 구성하는 집합체는 세라믹 섬유를 포함하는 스트랜드를 꼬임(braid) 형상으로 직조함으로써 형성한 중공 망사체인, 관형체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 강화 탄소질 기재에 대한 상기 세라믹 섬유의 질량비가 10%에서 50%의 범위인, 관형체.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 관형체이며, 상기 관형체는 핵 연료 피복관으로서 사용되는, 관형체.
관형체의 제조 방법이며,

세라믹 섬유로 집합체를 형성하는 단계와,

섬유 강화 탄소질 기재를 형성하기 위해 상기 집합체 상에 열분해 탄소를 증착시키는 단계와,

SiC 층을 형성하기 위해, 적어도 섬유 강화 탄소질 기재의 외표면에 위치된 열분해 탄소를 SiO 가스와 반응시켜 SiC로 변환시키는 단계를 포함하고,

상기 변환시키는 단계 동안 상기 섬유 강화 탄소질 기재와 SiC 층 사이의 경계 영역에서 실리콘 원자의 분포가 내측으로부터 외측으로 갈수록 증가하는, 관형체의 제조 방법.
제6항에 있어서, 상기 SiC 층을 형성한 후 상기 SiC 층의 표면에 SiC를 증착시키는 단계를 더 포함하는, 관형체의 제조 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 섬유 강화 탄소질 기재에 대한 상기 세라믹 섬유의 질량비가 10%에서 50%의 범위인, 관형체의 제조 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 섬유 강화 탄소질 기재의 두께가 0.3mm에 서 2mm 범위인, 관형체의 제조 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 집합체를 형성하는 단계는 권취법에 의해 관 형상으로 세라믹 섬유를 형성하는 단계를 포함하는, 관형체의 제조 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 집합체를 형성하는 단계는 중공 망사체를 갖기 위해 세라믹 섬유를 포함하는 스트랜드를 꼬임(braid) 형으로 직조하는 단계를 포함하는, 관형체의 제조 방법.