(57)【要約】      （修正有）【課題】放射線遮蔽用セル内に設置可能で、かつ高圧ガスを必要としない比較的小型で単純な機構から構成された高圧縮力（外圧）負荷機構と同機構を用いた試験方法を提供する。【解決手段】試験片を収納する凹状容器１と、前記凹状容器内に充填される耐熱性粒子５と、前記耐熱性粒子を加熱する加熱ヒータ２１と、前記凹状容器の凹部に嵌合され、前記耐熱性粒子に外圧を負荷する押し棒２と、前記凹状容器を内包する雰囲気保護容器６と、前記雰囲気保護容器内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系８と、前記試験片から放出される放出物質を検出する検出器２６と、を備え、前記試験片を前記耐熱性粒子内に埋め込んで、前記加熱ヒータにより前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記押し棒により前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を前記検出器により検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする。【選択図】図１
2020071162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片を収納する凹状容器と、
前記凹状容器内に充填される耐熱性粒子と、
前記耐熱性粒子を加熱する加熱ヒータと、
前記凹状容器の凹部に嵌合され、前記耐熱性粒子に外圧を負荷する押し棒と、
前記凹状容器を内包する雰囲気保護容器と、
前記雰囲気保護容器内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系と、
前記試験片から放出される放出物質を検出する検出器と、を備え、
前記試験片を前記耐熱性粒子内に埋め込んで、前記加熱ヒータにより前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記押し棒により前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を前記検出器により検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする外圧負荷装置。
【請求項２】
請求項１に記載の外圧負荷装置であって、
前記押し棒と前記耐熱性粒子との間に、前記耐熱性粒子より粒経が大きい粗粒粒子からなる粗粒粒子層を備えることを特徴とする外圧負荷装置。
【請求項３】
請求項２に記載の外圧負荷装置であって、
前記押し棒と前記凹状容器の内径間の直径ギャップが、前記耐熱性粒子の粒径より大きく、前記粗粒粒子の粒径より小さいことを特徴とする外圧負荷装置。
【請求項４】
試験片を収納する円筒状容器と、
前記円筒状容器内に充填される耐熱性粒子と、
前記耐熱性粒子を加熱する加熱ヒータと、
前記円筒状容器の円筒内に挿入され、前記耐熱性粒子に一方から外圧を負荷する第１の押し棒と、前記耐熱性粒子に他方から外圧を負荷する第２の押し棒と、
前記円筒状容器を内包する雰囲気保護容器と、
前記雰囲気保護容器内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系と、
前記試験片から放出される放出物質を検出する検出器と、を備え、
前記試験片を前記耐熱性粒子内に埋め込んで、前記加熱ヒータにより前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記第１の押し棒および前記第２の押し棒により前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を前記検出器により検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする外圧負荷装置。
【請求項５】
容器内に耐熱性粒子を充填し、
前記耐熱性粒子内に試験片を埋め込み、
前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、
当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする試験片の試験方法。
【請求項６】
請求項５に記載の試験片の試験方法であって、
前記耐熱性粒子より粒経が大きい粗粒粒子からなる粗粒粒子層を介して前記耐熱性粒子に外圧を負荷することを特徴とする試験片の試験方法。
【請求項７】
前記試験片は照射済み燃料ペレットであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の外圧負荷装置を用いる照射済み燃料ペレットの試験方法。
【請求項８】
請求項７に記載の照射済み燃料ペレットの試験方法であって、
前記加熱ヒータによる加熱温度および前記押し棒による外圧の少なくともいずれか一方を変化させて、前記照射済み燃料ペレットから放出される核分裂生成ガスの放出挙動を検出することを特徴とする照射済み燃料ペレットの試験方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温高圧状態から圧力を除荷した際の試験片の挙動や特性を試験するための外圧負荷装置および外圧負荷方法に係り、特に、原子炉で使用された照射済み燃料ペレットの試験に適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉で使用される核燃料は、二酸化ウラン（ＵＯ２）などの粉末状の核燃料物質を焼き固めてセラミック状にした燃料ペレットを金属製の燃料被覆管に詰めて密封した燃料棒とし、さらに数十本の燃料棒を束ねた「燃料集合体」のかたちで使用される。
【０００３】
原子炉の冷却材喪失のような事故条件下においては、使用中の核燃料棒の燃料被覆管温度がその軟化温度まで急上昇し、その結果、燃料ペレットが被覆管からの拘束力を失い、燃料ペレットから核分裂生成物（FPガス：Fission Products）の放出とともにペレットが破砕・微細化し、燃料棒内で再配列し、燃料被覆管の破損に至る場合には炉水内に細分化した燃料物質が流失し、原子炉の安定性や安全性・保守管理に問題が生じる懸念がある。
【０００４】
核燃料ペレット内には原子炉で使用中にウランの核分裂とともに生成するガス（FPガス）が蓄積する。上記のように、運転中の原子炉で冷却材喪失のような事故事象を受けると、蓄積したFPガスが燃料ペレットを粉砕し微細化する可能性が考えられるため、同燃料微細化現象を理解するために燃料棒（燃料ペレット）を高温、高圧状態においた試験が要求される。
【０００５】
また、試験片には多量の放射性物質が含まれるため、強固な放射線遮蔽室内で遠隔操作により試験をする必要がある。
【０００６】
従来、核燃料棒に関しては、例えば約１０００℃以上の被覆管が軟化するような高温まで昇温し、同時に圧力を例えば１００ＭＰａ以上の高圧縮圧力まで昇圧して試験した例は少なく、同条件での試験技術および試験装置については標準的な技術仕様もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−３９５０４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本塑性加工学会編，「粉末の成形と加工」，コロナ社，１９９４年７月２５日
【非特許文献２】河合伸泰，外２名,“熱間静水圧加圧処理（ＨＩＰ）技術の現状”，「鉄と鋼」，日本鉄鋼協会，第６７年（１９８１），第９号，ｐ．２５−３２
【非特許文献３】S. Kashibe，外１名，“Effect of external restraint on bubble swelling in UO2 fuels”，Journal of Nuclear Materials，２４７（１９９７年），ｐ．１３８−１４６
【非特許文献４】Ken. H. Yueh，外３名，“Fuel Fragmentation Data Review and Separate Effects Testing”，WRFPM 2014，Sep.14-17，２０１４年，Ｎｏ．１００１１７
【非特許文献５】S. Yagnik，外６名，“An Investigation into Fuel Pulverization with Specific Reference to High Burn-up LOCA”，WRFPM 2014，Sep.14-17，２０１４年，Ｎｏ．１００１４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の条件に近い温度・圧力環境を達成できる一般産業界での従来技術として、例えば特許文献１や非特許文献１のようなホットプレスが知られている。ホットプレスとは、高温で成形用の粉体に圧力をかけながら製品形状に焼結する方法である。炭素製のダイスと呼ばれる型に粉末を充填し、押し棒で１０ＭＰａ〜３０ＭＰａの圧力を加えて焼結する。
【００１０】
黒鉛製ダイスや黒鉛製の発熱体を使うため大気中では焼結できず、雰囲気制御とセットで行う必要がある。また、成形材料の粉末には、押し棒の圧縮方向の一軸圧縮負荷が作用し、均一な密度分布が得られ難い。また、金型の材料強度に起因する温度や寸法上に制約を受けることなどから、高温成形ならびに大物製品の製造は困難と言われている。
【００１１】
さらに、ホットプレスは粉末の成形技術であることから、高温高圧を達成できるが、核燃料棒のように被覆管内に焼き固めたＵＯ２ペレットを収納した状態の試験片に圧縮荷重を均一に負荷することは不可能であり、核燃料棒の試験には適用困難である。
【００１２】
上記のホットプレスは、プレス加圧するため基本的に一軸方向からのみの加圧となるのに対し、非特許文献２のような熱間等方圧加圧焼結（Hot Isostatic Pressing：HIP）は、ガス圧を用いて焼結の圧力をさらに高く、数１００℃〜２０００℃の高温と数１０ＭＰａ〜２００ＭＰａの等方的な圧力を被処理体に同時に加えて処理するプロセスで、すでに産業界で広く用いられている。
【００１３】
一般的なHIP装置は、ａ）高圧ガスを保持する圧力容器、ｂ）圧力容器に内蔵されるヒータ等の炉内構造物と加熱電源および制御装置、ｃ）圧力容器に高圧ガスを供給する圧縮機等の加圧装置、ｄ）圧力媒体のガスを貯蔵する装置、ｅ）安全装置から構成されており、通常はアルゴン（Ａｒ）などの不活性ガスが用いられる。
【００１４】
HIPの場合、ホットプレスと比べ加圧媒体がガスであるので被処理体に均一に圧力が作用し、加圧後の形状は初期の被処理体の形状と大きく変わることがなく、変わる場合も相似的に収縮することと製品処理上の制約が比較的少ないことが大きな特徴で、この特徴を生かしてしてHIPは種々の分野に応用されている。
【００１５】
HIP法ではガス圧により、試験片に均一な圧縮負荷が作用するので、図４に示す従来技術のように強い放射能を伴う核燃料棒の高温圧縮試験にも利用され、例えば非特許文献３のような高圧高温下での燃料ペレットからの核分裂生成ガス（FPガス）の放出挙動に関する研究が公開されている。
【００１６】
図４に示す従来の外圧負荷装置では、照射済みの核燃料ペレット小片（試験片２０）に隣接する加熱ヒータ２１とその外周部に隣接して断熱材２２が配置され、これらは耐高圧容器２３内に収納されている。同高圧容器２３全体は（図示していない）放射線遮蔽壁に囲まれて壁内は放射性物質が放出されないように負圧に管理されている。
【００１７】
高圧容器２３には、高圧ガス供給系２４の高圧ガス貯蔵ボンベから供給されたアルゴンガス等の不活性ガスを、高圧ガス供給系２４の圧縮ポンプを介して充填する。耐高圧容器２３および高圧ガス供給系２４は共に、高圧ガス保安法に定める高圧ガス製造施設に該当し、各種の安全基準を満たすことが求められる。
【００１８】
試験に際しては、例えばガス圧を１００ＭＰａまで上昇させ圧力計２５で確認し、（図示していない）炉内温度計で検出した温度（例えば１５００℃）を記録しながら、微量ガス放出用弁を介して圧力を低下させながらガス中の放射能濃度を放射能濃度計測器２６に記録して、ペレット（試験片２０）中の核分裂生成ガス（FPガス）の放出挙動に及ぼすガス圧と温度との関係を調べている。
【００１９】
図４の外圧負荷装置では、照射済みの燃料ペレット（試験片２０）を耐圧容器２３内に収納して高圧を負荷して高温下で試験をすることから、装置の放射線遮蔽構造や高圧ガス保安法に定める各種の安全性確保の面から試験片２０を収納するスペースは狭小で試料の大きさには制約があることから、燃料ペレットの大きさは数ｍｍ程度に限定され、燃料被覆管に燃料ペレットが収納されたような大きな体積および放射能の強い試料についての試験は不可能であった。
【００２０】
さらに、耐高圧容器２３内でのガス圧負荷方式では、燃料棒の事故時の急激な圧縮力の低下時を模擬するためにはガスを急激に放出する必要があり、例えば１００ＭＰａの圧縮状態を大気圧まで急激に低下させるためには密封容器（耐高圧容器２３）内の体積の約１０００倍程度の体積のガスを負圧管理している別の容器内に瞬時に放出させることが必要で、強い放射性物質を含む多量のガス放出は燃料取り扱い施設の安全管理面から現実的でなかった。
【００２１】
なお、燃料ペレットからの核分裂生成ガス（FPガス）の放出挙動を高い信頼性で求めるためには、長い（長さ約２０ｍｍ程度）燃料棒を供試材にすることが好ましく、そのためにはセルと称呼される放射線遮蔽施設内の遠隔操作設備を備えた小部屋を用い、本来は高圧条件で試験を行うべきである。しかしながら、高圧ガス保安法に定める耐高圧条件を満たす装置をセル内に設置することが実質的に困難であることから、非特許文献４のように代替えとして大気圧中で燃料棒を高温まで加熱し燃料ペレットからのFPガスの放出挙動を調べた例もある。
【００２２】
本発明は、以上のような従来技術の欠陥に鑑みてなされたものであり、その目的は、放射線遮蔽用セル内に設置可能で、かつ高圧ガスを必要としない比較的小型で単純な機構から構成された高圧縮力（外圧）負荷装置と同装置を用いた試験方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的を達成するために、本発明は、試験片を収納する凹状容器と、前記凹状容器内に充填される耐熱性粒子と、前記耐熱性粒子を加熱する加熱ヒータと、前記凹状容器の凹部に嵌合され、前記耐熱性粒子に外圧を負荷する押し棒と、前記凹状容器を内包する雰囲気保護容器と、前記雰囲気保護容器内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系と、前記試験片から放出される放出物質を検出する検出器と、を備え、前記試験片を前記耐熱性粒子内に埋め込んで、前記加熱ヒータにより前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記押し棒により前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を前記検出器により検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明は、試験片を収納する円筒状容器と、前記円筒状容器内に充填される耐熱性粒子と、前記耐熱性粒子を加熱する加熱ヒータと、前記円筒状容器の円筒内に挿入され、前記耐熱性粒子に一方から外圧を負荷する第１の押し棒と、前記耐熱性粒子に他方から外圧を負荷する第２の押し棒と、前記円筒状容器を内包する雰囲気保護容器と、前記雰囲気保護容器内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系と、前記試験片から放出される放出物質を検出する検出器と、を備え、前記試験片を前記耐熱性粒子内に埋め込んで、前記加熱ヒータにより前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記第１の押し棒および前記第２の押し棒により前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を前記検出器により検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする。
【００２５】
また、本発明は、容器内に耐熱性粒子を充填し、前記耐熱性粒子内に試験片を埋め込み、前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明は、前記試験片は照射済み燃料ペレットであることを特徴とする照射済み燃料ペレットの試験方法である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、次に列挙する効果が得られる。
【００２８】
強い放射性物質である燃料ペレットからなる試験片を凹状容器内に耐熱性粒子と共に埋めて油圧プレスで耐熱性粒子を押し棒を介して圧縮することにより試験片に圧縮力を負荷する構造であるため、試験片を耐高圧ガス容器内に収納する必要がなく、高圧ガス供給源も使用しない方法であるため、高圧ガス保安法による規制がなく経済的に優位であるだけでなく放射性取り扱い施設の安全性向上や管理の容易さに寄与する効果がある。
【００２９】
さらに、耐熱性粒子を油圧プレスで圧縮する機構であるため、油圧解放時のプレスの除荷速度は高速で、圧縮ガス方式では体積膨張が著しく大きくなり施設の負圧維持管理が困難で不可能であったが、粒子圧縮を用いた方法では急速除荷が可能になるという重要な付随的な効果もある。
【００３０】
これにより、放射線遮蔽用セル内に設置可能で、かつ高圧ガスを必要としない比較的小型で単純な機構から構成された高圧縮力（外圧）負荷装置と同装置を用いた試験方法を提供することができる。
【００３１】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る外圧負荷装置の概略構成を示す断面図である。（実施例１）
【図２】本発明の一実施形態に係る外圧負荷装置の概略構成を示す断面図である。（実施例２）
【図３】本発明の一実施形態に係る外圧負荷装置の概略構成を示す断面図である。（実施例３）
【図４】従来の外圧負荷装置の概略構成を示す断面図である。
【図５】試験片の圧縮力測定方法を概念的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
【実施例１】
【００３４】
図１を参照して、本発明の実施例１の外圧負荷装置および外圧負荷方法について説明する。図１は本実施例の外圧負荷装置の概略構成を示す断面図である。
【００３５】
本実施例の外圧負荷装置は、図１に示すように、タングステン（Ｗ）などの耐熱性材料からなる凹状容器１内に試験片である長さ約２０ｍｍに切断された使用済み核燃料棒片２０が耐熱性粒子５（ここでは、ジルコニア（二酸化ジルコニウム：ＺｒＯ２）、粒径約０．１ｍｍφ）に全外表面が覆われるように埋められ、耐熱性材料からなる押し棒２が充填した粒子に密着するように挿入されている。
【００３６】
なお、凹状容器１内に耐熱性粒子５と試験片２０を充填する際に容器に外部から振動を加えることで粒子の流動性を向上させた。同容器１はプレス構造を構成するプレス筐体４（上プレス筐体４ａおよび下プレス筐体４ｂ）と油圧ピストン７の間に配置され、断熱材３（上断熱材３ａおよび下断熱材３ｂ）および押し棒２を介して耐熱性粒子５を圧縮する機構になっている。
【００３７】
さらに凹状容器１は容器内雰囲気保護用の容器６によって密封され、その外周に試料加熱ヒータ２１および断熱材２２を配置し、（図示していない）温度計で温度を検出しながら高温状態に保持される。
【００３８】
試験では、不活性ガスを主組成（主成分）とする容器内雰囲気調整ガス８を容器内雰囲気保護用の容器６内に流しながら、プレス構造（上プレス筐体４ａおよび下プレス筐体４ｂ間）に圧縮力を発生させ、押し棒２を介して耐熱性粒子５に所定の高圧縮力（例えば１００ＭＰａ）を与えると共に、凹状容器１および試験片２０を高温（例えば１５００℃）に昇温し、凹状容器１から流出する雰囲気ガス中に含まれる放射性物質を検出器（放射能濃度計測器２６）で計測し、温度・圧力および時間経過の関係を記録することによって、試料中（試験片２０）の核分裂生成物（FPガス）の放出挙動に関する情報を得る。
【００３９】
また、事故時の燃料破砕現象を模擬する場合には、油圧ピストン７の圧力を急激に（或いは段階的に）開放し、プレス圧および粒子（耐熱性粒子５）の圧縮圧力を急激に（或いは段階的に）低下させ（除荷し）、その際に凹状容器１から流出する雰囲気ガス中に含まれる放射性物質を検出器（放射能濃度計測器２６）で計測し、温度・圧力および時間経過の関係を記録することによって、試料中（試験片２０）の核分裂生成物（FPガス）の放出挙動に関する情報を得る。さらに、加熱試験後に凹状容器１を解体して、燃料ペレット（試験片２０）内に含有している微細なFPガスバブルが圧縮圧力の急激な解放によって破裂する現象およびそれに伴う燃料ペレット（試験片２０）の破砕現象の有無およびその程度について観察する。
【００４０】
以上説明したように、本実施例の外圧負荷装置は、試験片２０を収納する凹状容器１と、凹状容器１内に充填される耐熱性粒子５と、耐熱性粒子５を加熱する加熱ヒータ２１と、凹状容器１の凹部に嵌合され、耐熱性粒子５に外圧を負荷する押し棒２と、凹状容器１を内包する雰囲気保護容器（容器内雰囲気保護用の容器６）と、雰囲気保護容器６内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系（容器内雰囲気調整ガス８）と、試験片２０から放出される放出物質を検出する検出器（放射能濃度計測器２６）と、を備え、試験片２０を耐熱性粒子５内に埋め込んで、加熱ヒータ２１により耐熱性粒子５を加熱し、かつ、押し棒２により耐熱性粒子５に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に試験片２０から放出される放出物質を検出器（放射能濃度計測器２６）により検出することで、試験片２０の特性を検出する。
【００４１】
本実施例によれば、放射線遮蔽用セル内に設置可能で、かつ高圧ガスを必要としない比較的小型で単純な機構から構成された高圧縮力（外圧）負荷装置と同装置を用いた照射済み燃料ペレットの試験方法を実現することができる。
【００４２】
なお、試験片２０として、照射済みの核燃料棒や燃料ペレットを用いた場合、加熱ヒータ２１による加熱温度および押し棒２による外圧（圧縮力）の少なくともいずれか一方を変化させて、照射済みの核燃料棒や燃料ペレットから放出される核分裂生成ガス（FPガス）の放出挙動を把握（検出）することで、事故時の燃料破砕現象を模擬的に把握することができる。
【実施例２】
【００４３】
図２を参照して、本発明の実施例２の外圧負荷装置および外圧負荷方法について説明する。図２は本実施例の外圧負荷装置の概略構成を示す断面図である。
【００４４】
本実施例の外圧負荷装置は、図２に示すように、押し棒２と耐熱性粒子５の間に耐熱性粒子５よりも粒径の大きい耐熱性粒子（粗粒）２７を配置している点において、実施例１の外圧負荷装置とは異なる。その他の点は実施例１と同様である。
【００４５】
実施例１では粒経約０．１ｍｍφの耐熱性粒子（細粒）５を加圧媒体として用いている。耐熱容器（凹状容器１）の内径と押し棒２との間には約０．０５ｍｍの直径ギャップが生じるが、加圧後には押し棒２と容器内径との間隙に耐熱性粒子（細粒）５が強固に挟まり、試験後に押し棒２を取り除く作業が著しく困難である。
【００４６】
そこで、本実施例では、図２に示すように、押し棒２と充填材である粒経約０．１ｍｍφの耐熱性粒子（細粒）５との接触面に充填材（耐熱性粒子（細粒）５）の直径より大きな直径の耐熱性粒子（粗粒）２７を介在させている。つまり、押し棒２と耐熱性粒子５との間に、耐熱性粒子５より粒経が大きい粗粒粒子（耐熱性粒子２７）からなる粗粒粒子層を備えている。
【００４７】
本実施例では、粒経約０．１ｍｍφの耐熱性粒子（細粒）の上に粒径約１．０ｍｍφの耐熱性粒子（粗粒）が１層以上（好ましくは２〜３層）重なるようにし、さらに押し棒２と容器内径の直径ギャップが、介在させた粗粒（耐熱性粒子２７）の直径以下（好ましくは近傍値の約０．５ｍｍ）としている。つまり、押し棒２と凹状容器１の内径間の直径ギャップが、耐熱性粒子（細粒）５の粒径より大きく、粗粒粒子（耐熱性粒子２７）の粒径より小さい。
【００４８】
以上説明したように、本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、押し棒２と容器内径の直径ギャップが約０．５ｍｍと大きいため、加圧後に押し棒２は容易に分解可能で、かつ１００ＭＰａの圧縮面圧を負荷しても加圧媒体の細粒粒子（耐熱性粒子５）および粗粒粒子（耐熱性粒子２７）のギャップからの漏れはなく解体までの試験作業の作業性を格段と向上させることができる。
【実施例３】
【００４９】
図３を参照して、本発明の実施例３の外圧負荷装置および外圧負荷方法について説明する。図３は本実施例の外圧負荷装置の概略構成を示す断面図である。
【００５０】
実施例１では凹状容器１を用いているが、本実施例の外圧負荷装置では、図３に示すように、凹状容器１に替えて耐熱性材料からなる円筒状容器２８を用いており、押し棒２を上部押し棒２ａと下部押し棒２ｂで構成している点において、実施例１の外圧負荷装置とは異なる。その他の点は実施例１と同様である。
【００５１】
本実施例では、充填材である耐熱性粒子５と使用済み核燃料棒片（試験片２０）を円筒状容器２８内に収納し、上部押し棒２ａと下部押し棒２ｂで上下方向から耐熱性粒子５を圧縮する機構になっている。
【００５２】
本実施例の外圧負荷装置は、試験片２０を収納する円筒状容器２８と、円筒状容器２８内に充填される耐熱性粒子５と、耐熱性粒子５を加熱する加熱ヒータ２１と、円筒状容器２８の円筒内に挿入され、耐熱性粒子５に一方から外圧を負荷する上部押し棒２ａ（第１の押し棒）と、耐熱性粒子５に他方から外圧を負荷する下部押し棒２ｂ（第２の押し棒）と、円筒状容器２８を内包する雰囲気保護容器（容器内雰囲気保護用の容器６）と、雰囲気保護容器６内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系（容器内雰囲気調整ガス８）と、試験片２０から放出される放出物質を検出する（放射能濃度計測器２６）と、を備え、試験片２０を耐熱性粒子５内に埋め込んで、加熱ヒータ２１により耐熱性粒子５を加熱し、かつ、上部押し棒２ａ（第１の押し棒）および下部押し棒２ｂ（第２の押し棒）により耐熱性粒子５に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に試験片２０から放出される放出物質を検出器（放射能濃度計測器２６）により検出することで、試験片２０の特性を検出する。
【００５３】
本実施例によれば、実施例１の効果に加えて、試験後の解体作業（耐熱性粒子５と使用済み核燃料棒片（試験片２０）の取り出し作業等）の作業性を向上させることができる。
【００５４】
なお、図３において、下部押し棒２ｂと下断熱材３ｂとを結合（一体化）して円板付き下部押し棒として構成することも可能である。
【００５５】
≪発明の作用≫
図５を参照して、本発明の作用をより具体的に説明する。図５は試験片の圧縮力測定方法を概念的に示す図である。
【００５６】
圧縮された粒子で試験片を圧縮することによって、高温での燃料ペレットからの核分裂生成物（FPガス）の放出を抑制ないし制御できるだけの圧縮力が発生することを確認する目的で、金属同士の接触面圧を発色で表示する圧力フイルム（PRESCALE：富士フイルム製）を金属円盤で挟む構造の面圧測定子３２を作製し、図５のように容器３０の凹部内に配置した。発生した面圧に方向依存性があると予測し、容器３０内の各深さ位置で圧縮方向（垂直方向）と横方向（半径方向）の面圧を検出可能な方向に面圧測定子３２を配置した。
【００５７】
公称圧縮面圧として、圧縮荷重を容器断面積で除して１００ＭＰａになるようにプレスで押し棒を圧縮した。試験は数回繰り返し、圧力測定フイルムの発色の程度と標準色との比較から面圧を求めた。得られた面圧の平均値と得られたデータの範囲を図５中に示している。
【００５８】
図５に示した面圧から１００ＭＰａの公称圧縮力を加えると、粒子の圧縮作用で最小で５０ＭＰａ、最高は９０ＭＰａの圧縮応力が生じていることを確認した。実際に炉内で使用された核燃料ペレットについては、非特許文献５に記載されているように、高温で４０ＭＰａ〜６０ＭＰａの外圧負荷を受けると核分裂生成ガス（FPガス）の放出が停止することが知られており、軟化温度が約２７００℃と高いジルコニア粒子を用いているため１５００℃の高温試験でも、圧縮力は室温と同等に生じると考えられ、上記の各実施例におけるプレス構造（外圧負荷装置）により試験片である使用済み核燃料棒片や燃料ペレットに対し均一に負荷を加えることができるため、問題なく核分裂生成ガス（FPガス）の放出特性の把握試験に適用可能であるといえる。
【００５９】
なお、上記の各実施例では、押し棒２（２ａ，２ｂ）の先端および容器底が平面の例を示したが、それぞれの形状は必ずしも平面に限定するものではない。容器内径も一定値の形状例を示したが内径が変動する形状も含まれる。
【００６０】
また、容器の材質やガス組成および耐熱性粒子の材質・寸法（サイズ）並びに押し棒２（２ａ，２ｂ）と容器内壁間のギャップ（直径ギャップ）の大きさも当然のことながら上記の実施例に限定されるものではない。
【００６１】
さらに、各実施例では容器内雰囲気保護用の容器６を加熱ヒータ２１、断熱材２２より中心側（内側）に配置した例を示したが、加熱ヒータ２１、断熱材２２は容器内雰囲気保護用の容器６の内部に含まれる構造でも同様な効果を得ることができる。
【００６２】
また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、原子力発電用の放射能を有する核燃料棒や燃料ペレットからの放射性ガス放出挙動の評価に適用できる。
【００６４】
また、加熱加圧により放出物質が放出される試験片であれば、核燃料棒や燃料ペレット以外の工業材料の特性評価や挙動評価にも適用できる。
【符号の説明】
【００６５】
１…（耐熱性材料からなる）凹状容器、２…（耐熱性材料からなる）押し棒、２ａ…上部押し棒、２ｂ…下部押し棒、３…断熱材、３ａ…上断熱材、３ｂ…下断熱材、４…プレス筐体、４ａ…上プレス筐体、４ｂ…下プレス筐体、５…耐熱性粒子（細粒）、６…容器内雰囲気保護用の容器、７…油圧ピストン、８…（容器内）雰囲気調整ガス、２０…試験片（使用済み核燃料棒片や燃料ペレット）、２１…（試料）加熱ヒータ、２２…断熱材、２３…耐高圧容器（高圧容器）、２４…高圧ガス供給系、２５…圧力計、２６…放射能濃度計測器、２７…耐熱性粒子（粗粒）、２８…（耐熱性材料からなる）円筒状容器、２９…ベース、３０…（円筒状）容器、３１…充填材（耐熱性粒子）、３２…面圧測定子。
【図１】
2020071162.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年1月10日(2020.1.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片を収納する凹状容器と、
前記凹状容器内に充填される耐熱性粒子と、
前記耐熱性粒子を加熱する加熱ヒータと、
前記凹状容器の凹部に嵌合され、前記耐熱性粒子に外圧を負荷する押し棒と、
前記凹状容器を内包する雰囲気保護容器と、
前記雰囲気保護容器内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系と、
前記試験片から放出される放出物質を検出する検出器と、を備え、
前記試験片を前記耐熱性粒子内に埋め込んで、前記加熱ヒータにより前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記押し棒により前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を前記検出器により検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする外圧負荷装置。
【請求項２】
請求項１に記載の外圧負荷装置であって、
前記押し棒と前記耐熱性粒子との間に、前記耐熱性粒子より粒経が大きい粗粒粒子からなる粗粒粒子層を備えることを特徴とする外圧負荷装置。
【請求項３】
請求項２に記載の外圧負荷装置であって、
前記押し棒と前記凹状容器の内径間の直径ギャップが、前記耐熱性粒子の粒径より大きく、前記粗粒粒子の粒径より小さいことを特徴とする外圧負荷装置。
【請求項４】
試験片を収納する円筒状容器と、
前記円筒状容器内に充填される耐熱性粒子と、
前記耐熱性粒子を加熱する加熱ヒータと、
前記円筒状容器の円筒内に挿入され、前記耐熱性粒子に一方から外圧を負荷する第１の押し棒と、前記耐熱性粒子に他方から外圧を負荷する第２の押し棒と、
前記円筒状容器を内包する雰囲気保護容器と、
前記雰囲気保護容器内に雰囲気調整ガスを供給する雰囲気調整系と、
前記試験片から放出される放出物質を検出する検出器と、を備え、
前記試験片を前記耐熱性粒子内に埋め込んで、前記加熱ヒータにより前記耐熱性粒子を加熱し、かつ、前記第１の押し棒および前記第２の押し棒により前記耐熱性粒子に外圧を負荷し、当該外圧を除荷した際に前記試験片から放出される放出物質を前記検出器により検出することで、前記試験片の特性を検出することを特徴とする外圧負荷装置。
【請求項５】
前記試験片は照射済み燃料ペレットであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の外圧負荷装置を用いる照射済み燃料ペレットの試験方法。
【請求項６】
請求項５に記載の照射済み燃料ペレットの試験方法であって、
前記加熱ヒータによる加熱温度および前記押し棒による外圧の少なくともいずれか一方を変化させて、前記照射済み燃料ペレットから放出される核分裂生成ガスの放出挙動を検出することを特徴とする照射済み燃料ペレットの試験方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】