(57)【要約】  本発明は、セラミック成分と金属成分を組み合わせた複数の成分から成る原子燃料棒被覆管に関する。本発明は具体的には、セラミック複合材にジルコニウム組成物を付着させて、ジルコニウム被膜を有するセラミック複合材を形成した被覆管に関する。当該セラミック複合材は、セラミック基材および複数のセラミック繊維から成る。当該被覆管は、原子炉のさまざまな負荷状況の下で、被覆管構造体の内容物を高温環境から効果的に保護する。【選択図】図５
2019525131.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック複合材（８３）から成る原子燃料棒被覆管（８０）であって、
内面（８２）、外面（８４）および内部キャビティ（８１）を有する形状の当該セラミック複合材は、
セラミック基材と、
複数のセラミック繊維と、
当該セラミック複合材（８３）の当該外面（８４）に付着して被膜（８６）を形成する、ジルコニウム合金から成るジルコニウム成分を含む被膜組成物と
から成ることを特徴とする原子燃料棒被覆管。
【請求項２】
前記セラミック基材は、炭化ケイ素および炭化ケイ素含有材料から成る群より選択した材料から成る、請求項１の被覆管（８０）。
【請求項３】
前記複数のセラミック繊維は、炭化ケイ素および炭化ケイ素含有材料から成る群より選択した材料から成る、請求項１の被覆管（８０）。
【請求項４】
前記複数のセラミック繊維は、個別の繊維、織込まれた繊維および編組みされた繊維から成る群より選択した繊維である、請求項１の被覆管（８０）。
【請求項５】
前記被膜（８６）の厚さが約０．００４インチから約０．００６インチの範囲である、請求項１の被覆管（８０）。
【請求項６】
前記セラミック複合材（８３）が円筒管の形状である、請求項１の被覆管（８０）。
【請求項７】
原子燃料棒被覆管（８０）を製造する方法であって、
セラミック基材と、
複数のセラミック繊維とから成る
セラミック複合材（８３）を製造するステップと、
当該セラミック複合材（８３）を、内面（８２）、外面（８４）および内部キャビティ（８１）を有する形状に形成するステップと、
当該セラミック複合材（８３）の当該外面（８４）に、ジルコニウム合金から成るジルコニウム成分を含む被膜組成物を付着させて被膜（８６）を形成するステップと
から成ることを特徴とする方法。
【請求項８】
セラミック複合材（８３）を製造するステップは、
前記複数のセラミック繊維を繊維トウの形態で提供するステップと、
空隙を内包する織込まれたセラミック繊維構造を形成するステップと、
前記セラミック基材を前記織込まれたセラミック繊維構造に付着させ、当該空隙の少なくとも一部に充填するステップと
から成る請求項７の方法。
【請求項９】
前記織込まれたセラミック繊維構造を形成するステップが、巻付け、巻回または編組みから成る群より選択したプロセスを使用する、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記巻回ステップが、フィラメント形態のセラミック繊維を心棒に巻回するステップから成る、請求項９の方法。
【請求項１１】
前記セラミック基材を付着させるプロセスが、化学蒸着法、化学気相浸透法およびゾルゲル浸透法のなかから選択したプロセスを使用する、請求項８の方法。
【請求項１２】
前記被膜組成物を付着させるステップが、アーク溶射、液相噴霧、プラズマ溶射、コールドスプレーおよびレーザー蒸着のなかから選択したプロセスを使用する、請求項７の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下で、参照によって本願に組み込まれる２０１６年６月１０日に提出された「ＺＩＲＣＯＮＩＵＭ−ＣＯＡＴＥＤＳＩＬＩＣＯＮ ＣＡＲＢＩＤＥ ＦＵＥＬ ＣＬＡＤＤＩＮＧ ＦＯＲ ＡＣＣＩＤＥＮＴ ＴＯＬＥＲＡＮＴ ＦＵＥＬ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ」と題する米国特許出願第１５／１７８，７４５号に基づく優先権を主張するものである。
本発明は、燃料棒被覆管などの原子燃料構成部品の製造に用いるジルコニウム被膜が施されたセラミック複合材であって、高温環境で使用され、例えば被覆管などの構成部品の内容物を保護する障壁として機能するジルコニウム被膜が施された複合材に関する。本発明はさらに、かかるジルコニウム被膜を有するセラミック複合材を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電用原子炉の炉心には、各々が複数の細長い燃料要素または燃料棒から成る多数の燃料集合体が含まれている。燃料集合体には、炉心および原子炉の所要のサイズに応じて、さまざまなサイズおよび設計のものがある。燃料棒はそれぞれ、或る量の核分裂性Ｕ−２３５またはＵ−２３３を含むウランおよび／またはプルトニウムから成る燃料ペレットなどの核分裂性燃料物質を含む。核分裂性成分の核分裂は、発熱を伴う。水、液体塩、ガス、液体金属などの冷却材を炉心へ圧送し、炉心で発生する熱を抽出して電力などの有用な仕事を発生させる。
【０００３】
燃料棒はそれぞれ、放射性燃料物質を保持し当該物質を冷却材媒体から分離する格納手段としての被覆管を有する。さらに、運転中、核分裂により高放射性で、気体状、揮発性および不揮発性の核分裂生成物が生成される。そのような核分裂生成物も、被覆管内に閉じ込められる。従来の金属製被覆管システムは、長期間にわたって照射を受けると、硬化、脆化および膨張のような損傷が発生する。
【０００４】
原子炉圧力容器１０および炉心１４を図１に例示する。炉心１４は、互いに平行で垂直に延びる複数の燃料集合体２２から成る。その他の容器内部構造は、説明の目的で下部炉内構造物２４と上部炉内構造物２６とに分けることができる。従来設計の下部炉内構造物は、炉心コンポーネントおよび計装体を支持し、整列させ、案内するとともに、容器内の冷却材の流れ方向を定める機能を有する。上部炉内構造物は、燃料集合体２２（簡略化のため２体だけ図１に示す）を拘束し、あるいは燃料集合体に二次的拘束手段を提供し、計装体と例えば制御棒２８のようなコンポーネントを支持し、案内する。図１に例示する原子炉の場合、冷却材は１つまたは２つ以上の入口ノズル３０から原子炉容器１０に流入し、当該容器と炉心槽３２との間に画定される環状部を流下し、下部プレナム３４において１８０°方向転換し、下部支持板３７および燃料集合体が着座する下部炉心板３６を上向きに貫流し、当該集合体の中および周りを流動する。下部支持板３７および下部炉心板３６の代わりに、３７と同じ高さで単一構造の下部炉心支持板を配置する設計もある。炉心とその周辺領域３８を貫流する冷却材の流量は通常、毎秒約２０フィートの流速で毎分４００，０００ガロン級の大きなものである。燃料集合体はその流れに起因する圧力降下と摩擦力によって持ち上げられる傾向にあるが、円形の上部炉心板４０を含めた上部炉内構造物がその動きを押さえ付ける。炉心１４を出た冷却材は上部炉心板４０の下面を流れ、さらに複数の穴４２を上向きに流れる。冷却材はその後、上方および半径方向外方に流れて１つ以上の出口ノズル４４へ到達する。
【０００５】
図１に例示した燃料集合体２２の１つを、さらに詳細に図２に示す。燃料集合体２２の各々は、アレイ状にグループ化された燃料棒６６を有する。燃料棒６６は、燃料集合体の長さ方向に離隔したグリッド６４によって互いに離隔した関係に保持される。各燃料集合体２２の下端部は、下部ノズル５８によって下部炉心板３６の上に支持される。各燃料集合体２２は、その上端部に上部ノズル６２を有する。中心部には、下部ノズル５８と上部ノズル６２の間を延びてそれらに取り付けらた計装管６８が配置されている。各燃料棒６６は複数の原子燃料ペレット７０を有し、両端部がそれぞれ上部端栓７２および下部端栓７４により閉じられている。ペレット７０は、上部端栓７２と積み重ねたペレットの最上部との間に位置するプレナムばね７６により、積み重ねた形を保持する。核分裂性物質より成る燃料ペレット７０は、原子炉の核反応を発生させる元である。
【０００６】
各燃料棒６６の構成要素である被覆管は、ペレットを取り囲み、核分裂生成物が冷却材に流入して原子炉系を汚染するのを防ぐ障壁の役目を果たす。
【０００７】
図２に例示した燃料棒６６の１つを、さらに詳細に図３に示す。図３に示すように、各燃料棒６６は、積み重ねた複数の原子燃料ペレット７０、上部端栓７２、下部端栓７４、およびペレット７０を積み重ねた状態に維持する押さえ装置として機能するばね７６から成る。また、図３に示すペレット７０を取り囲む燃料棒被覆管２は、核分裂生成物が冷却材に流入して原子炉系を汚染するのを防ぐ障壁の役目を果たす。被覆管２は、典型的には、キャビティと、両端の開口とを有する細長い管体である。上部端栓７２および下部端栓７４はそれぞれ、炉心を循環する原子炉冷却材が燃料棒被覆管２のキャビティに流入しないように封止する。
【０００８】
当技術分野では最近、炭化ケイ素（ＳｉＣ）などのセラミック含有材料を構成成分とする燃料棒被覆管が開発されている。ＳｉＣは、例えば軽水炉において温度が１２００℃を超える設計基準外事故時に望ましい特性を示すことが知られており、原子燃料棒被覆管の構成材料として適当と考えられる。ＳｉＣ被覆管の長所は、シビアアクシデントの際に起こる可能性があり危険な水素爆発につながるおそれのある、ジルコニウムと蒸気との反応を最小限に抑えられることである。しかし、ＳｉＣ被覆管には弱点もある。例えば、炉外試験の結果、被膜のないＳｉＣ被覆管が加圧水型原子炉の冷却材に晒されることで表面に腐食が生じる可能性があり、ＳｉＣ表面にヒドロペルオキシドが形成されると深刻なＳｉＣの剥落が生じて被覆管の重量が有意かつ急速に減少しかねないということが実証されている。さらには、ＳｉＣ被覆管は、材料の延性および高温強度を保ちながら密封性を達成するのが困難であることが判明している。このような特性の相反関係は、ＳｉＣ被覆管が歪む際に伸びを助長させるには微小ひび割れの発生が必要であることに起因すると考えられている。
【０００９】
当技術分野には、通常運転時、過渡運転時、設計基準事故時および設計基準外事故時に、ＳｉＣ被覆管の高温での機械的強度、安定性、耐膨潤性および耐腐食性と共に密封性と原子炉冷却に伴う微小ひび割れおよび腐食への抵抗性を提供する被覆材に対する要望がある。例えばＳｉＣのような単一の材料では被覆管にとって望ましいすべての特性を提供できないことに鑑みて、本発明の目的は、それぞれが被覆管にとって有利となる異なった特性を有する複数の材料、すなわちセラミックおよびジルコニウムから成る被覆管を提供することである。本発明に従ってジルコニウム被膜を用いると、セラミック複合材、すなわちＳｉＣにおける微小ひび割れによる密封性の喪失を効果的に防ぐことができる。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、一局面において、セラミック複合材および被膜組成物を含む原子燃料棒被覆管を提供する。当該セラミック複合材は、セラミック基材および複数のセラミック繊維から成る。当該セラミック複合材は、内面、外面および内部キャビティを有する形状に構成されている。ジルコニウム合金から成るジルコニウム成分を含む当該被膜組成物は、当該セラミック複合材の当該外面に付着して被膜を形成する。
【００１１】
或る特定の実施態様において、当該セラミック複合材は円筒管の形状である。
【００１２】
或る特定の実施態様において、当該ジルコニウム被膜の厚さは約０．００４インチから約０．００６インチの範囲である。
【００１３】
或る特定の実施態様において、当該セラミック複合材は炭化ケイ素基材および炭化ケイ素繊維を含む。当該炭化ケイ素繊維は、個別の繊維、織込まれた繊維および編組みされた繊維のなかから選択できる。
【００１４】
本発明は、別の一局面において、原子燃料棒被覆管を形成する方法を提供する。この方法は、セラミック基材およびセラミック繊維を含むセラミック複合材を製造するステップと、セラミック複合材を内面、外面および内部キャビティを有する形状に形成するステップと、当該セラミック複合材の当該外面に、ジルコニウム合金から成るジルコニウム成分を含む被膜組成物を付着させて被膜を形成するステップとから成る。
【００１５】
或る特定の実施態様において、当該セラミック複合材を製造するステップは、繊維トウの形態でセラミック繊維を提供するステップと、空隙を内包する織込まれたセラミック繊維構造を形成するステップと、当該セラミック基材を当該織込まれたセラミック繊維構造の上に付着させて当該空隙の少なくとも一部が充填されるようにするステップとから成る。この方法は、セラミック繊維の巻付け、巻回または編組みを含むことができる。或る特定の実施態様において、この方法は、フィラメント形態のセラミック繊維を心棒に巻回するステップを含む。
【００１６】
或る特定の実施態様において、当該セラミック基材を付着させるステップは、化学蒸着法、化学気相浸透法およびゾルゲル浸透法のなかから選択したプロセスを含むことができる。
【００１７】
或る特定の実施態様において、当該被膜組成物を付着させるステップは、アーク溶射、液相噴霧、プラズマ溶射、コールドスプレーおよびレーザー蒸着のなかから選択したプロセスを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。
【００１９】
【図１】先行技術に基づく原子炉容器および内部構成機器の部分断面立面図である。
【００２０】
【図２】図１に示す先行技術に基づく燃料集合体の部分断面立面図であり、図示を明瞭にするために垂直方向に短縮し、部品を破断して示している。
【００２１】
【図３】先行技術に基づく燃料棒の部分断面図である。
【００２２】
【図４】本発明の或る特定の実施態様に基づく燃料棒の部分断面図である。
【００２３】
【図５】本発明の或る特定の実施態様に基づく、セラミック複合材の表面にジルコニウム被膜が施された図４の燃料棒被覆管の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明は概して、原子燃料構成部品（非限定的な例として燃料棒被覆管）向けの被膜を有する複合材およびその製造方法に関する。当該被膜を有する複合材は、セラミック成分と金属成分の組み合わせたものである。セラミック成分は、セラミック基材とセラミック繊維とを含むセラミック複合材の形態をとる。セラミック複合材は炭化ケイ素を含む。したがって、或る特定の実施態様において、セラミック基材および／またはセラミック繊維は、炭化ケイ素または炭化ケイ素含有材料から成る。金属成分は被膜組成物の形態をとり、ジルコニウム合金を含む。
【００２５】
本発明に従って、セラミック複合材は内面、外面および内部に形成されたキャビティから成る原子燃料構成部品（例えば燃料棒被覆管）として形成または成形され、当該セラミック複合材（例えば被覆管）の外面に被膜組成物を付着させることによりジルコニウム被膜（例えば薄膜）が形成される。
【００２６】
特定の理論の制約を受けるものではないが、ジルコニウム被膜は、セラミック複合材の耐環境性被膜（ＥＢＣ）として機能するため、例えば水冷式原子炉中の冷却水と接触した場合のように、セラミックに一般的に付随する腐食の可能性を効果的に低減できると考えられる。また、運転時のさまざまな負荷条件（例えばシステム圧力、急冷、疲労、地震／冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）時の衝撃、取り扱い時の衝撃など）の下でセラミック（例えば炭化ケイ素）基材中に微小ひび割れが生じるので、ジルコニウム被膜はセラミック複合材被覆管の密封性維持に効果的に貢献する。
【００２７】
一般的に、ジルコニウム被膜は核分裂生成物に対して密封性の障壁を形成し、被覆管構造体にある程度の機械的支持を提供することもある。セラミック複合材は、炭化ケイ素基材中に分散するかもしくは埋め込まれた炭化ケイ素繊維から成るか、または絡み合うように織込まれたもしくは編組みされた繊維（例えば繊維トウを巻付けて形成した織物構造）から成る。一般的に、ジルコニウム被膜を有するセラミック複合材は、被覆管構造体の内容物を高温環境および機械的応力から効果的に保護するための障壁である。例えば、この被覆管は、高温で循環する液体冷却材を含む原子炉環境において原子燃料を封じ込めるための燃料被覆管としての使用に適している。この燃料被覆管は、原子炉に関連する通常時の状況や設計基準事故および設計基準外事故などの事故時の状況に耐えることができる。説明を容易にするために、本発明を、放射性燃料ペレットを封じ込めるまたは保持するための燃料被覆管であって、炉心内に設置され、外側を炉心内を循環する高温の冷却材に晒される燃料被覆管について説明する。ただし、本発明はこの状況に限定されるわけではない。
【００２８】
燃料棒被覆管の典型的な構成は、キャビティおよび両端の開口を備えた細長い管体である。被覆管の壁厚は一様でなくてもよい。或る特定の実施態様において、管の壁厚は約１００〜１０００ミクロンである。キャビティは、燃料ペレットと、典型的には、例えば燃料ペレットを積み重ねた態様に保持するばねなどの押さえ装置とを有する。被覆管の各開端部内には、炉心内を循環する冷却材が燃料棒被覆管のキャビティに流入しないようにする封止機構が一般的に設けられている（図３を参照）。燃料棒被覆管は、原子炉の炉心に配置される（図２を参照）。
【００２９】
燃料棒被覆管の主要な機能は、核分裂により熱を発生させる核分裂性燃料ペレットを閉じ込めることと、当該燃料ペレットおよび核分裂により生じる核分裂生成物を冷却材媒体から分離することである。被覆管の典型的な構成成分は、金属材料（例えばジルコニウムもしくはジルコニウム合金）またはセラミック材料（例えば炭化ケイ素）である。金属製の被覆管とセラミック製の被覆管はそれぞれ長所と短所がある。例えば、金属製被覆管は気密性に優れ、延性が高く、強度を調節可能で、耐腐食性の保護層を提供する。これとは対照的に、セラミック製被覆管は、剛性、高温強さおよび高温の酸化性および腐食性環境における耐久性に優れている。
【００３０】
従来型セラミック被覆管において、金属層を導入せずに、セラミック複合材（例えば炭化ケイ素基材と炭化ケイ素繊維）から成る被覆管の外部表面に炭化ケイ素モノリシック層の被膜を施すことは当技術分野で公知である。このような構成は、当技術分野で「デュプレックス」と呼ばれる。また、金属層を導入せずに、セラミック複合材（例えば炭化ケイ素基材と炭化ケイ素繊維）から成る被覆管の内部表面と外部表面の両方に炭化ケイ素モノリシック層の被膜を施すことは当技術分野で公知である。このような構成は、当技術分野で「トリプレックス」と呼ばれる。さらに、セラミック複合材（例えば炭化ケイ素基材と炭化ケイ素繊維）から成る被覆管の内部表面に金属（例えばクロム・タングステン）から成る裏張りを施し、当該金属裏張りの表面に炭化ケイ素モノリシック層を施して、当該金属裏張りが当該セラミック複合材と当該炭化ケイ素モノリシック層との間に挟まれるようにするのは、当技術分野で公知である。この構成は当技術分野で「サンドイッチ」と呼ばれる。
【００３１】
本発明の燃料棒被覆管は、金属材料（例えばジルコニウム合金）とセラミック材料（例えば炭化ケイ素基材および繊維）とを、各材料の性質および長所が当該被覆管に発現するように組み合わせた多成分材料系を提供する。本発明は、セラミック複合材の管体と、当該セラミック複合材の管体の外部表面に被膜を形成するように付着したジルコニウム合金から成る金属組成物とから成る。一般的に、多成分材料の燃料棒被覆管は、材料の延性と高温強さを保ちつつ密封性を得ることが難しいという、従来のセラミック複合材系に関連する難点を回避することができる。ジルコニウム被膜を用いることにより、炭化ケイ素材料中の微小ひび割れによる密封性の喪失を効果的に防ぎ、原子炉冷却材による腐食に対して保護することができる。
【００３２】
図４は、本発明の或る特定の実施態様に基づく燃料棒の断面図である。図４に示すように、燃料棒の被覆管８０は円筒管の形状である。被覆管の形状はこれに限定されず、多種多様な形状および構成が考えられる。例えば、被覆管を、箱型構造、あるいは２次元軸対称または円錐状構造などの他の閉じた形状にしてもよい。さらに、構造体の形状は必ずしも一貫性のないものでもよい。すなわち、長軸に沿って直径が変化する形状であってもよい。さらに、被覆管８０に燃料要素が封入される原子炉（これに限定されない）など、さまざまな環境で円筒管が使用されると考えられる。
【００３３】
図４において、被覆管８０は円筒管を含み、当該円筒管は、非限定的な例として内部キャビティ８１および内面８２を有する予備成形された円筒体である。被覆管８０は、セラミック複合材８３と、当該セラミック複合材８３の表面８４に付着したジルコニウム層８６とから成る。被覆管８０の内部キャビティ８１はさらに、積み重ねた複数の原子燃料ペレット７０、上部端栓７２、下部端栓７４、およびペレット７０を積み重ねた状態に維持する押さえ装置として機能するばね７６から成る。ペレット７０を取り囲む被覆管８０は、核分裂生成物が冷却材に流入して原子炉システムをさらに汚染するのを防ぐ障壁として機能する。上部端栓７２および下部端栓７４はそれぞれ、炉心を循環する原子炉冷却材が被覆管８０の内部キャビティ８１に入らないように封止する。
【００３４】
図５は、ジルコニウム被膜を有するセラミック複合材被覆管をより詳細に示す概略断面図である。図５に示すように、被覆管８０はセラミック基材およびセラミック繊維を含むセラミック複合材８３から成り、当該セラミックは炭化ケイ素または炭化ケイ素含有材料を含むことができる。例えば薄膜のような被膜の形態をとるジルコニウム層８６が、セラミック複合材８３の表面８４に塗布される。ジルコニウム層８６は、ジルコニウムまたはジルコニウム合金から成る。原子炉内を循環する冷却材に晒され接触するジルコニウム層８６は、冷却材がジルコニウム層８６の下位のセラミック複合材８３に接触することを効果的に防ぐ。
【００３５】
本願で説明するように、被覆管８０は、セラミック基材（例えば炭化ケイ素／炭化ケイ素を含有）、およびセラミック繊維（例えば炭化ケイ素／炭化ケイ素を含有）から成る。一般的に、繊維は基材中に分散するかまたは埋め込まれている。繊維は、絡み合うように織込まれたまたは編組みされた（例えば巻回された）繊維を含んでもよい。被覆管８０の壁厚は一様でなくてもよい。例えば、被覆管８０の壁厚は約１００ミクロンから約６００ミクロンの範囲とすることができる。被覆管８０は通常、従来の装置およびプロセスを用いて形成される。
【００３６】
或る特定の実施態様において、セラミック複合材８３は、繊維成分にプレストレスを与え、繊維をトウの状態にし、繊維の巻付け、巻回または編組みによって例えば円筒管を形成するように構成してもよい。或る特定の実施態様では、連続的な編組みレイアップ（予備成形）または心棒へのフィラメントの巻回を行ってもよい。典型的には、個別の繊維または繊維群の間に空隙が存在するので、巻付け、巻回または編組みステップの後に、セラミック基材を塗布して繊維間の空隙の少なくとも一部に充填する。さらに、繊維と隣接するセラミック基材との間に薄い（サブミクロン）界面層を導入してもよい。界面層が存在することにより、延性的な挙動が可能になる。
【００３７】
セラミック基材は、化学気相浸透法（ＣＶＩ）または化学蒸着法（ＣＶＤ）によって付着させることができる。本願で使用する用語「ＣＶＩ」は、分解された気体状の基材前駆物質を用いて空孔内にセラミック基材を付着させることを意味し、用語「ＣＶＤ」は、分解された気体状の基材前駆物質を用いて表面にセラミック基材を付着させることを意味する。或る特定の実施態様において、ＣＶＩは、使用する具体的なＣＶＩプロセスおよび装置にもよるが、約３００℃〜約１１００℃の温度で実施される。分解に基づく従来のＣＶＩは、約９００℃〜約１１００℃で起きる。或る特定の実施態様において、原子層堆積法によるＳｉＣの付着は、約３００℃〜約５００℃の温度で実施される。
【００３８】
代替策として、従来型のゾルゲル浸透、乾燥および焼成法を用いてセラミック複合材を形成してもよい。
【００３９】
ジルコニウム層８６は、セラミック複合材８３に保護被膜を提供する。このジルコニウムまたはジルコニウム合金層は、通常運転時、過渡運転時、設計基準事故時および設計基準外事故時に、セラミック複合材被覆管８０に密封性を与え、原子炉冷却材による腐食に対して防護する。ジルコニウム層８６の被膜厚さはさまざまであり、選択するジルコニウム合金によって変わりうる。ジルコニウム合金層は、ジルコニウムの酸化やグリッドと燃料棒の間のフレッチング摩耗（これらに限定されない）などの運転時に引き起こされる効果を考慮したうえで下位のセラミック複合材８３が冷却材に晒されないような十分な厚さと、燃料棒の挿入が容易になるような平滑な表面を有する。また、ジルコニウム層８６は、設計基準外事故時にジルコニウムと蒸気の過度な反応を防ぐうえで適切な厚さにする。すなわち、層の最大厚さは、設計基準外事故状況下で過度な水素反応を防ぐのに効果的な厚さとして決まり、それに限定される。
【００４０】
或る特定の実施態様において、ジルコニウム層（例えば層８６）の厚さは、約０．００４インチから約０．００６インチの範囲である。この厚さは、従来型ジルコニウム被覆管の設計基準に対応しており、この基準には、（ｉ）グリッドと燃料棒の間のフレッチング摩耗による１０％（０．００２３ミル）の壁厚減少と、（ｉｉ）冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）時の酸化による１７％（０．００３８ミル）以下の壁厚減少を許容できることが含まれる。さらに、この厚さは、ジルコニウム合金被覆管を有する典型的な燃料集合体においてジルコニウムの総量を少なくとも７０％減らす設計基準に対応させることができる。したがって、本発明の燃料棒被覆管は、原子炉炉心内のジルコニウムの量を少なくとも７０％減らすことができ、その結果、ジルコニウムと蒸気減少し、過剰な水素の発生の低減または抑止につながる。
【００４１】
ジルコニウム層（例えば層８６）は通常、従来の被膜装置および付着プロセスを用いて形成される。例えば、ジルコニウム層８６は、アーク溶射、液相噴霧、プラズマ溶射、コールドスプレーまたはレーザー蒸着を用いて被膜組成物を塗布し、下位のセラミック複合材８３の表面を完全に覆い、被覆管の供用期間を通じて表面保護層を維持するうえで十分な厚さの被膜を施すことによって形成することができる。好ましい方法には、ジルコニウムまたはジルコニウム合金組成物をプラズマ溶射またはレーザー蒸着によってセラミック複合材に付着させる方法が含まれる。
【００４２】
セラミック複合材（例えば繊維と基材の両方）とジルコニウム被膜は、原子炉の通常の運転温度と、それより高い、設計基準事故および設計基準外事故にとって典型的な温度のいずれにおいても、高い強度と剛性を示す。
【００４３】
本発明のジルコニウム被膜を有するセラミック複合材から成る燃料棒被覆管は、当技術分野で公知の従来型被覆管に比べて以下の利点のうち１つ以上を有する。
【００４４】
（ｉ）さまざまな負荷条件下で、気相および揮発性の燃料核分裂生成物に対し被覆管表面を密封する。
【００４５】
（ｉｉ）被覆管表面が平滑であるため燃料棒挿入プロセスが容易である。
【００４６】
（ｉｉｉ）グリッドと燃料棒の間のフレッチング摩耗に対する保護により、セラミック被覆管が原子炉冷却材に晒されるのを防ぐ十分な厚さがある。
【００４７】
（ｉｖ）１７％のＬＯＣＡ酸化限度に対応する十分な厚さがある。
【００４８】
（ｖ）設計基準外事象時にジルコニウムと蒸気の過度な反応を防ぐ適切な厚さがある。
【００４９】
（ｖｉ）原子炉燃料集合体におけるジルコニウムの総量を少なくとも７０％低減する。
【００５０】
（ｖｉｉ）高温強さおよび靭性、ならびに耐照射膨張性および耐照射空隙形成性を発揮する能力がある。
【００５１】
（ｖｉｉｉ）非常に高い温度および大きな機械的歪みに対する機械的耐久性がある。
【００５２】
（ｉｘ）事故時の機械的支持能力および燃料デブリ閉じ込め能力がある。
【００５３】
（ｘ）被覆管表面に耐腐食性および耐酸化性がある。
【００５４】
原子炉の運転時に、燃料からの気体発生による内部圧力の上昇が被覆管によって抑え込まれる。被覆管の機能には、燃料および燃料核分裂生成物の閉じ込め、機械的強度および安定性の付与、ならびに外部環境に対する保護および密封性が含まれる。本発明のジルコニウム被膜を有するセラミック複合材によると、高温強さ、耐膨張性および耐腐食性を単一の材料で実現する必要がなくなる。
【００５５】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何ら制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物を包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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