(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料被覆管を遠隔操作により試験機に装着する際は、燃料被覆管の両端部のシール機構は遠隔操作が可能なように広い間隙を有し、高温高圧試験時には当該間隙が閉じるとともにシール面での燃料被覆管の摺動を許容するシール機構を提供する。【解決手段】燃料被覆管１１の両端に端栓１５、２１を配置し、一方の端栓２１に設けられた導入孔１３を経由して前記燃料被覆管１１内に加圧媒体を導入し、燃料被覆管１１の機械的特性試験をおこなう燃料被覆管１１のシール機構において、前記シール機構は、前記機械的特性試験の前は前記燃料被覆管１１との間に所定の間隙Ｇが形成される断面が屈曲した硬質かつ可塑性材料からなるバックアップリング１６と、前記バックアップリング１６に隣接して配置される軟質０リング１４とからなり前記機械的特性試験時に前記バックアップリング１６の変形により前記間隙Ｇが閉じる。【選択図】図２
2011153857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料被覆管の両端に端栓を配置し、一方の端栓に設けられた導入孔を経由して前記燃料被覆管内に加圧媒体を導入し、高温下で前記燃料被覆管の膨張量や破壊内圧を測定することにより燃料被覆管の機械的特性試験をおこなう燃料被覆管のシール機構において、
前記シール機構は、前記機械的特性試験の前は前記燃料被覆管との間に所定の間隙が形成される断面が屈曲した硬質かつ可塑性材料からなるバックアップリングと、前記バックアップリングに隣接して配置される軟質Ｏリングとからなり、
前記シール機構は、前記バックアップリングが前記端栓側になるように前記両端の端栓内側に配置されるとともに、前記機械的特性試験時に前記バックアップリングの変形により前記間隙が閉じることを特徴とする燃料被覆管のシール機構。
【請求項２】
前記軟質Ｏリングは耐熱性の高分子樹脂からなり、前記バックアップリングは高温下で塑性変形を生じる軟質アルミニウムからなることを特徴とする請求項１記載の燃料被覆管のシール機構。
【請求項３】
前記バックアップリングは断面がくの字状であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料被覆管のシール機構。
【請求項４】
前記燃料被覆管が原子炉の燃料被覆管から切り出された照射済み燃料被覆管であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の燃料被覆管のシール機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉内で使用された照射済み燃料被覆管の機械的特性を測定するためのシール機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な管状材料の機械的特性を測定する技術として、管の引張試験以外に、片端を溶接もしくは機械的に閉じて、他の端に内圧導入穴付きの栓を同様な手法で固着させて、ガスや液体からなる加圧媒体を導入して、圧力と管の膨張量との関係および破裂時の最大圧力や破裂時の塑性変形を測定する試験（クローズドエンド内圧破裂試験）が知られている。その際のシールには溶接や機械的な固着法などの確立した技術が適用できる。
【０００３】
一方、同一目的で同様な内圧負荷試験法ではあるが、両端部を固着ではなく摺動可能な端栓構造での試験（オープンエンド内圧破裂試験）をおこなうと、試験片の短尺化や単軸応力負荷条件下でのデータが得られるので技術的なメリットが多い。このオープンエンド型の内圧負荷試験方法においては、管の少なくとも一端において、溶接端栓や機械的な締め付け力による端栓で内圧を保持するのではなく、内圧に起因する管の長手方向への引張力が作用しないように、管と圧力シール用端栓機構間の相互の動き（摺動）が自由である構造にする必要がある。これを達成するためには、高温、高圧下で摺動可能なシール機構が求められていた。
【０００４】
従来技術で内圧をシールするために、一般的には例えばＪＩＳ  Ｂ２４０１で公知のようにＯリングとＪＩＳ規格で推奨された間隙値に従うシール方法が用いられている。このシール方法を本技術分野に適用する際の固有の問題点として、まず、１００ＭＰａ以上の高い内圧のシールが必要である。この高圧用シールの例として、従来技術ではＯリング溝部の嵌め合い寸法を狭くする方法や、外力によりＯリングに圧縮力を加える方法や、不支持領域に起因する内外圧力差を用いたブリッジマンシールの原理によりＯリングに圧縮力を加える方法等が知られている（特許文献１、特許文献２）。
【０００５】
しかしながら、これらの従来技術は、いずれも室温近傍の温度を前提にしており、原子炉の冷却材温度である約３００℃の高温に対応できる技術ではなかった。  
また、高温に対応した高圧シール技術として、金属製またはポリイミド樹脂製のＯリングの断面形状を略Ｋ字形に改良した例も報告されているが（特許文献３）、これは大径の機器用シールには適用可能であるが、本技術分野の燃料被覆管等の小径管ではＯリング寸法が小さいために全体の弾性変形量も少なく嵌め合いが厳しく、このシール技術を適用することができなかった。
【０００６】
一方、照射済み燃料被覆管の強度測定試験において、高温の端栓小径部を、Ｏリングとバックアップリングとを組み合わせてシールする技術が知られている（特許文献４）。そこで用いられる高温用Ｏリングの材質（公称使用温度）として、二トリルゴム（約９０℃）、シリコンゴム（約１８０℃）、フッ素ゴム（約１８０℃）、テフロン（登録商標）（純テフロン、約２００℃）、テフロン（充填材添加、約３００℃）、ポリイミド（約３００℃）、パーフロロエラストマー（約３００℃）が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２０１１２４号公報
【特許文献２】特許第２３３６１９５号公報
【特許文献３】特許第２６３０６３４号公報
【特許文献４】特開２００７−２５６１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が対象にしている原子炉の照射済み燃料被覆管は、管内表面に反応生成物が沈積し表面肌が荒れるとともに、炉内での冷却材圧力のために管断面は真円から歪む不都合な面があった。さらに強い放射能を有する燃料被覆管を供試管にする場合には、セルと称呼される小部屋内に収納可能なような小型装置でかつ、微力な締め付け力しか発生しない遠隔操作で試験体の組み立てを可能にする必要があった。このため、Ｏリングおよびバックアップリングを端栓と供に管に挿入してシール機構を組み立てるためにはＪＩＳ規格で推奨する以上の広い間隙が必要である。
【０００９】
また、シール機能の観点からは、冷却材温度相当の高温（約３００℃）下で、かつ、照射された燃料被覆管が破裂する約１００ＭＰａ以上の内圧の負荷状況下において、内圧による燃料被覆管の膨張時の管長さの縮みに起因する端栓との摺動を許容しながら内圧を保持する必要がある。その際、従来技術のシール機構で採用されている間隙では、高温用Ｏリングでも流動化して間隙から流出してシール機能を喪失するので間隙をより狭くする必要がある。しかしながら、小径の供試管に狭い間隙の硬質Ｏリングを遠隔操作で挿入してシール機構を組み立てることは技術的に困難であった。
【００１０】
また、Ｏリングの材質についても、特許文献４に示された従来のシール機構で用いられるシール材の耐熱温度は低圧力でかつ静止面同士をシールする条件で得られた値であり、当該被覆管の適用温度である３００℃で約１００ＭＰａの内圧を負荷してＯリングの選定試験を行った結果、ポリイミド材は硬度が高すぎて組み立て時の間隙を弾性変形を用いて閉じることができず、シール機能が発揮しなかった。さらに、製造時の間隙が狭いＯリングを作製すると室温での組み立て時に割れが発生しやすいという問題があった。
【００１１】
また、摺動面のシールについては、３００℃、１００ＭＰａの高温・高圧下でいずれの材料のＯリングも内外圧差による大変形は避けられず、そのような大きな塑性変形下ではカタログ記載の公称使用温度より低い温度で劣化が加速し、シール性能を喪失した。  
なお、パーフロロエラストマー材は耐溶剤性、耐熱性に優れた性能があるが加圧媒体が高温水蒸気の場合には弱く、容易に溶解が生じてシール性能が劣化した。
【００１２】
図５は、従来のシール構造を採用した場合の高温高圧下でのシールの挙動を示したものである。組み立て作業のためには約２５〜５０μmの半径間隙が必要であるが、３００℃の高温下でさらに軟化した軟質Ｏリングは約１００ＭＰａの高圧を受けると、低圧側に押し出され間隙を通過して流出する際に破損し、シール機能を喪失している。
【００１３】
このように、高温（約３００℃）かつ高圧（約１００ＭＰａ）の環境下での摺動面の圧力シールは、リング材料に流動化の傾向があるので大変形した状態での耐熱性が必要であるとともに供試管内面とシール機構との間隙からのＯリング材の流出を阻止するためにJIS等の従来技術で公知の間隙より著しく狭い値とする必要があることが分かった。  
一方、本技術の適用分野では、燃料被覆管からなる供試管が強い放射能を有するためにセルと称呼される隔離部屋内で遠隔操作によってシール機構の組み立てを行う必要性から、組み立て時には供試管とＯリングとの間隙は逆に広いことも同時に満たされなければならない等の相反する要件があった。
【００１４】
本発明は上述課題を解決するためになされたもので、燃料被覆管に高温環境下で内圧を付加する機械特性試験時において、燃料被覆管を遠隔操作により試験機に装着する際は、燃料被覆管の両端部のシール機構は遠隔操作が可能なように広い間隙を有し、高温高圧試験時には当該間隙が閉じるとともにシール面での燃料被覆管の摺動を許容するシール機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料被覆管のシール機構は、燃料被覆管の両端に端栓を配置し、一方の端栓に設けられた導入孔を経由して前記燃料被覆管内に加圧媒体を導入し、高温下で前記燃料被覆管の膨張量や破壊内圧を測定することにより燃料被覆管の機械的特性試験をおこなう燃料被覆管のシール機構において、前記シール機構は、前記機械的特性試験の前は前記燃料被覆管との間に所定の間隙が形成される断面が屈曲した硬質かつ可塑性材料からなるバックアップリングと、前記バックアップリングに隣接して配置される軟質０リングとからなり、前記シール機構は、前記バックアップリングが前記端栓側になるように前記両端の端栓内側に配置されるとともに、前記機械的特性試験時に前記バックアップリングの変形により前記間隙が閉じることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料被覆管のシール機構のバックアップリングを屈曲させることにより、燃料被覆管に高温環境下で内圧を付加する機械特性試験時において、燃料被覆管を遠隔操作により試験機に装着する際は、燃料被覆管の両端部のシール機構は遠隔操作が可能なように広い間隙を有し、高温高圧試験時には当該間隙が閉じるとともにシール面での燃料被覆管の摺動を許容するシール機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係るシール機構の構成図。
【図２】本発明の実施形態に係るシール機構の全体構成図。
【図３】本発明の実施形態に係るバックアップリングの構成図。
【図４】本発明の実施形態に係るシール機構の機械的特性試験時の状態を示す図。
【図５】従来のシール機構の構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明に係る燃料被覆管等のシール機構は、原子炉で使用された結果、放射性材料になった照射済みの原子炉用燃料被覆管等の小径の管状部材を適宜切断して供試管とし、セルと称呼される室の中に遠隔操作により設置し、供試管の内部に内圧を負荷して供試管の強度等の機械的な特性を測定するために、供試管の両端部が端栓と相互に摺動可能な状態で、高温雰囲気下で供試管が破裂を生じるのに十分な高圧を保持することが可能なシール機構に関する。  
なお、以下の説明では、長尺の燃料被覆管から試験のために適宜の長さに切断された供試管も、便宜上、燃料被覆管という。
【００１９】
以下、本発明に係る燃料被覆管（供試管）のシール機構の実施形態を、図面を参照して説明する。  
図１及び図２は燃料被覆管の内圧破裂試験をおこなう際の、燃料被覆管、端栓及びシール機構の配置図である。
【００２０】
図１及び図２において、試験対象の燃料被覆管１１は、その一方の端部に端栓１５が嵌合され、他方の端部に加圧媒体が導入される導入孔１３が設けられた端栓２１が嵌合される。燃料被覆管１１の両端部外周には、燃料被覆管１１と端栓１５、２１との嵌合状態を維持する端部膨張拘束リング１２が配置されている。端栓１５、２１の内側面には凸部１５ａ、２１ａが形成されており、当該凸部１５ａ、２１ａの周囲に軟質のＯリング１４と高温可塑性材料からなる“く”の字状に屈曲したバックアップリング１６が隣接して配置される。
【００２１】
この燃料被覆管１１の内圧破裂試験をおこなう際は、両端栓１５、２１を試験機の基盤に固定し（図示せず）、燃料被覆管１１の内部に導入孔１３から内圧を負荷する。その際、両端栓１１、２１には内圧により外方へ力が加わるが、基盤からの反力２２、２３によって端栓１１、２１は燃料被覆管から抜けることはない。
【００２２】
このように構成された本実施形態のシール機構の作用を図３により説明する。  
本実施形態に係るシール機構を組み込む際は、高温可塑性のバックアップリング１６の外径が燃料被覆管１１の内径よりも十分大きい間隙Ｇを形成するような寸法に加工されているので、シール機構の組み込みを遠隔操作により簡単におこなうことができる。
【００２３】
内圧負荷時において、軟質のＯリング１４が加圧媒体１３により“く”の字状の高温可塑性のバックアップリング１６及び端栓１５、２１側に押し出されると、バックアップリング１６は、所定温度以上で“Ｉ”字状に塑性変形していく。
【００２４】
組み立て時において、“く”の字状のバックアップリング１６と燃料被覆管１１との初期間隙Ｇと、バックアップリング１６の塑性変形領域部の長さＬと、端栓１５の内面に対する塑性変形領域部の傾斜角度θには、Ｇ＝Ｌ（１−cos（θ））の関係にすることにより、例えば、Ｌが１．５ｍｍ、θが１５°とすると間隙Ｇは約０．０５ｍｍ（５０μｍ）になる。
【００２５】
この寸法のバックアップリング１６を軟質アルミニウムで作製すると、３００℃の高温において、バックアップリング１６は内圧により“く”字状から“Ｉ”字状に塑性変形することにより、間隙Ｇが閉じる。これにより、軟質Ｏリング１４高温・高圧下で流動化しても、外部に流出することなく、燃料被覆管１１の内部を気密に保持することができる。
【００２６】
図４は、バックアップリング１６が“く”字状から“Ｉ”字状に塑性変形し、間隙Ｇは丁度ゼロになるように閉じている状況を示す図である。これにより、軟質Ｏリング１４は高温によって大きく変形するが、外部へ流出したり破損することがない。
【００２７】
また、“Ｉ”字状に変形したバックアップリング１６の外径は燃料被覆管１１の内径に略等しいように初期寸法を定めたので、両金属面が機械的に固着することなく、燃料被覆管１１の膨張に伴い管長さが収縮しても、端栓１５、２１に対して摺動可能になっている。
【００２８】
なお、上記実施形態では、バックアップリングは断面が”く”の字状に屈曲した形状のものを用いているが、高温高圧試験時に間隙が閉じるものであれば、例えば、断面が曲線状又は波形状の屈曲形状としてもよい。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態によれば、原子炉内で使用された照射済みの燃料被覆管に高温環境下で内圧を付加する機械特性試験時において、燃料被覆管を遠隔操作により試験機に装着する際は、燃料被覆管の両端部のシール機構は遠隔操作が可能なように広い間隙を有し、高温高圧試験時には当該間隙が閉じるとともにシール面での燃料被覆管の摺動を許容するシール機構を提供することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１１…燃料被覆管（供試管）、１２…端部膨張拘束リング、１３…導入孔、１４…Ｏリング、１５，２１…端栓、１５ａ，２１ａ…凸部、１６…バックアップリング、５１…バックアップリング。
【図１】
2011153857.tif 000003
【図２】
2011153857.tif 000004
【図３】
2011153857.tif 000005
【図４】
2011153857.tif 000006
【図５】
2011153857.tif 000007