(57)【要約】【課題】通常運転時および事故時において耐環境性を有する燃料被覆管を提供する。【解決手段】実施形態によれば、核燃料を収納するための燃料被覆管１００は筒状であって、炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第１の複合材料層１１０と、第１の複合材料層１１０の径方向外側に第１の複合材料層１１０を覆うように第１の複合材料層１１０と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第２の複合材料層１２０とを有する。あるいは、燃料被覆管１００は、第１の複合材料層１１０と、第１の複合材料層１１０の径方向外側に第１の複合材料層１１０を覆うように積層された中間層と、中間層の径方向外側に中間層を覆うように積層された第２の複合材料層１２０と、を有することでもよい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管であって、
炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第１の複合材料層と、
前記第１の複合材料層の径方向外側に前記第１の複合材料層を覆うように前記第１の複合材料層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第２の複合材料層と、
を有することを特徴とする燃料被覆管。
【請求項２】
核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管であって、
炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第１の複合材料層と、
前記第１の複合材料層の径方向外側に前記第１の複合材料層を覆うように前記第１の複合材料層と直接に接して積層された中間層と、
前記中間層の径方向外側に前記中間層を覆うように前記中間層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第２の複合材料層と、
を有することを特徴とする燃料被覆管。
【請求項３】
前記中間層は、炭素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料の単体で形成されている、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料被覆管。
【請求項４】
前記中間層は、結晶形態が六方晶形であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料被覆管。
【請求項５】
前記中間層は、厚みが０．０１ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の燃料被覆管。
【請求項６】
前記第１の複合材料層の内側から前記第１の複合材料層を覆うように前記第１の複合材料層と直接に接して配された内側表面材料層、および前記第２の複合材料層の外側から前記第２の複合材料層を覆うように前記第２の複合材料層と直接に接して配された外側表面材料層の少なくとも一方をさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料被覆管。
【請求項７】
前記内側表面材料層および前記外側表面材料層は、厚みが０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下である、ことを特徴とする請求項６に記載の燃料被覆管。
【請求項８】
前記第１の複合材料層の厚みが０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下で、かつ、前記第２の複合材料層の厚みが０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下で、前記第１の複合材料層の厚みと前記第２の複合材料層の厚みの合計値が０．７ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下となるような前記第１の複合材料層の厚みおよび前記第２の複合材料層の厚みを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の燃料被覆管。
【請求項９】
前記第１の複合材料層における第１の複合材用長繊維は、第１方向に配列されたものと、前記第１方向と方向の異なる第２方向に配列されたものとが、径方向に積層され、
前記第２の複合材料層における第２の複合材用長繊維は、第１方向に配列されたものと、前記第１方向と方向の異なる第２方向に配列されたものとが、径方向に積層され、
ていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の燃料被覆管。
【請求項１０】
前記第１方向は周方向であり、前記第２方向は軸方向であることを特徴とする請求項９に記載の燃料被覆管。
【請求項１１】
前記第１の複合材料層における第１の複合材用長繊維は、第１方向に配列されたものと、前記第１方向と方向の異なる第２方向に配列されたものの複数の組み合わせが径方向に積層されており、前記積層された第１の複合材用長繊維の間に第１のマトリックスが厚み方向に連続して配置されており、
前記第２の複合材料層における第２の複合材用長繊維は、第１方向に配列されたものと、前記第１方向と方向の異なる第２方向に配列されたものの複数の組み合わせが径方向に積層されており、前記積層された第２の複合材用長繊維の間に第２のマトリックスが厚み方向に連続して配置されている、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の燃料被覆管。
【請求項１２】
核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管を製造する燃料被覆管の製造方法であって、
炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維を複合化させることによって第１の複合材料層を形成する第１複合材料層形成ステップと、
前記第１複合材料層形成ステップの後に、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維を複合化させることによって前記第１の複合材料層の径方向外側に第２の複合材料層を形成する第２複合材料層形成ステップと、
を有し、
前記第１の複合材料層の形成および前記第２の複合材料層のそれぞれの形成は、化学気相蒸着法および化学気相浸透法の少なくとも一方を用いる、
ことを特徴とする燃料被覆管の製造方法。
【請求項１３】
核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管を製造する燃料被覆管の製造方法であって、
炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維を複合化させることによって第１の複合材料層を形成する第１複合材料層形成ステップと、
前記第１複合材料層形成ステップの後に、前記第１の複合材料層の径方向の外側に単体の材料による中間層を形成する中間層形成ステップと、
前記中間層形成ステップの後に、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維を複合化させることによって前記中間層の径方向外側に第２の複合材料層を形成する第２複合材料層形成ステップと、
を有し、
前記第１の複合材料層の形成および前記第２の複合材料層のそれぞれの形成には、化学気相蒸着法および化学気相浸透法の少なくとも一方を用いる、
ことを特徴とする燃料被覆管の製造方法。
【請求項１４】
前記中間層は、炭素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料の単体で形成されており、
前記中間層の形成は、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方で行う、
ことを特徴とする請求項１３に記載の燃料被覆管の製造方法。
【請求項１５】
前記第１複合材料層形成ステップの前に、筒状の内側表面材料層の形成を行う内側表面材料層形成ステップをさらに有し、
前記内側表面材料層の形成には、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれか一項に記載の燃料被覆管の製造方法。
【請求項１６】
前記第２複合材料層形成ステップの後に、筒状の外側表面材料層の形成を行う外側表面材料層形成ステップをさらに有し、
前記前記外側表面材料層の形成には、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方を用いることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか一項に記載の燃料被覆管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料被覆管および燃料被覆管の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子力発電プラント（ＰＷＲ）は、原子炉で核燃料の核分裂反応から発生する熱エネルギーを、一次冷却系に設けられた蒸気発生器を介して、蒸気タービンサイクルに供給し、発電機により発電を行う。また、沸騰水型原子力発電プラント（ＢＷＲ）においては、原子炉が、ＰＷＲの蒸気発生器に相当する部分を兼ね、原子炉から直接にタービンサイクルに熱が供給される。
【０００３】
ここで、核燃料として一般に用いられているウランは、酸化ウランの焼結体（燃料ペレット）として、燃料被覆管に収納されており、燃料被覆管の周囲を冷却水が流れている。複数の燃料被覆管とその周囲を覆うチャンネルボックスは燃料集合体を構成する。燃料集合体内は、燃料被覆管の周囲に効率的に冷却水が流れる構成となっている。
【０００４】
ＰＷＲおよびＢＷＲにおいては、一般に、燃料被覆管には、ジルコニウム基合金が使用されている。すなわち、ジルコニウムは、優れた耐食性を有し、また、中性子吸収断面積が小さいことから、ＰＷＲでは、ジルカロイ−４と呼ばれるＳｎ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｚｒ合金、また、ＢＷＲではジルカロイ−２と呼ばれるＳｎ−Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｚｒ合金が使用されている。これらのジルコニウム基合金中のジルコニウムは、高温において、周囲の水分と次の反応式（１）に示すように、水素を発生させる反応を生じる。
Ｚｒ  ＋  ２Ｈ２Ｏ  →  ＺｒＯ２  ＋  ２Ｈ２  …（１）
【０００５】
ここで、反応式（１）で示した反応は発熱反応であり、ジルコニウム基合金は自身の発した熱により反応式（１）の酸化反応を促進し、およそ１０００℃以上の高温になると劇的に水素の発生が増加する。
【０００６】
原子炉内に水分が存在する環境のもとで、ジルコニウム基合金がこのような高温にさらされると、短時間に多量の水素が発生する。この水素が格納容器から漏洩した場合には、水素が原子炉建屋内に滞留して、水素爆発を引き起こすおそれがある。
【０００７】
このような理由から、燃料被覆管の材料として、その優れた耐熱・耐酸化性と小さな中性子吸収断面積から、炭化ケイ素セラミックス材料の使用が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６２２６３４２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
炭化ケイ素セラミックス材料の場合、脆性破壊を示す。このため、破壊に対する抵抗が必ずしも大きくない。また、炭化ケイ素繊維が複合化された炭化ケイ素セラミックス材料の場合、炭化ケイ素繊維が複合化されていないものに比べて、破壊エネルギーは高くなるが、強度、熱伝導率、気密性、耐環境性が低下するという問題がある。
【００１０】
燃料被覆管としては、水分との反応による水素の発生が抑制でき、強度および破壊エネルギーが高次元で両立され、高熱伝導性、ヘリウムガスを通さない高気密性など、通常運転時および事故時のいずれにおいても耐環境性を有する必要がある。
【００１１】
そこで、本発明の実施形態は、通常運転時および事故時において耐環境性を有する燃料被覆管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】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本実施形態は、核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管であって、炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第１の複合材料層と、前記第１の複合材料層の径方向外側に前記第１の複合材料層を覆うように前記第１の複合材料層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第２の複合材料層と、を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本実施形態は、核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管であって、炭化ケイ素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第１の複合材料層と、前記第１の複合材料層の径方向外側に前記第１の複合材料層を覆うように前記第１の複合材料層と直接に接して積層された中間層と、前記中間層の径方向外側に前記中間層を覆うように前記中間層と直接に接して積層され、炭素の長繊維と炭化ケイ素のマトリックスとが複合化した第２の複合材料層と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本実施形態は、核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管を製造する燃料被覆管の製造方法であって、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維を複合化させることによって第１の複合材料層を形成する第１複合材料層形成ステップと、前記第１複合材料層形成ステップの後に、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維を複合化させることによって前記第１の複合材料層の径方向外側に第２の複合材料層を形成する第２複合材料層形成ステップと、を有し、前記第１の複合材料層の形成および前記第２の複合材料層のそれぞれの形成は、化学気相蒸着法および化学気相浸透法の少なくとも一方を用いる、ことを特徴とする。
【００１５】
また、本実施形態は、核燃料を収納するための筒状の燃料被覆管を製造する燃料被覆管の製造方法であって、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維を複合化させることによって第１の複合材料層を形成する第１複合材料層形成ステップと、前記第１複合材料層形成ステップの後に、前記第１の複合材料層の径方向の外側に単体の材料による中間層を形成する中間層形成ステップと、前記中間層形成ステップの後に、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維を複合化させることによって前記中間層の径方向外側に第２の複合材料層を形成する第２複合材料層形成ステップと、を有し、前記第１の複合材料層の形成および前記第２の複合材料層のそれぞれの形成には、化学気相蒸着法および化学気相浸透法の少なくとも一方を用いる、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態によれば、通常運転時および事故時において耐環境性を有する燃料被覆管を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係る燃料被覆管を有する燃料棒の構成を示す分解図である。
【図２】第１の実施形態に係る燃料被覆管の構成を示す横断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。
【図４】第１の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の第１の複合材料層の形成における第１の複合材用長繊維の配列を示す平面図である。
【図５】第１の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の第２の複合材料層の形成における第２の複合材用長繊維の配列を示す平面図である。
【図６】第１の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の第１の複合材料層の形成における第１の例による予備成形体の形成後の状態を示す斜視図である。
【図７】第１の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の第１の複合材料層の形成における第２の例による予備成形体の形成後の状態を示す斜視図である。
【図８】第２の実施形態に係る燃料被覆管の構成を示す横断面図である。
【図９】第２の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。
【図１０】第３の実施形態に係る燃料被覆管の構成を示す横断面図である。
【図１１】第３の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。
【図１２】第４の実施形態に係る燃料被覆管の構成を示す横断面図である。
【図１３】第４の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。
【図１４】第５の実施形態に係る燃料被覆管の構成を示す横断面図である。
【図１５】第５の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料被覆管、および燃料被覆管の製造方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重畳する説明は省略する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る燃料被覆管を有する燃料棒の構成を示す分解図である。燃料棒１０は、本実施形態に係る燃料被覆管１００と、その上下の開放部に取り付けられる上部端栓３および下部端栓４と、核燃料であるたとえば長手方向に積層された複数の円柱状の燃料ペレット１およびその振動を抑制するためのスプリング２を有する。
【００２０】
燃料被覆管１００は、円筒状の管であり、上部端栓３および下部端栓４と相俟って密閉空間を形成する。この密閉空間内に、核燃料を収納する。なお、本実施形態との関係においては、燃料ペレット１および燃料被覆管１００の断面形状は、円形に限定されない。たとえば正方形や三角形に近い形状であってもよい。
【００２１】
図２は、第１の実施形態に係る燃料被覆管の構成を示す横断面図である。燃料被覆管１００は、円筒状に形成された第１の複合材料層１１０と、第１の複合材料層１１０の径方向外側に形成された円筒状の第２の複合材料層１２０とを有する。図２に示すように、第１の複合材料層１１０と第２の複合材料層１２０は、径方向に積層されて、第１の複合材料層１１０の外面と第２の複合材料層１２０の内面とは互いに接している。
【００２２】
第１の複合材料層１１０は、複数の炭化ケイ素の第１の複合材用長繊維１１１（図４）と、炭化ケイ素の第１のマトリックス（母材）１１２（図４）とを有する。複数の第１の複合材用長繊維１１１はマトリックス１１２中に複合化している。
【００２３】
第２の複合材料層１２０は、複数の炭素の第２の複合材用長繊維１２１（図５）と、炭化ケイ素の第２のマトリックス（母材）１２２（図５）とを有する。複数の第２の複合材用長繊維１２１は第２のマトリックス１２２中に複合化している。
【００２４】
燃料被覆管１００は、たとえば、外径が１０ｍｍ前後である。燃料被覆管１００の厚みは、腐食代を考慮した構造強度上の必要厚さと、核分裂生成物を含む核燃料から外部への熱除去の上での厚みの上限値等を考慮して決定されるが、０．７ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下程度が好ましい。
【００２５】
第１の複合材料層１１０の厚みは、燃料被覆管１００における機械的特性や耐環境性の面から０．２ｍｍ以上で、かつ、損傷時に長繊維による強化機構が十分に発現されるために１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
また、第２の複合材料層１２０の厚みは、燃料被覆管１００における機械的特性や耐環境性の面から０．２ｍｍ以上で、かつ、損傷時に長繊維による強化機構が十分に発現されるために０．６ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
すなわち、第１の複合材料層１１０の厚みが０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下で、かつ、第２の複合材料層１２０の厚みが０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下で、かつ、第１の複合材料層１１０と第２の複合材料層１２０により形成された燃料被覆管の厚みが０．７ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下となるように、第１の複合材料層１１０の厚みおよび第２の複合材料層１２０の厚みを選定することが好ましい。
【００２８】
図３は、第１の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。
【００２９】
第１の複合材料層１１０の径方向外側に第２の複合材料層１２０を形成する場合は、まず、第１の複合材料層１１０を形成し（ステップＳ１０１）、その後に第２の複合材料層１２０を形成する（ステップＳ２０１）。
【００３０】
第１の複合材料層１１０の形成（ステップＳ１０１）については、まず、炭化ケイ素の長繊維である第１の複合材用長繊維１１１（図４）の繊維束を用いて、第１の予備成形体１１５（図４）を形成する（ステップＳ１１１）。詳細には、まず、炭化ケイ素の長繊維を複数束ねた繊維束（ヤーン）を準備する。このとき、繊維束内の長繊維の本数は１００本以上、５００本以下であることが好ましい。その繊維束を用いて、たとえば炭素系材料で製作した円筒状の予備成形体形成用ガイド５０（図６、７）を用いて、この周囲に円筒形状の第１の予備成形体（繊維プリフォーム）１１５を形成する。
【００３１】
図４は、第１の複合材料層の形成における第１の複合材用長繊維の配列を示す平面図である。第１の複合材用長繊維１１１は、第１の方向に向けて配された第１方向長繊維１１１ａと第２の方向に向けて配された第２方向長繊維１１１ｂを有する。第１方向長繊維１１１ａのそれぞれのグループが互いに並列に配された上に、すなわち径方向外側に第２方向長繊維１１１ｂのそれぞれのグループが互いに並列に配されている。なお、図４は、第１方向長繊維１１１ａのそれぞれのグループ間、および第２方向長繊維１１１ｂのそれぞれのグループ間に間隔が設けられている例を示しているが、この間隔を設けなくともよい。
【００３２】
第１の方向と第２の方向とは、互いに交差角Φをもって交差している。２つの方向に配列させることにより、燃料被覆管１００の軸方向および周方向それぞれについての応力を負担させ、それぞれの方向について強度を向上させることができる。なお、第１の方向が周方向で第２の方向が軸方向、あるいは両者が同じ角度だけずれている場合は、第１の方向と第２の方向とは直交、すなわちΦが９０度となる。
【００３３】
なお、図４では、第１方向長繊維１１１ａのそれぞれのグループが互いに並列に配された上に、すなわち径方向外側に第２方向長繊維１１１ｂのそれぞれのグループが互いに並列に配されており、両者はいわゆる編み目状には形成されていない。ただし、燃料被覆管１００は長尺であることから、第１の予備成形体１１５の形成過程において、複数の第１方向長繊維１１１ａおよび複数の第２方向長繊維１１１ｂの中での互いの結合部分を形成する等のために、一部において編み目を設けることがあってもよい。
【００３４】
図４は、第１方向長繊維１１１ａと第２方向長繊維１１１ｂの組み合わせが１層の場合を示している。第１の予備成形体１１５は、第１方向長繊維１１１ａと第２方向長繊維１１１ｂの組み合わせの層が、１層あるいは径方向に複数の層を積層することにより形成される。
【００３５】
図５は、第２の複合材料層の形成における第２の複合材用長繊維の配列を示す平面図である。第２の複合材用長繊維１２１は、第１の方向に向けて配された第１方向長繊維１２１ａと第２の方向に向けて配された第２方向長繊維１２１ｂを有する。第１方向長繊維１２１ａのそれぞれのグループが互いに並列に配された上に、すなわち径方向外側に第２方向長繊維１２１ｂのそれぞれのグループが互いに並列に配されている。第２の予備成形体１２５についても第１の予備成形体と同様である。ただし、必ずしも、第１の予備成形体と同一の成形方法をとらなくともよい。
【００３６】
図６は、第１の複合材料層の形成における第１の例による予備成形体の形成後の状態を示す斜視図である。この第１の例においては、第１の方向は、燃料被覆管１００の周方向であり、第２の方向は、燃料被覆管１００の軸方向である。
【００３７】
周方向である第１の方向については、たとえばフィラメントワインディング法を用いて、スパイラルの傾斜角を小さくとることにより実現することができる。あるいは、完全に周方向に形成する、すなわち、傾斜角を０度とするためには、軸方向に第１の方向用すなわち周方向用の繊維束を並列に並べ、第２の方向用すなわち軸方向用の繊維束を挟み込みながら、周方向用の繊維束を巻きつける方法でもよい。この場合は、この操作により多層の構成を一回で実現するので、何周巻くことでどの程度の厚さになるかを事前に把握しておく必要がある。
【００３８】
なお、第１の方向は、周方向に対してプラスマイナス３０度の範囲に、第２の方向は、軸方向に対してプラスマイナス３０度の範囲にすることが好ましい。３０度であれば、３０度の余弦は約０．８６であり、ほぼ所期の方向の強度を確保することができる。すなわち、この範囲で複合化できると、燃料被覆管用構造部材に求められる強度特性を十分に発現することが可能となる。
【００３９】
第１方向長繊維１１１ａと第２方向長繊維１１１ｂのそれぞれの長繊維の強化方向が周方向と軸方向とに同一層に配置されることにより、繊維束間のマトリックスも、厚み方向に連続して形成される。これにより、燃料被覆管の厚み方向の熱伝導率は、マトリックスの炭化ケイ素の優れた熱伝導率を活かした構造を提供できる。
【００４０】
図７は、第１の複合材料層の形成における第２の例による予備成形体の形成後の状態を示す斜視図である。この第２の例においては、第１の方向は、燃料被覆管１００の周方向に対して角度を持った方向である。すなわち、予備成形体形成用ガイド５０の外表面に沿ってスパイラル状に巻かれている。また、第２の方向は、燃料被覆管１００の周方向に対して角度を持った方向であるが、周方向に見て第１の方向とは反対側に向かう方向である。すなわち、予備成形体形成用ガイド５０の外表面に沿って、周方向に見て第１の方向とは反対側に向かってスパイラル状に巻かれている。すなわち、第１方向長繊維１１１ａと第２方向長繊維１１１ｂとは、図４に示すように、ある交差角Φをもって交差している。
【００４１】
なお、繊維プリフォームの製造方法としては、フィラメントワインディング法、ブレーディング法を用いることができる。
【００４２】
円柱状の予備成形体形成ガイド５０の周囲に、炭化ケイ素の長繊維の繊維束を、方向をそろえて配列し所定の厚みになるまで巻いた後に固化させる。この後、予備成形体形成ガイド５０は、たとえば、第１の予備成形体１１５の形成の後、あるいは、第１の複合材料層１１０の形成の後に取り外す。
【００４３】
この結果、第１の複合材用長繊維１１１は、第１方向長繊維１１１ａと第２方向長繊維１１１ｂの組み合わせの層を、単一あるいは複数を積層することにより、径方向に所定の厚みを有する第１の予備成形体１１５が形成される。この径方向の所定の厚みは、第１の複合材料層１１０の最終の厚みと、第１の予備成形体１１５の径方向内外へのマトリックス材の付着の厚み等を考慮して設定する。
【００４４】
次に、ステップＳ１１１で形成した第１の予備成形体１１５に第１のマトリックス１１２を形成する（ステップＳ１２１）。第１のマトリックス１１２は、炭化ケイ素を材料とする。
【００４５】
第１のマトリックス１１２の形成は、化学気相蒸着法と化学気相浸透法との少なくとも一方の方法で行われ、両者を用いてもよい。たとえば、第１の予備成形体１１５を構成する第１の複合材用長繊維１１１の間に、化学気相浸透法で第１のマトリックス１１２を形成するものとし、必要に応じて、第１の予備成形体１１５の周囲をマトリックスが覆うように、化学気相蒸着法でマトリックスを形成することでもよい。
【００４６】
なお、プリカーサ含浸焼成法（ＰＩＰ）でマトリックスの形成を行う場合には、焼成による収縮などに起因して、マトリックスに微細なクラックが発生する。また、形成される炭化ケイ素マトリックスはアモルファス炭化ケイ素（Ｓｉ−Ｃ−Ｏ）であり、酸素を含有してしまう。このため、燃料被覆管１００において気密性および高熱伝導性を確保するためには、プリカーサ含浸焼成法（ＰＩＰ）でなく、化学気相蒸着法、化学気相浸透法でマトリックスの形成を行う方が好ましい。
【００４７】
以上のように、第１の予備成形体１１５に第１のマトリックス１１２を形成することにより、第１の複合材料層１１０が形成される。
【００４８】
次に、第２の複合材料層１２０の形成（ステップＳ２０１）については、まず、炭素の長繊維の繊維束を用いて、第２の予備成形体１２５（図５）を形成する（ステップＳ２１１）。詳細には、炭素の長繊維を複数束ねた繊維束（ヤーン）を準備する。このとき、繊維束内の長繊維の本数は１００本以上、５００本以下であることが好ましい。その繊維束を用いて、第１の複合材料層１１０の外表面に、第１の複合材料層１１０を覆うようにかつ第１の複合材料層１１０に接触して、円筒形状の第２の予備成形体（繊維プリフォーム）１２５を形成する。
【００４９】
第２の予備成形体１２５についても、第１の予備成形体１１５と同様に、第１の方向と第２の方向に配列された長繊維の単一あるいは径方向に積層された複数の層により形成する。
【００５０】
次に、ステップＳ２１１で形成した第２の予備成形体１２５に第２のマトリックス１２２を形成する（ステップＳ２２１）。第２のマトリックス１２２は、炭化ケイ素を材料とする。第２のマトリックス１２２の形成は、第１の複合材料層１１０の場合と同様な方法で行う。
【００５１】
炭化ケイ素の長繊維は、炭素の長繊維に比べて、たとえば、４００℃を超えるような大気中温度が高い環境下における耐性が高い。また、炭化ケイ素の長繊維は、引張強度が２〜４ＧＰａであって、引張弾性率が１５０〜４００ＧＰａである。したがって、炭化ケイ素の長繊維である第１の複合材用長繊維１１１を用いた第１の複合材料層１１０は、特に、事故時のような高温条件において効果を発揮する。
【００５２】
一方、炭素の長繊維は、炭化ケイ素の長繊維に比べて、４００℃程度以下の水に曝される環境下での耐性が高い。また、炭素の長繊維は、引張強度が１〜７ＧＰａであって、引張弾性率が３０〜９５０ＧＰａである。したがって、炭素の長繊維である第２の複合材用長繊維１２１を用いた第２の複合材料層１２０は、特に、通常運転時を中心にした運転条件において効果を発揮する。
【００５３】
前述のように、第１の複合材料層１１０の厚みが０．２ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下で、かつ、第２の複合材料層１２０の厚みが０．２ｍｍ以上、０．６ｍｍ以下で、かつ、第１の複合材料層１１０と第２の複合材料層１２０により形成される燃料被覆管１００の厚みの合計値が０．７ｍｍ以上、１．２ｍｍ以下となるような第１の複合材料層１１０の厚みおよび第２の複合材料層１２０の厚みを選定することが好ましい。
【００５４】
このような条件のもとで、通常運転時および事故時においての耐環境性および機械的特性をどのようにバランスさせるかという方針に応じて、第１の複合材料層１１０と第２の複合材料層１２０のそれぞれの厚みを適宜設定して積層させることができる。また、マトリックスの形成に、化学気相蒸着法および化学気相浸透法の少なくともいずれかを用いることにより、気密性および高熱伝導性を確保することができる。
【００５５】
このように、炭化ケイ素の第１のマトリックス１１２に炭化ケイ素の第１の複合材用長繊維１１１が複合化した第１の複合材料層１１０と、炭化ケイ素の第２のマトリックス１２２に炭素の第２の複合材用長繊維１２１が複合化した第２の複合材料層１２０との積層構造で、燃料被覆管１００を構成することによって、広い環境条件にわたって、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。
【００５６】
本実施形態による燃料被覆管１００の製造に用いる長繊維強化炭化ケイ素部材は、燃料集合体を構成するチャンネルボックスや燃料棒を固定するタイプレート、制御棒の構造材料などの材料に利用することができる。
【００５７】
以上のように、本実施形態における燃料被覆管および燃料被覆管の製造方法により、通常運転時および事故時において耐環境性を有する燃料被覆管を提供することができる。
【００５８】
［第２の実施形態］
図８は、第２の実施形態に係る燃料被覆管１０１の構成を示す横断面図である。本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、第１の複合材料層１１０の径方向外側であって第２の複合材料層１２０の径方向内側に、中間層１３０が設けられている。第１の複合材料層１１０と中間層１３０、および中間層１３０と第２の複合材料層１２０は、互いに密着している。それ以外は、第１の実施形態と同様である。
【００５９】
中間層１３０は、たとえば、炭素、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドからなる群より選択される材料のいずれかの単体で形成されている。
【００６０】
中間層１３０は、厚みが０．０１ｍｍ以上、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。第１の複合材料層１１０と第２の複合材料層１２０との間において異なる機械的特性を十分発現させるためには、中間層１３０が上記範囲の下限値以上であることが好ましい。また、燃料被覆管１００の機械的強度特性の観点からは、中間層１３０が上記範囲の上限値以下であることが好ましい。このため、中間層１３０の厚みは、特に、０．０２ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下の範囲にあることが、より好ましい。
【００６１】
中間層１３０は、燃料被覆管１０１において、長さ方向（軸方向）と周方向とで強度が異なる異方性を備えた層である。中間層１３０は、結晶形態が六方晶形または擬六方晶形を示す単斜晶形であることが更に好ましい。この場合には、中間層１３０を構成する六方晶形の結晶において、結晶面の滑りが生ずる。このため、第１の複合材料層１１０と第２の複合材料層１２０とのそれぞれにおいてクラックが進展することを抑制することができる。その結果、燃料被覆管１０１の機械的特性を更に向上することができる。特に、三元の炭化物（たとえば、チタンアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、クロムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイド）について、結晶形態が六方晶形であることが更に好ましい。
【００６２】
なお、中間層１３０は、上記した特定の材料の単体層が一つである場合の他に、その単体層を複数積層することで構成してもよい。たとえば、炭素の単体層とチタンケイ素カーバイドの単体層とを順次積層することによって、中間層１３０を構成してもよい。
【００６３】
図９は、第２の実施形態に係る燃料被覆管１０１の製造方法の手順を示すフロー図である。本実施形態による燃料被覆管１０１の製造方法においては、第１の複合材料層の形成ステップＳ１０１の後で、かつ、第２の複合材料層の形成ステップＳ２０２の前に、中間層の形成ステップＳ３０１を行う。
【００６４】
第１の複合材料層の形成ステップＳ１０１については、第１の実施形態と同様である。
【００６５】
中間層の形成ステップＳ３０１においては、第１の複合材料層１１０の径方向外側に、所定の材料の単体層を形成する（ステップＳ３１１）。１種類の単体層で、あるいは複数種類の単体層を積層することにより、中間層１３０を形成する。
【００６６】
中間層１３０の形成は、真空蒸着（Ｖａｃｕｕｍ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、熱ＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、有機金属気相成長（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  ＣＶＤ）法などの成膜方法で行う。このうち、熱ＣＶＤ法は、原料ガスを切り替えることによって、第１の複合材料層１１０の成膜と中間層１３０の成膜とを連続的に行うことができるので、好適である。
【００６７】
つぎに、第２の複合材料層１２０を形成する（ステップＳ２０２）。まず、中間層１３０の外周面に第２の予備成形体１２５を形成する（ステップＳ２１２）。次に、ステップＳ２１２で形成した第２の予備成形体１２５に第２のマトリックス１２２を形成する（ステップＳ２２２）。具体的には、第１の実施形態の場合と同様な方法で行う。以上のようにして、本実施形態の燃料被覆管１０１を完成させる。
【００６８】
本実施形態においては、この特定材料で形成した中間層１３０が長さ方向と周方向と厚み方向で強度が異なることを利用した材料設計により、長繊維による強化方向の機械的特性をさらに向上させることができる。
【００６９】
［第３の実施形態］
図１０は、第３の実施形態に係る燃料被覆管１０２の構成を示す横断面図である。本第３の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、第２の複合材料層１２０の径方向外側に、さらに、炭化ケイ素セラミックスの外側表面材料層１４０を有している。これに関連する点を除き、本実施形態は、第１実施形態の場合と同様である。
【００７０】
外側表面材料層１４０は、厚みが０．２ｍｍ以上、０．４ｍｍ以下であることが好ましい。外側表面材料層１４０が上記範囲の下限値よりも薄い場合には、燃料被覆管１０２において十分に耐環境性、気密性を保持できない場合があると共に、強度的に安定した設計強度の確保上、初期強度の機械的特性が不十分になる場合がある。また、外側表面材料層１４０が上記範囲の上限値よりも厚い場合には、燃料被覆管１０２全体における第１の複合材用長繊維１１１および第２の複合材用長繊維１２１の存在割合が相対的に減少するため、燃料被覆管１０２の破壊エネルギーに関する機械的特性が不十分になる場合がある。
【００７１】
図１１は、第３の実施形態に係る燃料被覆管１０２の製造方法の手順を示すフロー図である。第１の複合材料層１１０を形成するステップＳ１０１の後に第２の複合材料層１２０を形成するステップＳ２０１を実施する部分は、第１の実施形態と同様である。
【００７２】
本実施形態においては、第２の複合材料層１２０を形成するステップＳ２０１の後に、外側表面材料層１４０を形成する（ステップＳ４０１）。具体的には、化学気相蒸着法により、炭化ケイ素セラミックス材料の単体で、外側表面材料層１４０を形成する（ステップＳ４１１）。
【００７３】
以上のように形成された本実施形態による燃料被覆管１０２は、その径方向外側の表面が外側表面材料層１４０で被覆された状態であるので、腐食減肉量が少なくなり、耐環境性の向上を更に容易に実現することができる。さらに、化学気相蒸着法により緻密質な炭化ケイ素を形成していることから、ヘリウムガスの通過も抑制する高気密性が実現できる。
【００７４】
［第４の実施形態］
図１２は、第４の実施形態に係る燃料被覆管１０３の構成を示す横断面図である。本実施形態は、第３の実施形態の変形である。第３の実施形態では、第２の複合材料層１２０の径方向外側に外側表面材料層１４０が形成されている。一方、本第４の実施形態では、第１の複合材料層１１０の径方向内側に内側表面材料層１５０が形成されている。
【００７５】
すなわち、第３の実施形態における燃料被覆管１０２においては、径方向の外側の表面に外側表面材料層１４０が形成されているのに対して、本第４の実施形態における燃料被覆管１０３においては、径方向の内側の表面に炭化ケイ素セラミックスの内側表面材料層１５０が形成されている。
【００７６】
図１３は、第４の実施形態に係る燃料被覆管１０３の製造方法の手順を示すフロー図である。本実施形態による燃料被覆管１０３の製造方法においては、まず、内側表面材料層１５０を形成する（ステップＳ５０１）。具体的には、化学気相蒸着法により、炭化ケイ素セラミックス材料の単体で、内側表面材料層１５０を形成する（ステップＳ５１１）。
【００７７】
その後、第１の複合材料層１１０の形成を行う（ステップＳ１０２）。すなわち、内側表面材料層１５０の径方向外側に第１の予備成形体１１５を形成（ステップＳ１１２）し、その第１の予備成形体１１５に第１のマトリック１１２を形成する（ステップｓ１２２）。その後、さらに、第２の複合材料層１２０を形成する（ステップＳ２０１）。
【００７８】
以上のように、本実施形態においては、燃料被覆管１０３の最内層が内側表面材料層１５０である。すなわち、燃料被覆管１０３の内面が内側表面材料層１５０に被覆されていることから、燃料ペレット１から放出された核分裂生成物であるアウトガスに対する耐性を高め、高気密性を確保することができる。
【００７９】
［第５の実施形態］
図１４は、第５の実施形態に係る燃料被覆管１０４の構成を示す横断面図である。本第５の実施形態は、第２の実施形態と第３の実施形態の組み合わせである。すなわち、本第５の実施形態に係る燃料被覆管１０４においては、径方向内側から径方向外側に向かって、第１の複合材料層１１０、中間層１３０、第２の複合材料層１２０、および外側表面材料層１４０の順に積層されている。
【００８０】
図１５は、第５の実施形態に係る燃料被覆管の製造方法の手順を示すフロー図である。まず、第１の複合材料層１１０を形成する（ステップＳ１０１）。次に、第１の複合材料層１１０の径方向の外側表面に中間層１３０を形成する（ステップＳ３０１）。具体的な単体層の形成（ステップＳ３１１）については、第２の実施形態と同様である。
【００８１】
次に、中間層１３０の径方向の外側表面に第２の複合材料層１２０を形成する（ステップＳ２０２）。そして、第２の複合材料層１２０を形成するステップＳ２０の後に、外側表面材料層１４０を形成する（ステップＳ４０１）。
【００８２】
以上のように形成された本実施形態による燃料被覆管１０４においては、第１の実施形態、第２の実施形態および第３の実施形態のそれぞれにおける燃料被覆管１００、１０１、および１０２に関する作用、効果を有する。
【００８３】
すなわち、炭化ケイ素の第１のマトリックス１１２に炭化ケイ素の第１の複合材用長繊維１１１が複合化した第１の複合材料層１１０と、炭化ケイ素の第２のマトリックス１２２に炭素の第２の複合材用長繊維１２１が複合化した第２の複合材料層１２０との積層構造で、燃料被覆管１０４を構成することによって、広い環境条件にわたって、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。また、特定材料で形成した中間層１３０が長さ方向と周方向と厚み方向で強度が異なることを利用した材料設計により、長繊維による強化方向の機械的特性をさらに向上させることができる。さらに、径方向外側の表面が外側表面材料層１４０で被覆された状態であるので、腐食減肉量が少なくなり、耐環境性の向上を更に容易に実現することができる。また、化学気相蒸着法により緻密質な炭化ケイ素を形成していることから、ヘリウムガスも通さない高気密性が実現できる。
【００８４】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、燃料被覆管１００が、核燃料としてウラン燃料を収納している場合を例にとって示したが、これに限定されるものではない。たとえば、プルトニウム燃料、ウランとプルトニウムの混合酸化物燃料、あるいは、酸化物以外のたとえば炭化物あるいは窒化物のような形態の場合であってもよい。また、実施形態では、燃料被覆管１００が、冷却材が軽水である場合を例にとって示したが、これに限定されるものではない。たとえば、ヘリウムガス、炭酸ガスのようなガス冷却炉の場合、さらにはナトリウムや鉛等を含む液体金属冷却炉の場合であってもよい。
【００８５】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第３の実施形態および第４の実施形態を組み合わせてもよい。
【００８６】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００８７】
以下に、５つの実施例と、これらとの比較例を挙げて、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明の実施形態は、これらの例によって限定されるものではない。
【００８８】
なお、以下に示す実施例１ないし５は、それぞれ第１の実施形態１ないし５に対応する。
【００８９】
［実施例１］
実施例１においては、燃料被覆管１００について作製に際して、最初に、第１の複合材料層１１０を構成する第１の予備成形体（プリフォーム）１１５の形成を行った。本工程では、まず、直径が１２μｍである炭化ケイ素の長繊維（商品名：ハイニカロン（登録商標）  タイプＳ，日本カーボン製）の表面に、カーボンをＣＶＤ法で被覆した。そして、その第１の複合材用長繊維１１１を５００本束ねた繊維束（ヤーン）を用いて、フィラメントワインディング法によって、円筒形状の予備成形体（厚みが０．５ｍｍ）を作製した。
【００９０】
つぎに、第１の複合材料層１１０の予備成形体、すなわち第１の予備成形体１１５にマトリックス、すなわち第１のマトリックス１１２を形成した。本工程では、上記の第１の予備成形体１１５を化学気相反応炉内のカーボンモールド内部にセットした後に、温度が１３００〜１４００℃であって圧力が４〜１００ｋＰａである条件の下で、原料ガス（四塩化ケイ素ガス、プロパンガス、水素ガス）を反応炉の内部に導入した。これによって、炭化ケイ素を主成分とする第１のマトリックス１１２を第１の予備成形体１１５において形成して、厚みが０．５ｍｍである第１の複合材料層１１０を準備した。ここでは、第１の複合材料層１１０の第１の予備成形体１１５を構成する１の複合材用長繊維１１１の間に化学気相浸透法で第１のマトリックス１１２を形成するとともに、第１の予備成形体１１５の周囲を第１のマトリックス１１２が覆うように、化学気相蒸着法で第１のマトリックス１１２を形成した。
【００９１】
つぎに、第２の複合材料層１２０を構成する第２の予備成形体（プリフォーム）１２５の形成を行った。本工程では、まず、直径が１０μｍである炭素の長繊維（商品名：トレカ（登録商標）  Ｍ６０，東レ製）の表面に、カーボンをＣＶＤ法で被覆した。そして、その第２の複合材用長繊維１２１を３０００本束ねた繊維束（ヤーン）を分繊し、５００本にした繊維束を用いて、フィラメントワインディング法によって、円筒形状で厚みが０．５ｍｍの第２の予備成形体１２５を第１の複合材料層１１０の外周面に作製した。
【００９２】
つぎに、第２の複合材料層１２０の第２の予備成形体１２５に第２のマトリックス１２２を形成した。本工程では、上記の第２の予備成形体１２５を化学気相反応炉内のカーボンモールド内部にセットした後に、温度が１３００〜１４００℃であって圧力が４〜１００ｋＰａである条件の下で、原料ガス（四塩化ケイ素ガス、プロパンガス、水素ガス）を反応炉の内部に導入した。これによって、炭化ケイ素を主成分とする第２のマトリックス１２２を第２の予備成形体１２５に形成することで、厚みが０．５ｍｍである第２の複合材料層１２０を形成した。ここでは、第１の複合材料層１１０の場合と同様に、第２の複合材料層１２０の第２の予備成形体１２５を構成する第２の複合材用長繊維１２１の間に化学気相浸透法で第２のマトリックス１２２を形成するとともに、第２の予備成形体１２５の周囲を第２のマトリックス１２２が覆うように、化学気相蒸着法で第２のマトリックス１２２を形成した。これにより、実施例１の燃料被覆管１００を完成させた。
【００９３】
［実施例２］
実施例２においては、実施例１の場合と同様に、第１の複合材料層１１０を準備した後に、第１の複合材料層１１０の外周面に中間層１３０を形成した。ここでは、炭素（Ｃ）の単体層（厚みが０．１ｍｍ）を成膜することによって、中間層１３０の形成を行った。その後、実施例１の場合と同様に、第１の複合材料層１１０の外周面に、中間層１３０を介して、第２の複合材料層１２０を形成した。これにより、実施例２の燃料被覆管１０１を完成させた。
【００９４】
［実施例３］
実施例３では、実施例１の場合と同様に、厚み０．４ｍｍの第１の複合材料層１１０を準備した後に、第１の複合材料層１１０の外周面に厚み０．４ｍｍの第２の複合材料層１２０を形成した。その後、第２の複合材料層１２０の外周面に外側表面材料層１４０を形成した。化学気相蒸着法で、炭化ケイ素の単体層（厚みが０．２ｍｍ）を成膜することによって、外側表面材料層１４０の形成を行った。これにより、実施例３の燃料被覆管１０２を完成させた。
【００９５】
［実施例４］
実施例４においては、実施例１の場合の前に、内側表面材料層１５０を、化学気相蒸着法により炭化ケイ素の単体層（厚みが０．２ｍｍ）を成膜することによって形成した。その上に、実施例１の場合と同様に、厚み０．４ｍｍの第１の複合材料層１１０を形成した後に、第１の複合材料層１１０の外周面に厚み０．４ｍｍの第２の複合材料層１２０を形成した。これにより、実施例４の燃料被覆管１０３を完成させた。
【００９６】
［実施例５］
実施例５においては、実施例３の場合と同様に、厚み０．４ｍｍの第１の複合材料層１１０を形成した後に、第１の複合材料層１１０の外周面に中間層１３０を形成した。ここでは、チタンケイ素カーバイド（Ｔｉ３ＳｉＣ２）の単体層（厚みが０．１ｍｍ）を成膜することによって、中間層１３０の形成を行った。そして、実施例１の場合と同様に、第１の複合材料層１１０の外周面に、中間層１３０を介して、厚み０．３ｍｍの第２の複合材料層１２０を形成した。その後、第２の複合材料層１２０の外周面に外側表面材料層１４０を厚み０．２ｍｍ形成した。これにより、実施例５の燃料被覆管１０４を完成させた。
【００９７】
［比較例］
比較例においては、実施例１の場合と同様に、第１の複合材料層１１０の形成を行ったが、第２の複合材料層１２０の形成については行わなかった。これにより、厚み１ｍｍの第１の複合材料層１１０のみからなる燃料被覆管を比較例として準備した。
【００９８】
なお、実施例１ないし実施例５および比較例において、第１の複合材料層１１０の第１の予備成形体１１５の第１方向長繊維１１１ａと第２方向長繊維１１１ｂの方向は、それぞれ、第１の実施形態で説明した周方向および軸方向に組み合わせたケースであり、第２の複合材料層１２０の第２の予備成形体１２５についても同様である。
【００９９】
［試験内容］
実施例および比較例の各サンプルについて、気密性試験、熱的特性試験、耐環境性試験（通常運転時、事故時）と機械的特性試験とを行った。
【０１００】
それぞれの実施例の条件を表１に、またそれぞれの実施例についての評価結果を表２に示す。
【０１０１】
【表１】
2019215301.tif 000003
【０１０２】
【表２】
2019215301.tif 000004
【０１０３】
気密性試験では、ヘリウムリーク試験を実施した。熱的特性試験は、レーザフラッシュ法による熱伝導率測定試験を実施した。
【０１０４】
また、耐環境性試験として、通常運転時を想定して中温水熱試験と、事故時を想定して高温水蒸気試験を行った。中温水熱試験については、オートクレーブを用いて、下記試験条件で行った。試験前の重量と試験後の重量とを測定し、両者の差分値から、減肉量を換算した。表１では、各例について求めた値を、比較例の値で割った割合を示している。つまり、各実施例の値について比較例の値を「１」とした場合の割合を示している。
（中温水熱試験の条件）
・温度：３６０℃
・圧力：１８ＭＰａ
・保持時間：１週間（高温水蒸気試験）
・温度：１２００℃
・水蒸気量：１００％
・保持時間：７２時間
【０１０５】
また、各例のサンプルについて、機械的特性試験を実施した。ここでは、機械的特性試験として、室温で引張強度試験を実施することで、初期破壊強度と破壊エネルギーとのそれぞれを測定した。試験方法は、ＡＳＴＭ  Ｃ１７９３−１５に準拠して実施した。初期破壊強度と破壊エネルギーとのそれぞれに関しても、表１では、各例について求めた値を、比較例の値で割った割合を示している。つまり、各実施例の値について比較例の値を「１」とした場合の割合を示している。
【０１０６】
［評価結果］
表２に示すように、実施例１は、ヘリウムリーク量は、比較例の１００分の１以下、熱伝導率は１．５倍に向上した。耐環境性試験において比較例の１００分の１以下となり、耐環境性に優れる。また、実施例１は、機械的特性試験において比較例よりも初期破壊強度および破壊エネルギーが高いため、機械的特性に優れる。実施例１は、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第１の複合材料層１１０と、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第２の複合材料層１２０との積層構造で構成されている。これに対して、比較例は、第１の複合材料層１１０のみで構成されている。このように、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第１の複合材料層１１０に対して、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第２の複合材料層１２０を積層させることで、材料自体の緻密性も向上し、気密性、熱伝導率、そして耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。
【０１０７】
実施例２は、さらに実施例１に比べて、破壊エネルギーが高くなり、機械的特性に優れる。実施例２は、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第１の複合材料層１１０と、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第２の複合材料層１２０との間にさらに中間層１３０が形成された積層構造で構成されている。これに対して、比較例は、第１の複合材料層１１０のみで構成されている。
【０１０８】
このように、炭化ケイ素のマトリックスに炭化ケイ素の長繊維が複合化した第１の複合材料層１１０に対して、炭化ケイ素のマトリックスに炭素の長繊維が複合化した第２の複合材料層１２０、中間層１３０を積層させることで、材料自体の緻密性も向上し、さらなる機械的特性の向上を実現することができる。
【０１０９】
実施例３は、緻密質な単体の外側表面材料層１４０が形成されるため、ヘリウムリーク量が検出限界以下となり、非常に優れた気密性を示す。さらに、耐環境性試験において、比較例よりも大幅に腐食減肉量が少なく、通常運転時および事故時ともに耐環境性に優れる。
【０１１０】
また、実施例３および実施例５は、機械的特性試験において、比較例よりも初期破壊強度および破壊エネルギーが高く、機械的特性に優れる。特に、破壊エネルギーについては、実施例２および実施例５は、実施例１よりも高い。
【０１１１】
実施例２は、第１の複合材料層１１０と第２の複合材料層１２０との間に、炭素（Ｃ）の単体層が中間層１３０として設けられている。実施例３は、チタンケイ素カーバイド（Ｔｉ２ＳｉＣ２）の単体層が、中間層１３０として設けられている。
【０１１２】
このように、特定の材料で形成された中間層１３０を、第１の複合材料層１１０と第２の複合材料層１２０との間に介在させることによって、破壊エネルギーが高くなるため、機械的特性を更に向上させることができる。
【０１１３】
表１において実施例として列挙していないが、中間層１３０が、炭素またはチタンアルミニウムカーバイドの単体層である場合の他に、クロムアルミニウムカーバイド、バナジウムアルミニウムカーバイド、ニオブアルミニウムカーバイド、タンタルアルミニウムカーバイド、チタンケイ素カーバイドの単体層である場合においても同様に、耐環境性および機械的特性の向上を実現することができる。
【符号の説明】
【０１１４】
１…燃料ペレット、２…スプリング、３…上部端栓、４…下部端栓、１０…燃料棒、５０…予備成形体形成用ガイド、１００、１０１、１０２、１０３、１０４…燃料被覆管、１１０…第１の複合材料層、１１１…第１の複合材用長繊維、１１１ａ…第１方向長繊維、１１１ｂ…第２方向長繊維、１１２…第１のマトリックス（母材）、１１５…第１の予備成形体、１２０…第２の複合材料層、１２１…第２の複合材用長繊維、１２１ａ…第１方向長繊維、１２１ｂ…第２方向長繊維、１２２…第２のマトリックス（母材）、１２５…第２の予備成形体、１３０…中間層、１４０…外側表面材料層、１５０…内側表面材料層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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