(57)【要約】  本発明はクリープ試験用装置に関する。当該装置は、被験試料は、2つの端部(11)と内壁(11)を有する管状の細長い被験試料(1)、長手軸(AA)と、2つの端部(23)と、外壁(22)と、内部体積(28)と、前記長手軸に沿って、半径方向のスティフネスよりも小さい軸方向スティフネスを有する管(2)、及び、2つのストッパ(3)を有する。前記ストッパ(3)の各々は、前記試料(1)の端部(11)と前記管(2)の端部(23)を固定し、かつ、前記試料(1)と前記管(2)との間の内部空間(5)を、前記試料(1)の内壁(11)と前記管(2)の外壁(22)との間の表面(Si)によって閉じる。当該装置は、前記試料(1)に印加される軸方向応力と円周方向応力を、前記内部空間(5)での圧力(Pi)に対する前記管(2)の内部体積(28)での圧力(Pt)の比、及び、前記内部体積(28)を閉じる表面Stの面積に対する、前記ストッパ(3)の高さでの前記試料(1)の内壁(12)と前記管(2)の外壁(22)との間の表面(Si)の面積の比の関数として、各独立に明らかにすることを可能にする。
2013540263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クリープ試験用装置であって、
2つの端部と内壁を有する管状の細長い被験試料、
長手軸と、2つの端部と、外壁と、内部体積と、前記長手軸に沿って、半径方向のスティフネスよりも小さい軸方向スティフネスを有する管、及び、
2つのストッパ、
を有し、
前記ストッパの各々は、前記試料の端部と前記管の端部を固定し、かつ、前記試料と前記管との間の内部空間を、前記試料の内壁と前記管の外壁との間の表面によって閉じ、
当該装置は、前記試料に印加される軸方向応力と円周方向応力を、前記内部空間での圧力に対する前記管の内部体積での圧力の比、及び、前記内部体積を閉じる表面Stの面積に対する、前記ストッパでの前記試料の内壁と前記管の外壁との間の表面の面積の比の関数として、各独立に明らかにすることによって、二軸の比を求めることを可能にする、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記管の少なくとも一の端部は、加圧気体を前記内部体積へ導入するのに適した再封止可能な開口部を有する、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記管の少なくとも一の端部は、加圧気体を前記内部空間へ導入するのに適した再封止可能な開口部を有する、請求項1又は2に記載の装置。
【請求項４】
前記管は、前記管の少なくとも一の端部の近傍であって前記外壁上に少なくとも1つの鍵を有し、かつ、
少なくとも1つのストッパは、前記試料中での前記管のねじれを防止するように、前記鍵に対して相補的な形状を有する溝を備える、
請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記管の各端部は先細り形状を有し、
各ストッパは、前記管の各端部に対して相補的な先細り形状を有する、
請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記管は、前記長手軸に沿った軸方向スティフネスが半径方向のスティフネスよりも小さくなるように、波状の中央部を有する、請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記試料と前記管との間の内部空間が気体を含み、
前記圧力は、当該装置への外圧と等しくても良いし異なっても良く、かつ、前記内部体積の圧力と等しくても良いし異なっても良い、
請求項1乃至6のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記管の内部体積は気体を含み、
前記圧力は、当該装置への外圧と等しいか、又は異なる、
請求項1乃至7のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記内部体積又は内部空間が真空状態である、請求項1乃至8のうちいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記試料が、ジルコニウム合金、酸化物分散強化型(ODS)鋼、又はSiC/SiCセラミックマトリックス複合体から形成される、請求項1乃至9のうちいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管状試料のクリープ試験用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
構造健全性は、核施設及び原子炉の安全性の非常に重要な要素である。構造物の環境（たとえば機械的応力、温度、照射等）によって誘起される燃料集合体の構成要素の寸法変化を決定することは、この構造健全性の保証の助けになる。
【０００３】
本願においては、機械的試験によって、原子炉の燃料集合体の構成要素−特に燃料被覆管−の挙動が調査される。この構成要素の挙動の調査は、照射下での試料の構成材料の粘塑性挙動と、完全な材料又は被照射材料での非照射粘塑性挙動を調査することによって実行される。
【０００４】
原子炉内で起こりうる最も代表的な条件−具体的には材料を照射する中性子束、温度、及び多軸内部応力（つまり材料の任意の点での単位面積当たりに作用する内部の力の大きさ）が考慮される−下でこれらの機械的試験を行うことが求められることは明らかである。
【０００５】
特に応力は2つに分類される。
−  垂直応力と呼ばれる調査される部分に対して垂直な応力（たとえば引っ張り応力及び圧縮応力）
−  剪断応力、横応力、又は縦応力と呼ばれる調査される部分に対して平行な正接応力
細長い管状試料の場合では、図1に図示されているように、縦軸Zに沿った垂直軸応力σZZ（以降簡明を期すためにσZと表記する）、及び、軸Zに対して垂直でかつ試料半径がrのときの垂直円周応力σθθ（以降簡明を期すためにσθと表記する）を特定することが求められる。
【０００６】
従来一定又は平均の応力値は、次式で与えられる。
σθ=P*ri/e
σz=(P*S+F)/S0
σr=P/[2+(e/ri)]
ここで、Pは試料の内圧で、riは試料の初期内径で、eは試料の初期厚さで、Sは試料の初期内部断面積で、Fは試料外部からの軸方向の力で、S0は試料の負荷がかかる初期断面積である。
【０００７】
これらの式によると、σθは厚さ内での（厚さによって重み付けられた）円周方向の応力の平均値で、かつ、σrはその厚さ内での半径方向の応力の平均値である。
【０００８】
よって二軸の比α次式によって定義される。
α=σz/σθ
あるいは直接修正するのに適した量を用いて操作すると、次式のようになる。
α=αPI[1+(St/Si)*Pt/(Pi-1)]
ここで、
【０００９】
【数１】
2013540263.tif 000003
である。
【００１０】
これらの種類の相補的な試験は通常、管状試料の粘塑性挙動を評価するのに用いられる。試料のクリープ試験という語句が用いられる。
【００１１】
第1種の試験は、加圧前の試料で実行される。これらの試験は、封止された試料内部に所与の量の気体を設ける手順からなる。これらの試験は、試料が照射されないコールド試験においても、被照射材料又は原子炉内での中性子束を受ける試料を扱うホット試験においても、最も確実で、かつ、多数の試料を含む系統的な試験に非常に適している。
【００１２】
第2種の試験は、設定された内圧下の試験で実行される。これらの試験は、固定又は接合されたストッパによって封止された管部分での内圧を連続的に設定する手順からなる。設定された圧力試験は従来、コールド試験でかつホットセルにおいて用いられ、かつ、機械的負荷の試験に適している。このとき二軸の比は0.5である。
【００１３】
第3種の試験は、設定された内圧及び軸方向の負荷がかかった状態の試料で実行される。これらの試験は、たとえば油によって内圧を印加し、同時に軸方向に外力を印加することによって、その試料の2つの軸に沿った応力を設定する手順からなる。よって、外部からの軸方向の圧縮力又は引っ張り力が、内圧がかかることに起因する端部の負荷効果により自然に誘起される引っ張り力に加わる。外部からの軸方向の力が加わることで、任意の二軸の比の値を得ることが可能となる。機械的負荷の選択及び二軸の比の選択を可能にすることによって軸方向に負荷をかけた設定圧力試験を行うことで、材料の機械的挙動の知見に関して最大の価値がさらに得られる。これらは、いくつかの原子力実験施設でのみ習得されている。
【００１４】
しかし上記試験には問題がある。
【００１５】
加圧前の試料での試験では、二軸の比αは約0.5という1つの値に限定される。
【００１６】
設定された内圧試験は短時間の試験向けであり、かつ、ほんのいくつかの設定された加圧照射実験しかできない。そのため、複数の試料を同時に用いるのに適さない高度な技術的試験装置が必要となる。
【００１７】
設定された内圧及び軸方向負荷試験は、その試験装置の高度な技術的性質のため、複数の試料を同時に用いるのに適さない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明の目的は、これらの課題のうちの少なくとも1つを解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的のため、本発明はクリープ試験用装置に関する。当該装置は以下を有することを特徴とする。
−  2つの端部と内壁を有する管状の細長い被験試料、
−  長手軸と、2つの端部と、外壁と、内部体積と、前記長手軸に沿って、半径方向のスティフネスよりも小さい軸方向スティフネスを有する管、及び、
−  2つのストッパ、
を有する。前記ストッパの各々は、前記試料の端部と前記管の端部を固定し、かつ、前記試料と前記管との間の内部空間を、前記試料の内壁と前記管の外壁との間の表面によって閉じる。
【００２０】
当該装置は、前記試料に印加される軸方向応力と円周方向応力を、前記内部空間での圧力に対する前記管の内部体積での圧力の比、及び、前記内部体積を閉じる表面Stの面積に対する、前記ストッパでの前記試料の内壁と前記管の外壁との間の表面の面積の比の関数として、各独立に明らかにすることによって、二軸の比を求めることを可能にする。
【００２１】
本発明は有利になるように、以下の特徴をさらに有する。
【００２２】
前記管の少なくとも一の端部は、加圧気体を前記内部体積へ導入するのに適した再封止可能な開口部を有する。
【００２３】
前記管の少なくとも一の端部は、加圧気体を前記内部空間へ導入するのに適した再封止可能な開口部を有する。
【００２４】
前記管は、前記管の少なくとも一の端部の近傍であって前記外壁上に少なくとも1つの鍵を有する。少なくとも1つのストッパは、前記試料中での前記管のねじれを防止するため、前記鍵に対して相補的な形状を有する溝を備える。
【００２５】
前記管の各端部は先細り形状を有する。
【００２６】
前記管は、前記長手軸に沿った軸方向スティフネスが半径方向のスティフネスよりも小さくなるように、波状の中央部を有する。
【００２７】
前記試料と前記管との間の内部空間は気体を含む。前記圧力は、当該装置への外圧と等しくても良いし異なっても良く、かつ、前記内部体積の圧力と等しくても良いし異なっても良い。
【００２８】
前記管の内部体積は気体を含む。前記圧力は、当該装置への外圧と等しくても良いし異なっても良い。
【００２９】
前記内部体積又は内部空間は真空状態である。
【００３０】
前記試料は、ジルコニウム合金、酸化物分散強化型(ODS)鋼、又はSiC/SiCセラミックマトリックス複合体から形成される。
【００３１】
本発明は多数の利点を有する。
【００３２】
本発明は、前記軸方向応力と前記円周方向応力とを分離するのに適している。前記軸方向応力と前記円周方向応力とが分離されることで、従来手段−具体的には前記試料の端部負荷効果、すなわち前記試料へ印加される前記管の内部体積内での圧力の選択−を用いては通常は不可能であった、前記二軸の比を容易に選択することが可能となる。
【００３３】
特に前記試料の端部負荷効果を具体的に選択することによって、特に前記軸方向応力を決定する、前記試料の内壁と前記管の外壁との間の表面に印加される前記ストッパでの圧力は、前記試料の底部全体には印加されない。よって前記圧力は制限されうる。他方、前記圧力は、前記試料の内壁に印加される圧力を決定する。
【００３４】
本発明は、特にホット試験を行う実験室またさらには中性子束中−たとえば研究用原子炉中−での実施も単純である。
【００３５】
本発明は、0.5とは異なる二軸の比の値を選択することが可能であると同時に、加圧前試験の利点を併せ持つ。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】細長管状試料に印加される応力を表している。
【図２Ａ】本発明による装置を概略的に表している。
【図２Ｂ】本発明による装置を概略的に表している。
【図２Ｃ】本発明による装置を概略的に表している。
【図３Ａ】本発明による装置の考えられ得る実施例を表している。
【図３Ｂ】本発明による装置の考えられ得る実施例を表している。
【図３Ｃ】本発明による装置の考えられ得る実施例を表している。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明のさらなる特徴、目的、及び利点は、以降の発明の詳細な説明から明らかとなる。この発明の詳細な説明は、非限定的な例示に過ぎず、添付図面を参照しながら読まれなければならない。
【００３８】
全図中、同様の構成要素は同一の参照番号を有する。
【００３９】
図2A〜2Cは本発明による装置を概略的に表している。
【００４０】
これらの図に示されているように、本発明によるクリープ試験用装置は基本的に、管状の細長形状を有する被験試料1を有する。
【００４１】
試料1は、2つの端部（近接端部と遠方端部）11、及び、内壁12を有する。
【００４２】
被験試料1は、任意の材料で作られて良いが、現在及び将来の原子炉の燃料被覆管を構成するジルコニウム合金、酸化物分散強化型(ODS)鋼、又はSiC/SiCセラミックマトリックス複合体で構成されることが好ましい。
【００４３】
当該装置はまた管2をも有する。管2は、試料1の内部に設けられ、かつ、長手軸(AA)と、2つの端部（近接端部と遠方端部）23を有する。
【００４４】
管2は、外壁22と内部体積28をさらに有する。以降の本明細書の記載から分かるように、内部体積28は表面Stによって閉じられている。
【００４５】
図2Aのジグザグによって概略的に表されているように、管2は、長手軸(AA)に沿った軸方向スティフネスを有する。前記軸方向スティフネスは、長手軸(AA)に対して垂直な方向に沿った半径方向スティフネスよりも小さい。軸方向スティフネスが小さくなると、内部体積28内での満足できる圧力の伝播を得ることが可能となる。
【００４６】
各ストッパ3は、試料1の一端11と管2の一端23を固定する。
【００４７】
同様に各ストッパ3は、試料1と管2との間の内部空間5を閉じて画定する。
【００４８】
内部空間5は、図2Bと図2Cから分かるように、ストッパ3の表面Siによって閉じられる。よって表面Siは、各ストッパ3上で試料1の内壁11と管2の外壁22との間で画定される。
【００４９】
本明細書の以降の記載から明らかなように、管2の内部体積28内に印加される圧力Ptを選択することが可能である。ストッパ3によって管2の端部23と試料1の端部11が固定されているので、圧力Ptは、端部負荷効果によって、次式で表される軸方向の力Ftを発生させる。
Ft=Pt*St
軸方向の力Ftは次式で表される試料での軸方向応力σzに寄与する。
σzt=Ft/S0
ここでS0は、試料1の負荷を受ける初期断面積である。
【００５０】
本明細書の以降の記載から明らかなように、内部空間5内に印加される圧力Piを選択することは可能である。ストッパ3によって管2の端部23と試料1の端部11が固定されているので、圧力Piは、端部負荷効果によって、次式で表される軸方向の力Fiを発生させる。
Fi=Pi*Si
軸方向の力Fiは次式で表される試料での軸方向応力σzに寄与する。
σzt=Fi/S0
ここでS0は、試料1の負荷を受ける初期断面積である。
【００５１】
従って次式が成立する。
σz=σzt+σzi
しかも軸(AA)に沿って試料1の内壁12の表面Szに印加される圧力Piは、円周の垂直面内で垂直力を発生させる。前記垂直力は、次式で表される、試料半径rにて軸(AA)に対して垂直な円周方向応力σθに寄与する。
σθ=Pi*ri/e
当該装置が、試料1に印加される軸方向応力と円周方向応力を以下の比の関数として各独立に明らかにするのに適していることは明らかである。
−  管2の内部体積28内での圧力Ptに対する内部空間5内での圧力Piの比Pi/Pt、及び、
−  ストッパ3で内部体積28を閉じる表面Stの面積に対する、ストッパ3での試料1の内壁12と管2の外壁22との間の表面Siの面積の比Si/St
特に、試料1と管2との間の内部空間5が気体を含むとき、円周方向応力σθは無視できる。ここで圧力Piは、当該装置外部からの圧力Peに等しくて良いし、又は異なっても良い。力Fiに起因する軸方向応力もまた無視できる。
【００５２】
しかしこの場合において圧力Ptが圧力Peよりも大きい場合、試料1に印加される応力は、基本的に軸方向の力Ftであるので、次式で表される軸方向応力である。
σzt=Ft/S0
二軸の比αがα=σz /σθによって定義される場合、σθが無視できるので、二軸の比αが無限大と近似されることは明らかである。
【００５３】
このため第1近似として次式が与えられる。
α=∞(E1)
逆にストッパ3での試料1の内壁12と管2の外壁22との間の表面積Siが、内部体積28を閉じる表面積Stに対して無視できるときには、表面Siでの圧力Piにより発生する力Fiによって誘起される試料への軸方向応力の成分σzi=Fi/S0（ここでFi=Pi*Si）は、如何なる場合でも、同一の圧力によって誘起される円周方向応力σθ=Pi*ri/eに対して無視できる。
【００５４】
この場合において管2の内部体積28が気体を含む場合には、成分Ftつまりはσzt=Ft/S0が無視できる。ここで圧力は、当該装置外部からの圧力Pe以下である。
【００５５】
従ってこの場合、試料1に印加される円周方向応力と無視できる軸方向応力が発生する。従ってこの場合、二軸の比αは約0となる。
【００５６】
このため第2近似として次式が与えられる。
α=0(E2)
よって比Pi/Ptの値と比Si/Stの値を調節することによって、式(E1)と式(E2)で表される2つの極限の場合の間で二軸の比αの値を得ることが可能となる。
【００５７】
比Si/Stは、当該装置の設計−具体的には管2の外径−によって決定される一方で、比Pi/Ptは、同一の装置であっても、加圧気体が内部空間5及び/又は内部体積28へ導入されるか否かに従って、変化しうることは明らかである。
【００５８】
この圧力差はまた、内部空間5又は内部体積28を真空状態に設定することによっても得ることができる。
【００５９】
図3A、図3B、図3C、及び図3Dは、本発明による装置の好適実施例の各独立する図を表している。
【００６０】
図3Aに図示されているように、本発明による管2は、半径方向スティフネスよりも小さい長手軸(AA)に沿った軸方向スティフネスを供する基本的に波状の中央部27を有する。
【００６１】
管2はまた、管2の少なくとも1つの端部23付近であって外壁22に少なくとも1つの鍵24をも有する。
【００６２】
同様に管2の各端部23は選択的に雄の先細り形状を有する。
【００６３】
さらに管2の少なくとも1つの端部23は、加圧気体を内部体積28へ導入するのに適した再封止可能な開口部25を有する。再封止可能な開口部25は、内部体積28と連通する。
【００６４】
さらに管2の少なくとも1つの他の端部23は、加圧気体を内部空間5へ導入するのに適した再封止可能な開口部26を有する。この目的のため、一旦管2が試料1内に載置されると（図3A参照）、開口部26は、内部空間5へのT字形状を有するチャネルを形成する。
【００６５】
再封止可能な開口部25,26の各々は、たとえば溶接されたプラグ又は当業者に既知である他の手段（たとえばチッピング）によって再封止されて良い。
【００６６】
図3Bと図3Cに図示されているように、各ストッパ3は、端部11で試料1の内壁12と係合するのに適した内部円筒部32を有する。
【００６７】
この目的のため、各ストッパ3は有利となるように、鍵24に対して相補的な形状を有する溝34を備える。各鍵24と各溝34との間で係合することで、試料1中での管2のねじれが防止される。
【００６８】
各ストッパ3はまた、試料1の外部で、かつ試料1の各端部11の軸方向の上部に隣接する外部円筒部35をも有する。
【００６９】
よってストッパ3は、各端部11に対して相補的な形状によって係合する。
【００７０】
気密性は、前記形状の相補的な性質により供される。それによりストッパ3は、試料1と管2との間の内部空間5を封止する。
【００７１】
有利となるように、管2の各端部23は、試料1の一端11と管2の一端を固定するように、各ストッパ3を貫通して、外部円筒部35に隣接するナット4と係合するのに適するようにねじ山を備えた外壁を有する。
【００７２】
端部23とストッパとを組み合わせる他の手段（接合、溶接等）が用いられて良いことは明らかである。
【００７３】
端部11と23は、相補的形状によっての機械的に固定される。
【００７４】
この目的のため、各ストッパ3は、管2の各端部23に対して相補的な雌の先細り形状を有する。
【図１】
2013540263.tif 000004
【図２Ａ】
2013540263.tif 000005
【図２Ｂ】
2013540263.tif 000006
【図２Ｃ】
2013540263.tif 000007
【図３Ａ】
2013540263.tif 000008
【図３Ｂ】
2013540263.tif 000009
【図３Ｃ】
2013540263.tif 000010
【図３Ｄ】
2013540263.tif 000011
【国際調査報告】
2013540263.tif 000012
2013540263.tif 000013
2013540263.tif 000014
2013540263.tif 000015