(57)【要約】      （修正有）【課題】核燃料サンプル内に高い温度勾配を生成するための装置を提供する。【解決手段】サンプル１００、およびサンプル１００内に高い温度勾配を生成するための装置を含むアセンブリであって、前記サンプルがその内部に配置されるチャンバ２０と、前記サンプルを貫通する抵抗器６０と、電磁界を生成するための、チャンバの周囲にある第１の誘導手段と、チャンバ２０の内部に配置され、抵抗器６０に接続された第２の誘導手段であって、誘導電流を前記抵抗器に流すために前記電磁界を拾うことができる第２の誘導手段とを含むアセンブリであって、チャンバ２０が透明であり、第１の誘導手段が、少なくとも１つの第１のコイル３１を含み、第１のコイル３１のうちの少なくとも１つのコイルが、少なくとも２ｍｍだけ離間し、この離間が、変形を測定するための光学手段をターゲットとすることが可能になるように構成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル（１００）、および前記サンプル内に高い温度勾配を生成するための装置を含むアセンブリであって、
−前記サンプルが配置されるチャンバ（２０）と、
−前記サンプルを貫通する抵抗器（６０）と、
−電磁界を生成するための、前記チャンバ（２０）の周囲にある第１の誘導手段（３１）と、
−前記チャンバ（２０）の内部に配置され、前記抵抗器（６０）に接続された第２の誘導手段（３２）であって、誘導電流を前記抵抗器に流すために前記電磁界を拾うことができる第２の誘導手段（３２）と
を含むアセンブリであって、
前記チャンバが可視波長で透明であり、前記第１の誘導手段が、コイル要素（または巻線）を含む少なくとも１つの第１のコイルを含み、少なくとも特定の前記コイル要素が、２ｍｍの距離（ｄ）だけ離間し、この離間が、変形を測定するための光学手段をターゲットとすることが可能になるように構成されていることを特徴とする、アセンブリ。
【請求項２】
前記チャンバ（２０）が、石英管であることを特徴とする、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記アセンブリが、前記サンプルの周囲に透明断熱要素（１０１）をさらに含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記透明断熱要素（１０１）が、サファイアからなることを特徴とする、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記透明断熱材（１０１）が、ガラスからなることを特徴とする、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記透明断熱材（１０１）が、ダイヤモンドからなることを特徴とする、請求項３に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記アセンブリが、交換器（４０）をさらに含み、前記第２の誘導手段（３２）が、前記交換器の周囲に位置し、前記交換器（４０）が、スリットまたは透明窓（４１）を含み、どちらか１つが、変形を測定するための手段をターゲットとすることが可能になるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、サンプル内に熱勾配を制御可能に生成するために使用される加熱装置の分野であり、これらの装置は著しく、熱勾配に対する核燃料の反応を評価し、特徴付けるのに特に有利であり、高放射能性原子力研究所で使用することができる。
【背景技術】
【０００２】
この分野では、燃料炉心を電気加熱し、かつ、これらの燃料の被覆外部に水を流すことによって熱勾配を生成することが、本出願人によって既に提案されている。しかしながら、この装置は照射核燃料と共には使用されていない。
【０００３】
熱勾配を生成することを可能にする手段はまた、米国特許第４６４３８６６号明細書からも知られており、その勾配は、マイクロ波を使用して燃料セラミックの炉心を加熱し、かつ、これらのセラミックの被覆外部に水を流すことによって生成される。
【０００４】
刊行物Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  ２６，（１９７４）Ｐ．４２３〜４３１には、Ｊ．Ｆ．Ｗｈａｔｈａｍが、加圧水を流すことによって冷却しながらセラミックを電気加熱することをさらに記載している。
【０００５】
現在、燃料棒に対して実行されるいくつかの報告された熱勾配実験は、不活性雰囲気中で未照射材料に対して実行されている。しかしながら照射の効果は、ペレット、被覆、およびそれらの界面の機械的ならびに化学的特性に急速に（加圧水型原子炉（ＰＷＲ）の１サイクル未満で）影響を及ぼし、核燃料の挙動を著しく変える。
【０００６】
ここで、劣化同位体ベクトルを有するプルトニウムの含有量が高いＭＯＸ燃料（混合酸化物（ＭＯＸ）燃料は、二酸化プルトニウムＰｕＯ２および二酸化ウランＵＯ２を含み、約７％のプルトニウムおよび９３％のウランから製造される）などの燃料の管理においては、燃料内の放出状態にある核分裂生成物、特にガス状核分裂生成物の移動の効果に関する我々の理解を改善する必要がある。
【０００７】
より具体的には、現在ＥＤＦが運営している原子炉では、燃料は、ジルコニウム合金からなる被覆内に積み重ねられたＵＯ２または（Ｕ，Ｐｕ）Ｏ２ペレットの形態をとる。照射中、特に熱機械効果のために、ペレットと被覆との間に相互作用（ペレット−被覆相互作用：ＰＣＩとも呼ばれる）が生じる。ここで、特定の偶発的過渡出力状態では、燃料の炉心は、その通常の状況に比べて大きく、急速な温度上昇を受け得るが、この燃料を囲む被覆は、必ずしもそのような温度変化を受けない。この効果により、燃料の炉心と燃料の被覆との間に大きい熱勾配が生成される。したがって、この熱過渡現象は、ペレットが被覆に及ぼす応力の増加を引き起こし、被覆を破壊し得る。被覆は、核分裂生成物に対する第１の封込障壁であるため、その完全性を保証すること、ひいては、これらのＰＣＩ効果をできる限りよく理解することが不可欠である。
【０００８】
したがって、様々な出力「過渡現象」中に燃料または核燃料サンプルが受ける熱勾配をシミュレーションすることができる解析実験が実行可能であること、より具体的には、熱勾配に対する核燃料の反応を特徴付けるための、高放射能性研究所で使用することができる装置を利用可能にすることが特に有利であろう。したがって言いかえれば、この熱勾配による、燃料サンプルが受ける変形に追従することも必要である。
【０００９】
そのような解析実験によって、特定の偶発的過渡出力状態で第１の封込障壁を破裂させない燃料を得るという観点で材料を選択することが可能になり得る。
【００１０】
この状況において、本出願人は、ＤＵＲＡＮＣＥ（熱勾配に対する核燃料の反応をシミュレーションする装置）と呼ばれる実験装置を開発した。このＤＵＲＡＮＣＥ装置は、炉心に挿入された加熱マンドレル、および補助装置によって冷却された絶縁材料のシステムによって、サンプル内に熱勾配を生成する。したがって、サンプルの炉心と被覆の外面との間の熱勾配の振幅は、炉心の温度、ならびに絶縁体の性質、厚さおよび外部温度によって設定される。
【００１１】
この状況において、本出願人は、特定の偶発的状況時に核燃料が受ける熱勾配の振幅を再現および制御し、かつ、それを、研究所の高放射能性セル内で使用される熱処理炉に容易に適合可能な小型装置を使用して行うことを可能にする装置であって、水（加圧または非加圧）の流れを燃料要素と接触させる必要なく、加熱は誘導によって確実に行われる装置を開発しようとした。本出願人はまた、この装置を、燃料サンプルが受ける変形を測定するためのオンラインおよび現場での手段、特に光学測定手段に対応するようにしようとした。典型的には、２〜３つの燃料ペレットのサンプルを加熱し、燃料ペレットの内部から外部へ熱を確実に流す開発された誘導加熱システムによって、原子炉内で観察される温度プロフィルを再現することができる。このシステムは、偶発的状況時にペレット−被覆相互作用（ＰＣＩ）および／または応力腐食（ＳＣ）によって燃料棒の被覆が破裂する危険性に関する課題に関して改善可能にするためのものであり、完全な出力傾斜実験の回数が限られているため、パラメータおよび燃料グレードの全範囲を個々にテストすることができず、遊びにおける物理的効果を切り離すことができない。したがって、ペレットと被覆との相互作用に関与する特定の主要機構は、未だほとんど理解されておらず、これらの傾斜およびＰＣＩのデジタルモデルの精度についての理解を制限する要因となっている。現在、被覆の破壊を防ぐために、マージンを大きくすることが可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第４６４３８６６号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Ｊ．Ｆ．Ｗｈａｔｈａｍ，Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  ２６，（１９７４）Ｐ．４２３〜４３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
したがって、本発明で提案する装置の主な目的の１つは、特定の偶発的状況時に核燃料が受ける熱勾配の振幅を再現および制御し、かつ、それを、研究所の高放射能性セル内で使用される熱処理炉に容易に適合可能な小型装置を使用して行うことであり、装置は水（加圧または非加圧）の流れを燃料要素と接触させる必要なく、加熱は誘導によって確実に行われる。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的は、サンプル、および前記サンプル内に高い温度勾配を生成するための装置を含むアセンブリであって、
−前記サンプルが配置されるチャンバと、
−前記サンプルを貫通する抵抗器と、
−電磁界を生成するための、チャンバの周囲にある第１の誘導手段と、
−抵抗器に接続され、誘導電流を前記抵抗器に流すために前記電磁界を拾うことができる第２の誘導手段と
を含むアセンブリによって得られる。
【００１６】
しかしながら、上記効果の理解に不可欠な別の目的は、サンプルが受ける変形をオンラインおよび現場で測定し、かつ、それらを、定量化するのを可能にすることである。ここで、上記アセンブリおよび検討すべき領域は、この測定に多くの制約を加える。具体的には、目的は、最小作動距離（１０ｃｍ）と比較して小さい、数ミクロンから約１００ミクロンに及ぶ振幅を有する変形を検出および定量化し、かつ、それを、核環境での作動と関連する制約の下、狭い空間で行うことである。
【００１７】
上で説明したアセンブリ内でサンプルが受ける変形の解析は、単に帰納的に、このアセンブリの外部で実行され得るが、これらの変形を実験パラメータに関係付けることはできない。
【００１８】
本発明の装置は、燃料サンプルの被覆の温度を約３５０℃＋／−５０℃で安定させながら、この燃料サンプルの中心温度を場合によっては２０００℃以上に上昇させることを可能にする解決策を特に提供し、この解決策は、上に示した極端な状態でサンプルが受ける変形をオンラインおよび現場で光学的に測定および定量化することを必ず可能にする。
【００１９】
より具体的には、本発明の主題は、サンプル、および前記サンプル内に高い温度勾配を生成するための装置を含むアセンブリであって、
−前記サンプルが配置されるチャンバと、
−前記サンプルを貫通する抵抗器と、
−電磁界を生成するための、チャンバの周囲にある第１の誘導手段と、
−チャンバの内部に配置され、抵抗器に接続された第２の誘導手段であって、誘導電流を前記抵抗器に流すために前記電磁界を拾うことができる第２の誘導手段と
を含むアセンブリであって、
チャンバが可視波長で透明であり、第１の誘導手段が、コイル要素（または巻線）を含む少なくとも１つの第１のコイルを含み、少なくとも特定のコイル要素が、２ｍｍの最小間隙ｄだけ離間し、この離間が、変形を測定するための光学手段をターゲットとすることが可能になるように構成されているアセンブリである。
【００２０】
本発明の一変形形態によれば、第２の誘導手段は、少なくとも１つの第２のコイルを含む。
【００２１】
本発明の一変形形態によれば、チャンバは石英管である。
【００２２】
本発明の一変形形態によれば、サンプルは、Ａｌ２Ｏ３もしくはＺｒＯ２からなり得るセラミックペレット、または、ＵＯ２もしくはＭＯＸからなり得る核燃料ペレットを含む。
【００２３】
本発明の一変形形態によれば、サンプルは、前記ペレットの周囲にある、前記ペレットと直接接触する金属被覆を含む。
【００２４】
本発明の一変形形態によれば、アセンブリは、可視波長で透明の断熱要素を前記サンプルの周囲にさらに含む。
【００２５】
本発明の一変形形態によれば、透明断熱要素はサファイアからなる。
【００２６】
本発明の一変形形態によれば、透明断熱要素はガラスからなる。
【００２７】
本発明の一変形形態によれば、透明断熱要素はダイヤモンドからなる。
【００２８】
本発明の一変形形態によれば、抵抗器は、耐火金属、場合によってはタングステンまたはモリブデンからなる。
【００２９】
本発明の一変形形態によれば、前記アセンブリは交換器をさらに含み、前記第２の誘導手段は前記交換器の周囲に位置している。
【００３０】
好ましい一実施形態では、交換器はスリットまたは透明窓を含み、どちらか１つは、変形を測定するための手段をターゲットとすることが可能になるように構成されている。
【００３１】
本発明の一変形形態によれば、交換器は、流体を流すためのシステムを含む。
【００３２】
本発明の一変形形態によれば、前記アセンブリは、前記サンプルの温度を測定するための手段をさらに含む。
【００３３】
本発明の一変形形態によれば、温度測定手段は熱電対を含む。
【００３４】
本発明の一変形形態によれば、温度測定手段は高温計を含む。
【００３５】
本発明の一変形形態によれば、温度測定手段は赤外線ビデオカメラを含む。
【００３６】
非限定例として挙げる以下の説明を読むことによって、また添付図面から、本発明はさらによく理解され、他の利点が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】先行技術による装置を示す。
【図２】本発明による装置を示す。
【図３ａ】アセンブリ、すなわち絶縁体に囲まれ、特に本発明の装置内の金属マンドレルによって加熱される燃料ペレットの幾何モデルを示す。
【図３ｂ】アセンブリ、すなわち絶縁体に囲まれ、特に本発明の装置内の金属マンドレルによって加熱される燃料ペレットの幾何モデルを示す。
【図４】絶縁体に囲まれた燃料ペレットの有限要素熱モデルを示す。
【図５】本発明の例示的装置に含まれる様々な要素の分解図を示す。
【図６】本発明の装置内の中央抵抗器に適用される例示的温度サイクルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本出願人は、誘導結合によって金属るつぼを加熱することができる、図１に示したような加熱炉を開発した。高周波電流が、誘導巻線３と呼ばれる巻線に流され、金属るつぼ１内に誘導電流が生成される。したがって、これらの誘導電流は、るつぼの壁をジュール加熱によって加熱し、次いで、管２に配置されているるつぼ自体が、サンプルを高温に等温的に加熱する。管２は、例えば石英からなる。
【００３９】
しかしながら、そのような誘導加熱炉は、変更せずにＤＵＲＡＮＣＥ装置で使用することができない。具体的には、ジルコニウム合金からなる（したがって、金属、ひいては非常に導電性のある要素である）被覆が、ペレットの中心と巻線との間に位置し、そのように結合するであろうため、加熱すべきサンプルの中心に挿入される抵抗器を誘導のためのサセプタ（一般にサセプタは、導電体からならねばならない）として使用することは想定不可能である。したがって、図１に示した加熱炉の構成では、被覆は金属るつぼと同じ方法で加熱されるであろう。
【００４０】
第１の誘導手段、場合によっては誘導巻線によって生成される電磁界を使用して中央抵抗システムを加熱することができるように、本発明で提案する解決策では、変圧器の原理を適応させる。
【００４１】
したがって、本発明による電磁界は、第１の誘導手段、場合によっては変換巻線と呼ばれる巻線（コイル）によって拾われる。次いで、この巻線は、抵抗器を流れるいわゆる誘導電流を生成する。この巻線は、管２の内部に配置され、誘導巻線に対して中心にある。
【００４２】
この装置によって実際、図１の加熱炉と同じ電源システムを維持することができる。装置はまた、例えば石英からなり、炉の密閉性を保証し、その物理化学的特性のために結合効果と相互作用しない管２を保持することができる。
【００４３】
したがって、図２は、チャンバ２０内に、抵抗器６０と、誘導巻線３１と呼ばれる第１の巻線と、変換巻線３２と呼ばれる第２の巻線とを含む本発明の装置を示す。加熱すべきサンプル１００は、図３ａおよび図３ｂに示した被覆８０および絶縁体１０１によって取り囲まれ、抵抗器６０は、サンプル１００の中心を貫通する。温度測定のために、熱電対６１も設けられる。変換巻線３２は、熱が巻線３２から抵抗器６０に確実に伝導されるように抵抗器６０に機械的に連結される。
【００４４】
誘導巻線３１は、それらの間で２ｍｍの最小間隙ｄを有する少なくともいくつかの巻線要素を含む。示した例では、コイル要素の一部分のみがこの最小間隙を有するが、誘導巻線３１のすべてに対して同じ最小間隙を有することは全く可能である。
【００４５】
絶縁体１０１は、例えば、サファイア、ガラスまたはダイヤモンドの透明材料からなる。
【００４６】
この構成によって、オンラインおよび現場でサンプルの変形の測定を行うために光学装置が被覆に到達することができ、ひいては、変形を実験パラメータに関係付けることができ、これによって、遊びにおける物理的効果をさらによく理解することができる。
【００４７】
したがって、本発明の装置は、誘導結合によって、金属要素、すなわち抵抗器６０を加熱し、次いで抵抗器６０の抵抗加熱によって、ペレットの内部を加熱することを可能にする。
【００４８】
このように燃料ペレットのスタック内をより一様に加熱させるために、結合巻線を有利に２倍にして、両側の２つの金属要素を誘導によって加熱してもよい。
【００４９】
抵抗加熱システムの熱検証
一般に、ＤＵＲＡＮＣＥ装置は、既知で、予め設定された半径方向の熱勾配を照射核セラミック内に生成することを目的とする。想定される概念を検証するために、本出願人は、Ｃａｓｔ３ｍにおいて、本発明の装置の熱挙動をモデル化した。このモデル化によって、最初に、できる限り単純なパラメータの検討により、ペレット内の半径方向勾配の存在を確認することができ、かつ所望の熱勾配を得るのに必要な絶縁体の性質および幾何形状を特定することができた。この解析は、単純化されたＤＵＲＡＮＣＥモデル（幾何モデルの定義、熱モデルの定義など）を得るためになされた仮定を詳述する。得られた結果は、概念が有効であるか否かを結論付けるために必要な目的と比較した。３つのペレットからなるスタックについてＤＵＲＡＮＣＥ装置を最初に線対称にモデル化し、次いで、２つの端部ペレットのエッジ効果を無視することによって中央の１つのペレットのみについてモデルをさらに単純化することを決定した。底面および上面（断熱状態）を介する熱交換はないと考える。図３ａおよび図３ｂは、中央抵抗器６０からの断面に示した様々な要素を示す。より正確には、図は、サンプルの中心からペレット外部に、２つのチョック１０２の間に配置された燃料１００、被覆８０、および絶縁体１０１を示す。また、ペレットと被覆との間、および被覆と絶縁体との間には遊びはないと考える。これらの要素間の接触は完全であると考えるため、ただ１つの伝熱モード、すなわち伝導を考える。
【００５０】
冷却回路は、図４に示したように交換器を流れる水の温度に対応して、２０℃に設定された温度によってモデル化され、熱モデルによれば、図４は、注入された単位体積当たりの出力Ｐｉｎｊと、２つの断熱面Ａｄｉａ間の様々な材料（ペレット、被覆、絶縁体）の間のほぼ完全な伝導Ｃｐとを示す。
【００５１】
熱勾配および演繹的で適切な加熱原理が得られたことを検証することができるこの熱モデルに基づいて、本出願人は、一般原理およびアセンブリの正常動作を検証し、特に抵抗加熱と、様々な絶縁体および冷却システムの使用によって熱勾配が生成されることと、変形の光学測定を行うことができることとを検証するために、プロトタイプを作製した。
【００５２】
このプロトタイプの作製を可能にするために、様々な要素が必要であった。
−過度に変形することなく所望の温度に到達可能にする抵抗器６０
−抵抗器を受けるために穴が開けられた、サンプルとしてのペレット
−穴が開いた３つのペレットの高さのジルカロイ４（ジルコニウム）被覆８０および端部チョック
−１組の透明絶縁体１０１
−誘導電流を抵抗器に流すための変換巻線３２と、誘導巻線３１との２つの巻線
−絶縁体の外部温度を水の流れ温度（すなわち２０℃）に設定するために透明なターゲット窓４１を備えた熱交換器４０
【００５３】
図５は、これらの要素、すなわちタングステンの中央抵抗器６０、被覆８０、２つのチョック１０２の間に挿入された３つの燃料ペレット１００、絶縁体１０１および水交換器４０を示し、これらの様々な要素は次いで、相互に嵌合し、冷却回路によって被覆を冷却しながら、巻線を使用して燃料ペレットを加熱することができる完全なシステムを形成する。
【００５４】
絶縁体１０１は、例えば、サファイア、ガラスまたはダイヤモンドの透明材料からなる。
【００５５】
交換器４０は、透明な開口部４１、例えば、窓に合わせて機械加工された、交換器内のスリットを含む。
【００５６】
このように形成されたアセンブリは、変換巻線３２に組み込まれる。
【００５７】
このように形成されたアセンブリを石英管２に組み込み、それによって、図１の加熱炉を発展させ、かつ、サンプル、および前記サンプル内に高い温度勾配を生成するための装置を含むアセンブリであって、
−前記サンプルが配置されるチャンバと、
−前記サンプルを貫通する抵抗器と、
−電磁界を生成するための、チャンバの周囲にある第１の誘導手段と、
−抵抗器に接続され、誘導電流を前記抵抗器に流すために前記電磁界を拾うことができる第２の誘導手段と
を含むアセンブリを発展させてもよい。
【００５８】
次いで誘導巻線３１は、変換巻線３２に結合し、変換巻線３２は、サンプル１００を貫通するタングステン抵抗器６０によって短絡している。変換巻線３２、誘導巻線３１および交換器４０は、すべて水冷式である。
【００５９】
図２に示した熱電対６１は、装置が起動している時の挙動を観察するために抵抗器に接触して取り付けられている。
【００６０】
図６は、抵抗器に適用されるような温度サイクルを示す。異なる３つの傾斜が適用され、傾斜Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３の間で４つの温度平坦域（１０００℃、１３００℃、１６００℃および２０００℃）が維持された。曲線Ｃ９は、サセプタの温度に関係する。抵抗器の温度は、極めて短い時間２０００℃の温度に意図的に制限される。
【００６１】
これらの測定により、本発明で提案した加熱原理が検証され、必要範囲の温度レベルを有する多少急速な温度傾斜が可能になる。
【００６２】
サンプルが受ける変形をオンラインおよび現場で測定するのに適し、この測定が作業環境の極端な状態で行われるのに適した本発明によるアセンブリによって、温度勾配をサンプルの内部と外部との間に生成し得ることが理解される。
【００６３】
そのようなアセンブリの１つの可能な用途は、核燃料の品質認定である。
【００６４】
他の用途は、極端な状態の、または材料を加熱し、オンラインおよび現場で狭い空間において、その変形を測定し得ることが重要な場合の、他の材料を品質認定することである。
【符号の説明】
【００６５】
１  るつぼ
２  管
３  誘導巻線
２０  チャンバ
３１  誘導巻線
３２  変換巻線
４０  交換器
４１  ターゲット窓
６０  抵抗器
６１  熱電対
８０  被覆
１００  サンプル
１０１  絶縁体
１０２  チョック
ｄ  距離
Ｐｉｎｊ  注入された単位体積当たりの出力
Ａｄｉａ  断熱面
Ｃｐ  伝導
Ｔ２０℃  温度２０℃
Ｒ１  傾斜
Ｒ２  傾斜
Ｒ３  傾斜
Ｃ９  曲線
【図１】
2015072271.tif 000003
【図２】
2015072271.tif 000004
【図３ａ】
2015072271.tif 000005
【図３ｂ】
2015072271.tif 000006
【図４】
2015072271.tif 000007
【図５】
2015072271.tif 000008
【図６】
2015072271.tif 000009
【外国語明細書】
2015072271000001.pdf