(57)【要約】  本発明は、金属管状体（３）を形成する金属層と、該金属管状体を被覆するセラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層とを備える多層管状部（１）に関し、該セラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層のうちの一方は、該金属管状体の内側面を被覆して内側管状体（４）を形成し、一方、該セラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層のうちの他方は、該金属管状体の外側面を被覆して外側管状体（２）を形成し、それによって、該金属管状体は、該内側管状体と外側管状体との間に挟まれる。該金属管状体は、金属または金属合金で作られる。そして、該金属管状体は、該内側管状体および外側管状体の平均厚さよりも小さい平均厚さを有する。前記管状部は、特に、核燃料被覆管を製造するのに有用である。
2014526045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管状体（３）を形成する金属層と、前記金属管状体を被覆するセラミックマトリックス複合材料から成る２つの層とを備える、多層管状部（１）であって、前記セラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層のうちの一方が、前記金属管状体の内側面を被覆して内側管状体（４）を形成し、一方、前記セラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層のうちの他方が、前記金属管状体の外側面を被覆して外側管状体（２）を形成し、それによって、前記金属管状体は、前記内側管状体と前記外側管状体との間に挟まれ、前記金属管状体は、前記内側管状体および前記外側管状体の平均厚さよりも薄い平均厚さを有する多層管状部。
【請求項２】
金属管状体（３）は、前記多層管状部の平均厚さの５％と２０％の間の平均厚さを有する、請求項１に記載の多層管状部。
【請求項３】
前記金属管状体（３）は、ニオブおよびその合金、タンタルおよびその合金、タングステンおよびその合金、チタンおよびその合金から選択された材料で作られる、請求項１に記載の多層管状部。
【請求項４】
前記内側管状体および外側管状体は、Ｃｆ／Ｃ，Ｃｆ／ＳｉＣまたはＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料で作られる、請求項１に記載の多層管状部。
【請求項５】
閉じたキャビティを有し、および請求項１〜請求項４のいずれかで定義される多層管状部（１）を備えた管状構造（１０）であって、前記多層管状部は、１つまたは２つの開口端部と、各開口端部のための少なくとも１つのカバー（７；８）とを備え、各カバーは、１つの開口端部を完全に密閉するように前記開口端部に配置され、各カバーは、前記多層管状部の前記金属管状体に固着されるように意図された金属または金属合金で作られた内側層と、必要に応じて、前記多層管状部の前記外側管状体に固着されるように意図されたセラミックマトリックス複合材料で作られた追加的な層とを備え、前記構造の前記閉じたキャビティは、前記多層管状部の内壁によって、および各カバーの内壁によって画定される、管状構造。
【請求項６】
多層管状部（１）は、各開口端部に、前記金属管状体が前記外側管状体によって覆われていない環状領域を備え、および各カバーは、側縁部に接続された底部で形成され、前記側縁部は、前記環状領域を覆うように適合されている、請求項５に記載の管状構造。
【請求項７】
前記構造は、核燃料と、放射線下で前記核燃料によって放出される核分裂ガスとを封じ込めることができる核燃料被覆管である、請求項５または請求項６に記載の管状構造。
【請求項８】
５０マイクロメータと２００マイクロメータとの間の平均厚さを有する、請求項７に記載の管状構造。
【請求項９】
請求項５〜請求項８のいずれかで定義される管状構造（１０）の閉じたキャビティ内に格納された核燃料（５）を備える核燃料要素（１００）。
【請求項１０】
請求項１〜請求項４のいずれかで定義される多層管状部（１）を製造するためのプロセスであって、以下の一連のステップ、すなわち、
ａ）セラミックマトリックス複合材料で作られた管状体を設けて、内側管状体（４）を形成するステップと、
ｂ）内側管状体（４）上に金属管状体（３）を形成するステップと、
ｃ）以下の一連のステップ、すなわち、
‐前記金属管状体の外側面に、連続繊維から成る繊維プレフォームを仕上げるステップと、
‐前記プレフォーム内にマトリックスを形成することによって前記プレフォームの緻密化を引き起こす処理を施すステップであって、前記処理は、前記プレフォームの劣化温度よりも低く、前記金属管状体の劣化温度よりも低く、および前記内側管状体の劣化温度よりも低い温度で実施されるステップと、
を実施することによって、前記金属管状体上に外側管状体（２）を形成するステップと、
を備えるプロセス。
【請求項１１】
ステップａ）は、以下の一連のステップ、すなわち、
‐連続する繊維から成る繊維状プレフォームを円筒形支持要素上に仕上げるステップと、
‐前記プレフォーム内にマトリックスを形成することにより、前記プレフォームの強固化を引き起こす処理を施すステップであって、前記処理が、前記プレフォームの劣化温度よりも低く、かつ前記支持要素の劣化温度よりも低い温度で実施されるステップと、
‐前記支持要素の材料の接触面の、前記強固化されたプレフォームに対する化学的攻撃により、前記支持要素を前記強固化されたプレフォームから取り除くステップと、
‐前記強固化されたプレフォームの劣化温度よりも低い温度で、前記強固化されたプレフォームを圧縮するステップと、
を備える、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
ステップｂ）は、前記内側管状体の外側面への金属層または金属合金層の気相堆積を備える、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
ステップｂ）は、以下の一連のステップ、すなわち、
‐内側管状体（４）を、金属または金属合金製のチューブに挿入するステップと、
‐この金属チューブを、内側管状体（４）の前記外側面に固定するステップと、
‐このようにして形成された部分を、必要に応じてアニーリングするステップと、
を備える、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１４】
ステップａ）とステップｂ）との間に、前記内側管状体の粗度を低減するための前記内側管状体の表面の表面処理ステップをさらに備える、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１５】
請求項５〜請求項８のいずれかで定義される管状構造（１０）を製造するためのプロセスであって、請求項１１〜請求項１５のいずれかで定義されるプロセスの後に続く多層管状部（１）の製造と、前記開口端部の各々にカバー（７；８）を配置し、および前記カバーを金属管状体（１）上に固定することによる、多層管状部（１）の前記開口端部の密閉とを備え、各カバーが、金属または金属合金で作られた内側層と、必要に応じて、セラミックマトリックス複合材料で作られた追加的な層とを備えるプロセス。
【請求項１６】
前記多層管状部の開口端部の各々に、前記金属管状体が前記外側管状体によって覆われていない環状領域を備え、各環状領域は、前記環状領域に対応する前記開口端部にカバーを固定するとき前記カバーの金属内側層によって完全に覆われるような前記多層管状部を形成することを備える、請求項１５に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックマトリックス複合材料で作られた部材の分野に関する。具体的には、本発明は、原子炉用の燃料要素の分野に、およびより具体的には、核燃料のための改良されたクラッディング、そのようなクラッディングを用いた原子炉燃料棒およびその製造方法に関する。
【０００２】
前記改良された燃料被覆管は、一例として、ＧＦＲ（Ｇａｓ−ｃｏｏｌｅｄ  ｆａｓｔ  ｒｅａｃｔｏｒ：ガス冷却高速炉）型の第４世代原子炉におけるピンまたは棒形状の燃料要素を作るのに用いることができる。
【０００３】
また、該燃料被覆管は、ＰＷＲ（ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ  ｗａｔｅｒ  ｒｅａｃｔｏｒ：加圧水型原子炉）、ＢＷＲ（ｂｏｉｌｉｎｇ  ｗａｔｅｒ  ｒｅａｃｔｏｒ：沸騰水型原子炉）またはＳＦＲ（ｓｏｄｉｕｍ−ｃｏｏｌｅｄ  ｆａｓｔ  ｒｅａｃｔｏｒ：ナトリウム冷却高速炉）等の他の原子炉にも用いることができる。
【背景技術】
【０００４】
セラミックマトリックス複合材料（ｃｅｒａｍｉｃ  ｍａｔｒｉｘ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｍａｔｅｒｉａｌ：ＣＭＣ）は、原子炉分野における用途のための中性子流および高温下でのその良好な性質に加えて、その低密度、特に硬度に関する優れた機械的特性、強靭性、耐摩耗性、および機械的および熱的衝撃に対する耐性のため、特に数多くの分野で高く評価されている。「高温」というのは、通常の材料（高速スペクトル原子炉の場合の鋼鉄や熱スペクトル原子炉の場合のジルコニウム合金）の熱機械的挙動が、その温度以上でもはや要件を満たしていない温度のことである。これは、公称作動条件下で４００℃〜６００℃程度の温度、および事故時作動条件下で１０００℃〜１２００℃程度の温度に相当する。例えば、ＧＦＲの場合、通常の作動条件の目標とされる動作温度は、偶発的過渡状態には１０００℃や１６００℃に、さらには２０００℃にも達する。
【０００５】
この点においては、ＣＭＣ材料が、繊維状セラミック構造によって補強されているセラミックマトリックスで形成されており、その繊維状セラミック構造の上には、相間材料が配置され、該相間材料の主な役割は、機械的応力を受けている該マトリックス内に生じたクラックを偏向させることであることが想起され、すなわち、該マトリックスと該繊維は、炭素（炭素は、この文脈においては、セラミック材料であると見なされる）を含む公知のいずれかのセラミック材料中にある可能性があり、該相間材料は、通常、熱分解炭素である。
【０００６】
実例として、このような材料は、ブレーキディスクを製造する航空機産業で、または、高温で作動する炉の製造に関連する部材のために用いられ、また、該材料は、ガスタービン用部材の製造においても用途が与えられており、そして最後に、これは、この特許に関係する第１の適用であり、該材料は、原子炉の燃料要素および制御棒のための被覆材の製造に用いられている。
【０００７】
しかしながら、これらの数多くの利点にもかかわらず、ＣＭＣ材料には、１つの大きな欠点があり、すなわち、該材料は、潜在的な全動作範囲にわたって密封されない。そのため、それらの材料は、その潜在的な全動作範囲にわたって、気密性に関して何の保障も与えないため、特に、核燃料被覆管または熱交換管の場合のような圧力室または加圧導管としての利用には適合しない。例えば、その被覆が、動作時に生成される放射性生成物に対する第１の格納バリアを構成する原子炉燃料要素の場合、廃棄前の密封性の不足のリスクが明らかに、ＣＭＣ材料を理論上、そのような用途に適さず、および原子力安全局にとって容認できないものにするという大きな欠点になる。
【０００８】
この特許にとって大きな課題である気密封止の要件に関するＣＭＣ材料の固有の挙動が図１に明確に示されている。図１は、（Ｘ軸に沿った）歪みと応力（Ｙ軸）の関係を示す図における一軸引張試験を受けたＳｉＣｆ／ＳｉＣタイプ（炭化ケイ素中の繊維構造で補強された炭化ケイ素マトリックス複合材料）のＣＭＣ材料の機械的挙動を示す。この図は、ここで試験したＳｉＣｆ／ＳｉＣタイプのＣＭＣ材料が、３００ＭＰａ程度の極限応力に対して、０．９％程度のかなりの破断点伸びを有しているが、伸びが０．０４％程度で、弾性限界が８０ＭＰａ程度の大幅に低減された線形弾性を有していることを証明している。ＣＭＣ材料は、それらの弾性限界を超えて、多数のクラックの発現と言い換えられるいわゆる「多重マトリックスクラッキング」といわれる損傷モードを特徴とする。この最も具体的なメカニズムは、ＣＭＣ材料を、セラミックの場合の破断点伸びのかなりの割合に十分に達することを可能にするが、この弾性限界を超える気密性を維持する前記材料の期待を無効にする。
【０００９】
（図１に基づく）上述した値を、通常、核燃料被覆管に要求される動作条件、例えば、最も極端なサイジング条件下の、０．２〜０．５％の伸びおよび１００ＭＰａ以上、場合によっては２００ＭＰａに達する応力と比較した場合、ＣＭＣクラッディングは、安全規則によって厳格に定められている気密性の要件を単独で満たすことができないことが明らかになっている。
【００１０】
文献として入手可能ないくつかの研究においては、セラミックマトリックス複合材料で作られた部材の気密封止範囲を延ばすことを可能にするプロセスの開発について発表がされている。
【００１１】
実例として、その参考文献を、この説明の最後に示してある文献［１］〜［３］は、セラミック層で被覆されたＣＭＣ材料で作られた管で構成された（文献［１］および［３］の場合）、または、内側セラミック層と外側セラミック層との間に挟まれたＣＭＣ材料で作られた管で構成された（［２］）核燃料被覆管の製造について記載している。
【００１２】
しかし、（１メートル以上、場合によっては、４メートルに達する）通常の長さの核燃料被覆管を覆うモノリシックのセラミック層を得ることは特に困難である（文献［２］は、後に組立てなければならず、そのことが、最終的なコンポーネントを脆弱にするというリスクを伴う部分の製造について実際に言及している）ということに加えて、文献［１］〜［３］に記載されている該被覆材の気密封止は、形成された多層の線形弾性範囲内、および具体的には、都合の悪いことにかなり低減される、使用するセラミックの弾性範囲内でのみ有効である。すなわち、これは、クラックが該多層内で、およびより具体的には、（その線形弾性強度を超える機械的衝撃または損傷の後の）気密シールを保障する該モノリシックのセラミック内で生じると、その気密シールは喪失し、該被覆材は、透過性を有するようになる。そのため、例えば、文献［２］の図１１について考察する場合、気密シールを保障する内側のモノリシックのセラミックの不具合が、遅くとも（「応力対歪み」曲線の最大値に相当する）０．２％程度の伸びを伴って発生することに留意されたい。実際には、その最高の強度性能にもかかわらず、文献［２］で提案されている多層は、核燃料要素のための仕様を満たすことができず、その仕様は、０．２％の歪みを確実に超えて拡がる全作動範囲にわたって保障されることを該被覆材の気密シールに要求する。
【００１３】
また、（核燃料の特定の分野を別として）圧力導管または圧力室の製造の場合、内側が、金属層とともにＣＭＣ材料で覆われた構造を用いることが知られている（文献［４］および［５］）。しかし、核燃料要素のための被覆材としての適用の場合、前記解決策には、様々な欠点がある。
【００１４】
一般に、気密シールを確実にする該金属層の内側での位置決めは、燃料による攻撃、すなわち、該燃料の周辺の高い運動エネルギーによって生成された核分裂生成物の、１０マイクロメータ程度の深さにわたる注入と、該燃料および／または該核分裂生成物との熱化学反応による該金属層の腐食とに敏感にする。
【００１５】
より具体的には、（ＧＦＲおよびＢＷＲにおいては、７０バール程度の、およびＰＷＲにおいては、１５５バール程度の）加圧冷却を用いた原子炉の場合に関して、二層クラッディング（外側の機械的強度を保障するＣＭＣ層と、内側の気密シールを保障する金属層）は、該ＣＭＣ層の気密封止の喪失によって引き起こされる可能性のある、該内側金属層の崩壊のリスクを伴っており、そのことは、その多重クラッキングにより、（理論的には、燃料要素充填ガスの内圧よりも、少なくとも放射の開始時においてより高い）冷却剤の外圧を、該内側金属層に直接、印加することを可能にして、好ましくは、クリープタイプのメカニズム（核燃料の分野において「クリープダウン」として知られ、クリープの原因は、高温と、中性子照射とに関連している）を介した該金属層の過剰な変形をもたらすであろう。
【００１６】
したがって、（我々の知る限り、現時点では、まだ実施されていない）核燃料に対するこの解決策の適用は、該金属層に対して、分厚い厚みの使用を要するであろうし、それによって、（耐熱金属の中性子吸収のため）金属材料の選択肢を大幅に制限するであろう。
【００１７】
上記の観点から、本発明の目的は、従来の実施形態に関連する上述した欠点を少なくとも部分的に克服することである。具体的には、本願発明者等は、従来技術による管状部と比較して、さらに改良された気密封止を有するＣＭＣ材料で作られた管状部であって、この管状部が、核燃料用のクラッディングとして使用できる該管状部を設計するという目的を自身に設定した。より具体的には、本願発明者等は、ＣＭＣで作られた管状部の気密封止の範囲を、前記材料の弾性限界を超えて、好ましくは、前記ＣＭＣ材料の降伏点まで伸ばそうと努力した。
【発明の概要】
【００１８】
この目的は、金属管状体を形成する金属層と、該金属管状体を被覆するセラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層とを備える多層管状部であって、該セラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層のうちの一方が、該金属管状体の内側面を被覆して内側管状体を形成し、一方、該セラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層のうちの他方が、該金属管状体の外側面を被覆して外側管状体を形成し、それによって、該金属管状体は、該内側管状体と外側管状体との間に挟まれ、該金属管状体は、該内側管状体および外側管状体の平均厚さよりも薄い平均厚さを有することを特徴とする多層管状部を第一に提案する本発明によって達成される。
【００１９】
該金属管状体は、金属で、または金属合金で作ることができる。
【００２０】
上記においては、および本願明細書の残りの部分においては、セラミックマトリックス複合材料が、繊維強化材を備えた材料であることが明確に記述されている。
【００２１】
該多層管状部の断面は、円形、楕円形、六角形、正方形等にすることができるが、円形断面が好適である。
【００２２】
該内側管状体および外側管状体は、必ずしも１つの同じ「材料」で作られてはいないことが明確に記述されている。この点においては、該内側管状体および外側管状体が、それによって単に「材料」というよりも、むしろ「構造」（すなわち、材料、配置およびプロセスの組合せ）であるＣＭＣであるため、該内側管状体および外側管状体が、１つの同じ「材料」で作られていると言われる場合、これは、それらの管状体は、同じマトリックス（同じ化学組成、同じ作製法）を用いて、補強部を形成する（２次元、３次元編み、繊維巻取り等の）同じ方法で組み合わされた、同じ相間（同じ化学組成、同じ厚さ、同じコーティングプロセス）で被覆された同じ種類（同じ化学組成、同じ直径）の繊維を用いた同じプロセスに従って得られることを意味することに留意することが重要である。そのため、一方において（ａ  ｃｏｎｔｒａｒｉｏ）、同じ繊維および同じマトリックスで形成されているが、そのプレフォーム（ＰＲＥＦＯＲＭＥ）は、異なって（例えば、一方は、繊維の巻取りにより、他方は、繊維の２次元編みにより）形成される２つのＣＭＣ材料は、２つの異なる材料であると考えられるであろう。
【００２３】
好ましくは、該金属管状体は、該多層管状部の平均厚さの５％と２０％との間の平均厚さを有する。
【００２４】
本発明による多層管状部の気密封止は、高温に至るまで応力を受ける可能性があり、そのため、該管状部が、その気密シールを高温に至るまで維持できるようにするために、該金属管状体の構成材料の選択基準は、
‐該高温との適合性（溶融マージン、同素変態なし、維持された十分な機械的特性）および、
‐該内側管状体および外側管状体の構成ＣＭＣ材料との熱化学的適合性となる。
【００２５】
該内側管状体および外側管状体の構成材料の選択基準に関しては、該金属管状体の選択基準と同じであり、該選択基準に、該内側管状体および外側管状体に接触することが意図されている媒体（流体または固体）との熱化学的適合性の基準が加えられる。
【００２６】
そのため、好ましくは、該金属管状体は、ニオブおよびその合金、タンタルおよびその合金、タングステンおよびその合金、チタンおよびその合金から選択された材料で作られる。ニオブ合金使用の例の場合、Ｎｂ−１ＺｒまたはＮｂ−１Ｚｒ−０，１Ｃで形成することができ、タングステン合金として、Ｗ−５Ｒｅを用いることができる。実際には、金属材料の選択は、その仕上げ（ＥＬＡＢＯＲＡＴＩＯＮ）の条件に耐えるような該管状部に対する要求によっても決まる。以下を見て分かるように、本発明により提案された製造プロセスは、選択された金属材料は、（前記金属層に施されるように設計された）外側ＣＭＣを仕上げるための条件、すなわち、例えば、場合によっては１０００℃にも達する該外側ＣＭＣの製造条件に耐えることができなければならないことが要求される。
【００２７】
該内側管状体および外側管状体は、好ましくは、Ｃｆ／Ｃ，Ｃｆ／ＳｉＣまたはＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料で作られている。
【００２８】
前述したように、ＣＭＣ材料は、この弾性限界を超えて、多重クラッキングを受けるため、対象となる該ＣＭＣ材料の線形弾性の範囲に対応する非常に狭い範囲にわたる気密シールを有するだけである。本発明による該多層管状部の具体的な配置は、該管状部の気密封止を、単にその弾性範囲内だけではなく、該ＣＭＣ材料の破壊点まで維持できるようにする。
【００２９】
そのため、例えば、ＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料を該内側管状体および外側管状体に用いた場合、図１を参照すると、３００ＭＰａ程度の極限応力に対して０．９％程度であるＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料の極限伸び限界（本発明によって達する可能性のある気密封止の範囲がハッチングで示されている）まで気密封止を維持することが可能である。
【００３０】
本発明の該多層管状部は、その部分の該内側面と該外側面との間に圧力差があり、およびその結果生じる機械的負荷が、該内側管状体および外側管状体の一方または両方の多重クラッキングを引き起こす場合でも、２つの媒体（流体または固体）（一方は、該管状部の外側に存在し、他方は、該管状部の内側に存在している）の気密分離を確実にできる。該内側管状体および外側管状体にクラックが生じた場合、該管状体は、その気密シールを喪失するが、その機械的強度は維持する。したがって、それらの管状体は、該金属管状体の機械的完全性の維持を継続することができ、それに伴って、該多層管状部全体としての機械的完全性を保つことができ、その結果、該部分の気密封止は、該金属管状体に存在している。
【００３１】
該ＣＭＣ材料の機械的完全性に関しては、この材料の破断はないことを意味することが明記されている。
【００３２】
本発明の別のテーマは、閉じたキャビティを有する管状構造である。
【００３３】
この構造は、第一に、上記で定義されたような、１つまたは２つの開口端部を有する多層管状部と、第二に、各開口端部のための少なくとも１つのカバーとを備え、各カバーは、前記開口端部を完全に遮断するように該開口端部に配置され、各カバーは、該多層管状部の該金属管状体に固着されるように意図された金属または金属合金で作られた内側層と、必要に応じて、該多層管状部の該外側管状体に固着されるように意図されたセラミックマトリックス複合材料で作られた追加的な層とを備え、該構造の該閉じたキャビティは、該多層管状部の内壁によって、および各カバーの内壁によって画定されている。
【００３４】
好ましくは、該多層管状部は、各開口端部に、該金属管状体が該外側管状体によって覆われず、および各カバーが、側縁部に接合された底部で形成されている環状領域を備え、前記側縁部は、前記環状領域に重なるように適合されている。
【００３５】
該構造は、有利には（ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓｌｙ）、核燃料と、放射線下でこの核燃料によって放出される核分裂ガスとを封じ込めることが可能な核燃料被覆管である。この場合、該金属管状体は、好ましくは、５０〜２００マイクロメータの平均厚さを有する。
【００３６】
核燃料要素の該被覆管の場合の、該金属管状体の構成材料の選択基準は、
‐放射線との適合性（小さな中性子捕獲断面積と、（温度スペクトルで５０ｄｐａ（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ  ｐｅｒ  ａｔｏｍ）以上および高速スペクトルで１００ｄｐａ以上の）高放射線量まで維持された十分な機械的特性（すなわち、炉のサイジングに関するシステム障害がない））、
‐高温との適合性（溶融マージン、同素変態なし、維持された十分な機械的特性）、
‐該内側管状体および外側管状体の構成物質であるＣＭＣ材料との熱化学的適合性、
‐該開口端部におけるカバーとの接合によって、気密封止を得られるようにする溶接性である。
【００３７】
該内側管状体および外側管状体の構成材料の選択基準は、放射線および高温との適合性に関しては、該金属管状体の場合と同じであるが、熱化学的適合性の基準は、該内側管状体の場合の燃料生成物および核分裂生成物との反応、および該外側管状体の場合の冷却剤およびその不純物との反応に関する要件によって広がる。
【００３８】
そのため、該多層管状部の該金属管状体の場合の上記の好適な材料、すなわち、ニオブとその合金、タンタルおよびその合金、タングステンおよびその合金、チタンおよびその合金と、該内側管状体および外側管状体の場合の上記の好適な材料、すなわち、Ｃ／Ｃ，Ｃ／ＳｉＣまたはＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料は、十分に適している。
【００３９】
本発明の別のテーマは、上記で定義されたような管状構造の閉じたキャビティ内に格納された核燃料を収容できる核燃料要素である。該核燃料は、核燃料ペレットの形態（酸化物、炭化物、窒化物状等のウランおよび／またはプルトニウムおよび／またはトリウム）にすることができ、したがって、該核燃料要素は、ロッドまたはピンにすることができる。
【００４０】
また、本発明は、上記で定義されたような多層管状部を製造するためのプロセスに関し、該プロセスは、以下の一連のステップ、すなわち、
ａ）セラミックマトリックス複合材料で作られた管状体を設けて、該内側管状体を形成するステップと、
ｂ）該内側管状体上に該金属管状体を形成するステップと、
ｃ）以下のステップ、すなわち、
‐（例えば、繊維編みにより）該金属管状体の外側面に、連続繊維から成る繊維プレフォームを作製するステップと、
‐前記プレフォーム内にマトリックスを形成することによって該プレフォームの緻密化を引き起こす処理を施すステップであって、該処理は、該プレフォームの劣化温度よりも低い温度、該金属管状体の劣化温度よりも低い温度、および該内側管状体の劣化温度よりも低い温度で実施されるステップと、
を実施することによって、該金属管状体上に該外側管状体を形成するステップと、
を含む。
【００４１】
「劣化温度」に関しては、該材料が、その温度以上で、対象とする用途における該材料の使用のためのルールに適合しない熱機械的挙動を呈する温度を意味する。極端に言えば、それは溶融温度であるが、有効な劣化温度は、たいていの場合は、それより低く、この点は、材料間の反応の起点にある熱化学的環境条件に依存する。そのため、核燃料被覆管に関しては、燃料生成物および核分裂生成物を伴う共晶構造について、または、場合により、特に（温度が（例えば、１０００℃を超えて）上昇し、および通常の条件下にないこと（例えば、該炉の一次回路の破損による空気、水または窒素の吸入）により考えられる寄与が、熱化学反応に不利益をもたらすこと（例えば、高温での酸化または水素化）を潜在的に活性化させる可能性がある）偶発的状況下で、熱交換流体によって誘発される分離反応について考慮しなければならない。
【００４２】
ステップａ）に示されているように該内側管状体を得るために、市販の作製済みの管状体を利用することが可能である。また、該管状体を作ることを選択することも可能である。この場合、上記のプロセスのステップａ）は、以下の一連のステップ、すなわち、
‐連続繊維の繊維状プレフォームを円筒形支持要素上に作製するステップと、
‐該プレフォーム内にマトリックスを形成することにより、前記プレフォームの強固化を引き起こす処理を施すステップであって、該処理が、該プレフォームの劣化温度よりも低く、かつ該支持要素の劣化温度よりも低い温度で実施されるステップと、
‐該支持要素の材料の接触面の、該強固化されたプレフォームに対する化学的処理（ａｔｔａｑｕｅ  ｃｈｉｍｉｑｕｅ）により、該支持要素を該強固化されたプレフォームから取り除くステップと、
‐該強固化されたプレフォームの劣化温度よりも低い温度で、該強固化されたプレフォームを圧縮するステップと、
を備えることができる。
【００４３】
該強固化および緻密化は、ＣＶＩ緻密化、すなわち、高温の炉内で実行される、該繊維状プレフォーム内への該セラミックマトリックスの前駆体ガスの導入によって得ることができる。該温度の影響下で、および該繊維状プレフォームと接触すると、該前駆体ガスが分解されて、孔隙を充填する炭素化合物またはセラミック化合物（炭化ケイ素またはその他）を生成する。
【００４４】
緻密化および／または強固化は、ＰＩＰタイプのプロセスを用いて、すなわち、該前駆体ポリマーの高温での熱分解の後に、形成すべき該内側管状体のセラミックマトリックスの前駆体ポリマー溶液を含浸させることによって得ることができる。
【００４５】
該金属管状体を該内側管状体上に形成するには、実施するための２つの異なる方法がある。
【００４６】
第１の変形例によれば、ステップｂ）は、該内側管状体の外側面の金属または金属合金中への層の気相堆積を含む。
【００４７】
第２の変形例によれば、ステップｂ）は、以下の一連のステップ、すなわち、
‐該内側管状体を、金属または金属合金製のチューブに挿入するステップと、
‐この金属チューブを、該内側管状体の外側面に固定する（ｐｌａｑｕａｇｅ）ステップと、
‐このようにして形成された部分を、必要に応じてアニーリングするステップと、
を備える。
【００４８】
該金属管状体は、当業者に知られている方法、例えば、冷間圧延法（好ましくは、ＨＰＴＲ圧延）、熱間圧延、延伸または押出によって製造することができる。冷間圧延法には、多くの金属および合金に適応するという利点がある。
【００４９】
該固定は、当業者に知られている方法、例えば、高温または低温延伸または磁気パルスによって実行することができる。
【００５０】
この製造プロセスは、ステップａ）とステップｂ）との間に、該内側管状体の粗度を低減するための該内側管状体の表面の表面処理ステップも備えることができる。これは、「芯なし研削」法を用いた、該複合チューブの外側面のダイヤモンド研削を必要とする。
【００５１】
また、ステップａ）とステップｂ）との間、およびステップｂ）とステップｃ）との間に、２つの隣接する管状体間の膨張率の違いに対する熱機械的適合性を確実にするように選択された材料でバッファ層を堆積するための堆積ステップを実施することも可能である。
【００５２】
また、本発明は、上記で定義されたような管状構造を製造するためのプロセスに関する。この管状構造の製造プロセスは、上述した多層管状部の製造プロセスの後に続いて、前記管状部の開口端部の各々にカバーを配置し、および前記カバーを該金属管状体上に固定することによって、前記管状部の一方または両方の開口端部を閉鎖する多層管状部の製造であって、各カバーが、金属または金属合金で作られた内側層と、必要に応じて、セラミックマトリックス複合材料で作られた追加的な層とを備える該多層管状部の製造を備える。
【００５３】
前記プロセスは、例えば、該多層管状部が、その開口端部の各々に、該金属管状体が該外側管状体によって覆われていない環状領域を備え、各環状領域は、前記環状領域に対応する開口端部にカバーを固定すると、該カバーの内側金属層によって完全に覆われるような該多層管状部の形成を備えることができる。
【００５４】
この環状領域は、ステップｃ）において、該金属管状体の長さよりも短い長さの外側管状体を形成することによって得ることができ、また、該環状領域は、該金属管状体の１つの開口端部または両開口端部に、露出した該金属層を残す環状部を有するように該外側管状体を形成するセラミックマトリックス複合材料で作られた該層の一部を取り除くことによっても得ることができる。この環状領域が得られた時点で、該カバーを該金属層の露出した部分に固定して、該カバーが、ＣＭＣで作られた外側層を備えている場合、ろう付け（ｂｒａｓａｇｅ）等の当業者に知られている方法を用いて、該カバーのＣＭＣ層を、該部分の外側ＣＭＣ層に固着することが可能である。
【００５５】
本発明による管状部の層の配置および特に特性は、多くの利点を該管状部に与えている。
【００５６】
第一に、（気密封止層として作用する）該金属層を、２つのＣＭＣ層間に配置することにより、このことは、２つの機械的補強部間に該気密封止層を保持することになり、該補強部は、それらの剛性により、第一に、該管状部に収容されている生成物（核燃料と、例えば、炉内の放射線下で、該核燃料によって放出された核分裂ガス）によって、および第二に、該管状部の外側にある生成物（例えば、必要に応じて加圧されている冷却剤）によって加えられる熱化学的応力から該層を保護し、それによって、該気密封止層の劣化につながる可能性のある過剰な変形のリスクに備えている。
【００５７】
特定の製造プロセスにより、該金属層は、それらの複合層によって幾何学的に応力を受け、および該金属層は、該複合層と比較して厚さが薄いため、最終的な部材の機械的強度において、極めて限られた役割のみを担っている。使用条件下では、より大きな厚みの該複合層によって、大部分の負荷が生じる。図１に示すように、この製造プロセスは、該部材が、単独で使用された該複合材料の弾性限界を超えて応力を受けることを可能にしており、該複合層は、該多層管状部が、その気密封止特性を喪失することなくクラックを生じる可能性がある。
【００５８】
加えて、該２つのＣＭＣ層に対する同一の材料という任意ではあるが好適な選択は、該２つのＣＭＣ層が、該２つのＣＭＣ層が囲んでいる該金属層の２つの面で大きな変形差を引き起こさないことを保障できることを意味する。該層は、該２つのＣＭＣ層と比較して薄いため、あまり耐久性がないことを忘れてはならない。
【００５９】
また、該金属層は、その周囲のＣＭＣ層と比較して薄いため、およびその非常に良好な熱伝導性のため、その両面間の温度差が小さい。
【００６０】
該管状部が核燃料被覆管として使用される特定のケースにおいては、該気密封止層（金属層）が、２つのＣＭＣ層間に配置されているため、該気密封止層は、それがそれらに対して「防護されている」該核燃料および核分裂生成物による熱化学的攻撃から保護される。該内側ＣＭＣ層の厚さと、該層の制御されたクラッキングとによって本質的に限定される、該内側ＣＭＣ層を介した核分裂生成物の潜在的な移動を除いて、事実上、直接的な接触はない。該内側ＣＭＣ層（内側管状体）上に保護層を配置することにより、該気密封止層をさらに保護することが可能であり、その場合、該ＣＭＣ層は、該燃料と直接接触することはない。この保護層は、当業者に知られている「固体多孔質ジョイント」タイプの層である。「固体多孔質ジョイント」タイプのこの層は、Ｃおよび／またはＳｉＣで作られた繊維状またはハニカム構造を有することができ、および機械的負荷を該被覆管に何ら加えることなく、該燃料の体積膨張の崩壊によって、該燃料から該被覆管への熱伝達の促進と、該燃料要素の軸方向端部に位置するガスプレナムへの、放出された核分裂ガスの運搬とに適応可能にする高気孔率を有することが可能である。この特定の配置によって、該気密封止層は、該燃料の周辺で生じた核分裂生成物によって引き起こされる物理的攻撃から保護され、該生成物の反跳は損傷を生じさせ、該損傷は、該内側ＣＭＣ層によって、また任意の保護層によっても吸収される。したがって、該金属層は、核燃料の放射によって生成された放射性生成物（場合によっては、アメリシウム、ネプツニウム、キュリウム等のマイナーアクチニドを含む、酸化物、炭化物、窒化物状等のウランおよび／またはプルトニウムおよび／またはトリウム）を格納することを特に要求されるその気密封止機能を満たしている。
【００６１】
また、該気密封止層は、２つのＣＭＣ層間に配置されているため、該冷却剤と、該気密封止層がそれから「隔離されている」該冷却剤の不純物とによる熱化学的攻撃から保護される。該外側ＣＭＣ層の厚さと、制御されたクラッキングとによって本質的に限定される、該外側ＣＭＣ層を介した不純物の潜在的な移動を除いて、直接的な接触はない。
【００６２】
そして、この金属層と、従来の閉塞手段（閉塞カバーおよび蓋）との間で、従来の溶接作業を実行することが可能であるため、実施例として提案された、該被覆管の、その端部における閉塞は、内側金属層を備えた被覆管と比較して容易になっている。
【００６３】
要約すると、本発明によって提案された該多層部の独創的な着想は、
‐通常の作用応力に対して、該部材（被覆管）の機械的強度を保障するようにサイジングされた該ＣＭＣ層によって、その２つの面に与えられた補強部を介して、該薄い金属層の機械的完全性を保障することにより、
‐（該燃料とその核分裂生成物による、および該冷却剤とその不純物とにもよる）熱化学的攻撃に対して、およびその２つの面に配置された該ＣＭＣ層によって与えられた保護部を介した物理的攻撃（該燃料の周辺で生成された核分裂片の反跳エネルギーによるダメージ）に対して、該薄い金属層の物理化学的完全性を保証することにより、
‐その開口端部における該部材の気密封止を容易にすることにより、
解体するまで、その気密封止機能を確実にすることを可能にしている。
【００６４】
本発明は、図面２、３ａ，３ｂが添付してある非限定的な実施例として示されている以下の説明を読めば、良好に理解され、およびその他の効果および態様が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】既に前述した図１は、一軸引張応力を受ける２次元編み管状ＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料の挙動を示し、その歪がＸ軸に沿って、応力がＹ軸に沿って示されている。このトラクション曲線は、約８０ＭＰａの応力および０．０４％の伸びに相当する歪みまで広がる弾性領域（応力と歪みの間の比例）を実証しており、該領域は、該複合材料の該気密シールがそこにわたって想定することができる通常の動作範囲を画定し、すなわち、それらの値を超えると、該マトリックスの多数のクラッキングが起きて、それによって、気密封止の喪失を引き起こす。また、図１は、３００ＭＰａ程度の応力および０．９％程度の伸びの場合の該複合材料の降伏特性も実証している。そして、図１は、該複合材料の、核燃料被覆管としての機械的利用に関する通常の範囲を示し、応力は、場合によっては、２００ＭＰａ程度に達し、また、歪は、０．５％程度に達する。核燃料要素の被覆管は、その気密シールと、何らかのサイジング状況における機械的完全性とを維持しなければならないため、その挙動が図１に示されている該材料は、（該被覆管の破裂または過剰な変形がないという点における）機械的完全性に関する要件を満たしているが、使用範囲よりも大きく制限されているその弾性範囲に関する気密封止の要件を満たしているだけである。本特許の目的は、この種の物体の機械的使用範囲を超えて、セラミックマトリックス複合材料（具体的には、ＳｉＣｆ／ＳｉＣ）で作られた該核燃料被覆管の気密封止の範囲を広げることであり、該図には、斜線を用いて、（使用可能／使用／目標とする）３つの領域が図示されている。
【図２】図２は、本発明による多層管状部の軸方向断面を概略的に示す。
【図３ａ】図３ａおよび図３ｂは、それぞれ、本発明による多層管状構造の内部に核燃料を配置することによって得られた、本発明による核燃料被覆管の軸方向断面と長手方向断面を示す。
【図３ｂ】図３ａおよび図３ｂは、それぞれ、本発明による多層管状構造の内部に核燃料を配置することによって得られた、本発明による核燃料被覆管の軸方向断面と長手方向断面を示す。
【００６６】
図２、図３ａおよび図３ｂにおいては、異なる管状体の厚さは、縮尺通りに描かれていないことに留意すべきである。該金属管状体の視覚化をよくするために、その厚さは、実際には、それよりもかなり厚い該内側管状体および外側管状体の厚さと同等に図示されている。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
図２を参照すると、本発明の管状部１は、金属管状体３に重なっている外側管状体２を形成する、ＣＭＣ材料で作られた外側層を有し、その金属管状体自体は、内側管状体４を形成する、ＣＭＣ材料で作られた内側層に重なっている。
【００６８】
好ましくは、この管状部は、核燃料を収容して燃料要素１００を形成することが意図されている核燃料被覆管１０を形成するのに用いることができる。
【００６９】
この場合、該核燃料は、図３ａに図示されているように、管状部１内に配置される。内側管状体４と核燃料５との間に図示されている空間は、ガス状媒質に相当し、または、その機能が、具体的には、
‐崩壊することにより（ＰＡＲ  ＳＯＮ  ＥＣＲＡＳＥＭＥＮＴ）、何らかの機械的負荷が該被覆管に印加されることなく、該燃料の体積膨張に適応することと、
‐該燃料から該被覆管への熱伝達を促進することと、
‐放出された核分裂ガスを、該燃料要素の軸方向端部に位置するガスプレナムの方へ運ぶこと、
である多孔質固体界面ジョイントに相当する。
【００７０】
そのため、本発明の該多層管状部は、２つの開口端部（他方の端部は、盲端部である）または１つの開口端部を有することができる管状体またはチューブで形成されている。
【００７１】
核燃料被覆管１０を得るためには、核燃料５は、密封されたエンクロージャ内に収容しなければならず、そのため、管状部１の該開口端部を密封しなければならない。
【００７２】
図３ｂに示すように、本発明によって提案された、管状部１の該開口端部を閉塞する１つの方法は、該開口端部の近傍に環状領域を設けることであり、そこでは、該金属管状体は、該外側管状体によって覆われておらず、したがって、該金属層は、該管状部の該開口端部の周辺でアクセス可能である。この領域は、外側管状体２を形成する該外側層の一部を取り除くことによって得ることができる。その結果、必要なことは、該環状領域内の該金属管状体の該金属層を覆うように、および該金属管状体を閉塞するように、第１の金属カバー６を、管状部１の２つの開口端部に配置することである。この閉塞は、第１のカバー６の金属壁部と該環状領域との間に溶接部８を形成することによって該環状領域にこの第１のカバー６を固着することにより得ることができる。そして、ＣＭＣ材料で作られた外側管状体２を閉塞するために、ＣＭＣ材料で作られた第２のカバー７を、第１のカバー上に配置することができる。また、ＣＭＣ材料で作られた層がその上に堆積されている内側金属層で両方を構成する単一のカバーを用いることも可能である。
【００７３】
第１のカバー（金属カバー）が、該管状部を密封するための全ての制約、具体的には、当業者に周知されているボトム効果の耐性を満たす場合には、第２のカバーは任意のものである。
【００７４】
好ましくは、該１つのカバーまたは複数のカバーは、第一に、金属管状体３の該金属層と、第１のカバー６（または、１つのカバーしかない場合には、該カバーの内側金属部を備えている）との間に、および第二には、外側管状体２と、第２のカバー７（または、１つのカバーしかない場合には、ＣＭＣ材料で作られた、該カバーの外側部を備えている）との間に連続接合部が存在するように、該管状部に取り付けて固着される。前記連続接合部は、例えば、該接合部が２つの金属間にある場合には溶接によって、または、該接合部がＣＭＣ材料間にある場合には、ろう付けによって得ることができる。
【００７５】
図２ａおよび図２ｂに概略的に図示されている核燃料被覆管１０は、該炉内の放射開始時の低温状態で図示されており、そのため、内側体４と核燃料５との間には空間が存在していることに留意すべきである。
【００７６】
核燃料５は、燃料被覆管１０の内側に積層されている燃料ペレットの形態になっており、全体で燃料要素１００を形成している。
【００７７】
核燃料５と第１のカバー６との間の軸方向の空間は、燃料ペレットのカラムのための軸方向位置決め装置（図示せず）（典型的には、ばね、スペーサおよび／またはウェッジを備える装置）によって占められるように意図されていることに留意すべきである。
【００７８】
該管状部の外側管状体および内側管状体のＣＭＣ材料は、例えば、文献［６］で言及されているような、ＳｉＣｆ／ＳｉＣ，ＳｉＣｆ／ＴｉＣ，ＳｉＣｆ／ＺｒＣまたはＳｉＣｆ／Ｔｉ３ＳｉＣ２タイプのセラミックマトリックス複合材料とすることができる。
【００７９】
該気密封止層は、金属または金属合金、すなわち、ニオブおよびその合金、タンタルおよびその合金、タングステンおよびその合金、チタンおよびその合金であり、例えば、Ｎｂ−１Ｚｒ，Ｎｂ−１Ｚｒ−０，１Ｃ，Ｔａ，Ｗ−５Ｒｅである。そのアイテムの完全性および特性を保障するためには、使用する金属または合金と、ＣＭＣ材料との化学的適合性を、将来の該管状部の使用温度の全範囲にわたって、および該ＣＭＣ層の製造時の全温度範囲にわたって検証しなければならないことに留意することが重要である。
【００８０】
該多層管状部の異なる層の厚さの値は、好ましくは、次の範囲内にあり、すなわち、
‐内側ＣＭＣ層（内側管状体）：０．２から０．５ｍｍ；
‐金属気密封止層（金属管状層）：５０から２００μｍ；
‐外側ＣＭＣ層（外側管状体）：０．３から１ｍｍであるが、該内側および外側ＣＭＣ層の厚さは、該厚さが、該気密封止層の厚さよりも大きくなるように、好ましくは、該気密封止層よりも３倍以上厚くなるように選択される。中性子を最適化するために、該気密封止層の厚さと、該多層管状部全体の厚さを最小限にするように努力されている。
【００８１】
本発明の該多層管状部は、それが、全体的な金属部の代わりに、大量のセラミックマトリックス複合相を用いるという点で有利である。該金属層の目的は、ここでは単に、全体部の該気密封止を保障することだけである。多くの想定される用途（例えば、高温で作動する圧力室）の場合、金属の使用は、高温でのその密度および／または脆弱な機械的強度のため、および／または核用途の場合のその中性子捕獲断面積のため勧められない。そのため、該金属層の厚さを厳格に最小限に限定することが必要である。
【００８２】
本発明による多層部の製造は、いくつかのステップ、すなわち、
１）ＣＭＣ材料で作られた該内側管状体の製造と、
２）該内側管状体の外側面の仕上げ（このステップは、任意ではあるが好適である）と、
３）該金属管状体の製造（薄い厚さの気密封止チューブ）と、
４）該金属管状体の該内側管状体へのプレーティング、または、当業者に知られている何らかの他の付着技術を用いた、該金属管状体の該内側管状体への付着と、
５）このようにして得られた該金属管状体の外側面の仕上げ（このステップは、任意ではあるが好適である）と、
６）ステップ５で得られた該金属管状体上に直接、該外側管状体の繊維状プレフォームを形成し、その後に、その緻密化が続いて、最後に、該多層部を得ることにつながる、任意のその最終的なコーティング（このコーティングは、任意ではあるが好適である）と、
に分けることができる。
【００８３】
該内側管状体および該金属管状体を製造する代わりに、既製のチューブを利用することも可能であることに留意すべきである。
【００８４】
該多層部を製造するための第１のステップは、ＣＭＣ材料で作られた該内側管状体を形成するように意図されたチューブを仕上げることである。そうするために、作製される複合材料の種類に適するように選択された円筒形の主軸（ｕｎ  ｍａｎｄｒｉｎ  ｃｙｌｉｎｄｒｉｑｕｅ）の周囲に繊維状補強部が形成される。
【００８５】
炭素または炭化ケイ素タイプの補強部およびマトリックスを備えた複合材料の場合、該プロセスの終了時に、単に化学溶解によって該主軸を容易に取り除くことができるように、石英ガラスで作られた主軸を使用することが好ましい。（特に、核燃料要素の被覆管の場合に、最も重要な要件である）該内側チューブの良好な内面と、寸法および公差に関する留意とは、従来使用されているグラファイト製の主軸よりも、この種の主軸の方が、より大きくアクセス可能である。
【００８６】
酸化物相を用いたセラミックマトリックス複合材料の製造の場合、主軸のタイプは、後の緻密化プロセスに適合しなければならない。
【００８７】
該補強部の繊維状構造の成形は、繊維巻取り、２次元編みまたは３次元スムス編み等の、回転軸を有する幾何学的部材に適した繊維工業から派生した方法のうちの１つを用いて実現することができる。
【００８８】
該補強部の厚さ（編み数、または、層巻数）は、この内側チューブのために選択された厚さに従って選択される。
【００８９】
一旦、該補強部の該主軸上への形成が終了すると、該補強部は緻密化される。この目的のために、当業者に周知されている化学蒸気浸透法またはＣＶＩを用いることができるが、焼結、ポリマー浸透法またはＰＩＰ、液体または混合ルートプロセス等の他のプロセスを用いることもできる。
【００９０】
該補強部の緻密化が終了すると、該補強部のための支持体として使用された該主軸が取り除かれる。
【００９１】
任意ではあるが好適である第２のステップは、気密封止層として作用する将来の金属チューブの該内側複合チューブへの最適なプレーティングを可能にする、１〜２μｍの最大ＲＭＳ粗度を有する表面を得るために、このようにして得られた、本質的に粗くて磨耗性の該内側複合チューブの外側面を仕上げることである。
【００９２】
該複合チューブの外側面は、機械加工することができる。経験から、「芯なし研削」法を用いた該複合チューブの該外側面のダイヤモンド研削が良好な結果をもたらすことが分かっており、前処理を何ら伴わない、５０〜１００μｍと比較して、このような研削を受ける表面の場合、約１μｍの平均表面粗度値を得ることができる。
【００９３】
また、前記内側複合チューブの外側面に、数百ナノメートルの厚さを有する層の化学蒸着または物理的気相成長法（ＣＶＤまたはＰＶＤ）を利用すること、または、液体ルートによって得られたセラミックコーティングを付着することも可能である。
【００９４】
前記層のために選択された材料により、この層は、該ＣＭＣ複合チューブと、該プロセスの次のステップにおいて該外側面に施される該金属層との間の変形差に対応するという目的を有することもできる。例えば、ＳｉＣｆ／ＳｉＣで作られた複合チューブの場合、熱分解炭素タイプの材料を用いて、この層を形成することが可能である。
【００９５】
第３のステップにおいては、該多層部の該金属管状体を形成するための気密封止層として利用されることになる金属チューブが仕上げられる。金属種類の選択は、対象とする用途場合、極めて重要であり、および該内側および外側チューブに用いられる複合材料の種類と、使用条件とに依存する。具体的には、選択した緻密化プロセスにより、最終的な部材の動作温度の範囲を超えようが超えまいが、または、該複合材料の製造温度の範囲を超えようが超えまいが、該複合材料のセラミック相に適合する金属相を選択しなければならない。
【００９６】
該複合材料が、例えば、Ｃｆ／Ｃ，Ｃｆ／ＳｉＣまたはＳｉＣｆ／ＳｉＣである場合、考えられる緻密化プロセスは、１０００℃に近い実施温度を要する。そのため、この場合は、１０００℃において、炭素相および炭化ケイ素相に対して良好な化学的適合性を有する金属のみを選択することが必要である。提案される金属は、ニオブおよびその合金（Ｎｂ−１Ｚｒ，Ｎｂ−１Ｚｒ−０，１Ｃ）であるが、より少ない単位において（ｄａｎｓ  ｕｎｅ  ｍｏｉｎｄｅｒｅ  ｍｅｓｕｒｅ）、タンタルおよびその合金、タングステンまたはチタンでもよい。
【００９７】
異なるセラミック相が関係している場合には、明らかに、他の合金がより適している可能性がある。
【００９８】
該金属チューブの厚さを厳格に最小限に限定するには、０．１ｍｍ以下の最小厚さをさらに薄く得ることを可能にする、所望の寸法に該金属チューブを形成する方法を用いることが選択される。例えば、冷間圧延技術を用いることが可能であり、この技術には、多くの金属および合金に適合するという利点がある。ここでは、本願発明者等は、ＨＰＴＲ圧延機を用いたが、他の冷間または熱間圧延機を用いることもできる。また、延伸または押出法を用いることも可能である。
【００９９】
該金属チューブの寸法に対しては、研削後の該複合内側チューブの外径に等しい内径が目標とされており、該内径には、内側複合チューブを該金属チューブ内に挿入できるように隙間が加えられているが、この隙間は、以下で説明するプレーティングステップを容易にするために、可能な限り狭くなる。実施したテストでは、０．１ｍｍ程度の直径方向の隙間を用いた。ここでもまた、圧延には、使用する金属または合金にうまく作用するという効果があることを思い起こすべきである。この作用の重要性は、該材料の硬度を高めること、およびその極度の変形を制限することである。該金属または合金の特性を初期値に戻すには、特に、各材料に対して、圧延後にアニーリングを実行することが好適である。
【０１００】
次のステップは、該金属チューブを該内側複合チューブに固定することを伴う。この作業の目的は、これら２つの構成要素間の密接な接触を確保することである。このプレーティングは、いくつかの方法を用いて得ることができる。例えば、該金属チューブの該内側複合チューブ上への制御された延伸を利用することが可能である。この目的のために、該内側複合チューブは、場合によっては、備えられた隙間によって形成された該金属チューブ内に挿入され、その後、該金属チューブは、該内側複合チューブの壁部にけん引されるように引張応力を機械的に受ける（ポアソン効果）。
【０１０１】
熱間引抜、または、強い強度の磁界を用いて、該金属チューブを非磁性の内側複合チューブ上に固定する磁気パルス法等の他のプレーティング方法を想定することができる。
【０１０２】
化学蒸着または物理蒸着法（ＣＶＤまたはＰＶＤ）を用いて、該金属チューブの製造ステップおよびプレーティングステップを置き換えて、金属層を直接、該内側複合チューブ上に付着させることも可能である。
【０１０３】
任意ではあるが好適である第５のステップでは、一旦、形成されたその二重層は、粗度またはその外側金属面を低減するために研削を、または、該内側複合チューブの場合に既に述べたように、追加的な層の気相堆積を必要に応じて受けることができる。
【０１０４】
最後のステップは、該外側複合チューブの製造から成る。その処理手順は、該内側複合層を製造するのに用いられる処理手順と同様である。該繊維状補強部は、まず、緻密化の後に続いて、前述した方法（繊維巻取り、２次元編みまたは３次元スムス編み）と同じ方法を用いて成形される。この製造のために、および一時的に支持する主軸の利用を要する第１のステップとは対照的に、該外側複合チューブは、ここでは、作製済みの複合材料／金属二重チューブ上に直接、形成される。
【０１０５】
そして、これが、図２に示すような、降伏点まで気密封止される多層セラミックマトリックス複合部材となる。
【０１０６】
必要に応じて、最終的な部材が、その外側面に最小限の粗度を有していなければならないことが所望される場合は、この外側面（すなわち、外側複合チューブ）は、芯なし研削によって研削することができ、または、追加的な層を該外側面に施すことができる。
【０１０７】
このようにして仕上げられた該多層管状部は、核燃料要素用の被覆管のような加圧流体ダクトまたは圧力室を作るのに用いることができる。核燃料要素用の被覆管の製造に関しては、以下で説明し、これは、本発明の重要な対象となる適用である。
【０１０８】
上述したように、まず、内側ＣＭＣチューブ、ここでは、必要に応じて、熱分解炭素タイプの材料から成る層によって、該複合チューブの外側面のコーティングによって仕上げられている、内径が７ｍｍで、厚さが３００μｍのＳｉＣｆ／ＳｉＣで作られたチューブが仕上げられる。
【０１０９】
次に、内径７．７ｍｍで厚さが１００μｍのタンタルで作られた金属チューブが、圧延した後に、（電磁成形または引抜き法を用いて）該内側ＣＭＣチューブ上に固定することにより、または、層を直接、該内側ＣＭＣチューブ上に気相蒸着することによって、仕上げられる。
【０１１０】
該タンタル層は、必要に応じて、数百ナノメートルの厚さを有する熱分解炭素タイプの材料から成る層で被覆される。
【０１１１】
そして、ＳｉＣ／ＳｉＣで作られた該補強部を形成し、この補強部を通常の処理手順に続いて含浸させることにより、必要に応じて、この外側複合チューブの外側面をコーティングまたは研削することによって仕上げられた、厚さが６００μｍのＳｉＣｆ／ＳｉＣ製の外側複合チューブが、先行するステップで得られた部材上に直接形成される。数百ナノメートルの厚さまでのＳｉＣタイプの材料の気相蒸着（ＰＶＤまたはＣＶＤ）によって実行される、この後者のコーティングは、これが要件を満たす場合（これは、例えば、該被覆管に沿った該冷却剤の摩擦に付随する圧力降下を制限する必要がある可能性がある）に、滑らかな表面仕上げを形成することが意図されている。
【０１１２】
多層構造（その開口端部が密封されている多層部）を得るために、該多層管状部の端部は、下にある金属層を損傷させることなく、例えば、長さ５ｍｍ以上、該外側ＣＭＣ層を機械加工することによって清浄化される。
【０１１３】
次いで、該管状部の２つの端部のうちの一方は、既に清浄化されている該金属チューブの部分に、カバーまたは金属蓋６（例えば、スタンピングによって得られた厚さ１００μｍのカバー）を溶接し、その後、ＣＭＣ材料（例えば、ＳｉＣｆ／ＳｉＣ）で作られたカバーを該外側ＣＭＣチューブにろう付けすることによって閉塞される。図３ｂにおいては、溶接ビードが参照符号８によって特定されており、ろう付けビードが参照符号９によって特定されている。
【０１１４】
任意には、該金属カバーと、ＣＭＣカバーを単一の蓋で併用することも可能である。
【０１１５】
通常のおよび不測の稼働時の耐熱性および内圧に対する耐性に関して、適切な熱機械的特性を有するカバーに金属が選択された場合は、該ＣＭＣカバーは任意のものであってよい。例えば、スタンピングまたは機械加工によって得られ、該金属チューブに溶接されて、該多層管状部の外側ＣＭＣチューブにろう付けされた、厚さが７００μｍの金属カバーを用いることが可能である。
【０１１６】
先行するステップが、（その端部の一方が閉じられた）盲管を製造するように実行された場合は、該多層管状構造の１つの端部の密閉ステップは、任意のものになる可能性があることに留意されたい。
【０１１７】
その場合、（ここでは、直径が６．７１ｍｍの）核燃料５のペレットを、該ペレットのカラムと該カバーとの間に配置される内部フィッティング（ばね、スペーサ、ウェッジ）（図３ｂには図示されていない）とともに、該管状構造内に挿入することができる。
【０１１８】
最後に、該管状部の他の開口端部の閉塞を、上述した処理手順の後に実行することができる。
【０１１９】
提案した解決策の革新性は、改良された燃料要素を得るための耐熱性および機械的強度という要件を満たす２つのＣＭＣ層間で気密封止層として機能する該金属層の配置を伴う、該被覆管の多層性コンセプトにある。
【０１２０】
この特定の配置によって、高温および中性子流による過剰な変形による脆弱化というリスクなしに、および高燃焼レベルによる核燃料およびその核分裂生成物による損傷のリスクなしに、薄い厚み（５０〜２００μｍ）の気密封止層を得ることが可能である。
【０１２１】
該金属層のこの薄い厚みと、該燃料およびその核分裂生成物との強力な相互作用がないこととは、幅広い気密封止材料の利用を可能にする。
【０１２２】
この解決策は、ＣＭＣ材料で作られた被覆管を有する燃料要素のための、核分裂生成物の耐久性格納モードを提案している。この点において、該解決策は、（良好な中性子特性に付随する）耐熱性を、該燃料要素の安全性の向上を可能にするとともに、そのサイジングを考慮すべき不測の過渡状態の超高温まで、その幾何学的完全性（炉心の反応性および冷却性に関する保障された制御）を保障するであろう、この種の被覆管の利用の可能性を広げている。
【０１２３】
ＣＭＣ材料で作られた該外側および内側チューブは、機械的補強部としてだけではなく、従来の金属性被覆管の不測の過渡状態に対する耐性（熱安定性および耐クリープ性）を強化するように意図された耐熱性補強部としても機能し、それによって、典型的には、ＧＦＲを、または、ＰＷＲ、ＢＷＲおよびＳＦＲにおける何らかの不測の過渡状態の高温状況に対する被覆管の耐性の大幅な改善を対象にしている安全目標を達成できるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１２４】
【特許文献１】［１］米国特許第５，１８２，０７７号明細書  Ｆｅｉｎｒｏｔｈ  ｅｔ  ａｌ．，  "Ｗａｔｅｒ  ｃｏｏｌｅｄ  ｎｕｃｌｅａｒ  ｒｅａｃｔｏｒ  ａｎｄ  ｆｕｅｌ  ｅｌｅｍｅｎｔｓ  ｔｈｅｒｅｆｏｒ"
【特許文献２】［２］米国特許出願公開第２００６／００３９５２４号明細書  Ｆｅｉｎｒｏｔｈ  ｅｔ  ａｌ．，  "Ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒｅｄ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｔｕｂｅ  ｆｏｒ  ｆｕｅｌ  ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ  ｂａｒｒｉｅｒ  ａｎｄ  ｏｔｈｅｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  ｎｕｃｌｅａｒ  ａｎｄ  ｆｏｓｓｉｌ  ｐｏｗｅｒ  ｐｌａｎｔｓ"
【特許文献３】［３］米国特許第５，６８１，５１１号明細書  Ｓｔｒｅｃｋｅｒｔ  ｅｔ  ａｌ．，  "Ｈｅｒｍｅｔｉｃ  ｃｅｒａｍｉｃ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"
【０１２５】
【非特許文献４】［４］Ｓｐａｔｚ  ｅｔ  ａｌ．  "Ｄｅｓｉｇｎ  ｏｆ  ｈｙｂｒｉｄ  ｃｅｒａｍｉｃ−ｍｅｔａｌ  ｔｕｂｅｓ"，  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｆｏｒ  ＨＴＣＭＣ−７，  ｐｐ．  ５７２−５７８
【０１２６】
【特許文献５】［５］米国特許出願公開第２００９／０１０１６５８号明細書  Ｍａｉｌｅ  ｅｔ  ａｌ．，  "Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｒｅｓｉｓｔａｎｔ  ｂｏｄｙ  ｔｈａｔ  ｉｓ  ｓｕｐｐｌｉｅｄ  ｗｉｔｈ  ｆｌｕｉｄ"
【特許文献６】［６］国際公開２０１０／０３１９２５号公報  Ｃａｂｒｅｒｏ  ｅｔ  ａｌ．，  "Ｇａｉｎｅ  ｄｅ  ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ  ｎｕｃｌｅａｉｒｅ  ａ  ｈａｕｔｅ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｅ  ｔｈｅｒｍｉｑｕｅ  ｅｔ  ｓｏｎ  ｐｒｏｃｅｄｅ  ｄｅ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ"  （"Ｎｕｃｌｅａｒ  ｆｕｅｌ  ｓｈｅａｔｈ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｈｅａｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ"）
【図１】
2014526045.tif 000003
【図２】
2014526045.tif 000004
【図３ａ】
2014526045.tif 000005
【図３ｂ】
2014526045.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月11日(2013.10.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属管状体（３）を形成する金属層と、前記金属管状体を被覆するセラミックマトリックス複合材料から成る２つの層とを備える、原子炉用の多層管状部（１）であって、前記セラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層のうちの一方が、前記金属管状体の内側面を被覆して内側管状体（４）を形成し、一方、前記セラミックマトリックス複合材料で作られた２つの層のうちの他方が、前記金属管状体の外側面を被覆して外側管状体（２）を形成し、それによって、前記金属管状体は、前記内側管状体と前記外側管状体との間に挟まれ、前記金属管状体は、前記内側管状体および前記外側管状体の平均厚さよりも薄い平均厚さを有する多層管状部。
【請求項２】
核燃料被覆管、加圧流体導管または圧力室である、請求項１に記載の多層管状部。
【請求項３】
金属管状体（３）は、前記多層管状部の平均厚さの５％と２０％の間の平均厚さを有する、請求項１に記載の多層管状部。
【請求項４】
前記金属管状体（３）は、ニオブおよびその合金、タンタルおよびその合金、タングステンおよびその合金、チタンおよびその合金から選択された材料で作られる、請求項１に記載の多層管状部。
【請求項５】
前記内側管状体（４）および外側管状体（２）は、Ｃｆ／Ｃ，Ｃｆ／ＳｉＣまたはＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料で作られる、請求項１に記載の多層管状部。
【請求項６】
閉じたキャビティを有し、および請求項１〜請求項５のいずれかで定義される多層管状部（１）を備えた管状構造（１０）であって、前記多層管状部は、１つまたは２つの開口端部と、各開口端部のための少なくとも１つのカバー（７；８）とを備え、各カバーは、１つの開口端部を完全に密閉するように前記開口端部に配置され、各カバーは、前記多層管状部の前記金属管状体に固着されるように意図された金属または金属合金で作られた内側層と、必要に応じて、前記多層管状部の前記外側管状体に固着されるように意図されたセラミックマトリックス複合材料で作られた追加的な層とを備え、前記構造の前記閉じたキャビティは、前記多層管状部の内壁によって、および各カバーの内壁によって画定される、管状構造（１０）。
【請求項７】
多層管状部（１）は、各開口端部に、前記金属管状体が前記外側管状体によって覆われていない環状領域を備え、および各カバーは、側縁部に接続された底部で形成され、前記側縁部は、前記環状領域を覆うように適合されている、請求項６に記載の管状構造（１０）。
【請求項８】
前記構造は、核燃料と、放射線下で前記核燃料によって放出される核分裂ガスとを封じ込めることができる核燃料被覆管である、請求項６または請求項７に記載の管状構造。
【請求項９】
５０マイクロメータと２００マイクロメータとの間の平均厚さを有する、請求項８に記載の管状構造。
【請求項１０】
請求項６〜請求項９のいずれかで定義される管状構造（１０）の閉じたキャビティ内に格納された核燃料（５）を備える核燃料要素（１００）。
【請求項１１】
請求項１〜請求項５のいずれかで定義される多層管状部（１）を製造するためのプロセスであって、以下の一連のステップ、すなわち、
ａ）セラミックマトリックス複合材料で作られた管状体を設けて、内側管状体（４）を形成するステップと、
ｂ）内側管状体（４）上に金属管状体（３）を形成するステップと、
ｃ）以下の一連のステップ、すなわち、
‐前記金属管状体の外側面に、連続繊維から成る繊維プレフォームを仕上げるステップと、
‐前記プレフォーム内にマトリックスを形成することによって前記プレフォームの緻密化を引き起こす処理を施すステップであって、前記処理は、前記プレフォームの劣化温度よりも低く、前記金属管状体の劣化温度よりも低く、および前記内側管状体の劣化温度よりも低い温度で実施されるステップと、
を実施することによって、前記金属管状体上に外側管状体（２）を形成するステップと、
を備えるプロセス。
【請求項１２】
ステップａ）は、以下の一連のステップ、すなわち、
‐連続する繊維から成る繊維状プレフォームを円筒形支持要素上に仕上げるステップと、
‐前記プレフォーム内にマトリックスを形成することにより、前記プレフォームの強固化を引き起こす処理を施すステップであって、前記処理が、前記プレフォームの劣化温度よりも低く、かつ前記支持要素の劣化温度よりも低い温度で実施されるステップと、
‐前記支持要素の材料の接触面の、前記強固化されたプレフォームに対する化学的攻撃により、前記支持要素を前記強固化されたプレフォームから取り除くステップと、
‐前記強固化されたプレフォームの劣化温度よりも低い温度で、前記強固化されたプレフォームを圧縮するステップと、
を備える、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
ステップｂ）は、前記内側管状体の外側面への金属層または金属合金層の気相堆積を備える、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
ステップｂ）は、以下の一連のステップ、すなわち、
‐内側管状体（４）を、金属または金属合金製のチューブに挿入するステップと、
‐この金属チューブを、内側管状体（４）の前記外側面に固定するステップと、
‐このようにして形成された部分を、必要に応じてアニーリングするステップと、
を備える、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１５】
ステップａ）とステップｂ）との間に、前記内側管状体の粗度を低減するための前記内側管状体の表面の表面処理ステップをさらに備える、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１６】
請求項６〜請求項９のいずれかで定義される管状構造（１０）を製造するためのプロセスであって、請求項１１〜請求項１５のいずれかで定義されるプロセスの後に続く多層管状部（１）の製造と、前記開口端部の各々にカバー（７；８）を配置し、および前記カバーを金属管状体（１）上に固定することによる、多層管状部（１）の前記開口端部の密閉とを備え、各カバーが、金属または金属合金で作られた内側層と、必要に応じて、セラミックマトリックス複合材料で作られた追加的な層とを備えるプロセス。
【請求項１７】
前記多層管状部の開口端部の各々に、前記金属管状体が前記外側管状体によって覆われていない環状領域を備え、各環状領域は、前記環状領域に対応する前記開口端部にカバーを固定するとき前記カバーの金属内側層によって完全に覆われるような前記多層管状部を形成することを備える、請求項１６に記載のプロセス。
【国際調査報告】
2014526045.tif 000007
2014526045.tif 000008
2014526045.tif 000009
2014526045.tif 000010
2014526045.tif 000011
2014526045.tif 000012