(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記組紐体を覆うセラミックマトリックスとからなる筒部材と、前記筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、前記筒部材の第二端部に挿入され貫通孔を有する第二の端栓と、からなり、
前記組紐体は、前記第一の端栓および／または前記第二の端栓の外表面に沿って前記筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有するとともに、前記セラミックマトリックスは前記第一の端栓および前記第二の端栓と接合していることを特徴とする管状体。
【請求項２】
前記第一の端栓および／または前記第二の端栓は、前記筒部材の狭窄部に沿ったテーパ面を有することを特徴とする請求項１に記載の管状体。
【請求項３】
前記第一の端栓および／または前記第二の端栓は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の管状体。
【請求項４】
前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維であることを特徴とする請求項１〜請求項３のうちのいずれか一項に記載の管状体。
【請求項５】
前記セラミックマトリックスは、ＳｉＣであることを特徴とする請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項に記載の管状体。
【請求項６】
前記第一の端栓は、前記筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状であることを特徴とする請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載の管状体。
【請求項７】
前記第二の端栓は、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状であることを特徴とする請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項に記載の管状体。
【請求項８】
前記第二の端栓は、前記貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有し、前記筒部材は、前記エッジに接することを特徴とする請求項７に記載の管状体。
【請求項９】
前記貫通孔には、さらに第三の端栓が挿入されていることを特徴とする請求項８に記載の管状体。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のうちのいずれか一項に記載の管状体を用いた原子炉用の被覆管。
【請求項１１】
マンドレルの第一端部に第一の端栓を組み合わせ、前記マンドレルの第二端部に貫通孔を有する第二の端栓を挿入し、マンドレル組立体を準備するマンドレル準備工程と、
前記マンドレル組立体の表面にセラミック繊維を製織して組紐体を形成するブレーディング工程と、
前記組紐体のセラミック繊維間にセラミックマトリックスを形成して筒部材を形成するマトリックス形成工程と、
前記筒部材から前記第一の端栓および前記第二の端栓を残してマンドレルを抜き取るマンドレル抜取り工程と、からなり、
前記筒部材には、前記第一の端栓および／または前記第二の端栓の外表面に沿って狭窄部を有することを特徴とする管状体の製造方法。
【請求項１２】
前記第一の端栓および／または前記第二の端栓は、前記筒部材の狭窄部に沿ったテーパ面を有することを特徴とする請求項１１に記載の管状体の製造方法。
【請求項１３】
前記第一の端栓および／または前記第二の端栓は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の管状体の製造方法。
【請求項１４】
前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維であることを特徴とする請求項１１〜請求項１３のうちのいずれか一項に記載の管状体の製造方法。
【請求項１５】
前記セラミックマトリックスは、ＳｉＣであることを特徴とする請求項１１〜請求項１４のうちのいずれか一項に記載の管状体の製造方法。
【請求項１６】
前記第一の端栓は、前記筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状であることを特徴とする請求項１１〜請求項１５のうちのいずれか一項に記載の管状体の製造方法。
【請求項１７】
前記第二の端栓は、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状であることを特徴とする請求項１１〜請求項１５のうちのいずれか一項に記載の管状体の製造方法。
【請求項１８】
前記第二の端栓は、貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有し、前記筒部材は、前記エッジに接することを特徴とする請求項１７に記載の管状体の製造方法。
【請求項１９】
前記貫通孔には、さらに第三の端栓が挿入されていることを特徴とする請求項１８に記載の管状体の製造方法。
【請求項２０】
請求項１１〜請求項１９のうちのいずれか一項に記載の管状体を用いた原子炉用の被覆管の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管状体および管状体の製造方法に関し、特には核燃料を挿入して使用する被覆管として用いることができる管状体および管状体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、多くの原子炉では、密閉金属チューブからなる被覆管に核燃料が収納されて用いられている。大部分の被覆管は、ジルコニウム合金、または鋼合金で製造されている。被覆管は、原子炉の稼動時、あるいは事故の際であっても放射性ガス、核分裂生成物が被覆管内に保持され、外部に放出されないように設計されている。
【０００３】
しかしながら、沸騰水型の原子炉であっても稼働中に水を喪失すると、発熱した核燃料の冷却が追いつかず、被覆管を溶融させ、さらには金属と水との反応により水素を発生させる。
【０００４】
このような課題を解決するため、特許文献１では、ワインディング法あるいは組紐法で形成されたＳｉＣ繊維からなる骨材と該ＳｉＣ繊維間に充填された熱分解炭素とからなる管状の繊維強化炭素質基材と、該繊維強化炭素質基材の少なくとも外表面に形成されたＳｉＣ層と、からなる核燃料被覆管であって、該ＳｉＣ層は、該繊維強化炭素質基材表面の熱分解炭素を反応転化し形成されたＣＶＲ−ＳｉＣ層と、該ＣＶＲ−ＳｉＣ層上に形成されたＣＶＤ−ＳｉＣ層と、からなり、該核燃料被覆管は、該繊維強化炭素質基材の該ＳｉＣ層との境界領域から該繊維強化炭素質基材の内部に向かってケイ素原子が拡散してなることを特徴とする核燃料被覆管が記載されている。
【０００５】
このような核燃料被覆管によれば、セラミック繊維の表面が炭素質に接しているため、熱応力により発生するクラックを、セラミック繊維表面で止めることができるので、管状体の内外を貫通するクラックが発生しにくい。その上、個々のセラミック繊維に被覆を設ける前処理が必要ないため工程が簡略化でき、性能向上によりさらには原子炉をより高温で運転できるため、エネルギー効率の高い原子炉を提供することができると共に使用寿命が長期化可能であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−２１０３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記記載された発明では、ＳｉＣよりなる部分は、核燃料被覆管の胴部のみであり、両端の開口部分の構造には、何の検討もなされていない。このため、核燃料被覆管の有効な端部の封止方法は提供されず、一般的な接続構造を適用するより他に方法がない。
【０００８】
本発明では、前記課題を鑑み、高い強度と耐熱性を有し、管状体の端部から内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉する気密構造を形成可能な管状体および管状体の製造方法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】
【０００９】
（１）前記課題を解決するための本発明の管状体は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と前記組紐体を覆うセラミックマトリックスとからなる筒部材と、前記筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、前記筒部材の第二端部に挿入され貫通孔を有する第二の端栓と、からなり、前記組紐体は、前記第一の端栓および／または前記第二の端栓の外表面に沿って前記筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有するとともに、前記セラミックマトリックスは前記第一の端栓および前記第二の端栓と接合している。
【００１０】
本発明の管状体によれば、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆うマトリックスとからなる筒部材を有しているので、筒部材は、セラミック／セラミック複合材であり、高い強度と耐熱性を有し、過酷な環境下でも使用することができる。
また、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓とを有しているので、管状体を密閉したり、第一の端栓または第二の端栓に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体を得ることができる。
【００１１】
また、組紐体は、第一の端栓および／または第二の端栓の外表面に沿って筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有しているので、筒部材の内圧が高まっても第一の端栓または第二の端栓が筒部材から抜けない構造をとることができ、第一の端栓または第二の端栓と筒部材との接続信頼性を高めることができる。
また、セラミックマトリックスは第一の端栓および第二の端栓と接合しているので、筒部材と第一の端栓および第二の端栓との間の気密性を確保することができる。
さらに、第二の端栓に、貫通孔を有しているので、管状体の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができる。例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
【００１２】
さらに、本発明の管状体は、以下の態様であることが望ましい。
（２）前記第一の端栓および／または前記第二の端栓は、前記筒部材の狭窄部に沿ったテーパ面を有する。
第一の端栓および／または第二の端栓と筒部材の狭窄部とは、テーパ面で接しているので、筒部材を構成するセラミック繊維にかかる曲げ応力を緩和する。さらに、テーパ面で接するので、第一の端栓または第二の端栓と筒部材との接する面積を大きく取ることができ、接続信頼性を高めることができる。
【００１３】
（３）前記第一の端栓および／または前記第二の端栓は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなる。
これらの素材は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので管状体の第１の端栓または第二の端栓として好適に利用することができる。ＳｉＣまたはＴｉ３ＳｉＣ２は、セラミックであるので特に高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので、好適に利用することができる。Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有する金属であるとともに、容易に溶接、ロウ付けすることができ、好適に利用することができる。
【００１４】
（４）前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維であるので好適に利用することができる。
【００１５】
（５）前記セラミックマトリックスは、ＳｉＣである。
ＳｉＣは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維であるので好適に利用することができる。
【００１６】
（６）前記第一の端栓は、前記筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状である。
第一の端栓は、筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状であるので、筒部材は第一の端栓の面取りの部分まで筒部材と同じ内径で構成することができる。このため、応力集中の起こりやすい屈曲部を管状体の内部空間に接しないようにすることができ、高強度の管状体を得ることができる。
【００１７】
（７）前記第二の端栓は、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状である。
第二の端栓は、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状であるので、両側にテーパ面を有する。このため、内圧または外圧のいずれが端栓にかかっても、より強固に結合することができる。
【００１８】
（８）前記第二の端栓は、前記貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有し、前記筒部材は、前記エッジに接する。
第二の端栓は、貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有するとともに、筒部材は、エッジに接する構造であるので、貫通孔の内径と、筒部材の内径とをほぼ同一にすることができる。これにより、固体を挿入する際に、貫通孔との干渉をなくすことができる。例えば、筒部材に挿入できる最大サイズの固体を貫通孔の大きさの影響なく、挿入することができる。これは、核燃料ペレットを挿入する際に好都合である。
【００１９】
（９）前記貫通孔には、さらに第三の端栓が挿入されている。
貫通孔に第三の端栓が挿入されているので、互いに高い寸法精度で勘合させることができ、高い気密性を確保することができる。
【００２０】
次に、前記課題を解決するための本発明の被覆管について説明する。
（１０）本発明の被覆管は、前記管状体を用いた原子炉用の被覆管である。
本発明の被覆管は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆うマトリックスからなる筒部材と、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓と、からなり、組紐体は、第一の端栓および／または第二の端栓の外表面に沿って筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有するとともに、セラミックマトリックスは第一の端栓および／または第二の端栓と接合している。このため、高い気密性を有するとともに、高い耐熱性、高強度、耐食性を備え、原子炉用の被覆管として好適に利用することができる。
【００２１】
次に、前記課題を解決するための本発明の管状体の製造方法について説明する。
（１１）本発明の管状体の製造方法は、マンドレルの第一端部に第一の端栓を組み合わせ、前記マンドレルの第二端部に貫通孔を有する第二の端栓を挿入し、マンドレル組立体を準備するマンドレル準備工程と、前記マンドレル組立体の表面にセラミック繊維を製織して組紐体を形成するブレーディング工程と、前記組紐体のセラミック繊維間にセラミックマトリックスを形成して筒部材を形成するマトリックス形成工程と、前記筒部材から前記第一の端栓および前記第二の端栓を残してマンドレルを抜き取るマンドレル抜取り工程と、からなり、前記筒部材には、前記第一の端栓および／または前記第二の端栓の外表面に沿って狭窄部を有する。
なお、別途作製した組紐体をマンドレル組立体に組み合わせてもよい。
【００２２】
本発明の管状体の製造方法によれば、マンドレルの第一端部に第一の端栓を組み合わせ、貫通孔を有する第二の端栓にマンドレルの第二端部を挿入して、マンドレル組立体を準備するマンドレル準備工程を有しているので、管状体の両端に第一の端栓および第二の端栓を正確に配置することができる。
また、マンドレル組立体の表面にセラミック繊維を製織して組紐体を形成するブレーディング工程を有しているので、第一の端栓から第二の端栓に及ぶ筒部材を寸法精度よく形成することができる。
【００２３】
さらに、組紐体のセラミック繊維間にセラミックマトリックスを形成して筒部材を形成するマトリックス形成工程を有しているので、強度の高いセラミック繊維強化セラミック複合材を得ることができる。
マトリックス形成工程は、どのようなプロセスでもよく特に限定されない。
マトリックス形成工程では、セラミック前駆体を液中に浸漬し、セラミック前駆体を焼成してセラミックマトリックスを形成する前駆体法を用いることができる。
またマトリックス形成工程では、ＣＶＤ炉中で、原料ガスを導入してＣＶＤ被膜を形成するＣＶＤ法を用いることができる。
さらに、ＣＶＤ法、前駆体法を組み合わせて用いることもできる。
【００２４】
また、筒部材から第一の端栓および第二の端栓を残してマンドレルを抜き取るマンドレル抜取り工程を有しているので、管状体の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉構造を形成することができる。なお、第二の端栓は貫通孔を有しているので、マンドレルを容易に抜き取ることができる。
筒部材には、第一の端栓および／または第二の端栓の外表面に沿って狭窄部を有する。
【００２５】
また、こうして得られた管状体は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆うマトリックスとからなる筒部材を有しているので、筒部材は、セラミック／セラミック複合材であり、高い強度と耐熱性を有し、過酷な環境下でも使用することができる。
また、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓とを有しているので、管状体を密閉したり、第一の端栓または第二の端栓に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体を得ることができる。
また組紐体は、第一の端栓および／または第二の端栓の外表面に沿って筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有しているので、第一の端栓または第二の端栓が筒部材から抜けない構造をとることができ、第一の端栓または第二の端栓と筒部材との接続信頼性を高めることができる。
また、セラミックマトリックスは第一の端栓および第二の端栓と接合しているので、筒部材と第一の端栓および第二の端栓との間の気密性を確保することができる。
さらに、第二の端栓に、貫通孔を有しているので、管状体の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができる。例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
【００２６】
さらに、本発明の管状体の製造方法は、以下の態様であることが望ましい。
（１２）前記第一の端栓および／または前記第二の端栓は、前記筒部材の狭窄部に沿ったテーパ面を有する。
第一の端栓および／または第二の端栓と筒部材の狭窄部とは、テーパ面で接しているので、筒部材を構成するセラミック繊維にかかる曲げ応力を緩和する。さらに、テーパ面で接するので、第一の端栓または第二の端栓と筒部材との接する面積を大きく取ることができ、接続信頼性を高めることができる。
【００２７】
（１３）前記第一の端栓および／または前記第二の端栓は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなる。
これらの素材は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので管状体の第１の端栓または第二の端栓として好適に利用することができる。ＳｉＣまたはＴｉ３ＳｉＣ２は、セラミックであるので特に高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので、好適に利用することができる。Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有する金属であるとともに、容易に溶接、ロウ付けすることができ、好適に利用することができる。
【００２８】
（１４）前記セラミック繊維は、ＳｉＣ繊維である。
ＳｉＣ繊維は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維であるので好適に利用することができる。
【００２９】
（１５）前記セラミックマトリックスは、ＳｉＣである。
ＳｉＣは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維であるので好適に利用することができる。
【００３０】
（１６）前記第一の端栓は、前記筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状である。
第一の端栓が、筒部材の開口端側が面取りされた円柱形状であるので、筒部材は第一の端栓の面取りの部分まで筒部材と同じ内径で構成することができる。このため、応力集中の起こりやすい屈曲部を管状体の内部空間に接しないようにすることができ、高強度の管状体を得ることができる。
【００３１】
（１７）前記第二の端栓は、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状である。
第二の端栓が、両側にテーパ面を有し中央部が膨らんだ樽形状であるので、両側にテーパ面を有している。このため、内圧または外圧のいずれが端栓にかかっても、より強固に結合することができる。
【００３２】
（１８）前記第二の端栓は、貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有し、前記筒部材は、前記エッジに接する。
第二の端栓は、貫通孔の内面と筒部材の中央側のテーパ面とが接するエッジを有し、筒部材は、エッジに接する構造であるので、貫通孔の内径と、筒部材の内径とをほぼ同一にすることができ、固体を挿入する際に、貫通孔との干渉をなくすことができる。例えば、筒部材に挿入できる最大サイズの固体を貫通孔の大きさの影響なく、挿入することができる。これは、核燃料ペレットを挿入する際に好都合である。
また、第二の端栓と筒部材の内径を同一にすることができるので、ストレートのマンドレルを用いても筒部材の内面を精度よく保持することができる。このため、得られる管状体の寸法精度を高めることができる。
【００３３】
（１９）前記貫通孔には、さらに第三の端栓が挿入されている。
貫通孔に第三の端栓が挿入されているので、互いに高い寸法精度で勘合させることができ、高い気密性を確保することができる。
【００３４】
次に、前記課題を解決するための本発明の被覆管の製造方法について説明する。
（２０）本発明の被覆管の製造方法では、前記管状体を用いて原子炉用の被覆管を製造する。
本発明の被覆管の製造方法で製造される被覆管は、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆うマトリックスからなる筒部材と、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓と、を有する。組紐体は、第一の端栓および／または第二の端栓の外表面に沿って筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有するとともに、セラミックマトリックスは第一の端栓および／または第二の端栓と接合しているので、高い気密性を有するとともに、高い耐熱性、高強度、耐食性を備え、原子炉用の被覆管として好適に利用することができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明の管状体によれば、セラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆うマトリックスとからなる筒部材を有しているので、筒部材は、セラミック／セラミック複合材であり、高い強度と耐熱性を有し、過酷な環境下でも使用することができる。また、筒部材の第一端部に挿入された第一の端栓と、筒部材の第二端部に挿入された第二の端栓とを有しているので、管状体を密閉したり、第一の端栓または第二の端栓に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体を得ることができる。また、組紐体は、第一の端栓および／または第二の端栓の外表面に沿って筒部材の末端側が狭窄した狭窄部を有しているので、第一の端栓または第二の端栓が筒部材から抜けない構造をとることができ、第一の端栓または第二の端栓と筒部材との接続信頼性を高めることができる。また、セラミックマトリックスは第一の端栓および第二の端栓と接合しているので、筒部材と第一の端栓および第二の端栓との間の気密性を確保することができる。さらに、第二の端栓に、貫通孔を有しているので、管状体の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができ、例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（Ａ）は本実施形態に係る管状体の断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）中“Ｂ”部分の拡大図であり、（Ｃ）は（Ａ）中“Ｃ”部分の拡大図である。
【図２】管状体の製造方法を示す工程図である。
【図３】（Ａ）マンドレル準備工程におけるマンドレル組立体を示す断面図であり、（Ｂ）は正面図である。
【図４】（Ａ）はブレーディング工程において組紐体を形成する状態を示す説明図であり、（Ｂ）はセラミック繊維をマンドレル組立体に巻きつけて組紐体を形成する装置の全体図であり、（Ｃ）は形成された組紐体の斜視図である。
【図５】マトリックス形成工程を示す正面図である。
【図６】マンドレル抜取り工程を示す正面図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｄ）は第一端部および第一の端栓の変形例を示す断面図である。
【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は第二端部および第二の端栓の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本発明の管状体について説明する。
本発明の管状体は、例えば円筒形状の筒部材を有する。筒部材は、例えばＳｉＣ繊維等のセラミック繊維からなる筒状の組紐体と、組紐体を覆う例えばＳｉＣ等のセラミックマトリックスとを有する。
【００３８】
組紐体は、長手方向に沿って中空部を有し、一方の端部である第一端部および他方の端部である第二端部において開口している。組紐体の第一端部は、長手方向外側に向かって縮径する円錐台形状のテーパ面で形成される狭窄部を有する。また、組紐体の第二端部は、長手方向外側に向かって一旦拡径する第一のテーパと、第一のテーパに連続し中空部と同心円状の平行部と、平行部に連続して縮径する第二のテーパを有する。従って、第二端部は、中央部が膨らんだ樽形状を呈している。
【００３９】
筒部材は、このように形成された組紐体をセラミックマトリックスにより覆って形成されているので、筒部材の長手方向両端部は、組紐体の第一端部および第二端部と同様の形状をしている。
【００４０】
筒部材の第一端部には、第一の端栓が挿入されている。
第一端部は長手方向外側に向かって縮径する狭窄部を有するので、第一の端栓の先端部は狭窄部に対応した形状となっている。すなわち、第一の端栓の先端には、狭窄部のテーパ面に沿ったテーパ面を有する。また、第一の端栓の内側端部（先端部と反対側端部）には、先端部側に凹んだ凹部が設けられている。第一の端栓は、セラミックマトリックスと接合している。
なお、第一の端栓は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなることが望ましい。
【００４１】
筒部材の第二端部には、第二の端栓が挿入されている。
第二端部は中央部が膨らんだ樽形状を呈しており、第二の端栓は第二端部に対応した樽形状となっている。すなわち、第二の端栓は、組紐体の第二端部の第一のテーパに沿った第一のテーパ面と、組紐体の平行部に沿った平行部と、組紐体の第二のテーパに沿った第二のテーパ面を有する。そして、第二の端栓は、中央部を貫通する貫通孔を有する。貫通孔の内面の長手方向中央側端部（エッジ）は、筒部材の第一のテーパに接している。ここでは、エッジは、筒部材の第一のテーパと中空部の内面との接合点に一致しており、中空部と貫通孔とは、スムーズに連続している。なお、第二の端栓は、セラミックマトリックスと接合している。
なお、第二の端栓は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなることが望ましい。
【００４２】
第二の端栓の貫通孔には、第三の端栓が取り付けられる。第三の端栓は着脱可能であり、且つ、貫通孔に取り付けられて筒部材の中空部を密閉することができる。
なお、第三の端栓は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなることが望ましい。
【００４３】
このような筒部材は、原子炉用の被覆管として用いることができる。
【００４４】
次に、本発明の管状体の製造方法について説明する。
管状体の製造方法は、マンドレル準備工程と、ブレーディング工程と、マトリックス形成工程と、マンドレル抜取り工程とを有する。
マンドレル準備工程では、マンドレルの第一端部側に第一の端栓を組み合わせる。このとき、マンドレルの第一端部側の端面に、第一の端栓に設けられている凹部に嵌合する凸部を設けておき、凸部を凹部に嵌合させて組み合わせる。さらに、マンドレルの第二端部側に第二の端栓を組み合わせる。このとき、第二の端栓の貫通孔にマンドレルの第二端部側を挿入してマンドレル組立体を作製する。
【００４５】
ブレーディング工程では、組紐体形成装置を用いてマンドレル組立体の表面にセラミック繊維を製織して組紐体を形成する。組紐体形成装置では、水平な円盤上を走行する複数のボビンから組糸（セラミック繊維）をマンドレル組立体上に交絡させて配列させると同時に、円盤の中心孔を通過するタテ糸（セラミック繊維）をマンドレル組立体の軸心方向に沿うように配列させて、三軸織りの組紐体を形成する。
なお、マンドレル組立体の周面に糸状のセラミック繊維を編み込むようにして組紐体を形成したが、予めセラミック繊維を筒状に編み込んだものをマンドレル組立体に被せて組紐体を形成することも可能である。
【００４６】
マトリックス形成工程では、組紐体のセラミック繊維間にセラミックマトリックスを形成して筒部材を形成する。
そして、マンドレル抜取り工程では、セラミックマトリックスを形成した筒部材から、第一の端栓および第二の端栓を残してマンドレルを抜き取る。さらに筒部材の両端の不要部分を適宜カットする。
以上の工程により、管状体が製造される。管状体は、原子炉用の被覆管として用いられる。
【００４７】
以下、発明を実施するための形態を説明する。
図１（Ａ）に示すように、本実施形態の管状体１０は、例えば円筒形状の筒部材２０を有する。図１（Ｂ）および図１（Ｃ）に示すように、筒部材２０は、例えばＳｉＣ繊維等のセラミック繊維からなる筒状の組紐体２１と、組紐体２１を覆う例えばＳｉＣ等のセラミックマトリックス２２とを有する。
【００４８】
組紐体２１は、長手方向に沿って中空部２１１を有し、一方の端部（図１（Ａ）において右端）である第一端部２３および他方の端部（図１（Ａ）において左端）である第二端部２４において開口している。組紐体２１の第一端部２３は、長手方向外側に向かって縮径する円錐台形状のテーパ面２５１で形成される狭窄部２５を有する。また、組紐体２１の第二端部２４は、長手方向外側に向かって一旦拡径する第一のテーパ２４１と、第一のテーパ２４１に連続し中空部２１１と同心円状の平行部２４２と、平行部２４２に連続して縮径する第二のテーパ２４３を有する。従って、第二端部２４は、中央部が膨らんだ樽形状を呈している。
【００４９】
筒部材２０は、このように形成された組紐体２１をセラミックマトリックス２２により覆って形成されているので、筒部材２０の長手方向両端部は、組紐体２１の第一端部２３および第二端部２４と同様の形状をしている。
なお、以後の説明においては、組紐体２１の第一端部２３および第二端部２４の表示を、筒部材２０の第一端部２３および第二端部２４と共通して使用することとする。また、組紐体２１の狭窄部２５の表示も、筒部材２０の狭窄部２５と共通して使用することとする。
【００５０】
図１（Ｃ）に示すように、筒部材２０の第一端部２３には、第一の端栓３１が挿入されている。
第一端部２３は長手方向外側に向かって縮径する狭窄部２５を有するので、第一の端栓３１の先端部は狭窄部２５に対応した形状となっている。すなわち、第一の端栓３１の先端には、狭窄部２５のテーパ面２５１に沿ったテーパ面３１１を有する。また、第一の端栓３１の内側端部（先端部と反対側端部）には、先端部側に凹んだ凹部３１２が設けられている。第一の端栓３１は、セラミックマトリックス２２と接合している。
なお、第一の端栓３１は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなることが望ましい。
【００５１】
図１（Ｂ）に示すように、筒部材２０の第二端部２４には、第二の端栓３２が挿入されている。
第二端部２４は中央部が膨らんだ樽形状を呈しており、第二の端栓３２は第二端部２４に対応した樽形状となっている。すなわち、第二の端栓３２は、組紐体２１の第二端部２４の第一のテーパ２４１に沿った第一のテーパ面３２１と、組紐体２１の平行部２４２に沿った平行部３２２と、組紐体２１の第二のテーパ２４３に沿った第二のテーパ面３２３を有する。そして、第二の端栓３２は、中央部を貫通する貫通孔３２４を有する。貫通孔３２４の内面の長手方向中央側端部（エッジ３２５）は、筒部材２０の第一のテーパ２４１に接している。ここでは、エッジ３２５は、筒部材２０の第一のテーパ２４１と中空部２１１の内面２１２との接合点に一致しており、中空部２１１と貫通孔３２４とは、スムーズに連続している。なお、第二の端栓３２は、セラミックマトリックス２２と接合している。
なお、第二の端栓３２は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなることが望ましい。
【００５２】
第二の端栓３２の貫通孔３２４には、第三の端栓３３が取り付けられる。第三の端栓３３は着脱可能であり、且つ、貫通孔３２４に取り付けられて筒部材２０の中空部２１１を密閉することができる。
なお、第三の端栓３３は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなることが望ましい。
【００５３】
このような筒部材２０は、原子炉用の被覆管として用いることができる。
【００５４】
次に、本実施形態の管状体１０の製造方法について説明する。
図２に示すように、管状体１０の製造方法は、マンドレル準備工程Ｓ１と、ブレーディング工程Ｓ２と、マトリックス形成工程Ｓ３と、マンドレル抜取り工程Ｓ４とを有する。
図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、マンドレル準備工程Ｓ１では、マンドレル４１の第一端部２３側に第一の端栓３１を組み合わせる。このとき、マンドレル４１の第一端部２３側の端面に、第一の端栓３１に設けられている凹部３１２に嵌合する凸部４２を設けておき、凸部４２を凹部３１２に嵌合させて組み合わせる。さらに、マンドレル４１の第二端部２４側に第二の端栓３２を組み合わせる。このとき、第二の端栓３２の貫通孔３２４にマンドレル４１の第二端部２４側を挿入してマンドレル組立体４３を作製する。
【００５５】
図４（Ａ）に示すように、ブレーディング工程Ｓ２では、マンドレル組立体４３の表面にセラミック繊維４４を製織して組紐体２１を形成する。図４（Ｂ）には、組紐体２１を形成する組紐体形成装置４５の一例が示されている。この組紐体形成装置４５では、水平な円盤４６上を走行する複数のボビン４７から組糸４４１（セラミック繊維４４）をマンドレル組立体４３上に交絡させて配列させると同時に、円盤４６の中心孔４６１を通過するタテ糸４４２（セラミック繊維４４）をマンドレル組立体４３の軸心方向に沿うように配列させて、三軸織りの組紐体２１（図４（Ｃ）参照）を形成する。
なお、図４においては、マンドレル組立体４３の周面に糸状のセラミック繊維４４を編み込むようにして組紐体２１を形成したが、予めセラミック繊維を筒状に編み込んだものをマンドレル組立体４３に被せて組紐体２１を形成することも可能である。
【００５６】
図５に示すように、マトリックス形成工程Ｓ３では、組紐体２１のセラミック繊維４４間にセラミックマトリックス２２を形成して筒部材２０を形成する。
そして、図６に示すように、マンドレル抜取り工程Ｓ４では、セラミックマトリックス２２を形成した筒部材２０から、第一の端栓３１および第二の端栓３２を残してマンドレル４１を抜き取る。さらに筒部材の両端の不要部分を適宜カットする。
以上の工程により、管状体１０が製造される。管状体１０は、原子炉用の被覆管として用いられる。
【００５７】
次に、本実施形態の管状体１０の作用・効果について説明する。
本実施形態の管状体１０によれば、セラミック繊維４４からなる筒状の組紐体２１と、組紐体２１を覆うセラミックマトリックス２２とからなる筒部材２０を有している。筒部材２０は、セラミック／セラミック複合材であり、高い強度と耐熱性を有するので、過酷な環境下でも使用することができる。
また、筒部材２０の第一端部２３に挿入された第一の端栓３１と、筒部材２０の第二端部２４に挿入された第二の端栓３２とを有しているので、管状体１０を密閉したり、第一の端栓３１または第二の端栓３２に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体１０を得ることができる。
【００５８】
また、組紐体２１は、第一の端栓３１の外表面に沿って筒部材２０の末端側が狭窄した狭窄部２５を有しているので、筒部材２０の内圧が高まっても第一の端栓３１が筒部材２０から抜けない構造をとることができ、第一の端栓３１と筒部材２０との接続信頼性を高めることができる。
また、セラミックマトリックス２２は第一の端栓３１および第二の端栓３２と接合しているので、筒部材２０と第一の端栓３１および第二の端栓３２との間の気密性を確保することができる。
さらに、第二の端栓３２に、貫通孔３２４を有しているので、管状体１０の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができる。例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
【００５９】
本実施形態の管状体１０によれば、第一の端栓３１と筒部材２０の狭窄部２５とは、テーパ面２５１で接しているので、筒部材２０を構成するセラミック繊維４４にかかる曲げ応力を緩和する。さらに、テーパ面２５１で接するので、第一の端栓３１と筒部材２０との接する面積を大きく取ることができ、接続信頼性を高めることができる。
【００６０】
本実施形態の管状体１０によれば、第一の端栓３１および第二の端栓３２は、ＳｉＣ、Ｔｉ３ＳｉＣ２、Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌのいずれかからなる。これらの素材は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので、管状体１０の第一の端栓３１または第二の端栓３２として好適に利用することができる。ＳｉＣまたはＴｉ３ＳｉＣ２は、セラミックであるので特に高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有しているので、好適に利用することができる。Ｍｏ、Ｗ、ジルカロイまたはＦｅＣｒＡｌは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有する金属であるとともに容易に溶接、ロウ付けすることができ、好適に利用することができる。
【００６１】
本実施形態の管状体１０によれば、セラミック繊維４４は、ＳｉＣ繊維である。ＳｉＣ繊維は、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維４４であるので好適に利用することができる。
【００６２】
本実施形態の管状体１０によれば、セラミックマトリックス２２は、ＳｉＣである。ＳｉＣは、高い耐熱性を有するとともに、高強度、耐食性を有するセラミック繊維４４であるので好適に利用することができる。
【００６３】
本実施形態の管状体１０によれば、第一の端栓３１が、筒部材２０の開口端側が面取りされた円柱形状であるので、筒部材２０は第一の端栓３１の面取りの部分まで筒部材２０と同じ内径で構成することができる。このため、応力集中の起こりやすい屈曲部を管状体１０の中空部２１１に接しないようにすることができ、高強度の管状体１０を得ることができる。
【００６４】
本実施形態の管状体１０によれば、第二の端栓３２は、両側にテーパ面２５１を有し中央部が膨らんだ樽形状であるので、両側に第一のテーパ２４１および第二のテーパ２４３を有する。このため、内圧または外圧のいずれが第二の端栓３２にかかってもより強固に結合することができ、筒部材２０から抜けない構造をとることができるので、第二の端栓３２と筒部材２０との接続信頼性を高めることができる。
【００６５】
本実施形態の管状体１０によれば、第二の端栓３２は、貫通孔３２４の内面と筒部材２０の中央側のテーパ面２５１とが接するエッジ３２５を有するとともに、筒部材２０は、エッジ３２５に接する構造であるので、貫通孔３２４の内径と、筒部材２０の内径とをほぼ同一にすることができる。これにより、固体を挿入する際に、貫通孔３２４との干渉をなくすことができる。例えば、筒部材２０に挿入できる最大サイズの固体を貫通孔３２４の大きさの影響なく、挿入することができる。これは、核燃料ペレットを挿入する際に好都合である。
【００６６】
本実施形態の管状体１０によれば、貫通孔３２４に第三の端栓３３が挿入されているので、互いに高い寸法精度で勘合させることができ、高い気密性を確保することができる。
【００６７】
本実施形態の被覆管は、管状体１０を用いている。従って、セラミック繊維４４からなる筒状の組紐体２１と、組紐体２１を覆うセラミックマトリックス２２からなる筒部材２０と、筒部材２０の第一端部２３に挿入された第一の端栓３１と、筒部材２０の第二端部２４に挿入された第二の端栓３２と、を有する。組紐体２１は、第一の端栓３１の外表面に沿って筒部材２０の末端側が狭窄した狭窄部２５を有するとともに、第二の端栓３２は樽形状を呈している。また、セラミックマトリックス２２は第一の端栓３１および第二の端栓３２と接合している。このため、高い気密性を有するとともに、高い耐熱性、高強度、耐食性を備え、原子炉用の被覆管として好適に利用することができる。
【００６８】
本実施形態の管状体１０の製造方法によれば、マンドレル準備工程Ｓ１を有している。マンドレル準備工程Ｓ１では、マンドレル４１の第一端部２３に第一の端栓３１を組み合わせ、貫通孔３２４を有する第二の端栓３２にマンドレル４１の第二端部２４を挿入して、マンドレル組立体４３を準備する。このため、管状体１０の両端に第一の端栓３１および第二の端栓３２を正確に配置することができる。
また、マンドレル組立体４３の表面にセラミック繊維４４を製織して組紐体２１を形成するブレーディング工程Ｓ２を有しているので、第一の端栓３１から第二の端栓３２に及ぶ筒部材２０を寸法精度よく形成することができる。
【００６９】
さらに、組紐体２１のセラミック繊維４４間にセラミックマトリックス２２を形成して筒部材２０を形成するマトリックス形成工程Ｓ３を有しているので、強度の高いセラミック繊維強化セラミック複合材を得ることができる。
マトリックス形成工程Ｓ３は、どのようなプロセスでもよく特に限定されない。
マトリックス形成工程では、セラミック前駆体を液中に浸漬し、セラミック前駆体を焼成してセラミックマトリックス２２を形成する前駆体法を用いることができる。またマトリックス形成工程では、ＣＶＤ炉中で、原料ガスを導入してＣＶＤ被膜を形成するＣＶＤ法を用いることができる。さらに、ＣＶＤ法、前駆体法を組み合わせて用いることもできる。
【００７０】
また、筒部材２０から第一の端栓３１および第二の端栓３２を残してマンドレル４１を抜き取るマンドレル抜取り工程Ｓ４を有しているので、管状体１０の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉構造を形成することができる。なお、第二の端栓３２は貫通孔３２４を有しているので、マンドレル４１を容易に抜き取ることができる。
筒部材２０は、第一端部２３に第一の端栓３１の外表面に沿って狭窄部２５を有するので、マンドレル４１を第二端部２４側に引き抜くことができる。
【００７１】
また、こうして得られた管状体１０は、セラミック繊維４４からなる筒状の組紐体２１と、組紐体２１を覆うセラミックマトリックス２２とからなる筒部材２０を有しているので、筒部材２０は、セラミック／セラミック複合材であり、高い強度と耐熱性を有し、過酷な環境下でも使用することができる。
また、筒部材２０の第一端部２３に挿入された第一の端栓３１と、筒部材２０の第二端部２４に挿入された第二の端栓３２とを有しているので、管状体１０を密閉したり、第一の端栓３１または第二の端栓３２に管などを接続したりして使用することができ、気密構造を有する管状体１０を得ることができる。
【００７２】
また、組紐体２１は、第一の端栓３１の外表面に沿って筒部材２０の末端側が狭窄した狭窄部２５を有しているので、第一の端栓３１が筒部材２０から抜けない構造をとることができ、第一の端栓３１と筒部材２０との接続信頼性を高めることができる。
また、第二の端栓３２は、両側にテーパ面２５１を有し中央部が膨らんだ樽形状であるので、両側に第一のテーパ２４１および第二のテーパ２４３を有する。このため、内圧または外圧のいずれが第二の端栓３２にかかってもより強固に結合することができ、筒部材２０から抜けない構造をとることができるので、第二の端栓３２と筒部材２０との接続信頼性を高めることができる。
また、セラミックマトリックス２２は第一の端栓３１および第二の端栓３２と接合しているので、筒部材２０と第一の端栓３１および第二の端栓３２との間の気密性を確保することができる。
さらに、第二の端栓３２に、貫通孔３２４を有しているので、管状体１０の内部に固体、液体、ガスなどを封入した後、閉鎖し、密閉することができる。例えば、核燃料、パージガスなどを封入することができる。
【００７３】
なお、本発明の管状体１０は、前述した実施形態に限定されるものでなく、適宜な変形，改良等が可能である。
例えば、本実施形態においては、管状体１０の第一端部２３に狭窄部２５を設けたが、第二端部２４に設けることもできる。さらに、第一端部２３および第二端部２４の両側に設けることも可能である。
【００７４】
また、第一の端栓３１および第二の端栓３２の形状も、前述の実施形態の形状に限定するものではない。
以下に、管状体１０の第一端部２３および第一の端栓３１の変形例を示す。
図７（Ａ）に示す管状体１０１では、第一端部２３の形状は前述した実施形態と変わらないが、第一の端栓３１Ａの内側端面に凹部３１２（図１（Ｃ）参照）が設けられず平坦となっている。このようにしても、前述した実施形態の管状体１０と同様の作用・効果を得ることができる。
【００７５】
また、図７（Ｂ）に示す管状体１０２では、第一端部２３Ａの外周面に、外側に突出する拡径部２３１が設けられており、筒部材２０の内面には凹部２３２が設けられている。前述した狭窄部２５（図１（Ｃ）参照）は設けられていない。これに対応して、第一の端栓３１Ｂには、凹部２３２に嵌合する凸部３１３が設けられている。このようにしても、前述した実施形態の管状体１０と同様の作用・効果を得ることができるとともに、さらに、第一の端栓３１Ｂを筒部材２０の中心側へ押す力が作用しても、移動するのを防止できる。
【００７６】
また、図７（Ｃ）に示す管状体１０３は前述した実施形態の管状体１０と同様の形状をしているが、第一の端栓３１Ｃの中心部に管状体１０３の内部と外部とを連通する連通孔３１４が設けられている。先端に突起４２１を有するマンドレル４１を用いる場合に適する。
さらに、図７（Ｄ）に示す管状体１０４では、第一の端栓３１Ｄの内面に、前述した凹部３１２（図１（Ｃ）参照）に代わって凸部３１５が設けられている。
【００７７】
次に、管状体１０の第二端部２４および第二の端栓３２の変形例を示す。
図８（Ａ）に示す管状体１０５では、第二の端栓３２Ａの貫通孔３２４の大きさが、筒部材２０の中空部２１１（図１（Ｂ）参照）の内径に比べて小さい。この場合、第二の端栓３２Ａを製造する際に、第二の端栓３２Ａの厚さに相当する部分２１３に例えば可燃物や砂等を充填しておき、中心に貫通孔３２４の大きさに相当する棒部材３４を挿入して第二の端栓３２Ａを製造することができる。第二の端栓３２Ａを製造した後、棒部材３４を抜取り、可燃物や砂等を除去する。
【００７８】
図８（Ｂ）に示す管状体１０６では、第二の端栓３２Ｂの断面形状が、前述した実施形態における樽形状の第二の端栓３２に比べて扁平である。
【００７９】
図８（Ｃ）に示す管状体１０７では、第二の端栓３２Ｃの貫通孔３２４の内面に、ねじ部３２６が形成されている。ねじ部３２６は、図８（Ａ）の棒部材３４にねじ山を設けることにより設けることができる。あるいは、第二の端栓３２Ｃの作成後にねじ部３２６を形成することも可能である。
これにより、他部材を容易に第二の端栓３２Ｃに着脱することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、例えば核燃料を挿入して使用する被覆管として用いることができる管状体に適用可能である。
【符号の説明】
【００８１】
１０  管状体
２０  筒部材
２１  組紐体
２２  セラミックマトリックス
２３  第一端部
２４  第二端部
２５  狭窄部
２５１  テーパ面
３１  第一の端栓
３２  第二の端栓
３２１  第一のテーパ面（テーパ面）
３２３  第二のテーパ面（テーパ面）
３２４  貫通孔
３２５  エッジ
３３  第三の端栓
４１  マンドレル
４３  マンドレル組立体
４４  セラミック繊維
Ｓ１  マンドレル準備工程
Ｓ２  ブレーディング工程
Ｓ３  マトリックス形成工程
Ｓ４  マンドレル抜取り工程
【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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