(57)【要約】【課題】本特許文書は、原子炉環境並びに高温および／または高腐食性環境に耐えることができる材料を必要とするその他の用途おける使用に適したセラミックマトリックス複合材のためのシステム、構造体、装置、および製造プロセスに関する。１つの例示的態様において、セラミック構造体を接合および封止する方法を開示する。方法は、封止材料を用いて、セラミック構造体と、上面と底面とを通過する孔を有するエンドプラグとの接合部を形成することと、孔を通して所望のガス組成によってセラミック構造体を充填することと、熱源を用いて材料を溶融形態に加熱することと、材料が凝固してエンドプラグを封止する孔の中に材料を導くこととを備える。【選択図】図５
2021503427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック構造体とエンドプラグとを接合および封止する方法であって、
封止材料を用いて、管状構造体を含むセラミック構造体と、エンドプラグの上面および底面を通過する孔を有するように構成され、前記管状構造体の内部に設置されている前記エンドプラグとの接合部を形成することと、
前記孔を通して前記管状構造体に所望のガス組成を充填することと、
熱源を用いて、材料を溶融形態に加熱することと、
前記孔の中に前記材料を導き、前記材料が凝固して前記エンドプラグを封止することと、
を備える方法。
【請求項２】
前記接合部を前記形成することは、
プレセラミックポリマーと複数の含有物とを含む前記封止材料を、前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間に塗布することと、
前記封止材料から固体セラミックを形成することと、
前記複数の含有物が結晶性マトリックスの内部に配置され、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える前記結晶性マトリックスを形成するために前記固体セラミックを結晶化させることと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記含有物は、球体、薄片、ウィスカー、繊維、または前記セラミック多形体を備える不規則形状物を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記封止材料は、第１の温度で硬化し、前記第１の温度より高い第２の温度で熱分解して前記固体セラミックを形成し、前記固体セラミックは前記第２の温度より高い第３の温度で結晶化する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記所望のガス組成を前記充填することの前に、前記結晶性マトリックス上に、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える実質的にガス不透過性の封止層を形成することによって、前記接合部を強化すること、をさらに備える、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記接合部を前記強化することは、化学気相浸透（ＣＶＩ）を用いて行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記結晶性マトリックスは、クラック、細孔、またはボイドをさらに備え、前記実質的にガス不透過性の封止層は、前記クラック、細孔、またはボイドを介して前記結晶性マトリックスの中に部分的にまたは全体的に浸透する、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記所望のガス組成はヘリウムガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記溶融された材料は高い溶融温度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記溶融された材料は、酸化物、シリコン、または遷移金属を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記管状構造体の中に低圧を生成することと、
前記所望のガス組成を前記充填することの前に、前記低圧の下で前記接合部を強化することと、をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記封止材料を前記エンドプラグの外表面に塗布することと、
前記エンドプラグを第２の低圧力の下で強化することと、をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記強化することは、化学気相堆積（ＣＶＤ）を用いて行われる、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記溶融形態の前記材料は、前記孔で流動しつつ凝固する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記溶融形態の前記材料は、前記熱源が取り去られた後で凝固する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記接合されたセラミック構造体と前記エンドプラグとを少なくとも摂氏１３５０度の温度で熱処理すること、をさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
セラミック構造体を接合および封止する方法であって、
封止材料を用いて、セラミック構造体と、エンドプラグの上面および底面を通過する孔を含む本体および前記孔の中に位置決めされたピンを有する前記エンドプラグとの接合部を形成することと、
材料を前記エンドプラグの前記孔の中に配置することと、
前記材料を加熱するために、前記エンドプラグの近くの前記セラミック構造体の部分に熱を加えることと、
前記ピンに圧力を印加し、前記ピンが前記孔の中の前記加熱された材料を押圧して前記エンドプラグを封止することと、
を備える方法。
【請求項１８】
前記接合部を前記形成することは、
前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間にプレセラミックポリマーと複数の含有物とを含む前記封止材料を塗布することと、
前記封止材料から固体セラミックを形成することと、
前記複数の含有物が結晶性マトリックスの内部に配置され、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える前記結晶性マトリックスを形成するために前記固体セラミックを結晶化させることと、
を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記含有物は、球体、薄片、ウィスカー、繊維、または前記セラミック多形体を備える不規則形状物を備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記封止材料は、第１の温度で硬化し、前記第１の温度より高い第２の温度で熱分解して前記固体セラミックを形成し、前記固体セラミックは前記第２の温度より高い第３の温度で結晶化する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記結晶性マトリックス上に、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える実質的にガス不透過性の封止層を形成することによって、前記接合部を強化すること、をさらに備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記接合部を前記強化することは、化学気相浸透（ＣＶＩ）を用いて行われる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記結晶性マトリックスは、クラック、細孔、またはボイドをさらに備え、前記実質的にガス不透過性の封止層は、前記クラック、細孔、またはボイドを介して前記結晶性マトリックスの中に部分的にまたは全体的に浸透する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記孔を通して前記セラミック構造体を所望のガス組成で充填すること、をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
所望のガス組成の圧力を増加させることにより、前記ピンに前記圧力を印加する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記接合されたセラミック構造体と前記エンドプラグとを少なくとも摂氏１３５０度の温度で熱処理すること、をさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
セラミック構造体の端部を封止するためのデバイスであって、
セラミック材料を含み、第１の開口部を有する第１の面と第２の開口部を有する第２の面を含む形状を有し、セラミック構造体の１つの開口端に嵌合してその開口端を封止する形状を有するデバイス本体を備え、
前記第１の開口部と前記第２の開口部とは、前記デバイス本体の中に、前記セラミック構造体の内部領域の中に通路を提供する中空空間を形成し、封止材料による充填で前記通路を封止可能にするデバイス。
【請求項２８】
前記第１の開口部の直径および前記第２の開口部の直径は、実質的に同じである、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項２９】
前記セラミック材料は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記デバイス本体は、前記デバイスの中心軸に沿ったテーパ付きサブセクションを含む、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３１】
前記デバイス本体の通路の一部としての前記中空空間に嵌合して、前記封止材料を押圧して前記通路を封止する形状を有するピンをさらに備える、請求項２７に記載のデバイス。
【請求項３２】
前記ピンはセラミック材料を含む、請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３３】
核燃料棒であって、
第１のセラミック材料を含む管状構造体と、
第１の封止材料を用いて前記管状構造体の第１の端部に接合されている第１のプラグと、
第１の開口部を有する第１の面と第２の開口部を有する第２の面とを含む形状を有する本体を備え、前記第１の開口部と前記第２の開口部とは前記本体の中に中空空間を形成し、前記第１の封止材料を用いて前記管状構造体の第２の端部に接合されている第２のプラグと、
第２のプラグを封止するように前記第２のプラグの前記中空空間の内部に配置されている第２の封止材料と、
前記管状構造体の内部に位置決めされている１つまたは複数の核燃料ペレットと、
を備える核燃料棒。
【請求項３４】
前記セラミック材料は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む、請求項３３に記載の核燃料棒。
【請求項３５】
前記第１の封止材料はプレセラミックポリマーである、請求項３３に記載の核燃料棒。
【請求項３６】
前記プレセラミックポリマーは複数の含有物を含む、請求項３５に記載の核燃料棒。
【請求項３７】
前記プレセラミックポリマーはポリカルボシランであり、前記含有物は炭化ケイ素粉末の形態を有する、請求項３６に記載の核燃料棒。
【請求項３８】
前記第１のプラグはテーパ付き本体を有する、請求項３３に記載の核燃料棒。
【請求項３９】
前記第１のプラグは炭化ケイ素材料を含む、請求項３３に記載の核燃料棒。
【請求項４０】
前記第２のプラグの前記本体は、前記第２のプラグの中心軸に沿ったテーパ付きの部分を含む、請求項３３に記載の核燃料棒。
【請求項４１】
前記第２のプラグは炭化ケイ素材料を含む、請求項３３に記載の核燃料棒。
【請求項４２】
前記第２のプラグは、デバイス本体の通路の一部としての前記中空空間に嵌合し、前記第２の封止材料を押圧して前記第２のプラグを封止する形状を有するピンまたはインサートを含む、請求項３３に記載の核燃料棒。
【請求項４３】
前記ピンまたは前記インサートは炭化ケイ素材料を含む、請求項４２に記載の核燃料棒。
【請求項４４】
前記第２の封止材料は、酸化物、シリコン、または遷移金属を含む、請求項３３に記載の核燃料棒。
【請求項４５】
セラミック構造体を封止するための装置であって、
前記セラミック構造体を保持し、ガスを収容するためのチャンバと、
ガス組成を前記チャンバにまたはチャンバから導くために、前記チャンバに連結されているガス注入口と、
前記チャンバの外側に配置されて、前記チャンバの内部のガス中の前記セラミック構造体の部分の温度を上昇させるために、誘導加熱を引き起こすように動作可能な複数のコイルと、
を備える装置。
【請求項４６】
前記チャンバは石英から作られている、請求項４５に記載の装置。
【請求項４７】
前記チャンバは一様な断面を有する、請求項４５に記載の装置。
【請求項４８】
前記チャンバは、第１の端部に小さい断面および第２の端部に大きい断面を有する、請求項４５に記載の装置。
【請求項４９】
前記第１の端部の直径は約７０ｍｍである、請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記第２の端部の直径は約１１０ｍｍである、請求項４８に記載の装置。
【請求項５１】
前記ガス組成はヘリウムまたはアルゴンを含む、請求項４５に記載の装置。
【請求項５２】
前記複数のコイルは無線周波数（ＲＦ）コイルである、請求項４５に記載の装置。
【請求項５３】
高い動作温度に対して堅牢な、外部チャンバとフランジとをさらに備える、請求項４５に記載の装置。
【請求項５４】
前記外部チャンバの高さは約５４０ｍｍである、請求項５３に記載の装置。
【請求項５５】
セラミック構造体を封止する方法であって、
前記セラミック構造体を封止装置のチャンバの中に位置決めすることと、
封止材料が前記セラミック構造体とプラグとの間に位置決めされ、前記セラミック構造体の端部に前記プラグを配置することと、
サセプタブロックを前記プラグに隣接して配置することと、
前記セラミック構造体の前記端部と前記サセプタブロックを高温に加熱し、前記プラグと、前記セラミック構造体の前記端部の、前記プラグと接触している前記セラミック構造体の部分とを接合することによって、前記セラミック構造体の前記端部を封止するために、前記チャンバの外側に配置されている複数の誘導コイルを変動電流により駆動することと、
を備える方法。
【請求項５６】
前記セラミック構造体の前記端部を封止することは、化学気相浸透（ＣＶＩ）プロセスまたは化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスにより得られる、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記封止が得られた後、前記サセプタブロックの部分を除去すること、をさらに備える、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記プラグと前記サセプタブロックとの間にシリコンの層を配置すること、をさらに備える、請求項５６に記載の方法。
【請求項５９】
前記セラミック構造体の前記端部を前記封止することは、液体シリコン流プロセスによって得られる、請求項５５に記載の方法。
【請求項６０】
シリコンの層は、高温で溶融し、前記サセプタブロックと反応するように構成されている、請求項５５に記載の方法。
【請求項６１】
前記セラミック構造体の前記端部を加熱する前に、前記セラミック構造体の中にガス組成を導くこと、をさらに備える、請求項５５に記載の方法。
【請求項６２】
セラミック構造体を封止するシステムであって、
ガス組成を供給するガス貯蔵部と、
セラミック構造体を封止するための装置であって、
前記セラミック構造体を保持するためのチャンバと、
前記ガス組成を前記チャンバに導くための、前記チャンバに連結されているガス注入口と、
前記チャンバの内部に保持される前記セラミック構造体の部分の温度を上昇させるために誘導加熱することが可能で、前記チャンバの外側に配置されている複数のコイルと、
を備える装置と、
前記装置の１つまたは複数の温度を監視するための１つまたは複数の温度モニタと、
前記装置の圧力を制御するための１つまたは複数の圧力レギュレータと、
を備えるシステム。
【請求項６３】
前記１つまたは複数の温度モニタは、前記セラミック構造体の温度を監視するための熱電対を含む、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６４】
前記１つまたは複数の温度モニタは、前記セラミック構造体の前記部分の温度を監視するためのパイロメータを含む、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６５】
前記１つまたは複数の温度モニタは、前記チャンバの温度を報告するための温度モニタをさらに含む、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６６】
前記１つまたは複数の圧力レギュレータは、背圧レギュレータを含む、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６７】
前記装置から排出される排出ガスをろ過するためのフィルタをさらに備える、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６８】
前記フィルタを通過する前の排出ガスの圧力を監視するためのフィルタ前ガス圧力モニタをさらに備える、請求項６７に記載のシステム。
【請求項６９】
前記フィルタを通過した後の排出ガスの圧力を監視するためのフィルタ後ガス圧力モニタをさらに備える、請求項６７に記載のシステム。
【請求項７０】
エンドプラグによってセラミック構造体を封止するためのインサートであって、
第１の開口部を有する第１の面と、第２の開口部を有する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側壁とを含み、前記セラミック構造体の１つの開口端と前記エンドプラグとの間に嵌合し、前記エンドプラグによって前記開口端を封止する形状を有する本体を備え、
前記第１の開口部と前記第２の開口部とは、前記本体の中に中空空間を形成し、前記エンドプラグの前記デバイスへの連結を可能にするインサート。
【請求項７１】
前記第１の面から延び、前記側壁から突出している隆起部をさらに備える、請求項７０に記載のインサート。
【請求項７２】
前記インサートは遷移金属から作られている、請求項７０に記載のインサート。
【請求項７３】
前記遷移金属はモリブデンである、請求項７２に記載のインサート。
【請求項７４】
エンドプラグによってセラミック構造体を封止または接合するためのインサートを製造する方法であって、
第１の開口部を有する第１の面と、第２の開口部を有する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側壁とを含み、前記セラミック構造体の１つの開口端と前記エンドプラグとの間に嵌合し、前記エンドプラグによって前記開口端を封止する形状を有する本体を備え、
前記第１の開口部と前記第２の開口部とが、前記本体の中に中空空間を形成し、前記エンドプラグへの連結を可能にする部品を製造することと、
前記製造された部品を洗浄することと、
表面欠陥を低減するために前記洗浄された部品を研磨することと、
を備える方法。
【請求項７５】
前記洗浄することは、超音波浴を用いて行われる、請求項７４に記載の方法。
【請求項７６】
前記洗浄された部品を前記研磨することは、酸浴中で前記洗浄された部品を電気研磨すること、を含む、請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
エンドプラグとインサートとによってセラミック構造体を封止または接合する方法であって、
アセンブリを形成するために前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間に前記インサートを配置することと、
前記アセンブリを不活性ガス組成中に位置決めすることと、
前記アセンブリを第１の温度および第１の圧力の下で加熱することと、
界面残留応力を除去するために前記アセンブリをある継続時間の間アニールすることと、
を備える方法。
【請求項７８】
前記不活性ガス組成はヘリウムである、請求項７７に記載の方法。
【請求項７９】
前記第１の温度は摂氏１５００度を超える、請求項７７に記載の方法。
【請求項８０】
前記継続時間は２時間から４時間の間である、請求項７７に記載の方法。
【請求項８１】
前記アセンブリを前記加熱することは、
前記アセンブリに対して前記第１の圧力を生成するために力を加えることと、
前記第１の温度と前記第１の圧力の下で前記アセンブリをホットプレスすることと、
を含む、請求項７７に記載の方法。
【請求項８２】
前記力は０．５ｋＮから５ｋＮまでの間である、請求項８１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権主張および関連する特許出願
本特許文書は、２０１７年１０月１９日付提出で同一の発明の名称の米国仮特許出願第６２／５７４、７２１の利益および優先権を主張する。
【０００２】
本特許文書は、原子炉で使用するための核燃料物質を保持するためのケーシング、格納またはクラッド構造に関連する、あるいは、熱交換器、またはノーズコーンもしくはノズルに関連し、または流路インサートに関連する、システム、構造体、装置、および製造プロセスに関する。
【背景技術】
【０００３】
原子炉においては、核反応のための燃料として核分裂性物質を使用して発電する場合が多い。その燃料は、通例、核反応の高い運転温度に耐え、強烈な中性子放射線環境の中で構造健全性を維持する燃料棒等の堅牢な容器に保持される。燃料構造体は、炉心内部で十分な期間（例えば、数年間）にわたってその形状と構造健全性を維持することによって、核分裂生成物の原子炉冷却材の中への漏出を防止することが好ましい。熱交換器、ノズル、ノーズコーン、流路インサート、または関連部品等のその他の構造体も、高温特性、耐腐食性、および高い寸法精度が重要である特定の、非平面形状が要求される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本特許文書は、原子炉環境並びに高温環境および／または高腐食性環境に耐えることができる材料を必要とするその他の用途における使用に適したセラミックマトリックス複合材のためのシステム、構造体、装置、および製造プロセスに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
例示的な一態様では、セラミック構造体とエンドプラグとを接合および封止する方法が開示されている。前記方法は、封止材料を用いて、エンドプラグの管状構造体を含むセラミック構造体と、上面および底面を通過する孔を含むように構成され、前記管状構造体の内部に設置されているエンドプラグとの接合部を形成することと、前記孔を通して前記セラミック構造体に所望のガス組成を充填することと、熱源を用いて、材料を溶融形態に加熱することと、前記孔の中に前記材料を導き、前記材料が凝固して前記エンドプラグを封止することとを備える。
【０００６】
いくつかの実施形態では、前記接合部を前記形成することは、プレセラミックポリマーと複数の含有物とを含む前記封止材料を、前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間に塗布することと、前記封止材料から固体セラミックを形成することと、前記複数の含有物が結晶性マトリックスの内部に配置され、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える前記結晶性マトリックスを形成するために前記固体セラミックを結晶化させることとを含む。
【０００７】
いくつかの実施形態では、前記含有物は、球体、薄片、ウィスカー、繊維、または前記セラミック多形体を備える不規則形状物を含むことができる。いくつかの実施形態では、前記封止材料は、第１の温度で硬化し、前記第１の温度より高い第２の温度で熱分解して前記固体セラミックを形成することができ、前記固体セラミックは前記第２の温度より高い第３の温度で結晶化する。
【０００８】
いくつかの実施形態では、前記方法は、前記セラミック構造体の内部に低圧を生成することと、前記所望のガス組成を前記充填することの前に、前記結晶性マトリックスに対して、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える実質的にガス不透過性の封止層を塗布することによって、前記低圧下で前記接合部を強化すること、をさらに備えることによって実現できる。前記接合部を前記強化することは、化学気相浸透（ＣＶＩ）を用いて行うことができる。いくつかの実施形態では、前記低圧は、前記セラミック構造体から相当量のガスを取り去ることによって生成可能である。前記結晶性マトリックスは、クラック、細孔、またはボイドをさらに備えてもよく、前記実質的にガス不透過性の封止層は、前記クラック、細孔、またはボイドを介して前記結晶性マトリックスの中に部分的にまたは全体的に浸透してもよい。
【０００９】
いくつかの実施形態では、前記所望のガス組成はヘリウムガスを含む。いくつかの実施形態では、前記溶融された材料は高い溶融温度を有してもよい。たとえば、前記溶融された材料は、酸化物、シリコン、または遷移金属を含む。
【００１０】
いくつかの実施形態では、前記管状構造体の中に低圧を生成することと、前記所望のガス組成を前記充填することの前に、前記低圧の下で前記接合部を強化することとをさらに備える。いくつかの実施形態では、前記方法は、前記封止材料を前記エンドプラグの外表面に塗布することと、前記エンドプラグを第２の低圧力の下で強化することとをさらに備えてもよい。いくつかの実施形態では、前記強化することは、化学気相堆積（ＣＶＤ）を用いて行うことができる。いくつかの実施形態では、前記溶融形態の前記材料は前記孔で流動しつつ凝固する。いくつかの実施形態では、前記溶融形態の前記材料は、前記熱源が取り去られた後で凝固する。いくつかの実施形態では、前記接合されたセラミック構造体と前記エンドプラグとを少なくとも摂氏１３５０度の温度で熱処理すること、をさらに備える。
【００１１】
他の実施形態では、セラミック構造体を接合および封止する方法が開示されている。前記方法は、封止材料を用いて、セラミック構造体と、エンドプラグの上面および底面を通過する孔を含む本体および前記孔の中に位置決めされたピンを有する前記エンドプラグとの接合部を形成することと、材料を前記エンドプラグの前記孔の中に配置することと、前記材料を加熱するために、前記エンドプラグの近くの前記セラミック構造体の部分に熱を加えることと、前記本体または前記ピンに圧力を印加し、前記ピンが前記孔の中の前記加熱された材料を押圧して前記エンドプラグを封止することとを備える。
【００１２】
いくつかの実施形態では、前記接合部を前記形成することは、前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間にプレセラミックポリマーと複数の含有物とを含む前記封止材料を塗布することと、前記封止材料から固体セラミックを形成することと、前記複数の含有物が結晶性マトリックスの内部に配置され、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える前記結晶性マトリックスを形成するために前記固体セラミックを結晶化させることとをも含む。
【００１３】
いくつかの実施形態では、前記含有物は、球体、薄片、ウィスカー、繊維、または前記セラミック多形体を備える不規則形状物を含む。いくつかの実施形態では、前記封止材料は、第１の温度で硬化し、前記第１の温度より高い第２の温度で熱分解して前記固体セラミックを形成し、前記固体セラミックは前記第２の温度より高い第３の温度で結晶化する。
【００１４】
いくつかの実施形態では、前記結晶性マトリックス上に、前記セラミック構造体および前記エンドプラグと同じセラミック多形体を備える実質的にガス不透過性の封止層を形成することによって、前記低圧下で前記接合部を強化すること、をさらに備える。前記接合部を前記強化することは、化学気相浸透（ＣＶＩ）を用いて行ってもよい。前記結晶性マトリックスは、クラック、細孔、またはボイドをさらに備えてもよく、前記実質的にガス不透過性の封止層は、前記クラック、細孔、またはボイドを介して前記結晶性マトリックスの中に部分的にまたは全体的に浸透してもよい。
【００１５】
いくつかの実施形態では、前記孔を通して前記セラミック構造体を所望のガス組成で充填すること、をもさらに含む。いくつかの実施形態では、前記所望のガス組成の圧力を増加させることにより、前記ピンに前記圧力を印加することができる。
【００１６】
他の実施形態では、セラミック構造体の端部を封止するためのデバイスが開示されている。前記デバイスは、セラミック材料を含み、第１の開口部を有する第１の面と第２の開口部を有する第２の面を含む形状を有するデバイス本体を含む。前記第１の開口部と前記第２の開口部とは、前記装置本体の中に中空空間を形成し、そして前記第１の開口部と前記第２の開口部とは、前記装置本体の中に前記セラミック構造体の内部領域の中に通路を提供する中空空間を形成し、封止材料による充填で前記通路を封止可能としている。
【００１７】
いくつかの実施形態では、前記第１の開口部の直径および前記第２の開口部の直径は、実質的に同じである。いくつかの実施形態では、前記セラミック材料は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む。いくつかの実施形態では、前記デバイス本体は、前記デバイスの中心軸に沿ったテーパ付きサブセクションを含む。
【００１８】
いくつかの実施形態では、前記デバイス本体の通路の一部としての前記中空空間に嵌合して、前記封止材料を押圧して前記通路を封止する形状を有するピンをさらに備える。いくつかの実施形態では、前記ピンはセラミック材料を含む。
【００１９】
他の実施形態では、核燃料棒が開示されている。前記核燃料棒は、第１のセラミック材料を含む管状構造体と、第１の封止材料を用いて前記管状構造体の第１の端部に接合されている第１のプラグと、第１の開口部を有する第１の面と第２の開口部を有する第２の面とを含む形状を有する本体を備え、前記第１の開口部と前記第２の開口部とは前記本体の中に中空空間を形成し、前記第１の封止材料を用いて前記管状構造体の第２の端部に接合されている第２のプラグと、第２のプラグを封止するように前記第２のプラグの前記中空空間の内部に配置されている第２の封止材料と、前記管状構造体の内部に位置決めされている１つまたは複数の核燃料ペレットと、を備える。
【００２０】
いくつかの実施形態では、前記セラミック材料は炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含む。前記第１の封止材料はプレセラミックポリマーであってもよい。いくつかの実施形態では、前記プレセラミックポリマーは複数の含有物を含む。例えば、前記プレセラミックポリマーはポリカルボシランであり、前記含有物は炭化ケイ素粉末の形態を有する。いくつかの実施形態では、前記第１のプラグはテーパ付き本体を有する。前記第１のプラグは炭化ケイ素材料を含んでもよい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、前記第２のプラグの前記本体は、前記第２のプラグの中心軸に沿ったテーパ付きの部分を含む。前記第２のプラグは炭化ケイ素材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記第２のプラグは、前記デバイス本体の通路の一部としての前記中空空間に嵌合し、前記第２の封止材料を押圧して前記第２のプラグを封止する形状を有するピンまたはインサートを含む。前記ピンまたは前記インサートは炭化ケイ素材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、前記第２の封止材料は、酸化物、シリコン、または遷移金属を含む。
【００２２】
他の実施形態では、セラミック構造体を封止するための装置が開示されている。前記装置は、前記セラミック構造体を保持するためのチャンバと、ガス組成を前記チャンバにまたはチャンバから導くために、前記チャンバに連結されているガス注入口と、前記チャンバの外側に配置されて、前記チャンバの内部に保持された前記セラミック構造体の部分の温度を上昇させるために、誘導加熱を引き起こすことができる複数のコイルと、を備える。
【００２３】
いくつかの実施形態では、前記チャンバは石英から作られている。いくつかの実施形態では、前記チャンバは一様な断面を有することができる。いくつかの実施形態では、前記チャンバは、第１の端部に小さい断面および第２の端部に大きい断面を有する。例えば、前記第１の端部の直径は約７０ｍｍである。他の例では、前記第２の端部の直径は約１１０ｍｍである。
【００２４】
いくつかの実施形態では、前記ガス組成はヘリウムまたはアルゴンを含む。いくつかの実施形態では、前記コイルは無線周波数（ＲＦ）コイルである。いくつかの実施形態では、前記装置は、高い動作温度に対して堅牢な外部チャンバとフランジとをさらに備える。前記外部チャンバの高さは約５４０ｍｍにすることができる。
【００２５】
セラミック構造体を封止する方法が開示されている。前記方法は、前記セラミック構造体を封止装置のチャンバの中に位置決めすることと、封止材料が前記セラミック構造体とプラグとの間に位置決めされ、前記セラミック構造体の端部に前記プラグを配置することと、サセプタブロックを前記プラグに隣接して配置することと、前記セラミック構造体の前記端部と前記サセプタブロックを高温に加熱し、前記プラグと、前記セラミック構造体の前記端部の、前記プラグと接触している前記セラミック構造体の部分とを接合することによって、し、前記セラミック構造体の前記端部を封止するために、前記チャンバの外側に配置されている複数の誘導コイルを変動電流により駆動することとを備える。
【００２６】
いくつかの実施形態では、前記封止は、化学気相浸透（ＣＶＩ）により得られる。いくつかの実施形態では、前記方法は、前記封止が得られた後、前記サセプタブロックの部分を除去すること、をさらに備える。いくつかの実施形態では、前記方法は、前記プラグと前記サセプタブロックとの間にシリコンの層を配置すること、をさらに備える。前記封止は液体シリコン流プロセスによって得ることができる。前記シリコンの層は、高温で溶融し、前記サセプタブロックと反応するように構成することができる。いくつかの実施形態では、前記セラミック構造体の前記端部を加熱する前に前記セラミック構造体の中にガス組成を導くこと、をさらに備える。
【００２７】
さらに他の実施形態において、セラミック構造体を封止するシステムが開示され、前記システムは、ガス組成を供給するガス貯蔵部と、セラミック構造体を封止するための装置であって、前記セラミック構造体を保持するためのチャンバと、前記ガス組成を前記チャンバに導くための、前記チャンバに連結されているガス注入口と、前記チャンバの内部に保持される前記セラミック構造体の部分の温度を上昇させるために誘導加熱することが可能で、前記チャンバの外側に配置されている複数のコイルと、を備える装置と、前記装置の１つまたは複数の温度を監視するための１つまたは複数の温度モニタと、前記装置の圧力を制御するための１つまたは複数の圧力レギュレータと、を備える。
【００２８】
いくつかの実施形態では、前記１つまたは複数の温度モニタは、前記セラミック構造体の温度を監視するための熱電対を含む。いくつかの実施形態では、前記１つまたは複数の温度モニタは、前記セラミック構造体の前記部分の温度を監視するためのパイロメータを含む。前記１つまたは複数の温度モニタは、前記チャンバの温度を報告するための温度モニタをさらに含んでもよい。
【００２９】
いくつかの実施形態では、前記１つまたは複数の圧力レギュレータは背圧レギュレータを含む。いくつかの実施形態では、前記装置から排出される排出ガスをろ過するためのフィルタをさらに備える。いくつかの実施形態では、前記フィルタを通過する前の排出ガスの圧力を監視するためのフィルタ前ガス圧力モニタをさらに備える。前記システムは、前記フィルタを通過した後の排出ガスの圧力を監視するためのフィルタ後ガス圧力モニタをさらに備えてもよい。
【００３０】
例示的な一態様では、エンドプラグによってセラミック構造体を封止するためのデバイスが開示されている。前記デバイスは、第１の開口部を有する第１の面と、第２の開口部を有する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側壁とを含み、前記セラミック構造体の１つの開口端と前記エンドプラグとの間に嵌合し、前記エンドプラグによって前記開口端を封止する形状を有する本体を備える。前記第１の開口部と前記第２の開口部とは、前記本体の中に中空空間を形成し、前記エンドプラグが前記デバイスに連結されていることを可能にする。
【００３１】
いくつかの実施形態では、前記インサートは、前記第１の面から延び、前記側壁から突出している隆起部をも備える。いくつかの実施形態では、前記インサートは遷移金属から作られている。前記遷移金属はモリブデンであってもよい。
【００３２】
他の例示的な一態様では、エンドプラグによってセラミック構造体を封止または接合するためのインサートを製造する方法が開示されている。前記方法は、前記セラミック構造体の１つの開口端と前記エンドプラグとの間に嵌合し、前記エンドプラグによって前記開口端を封止する形状を有する本体を含む部品を製造することを含む。前記本体は、第１の開口部を有する第１の面と、第２の開口部を有する第２の面と、前記第１の面と前記第２の面とを接続する側壁とを含む。前記第１の開口部と前記第２の開口部とは、前記本体の中に中空空間を形成し、前記エンドプラグへの連結を可能にする。前記方法は、前記製造された部品を洗浄することと、表面欠陥を低減するために前記洗浄された部品を研磨することと、をも含む。
【００３３】
いくつかの実施形態では、前記洗浄することは超音波浴を用いて行われる。いくつかの実施形態では、前記洗浄された部品を前記研磨することは、酸浴中で前記洗浄された部品を電気研磨すること、を含む。
【００３４】
さらに他の実施形態において、エンドプラグとインサートとによってセラミック構造体を封止または接合する方法が開示されている。前記方法は、アセンブリを形成するために前記セラミック構造体と前記エンドプラグとの間に前記インサートを配置することと、前記アセンブリを不活性ガス組成中に位置決めすることと、前記アセンブリを第１の温度および第１の圧力の下で加熱することと、界面残留応力を除去するために前記アセンブリをある継続時間の間アニールすることと、を備える。
【００３５】
いくつかの実施形態では、前記不活性ガス組成はヘリウムである。いくつかの実施形態では、前記第１の温度は摂氏１５００度を超える。前記継続時間は２時間から４時間の間にすることができる。
【００３６】
いくつかの実施形態では、前記アセンブリを前記加熱することは、前記アセンブリに対して前記第１の圧力を生成するために力を加えることと、前記第１の温度と前記第１の圧力の下で前記アセンブリをホットプレスすることと、を含む。前記力は０．５ｋＮから５ｋＮまでの間であってもよい。
【００３７】
上記およびその他の態様並びにその実装例については、図面、説明および請求項においてより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１Ａ】原子炉用の例示的な燃料集合体を示す。
【図１Ｂ】熱捕集のための例示的な熱交換器を示す。
【図２Ａ】原子炉のためのＳｉＣ構造体の第１の端部を封止する例示的な概略図を示す。
【図２Ｂ】２つのアーティクルを封止するための方法のフローチャートである。
【図２Ｃ】接合中の中間構造体の概略図を示す。
【図２Ｄ】接合部を強化する例示的な概略図を示す。
【図３Ａ】充填孔を有するエンドプラグの例示的な概略図を示す。
【図３Ｂ】充填孔を有する他のエンドプラグの別の例示的な概略図を示す。
【図３Ｃ】充填孔を有する他のエンドプラグの別の例示的な概略図を示す。
【図４Ａ】例示的な充填孔を示す。
【図４Ｂ】Ｘ線断層撮影法（ＸＣＴ）によって得られたエンドプラグの部分的充填孔を示す例示的な断面図を示す。
【図５】ＳｉＣ被覆材の第２の端部を別のエンドプラグを用いて封止する多工程手法についての例示的な概略図を示す。
【図６】充填孔を封止するための例示的な構成を示す。
【図７Ａ】ピンを有する充填孔を封止するための例示的な構成を示す。
【図７Ｂ】ピンを有する充填孔を封止するための別の例示的な構成を示す。
【図７Ｃ】ピンを有する充填孔を封止するための別の例示的な構成を示す。
【図７Ｄ】ピンを有する充填孔を封止するためのさらに別の例示的な構成を示す。
【図８】セラミック構造体を接合し、封止する例示的な方法を示すフローチャートである。
【図９】セラミック構造体を接合し、封止する別の例示的な方法を示すフローチャートである。
【図１０】図１０Ａは例示的なインサートの側面図を示す。図１０Ｂは例示的なインサートの断面図を示す。
【図１１】図１１Ａは別の例示的なインサートの側面図を示す。図１１Ｂは別の例示的なインサートの断面図を示す。
【図１２】図１２Ａはエンドプラグとともに、クラッド構造体の中に設置された例示的なインサートの側面図を示す。図１２Ｂはエンドプラグとともに、クラッド構造体の中に設置された例示的なインサートの斜視図を示す。
【図１３】図１３Ａはエンドプラグとともに、クラッド構造体の中に設置された別の例示的なインサートの側面図を示す。図１３Ｂはエンドプラグとともに、クラッド構造体の中に設置された別の例示的なインサートの斜視図を示す。
【図１４】アニーリングプロセス後のインサートおよびＳｉＣプラグの例示的なマクロおよびミクロ構造を示す。
【図１５】エンドプラグによってセラミック構造体を封止するためのインサートを製造する方法についての例示的なフローチャートを示す。
【図１６】エンドプラグとインサートとによってセラミック構造体を封止または接合する方法についての例示的なフローチャートを示す。
【図１７】本技術の１つまたは複数の実施形態に従うプロセスを用いて、セラミック構造体の両端部を接合し、封止した後の例示的な燃料棒を示す。
【図１８】セラミック部品を接合し、封止するためのいくつかの接合プロセスに対して使用することができる炉の例示的な概略図を示す。
【図１９】インナースリーブ、細い管状部分、およびコイルの例示的な概略図を示す。
【図２０】インナースリーブ、細い管状部分、およびコイルの別の例示的な概略図を示す。
【図２１】化学気相浸透（ＣＶＩ）プロセスのための炉システムの例示的な構成を示す。
【図２２】液体シリコン流プロセスのための炉システムの例示的な構成を示す。
【図２３】炉システムに対する監視機構の例示的な概略図を示す。
【図２４】炉システムに対する排気監視機構の別の例示的な概略図を示す。
【図２５】ＳｉＣ被覆材の端部を封止する方法についての例示的なフローチャートを示す。実施の形態
【発明を実施するための形態】
【００３９】
原子炉で使用される核燃料は、通例、高い運転温度および強烈な中性子放射線環境に耐えることができる燃料棒に保持される。燃料構造体は、炉心の内部で長期間にわたってその形状と構造健全性とを維持する必要があり、それによって、核分裂生成物が原子炉の原子炉冷却材の中に漏出することを防止する。図１Ａは、原子炉で使用される一束の燃料棒１０１で形成される核燃料棒集合体１００の例を示す。各棒は、中空の内部を有し、ウラニウム含有ペレット等の核燃料ペレット１０３を包含し、スペーサグリッド１０５は集合体の棒を保持するために使用される。原子炉は、原子炉が運転されるとき、発電のために十分な核燃料を供給する核燃料棒集合体を保持するように設計されている。様々な燃料棒が実装されてもよい。例えば、原子炉によっては、ジルコニウム被覆材が使用される。本文書の燃料棒には、性能改善のために、炭化ケイ素セラミックマトリックス複合材（ＣＭＣｓ）が使用される。
【００４０】
炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、その高温強度および化学的不活性により、原子力用途に使用することができる。ＳｉＣ繊維は、高純度のＳｉＣマトリックス（ＳｉＣ／ＳｉＣ）にセラミックマトリックス複合材（ＣＭＣｓ）を構成するために使用して、破壊靭性を向上させることができ、また、高度な高温核分裂炉に対する被覆材料および核融合炉の第１の壁材料として使用することができる。ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料は、軽水炉（ＬＷＲｓ）等の様々な原子炉用の被覆材として、原子炉の安全性を高めるために設計することもでき、事故状況時、高温蒸気の酸化反応速度は、ジルコニウム合金に対して数桁優れている。
【００４１】
ＳｉＣ複合材料は、熱交換器等の様々な高温用途にも使用され、アルミニウムリサイクル、合成ガス製造、またはガス化複合サイクル発電所からの高温排熱を回収することができる。図１Ｂは、様々な用途に使用される対向流型熱交換器構成の熱交換器の例を示す。本例において、１つまたは複数の高温流体チャネルを設けて、高温流体を熱交換器の左から熱伝導高温流体管の中に導き、熱交換器を通過させて右側から出して、熱交換器内部で高温流体の熱を放出させ、一方で、低温流体を、通例、熱伝導高温流体管の中の高温流体とは反対方向に熱交換器の中に導き、高温流体によって放出された熱の一部を吸収させ、次に、昇温された状態で熱交換器から出す。本例における低温および高温の流体（例えば、気体流または液体流）は、熱交換器に対して熱接触するが、別々にリサイクルされて、高温流体の熱エネルギは、所望の利用のために低温流体に移動される。ＳｉＣ複合材料は、高温に適合するとともに良好な耐腐食性を発揮し、対向流型およびその他の様々な熱交換器に使用され、原油がナフテン酸、硫黄、二酸化炭素、および硫化水素で汚染されていることが多いために増大している腐食問題に効果的に対処することができる。
【００４２】
航空宇宙分野においても、ＳｉＣ複合材料の高温強度に対して理想的に合致する多種多様な用途―ノーズコーン、シュラウド、エアフォイル、タービン翼、およびその他のジェットエンジン構成部品―がある。全ての場合において、網形状部品に近いセラミックマトリックス複合材を生成するために、繊維プリフォームの形状は、製造プロセス中維持されなければならない。
【００４３】
様々な用途向けのＳｉＣ複合材料の製造には、通例、いくつかの工程が含まれる。第１に、ＳｉＣ複合材料構造体は、封止される、ＳｉＣ複合材料構造を通る内部中空通路を有して製造される。ＳｉＣ複合材料構造体は、側壁と側壁により囲まれる内部中空通路とを有する、管状または非管状の形状を有してもよい。第２に、ＳｉＣ構造体の第１の端部は、第１のＳｉＣエンドプラグに接合され、封止される。第１の部材（例えば、ＳｉＣ複合材料構造体）と第２の部材（例えば、ＳｉＣエンドプラグ）との間の接合部は、第１の部材と第２の部材との間に延びるセラミック多形体を備えるマトリックスを含んでもよい。セラミック多形体を含む複数の含有物がマトリックス全体にわたって分散していてもよい。実施形態によっては、セラミック多形体を含む封止層が、第１の部材（例えば、ＳｉＣ複合材料構造体）と、第２の部材（例えば、ＳｉＣエンドプラグ）と、マトリックスとの接合面に塗布されてもよい。封止層は、マトリックスの中に部分的に伸張してもよい。マトリックス、複数の含有物、および封止層は、それぞれ、同じセラミック多形体を含んでもよい。
【００４４】
図２Ａは、ＳｉＣ管の形状のＳｉＣ構造体の第１の端部を封止するためのプロセスの例示的な概略図を示す。この特定の例において、第１の開口端２０１はテーパ付きの開口部を有し、開口部寸法は、開口部の最も外側の部分からＳｉＣ管２０５の内部に向けて徐々に減少する。封止用エンドプラグ２０３は、ＳｉＣ管２０５の第１の開口端２０１のテーパ付きの形状に適合するような形状と寸法とを有するように設計されている。例えば、ＳｉＣ管２０５は、円形管または正方形等の別の幾何学的形状の管であってもよい。円形のＳｉＣ管２０５に関して、図２Ａの特定の例の第１の開口端２０１は、端部に大きな開口部を有し、ＳｉＣ管２０５の内側に向けて徐々に減少するテーパ付きの管状の開口部である。封止用エンドプラグ２０３は、テーパ付きの管状の外側形状を有し、第１の開口端２０１のテーパ付きの管状の開口部の内側に嵌合し、その間に封止材料を収容するためのいくらかの空間を設けるためのいくらかの小さな隙間を有する。
【００４５】
エンドプラグ２０３とＳｉＣ管２０５の開口端との間の傾斜境界面に充填するためにプレセラミックポリマー等の封止材料２０２が塗布されて第１の接合部が形成され、気密封止が形成される。図２Ｂは、そのような封止材料を用いて２つの部材（例えば、ＳｉＣ構造体２０５の第１の端部およびエンドプラグ２０３）を封止するための方法２２０のフローチャートである。方法２２０は２２２において、所望の含有物を有するプレセラミックポリマーのスラリーを調製することを含む。含有物がない場合、スラリーは、さもなければ、接合部の形成時、多数のクラックとボイドを形成する恐れがある。含有物は、少なくともかなりのそのようなクラックおよびボイドの発生をふさぎおよび／または防止することが可能であるので、接合部の全体的な密度を増大させ、接合部の強度と耐久性とを向上する。含有物には、球体、薄片、ウィスカー、繊維、および／またはナノメートルからミリメートルまでの範囲の直径および／または長さを有する部材（例えば、β‐ＳｉＣ）の材料の不規則形状物が含まれていてもよい。実施形態によっては、高アスペクト比の（例えば、１：２以上、または１：５以上、または１：１０以上のアスペクト比を有する）含有物は、接合部の機械的強度および堅牢性を向上するために特に有用であると考えられる。例えば、ウィスカー形状の含有物を有するマトリックスは、より小さく、丸いボイドを有する可能性があるので、より均質である。実施形態によっては、プレセラミックポリマーは、ポリカルボシラン（ＰＣＳ）で、常温で粘性液体であり、含有物は、１つの例では、機械的混合および超音波処理を介して液体と混合されるＳｉＣ粉末である、粉末の形態をしている。
【００４６】
方法２２０は、次に、２２４で、２つの部材にスラリーを塗布することを含む。ここで、２つの部材は、ＳｉＣ管２０５および封止用プラグ２０３である。実施形態によっては、２つの部材は、実質的に同様な組成を有する。セラミック多形体は、例えば、β‐ＳｉＣであってもよい。実施形態によっては、前に説明したマトリックス、複数の含有物、および封止層は、９９．０重量％を超えるβ‐ＳｉＣ、または９９．７重量％さえも超えるβ‐ＳｉＣから構成されてもよい。
【００４７】
方法２００は、２２６で、スラリーを硬化させることと、２２８で、スラリーから含有物を有する個体セラミックを形成することとを含む。実施形態によっては、塗布されたスラリーは熱分解されて個体セラミックを形成してもよい。使用される特定のプレセラミックポリマーに依存して、そのような熱分解は１つまたは複数の中間工程を含んでもよい。次に、個体セラミックは、２３０で、所望の結晶構造体に変換される。
【００４８】
図２Ｃは、方法２２０の工程２２２、２２６、および２２８の間の中間構造体の概略図を示す。セラミックポリマーは、以下のプロセスによって、セラミック多形体に変換される。すなわち、（ａ）モノマーが比較的低い温度（例えば、摂氏１００度）で重合し、（ｂ）ポリマーが高温（例えば、摂氏２００‐４００度）で架橋し、そして（ｃ）ポリマーがより高温（例えば、摂氏６００‐８５０度）で熱分解してアモルファスセラミックの形成をもたらす。次に、アモルファスセラミックは、さらに高温（例えば、摂氏１１００度を超える高温）で結晶性セラミックに変換される。実施例において、所望のセラミックの多形体を生成するために温度を選択してもよい。
【００４９】
方法２００は、２３２で、所望の材料で接合部を補強することも含む。図２Ｄに示すように、実施形態によっては、接合部を補強し、封止するために、スラリーが完全に所望のセラミック多形体、例えば、β‐ＳｉＣに変換された後、化学気相浸透（ＣＶＩ）の工程を実行して、封止層を形成してもよい。実際、スラリー由来のマトリックスの中の全ての残留開放気孔は、接合部の中へのＣＶＩ反応物のための反応物流路として使用してもよく、それによって封止層をマトリックスの中に部分的または完全に伸張させる。ヘリウムや核分裂生成物を保持する能力として接合部が構造上健全で実質的に不浸透性であることが必要であるので、このような工程は、原子炉級接合部に対して重要であると考えられる。実施形態によっては、化学気相堆積（ＣＶＤ）の工程もさらに使用して接合部を実質的に不浸透性にしてもよい。
【００５０】
第１の接合部を封止するには、例えば、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ａｔｏｍｉｃｓ社に許可された米国特許第９、１３２、６１９Ｂ２号「セラミック部材間の高耐久性接合およびそれを作製し、使用する方法」において開示された技法と材料を含め、様々な方法で実施してもよい。米国特許第９、１３２、６１９Ｂ２号の全て開示は、本特許文書の一環として参照することにより織り込まれている。
【００５１】
第１の端部に第１の接合部が形成された後、ＳｉＣ管２０５を、管２０５の反対側端部の第２の開口部を介して、核ペレットおよび保持ばね、または熱交換器構成部品等の材料と一緒に搭載してもよい。次に、ＳｉＣ管２０５の第２の端部は、同様な方法で第２のＳｉＣエンドプラグによって接合および封止され、封止材料２０２を用いて第２の気密接合部および封止部が形成される。
【００５２】
ＳｉＣ構造体用の第２の接合部を生成するための課題がいくつか残っている。第１に、原子力分野における用途に関して、核ペレットおよび保持ばね等の構成部品は、第２の端部が封止される前に被覆材の内部に設置されている。第２の端部の封止においてクラッド構造全体を加熱する必要がある場合、これらの構成部品は高い動作温度に耐えることができないかもしれない。第２に、被覆内部の隙間をヘリウムガスまたはその他のガス組成で充填し、核燃料と被覆材との間のより良い熱的接触を可能にすることが通例である。従って、被覆材の中の上昇した内圧を維持しながら、封止および接合方法により被覆材を気密に封止することが望ましい。
【００５３】
前に述べたように、セラミック部品を接合するために、ろう付け、プレセラミックポリマー、ガラス、およびＣＶＩおよび／またはＣＶＤを用いて沈着したセラミックスを含め、いくつかの方法を用いることが可能である。しかしながら、それらの方法を用いて内部加圧を維持する気密封止を生成することは困難な場合がある。耐腐食性、耐温度性、または耐照射性等の、ＳｉＣセラミック材料と同じ利点を提供することができる封止境界面を生成することは困難である。本特許文書では、これらの利点の組み合わせを示す接合部を生成し、気密弾性接合部を形成可能な多工程接合プロセスを説明する。
【００５４】
セラミック構造体の中の上昇した内圧を維持するための機構の一部として、充填孔を有するセラミックエンドプラグを、クラッド構造体の第２の端部を封止するために使用することが可能である。図３Ａは、そのようなセラミックエンドプラグ３０１の例を示す。エンドプラグ３０１は、ガス組成がエンドプラグ３０１を通過することを可能にする小径の充填孔３０３を有する。エンドプラグ３０１は、ＳｉＣ複合材料構造体と同じ材料で作製することができる。第１の開口部３０９を有する上面３０５と第２の開口部３０２を有する底面３０７とを含む形状を有する。第１の開口部３０９および第２の開口部３０２は充填孔３０３を形成する。第１の開口部３０９と第２の開口部３０２とが実質的に同じ形状を有して、充填孔３０３が一様な断面を有してもよい。実施形態によっては、第２の開口部３０２は第１の開口部３０９より小さく、テーパ付き充填孔３０３を形成する。実施形態によっては、エンドプラグ３０１の本体もテーパ付きにされ、エンドプラグ３０１とＳｉＣ構造体２０５の開口端との間の傾斜境界面を可能にする。
【００５５】
本充填孔３０３によって、２つの工程で封止が行われる。最初に、エンドプラグ３０１は、図２に示すようなＳｉＣ構造体２０５等のＳｉＣ複合材料構造体の開口端の中に挿入され、封止材料２０２がエンドプラグ３０１とＳｉＣ構造体２０５との間の境界面を封止するために使用される。充填孔３０３の存在によって、ＳｉＣ構造体２０５の内部と外部との間にガス導管が設けられ、ガスシステムをＳｉＣ構造体２０５に連結することができる。充填孔３０３は、高溶融温度材料を塗布して充填孔３０３に流し込み、充填孔３０３の中で再凝固させることにより封止することができる。このような構成により、エンドプラグ３０１がクラッド構造上に設置された後、それが完全に封止される前に被覆材の内圧を調整することが可能になる。実施形態によっては、封止プロセスには、封止をさらに強化するために、接合されたセラミック構造体とエンドプラグとを少なくとも摂氏１３５０度の温度で処理することも含まれる。
【００５６】
図３Ｂおよび図３Ｃは、いくつかの充填孔を有するエンドプラグの概略図を示す。図３Ｂは、他のセラミックエンドプラグ３１１の概略図を示す。エンドプラグ３１１は、幅広の本体３１３につながる管状の首部３１２を有する。実施形態によっては、本体３１３は、２つの部分―上部３１４および下部３１５−を有する。部分のそれぞれは、テーパ付きの形状を有し、２つの部分が一緒になって鏡面錐台を形成する。錐台形状により、エンドプラグ３１１とＳｉＣ被覆材２０５の開口端との間の傾斜境界面を可能にする。エンドプラグ３１１は、管状の首部３１２の上部にある第１の開口部３１６および本体３１３の下部３１５の底部にある第２の開口部３１７も含む。第１の開口部と第２の開口部とは充填孔３１８を形成する。第１の開口部３１６と第２の開口部３１７とが実質的に同じ形状を有して充填孔３１８が一様な断面を有してもよい。実施形態によっては、第２の開口部３１７は第１の開口部３１６より小さく、テーパ付き充填孔３１８を形成する。この例では、付加的なＳｉＣピン３１９が充填孔３１８の中に設置され、封止プロセスが促進されるが、これについては図７Ａ乃至７Ｄに関連して説明する。
【００５７】
図３Ｃは、他のセラミックエンドプラグ３２１の概略図を示す。エンドプラグ３２１は、幅広本体３２３につながる管状の首部３２２を有する。実施形態によっては、本体３２３は、２つの部分―上部３２４および下部３２５−も有する。この例では、上部３２４は、テーパ付きの形状を有し、一方下部３２５は一様な断面を有する。エンドプラグ３２１は、管状の首部３２２の上部にある第１の開口部３２６および本体３２３の下部３２５の底部にある第２の開口部３２７も含む。第１の開口部と第２の開口部とは充填孔３２８を形成する。第１の開口部３２６と第２の開口部３２７とが実質的に同じ形状を有して充填孔３２８が一様な断面を有してもよい。実施形態によっては、第２の開口部３２７は第１の開口部３２６より小さく、テーパ付き充填孔３２８を形成する。この例では、付加的なＳｉＣピン３２９が充填孔３２８の中に設置され、封止プロセスが促進されるが、これについては図７Ａ乃至７Ｄに関連して説明する。上記の例において、エンドプラグはＳｉＣ管に連結されているが、エンドプラグは、同様に、様々な高温用途に適した他の種類のＳｉＣ複合材料構造体に連結されてもよい。
【００５８】
図４Ａは、例示的な充填孔を示す。充填孔４０１は、エンドプラグ４０３からレーザ穴あけ加工または放電加工（ＥＤＭ）を用いて形成することができる。充填孔４０１は、エンドプラグ４０３をホットプレスすることにより一体的に形成してもよく、充填孔の形状は、いかなる余分な機械加工も無くエンドプラグに織り込まれる。充填孔の大きさは、封止材料の特性（例えば、粘度）と動作温度とに依存する。実施形態によっては、孔の直径は、１ｍｍから２ｍｍの範囲になる。充填孔４０１は、例えば、図３および図４Ａに示されるように、実質的に一様な断面を有してもよい。代わりに、充填孔４０１は、再凝固プロセスのより良い制御を可能にするために充填孔４０１がエンドプラグ４０３の中で深くなるほど狭くなるテーパ付き断面を有してもよい。図４Ｂは、Ｘ線断層撮影法（ＸＣＴ）を用いることにより得られたエンドプラグ４０７の部分穴４０５の例示的な断面画像を示す。
【００５９】
図５は、図３の充填孔を有するエンドプラグを用いて、ＳｉＣ複合材料構造体の第２の端部を封止する多工程手法の例示的な概略図を示す。本手法では、一連の工程を利用して、セラミック被覆材２０５等の複合材料構造体と、充填孔３０３を含む第２のセラミックエンドプラグ３０１とを接合し、封止する。セラミック被覆管２０５は、２つの対向する開口部を有し、第１の開口端は、図２で示すように、第１のセラミックエンドプラグ２０３によって封止される。図５は、図３の充填孔を有するエンドプラグを用いて第２の開口端を封止する工程を示す。第１の工程５０１において、第２のセラミックエンドプラグ３０１は、核ペレット（図示せず）等の構成部品を被覆材２０５の中に設置した後、被覆材の第２の開口部に設置される。本プロセスの第２の工程５０２は、図２で示した第１の接合部を形成するために用いた工程と同様である。本工程５０２では、上記で説明したプレセラミックポリマー等の封止材料２０２を使用して、エンドプラグ３０１と被覆材２０５との間に接合部を形成する。第２の工程５０２では、化学気相浸透（ＣＶＩ）または化学気相堆積（ＣＶＤ）等の手法を実行して接合部境界面を強化することができる。実施形態によっては、被覆管２０５の中に存在するガスを吸い出して、ＣＶＤがうまく完了するように低い内圧を生成する。次に、開口した充填孔３０４を介して、所望のガス組成５０９によってセラミック被覆管２０５を充填することができる。次に、所望のガス組成５０９がもたらす上昇した圧力レベルで、溶融した高溶融温度材料５１０（例えば、酸化物、シリコン、遷移金属等）を導いて充填孔３０４に流し込み、充填孔内部で再凝固させることによって、充填ガス５０９を被覆材２０５の中に封止する。工程５０４において、最終表面が実質的にマトリックスと同じになるように、付加的なＣＶＤ工程を同様に実行してもよい。
【００６０】
図６は、充填孔３０３を封止する例示的な構成を示す。本構成では、封止を実現するために、エンドプラグ３０１の端部近くに与えられる急こう配の温度プロファイル６０１を利用する。急こう配の温度プロファイル６０１によって、エンドプラグ３０１の数インチ上方で非常に高い温度が維持されて、封止材料５１０が液体の形態に留まることを可能にする。急こう配の温度プロファイル６０１は、同時に、充填孔３０３の周りをずっと低い温度に保ち、封止材料５１０が充填孔３０３の中でうまく凝固することを可能にする。
【００６１】
最初に、熱源を用いて、封止材料５１０は溶融して高温で液体の形態になる。次に、封止材料５１０はエンドプラグ３０１の数インチ上方からずっと温度が低い充填孔３０３を流れ下るので、温度プロファイルは高温から低温に急速に変化する。次に、封止材料５１０は、再凝固して充填孔３０３を封止する。実施形態によっては、封止材料は充填孔３０３の中を流れながら凝固する。実施形態によっては、封止材料は、熱源を取り去って充填孔３０３の周囲の温度がさらに下がるまで溶融したままであってもよい。
【００６２】
図７Ａは、ピンを用いて充填孔を封止する例示的な構成を示す。本例では、鏡面錐台形状を有するエンドプラグ７０１が使用される。図５に示すプロセスの工程５０１と同様に、核ペレット等の構成部品７０６が複合材料構造体７０５の中に設置された後、上記で説明したプレセラミックポリマー等の封止材料（図示せず）を用いて、エンドプラグ７０１と複合材料構造体７０５とを接合することができる。充填孔の封止を始める前に、別の種類の封止材料７０２を充填孔７０３の中に設置してもよい。エンドプラグ７０１は、ＳｉＣまたは他の材料で作られているピン７０４も含む。充填孔７０３を封止するために、局所的な熱をエンドプラグ７０１の周囲の領域に印加して封止材料７０２を加熱してもよい。局所的な熱に関する特異性については、図１１乃至１３に関連して詳細に説明する。ピン７０４が加熱された封止材料７０２を押圧して封止を形成することができるように、同時に、ピン７０４に圧力を印加してもよい。実施形態によっては、図７Ａに示すように、封止材料７０２がエンドプラグ７０１の底部に押圧されて、内部の封止を形成するように、ピン７０４の直径は実質的に充填孔７０３の直径とほぼ同じであってもよい。実施形態によっては、封止材料７０２がピン７０４の周囲に押圧されて充填孔７０３を封止することができるように、ピン７０４の直径は充填孔７０３の直径よりも小さくてもよい。
【００６３】
図７Ｂは、ピンを用いて充填孔を封止する別の例示的な構成を示す。本例では、テーパ付きの形状を有するエンドプラグ７１１が使用される。図５に示すプロセスの工程５０１と同様に、核ペレット等の構成部品７０６が複合材料構造体７０５の中に設置された後、上記で説明したプレセラミックポリマー等の封止材料（図示せず）を用いて、エンドプラグ７１１と複合材料構造体７０５とを接合することができる。充填孔の封止を始める前に、別の種類の封止材料７０２を充填孔７１３の中に設置してもよい。エンドプラグ７１１は、ＳｉＣまたは他の材料で作られているピン７１４も含む。充填孔７１３を封止するために、局所的な熱をエンドプラグ７１１の周囲の領域に印加して封止材料７０２を加熱してもよい。局所的な熱に関する特異性については、図１１乃至１３に関連して詳細に説明する。ピン７１４が加熱された封止材料を押圧して封止を形成することができるように、同時に、ピン７１４に圧力を印加してもよい。実施形態によっては、図７Ｂに示すように、封止材料７０２がピン７１４の周囲に押圧されて充填孔７１３を封止することができるように、ピン７１４の直径は充填孔７１３の直径よりも小さくてもよい。実施形態によっては、封止材料７０２がエンドプラグ７１１の底部に押圧され、内部の封止を形成するように、ピン７１４の直径は実質的に充填孔７１３の直径とほぼ同じであってもよい。
【００６４】
図７Ｃは、ピンを用いて充填孔を封止する別の例示的な構成を示す。本例では、エンドプラグ７２１が使用される。エンドプラグ７２１は、上部に広い第１の開口部７２２を、底部に小さい第２の開口部７２３を有する。このため、充填孔７２６は二つの部分―円錐形の、広い第１の部分７２４と細い第２の部分７２５と―を有する。図５に示すプロセスの工程５０１と同様に、上記で説明したプレセラミックポリマー等の封止材料（図示せず）を用いて、エンドプラグ７２１と複合材料構造体７０５とを接合することができる。充填孔の封止を始める前に、別の種類の封止材料７０２を充填孔７２６の広い部分７２４の中に設置してもよい。エンドプラグ７２１は、ＳｉＣまたは他の材料で作られているピン７２７も含む。本例では、ピン７２７は、対応する円錐形状を有する。充填孔７２６を封止するために、局所的な熱をエンドプラグ７２１の周囲の領域に印加して封止材料７０２を加熱してもよい。局所的な熱に関する特異性については、図１１乃至１３に関連して詳細に説明する。ピン７２７が加熱された封止材料７０２を押圧して、充填孔７２６の中で封止を形成することができるように、同時に、円錐形状のピン７２７に圧力を印加してもよい。
【００６５】
図７Ｄは、ピンを用いて充填孔を封止するさらに別の例示的な構成を示す。本例では、エンドプラグ７３１が使用される。エンドプラグ７３１は、上部に細い第１の開口部７３２を、底部に広い第２の開口部７３３を有する。このため、充填孔７３６は二つの部分―細い第１の部分７３４と円錐形状の、広い第２の部分７３５と―を有する。図５に示すプロセスの工程５０１と同様に、上記で説明したプレセラミックポリマー等の封止材料（図示せず）を用いて、エンドプラグ７３１と複合材料構造体７０５とを接合することができる。充填孔の封止を始める前に、別の種類の封止材料７０２を充填孔７３６の広い部分７３５の中に設置してもよい。エンドプラグ７３１は、ＳｉＣまたは他の材料で作られているピン７３７も含む。本例では、ピン７３７は、対応する２つの部分―細い第１の部分７３８と円錐形状の部分７３９と―を有する。セラミック複合材料構造体７０５を、所望のガス組成７４０で充填することができる。充填孔７３６を封止するために、局所的な熱をエンドプラグ７３１の周囲の領域に印加して封止材料７０２を加熱してもよい。所望のガス組成７４０の圧力レベルが増大するように、セラミック複合材料構造体７０５の他の部分にも熱を印加してもよい。次に、所望のガス組成７４０がもたらす上昇した圧力レベルで、ピン７３７は加熱された封止材料７０２を押圧して充填孔７３６の中で封止を形成する。局所的な熱に関する特異性については、図１１乃至１３に関連して詳細に説明する。
【００６６】
図８は、セラミック構造体を接合し、封止する方法８００についての例示的なフローチャートを示す。方法８００は、８０２において、封止材料により、セラミック構造体と上面および底面を通過する孔を有するエンドプラグとの接合部を形成することと、８０４において、孔を通してセラミック構造体に所望のガス組成を充填することと、８０６において、熱源を用いて、材料を溶融形態に加熱することと、８０８において、材料が凝固してエンドプラグを封止する孔の中に流れるように材料を導くこととを含む。
【００６７】
図９は、セラミック構造体を接合し、封止する方法９００についての例示的なフローチャートを示す。方法９００は９０２において、封止材料を用いて、セラミック構造体と、上面および底面を通過する孔を含む本体および孔の中に位置決めされたピンを有するエンドプラグとの接合部を形成することと、９０４において、材料をエンドプラグの孔の中に配置することと、９０６において、材料を加熱するために、エンドプラグの近くのセラミック構造体の部分に熱を加えることと、９０８において、ピンが孔の中の加熱された材料を押圧してエンドプラグを封止するように、本体またはピンに圧力を印加することとを含む。
【００６８】
実施形態によっては、図２に示したように、ＳｉＣ構造体２０５の１つの端部においてプラグ２０３を容易に設置できるようにエンドプラグ２０３を、テーパ付きの設計を用いて実装してもよい。そのような、テーパ付きの設計におけるテーパの角度は、０度から４５度までの間で変えてもよい。実施形態によっては、７度のテーパの角度が使用される。しかしながら、テーパ付きの設計は封止プロセスをより複雑にもする。その理由は、テーパ付きの設計では、エンドプラグ２０３と被覆材２０５との間の耐照射性および熱機械的に健全な気密封止を実現するために封止材料２０２の非一様塗布が必要となるからである。本特許文書は、ＳｉＣ構造体の内面とエンドプラグとの間のインサートとして使用され、機械的強度、熱膨張性、および耐照射性を有する気密封止を提供可能な遷移金属環も説明する。インサートは、例えば、Ｔ型接合部または肘型接合部を有するＳｉＣ管の大きな集合体を形成すること等、様々な構成でＳｉＣ構造体を接合するために使用することも可能である。
【００６９】
遷移金属インサートは、ＳｉＣ構造体の内面とエンドプラグとの間に使用することができる。遷移金属インサートは、上面を有する。上面の直径は、構造体の内径と実質的に同じで、インサートは構造体の中にしっかりと嵌合することができる。上面は第１の開口部を有する。第１の開口部の形状および大きさは、テーパ付きのエンドプラグの大きい端部の形状および大きさに一致している。インサートは、上面の直径と実質的に同じ直径を有する底面も含む。底面は、テーパ付きのエンドプラグの小さい端部の形状および大きさと実質的に同じ形状および大きさを有する第２の開口部を有する。上面および底面は、１つまたは複数の側壁により接続されて立体を形成する。上面の第１の開口部および底面の第２の開口部は、エンドプラグをインサートにしっかり連結することを可能にする大きな中空空間を立体の中に形成する。
【００７０】
図１０Ａは、例示的なインサート１０００の側面図を示す。インサートの直径１００１は、対応するＳｉＣ構造体の内径と実質的に同じである。ＳｉＣ構造体は、様々な高温用途に対して様々な形状を有してもよい。図１０Ｂは、例示的なインサート１０００の断面を示す。中空空間１００３がインサート１０００の立体１００５の内部に形成され、そこへのエンドプラグの位置決めを可能にしている。
【００７１】
図１１Ａは、別の例示的インサート１１００の側面図を示す。本実施形態では、インサート１１００はアウターリップ１１０１も含む。アウターリップ１１０１は、上面から延びてインサート１１００の１つまたは複数の側壁に突出する隆起部１１０３を含む。隆起部１１０３は、インサート１１００を、接合または封止プロセス中に構造体を滑り落ちることなく、ＳｉＣ構造体の端部の上部に設置することができるように、インサート１１００に対するサポートを提供する。隆起部１１０３の長さは、構造体の厚さと実質的に同じであるので、封止された接合部においてインサートと構造体の一様な外観を実現することができる。図１１Ｂは、例示的なインサート１１００の断面図を示す。中空空間１１０５がインサート１１００の立体１１０７の内部に形成され、そこへのエンドプラグの位置決め可能にしている。
【００７２】
図１０Ａ乃至１１Ｂにおける例に示されるインサートは、スカンジウム、チタニウム、クロム等の任意の遷移金属により製造することができる。実施形態によっては、モリブデンが使用される。インサートが製造された後、製造部品は洗浄される。実施形態によっては、製造部品は超音波浴を用いて洗浄してもよい。洗浄された部品は、次に、研磨され、表面欠陥が低減される。実施形態によっては、洗浄された部品は、酸浴槽で電解研磨される。研磨されたインサートは、次に、エンドプラグと構造体の間に設置することができる。
【００７３】
図１２Ａは、エンドプラグ１００５とともに、ＳｉＣ構造体１００７の中に設置された例示的なインサート１０００の側面図を示す。エンドプラグ１００５は、ＳｉＣ構造体１００７の内部にしっかり位置決めされたインサート１０００に堅く連結されている。図１２Ｂは、エンドプラグ１００５とともに、構造体１００７の中に設置された例示的なインサート１０００の斜視図を示す。インサート１０００の使用により、構造体１００７の端部に、機械的に強い、熱膨張する、耐照射性のある気密封止を形成することを可能にする。
【００７４】
図１３Ａは、エンドプラグ１００５とともに、構造体１００７の中に設置された別の例示的なインサート１１００の側面図を示す。本実施形態では、アウターリップ１１０１により、封止プロセス中、インサート１１００が構造体１００７を滑り落ちることはない。図１３Ｂは、また、エンドプラグ１００５とともに、構造体１００７の中に設置された例示的なインサート１１００の斜視図を示す。
【００７５】
実施形態によっては、インサート、エンドプラグ、およびＳｉＣ構造体のアセンブリは、不活性雰囲気中で、摂氏１５００度を超える温度、０．５から５ｋＮの間で変化する圧力で、ホットプレスされる。不活性雰囲気は、例えば、ヘリウムでもよい。ホットプレスされたアセンブリは、次に、２時間から４時間の範囲にわたる持続時間でアニールされ、界面残留応力が除去される。図１４は、アニールプロセス後のインサート１４０１とＳｉＣプラグ１００５の例示的なマクロおよびミクロ構造を示す。本実施形態では、インサート１４０１はアウターリップを有しない。ＳｉＣプラグ１００５とインサート１４０１の境界面のミクロ構造は、優れたサーマルスティッチと、塑性変形およびアニーリングを示す固着とを明示している。
【００７６】
図１５は、エンドプラグによってセラミック構造体を封止するためのインサートを製造する方法１５００についての例示的なフローチャートを示す。方法１５００は１５０２において、第１の開口部を有する第１の面と、第２の開口部を有する第２の面と、第１の面および第２の面を接続する側壁とを含み、セラミック構造体の１つの開口端とエンドプラグとの間に嵌合し、エンドプラグによって開口端を封止する形状を有する本体を備え、第１の開口部と第２の開口部とは、本体の中に中空空間を形成し、エンドプラグの部品への連結を可能にする部品を製造することと、１５０４において、製造された部品を洗浄することと、１５０６において、表面欠陥を低減するために洗浄された部品を研磨することと、を備える。
【００７７】
図１６は、エンドプラグとインサートとによってセラミック構造体を封止し、接合する方法１６００についての例示的なフローチャートを示す。方法１６００は、１６０２において、アセンブリを形成するためにセラミック構造体とエンドプラグとの間にインサートを配置することと、１６０４において、アセンブリを不活性ガス組成の中に位置決めすることと、１６０６において、アセンブリを第１の温度および第１の圧力の下でホットプレスすることと、１６０８において、界面残留応力を除去するために、ホットプレスされたアセンブリをある継続時間の間アニールすることとを備える。
【００７８】
図１７は、本技術の１つまたは複数の実施形態に従うプロセスを用いてセラミック構造の両端部を接合し、封止した後の例示的な燃料棒１７００を示す。今、燃料棒１７００は、ＳｉＣ管状構造体１７０１と、封止材料１７０５を用いて管状構造体１７０１に接合された第１のエンドプラグ１７０３と、同じ封止材料１７０５を用いて管状構造体１７０１に接合された第２のエンドプラグ１７０７とを含む。封止材料１７０５は、上記で説明したプレセラミックポリマーであってもよい。第２のエンドプラグ１７０７に対する充填孔は、第２の封止材料１７０９（例えば、酸化物、シリコン、遷移金属等）によって封止され、今、全ての構成部品は、１つまたは複数の核ペレット１７１１を含む封止された核燃料棒１７００を形成する。
【００７９】
図７Ａ乃至７Ｄに図示した実施形態で示すように、局所熱はセラミック構造体の接合および封止に関して重要な役割を果たす。しかしながら、従来の封止または接合方法を適用して、所望の内圧の下で局所加熱を与えて気密接合部を生成することは適切ではない。本特許文書は、複合材料構造体の局所加熱を容易にする炉型装置も説明する。その装置は、制御された内圧を維持し、所望のガス組成を含む気密接合部を作製することを可能にする。これは、従来の接合加工装置を用いて実行することはできない。
【００８０】
図１８は、セラミック部品を接合および封止するために使用することができる炉の例示的な概略図を示す。このような炉で使用されるプロセスの例として、プレセラミックポリマーの熱分解、化学気相堆積（ＣＶＤ）、および溶融浸透が挙げられる。炉１８００は、動作温度と圧力に対して堅牢な圧力容器１８０１を含む。圧力容器１８０１は、注入口配管機構１８１１に連結され、ガス組成が圧力容器に流入することを可能にする。注入口配管機構１８１１は、管の数とそのそれぞれの設置に関して様々な配置を有し、様々な封止要件に対応することができる。実施形態によっては、注入口配管機構１８１１は、複合材料構造体１８０９の底部の近くに数個の等間隔の管として配置され、ガス組成が並行して容器に流入することを可能にする。炉は、ガス排出口に連結されている細い管状部１８０３も含む。管状部は、封止する複合材料構造体を保持するインナーチャンバ１８０５に連結されている。実施形態によっては、インナーチャンバ１８０５は、石英スリーブまたは石英鐘である。加熱機構をインナーチャンバ１８０５の外側に設置して複合材料構造体１８０９の端部を加熱してもよい。例えば、図１８に示すように、電気絶縁フィードスルー（図示せず）を用いて、誘導コイル１８０７がインナーチャンバ１８０５の上部の外側に位置決めされている。誘導コイル１８０７は、ＲＦ周波数の振動電流を受けて作動し、誘導コイル１８０７中の変動電流が複合材料構造体中に渦電流を誘起する変動磁場の原因となり、加熱を引き起こす誘導加熱を介して、エンドプラグ１８０４の近くの、複合材料構造体１８０９の部分を加熱する。インナーチャンバ１８０５、細い管状部１８０３およびガス排出口は、ＣＶＤ等のプロセスで使用される反応ガスの流れを導くために使用される。それらは、プロセスで生成された過剰な熱の除去のためにも使用することができる。炉の高さは封止される複合材料構造体の長さによって決められる。実施形態によっては、容器の高さは、約５４０ｍｍである。実施形態によっては、様々な長さの複合材料構造体に対応するために、容器の高さを調整してもよい（例えば、容器にパイプのモジュール部を追加することによって）。
【００８１】
図１９は、インナーチャンバ１８０５、細い管状部１８０３、およびコイル１８０７の例示的な概略図を示す。インナーチャンバ１８０５において、ガス組成は炉１８００の壁から切り離されている。実施形態によっては、インナーチャンバ１８０５において、ガス組成の流れは、また、被覆される複合材料構造体の全体にわたって導かれる。本実施形態では、インナーチャンバ１８０５は、スリーブ本体に沿った非一様な断面を有する石英スリーブである。コイル１８０７の近くの石英スリーブの直径は、約７０ｍｍであり、一方、石英スリーブのその他の部分の直径は約１１０ｍｍである。
【００８２】
図２０は、インナーチャンバ１８０５、細い管状部１８０３、およびコイル１８０７の別の例示的な概略図を示す。特定の本実施形態では、インナーチャンバ１８０５は、本体に沿った一様な断面を有する。本例では、複合材料構造体２００１は、インナースリーブの内側に設置される。複合材料構造体２００１は、構造体２００１の１つの端部に位置決めされたエンドプラグ２００３を有する。
【００８３】
図２１は、ＣＶＩプロセスを実施するための炉システムの例示的な構成を示す。特定の本実施形態では、ポンプ２１０５が炉１８００に接続されて炉１８００内部の圧力を制御する。加熱機構は、炉１８００の内部に位置決めされて局所加熱を複合材料構造体の端部に与える。例えば、加熱機構はＲＦコイルを用いて実装してもよい。電流は、ＲＦコイル１８０７を通して導かれ、誘導加熱により石英スリーブ１８０５の部分を加熱して複合材料構造体２１１１の局所的封止を可能にする。本例示的配置において、サセプタブロック２１０１がＳｉＣエンドプラグ２１０３の上に設置される。動作時、サセプタブロック２１０１は、ＲＦコイル１８０７により放出される電磁エネルギを吸収し、ＳｉＣ封止プラグ２１０３と複合材料構造体２１１１とを接合するために、サセプタブロック２１０１下のＳｉＣ封止プラグ２１０３の加熱および複合材料構造体２１１１の隣接領域の加熱を促進する熱に、吸収したエネルギを変換する。この加熱接合プロセスが完了すると、そのように形成されたＳｉＣ封止プラグ２１０３と複合材料構造体２１１１との間の接合部は、複合材料製造プロセスに有利な良好な機械的強度を示す。接合／封止プロセスが完了した後、サセプタブロック２１０１の上部は、例えば、切断または機械切削されて、除去されてもよい。
【００８４】
しかしながら、ＣＶＩプロセスは長い時間がかかりまた費用がかかる場合がある。実施形態によっては、ＣＶＩプロセスに対する圧力要件のために、ヘリウム等の所望のガス組成を複合材料構造体の内部に封止することが困難な場合がある。図２２は、所望のガス組成の使用を可能にする液体シリコン流プロセスを実施するための炉システムの例示的な構成を示す。本実施形態では、最初に、ＳｉＣプラグ２２０３は、高温で多孔質材料（例えば、炭素）になる樹脂により被覆される。次に、薄いＳｉ層２２０５が被覆されたＳｉＣプラグ２２０３とサセプタブロック２２０１との間に設置される。Ｓｉ層２２０５は、高温（例えば、摂氏１４５０度以上）で溶融し、多孔質材料（例えば、炭素）と反応してＳｉＣを生成する。特定の本実施形態では、ガス注入口の細い管状部２２１１は、底側から石英スリーブ１８０５に連結されている。ＲＦコイル１８０７は、石英スリーブ１８０５の一部を加熱して複合材料構造体２２１５の局所封止を可能にする。ポンプ２２１３も炉１８００に接続されて、炉１８００内部の圧力を制御する。この種類の構成の１つの有利な点は、加工時間が短いことである。さらに、Ｓｉ層は、液体から個体への転移を経て転移中に拡張するので、一旦ＳｉＣプラグが封止されると構造的なボイドはほとんどない。本構成は、ヘリウムまたはアルゴン等の所望のガス組成を複合材料構造体の内部に封止することも可能にする。しかしながら、隙間にいくらかの未反応のＳｉがあるかもしれないので、封止端部の機械的強度は、図２１に示すＣＶＩ構成を用いて製造したものほど良好ではないかもしれない。
【００８５】
封止プロセス中、炉システムの動作温度と圧力は、各種のモニタおよびレギュレータの使用により監視、制御することができる。例えば、図２３は、炉システム２３００用の監視機構の例示的な概略図を示す。本実施形態では、いくつかの温度モニタが使用される。熱電対２３０１は、複合材料構造体の温度を監視するために使用される。石英サイトグラス２３０５を通して、パイロメータにより、接合部領域近くの領域２３０３の温度が読み取れる。領域２３０３は、サセプタブロック、サセプタブロックに隣接する複合材料構造体の領域、エンドプラグ、またはエンドプラグに隣接する複合材料構造体の領域であってもよい。さらに、温度の監視は、接触熱電対によって、石英サイトグラス２３０５、コイル２３０７用の電気フィードスルー、および／または炉２３０９の上部フランジで行ってもよい。本システムは、炉にガス組成を供給するガス貯蔵部２３１５も含む。炉の内圧を監視するために、圧力モニタ２３１１を使用してもよい。フィルタ後のガス圧力を監視するために別の圧力モニタ２３１３を使用してもよい。付加的な監視装置を実装してもよい。例えば、実施形態によっては、電流、周波数、および過熱を抑制するための適切な冷却剤流量を含む、ＲＦコイルの様々な態様が監視される。
【００８６】
図２４は、炉システム用の排気監視機構の別の例示的な概略図を示す。排気監視機構は、フィルタ前ガス圧力を制御可能な背圧レギュレータ（ＢＰＲ）２４０１と、２つの圧力変換器２４０３および２４０５とを含む。圧力変換器２４０３および２４０５を用いてフィルタ前ガス圧力およびフィルタ後ガス圧力の両方を監視することにより、フィルタ２４０７前後の圧力低下に基づき、フィルタ２４０７に何らかのレベルの障害物があるかどうかをシステムが判定することを可能にする。
【００８７】
図２５は、原子炉で使用されるセラミック構造体を封止する方法についての例示的なフローチャートを示す。方法は、２５０２において、封止装置のチャンバの中にセラミック構造体を配置することと、２５０４において、封止材料がセラミック構造体とプラグとの間に位置決めされ、セラミック構造体の端部にプラグを配置することと、２５０６において、サセプタブロックをプラグの上に配置することと、２５０８において、セラミック構造体の端部とサセプタブロックを高温に加熱し、プラグと、セラミック構造体の端部の、プラグと接触しているセラミック構造体の部分とを接合することによって、セラミック構造体の端部を封止するために、チャンバの外側に配置されている複数の誘導コイルを変動電流により駆動することと、を含む。
【００８８】
本特許文書は多くの具体的内容を含むが、これらは全ての発明または請求することが可能な発明の範囲を限定するものと解釈すべきではなく、むしろ、特定の発明に関する特定の実施形態に対して特有であってもよい特徴を説明するものと解釈すべきである。本特許文書において、個々の実施形態のコンテキストで説明した特定の特徴は、単一の実施形態の組み合わせにおいて実施することも可能である。逆に、単一の実施形態のコンテキストで説明した様々な特徴は、複数の実施形態において別々にまたは任意の適切な部分的組み合わせにおいて実施することも可能である。さらに、特徴が、特定の組み合わせにおいて作用するとして上記に説明されているかもしれないおよび当初はそのように請求されたかもしれないけれども、請求された組み合わせからの１つまたは複数の特徴を、場合によっては、組み合わせから削除してもよいし、また、請求した組み合わせを、部分的組み合わせまたは部分的組み合わせの変形例に割り当ててもよい。
【００８９】
同様にして、動作を特定の順序で図面において示しているけれども、これにより、所望の結果を実現するために、そのような動作が示した特定の順序でまたは連続する順序で行うこと、または示した全ての動作を行うことが必要であると理解すべきではない。さらに、本特許文書で説明した実施形態の様々なシステムの構成部品を分離する場合において、全ての実施形態においてそのような分離が必要であると理解すべきではない。
【００９０】
いくつかの実装例および実施例のみを説明したに過ぎず、本特許文書で説明し、示したことに基づいて他の実装例、改良例および変形例を実施することができる。
【図１Ａ】
2021503427.tif 000003
【図１Ｂ】
2021503427.tif 000004
【図２Ａ】
2021503427.tif 000005
【図２Ｂ】
2021503427.tif 000006
【図２Ｃ】
2021503427.tif 000007
【図２Ｄ】
2021503427.tif 000008
【図３Ａ】
2021503427.tif 000009
【図３Ｂ】
2021503427.tif 000010
【図３Ｃ】
2021503427.tif 000011
【図４Ａ】
2021503427.tif 000012
【図４Ｂ】
2021503427.tif 000013
【図５】
2021503427.tif 000014
【図６】
2021503427.tif 000015
【図７Ａ】
2021503427.tif 000016
【図７Ｂ】
2021503427.tif 000017
【図７Ｃ】
2021503427.tif 000018
【図７Ｄ】
2021503427.tif 000019
【図８】
2021503427.tif 000020
【図９】
2021503427.tif 000021
【図１０】
2021503427.tif 000022
【図１１】
2021503427.tif 000023
【図１２】
2021503427.tif 000024
【図１３】
2021503427.tif 000025
【図１４】
2021503427.tif 000026
【図１５】
2021503427.tif 000027
【図１６】
2021503427.tif 000028
【図１７】
2021503427.tif 000029
【図１８】
2021503427.tif 000030
【図１９】
2021503427.tif 000031
【図２０】
2021503427.tif 000032
【図２１】
2021503427.tif 000033
【図２２】
2021503427.tif 000034
【図２３】
2021503427.tif 000035
【図２４】
2021503427.tif 000036
【図２５】
2021503427.tif 000037
【国際調査報告】
2021503427.tif 000038
2021503427.tif 000039