(57)【要約】【課題】従来の構造物である制御棒容器に炭化ホウ素やホウ素化黒鉛などの中性子吸収材を格納した制御棒は、その構造物である制御棒容器にアロイ８００などの耐熱合金が使用されているが、８００℃を超えて１０００℃若しくはそれ以上の耐熱性を有していない。【解決手段】ホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料からなる制御棒は、炭素繊維強化炭素複合材料とホウ素が組み合わされたホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料から構成される制御棒容器とその内部に格納された中性子吸収材とが一体化された原子炉の制御棒であり、心棒に、炭素繊維クロスを巻き付けて積層した後、ホウ素源を含浸させた炭素繊維クロスを巻き付けて積層して熱処理することにより形成される。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維強化炭素複合材料とホウ素が組み合わされたホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料から構成される制御棒容器とその内部に格納された中性子吸収材とが一体化された原子炉の制御棒。
【請求項２】
心棒に、炭素繊維クロスを巻き付けて積層した後、ホウ素源を含浸させた炭素繊維クロスを巻き付けて積層して熱処理することにより形成される請求項１記載の制御棒。
【請求項３】
炭素繊維強化炭素複合材料の炭素繊維の配列が１次元、２次元、２．５次元若しくは３次元的に炭素繊維が配列した請求項１又は請求項２記載の制御棒。
【請求項４】
ホウ素源が炭化ホウ素粉末を使用してなる請求項２記載の制御棒。
【請求項５】
制御棒の径方向において外表面から内側にかけて順次ホウ素濃度が少なくなる請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の制御棒。
【請求項６】
制御棒の形が、円筒、円柱、板状、又は板を十字に組み合わせた適宜の形状のものである請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の制御棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉内の中性子吸収材と構造物が一体化したホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料からなる制御棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、多目的高温ガス炉やガス冷却高速増殖炉において、構造物である制御棒容器に、炭化ホウ素やホウ素化黒鉛などの中性子吸収材を格納して制御棒として使用している。この構造物である制御棒容器は、現在、アロイ８００などの耐熱合金が使用されているが、次期のこれらの炉においては８００℃を超えて１０００℃若しくはそれ以上の耐熱性が要求される。
【０００３】
その対策として炭素繊維強化炭素複合材料を上記構造物として使用することが検討されており、それが下記の特許文献１で示され、それに関しては日本原子力研究所内においても、例えば、下記の非特許文献１にもあるように炭素繊維強化炭素複合材料の照射特性等の研究が進められている。制御棒は、原子炉内において最も重要な部材の一つであり、より一層の性能の向上、安全性が要求されている。反面、コストパフォーマンスの向上も求められている。
【０００４】
【特許文献１】：特許第２７８４３０４号明細書
【非特許文献１】：ＪＡＥＲＩ−Ｒｅｓｅａｒｃｈ　２００１−０２８
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる制御棒に関して、より一層の性能の向上および安全性をより高めて、更にコスト低減を追求することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための手段として、鋭意検討の結果、構造物である制御棒容器と中性子吸収材が一体となった制御棒を発明するに至った。本発明の制御棒は、中性子吸収能力を持つホウ素と構造物とを一体化させることによって解決される。以下、本発明にかかる制御棒をホウ素混合型制御棒という。なお、中性子吸収能力を持つホウ素とは、正確にはホウ素同位体の内、質量数が１０のものがその中性子吸収作用を有し、通常のホウ素およびホウ素化合物にそれが一定量含まれている。
【０００７】
又、従来の制御棒は、制御棒容器に別途中性子吸収材をいれるので、その形状が円筒形状であった。これに対し、本発明の制御棒は、制御棒容器と中性子吸収材が一体化されたものであるので、その形状として、円筒、円柱、板状、板を十字に組み合わせたもの等の都合のよい形状のものを使用することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
ホウ素混合型制御棒として、耐熱性を有する材料として、高温ガス炉で使用されているホウ素化黒鉛（例えば、下記特許文献２及び下記非特許文献２に記載）をそのまま使用することも設計の工夫によっては、理論上可能である。
【０００９】
【特許文献２】：第１８２０５０２号
【非特許文献２】：１９９３年２月発行のＩＡＥＡ−ＴＥＣＤＯＣ−６９０　“Ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｇａｓ　ｃｏｏｌｅｄ　ｒｅａｃｔｏｒｓ”
しかしながら、ホウ素化黒鉛は充分な耐熱性を有するが機械的な靭性に乏しいという欠点があるために、実際には制御棒容器の中に納める中性子吸収材としてのみ使用されている。
【００１０】
高靭性も兼ね備える炭素繊維強化炭素複合材料とホウ素を組み合わせた、ホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料（以下、ホウ素混合Ｃ／Ｃ複合材という。）は優れたホウ素混合型制御棒を構成することができる。その理由を以下のようにあげることが出来る。
【００１１】
▲１▼　Ｃ／Ｃ複合材を母材とするので、主として性能の向上が図れる。
▲２▼　一体型なので構造物と中性子吸収材との相互作用がない。例えば、地震などが発生した場合、相互にかかる衝撃による応力発生を考慮しなくて良い。
【００１２】
▲３▼　Ｃ／Ｃ複合材のみと比較してホウ素混合Ｃ／Ｃ複合材は耐酸化性が高く、例えばヘリウムガス中の不純物酸素によって酸化される度合いが少ない。
▲４▼　配管の破断などの事故時に空気の導入を想定した場合、ホウ素混合Ｃ／Ｃ複合材は耐酸化性が高いのでＣ／Ｃ複合材のみと異なり、より高い安全性を確保することができる。
【００１３】
▲５▼　構造物と中性子吸収材を別々に製作する場合に比べて低コストとなる。Ｃ／Ｃ複合材の形態は特に限定されないので、いずれのものでも適応可能であるが、本用途には１次元、２次元、２．５次元、３次元Ｃ／Ｃ複合材が適していると考えられる。これらのＣ／Ｃ複合材は、一般に特に引張りの機械的強度が高く、また、高い靭性を有しているからである。従って、これらのＣ／Ｃ複合材の形態をベースとしてホウ素を混合するのが望ましい。
【００１４】
更に、望ましくは２次元（２Ｄ）Ｃ／Ｃ複合材をベースとして用いることである。また、現在、最も一般に使用されている２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材としては、２次元クロスを用いたもの若しくは一次元クロスの方向を違えて交互に積層したものがある。二次元クロスを用いた２次元Ｃ／Ｃ複合材は、形状や大きさなど製作性の幅が広く、比較的多量に生産されておりコスト的にも有利であることから、日本原子力研究所においても高温ガス炉の制御棒として２次元Ｃ／Ｃ複合材を中心に研究が進められている。
【００１５】
上記Ｃ／Ｃ複合材は、炭素繊維の束が、ある配列をもって並んで、マトリックスで高密度化しているものであり、又炭素繊維は、その原料がピッチ、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、レーヨン等からなるものである。
【００１６】
上記１次元Ｃ／Ｃ複合材は、長炭素繊維が一方向に揃えて作製したものであり、炭素繊維の体積分率が２０％若しくはそれ以上のものであり、炭素繊維の軸方向において使用した炭素繊維の特徴が顕著に現れているものであり、１方向に大きな引張強さを有するものである。上記２次元Ｃ／Ｃ複合材は、長炭素繊維を縦、横２次元に織ったクロス又は不織布を積層して作製したものであり、その高密度化は一般にはピッチ又は樹脂含浸によって行われており、２次元的に補強された材料で、高い靭性を有している。上記２．５次元、３次元Ｃ／Ｃ複合材等の多次元Ｃ／Ｃ複合材は、多次元方向に長繊維束を配向させて作製されたものであり、その高密度化はピッチ又は樹脂含浸によって行われており、多次元的に炭素繊維によって補強されているので、等方的な物理特性を有している。
【００１７】
Ｃ／Ｃ複合材にホウ素源であるホウ素若しくはその炭化物を存在せしめる方法は特に問わないが、コスト面などの製作の困難性を考慮しながらより均一にホウ素が分散される方法が望ましい。
【００１８】
ホウ素を分散させる方法としては、次の３つを例示することができる。
▲１▼　金属アルコキシドを用いてホウ素を微分散させる方法、
▲２▼　加熱含浸装置（熱間静水圧加圧装置）を用いて酸化ホウ素を含浸せしめ、１５００℃以上の高温で熱処理を行なってホウ素もしくはその炭化物を存在せしめる方法が下記特許文献３に示されている
【００１９】
【特許文献３】：特許第３０３４９１９号明細書
▲３▼　また、下記特許文献４では、耐酸化材作製におけるマトリックスとなる熱硬化性樹脂、コールタール又はピッチに炭化ホウ素粉末を混ぜ合わせたものを塗布する方法とホウ素含有ガスの熱分解によってＣ／Ｃ複合材内にホウ素を含有させる方法を示している。
【００２０】
【特許文献４】：特許第３０５８１８０号明細書
▲１▼の方法は、ホウ素の微分散が可能であるが、アルコキシドが高価で大量にホウ素を存在させるのには不向きであるという欠点がある。▲２▼の方法は、ホウ素の微分散が可能であるという利点があるが、加熱含浸装置（熱間静水圧加圧装置）を必要としコスト高となる他、装置の大きさに制限を有する。▲３▼の方法は、炭化ホウ素を混合するという意味において中性子吸収材として使用されているホウ素化黒鉛の場合と同じである。
【００２１】
炭化ホウ素粉末を使用した場合のホウ素の均一性は次のように考えられる。ホウ素化黒鉛に用いられている炭化ホウ素の平均粒径が３マイクロメータであり、その程度の粒径を有する炭化ホウ素粉末を原料に使用すれば充分であると思われる。
【００２２】
また、２０００℃程度の熱処理によってホウ素が炭素部分に置換固溶させるのでホウ素の分散の均一性が図られる。これらの条件を満足するためには炭化ホウ素自体が材料中に均一に分散して存在してなくてはならないことは言うまでもない。ホウ素化材料の製作に当っては、熱処理温度は１６００℃から２３００℃、好ましくは１９００から２１００℃が良い。１６００℃以下であるとホウ素が炭素中に固溶せず、２３００℃以上であると黒鉛化が発達しすぎて機械的強度が劣化するからである。
【００２３】
２次元の炭素繊維クロスを用いた２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材中に炭化ホウ素を工業的に有効に量産もしくは使用されるように均一に分散させる方法は開示されたものはなく、工業的にもほとんど生産されていない。しかし、本発明において、これら材料は必要である。
【００２４】
次に、ホウ素混合Ｃ／Ｃ複合材のホウ素濃度について述べる。ホウ素濃度は制御棒を含めた炉の設計によって決まるものである。従って、一義的に濃度は幾らとは言えないが、経験的に最高３０〜５０重量％程度のホウ素の濃度が確保できれば適合するものと思われる。材料中のホウ素濃度は、発明の本質を左右するものではない。
【００２５】
ここで、ホウ素の分布状態が重要である。ホウ素は複合型制御棒の長さ方向には同じ濃度を有することが必要であると考えられる。制御棒を上下に動かして核反応を制御するからである。
【００２６】
ホウ素混合型制御棒において、ホウ素が径方向に全体に渡って均一に分布していても使用可能であるが、ホウ素混合型制御棒の径方向は、ホウ素の分布状態を変化させる事がより有効であることを見出し明らかにした。
【００２７】
すなわち、ホウ素混合型制御棒は使用中において、ホウ素は中性子と反応してヘリウムを発生する。その際にボイドが発生する。その材料中に生じたボイドは、材料強度を低下させると考えられる。そこで、ホウ素を含まない部分を例えば径の中央部分に存在させると、その部分は、そのことによる材料強度の低下が防止でき材料の安全性や長寿命化が確保できることになる。また、ホウ素濃度を、円柱または円筒の径方向において外側の濃度を高くして内側を低くし、ホウ素濃度を順次変化させる、いわゆる傾斜機能材料とすることができる。そうすることによって、材料の熱的・機械的特性が緩やかに変化して耐熱衝撃性などにおいてより信頼性が高まる。
【００２８】
その他、ホウ素混合型制御棒のホウ素を含まない部分の存在のさせ方は中央部の他、外側に交互にするなどが考えられる。事故時の空気の侵入による制御棒の酸化による劣化を防ぐために、いずれにしても外側表面にホウ素を存在させなくてはならない。
【００２９】
【実施例】
ホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材の制御棒を作製した例を示す。ホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材を作製するには、平均粒径３μｍの炭化ホウ素粉末および炭素繊維クロス｛ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系の６Ｋ（炭素繊維の束の繊維数が６０００本のもの）平織り（繊維が互いに折り重なって織られたもの）のもの｝を使用した。
【００３０】
成形にあたっては、直径５ｍｍのステンレス製の棒を心棒にして、炭素繊維クロスのプリプレグを連続的に巻きつけて直径１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの成形体とした。この成形体は、径方向内側の直径３０ｍｍまではホウ素を含まないものである。
【００３１】
炭素繊維クロスのプリプレグの製作方法について述べる。その製作に当っては炭素繊維クロスのうち、ホウ素を含まない部分とホウ素を含む部分に分ける。
ホウ素を含まない部分ではまず、炭素繊維クロス１００重量部に対して、１００重量部のレゾール型フェノール樹脂をエチルアルコールに溶かして塗布した。
【００３２】
その続きのホウ素を含む部分では、１００重量部に相当する炭化ホウ素粉末と１００重量部のレゾール型フェノール樹脂のエチルアルコールスラリーを炭素繊維クロス面に塗布した。なお、ホウ素の濃度を順次変化した複合材を製作するには、添加する炭化ホウ素の濃度を変えたスラリーを順次塗布すれば良い。
【００３３】
これら、樹脂のみ、または炭化ホウ素と樹脂を塗布したクロスを積層して風乾させた。
次に、成形体を窒素ガスを流しながら１０００℃の熱処理を施した。その熱処理を施した材料にレゾールタイプのフェノール樹脂を含浸し、再び同様の熱処理を行った。この操作を合計３回繰り返した。
【００３４】
次いでアルゴンガス雰囲気５Ｔｏｒｒの下、２０００℃で熱処理を施して、ホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材を得た。マンニットール滴定法などの化学滴定の手法を用いて測定した。ホウ素濃度は３０重量％であった。酸化ホウ素の濃度は０．０２重量％であった。ホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材全体のかさ密度は１．６２ｇ／ｃｍ３であった。
【００３５】
製作したホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材においてホウ素を含まない部分と含む部分から、引張り試験片を採取して、制御棒の軸方向の引張り強さを測定した。ホウ素を含む部分は１４１ＭＰａであった。ホウ素を含まない部分は１１５ＭＰａであった。本発明のホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材はいずれも脆性的な破壊をすることなく、通常市販の２Ｄ−Ｃ／Ｃが示すようなクロスヘッド変位を示し、本来の２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材が有する靭性を保持していることが確認された。
【００３６】
なお、ＨＴＴＲ多目的高温ガス炉における条件を参考にして材料設計すると以下の結果が得られた。引張り強さが１４１ＭＰａであれば、直径２３ｍｍを有しておれば設計上使用可能であると計算される。従って本実施例のホウ素混合２Ｄ−Ｃ／Ｃ複合材は充分な強度を有する。
【００３７】
計算は、９９％非破壊確率で９５％信頼、材料の標準偏差差を１５．３ＭＰａとして、安全率を３として設計強さ３３．６ＭＰａが得られる。ＨＴＴＲでの１つの制御棒に掛かる荷重を地震荷重も考慮して１３６０ｋｇである。これらの値から直径２３ｍｍが得られた。
【００３８】
【発明の効果】
従来の構造物である制御棒容器に炭化ホウ素やホウ素化黒鉛などの中性子吸収材を格納した制御棒は、その構造物である制御棒容器にアロイ８００などの耐熱合金が使用されているが、８００℃を超えて１０００℃若しくはそれ以上の耐熱性を有していない。
【００３９】
これに対し、本発明における、原子炉内の中性子吸収材と構造物が一体化したホウ素混合炭素繊維強化炭素複合材料からなる制御棒は、上記耐熱性を十分に満足するものである。