(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定材料である燃料被覆管の両端に端栓を配置し、一方の端栓を経由して内圧を負荷し、この内圧に起因する円周方向応力と、この同円周方向応力によって前記燃料被覆管に発生する円周方向ひずみとの関係から当該燃料被覆管材料の機械的特性を測定する燃料被覆管の円周方向強度測定装置において、
前記燃料被覆管内に配置された圧力媒体通過穴付き挿入円筒材と、前記燃料被覆管の両端の内側に配置されたシール材と、前記燃料被覆管の両端の外側に配置された膨張抑制治具と、他方の端栓を保持するネジ式の端栓受け部材と、を具備していることを特徴とする燃料被覆管の円周方向強度測定装置。
【請求項２】
前記シール材は、断面が円形および矩形等の各種の断面形状と弾性力を有する各種材料からなるＯリングもしくはガスケットであることを特徴とする請求項１に記載の燃料被覆管の円周方向強度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉内で使用されて放射能を帯びた燃料被覆管に高圧の内圧を負荷して管の材料強度・変形特性をセル内で遠隔測定する燃料被覆管の円周方向強度測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
管状材料の機械的特性を測定する従来の技術は、管の長手方向に引張り荷重を負荷して応力−変形関係および破断時の応力や塑性ひずみを測定する試験方法（以降、管の引張り試験と省略）と、管の片端を溶接もしくは機械的に閉じて、他の端に内圧導入穴付きの栓を取り付け、ガスや液体を加圧媒体にして内圧を負荷し、圧力と管の膨張量との関係および破裂時の最大圧力や破裂時の塑性変形を測定するクローズドエンド内圧破裂試験方法（以降、内圧破裂試験と省略）が知られている。
【０００３】
機械的特性を求める際に、前記内圧破裂試験では長手方向引張りと円周方向引張りの多軸応力状態が生じるために単軸応力状態での材料の基本的な特性である応力−変形関係を求めることができない。しかし、一般の産業用材料の場合には、単軸応力状態での管材料の応力−変形関係等の基本的な材料特性は、引張り試験から求めることが一般的である。それは多くの場合、変形挙動は等方的であるので、妥当な試験方法である。
【０００４】
ところで、材料の変形特性に異方性が強く、特に燃料被覆管の特性評価のためには円周方向の材料特性に関する知見が重要であり、管の長手方向引張り試験だけから求めた応力−変形関係ではその挙動を十分に把握できない場合があった。また、円周方向に応力が生じる内圧破裂試験では上述のように長手方向応力にも同時に応力が重畳する多軸応力下での応力−変形関係になり、単軸応力状態ではないので基本的な材料特性は得られず、計算機コード等の入力材料特性としては利用が限定されたデータしかならなかった。
【０００５】
そこで、材料の機械的特性に異方性が考えられる軽水型原子炉用の燃料被覆管について円周方向単軸負荷時の機械的特性を得るためには、被覆管に長手方向の引張り力が発生せず、円周方向の単軸応力のみが発生する、例えばQuantum Technology AB社の公開資料TR03-008等で開示されているオープンエンド型の内圧負荷試験方法がある。
【０００６】
このオープンエンド型の内圧負荷試験方法では、管の少なくとも一端において、溶接端栓や機械的な締め付け力による端栓で内圧を閉じるのではなく、管の長手方向に内圧に起因する引張り力が作用しないように、管と圧力シール用端栓機構間の相互の動きが自由である構造にする必要がある。
【０００７】
このような構造とするためには、例えばJIS B2401に開示されているように、通常はＯリングによるシール方法が用いられている。また、当該技術分野の試験においては高温高圧条件下が必要であり、そのための高内圧用シールの例としては、Ｏリング溝部の嵌め合い寸法を狭くする方法や、外力によりＯリングに圧縮力を加える方法や、内外圧力差を用いたブリッジマンシールの原理によりＯリングに圧縮力を加える方法等は特許文献１や特許文献２に開示されている。また、Ｏリングの断面形状を略Ｋ字形に改良して高機能にした例は特許文献３に開示されているが、加圧媒体をＯリングでシールする方法において、遠隔操作で端栓を簡便に着脱可能にし、かつ放射線を遮蔽したセルと称呼される小部屋に収容可能な小型装置とする必要がある。
【特許文献１】特開平８−２０１１２４号公報
【特許文献２】特許第２６３６１９５号公報
【特許文献３】特許第２６３０６３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような従来技術でのオープンエンド型の内圧負荷試験方法は、装置に供試材をセットする際には、一般の産業用の管状構造材料では作業員が手で直接的に供試材をつかむことが可能であるので、微細な動きと強力な力で試験体を装置に取り付けることが可能であった。また、装置全体の大きさに特別な制限も無かった。
【０００９】
しかしながら、強い放射能を有する燃料被覆管を供試材にする場合には、セルと称呼される小部屋内に収納可能な小型装置で、かつ、微力な締め付け力しか発生しない遠隔操作で試験体の組み立てを可能にする必要があった。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みてなされたもので、その課題は照射された軽水型原子炉用の燃料被覆管の円周方向負荷時の応力−ひずみ特性を遠隔操作によって測定できる燃料被覆管の円周方向強度測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために、本発明の燃料被覆管の円周方向強度測定装置は、請求項１〜２に記載の通りに構成されている。すなわち、
請求項１に記載の燃料被覆管の円周方向強度測定装置は、被測定材料である燃料被覆管の両端に端栓を配置し、一方の端栓を経由して内圧を負荷し、この内圧に起因する円周方向応力と、この同円周方向応力によって前記燃料被覆管に発生する円周方向ひずみとの関係から当該燃料被覆管材料の機械的特性を測定する燃料被覆管の円周方向強度測定装置において、前記燃料被覆管内に配置された圧力媒体通過穴付き挿入円筒材と、前記燃料被覆管の両端の内側に配置されたシール材と、前記燃料被覆管の両端の外側に配置された膨張抑制治具と、他方の端栓を保持するネジ式の端栓受け部材と、を具備している。
【００１２】
一方の端栓は端栓受けおよび端栓受け支持機構によって支えられており、加圧媒体導入穴付き端栓は基盤ブロックを介して図示していない圧力発生装置に結合されている。
【００１３】
また、試験体である燃料被覆管の両端には管膨張抑制治具が管外側に嵌め込んであり、試験体加熱用炉が試験体の外套体として設置されている。電気炉制御のために温度検出用の熱電対が試験体外表面に接触させて配置してある。被覆管の長さ方向中央部には管直径測定用の伸び計が配置してあり、基盤ブロック中の圧力導入穴には加圧媒体の圧力検出器を配管で結合されて構成されている。
【００１５】
請求項２に記載の燃料被覆管の円周方向強度測定装置は、前記シール材は、断面が円形および矩形等の各種の断面形状と弾性力を有するシリコンゴム、フッ素ゴム、カルレッツ等の軟質樹脂の他に、金属またはポリイミド樹脂製のＯリングもしくはガスケットで構成されている。また、複数のシール部材を両端栓に装着する際には、バックアップリングと組み合わせて使用する場合もある。
【００１７】
（作用）
本実施形態は、原子炉で使用された結果、放射性材料になった原子炉用燃料被覆管の円周方向材料特性をセルと称呼される部屋の中で遠隔操作により測定する燃料被覆管の円周方向強度測定装置に適用したものである。
【００１８】
基盤ブロックに固定されている加圧媒体導入穴付き端栓に、ＯリングとＯリング圧縮用円筒を装着し、試験体である燃料被覆管を被せる。該被覆管の片端には圧力封じ用の片端栓を挿入し、ネジ式機構および端栓支え機構で端栓受けを基盤ブロックに固定する。この機構によって小型の試験装置内に試験体を組み立てることが可能である。
【００１９】
加圧媒体導入穴付き端栓を通じて試験体内に例えば水もしくはシリコン油等の加圧媒体が導入されると、内圧に起因する円周方向の応力が発生する。この内圧によって、端栓を管から押し出す方向の力が作用するが、片端栓支え機構の作用で端栓押し出し力は基盤ブロックで支えられている。
【００２０】
また内圧が増加すると、試験体である管の両端が膨張し加圧媒体の漏洩が生じ易いが、管両端部に嵌め込んだ膨張抑制治具の作用で漏洩を防止されている。試験体の外径から円周方向の伸びを測定し、発生している円周方向応力を負荷している内圧から算出し、応力−ひずみ関係を求めることができる。
【００２１】
試験体は外套体として組み込まれている円筒状加熱炉で所定の温度まで昇温される。高温高圧になるとＯリングから加圧媒体が漏洩し易くなるので試験の途中にネジ式機構に直結しているＯリング圧縮用円筒の作用でＯリングを追加的に圧縮する。
【００２２】
次に、円周方向応力と円周方向ひずみとの関係と管状試験体材料の機械的特性との関連について説明すると、管状試験体（片方に栓をして）に内圧を加えて破裂させることにより、管の機械的特性を得る場合には、（薄肉管では）円周方向に２、管の長手方向に１の割合を保ったまま、引張り応力が発生する。この応力状態は、棒状試験片での引張り試験から材料強度を求める状態とは応力比が異なる。即ち、単軸応力であるべきところが２軸応力状態での試験になり、管状試験体材料の機械的特性が正確には求まらない。ところが本試験方法のように内圧は負荷するのだが、（長手方向応力は発生しないで）円周方向だけの単軸応力状態での円周方向応力と円周方向ひずみとの関係は、棒の単軸引張りのように単軸での管状試験体材料の機械的特性が求まることになる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、放射能を有する燃料被覆管材料を遠隔操作でその材料の円周方向の強度に関する特性を求めることが可能な燃料被覆管の円周方向強度測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態である燃料被覆管の円周方向強度測定装置の側断面図である。
【００２５】
図１に示すように、本実施形態の燃料被覆管の円周方向強度測定装置１は、装置全体がその上に一体的に固定されている基盤ブロック２と、装置内部に挿入された試験体である燃料被覆管３と、この試験体への加圧媒体導入穴４を備えた圧力導入穴付端栓５と、圧力媒体封じ用の片端栓６と、圧力媒体シール用Ｏリング７と、加圧媒体通過穴８付きの挿入円筒９とから構成されている。片端栓６はネジ式押し機構１１を備えた端栓受け１０で保持されており、端栓受け１０は端栓受け支え機構１２によって支えられる構造となっている。
【００２６】
このような構造により、図示しない高圧発生機で生じた高圧の加圧媒体が導入穴付き端栓５および加圧媒体通過穴８を経由して試験体内に導入される。
【００２７】
また、試験体である燃料被覆管３の両端は膨張変形を抑制するために膨張抑制治具１３を燃料被覆管３の外側に取り付ける必要がある。しかし、リング７の内径が試験体の外径より僅かに大であるが僅かに楕円状に変形させているために遠隔操作用のマニュプレータでの弱い力でも嵌合可能であり、かつ弾性力の作用でずり落ちない状態で嵌め込んである。試験体加熱用炉１４は試験体の外套体として構成配置されており、膨張抑制治具１３を位置決め用の台にして遠隔操作で容易に配置可能である。
【００２８】
また、電気炉制御のために図示しない温度検出用の熱電対が試験体外表面に複数本接触させて配置してある。試験体の代表的な変形量を検出するために、当該電気炉の長さ方向中央位置には、管直径測定用の伸び計１５を試験体に接触させるための貫通穴が配置してあり、伸び計１５を遠隔操作で挿入することにより容易にセット可能である。さらに、基盤ブロック中の圧力導入穴４には加圧媒体の圧力検出器１６を配管で結合された構成となっている。
【００２９】
本実施形態は上記のように構成されているので、小型の試験装置で、かつ遠隔操作で容易に試験体をセットすることが可能である。したがって、試験体である燃料被覆管の破壊までの膨張量および内圧を電気信号としてセル外で容易に記録できる。
【００３０】
本発明は上記実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形も可能である。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
【００３１】
（１）上記実施形態では、Ｏリングを用いて試験体である燃料被覆管内の加圧媒体をシールしているが、シール部材は高温でも弾性を有する部材であればＯリングに限定されることはなく、必要に応じて各種のパッキンを選択することができる。
【００３２】
（２）上記実施形態では、試験体の加熱として加熱用炉を用いているが、必要に応じて、高周波加熱用のコイルを用いることができる。
【００３３】
（３）上記実施形態において、管直径測定用の検出器は、機械的な接触方式だけでなく、光学的、電磁学的な原理を用いた検出器も適用できる。
【００３４】
（４）上記実施形態で用いる加圧媒体としては、水、蒸気、各種油、の他に各種のガスを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態である燃料被覆管の円周方向強度測定装置の側断面図。
【符号の説明】
【００３６】
１…燃料被覆管の円周方向強度測定装置、２…基盤ブロック、３…燃料被覆管、４…加圧媒体導入穴、５…圧力導入穴付き端栓、６…片端栓、７…圧力媒体シール用Ｏリング、８…加圧媒体通過穴、９…圧力媒体通過穴付き挿入円筒、１０…端栓受け、１１…ネジ式押し機構、１２…端栓受け支え機構、１３…膨張抑制治具、１４…試験体加熱用炉、１５…伸び計、１６…圧力検出器。
【図１】
0004753026.tif 000002