(57)【要約】【課題】  核燃料サンプル内に高い温度勾配を生成するための装置を提供する。【解決手段】  本発明の主題は、サンプルと前記サンプル内の高い温度勾配を生成するための装置とを含むアセンブリであって、  −  サンプルが置かれるチャンバと、  −  サンプルを貫通する抵抗器と、  −  電磁界を生成するためのチャンバの周囲の第１の誘導手段と、  −  前記抵抗器内で循環する誘導電流を生成するように前記抵抗器に接続され前記電磁界を取り出すことができる第２の誘導手段と、を含むアセンブリである。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルと前記サンプル内の高い温度勾配を生成するための装置とを含むアセンブリであって、
−  前記サンプルが置かれるチャンバと、
−  前記サンプルを貫通する抵抗器と、
−  電磁界を生成するための前記チャンバの周囲の第１の誘導手段と、
−  前記抵抗器内で循環する誘導電流を生成するように前記抵抗器に接続され前記電磁界を取り出すことができる第２の誘導手段と、を含むことを特徴とするアセンブリ。
【請求項２】
前記第１の誘導手段は少なくとも１つの第１のコイルを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記第２の手段は少なくとも１つの第２のコイルを含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記チャンバは石英管である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記サンプルはＡｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２であり得るセラミックペレットまたはＵＯ２またはＭＯＸであり得る核燃料ペレットを含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記サンプルは前記ペレットの周囲で前記ペレットと直接接触する金属のクラッディングを含む、ことを特徴とする請求項５に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記サンプルの周囲に熱絶縁素子も含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項８】
前記サンプルはセラミックペレットを含み、絶縁体はアルミナである、ことを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項９】
前記サンプルはセラミックペレットを含み、前記絶縁体はハフニウムである、ことを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項１０】
前記サンプルはＵＯ２であり得る燃料を含み、前記絶縁体はＵＯ２またはハフニウムでり得る、ことを特徴とする請求項７に記載のアセンブリ。
【請求項１１】
前記抵抗器はタングステンまたはモリブデンであり得る耐火金属である、ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１２】
交換器も含み、前記第２の誘導手段は前記交換器の周囲に位置する、ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１３】
前記交換器は流体循環装置を含む、ことを特徴とする請求項１２に記載のアセンブリ。
【請求項１４】
前記サンプルの温度を測定するための手段も含む、ことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１５】
前記温度測定手段は熱電対を含む、ことを特徴とする請求項１４に記載のアセンブリ。
【請求項１６】
高温計を含む請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【請求項１７】
赤外線カメラを含む請求項１乃至１５のいずれか一項に記載のアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、熱勾配下の核燃料の挙動を制御し特徴付ける際に特に関心がもたれ、高い核活動の実験室において使用することができる、サンプル内の熱勾配の生成を制御することを含む加熱装置の分野である。
【背景技術】
【０００２】
この分野では、セラミックの炉心における電気加熱により、セラミックのクラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）の外側の水の循環により、熱勾配を生成することが、本出願人により既に提案されている。しかしながらこの装置は照射核燃料に対し未だ使用されていない。
【０００３】
また、米国特許第４，６４３，８６６号明細書から知られているのは、マイクロ波を使用したセラミックの炉心加熱とセラミックのクラッディングの外側の水の循環とにより保証される熱勾配を設けることを可能にする手段である。
【０００４】
Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｓｉｇｎ  ２６，（１９７４年）４２３〜４３１頁，Ｊ．Ｆ．Ｗｈａｔｈａｍもまた、加圧水循環による冷却によるセラミックの電気加熱を記載する。
【０００５】
現在、燃料棒に対し実行される提示された熱勾配のいくつかの試みが、不活性雰囲気中の非照射物質に対し行われてきた。ここで、放射の効果は、ペレットとクラッディングの機械的および化学的性質だけでなくそれらの界面にも急速に（加圧水型原子炉ＰＷＲの１サイクル未満で）影響を与え、核燃料の挙動を著しく変える。
【０００６】
ここで、劣化同位体ベクトルによる高プルトニウム含有量を有するＭＯＸなどの燃料、約７％のプルトニウムと９３％の劣化ウランから製造された二酸化プルトニウムＰｕＯ２と二酸化ウランＵＯ２を含むＭＯＸ（混合酸化物：ｍｉｘｅｄ  ｏｘｉｄｅｓ）燃料の管理との関係で、とりわけガス状の、燃料中の、そして放出状態の、核分裂生成物の転送効果についての知識は、向上される必要がある。
【０００７】
より具体的には、ＥＤＦにより運営される現在の原子炉では、燃料はジルコニウム合金のクラッディング中に積層されたＵＯ２または（Ｕ，Ｐｕ）Ｏ２ペレットの形態をとる。放射中、特に熱力学的現象のために、ペレットとクラッディング間の相互作用（ペレットクラッディング相互作用：ＰＣＩとも称する）が発生する。ここで、特定の偶発的過渡電力条件では、燃料はその通常の状況に対して著しく急速な温度上昇を経験することがある。この熱過渡現象はクラッディング上のペレットの応力の増加を引き起こし、ペレットを壊す可能性がある。クラッディングは核分裂生成物に対する第１の封じ込め障壁であることから、その完全性を保証し、したがってこれらのＰＣＩ現象を最大限よく知ることが必須である。
【０００８】
したがって様々な電力「過渡現象」中に核燃料が受ける熱勾配をシミュレーションすることができる解析的試みを実行することに、そしてさらに具体的には、熱勾配下の核燃料の挙動を特徴付けるための高レベル放射性実験室において使用することができる装置を備えることに、特別の関心が寄せられる。このような解析的試みは、いくつかの偶発的電力過渡条件において第１の封じ込め障壁を破綻させない所謂改善燃料（ｒｅｍｅｄｉａｌ  ｆｕｅｌ）を得るために材料を選択できるようにし得る。
【０００９】
以上に関連し、本出願人はＤＵＲＡＮＣＥ（熱勾配下の燃料の挙動をシミュレーションする装置）と名付けられた試験的装置を開発した。このＤＵＲＡＮＣＥ装置は、炉心に挿入された加熱マンドレルにより保証されたサンプル中の熱勾配と、付属装置により冷却される絶縁材料のシステムと、を含む。サンプルの炉心とクラッディングの外層間の熱勾配の振幅は、結果的に、炉心温度レベルならびに絶縁体の性質、厚さおよび外部温度により動く。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上に関連し、本出願人は、特定の偶発的状況中に核燃料が受ける熱勾配の振幅を再現し制御できるようにする装置を開発を試み、かつ、これを、高レベル放射性セル内の実験室により使用され、かつ燃料要素に接触するいかなる水の循環（加圧または非加圧）も省くことにより使用される熱処理炉に容易に適合することができる縮小サイズの設備を使用することにより行ってきた。ここでは加熱は誘導により保証される。ペレットの内部から外部への熱束を保証する２〜３の燃料ペレットの誘導加熱システムの開発により、原子炉において観察される温度プロフィルを表すことができるようになる。これは、偶発的状況における燃料棒のペレット−クラッディング相互作用／応力腐食（ＰＣＩ／ＳＣ：ｐｅｌｌｅｔ−ｃｌａｄｄｉｎｇ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ／ｓｔｒｅｓｓ  ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）によるクラッディングの破断の危険性に関連する課題に関して改善できるように意図されており、全出力傾斜試験（ｆｕｌｌ  ｐｏｗｅｒ  ｒａｍｐ  ｔｅｓｔ）の数が限られているため、パラメータと燃料グレードのすべてが個々に試験できず、別々のやり方で物理的現象にアクセスすることもできない。ここで、クラッディングを有するペレットの相互作用の現象に関与する特定の主要メカニズムは、未だほとんど知られておらず、傾斜とＰＣＩをシミュレーションするディジタルモデルの代表性とを理解する際の制限要因となっている。
【００１１】
したがって本発明において提案される装置の重要な目的の１つは、特定の偶発的状況中に核燃料が被る熱勾配の振幅を再現し制御することと、それを、高レベル放射性セル内の実験室により使用され、かつ燃料要素に接触するいかなる水の循環（加圧または非加圧）も省くことにより使用される熱処理炉に容易に適合することができる縮小サイズの設備を利用することにより、行うこととである。ここでは加熱は誘導により保証される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の装置は特に、燃料を２０００°Ｃの高さまたはさらにはそれ以上とし得る中心温度に上昇させ、通常は３つの燃料ペレット上のクラッディング温度を３５０°Ｃ＋／−５０°Ｃの範囲内に安定させることができるようにし得る解決策を構成する。
【００１３】
より具体的には、本発明の主題は、サンプルと前記サンプル内の高い温度勾配を生成するための装置とを含むアセンブリであって、
−前記サンプルが置かれるチャンバと、
−前記サンプルを貫通する抵抗器と、
−電磁界を生成するためのチャンバの周囲の第１の誘導手段と、
−前記抵抗器内で循環する誘導電流を生成するように前記抵抗器に接続され前記電磁界を取り出すことができる第２の誘導手段と、を含むことを特徴とするアセンブリである。
【００１４】
本発明の一変形形態によると、第１の誘導手段は少なくとも１つの第１のコイルを含む。
【００１５】
本発明の一変形形態によると、第２の手段は少なくとも１つの第２のコイルを含む。
【００１６】
本発明の一変形形態によると、チャンバは石英管である。
【００１７】
本発明の一変形形態によると、サンプルはＡｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２であり得るセラミックペレットまたはＵＯ２またはＭＯＸであり得る核燃料ペレットを含む。
【００１８】
本発明の一変形形態によると、サンプルは前記ペレットの周囲で前記ペレットと直接接触する金属のクラッディングを含む。
【００１９】
本発明の一変形形態によると、それはまた、前記サンプルの周囲に熱絶縁素子を含む。
【００２０】
本発明の一変形形態によると、サンプルはセラミックペレットを含み、絶縁体はアルミナである。
【００２１】
本発明の一変形形態によると、サンプルはセラミックペレットを含み、絶縁体はハフニウムである。
【００２２】
本発明の一変形形態によると、サンプルはＵＯ２であり得る燃料を含み、絶縁体はＵＯ２またはハフニウムであり得る。
【００２３】
本発明の一変形形態によると、抵抗器はタングステンまたはモリブデンであり得る耐火金属である。
【００２４】
本発明の一変形形態によると、前記アセンブリはまた、交換器を含み、前記第２の誘導手段は前記交換器の周囲に位置する。
【００２５】
本発明の一変形形態によると、交換器は流体循環装置を含む。
【００２６】
本発明の一変形形態によると、前記アセンブリはまた、前記サンプルの温度を測定するための手段を含む。
【００２７】
本発明の一変形形態によると、温度測定手段は熱電対を含む。
【００２８】
本発明の別の主題は高温計を含む本発明によるアセンブリである。
【００２９】
本発明の別の主題は赤外線カメラを含む本発明によるアセンブリである。
【００３０】
本発明は、非限定的例として与えられる以下の説明を読むことにより、そして添付図面から、さらに良く理解され他の利点が明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本出願人により開発された加熱装置すなわちＭＥＲＡＲＧ炉を示す。
【図２】本発明による装置を示す。
【図３】アセンブリ、すなわち特に本発明の装置内の金属マンドレルにより加熱される絶縁体により囲まれた燃料ペレットの幾何モデル、を示す。
【図４】絶縁体により囲まれた燃料ペレットの有限要素熱モデルを示す。
【図５】様々な絶縁体とアルミナのセラミックペレットの動径座標の関数として温度の傾向を示す。
【図６】様々な絶縁体とジルコニウムのセラミックペレットの動径座標の関数として温度の傾向を示す。
【図７】様々な絶縁体とＵＯ２のセラミックペレットの動径座標の関数として温度の傾向を示す。
【図８】本発明の例示的な装置に含まれる様々な要素の分解図を示す。
【図９】本発明の装置内の中央の抵抗器に適用された温度の例示的サイクルを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本出願人は、誘導結合により金属るつぼを加熱できるようにする図１に示すようなＭＥＲＡＲＧ炉を開発した。高周波電流が通される所謂誘導巻線３により金属るつぼ１内に誘導電流を生成できるようになる。したがって、ジュール効果により、これらの誘導電流はるつぼの壁を加熱し、次にサンプルを高い温度に等温的に上昇させる。ここでは、るつぼ自体は管２内に置かれる。
【００３３】
しかしながら誘導加熱の利用をＤＵＲＡＮＣＥ装置に直接転写することはできない。実際、ペレットの中心と巻線の間に位置するジルコニウム合金（金属要素）のクラッディングは結合を免れないであろうから、ペレットの中心の抵抗器を誘導に対するサセプタ（サセプタとも呼ばれる加熱される部品に対応し、一般的にサセプタは導電体でなければならない）として使用することは考えられない。したがってクラッディングはＭＥＲＡＲＧ内のるつぼと同じやり方で加熱されるだろう。
【００３４】
中央の抵抗性システムを加熱する誘導巻線であり得る第１の誘導手段により生成される電磁界を利用することを可能にするために、本発明において提案された解決策は電気変圧器の原理を適用する。
【００３５】
したがって電磁界は、本発明によると、所謂変換巻線（コイル）であり得る第１の誘導手段により、増す。次に、この巻線により抵抗器内を循環する所謂誘導電流が生成される。この巻線は石英管の内部に置かれ、誘導巻線のレベルにその中心がある。
【００３６】
この装置により、同一の電力入力システムを維持できるようになる。この装置はまた、炉の気密性を保証するとともに、その物理化学特性により、結合現象に関し相互作用しない石英管を保持できるようにする。
【００３７】
したがって図２は、チャンバ２０内に抵抗器６０、第１の誘導巻線３１、第２の所謂変換巻線３２を含む本発明の装置を図示する。加熱対象サンプル１００は、図示されていないクラッディングと絶縁体１０１とにより囲まれ、その中心にある抵抗器６０により貫通される。熱電対６１もまた温度測定のために設けられる。
【００３８】
したがって本発明の装置により、誘導結合により金属要素を加熱し、次に抵抗器６０の抵抗加熱によりペレットの内部を加熱できるようになる。この設定により、同一の電力入力システムを維持できるようになる。この装置はまた、例えば、炉の気密性を保証するとともにその物理化学特性により結合現象に関し相互作用しない石英管を保持できるようにする。
【００３９】
この原理のため、燃料ペレットのスタック内により一様な加熱を供給するためには、結合巻線を有利には２倍にすることができ、両側の２つの金属要素を誘導により加熱することができる。
【００４０】
抵抗加熱システムの熱的検証
通常、ＤＵＲＡＮＣＥ装置は、照射核セラミック内の周知の所定半径方向の熱勾配を適用を試みる。想定された概念を検証するために、本出願人は本発明の装置の熱挙動をＣａｓｔ３ｍ下でモデル化した。このモデル化により、当初、できるだけ簡単なパラメータ検討により、ペレット内の半径方向勾配の存在を確認できるようになったとともに所望の熱勾配を得るための絶縁体の性質と幾何学形状が特定できるようになった。この解析では、簡略化ＤＵＲＡＮＣＥモデル（幾何モデルの定義、熱モデルの定義等）を得るためになされた仮定について詳述する。得られた結果は、概念の有効性を結論付けるために求められる目的と比較された。ＤＵＲＡＮＣＥ装置を３つのペレットのスタックに対し当初線対称にモデル化し、次に、２つの端のペレットのエッジ効果を無視することにより中央のペレットだけについてモデルをさらに単純化することが決定された。次に、底面と最上面上の熱交換は無い（断熱状態）と考えた。図３ａと図３ｂには、中央の抵抗器６０からの断面図（より具体的にはサンプルの中心からペレットの外部までの）に表された様々な要素、すなわち２つのチョック（ｃｈｏｃｋ）１０２間に置かれた燃料１００、クラッディング８０、絶縁体１０１を図示する。間隙はペレットとクラッディング間だけでなくクラッディングと絶縁体間にも存在しないということも考慮した。接触はこれらの要素間で完全であると考えられるので、ただ１つの熱転送、すなわち、伝導モードが考えられる。
【００４１】
冷却回路は、熱モデルに従って、注入される出力密度Ｐｉｎｊと、様々な材料（ペレット、クラッディング、絶縁体）間と２つの断熱部Ａｄｉａ間のほぼ完全な伝導Ｃｐと、を強調表示する図４に示すような交換器内を循環する水の温度に対応して２０℃に設定された温度によりモデル化される。
【００４２】
研究対象材料の熱的性質を考察モデルに入れた後、熱計算により、次の材料すなわち燃料としてＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＵＯ２の図５、図６、図７にそれぞれ詳述される結果が明らかとなり、かつこれは絶縁体の様々な性質と厚さに従って明らかとなる。より具体的には、
−  曲線Ｃ５Ａは厚さ３ｍｍのハフニウム絶縁体に関し、曲線Ｃ５Ｂはアルミナ燃料の５ｍｍのアルミナ絶縁体に関し、
−  曲線Ｃ６Ａは厚さ３ｍｍのジルコニウム絶縁体に関し、曲線Ｃ６Ｂはジルコニウム燃料の５ｍｍのアルミナ絶縁体に関し、
−  曲線Ｃ７Ａは３ｍｍのハフニウム絶縁体に関し、曲線Ｃ７ＢはＵＯ２燃料の５ｍｍのＵＯ２絶縁体に関する。
【００４３】
これらの３つの図は、燃料として機能するサンプル（Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＵＯ２）のタイプに従って、炉心の熱的負荷にかかわらず必要なクラッディング温度に到達できるようにする絶縁体システムを提案することが可能なことを直接示す。
【００４４】
実際、アルミナタイプのシミュレーション燃料の１つに関して、クラッディングの外壁において３５０℃の温度を得るためには使用される絶縁体は厚さ４〜５ｍｍの密なアルミナであることをモデル化は示す。この絶縁体の厚さはペレットの中心の温度に従って決定される。ジルコニウムタイプの１つのシミュレーション燃料に関し、絶縁体の選択は、目標とされたペレット中心温度に依存する厚さ３〜５ｍｍの密なハフニウムである。未使用ＵＯ２タイプの燃料に関し、サンプルの炉心において注入された温度に従って、モデル化により、中心温度に依存して厚さ３〜５ｍｍのＵＯ２またはハフニウムのいずれかの絶縁体の利用が明らかとなり、これは３５０°Ｃのクラッディング温度に対して明らかとなる。
【００４５】
熱勾配と適切な演繹的加熱原理の取得とを検証できるようにするこの熱モデル化から、本出願人は、様々な絶縁体の仲介物と冷却システムの利用とにより一般的原理と正しい動作（特に抵抗加熱と熱勾配の取得）を検証するためにプロトタイプを作製した。
【００４６】
このプロトタイプを作製できるようにするためには、次の様々な要素が必要であった、すなわち、
−  過剰な変形無しに、求められる温度に到達可能とする抵抗器、
−  燃料をシミュレーションする穿孔ペレット、
−  端チョックを備えた３つのペレットの高さのｚｉｒｃａｌｏｙ４（ジルコニウム）のクラッディング、
−  一組の絶縁体、
−  ２つの巻線、１つは抵抗器内の誘導電流の循環を可能にする変換用のもので、もう１つは誘導巻線、
−  絶縁体の外側の温度を水循環温度（すなわち２０°Ｃ）に遮断するための熱交換器。
【００４７】
これらの要素、すなわち、タングステン６０で作られた中央の抵抗器、クラッディング８０、２つのチョック１０２間に挿入された３つの燃料ペレット１００、絶縁体１０１、水交換器４０を図８に提示する。これらの様々な要素は互いに交互配置され、次に、冷却回路によりクラッディングを冷却する一方で、巻線を使用することにより、燃料ペレットを加熱できるようにする完全なシステムを形成する。その全体は変換巻線内に組み込まれる。
【００４８】
正規に構築されたアセンブリは石英管内に一体化されることができ、ＭＥＲＡＲＧＩＩ炉に進展する。次に、誘導巻線は変換巻線に結合し、後者はタングステン抵抗器により短絡され、チョックと燃料ペレットを貫通する。変換巻線、誘導巻線、交換器はすべて水冷式である。
【００４９】
熱電対は、装置に電源が入った際の挙動を観察するために、抵抗器に接触して取り付けられる。
【００５０】
図９は、抵抗器に適用された温度サイクルを図示する。３つの異なる傾斜が適用され、４つの温度平坦域（１０００°Ｃ、１３００°Ｃ、１６００°Ｃ、２０００°Ｃ）が傾斜Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３間に維持された。曲線Ｃ９はサセプタの温度に関係する。抵抗器の温度は意図的に、極めて短時間にわたって２０００°Ｃの温度に制限されている。
【００５１】
これらの測定結果は、本発明において提案された加熱原理を検証し、必要範囲の温度レベルを有する多少急速な温度傾斜を可能にする。
【符号の説明】
【００５２】
１  るつぼ
２  管
３  誘導巻線
２０  チャンバ
３１  第１の誘導巻線
３２  第２の誘導巻線
４０  水交換器
６０  抵抗器
６１  熱電対
８０  クラッディング
１００  燃料ペレット
１０１  絶縁体
１０２  チョック
Ａｄｉａ  断熱部
Ｃｐ  伝導
Ｐｉｎｊ  注入出力密度
【図１】
2013213821.tif 000003
【図２】
2013213821.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013213821.tif 000006
【図５】
2013213821.tif 000007
【図６】
2013213821.tif 000008
【図７】
2013213821.tif 000009
【図８】
2013213821.tif 000010
【図９】
2013213821.tif 000011
【外国語明細書】
2013213821000001.pdf