特許 7397739 接合材料、接合部の製造方法、及び接合構造体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-05

(45)【発行日】2023-12-13

(54)【発明の名称】接合材料、接合部の製造方法、及び接合構造体

(51)【国際特許分類】

   B23K 35/32 20060101AFI20231206BHJP

   C22C 14/00 20060101ALI20231206BHJP

   C22C 27/06 20060101ALI20231206BHJP

   B23K 1/19 20060101ALI20231206BHJP

【ＦＩ】

B23K35/32 310B

B23K35/32 310C

C22C14/00 Z

C22C27/06

B23K1/19 B

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2020064152

(22)【出願日】2020-03-31

(65)【公開番号】P2021159947

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2022-07-27

(73)【特許権者】

【識別番号】507250427

【氏名又は名称】日立ＧＥニュークリア・エナジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】石橋 良

(72)【発明者】

【氏名】近藤 貴夫

(72)【発明者】

【氏名】柴田 昌利

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 政名

【審査官】川村 裕二

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００３１５７０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１３－５２５２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－２２６４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０８２１３７７１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ３５／００－３５／４０

Ｃ２２Ｃ １４／００

Ｃ２２Ｃ ２７／０６

Ｂ２３Ｋ １／１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１ＳｉＣ部材と第２ＳｉＣ部材とを接合する接合材料であって、
Ｔｉを４４質量％以上１００質量％未満の割合で含み、残部としてＣｒ及び不可避不純物からなる
ことを特徴とする接合材料。

【請求項2】

前記Ｔｉを４４質量％以上７０質量％以下の割合で含む
請求項１に記載の接合材料。

【請求項3】

前記Ｔｉを７０質量％以上１００質量％未満の割合で含む
請求項１に記載の接合材料。

【請求項4】

前記接合材料は、前記第１ＳｉＣ部材と前記第２ＳｉＣ部材とを接合するロウ付け部である
請求項１～３の何れか１項に記載の接合材料。

【請求項5】

第１ＳｉＣ部材と、第２ＳｉＣ部材と、前記第１ＳｉＣ部材と前記第２ＳｉＣ部材とを接合する接合材料と、を備える接合部の製造方法であって、
前記第１ＳｉＣ部材と前記第２ＳｉＣ部材との間に、Ｔｉを４４質量％以上１００質量％未満の割合で含み、残部としてＣｒ及び不可避不純物からなる前記接合材料の組成となる原料組成物を配置する配置工程と、
前記原料組成物を配置した状態で前記第１ＳｉＣ部材と前記第２ＳｉＣ部材とを突き合わせて熱処理することで前記接合材料を形成する熱処理工程とを含む
ことを特徴とする接合部の製造方法。

【請求項6】

前記原料組成物を前記第１ＳｉＣ部材及び前記第２ＳｉＣ部材の少なくとも一方に付着させることで、前記原料組成物を前記第１ＳｉＣ部材と前記第２ＳｉＣ部材との間に配置する
ことを特徴とする請求項５に記載の接合部の製造方法。

【請求項7】

前記原料組成物は、塗布、溶射又はコールドスプレーの何れかにより付着される
請求項６に記載の接合部の製造方法。

【請求項8】

前記原料組成物の箔状体を前記第１ＳｉＣ部材と前記第２ＳｉＣ部材との間に配置する
ことを特徴とする請求項５に記載の接合部の製造方法。

【請求項9】

前記原料組成物は、前記Ｔｉ及び前記Ｃｒをそれぞれ前記割合で含むＴｉ－Ｃｒ合金を含む
ことを特徴とする請求項５～８の何れか１項に記載の接合部の製造方法。

【請求項10】

前記原料組成物は、前記Ｔｉ及び前記Ｃｒをそれぞれ前記割合で含む金属単体の混合物である
ことを特徴とする請求項５～８の何れか１項に記載の接合部の製造方法。

【請求項11】

前記接合部を覆うように、Ｃｒ、Ｔｉ又はＺｒの少なくとも１つを主成分として含む金属膜を、物理蒸着、化学蒸着、メッキ、粉末塗布法、溶射又はコールドスプレーの何れかにより形成する金属膜形成工程を含む
ことを特徴とする請求項５～８の何れか１項に記載の接合部の製造方法。

【請求項12】

前記第１ＳｉＣ部材及び前記第２ＳｉＣ部材のそれぞれの接合面の少なくとも一方に、Ｔｉ又はＣｒの少なくとも一方を含む金属層が形成される
ことを特徴とする請求項５～８の何れか１項に記載の接合部の製造方法。

【請求項13】

第１ＳｉＣ部材と、第２ＳｉＣ部材と、前記第１ＳｉＣ部材と前記第２ＳｉＣ部材とを接合する接合材料と、を備える接合部を有する接合構造体であって、
前記接合材料は、Ｔｉを４４質量％以上１００質量％未満の割合で含み、残部としてＣｒ及び不可避不純物からなる
ことを特徴とする接合構造体。

【請求項14】

前記接合部を覆うように、Ｃｒ、Ｔｉ又はＺｒの少なくとも１つを主成分として含む金属膜を備える
ことを特徴とする請求項１３に記載の接合構造体。

【請求項15】

前記接合構造体は、燃料棒、燃料チャンネルボックス、ウォーターロッド又は燃料集合体である
ことを特徴とする請求項１３又は１４に記載の接合構造体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接合材料、接合部の製造方法、及び接合構造体に関する。

【背景技術】

【0002】

炭化珪素（ＳｉＣ）は、耐食性に優れ、熱伝導率も高く、高温まで安定であるため、しゅう動部材、シール材、熱処理治具等に使用されている。さらに、熱中性子吸収断面積も小さいことから、原子炉炉心の燃料集合体を構成する機器の有望な材料として研究開発が進んでいる。ＳｉＣをマトリックスとしＳｉＣ繊維の分散によって強化した複合材料（以下、「ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料」とも称する）は、セラミックスとしては高い靭性を示し、構造材料として適用が検討されている。

【0003】

一般に、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）等の軽水炉の炉心内には、原子炉燃料として燃料集合体が装荷されている。燃料集合体は、ウラン燃料が装填された複数本の原子炉燃料棒（単に燃料棒ともいう）が、上部タイプレート及び下部タイプレートにより整列及び支持されているものである。

【0004】

各原子炉燃料棒は、長さ約４ｍの燃料被覆管にウラン燃料ペレットが装填されており、その両端が端栓によって封じられている。燃料被覆管及び端栓は、従来から、熱中性子吸収断面積が小さくかつ耐食性に優れたジルコニウム合金（ジルカロイ）がその材料として使用されている。このため、燃料被覆管及び端栓は、中性子経済に優れるとともに通常の原子炉内環境において安全に使用されてきた。

【0005】

一方、水を冷却材として使用する軽水炉では、冷却水が原子炉内に流入できなくなる事故（所謂、冷却材喪失事故）が発生した場合、ウラン燃料の発熱により原子炉内の温度が上昇し、高温の水蒸気が発生する。また、冷却水不足により燃料棒が冷却水から露出すると、燃料棒の温度が上昇して１０００℃を優に超え、燃料被覆管のジルコニウム合金と水蒸気とが化学反応して（ジルコニウム合金が酸化して水蒸気が還元され）、水素が生成する。水素の大量発生は、爆発事故につながることから厳に避けるべき事象である。

【0006】

冷却材喪失及び爆発のような事故を回避するため、現在の原子炉では、非常用電源、非常用炉心冷却装置等の多重の電源装置及び冷却装置を設けるといった安全性を強化したシステム設計が施されており、更なる改良及び改修も重ねられている。安全性強化の試みは、システム設計に留まらず、炉心を構成する材料に対しても検討されている。

【0007】

例えば、燃料被覆管及び端栓の材料として、水素発生の原因となるジルコニウム合金の代わりにセラミックスを用いる検討が進められている。中でも、ＳｉＣは、耐食性に優れ、熱伝導率も高く、熱中性子吸収断面積も小さいことから、燃料被覆管及び端栓の有望な材料として研究開発が進んでいる。また、１３００℃を超えるような高温水蒸気環境におけるＳｉＣの酸化速度は、ジルコニウム合金のそれよりも２桁低いことから、万が一冷却材喪失事故が発生したとしても水素生成の大幅な低減が期待できる。

【0008】

一方、ＳｉＣは耐食性に優れた材料であるが、酸化性の高い環境では耐食性に対する配慮が必要である。ＳｉＣは反応速度が低いものの酸化して酸化ケイ素を生成する。酸化ケイ素は水溶性であり、さらに、水分があると揮発性の水酸化珪素を生じることから、環境によっては保護皮膜としての機能が小さい場合がある。

【0009】

ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料では、ＳｉＣ繊維とＳｉＣマトリックスとの間にパイロカーボン又は窒化硼素が界面層に使用されており、ＳｉＣに先立って界面層が酸化する場合がある。さらに、ＳｉＣマトリックスは種々の方法で形成されている。例えば、酸化物等の焼結助剤を用いてＳｉＣを焼結する場合、又は、ＳｉとＣとを反応させてＳｉＣを生成している場合、酸化物、未反応のＳｉ、又は未反応のＣが環境に晒されて、環境中への溶出又は酸化によって消失する場合がある。ＳｉＣからの酸化珪素の溶出は、ＳｉＣを用いた機器を採用したプラントの管理及び制御に影響を与える場合がある。例えば、原子力発電プラントでは、冷却水の水質管理において浄化系に従来よりも負荷をかけることから望ましくなく、低減されるべきである。ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料が環境に晒されて材料を構成する界面層又はＳｉＣマトリックスが侵食されると、構造材料としての機能を失われる可能性があり、望ましくなく、防止すべきである。

【0010】

次に、燃料棒をはじめ機器の多くは、接合部を有する接合構造材である。接合プロセスの多くでは接合部に対して加熱を施すことから、加熱による劣化等を考慮して、接合部の構造とともに、対象の機器の一連のプロセスの中で適切な接合プロセス（加熱）の機会を折り込むプロセス設計が必要である。さらに、接合材料、及び、接合材料と基材との反応層に対しても、強度、耐食性などに配慮する必要がある。高融点を有するＳｉＣに対する接合材料と接合方法として、Ｓｉ、Ｓｉ合金、酸化物等を用いたロウ付け、Ｍｏ、Ｔｉ等を用いた拡散接合、反応焼結法、液相焼結法又は化学蒸着法により形成するＳｉＣを使用した接合が検討されている。これらの接合材料の内、高温高圧純水に対して、Ｓｉ、Ｓｉ合金、Ｍｏ、ＳｉＣ、酸化物の一部の耐食性に課題があり、直接、接液面となることは望ましくなく、防止すべきである。

【0011】

拡散接合法は、高温で高い圧力をＳｉＣ基材に負荷しなければ気密性及び強度のある接合部が得られないため、燃料棒の最終端栓接合部のように、被覆管内部へのＨｅガス封止を兼ね、気密性が要求される接合には望ましくない。

【0012】

ロウ付けによる接合技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、ＳｉＣ複合材の燃料棒被覆管の封止に係り、燃料棒被覆管の設計構造は問わない技術が記載されている。当該被覆管は、好ましくは、封止されたＳｉＣ端栓を有し、内部のロウ付け及び外部の最終的なＳｉＣコーティングによってさらに封止される技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【文献】特表２０１７－５１５０９４号公報（特に要約書）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

ところで、Ｔｉは耐食性に優れる。このため、Ｔｉはロウ材として好適と考えられる。しかし、Ｔｉの融点は高くＴｉ単体の接合材料は施工し難い。そこで、特許文献１には、Ｔｉ及びＣｒを含むろう材が記載され（段落００２９）、Ｃｒの含有によりろう材の融点を低下できる。しかし、本発明者の検討によれば、Ｃｒを含むことでロウ付け部分である接合材料の耐食性が低下し得ることがわかった。

【0015】

本発明が解決しようとする課題は、施工し易く、耐食性に優れた接合材料、接合部の製造方法及び接合構造体の提供である。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の接合材料は、第１ＳｉＣ部材と第２ＳｉＣ部材とを接合する接合材料であって、Ｔｉを４４質量％以上１００質量％未満の割合で含み、残部としてＣｒ及び不可避不純物からなることを特徴とする。その他の解決手段発明を実施するための形態において後記する。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、施工し易く、耐食性に優れた接合材料、接合部の製造方法及び接合構造体を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】接合部を示す断面模式図である。

【図2】別の実施形態の接合部を示す断面模式図である。

【図3】接合部の製造方法を示すフローチャートである。

【図4】接合部の製造方法を示す断面模式図である。

【図5】別の実施形態の接合部の製造方法を示すフローチャートである。

【図6】別の実施形態の接合部の製造方法を示す断面模式図である。

【図7】別の実施形態の接合部の製造方法を示す断面模式図である。

【図8】別の実施形態の接合部の製造方法を示す断面模式図である。。

【図9】接合構造体の一例であるＢＷＲ用の燃料棒の断面模式図である。

【図10】図９の横断面図である。

【図11】図９に示す燃料被覆管と端栓との接合部を拡大する図である。

【図12】別の実施形態の接合構造体の一例であるＰＷＲ用の燃料棒の断面模式図である。

【図13】別の実施形態の接合構造体の一例であるウォーターロッドの断面模式図である。

【図14】別の実施形態の接合構造体の一例である燃料チャンネルボックスの断面模式図である。

【図15】別の実施形態の接合構造体の一例であるＢＷＲ用の燃料集合体の縦断面図の一例を示す模式図である。

【図16】図１５のＡ－Ａ線断面図である。

【図17】別の実施形態の接合構造体の一例であるＰＷＲ用の燃料集合体の模式図である。

【図18】別の実施形態の接合構造体の一例であるＢＷＲ用のセルを示す横断面模式図である。

【図19】別の実施形態の接合構造体の一例であるＰＷＲ用のセルを示す横断面模式図である。

【図20】Ｔｉ濃度を変えた接合材料の溶融開始温度及び耐食性の評価結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明を説明するが、本発明は以下の内容に限定されず、本発明の効果を著しく損なわない範囲で任意に変形して実施できる。本発明は、異なる実施形態同士を組み合わせて実施できる。以下の記載において、異なる実施形態において同じ部材については同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

【0020】

図１は、接合部８を示す断面模式図である。接合部８は、第１ＳｉＣ部材１ａ（基材）と、第２ＳｉＣ部材１ｂ（基材）と、第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとを接合する接合材料２（接合部材）と、を備える。第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂは、それぞれ、ＳｉＣを主成分とする基材であることが好ましい。本明細書における主成分とは、構成する各成分の中で最も高い割合を示す成分である。第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂは、それぞれ、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料である。

【0021】

ただし、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂは、それぞれ、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料に限定されず、接合材料２との少なくとも接合面１ａ１，１ｂ１がＳｉＣにより構成されていればよい。このような例は、例えば、任意の繊維強化材料の表面のうちの接合材料２との接合面に、例えば蒸着等によりＳｉＣ層を形成することが考えられる。

【0022】

接合材料２は、Ｔｉを４４質量％以上１００質量％未満の割合で含み、残部としてＣｒ及び不可避不純物を含む。Ｔｉ及びＣｒをこの濃度で含むことで、接合材料２の融点をＴｉ単独の融点よりも下げて施工し易くでき、かつ、接合材料２の耐食性を向上できる。不可避的不純物とは、例えばＦｅ、Ｎｉ等である。接合材料２には、含まれるＴｉ及びＣｒのうちの少なくとも一部が合金化し、Ｔｉ－Ｃｒ合金が含まれる。

【0023】

Ｔｉの濃度は、接合材料２の性能のうちの特に所望する性能に応じて決定すればよい。接合材料２は、Ｔｉを４４質量％以上７０質量％以下の割合で含むことができる。Ｔｉをこの濃度で含むことで、接合材料２の融点を特に低くでき、施工し易く、かつ、施工時の第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂへの熱影響を抑制できる。一方で、接合材料２は、Ｔｉを７０質量％以上１００質量％未満の割合で含むこともできる。Ｔｉをこの濃度で含むことで、接合材料２の組成をＴｉ１００質量％に近づけることができ、接合材料２の耐食性をＴｉ１００質量％の場合の耐食性に近づけることができる。好ましくは、Ｔｉ濃度を９０質量％以下の割合とすることにより、溶融開始温度を降下させることができる。

【0024】

接合材料２は、第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとを接合するロウ付け部２ｃである。ロウ付け部２ｃを備えることで、第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとの接合部分での気泡を減らし、密着性を向上できる。ロウ付け部２ｃは、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂの接合面１ａ１，１ｂ１の少なくとも一方にロウ材を例えば塗布し、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂを突き合わせた状態での熱処理により、形成される。

【0025】

図２は、別の実施形態の接合部８を示す断面模式図である。接合部８は、接合部８を覆うように金属膜３を備える。金属膜３は、接合材料２と、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂを覆う。

【0026】

金属膜３は、Ｃｒ、Ｔｉ又はＺｒの少なくとも１つを主成分として含むことが好ましい。Ｃｒ、Ｔｉ又はＺｒを２つ以上含む場合、Ｃｒ、Ｔｉ及びＺｒの総和が主成分となることが好ましい。金属膜３を備えることで、接合材料２を保護でき、保護しない場合と比べて接合部８の信頼性をより向上できる。

【0027】

金属膜３の厚さは、１０μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましい。１０μｍ以上にすることで接合材料２の保護効果を十分に発揮できる。一方で、１０００μｍ以下にすることで、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂを覆う場合に第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂとの密着性を高め、剥離を抑制できる。金属膜３の厚さは、金属膜３の成膜方法により制御できる。例えば、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、メッキ、又は粉末塗布による成膜では厚さは１０μｍ以上１００μｍ以下であり、溶射又はコールドスプレーによる成膜では厚さは１００μｍ以上１０００μｍ以下である。

【0028】

第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂの表面のうち、少なくとも接合面１ａ１，１ｂ１にＳｉＣ層（図示しない）を形成してもよい。ＳｉＣ層の形成により、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂに含まれ得る焼結助剤等が接合材料２及び金属膜３に拡散することを防ぎ、接合材料２及び金属膜３の性能を長期間維持できる。

【0029】

接合材料２の組成は、ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）等で加工して接合材料２の断面を出し、オージェ電子分光法又はＸＰＳ（Ｘ－ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）による組成分析、ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）又はＸＲＤ（Ｘ‐ｒａｙ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）による構造解析によって同定することができる。

【0030】

図３は、接合部８（図１）の製造方法を示すフローチャートである。図４は、接合部８の製造方法を示す断面模式図である。接合部８は、配置工程Ｓ１及び熱処理工程Ｓ２を含むことで製造できる。配置工程Ｓ１及び熱処理工程Ｓ２において、少なくとも、第１ＳｉＣ部材１ａ、第２ＳｉＣ部材１ｂ、及び、接合材料２の位置を支持するための荷重を負荷している。

【0031】

配置工程Ｓ１は、第１ＳｉＣ部材１ａ（図１）と第２ＳｉＣ部材１ｂ（図１）との間に、接合材料２（図１）の組成となる原料組成物を配置するものである。原料組成物は、Ｔｉ及びＣｒをそれぞれ接合材料２の割合で含むＴｉ－Ｃｒ合金を含むことが好ましい。このような原料組成物を使用することで、接合面１ａ１，１ｂ１（図１）におけるＴｉ及びＣｒそれぞれの付着量むらを抑制できる。別の実施形態では、原料組成物は、Ｔｉ及びＣｒをそれぞれ接合材料２の割合で含む金属単体の混合物であることが好ましい。このような原料組成物を使用することで、予めＴｉ－Ｃｒ合金を調製する必要が無いため、原料組成物を簡便に配置できる。

【0032】

原料組成物は例えばロウ材の形態である。このため、原料組成物を、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂの双方の接合面１ａ１，１ｂ１（少なくとも一方の接合面でよい）に付着することで、原料組成物としてのロウ材層４，４を形成できる。これにより、ロウ材層４，４を、第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとの間に容易に配置できる。

【0033】

原料組成物は、例えば、上記ロウ材の塗布のほか、溶射又はコールドスプレーの何れかにより付着できる。このような加熱が不要又は加熱量が少ない方法を使用することで、付着による第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂへの熱及び圧力による影響を抑制でき、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂへのダメージを抑制できる。

【0034】

熱処理工程Ｓ２は、ロウ材層４，４を配置した状態で第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとを突き合わせて熱処理することで接合材料２を形成するものである。熱処理工程Ｓ２により原料組成物が溶融して少なくとも一部のＴｉ及びＣｒが合金化し、接合材料２が形成される。また、熱処理後に冷却することで溶融した接合材料２を固化し、接合材料２によって第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとを接合できる。熱処理温度は、例えば、原料組成物の融点以上Ｔｉの融点未満にできる。熱処理時間は、例えば、１秒以上１時間以下にできる。

【0035】

図５は、別の実施形態の接合部８（図１）の製造方法を示すフローチャートである。金属膜３（図２）を形成する場合、接合部８の製造方法は、熱処理工程Ｓ２後に、物理蒸着、化学蒸着、メッキ、粉末塗布法、溶射又はコールドスプレーの何れかにより金属膜３を形成する金属膜形成工程Ｓ３を含んでもよい。物理蒸着は例えばスパッタリング法である。金属膜形成工程Ｓ３により金属膜３を形成でき、上記のように接合部８の信頼性をより向上できる。成膜方法は、金属膜３の厚さに応じて選択すればよい。

【0036】

接合部８の製造方法は、金属膜形成工程Ｓ３後に、金属膜３の密着性を向上させる第２熱処理工程Ｓ４を含んでもよい。第２熱処理工程Ｓ４により第１ＳｉＣ部材１ａ（図２）及び第２ＳｉＣ部材１ｂ（図２）と金属膜３（図２）との間での拡散による反応層（図示しない）を形成でき、金属膜３の密着性を向上できる。第２熱処理工程Ｓ４は、例えば９５０℃以上１０００℃以下、１０分以上１時間以下（好ましくは３０分以上１時間以下）にできる。なお、金属膜３を化学蒸着、溶射又はコールドスプレーにより形成した場合、第２熱処理工程Ｓ４を行わなくても、成膜工程中の入熱又は機械的な混合により反応層が形成され得る。

【0037】

図６は、別の実施形態の接合部８（図１）の製造方法を示す断面模式図である。図６では、図４とは異なり、原料組成物の箔状体５が第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとの間に配置される。なお。図６は、図示の便宜上、箔状体５の厚さを、第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂに対する相対的な実際の大きさよりも大きくしている。箔状体５を使用することで、箔状体５の厚さ調整により原料組成物の配置量を容易に調整できる。熱処理工程Ｓ２（図３）は、第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとの突き合わせによって箔状体５を挟み込んだ状態で行われる。箔状体５の厚さは例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下である。

【0038】

箔状体５は、Ｔｉ－Ｃｒ合金又は金属単体の混合物を箔状に成型したものを使用できる。これらのうち、金属単体の混合物は、接合材料２の割合になるように配合されたＴｉ及びＣｒの粉末の圧粉箔とすることができる。

【0039】

図７は、別の実施形態の接合部８（図１）の製造方法を示す断面模式図である。図７では、それぞれの接合面１ａ１，１ｂ１の双方（少なくとも一方でよい）に、Ｔｉ又はＣｒの少なくとも一方を含む金属膜６が形成される。金属膜６により、ロウ材層４の熱処理による溶融時、速やかに金属膜６の金属との間で接合界面が形成でき、熱処理時間を短くできる。金属膜６は、物理蒸着、化学蒸着、メッキ又は粉末塗布によりＴｉ又はＣｒの少なくとも一方を含む原料を接合面１ａ１，１ｂ１に付着させて熱処理することで形成できる。

【0040】

図８は、別の実施形態の接合部８（図１）の製造方法を示す断面模式図である。図７のロウ材層４に代えて箔状体５を使用しても、接合部８を製造できる。即ち、金属膜６をそれぞれ形成した接合面１ａ１，１ｂ１の間に、原料組成物である箔状体５が配置される。第１ＳｉＣ部材１ａと第２ＳｉＣ部材１ｂとの突き合わせによって箔状体５を挟み込んだ状態で熱処理工程Ｓ２（図３）を行うことで、箔状体５の溶融時に速やかに金属膜６の金属との間で接合界面が形成され、熱処理時間を短くできる。

【0041】

図９は、接合構造体１００の一例であるＢＷＲ用の燃料棒１０の断面模式図である。燃料棒１０は、原子炉の炉心に装荷されるものであり、燃料被覆管１１と、燃料被覆管１１の両端に接合され燃料被覆管１１を封じる端栓１２（１２ａ，１２ｂ）とを有し、燃料被覆管１１内に複数の燃料ペレット１３が装填される。燃料被覆管１１の内部には例えばヘリウムが封入される。燃料被覆管１１及び端栓１２は、いずれもＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料により構成される。燃料被覆管１１と端栓１２とは接合材料２（図１１）によって接合される。燃料ペレット１３を固定するため、連装された燃料ペレット１３の一方の端部は、プレナムスプリング１５によって押圧される。

【0042】

図１０は、図９の横断面図である。燃料被覆管１１は大きく３重の構造を呈しており、円管の基材２００の外側表面に皮膜２０１が設けられ、内側表面に内層２０２が設けられる。基材２００の内側表面に内層２０２を設けることで、核分裂核種に対する閉じ込め性を担保できる。内層２０２はモノリシックＳｉＣ層、金属層、又は、モノリシックＳｉＣ層及び金属層の積層である。最も内側に金属層を設けることにより燃料ペレットとの相互作用に伴う破損を抑制することができる。また、基材２００の外側表面に皮膜２０１（Ｃｒ、Ｔｉ及びＺｒのうちの少なくとも１つを主成分とする皮膜）を設けることで、耐食性を担保できる。

【0043】

図１１は、図９に示す燃料被覆管１１（第１ＳｉＣ部材１ａ）と端栓１２ａ（第２ＳｉＣ部材１ｂ）との接合部８を拡大する図である。接合部８は、燃料棒１０（接合構造体１００）は、燃料被覆管１１と端栓１２と接合材料２とを備え、接合材料２は燃料被覆管１１と端栓１２とを接合する。図１１は燃料ペレット１３を図示せず、下方の端栓１２ａ近傍を拡大する。

【0044】

端栓１２ａは胴部１２ｃ及び段部１２ｄを備え、端栓１２ａの側壁に形成された段部１２ｄから先端に向かって胴部１２ｃを有する。段部１２ｄの端面１２ｄ１と燃料被覆管１１の開口端１１ａとが突き当たる。端栓１２ａと燃料被覆管１１とは、端面１２ｄ１と開口端１１ａとを接合する接合材料２ａ（接合材料２）、及び、燃料被覆管１１の内壁面１１ｂと胴部１２ｃの側面１２ｃ１とを接合する接合材料２ｂ（接合材料２）で接合する。接合材料２ａは燃料被覆管１１の軸方向に延び、接合材料２ｂは燃料被覆管１１の径方向に延び、これらは一体に形成される。このため、接合材料２の全体の接合面積を大きくでき、接合強度を向上できる。さらに、胴部１２ｃは、端栓１２ａの内側の内壁面、及び、燃料被覆管１１の内壁面１１ｂとの間に、ねじ構造を設けることが望ましい。緩いねじ構造（例えば、山谷が浅い、ねじピッチが広い）であっても、螺合する雄ねじと雌ねじ間での摩擦力により、胴部１２ｃが、燃料被覆管１１及び端栓１２ａから離脱することなく螺合状態を維持できる程度であれば良い。

【0045】

径方向に延び燃料被覆管１１の表面に露出した接合材料２ａを覆うように、金属膜３が形成される。金属膜３は、Ｃｒ、Ｔｉ又はＺｒの少なくとも１つを主成分として含む。金属膜３により接合材料２を保護でき、燃料被覆管１１の信頼性を向上できる。

【0046】

燃料被覆管１１への燃料ペレット１３の充填は、例えば、下側の端栓１２ａを接合し上側の端栓１２ｂ（図９）を接合せずに、上から内部に充填することで行うことができる。充填前に接合する端栓１２ａに対しては、燃料被覆管１１及び端栓１２ａの各接合面に、物理蒸着、化学蒸着、溶射、コールドスプレー、メッキ又は粉末塗布等によってＳｉＣ皮膜を形成することが好ましい。さらに、密着性を向上させるために成膜の後、９５０℃以上１０００℃以下に加熱し、拡散による上記反応層を形成することが好ましい。

【0047】

充填後に接合する端栓１２ｂ（図９）に対しては、予め同様にＳｉＣ皮膜を形成することが好ましい。次いで、熱処理する場合には、接合面近傍のみが加熱されるように、周辺に冷却機構（図示しない）を備えた局所加熱が好ましい。ただし、この熱処理は省略してもよい。上記のように、成膜を化学蒸着、溶射又はコールドスプレーによって行う場合、熱処理を施さなくても反応層を形成できる。

【0048】

図１２は、別の実施形態の接合構造体１００の一例であるＰＷＲ用の燃料棒２０の断面模式図である。燃料棒２０は、管状の燃料被覆管１１を備え、燃料被覆管１１の上下開口（図示しない）は端栓１２により封止される。燃料被覆管１１の内部に形成される燃料プレナム１６には燃料ペレット１３が充填され、燃料プレナム１６の上方にはプレナムスプリング１５が配置される。詳細な構造の図示はしないが、燃料棒２０においても、接合部８が形成される。接合部８により、燃料被覆管１１と端栓１２とが接合材料２（図１２では図示しない）により接合される。

【0049】

図１３は、別の実施形態の接合構造体１００の一例であるウォーターロッド３３の断面模式図である。ウォーターロッド３３は、ウォーターロッド本体３０と、ウォーターロッド本体３０の上下開口部（図示しない）のそれぞれに接合された端栓１２，１２ｂとを有し、内部に炉水が入るように設計される。ウォーターロッド本体３０は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料により構成される。詳細な構造の図示はしないが、ウォーターロッド３３においても、接合部８が形成される。接合部８により、ウォーターロッド本体３０と端栓１２とが接合材料２（図１３では図示しない）により接合される。

【0050】

図１４は、別の実施形態の接合構造体１００の一例である燃料チャンネルボックス３５の断面模式図である。燃料チャンネルボックス３５は、正方形の角管であり、上部にクリップ部３８が設けられている。図１４の例では、ウォーターロッド本体３０は、ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料により構成された４つのＬ字形状の部材３９（第１ＳｉＣ部材１ａ、第２ＳｉＣ部材１ｂ）が、４箇所の接合材料２により接合される。ただし、コの字形状の部材（図示しない）を２箇所の接合材料２で接合した構造であってもよい。

【0051】

図１５は、別の実施形態の接合構造体１００の一例であるＢＷＲ用の燃料集合体４０の縦断面図の一例を示す模式図である。また、図１６は、図１５のＡ－Ａ線断面図である。燃料集合体４０は、接合部８（図１５及び図１６では図示しない）を備える燃料棒１０（図９参照）、ウォーターロッド３３及び燃料チャンネルボックス３５を備える。従って、燃料集合体４０は接合材料２（図１５及び図１６では図示しない）を含む接合部８を備える。

【0052】

燃料集合体４０は、上部タイプレート３１と、下部タイプレート３２と、上部タイプレート３１及び下部タイプレート３２に両端が保持された複数の燃料棒１０及びウォーターロッド３３とを備える。また、燃料集合体４０は、燃料棒１０及びウォーターロッド３３を束ねる燃料支持格子（スペーサ）３４と、上部タイプレート３１に取り付けられた複数の燃料棒１０を取り囲む燃料チャンネルボックス３５とを備える。横断面角筒状の燃料チャンネルボックス３５内には、燃料棒１０（全長燃料棒ともいう）と部分長燃料棒３６とウォーターロッド３３とが正方格子状に束ねられて収容される。

【0053】

部分長燃料棒３６は、原子炉燃料棒の一種であり、燃料棒１０（全長燃料棒）よりも内部の燃料有効長が短く高さが上部タイプレート３１まで達しない燃料棒である。上部タイプレート３１にはハンドル３７が締結されており、ハンドル３７を吊り上げると、燃料集合体４０の全体を引き上げることができる。

【0054】

燃料集合体４０では、ウォーターロッド３３又は燃料チャンネルボックス３５は、従来技術と同じもの（ジルコニウム合金製のウォーターロッド又は燃料チャンネルボックス）を用いてもよいが、冷却材喪失事故を想定すると、ウォーターロッド３３も、燃料棒１０と同様の構成を有していることが好ましい。

【0055】

図１７は、別の実施形態の接合構造体１００の一例であるＰＷＲ用の燃料集合体５０の模式図である。燃料集合体５０は、接合部８（図１７では図示しない）を備える燃料棒２０（図１２）を備える。従って、燃料集合体５０は接合材料２（図１７では図示しない）を含む接合部８を備える。

【0056】

燃料集合体５０は、複数の燃料棒２０と、複数の制御棒案内シンブル５１と、炉内計装用案内シンブル５２と、それらを束ねて支持する複数の支持格子（スペーサ）５３と、上部ノズル５４と、下部ノズル５５とを備える。上部ノズル５４及び下部ノズル５５は、燃料集合体５０の骨格の構成体であると同時に、炉心における燃料集合体５０の位置決め及び冷却水の流路確保の役割を担う。

【0057】

図１８は、別の実施形態の接合構造体１００の一例であるＢＷＲ用のセル６１を示す横断面模式図である。セル６１は、接合部８（図１８では図示しない）を備える燃料集合体４０（図１５及び図１６）を備える。従って、セル６１は接合材料２（図１８では図示しない）を含む接合部８を備える。

【0058】

セル６１では、４体の燃料集合体４０が正方形状に配置され、その中央部に横断面が十字形の制御棒４１が配設されている。セル６１は、燃料棒１０及び燃料集合体４０を利用することにより、通常運転環境下で従来と同等の長期信頼性を維持しつつ、非常事態（例えば、冷却材喪失事故）における安全性を向上することができる。

【0059】

図１９は、別の実施形態の接合構造体１００の一例であるＰＷＲ用のセル６２を示す横断面模式図である。セル６２は、接合部８（図１８では図示しない）を備える燃料集合体５０（図１５及び図１６）を備える。従って、セル６２は接合材料２（図１８では図示しない）を含む接合部８を備える。

【0060】

セル６０では、燃料集合体５０の中に制御棒が配設されることから、４体の燃料集合体５０がそのまま正方状に配置される。セル６２も、燃料棒２０及び燃料集合体５０を利用することにより、通常運転環境下で従来と同等の長期信頼性を維持しつつ、非常事態（例えば、冷却材喪失事故）における安全性を向上できる。

【0061】

以上説明したように、接合材料２、接合部８及び接合構造体１００によれば、耐熱性とともに、例えば水分を含んだ酸化性の高い使用環境における耐食性を擁する。また、融点がＴｉよりも低いため、Ｔｉによる接合よりも容易に施工できる。そして、接合時に第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂを損傷しにくく、気密性が必要な部分に適用できる。例えば、原子力発電プラントにおいては、燃料棒、ウォーターロッド、燃料チャンネルボックス等において、事故時における耐熱性を有しつつ、通常運転時での高い耐食性による接合材料２への侵食を防ぎ、製造時の基材の破損リスクを低減した、燃料集合体を提供できる。

【実施例】

【0062】

以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0063】

（１）接合材料例１～１３の接合部の作製及び評価
複数種の接合部構成（接合材料例１～１３）の試験片（接合部８）を作製した。始めに、基材（図１の第１ＳｉＣ部材１ａ及び第２ＳｉＣ部材１ｂ）としてＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料を準備し、基材の表面に化学蒸着によりＳｉＣ層を形成した。接合材料（図１の接合材料２）の原料として、Ｔｉ濃度を変えたＣｒ-Ｔｉ合金粉末（接合材料例１～１２）及びＴｉ粉末（接合材料例１３）を用い、これらをそれぞれ基材の接合面（図１の接合面１ａ１，１ｂ１）に溶射法により付着させた。その後、不活性ガス中で基材同士を端部で突き合わせて温度を上昇させた。

【0064】

接合面を挟む２つの基材間の変位を測定することにより、接合材料の原料の溶融開始と完了を検知し、溶融開始温度（融点）を求めた。具体的には、昇温による熱膨張によって接合材料の幅である基材同士の距離は長くなるが、溶融開始により接合材料が流動化し当該距離が短くなる。そこで、このような距離の変化が生じる温度を溶融開始温度とした。溶融開始温度から最大で５０℃程度高い温度で溶融が完了した。その後、試験片を室温まで冷却し、接合材料を凝固させた（ロウ付け接合）。凝固した接合材料の化学組成を、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ）法により分析し、含有するＴｉ濃度を決定した。

【0065】

次に、ロウ付け法により接合した試験片（接合部８）に対して高温水腐食試験により耐食性を評価した。高純度水循環ループを擁した圧力容器内に試験片を装填し、溶存酸素濃度８ｍｇ／Ｌに調整した高純度水を循環させながら、圧力を８ＭＰａまで昇圧、圧力容器内を２８８℃まで昇温して、５００時間保持した。５００時間保持後、圧力容器内の温度を室温まで降温して開放し、試験片を取り出した。試験片の接合材料を外観及び断面観察により腐食の有無を判定した。外観及び断面観察は、目視及び電子顕微鏡を用いて行った。

【0066】

表１に接合材料の化学組成、溶融開始温度、及び、高温水腐食の有無をまとめる。Ｔｉ濃度が２４質量％以下の接合材料例１及び２では腐食が確認された。具体的には、腐食により、接合材料の剥離、き裂の発生等が確認された。一方で、Ｔｉ濃度が４４質量％以上１００質量未満の接合材料例３～１２では、腐食が確認されなかった。従って、接合材料のＴｉ濃度を４４質量％以上１００質量％未満にすることで、Ｃｒの含有により溶融開始温度（融点）を低下できたにも関わらず、Ｔｉ同様の優れた耐食性が示されることがわかった。

【0067】

【表1】

【0068】

図２０は、Ｔｉ濃度を変えた接合材料の溶融開始温度及び耐食性の評価結果を示すグラフである。プロットは、○が耐食性あり、×が耐食性無しを示す。溶融開始温度はＴｉ濃度が４４質量％以上７０質量％以下（即ち５５％付近）で極小となっていた。Ｔｉ濃度が７０質量％以上になると、Ｔｉ濃度の増加に伴い溶融開始温度は上昇し、Ｔｉの融点近傍まで上昇した。従って、Ｔｉ濃度を４４質量％以上７０質量％以下にすることで、腐食の抑制でき、かつ、溶融開始温度を特に低くできることが確認された。一方で、Ｔｉ濃度を７０質量％以上１００質量％未満にすることで、溶融開始温度をＴｉ１００質量％の接合材料よりも低下でき、かつ、組成をＴｉ１００質量％に近づけ、特に耐食性を向上できると考えられる。好ましくは、Ｔｉ濃度を９０質量％以下の割合とすることにより、溶融開始温度を降下させることができる。

【0069】

このように、Ｔｉ濃度が４４質量％以上であれば高温水に対する耐食性が確認され、Ｔｉ濃度を変えることによって溶融開始温度を調整できることがわかった。耐熱性の観点では、溶融開始温度が高いほうが望ましい。一方、ＳｉＣを主成分とする基材は、その形状及び製造方法によって、加熱に伴う破損が生じる温度が異なる。例えば、折れ曲がったような基材では応力集中が生じ易いため、低温での施工が好ましい。そこで、必要に応じて熱的な負荷をかけないようにＴｉ濃度を調整した接合材料を採用できる。

【0070】

（２）接合材料の原料の付与方法を変えた接合部の作製
複数の接合材料の原料の付与方法を用いて、試験片を作製した。初めに、「（１）接合材料例１～１３の接合部の作製及び評価」と同様にして、ＳｉＣ層を形成した基材を作製した。次に、溶融後にＴｉ濃度が５５質量％となるよう歩留まりを考慮して配合したＴｉ及びＣｒの金属単体の混合粉末を溶射により、基材の接合面に付着させた。接合面を突き合わせた状態で試験片を、不活性ガス中で温度を１４６０℃に昇温したところ、混合粉末は接触面から溶融して接合材料として基材同士を接合することができた。

【0071】

一方で、別の試験片作製のため、ＳｉＣ層を形成した基材を２つ用意した。そして、Ｔｉ濃度５５質量％のＴｉ－Ｃｒ合金箔（厚さ０．０１ｍｍ）を１０枚重ねて、２つの基材の接合面間に挟み込んだ。接合面を突き合わせた状態で試験片を、不活性ガス中で温度を１４６０℃に昇温したところ、溶融した箔によって形成された接合材料により、基材同士を接合できた。

【0072】

更に別の試験片作製のため、上記Ｔｉ－Ｃｒ合金箔を２枚の間にＴｉ濃度５５質量％となるように配合したＴｉ及びＣｒの金属単体の混合粉末を挟んだ後、これらに治具を介してプレス機で圧力をかけて圧粉体シートを作製した。そして、作製した圧粉体シートを、２つの基材の接合面に挟み込んだ。接合面を突き合わせた状態で試験片を、不活性ガス中で温度を１４６０℃に昇温したところ、溶融した圧粉体シートによって形成された接合材料により、基材同士を接合できた。

【0073】

また更に別の試験片作製のため、基材の接合面に、後述する方法で物理蒸着により、Ｔｉ層（金属膜６）を形成した。形成後、Ｔｉ－Ｃｒ合金粉末を溶射により、基材の接合面に付着させた。接合面を突き合わせた状態で試験片を、不活性ガス中で温度を１４６０℃に昇温したところ、溶融した粉末によって形成された接合材料により、基材同士を接合できた。

【0074】

物理蒸着に代えて後記する化学蒸着又は粉末塗布の各手法を用いたこと、Ｔｉ層に代えてＣｒ層（金属膜６）又は反応層を形成したこと、及び、Ｔｉ－Ｃｒ合金粉末に代えてＴｉ及びＣｒの金属単体の混合粉末を溶射したこと以外はそれぞれ同様にして、試験片を作製した。ここでいう反応層は、上記の図５を参照して説明したように、第２熱処理工程Ｓ４で生じた拡散により形成されたものである。何れも試験片においても、接合材料によって基材同士を接合できた。

【0075】

作製した上記の各試験片に対し、ヘリウム透過試験を実施して、接合材料を含む試験片の両面間で気密性が確保されていることを確認した。従って、様々な作製方法により、気密性を確保した接合部を製造できることが確認された。

【0076】

（３）表面を被覆により覆った接合部材の作製
上記各試験片に対して、物理蒸着、化学蒸着、溶射、コールドスプレー、又は粉末塗布の各手法により、接合材料を含む試験片全体を覆う金属膜（金属膜３）を製膜した。

【0077】

物理蒸着による成膜では、スパッタリング法を適用し、Ａｒガスを導入してチャンバ内圧力を１．３Ｐａ一定にした後、スパッタ電力１．５０ｋＷ、バイアス電圧１５０Ｖで実施した。蒸着装置として、純Ｃｒ、純Ｔｉ、純Ｚｒ及びＺｒ合金のスパッタ蒸発源（ターゲット）の切り替えにより、多層膜及び傾斜組成層を形成可能なものを使用した。金属膜を形成する金属膜形成工程Ｓ３（図５）及び第２熱処理工程Ｓ４（図５）では、油拡散ポンプ（ターボ分子ポンプを使用してもよい）を用いた１０^－４Ｐａ以下の高真空中、９５０℃以上１０００℃以下で０．５時間以上１時間以下加熱した。高真空中での第２熱処理工程Ｓ４により、Ｔｉ、Ｚｒ等といった活性な金属の皮膜の酸化を抑制した。熱処理後、金属膜３の剥離がないことを確認した。

【0078】

化学蒸着による成膜では、原料ガスを流して皮膜形成部にレーザ光を用いた局所加熱を実施して化学蒸着を施工した。原料ガスには、Ｃｒ膜を生成するにはＣｒ（ＣＯ）_６＋Ｈ_２ガス、Ｔｉ膜を生成するにはＴｉＣｌ_２ガス、Ｚｒ膜を生成するにはＺｒＣｌ_２ガスを用いた。Ｃｒ層を形成した後に、原料ガスと加熱条件を変更することにより、Ｃｒ層上にＴｉ膜及びＺｒ膜からなる多層の金属膜を形成した。なお、レーザ光を用いた局所加熱に代えてヒータを用いた局所加熱、又はレーザ光を用いた光分解を行っても、多層膜を形成できた。

【0079】

溶射による成膜では、接合部８を含む部位の周辺の空気を一旦パージした後、減圧下で不活性ガスとしてＡｒガスを導入した状態でプラズマ溶射により施工した。溶射プロセス中の原料粉末の酸化抑制により、活性なＴｉ、Ｚｒ又はＺｒ合金の金属膜３を形成できた。原料粉末は、純Ｃｒ、純Ｔｉ、純Ｚｒ及びＺｒ合金の何れかの粉末（粒径１０μ以上６０μｍ以下）を用い、原料粉末を切り替えることにより多層の金属膜を形成できたほか、原料粉末を混合することにより中間組成（即ち合金）の金属膜を形成できた。

【0080】

コールドスプレーによる成膜では、作動ガスにヘリウムを用いて皮膜形成部に原料粉末を吹き付けて施工した。コールドスプレーは作動ガス温度が原料粉末の融点より低いことが特徴であり、溶射法よりも酸化、熱影響、及び熱応力を抑制し緻密な皮膜の形成が可能である。原料粉末は、純Ｃｒ、純Ｔｉ、純Ｚｒ及びＺｒ合金の粉末（粒径数～５０μｍ）を用い、原料粉末を切り替えることにより多層の金属膜を形成できたほか、原料粉末を混合することにより中間組成（即ち合金）の金属膜を形成できた。

【0081】

粉末塗布による成膜では、少なくとも接合材料を覆うようにＣｒ粉末を塗布したのち９５０℃以上１０００℃以下で熱処理を実施し、続いてＴｉ粉末を塗布したのち９５０℃以上１１００℃以下で熱処理を実施した。これにより、接合材料を覆う金属膜を形成できた。また、Ｔｉ粉末に代えてＺｒ粉末又はＺｒ合金粉末を用いたこと以外は同様にしても、金属膜を形成できた。一部の試験片では、Ｃｒ粉末の塗布及びそれに続く熱処理の後、ＣｒめっきによりＣｒ層を厚くすることができた。

【0082】

以上で作製した試験片について、上記「（１）接合材料例１～１３の接合部８の作製及び評価」に記載の高温水腐食試験を行った。この結果、全ての試験片にについて腐食は確認されず、金属膜が腐食環境から基材及び接合材料を遮蔽していることを確認できた。

【0083】

以上、説明したように、接合材料２、接合部８及び接合構造体１００によれば、水分を含んだ酸化環境、水蒸気環境又は高温水環境において、高い耐食性を奏することが示された。

【0084】

上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。

【符号の説明】

【0085】

１０，２０ 燃料棒（原子炉燃料棒）
１０００ 接合構造体
１１ 燃料被覆管
１１ａ 開口端
１２，１２ａ，１２ｂ 端栓
１２ｃ 胴部
１２ｄ 段部
１３ 燃料ペレット
１５ プレナムスプリング
１６ 燃料プレナム
１ａ 第１ＳｉＣ部材
１ａ１，１ｂ１ 接合面
１ｂ 第２ＳｉＣ部材
２，２ａ，２ｂ 接合材料
２００ 基材
２０１ 皮膜
２０２ 内層
２ｃ ロウ付け部
３ 金属膜
３０ ウォーターロッド本体
３１ 上部タイプレート
３２ 下部タイプレート
３３ ウォーターロッド
３４ 燃料支持格子
３５ 燃料チャンネルボックス
３６ 部分長燃料棒
３７ ハンドル
３８ クリップ部
３９ 部材
４ ロウ材層
４１ 制御棒
５ 箔状体（原料組成物）
４０，５０ 燃料集合体
５１ 制御棒案内シンブル
５２ 炉内計装用案内シンブル
５３ 支持格子
５４ 上部ノズル
５５ 下部ノズル
６ 金属膜
６０，６１，６２ セル
８ 接合部
Ｓ１ 配置工程
Ｓ２ 熱処理工程
Ｓ３ 金属膜形成工程
Ｓ４ 第２熱処理工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】