具有中間抗氧化層的陶瓷增強的鋯合金核燃料包殼制造技術

本發明專利技術涉及用于涂覆用于在核水反應堆中的燃料棒的鋯合金例如含有陶瓷的包殼管的組合物和方法。該涂層包括中間抗氧化層和至少部分地沉積中間抗氧化層上的含SiC的層。含有SiC的層可包括多個纖維。本發明專利技術對于鋯合金包殼提供了承受其在核水反應堆中所暴露的正常和事故條件下的改進能力。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】政府的支持和資助本專利技術是在能源部授予的款項(grant)#DE-NE0000566的政府支持下完成的。政府對本專利技術具有一定的權利。
技術介紹
本專利技術涉及一種制造在核水反應堆中使用的鋯合金包殼的方法，該包殼具有在其上形成的含有陶瓷的涂層，該涂層包括抗氧化層，和特別是涉及鋯合金包殼承受其在核水反應堆中所暴露的正常和事故條件下的改進的能力。相關現有技術說明在典型的核水反應堆例如加壓水反應堆(PWR)、重水反應堆(例如CANDU)或沸水反應堆(BWR)中，反應堆堆芯包括大量的燃料組件，其每個都由多個細長的燃料元件或燃料棒組成。燃料組件在尺寸和設計方面取決于芯的所需尺寸和反應堆的尺寸而變化。燃料棒各含有核燃料裂變材料，例如二氧化鈾(UO2)，二氧化钚(PuO2)，二氧化釷(ThO2)，氮化鈾(UN)以及硅化鈾(U3Si2)及其混合物中的至少一種。燃料棒的至少一部分還可以包括中子吸收材料，例如硼或硼化合物，釓或釓化合物，鉺或鉺化合物等。中子吸收材料可以存在于核燃料芯塊的堆垛體形式的芯塊之上或之中。也可以使用環形或顆粒形式的燃料。每個燃料棒具有作為安全殼以容納裂變材料的包殼。燃料棒以陣列形式集合在一起，其組織起來從而在芯中提供足以支持高的核裂變速率的種子通量，因而以熱的形式釋放大量的能量。將冷卻劑例如水泵送通過反應堆芯從而提取在反應堆芯中產生的熱量，用于產生有用功，如電力。燃料棒上的包殼可以由鋯(Zr)組成，并且可以包括多達2重量％的其它金屬，例如鈮(Nb)、錫(Sn)、鐵(Fe)和鉻(Cr)。在現有技術中的最近發展已經提供了由含有陶瓷的材料例如碳化硅(SiC)構成的燃料棒包殼。已經表明，SiC顯示出在超設計基準事故(例如大于1200℃的溫度)中所希望的性能，因此，可以考慮用于核燃料棒包殼的適當材料構建。然而，在由處置或事故或自然現象(如地震)誘發的彎曲過程中，維持裂變氣體的不可透過性是困難的，這是由于陶瓷材料整體上天然無彈性。以高通量，經濟的方式緊固SiC管上的端塞得到在超過1200℃的溫度下的氣密密封也是困難的。已嘗試使用由包裹有SiC纖維的Zr合金組成的內套筒，但失敗了，這是由于在化學氣相滲透(CVI)期間在將SiC沉積在SiC纖維之內和之上以將它們保持在一起時所遇到的過度腐蝕。因此，仍然存在與核燃料棒包殼相關的問題，包括在與核水反應堆芯相關聯的溫度下，例如約800至約1200℃下的Zr管的腐蝕，和在CVI過程中遇到的化學條件，例如含有H2，Cl2和HCl的氣體。還已經嘗試分別制備碳化硅纏繞體，使其受到CVI，然后將其固定在Zr管上方。不過，這種方法也有問題。例如，Zr管和SiC復合物基體之間的空間形成了包殼層內的附加傳熱屏障，這可在核燃料遇到的非常高的線性熱產生率(通常大于5kw/ft)下導致燃料中心線熔化。因為管的端部未被覆蓋，所以有Zr管從SiC復合物套筒滑動的可能(potential)，并提供高溫蒸汽和其他氣體滲到SiC復合物下方并侵蝕Zr合金管的路徑。每個燃料棒/包殼具有定位在每端的塞子或蓋。此外，在燃料棒/包殼中提供壓緊(hold down)裝置如金屬彈簧從而保持核燃料芯塊的堆垛體結構。圖1示出了現有技術的設計，它示出了燃料芯塊10的堆垛體、鋯基包殼12、彈簧壓緊裝置14和端塞16。端塞之一，即位于最靠近壓緊裝置14的端塞，通常稱為頂端塞。有必要密封包殼的端塞從而將包含在其中的燃料與反應堆堆芯環境隔離。存在已知的密封技術，其采用各種材料，例如Ti基或Al-Si基的組合物以及釬焊和其它常規方法以密封SiC包殼和端塞。本專利技術的一個目的是提供用于使用中間涂覆層制造SiC增強的Zr合金核燃料包殼的方法，該中間涂覆層含有氧化和抗腐蝕材料，例如但不限于Al2O3，Cr2O3和它們的混合物，以便在CVI過程中防護下方的鋯管免于氧化或腐蝕。為了使燃料保持其幾何形狀和抵抗通過熔化從堆芯損失燃料，需要在由鋯合金組成的核燃料包殼的外表面的至少一部分上形成能夠承受高溫的覆蓋物或涂層。
技術實現思路
在一個方面，本專利技術提供了一種涂覆用于核水反應堆的含陶瓷的核燃料棒包殼的方法。該包殼包括具有內表面和外表面的管狀壁，所述管狀壁在其中形成空腔，并具有第一開放端和第二開放端。該方法進一步包括：提供第一端塞，將第一端塞插入和密封到包殼的第一開放端，用核燃料和壓緊裝置填充燃料棒包殼，將該第二端插入和密封到包殼的第二開放端，對空腔加壓，提供包括抗氧化材料的第一組合物，提供包括碳化硅的第二組合物，將第一組合物施加到包殼的外表面的至少一部分以形成第一外涂層，和將第二組合物施加到第一外涂層的至少一部分以形成第二外涂層。第二外涂層包括沉積SiC增強的纖維，其具有在至少一部分SiC增強的纖維之間形成的空隙；和沉積SiC材料以至少部分填充在至少一部分SiC增強的纖維之間形成的空隙。第二外涂層基本上包封包殼的外表面。在某些實施方案中，該方法進一步包括在包殼的內表面上施加第一組合物以在其上形成第一內涂層。可以通過原子層沉積來進行第一內涂層和第一外涂層的施加。第一內涂層和第一外涂層可以具有從10納米至10微米的厚度。端塞可定位在包殼的第一端和第二端的每一個中。當第一端塞和第二端塞都不或其一定位在所述包殼的第一開放端或第二開放端內時，可發生第一內涂層的沉積。可通過纏繞或編織進行SiC增強的纖維在第二外涂層中的沉積。第二外涂層可以具有從10密耳至40密耳的厚度。在某些實施方案中，第二外涂層具有約3.22g/cm3的密度。第一組合物可以包括Al2O3、Cr2O3和它們的混合物。在某些實施方案中，第二外涂層的沉積包括涂覆定位在包殼的第一和第二端中的第一和第二端塞的每個的暴露表面。在另一個方面，本專利技術提供用于涂覆用于核水反應堆中的含有陶瓷的核燃料棒包殼的復合物。復合物包括含有陶瓷的包殼。該包殼包括具有內表面和外表面的管狀壁，由所述管狀壁形成的空腔，該空腔具有設置在其中的核燃料，第一開放端，和第二開放端，第一端塞和第二端塞，用第一端塞密封第一開放端和用第二端塞密封第二開放端。在某些實施方案中，第一和第二端塞的每個都是金屬塞子。將第一組合物沉積在包殼的至少外表面的至少一部分上以形成第一外涂層。第一組合物包括抗氧化材料。將第二組合物沉積在第一外涂層的至少一部分上以形成第二外涂層。第二涂層組合物包括沉積在第一外涂層的至少一部分上的多個SiC增強的纖維以形成纖維層。纖維具有形成在其間的空隙。此外，第二涂層組合物包括至少部分地施加到纖維層以至少部分地填充所述空隙的SiC材料。附圖的簡要說明當結合附圖閱讀時，可以從優選實施方案的以下描述得到本專利技術的進一步理解，其中：圖1是含有燃料芯塊、壓緊彈簧和端蓋的現有技術的鋯合金燃料棒的放大縱向剖視圖；圖2是根據本專利技術的某些實施方案具有沉積在內表面上的第一涂層的燃料棒包殼基材的橫截面圖；圖3是根據本專利技術的某些實施方案具有沉積在外表面上的第一涂層和第二涂層的燃料棒包殼基材的橫截面圖；圖4是根據本專利技術的某些實施方案的在圖3所示的第二涂層的橫截面詳視圖。圖5是根據本專利技術的某些實施方案的在內和外表面上都具有第一涂層和在外表面上具有第二涂層的基材的橫截面圖。具體實施方式本專利技術整體上涉及燃料棒包殼，將組合物沉積在包殼的外表面上以在其上形成涂本文檔來自技高網...

【技術保護點】
涂覆用于核水反應堆的含有陶瓷的核燃料棒包殼(22)的方法，包括：提供包殼(22)，其包括：具有內表面(23)和外表面(25)的管狀壁(21)；由管狀壁(21)形成的空腔(27)；第一開放端(31a)；和第二開放端(31b)；提供第一端塞(26a)和第二端塞(26b)；將第一端塞(26a)插入到包殼(22)的第一開放端(31a)；密封第一端塞(26a)；用核燃料(20)和壓緊裝置(24)填充燃料棒包殼(22)；將第二端塞(26b)插入包殼(22)的第二開放端(31b)；密封第二端塞(26b)；對空腔(27)加壓；提供包含抗氧化材料的第一組合物；提供包含碳化硅的第二組合物；將第一組合物施加到包殼(22)的外表面(25)的至少一部分以形成第一外涂層(33)；和將第二組合物施加到第一外涂層(33)的至少一部分以形成第二外涂層(51)，其包括：沉積SiC增強的纖維(62)，該SiC增強的纖維具有在SiC增強纖維(62)的至少一部分之間形成的空隙(64)；和沉積SiC材料(66)以至少部分地填充在SiC增強的纖維(62)的至少一部分之間形成的空隙(64)；其中第二外涂層(51)基本包封包殼(22)的外表面。...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2014.03.12 US 14/205,9671.涂覆用于核水反應堆的含有陶瓷的核燃料棒包殼(22)的方法，包括：提供包殼(22)，其包括：具有內表面(23)和外表面(25)的管狀壁(21)；由管狀壁(21)形成的空腔(27)；第一開放端(31a)；和第二開放端(31b)；提供第一端塞(26a)和第二端塞(26b)；將第一端塞(26a)插入到包殼(22)的第一開放端(31a)；密封第一端塞(26a)；用核燃料(20)和壓緊裝置(24)填充燃料棒包殼(22)；將第二端塞(26b)插入包殼(22)的第二開放端(31b)；密封第二端塞(26b)；對空腔(27)加壓；提供包含抗氧化材料的第一組合物；提供包含碳化硅的第二組合物；將第一組合物施加到包殼(22)的外表面(25)的至少一部分以形成第一外涂層(33)；和將第二組合物施加到第一外涂層(33)的至少一部分以形成第二外涂層(51)，其包括：沉積SiC增強的纖維(62)，該SiC增強的纖維具有在SiC增強纖維(62)的至少一部分之間形成的空隙(64)；和沉積SiC材料(66)以至少部分地填充在SiC增強的纖維(62)的至少一部分之間形成的空隙(64)；其中第二外涂層(51)基本包封包殼(22)的外表面。2.根據權利要求1的方法，還包括將第一組合物施加到包殼的內表面(23)上以在其上形成第一內涂層(29)。3.根據權利要求2的方法，其中通過原子層沉積進行第一內涂層(29)的施加和第一外涂層(33)的施加。4.根據權利要求2的方法，其中第一內涂層(29)和第一外涂層(33)具有10納米至10微米的厚度。5.根據權利要求2的方法，當第一端塞(26a)和第二端塞(26b)都沒有定位于第一開放端(31a)和第二開放端(31b)中時，或者當第一端塞(26a)和第二端塞(26b)中的一個分別定位于包殼(22)的第一開放端(31a)和第二開放端(31b)中時，進行第一內涂層(29)的施加。6.根據權利要求1的方法，其中當第一和第...

【專利技術屬性】
技術研發人員：E·J·拉霍達，
申請(專利權)人：西屋電氣有限責任公司，
類型：發明
國別省市：美國;US