DE2703975C3 - Tritium-Permeationssperrschicht für hochwarmfeste Werkstoffe - Google Patents

Tritium-Permeationssperrschicht für hochwarmfeste Werkstoffe

Info

Publication number
DE2703975C3
DE2703975C3 DE19772703975 DE2703975A DE2703975C3 DE 2703975 C3 DE2703975 C3 DE 2703975C3 DE 19772703975 DE19772703975 DE 19772703975 DE 2703975 A DE2703975 A DE 2703975A DE 2703975 C3 DE2703975 C3 DE 2703975C3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
spinel
layers
tritium
barrier layer
metallic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DE19772703975
Other languages
English (en)
Other versions
DE2703975A1 (de
DE2703975B2 (de
Inventor
Hans 6056 Heusenstamm Holtz
Günter Dipl.-Chem. Dr. 6458 Rodenbach Luthardt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Nukem GmbH
Original Assignee
Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Nukem GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kernforschungsanlage Juelich GmbH, Nukem GmbH filed Critical Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Priority to DE19772703975 priority Critical patent/DE2703975C3/de
Publication of DE2703975A1 publication Critical patent/DE2703975A1/de
Publication of DE2703975B2 publication Critical patent/DE2703975B2/de
Application granted granted Critical
Publication of DE2703975C3 publication Critical patent/DE2703975C3/de
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/001—Decontamination of contaminated objects, apparatus, clothes, food; Preventing contamination thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C16/0272—Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating
    • C23C16/0281—Deposition of sub-layers, e.g. to promote the adhesion of the main coating of metallic sub-layers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
    • C23C28/322—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer only coatings of metal elements only
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
    • C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
    • C23C28/345—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one oxide layer

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemically Coating (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Tritium-Permeationssperrschicht aus Oxidschichten vom Spinell-Typ auf hochwarmfesten metallischen Werkstoffen zum Schutz gegen Tritium-Kontamination.
Im Vergleich zu anderen Kernreaktortypen zeichnet sich der gasgekühlte Hochtemperaturrekator (HTR) durch sein hohes Temperaturniveau (bis 9500C) aus. Dieses hohe Temperaturaiveau ermöglicht es sehr vorteilhaft, das Temperaturintervall von ca. 750—950° C, welches über dem herkömmlichen Intervall für Turbinendampf liegt, als Prozeßwärma — z. B. zur Kohlevergasung — auszunutzen.
Die im Reaktorkern erzeugte Wärme wird dabei mittels Helium abgeführt und kann direkt, vorzugsweise jedoch über Wärmetauscher, Verbrauchern zugeführt werden.
Das Helium ist mit gasförmigen radioaktiven Isotopen, die während des Reaktorbetriebes entstehen, kontaminiert. Zu ihnen gehört vor allem das Wasserstoffisotop Tritium. Tritium entsteht überwiegend aus einer (n, p)-Reaktion mit dem im Helium-Kühlgas enthaltenen Isotop He-3.
Tritium ist ein relativ niedrigenergetischer /3-Strahler mit einer Halbwertzeit von 12,3 a, für dessen Handhabung und Inkorporationsvermeidung strenge gesetzliche Vorschriften gelten. So liegt die Freigrenze für die Handhabung von Tritium in Luft bei nur 10~8 Ci/m3.
Aufgrund dieser Eigenschaften stellt das für alle Wasserstoffisotope typische hohe Permeationsvermögen durch Metalle bei Tritiun. ein ernstes Problem beim Betrieb von gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren dar. Beispielsweise kann auf diese Art und Weise Tritium durch die Rohre von Wärmetauschern in einen Sekundärkreislauf und anschließend in die Prozeßanlagen und Turbinen gelangen. Die hohen Heliumtemperaturen bis ca. 95O0C beschleunigen die Tritium-Diffusion durch die aus hochwarmfesten Stählen oder aus Nickelbzw. Cobalt-Basislegierungen bestehenden Wärmetau
scherrohre.
Es ist bekannt, daß oxidische Oberflächenschutzschichten eine gewisse Permeationsbarriere gegenüber Wasserstoffisotopen darstellen (Bericht KFA-IRE-IB-14/74; Bericht Journal of The American Ceramic Society, Vol. 59, Nr. 7—8, S. 316-320). Problematisch ist dabei jedoch eine hinreichend dicke, dichte, haftfeste und unter den extremen Bedingungen dauerhafte Schutzschicht zu erzeugen.
ι ο Oxidische Schutzschichten aus Magnetti (Spinell-Typ) sind ebenfalls aus dem konventionellen Dampfkesselbau bekannt Diese durch den ständig angebotenen Wasserdampf gebildeten und bei Beschädigungen immer wieder selbst ausheilenden oxidischen Schutzschichten dienen jedoch ausschließlich dem Korrosionsschutz (»Allianz-Berichte«, Nr. 16, April 1971). Bei hohen Temperaturen und Inertgas werden jedoch die Spinellschichten und damit die Permeationsbarriere irreparabel gestört
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Permeationssperrschicht für Tritium auf Reaktorbauteilen, insbesondere Wärmeaustauscherrohren aus hochwarmfesten metallischen Werkstoffen zu finden, die festhaftend und dicht ist, und auch im nicht oxidierenden Milieu eines heißen Heliumgasstromes ohne Selbstausheilung eine Diffusion des Tritiums durch den Werkstoff weitestgehend verhindert
Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die oxidische Schutzschicht aus zwei oder mehreren Spinellschichten besteht, die durch metallische Zwischenschichten voneinander getrennt und durch eine metallische Schicht abgedeckt sind.
Es wurde gefunden, daß eine Tritiumpermeation durch hochwarmfeste metallische Werkstoffe weitestgehend unterdrückt werden kann, wenn gemäß Abbildung mehrere Spinellschichten (2, 4, 6) auf einem metallischen hochwarmfesten Grundwerkstoff (1) aufgebracht werden und sich zwischen den Spinellschichten jeweils eine Metallschicht (3 und 5) als Zwischenschicht befindet und mediumseitig eine Metall-Abdeckschicht (7) die letzte Spinellschicht abdeckt. Für die Metall-Zwischenschichten (3 und 5) werden vorzugsweise Spinellbildner, beispielsweise Eisen oder Nickel, als Metall-Abdeckschicht (7) bevorzugt Nickel verwendet.
Dabei hat es sich gezeigt, daß drei Spinellschichten von jeweils ca. 3—20 μιτι eine Herabsetzung der radioaktiven Tritium-Komtamination um den Faktor 105—106 bewirken. Diese Verminderung genügt normalerweise, um die gesetzlichen Vorschriften einzuhalten. Noch mehr Einzelschichten erhöhen diesen Wert nicht mehr sehr stark, so daß man vorzugsweise drei Spinellschichten auf die entsprechenden Reaktorbauteile aufbringt.
Die Stabilität der durch die Spinell-Metallschichten erzeugten Tritium-Barriere ist überraschend hoch. So wurde die Barriere durch das nicht selbstausheilende, nicht oxidierende Milieu nicht merklich angegriffen. Auch die mechanische Beständigkeit ist gegeben. So entstanden — bedingt durch die Metallzwischenschichten — auch bei nicht sachgemäßer Behandlung der erfindungsgemäß aufgebauten Rohre stets nur lokale Beschädigungen, die nie alle Spinellschichten zugleich betrafen. Es war also immer noch eine Tritium-Barriere vorhanden.
Die erfindungsgemäße Permeationssperrschicht soll anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert werden:
Beispiel 1
Ein Rohr aus einem hochnickelhaltigen Stahl mit den Abmessungen Di = 30 mm und Da = 60 mm wurde außen 5 Stunden in 7000C heißem Wascerdampf belassen. Es entstand auf der äußeren Rohroberfläche eine Spinellschicht zwischen 5—ΙΟμίη. Auf diese Spinellschicht wurde Eisen aufgedampft und dadurch die erste metallische Zwischenschicht ca. 10 .um erhalten. Anschließend wurde diese Eisenschicht wieder 7000C heißen Wasserdampf der gleichen Zeitdauer ausgesetzt, wobei sich Magnetit bildete (Dicke zwischen 3 und 6 μηι). Es folgte abermals eine Metallbedampfung mit anschließender Dampfspinellisierung. Die abschlie-
ßende Abdeckschicht (4 pm Dicke) wurde durch Aufdampfen von Nickel erzielt Es resultierte eine Sperrschichtdicke von insgesamt 28—36 μΐη Dicke, in der eine Gesamptspinelldicke von 11—22 μηι enthalten war. Die Tritiumpermeation durch das so behandelte Rohr war um einen Faktor 3 χ 105 geringer als bei einem Rohr ohne Sperrschicht
Beispiel 2
Durchführung gemäß Beispiel 1, jedoch wurde die obere Nickelschicht durch thermische Zersetzung von Nickeltetracarbonyl, Ni(CO)4 bei einer Temperatur von 1900C erzeugt
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Permeations-Diffusionssperrschicht für hochwarmfeste metallische Werkstoffe, bestehend aus einer oxidischen Schutzschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidische Schutzschicht aus zwei oder mehreren Spinellschichten besteht, die durch metallische Zwischenscnichten getrennt und durch eine metallische Schicht abgedeckt sind.
2. Permeations-Diffusionssperrschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Zwischenschichten aus spinellbildenden Metallen bestehen.
3. Permeations-Diffusionssperrschicht nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oxidische Schutzschicht aus drei Spinellschichten besteht.
4. Permeations-Diffusionssperrschicht nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Spinellschichten 3—20 μπι dick sind.
5. Permeations-Diffusionssperrschicht nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Zwischenschichten aus Nickel oder Eisen und die Abdeckschicht aus Nickel bestehen.
DE19772703975 1977-02-01 1977-02-01 Tritium-Permeationssperrschicht für hochwarmfeste Werkstoffe Expired DE2703975C3 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19772703975 DE2703975C3 (de) 1977-02-01 1977-02-01 Tritium-Permeationssperrschicht für hochwarmfeste Werkstoffe

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19772703975 DE2703975C3 (de) 1977-02-01 1977-02-01 Tritium-Permeationssperrschicht für hochwarmfeste Werkstoffe

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE2703975A1 DE2703975A1 (de) 1978-08-10
DE2703975B2 DE2703975B2 (de) 1980-12-18
DE2703975C3 true DE2703975C3 (de) 1981-10-15

Family

ID=6000013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19772703975 Expired DE2703975C3 (de) 1977-02-01 1977-02-01 Tritium-Permeationssperrschicht für hochwarmfeste Werkstoffe

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE2703975C3 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2117169B (en) * 1982-03-16 1985-07-31 Westinghouse Electric Corp Double-wall tube with tritium barrier
DE19821182A1 (de) * 1998-05-12 1999-11-18 Abb Research Ltd Verfahren zum Schutz von Bauelementen aus Metall
CN111739672B (zh) * 2020-05-13 2023-12-22 中国核电工程有限公司 一种降低氚渗透速率的结构

Also Published As

Publication number Publication date
DE2703975A1 (de) 1978-08-10
DE2703975B2 (de) 1980-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2549969A1 (de) Kernbrennstoffelement
DE102005057277B4 (de) Absorberrohr
DE102009052994A1 (de) Ferritischer rostfreier Stahl und Stahlblech für Heizrohre bzw. Wärmerohre, und Heizrohr bzw. Wärmerohr und Hochtemperatursystem zur Rückgewinnung von Abgaswärme
DE2714674C3 (de) Superlegierung mit hoher Dauerfestigkeit
EP1238395B1 (de) Brennelement für einen druckwasser-reaktor und verfahren zur herstellung seiner hüllrohre
DE2703975C3 (de) Tritium-Permeationssperrschicht für hochwarmfeste Werkstoffe
CH616960A5 (en) Components resistant to high-temperature corrosion.
EP2518428A2 (de) Schichtwärmeübertrager
DE2639325C3 (de) Verwendung einer Nickel-Basis-Legierung
EP0107889B1 (de) Kompaktes Gestell zum Lagern verbrauchter nuklearer Brennelemente
DE2821659A1 (de) Chrom-wolfram-nickel-legierung
DE2029249A1 (de) Verfahren zur Behandlung von Warme tauschern und ähnlichen Apparaten in Warmekraftw erken
DE3500935A1 (de) Bauteil mit auf gegenueberliegenden seiten eines metallischen gebildes aufgebrachter korrosionsbestaendiger oxidischer beschichtung
EP0008068A1 (de) Verbundwerkstoff und Verfahren zu dessen Herstellung
DE19703035A1 (de) Austenitische Nickel-Chrom-Molybdän-Silizium-Legierung mit hoher Korrosionsbeständigkeit gegen heiße chlorhaltige Gase und Chloride
DE2140802A1 (de) Verfahren zum zerstörungsfreien Anzeigen von Verunreinigungen in Stäben aus Kernspaltmaterial
DE19803084B4 (de) Verwendung von Stahlpulver auf der Basis Fe-Cr-Si für korrosionsbeständige Beschichtungen
CH648430A5 (de) Kernbrennstoffgefaess und verfahren zu seiner herstellung.
US3427210A (en) Method of producing alloys of zirconium with iron,vanadium and chromium for use in nuclear reactors cooled with an organic coolant
DE3029488A1 (de) Verfahren zur erzeugung einer schutzschicht auf metallischen werkstuecken
DE2247700B2 (de) Gasgekühlter Hochtemperaturreaktor mit primärem Gas- und sekundärem Wasserkreislauf
DE60214859T2 (de) Aus austenitischem oder halbaustenitischem stahl bestehende teile einer anlage zur herstellung von schwefelsäure und verfahren zum korrosionschutz
DE2549970C2 (de) Kernbrennstoffelement
DE2429447A1 (de) Kernreaktorbrennstab
Hackstein et al. Tritium permeation inhibiting layer for high-temperature materials

Legal Events

Date Code Title Description
OAM Search report available
OC Search report available
OGA New person/name/address of the applicant
OD Request for examination
C3 Grant after two publication steps (3rd publication)