DE69724662T2

DE69724662T2 - Komponente zur verwendung in einem leichtwasserreaktor,ein verfahren zur herstellung einer schicht und verwendung der komponente

Info

Publication number: DE69724662T2
Application number: DE69724662T
Authority: DE
Inventors: Magnus Arbell; Per Hedenqvist; Bengt Stridh
Original assignee: Westinghouse Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1997-02-21
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2017-02-22
Also published as: ES2205178T3; SE9600699L; EP1010183B1; DE69724662D1; EP1010183A1; WO1997031376A1; KR19990087106A; JP2000504843A; SE509387C2; SE9600699D0

Description

Gebiet der Erfindung und Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil zur Verwendung in einem Leichtwasserkernreaktor, welches Bauteil bei seiner Verwendung in Kontakt mit Wasser, Wasserdampf oder einer Kombination aus beiden steht, wobei das Bauteil mindestens teilweise aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung besteht und die Oberfläche des Bauteils mit einem dünnen Belag versehen ist, um zu verhindern, daß das Wasser und/oder der Wasserdampf in Kontakt mit dem Metall und/oder der Metallegierung gelangt. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines dünnen Belages auf der Oberfläche eines Bauteils, welches zur Verwendung in einem Leichtwasserkernreaktor bestimmt ist, wobei das Bauteil mindestens teilweise aus einem Metall und/oder einer Metallegierung besteht und der Belag vorgesehen ist zu verhindern, daß Wasser, Wasserdampf oder eine Kombination aus beiden während der Verwendund in Kontakt mit dem Metall und/oder der Metallegierung gelangt. Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung eines solchen Bauteils in einem Leichtwasserreaktor.
Bauteile, die mit Wasser, Wasserdampf oder einer Kombination aus beiden in Kernanlagen in Kontakt kommen, sind der Gefahr ausgesetzt, daß sie von mindestens einer der folgenden Erscheinungen betroffen werden: Oxidation, Hydrierung, Korrosion und mechanischen Verschleiß (Abrieb). Nach dem Stand der Technik besteht ein Weg, Bauteile gegen eine solche Beeinträchtigung zu schützen, darin, einen Belag auf der Oberfläche des Bauteils aufzubringen. Von einem solchen Belag wird verlangt, daß er die Oberfläche des Bauteils so gut bedeckt und so undurchlässig ist, daß er verhindert, daß Sauerstoff, Wasserstoff und Zusammensetzungen, welche die Oberfläche beschädigen könnten, wenn sie mit ihr in Kontakt kämen, die genannte Oberfläche nicht erreichen und daß der Belag den Widerstand gegen Abrieb erhöht. Entsprechend soll der Belag die Oberfläche des Bauteils gegen Korrosion und gegen Zusammensetzungen schützen, die eine nachteilige Wirkung auf das Bauteil haben und einen Abrieb der Oberfläche verhindern.
Wenn es sich bei dem Bauteil um ein Hüllrohr für Kernbrennstoff in einer Kernkraftanlage handelt, kann eine Beschädigung des Belages oder ein Fehler, der sich durch die ganze Dicke des Belages erstreckt, zur Folge haben, daß Wasser, Wasserdampf oder eine Kombination aus beiden in Kontakt mit der metallischen Oberfläche des Hüllrohres gelangt. Das Wasser, Wasserdampf oder die Kombination aus beiden oxidiert die ungeschützte Oberfläche des Hüllrohres, was zu der Bildung eines durch die gesamte Dicke des Hüllrohres gehenden Schadens führen kann. Bei einem solchen Primärschaden kommt das Kühlmittel in Kontakt mit dem Kernbrennstoff, der dann aus dem Hüllrohr in den primären Kühlkreislauf auslecken kann, wobei sich Radioaktivität in der Anlage ausbreitet. Der Primärschaden bedeutet auch, daß Wasser, Wasserdampf oder die Kombination aus beiden in dem Hüllrohr in den Spalt zwischen dem Hüllrohr und dem Kernbrennstoff eindringt und sich in diesem Spalt über den inneren Umfang und die Länge des Hüllrohres ausbreitet und dabei weitere Schäden an dem Hüllrohr, sogenannte Sekundärschäden, verursachen kann. Diese Schäden sind häufig die Folge davon, daß das Wasser, der Wasserdampf oder die Kombination aus beiden welches/welcher/welche infolge eines Primärschadens in die Umhüllung eingedrungen ist, Oxi dation und eine nachfolgende Wasserstoffbildung verursacht. Der Wasserstoff wird von der Umhüllung absorbiert, und es besteht die Gefahr, daß die Umhüllung in der Weise hydriert wird, daß sie an einer Vielzahl von Stellen zerfällt. Dies wiederum hat zur Folge, daß an dem Hüllrohr ein Schaden entsteht, der sich durch die gesamte Dicke des Rohres erstreckt und von der Innenseite des Hüllrohres ausgeht. Solche Sekundärschäden können in weiten Abständen von der primären Schadensstelle auftreten, und sie haben häufig die Gestalt von langen Rissen. An sekundären Schadensstellen tritt auch radioaktives Material des Kernbrennstoffs in den primären Kühlkreis aus.
Beläge auf Bauteilen in Leichtwasserreaktoren gemäß dem Stande der Technik enthalten normalerweise nur eine einzige relativ dicke Schicht aus einem für den Zweck geeignetes Material. Ein Beispiel einer solchen Reaktoranlage wird in dem US-Patent 5 026 517 beschrieben, wobei der Belag aus einer einzigen Schicht aus Titankarbid (TiC), Titannitrid (TiN), Zikroniumnitrid (ZrN), Chromkarbid (CrC), Titan-Aluminium-Vanadiumnitrid (TiA1VN), Tantalnitrid (TaN), Zirkoniumkarbid (ZrC) oder Wolframkarbid (WC) besteht. Das US-Patent 5 227 129 zeigt ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines Belages auf der Oberfläche eines Hüllrohres für Kernbrennstoff, wobei der Belag aus einer einzigen Schicht aus Zirkoniumnitrid(ZrN) besteht, die mittels eines katodischen "Lichtbogenplasmas" (Plasmabrenner, Plasmapistole) aufgebracht wird. Ferner zeigt das US-Patent 5 301 211 ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Belages, der aus einer einzigen Schicht besteht, die durch Zerstäubungsniederschlag auf die Oberfläche eines rohrförmigen Bauteils aufgebracht ist.
Im Stand der Technik sind auch Beläge auf der inneren Oberfläche von Hüllrohren für Brennstoff in Leichtwasserreaktoren bekannt, welche Beläge aus einer Oxidschicht ganz dicht an der metallischen Oberfläche und einer Metallschicht an der Außenseite der genannten Oxidschicht bestehen. Beispiele solcher Beläge werden beschrieben in US 4 284 660 , US 4 659 540 und US 4 343 659 . In jedem Falle enthält die Metallschicht Kupfer (Cu), wobei die Metallschicht die äußerste Schicht des Belages bildet, der auf der inneren Oberfläche des Hüllrohres aufgebracht ist. Diese Beläge sind relativ dick, und sie haben vor allem die Aufgabe, das Hüllrohr gegen Spannungskorrosion zu schützen.
Im Stand der Technik sind auch Duplex-Beläge auf Hüllrohren für Kernbrennstoff bekannt. Diese Beläge sind auf einer äußeren Oberfläche des Hüllrohres aufgebracht, und sie sind relativ dick, etwa 50–70 μm. Diese Beläge bestehen hauptsächlich aus einer Art von Zircaloy oder Zirkonium mit einem geringen Legierungsgehalt, und ihre Aufgabe besteht unter anderem darin, die Korrosionsfestigkeit zu verbessern.
Das Problem bei solchen Belägen, die aus nur einer Schicht bestehen, besteht darin, daß eine bedeutende Gefahr von Fehlern am Belag auftreten, die sich derart durch die gesamte Dicke des Belages erstrecken, daß die darunter liegende Oberfläche des Bauteils aggressiven Zusammensetzungen (Kompositionen) ausgesetzt ist und Gefahr läuft, Schaden zu nehmen. Solche Fehler führen auch dazu, daß der Belag an der Stelle des Schadens leichter von der Oberfläche des Bauteils abblättert, wodurch die Oberfläche örtlich für aggressive Zusammensetzungen und für Abrieb zugänglich wird. Das Abblättern des Belages hängt von der Dicke des Belages ab. Je dicker der Belag ist, umso größer ist die Gefahr des Abblätterns.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Belag zu entwickeln, der die Oberfläche des darunter liegenden Bauteils, auf welchem der Belag zum Schutze gegen chemische, physikalische und mechanische Einwirkungen aufgebracht ist, in effektiver Weise im Vergleich zu den Belägen nach dem Stande der Technik zu schützen.
Dieses Ziel wird bei dem eingangs definierten Bauteil erreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Belag zwei oder mehr Schichten, beispielsweise drei Schichten, enthält, die nacheinander aufgebracht sind, und daß der Belag eine Gesamtdicke von maximal 20 μm hat.
Durch die Schaffung eines Belages, der eine Mehrzahl von Schichten enthält, erreicht man den Vorteil, daß mögliche Fehler an der ersten Schicht, die am dichtesten an der Oberfläche des Bauteils liegt, durch eine zweite Schicht abgedeckt sind, was dazu führt, daß die Gefahr, daß der Belag Fehler enthält, die sich durch die Gesamtdicke des Belages erstrecken, wesentlich reduziert wird. Die verschiedenen Schichten des Belages können hergestellt werden durch Ablagerung (Niederschlag) von Verbindungen unterschiedlicher Zusammensetzung auf der Oberfläche des Bauteils, wobei die Ablagerungen zu unterschiedlichen Zeiten und unter generell ähnlichen Bedingungen und durch im all- gemeinen identische Verfahren für jede Ablagerung hergestellt werden. Die zu verschiedenen Zeiten aufgebrachten Ablagerungen von Verbindungen mit ähnlicher Zusammensetzung können unter unterschiedlichen Ablagerungsbedingungen für verschiedene Schichten des Belages durchgeführt werden, und dies kann auch mittels verschiedener Ablagerungs verfahren für verschiedene Schichten stattfinden. Die Gefahr eines Schadens, der in der zweiten Schicht an derselben Stelle liegt, wie in der ersten Schicht, das heißt über der Schadensstelle in der ersten Schicht, ist sehr gering, und wenn eine dritte Schicht aufgebracht wird, ist die Gefahr, daß alle drei Schichten Fehler aufweisen, die derart übereinander liegen, daß sich ein Fehler durch die gesamte Dicke des Belages erstreckt, noch geringer. Durch einen solchen Mehrschichtenbelag wird eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen chemische, physikalische und mechanische Einwirkungen auf das Bauteil erreicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung haben benachbarte Schichten ein unterschiedliches Gefüge (Struktur). Dies kann erreicht werden durch Änderungen mindestens einer der Ablagerungsbedingungen und Ablagerungsverfahren für benachbarte Schichten des Belages und durch Behandlung einiger der aufgebrachten Schichten mittels beispielsweise einer Wärmebehandlung. Der Gefügeunterschied zwischen benachbarten Schichten bedeutet, daß eine darüber liegende Schicht Fehler in der darunter liegenden Schicht besser abdeckt. Gefügeunterschiede von Schichten führen auch zu Unterschieden sowohl hinsichtlich der Art des Fehlers in der Schicht wie auch hinsichtlich des Vorhandenseins von Fehlern. Daher ist es möglich, unterschiedliche Gefüge benachbarter Schichten in der Weise zu kombinieren, daß die Gefahr der Bildung eines durch die gesamte Dicke des Belages gehenden Fehlers weiter verkleinert wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung haben benachbarte Schichten eine unterschiedliche Zusammensetzung, das heißt, daß Gewichts- oder Mengenverhältnis zwischen den Verbindungen oder Elementen in einer Schicht für benachbarte Schichten unterschiedlich sind. In einem Belag aus Schichten, die beispielsweise Titan-Kohlenstoffnitrid (TiCN) enthalten, variiert das Verhältnis zwischen Titan (Ti), Kohlenstoff (C) und Stickstoff (N) in den benachbarten Schichten. Der Unterschied bezüglich der Zusammensetzung benachbarter Schichten wird durch Veränderung der Zusammensetzung der Verbindungen erreicht, die auf der Oberfläche des Bauteils aufgebracht werden. Der Unterschied in der Zusammensetzung benachbarter Schichten bedeutet, daß eine darüber liegende Schicht Fehler in einer darunter liegenden Schicht besser abdeckt. Unterschiede in der Zusammensetzung der Schichten führen auch zu Unterschieden hinsichtlich der Art der Fehler in der Schicht sowie hinsichtlich der Größe der Fehler. Es ist auch möglich, unterschiedliche Zusammensetzung in benachbarten Schichten in der Weise zu kombinieren, daß die Gefahr eines sich durch die gesamte Dicke des Belages erstreckenden Fehlers weiter reduziert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthalten benachbarte Schichten verschiedene Materialien. Dank verschiedener Schichtmaterialien, bei denen unterschiedliche Arten on Fehlern auftreten, wird die Gefahr von Fehlern, die sich durch die Gesamtdicke des gebildeten Belages erstrecken, weiter reduziert. Die Gefahr, daß ein Fehler einer zweiten Schicht, die auf einer ersten Schicht aufgebracht ist, an der gleichen Stelle wie der Fehler in der ersten Schicht auftritt, ist daher reduziert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Belag mindestens eine Schicht, welche mindestens ein keramisches Material enthält. Dies resultiert in einem verbesserten Abriebwiderstand und in einem verbesserten Widerstand gegen Korrosion, Oxidation und Hydrierung des Belages im Vergleich mit einem Belag, der kein keramisches Material enthält.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die äußerste Schicht des Belages mindestens ein keramisches Material. Dies führt zu einem verbesserten Abriebwiderstand und einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion, Oxidation und Hydrierung im Vergleich zu einem Belag, der kein keramisches Material in der äußersten Schicht enthält.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung grenzt jede nicht-kermamische Schicht des Belages an eine keramische Schicht. Dies hat eine positive Wirkung auf den Abriebwiderstand und die Widerstandsfestigkeit gegen Korrosion, Oxidation und Hydrierung.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel besteht der Belag aus mindestens vier Schichten. Die Gefahr, daß der Belag Fehler aufweist, die sich durch die gesamte Dicke des Belages erstrecken, ist bedeutend reduziert, da sie vier Schichten aufweist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält jede Schicht eine oder mehrere der Materialien Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Titandioxid (TiO₂), Titankohlenstoffnitrid (TiCN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Zirkoniumnitrid (ZrN) und diamant-artiger Kohlenstoff (DLC). Alle diese Materialien absorbieren nur geringe Mengen von Neutronen und haben einen guten Abriebwiderstand und sind daher geeignete Materialien für Kernkraftanlagen.
Gemäß einer Anwendung der Erfindung enthält der Belag abwechselnd Schichten aus Titan und Titannitrid. Es hat sich gezeigt, daß diese Kombination zu einem Belag mit einer guten Widerstandsfestigkeit gegen Sauerstoff- und Wasserstoffdiffusion führt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Belag eine Gesamtdicke von maximal 20 μm. Eine solche Dicke ist möglich, ohne daß der Belag eine zu große Menge an Neutronen absorbiert, wenn der Belag Schichten aus diamant-artigem Kohlenstoff enthält, da dies ein Material mit sehr kleiner Neutronenabsorption ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Belag eine Gesamtdicke von maximal 10 μm. Eine solche Dicke ist bei Belägen möglich, die zwei oder mehr der oben genannten Materialien enthalten, ohne daß die Beläge eine zu große Menge an Neutronen absorbieren. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Belag eine Gesamtdicke von maximal 5 μm.
Gemäß einer Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht das Bauteil aus oder hat eine Oberfläche aus einer Zirkoniumlegierung. Gemäß einer anderen Anwendung der Erfindung besteht das Bauteil aus oder hat eine Oberfläche aus rostfreiem Stahl. Gemäß einer anderen Anwendung der Erfindung besteht das Bauteil aus oder hat eine Oberfläche aus Titan. Zirkoniumlegierungen, rostfreier Stahl und Titan sind Materialien, die oft für Bauteile in Kernkraftanlagen verwendet werden. Daher ist es wichtig, abriebfeste, undurchdringliche und gut abdeckende Beläge auf der Oberfläche von aus diesen Materialien hergestellten Bauteilen zu produzieren, um das Auftreten von Schäden zu vermeiden, die durch Abrieb, Korrosion, Oxidation und/oder Hydrierung des Bauteils verursacht werden.
Das Aufbringen des obigen Belages wird erreicht mittels des eingangs genannten Verfahrens, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Belag in Gestalt von übereinander liegenden Schichten auf der Oberfläche aufgebracht wird, daß jede Schicht mittels eines Dampfniederschlagsverfahren aufgebracht wird und daß die Gesamtdicke der Schicht maximal 20 μm beträgt. Dank der Aufdampfung ist es möglich, dünne Schichten mit wenig Fehlern auf Oberflächen der Bauteile aufzutragen. Dies wiederum ermöglicht die Schaffung dünner Beläge, was erforderlich ist, wenn die Neutronenabsorption gering sein soll und die Gefahr eines Abblätterns des Belags unbedeutend sein soll.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird mindestens eine der Schichten auf der Oberfläche des Bauteils mittels eines PVD-Verfahrens (physical, vapor deposition method) aufgebracht. Gemäß einer Anwendung der Erfindung wird mindestens eine der Schichten auf der Oberfläche mittels einer reaktiven oder nicht-reaktiven Zerstäubung aufgebracht. Gemäß einer anderen Anwendung der Erfindung wird mindestens eine Schicht auf der Oberfläche mittels eines reaktiven oder nichtreaktiven Galvanisierens aufgebracht. Gemäß einer anderen Anwendung der Erfindung wird mindestens eine Schicht auf der Oberfläche mittels einer reaktiven oder nichtreaktiven Verdampfung aufgebracht.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird mindestens eine der Schichten durch ein CVD-Verfahren (chemical vapor deposition method) aufgebracht.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag aus mindestens zwei Schichten in der Weise aufgebracht, daß benachbarte Schichten unterschiedliche Gefüge haben. Gemäß einer Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag aus mindestens zwei Schichten in der Weise aufgebracht, daß benachbarte Schichten eine unterschiedliche Zusammensetzung haben. Bei einer Anwendung der Erfindung wird der Belag aus mindestens zwei Schichten in der Weise aufgebracht, daß benachbarte Schichten unterschiedliche Materialien enthalten.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung wird der Belag in der Weise aufgebracht, daß er mindestens eine Schicht enthält, die mindestens ein keramisches Material enthält. Gemäß einer Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag in der Weise aufgebracht, daß die äußerste Schicht mindestens ein keramisches Material enthält. Gemäß einer anderen Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag in der Weise aufgebracht, daß jede nicht-keramische Schicht benachbart zu einer keramischen Schicht liegt.
Bei einer Anwendung der Erfindung ist ein aus mindestens vier Schichten bestehender Belag aufgebracht.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag in der Weise aufgebracht, daß jede Schicht mindestens eines der folgenden Materialien enthält: Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Titandioxid (TiO₂), Titankohlenstoffnitrid (TiCN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Zirkoniumnitrid (ZrN) und diamant-artiger Kohlenstoff (DLC). Bei einer Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag in der Weise aufgebracht, daß er abwechslend Schichten aus Titan und Titannitrid enthält.
Gemäß einer Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag in der Weise aufgebracht, daß die Gesamtdicke des Belages höchstens 20 μm beträgt. Gemäß einem anderen Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag in der Weise aufgebracht, daß die Gesamtdicke des Belags maximal 10 μm beträgt. Bei einer anderen Anwen- dung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag in der Weise aufgebracht, daß die Gesamtdicke des Belages maximal 5 μm beträgt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung wird der Belag auf einer Oberfläche aus einer Zirkoniumlegierung aufgebracht. Bei einer Anwendung des erfinderischen Verfahrens wird der Belag auf einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl aufgebracht. Bei einer anderen Anwendung des Verfahrens der Erfindung wird der Belag auf einer Oberfläche aus Titan aufgebracht.
Die oben definierte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Verwendung eines solchen Bauteils in einem Leichtwasserreaktor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der in den zugehörigen Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele detaillierter beschrieben.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bauteils mit einer Oberfläche, die einen Belag gemäß der Erfindung trägt, wobei dieser Belag aus einer Mehrzahl von Schichten besteht.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bauteils mit einer Oberfläche, welche einen Belag gemäß dem Stand der Technik trägt, wobei dieser Belag aus einer einzigen Schicht besteht.
3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bauteils mit einer Oberfläche, welche einen Belag gemäß der Erfindung trägt, wobei dieser Belag aus sich abwechselnden Schichten zweier verschiedener Materialien besteht.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bauteils mit einer Oberfläche, welche eine Schicht gemäß der Erfindung trägt, wobei diese Schicht aus sich abwechselnden Schichten dreier verschiedener Materialien besteht.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt einen Teil eines Bauteils 1, welches in einem Leichtwasserreaktor angeordnet ist und dessen Oberfläche 2 einen Belag 3 trägt. Durch seine Verwendung in einem Leichtwasserreaktor kommt der Belag 3 in Kontakt mit Wasser oder einer Kombination aus Wasser und Wasserdampf. Die Aufgabe des Belages 3 besteht darin, die Oberfläche 2 gegen Schäden zu schützen, die durch Oxidation, Hydrierung, Korrosion und/oder Abrieb verursacht werden. Der Belag 3 besteht aus einer Mehrzahl von Schichten 4, die übereinander angeordnet sind. Möglicherweise vorhandene Fehler 5 an der am dichtesten an der Oberfläche 2 liegenden Schicht I werden durch eine zweite Schicht II überdeckt, wenn diese aufgebracht wird. Dies bedeutet, daß in diesem Falle der Belag 3 keinen Fehler (Schadensstelle) 5 hat, der sich durch die gesamte Dicke des Belages 3 erstreckt. Wenn das der Fall wäre, würde der Belag 3 an diesen Fehlerstellen 5 keinen Schutz der Oberfläche 2 bewirken, die folglich beschädigt werden würde durch Oxidation, Hydrierung und Korrosion in diesen Bereichen als Folge des Kontaktes zwischen der Oberfläche 2 und dem Wasser, Wasserdampf oder einer Kombination aus beiden. Bei bedeutenden Fehlern 5, die sich durch die gesamte Dicke des Belages 3 der Oberfläche 2 erstrecken, würde die Oberfläche 2 auch durch Abrieb in diesen Bereichen beschädigt werden. Die Wahrscheinlichkeit, daß die Schicht II einen Fehler 5 ausge rechnet über dem Fehler 5 in der Schicht 1 hat, ist sehr gering. Wenn eine weitere Schicht III auf der Schicht II aufgebracht wird, ist die Wahrscheinlichkeit sogar noch geringer, daß Fehler 5 übereinander in den Schichten II und III auftreten würden und zu einem Fehler 5 führen würden, der sich durch die gesamte Dicke des Belages III erstreckt. Die Anzahl der übereinander liegenden Schichten kann variieren und kann beispielsweise 3, 4, 6, 10 betragen.
Benachbarte Schichten 4 des Belages 3 können auch unterschiedliche Gefüge oder Zusammensetzungen aufweisen und/oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Dies wirkt auch gegen die Bildung ähnlicher oder gleicher Fehler in benachbarten Schichten 4, wodurch die Gefahr der Bildung von Fehlern 5, die sich durch die gesamte Dicke des Belages 3 erstrecken, weiter reduziert wird.
2 zeigt ein Bauteil 1 gemäß dem Stand der Technik, dessen Oberfläche 2 von einem Belag 3 bedeckt ist. Bei Verwendung in einem Leichtwasserreaktor kommt der Belag 3 in Kontakt mit Wasser oder einer Kombination aus Wasser und Wasserdampf, und seine Aufgabe besteht darin, die Oberfläche 2 gegen Schäden durch Oxidation, Hydrierung, Korrosion und Abrieb zu schützen. Möglicherweise vorhandene Fehler 4 in dem Belag 3 bilden einen Fehler 4, der sich durch die gesamte Dicke des Belages 3 erstreckt, da der Belag 3 aus nur einer Schicht besteht. Dies bedeutet, daß das Vorhandensein von Fehlern 4 in dem Belag 3 zur Folge hat, daß der Belag 3 nicht in der Lage ist, die Oberfläche 2 gegen einen Kontakt mit Wasser oder einer Kombination aus Wasser und Wasserdampf in dem Bereich der Fehler 4 zu schützen, was zu einer Beschädigung der Oberfläche 2 führt. Mit den Mitteln des Standes der Technik ist es nicht möglich, Beläge herzustellen, die vollständig frei von Fehlern sind. Es ist auch nicht möglich, das Auftreten von Fehlern 4, die sich durch die gesamte Dicke des Belages 3 erstrecken, dadurch zu verhindern, daß lediglich die Dicke des Belages 3 verstärkt wird. Der Grund hierfür besteht darin, daß dicke Beläge, wie bereits oben ausgeführt, einer größeren Gefahr der Abblätterung des Belages ausgesetzt sind und eine verstärkte Absorption von Neutronen bewirken, wenn der Belag sich in der Nähe von nuklearem Brennstoff befindet. Dies bedeutet, daß Beläge 3 nach dem Stand der Technik nicht in der Lage sind, die Oberfläche 2 gegen Beschädigung zu schützen.
3 zeigt ein Bauteil 1 aus einem Leichtwasserreaktor, dessen Oberfläche 2 von einem Belag 3 bedeckt ist. Bei Verwendung in einem Leichtwasserreaktor gelangt der Belag 3 in Kontakt mit Wasser oder einer Kombination aus Wasser und Wasserdampf, und seine Aufgabe besteht darin, die Oberfläche 2 gegen dieses Wasser oder diese Kombination aus Wasser und Wasserdampf und gegen Abrieb zu schützen. Der Belag 3 besteht aus übereinander angeordneten Schichten, wobei diese Schichten unterschiedliche Gefüge oder Zusammensetzungen haben oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Am dichtesten an der Oberfläche 2 besteht eine Schicht 4 aus einem Material A. Auf diesem Material A ist eine Schicht 4 angebracht, die aus einem Material B besteht. Dieses Material ist bedeckt von einer Schicht 4, die aus dem erstgenannten Material A besteht. Darauf folgt eine Schicht 4, die aus dem zweitgenannten Material B besteht. Diese AB-Anordnung von Schichten 4 kann sowohl aus einer kleinen Anzahl von Schichten, beispielsweise je einer Schicht aus den Materialien A und B, das heißt zwei Schichten insgesamt, bestehen als auch aus einer größeren Anzahl von Schichten.
4 zeigt ein Bauteil 1 aus einem Leichtwasserreaktor 2, dessen Oberfläche 2 mit einem Belag 3 bedeckt ist. Während seiner Verwendung kommt der Belag 3 in Kontakt mit Wasser oder einer Kombination aus Wasser und Wasserdampf, und seine Aufgabe besteht darin, die Oberfläche 2 gegen dieses Wasser oder diese Kombination aus Wasser oder Wasserdampf sowie gegen Abrieb zu schützen. Der Belag 3 besteht aus einer Reihe von Schichten 4 aus unterschiedlichen Materialien A, B, und C, die aufeinander angeordnet sind. Diese Schichten 4 sind so angeordnet, daß die der Oberfläche 2 am nächsten liegende Schicht 4 aus einem Material A besteht. Die nächste Schicht 4, die auf der aus dem Material A bestehenden Schicht angeordnet ist, besteht aus dem Material B. Die nächste Schicht 4, die auf der aus dem Material B bestehenden Schicht angeordnet ist, besteht aus einem Material C. Auf diesem Material ist eine Schicht aus dem Material A angeordnet, und auf dieser Schicht ist eine Schicht 4 aus dem Material B und auf dieser Schicht eine Schicht 4 aus dem Material C angeordnet. Diese ABC-Anordnung der Schichten 4 des Belages 3 kann sowohl aus einer kleinen Anzahl von Schichten, beispielsweise je einer Schicht aus den Materialien A, B und C, das heißt, drei Schichten insgesamt, bestehen als auch aus einer größeren Anzahl von Schichten.
Das im Zusammenhang mit der Erfindung genannte Bauteil kann beispielsweise ein Bauteil in einem Leichtwasserreaktor des Druckwassertyps oder des Siedewassertyps sein. Gemäß einem Beispiel kann das Bauteil in einem Leichtwasserreaktor Hüllrohr für Brennstoff sein, und der Belag gemäß der Erfindung wird dann vorzugsweise auf der äußeren Oberfläche des Hüllrohrs aufgebracht. Gemäß einem anderen Beispiel ist das Bauteil ein Abstandselement, zum Beispiel einem Abstandshalter, und gemäß einem Beispiel ist es ein Brennelementkasten.
Beläge, die aus einer Mehrzahl von Schichten gemäß der Erfindung bestehen, sind mindestens widerstandsfähig gegen eine der Erscheinungen Oxidation, Hydrierung, Korrosion und Abrieb.
Der Belag wird mittels eines Verfahrens in der Weise aufgebracht, daß die Gesamtdicke des Belages höchstens 20 μm beträgt. Ein anderes Verfahren wird in der Weise durchgeführt, daß die Gesamtdicke des Belages höchstens 10 μm beträgt. Ein anderes Verfahren wird in der Weise durchgeführt, daß die Gesamtdicke des Belages höchstens 5 μm teträgt.
Gemäß einem Verfahren wird der Belag auf der Oberfläche einer Zirkoniumlegierung aufgebracht. Gemäß einem anderen Verfahren wird der Belag auf einer Oberfläche aus rostfreiem Stahl aufgebracht, während der Belag gemäß einem anderen Verfahren auf einer Oberfläche von Titan aufgebracht wird.
Das Wasser, welches mit dem Bauteil während seiner Verwendung in einem Leichtwasserreaktor in Berührung kommt, ist entionisiertes Wasser.
Beispiel
Ein Belag, der Titannitrid (TiN) und Titan (Ti) als zwei verschiedene Schichtmaterialien enthält und aus fünf bis zehn Schichten besteht, wurde auf einer Oberfläche aus Zircaloy-4 aufgebracht. Der Belag wurde hinsichtlich der Wasserstoff- und Sauerstoffdiffusion als Probestück in einem Autoklaven 80 Tage lang in reinem Wasser bei 360°C getestet. Das Ergebnis zeigte, daß die Wasserstoffaufnahme und die Gewichtszunahme bei dem mit dem Mehrschichtenbelag aus Titannitrid und Titan versehenen Prüfkörper bedeutend geringer waren als bei dem Referenzprüfkörper aus Zirca- loy-4 ohne Belag.
Eine Untersuchung des Querschnittes des Prüfkörpers zeigte, daß die Anzahl der Stellen, an denen sich unter dem Belag Zirkoniumdioxid (ZrO₂) gebildet hatte, für einen Mehrschichtenbelag aus Titannitrid und Titan bedeutend geringer war als für einen Belag, der nur aus einer einzigen Schicht aus Titannitrid bestand. Der Grund hierfür lag darin, daß die Anzahl der Fehler, die sich durch die gesamte Dicke des Belages erstreckten und als Diffusionswege für Sauerstoff und Wasserstoff dienten, in dem Mehrschichtenbelag kleiner war.

Claims

Bauteil zur Verwendung in einem Leichtwasserkernreaktor, welches Bauteil während seines Gebrauchs in Kontakt mit Wasser, Wasserdampf oder einer Kombination aus beiden steht, wobei das Bauteil mindestens teilweise aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung besteht und die Oberfläche (2) des Bauteils mit einem dünnen Belag (3) versehen ist, um zu verhindern, daß Wasser und/oder Wasserdampf in Kontakt mit dem Metall und/oder der Metallegierung gelangt, dadurch gekennzeich– net, daß der Belag aus zwei oder mehr nacheinander aufgebrachten Schichten (4) besteht und daß der Belag (3) eine Gesamtdicke von maximal 20 μm hat.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß benachbarte Schichten (4) unterschiedliche Gefüge (Strukturen) haben.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da– durch gekennzeichnet, daß benachbarte Schichten (4) unterschiedliche Zusammensetzungen haben.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Schichten (4) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (3) mindestens eine Schicht (4) enthält, die mindestens ein keramisches Material enthält.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekenn– zeichnet, daß die äußerste Schicht (4) des Belages (3) mindestens ein keramisches Material enthält.
Bauteil nach einem der Ansprüche 5 und 6, da– durch gekennzeichnet, daß jede nicht keramische Schicht des Belages an eine keramische Schicht grenzt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (3) mindestens vier Schichten (4) enthält.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht (4) eines oder meherere der Materialien Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Titandioxid (TiO₂), Titankohlenstoffnitrid (TiCN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Zirkoniumnitrid (ZrN) und diamantartiger Kohlestoff (DLC) enthält.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (3) abwechselnd Schichten (4) aus Titan (Ti) und Titannitrid (TiN) enthält.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (3) höchstens eine Gesamtdicke von 10 μm hat.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (3) höchstens eine Dicke von 5 μm hat.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus einer Zirkoniumlegierung besteht oder eine Oberfläche aus einer Zirkoniumlegierung hat.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus rostfreiem Stahl besteht oder eine Oberfläche aus rostfreiem Stahl hat.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil aus Titan besteht oder eine Oberfläche aus Titan hat.
Verfahren zur Herstellung eines dünnen Belages auf der Oberfläche eines Bauteils, welches zur Verwendung in einem Leichtwasserkernreaktor bestimmt ist, wobei das Bauteil mindestens teilweise aus einem Metall und/oder einer Metallegierung besteht und der Belag vorgesehen ist zu verhindern, daß Wasser, Wasserdampf oder eine Kombination aus beiden in Kontakt mit dem Metall und/oder der Metallegierung während der Benutzung gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag auf der Oberfläche in Form von übereinander liegenden Schichten aufgebracht ist und daß jede Schicht durch ein Aufdampf-Verfahren aufgebracht ist und daß die Gesamtdicke des Belages höchstens 20 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 16,dadurch ge– kennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten auf der Oberfläche mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 17, da– durch gekennzeichnet daß mindestens eine der Schichten mittels reaktiver oder nicht-reaktiver Zerstäubung auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 17, da– durch gekennzeichnet daß mindestens eine der Schichten mittels reaktiver oder nicht-reaktiver Metallisierung (Galvanisierung) auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 und 17, da– durch gekennzeichnet daß mindestens eine der Schichten mittels reaktiver oder nicht-reaktiver Verdampfung auf die Oberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch ge– kennzeichnet, daß mindestens eine der Schichten auf der Oberfläche mittels eines CVD-Verfahrens aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, da– durch gekennzeichnet daß der Belag in mindestens zwei Schichten in der Weise aufgebracht wird, daß benachbarte Schichten eine unterschiedliche Struktur haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, da– durch gekennzeichnet daß der Belag in mindestens zwei Schichten in der Weise aufgebracht wird, daß benachbarte Schichten eine unterschiedliche Zusammensetzung haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, da– durch gekennzeichnet daß der Belag n der Weise aufgebracht wird, daß benachbarte Schichten aus unterschiedlichem Material bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 24, da– durch gekennzeichnet daß der Belag derart aufgebracht wird, daß er mindestens eine Schicht enthält, die mindestens ein keramisches Material enthält.
Verfahren nach Anspruch 26,dadurch ge– kennzeichnet, daß der Belag in der Weise aufgebracht wird, daß die äußerste Schicht mindestens ein keramisches Material enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 und 26, da– durch gekennzeichnet daß der Belag in der Weise aufgebracht wird, daß jede nicht-kermamische Schicht einer keramischen Schicht benachbart ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, da– durch gekennzeichnet daß der Belag in mindestens vier Schichten aufgebracht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 28, da– durch gekennzeichnet daß der Belag in der Weise aufgebracht ist, daß jede Schicht mindestens eines der Materialien Titan (Ti), Titannitrid (TiN), Titandioxid (TiO₂), Titankohlenstoffnitrid (TiCN), Titanaluminiumnitrid (TiAlN), Zirkoniumdioxid (ZrO₂), Zirkoniumnitrid (ZrN) und diamantene Kohle (DLC) enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 29, da– durch gekennzeichnet daß der Belag in der Weise aufgebracht ist, daß er abwechselnd Schichten aus Titan (Ti) und Titannitrid (TiN) enthält.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil in einem Leichtwasserkernreaktor angeordnet ist.