ES2647846T3

ES2647846T3 - Método de recubrimiento de un componente de reactor nuclear con una disolución coloidal

Info

Publication number: ES2647846T3
Application number: ES15175077.5T
Authority: ES
Inventors: Yang-Pi Lin; Young Jin Kim; David William White; Garrett Scott NAVE; Patricia MCCUMBEE
Original assignee: Global Nuclear Fuel Americas LLC
Current assignee: Global Nuclear Fuel Americas LLC
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2017-12-26
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: EP2963652B1; EP2963652A1; US20160005499A1; JP2016014663A

Abstract

Un método de recubrimiento de un componente de reactor nuclear, que comprende: introducir el componente de reactor nuclear en una disolución coloidal a una primera velocidad para obtener un componente sumergido, siendo la disolución coloidal una mezcla no reticulada que incluye una fase dispersada dentro de un medio de dispersión, incluyendo la fase dispersada partículas de óxido de metal de tipo n; retirar el componente sumergido de la disolución coloidal a una segunda velocidad para obtener un componente húmedo; secar el componente húmedo para obtener un componente secado; y calcinar el componente secado para obtener un componente recubierto; caracterizado porque: la disolución coloidal tiene un pH que oscila entre 2 y 3.

Description

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

DESCRIPCION

Método de recubrimiento de un componente de reactor nuclear con una disolución coloidal

Antecedentes

Campo

La presente divulgación se refiere a métodos de recubrimiento de un componente de reactor nuclear para reducir o impedir la corrosión. El recubrimiento del componente de reactor nuclear implica un enfoque coloidal.

Descripción de la técnica relacionada

Durante el funcionamiento de un reactor nuclear, diversos componentes en el mismo pueden experimentar corrosión a lo largo del tiempo. La corrosión puede ser en forma de corrosión por efecto sombra, que puede dar como resultado fallo del combustible. Para proteger los componentes dentro del reactor nuclear que son vulnerables a la corrosión, se han usado enfoques convencionales para depositar una capa protectora sobre tales componentes. Los procesos de deposición típicos incluyen, por ejemplo, deposición química en fase de vapor (CVD, Chemical vapor deposition). Sin embargo, aunque es un enfoque viable, la formación de una capa protectora mediante deposición química en fase de vapor (CVD) puede implicar costes de producción relativamente altos.

El documento US 2012/0315496 A1 se refiere a un método de formación de un recubrimiento de óxido que reduce la acumulación de especies radiactivas sobre una fuente metálica.

Breve descripción

Un método de recubrimiento de un componente de reactor nuclear incluye introducir el componente de reactor nuclear en una disolución coloidal a una primera velocidad para obtener un componente sumergido. La disolución coloidal es una mezcla no reticulada que incluye una fase dispersada dentro de un medio de dispersión. La fase dispersada puede incluir partículas de óxido de metal de tipo n. El método incluye adicionalmente retirar el componente sumergido de la disolución coloidal a una segunda velocidad para obtener un componente húmedo. El método también incluye secar el componente húmedo para obtener un componente secado. El método incluye además calcinar el componente secado para obtener un componente recubierto. La disolución coloidal tiene un pH que oscila entre 2 y 3.

Breve descripción de los dibujos

Las diversas características y ventajas de las realizaciones no limitativas en el presente documento pueden resultar más evidentes tras la revisión de la descripción detallada junto con los dibujos adjuntos. Los dibujos adjuntos se proporcionan meramente con fines ilustrativos y no deben interpretarse como que limitan el alcance de las reivindicaciones. No deben considerarse los dibujos adjuntos como dibujados a escala a menos que se indique explícitamente. Por motivos de claridad, diversas dimensiones de los dibujos pueden haberse exagerado.

La Fig. 1 es una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM, scanning electrón microscope) de un componente recubierto con un recubrimiento relativamente uniforme basándose en la temperatura de calcinación/recocido según una realización de ejemplo.

La Fig. 2 es una imagen de microscopio electrónico de barrido de un componente recubierto con un recubrimiento no uniforme basándose en la temperatura de calcinación/recocido según una realización comparativa.

La Fig. 3 es una imagen de microscopio electrónico de barrido de un componente recubierto con un recubrimiento relativamente uniforme basándose en el tiempo de secado y la velocidad de calentamiento según una realización de ejemplo.

La Fig. 4 es una imagen de microscopio electrónico de barrido de un componente recubierto con un recubrimiento no uniforme basándose en el tiempo de secado y la velocidad de calentamiento según una realización comparativa.

Descripción detallada

Debe entenderse que cuando se hace referencia a un elemento o una capa como que está “sobre”, “conectado a”, “acoplado a” o “cubriendo” otro elemento u otra capa, puede estar directamente sobre, conectado a, acoplado a o cubriendo el otro elemento o la otra capa o pueden estar presentes elementos o capas intermedios. Por el contrario, cuando se hace referencia a un elemento como que está “directamente sobre”, “directamente conectado a” o “directamente acoplado a” otro elemento u otra capa, no hay elementos o capas intermedios presentes. Los números iguales se refieren a elementos iguales a lo largo de la memoria descriptiva. Tal como se usa en el

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

presente documento, el término “y/o” incluye cualquiera y todas las combinaciones de uno o más de los elementos listados asociados.

Debe entenderse que, aunque los términos primero, segundo, tercero, etc. pueden usarse en el presente documento para describir diversos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones, estos elementos, componentes, regiones, capas y/o secciones no deben estar limitados por estos términos. Estos términos se usan sólo para distinguir un elemento, componente, región, capa o sección de otra región, capa o sección. Por tanto, un primer elemento, componente, región, capa o sección comentados más adelante pueden denominarse segundo elemento, componente, región, capa o sección sin apartarse de las enseñanzas de las realizaciones de ejemplo.

Pueden usarse términos relativos al espacio (por ejemplo, “debajo de”, “por debajo de”, “inferior”, “por encima de”, “superior” y similares) en el presente documento para una mayor facilidad de descripción para describir una relación de un elemento o una característica con otro(s) elemento(s) o característica(s) tal como se ilustra en las figuras. Debe entenderse que se pretende que los términos relativos al espacio abarquen diferentes orientaciones del dispositivo en uso o funcionamiento además de la orientación ilustrada en las figuras. Por ejemplo, si el dispositivo en las figuras está dado la vuelta, los elementos descritos como “por debajo de” o “debajo de” otros elementos o características estarán orientados “por encima de” los otros elementos o características. Por tanto, el término “por debajo de” puede abarcar una orientación tanto por encima de como por debajo de. El dispositivo puede estar orientado de otro modo (rotado 90 grados o en otras orientaciones) y los descriptores relativos al espacio usados en el presente documento interpretarse en consecuencia.

La terminología usada en el presente documento es sólo con el propósito de describir diversas realizaciones y no pretende limitar las realizaciones de ejemplo. Tal como se usan en el presente documento, las formas en singular “un”, “una” y “el/la” pretenden incluir también las formas en plural, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá adicionalmente que los términos “incluye”, “que incluye”, “comprende” y/o “que comprende”, cuando se usan en esta memoria descriptiva, especifican la presencia de características, número enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes establecidos, pero no excluyen la presencia o adición de una o más de otras características, número enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de los mismos.

En el presente documento se describen realizaciones de ejemplo con referencia a ilustraciones en sección transversal que son ilustraciones esquemáticas de realizaciones idealizadas (y estructuras intermedias) de realizaciones de ejemplo. Como tal, deben esperarse variaciones con respecto a las formas de las ilustraciones como resultado, por ejemplo, de tolerancias y/o técnicas de fabricación. Por tanto, las realizaciones de ejemplo no deben interpretarse como limitadas a las formas de regiones ilustradas en el presente documento, sino que deben incluir desviaciones en las formas que resultan, por ejemplo, de la fabricación. Por ejemplo, una región implantada ilustrada como un rectángulo tendrá, normalmente, características redondeadas o curvadas y/o un gradiente de concentración de implantes en sus bordes en vez de un cambio binario de región implantada a no implantada. Del mismo modo, una región enterrada formada mediante implantación puede dar algo de implantación en la región entre la región enterrada y la superficie a través de la que tiene lugar la implantación. Por tanto, las regiones ilustradas en las figuras son de naturaleza esquemática y no se pretende que sus formas ilustren la forma real de una región de un dispositivo y no pretenden limitar el alcance de las realizaciones de ejemplo.

A menos que se defina lo contrario, todos los términos (incluyendo los términos técnicos y científicos) usados en el presente documento tienen el mismo significado que el entendido comúnmente por un experto habitual en la técnica a la que pertenezcan las realizaciones de ejemplo. Se entenderá adicionalmente que los términos, incluyendo los definidos en los diccionarios usados comúnmente, deben interpretarse como que tienen un significado que es congruente con su significado en el contexto de la técnica relevante y no se interpretarán en un sentido idealizado o excesivamente formal a menos que se defina así expresamente en el presente documento.

Según la presente divulgación se forma una capa protectora sobre un componente de reactor nuclear utilizando un enfoque coloidal.

Según la invención, un método de recubrimiento de un componente de reactor nuclear incluye introducir el componente de reactor nuclear en una disolución coloidal. El componente de reactor nuclear puede ser un componente de reactor de agua en ebullición (BWR, boiling water reactor), aunque las realizaciones de ejemplo no están limitadas a esto. Por ejemplo, el componente de reactor nuclear puede formar parte de un conjunto combustible (por ejemplo, espaciador, chapa de unión, hoja de control). El componente de reactor nuclear también puede estar formado de una aleación a base de hierro-cromo (por ejemplo, acero inoxidable) o una aleación a base de níquel-cromo (por ejemplo, Inconel).

La disolución coloidal es una mezcla no reticulada que incluye una fase dispersada dentro de un medio de dispersión. En particular, la mezcla no reticulada no incluye una red polimérica ni precursores reticulables que formen una red polimérica posteriormente. La disolución coloidal es un sistema estable en el que la fase dispersada (por ejemplo, partículas sólidas) permanece suspendida dentro del medio de dispersión (por ejemplo, líquido). Al ser un sistema estable, la fase dispersada no se agrega ni se decanta (o, a la inversa, flota) en el medio de dispersión. En lugar de esto, la disolución coloidal es tal que las fuerzas brownianas tienen un efecto mayor sobre la fase

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

dispersada que las fuerzas gravitacionales, manteniendo de ese modo la fase dispersada suspendida en el medio de dispersión.

En un ejemplo, la fase dispersada incluye partículas de óxido de metal de tipo n. Por ejemplo, las partículas de óxido de metal de tipo n pueden ser partículas de óxido de metal de transición de tipo n. En una realización no limitativa, las partículas de óxido de metal de transición de tipo n pueden incluir al menos uno de TiO2, Fe2O3, Cr2O3, ZrO2, WO3, ZnO, Ta2O3, MoO3 y V2O3. Las partículas de óxido de metal de tipo n tienen un tamaño promedio de menos de 200 nm. Por ejemplo, las partículas de óxido de metal de tipo n tienen un tamaño promedio de menos de 100 nm (por ejemplo, menos de 50 nm). Las partículas de óxido de metal de tipo n también pueden ser de pureza relativamente alta. Por ejemplo, la cantidad total de impurezas dentro de las partículas de óxido de metal de tipo n puede ser de menos del 1% (por ejemplo, menos del 0,3%). Las partículas de óxido de metal de tipo n están presentes a una concentración del 5 al 35% basándose en un peso total de la disolución coloidal.

El medio de dispersión puede ser un líquido a base de agua. Por ejemplo, el medio de dispersión puede ser una disolución acuosa que incluye un agente estabilizante. El agente estabilizando puede ser un ácido, tal como ácido [2-(2-metoxietoxi)etoxi]acético, para impedir la coagulación de la fase dispersada, aunque las realizaciones de ejemplo no están limitadas a esto. La disolución coloidal tiene un pH que oscila entre 2 y 3 (por ejemplo, entre 2,3 y 2,8) para el ejemplo del ácido [2-(2-metoxietoxi)etoxi]acético.

El componente de reactor nuclear se introduce en la disolución coloidal a una primera velocidad para obtener un componente sumergido. Por ejemplo, la introducción puede incluir sumergir el componente de reactor nuclear a una velocidad de 12,7 a 76,2 mm/minuto (de 0,5 a 3 pulgadas/minuto) como primera velocidad. El componente sumergido puede mantenerse (por ejemplo, sumergido completamente) en la disolución coloidal durante de 1 a 200 minutos (por ejemplo, de 45 a 75 minutos).

El método incluye adicionalmente retirar el componente sumergido de la disolución coloidal a una segunda velocidad para obtener un componente húmedo. La retirada puede incluir sacar el componente sumergido a una velocidad de 12,7 a 76,2 mm/minuto (de 0,5 a 3 pulgadas/minuto) como segunda velocidad.

El método también incluye secar el componente húmedo para obtener un componente secado. El secado se realiza durante de 30 a 300 minutos (por ejemplo, de 60 a 180 minutos). El componente húmedo puede secarse al aire, aunque las realizaciones de ejemplo no están limitadas a esto.

El método incluye además calcinar (o recocer) el componente secado para obtener un componente recubierto. La calcinación puede producirse en un horno. La calcinación se realiza a una temperatura objetivo que oscila entre 300 y 700 grados Celsius (por ejemplo, entre 400 y 600 grados Celsius) para la densificación de las partículas para dar una capa de recubrimiento. Como resultado, una capa delgada de TO2, por ejemplo, puede recubrirse sobre el componente de reactor nuclear. Por ejemplo, en términos de una capa delgada, el aumento de peso para un componente recubierto (por ejemplo, espaciador) con un área superficial de aproximadamente 2000 cm2 puede ser de aproximadamente 0,05 a 1,5 gramos (por ejemplo, aproximadamente 1 gramo), aunque las realizaciones de ejemplo no están limitadas a esto. Además, el recubrimiento resultante tiene un aspecto diferente (por ejemplo, transparente) en comparación con una capa convencional preparada mediante, por ejemplo, deposición química en fase de vapor (CVD).

Cuando la calcinación tiene lugar entre 300 y 700 grados Celsius puede obtenerse un componente recubierto con un recubrimiento relativamente uniforme. La Fig. 1 es una imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) de un componente recubierto con un recubrimiento relativamente uniforme basándose en la temperatura de calcinación/recocido según una realización de ejemplo. Por el contrario, cuando la calcinación no tiene lugar entre 300 y 700 grados Celsius se obtiene como resultado un componente recubierto con un recubrimiento no uniforme. La Fig. 2 es una imagen de microscopio electrónico de barrido de un componente recubierto con un recubrimiento no uniforme basándose en la temperatura de calcinación/recocido según una realización comparativa.

La calcinación incluye calentar hasta la temperatura objetivo a una velocidad de calentamiento de 1 a 20 grados Celsius por minuto (por ejemplo, de 8 a 12 grados Celsius por minuto). El componente secado puede exponerse a la temperatura objetivo durante de 15 a 300 minutos (por ejemplo, de 30 a 120 minutos). Una velocidad de calentamiento de entre 1 y 20 grados Celsius por minuto ayuda a proporcionar un componente recubierto resultante con un recubrimiento relativamente uniforme. Un tiempo de secado de 30 a 300 minutos antes de la calcinación ayuda también a proporcionar un componente recubierto resultante con un recubrimiento más uniforme. La Fig. 3 es una imagen de microscopio electrónico de barrido de un componente recubierto con un recubrimiento relativamente uniforme basándose en el tiempo de secado y la velocidad de calentamiento según una realización de ejemplo. Por el contrario, cuando el tiempo de secado no está entre 30 y 300 minutos antes de la calcinación y/o la velocidad de calentamiento no está entre 1 y 20 grados Celsius por minuto, se obtiene como resultado un componente recubierto con un recubrimiento no uniforme. La Fig. 4 es una imagen de microscopio electrónico de barrido de un componente recubierto con un recubrimiento no uniforme basándose en el tiempo de secado y la velocidad de calentamiento según una realización comparativa.

Tal como se comenta en el presente documento, pueden recubrirse componentes de reactor nuclear con una capa protectora de una manera relativamente económica y fiable para reducir o impedir la aparición de corrosión (por ejemplo, corrosión por efecto sombra). La capa protectora también puede reducir o impedir la erosión del componente de reactor nuclear. En particular, la erosión puede presentar problemas de dosis de radiación en 5 términos de liberación de cobalto (Co). En tales situaciones, si no puede mitigarse la erosión, entonces los posibles materiales para un componente pueden estar limitados a aquellos con cantidades relativamente bajas de cobalto con el fin de cumplir con los requisitos de dosis de radiación. Sin embargo, dado que los componentes pueden dotarse de una capa protectora de una manera relativamente económica y fiable con los presentes métodos de recubrimiento, pueden usarse materiales con un mayor contenido en cobalto (por ejemplo, Inconel, acero inoxidable) 10 dado que puede reducirse o impedirse la erosión, evitando de ese modo los problemas de dosis de radiación asociados previamente con los componentes no protegidos.

Aunque se han dado a conocer varias realizaciones de ejemplo en el presente documento, debe entenderse que pueden ser posibles otras variaciones. No debe considerarse que tales variaciones se aparten del alcance de la 15 presente divulgación, y se pretende que todas de tales modificaciones que sean evidentes para un experto en la técnica estén incluidas dentro del alcance de la invención, que se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

REIVINDICACIONES

1. - Un método de recubrimiento de un componente de reactor nuclear, que comprende:

introducir el componente de reactor nuclear en una disolución coloidal a una primera velocidad para obtener un componente sumergido, siendo la disolución coloidal una mezcla no reticulada que incluye una fase dispersada dentro de un medio de dispersión, incluyendo la fase dispersada partículas de óxido de metal de tipo n;

retirar el componente sumergido de la disolución coloidal a una segunda velocidad para obtener un componente húmedo;

secar el componente húmedo para obtener un componente secado; y calcinar el componente secado para obtener un componente recubierto; caracterizado porque:

la disolución coloidal tiene un pH que oscila entre 2 y 3.
2. - El método según la reivindicación 1, en el que el componente de reactor nuclear es un componente de reactor de agua en ebullición (BWR).
3. - El método según cualquier reivindicación 1 ó 2, en el que el componente de reactor nuclear está formado de una aleación a base de hierro-cromo o una aleación a base de níquel-cromo.
4. - El método según cualquier reivindicación anterior, en el que las partículas de óxido de metal de tipo n son partículas de óxido de metal de transición de tipo n.
5. - El método según la reivindicación 4, en el que las partículas de óxido de metal de transición de tipo n incluyen al menos uno de TiO2, Fe2O3, Cr2O3, ZrO2, WO3, ZnO, Ta2O3, MoO3 y V2O3.
6. - El método según cualquier reivindicación anterior, en el que las partículas de óxido de metal de tipo n tienen un tamaño promedio de menos de 200 nm.
7. - El método según cualquier reivindicación anterior, en el que las partículas de óxido de metal de tipo n están presentes a una concentración del 5 al 35% basándose en un peso total de la disolución coloidal.
8. - El método según cualquier reivindicación anterior, en el que la introducción incluye sumergir el componente de reactor nuclear a una velocidad de 12,7 a 76,2 mm/minuto (de 0,5 a 3 pulgadas/minuto) como primera velocidad.
9. - El método según cualquier reivindicación anterior, en el que la introducción incluye mantener el componente sumergido en la disolución coloidal durante de 1 a 200 minutos.
10. - El método según cualquier reivindicación anterior, en el que la retirada incluye sacar el componente sumergido a una velocidad de 12,7 a 76,2 mm/minuto (de 0,5 a 3 pulgadas/minuto) como segunda velocidad.
11. - El método según cualquier reivindicación anterior, en el que el secado se realiza durante de 30 a 300 minutos.
12. - El método según cualquier reivindicación anterior, en el que la calcinación se realiza a una temperatura objetivo que oscila entre 300 y 700 grados Celsius.
13. - El método según la reivindicación 12, en el que la calcinación incluye exponer el componente secado a la temperatura objetivo durante de 15 a 300 minutos.
14. - El método según cualquier reivindicación 12 ó 13, en el que la calcinación incluye calentar hasta la temperatura objetivo a la velocidad de calentamiento de 1 a 20 grados Celsius por minuto.