ES2954274T3

ES2954274T3 - Sistema de revestimiento de combustible de material compuesto multicapa con hermeticidad a alta temperatura y tolerancia a accidentes

Info

Publication number: ES2954274T3
Application number: ES16871234T
Authority: ES
Inventors: Michael A Burke; Edward J Lahoda; Paolo Ferroni; Fausto Franceschini
Original assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Current assignee: Westinghouse Electric Co LLC
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2023-11-21
Anticipated expiration: 2036-10-24
Also published as: EP3383644A4; KR102572043B1; RU2018123505A3; CN116386905A; RU2018123505A; RU2020128441A3; JP6966436B2; EP3383644A1; RU2732465C2; EP3383644B1; JP2019501372A; RU2020128441A; RU2743178C2; KR20180080350A; US20170159186A1; WO2017095552A1; CN108290387A; US9982350B2

Abstract

La invención se refiere a un revestimiento multicapa que incluye una combinación de componentes cerámicos y metálicos. El revestimiento multicapa incluye una capa interior, una capa intermedia y una capa exterior. La capa interior puede formar la estructura de revestimiento, la capa intermedia puede incluir un compuesto cerámico o un compuesto que contiene cerámica compuesto de fibras tejidas o trenzadas entrelazadas, por ejemplo, haces de fibras envueltas sobre la capa interior para formar una estructura tejida, y un material de matriz. y el exterior puede estar compuesto de metal o aleación de metal, tal como, en forma de revestimiento. El revestimiento multicapa es eficaz para proteger el contenido de la estructura del revestimiento de la exposición a ambientes de alta temperatura. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de revestimiento de combustible de material compuesto multicapa con hermeticidad a alta temperatura y tolerancia a accidentes

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

1. Campo

La invención se refiere a un revestimiento compuesto de un material compuesto multicapa para su uso en entornos de alta temperatura para servir como barrera para proteger el contenido del revestimiento y métodos de fabricación de los materiales compuestos. Más en particular, la invención se refiere a un revestimiento de combustible de material compuesto multicapa para su uso en un reactor que tenga agua, metal líquido o refrigerante de sal líquida.

2. Descripción de la técnica relacionada

Un reactor de potencia puede incluir un núcleo de reactor que tenga un gran número de elementos de combustible, cada uno de los cuales está compuesto de una pluralidad de elementos de combustible alargados o barras de combustible. Los elementos de combustible varían en tamaño y diseño dependiendo del tamaño deseado del núcleo y del tamaño del reactor. Cada una de las barras de combustible contiene material combustible fisible, tal como, pastillas de combustible que contienen uranio con cierta cantidad de U235 o U233 y/o plutonio fisible. La fisión de los componentes fisibles provoca generación de calor. Un refrigerante, tal como agua, sal líquida, has o un metal líquido, por ejemplo, plomo, se bombea a través el núcleo del reactor para extraer el calor generado en el núcleo del reactor para la producción de trabajo útil, tal como electricidad.

Cada una de las barras de combustible tiene un revestimiento que actúa como contención para contener el material combustible radiactivo y para separar el material combustible del medio refrigerante. Además, durante el funcionamiento, la fisión genera productos de fisión gaseosos y volátiles y no volátiles que son altamente radiactivos, que también están restringidos por el revestimiento. En sistemas de revestimiento metálico convencionales, la irradiación causa daños con el tiempo al metal en términos de endurecimiento, fragilidad e hinchado del material. La Figura 1 ilustra un diseño de revestimiento de combustible de la técnica anterior que muestra una pila de pastillas de combustible 10, un revestimiento a base de circonio 12, un dispositivo de sujeción por resorte 14 y tapones terminales 16.

Recientes avances en la técnica han proporcionado un revestimiento para barras de combustible compuesto de un material que contiene cerámica, tal como carburo de silicio (SiC). Se ha demostrado que el SiC muestra propiedades deseables en accidentes más allá de las bases de diseño, por ejemplo, a temperaturas superiores a 1200 °C en reactores de agua ligera y, por lo tanto, puede considerarse un material de construcción adecuado para revestimientos de barras de combustible nuclear. Sin embargo, es difícil mantener la impermeabilidad al gas de la fisión durante una flexión inducida por la manipulación o accidentes o fenómenos naturales, tales como terremotos, debido a la falta de elasticidad natural de los materiales cerámicos en general. También es difícil fijar tapones terminales en tubos de SiC de una manera económica y de alto, que produzca un sello hermético a temperaturas superiores a 1200 °C.

Existe el deseo en la técnica de proporcionar un material de revestimiento para barras de combustible nuclear que proporcione resistencia y estabilidad mecánica a altas temperaturas, resistencia al hinchamiento y resistencia a la corrosión, a la vez que proporcione protección y hermeticidad frente a un entorno externo. No se ha encontrado un solo material que pueda proporcionar todas las propiedades deseables para un revestimiento. Por tanto, es un objeto de la invención proporcionar un material compuesto que incluya más de un material, que muestre cada uno una propiedad diferente que sea ventajosa para un revestimiento. El documento de Patente KR 10-2014-0125002 desvela un revestimiento multicapa cerámico-metálico en forma de un tubo cilíndrico adecuado para contener combustible nuclear que comprende una capa interior de aleación de circonio metálico, una capa intermedia de material compuesto de carburo de silicio y una capa exterior metálica encapsulante de recubrimiento anticorrosivo depositada en la superficie exterior de la capa intermedia. Otra técnica anterior con respecto a tubos cerámicos multicapa para combustible nuclear se encuentra en los documentos de Patente KR 10-2014-0147404 y US 2009/0 032178 A1.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

En un aspecto, la invención proporciona un revestimiento de barras de combustible nuclear multicapa que contiene material cerámico y metálico según se define en la reivindicación 1.

En otro aspecto, la invención proporciona un método para formar un revestimiento de barras de combustible nuclear multicapa que contiene material cerámico y metálico, según se define en la reivindicación 7.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Puede obtenerse una mejor comprensión de la invención a partir de la siguiente descripción de las realizaciones preferidas cuando se leen junto con los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una representación esquemática que muestra un revestimiento de combustible, según la técnica anterior; y

La Figura 2 es una representación esquemática que muestra una vista de sección transversal axial de un revestimiento multicapa, según ciertas realizaciones de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LA REALIZACIÓN PREFERIDA

La presente invención se refiere en general a un material multicapa para formar un revestimiento, métodos para preparar el material multicapa y métodos para preparar el revestimiento compuesto del material multicapa. El revestimiento multicapa incluye una combinación de componentes cerámicos y metálicos. El material multicapa incluye una capa interna, una capa intermedia y una capa externa. En general, la capa interna puede estar compuesta de un metal o aleación para formar una barrera hermética para productos de fisión y también puede proporcionar cierto soporte mecánico para el resto de la estructura de revestimiento; la capa intermedia puede incluir un material compuesto cerámico o material compuesto que contiene material cerámico compuesto de fibras tejidas o trenzadas entrelazadas, por ejemplo, mallas de fibra envueltas en la capa interna para formar una estructura tejida y un material de matriz; y la capa externa puede estar compuesta de metal o aleación de metal, tal como, en forma de un recubrimiento. En general, el revestimiento multicapa es una barrera efectiva para proteger el contenido contenido dentro de la estructura de revestimiento frente la exposición a entornos de alta temperatura y esfuerzos mecánicos. El revestimiento es adecuado para su uso como revestimiento de combustible para contener combustible nuclear en entornos de reactor que tienen agua, sal líquida o metal refrigerante líquido circulando a temperaturas muy altas, tales como, pero sin limitación, reactores rápidos refrigerados por plomo. El revestimiento de combustible tiene la capacidad de soportar condiciones normales y accidentales asociadas con dichos reactores. Para facilitar la descripción, la invención se describe en el presente documento en el contexto de un revestimiento de combustible para contener o mantener pastillas de combustible radioactivas, en donde el revestimiento se coloca en un núcleo de reactor y se expone a refrigerante a alta temperatura que circula alrededor del exterior del revestimiento y a través del núcleo. Sin embargo, se entiende que la invención no se limita a este contexto. Se contempla que el revestimiento de material compuesto multicapa de la invención pueda aplicarse a aplicaciones no radioactivas, por ejemplo, no nucleares y pueden incluir cualquier aplicación de transferencia de masa o calor a alta temperatura, en donde al menos una fase de fluido (líquido o gas) requiere la separación de otro sólido, fase de fluido (gas o líquido) o sistema de fases mixto (tal como pastillas de combustible sólido sin productos de fisión gaseosos), en casos tales como en aplicaciones de generación y almacenamiento de energía a alta temperatura, incluyendo, pero sin limitación, tecnología energética de energía solar (utilizando transferencia de calor a alta temperatura), combustión y basada en combustibles fósiles.

Normalmente, el revestimiento de barras de combustible tiene la forma de un tubo alargado que tiene una cavidad formada en el mismo y dos extremos opuestos abiertos. El grosor de la pared del tubo puede variar. En ciertas realizaciones, el grosor de la pared del tubo es de aproximadamente 100 a aproximadamente 1000 micrómetros. La cavidad tiene pastillas de combustible contenidas en la misma y normalmente un dispositivo de sujeción, tal como un resorte, para mantener la configuración, por ejemplo, una pila, de las pastillas de combustible. Normalmente, se coloca un mecanismo de sellado en cada extremo abierto del revestimiento para proporcionar un sello y evitar que el refrigerante que circula en el núcleo entre en la cavidad del revestimiento para barras de combustible. Como se muestra en la Figura 1, el revestimiento para barras de combustible se coloca en el núcleo del reactor nuclear.

El revestimiento de barras de combustible, generalmente, está destinado principalmente a contener pastillas de combustible fisionables, en el que la fisión provoca la generación de calor y a separar las pastillas de combustible y los productos de fisión resultantes de la fisión del medio refrigerante. Normalmente, el revestimiento está compuesto de un material metálico (metal o aleaciones de metal) o, como alternativa, un material cerámico. Existen ventajas y desventajas asociadas con cada uno del revestimiento metálico y el revestimiento cerámico. Por ejemplo, el revestimiento metálico proporciona buena hermeticidad, buena ductilidad, una resistencia ajustable y capas protectoras resistentes a la corrosión reformables. En cambio, el revestimiento cerámico proporciona alta rigidez, resistencia a altas temperaturas, capacidad de supervivencia a altas temperaturas en entornos oxidativos y corrosivos. El revestimiento para barras de combustible de acuerdo con la invención proporciona un sistema de material multicapa que combina tanto aleaciones de metal/metal como materiales cerámicos, para que el revestimiento pueda exhibir las propiedades y ventajas asociadas con cada uno de estos materiales.

En general, el revestimiento para barras de combustible compuesto del sistema de material compuesto multicapa evita los problemas asociados con los sistemas de material compuesto cerámico, tales como, la dificultad para conseguir hermeticidad mientras se conserva la ductilidad y la resistencia a altas temperaturas del material. Sin desear quedar ligado a teoría particular alguna, se cree que este conflicto de propiedades se debe a la necesidad de un agrietamiento de la matriz a escala fina en la matriz cerámica de material compuesto, lo que promueve (por ejemplo, la pseudoductilidad) la extensión durante el tensado del material cerámico. Además, el revestimiento según la invención puede proporcionar capacidad de tolerancia a los accidentes en función de una fabricación única del material compuesto cerámico. Como resultado, el revestimiento para barras de combustible de la invención puede proporcionar rendimiento a altas temperaturas y protección contra la corrosión del combustible en un rector térmico o rápido. El refrigerante puede estar basado en un líquido o en un gas y, en particular, puede ser un metal fundido, tal como el plomo.

La Figura 2 muestra un revestimiento multicapa 21 en forma de un tubo cilíndrico. Se contempla y entiende que la forma del revestimiento no es limitante y puede incluir una amplia diversidad de formas y configuraciones. Por ejemplo, el revestimiento puede tener la forma de una estructura de caja u otra forma cerrada, incluyendo estructuras bidimensionales de extensión axial o cónica. Además, la estructura puede tener una forma consistente o inconsistente; es decir, la forma puede ajustarse para adaptarse a las variaciones de diámetro a lo largo de su longitud. Adicionalmente, se contempla que el tubo cilíndrico puede utilizarse en una diversidad de entornos, tales como, pero sin limitación, un reactor en el que el revestimiento 21 tiene contenido en su interior un elemento combustible. En la Figura 2, el revestimiento 21 incluye una capa interna 23, una capa intermedia 29 y una capa externa 35. Como se muestra en la Figura 2, la capa interna 23 tiene forma de un tubo, que, como ejemplo no limitante, puede ser un cilindro preformado, que incluye una cavidad interior 24, una superficie interior 25 y una superficie exterior 27. La capa interna 23 está compuesta de metal o aleación de metal. En general, el material de la capa interna 23 se selecciona para que tenga una buena hermeticidad, una superficie flexible, resistencia moderada y buena ductilidad. Los metales y aleaciones de metal adecuados para su uso en la formación de la capa interna 23 incluyen aceros austeníticos, aceros martensíticos ferríticos, aleaciones de circonio, aleaciones de hierro, aleaciones de titanio o combinaciones en capas de los mismos. Los aceros austeníticos y los martensíticos ferríticos son normalmente para su uso en reactores de espectro rápido y las aleaciones de circonio, tales como, pero sin limitación, Zircaloy, son normalmente para su uso en reactores de espectro térmico. La selección de un material de acero específico puede depender del equilibrio de ciertos factores, tales como, la tenacidad, fragilización por irradiación, el hinchamiento y la absorción de neutrones. El grosor de la capa interna 23 puede variar. Por ejemplo, la capa interna 23 puede tener un grosor en el intervalo de aproximadamente 100 a aproximadamente 300 micrómetros. La capa interna 23 normalmente se forma utilizando aparatos y procesos convencionales, tales como, formar un revestimiento de combustible tubular. Por ejemplo, la capa interna 23 puede formarse mediante una fabricación de tubos convencional, tal como estiramiento o extrusionado con matriz del tubo. Sin embargo, la capa interna 23 puede hacerse mediante procesos de deposición, tales como pulverización de líquido o arco, inmersión de líquido o sinterización en estado sólido sobre un núcleo extraíble. En dichos procesos, el núcleo extraíble puede retenerse mediante otras etapas de procesamiento para facilitar la fabricación multicapa de la estructura multicapa.

La capa intermedia 29 se aplica a la superficie exterior 27 de la capa interna 23. Como se muestra en la Figura 2, la capa intermedia 29 tiene una superficie interior 31 y una superficie exterior 33. La capa intermedia 29 puede estar compuesta de un material compuesto cerámico, que incluye fibras cerámicas tejidas o trenzadas entrelazadas, por ejemplo, enrolladas, y una matriz cerámica. Opcionalmente, la capa intermedia 29 puede estar compuesta de fibras cerámicas tejidas o trenzadas entrelazadas en ausencia de una matriz cerámica. Además, opcionalmente, la capa intermedia 29 puede estar compuesta de un material compuesto que contiene material cerámico que incluye fibras cerámicas tejidas o trenzadas entrelazadas y una matriz metálica. En ciertas realizaciones, las fibras tejidas o trenzadas entrelazadas pueden incluir una combinación de fibras cerámicas y fibras metálicas. Una característica clave de la invención es que las fibras cerámicas están tejidas o trenzadas en una estructura mecánicamente autoentrelazable, de modo que son capaces de proporcionar soporte mecánico en ausencia de una matriz mecánicamente restrictiva entre las fibras/mallas de fibras. El componente o componentes cerámicos, por ejemplo, tanto las fibras como la matriz, cuando se emplean, de la capa intermedia 29 muestran una alta resistencia y rigidez tanto a la temperatura de funcionamiento normal del reactor como a temperaturas más altas que son típicas de la base de diseño y van más allá en accidentes de la base de diseño. Se sabe que la fragilidad está asociada con el material cerámico y, por lo tanto, la capa intermedia del material de revestimiento puede estar formada de una combinación de fibras cerámicas y una matriz. Esta construcción del material permite un agrietamiento local limitado, pero finamente dividido en la matriz del material, a la vez que conserva eficazmente gran parte de la resistencia y rigidez de la estructura de fibras entrelazadas. Al constreñir el compuesto cerámico (capa intermedia 29) entre las capas interior y exterior (la capa interior 23 y la capa exterior 35) se mejora la retención de las propiedades mecánicas. Los materiales de fibra cerámica y matriz cerámica adecuados para formar la capa intermedia 29 incluyen, pero sin limitación, carburo de silicio, alúmina y mezclas y combinaciones de los mismos. Por ejemplo, las fibras de carburo de silicio, fibras de alúmina o una combinación de las mismas pueden combinarse con una matriz de carburo de silicio, una matriz de alúmina o una combinación de las mismas. Los materiales metálicos adecuados para la matriz pueden incluir aleaciones a base de hierro y aleaciones a base de níquel, sistemas a base de titanio o a base de circonio y combinaciones o mezclas de los mismos. El grosor de la capa intermedia 29 puede variar. En ciertas realizaciones, la capa intermedia 29 puede tener un grosor en el intervalo de aproximadamente 200 a aproximadamente 600 micrómetros.

La capa intermedia 29 se forma normalmente utilizando aparatos y procesos convencionales. Por ejemplo, la capa intermedia 29 puede formarse pretensando un componente de fibra para formar las fibras en mallas, envolviendo por debajo y por encima o enrollando las mallas, por ejemplo, a /- 45 grados, para formar un tejido cruzado. Como resultado, la capa intermedia 29 no solo proporciona soporte en condiciones operativas, sino que también garantiza un soporte continuo, por ejemplo, en forma de "calcetín", para las pastillas de combustible internas en condiciones de accidente en las que los elementos metálicos (por ejemplo, la capa interior 23 y la capa exterior 35) pueden perderse, perforarse, corroerse u oxidarse.

En ciertas realizaciones, un tubo de revestimiento (por ejemplo, la capa interior 23 de la Figura 2), está envuelto, enrollado o trenzado con fibras cerámicas (por ejemplo, carburo de silicio y/o alúmina). La envoltura, el enrollado o el trenzado pueden realizarse de forma que el proceso se inicie en un extremo (que puede estar abierto o sellado) del tubo de revestimiento y se complete en el extremo opuesto. El grosor de las fibras depositadas puede variar y, por ejemplo, puede formar una capa que sea de aproximadamente 200 micrómetros a aproximadamente 600 micrómetros de grosor. Normalmente, existen huecos entre las fibras individuales o grupos de fibras y, por lo tanto, tras la etapa de envoltura, bobinado o trenzado, se aplica el material cerámico (por ejemplo, carburo de silicio y/o alúmina) o de matriz metálica para rellenar, al menos parcialmente, los huecos formados entre las fibras.

El material de la matriz puede depositarse o aplicarse empleando tecnología de infiltración de vapor químico (CVI) o de deposición de vapor químico (CVD). Como se utiliza en el presente documento, CVI se refiere al depósito de material de matriz en poros utilizando precursores de matriz gaseosa descompuesta y CVD se refiere al depósito de material de matriz en superficies utilizando precursores de matriz gaseosa descompuesta. En ciertas realizaciones, el CVI se realiza a temperaturas de aproximadamente 300 °C a aproximadamente 1100 °C, dependiendo del proceso de CVI particular y a los aparatos empleados. El CVI tradicional basado en la descomposición se produce entre aproximadamente 900 °C y aproximadamente 1100 °C. En ciertas realizaciones, la deposición de SiC por deposición atómica de capas se realiza a temperaturas comprendidas entre 300 °C y 500 °C.

Como alternativa, puede utilizarse un proceso de infiltración de sol-gel, secado y cocción para formar el material compuesto, por ejemplo, la capa intermedia 29 de la Figura 2.

La capa externa 35 se aplica o deposita en forma de un recubrimiento sobre la superficie exterior 13 de la capa intermedia 29. Como se muestra en la Figura 2, la capa externa 35 tiene una superficie interior 37 y una superficie exterior 39. La capa externa 35 está compuesta de metal o aleación de metal. En general, el material de la capa externa 35 se selecciona para separar el entorno exterior, por ejemplo, agua, gas, sal líquida o metal líquido, de la capa intermedia 29 y para proporcionar una capa protectora sobre la capa intermedia 29; en particular, en el caso de que la matriz cerámica sufra grietas a medida que se tensa el material compuesto para adaptarse a la deformación mecánica. En general, el material de la capa exterior 35 es lo suficientemente dúctil como para que la capa permanezca intacta en todo el revestimiento y que, en caso de agrietamiento o daño de la superficie exterior protectora 39, el aspecto protector de la superficie pueda volver a formarse. Esta capa protectora reformable proporciona una barrera química y física a la entrada del refrigerante líquido en el tejido de fibras de la capa intermedia 29. Los metales y aleaciones metálicas adecuados para formar la capa exterior 35 son las aleaciones metálicas que forman alúmina con un recubrimiento resistente a la oxidación, como las aleaciones Fe-Cr-Al a base de hierro con adiciones de níquel (Ni) y elementos de tierras raras, tales como el itrio (Y). La capa externa tiene la forma de un revestimiento compuesto de aleación de hierro-cromo-aluminio con adición de itrio (FeCrAl(Y)), que tiene ductilidad metálica a alta resistencia, pero conserva la capacidad de volver a formar su revestimiento protector de alúmina en caso de que se produzcan grietas en la superficie exterior 39. El grosor de recubrimiento de la capa externa 35 puede variar. Por ejemplo, la capa externa 35 puede tener un grosor en el intervalo de aproximadamente 20 micrómetros a varios milímetros. Sin embargo, los grosores óptimos pueden estar en un intervalo que va desde unas decenas de micrómetros en un extremo (el grosor más bajo para acomodar la variabilidad de la superficie formada por mallas de fibras cerámicas envueltas) hasta aproximadamente 1 mm en el otro extremo. (El espesor superior proporciona un revestimiento dúctil que puede deformarse con el material cerámico subyacente sin agrietarse). Se prefieren grosores de la capa exterior del orden de varias decenas de micrómetros a de uno o doscientos micrómetros, en función del grosor de la capa intermedia. Es decir, el grosor de la capa externa debe ser aproximadamente el 10 % del grosor de la capa intermedia.

La capa externa 35 se forma normalmente utilizando aparatos de recubrimiento y procesos convencionales. Por ejemplo, la capa externa 35 se forma por arco, fase líquida o pulverización en frío de la capa exterior que tiene un grosor suficientemente grueso para rellenar los intersticios de la superficie de la capa intermedia de material compuesto 29 subyacente, proporcionar una cobertura completa de la superficie del revestimiento y conservar la capacidad de reformar una capa superficial protectora a lo largo de la vida útil del revestimiento. En ciertas realizaciones, el aluminio de la capa exterior se oxida para formar una capa protectora de alúmina adherente. En dichas realizaciones, el material metálico rico en alúmina se deposita como un sistema metálico al vacío o en una atmósfera no oxidante y, una vez depositada la capa metálica, puede aplicarse aire u oxígeno a la superficie del material depositado, ya sea en forma de una atmósfera penetrante o como una corriente de gas dirigida. El calentamiento de la estructura metálica y/o del gas en condiciones controladas afectará a la oxidación de la parte superior de la capa metálica y a la formación de la capa exterior de óxido protector deseada.

El uso de capas metálicas interiores y exteriores 23, 35 permite controlar la estructura del extremo cercano, de modo que pueden emplearse técnicas convencionales de unión metal-metal para sellar el extremo del tubo. En ciertas realizaciones, al menos una de la capa interior 23 y la capa exterior 35 se extienden más allá de la capa intermedia 29 de tal manera que la extensión o solapamiento en cada extremo es capaz de unirse mediante técnicas de unión convencionales, tales como, soldadura fuerte o soldadura blanda, para sellar cada extremo abierto del tubo de revestimiento. Por ejemplo, las pastillas de combustible pueden cargarse en la cavidad del revestimiento de combustible y, posteriormente, la capa exterior 35 aplicarse a la misma, por lo que una parte de la capa exterior 35 se extiende más allá de la capa intermedia 29 y este solapamiento se une en cada extremo del tubo de revestimiento para sellar los extremos abiertos. Como alternativa, puede formarse un sello final, por ejemplo, mediante soldadura, para cerrar un extremo abierto del revestimiento, se cargan las pastillas de combustible en la cavidad y, a continuación, se sella el otro extremo abierto del revestimiento.

En ciertas realizaciones, la fabricación de una o más de las capas interior, intermedia y exterior puede realizarse antes o después de la carga del combustible en la cavidad de del revestimiento. Adicionalmente, el revestimiento multicapa puede construirse, por ejemplo, en capas, y formarse, por ejemplo, mediante coextrusión, para mejorar la conformación y la consolidación.

El revestimiento de la barra de combustible de acuerdo con la invención proporciona al menos uno o más de los siguientes beneficios en comparación con los revestimientos convencionales conocidos en la técnica:

Hermeticidad de la superficie interior del tubo de revestimiento con respecto a los productos de fisión gaseosos y volátiles del combustible;

Capacidad para demostrar resistencia y tenacidad a altas temperaturas, así como resistencia al hinchamiento y a la formación de huecos en respuesta a la irradiación;

Tolerancia mecánica a temperaturas muy altas y tensiones mecánicas elevadas;

Soporte mecánico y contención de restos de combustible en caso de accidente a base de estructura tejida (capa intermedia); y

Resistencia a la corrosión y protección contra la oxidación de la superficie del sistema de material multicapa que proporciona simultáneamente un sellado hermético de la superficie de un compuesto cerámico en caso de microfisuración de la matriz cerámica y capacidad para reformar una capa de óxido protectora exterior.

Durante el funcionamiento en un reactor, la presión interna generada por la producción de gas a partir del combustible es contenida por el revestimiento. Las funciones del revestimiento incluyen contener el combustible y los productos de fisión del combustible, proporcionar resistencia mecánica y estabilidad, y la capa interior, la capa intermedia cerámica o de material compuesto que contiene cerámica y la capa exterior proporcionan, respectivamente, protección y hermeticidad frente al entorno externo. De este modo, se evita la necesidad de disponer de resistencia a altas temperaturas, resistencia al hinchamiento y resistencia a la corrosión en un único material. Las capas metálicas interior y exterior pueden proporcionar cierta resistencia mecánica, pero una propiedad mecánica clave de estas capas es la capacidad de deformarse con la capa intermedia cerámica sin agrietarse. Por lo tanto, en caso de accidente, cuando se deba tolerar una temperatura elevada durante un breve período de tiempo y se deba mantener la separación de los distintos elementos combustibles, pero no se requiera la conservación tras el accidente de las capacidades para mantener el 100 % de la integridad mecánica para su reutilización, el fallo por oxidación/corrosión extensiva de las partes metálicas del sistema de revestimiento no sería catastrófico. La estructura restante, posterior al accidente, del revestimiento de combustible consiste esencialmente en la cerámica tolerante a las altas temperaturas y, en particular, en el tejido de fibra de soporte mecánico retenido (capa intermedia 29) que presenta capacidad de retención de restos de combustible, es decir, de forma que la estructura oxidada restante actúa como "calcetín" tejido para retener las pastillas de combustible.

Aunque se han descrito en detalle realizaciones específicas de la invención, los expertos en la materia apreciarán que podrían desarrollarse diversas modificaciones y alternativas a esos detalles a la luz de las enseñanzas generales de la divulgación. En consecuencia, las realizaciones particulares desveladas pretenden ser únicamente ilustrativas y no limitantes en cuanto al alcance de la invención, que viene dado por las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un revestimiento de barras de combustible nuclear multicapa que contiene material cerámico y metálico para barras de combustible (21), que comprende:

una capa interna (23) que tiene una superficie interior (25) y una superficie exterior (27) compuesta de aleación de metal seleccionada entre el grupo que consiste en un acero austenítico, un acero ferrítico-martensítico, una aleación de hierro, una aleación de circonio, una aleación de titanio y combinaciones en capas de los mismos; una cavidad formada por la capa interna (23) para contener combustible nuclear;

una capa intermedia (29) que tiene una superficie interior (31) y una superficie exterior (33), formada sobre la superficie exterior (27) de la capa interior (23), comprendiendo la capa intermedia (29): un material compuesto, que comprende:

fibras entrelazadas que comprenden fibras tejidas o trenzadas de carburo de silicio, fibras tejidas o trenzadas de alúmina, y mezclas o combinaciones de las mismas; y

una matriz que comprende un carburo de silicio, una alúmina y mezclas o combinaciones de los mismos; o fibras entrelazadas que comprenden fibras tejidas o trenzadas de carburo de silicio, fibras tejidas o trenzadas de alúmina, y mezclas o combinaciones de las mismas; y

una capa externa (35) depositada sobre la superficie exterior (33) de la capa intermedia (29) compuesta de una aleación metálica que comprende una aleación de hierro-cromo-aluminio opcionalmente con una adición de itrio.

2. El revestimiento multicapa (21), según la reivindicación 1, en donde la capa interna (23) está estructurada para formar un tubo cilíndrico.

3. El revestimiento multicapa (21), según la reivindicación 1, en donde las fibras entrelazadas están en forma de mallas de fibras configuradas en una estructura tejida o enrollada.

4. El revestimiento multicapa (21), según la reivindicación 1, en donde la matriz se deposita sobre y en una estructura de fibra cerámica tejida o enrollada.

5. El revestimiento multicapa (21), según la reivindicación 1, en donde la capa externa (35) está en forma de un recubrimiento.

6. El revestimiento multicapa (21), según la reivindicación 1, en donde la capa exterior (35) tiene un revestimiento resistente a la oxidación.

7. Un método de formación del revestimiento de barras de combustible nuclear multicapa (21) que contiene cerámica y metal, según la reivindicación 1, que comprende:

formar una capa interna (23) que tiene una superficie interior (25) y una superficie exterior (27) compuesta de una aleación de metal seleccionada entre el grupo que consiste en un acero austenítico, un acero ferríticomartensítico, una aleación de hierro, una aleación de circonio, una aleación de titanio y combinaciones en capas de los mismos;

estructurar la capa interna (23) para formar una cavidad (24) para contener combustible nuclear;

aplicar una capa intermedia (29) que tiene una superficie interior (31) y una superficie exterior (33), a la superficie externa (27) de la capa interior (23), que comprende:

obtener fibras que comprenden fibras tejidas o trenzadas de carburo de silicio, fibras tejidas o trenzadas de alúmina, y mezclas o combinaciones de las mismas, en forma de mallas de fibras;

envolver, enrollar o trenzar las mallas sobre la capa interna (23);

formar una estructura de fibra tejida, en la que se forman huecos; y

depositar una matriz que comprenda un carburo de silicio, una alúmina y mezclas o combinaciones de los mismos sobre la estructura cerámica tejida, empleando un proceso seleccionado entre deposición química en fase vapor, infiltración química en fase vapor e infiltración sol-gel, para rellenar al menos parcialmente los huecos; y

depositar una capa externa (35) que tiene una superficie interior y una superficie exterior (33) sobre la superficie exterior de la capa intermedia (29) compuesta de una aleación metálica que comprende una aleación de hierrocromo-aluminio opcionalmente con una adición de itrio, mediante un procedimiento seleccionado del grupo que consiste en arco, fase líquida y pulverización en frío.

8. El método, según la reivindicación 7, en donde la capa externa encapsula el revestimiento para barras de combustible nuclear.