JP2014130143A - 軽水型原子炉（ｌｗｒ）核燃料バンドルのための耐腐食燃料棒に関する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）核燃料バンドルに関する耐腐食燃料棒のための方法および装置を提供する。
【解決手段】耐腐食粒子２５ａが混入された塗布材が、燃料棒クラッド２４の溶融した薄い層に溶融される、そうでなければ熔解される。塗布材は、燃料棒クラッド２４と化学的に適合可能な材料で作製されており、耐腐食粒子２５ａが再凝固したクラッド材２４の薄い層内に捕捉されることで、クラッド２４の外側層上に効果的かつ弾性の耐腐食層２６ａを形成することを可能にする。
【選択図】図５Ａ

Description

一例の実施形態は一般に、原子炉に関し、より詳細には軽水型原子炉（ＬＷＲ）核燃料バンドルのための耐腐食燃料棒に関する方法および装置に関する。この方法および装置は、埋め込まれたセラミック粒子を使用して燃料棒クラッドの外側層の中に組み込まれた耐腐食層を含むことができる。この粒子は、クラッドの薄い層を溶融させ、クラッドを再凝固させることによりクラッド材母材内で粒子を捕捉することによって燃料棒クラッドの表面に組み込むことができる。

図１に示されるように、従来式の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）原子炉燃料組立体１０は、燃料棒１４を備えたチャネル１２を含んでおり、このチャネルは、原子炉に熱エネルギーを提供することで水を加熱し蒸気にすることができる。本明細書における考察のほとんどは、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）燃料組立体１０を対象としているが、一例の実施形態は、一般に軽水型原子炉（ＬＷＲ）にも適用され得ることを理解されたく、これには加圧水型原子炉（ＰＥＲ）およびカナダ型重水（ＣＡＮＤＵ）原子炉が含まれる。蒸気は、蒸気タービン（図示せず）を通って循環し、熱エネルギーを仕事に変換し、最終的には電気を生成するために生成される。燃料棒１４は、下方タイプレート１８にアンカー留めされてよく、スペーサ２２を貫通して組立体１０内の様々な軸方向の高さまで延在することができる。例えば燃料棒１４の全長は、上方タイプレート２０まで延在することもあり、燃料棒の長い部分１４ａの長さは、上方タイプレート２０のすぐ下に延在する場合もある。燃料棒の短い部分１４ｂの長さは、最も下のレベルのスペーサ２２をちょうど超えるように延在するにすぎない場合もある。燃料棒１４は、核燃料ペレット１６（図２により詳細には示される）を中に含んでおり、このため燃料棒１４のクラッド２４の完全性は、確実に燃料１６が燃料棒１４の範囲から漏れないようにするために重要である。燃料組立体１０の範囲から漏れ出し、ＢＷＲ蒸気サイクル内に位置する装備全体に拡散する漏出燃料は、ＢＷＲシステムの保守における大きな損害および／または発電所の停止を引き起こす可能性がある。

運転中、燃料組立体１０の中を流れる水と蒸気は、遊離した金属削りくず、ワイヤおよび典型的には燃料棒１４から離れた原子炉の場所で発生する他の材料の形態の異物（デブリ）含むことが多い。このような物質は、柔らかい燃料棒材料（ジルコニウム合金から作製されることが多い）を摩耗させたり腐食させたりするには十分な固さであり得る。原子炉の運転中、このようなデブリは、下方タイプレート１８内の開口へと拡散し、燃料バンドルに進入する。デブリはまた、給油する際、上方タイプレート２０からも燃料バンドルに進入する可能性がある。ひとたびバンドル内に入ると、デブリは、スペーサ２２に入り込み、ここでそれは擬似浮遊状態に維持される可能性がある（流体流れにより）。デブリによって、各々の燃料棒１４のクラッド２４が、特にデブリ擦過腐食を受けやすくなる可能性がありその一方で、デブリは、周期的に燃料棒に接触し、燃料棒１４の壁を貫通するのに十分な摩耗力を加える可能性がある。過酷な摩耗力はまた、スペーサ２２に接触する燃料棒１４の一部にかけられる場合もある（これは特にＰＷＲの場合であり、この場合グリッドから燃料棒までの擦過腐食、すなわちＧＲＥが一般的であり得る）。燃料棒１４を組立体１０のチャネル１２の中に（およびチャネル１２から外に出す）挿入する際、燃料棒１４が他の燃料組立体１０の構成要素に接触する可能性があるため、クラッド２４の摩耗はさらに、燃料組立体１０を製造および保守する際に生じる場合もある。

燃料棒１４のクラッド２４は典型的には、ジルコニウム合金から製造される。原子炉の過酷な環境は、燃料棒クラッド２４に加えされる構造上の変更および／または材料が、いくつかの制約を満たさなければならないことを要求する。先ず、クラッドに塗布されるいずれの耐摩耗材も、燃料組立体内に見られる金属デブリ粒子による摩滅に効果的に耐えるために、この粒子とほぼ等しいまたはこれより固くなければならない。２番目に、クラッドに塗布されるいずれの材料も、クラッドの熱膨張に適合し、クラッドとの強力な接着を形成する必要がある。３番目に、クラッドに塗布されるいずれの材料も原子炉内の化学的な環境に耐える必要があり、これにはＢＷＲの場合特徴的に高温の水および蒸気が含まれ、ＰＷＲの場合は水素化リチウムおよびホウ酸が含まれる。４番目に、クラッドに塗布されるいずれの材料の厚さも燃料棒の周りの水の流れが有意に妨害されないように相対的に薄くなければならない。５番目に、クラッド塗布されるいずれの材料も好ましくは、クラッドの完全性を維持するために、４００℃を超えるクラッド管の加熱作業を必要としないプロセスに適用可能である。６番目に、燃料棒に塗布されるいずれの材料もクラッド材料と反応しない、またはクラッドと環境の間に反応を生じさせてはならない。

様々な形態および機能のコーティングが従来より燃料棒クラッドに塗布されており、連続する異種の材料層をクラッドに設けることで摩耗からそれを保護する。例えばホウ素−１０を豊富に含むガラスの薄いコーティングが、燃料棒クラッド上に付着された。例えばニッケル、鉄マンガンまたはクロムの母材金属とホウ素化合物を提供してクラッドの外側を被覆するために、燃料棒クラッドの電気めっきも使用されてきた。さらに揮発性のホウ素化合物の蒸着もクラッドに適用されてきた。最後に、イオンアシスト真空蒸着技法、例えば陰極アークプラズマ（ＣＡＰＤ）が、燃料棒クラッド上に薄膜を蒸着させ耐摩耗性を高めるのに採用されてきた。これらの従来の方法のそれぞれの使用は、耐摩材のコーティングまたは層が、実際のクラッド自体の中は組み込まれない連続する層または保護を形成するのみである。

米国特許第５２６８９４６号明細書

一例の実施形態は、軽水型原子炉（ＬＷＲ）核燃料バンドルのための耐腐食燃料棒を提供するための方法および／または装置を提供する。具体的には、耐腐食層は実際の燃料棒クラッド自体の外側層の中に組み込むことができる。耐腐食層は、埋め込まれたセラミック粒子を含むことができ、この粒子は、典型的には燃料棒の破損を引き起こす異物の摩耗に耐えるのに十分な固さを有する。この粒子は、クラッドの薄い層またはクラッドとほぼ同様の材料を溶融させ、粒子の周りでそれを再凝固させ、改変されたクラッド内に粒子が捕捉されるのを確実にすることによって燃料棒クラッドの中に組み込むことができる。

一例の実施形態の上記のおよび他の特徴および利点は、一例の実施形態を添付の図面を参照してより詳細に記載することによってより明らかになるであろう。付随する図面は、一例の実施形態を描くことを意図しており、その特許請求の範囲の意図される範囲を限定するように解釈すべきではない。付随する図面は、はっきりと指摘されない限り、縮尺通りに描かれているとみなすべきではない。

従来の沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）燃料組立体の斜視図である。 従来の燃料棒の断面図である。 一例の実施形態による燃料棒の断面図である。 一例の実施形態による放電プロセスを描く概略図である。 一例の実施形態による放電プロセスの方法ステップを示すフローチャートである。 異なる層の厚さ、粒子サイズおよび粒子の異なる数密度を使用する耐腐食層を描く簡素化された概略図（縮尺通りではない）である。 異なる層の厚さ、粒子サイズおよび粒子の異なる数密度を使用する耐腐食層を描く簡素化された概略図（縮尺通りではない）である。 異なる層の厚さ、粒子サイズおよび粒子の異なる数密度を使用する耐腐食層を描く簡素化された概略図（縮尺通りではない）である。 異なる層の厚さ、粒子サイズおよび粒子の異なる数密度を使用する耐腐食層を描く簡素化された概略図（縮尺通りではない）である。 異なる層の厚さ、粒子サイズおよび粒子の異なる数密度を使用する耐腐食層を描く簡素化された概略図（縮尺通りではない）である。 異なる層の厚さ、粒子サイズおよび粒子の異なる数密度を使用する耐腐食層を描く簡素化された概略図（縮尺通りではない）である。 一例の実施形態によるコールドスプレープロセスを描く概略図である。 一例の実施形態によるコールドスプレープロセスの方法ステップを示すフローチャートである。

詳細な一例の実施形態が本明細書に開示されている。しかしながら本明細書に開示される特定の構造および機能の詳細は単に、一例の実施形態を記載する目的として代表であるにすぎない。しかしながら一例の実施形態は、多くの代替の形態において具現化されてよく、本明細書に記載される実施形態のみに限定されるものと解釈すべきではない。

したがって一例の実施形態は、様々な修正形態および代替形態が可能であり、その実施形態は、一例として図面中に示され、本明細書に詳細に記載されることになる。しかしながら一例の実施形態を開示される特定の形態に限定することは意図されていないが、それとは反対に、一例の実施形態は、一例の実施形態の範囲内にある全ての修正形態、等価物および代替形態を包含すべきことを理解されたい。同様の数字は、図面の記述を通して同様の要素を指している。

第１、第２などの用語は、種々の要素を記述するために本明細書で使用されてよいが、これらの要素は、このような用語によって制限されるべきではないことを理解されたい。このような用語は単に１つの要素を別の要素から区別するために使用されているだけである。例えば一例の実施形態の範囲から逸脱することなく、第１の要素が第２の要素と呼ばれる場合もあり、同様に第２の要素が第１の要素と呼ばれる場合もある。本明細書で使用される場合、用語「および／または」は、１つまたは複数の関連して列挙された要素の任意のおよび全ての組み合わせを含む。

ある要素が別の要素に「接続される」または「結合される」と称される場合、それは他の要素に直接的に接続または結合される場合、あるいは仲介要素が存在する場合があることが理解されよう。対照的に特定の要素が、別の要素に「直接接続される」または「直接結合される」と称される場合、仲介要素は存在しない。要素同士の関係について述べるのに使用される他の単語も同様に解釈すべきである（例えば「〜の間」と「直接的に〜の間」、「隣接する」と「直接隣接する」など）。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態を記述することのみを目的としており、一例の実施形態を制限することは意図されていない。本明細書で使用される場合、単数形態「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、その文脈がそうでないことを明らかに指摘しない限り、複数形態も同様に含むことが意図されている。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、本明細書で使用される場合、述べられる特徴、整数、ステップ、動作、要素および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素および／またはその集合体の存在または追加を排除するものではないことをさらに理解されたい。

また一部の代替の実装形態では、指摘される機能／作用は図面中で指摘される順番以外で生じる場合もあることに留意されたい。例えば連続して示される２つの図面は、実際にはほぼ同時に実施される場合、あるいは時には逆の順番で実施される場合もあり、これは関連する機能／作用に左右される。

図３は、一例の実施形態による燃料棒１４の断面図である。図３に示されるように、燃料棒１４のクラッド２４は、クラッド２４の耐摩耗性を高めるために耐腐食層２６を含む場合がある。耐腐食層２６は、実際のクラッド２４自体の中に埋め込まれるセラミック粒子を含むことができる。この粒子は、本明細書に詳細に記載されるようにクラッドに塗布されることができる。

放電（ＥＳＤ）
図４は、一例の実施形態による放電（ＥＮＤ）プロセスを描く概略図である。ＥＳＤは、クラッドと耐摩耗層の間に本物の金属結合を実現することができるプロセスである。このプロセスは、電極３０（耐摩耗粒子を包含する）と燃料棒のクラッド２４の間に電圧差を生成することでクラッドに電極材料を付着させるステップを伴い得る。電極の先端３０ａは、クラッド２４に接触することができ、その一方で周期的な電気パルスが、電極３０に印加されることでプラズマアーク３４を形成する高いエネルギー密度を生成することができる。プラズマアーク３４に関連する熱によって、電極の先端３０ａをクラッド２４に付着させる。先端３０ａをクラッド２４の表面に沿って進ませることによって、硬化された電極材料（耐摩耗粒子を包含する）と、再硬化されたクラッド２４で構成される耐腐食層２６が拡散層３６の上に形成される。

図４Ａは、一例の実施形態による、放電プロセスの方法ステップを示すフローチャートである。ステップＳ４０に示されるように、電極３０（図４）は、帯電されてよい（クラッド２４に対して）。電極３０に印加される電圧は、例えばおよそ１５０Ｖでよい。ステップＳ４２で、電極の先端３０ａが、クラッド２４と接触させられ、電気が、例えばおよそ５０〜６０Ｈｚの周波数で循環する。例えばおよそ１００〜５００マイクロ−ファラッドの範囲のコンデンサバンク（電極に付加された）の放電が、電極の先端３０ａとクラッド２４の間にアークを生成することで、電極およびクラッドの表面を溶融させることができる。ステップ４４で、電極の先端３０ａはその後、クラッド２４の表面に沿って移動されられることで（およそ０．５インチ／分）、電極をクラッド２４上に付着させることができる。その結果として生じる耐腐食層２６は、電極材料と、クラッドの表面材料の混合物である。

セラミック粒子
セラミック粒子が電極の中で使用され、耐腐食層に摩耗に耐えるのに必要な固さを与えることができる。この耐腐食粒子の考察は、ＥＳＤプロセスの文脈において記載されているが、このような粒子に関する要件は、本明細書に記載されるようにクラッドに粒子を塗布する他のプロセスにも等しく適用可能であることを理解すべきである。

耐腐食粒子を作製するのに使用され得る容認可能なセラミック粒子は、炭化ジルコニウムまたは安定化ジルコニアを含むことができるが、一例の実施形態は、これらの材料に限定されるべきではない。耐腐食粒子に関する他の要件は以下の通りである。

１．耐腐食コーティングは、クラッドの腐食を阻止する固さを有する必要がある（典型的には＞３０Ｒｃ）。

２．粒子は、ベースクラッド材（標的材）と、塗布材（電極内に包含される材料）の両方に適合する必要がある。すなわち粒子は、処理の結果として不利な化学反応を引き起こしたり、あるいは不利な材料相を形成したりすべきでない。

３．粒子は、クラッドに塗布される際、損傷を受けないことを確実にするために塗布プロセスに適合すべきである。

４．粒子の元素組成の選択は、中性子消費および同位体の励起の影響の考慮を含むべきである。高い中性子断面積を有する元素は、出力に悪影響を与える可能性があり、その一方で特定の元素、ＺｎおよびＣｏなどは、望ましくない励起により、職員の吸収量および燃料棒貯蔵問題に悪影響を与える可能性のある同位体になる可能性がある。

塗布材および耐腐食粒子
電極は、耐腐食材と塗布材の両方を包含することができる。ＥＳＤプロセスにおいて、塗布材およびクラッド（標的材、そうでなければ基材として知られる）は、溶融し再凝固されることで塗布材と基材の混合物を形成し、耐腐食改変層２６（図４に示される）の中で分散した耐腐食粒子を捕捉することができる。塗布材と基材の間の拡散遮蔽層３６は、薄い層（数ミクロンの厚さ）であってよく、ここで２つの材料が金属結合を形成する。よって塗布材の特性と、耐腐食粒子サイズと、粒子密度の間には、本明細書で記載されるように特定の関係性が存在する。この関係性は、ＥＳＤプロセスの文脈で記載されているが、この関係性はまた、この文書において記載されるように、クラッドに粒子を塗布する他のプロセスにも適用されることを理解されたい。

耐腐食層の全体の厚さ、耐腐食層における耐摩耗粒子のサイズおよび数密度は、運転中に燃料棒クラッドの作用に影響を与える。耐腐食層が厚すぎる場合、この層によって、作用中の燃料バンドル内に望ましくない熱水力問題が生じる可能性がある。耐腐食層が厚すぎる場合、燃料棒の全体の直径もまた、燃料棒が、他の燃料バンドル構成要素からの適切なゆとりを提供することができない地点まで増大する可能性がある（および運転中の棒の周りで適切に流体が流れることができない）。耐腐食層が薄すぎる場合、この層の腐食を軽減する力が損なわれる可能性がある。したがって耐腐食層の好ましい厚さ（ベースクラッド材、電極からの塗布材および電極からの耐腐食粒子を包含する）は、およそ０．５〜２ミルである。しかしながら耐腐食層の他の厚さ、例えば１０ミル以下の厚さ、好ましくは５ミル以下、さらにより好ましくは３ミル以下の範囲の厚さも使用される場合がある。

許容可能な粒子サイズも耐腐食層を形成する際に考慮すべき問題である。図５Ａ〜図５Ｆは、異なる層の厚さ、異なる粒子２５サイズおよび粒子２５の異なる数密度を使用する耐腐食層２６を描く簡素化された概略図である（縮尺通りではない）。図５Ａおよび図５Ｂは、小さな直径の粒子２５ａを有する耐腐食層２６ａ／２６ｂを有するクラッドを示している。図５Ａに示されるように、耐腐食層の厚さが厚く、小さな直径の粒子２５ａが使用される場合、適切な粒子の有効範囲を提供するには粒子２５ａの数密度を上げることが必要とされる。図５Ｂの一例の実施形態は、より薄い耐腐食層２６ｂが小さな直径の粒子２５ａと共に使用されることで、より多くの粒子が耐腐食層２６ｂの外側の面に確実に配置されるため、より優れた腐食に対する保護を提供することができる（ほぼ同一の数密度の粒子が図５Ａおよび図５Ｂで使用され、より効率的な粒子の使用は図５Ｂに示されており、この場合より多くの粒子が耐腐食層の表面付近に配置されることに留意されたい）。図５Ｃおよび図５Ｄは、同様の数密度の中間サイズの粒子２５ｂを使用しており、図５Ｄの方がわずかにより効率的な耐腐食性を提供する（より多数の粒子２５ｂが、図５Ｄの耐腐食層２６ｄの外側の面付近に配置されることに留意されたい）。図５Ｅおよび図５Ｆは、大きなサイズの粒子２５ｃを使用しており、より効率的な耐腐食層２６ｅは図５Ｅに示される（図５Ｆは、余りに薄い耐腐食層２６ｆを使用するため、使用中クラッド２４から分離し得る粒子２５ｃを完全に露出させる）。したがって図５の簡素化された概略図に基づいて、粒子２５は、耐腐食層２６の中に捕捉されたままであるように十分に小さくする必要があり、その一方で腐食を効率的に軽減するように十分な大きさにする必要があることを理解されたい。追加として、粒子サイズ２５が縮小される際、粒子の数密度を上げることで耐腐食層２６の中に粒子２５の効率的な有効範囲を形成する必要がある（特に耐腐食層２６の厚さも増大する場合）。したがって耐腐食層２６の中に適切な粒子２５の有効範囲を形成するには、粒子が、電極内に細かく分散される必要がある。約２〜１５ミクロンほどの直径を有する粒子が好ましくは使用されることで、以下の表１に示されるように粒子が電極内に分散されることを保証することができる。

電極
以下は、耐腐食粒子を包含する種々の好適な電極の特徴を記載する表である。表１の電極は、ジルコニウム合金でできた燃料棒クラッドに耐腐食層を施すためにＥＳＤプロセスの使用することを目的として選択されている。しかしながらＥＳＤプロセスは、燃料棒クラッド以外の別の構成要素に耐腐食コーティングを塗布するのに使用される場合もあることを理解されたい。これに加えて、ＥＳＤプロセスは、ジルコニウム以外の別の標的材に耐腐食コーティングを塗布するのに使用される場合もある。電極の芯材（すなわち塗布される材料）は理想的にはクラッド材（標的材、これはこのケースではジルコニウムである）と適合すべきである。すなわち電極の芯材は、標的材のものとは異なる材料であるべきではない。２つの材料が同様であることを確実にするために、芯材（これは合金であってよい）は、少なくとも１つの共通の化学元素を標的材と共有することができる。例えば表１（以下の）の電極芯材をジルコニウムクラッドに塗布する際、２つの材料間の共通の化学元素は、ジルコニウム（Ｚｒ）である。ジルコニウムの共通化学元素を使用する際、電極芯材中のジルコニウムの範囲は好ましくは、少なくとも９０％のジルコニウム（重量により、但し混入された粒子の重量は含まない）、より好ましくは９５％を超えるジルコニウム、さらに好ましくは９７％を超えるジルコニウム、最も好ましくは９８％のジルコニウムであってよい。

表１の一例の材料は、最終的な耐腐食層に関わらず良好に作用する（中性子吸収が低い材料により）好ましい材料の単なる例であることを理解されたい。しかしながらより高い中性子吸収率を有する塗布材が使用される場合もある。寄生的中性子吸収のこのような上昇を最小限にするために、耐腐食コーティングの厚さを最小限にすることができる。万一、好ましくない塗布材（典型的にジルカロイ材に関連する中性子吸収率を超える）を使用する場合には、最終的な耐腐食材の厚さは好ましくは５ミルを超えるべきではない（好ましくは３ミルを超えない、より好ましくは２ミルを超えない、最も好ましくは１ミルを超えるべきではない）。

コールドスプレー（運動学的金属被覆プロセス）
図６は、一例の実施形態によるコールドスプレープロセスを描く概略図である。コールドスプレーは、燃料ガスまたは極端な電気的加熱を必要とせずに、当初の耐摩耗粒子の組成および相を維持することができる運動学的金属被覆プロセスである。コールドスプレーは、溶射プロセスの一部とみなすことができる。このプロセスは、高圧ガス供給源９４内での不活性ガスの圧縮ステップ、およびこの高圧ガスの一部を、耐腐食粒子が混入されるコーティングパウダー（パウダーフィーダ９２内にある）と混合するステップを伴う場合がある。高圧ガスの一部または全てを、コールドスプレーガン８０の収容口８２に噴射される前に、およそ１０００℃までの温度に加熱することができる。ガン８０はノズル８４を含んでもよく、このノズルは、加圧され、加熱されたガスの流れを制限することで、ガン８０のバレル８６内のガスの速度をおよそ５００から９００ｍ／ｓの速度に上昇させることができることができる。コールドスプレーガス８８の吐出流が、標的クラッドからおよそ２０〜４０ミリメートルの距離のところでガン８０から吐出されることで、クラッド２４上に耐腐食層２６を形成することができる。コールドスプレーガス８０の運動力学エネルギーによって、混入する耐腐食粒子とクラッド間に小さなミクロ溶接を形成する局所的な熱エネルギーを生成することができ、これがクラッド２４を溶融させ（拡散障壁層３６まで下方に）粒子を耐腐食層２６内に効果的に融合させる。

図６Ａは、一例の実施形態によるコールドスプレープロセスの方法ステップを示すフローチャートである。方法ステップＳ１００に示されるように、不活性ガスが加圧され、コールドスプレープロセスのための適切な速度を実現することができる。ステップＳ１０２で、加圧ガスが１０００℃の高さの温度まで加熱され、コーティングパウダー（以下に記載する）と共に噴射させることができる。ステップＳ１０４で、ガスはその後、およそ５００から９００ｍ／ｓの速度まで加速させることができる。Ｓ１０６で、高速ガスは、図６に示されるようにクラッド２４上に耐腐食層２６を形成するようにクラッドに誘導することができる。

コーティングパウダー
耐腐食材の厚さ、粒子サイズおよび粒子の数密度の考察もまた、ＥＳＤプロセスに関連して考察したようにこの塗布方法に適用可能であることを理解されたい（基材は粉体形態でなければならないことの理解とともに）。以下は、種々の好適なコーティングパウダーの特徴を記載する表である。理想的には、パウダーの組成は、標的材と適合すべきである（このケースでは、標的材は、ジルコニウムから作製された燃料棒クラッドと仮定される）。

パウダーの粒子サイズは、ガス流によって標的クラッドまで運ばれるのに十分小さくするべきであり、クラッドと衝突する際に溶融および変形を維持するのに十分な質量を有するのに十分大きい必要がある。したがってパウダーの粒子サイズは、ガス組成、温度および速度などの他のプロセスパラメータに左右される。

ＥＳＤ（および表１）と同様に、表１の一例の材料は、最終的な耐腐食層に関わらず良好に作用する（材料の中性子吸収が低いことにより）好ましい材料の単なる例であることを理解されたい。しかしながら、極めて薄い耐腐食の厚さが使用される場合に限って、より高い中性子吸収率を有する塗布材が使用される場合もある。万一、好ましくない塗布材を使用する場合（典型的にはジルカロイ材に関連する中性子吸収率を超える）、最終的な耐腐食材の厚さは、好ましくは５ミルを超えるべきではない（好ましくは３ミルを超えない、より好ましくは２ミルを超えない、最も好ましくは１ミルを超えるべきではない）。

他の用途
上記に記載されるＥＳＤおよびコールドスプレープロセス以外の他のプロセスもまた、標的材上に耐腐食層を形成するのに使用される場合もあることを理解されたい。標的材は、燃料棒クラッド以外の構成要素の場合もある。標的材は、ジルコニウムまたはジルコニウム合金以外の材料から作製される場合もある。他のこのようなプロセスは、耐腐食粒子が混入する塗布材が、標的材と適合する塗布材を使用することによって標的材の薄膜に確実に付着し、これにより耐腐食粒子が効果的に標的材母材自体の中に確実に捕捉されることを保証すべきである。

場所
上記に記載される方法のコストを下げ全体的な効果を上げるためには、標的材が耐腐食層によって完全に被覆されない必要がある。代わりに耐腐食層の塗布は単に、最も頻繁にデブリ損傷が生じる場所である燃料棒（または原子炉内の他の構成要素）の領域のみに適用されるだけでよい。詳細には耐腐食層は、スペーサグリッド付近に位置決めされるべき燃料棒クラッドに塗布されるだけでよい（耐腐食コーティングは、スペーサグリッドの場所より数センチメートル上からスペーサグリッドの場所の数センチメートル下までに及ぶ場所に塗布される）。およそ７〜９個のスペーサの場所が一般に典型的な原子炉内に存在するため、故に耐腐食層は燃料棒に沿って各々の燃料棒の外側面に沿っておよそ７〜９つの帯域に塗布されてよい。耐腐食層はまた、高度のシャドウ腐食、擦過腐食または他のこのような摩耗に遭遇する原子炉の他の領域および他の構成要素に塗布される場合もある。

一例の実施形態をこのように記載してきたが、これらは、多くの方法で変更される場合があることは明白である。そのような変形形態は、一例の実施形態の意図される趣旨および範囲から逸脱するものとみなすべきではなく、当業者に明白である全てのそのような修正形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内に含まれることが意図されている。

１０ ＢＷＲ原子炉燃料組立体
１２ チャネル
１４ 燃料棒
１４ａ 長い部分
１４ｂ 短い部分
１６ 核燃料ペレット
１８ 下方タイプレート
２０ 上方タイプレート
２２ スペーサ
２４ クラッド
２５、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ 粒子
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ、２６ｅ、２６ｆ 耐腐食層
３０ 電極
３０ａ 電極の先端
３４ プラズマアーク
３６ 拡散遮蔽層
８０ コールドスプレーガン
８２ 収容口
８４ ノズル
８６ バレル
８８ コールドスプレーガス
９２ パウダーフィーダ
９４ 高圧ガス供給源
Ｓ４０ 電極を充電する
Ｓ４２ 電極の先端をクラッドに触れさせる
Ｓ４４ 電極をクラッドの表面に沿って移動させ耐腐食層を形成する
Ｓ１００ ガスを加圧する
Ｓ１０２ ガスを加熱し、コーティングパウダーと共に噴射する
Ｓ１０４ ガスを高速まで加速させる
Ｓ１０６ 高速ガスをクラッドに誘導する

Claims (24)

1. 原子炉構成要素に耐腐食層を付加する方法であって、
   耐腐食粒子を塗布材中に混入させるステップと、
   前記原子炉構成要素の表面の層を溶融させるステップと、
   前記塗布材および耐腐食粒子を前記原子炉構成要素の前記溶融した表面層に塗布することによって前記耐腐食層を形成するステップであって、前記塗布材と前記原子炉構成要素の前記表面層が共通の化学元素を共有するステップと、
   前記耐腐食層を冷却することを可能にするステップとを含む方法。
2. 前記塗布材と前記原子炉構成要素の前記表面層が化学的に適合可能であることにより、前記塗布材と前記原子炉構成要素の前記表面層が、互いに不利な化学反応を生じることがなく、前記耐腐食層内に不利な材料相を形成しない、請求項１記載の方法。
3. 前記共通の化学元素がジルコニウムである、請求項１記載の方法。
4. 前記塗布材の組成が、前記共通の化学元素の少なくとも９０重量パーセントであり、前記９０重量パーセントは、前記混入した耐腐食粒子の重量を含まない、請求項１記載の方法。
5. 前記塗布材の組成が、前記共通の化学元素の少なくとも９５重量パーセントである、請求項４記載の方法。
6. 前記耐腐食粒子もまた前記共通の化学元素を共有する、請求項１記載の方法。
7. 前記共通の化学元素がジルコニウムであり、
   前記原子炉構成要素がジルコニウム製クラッドであり、
   前記塗布材がジルコニウム合金である、請求項６記載の方法。
8. 前記耐腐食粒子が、炭化ジルコニウムおよびイットリア安定化ジルコニアの一方である、請求項７記載の方法。
9. 前記耐腐食粒子が、およそ１０〜２０体積パーセントで前記塗布材中に存在する、請求項１記載の方法。
10. 前記耐腐食粒子が、少なくとも１３００ｋｇ／ｍｍ²の固さを備えたセラミック粒子である、請求項１記載の方法。
11. 前記耐腐食層の厚さが１０ミル以下である、請求項１記載の方法。
12. 前記塗布材および耐腐食粒子を前記原子炉構成要素の前記溶融した表面層に塗布するステップが、放電（ＥＳＤ）プロセスを伴う、請求項１記載の方法。
13. 前記塗布材がＥＳＤ電極である、請求項１２記載の方法。
14. 前記塗布材および耐腐食粒子を前記原子炉構成要素の前記溶融した表面層に塗布するステップが、コールドスプレープロセスを伴う、請求項１記載の方法。
15. 前記塗布材がコールドスプレーコーティングパウダーである、請求項１４記載の方法。
16. 耐腐食層を備えた原子炉構成要素であって、
    本体と、
    前記本体の表面上の耐腐食層とを備え、
    前記耐腐食層が、
    前記本体の溶融し冷却された層と、
    塗布材と、
    耐腐食粒子とを含み、
    前記塗布材および前記本体の前記溶融し冷却された層が、共通の化学元素を共有する
    原子炉構成要素。
17. 前記塗布材および前記本体の前記溶融し冷却された層が、化学的に適合可能であることにより、前記塗布材および前記本体の前記溶融し冷却された層が、互いに不利な化学反応を生じることがなく、前記耐腐食層内に不利な材料相を形成しない、請求項１６記載の原子炉構成要素。
18. 前記共通の化学元素がジルコニウムである、請求項１６記載の原子炉構成要素。
19. 前記耐腐食粒子も前記共通の化学元素を共有する、請求項１６記載の原子炉構成要素。
20. 前記共通の元素がジルコニウムであり、
    前記本体がジルコニウム製クラッドであり、
    前記塗布材がジルコニウム合金である、請求項１６記載の原子炉構成要素。
21. 前記耐腐食粒子が、炭化ジルコニウムおよびイットリア安定化ジルコニアの一方である、請求項２０記載の原子炉構成要素。
22. 前記耐腐食粒子が、少なくとも１３００ｋｇ／ｍｍ²の固さを備えたセラミック粒子である、請求項１６記載の原子炉構成要素。
23. 前記耐腐食層の厚さが１０ミル以下である、請求項１６記載の原子炉構成要素。
24. 軽水型原子炉と、
    前記原子炉内の原子炉構成要素と、
    前記原子炉構成要素の表面上の耐腐食層とを備えるシステムであって、
    前記耐腐食層が、
    前記原子炉構成要素の溶融し冷却された層と、
    塗布材と、
    耐腐食粒子とを含み
    前記塗布材および前記原子炉構成要素の前記溶融し冷却された層が、共通の化学元素を共有する
    システム。