JP2016014663A - 原子炉部品をコロイド溶液で被覆する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】腐食を低減または防止するために、原子炉部品を被覆する方法を提供する。【解決手段】原子炉部品を第１の割合でコロイド溶液に導入して浸漬部品を得ることを含む。コロイド溶液は分散媒に分散相を含有する非架橋混合物である。分散相はｎ型金属酸化物粒子を含有することができる。方法はさらに、浸漬部品を第２の割合でコロイド溶液から取り出して湿潤部品を得ることを含む。方法はさらに、湿潤部品を乾燥させて乾燥部品を得ることを含む。方法は、さらに乾燥部品を焼成して被覆部品を得ることを含む。したがって、原子炉部品に腐食の発生を低減するまたは防止する保護層が設けられる。【選択図】図１

Description

本開示は、腐食を低減または防止するために、原子炉部品を被覆する方法に関する。原子炉部品の被覆にはコロイド法が含まれる。

原子炉の運転期間中に、原子炉内の様々な部品は時間と共に腐食を受けることがある。腐食はシャドー腐食の形態の場合もあり、これは燃料破損に至ることもある。腐食を受けやすい原子炉内の部品を保護するために、従来の手法を用いて、その部品に保護層を付着させてきた。典型的な付着プロセスには、たとえば化学蒸着（ＣＶＤ）がある。しかし、化学蒸着（ＣＶＤ）で保護層を形成することは、実施可能な取り組みではあるが、比較的高い生産コストを伴うことがある。

米国特許出願公開第２０１０／００１４６２４号明細書

原子炉部品を被覆する方法は、原子炉部品をコロイド溶液に第１の割合で導入して浸漬部品を得ることを含む。コロイド溶液は分散媒に分散相を含有する非架橋混合物である。分散相はｎ型金属酸化物粒子を含有することができる。方法はさらに、浸漬部品をコロイド溶液から第２の割合で取り出して湿潤部品を得ることを含む。また、方法は湿潤部品を乾燥させて乾燥部品を得ることを含む。方法はさらに、乾燥部品を焼成して被覆部品を得ることを含む。

本明細書の限定されない実施形態の種々の特徴および有利な点は、添付の図面を参照して詳細な説明を読めばさらに明らかになる。添付の図面は例示の目的のために単に提供されるだけであって、特許請求の範囲を限定するものとは解釈されない。添付の図面は、明示しない限り正寸とはみなされない。明確にするために、図面の種々の寸法が拡大されている場合もある。

例示の実施形態に係る焼成／アニーリング温度に基づいた比較的均一な被覆で被覆された部品の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。 比較実施形態に係る焼成／アニーリング温度に基づいた不均一な被覆で被覆された部品の走査型電子顕微鏡画像である。 例示の実施形態に係る乾燥時間および加熱割合に基づいた比較的均一な被覆で被覆された部品の走査型電子顕微鏡画像である。 比較実施形態に係る乾燥時間および加熱割合に基づいた不均一な被覆で被覆された部品の走査型電子顕微鏡画像である。

構成要素または層が、別の構成要素または層「の上に」、「に接続される」、「に連結される」、または、「を覆う」と記述される場合、直接に他の構成要素または層の上に、に接続される、に連結される、または、を覆うでもよいし、または介在する構成要素または層が存在してもよいことが理解されよう。対照的に、構成要素が別の構成要素または層「に直接上に」、「に直接に接続される」、「に直接に連結される」と記述される場合、介在する構成要素または層は存在しない。本明細書に亘って類似の参照番号は類似の構成要素を参照する。本明細書に用いられるように、用語の「および／または」は１つまたは複数の関連する列記した項目の何れかまたは全ての組み合わせを含む。

第１の、第２の、第３のなどの用語が本明細書に用いられて、種々の構成要素、部品、領域、層、および／または区分を説明することがあるが、これら構成要素、部品、領域、層、および／または区分がこれらの用語に限定されないことが理解されよう。これらの用語は１つの構成要素、部品、領域、層、または区分を、別の領域、層、または区分から単に区別するために用いられる。このように、以下に説明する第１の構成要素、部品、領域、層、または区分は、例示の実施形態の教示から逸脱することなく第２の構成要素、部品、領域、層、または区分と称することができる。

空間的に相対的な用語（たとえば、「下に」、「下方に」、「下側に」、「上方に」、「上側に」など）は、本明細書では、図に示されるように１つの構成要素や特徴部の別の構成要素（複数可）や特徴部（複数可）との関係を説明する表現を容易にするために用いられる場合もある。空間的に相対的な用語は、図に説明される向きの他に、使用するまたは動作する装置の異なる向きを含むことを意図することが理解されよう。たとえば、図の装置をひっくり返すと、他の構成要素または特徴部の「下方に」や「下に」のように説明された構成要素が、今度は他の構成要素または特徴部の「上方に」向く。このように、用語の「下方に」が下方および上方の両方の向きを含んでもよい。装置が他に（９０度回転されるか別の向きに）向いてもよいし、本明細書で用いられる空間的に相対的な記述はそのように解釈されてもよい。

本明細書で用いられる用語法は様々な実施形態を説明することだけを目的とするものであり、例示の実施形態を限定することを意図しない。本明細書で用いられるように、単数形の「ａ」、「ａｎ」や「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むものとする。さらに、用語「ｉｎｃｌｕｄｅ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」、および／または「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」は、本明細書で用いられる場合、記述された特徴部、整数、ステップ、動作、構成要素、および／または部品の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴部、整数、ステップ、動作、構成要素、部品、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことが理解されよう。

例示の実施形態を断面図を参照して本明細書で説明するが、断面図は例示の実施形態の理想的な実施形態（および中間体構造）の略図である。このように、たとえば、製造技術および／または公差の結果として図示の形状から変形が予期される。よって、例示の実施形態は本明細書で図示される領域の形状に限定するように解釈されず、たとえば、製造の結果である形状における逸脱を含むものである。たとえば、長方形として図示される埋め込み領域は、一般的に、埋め込み領域から非埋め込み領域への２値変化ではなく、丸まったまたは曲がったフィーチャおよび／またはその縁部での埋め込み濃度の傾斜を有する。同様に、埋め込みによって形成される埋没領域は、埋没領域およびそこを通じて埋め込みされる表面の間の領域で、ある程度埋め込みに至る場合もある。このように、図に示す領域が実際には概略であり、その形状は装置の領域の実際の形状を示すものでないし、例示の実施形態の範囲を限定する意図はない。

別に規定されない限り、本明細書で用いられる全ての用語（技術的および科学的用語を含む）は例示の実施形態の属する当業者が共通に理解するものと同じ意味を有する。さらに、用語は、共通に用いられる辞書で規定されるものを含み、関連技術の文脈における意味と矛盾しない意味を有するものと解釈され、本明細書にそのように明示的に規定されない限り、理想的または過度に形式的な感覚で解釈されないことが理解されよう。

本開示によれば、コロイド法を利用して保護層を部品上に形成してもよい。非限定的な実施形態において、部品は原子炉で使用される機械的な部品であってもよい。しかしながら、本方法は、原子炉の文脈に限定されるものではなく、部品の保護が望まれる他の技術的な用途を有することを意図することが理解されよう。

例示の実施形態によれば、原子炉部品を被覆する方法は、原子炉部品をコロイド溶液に導入することを含む。原子炉部品は、沸騰水炉（ＢＷＲ）部品であってよいが、但し例示の実施形態はそれに限定されるものではない。たとえば、原子炉部品は、燃料組立体（たとえば、スペーサ、タイプレート、制御ブレード）の一部分であってもよい。また、原子炉部品は、鉄−クロム系合金（たとえば、ステンレス鋼）またはニッケル−クロム系合金（たとえば、インコネル）で形成されてもいてもよい。

コロイド溶液は、分散媒中に分散相を含有する非架橋混合物である。具体的には、非架橋混合物は、重合体網目構造も、後に重合体網目構造を形成する架橋性前駆体も含有しない。コロイド溶液は、分散相（たとえば固形粒子）が分散媒（たとえば液体）中に懸濁された状態にある安定な系である。安定な系であるので、分散相は分散媒の中で凝集も沈殿もしない（反対に浮遊する）。コロイド溶液では、代わりに、ブラウン力（Ｂｒｏｗｎｉａｎ ｆｏｒｃｅ）が引力よりも大きい影響を分散相に有し、これによって分散相が分散媒の中に懸濁したままとなる。

一例では、分散相は、ｎ型金属酸化物粒子を含有する。たとえば、ｎ型金属酸化物粒子は、ｎ型遷移金属酸化物粒子でもよい。非限定実施形態において、ｎ型遷移金属酸化物粒子は、ＴｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＷＯ₃、ＺｎＯ、Ｔａ₂Ｏ₃、ＭｏＯ₃、およびＶ₂Ｏ₃の少なくとも１つを含有してもよい。ｎ型金属酸化物粒子は、２００ｎｍ未満の平均の大きさを有する。たとえば、ｎ型金属酸化物粒子は、１００ｎｍ未満（たとえば、５０ｎｍ未満）の平均の大きさを有する。また、ｎ型金属酸化物粒子は、比較的高い純度であってもよい。たとえば、ｎ型金属酸化物粒子内の不純物の総量は、１％未満（たとえば０．３％未満）であってもよい。ｎ型金属酸化物粒子は、コロイド溶液の総重量を基準にして５〜３５％の濃度で存在する。

分散媒は、水性液体であってもよい。たとえば、分散媒が安定化剤を含有する水溶液であってもよい。安定剤は、分散相の凝固を防ぐための［２−（２−メトキシエストラジオール）エトキシ］酢酸など酸であってもよいが、例示の実施形態はこれに限定さない。コロイド溶液は、［２−（２−メトキシエストラジオール）エトキシ］酢酸の例では、２〜３（たとえば２．３〜２．８）の範囲のｐＨを有する。

原子炉部品を、第１の割合でコロイド溶液に導入して浸漬部品を得る。たとえば、導入することは、原子炉部品を第１の割合として０．５〜３インチ／分の速度で浸漬することを含んでもよい。浸漬部品は、コロイド溶液中に１〜２００分（たとえば、４５〜７５分）の間、（たとえば完全に沈没して）維持してもよい。

さらに、方法が、浸漬部品をコロイド溶液から第２の割合で取り出して湿潤部品を得ることを含む。取り出すのが、第２の割合として速度０．５〜３インチ／分で浸漬部品を引き出すことを含んでもよい。

方法はさらに、湿潤部品を乾燥して乾燥部品を得ることを含む。乾燥は、３０〜３００分（たとえば、６０〜１８０分）の間、実施される。湿潤部品は空気中で乾燥させてもよいが、但し例示の実施形態はこれに限定されない。

方法はさらに、乾燥部品を焼成（またはアニーリング）して被覆部品を得ることを含む。焼成は炉で行われてもよい。粒子の密度を高めて被覆層とするために、焼成は摂氏３００〜７００度（たとえば、摂氏４００〜６００度）の範囲の目標温度で実施される。その結果、たとえば、ＴｉＯ₂の薄膜層が原子炉部品上に被覆されてもよい。たとえば、薄膜層について、約２０００ｃｍ²の表面積の被覆部品（たとえば、スペーサ）に対する重量増加は約０．０５〜１．５グラム（たとえば、約１グラム）であってもよいが、但し例示の実施形態はこれに限定されない。さらに、得られた被覆は、たとえば化学蒸着（ＣＶＤ）によって調製された従来の層と比べて異なる外観（たとえば、透明な）を有する。

焼成を摂氏３００〜７００度の間で実施する場合、比較的均一な被覆で被覆された部品が得られる。図１は、例示の実施形態に係る焼成／アニーリング温度に基づく比較的均一な被覆で被覆された部品の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。対照的に、焼成が摂氏３００〜７００度で実施されない場合、不均一の被覆で被覆された部品になる。図２は、比較実施形態に係る焼成／アニーリング温度に基づく不均一な被覆で被覆された部品の走査型電子顕微鏡画像である。

焼成は、毎分摂氏１〜２０度（たとえば、毎分摂氏８〜１２度）の加熱割合で目標温度に加熱することを含む。乾燥部品は、１５〜３００分（たとえば、３０〜１２０分）の間、目標温度に晒されてもよい。毎分摂氏１〜２０度の間の加熱割合が、結果的に比較的均一な被覆で被覆された部品を提供することを促進する。また、焼成前に３０〜３００分間乾燥させることが、結果的にさらに均一な被覆の被覆部品を提供することを促進する。図３は、例示の実施形態に係る乾燥時間および加熱割合に基づく比較的均一な被覆で被覆された部品の走査型電子顕微鏡画像である。対照的に、焼成前の乾燥時間が３０〜３００分ではない、および／または加熱割合が毎分摂氏１〜２０度ではない場合、不均一な被覆で被覆された部品になる。図４は、比較実施形態に係る乾燥時間および加熱割合に基づく不均一な被覆で被覆された部品の走査型電子顕微鏡画像である。

本明細書で説明したように、原子炉部品を比較的経済的で信頼できる方法で保護層により被覆して、腐食（たとえば、シャドー腐食）の発生を低減または防止することができる。また、保護層は、原子炉部品の浸食を低減または防止することができる。具体的には、浸食は、コバルト（Ｃｏ）放出に関して放射線量の問題を呈する恐れがある。そのような状況において、浸食を軽減できない場合、放射線量の要件に適合するために、部品のための潜在的な材料はコバルトの量が比較的低量のものに限定されることがある。しかしながら、本被覆方法により、比較的経済的で信頼できる方法で部品に保護層を設けることができるので、浸食が低減されるか防止され、これによって保護されていない部品に以前に伴っていた放射線量問題を回避できるため、コバルト含有の高い材料（たとえば、インコネル、ステンレス鋼）を用いることができる。

いくつか例示の実施形態を本明細書に開示したが、他の変形形態が可能であることが理解されよう。そのような変形形態は、本開示の精神および範囲から逸脱するものと認められないし、当業者に明白なように、このような変形形態は全て、以下の特許請求の範囲に含まれることを意図する。

Claims (17)

1. 原子炉部品を被覆する方法であって、
   前記原子炉部品をコロイド溶液に第１の割合で導入して浸漬部品を得る工程であって、前記コロイド溶液は分散媒中に分散相を含有する非架橋混合物であり、前記分散相はｎ型金属酸化物粒子を含有する、工程と、
   前記コロイド溶液から前記浸漬部品を第２の割合で取り出して湿潤部品を得る工程と、
   前記湿潤部品を乾燥させて乾燥部品を得る工程と、
   前記乾燥部品を焼成して被覆部品を得る工程と
   を含む方法。
2. 前記原子炉部品が沸騰水炉（ＢＷＲ）部品である、請求項１記載の方法。
3. 前記原子炉部品が鉄−クロム系合金またはニッケル−クロム系合金で形成されている、請求項１記載の方法。
4. 前記ｎ型金属酸化物粒子がｎ型遷移金属酸化物粒子である、請求項１記載の方法。
5. 前記ｎ型遷移金属酸化物粒子が、ＴｉＯ₂、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＷＯ₃、ＺｎＯ、Ｔａ₂Ｏ₃、ＭｏＯ₃、およびＶ₂Ｏ₃の少なくとも１つを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記ｎ型金属酸化物粒子が２００ｎｍ未満の平均の大きさを有する、請求項１記載の方法。
7. 前記ｎ型金属酸化物粒子が前記コロイド溶液の全重量を基準にして５〜３５％の濃度で存在している、請求項１記載の方法。
8. 前記分散媒が水性液である、請求項１記載の方法。
9. 前記非架橋混合物が重合体網目構造を含まない、請求項１記載の方法。
10. 前記コロイド溶液が２〜３の範囲のｐＨを有する、請求項１記載の方法。
11. 前記導入する工程が、前記第１の割合として０．５〜３インチ／分の速度で前記原子炉部品を浸漬させる工程を含む、請求項１記載の方法。
12. 前記導入する工程が、１〜２００分の間、前記浸漬部品を前記コロイド溶液に浸漬させたままにする工程を含む、請求項１記載の方法。
13. 前記取り出す工程が、前記第２の割合として０．５〜３インチ／分の速度で前記浸漬部品を引き出す工程を含む、請求項１記載の方法。
14. 前記乾燥させる工程が、３０〜３００分の間、実施される、請求項１記載の方法。
15. 前記焼成する工程が、摂氏３００〜７００度の範囲の目標温度で実施される、請求項１記載の方法。
16. 前記焼成する工程が、１５〜３００分の間、前記乾燥部品を前記目標温度に晒す工程を含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記焼成する工程が、毎分摂氏１〜２０度の加熱割合で前記目標温度に加熱する工程を含む、請求項１５記載の方法。