JP2020527722A - 燃料−クラッド化学的相互作用耐性核燃料要素およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
原子炉で使用される場合、核燃料は、典型的にはクラッドを備えている。クラッドは、燃料を収容するために、燃料が外部環境と相互作用するのを防止するために、および/または、冷却材が核分裂生成物で汚染されるのを防止するために設けられてもよい。例えば、いくつかの核燃料は、冷却材その他の材料との化学的反応性を有しているが、そうではない場合、上記冷却材その他の材料と接触してもよく、上記クラッディングがセパレータとして作用しなくてもよい。
本開示は、燃料−クラッド化学的相互作用(FCCI)耐性核燃料要素およびそれらの製造技術を記載する。核燃料要素は、クラッドと核物質との間のFCCIの影響を低減するために、鋼クラッド上に設けられた異なる材料の2つ以上の層(すなわち、隣接する障壁は、異なる基礎材料のものである)を含む。実施形態によると、層は、構造要素(すなわち、クラッドおよび障壁からなる構成要素全体の50%を超える強度を提供するのに十分な厚さの層)であってもよく、或いは、構造構成要素の表面(例えば、クラッド、または燃料の構造形態)に何らかの方式で適用されるライナーまたはコーティングとしてより適切に記載されてもよい。
以下の図面は、本出願の一部を形成するものであり、記載された技術を例示するものであって、任意の方式にて特許請求された本発明の範囲を限定することを意味するものではなく、その範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲に基づくべきである。
FCCI耐性核燃料要素およびそれらの製造方法が開示され、説明される前に、本開示は本明細書で開示される特定の構造、プロセスステップ、または材料に限定されず、当業者によって認識されるように、それらの等価物に拡張されることを理解されたい。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ使用され、限定することを意図しないことも理解されるべきである。本明細書で使用されるように、単数形「a」、「an」、および「the」は文脈が沿わないことを明確に指示しない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。したがって、例えば、「水酸化リチウム」への言及は定量的または供給源限定として解釈されるべきではなく、「ステップ」への言及は複数のステップを含むことができ、反応の「生成する」または「生成物」への言及は反応の生成物のすべてであると解釈されるべきではなく、「反応する」への言及はそのような反応ステップの1つまたは複数への言及を含むことができる。したがって、反応する工程は、同定された反応生成物を生成するために、類似の物質の複数のまたは反復された反応を含み得る。
図11aは、上述の二重または三重BECのうちの1つ以上を利用する核燃料アセンブリ10の部分図を提供する。燃料アセンブリ10は、図示のように、格納構造16内に保持された多数の個々の燃料要素(または「燃料棒」または「燃料ピン」)11を含む。
燃料要素にて使用される核物質を燃料構成要素として識別するステップと、
クラッド、クラッド側障壁、燃料側障壁、および上記燃料構成要素から選択された初期の構成要素を製作するステップと、
2層の中間要素を生成するために、第2の層を上記初期の構成要素に取り付けるステップと、
3層の中間要素を生成するために、第3の層を上記2層の中間要素に取り付けるステップと、
上記燃料要素を生成するために、最終層を上記3層の中間要素上に取り付けるステップであって、上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を有し、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にあるステップとを含む方法。
上記燃料要素の上記燃料側障壁として使用するための燃料側障壁材料を選択するステップであって、上記燃料側障壁材料が上記核物質と2ヶ月間接触して配置され、650℃に保持される場合に、上記核物質は、上記燃料側障壁材料内への第2の相互拡散距離を示し、第2の相互拡散距離は第1の相互拡散距離よりも短いステップとをさらに含む、項目1に記載の方法。
上記クラッド側障壁材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記クラッド材料と2ヶ月間接触して配置され、650℃に保持された場合に、上記クラッド材料内への第4の相互拡散距離を示し、第3の相互拡散距離は第4の相互拡散距離よりも長い、項目2に記載の方法。
ステンレス鋼、FeCrAl合金、HT9鋼、酸化物分散強化鋼、T91鋼、T92鋼、316鋼、304鋼、APMT鋼、合金33鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側障壁と、
上記燃料側障壁と上記クラッドとの間のクラッド側障壁とを備え、
上記燃料側障壁は第1の材料であり、上記クラッド側障壁は、第1の材料とは基礎化学元素が異なる第2の材料である、核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
ステンレス鋼、FeCrAl合金、HT9鋼、酸化物分散強化鋼、T91鋼、T92鋼、316鋼、304鋼、APMT鋼、合金33鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側FCCI障壁と、
上記燃料側FCCI障壁と上記クラッドとの間のクラッド側FCCI障壁と、
上記クラッド側FCCI障壁と上記燃料側FCCI障壁との間の中間FCCI障壁とを備え、
上記燃料側FCCI障壁は第1の材料であり、上記中間FCCI障壁は、第1の材料とは基礎材料が異なる第2の材料であり、かつ、上記クラッド側FCCI障壁は、第2の材料とは基礎化学元素が異なる第3の材料である、核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
燃料要素に使用される核物質を燃料構成要素として識別するステップと、
クラッド、クラッド側障壁、燃料側障壁、および上記燃料構成要素から選択される初期の構成要素を製作するステップと、
2層の中間要素を生成するために、上記初期の構成要素に第2の層を取り付けるステップと、
3層の中間要素を生成するために、上記2層中間要素に第3の層を取り付けるステップと、
上記燃料要素を生成するために、上記3層の中間要素上に最終層を取り付けるステップであって、上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を有し、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、かつ、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にある、方法
<38>上記燃料要素のクラッドとして使用するためのクラッド材料を選択するステップであって、上記クラッド材料は、上記核物質との第1の化学的相互作用特性を有するステップと、
上記燃料要素における上記燃料側障壁として使用するための燃料側障壁材料を選択するステップであって、上記燃料側障壁材料は、上記クラッド材料よりも良好な、上記核物質との第1の化学的相互作用特性を有し、かつ、上記クラッド材料との第2の化学的相互作用特性を有するステップと、
上記燃料要素における上記クラッド側障壁として使用するためのクラッド側障壁材料を選択するステップであって、上記クラッド側障壁材料は、上記燃料側障壁材料よりも良好な、上記クラッド材料との第2の化学的相互作用特性を有するステップとをさらに含む、項目37に記載の方法。
ステンレス鋼、FeCrAl合金、HT9鋼、酸化物分散強化鋼、T91鋼、T92鋼、316鋼、304鋼、APMT鋼、合金33鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側FCCI障壁と、
上記燃料側FCCI障壁と上記クラッドとの間のクラッド側FCCI障壁と、
上記クラッド側FCCI障壁と上記燃料側FCCI障壁との間の中間FCCI障壁とを備え、
上記燃料側FCCI障壁は、核物質との化学的相互作用特性が上記クラッド材料に比べて改善された第1の材料からなり、上記中間FCCI障壁は、上記第1の材料とは基礎材料が異なる第2の材料であり、かつ、上記クラッド側FCCI障壁は、上記第2の材料とは基礎材料が異なる第3の材料である、核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
Claims (36)
- FCCI耐性燃料要素を製造する方法であって、
燃料要素にて使用される核物質を燃料構成要素として識別するステップと、
クラッド、クラッド側障壁、燃料側障壁、および上記燃料構成要素から選択された初期の構成要素を製作するステップと、
2層の中間要素を生成するために、第2の層を上記初期の構成要素に取り付けるステップと、
3層の中間要素を生成するために、第3の層を上記2層の中間要素に取り付けるステップと、
上記燃料要素を生成するために、最終層を上記3層の中間要素上に取り付けるステップであって、上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を有し、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にあるステップとを含む方法。 - 上記燃料要素のクラッドとして使用するためのクラッド材料を選択するステップであって、上記クラッド材料が上記核物質と2ヶ月間接触して配置され、650℃に保持される場合に、上記核物質は、上記クラッド材料内への第1の相互拡散距離を示すステップと、
上記燃料要素の上記燃料側障壁として使用するための燃料側障壁材料を選択するステップであって、上記燃料側障壁材料が上記核物質と2ヶ月間接触して配置され、650℃に保持される場合に、上記核物質は、上記燃料側障壁材料内への第2の相互拡散距離を示し、第2の相互拡散距離は第1の相互拡散距離よりも短いステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 上記燃料側障壁材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記クラッド材料と2ヶ月間接触して配置され、650℃に保持された場合に、上記クラッド材料内への第3の相互拡散距離を示し、
上記クラッド側障壁材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記クラッド材料と2ヶ月間接触して配置され、650℃に保持された場合に、上記クラッド材料内への第4の相互拡散距離を示し、第3の相互拡散距離は第4の相互拡散距離よりも長い、請求項2に記載の方法。 - 上記初期の構成要素が上記クラッドであり、上記第2の層が上記クラッド側障壁であり、上記第3の層が上記燃料側障壁であり、かつ、上記最終層が上記燃料構成要素である、請求項1に記載の方法。
- 上記初期の構成要素が上記クラッド側障壁であり、上記第2の層が上記クラッドであり、上記第3の層が上記燃料側障壁であり、上記最終層が上記燃料構成要素である、請求項1に記載の方法。
- 上記初期の構成要素が上記燃料側障壁であり、上記第2の層が上記クラッド側障壁であり、上記第3の層が上記クラッドであり、上記最終層が上記燃料構成要素である、請求項1に記載の方法。
- 上記初期の構成要素が上記燃料側障壁であり、上記第2の層が上記燃料構成要素であり、上記第3の層が上記クラッド側障壁であり、上記最終層が上記クラッドである、請求項1に記載の方法。
- 上記初期の構成要素が上記燃料構成要素であり、上記第2の層が上記燃料側障壁であり、上記第3の層が上記クラッド側障壁であり、上記最終層が上記クラッドである、請求項1に記載の方法。
- 上記クラッド側障壁は、上記クラッド上への上記クラッド側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの1つによって、上記クラッドに取り付けられる、請求項2に記載の方法。
- 上記燃料側障壁は、上記燃料側障壁上への上記クラッド側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの1つによって、上記クラッド側障壁に取り付けられる、請求項2に記載の方法。
- 上記クラッド側障壁は、上記クラッド側障壁上への上記燃料側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの1つによって、上記燃料側障壁に取り付けられる、請求項2に記載の方法。
- 上記燃料側障壁は、上記燃料構成要素上への上記燃料側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着によって、上記燃料構成要素に取り付けられる、請求項2に記載の方法。
- 上記クラッド側障壁材料が、Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Sc、Fe、Ni、これら材料のいずれかの合金、セラミックTiN、セラミックZrN、セラミックVN、セラミックTiC、セラミックZrC、またはセラミックVCから選択される、請求項2に記載の方法。
- 上記燃料側障壁材料が、Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Sc、Fe、Ni、これら材料のいずれかの合金、セラミックTiN、セラミックZrN、セラミックVN、セラミックTiC、セラミックZrC、またはセラミックVCから選択される、請求項2に記載の方法。
- 上記取り付けは、有機金属化学蒸着(MOCVD)、熱蒸着、スパッタリング、パルスレーザ蒸着(PLD)、陰極アーク、または電気スパーク蒸着(ESD)によるものである、請求項9〜14のいずれかに記載の方法。
- 上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を備えており、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、かつ、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にある、請求項1〜14のいずれかに記載の方法。
- 上記初期の構成要素、上記第2の層、および上記第3の層が、共押出し成形される、請求項1に記載の方法。
- 上記クラッド材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド材料の50重量%よりも大きく、かつ、上記クラッド材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記クラッド材料の基礎化学元素である、請求項2または3に記載の方法。
- 上記燃料側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記燃料側障壁材料の50重量%よりも大きく、かつ、上記燃料側障壁材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記燃料側障壁材料の基礎化学元素である、請求項2または3に記載の方法。
- 上記クラッド側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド側障壁材料の50重量%よりも大きく、かつ、上記クラッド側障壁材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記クラッド側障壁材料の基礎化学元素である、請求項2または3に記載の方法。
- 上記クラッド材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド材料の50重量%よりも大きく、かつ、上記クラッド材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記クラッド材料の基礎化学元素である、請求項2または3に記載の方法。
- 上記燃料側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記燃料側障壁材料の50重量%よりも大きく、かつ、上記燃料側障壁材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記燃料側障壁材料の基礎化学元素とは異なる、請求項2または3に記載の方法。
- 上記クラッド側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド側障壁材料の50重量%よりも大きく、かつ、上記クラッド側障壁材料中の少なくとも1つの化学元素は、上記クラッド側障壁材料の基礎化学元素とは異なる、請求項2または3に記載の方法。
- 核物質を保持するための二重障壁装備クラッドであって、
ステンレス鋼、FeCrAl合金、HT9鋼、酸化物分散強化鋼、T91鋼、T92鋼、316鋼、304鋼、APMT鋼、合金33鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側障壁と、
上記燃料側障壁と上記クラッドとの間のクラッド側障壁とを備え、
上記燃料側障壁は第1の材料であり、上記クラッド側障壁は、第1の材料とは基礎化学元素が異なる第2の材料である、核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。 - 上記第1の材料および上記第2の材料が2ヶ月間ウランと接触させて配置され、650℃に保持された場合に、上記第1の材料は、上記第2の材料よりも少ないウランの相互拡散を示す、請求項24に記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
- 2ヶ月間接触させて配置され、650℃に保持された場合に、上記第2の材料は、上記第1の材料の相互拡散が上記クラッド材料の相互拡散よりも少ないことを示す、請求項24に記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
- 上記第1の材料がNb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Sc、Fe、Ni、これら材料のいずれかの合金、セラミックTiN、セラミックZrN、セラミックVN、セラミックTiC、セラミックZrC、またはセラミックVCから選択され、かつ、上記燃料側障壁が1.0〜150.0μmの厚さである、請求項24および25のいずれかに記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
- 上記第2の材料がNb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Sc、Fe、Ni、これら材料のいずれかの合金、セラミックTiN、セラミックZrN、セラミックVN、セラミックTiC、セラミックZrC、またはセラミックVCから選択され、かつ、上記クラッド側障壁が1.0〜150.0μmの厚さである、請求項24〜26のいずれかに記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
- 核物質を保持するための三重障壁装備クラッドであって、
ステンレス鋼、FeCrAl合金、HT9鋼、酸化物分散強化鋼、T91鋼、T92鋼、316鋼、304鋼、APMT鋼、合金33鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側FCCI障壁と、
上記燃料側FCCI障壁と上記クラッドとの間のクラッド側FCCI障壁と、
上記クラッド側FCCI障壁と上記燃料側FCCI障壁との間の中間FCCI障壁とを備え、
上記燃料側FCCI障壁は第1の材料であり、上記中間FCCI障壁は、第1の材料とは基礎材料が異なる第2の材料であり、かつ、上記クラッド側FCCI障壁は、第2の材料とは基礎化学元素が異なる第3の材料である、核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。 - 2ヶ月間接触させて配置され、650℃に保持された場合に、上記第1の材料は、上記第2の材料よりも少ないウランの相互拡散を示す、請求項29に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
- 2ヶ月間接触させて配置され、650℃に保持された場合に、上記第2の材料は、上記第1の材料の相互拡散が上記第3の材料の相互拡散よりも少ないことを示す、請求項29に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
- 2ヶ月間接触させて配置され、650℃に保持された場合に、上記第3の材料は、上記第2の材料の相互拡散が上記クラッド材料の相互拡散よりも少ないことを示す、請求項29に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
- 上記第1の材料が、Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Sc、Fe、Ni、これら材料のいずれかの合金、セラミックTiN、セラミックZrN、セラミックVN、セラミックTiC、セラミックZrC、またはセラミックVCから選択される、請求項29〜32のいずれかに記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
- 上記第2の材料が、Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Sc、Fe、Ni、これら材料のいずれかの合金、セラミックTiN、セラミックZrN、セラミックVN、セラミックTiC、セラミックZrC、またはセラミックVCから選択される、請求項29に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
- 上記第3の材料が、Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Sc、Fe、Ni、これら材料のいずれかの合金、セラミックTiN、セラミックZrN、セラミックVN、セラミックTiC、セラミックZrC、またはセラミックVCから選択される、請求項34に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
- 上記燃料側障壁、上記クラッド側障壁、および上記中間FCCI障壁の各々が、1.0〜150.0μmの厚さである、請求項29〜32および35のいずれかに記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
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