JP6014578B2 - 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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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 (22)
- 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ている表面層に塗布することによって、前記表面層と前記塗布材と前記耐腐食粒子との混合物を含む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。 - 前記共通の化学元素がジルコニウムである、請求項1に記載の方法。
- 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または2に記載の方法。
- 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3に記載の方法。
- 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から4のいずれかに記載の方法。
- 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5に記載の方法。 - 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6に記載の方法。
- 前記耐腐食粒子が、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から7のいずれかに記載の方法。
- 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から8のいずれかに記載の方法。
- 前記耐腐食層の厚さが254μm以下である、請求項1から9のいずれかに記載の方法。
- 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から10のいずれかに記載の方法。
- 前記塗布材がESD電極である、請求項11に記載の方法。
- 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から12のいずれかに記載の方法。
- 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13に記載の方法。
- 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、耐腐食粒子との混合物を含み、
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。 - 前記共通の化学元素がジルコニウムである、請求項15に記載の原子炉構成要素。
- 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15または16記載の原子炉構成要素。
- 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15から17のいずれかに記載の原子炉構成要素。 - 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18に記載の原子炉構成要素。
- 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15から19のいずれかに記載の原子炉構成要素。
- 前記耐腐食層の厚さが254μm以下である、請求項16記載の原子炉構成要素。
- 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、耐腐食粒子との混合物を含み
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。
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