JP6751295B2 - 燃料要素のための鉄をベースとした組成物を製造する方法 - Google Patents
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Description
この出願は、2012年12月28日に出願された米国仮出願第61/747,054号および2013年3月11日に出願された米国出願第13/794,589号の利益を主張し、その全内容が参照により本明細書に組み込まれる。
本特許出願は、被覆材を含んでいる燃料要素と、当該燃料要素に関する方法とに関する。
開示された実施形態は、燃料要素、燃料集合体、被覆材並びにこれらの製造方法および使用方法を包含している。
図面は、そもそも、説明に役立てる目的のためのものであり、本明細書中に記載した発明の対象物の範囲を限定する意図がないことを当業者は理解するであろう。図面は、必ずしも縮尺どおりではない。場合によっては、異なる特徴の理解を助けるために、本明細書中に開示された本発明の対象物の種々の態様は、図面において誇張または拡大して示されてもよい。図面において、類似した参照文字は、通常、類似した特徴(例えば、機能的に類似した要素および/または構造的に類似した要素)を参照している。
(序論)
以下の詳細な説明において、本明細書の一部を形成している添付の図面に対して言及される。当該図面において、文脈が他のことを指示している場合を除いて、異なる図面における類似の記号または同一の記号の使用は、通常、類似の項目または同一の項目を意図している。
概説の目的で、組成物の製造方法が一実施形態において提供され、当該方法は、以下を包含している:鉄をベースとした組成物を含有している物質を、第1の条件を満たす第1の温度にて熱処理する工程であって、当該第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がオーステナイト相に変態する条件である工程;上記物質を、第2の条件を満たす冷却速度にて、当該第2の条件を満たす第2の温度まで冷却する工程であって、当該第2の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がマルテンサイト相に変態する条件である工程;および、上記物質を、第3の条件を満たす第3の温度にて熱処理する工程であって、当該第3の条件は、カーバイドが析出される条件である工程。
図1は、一実施形態に従って、核燃料集合体10の部分的な説明図を提示する。当該燃料集合体は、核分裂性の核燃料集合体(fissile nuclear fuel assembly)または核燃料親物質集合体(fertile nuclear fuel assembly)であってもよい。当該集合体は、燃料要素(すなわち、「燃料ロッド」もしくは「燃料ピン」)11を含んでいてもよい。図1bは、一実施形態に従って、燃料要素11の部分的な説明図を提示する。この実施形態において示されたように、燃料要素11は、被覆材13、燃料14、および、場合によっては、少なくとも1つの空隙15を含んでいてもよい。
出力発生反応炉の燃料集合体において、図1a〜図1bにおいて示された要素11のような「燃料要素」は、通常、円筒型のロッドの形態をとってもよい。当該燃料要素は、原子力発電所の一部である出力発生反応炉の一部であってもよい。用途に応じて、上記燃料要素は、その長さおよび直径に関して任意の適切な寸法であってもよい。上記燃料要素は、被覆層13および被覆層13の内部に配置された燃料14を含んでいてもよい。原子炉の場合、上記燃料は、核燃料を含んでいてもよい(または核燃料であってもよい)。一実施形態において、当該核燃料は、環状の核燃料であってもよい。上記燃料要素は、核燃料14と被覆層13との間に配置されたライナーを追加で含んでいてもよい。当該ライナーは、複数の層を含んでいてもよい。
金属を含有している組成物が、本明細書中の一実施形態において提供される。当該金属は、金属、金属合金および金属間組成物(intermetallic composition)の内の少なくとも1種を含んでいてもよい。一実施形態において、当該金属は、鉄を含有している。一実施形態において、上記組成物は、鉄をベースとした組成物を含有している。一実施形態における上記用語「Xをベースとした」組成物は、かなりの量の元素X(例えば、金属元素)を含有している組成物といってもよい。その量は、例えば、少なくとも30%であってもよい。すなわち、その量は、例えば、少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも99%、またはそれより多い量であってもよい。文脈によって、本明細書における百分率は、重量百分率または体積百分率(もしくは原子百分率)といってもよい。一実施形態において、上記鉄をベースとした組成物は、鋼を含有していてもよい。
本明細書中に記載された、上記鉄をベースとした組成物および当該組成物を含有している燃料要素は、種々の手法によって製造されてもよい。上記鉄をベースとした組成物は、本明細書中に記載された組成物の内の何れかであってもよい。例えば、当該組成物は、銅を含有していてもよい。本明細書中に記載された方法によって作製された管状の構造を有している燃料要素が、他の実施形態において提供される。例えば、図2aを参照すると、組成物を製造する方法が、一実施形態において提供される。当該方法は、鉄をベースとした組成物を含有している物質を、第1の条件を満たす第1の温度にて熱処理する工程であって、当該第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がオーステナイト相に変態する条件である工程(段階201);上記物質を、第2の条件を満たす冷却速度にて、当該第2の条件を満たす第2の温度まで冷却する工程であって、当該第2の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がマルテンサイト相に変態する条件である工程(段階202);および、上記物質を、第3の条件を満たす第3の温度にて熱処理する工程であって、当該第3の条件は、カーバイドが析出する条件である工程(段階203)を包含している。一実施形態において、段階201および段階202は、共に、焼きならしと称されてもよい。これに対して、段階203は、焼き戻しと称されてもよい。
上述したように、本明細書中に記載した上記燃料集合体は、発電器またはエネルギー発生器の一部であってもよい。これらの、発電器またはエネルギー発生器は、発電プラントの一部であってもよい。上記燃料集合体は、核燃料集合体であってもよい。一実施形態において、上記燃料集合体は、上述したような、燃料、複数個の燃料要素、および複数個の燃料管を含んでいてもよい。当該燃料管は、その内部に配置された複数個の燃料要素を含んでいてもよい。
1.組成物を製造する方法であって、以下を包含していることを特徴とする方法:
鉄をベースとした組成物を含有している物質を、第1の条件を満たす第1の温度にて熱処理する工程であって、当該第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がオーステナイト相に変態する条件である工程;
上記物質を、第2の条件を満たす冷却速度にて、当該第2の条件を満たす第2の温度まで冷却する工程であって、当該第2の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がマルテンサイト相に変態する条件である工程;および、
上記物質を、第3の条件を満たす第3の温度にて熱処理する工程であって、当該第3の条件は、カーバイドが析出する条件である工程。
物質に、冷間引抜き、冷間圧延およびピルガー圧延の内の少なくとも1つを受けさせる工程;
鉄をベースとした組成物を含有している上記物質を、第1の条件を満たす第1の温度にて熱処理する工程であって、当該第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がオーステナイト相に変態する条件である工程;
上記物質を、第2の条件を満たす冷却速度にて、当該第2の条件を満たす第2の温度まで冷却する工程であって、当該第2の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がマルテンサイト相に変態する条件である工程;および、
上記物質を、第3の条件を満たす第3の温度にて熱処理する工程であって、当該第3の条件は、カーバイドが析出する条件である工程。
当該形成する工程は、冷陰極誘導溶解、真空誘導溶解、真空アーク再溶解およびエレクトロスラグ再溶解から選択される少なくとも1つの処理を含んでいる、項目25の方法。
少なくともNを、約0.01重量%から約0.04重量%の間でさらに含有していることを特徴とする、組成物。
約10重量%から約12.5重量%の間でのCr;
約0.17重量%から約0.22重量%の間でのC;
約0.80重量%から約1.2重量%の間でのMo;
約0.5重量%以下のSi;
約1.0重量%以下のMn;
約0.25重量%から約0.35重量%の間でのV;
約0.40重量%から約0.60重量%の間でのW;
約0.03重量%以下のP;および、
約0.03重量%以下のS。
約0.3重量%から0.7重量%の間でのNi。
約11.5重量%でのCr;
約0.20重量%でのC;
約0.90重量%でのMo;
約0.55重量%でのNi;
約0.65重量%でのMn;
約0.30重量%でのV;
約0.50重量%でのW;
約0.20重量%でのSi;および、
約0.02重量%でのN。
当該組成物の少なくとも実質的に全てが、マルテンサイト相を有しており、且つ、
当該組成物は、Nを、約0.01重量%から約0.04重量%の間でさらに含有していることを特徴とする組成物。
当該方法は、燃料集合体、すなわち鉄をベースとした組成物を含有している燃料要素を使用して出力を発生させる工程を包含しており;
当該鉄をベースとした組成物は、化学式(Fe)a(Cr)b(M)c(当該式中、a、bおよびcは、それぞれゼロよりも大きい数であり、重量百分率を表しており;Mは、少なくとも1種の遷移金属元素であり;bは11から12の間であり;cは約0.25から約0.9の間であり;且つ、aによって釣合いが取れられている)によって表され;且つ、
当該組成物は、少なくともNを、約0.01重量%から約0.04重量%の間で含有していることを特徴とする燃料集合体の使用方法。
鉄をベースとした組成物を含有している物質を、第1の条件を満たす第1の温度にて熱処理する工程であって、当該第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がオーステナイト相に変態する条件である工程;
上記物質を、第2の条件を満たす冷却速度にて、当該第2の条件を満たす第2の温度まで冷却する工程であって、当該第2の条件は、上記鉄をベースとした組成物の少なくともある程度の量がマルテンサイト相に変態する条件である工程;および、
上記物質を、第3の条件を満たす第3の温度にて熱処理する工程であって、当該第3の条件は、カーバイドが析出する条件である工程。
Claims (41)
- 組成物を製造する方法であって、以下:
物質に、冷間引抜き、冷間圧延およびピルガー圧延の内の少なくとも1つを受けさせる工程;
鉄をベースとした組成物を含有している上記物質を、第1の条件を満たす第1の温度にて熱処理する工程であって、当該第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物の実質的に全てがオーステナイト相に変態する条件であり、上記第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物のデルタ−フェライト相の形成を軽減する条件である工程;
上記物質を、第2の条件を満たす冷却速度にて、当該第2の条件を満たす第2の温度まで冷却する工程であって、当該第2の条件は、上記鉄をベースとした組成物の実質的に全てがマルテンサイト相に変態する条件である工程;および、
上記物質を、第3の条件を満たす第3の温度にて熱処理する工程であって、当該第3の条件は、カーバイドが析出する条件である工程
を包含し、
上記第1の温度にて熱処理する工程は、上記鉄をベースとした組成物中にカーバイドが存在しているのであれば、当該カーバイドの少なくとも実質的に全てを分解する工程を含んでいることを特徴とする、方法。 - 上記鉄をベースとした組成物は、鋼を含有していることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記鉄をベースとした組成物は、Cr、C、Mo、Ni、Mn、V、W、Si、N、SおよびPの内の少なくとも1つを含有していることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第1の温度は、約1025℃から約1100℃の間であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第1の温度にて熱処理する工程は、上記物質を当該第1の温度まで加熱する工程を含んでいることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第1の温度にて熱処理する工程は、少なくとも5分間実行されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第1の温度にて熱処理する工程は、約5分間から約120分間の間にわたって実行されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第2の温度は、約20℃であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記冷却する工程は、空気および液体の少なくとも1つによって冷却する工程を含んでいることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記冷却する工程の終わりに、上記鉄をベースとした組成物は、フェライト相およびオーステナイト相の内の少なくとも1つを実質的に有していないことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第3の温度は、約650℃から約780℃の間であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第3の温度にて熱処理する工程は、当該第3の温度まで上記物質を加熱する工程を含んでいることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第3の温度にて熱処理する工程は、約0.5時間から約3時間の間にわたって実行されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第3の条件は、上記鉄をベースとした組成物のフェライト相の形成を軽減することを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記物質を、上記第3の温度から第4の温度まで冷却する工程をさらに含み、当該第4の温度は、当該第3の温度よりも低いことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第3の温度にて熱処理する工程は、垂直炉内で実行されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記カーバイドの少なくともある程度の量は、約650℃以上の温度において、熱的に安定であることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記カーバイドの少なくともある程度の量は、約1ミクロン以下の大きさを有していることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記カーバイドの少なくともある程度の量は、上記マルテンサイト相内に均質に分配されていることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 上記第3の温度は、上記第1の温度よりも低いことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
- 組成物を製造する方法であって、以下を包含していることを特徴とする方法:
物質に、冷間引抜き、冷間圧延およびピルガー圧延の内の少なくとも1つを受けさせる工程;
窒素が存在している、鉄をベースとした組成物を含有している上記物質を、第1の条件を満たす第1の温度にて熱処理する工程であって、当該第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物の実質的に全てがオーステナイト相に変態する条件であり、上記第1の条件は、上記鉄をベースとした組成物のデルタ−フェライト相の形成を軽減する条件である工程;
上記物質を、第2の条件を満たす冷却速度にて、当該第2の条件を満たす第2の温度まで冷却する工程であって、当該第2の条件は、上記鉄をベースとした組成物の実質的に全てがマルテンサイト相に変態する条件である工程;および、
上記物質を、第3の条件を満たす第3の温度にて熱処理する工程であって、当該第3の条件は、カーバイド、窒化物および炭窒化物が析出する条件である工程。 - 上記鉄をベースとした組成物を含有しているインゴットを押し出す工程をさらに含んでいることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記物質に、冷間引抜き、冷間圧延およびピルガー圧延の内の少なくとも1つを受けさせる工程は、上記物質を中間焼きなましする工程を含んでいることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記物質に、冷間引抜き、冷間圧延およびピルガー圧延の内の少なくとも1つを受けさせる工程は、フェライト相からオーステナイト相への変態温度より低い温度にて上記物質を中間焼きなましする工程を含んでいることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記物質に、冷間引抜き、冷間圧延およびピルガー圧延の内の少なくとも1つを受けさせる工程の前に、上記鉄をベースとした組成物を含有しているインゴットを形成する工程をさらに含み、
当該形成する工程は、冷陰極誘導溶解、真空誘導溶解、真空アーク再溶解およびエレクトロスラグ再溶解から選択される少なくとも1つの処理を含んでいることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。 - 上記物質に、冷間引抜き、冷間圧延およびピルガー圧延の内の少なくとも1つを受けさせる工程の前に、上記鉄をベースとした組成物を含有しているインゴットを形成し、且つ、P、Sを除くために、当該インゴットを精製する工程をさらに含んでいることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記物質に、冷間引抜き、冷間圧延およびピルガー圧延の内の少なくとも1つを受けさせる工程は、上記物質の厚さを、少なくとも15%減少させる工程をさらに含んでいることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記物質を、上記第3の温度から第4の温度まで冷却する工程をさらに含み、当該第4の温度は、当該第3の温度よりも低いことを特徴とする、請求項21に記載の方法。
- 上記物質を、上記第3の温度から第4の温度まで冷却する工程をさらに含み、当該第4の温度は、約20℃であることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記組成物は、燃料要素の一部であり、且つ上記第3の温度は、約700℃であることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記組成物は、燃料管の一部であり、且つ上記第3の温度は、約650℃であることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記第3の温度は、上記第1の温度よりも低いことを特徴とする、請求項21に記載の方法。
- 上記第2の温度は、約20℃であることを特徴とする、請求項21に記載の方法。
- 上記鉄をベースとした組成物は、鋼を含有していることを特徴とする、請求項21に記載の方法。
- 上記鉄をベースとした組成物は、Cr、C、Mo、Ni、Mn、V、W、Si、SおよびPの内の少なくとも1つを含有していることを特徴とする、請求項21に記載の方法。
- 上記方法は、上記鉄をベースとした組成物のデルタ−フェライト相の形成を軽減するために、当該鉄をベースとした組成物中のNの重量%を制御する工程をさらに含んでいることを特徴とする、請求項1または21に記載の方法。
- 上記方法は、上記鉄をベースとした組成物中のNの重量%を、約0.01重量%から約0.04重量%の間になるように導入し、且つ制御する工程をさらに含んでいることを特徴とする、請求項36に記載の方法。
- 上記鉄をベースとした組成物は、(Fe)a(Cr)b(M)c(当該式中、a、bおよびcは、それぞれゼロよりも大きい数であり、重量百分率を表しており;Mは、少なくとも1種の遷移金属元素であり;bは11から12の間であり;cは約0.25から約0.9の間であり;且つ、aによって釣合いが取れられている)を含有しており、且つ、
当該組成物は、少なくともNを、約0.01重量%から約0.04重量%の間でさらに含有していることを特徴とする、請求項37に記載の方法。 - 上記鉄をベースとした組成物は、以下をさらに含有していることを特徴とする、請求項37に記載の方法:
約10重量%から約12.5重量%の間でのCr;
約0.17重量%から約0.22重量%の間でのC;
約0.80重量%から約1.2重量%の間でのMo;
約0.5重量%以下のSi;
約1.0重量%以下のMn;
約0.25重量%から約0.35重量%の間でのV;
約0.40重量%から約0.60重量%の間でのW;
約0.03重量%以下のP;および、
約0.03重量%以下のS。 - 上記鉄をベースとした組成物は、以下をさらに含有していることを特徴とする、請求項37に記載の方法;
約0.3重量%から0.7重量%の間でのNi。 - 上記鉄をベースとした組成物は、以下をさらに含有していることを特徴とする、請求項37に記載の方法;
約11.5重量%でのCr;
約0.20重量%でのC;
約0.90重量%でのMo;
約0.55重量%でのNi;
約0.65重量%でのMn;
約0.30重量%でのV;
約0.50重量%でのW;
約0.20重量%でのSi;および、
約0.02重量%でのN。
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