KR102590363B1 - 경수로를 위한 고온 제어봉 - Google Patents

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프랭크 에이 보일란
호 큐 램
미첼 이 니슬리
레이몬드 이 슈나이더
로버트 엘 올리치
서밋 레이
라두 포밀레아누
제스 카루타스
마이클 제이 혼
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Abstract

1500℃ 미만의 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 1500℃ 초과의 융점을 갖는 중성자 흡수 재료 (24)를 포함하고, 1500℃ 초과의 융점을 갖는 클래딩 재료 (30)를 추가로 포함할 수 있는 핵연료 집합체 (10)를 위한 고온 제어봉 (22)이 본원에 기재된다. 클래딩 재료 (30)는 탄화규소, 지르코늄, 지르코늄 합금, 텅스텐, 및 몰리브데넘으로 이루어진 군으로부터 선택된다. 흡수 재료 (24)는 Gd2O3, Ir B4C, Re, 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택된다. 금속 클래딩 (30) 또는 흡수 재료 (24)는 Nb 중간 층 (28)을 갖거나 또는 갖지 않고 Cr의 산화-방지 코팅 (26)으로 코팅될 수 있다.

Description

경수로를 위한 고온 제어봉
정부의 권리에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지부에 의해 수여된 계약 번호 DE-NE0008222 하의 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 있어서 특정 권리를 갖는다.
1. 발명의 분야
본 발명은 원자로, 보다 구체적으로는 제어봉을 제조하는데 사용하기 위한 재료에 관한 것이다.
2. 선행 기술의 설명
전형적인 원자로에서, 원자로 노심은 다수의 연료 집합체를 포함하며, 이들 각각은 복수의 세장형 연료봉 또는 유사한 요소로 이루어진다. 연료봉의 어레이 내에는 제어봉을 수용하기 위한 가이드 튜브가 있다. 연료봉의 집합체 위에는 제어봉 집합체가 있고, 제어봉 집합체는 예시적 설계에서 여러 연료봉 클러스터 사이에 위치된 가이드 튜브와의 정렬 내로 그리고 밖으로 움직일 수 있는 다수의 제어봉을 포함한다. 도 1은 제어봉 가이드 튜브 및 제어봉 클러스터 집합체를 포함하는, 예시적인 핵연료 집합체를 나타낸다.
사용시, 제어봉 집합체는 필요에 따라 움직이고 제어봉은 임의의 주어진 시간에 연료 집합체의 작동 요구에 따라, 전략적 위치에서 가이드 튜브 내로 낙하된다.
스테인리스 강철 클래딩 내의 Ag-In-Cd 합금으로부터 제조된 것과 같은, 현재 제어봉은 1168℃까지의 환경에서 견딜 수 있고 계속 작동할 수 있다. 제어봉이 연료봉보다 약 200℃ 차갑고 연료봉이 설계 기준 사고에 대한 현재 1200℃ 한계치 미만에서 유지되므로, 현재 제어봉 재료는 정상 작동 조건에 적절하다. 그러나, 원자로가 설계된 것을 넘어 (즉, 설계 기준 사고를 넘어) 온도 증가를 초래하는 사고의 경우에, 약 1700℃의 제어봉 온도에 도달될 수 있다. 이 온도에서, 현재 제어봉은 녹아 연료봉을 공격하게 될 것이다.
드물지만, 일본 후쿠시마의 원자력 발전소에 손해를 입혔던 쓰나미와 같은 사건은 설계 기준 사고를 넘어 발생할 수 있고 원자력 발전소의 특징을 설계할 때 고려되어야 한다는 것을 보여준다. 따라서 제어봉 멜트 다운의 가능성이 해결되어야 한다.
발명의 요약
다음의 요약은 개시된 실시예에 고유한 혁신적인 특징 중 일부의 이해를 돕기 위해 제공되고 완전한 설명인 것으로 의도되지 않는다. 실시예의 다양한 양태의 완전한 이해는 전체 명세서, 청구범위, 도면, 및 요약서를 전체적으로 취함으로써 얻을 수 있다.
제어봉 사고 공차에 대한 우려를 해결하기 위해, 제어봉을 구성하는데 사용되는 재료를 개선하였다.
적어도 1668℃까지 안정적으로 유지되어 설계 기준 사고 조건을 넘어 초과하고 사고 공차 핵연료 조건을 충족시킬 원자로 제어봉을 위한 재료가 본원에 기재된다. 클래딩 및 중성자 흡수 재료의 여러 조합으로 구성된 제어봉이 기재된다. 코팅된 중성자 흡수 재료로 구성된 제어봉이 기재된다.
예시적인 제어봉은 1500℃ 초과의 융점을 갖는 클래딩 재료, 및 1500℃ 초과의 융점을 갖는 중성자 흡수 재료를 포함하는 핵연료 집합체를 위한 고온 제어봉을 포함할 수 있으며, 여기서 클래딩 재료 또는 중성자 흡수 재료는 서로 또는 다른 연료 집합체 재료와 1500℃ 미만의 융점을 갖는 공융(eutectic)을 형성할 수 없다.
예시적인 제어봉은 다른 재료, 예컨대 코팅 재료 또는 다른 연료 집합체 재료와 1500℃ 미만의 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 1500℃ 초과의 융점을 갖는 코팅된 중실 금속봉의 형태로 중성자 흡수 재료를 포함하는 핵연료 집합체를 위한 고온 제어봉을 포함할 수 있다. 봉은 산화-방지 코팅으로 코팅될 수 있다.
핵연료 집합체에 사용하기 위한 예시적인 제어봉은 Ir, Re, 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택된 고체 중성자 흡수 재료, 및 흡수 재료 상의 산화-방지 코팅을 포함할 수 있다.
다양한 양태에서, 탄화규소, 지르코늄, 지르코늄 합금, 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브데넘, 및 몰리브데넘 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 클래딩 재료, 및 중성자 흡수 재료를 포함하는 원자로 내의 제어봉의 사고 공차를 개선하기 위한 조합이 제공된다.
다양한 양태에서, 흡수 재료는 8 반(Barn) 이상의 유효 중성자 흡수 단면적을 갖는다.
클래딩 재료는, 다양한 양태에서, 1500℃ 미만의 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 산화-방지 코팅으로 코팅된 금속일 수 있다. 금속 클래딩 재료는 지르코늄, 지르코늄 합금, 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브데넘, 및 몰리브데넘 합금으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
다양한 양태에서 산화-방지 코팅은 크로뮴 외부 코팅일 수 있다. 니오븀 중간 층은, 다양한 양태에서, 외부 층과 클래딩 재료 사이에, 또는 외부 층과 고체 중성자 흡수 재료 사이에 배치될 수 있다. 몰리브데넘 및 탄탈럼은 또한 중간 층으로서 사용될 수 있다.
비금속 클래딩 재료는 SiC일 수 있다.
다양한 양태에서, 흡수 재료는 B4C, Re, Ir, 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
클래딩은 흡수 재료를 수용하기 위한 튜브의 형태일 수 있다. 흡수 재료는 튜브 내에 수납된 세라믹 펠릿 또는 금속 슬러그 중 하나의 형태일 수 있다.
본 개시내용의 특징 및 이점은 첨부 도면을 참조함으로써 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 제어봉 집합체를 갖는 예시적인 종래의 연료봉 집합체를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 제어봉 집합체에 사용하기 위한 제어봉의 실시예의 개략 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 바와 같은 제어봉 집합체에 사용하기 위한 제어봉의 대안적 실시예의 개략 단면도이다.
도 4는 도 2 및 도 3에 도시된 제어봉의 중성자 흡수 재료의 실시예의 개략 단면도이다.
도 5는 도 2 및 도 3에 도시된 제어봉의 중성자 흡수 재료의 대안적 실시예의 개략 단면도이다.
바람직한 실시예의 설명
본원에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥에서 달리 분명하게 지시하지 않는 한 복수의 지시대상을 포함한다. 따라서, 관사는 본원에서 관사의 문법적 대상 중 하나 또는 하나 초과 (즉, 적어도 하나)를 지칭하는데 사용된다. 예로서, "요소"는 하나의 요소 또는 하나 초과의 요소를 의미한다.
본원에서 사용된 방향 어구, 예컨대, 예를 들어 그리고 제한 없이, 최상부, 저부, 좌측, 우측, 하부, 상부, 전방, 후방, 및 그의 변형은 첨부 도면에 도시된 요소의 배향에 관한 것이고 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 청구범위에 대한 제한은 아니다.
청구범위를 포함하여, 본 출원에서, 달리 지시된 경우 이외에, 수량, 값 또는 특징을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 용어 "약"이 명시적으로 수치와 함께 나타나지 않을 수 있더라도 수치는 단어 "약"이 선행된 것처럼 읽을 수 있다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 이하의 설명에 제시된 임의의 수치 파라미터는 본 개시내용에 따른 조성물 및 방법에서 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있다. 최소한으로, 그리고 청구범위의 범주로 균등론의 적용을 제한하려는 시도로서가 아니라, 본 설명에 기재된 각 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 숫자의 수에 비추어 그리고 통상의 반올림 기법을 적용하여 해석되어야 한다.
또한, 본원에서 언급된 임의의 수치 범위는 그 안에 포함된 모든 하위-범위를 포함하는 것으로 의도된다. 예를 들어, "1 내지 10"의 범위는 언급된 1의 최소값과 언급된 10의 최대값 사이의 (이들 값을 포함함), 즉, 1 이상의 최소값 및 10 이하의 최대값을 갖는 임의의 그리고 모든 하위-범위를 포함하는 것으로 의도된다.
사고 공차 핵연료는 현재 사용된 지르코늄 (Zr) 합금보다 훨씬 높은 온도를 견딜 수 있는 클래딩을 특징으로 한다. 예를 들어, SiC는 2545℃까지의 온도를 견딜 수 있고 코팅된 클래딩, 예컨대 Cr 및 Nb 코팅된 Zr 클래딩은 1668℃까지의 온도를 견딜 수 있다. 그러나, 사고 공차가 있도록, 핵연료 구성요소는 최소 양의 물의 첨가를 가정하여 약 1700℃의 연료 온도를 초래할 수 있는 설계 기준 사고를 넘도록 설계된다. 제어봉은, 설계 기준 사고를 넘어 사고 공차가 있도록, 적어도, 그리고 바람직하게는 1668℃ 초과의 온도에서 안정하게 유지되어야 한다.
다양한 양태에서, 사고 공차 원자로 제어봉을 제공할 재료는 바람직하게는 8 반 (1 B = 10-28 ㎡) 이상의 유효 단면적을 가질 것이다. 유효 핵 단면적은 흡수체의 중량 퍼센트에 그의 핵 반응의 단면적을 곱하고, 그램/㎤ 단위의 그의 밀도를 곱한 후, 모두 그램/그램-몰 단위의 흡수체의 분자량으로 나눔으로써 계산된다. 현재 사용된 80% Ag/15% In/5% Cd 제어봉의 유효 단면적은 대략 16이다. Gd2O3의 유효 단면적은, 그것이 흡수체로서 사용된 경우, 산소가 중성자를 흡수하는 역할을 하지 못하기 때문에, 가돌리늄만을 기준으로 867이다.
도면을 참조하면, 도 1은 제어봉 집합체 (12), 최상부 노즐 (14), 저부 노즐 (16), 및 그리드 집합체 (18)를 갖는, 종래의 연료봉 집합체 (10)를 도시한다. 노즐 (12, 14) 및 그리드 집합체 (18)는 연료봉 (20) 및 제어봉 (22)을 정렬시킨다.
도 2를 참조하면, 본원에 기재된 바와 같은 제어봉 (22)은 흡수 재료 (24) 상에 산화-방지 코팅 (26)을 갖는 중성자 흡수 재료 (24)를 포함할 수 있다. 다양한 양태에서, 도 3에 도시된 바와 같이, 제어봉 (22)의 중성자 흡수 재료 (24)는 흡수 재료 (24)와 외부 산화-방지 층 (26) 사이에 배치된 중간 층 (28)을 포함할 수 있다.
다양한 양태에서, 중성자 흡수 재료 (24)는 도 4에 도시된 바와 같이, 클래딩 층 (30)을 가질 수 있다. 중성자 흡수 재료 (24)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 중실 튜브의 형태일 수 있거나, 또는 도 5에 도시된 바와 같이, 펠릿 또는 슬러그 (32)의 형태일 수 있다.
다양한 양태에서, 사고 공차 원자로 제어봉을 제공할 재료는 1500℃ 초과의 클래딩 융점을 가질 것이다. 최소 양의 물 첨가를 갖는 핵연료 원자로 노심의 현재 모델링은 대략 1700℃의 온도가 무기한으로 유지될 수 있다는 것을 시사한다. 제어봉이 대략 200℃ 더 차가운 것을 고려할 때, 1500℃ 초과의 온도를 견딜 수 있는 클래딩은 제어봉 형상을 유지할 것이다.
다양한 양태에서, 제어봉 중성자 흡수체 재료는 바람직하게는 1500℃ 초과의 융점을 갖는다. 1500℃ 초과의 융점을 가지면, 흡수체는 제어봉 클래딩 균열이 있는 경우에 녹지 않을 것이고, 따라서, 임의의 다른 용융된 재료에 의해 희석 및 대체되지 않을 것이다.
사고 공차 원자로 제어봉을 제공하기 위해, 제어봉 클래딩 및 흡수체 재료는 서로 또는 다른 연료 집합체 재료와 공융 (즉, 조합된 재료의 최저 도달가능한 융점)을 형성하여 1500℃보다 낮은 융점을 초래할 수 없다.
다양한 양태에서, 제어봉 클래딩 및 흡수체 재료는 조합된 기저 부하/부하 추종/부하 조정 듀티에서 20년의 작동에 상응하는 플루언스를 위해 설계된다. 이러한 20년 기간에 걸친 부식 및 중성자 흡수는 제어봉의 작동을 손상시키지 않을 것이며, 이의 성능은 개선된 제어봉 설계의 긍정적인 양태이다.
바람직하게는, 흡수체 재료는 비교적 합리적으로 가격이 정해질 것이고 제어봉의 제조 비용은 터무니없이 비싸지 않을 것이다. 제어봉을 제조하기 위한 재료의 비용 및 노동 비용이 시간 경과에 따라 달라질 수 있다는 것을 인식하는 경우, 비용 요소는 본 발명의 목적을 위한 재료의 선택시 제한 요소가 아니지만, 임의의 주어진 재료는 임의의 주어진 시간에 시장의 힘으로 인해 선호 내에 또는 선호 밖에 있을 수 있다.
원하는 사양을 총족시키는 다양한 재료 및 각각의 관련 특성은 표 1에 제시되어 있다. 상기 사양을 적용하여, 다양한 양태에서 표 1에 기재된 클래딩/흡수체 조합 및 코팅된 흡수체 재료는 사고 공차 핵연료 집합체 제어봉에 대한 요건을 총족시킨다는 것이 결정되었다:
표 I
Figure 112020032836671-pct00001
Figure 112020032836671-pct00002
Figure 112020032836671-pct00003
다양한 양태에서, 제어봉을 위한 조합에 사용된 예시적인 클래딩 재료는 다음의 것을 포함할 수 있다:
1. 크로뮴 (Cr)의 외부 코팅 및, Cr 및 Zr 층 사이에 니오븀 (Nb)의 중간 층을 갖는 지르코늄 (Zr) 합금 클래딩. 이 클래딩의 경우, 최저 용융 공융은 1668℃에서 Cr과 Nb 사이에 있다.
2. Cr의 외부 코팅을 갖는 텅스텐 (W) 합금 클래딩. 이 클래딩의 경우, 최저 용융 공융은 1863℃이다.
3. Cr의 외부 코팅을 갖는 몰리브데넘 (Mo) 합금 클래딩. 이 클래딩의 경우, 최저 용융 공융은 1858℃이다.
4. 탄화규소 (SiC) 클래딩. 분해 온도는 약 2545℃이다.
다양한 양태에서, 지르코늄 합금은 본원의 관련 부분에 참고로 포함된 미국 특허 제4,649,023호에 개시된 절차에 따라 제조된, 코팅된 ZIRLO™일 수 있다. ZIRLO™는, 중량 퍼센트로, 0.5-2.0 니오븀, 0.7-1.5 주석, 0.07-0.14 철, 및 0.03-0.14의 니켈 및 크로뮴 중 적어도 하나, 및 적어도 총 0.12의 철, 니켈 및 크로뮴, 및 220 ppm 이하의 C, 및 본질적으로 나머지 지르코늄을 포함하는 합금이다. 바람직하게는, 합금은 0.03-0.08 크로뮴, 및 0.03-0.08 니켈을 함유한다. 통상의 기술자는 다른 지르코늄 합금이 원하는 적용에 사용하기에 허용될 수 있다는 것을 알 것이다.
다양한 양태에서, 제어봉에 사용된 예시적인 흡수체 재료는 다음의 것을 포함할 수 있다:
1. Gd2O3은 2420℃의 융점 및 매우 높은 중성자 흡수율을 갖는다. Gd2O3의 비교적 높은 비용은 단독으로 사용된 경우 이 시점에 이 재료를 이상보다 덜 만든다. 그러나, 그의 매우 높은 열 단면적 때문에, Al2O3 (융점 2072℃) 또는 CaO (2575℃ 융점)와 같은 다른 고융점, 저렴한 산화물로 50배까지, 또는 약 50배만큼 희석시켜, 궁극적인 비용을 낮출 수 있다.
2. B4C는 2763℃의 고융점 및 상당히 높은 중성자 흡수율을 갖는다. Gd2O3과 달리, 이는 터무니없이 비싸지 않다. 다양한 양태에서, B4C는 유용한 흡수체일 수 있다.
3. 레늄 (Re)은 3180℃의 융점 및 적당한 중성자 흡수율을 갖는다. 이는 또한 비교적 비싸다. 그러나, 다양한 양태에서, Re은 유용한 흡수체일 수 있다.
4. 하프늄 (Hf)은 2222℃의 융점 및 적당한 중성자 흡수율을 갖는다. 이는 또한 비교적 비싸다. 그러나, 다양한 양태에서, Hf은 유용한 흡수체일 수 있다.
표 1에 나타낸 다른 금속 흡수체 재료는 오스뮴 (Os), 탄탈럼 (Ta), 및 니오븀 (Nb)을 포함하나, 이러한 재료의 유효 단면적은 8 반 미만이어서 설계 기준 사고 공차 사양을 넘어 충족시키기 위한 핵연료 집합체에서의 사용에 바람직하지 않다.
흡수체는 중공 클래딩 튜브에 삽입된 펠릿 또는 슬러그의 형태일 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같은 슬러그는 금속 흡수체를 지칭하고, 본원에서 사용된 바와 같은 펠릿은 가압되고 소결된 세라믹 흡수체를 지칭한다. 표 1에 기재된 바와 같은 펠릿 내로 형성된 흡수체 재료는 Gd2O3 및 B4C를 포함할 수 있다. 표 1에 기재된 바와 같은 슬러그 내로 형성된 흡수체 재료는 이리듐 (Ir), 레늄 (Re), 및 하프늄 (Hf)을 포함할 수 있다. 슬러그 흡수체가 사용되든 또는 펠릿 흡수체가 사용되든, 형상은 일반적으로 동일하고, 대상은 클래딩 튜브의 중공 내에 맞도록 되어 있다. 이들은 클래딩 튜브 내의 중공 공동의 형상에 따라, 실린더형 또는 임의의 다른 적합한 형상, 예컨대 정사각형 또는 직사각형 블록일 수 있다. 단일 흡수체가 있을 수 있거나 또는 적층된 실린더 또는 적층된 블록 형태의 복수의 흡수체가 있을 수 있다.
흡수체는 봉 위에 코팅 재료를 갖는 중실 금속봉의 형태일 수 있다. 예를 들어, 표 1을 참조하면, 흡수체 금속, 예컨대 Ir, Re, 및 Hf는 중실 봉의 구성일 수 있다. 봉을 덮는 코팅 재료는 Nb의 중간 코팅 층을 갖거나 또는 갖지 않고 Cr 외부 코팅을 포함하여 정상 작동 및 사고 조건 동안 산화로부터 아래에 놓인 금속봉을 보호할 수 있다. 몰리브데넘 및 탄탈럼은 또한 중간 층으로서 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 클래딩 재료는 없다.
고온 제어봉은, 예를 들어, 1500℃ 초과의 융점을 갖는 금속 또는 금속 합금 클래딩 재료 및 1500℃ 미만인 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 이러한 금속을 위한 산화-방지 코팅을 포함할 수 있다. 제어봉은 높은 중성자 흡수 단면적을 갖는다. 또 다른 예시적인 고온 제어봉은 SiC 및 1500℃ 미만의 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 1500℃ 초과의 융점을 갖는 중성자 흡수 재료를 포함할 수 있다. 이 실시예의 제어봉은 또한 높은 중성자 흡수 단면적을 갖는다.
금속 클래딩 재료는 지르코늄 (Zr), 텅스텐 (W), 및 몰리브데넘 (Mo), 및 그의 합금으로부터 선택될 수 있다. 합금은 통상의 기술자에게 공지된 원자로의 고온 환경에서 사용하기 위한 임의의 적합한 합금으로부터 선택될 수 있다. 다양한 양태에서, 클래딩 재료는 흡수체 펠릿 또는 슬러그를 고정하도록 구성된 튜브의 형태일 수 있다.
다양한 양태에서, 클래딩 튜브는 산화-방지 재료로 코팅될 수 있다. 코팅 재료는 니오븀 (Nb)의 내부 코팅을 갖거나 또는 갖지 않고 크로뮴 (Cr) 외부 코팅을 포함할 수 있다. 다른 코팅 조합이 사용될 수 있다. 예를 들어, Mo 또는 Ta 중간 층을 갖는 Cr 외부 층이 선택될 수 있다.
이러한 제어봉 클래딩 및 중성자 흡수 재료 조합은 비용 효율적이고, 비교적 제조하기 용이한 조합을 제공하여 핵연료 집합체의 사고 공차를 향상시킨다.
본원에 기재된 튜브, 봉 및 금속 슬러그는 통상의 기술자에게 공지된 임의의 방법에 의해 기계 가공될 수 있다. 예를 들어, 표 1에서 확인된 크기, 구성, 분자량 및 다른 특성, 및 원자력 산업에 관련 있는 것으로 알려진 특성에 대한 정밀한 공차 때문에, 정밀 제조 방법이 사용되어야 한다.
펠릿은 다른 상업적 맥락에서 펠릿을 제조하는 공지된 방법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 분말, 또는 미립자 형태의 세라믹 흡수체 재료는 입자 크기 분포 및 표면적 면에서 상대적 균일성을 보장하기 위해 먼저 입자를 균질화함으로써 펠릿으로 형성될 수 있다. 다양한 양태에서, 첨가제, 예컨대 윤활제, 가연성 흡수체 및 기공-형성제가 첨가될 수 있다. 입자는 원하는 "녹색" 밀도 및 강도를 달성하기 위해 적합한 상업적으로 입수가능한 기계식 또는 유압식 프레스에서 입자의 혼합물을 압축시킴으로써 펠릿으로 형성될 수 있다.
기본 프레스는 단일 작동 기능을 갖는 다이 플래튼을 포함할 수 있고, 한편 가장 복잡한 스타일은 "다중-레벨" 부품을 형성하기 위해 다수의 움직이는 플래튼을 갖는다. 프레스는 매우 다양한 톤수 용량으로 이용가능하다. 분말을 원하는 압축한 펠릿 형상으로 가압하는데 필요한 톤수는 부품의 돌출된 표면적에 분말의 압축성 특성에 의해 결정된 부하 계수를 곱함으로써 결정된다.
공정을 시작하기 위해, 입자의 혼합물을 다이에 충전시킨다. 다이 충전 속도는 주로 입자의 유동성에 기초한다.
일단 다이가 충전되면, 펀치는 입자를 향해 이동한다. 펀치는 입자에 압력을 가하고, 이들을 다이의 형상으로 압축시킨다. 특정 펠릿화 공정에서, 입자는 다이 내로 공급되고 수백 MPa의 하중을 사용하여 실린더형 펠릿으로 2축성으로 가압될 수 있다.
압축 이후에, 펠릿은, 일반적으로 아르곤으로 이루어진 제어된 분위기하에 재료가 소결됨에 따라 변하는 온도에서 노를 가열함으로써 소결된다. 소결은 압축 동안 형성된 입자의 기계적 결합을 보다 강한 결합으로 전환시킴으로써 녹색 펠릿 및 크게 강화된 펠릿을 통합하는 열 공정이다. 이어서 압축되고 소결된 펠릿은 냉각되고 원하는 치수로 기계 가공된다. 예시적인 펠릿은 직경이 약 1 센티미터이거나, 또는 약간 더 작을 수 있고, 길이가 1 센티미터이거나, 또는 약간 더 클 수 있다.
산화-방지 코팅은 열 침착 공정, 예컨대 저온 분사 공정을 사용하여 적용될 수 있다. 2개의 층이 있는 경우, 내부 층이 먼저 침착될 것이고 외부 층의 침착 전에 연삭 및 연마될 수 있고, 이는 그 후에 연삭 및 연마될 수 있다.
저온 분사 방법은 캐리어 가스가 노즐을 통과할 때 가스의 팽창 후, 원하는 온도, 예를 들어, 100℃ 내지 500℃에서 가스를 유지하기에 충분한 온도로 가열되는 가열기로 캐리어 가스를 전달함으로써 진행될 수 있다. 다양한 양태에서, 캐리어 가스는, 예를 들어, 5.0 MPa의 압력으로, 200℃ 내지 1200℃의 온도로 예열될 수 있다. 다양한 양태에서, 캐리어 가스는 200℃ 내지 1000℃, 또는 다양한 양태에서, 300℃ 내지 900℃, 그리고 다른 양태에서, 500℃ 내지 800℃의 온도로 예열될 수 있다. 온도는 캐리어로서 사용된 특정 가스의 줄-톰슨(Joule -Thomson) 냉각 계수에 좌우될 것이다. 압력 변화를 겪을 때 팽창 또는 압축시 가스가 냉각되는지 여부는 그의 줄-톰슨 계수의 값에 좌우된다. 양의 줄-톰슨 계수의 경우, 캐리어 가스는 냉각되고 저온 분사 공정의 성능에 영향을 미칠 수 있는 과도한 냉각을 방지하기 위해 예열되어야 한다. 통상의 기술자는 과도한 냉각을 방지하기 위해 널리 공지된 계산을 사용하여 가열의 정도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스로서 N2의 경우, 유입구 온도가 130℃이면, 줄-톰슨 계수는 0.1℃/bar인 것을 참조한다. 가스가 130℃에서 튜브에 충돌하는 경우 그의 초기 압력이 10 bar (~146.9 psia)이고 최종 압력이 1 bar (~14.69 psia)이면, 그러면 가스는 약 9 bar * 0.1℃/bar 또는 약 0.9 C 내지 약 130.9℃로 예열될 필요가 있다.
예를 들어, 캐리어로서 헬륨 가스의 경우 온도는 바람직하게는 3.0 내지 4.0 MPa의 압력에서 450℃이고, 캐리어로서 질소의 경우 온도는 5.0 MPa의 압력에서 1100℃일 수 있지만, 또한 3.0 내지 4.0 MPa의 압력에서 600℃ - 800℃일 수 있다. 통상의 기술자는 온도 및 압력 변수가 사용된 장비의 유형에 따라 변할 수 있고 장비가 온도, 압력 및 부피 파라미터를 조정하도록 변형될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
적합한 캐리어 가스는 불활성이거나 반응성이 아닌 가스, 및 특히 Cr 또는 Nb 입자 또는 코팅될 튜브 또는 봉 기판과 반응하지 않을 가스이다. 예시적인 캐리어 가스는 질소 (N2), 수소 (H2), 아르곤 (Ar), 이산화탄소 (CO2), 및 헬륨 (He)을 포함한다.
선택된 캐리어 가스와 관련하여 상당한 유연성이 있다. 가스의 혼합물을 사용할 수 있다. 선택은 물리학 및 경제학 둘 다에 의해 도출된다. 예를 들어, 더 저분자량 가스는 더 높은 속도를 제공하지만, 가장 높은 속도는 입자의 반동을 초래하고 따라서 침착된 입자의 수를 감소시킬 수 있으므로 피해야 한다.
예시적인 저온 분사 공정에서, 고압 가스는 도관을 통해 가열기로 진입하고, 여기서 가열은 신속하게; 실질적으로 즉각적으로 일어난다. 원하는 온도로 가열된 경우, 가스는 건-유사 기기로 향한다. 원하는 코팅 재료의 입자, 이 경우에, Cr 또는 Nb은 호퍼에서 고정되고, 방출되고 건으로 향하며, 여기서 이들은 노즐을 통해 가압된 가스 제트에 의해 봉 또는 튜브 기판을 향하게 된다. 분사된 Cr 또는 Nb 입자는 봉 또는 튜브 표면 상에 침착되어 입자로 이루어진 코팅을 형성한다.
저온 분사 공정은 가열된 캐리어 가스의 제어된 팽창에 의존하여 입자를 튜브 또는 봉 기판 위로 나아가게 한다. 입자는 기판 또는 이전의 침착된 층에 충돌하고 단열 전단을 통해 소성 변형을 겪는다. 후속 입자 충돌은 축적되어 코팅을 형성한다. 입자는 또한 변형을 촉진하기 위해 유동하는 캐리어 가스에 진입하기 전에 켈빈 도로 표현된 분말의 융점 3분의 1 내지 2분의 1의 온도로 가온될 수 있다. 노즐은 코팅될 영역 또는 재료 축적이 필요한 곳에 걸쳐 래스터링된다 (즉, 영역이 최상부에서 저부로 직선으로 좌우로 분사되는 패턴으로 분사된다).
튜브 또는 봉은 표면 오염을 제거하여 코팅의 부착 및 분포를 개선하기 위해 연삭 또는 화학 세정과 같은 일부 표면 준비가 필요할 수 있다.
입자는 압축한, 불침투성, 또는 실질적으로 불침투성 코팅 층을 제공하기에 충분한 속도로 분사된다. 다양한 양태에서 제트 분사의 속도는 800 내지 4000 ft./sec. (약 243.84 내지 1219.20 미터/sec.)일 수 있다. Cr 또는 Nb 입자는 상업적 또는 연구 수준에서, 원하는 제조 속도를 제공하기에 충분한 속도로 튜브 또는 봉의 표면 상에 침착된다.
통상의 기술자는 공정에 사용된 장비에 기초하여 침착 속도를 쉽게 계산할 수 있고, 속도에 요인이 되는 성분을 변경함으로써 침착 속도를 조정할 수 있다. 방법의 다양한 양태에서, 입자 침착의 속도는 1000 kg/시간 이하일 수 있다. 허용가능한 속도는 1 내지 100 kg/시간이고, 다양한 양태에서, 10 내지 100 kg/시간일 수 있지만, 더 높은 및 더 낮은 속도, 예를 들어, 1.5 kg/시간이 성공적으로 사용되었다.
코팅의 침착 이후에, 방법은 코팅을 어닐링하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 어닐링은 코팅된 튜브의 기계적 특성 및 미세구조를 변형시킨다. 어닐링은 200℃ 내지 800℃, 그러나 바람직하게는 350℃ 내지 550℃의 온도 범위에서 코팅을 가열하는 것을 포함한다.
코팅된 기판은 또한 더 매끄러운 표면 마무리를 달성하기 위해 코팅 또는 어닐링 단계 이후에 임의의 다양한 공지된 수단에 의해 연삭, 완충, 연마, 또는 달리 추가로 가공될 수 있다.
본 발명은 몇 가지 예에 따라 설명되었으며, 이는 모든 양태에서 제한적이기 보다는 예시적인 것으로 의도된다. 따라서, 본 발명은 상세한 구현에서 많은 변형이 가능하며, 이는 통상의 기술자에 의해 본원에 포함된 설명으로부터 도출될 수 있다.
본원에서 언급된 모든 특허, 특허 출원, 간행물, 또는 다른 개시내용 자료는 각 개별 참고문헌이 참고로 각각 명백하게 포함된 것처럼 그 전문이 본원에 참고로 포함된다. 본원에 참고로 포함되는 것으로 언급된, 모든 참고문헌, 및 임의의 자료, 또는 그의 일부분은 포함된 자료가 본 개시내용에 제시된 기존의 정의, 진술, 또는 다른 개시내용 자료와 상충하지 않는 정도로만 본원에 포함된다. 이와 같이, 그리고 필요한 정도로, 본원에 제시된 바와 같은 개시내용은 본원에 참고로 포함된 임의의 상충되는 자료 및 본 출원 대조군에 명백하게 제시된 개시내용을 대체한다.
본 발명은 다양한 예시적이고 설명적인 실시예를 참조하여 기재되었다. 본원에 기재된 실시예는 개시된 발명의 다양한 실시예의 다양한 세부사항의 예시적인 특징을 제공하는 것으로 이해되며; 따라서, 달리 명시되지 않는 한, 가능한 정도로, 개시된 실시예의 하나 이상의 특징, 요소, 성분, 구성요소, 구성성분, 구조, 모듈, 및/또는 양태는 개시된 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 개시된 실시예의 하나 이상의 다른 특징, 요소, 성분, 구성요소, 구성성분, 구조, 모듈, 및/또는 양태와 또는 그와 관련하여 조합, 분리, 상호교환, 및/또는 재배열될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 통상의 기술자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않으면서 임의의 예시적인 실시예의 다양한 대체, 변형 또는 조합이 이루어질 수 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 통상의 기술자는 단지 일상적인 실험을 사용하여, 본 명세서의 검토시 본원에 기재된 본 발명의 다양한 실시예에 대한 많은 등가물을 인식할 것이거나, 또는 확인할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 다양한 실시예의 설명에 의해 제한되는 것이 아니며, 오히려 청구범위에 의해 제한된다.

Claims (36)

  1. 핵연료 집합체 (10)에 사용하기 위한 제어봉 (22)이며,
    Ir, Re, 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택된 중성자 흡수 재료 (24)를 포함하는 중실 봉;
    중실 봉 상에 코팅된 중간 층 (28); 및
    중간 층 (28) 상에 코팅된 산화-방지 코팅 (26)을 포함하고,
    중간 층 (28)은 니오븀, 몰리브데넘, 및 탄탈럼으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 제어봉 (22).
  2. 제1항에 있어서, 산화-방지 코팅 (26)은 크로뮴 외부 층을 포함하는, 제어봉 (22).
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 원자로 내의 제어봉 (22)의 사고 공차를 개선하기 위한 조합체이며,
    탄화규소, 지르코늄, 지르코늄 합금, 텅스텐, 텅스텐 합금, 몰리브데넘, 및 몰리브데넘 합금으로 이루어진 군으로부터 선택된 클래딩 재료 (30); 및,
    중성자 흡수 재료 (24)를 포함하고,
    클래딩 재료 (30) 및 중성자 흡수 재료 (24)는 1,500℃ 미만의 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 것인, 조합체.
  8. 제7항에 있어서, 클래딩 재료 (30) 상에 산화-방지 코팅 (26)을 추가로 포함하는, 조합체.
  9. 제8항에 있어서, 산화-방지 코팅 (26)은 크로뮴을 포함하는, 조합체.
  10. 제9항에 있어서, 크로뮴 코팅 (26)과 클래딩 재료 (30) 중간에 층 (28)을 추가로 포함하고, 층 (28)은 니오븀, 몰리브데넘, 및 탄탈럼으로 이루어진 군으로부터 선택된 재료를 포함하는, 조합체.
  11. 제7항에 있어서, 중성자 흡수 재료 (24)는 Gd2O3, Ir, B4C, Re, 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택되는, 조합체.
  12. 제11항에 있어서, 흡수 재료 (24)는 산화물과 혼합되는 Gd2O3인, 조합체.
  13. 제12항에 있어서, 산화물은 Gd2O3을 50배까지 희석시키는, 조합체.
  14. 제12항에 있어서, 산화물은 Al2O3 및 CaO로 이루어진 군으로부터 선택되는, 조합체.
  15. 제7항에 있어서, 클래딩 (30)은 흡수 재료 (24)를 수용하기 위한 튜브의 형태인, 조합체.
  16. 제15항에 있어서, 흡수 재료 (24)는 튜브 (30) 내에 수납된 세라믹 펠릿 (32) 또는 금속 슬러그 (32) 중 하나의 형태인, 조합체.
  17. 제7항에 있어서, 흡수 재료 (24)는 중실 금속봉의 형태인, 조합체.
  18. 제17항에 있어서, 흡수봉 (24)은 산화-방지 코팅 (26)으로 코팅된 것인, 조합체.
  19. 제18항에 있어서, 산화-방지 코팅 (26)은 크로뮴 외부 코팅을 포함하는, 조합체.
  20. 제19항에 있어서, 산화-방지 코팅 (26)은 외부 코팅 (26)과 흡수체 봉 (24) 사이에 배치된 중간 층 (28)을 추가로 포함하고, 중간 층 (28)은 니오븀, 몰리브데넘, 및 탄탈럼으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 조합체.
  21. 핵연료 집합체 (10)를 위한 제어봉 (22)이며,
    1500℃ 초과의 융점을 갖는 클래딩 재료 (30); 및,
    1500℃ 초과의 융점을 갖는 중성자 흡수 재료 (24)
    를 포함하고,
    클래딩 재료 (30) 및 흡수 재료 (24)는 1500℃ 미만의 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 것인, 제어봉 (22) .
  22. 제21항에 있어서, 클래딩 재료 (30)는 탄화규소인, 제어봉 (22).
  23. 제21항에 있어서, 클래딩 재료 (30)는 1500℃ 미만의 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 산화-방지 코팅 (26)으로 코팅된 금속인, 제어봉 (22).
  24. 제23항에 있어서, 산화-방지 코팅 (26)은 크로뮴 외부 코팅을 포함하는, 제어봉 (22).
  25. 제24항에 있어서, 크로뮴 외부 코팅 (26)과 클래딩 재료 (30) 사이에 배치된 중간 층 (28)을 추가로 포함하고, 중간 층 (28)은 니오븀, 몰리브데넘, 및 탄탈럼으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 제어봉 (22).
  26. 제21항에 있어서, 클래딩 재료 (30)는 지르코늄, 텅스텐, 몰리브데넘, 및 각각의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 제어봉 (22).
  27. 제21항에 있어서, 흡수 재료 (24)는 8 반 이상의 유효 중성자 흡수 단면적을 갖는, 제어봉 (22).
  28. 제21항에 있어서, 흡수 재료는 Gd2O3인, 제어봉 (22).
  29. 제28항에 있어서, Gd2O3은 산화물로 희석된 것인, 제어봉 (22).
  30. 제29항에 있어서, 산화물은 Al2O3 또는 CaO 중 하나인, 제어봉 (22).
  31. 제21항에 있어서, 흡수 재료는 B4C, Re, Ir, 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택되는, 제어봉 (22).
  32. 핵연료 집합체 (10)를 위한 제어봉 (22)이며,
    1500℃ 미만의 융점을 갖는 공융을 형성하지 않는 1500℃ 초과의 융점을 갖는 고체 중성자 흡수 재료 (24)를 포함하고, 중성자 흡수 재료 (24)가 8 반 이상의 유효 중성자 흡수 단면적을 갖는 것인, 제어봉 (22).
  33. 제32항에 있어서, 중성자 흡수 재료 (24)는 Re, Ir, 및 Hf로 이루어진 군으로부터 선택되는, 제어봉 (22).
  34. 제32항에 있어서, 중성자 흡수 재료 (24)는 산화-방지 층으로 코팅된 봉의 형태인, 제어봉 (22).
  35. 제34항에 있어서, 산화-방지 층 (26)은 크로뮴 외부 코팅을 포함하는, 제어봉 (22).
  36. 제34항에 있어서, 봉과 산화-방지 층 (26) 사이에 중간 층 (28)을 추가로 포함하고, 봉과 크로뮴 사이의 중간 층 (28)은 니오븀, 몰리브데넘, 및 탄탈럼으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 제어봉 (22).
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