KR20180080350A - 고온 기밀성 및 사고 내성을 갖는 다층 복합물 연료 클래드 시스템 - Google Patents

고온 기밀성 및 사고 내성을 갖는 다층 복합물 연료 클래드 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세라믹 및 금속 성분의 조합을 포함하는 다층 클래딩에 관한 것이다. 다층 코팅은 내층, 중간층 및 외층을 포함한다. 내층은 클래딩 구조물을 형성할 수 있고, 중간층은 인터로킹 직조 또는 편조 섬유, 예를 들면 직조 구조물을 형성하기 위해 내층 상에 래핑된 섬유 토우와 매트릭스 물질로 구성된 세라믹 복합물 또는 세라믹 함유 복합물을 구비할 수 있고, 상기 외층은 코팅 형태와 같이 금속 또는 금속 합금으로 구성될 수 있다. 다층 클래딩은 클래딩 구조물의 내용물을 고온 환경에 대한 노출로부터 보호하는데 효율적이다.

Description

고온 기밀성 및 사고 내성을 갖는 다층 복합물 연료 클래드 시스템
본 발명은 클래딩의 내용물을 보호하기 위한 장벽으로서의 역할을 하도록 고온 환경에서 사용하기 위한 다층 복합물로 구성된 클래딩 및 복합물의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 물, 액체 금속 또는 액체 염 냉각재를 갖는 원자로에서 사용하기 위한 다층 복합물 연료 클래딩에 관한 것이다.
전력 원자로는 다수의 연료 집합체를 갖는 원자로 노심을 포함할 수 있으며, 각각의 연료 집합체는 복수의 길다란 연료 요소 또는 연료봉으로 구성된다. 연료 집합체는 노심의 원하는 크기 및 원자로의 크기에 따라 그 크기 및 디자인이 달라진다. 연료봉은 각각 일부 양의 핵분열성 U235 또는 U233을 갖는 우리늄 및/또는 플루토늄을 함유하는 연료 펠릿과 같은 핵분열성 연료 물질을 수용한다. 핵분열성 성분의 분열은 발열을 야기한다. 물, 액체 염, 기체 또는 액체 금속, 예를 들면 납과 같은 냉각재가 원자로 노심를 통해 펌핑되어, 전기와 같은 유용한 일의 생산을 위해 원자로 노심에서 발생된 열을 추출한다.
각각의 연료봉은, 방사성 연료 물질을 보유함과 아울러 연료 물질을 냉각 매체로부터 분리하기 위한 격납물로서 작용하는 클래딩을 갖는다. 또한, 운전 중에 핵분열은 방사성이 높은 기상의 휘발성 및 비휘발성 핵분열 생성물을 발생시키며, 이 핵분열 생성물은 또한 클래딩에 의해 구속된다. 종래의 금속 클래딩 시스템에 있어서, 시간에 따른 조사는 경화 및 취화의 면에서 금속에 대한 손상과 물질 팽윤을 야기한다.
도 1은 연료 펠릿(10)의 적층체, 지르코늄계 클래딩(12), 스프링식 유지 장치(14) 및 단부 플러그(16)를 도시하는 종래 기술의 연료 클래딩 설계를 도시한다.
당해 분야에 있어서의 최근 개발로, 실리콘카바이드(SiC)와 같은 세라믹-함유 물질로 구성된 연료봉 클래딩이 제공되었다. SiC는 경수로에서 1200℃ 이상의 온도와 같은 설계 기준 이상의 사고(beyond design basis accidents)에서 바람직한 특성을 나타내는 것으로 확인되었으며, 따라서 연료봉 클래딩의 적절한 구성 물질로 간주될 수도 있다. 그러나 지진과 같은 자연 현상이나 취급이나 사고로 인해 야기된 굴곡시에 분열 기체 불투과성을 유지하는 것은 일반적으로 세라믹 물질의 고유 비탄성으로 인해 어렵다. 단부 플러그를 SiC 튜브에 높은 처리량의 경제적 방식으로 고정하여 1200 ℃를 넘는 온도에서 기밀 밀봉을 양산하는 것도 또한 어렵다.
고온 기계적 강도 및 안정성, 내팽윤성 및 내부식성을 제공하면서 외부 환경에 대한 보호 및 기밀성을 제공하는 클래딩 물질을 제공하는 것이 당업계에 요구되고 있다. 클래딩에 바람직한 모든 특성을 제공할 수 있는 단일 물질은 발견되지 않았다. 따라서, 본 발명의 목적은 각각 클래딩용으로 유리한 상이한 특성을 나타내는 하나 초과의 물질을 포함하는 복합물을 제공하는 것이다.
일 양상에 있어서, 본 발명은 세라믹 및 금속 함유 다층 클래딩을 제공하며, 이 다층 클래딩은, 금속 또는 금속 합금으로 이루어지고 내면 및 외면을 갖는 내층과; 상기 내층의 외면 상에 형성되고, 내면 및 외면을 갖는 중간층으로서, 상기 중간층은 복합물 또는 인터로킹 세라믹 섬유를 포함하고, 상기 복합물은 인터로킹 세라믹 섬유, 및 세라믹 매트릭스, 금속 매트릭스 또는 이들의 조합으로부터 선택된 매트릭스를 포함하는, 상기 중간층과; 금속 또는 금속 합금으로 이루어지고 중간층의 외면 상에 침착된 외층을 포함한다.
상기 복합물은 직조되거나 편조된 실리콘카바이드 섬유와 실리콘카바이드 매트릭스를 포함하거나, 또는 직조되거나 편조된 알루미나 섬유 및 알루미나 매트릭스를 포함할 수 있다.
상기 외층은 내산화성 코팅을 갖는 알루미나 형성 금속 합금을 포함할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 상기 외층은 선택적으로 이트륨을 첨가한 철-크롬-알루미늄 합금을 포함한다.
다른 양상에 있어서, 본 발명은 세라믹 및 금속 함유 다층 클래딩을 형성하는 방법을 제공한다. 이 방법은, 금속 또는 금속 합금으로 이루어지며 내면 및 외면을 갖는 내층을 형성하는 단계와; 상기 내층의 외면에, 내면 및 외면을 갖는 중간층을 도포하는 단계로서, 상기 중간층은 복합물 또는 인터로킹 세라믹 섬유를 포함하고, 상기 복합물은 인터로킹 세라믹 섬유, 및 세라믹 매트릭스, 금속 매트릭스 또는 이들의 조합으로부터 선택된 매트릭스를 포함하는, 중간층 도포 단계와; 상기 중간층의 외면 상에 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 외층을 침착하는 단계를 포함한다.
상기 중간층을 도포하는 단계는, 섬유 토우의 형태로 세라믹 섬유를 얻는 것과; 상기 토우를 상기 내층 상에 래핑하거나 권취하거나 편조하는 것과; 내부에 보이드가 형성되어 있는 직조된 세라믹 섬유 구조물을 형성하는 것과; 화학적 증기 증착, 화학적 증기 침투 및 졸 겔 침투로부터 선택된 공정을 사용하여 상기 직조된 세라믹 구조물 위에 매트릭스를 침착해서 보이드를 적어도 부분적으로 채우는 단계를 포함할 수 있다.
특정 실시형태에 있어서, 상기 외층은 아크, 액체 상(liquid phase) 또는 냉간 스프레이로부터 선택된 공정에 의해 형성된다.
본 발명의 추가의 이해는 하기의 첨부 도면을 참조한 바람직한 실시형태에 대한 다음의 설명으로부터 얻어질 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료 클래딩을 도시하는 개략도.
도 2는 본 발명의 특정 실시형태에 따른 다층 클래딩의 축방향 단면도를 도시하는 개략도이다.
본 발명은 일반적으로 클래딩을 형성하기 위한 다층 물질, 상기 다층 물질을 제조하는 방법 및 상기 다층 물질로 구성된 클래딩을 제조하는 방법에 관한 것이다. 다층 클래딩은 세라믹 및 금속 성분의 조합을 포함한다. 다층 물질은 내층, 중간층 및 외층을 포함한다. 일반적으로, 내층은, 핵분열 생성물에 대한 기밀 장벽을 형성하기 위해 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있고, 또한 클래딩 구조물의 나머지에 대해 약간의 기계적 지지를 제공할 수도 있으며; 중간층은 인터로킹 직조 또는 편조된 섬유, 예를 들어 직조 구조물을 형성하도록 내층 상에 래핑된 섬유 토우로 구성된 세라믹 복합물 또는 세라믹 함유 복합물과 매트릭스 물질을 포함할 수 있으며; 외층은 코팅과 같은 형태의 금속 또는 금속 합금으로 구성될 수 있다. 일반적으로, 다층 클래딩은 고온 환경 및 기계적 응력에 대한 노출로부터 클래딩 구조물 내에 수용된 내용물을 보호하는 효율적인 장벽이다. 예를 들어, 클래딩은 납 냉각식 고속 원자로와 같은 (그러나, 상기 납 냉각식 고속 원자로에 제한되지 않음) 매우 높은 온도에서 순환하는 물, 액체 염 또는 액체 금속 냉각재를 갖는 원자로 환경에서 핵연료를 수용하기 위한 연료 클래딩 물질로서 사용하기에 적합할 수도 있다. 연료 클래딩은 상기 원자로와 관련된 정상 상태 및 사고 상태를 견딜 수 있는 능력을 갖는다. 설명을 용이하게 하기 위해, 본 발명은 방사성 연료 펠릿을 수용 또는 보유하기 위한 연료 클래딩과 관련하여 본원에서 설명되며, 여기서 클래딩은 원자로 노심 내에 배치되고 클래딩 외부 둘레로 그리고 노심을 통해 순환하는 고온 냉각재에 노출된다. 그러나, 본 발명은 이 맥락에 한정되지 않는다고 이해된다. 본 발명의 다층 복합물 클래딩은 비-방사성, 예컨대 비-원자핵 응용예에 적용 가능할 수도 있으며, (고온 열 전달을 이용한) 태양력 연소 및 화석 기반의 전력 기술을 포함한 (그러나 이것에 제한되지는 않음) 고온 에너지 발생 및 저장 적용예와 같은 경우에 있어서, 적어도 하나의 유체(액체 또는 기체) 상(phase)을 다른 고체, 유체(기체 또는 액체) 상 또는 혼합 상 시스템(예를 들면 기상 분열 생성물을 갖는 고체 연료 펠릿)으로부터 분리할 필요가 있는 임의의 고온 열 또는 질량 전달 적용예를 포함할 수도 있다고 이해된다.
연료봉 클래딩은 전형적으로 그 내부에 형성된 공동 및 2 개의 대향하는 개방 단부를 갖는 긴 튜브 모양이다. 튜브 벽의 두께는 변할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 튜브 벽 두께는 약 100 내지 약 1000 미크론이다. 공동은 내부에 수용된 연료 펠릿 및 전형적으로는 연료 펠릿의 구성, 예를 들어 연료 펠릿의 적층체를 유지하기 위한 스프링과 같은 유지 장치를 구비한다. 밀봉을 제공하고 노심 내에서 순환하는 냉각재가 연료봉 클래딩의 공동으로 들어가는 것을 방지하기 위해 클래딩의 각 개방 단부에 또는 개방 단부 내에 밀봉 메카니즘이 위치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료봉 클래딩은 원자로의 노심 내에 위치한다.
연료봉 클래딩은 일반적으로 핵분열 연료 펠릿(그 내에서 핵분열은 발열을 야기함)을 수용함과 아울러 핵분열로 인한 핵분열 생성물과 연료 펠릿을 냉각재 매체로부터 분리하도록 주로 의도된다. 클래딩은 일반적으로 금속성 물질(금속 또는 금속 합금) 또는 변형예로서 세라믹 물질 중 하나로 구성된다. 금속 클래딩 및 세라믹 클래딩의 각각과 관련된 장단점이 있다. 예를 들어, 금속 클래딩은 우수한 기밀성, 양호한 연성, 조절 가능한 강도 및 개질가능한 보호 부식 방지층을 제공한다. 대조적으로, 세라믹 클래딩은 높은 강성, 고온 강도, 산화 및 부식 환경에서의 고온 생존성을 제공한다. 본 발명에 따른 연료봉 클래딩은 금속/금속 합금 및 세라믹 물질 모두를 조합하는 다층 물질 시스템을 제공하여, 이들 각각의 물질와 관련된 특성 및 이점이 클래딩 내에 나타날 수 있도록 한다.
일반적으로, 다층 물질 시스템으로 구성된 연료봉 클래딩은 물질 연성 및 고온 강도를 유지하면서 기밀성을 달성하는데 있어서의 어려움과 같은 종래의 세라믹 복합물 시스템과 관련된 문제를 회피한다. 임의의 특정 이론에 구속될 의도는 아니지만, 이러한 특성 충돌은 세라믹 물질의 변형 동안[예를 들어, 의사 연성(pseudo ductility)] 신장을 촉진시키는 복합 세라믹 매트릭스에서의 미세 규모 매트릭스 균열의 필요성에 기인한다고 여겨진다. 또한, 본 발명에 따른 클래딩은 세라믹 복합물의 독특한 제조에 기초한 사고 내성 능력(accident tolerance capability)을 제공할 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 연료봉 클래딩은 열 원자로 또는 고속 원자로에서 고온 성능 및 연료의 부식 방지를 제공할 수 있다. 냉각재는 액체 또는 기체 기반이며, 특히, 납과 같은 용융 금속일 수도 있다.
도 2는 원통형 튜브 형태의 다층 클래딩(21)을 도시한다. 클래딩의 형상은 제한적이지 않으며 다양한 형태 및 구성을 포함할 수 있다고 고려 및 이해된다. 예를 들어, 클래딩은 박스 구조 또는 2 차원의 축방향 또는 원추형으로 확장된 구조를 비롯한 다른 폐쇄 형태의 형태일 수 있다. 또한, 그 구조물은 일관된 형상으로 형성될 수도 있고, 일관되지 않은 형상으로 형성될 수도 있다. 즉, 그 형상은 그 길이를 따라 직경의 변화를 수용하도록 조정될 수도 있다. 또한, 원통형 튜브는 클래딩(21)의 내부에 연료 요소가 수용되어 있는 원자로(그러나 이에 한정되지는 않음)와 같은 다양한 환경에서 사용될 수도 있다고 여겨진다. 도 2에 있어서, 클래딩(21)은 내층(23), 중간층(29) 및 외층(35)을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 내층(23)은 튜브 형태이며, 비제한적인 예로서, 내부 공동(24), 내면(25) 및 외면(27)을 포함하는 예비성형된 실린더일 수도 있다. 내층(23)은 금속 또는 금속 합금으로 이루어진다. 일반적으로, 내층(23)의 물질은 양호한 기밀성, 순응적 표면, 적당한 강도 및 양호한 연성을 나타내도록 선택된다. 내층(23)을 형성하는데 사용하기 위한 적절한 금속 및 금속 합금은 오스테나이트 스틸, 페라이트 마르텐사이트 스틸, 지르코늄 합금, 철 합금, 티타늄 합금 또는 이들의 층상 조합물을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 오스테나이트 및 페라이트 마르텐사이트 스틸은 전형적으로 고속 스펙트럼 원자로에 사용되며, 지르칼로이(Zircaloy)(그러나 이에 제한되지 않음)와 같은 지르코늄 합금은 전형적으로 열 스펙트럼 원자로에 사용된다. 특정 스틸 물질의 선택은 인성, 조사 취화, 팽윤 및 중성자 흡수와 같은 특정 인자의 균형에 따라 달라질 수 있다. 내층(23)의 두께는 변할 수 있다. 예를 들어, 내층(23)은 약 100 내지 약 300 미크론 범위의 두께를 가질 수 있다. 내층(23)은 관형 연료 클래딩을 형성하기 위한 것과 같이 종래의 장치 및 공정을 사용하여 전형적으로 형성된다. 예를 들어, 내층(23)은 튜브 인발(tube drawing) 또는 필거링(pilgering)과 같은 종래의 튜브 제조법에 의해 형성될 수도 있다. 그러나, 내층(23)은 제거가능한 노심 위에서의 액체 또는 아크 분무, 액체 침지 또는 고체상태 소결과 같은 침착 공정에 의해 만들어질 수도 있다. 이러한 공정에서, 제거가능한 노심은 다층 구조물의 다층 제조를 용이하게 하기 위해 다른 처리 단계를 통해 유지될 수도 있다.
중간층(29)은 내층(23)의 외면(27)에 도포된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 중간층(29)은 내면(31) 및 외면(33)을 갖는다. 중간층(29)은 인터로킹(interlocking) 직조 또는 편조된, 예를 들어 권취된, 세라믹 섬유 및 세라믹 매트릭스를 포함하는 세라믹 복합물로 구성될 수 있다. 선택적으로, 중간층(29)은 세라믹 매트릭스가 없는 인터로킹 직조 또는 편조된 세라믹 섬유로 구성될 수 있다. 또한, 선택적으로, 중간층(29)은 인터로킹 직조 또는 편조 세라믹 섬유 및 금속 매트릭스를 포함하는 세라믹 함유 복합물로 구성될 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 인터로킹 직조 또는 편조 섬유는 세라믹 섬유 및 금속 섬유의 조합을 포함 할 수 있다. 본 발명의 중요한 특징은, 세라믹 섬유가 섬유들/섬유 토우들 사이에 기계적으로 구속하는 매트릭스가 없는 상태에서 기계적 지지를 제공할 수 있도록 기계적 자체-인터로킹 구조로 직조 또는 편조된다는 것이다. 중간층(29)의 세라믹 성분(들), 예를 들면 이용시의 섬유 및 매트릭스의 양자는 원자로 정상 작동 온도, 및 설계 기준 사고 및 설계 기준 이상 사고의 전형인 보다 높은 온도의 양 온도에서 높은 강도 및 강성을 나타낸다. 취성은 세라믹과 관련되므로, 클래딩 물질의 중간층은 세라믹 섬유 및 매트릭스의 조합으로 형성될 수 있다. 이러한 물질의 구조는, 인터로킹 섬유 구조물의 강도 및 강성을 대단히 효율적으로 유지하면서도 물질 매트릭스에서 제한되지만 미세하게 분할된 구속된 국부적 균열을 허용한다. 내층과 외층[내층(23)과 외층(35)] 사이에 세라믹 복합물[중간층(29)]를 구속함으로써, 기계적 특성의 유지가 향상된다. 중간층(29)을 형성하는데 사용하기 위한 적절한 세라믹 섬유 및 세라믹 매트릭스 물질은 실리콘카바이드, 알루미나 및 이들의 혼합물 및 조합을 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 예를 들어, 실리콘카바이드 섬유, 알루미나 섬유 또는 이들의 조합이 실리콘카바이드 매트릭스, 알루미나 매트릭스 또는 이들의 조합과 조합될 수 있다. 매트릭스를 위한 적절한 금속 물질로는 철계 또는 니켈계 합금, 티타늄계 또는 지르코늄계 시스템, 및 이들의 조합 또는 혼합물을 포함할 수 있다. 중간층(29)의 두께는 변할 수 있다. 특정 실시형태에 있어서, 중간층(29)은 약 200 내지 약 600 미크론 범위의 두께를 가질 수 있다.
중간층(29)은 전형적으로 종래의 장치 및 공정을 사용하여 형성된다. 예를 들어, 중간층(29)은 섬유 성분에 예비응력을 가하여 섬유를 토우로 형성하고, 토우를 예를 들면 +/- 45도로 언더래핑 및 오버래핑하거나 권취하여서 교차 위브(crossing weave)를 형성함으로써 형성될 수도 있다. 결과적으로, 중간층(29)은 운전 상태 하에서의 지지를 제공할 뿐만 아니라, 금속성 요소[예를 들면 내층(23) 및 외층(35)]가 손실, 천공, 부식 또는 산화될 수도 있는 사고 상태 하에서 내부 연료 펠릿에 대해, 예를 들어 "양말(sock)"의 형태로 연속적인 지지를 보장한다.
특정 실시형태에 있어서, 클래딩 튜브[예를 들어, 도 2의 내층(23)]는 세라믹(예를 들어, 실리콘카바이드 및/또는 알루미나) 섬유로 래핑되거나 권취되거나 또는 편조된다. 래핑, 권취 또는 편조는, 클래딩 튜브의 일 단부(개방 또는 밀봉 될 수 있음)에서 공정이 개시되어 대향 단부에서 완료되도록 수행될 수 있다. 침착된 섬유의 두께는 변할 수도 있고, 예를 들어, 약 200 미크론 내지 약 600 미크론 두께의 층을 형성할 수도 있다. 전형적으로, 개별 섬유 또는 섬유 그룹 사이에 보이드가 존재하므로, 래핑, 권취 또는 편조 단계 후에, 세라믹(예를 들어, 실리콘카바이드 및/또는 알루미나) 또는 금속 매트릭스 물질이 섬유들 사이에 형성된 보이드를 적어도 부분적으로 충전시키도록 적용된다.
매트릭스 물질은 화학적 증기 침투(CVI) 또는 화학적 증기 증착(CVD) 기술을 사용하여 침착 또는 도포될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, CVI는 분해된 기상 매트릭스 전구체를 사용하여 기공(pore) 내에 매트릭스 물질을 침착시키는 것을 의미하고, CVD는 분해된 기상 매트릭스 전구체를 사용하여 표면 상에 매트릭스 물질을 침착시키는 것을 의미한다. 특정 실시형태에 있어서, CVI는 이용된 특정 CVI 공정 및 장치에 따라 약 300℃ 내지 약 1100℃ 의 온도에서 수행된다. 전통적인 분해 기반의 CVI는 약 900℃ 내지 약 1100℃ 에서 발생한다. 특정 실시형태에 있어서, 원자층 침착-기반의 SiC 침착은 약 300℃ 내지 약 500℃의 온도에서 수행된다.
대안적으로, 졸 겔 침투, 건조 및 소성(firing) 공정이 복합 물질, 예를 들면 도 2의 중간층(29)을 형성하기 위해 사용될 수도 있다.
외층(35)은 중간층(29)의 외면(13) 상에 코팅의 형태로 도포 또는 침착된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 외층(35)은 내면(37) 및 외면(39)을 갖는다. 외층(35)은 금속 또는 금속 합금으로 이루어진다. 특히, 복합물이 기계적 변형(deformation)을 수용하기 위해 변형(strain)됨에 따라 세라믹 매트릭스가 균열을 경험하는 경우에, 일반적으로, 외층(35)의 물질은 외부 환경, 예를 들어 물, 기체, 액체 염 또는 액체 금속을 중간층(29)으로부터 분리함과 아울러 중간층(29) 위에 보호 층을 제공하도록 선택된다. 일반적으로, 외층(35)의 물질은, 층이 전체 코팅 상에 온전하게 남아 있고, 보호 외면(39)에 균열 또는 손상이 발생하는 경우 표면의 보호 양상이 개질될 수 있도록, 충분히 연성이다. 이 개질된 보호 층은 액체 냉각재가 중간층(29)의 섬유 위브에 침입하는 것에 대해 화학적 및 물리적 장벽을 제공한다. 외층(35)을 형성하는데 사용하기 위한 적절한 금속 및 금속 합금은 내산화성 코팅을 갖는 알루미나-형성 금속 합금을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 특정 실시형태에 있어서, 니켈(Ni), 및 이트륨(Y)과 같은 희토류 원소를 첨가한 철계 Fe-Cr-Al 합금이 바람직하다. 그러나, 고온 니켈 합금 및 스테인레스 스틸과 같은 환경적으로 양립 가능한 코팅들을 갖는 다른 안정한 합금이 외층(35)용으로 사용될 수 있다. 납-냉각식 원자로 내의 연료 클래딩을 위한 바람직한 실시형태에 있어서, 외층은 이트륨이 첨가된 철-크롬-알루미늄 합금(FeCrAl(Y))으로 이루어진 코팅의 형태이고, 이것은 고강도에 대한 금속 연성을 가지지만, 외면(39) 내에 균열이 발생하는 경우 보호 알루미나 코팅을 개질하는 능력을 보유한다. 외층(35)의 코팅 두께는 변할 수 있다. 예를 들어, 외층(35)은 약 20 미크론 내지 수 밀리미터 범위의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 최적의 두께는 하나의 극단(래핑된 세라믹 섬유 토우에 의해 형성된 표면 변동성을 수용하기 위한 보다 얇은 두께)에서 약 수십 미크론부터 다른 극단(보다 두꺼운 두께는 균열 없이 그 아래의 세라믹 물질과 함께 변형될 수 있는 연성 코팅을 제공한다)에서 약 1mm 까지의 범위일 수 있다. 중간층의 두께에 따라 수십 미크론부터 백 내지 2백 미크론까지 정도의 외층의 두께가 바람직하다. 즉, 외층의 두께는 중간층의 두께의 약 10% 이어야 한다.
외층(35)은 전형적으로 종래의 코팅 장치 및 침착 공정을 사용하여 형성된다. 예를 들어, 외층(35)은 그 아래의 복합물 중간층(29)의 표면 간극을 채우기에 충분히 두꺼운 두께를 갖는 외층을 아크, 액체 상 또는 냉간 분사함으로써 형성될 수도 있고 클래딩 표면의 완전한 커버리지를 제공할 수도 있으며 클래딩의 수명기간 동안 보호 표면층을 개질할 수 있는 능력을 유지해야 한다. 특정 실시형태에 있어서, 외층 내의 알루미늄은 산화되어 보호 부착 알루미나 층을 형성한다. 그러한 실시형태에 있어서, 알루미나-풍부 금속 물질은 진공 내에서 또는 비산화성 분위기 하에서 금속 시스템으로 침착되며, 금속층이 일단 침착되면, 침착된 물질의 표면에, 퍼지는 분위기(pervasive atmosphere)나 또는 지향된 기체 흐름 중 하나로 공기 또는 산소가 적용될 수도 있다. 제어된 조건 하에서 금속 구조물 및/또는 기체를 가열하면, 금속층의 상부의 산화 및 소망하는 보호 산화물 외층의 형성에 영향을 미칠 것이다.
금속 내층(23) 및 금속 외층(35)의 사용은 튜브의 단부를 밀봉하기 위해 종래의 금속 대 금속 접합 기술이 이용될 수도 있도록 근단부 구조물(near end structure)의 제어를 허용한다. 특정 실시형태에 있어서, 내층(23) 및 외층(35) 중 적어도 하나는 중간층(29)을 넘어 연장되므로, 각 단부상의 연장부 또는 중첩부가 납땜 또는 용접과 같은 종래의 접합 기술에 의해 함께 접합되어서, 클래딩 튜브의 각 개방 단부를 밀봉할 수 있다. 예를 들어, 연료 펠릿이 연료 클래딩의 공동 내로 로딩될 수 있고, 이어서 연료 펠릿에 외층(35)이 도포되며, 그에 따라 외층(35)의 일부가 중간층(29)을 넘어 연장되고, 이 중첩부가 클래딩 튜브의 각 단부에서 함께 접합되어 개방 단부를 밀봉한다. 대안적으로, 클래딩의 개방 단부를 폐쇄하기 위해, 예를 들어 용접에 의해 하나의 단부 시일이 형성될 수도 있고, 연료 펠릿이 공동 내로 로딩된 다음, 클래딩의 다른 개방 단부가 밀봉된다.
특정 실시형태에 있어서, 하나 이상의 내층, 중간층 및 외층의 제조는 클래딩의 공동 내로 연료를 로딩하기 전에 또는 로딩한 후에 수행될 수도 있다. 또한, 다층 클래딩은 축조 예를 들어 레이업되고, 성형, 예컨대 동시 압출되어, 개선된 성형 및 강화를 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 연료봉 클래딩은 당해 분야에 공지된 통상적인 클래딩과 비교하여 하기의 이점 중 적어도 하나 이상을 제공한다:
기상 및 휘발성 연료 핵분열 생성물에 대한 클래딩 튜브의 내면의 밀폐성;
조사(irradiation)에 대한 반응으로 고온 강도 및 인성 뿐만 아니라 팽윤 저항 및 보이드 형성 저항을 입증하는 능력;
매우 높은 온도와 높은 기계적 변형에 대한 기계적 내성;
직조된 구조물(중간층)에 기초하여 사고 상태의 경우에 연료 파편의 기계적 지지 및 격납;
세라믹 매트릭스의 미세 균열의 경우에 세라믹 복합물의 표면의 기밀 밀봉을 동시에 제공하는 다층 물질 시스템의 표면의 부식 저항 및 산화 방지와 외측 보호 산화물 층을 개질하는 능력.
원자로 내의 운전 중, 연료로부터 기체 생성에 의해 발생된 내부 압력은 클래딩에 의해 억제된다. 클래딩 기능으로서는, 연료 및 연료 핵분열 생성물을 수용하는 것과, 기계적 강도 및 안정성을 제공하는 것과, 내층, 세라믹 또는 세라믹 함유 복합물 중간층 및 외층에 의해 각기 제공되는 외부 환경에 대한 보호 및 기밀성을 제공하는 것을 들 수 있다. 따라서, 단일 물질에 있어서의 고온 강도, 팽윤 저항 및 부식 저항에 대한 필요성이 회피된다. 금속 외층 및 금속 내층은 약간의 기계적 강도를 제공할 수도 있지만, 이들 층의 중요한 기계적 특성은 균열 없이 세라믹 중간층과 함께 변형할 수 있는 능력이다. 따라서, 단기간 동안 고온에 견뎌야 하고, 각종 연료 요소들의 분리가 유지되어야 하지만, 재사용을 위해 100% 기계적 보존성을 유지하는 사고후 능력 유지가 필요하지 않은 사고 상태의 경우에, 클래딩 시스템의 금속 부품들의 광범위한 산화/부식으로 인한 고장이 치명적이지는 않을 것이다. 연료 클래딩의 남아 있는 사고후 구조물은 본질적으로 고온에 대해 내성이 있는 세라믹, 특히 남아있는 산화된 구조물이 연료 펠릿을 유지하기 위한 직조된 "양말"로서 작용하도록 연료 파편 수용 능력을 나타내는 유지된 기계적 지지 섬유 위브(중간층(29))으로 구성된다.
본 발명의 특정 실시형태가 상세히 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 전체적인 사상의 관점에서 이들 세부 사항에 대한 다양한 변형 및 대안이 개발될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시형태는 단지 예시적인 것으로서, 첨부된 청구 범위의 전체 범위 및 그 임의의 및 모든 등가물에 주어지는 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.

Claims (15)

  1. 세라믹 및 금속 함유 다층 클래딩(21)에 있어서,
    금속 또는 금속 합금으로 이루어지고 내면(25) 및 외면(27)을 갖는 내층(23)과;
    상기 내층(23)의 외면(27) 상에 형성되고, 내면(31) 및 외면(33)을 갖는 중간층(29)으로서, 상기 중간층(29)은:
    복합물, 및
    인터로킹 세라믹 섬유를 포함하고, 상기 복합물은:
    인터로킹 세라믹 섬유, 및
    세라믹 매트릭스, 금속 매트릭스 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 매트릭스를 포함하는,
    상기 중간층(29)과;
    금속 또는 금속 합금으로 이루어지고 중간층(29)의 외면(33) 상에 침착된 외층(35)을 포함하는
    다층 클래딩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내층(23)은 핵연료를 수용하기 위한 공동(24)을 형성하도록 구성되는 다층 클래딩.
    다층 클래딩.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내층(23)은 원통형 튜브를 형성하도록 구성된
    다층 클래딩.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 내층(23)은 오스테나이트 스틸, 페라이트-마르텐사이트 스틸, 철 합금, 지르코늄 합금, 티탄 합금 및 이들의 적층된 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는
    다층 클래딩.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합물은 직조되거나 편조된 실리콘카바이드 섬유와 실리콘카바이드 매트릭스를 포함하는
    다층 클래딩.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합물는 직조되거나 편조된 알루미나 섬유 및 알루미나 매트릭스를 포함하는
    다층 클래딩.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 섬유가 직조되거나 권취된 구조로 구성된 섬유 토우(tow)의 형태인
    다층 클래딩.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 매트릭스는 직조되거나 권취된 세라믹 섬유 구조물 위에 그리고 그 내부에 침착되는
    다층 클래딩.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 외층(35)은 코팅의 형태인
    다층 클래딩.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 외층(35)은 내산화성 코팅을 갖는 알루미나 형성 금속 합금인
    다층 클래딩.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 외층(35)은 선택적으로 이트륨을 첨가한 철-크롬-알루미늄 합금을 포함하는
    다층 클래딩.
  12. 세라믹 및 금속 함유 다층 클래딩(21)을 형성하는 방법에 있어서,
    금속 또는 금속 합금으로 이루어지고 내면(25) 및 외면(27)을 갖는 내층(23)을 형성하는 단계와;
    상기 내층(23)의 외면(27)에, 내면(31) 및 외면(33)을 갖는 중간층(29)을 도포하는 단계로서, 상기 중간층(29)은:
    복합물, 및
    인터로킹 세라믹 섬유를 포함하고, 상기 복합물은:
    인터로킹 세라믹 섬유, 및
    세라믹 매트릭스, 금속 매트릭스 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 매트릭스를 포함하는,
    중간층(29) 도포 단계와;
    중간층(29)의 외면(33) 상에 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 외층(35)을 침착하는 단계를 포함하는
    다층 클래딩 형성 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 중간층(29)을 도포하는 단계는:
    섬유 토우의 형태로 세라믹 섬유를 얻는 것과;
    상기 토우를 상기 내층 상에 래핑하거나 권취하거나 편조하는 것과;
    내부에 보이드가 형성되어 있는 직조된 세라믹 섬유 구조물을 형성하는 것과;
    화학적 증기 증착, 화학적 증기 침투 및 졸 겔 침투로부터 선택된 공정을 사용하여 직조된 세라믹 구조물 위에 매트릭스를 침착하여 보이드를 적어도 부분적으로 채우는 단계를 포함하는
    다층 클래딩 형성 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 외층(35)은 상기 연료 클래딩을 캡슐화하는
    다층 클래딩 형성 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 외층(35)은 아크, 액체 상 또는 냉간 스프레이로부터 선택된 공정에 의해 형성되는
    다층 클래딩 형성 방법.
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10872701B2 (en) * 2016-06-10 2020-12-22 Westinghouse Electric Company Llc Zirconium-coated silicon carbide fuel cladding for accident tolerant fuel application
US11049622B2 (en) 2018-02-13 2021-06-29 Westinghouse Electric Company Llc Method to pressurize sic fuel cladding tube before end plug sealing by pressurization pushing spring loaded end plug
WO2019183575A1 (en) 2018-03-22 2019-09-26 Energie Propre Prodigy Ltee / Prodigy Clean Energy Ltd. Systems and methods for rapid establishment of offshore nuclear power platforms
US11404175B2 (en) * 2018-07-16 2022-08-02 Westinghouse Electric Company Llc Silicon carbide reinforced zirconium based cladding
WO2020093246A1 (zh) * 2018-11-06 2020-05-14 中广核研究院有限公司 核燃料组件的管材及燃料包壳
US20200161010A1 (en) 2018-11-20 2020-05-21 Westinghouse Electric Company Llc Coatings and Surface Modifications to Mitigate SiC Cladding During Operation in Light Water Reactors
CN109868475B (zh) * 2019-01-23 2021-06-22 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 锆合金包壳及其制备方法、锆合金组件
WO2021216875A1 (en) * 2020-04-24 2021-10-28 Westinghouse Electric Company Llc Nuclear fuel cladding for fast reactors, assemblies thereof, and methods of manufacture thereof
CN111767514B (zh) * 2020-06-29 2023-06-23 南京航空航天大学 薄片形陶瓷基纤维束复合材料制备方法及其纵向净面积确定方法
CN113571209B (zh) * 2021-08-02 2023-10-24 西北工业大学 一种多层包壳管及其制备方法
CN114203314B (zh) * 2021-12-06 2022-12-09 西安交通大学 一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒
CN115171920A (zh) * 2022-06-14 2022-10-11 中国核动力研究设计院 一种核燃料用双层复合包壳管、核燃料及制备方法
CN115142028B (zh) * 2022-08-25 2023-06-30 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种耐磨耐腐蚀Fe-Cr-Al复合涂层的制备方法
US20240102148A1 (en) * 2022-09-23 2024-03-28 Westinghouse Electric Company Llc Fiber reinforced multi-layered wear and corrosion coatings of zirconium alloy nuclear fuel cladding

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070020128A (ko) * 2004-06-07 2007-02-16 웨스팅하우스 일렉트릭 컴패니 엘엘씨 원자력과 화력 발전소내의 연료 격납 방호벽 및 다른적용에 대한 다층 세라믹 관
KR20140125002A (ko) * 2013-04-17 2014-10-28 한국원자력연구원 금속-세라믹 하이브리드 피복관 및 그 제조방법

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4029545A (en) * 1974-11-11 1977-06-14 General Electric Company Nuclear fuel elements having a composite cladding
US4075010A (en) * 1976-02-05 1978-02-21 The International Nickel Company, Inc. Dispersion strengthened ferritic alloy for use in liquid-metal fast breeder reactors (LMFBRS)
JPS55107991A (en) * 1979-02-14 1980-08-19 Tokyo Shibaura Electric Co Method of making nuclear fuel element
US5260137A (en) * 1990-06-07 1993-11-09 Avco Corporation Infiltrated fiber-reinforced metallic and intermetallic alloy matrix composites
US5182077A (en) * 1991-04-15 1993-01-26 Gamma Engineering Corporation Water cooled nuclear reactor and fuel elements therefor
US6243433B1 (en) * 1999-05-14 2001-06-05 General Electic Co. Cladding for use in nuclear reactors having improved resistance to stress corrosion cracking and corrosion
JP2008070138A (ja) * 2006-09-12 2008-03-27 Global Nuclear Fuel-Japan Co Ltd 核燃料集合体、それに用いる部品およびその製造方法
US20090022259A1 (en) * 2007-07-20 2009-01-22 General Electric Company Fuel rod with wear-inhibiting coating
CN101821813B (zh) 2007-10-04 2013-11-27 劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司 用于聚变-裂变发动机的固体空芯燃料
US9275762B2 (en) * 2010-10-08 2016-03-01 Advanced Ceramic Fibers, Llc Cladding material, tube including such cladding material and methods of forming the same
WO2012129677A1 (en) * 2011-03-28 2012-10-04 Torxx Group Inc. Ceramic encapsulations for nuclear materials and systems and methods of production and use
FR2978697B1 (fr) 2011-08-01 2014-05-16 Commissariat Energie Atomique Tube multicouche ameliore en materiau composite a matrice ceramique, gaine de combustible nucleaire en resultant et procedes de fabrication associes
US8971476B2 (en) * 2012-11-07 2015-03-03 Westinghouse Electric Company Llc Deposition of integrated protective material into zirconium cladding for nuclear reactors by high-velocity thermal application
KR101526305B1 (ko) * 2013-06-19 2015-06-10 한국원자력연구원 다층구조 금속-세라믹 복합체 핵연료 피복관 및 이의 제조방법

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070020128A (ko) * 2004-06-07 2007-02-16 웨스팅하우스 일렉트릭 컴패니 엘엘씨 원자력과 화력 발전소내의 연료 격납 방호벽 및 다른적용에 대한 다층 세라믹 관
KR20140125002A (ko) * 2013-04-17 2014-10-28 한국원자력연구원 금속-세라믹 하이브리드 피복관 및 그 제조방법

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