RU2686399C1 - Device and method for coating long products - Google Patents
Device and method for coating long products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2686399C1 RU2686399C1 RU2018107793A RU2018107793A RU2686399C1 RU 2686399 C1 RU2686399 C1 RU 2686399C1 RU 2018107793 A RU2018107793 A RU 2018107793A RU 2018107793 A RU2018107793 A RU 2018107793A RU 2686399 C1 RU2686399 C1 RU 2686399C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cylindrical cathode
- coating
- cathode
- fuel
- product
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 71
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims description 52
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 85
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 25
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 19
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 14
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 10
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 9
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 9
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims description 8
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims description 8
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims description 8
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 claims description 7
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 6
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 6
- 238000001652 electrophoretic deposition Methods 0.000 claims description 6
- 239000013529 heat transfer fluid Substances 0.000 claims description 6
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 claims description 6
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 5
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 13
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 12
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 12
- 239000011257 shell material Substances 0.000 description 11
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 7
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010406 cathode material Substances 0.000 description 4
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 2
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 239000011824 nuclear material Substances 0.000 description 2
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001257 Nb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002547 anomalous effect Effects 0.000 description 1
- 238000005513 bias potential Methods 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000005202 decontamination Methods 0.000 description 1
- 230000003588 decontaminative effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000009501 film coating Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000000168 high power impulse magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD
Изобретение относится к устройству и способу нанесения защитных и функциональных покрытий на цилиндрические конструкционные изделия, преимущественно на оболочки тепловыделяющих элементов атомных реакторов.The invention relates to a device and method for applying protective and functional coatings on cylindrical structural products, mainly on the shell of fuel elements of nuclear reactors.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Тепловыделяющий элемент (твэл) - главный конструктивный элемент активной зоны атомного реактора, содержащий ядерный материал. В твэлах происходит деление тяжелых ядер, сопровождающееся выделением тепловой энергии, которая затем передается теплоносителю. Твэлы состоят из топливного сердечника, трубки-оболочки, хвостовиков-заглушек и вспомогательных деталей (компенсационные пружины, проставки-втулки, газосборники, борные экраны, технологические полости). Обычно от десятков до сотен твэлов объединяют с образованием тепловыделяющей сборки. Ядерный реактор содержит сотни таких сборок.A fuel element (fuel element) is the main structural element of the core of an atomic reactor containing nuclear material. In fuel rods, fission of heavy nuclei occurs, accompanied by the release of thermal energy, which is then transferred to the coolant. Fuel rods consist of a fuel core, a shell tube, shanks, plugs and auxiliary parts (compensation springs, spacers, bushings, gas collectors, boron screens, technological cavities). Typically, tens to hundreds of fuel rods are combined to form a fuel assembly. A nuclear reactor contains hundreds of such assemblies.
Основной ролью оболочки твэла является обеспечение непроницаемости ядерного материала и продуктов деления в теплоноситель, и наоборот - теплоносителя в объем твэла, при наиболее эффективном отводе тепла от топлива к теплоносителю. Для обеспечения теплопроводности, оболочку твэла изготавливают с толщиной менее 1 мм. В большинстве современных энергетических реакторах, твэл представляет собой стержень диаметром 9,0-13,5 мм (с небольшим утолщением на хвостовиках) и длиной несколько метров - в реакторе ВВЭР-1000 длина твэла составляет 3840 мм при внешнем диаметре 9,0 мм или 9,1 мм, а в реакторе БРЕСТ-ОД-300 - 2150 мм при внешнем диаметре 9,7 мм или 10,5 мм.The main role of the fuel cladding is to ensure the impermeability of nuclear material and fission products into the coolant, and vice versa - the coolant into the volume of the fuel rod, with the most efficient heat removal from the fuel to the coolant. To ensure thermal conductivity, the fuel cladding is made with a thickness of less than 1 mm. In most modern power reactors, a fuel rod is a rod with a diameter of 9.0-13.5 mm (with a slight thickening on the shank) and a few meters long — in a VVER-1000 reactor, the length of a fuel rod is 3840 mm with an outer diameter of 9.0 mm or 9 , 1 mm, and in the BREST-OD-300 reactor - 2150 mm with an external diameter of 9.7 mm or 10.5 mm.
Материал оболочки твэлов должен обладать высокой жаропрочностью, исходной пластичностью, коррозионной, эрозионной, радиационной, термической и трещиностойкостью, низким сечением поглощения тепловых нейтронов, технологичностью. Оболочки твэлов в настоящее время изготавливают из сплавов циркония, коррозионно-стойкой стали. Коррозионно-стойкая сталь, которая интенсивно поглощает нейтроны, но обладает более высокой жаропрочностью и коррозионной стойкостью, используется в реакторах с жидкометаллическим теплоносителем и водяным теплоносителем при температуре более 400°С (LMFBR, BWR, транспортные реакторы), сплавы Zr - в энергетических реакторах с водяным теплоносителем при температурах 270-400°С (PWR, РБМК, HWR).The shell material of the fuel rods must have high heat resistance, initial ductility, corrosion, erosion, radiation, thermal and crack resistance, low thermal neutron absorption cross section, processability. Shell fuel rods are currently made from zirconium alloys, corrosion-resistant steel. Corrosion-resistant steel, which intensively absorbs neutrons, but has a higher heat resistance and corrosion resistance, is used in reactors with liquid metal coolant and water coolant at temperatures above 400 ° C (LMFBR, BWR, transport reactors), Zr alloys - in power reactors with water coolant at temperatures of 270-400 ° C (PWR, RBMK, HWR).
Оболочки твэлов эксплуатируются в достаточно жестких условиях и, поэтому, к ним предъявляются настолько разнообразные требования к свойствам, что для их удовлетворения материал должен иметь различные структурно-фазовые состояния в объеме и в приповерхностном слое. Например, объемное структурно-фазовое состояние определяет длительную прочность и сопротивление ползучести, радиационную стойкость, трещиностойкость и сопротивление разрушению под действием постоянной нагрузки и усталости, усталости в условиях ползучести и в условиях водородного охрупчивания материала оболочки. Эксплуатационные характеристики конструкционных материалов, к числу которых относятся коррозионная и эрозионная стойкость, сопротивление разрушению, трению и износу, трещиностойкость в условиях коррозионной усталости, коррозионном растрескивании под напряжением, фреттинг-коррозии и водородном охрупчивании и ряд других, определяются структурно-фазовым состоянием приповерхностных слоев оболочки.The shells of the fuel rods are operated in fairly harsh conditions and, therefore, they have such diverse requirements for the properties that the material must have different structural and phase states in the bulk and in the subsurface layer to meet them. For example, bulk structural-phase state determines long-term strength and creep resistance, radiation resistance, crack resistance and fracture resistance under the influence of constant load and fatigue, fatigue under creep conditions and under conditions of hydrogen embrittlement of the shell material. The performance characteristics of structural materials, which include corrosion and erosion resistance, resistance to fracture, friction and wear, crack resistance under conditions of corrosion fatigue, stress corrosion cracking, fretting corrosion and hydrogen embrittlement and a number of others, are determined by the structural phase state of the surface layers of the shell .
Одна из главных задач создания твэлов следующего поколения для легководных атомных реакторов - исключение возможности возникновения пароциркониевой реакции в случае аварии с потерей теплоносителя (Loss-of-coolant accident, LOCA). Одна из наиболее простых возможностей создания таких твэлов - это формирование надежного защитного покрытия циркониевой оболочки, которое в случае потери теплоносителя в активной зоне реакторной установки, ограничит взаимодействие циркония с водяным паром с образованием водорода и последующим взрывом.One of the main tasks of creating the next generation fuel rods for light-water nuclear reactors is to eliminate the possibility of a vapor-zirconium reaction in the case of a loss-of-coolant accident (LOCA). One of the easiest ways to create such fuel rods is to form a reliable protective coating for the zirconium envelope, which, in case of loss of coolant in the core of a reactor facility, will limit the interaction of zirconium with water vapor to form hydrogen and subsequent explosion.
В частности, из Borisov, V.M., Trofimov, V.N., Sapozhkov, A.Y. et al. Phys. Atom. Nuclei (2016) 79: 1656 известно, что покрытие оболочки твэла из сплава Zr+l%Nb слоем хрома толщиной не менее 7 мкм снижает более, чем на порядок диффузию кислорода в циркониевый сплав при Т=1000-1100°С и, таким образом, защищает поверхность твэла в условиях, моделирующих аварию с потерей теплоносителя.In particular, from Borisov, V.M., Trofimov, V.N., Sapozhkov, A.Y. et al. Phys. Atom. Nuclei (2016) 79: 1656 It is known that coating a fuel cladding made of Zr + l% Nb alloy with a chromium layer not less than 7 µm thick reduces the diffusion of oxygen into a zirconium alloy by more than an order of magnitude at T = 1000-1100 ° С and, thus , protects the surface of the fuel rod under conditions simulating a coolant loss accident.
В сфере эксплуатации ядерного топлива в быстрых реакторах с жидкометаллическим теплоносителем также возникают проблемы с недостаточной коррозионной стойкостью твэлов - отклонения от штатных условий эксплуатации твэлов или незначительные нарушение технологии их производства в значительной степени увеличивают риск разгерметизации. В частности, применительно к реакторной установке БРЕСТ-ОД-300, коррозионные испытания экспериментальных образцов оболочек с покрытием хрома в жидком свинце при его температуре 650-720°С продемонстрировали практически полное подавление коррозии поверхности стали ЭП-823Ш даже в случае возникновения очень высокой (аварийной) концентрации кислорода в жидком свинце (Борисов В.М., Трофимов В.Н., Кузьменко В.А., Сапожков А.Ю., Михайлов В.Б., Черковец В.Е. Лазерно-плазменные методы повышения коррозионной стойкости оболочек твэлов из стали ЭП-823 в свинце при 650-720°С// Атомная энергия. 2016. Т. 121. №5. стр. 269-274). Эти результаты показывают, что создание защитных покрытий на оболочках твэлов может позволить снизить требование к существующей кислородной технологии создания защитных покрытий непосредственно в циркулирующем теплоносителе.In the field of operation of nuclear fuel in fast reactors with liquid metal coolant, there are also problems with insufficient corrosion resistance of fuel elements - deviations from standard operating conditions of fuel elements or a slight violation of their production technology greatly increase the risk of depressurization. In particular, as applied to the BREST-OD-300 reactor installation, corrosion tests of experimental samples of chromium-coated shells in liquid lead at its temperature of 650–720 ° C demonstrated almost complete suppression of the surface corrosion of EP-823Sh steel even in the case of very high ) oxygen concentrations in liquid lead (Borisov V.M., Trofimov V.N., Kuzmenko V.A., Sapozhkov A.Yu., Mikhailov V.B., Cherkovets V.E. Laser-plasma methods for increasing the corrosion resistance of shells fuel rods of steel EP-823 in lead ri // 650-720 ° C Nuclear energy. T. 2016. 121.
При создании промышленной технологии нанесения защитного покрытия, к примеру, на твэлы реакторной установки ВВЭР, необходимо учитывать ряд требований:When creating an industrial technology of applying a protective coating, for example, to the fuel rods of a VVER reactor, it is necessary to take into account a number of requirements:
- в процессе нанесения покрытия температура оболочки не должна превышать 500°С,- in the process of coating the temperature of the shell should not exceed 500 ° C,
- различие температуры по длине твэла должно быть минимальным, чтобы избежать ухудшения физико-механических характеристик оболочки и ее коробления,- the temperature difference along the length of a fuel element should be minimal to avoid deterioration of the physico-mechanical characteristics of the shell and its warping,
- механические напряжения не должны приводить к деформации твэла выше допустимых значений- mechanical stresses should not lead to deformation of a fuel rod above permissible values
- система нанесения покрытия должна входить в состав автоматизированной линии в виде проходной установки или периодически действующего оборудования с производительностью не менее 60 твэлов в час;- the coating system must be part of an automated line in the form of a continuous installation or periodically operating equipment with a capacity of at least 60 fuel rods per hour;
- нанесение покрытий преимущественно должно производиться на готовые твэлы после их герметизации, контроля герметичности и других штатных контрольных операций;- Coating should mainly be carried out on finished fuel rods after they are sealed, leaktightness control and other regular control operations;
- процесс нанесения покрытия должен исключать риск деформации твэла и возникновения существенных локальных напряжений;- the coating process should eliminate the risk of deformation of the fuel element and the occurrence of significant local stresses;
- технология должна включать применение дистанционных экспресс-методов оценки качества покрытий по равномерности, адгезии и толщине;- the technology should include the use of remote rapid methods for assessing the quality of coatings by uniformity, adhesion and thickness;
- оборудование для нанесения покрытий должно быть стойким к радиационному воздействию со стороны твэла;- equipment for coating should be resistant to radiation from the fuel rod;
- покрытие должно допускать дезактивацию твэла;- the coating should allow decontamination of the fuel element;
Требования к покрытию:Coverage Requirements:
- покрытие должно иметь максимальную адгезию, быть предельно тонким и однородным по поверхности твэла;- the coating must have maximum adhesion, be extremely thin and uniform over the surface of the fuel rod;
- покрытие должно иметь максимально достижимое сопротивление по проницаемости элементов конструкционных материалов в теплоноситель и по проницаемости кислорода из теплоносителя в конструкционный материал;- the coating should have the maximum attainable resistance to the permeability of elements of structural materials into the coolant and the permeability of oxygen from the coolant to the structural material;
- ресурс работы покрытия должен превышать время эксплуатации тепловыделяющей сборки в реакторной установке;- the service life of the coating must exceed the operating time of the fuel assembly in the reactor installation;
- трибология покрытия должна допускать снаряжение тепловыделяющей сборки без существенного усложнения процесса или изменения конструкции дистанционирующей решетки;- tribology coating should allow the equipment of the fuel assembly without significantly complicating the process or changing the design of the spacer grid;
- пористость и шероховатость покрытия должна быть минимальная;- porosity and roughness of the coating should be minimal;
- механические повреждения на поверхности твэлов с покрытием должны быть допустимы в той же степени, что и на твэлах без покрытия;- mechanical damage on the surface of coated fuel rods should be allowed to the same extent as on uncoated fuel rods;
- покрытие не должно осыпаться, давать сколы и трещины в местах их контактов с оборудованием и друг с другом, а также с деталями тепловыделяющей сборки в местах сопряжения, твэлы с покрытием не должны проявлять абразивные свойства;- the coating should not crumble, give chips and cracks in the places of their contact with the equipment and with each other, as well as with parts of the fuel assembly at the interfaces, coated fuel rods should not exhibit abrasive properties;
- покрытие не должно существенно снижать теплопередачу от топлива к теплоносителю;- the coating should not significantly reduce heat transfer from the fuel to the coolant;
- покрытие должно быть стойким к радиационному охрупчиванию на уровне не менее стойкости материала оболочки твэла;)- the coating must be resistant to radiation embrittlement at the level not less than the durability of the fuel cladding material;)
Рассмотрение известных ранее способов нанесения покрытия с учетом вышеуказанных требований показывает проблематичность их использования в технологии промышленного нанесения защитного покрытия на твэлы.Consideration of previously known methods of coating with the above requirements shows the difficulty of their use in the technology of industrial application of a protective coating on fuel rods.
Применение импульсно-периодических лазеров для создания покрытия методом импульсного лазерного осаждения, известное из патента РФ 2561975, опубликованного 10.09.2015, в принципе, позволяет обеспечить высокое качество и надежность защитных покрытий, но является слишком дорогостоящим с учетом того, что необходимо обеспечить производительность около 0,5 млн. твэлов в год, используя десятки дорогих лазеров.The use of repetitively pulsed lasers to create a coating by pulsed laser deposition, known from the patent of the Russian Federation 2561975, published 10.09.2015, in principle, allows to ensure high quality and reliability of protective coatings, but is too expensive given the need to ensure performance of about 0 , 5 million fuel rods per year, using dozens of expensive lasers.
Более дешевую технологию, обеспечивающую требуемую производительность нанесения покрытий, можно реализовать, используя магнетронное распыление.Cheaper technology, providing the desired performance of the coating, can be implemented using magnetron sputtering.
В настоящее время магнетронное распыление является основным методом нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади. Для реализации технологий нанесения таких покрытий разработано большое количество конструкций протяженных магнетронных распылительных систем (МРС), имеющих длину распыляемой мишени до 3,5 м. По форме распыляемой мишени МРС разделяются на планарные и цилиндрические.Currently, magnetron sputtering is the main method of applying thin-film coatings on a large area substrate. For the implementation of technologies for applying such coatings, a large number of structures of extended magnetron sputtering systems (MRS) with a sputtered target length of up to 3.5 m have been developed. According to the shape of the sputtered target, MRS are divided into planar and cylindrical.
Магнитный блок планарного магнетрона состоит из плоского магнитопровода, выполненного из магнитомягкого материала, вдоль боковых сторон и по центру которого расположены протяженные постоянные магниты. Катод планарного магнетрона располагается сверху постоянных магнитов и имеет форму пластины, выполненной из распыляемого материала. Производительность нанесения покрытий может быть достаточно высокой при карусельном варианте размещения напыляемых изделий вокруг нескольких плоских магнетронов, как это известно, например, из патента РФ 2308538, опубликованного 20.10.2007.The magnetic block of the planar magnetron consists of a flat magnetic circuit made of a magnetic material, along the sides and in the center of which there are extended permanent magnets. The cathode of a planar magnetron is located on top of the permanent magnets and has the shape of a plate made of a sputtered material. The performance of the coating can be quite high with the carousel placement of sprayed products around several flat magnetrons, as is known, for example, from the patent of the Russian Federation 2308538, published October 20, 2007.
Недостатком плоских магнетронов является то, что материал мишени расходуется неэффективно, поскольку эрозия мишени происходит в достаточно узкой области, ограниченной магнитным полем. Вследствие этого плоские МРС имеют низкий коэффициент использования мишени, который обычно составляет 20-25%. Частично этот недостаток преодолен в известной из патента РФ 2385967, опубликованного 20.11.2009, МРС с вращающимся магнитным блоком, за счет чего область эрозии перемещается при вращении и материал мишени расходуется более равномерно.The disadvantage of flat magnetrons is that the target material is consumed inefficiently, since the erosion of the target occurs in a fairly narrow region bounded by a magnetic field. As a consequence, flat MSSs have a low utilization rate of the target, which is usually 20-25%. Partially this disadvantage is overcome in the well-known from the patent of the Russian Federation 2385967, published November 20, 2009, MPC with a rotating magnetic unit, due to which the erosion area moves during rotation and the target material is consumed more evenly.
Карусельная система нанесения покрытий на большое количество изделий методом магнетронного напыления может быть оптимизирована за счет известного из патента US 4417968, опубликованного 29.11.1983, использования нескольких магнетронов с протяженными вращающимися цилиндрическими катодами, внутри каждого из которых размещен неподвижный магнитный блок с постоянными магнитами.A rotary coating system for a large number of products using magnetron sputtering can be optimized using the well-known patent US 4,417,968, published 11/29/1983, using several magnetrons with extended rotating cylindrical cathodes, inside each of which there is a stationary magnetic unit with permanent magnets.
Однако с учетом малого диаметра, около 1 см, и большой длины, ~4 м, твэлов карусельная система для напыления большого числа твэлов может быть избыточно сложной, создающей недопустимо большие для твэл механические напряжения и неоднородное цикличное тепловое воздействие. Кроме того, в карусельных системах твэлы сложно расположить вплотную друг к другу, поэтому значительная часть распыляемого материала может оседать не на изделиях, на которые наносится покрытие, а на элементах самого устройства, ухудшая его характеристики, а также снижая производительность системы в целом.However, given the small diameter, about 1 cm, and a large length, ~ 4 m, of the fuel rods, the carousel system for spraying a large number of fuel rods may be excessively complex, creating unacceptably large mechanical stresses and heterogeneous cyclic thermal effects for fuel rods. In addition, fuel rods in the carousel systems are difficult to locate close to each other, so a significant part of the material being sprayed can settle not on the products to be coated, but on the elements of the device itself, impairing its characteristics, as well as reducing the performance of the system as a whole.
Частично этого недостатка лишено известное из патента РФ 2070944, опубликованного 27.12.1996, устройство для нанесения покрытий на протяженные изделия, включающее в себя, по меньшей мере, один электродный узел, состоящий из анода и протяженного полого цилиндрического катода, к наружной поверхности которого примыкает охлаждаемый кожух; расположенный снаружи цилиндрического катода магнитный блок, выполненный с возможностью вращения вокруг оси цилиндрического катода; вакуумную камеру, сообщающуюся с полостью цилиндрического катода, систему транспортировки изделий, узел подачи газа и источник электропитания, подсоединенный к электродному узлу. Система из нескольких идентичных электродных узлов обладает высокой производительностью.Partially, this device lacks a device for applying coatings on extended products, known from RF patent 2070944, published on 12/27/1996, which includes at least one electrode assembly consisting of an anode and an extended hollow cylindrical cathode, the outer surface of which is cooled casing; a magnetic unit located outside the cylindrical cathode, capable of rotating around the axis of the cylindrical cathode; a vacuum chamber communicating with the cavity of a cylindrical cathode, a product transportation system, a gas supply unit and a power source connected to the electrode assembly. A system of several identical electrode assemblies has high performance.
Однако устройство, характеризующееся непрерывным действием, предназначено для нанесения покрытий преимущественно на гибкие изделия, в частности, на проволоку, непрерывно транспортируемую через электродный узел по его оси в полости удлиненного цилиндрического катода. Устройство магнитного блока с несколькими кольцевыми магнитопроводами, последовательно расположенными вдоль оси электродного узла, требует не только вращательного, но и его осевого перемещения для повышения коэффициента использования мишени, что усложняет устройство. Кроме этого, геометрия электродов не позволяет создать протяженный, более 1 м, однородный разряд вдоль оси цилиндрического катода. Все это затрудняет использование указанного устройства для нанесения покрытий на протяженные конструкционные изделия, в частности на твэлы, различие температуры по длине которых в процессе нанесения покрытия должно быть минимальным, чтобы избежать ухудшения физико-механических характеристик оболочки твэл и ее коробления.However, a device characterized by continuous action is intended for coating mainly on flexible products, in particular, on a wire continuously transported through the electrode assembly along its axis in the cavity of an elongated cylindrical cathode. The device of the magnetic unit with several annular magnetic cores, sequentially located along the axis of the electrode assembly, requires not only rotational, but also axial movement to increase the utilization rate of the target, which complicates the device. In addition, the geometry of the electrodes does not allow creating a long, more than 1 m, uniform discharge along the axis of the cylindrical cathode. All this makes it difficult to use the specified device for applying coatings on long structural products, in particular, on fuel rods, the temperature difference along which in the process of coating should be minimal to avoid deterioration of the physico-mechanical characteristics of the fuel element shell and its distortion.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF INVENTION
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, относится к созданию высокопроизводительной технологии нанесения защитных и функциональных покрытий на протяженные конструкционные изделия, преимущественно на оболочки тепловыделяющих элементов атомных реакторов.The technical problem that the invention is directed to relates to the creation of a high-performance technology for applying protective and functional coatings on long structural products, mainly on the shells of fuel elements of nuclear reactors.
Достижение целей изобретения возможно с помощью устройства для нанесения покрытия, в частности, на оболочки твэлов, включающего в себя, по меньшей мере, один электродный узел, состоящий из анода и протяженного полого цилиндрического катода, к наружной поверхности которого примыкает охлаждаемый кожух, с расположенным снаружи цилиндрического катода магнитным блоком, выполненным с возможностью вращения вокруг оси цилиндрического катода; вакуумную камеру, сообщающуюся с полостью цилиндрического катода, систему транспортировки изделий, узел подачи газа и источник электропитания.Achieving the objectives of the invention is possible using a device for coating, in particular, on the cladding of fuel elements that includes at least one electrode assembly consisting of an anode and an extended hollow cylindrical cathode, the outer surface of which is adjacent to a cooled housing located outside a cylindrical cathode with a magnetic unit made with the possibility of rotation around the axis of the cylindrical cathode; a vacuum chamber communicating with the cavity of a cylindrical cathode, a product transportation system, a gas supply unit and an electrical power source.
Устройство характеризуется циклическим действием, при котором очередное изделие, транспортируемое в электродный узел для нанесения покрытия, в процессе магнетронного распыления материала катода неподвижно установлено в полости цилиндрического катода вдоль его оси, анод, выполненный протяженным, расположен в полости цилиндрического катода вдоль оси цилиндрического катода, магнитный блок содержит протяженный магнитопровод, выполненный в виде снабженного приводом вращения полого вала, на внутренней поверхности которого размещены протяженные ряды постоянных магнитов.The device is characterized by cyclic action, in which the next product transported to the electrode unit for coating, in the process of magnetron sputtering of the cathode material is fixed in the cavity of the cylindrical cathode along its axis, the anode, made extended, is located in the cavity of the cylindrical cathode along the axis of the cylindrical cathode, magnetic the block contains an extended magnetic core, made in the form of a hollow shaft equipped with a rotation drive, on the inner surface of which there are Pulling rows of permanent magnets.
В вариантах изобретения анод либо выполнен с большой, не менее 65%, геометрической прозрачностью и установлен напротив внутренней поверхности цилиндрического катода, либо в качестве анода используется изделие, на которое наносится покрытие.In embodiments of the invention, the anode is either made with a large, not less than 65%, geometric transparency and is installed opposite the inner surface of a cylindrical cathode, or a product to be coated is used as the anode.
В вариантах изобретения магнитный блок размещен в среде жидкого теплоносителя охлаждаемого кожуха.In embodiments of the invention, the magnetic unit is placed in the environment of the liquid coolant of the cooled housing.
Предпочтительно изделиями, на которые наносится защитное покрытие, являются тепловыделяющие элементы (твэл) для ядерного реактора.Preferably, the products to which the protective coating is applied are fuel elements (fuel elements) for a nuclear reactor.
В вариантах изобретения ось цилиндрического катода вертикальна и система транспортировки изделия предназначена для циклической загрузки изделия в каждый электродный узел сверху вниз и выгрузки в обратном направлении.In embodiments of the invention, the axis of the cylindrical cathode is vertical and the product transportation system is intended for cyclic loading of the product into each electrode assembly from top to bottom and unloading in the opposite direction.
Предпочтительно n идентичных электродные узлов с одновременно размещаемыми в них изделиями установлены параллельно друг другу.Preferably n identical electrode nodes with simultaneously placed products in them are installed parallel to each other.
Предпочтительно вакуумная камера содержит, по меньшей мере, загрузочный отсек, предназначенный для загрузки изделий, отсек очистки, отсек магнетронного напыления, и отсек выгрузки.Preferably, the vacuum chamber contains at least a loading compartment for loading products, a cleaning compartment, a magnetron sputtering compartment, and an unloading compartment.
В вариантах изобретения катод выполнен из материала, относящегося к группе: Cr, Ti, W, Ni, Al, Zn, Cu, Ni, Mo, Та, Cd, Co, Fe, V, Sn, C, Be, Y, Si, Zr, Nd.In embodiments of the invention, the cathode is made of a material belonging to the group: Cr, Ti, W, Ni, Al, Zn, Cu, Ni, Mo, Ta, Cd, Co, Fe, V, Sn, C, Be, Y, Si, Zr, Nd.
В вариантах изобретения устройство содержит электродные узлы для нанесения различных покрытий - однослойных, многослойных и градиентных.In embodiments of the invention, the device contains electrode assemblies for applying various coatings — single-layer, multi-layer, and gradient.
В вариантах изобретения устройство дополнительно содержит узел напыления покрытия одним из следующих способов: газотермическое напыление, химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы, распыление, импульсное лазерное осаждение, электрофоретическое осаждение, осаждение атомного слоя.In embodiments of the invention, the device further comprises a coating spraying unit in one of the following ways: gas-thermal spraying, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, sputtering, pulsed laser deposition, electrophoretic deposition, and deposition of the atomic layer.
В другом аспекте изобретение относится к способу для нанесения покрытий на протяженные изделия, преимущественно твэлы, включающему нанесение защитного покрытия изделия методом магнетронного распыления материал.In another aspect, the invention relates to a method for applying coatings on extended products, mainly fuel elements, comprising applying a protective coating on the product by magnetron sputtering material.
Способ характеризуется тем, что изделие с помощью транспортирующей системы размещают неподвижно в сообщающейся с вакуумной камерой полости цилиндрического катода протяженного электродного узла, осуществляют цикл магнетронного распыления материала с внутренней поверхности цилиндрического катода при вращении расположенного снаружи цилиндрического катода магнитного блока, содержащего протяженный магнитопровод, выполненный в виде снабженного приводом вращения полого вала, на внутренней поверхности которого размещены протяженные ряды постоянных магнитов, и охлаждение электродного узла производят с помощью циркуляции жидкого теплоносителя через охлаждаемый кожух, примыкающий к наружной поверхности протяженного цилиндрического катода.The method is characterized by the fact that the product is placed motionless in a cavity connected to a vacuum chamber of a long electrode node by means of a transporting system, a magnetron sputtering cycle of material from the inner surface of a cylindrical cathode is carried out during rotation of a magnetic unit located outside the cylindrical cathode, made in the form of equipped with a rotational drive hollow shaft, on the inner surface of which there are extended p poisons of permanent magnets, and the cooling of the electrode assembly is performed by circulating a heat-transfer fluid through a cooled housing adjacent to the outer surface of an extended cylindrical cathode.
В вариантах изобретения вращение магнитного блока осуществляют в среде жидкого теплоносителя.In embodiments of the invention, the rotation of the magnetic unit is carried out in the environment of the liquid coolant.
Предпочтительно нанесение защитного покрытия одновременно осуществляют на более чем два идентичных изделия.Preferably, the application of a protective coating is simultaneously carried out on more than two identical products.
Предпочтительно загрузку изделия осуществляют сверху вниз в электродный узел с вертикально ориентированной продольной осью, а выгрузку осуществляют в обратном направлении.Preferably, the product is loaded from the top down to the electrode assembly with a vertically oriented longitudinal axis, and the discharge is carried out in the opposite direction.
В вариантах изобретения перед нанесением защитного покрытия производят ионную очистку изделий либо очистку изделий электрическим разрядом.In embodiments of the invention, before applying a protective coating, ion cleaning of the products or cleaning of the products with an electric discharge is performed.
Предпочтительно производительность P=n/t составляет 1 твэл/мин, где n - количество твэлов, на которые одновременно наносится покрытие методом магнетронного распыления, a t - время полного цикла обработки твэла от его загрузки до выгрузки из вакуумной камеры.Preferably, the productivity P = n / t is 1 fuel / min, where n is the number of fuel rods that are simultaneously coated by magnetron sputtering, and t is the full cycle time of processing the fuel rod from its loading to unloading from the vacuum chamber.
В вариантах изобретения производят нанесение многослойного покрытия, дополнительно используя метод, выбранный из группы, включающей в себя: магнетронное распыление, газотермическое напыление, химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы, распыление, импульсное лазерное осаждение, гальванопокрытие, электрофоретическое осаждение, химическое покрытие, осаждение атомного слоя.In embodiments of the invention, multi-layer coating is applied, additionally using a method selected from the group including: magnetron sputtering, thermal spraying, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, sputtering, pulsed laser deposition, electroplating, electrophoretic deposition, chemical coating deposition of the atomic layer.
Техническим результатом изобретения является создание высокопроизводительной технологии нанесения защитных и функциональных покрытий на протяженные конструкционные изделия, преимущественно на оболочки тепловыделяющих элементов атомных реакторов.The technical result of the invention is the creation of high-performance technology for applying protective and functional coatings on long structural products, mainly on the shell of fuel elements of nuclear reactors.
Вышеизложенные и другие цели, преимущества и признаки настоящего изобретения станут более ясными из следующего неограничительного описания иллюстративных вариантов его осуществления, приведенных лишь в качестве примера со ссылкой на сопутствующие чертежи.The above and other objectives, advantages and features of the present invention will become more clear from the following non-restrictive description of illustrative options for its implementation, given only as an example with reference to the accompanying drawings.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, на которыхThe invention is illustrated by the accompanying drawings, in which
Фиг. 1 - схематичное изображение устройства для нанесения покрытий на протяженные изделия, преимущественно на оболочки твэлов, в соответствии с настоящим изобретением;FIG. 1 is a schematic depiction of a device for applying coatings on extended products, mainly on fuel element shells, in accordance with the present invention;
Фиг. 2 - устройство для нанесения покрытий на протяженные изделия с несколькими идентичными электродными узлами в соответствии с настоящим изобретением;FIG. 2 is a device for coating extended products with several identical electrode assemblies in accordance with the present invention;
Фиг. 3 - устройство для высокопроизводительной технологии нанесения покрытий на протяженные изделия, преимущественно твэл в соответствии с настоящим изобретением.FIG. 3 - a device for high-performance coating technology for long products, mainly fuel elements in accordance with the present invention.
На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые номера позиций.In the drawings, the matching device elements have the same item numbers.
Данные чертежи не охватывает и, тем более, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а являются лишь иллюстрирующими материалами частных случаев его выполнения.These drawings do not cover and, moreover, do not limit the entire range of options for implementing this technical solution, but are only illustrative materials of particular cases of its implementation.
ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯEMBODIMENTS OF THE INVENTION
На Фиг. 1 изображено устройство для нанесения покрытия на изделия 1, в частности, на оболочки твэлов, включающее в себя, по меньшей мере, один электродный узел 2, состоящий из анода 3 и протяженного полого цилиндрического катода 4, к наружной поверхности которого примыкает охлаждаемый кожух 5. Снаружи цилиндрического катода 4 расположен магнитный блок 6, выполненный с возможностью вращения вокруг оси 7 цилиндрического катода. Устройство также содержит вакуумную камеру 8, сообщающуюся с полостью цилиндрического катода 4, систему 9 транспортировки изделий, узел подачи газа 10 и источник электропитания 11.FIG. 1 shows a device for coating products 1, in particular, on fuel element claddings, including at least one
Устройство характеризуется циклическим действием, при котором очередное изделие 1, транспортируемое в электродный узел 2 для нанесения покрытия, в процессе магнетронного распыления материала катода 4 неподвижно установлено в полости цилиндрического катода вдоль его оси 7. Протяженный анод 3 расположен в полости цилиндрического катода вдоль его оси 7. Магнитный блок 6 содержит протяженный магнитопровод 12, выполненный в виде снабженного приводом вращения 13 полого вала, на внутренней поверхности которого размещены протяженные ряды постоянных магнитов 14, 15.The device is characterized by a cyclic action, in which the next product 1, transported to the
При выполнении в указанном виде устройство обеспечивает высокопроизводительное нанесение защитных и функциональных покрытий на протяженные конструкционные изделия, преимущественно на оболочки тепловыделяющих элементов атомных реакторов, методом магнетронного нанесения. При этом в процессе нанесения покрытия нагрев изделия равномерен по всей его длине, механические напряжения в изделии минимизированы. Выполнение вращающегося магнитного блока в указанном виде позволяет наносить покрытие равномерно как по окружности, так и по длине протяженного изделия. Охлаждение кожуха обеспечивает работу устройства при контролируемых температурах его узлов, не превышающих допустимых значений. Возможен предварительный разогрев изделия резистивным способом.When performed in the specified form, the device provides high-performance deposition of protective and functional coatings on long structural products, mainly on the shells of fuel elements of nuclear reactors, by magnetron deposition. In the process of coating the heating of the product is uniform throughout its length, the mechanical stresses in the product are minimized. Performing a rotating magnetic unit in the specified form allows you to apply the coating evenly both around the circumference and along the length of the extended product. The cooling of the casing ensures the operation of the device at controlled temperatures of its nodes, not exceeding the allowable values. Preheating of the product in a resistive way is possible.
Для того, чтобы поток материала катода 4 был направлен на протяженное изделие 1, и анод 3 незначительно препятствовал попаданию потока материала катода 4 на изделие 1, анод 3 предпочтительно установлен напротив внутренней поверхности протяженного цилиндрического катода 4 и выполнен с большой, не менее 65%, геометрической прозрачностью.In order for the flow of material of the cathode 4 to be directed to the extended product 1, and the anode 3 slightly prevented the flow of the material of the cathode 4 to the product 1, the anode 3 is preferably installed opposite the inner surface of the long cylindrical cathode 4 and is made with a large, at least 65%, geometric transparency.
В вариантах изобретения анодом служит само изделие 1, на которое наносится покрытие, что может повышать качество наносимого покрытия.In embodiments of the invention, the anode is the product 1 itself, which is coated, which can improve the quality of the applied coating.
Магнитный блок 2, в состав которого входят протяженные ряды магнитов 14, 15 и магнитопровод 12, может быть размещен в среде жидкого теплоносителя 16 охлаждаемого кожуха 5, содержащего внутреннюю стенку, примыкающую к катоду 4, и наружную стенку. В этом варианте изобретения обеспечивается возможность размещения магнитов 14, 15 наиболее близко к катоду 4, что повышает напряженность магнитного поля 16 вблизи внутренней распыляемой поверхности катода 4, повышая эффективность магнетронного распыления. Предпочтительно, что в качестве жидкого теплоносителя 17 используется диэлектрическая жидкость, например, жидкое техническое масло, либо Galden Heat Transfer Fluid, что обеспечивает работу при повышенных, более 100°С температурах, а также устраняет коррозию системы охлаждения и элементов магнитного блока 2 и обеспечивает смазку подшипников 18 вращающегося магнитопровода 12.The
Герметичность охлаждаемого кожуха 5 обеспечивается либо скользящими манжетами 19, Фиг. 1, либо магнитожидкостным уплотнением, либо применением магнитной муфты в приводе вращения 13 магнитопровода 12.The tightness of the cooled
Предпочтительно изделиями 1, на которые наносится защитное покрытие, являются твэлы для ядерного реактора, что позволяет реализовать высокоэффективную технологию создания покрытий, надежно защищающих оболочки твэл ядерного реактора от коррозии. В случае нанесения покрытия на укомплектованные топливом твэлы бета-активность твэлов способствует инициации магнетронного разряда и уменьшает необходимое для его реализации давление буферного газа.Preferably, the products 1 to which the protective coating is applied are fuel rods for a nuclear reactor, which makes it possible to realize a highly efficient technology for creating coatings that reliably protect the fuel rods of a nuclear reactor from corrosion. In the case of coating of fuel elements filled with fuel, the beta activity of fuel elements contributes to the initiation of the magnetron discharge and reduces the pressure of the buffer gas for its realization.
В вариантах изобретения ось 7 цилиндрического катода 4 вертикальна и система 9 транспортировки изделия предназначена для циклической загрузки изделия 1 в каждый электродный узел 2 сверху вниз и выгрузки в обратном направлении. Это обеспечивает простоту шарнирного крепления изделия 1 за один из его наконечников и транспортировку с минимальными механическими напряжениями при большой, в несколько метров, длине, в сотни раз превосходящей диаметр изделия. При этом ось изделия ориентирована по направлению силы тяжести и обеспечивается точное размещение изделия 1 по оси электродного узла 2, направленной вертикально.In embodiments of the invention, the axis 7 of the cylindrical cathode 4 is vertical and the
В других вариантах изобретения ось 7 цилиндрического катода 4 может быть горизонтальна и система 9 может быть предназначена для транспортировки изделия в одном направлении, на проход электродного узла 2.In other embodiments of the invention, the axis 7 of the cylindrical cathode 4 may be horizontal and the
Цилиндрический катод может быть выполнен из материала, относящегося к группе: Cr, Ti, W, Ni, Al, Zn, Cu, Ni, Mo, Та, Cd, Co, Fe, V, Sn, C, Be, Y, Si, Zr, Nd, что обеспечивает нанесение покрытий из указанных металлов, а также из их оксидов, нитридов, боридов, карбидов при осуществлении магнетронного распыления в среде соответственно инертного газа, либо реактивного газа.The cylindrical cathode can be made of a material belonging to the group: Cr, Ti, W, Ni, Al, Zn, Cu, Ni, Mo, Ta, Cd, Co, Fe, V, Sn, C, Be, Y, Si, Zr, Nd, which provides the coating of these metals, as well as from their oxides, nitrides, borides, carbides in the implementation of magnetron sputtering in a medium of respectively inert gas or reactive gas.
Конструктивно катод может быть выполнен в виде набора шайб из распыляемого материала, что упрощает его изготовление.Structurally, the cathode can be made in the form of a set of washers from the sprayed material, which simplifies its manufacture.
На Фиг. 2 показан вариант изобретения, в котором n идентичных электродных узлов 2 с одновременно размещаемыми в них изделиями 1 установлены параллельно друг другу. Здесь и далее n - целое число, большее или равное 2. Данный вариант изобретения соответствует высокопроизводительному устройству для нанесения покрытий, обладающему в n раз более высокой производительностью, по сравнению с использованием одного электродного узла. При этом вакуумная камера 8, система 9 транспортировки изделий, узел подачи газа 10, источник электропитания, привод вращения магнитного блока, а также другие системы и компоненты могут быть общими для всех электродных узлов устройства, упрощая его конструкцию и делая более эффективным.FIG. 2 shows an embodiment of the invention in which n
На Фиг. 3 показан вариант изобретения, в котором вакуумная камера 8 содержит, по меньшей мере, загрузочный отсек 20 или шлюз, предназначенный для одновременной загрузки группы 21 из нескольких идентичных изделий 1, отсек очистки 22, отсек магнетронного напыления 23, и отсек выгрузки 24 или шлюз, предназначенный для выгрузки группы 25 из нескольких идентичных изделий 1.FIG. 3 shows an embodiment of the invention in which the
В этом варианте изобретения каждая новая группа 21 изделий сначала транспортируется системой транспортировки 9 в герметизируемый загрузочный отсек 20, который после откачки может заполняться инертным газом. Затем группа изделий транспортируется в отсек очистки 22, где может загружаться в устройство очистки 26 сверху вниз. После очистки группа изделий из n штук, поступает в отсек магнетронного напыления 23, где каждое изделие загружается предпочтительно сверху вниз в группу 27 из n электродных узлов 2.In this embodiment of the invention, each
В вариантах изобретения загрузочный отсек 20 может быть предназначен для последовательной загрузки изделий - одного за другим.In embodiments of the invention, the loading compartment 20 may be designed for sequential loading of products - one by one.
В вариантах изобретения (не показано) устройство очистки 26, в несколько раз более короткое, чем изделие 1, может быть установлено между вакуумной камерой и группой 27 из n электродных узлов 2, что делает устройство более компактным. При этом группа изделий из n штук проходит очистку в процессе загрузки в группу 27 из n электродных узлов 2.In embodiments of the invention (not shown), the
В вариантах изобретения каждое изделие затем загружается в другую группу 28 из n электродных узлов 2 для нанесения методом магнетронного распыления следующего покрытия, материал которого отличен от первого, Фиг. 3.In embodiments of the invention, each product is then loaded into another
В вариантах изобретения вакуумная камера 8 может иметь, по меньшей мере, один отсек 29 с узлом 30 для напыления покрытия одним из следующих способов: газотермическое напыление, химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы, распыление, импульсное лазерное осаждение, электрофоретическое осаждение, осаждение атомного слоя. Это расширяет функциональные возможности устройства, позволяя наносить покрытия различных типов и их комбинаций.In embodiments of the invention, the
Каждый из отсеков 20, 22, 23, 29, 24 вакуумной камеры 8 предпочтительно снабжен своим вакуумным насосом 31 и отсеки имеют между собой открывающиеся во время перемещения изделий перегородки 32.Each of the
В вариантах изобретения вакуумная камера 8 может содержать отсек контроля качества покрытий.In embodiments of the invention, the
Способ для нанесения покрытий на протяженные изделия, преимущественно твэлы, включающий нанесение защитного покрытия изделия методом магнетронного распыления материала, осуществляют следующим образом.The method for coating extended products, mainly fuel rods, including the application of a protective coating of the product by the method of magnetron sputtering of the material, is carried out as follows.
Изделие 1 с помощью транспортирующей системы 9 размещают неподвижно в сообщающийся с вакуумной камерой полости цилиндрического катода 4 и осуществляют цикл магнетронного распыления материала с внутренней поверхности цилиндрического катода 4 при вращении магнитного блока 6, расположенного снаружи цилиндрического катодаThe product 1 with the help of the transporting
За счет вращения магнитного блока 6 вблизи внутренней поверхности цилиндрического катода, обращенной к аноду, формируют вращающееся вокруг оси 7 катода арочное магнитное поле 16, Фиг. 1. С помощью источника электропитания 11 подают постоянное или переменное напряжение между катодом 4 и анодом 3, обеспечивая горение в полости катода аномального тлеющего разряда вдоль всей длины катода и анода.Due to the rotation of the
Электроны дрейфуют в скрещенных электрическом и магнитном полях над поверхностью катода 4 по сложным замкнутым циклоидальным траекториям, ионизируя атомы рабочего газа, подаваемого в полость цилиндрического катода с помощью узла подачи газа 10. Образовавшиеся ионы ускоряются в области катодного падения потенциала по направлению к катоду 4 и распыляют его поверхность. Эмитированные вторичные электроны поддерживают горение разряда преимущественно в областях с более сильным магнитным полем 16. Распыленные атомы материала катода движутся по направлению к изделию 1, осаждаясь на котором формируют покрытие.The electrons drift in crossed electric and magnetic fields above the surface of the cathode 4 along complex closed cycloidal trajectories, ionizing the atoms of the working gas supplied to the cavity of the cylindrical cathode using the
В различных вариантах изобретения могут использоваться следующие методы электропитания разряда: сильноточное импульсно-периодическое (для осуществления ВИПМР - высокоскоростного ионно-плазменного магнетронного распыления, англ. - HIPIMS), постоянным током, переменным током средней частоты,- в том числе с возможностью подачи потенциала смещения на изделие.The following discharge power supply methods can be used in various embodiments of the invention: high-current pulse-periodic (for performing VIPMR — high-speed ion-plasma magnetron sputtering, English — HIPIMS), direct current, alternating current of average frequency — including the possibility of supplying bias potential on the product.
Покрытие формируют из материала катода, выбираемого из группы: Cr, Ti, W, Ni, Al, Zn, Cu, Ni, Mo, Та, Cd, Co, Fe, V, Sn, C, Be, Y, Si, Zr, Nd - не ограничиваясь только ими, используя в качестве плазмообразующего газа инертный газ или смесь инертных газов. При использовании в качестве плазмообразующего газа кислорода, азота или других реактивных газов напыляемым материалом могут быть оксиды, нитриды, карбиды и другие соединения указанных металлов.The coating is formed from a cathode material selected from the group: Cr, Ti, W, Ni, Al, Zn, Cu, Ni, Mo, Ta, Cd, Co, Fe, V, Sn, C, Be, Y, Si, Zr, Nd is not limited to them, using inert gas or a mixture of inert gases as plasma-forming gas. When using oxygen, nitrogen or other reactive gases as a plasma-forming gas, the sprayed material can be oxides, nitrides, carbides, and other compounds of these metals.
За счет вращения магнитного блока 6 в область создаваемого протяженными рядами магнитов 14, 15 арочного магнитного поля 16 а, следовательно, в зону распыления, попадают поочередно все участки катода, и он эродирует однородно по всей своей поверхности, обращенной к аноду 3. Предпочтительно постоянные магниты в соседних рядах или в соседних группах рядов смещены друг относительно друга вдоль оси 7 электродного узла, например, на половину длины магнитов для обеспечения равномерного распределения по длине катода арочного магнитного поля, усредненного за один оборот магнитного блока, и повышения однородности наносимого покрытияDue to the rotation of the
Высокая, не менее 65%, геометрическая прозрачность анода или использование самого изделия в качестве анода, обеспечивает равномерное покрытие изделия 1 по всей его длине. При этом длина электродного узла 2 должна превышать длину изделиягна несколько дециметров.The high, at least 65%, geometric transparency of the anode, or the use of the product itself as an anode, ensures uniform coverage of product 1 along its entire length. In this case, the length of the
Использование магнитного блока 6 с рядами постоянных магнитов 14, 15, сгруппированными, например, по три ряда, Фиг. 1, позволяет оптимизировать скорость распыления мишени. В целом, скорость нанесения покрытия и температура изделия, например, оболочки твэла, могут быть оптимизированы за счет выбора параметров разряда, количества и расположения рядов постоянных магнитов, режима охлаждения электродного узла 2.The use of a
Для замыкания тока Холла и управления разрядом в целом на краях разряда допускается использование специальных экранов и неоднородных коаксиальных магнитных систем.To close the Hall current and control the discharge as a whole, special screens and non-uniform coaxial magnetic systems are allowed at the edges of the discharge.
Охлаждение каждого электродного узла 2 производят с помощью циркуляции жидкого теплоносителя 17 через охлаждаемый кожух 5, примыкающий к наружной поверхности цилиндрического катода 4.Each
Для обеспечения компактности устройства и повышения эффективности магнитного блока 6 его вращение осуществляют в среде жидкого теплоносителя 17, герметизируемого, например, с помощью скользящих манжет 19.To ensure the compactness of the device and increase the efficiency of the
Простота перемещения изделия, в частности твэл, достигается за счет его загрузки в электродный узел 2 с вертикально ориентированной продольной осью 7 сверху вниз и за счет выгрузки в обратном направлении. Затем цикл работы устройства повторяется.The ease of movement of the product, in particular fuel rods, is achieved by loading it into the
В вариантах изобретения оси электродных узлов могут быть ориентированы горизонтально, а загрузка изделий производиться в горизонтальном направлении при транспортировке изделий на проход через электродные узлы.In embodiments of the invention, the axis of the electrode assemblies can be oriented horizontally, and the loading of products should be performed in the horizontal direction when transporting products for passage through the electrode nodes.
Предпочтительно нанесение защитного покрытия одновременно осуществляют на более чем два идентичных изделия, что позволяет обеспечить высокую производительность способа. При этом n изделий 1 одновременно размещают в n идентичных электродных узлах 2, установленных параллельно друг другу, Фиг. 2.Preferably, the application of a protective coating is simultaneously carried out on more than two identical products, which allows for high performance of the method. At the same time, n items 1 are simultaneously placed in n
Для повышения качества защитного покрытия перед его нанесением предпочтительно производят ионную очистку изделия 1. В вариантах изобретения очистка может производиться с помощью различных видов электрического разряда.To improve the quality of the protective coating, before applying it, ion cleaning of the product 1 is preferably carried out. In embodiments of the invention, cleaning can be performed using various types of electrical discharge.
В вариантах изобретения, иллюстрируемых Фиг. 3, осуществляют загрузку группы 21 из n идентичных изделий 1 в герметизируемый загрузочный отсек 20 или шлюз вакуумной камеры 8. Затем группу изделий транспортируют в отсек 22 вакуумной камеры и производят ионную очистку изделий 1 или их очистку электрическим разрядом в устройстве очистки 26. После этого группа изделий, поступает в отсек магнетронного напыления 23, где каждое изделие загружается предпочтительно сверху вниз в один из группы 27 n электродных узлов 2. В вариантах изобретения каждое изделие затем загружается в другую группу 28 из n электродных узлов 2 для нанесения методом магнетронного распыления следующего покрытия, отличного от первого.In the embodiments of the invention illustrated in FIG. 3, a
В вариантах изобретения каждое изделие затем транспортируется в отсек 29 и загружается в узел 30, в котором производят нанесение дополнительного покрытия, используя метод, выбранный из группы, включающей в себя: газотермическое напыление, химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы, распыление, импульсное лазерное осаждение, электрофоретическое осаждение, осаждение атомного слоя химическое покрытие, гальванопокрытие.In embodiments of the invention, each product is then transported to
В предпочтительных вариантах изобретения обеспечивают производительность P=n/t около 1 твэл/мин, где n - количество твэлов одновременно обрабатываемых в напылительном отсеке, a t - время полного цикла обработки твэл от его загрузки до выгрузки из отсека выгрузки 24 вакуумной камеры.In preferred embodiments of the invention, the performance P = n / t is about 1 fuel / min, where n is the number of fuel rods simultaneously processed in the evaporation compartment, and t is the full cycle time of processing fuel rods from loading to unloading from the
Далее группу изделий 25 транспортируют через отсек выгрузки 24 вакуумной камеры наружу.Next, a group of
Цикл работы повторяется.The cycle of work is repeated.
Эффективность предложенного технологического решения продемонстрирована экспериментами, в которых скорость напыления хрома на оболочку циркониевого твэла составила ~1 мкм/мин, неоднородность напыления по длине экспериментального образца длиной 300 мм была менее 5%.The effectiveness of the proposed technological solution was demonstrated by experiments in which the sputtering rate of chromium on the shell of a zirconium fuel element was ~ 1 μm / min, the nonuniform deposition along the length of an experimental sample with a length of 300 mm was less than 5%.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ.INDUSTRIAL APPLICABILITY.
Предлагаемое изобретение предназначено для экологически чистого высокопроизводительного изготовления высоконадежных защитных покрытий на цилиндрические конструкционные изделия, преимущественно на твэлы атомных реакторов.The present invention is intended for environmentally friendly high-performance production of highly reliable protective coatings on cylindrical structural products, mainly on the fuel rods of nuclear reactors.
Claims (17)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018107793A RU2686399C1 (en) | 2018-03-02 | 2018-03-02 | Device and method for coating long products |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018107793A RU2686399C1 (en) | 2018-03-02 | 2018-03-02 | Device and method for coating long products |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2686399C1 true RU2686399C1 (en) | 2019-04-25 |
Family
ID=66314861
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018107793A RU2686399C1 (en) | 2018-03-02 | 2018-03-02 | Device and method for coating long products |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2686399C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2740701C2 (en) * | 2019-06-14 | 2021-01-19 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (АО "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") | Fuel element with composite protective coating |
| RU2768092C1 (en) * | 2021-11-23 | 2022-03-23 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method for producing corrosion-resistant coating |
| CN115110048A (en) * | 2022-06-20 | 2022-09-27 | 肇庆市科润真空设备有限公司 | Magnetron sputtering-based PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) film coating device and method |
| RU2782416C1 (en) * | 2021-12-17 | 2022-10-26 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | Magnetron spraying system |
| CN115781179A (en) * | 2022-12-21 | 2023-03-14 | 中国核动力研究设计院 | Rod-shaped nuclear fuel element magnetic pulse close fit packaging-connection cooperative forming device and method |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2070944C1 (en) * | 1993-09-28 | 1996-12-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Сонг" | Device for application of coatings to long flexible products |
| RU2237743C2 (en) * | 2002-09-26 | 2004-10-10 | Закрытое акционерное общество "Межотраслевое юридическое агентство "Юрпромконсалтинг" | Method for processing of surface of elongated article, line and apparatus for effectuating the same |
| RU2261289C1 (en) * | 2004-06-08 | 2005-09-27 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете министерства образования Российской Федерации" | Device for application of multi-layer current-conducting coats on articles made from dielectric materials and ion source for this device |
| EP1611263A1 (en) * | 2003-04-09 | 2006-01-04 | SMS Demag Aktiengesellschaft | Method and device for coating a metal bar by hot dipping |
| RU2488644C2 (en) * | 2011-10-25 | 2013-07-27 | Александр Александрович Кулаковский | Device for application of coating onto extended product |
-
2018
- 2018-03-02 RU RU2018107793A patent/RU2686399C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2070944C1 (en) * | 1993-09-28 | 1996-12-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Сонг" | Device for application of coatings to long flexible products |
| RU2237743C2 (en) * | 2002-09-26 | 2004-10-10 | Закрытое акционерное общество "Межотраслевое юридическое агентство "Юрпромконсалтинг" | Method for processing of surface of elongated article, line and apparatus for effectuating the same |
| EP1611263A1 (en) * | 2003-04-09 | 2006-01-04 | SMS Demag Aktiengesellschaft | Method and device for coating a metal bar by hot dipping |
| RU2261289C1 (en) * | 2004-06-08 | 2005-09-27 | Государственное научное учреждение "Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете министерства образования Российской Федерации" | Device for application of multi-layer current-conducting coats on articles made from dielectric materials and ion source for this device |
| RU2488644C2 (en) * | 2011-10-25 | 2013-07-27 | Александр Александрович Кулаковский | Device for application of coating onto extended product |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2740701C2 (en) * | 2019-06-14 | 2021-01-19 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (АО "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") | Fuel element with composite protective coating |
| RU2816323C1 (en) * | 2020-04-20 | 2024-03-28 | Акционерное Общество "Твэл" | Method for ion-plasma application of corrosion-resistant film coatings on products made of zirconium alloys |
| RU2768092C1 (en) * | 2021-11-23 | 2022-03-23 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | Method for producing corrosion-resistant coating |
| RU2782416C1 (en) * | 2021-12-17 | 2022-10-26 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | Magnetron spraying system |
| CN115110048A (en) * | 2022-06-20 | 2022-09-27 | 肇庆市科润真空设备有限公司 | Magnetron sputtering-based PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) film coating device and method |
| CN115781179A (en) * | 2022-12-21 | 2023-03-14 | 中国核动力研究设计院 | Rod-shaped nuclear fuel element magnetic pulse close fit packaging-connection cooperative forming device and method |
| CN115781179B (en) * | 2022-12-21 | 2024-06-11 | 中国核动力研究设计院 | Magnetic pulse close fitting packaging-connecting collaborative forming device and method for rod type nuclear fuel element |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2686399C1 (en) | Device and method for coating long products | |
| US9805831B2 (en) | Fuel rod assembly and method for mitigating the radiation-enhanced corrosion of a zirconium-based component | |
| US20200273684A1 (en) | Method and apparatus for metal and ceramic nanolayering for accident tolerant nuclear fuel, particle accelerators, and aerospace leading edges | |
| CN110592544B (en) | Vertical magnetron sputtering coating device for long outer cladding tube | |
| Xu et al. | Plasma surface metallurgy | |
| JP7478793B2 (en) | Reduction of the Coulomb barrier for interacting reactants | |
| CN111074199B (en) | Preparation method of high-entropy alloy layer on surface of tungsten alloy | |
| US5328524A (en) | Process for the surface oxidation of a part composed of passivatable metal, and fuel assembly elements composed of metal alloy covered with a protective oxide layer | |
| Jacquinot | Recent developments in steady-state physics and technology of tokamaks in Cadarache | |
| García-Rosales et al. | High-heat-flux loading of tungsten coatings on graphite deposited by plasma spray and physical vapor deposition | |
| Irby et al. | Alcator C-Mod design, engineering, and disruption research | |
| CN107841714A (en) | A kind of real-time lithiumation wall processing system for being used to improve plasma chamber wall condition | |
| CN1175124C (en) | Ball full orientation ion implantation and sedimentation surface strengthening treatment method and installation | |
| CN203382818U (en) | Device for plating diamond-like film on surface of flat plate | |
| KR20200123656A (en) | Apparatus for Coating Nuclear Fuel Cladding | |
| KR20230042704A (en) | Nuclear fuel cladding elements and methods of manufacturing the cladding elements | |
| US20230032964A1 (en) | Method of ion-plasma application of corrosion-resistant film coatings on articles made from zirconium alloys | |
| Rubel | Structure materials in fusion reactors: issues related to tritium, radioactivity and radiation-induced effects | |
| Saltmarsh | Review of the ISX-B experimental program | |
| CN105132982B (en) | A kind of preparation method of uranium and its alloy surface ceramic coating | |
| Akiba et al. | The development of divertor and first wall armour parts at JAERI, Sandia NL and KFA Jülich | |
| Whitley et al. | Testing of low-Z-coated limiters in tokamak fusion devices | |
| EP1952406A1 (en) | Method for producing a fuel element for a nuclear reactor | |
| WO1995026426A1 (en) | Method and apparatus for coating inside surface of nuclear fuel rod cladding tubes | |
| Linke et al. | Simulation of Plasma Induced Material Damage with H-Ion Beams |