TWI814102B - 具有增強之抗水及蒸汽氧化性的經塗覆燃料丸與改良裂變燃料之抗水性的方法 - Google Patents

具有增強之抗水及蒸汽氧化性的經塗覆燃料丸與改良裂變燃料之抗水性的方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI814102B
TWI814102B TW110137314A TW110137314A TWI814102B TW I814102 B TWI814102 B TW I814102B TW 110137314 A TW110137314 A TW 110137314A TW 110137314 A TW110137314 A TW 110137314A TW I814102 B TWI814102 B TW I814102B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
uranium
coating
water
fissile
fuel
Prior art date
Application number
TW110137314A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202217851A (zh
Inventor
愛德華 Ｊ 拉赫達
許鵬
蔡露
Original Assignee
美商西屋電器公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US17/065,374 external-priority patent/US11488730B2/en
Application filed by 美商西屋電器公司 filed Critical 美商西屋電器公司
Publication of TW202217851A publication Critical patent/TW202217851A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI814102B publication Critical patent/TWI814102B/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G21C3/16—Details of the construction within the casing
    • G21C3/20—Details of the construction within the casing with coating on fuel or on inside of casing; with non-active interlayer between casing and active material with multiple casings or multiple active layers
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C21/00—Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
    • G21C21/02—Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02—Fuel elements
    • G21C3/04—Constructional details
    • G21C3/045—Pellets
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/42—Selection of substances for use as reactor fuel
    • G21C3/58—Solid reactor fuel Pellets made of fissile material
    • G21C3/62—Ceramic fuel
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C7/00—Control of nuclear reaction
    • G21C7/02—Control of nuclear reaction by using self-regulating properties of reactor materials, e.g. Doppler effect
    • G21C7/04—Control of nuclear reaction by using self-regulating properties of reactor materials, e.g. Doppler effect of burnable poisons
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S376/00—Induced nuclear reactions: processes, systems, and elements
    • Y10S376/90—Particular material or material shapes for fission reactors
    • Y10S376/901—Fuel
    • Y10S376/902—Fuel with external lubricating or absorbing material

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
  • Physical Water Treatments (AREA)

Abstract

本文揭示一種方法，其包括將裂變、含鈾陶瓷材料塗覆抗水性層，該層不與該裂變、含鈾陶瓷材料反應。該塗層係塗覆至該裂變、含鈾陶瓷材料之表面。亦揭示一種用於核反應器中之燃料。

Description

具有增強之抗水及蒸汽氧化性的經塗覆燃料丸與改 良裂變燃料之抗水性的方法
本發明係關於用於核反應器之燃料，及更特定言之，係關於改良核燃料之抗水性的方法。
二氧化鈾(UO2)係當前在全球用於核燃料中的主要鈾化合物。增進輕水反應器之安全性及效能的努力是對替代事故耐受性燃料的研究。若干高密度鈾燃料已被考慮用於現有的輕水反應器。一種具有前景的燃料為矽化鈾(U3Si2)，此歸因於其高鈾密度(較UO2高17%)、高導熱性、及高熔化溫度(1665℃)。參見K.E.Metzger等人，Model of U3Si2 Fuel System Using Bison Fuel Code，Proceedings of ICAPP，2014年4月6-9日，Paper No.14343，pp.1-5。然而，近來的測試顯示U3Si2可能遭受某些環境因素問題，因而可能需要額外特徵來補救此等潛在問題。
本申請案主張2020年10月7日提出申請標題為「具有增強之抗水及蒸汽氧化性的經塗覆燃料丸(COATED FUEL PELLETS WITH ENHANCED WATER AND STEAM OXIDATION RESISTANCE)」之美國專利申請案序號17/065,374的權利，其係根據35 U.S.C.§ 120主張2018年2月16日提出申請之先前同在申請中之 美國專利申請案序號15/898,308之優先權的部分續案申請案，該案主張2017年3月17日提出申請之美國臨時專利申請案序號62/472,659的權利。美國申請案15/898,308及62/472,659的內容皆以全文引用的方式併入本文，其等內容藉此以引用的方式全文併入本文。
本發明是在能源部(Department of Energy)授予的合同編號DE-NE0008222的政府支持下完成的。美國政府擁有本發明的某些權利。
本文描述一種保護裂變材料免於因暴露至水或蒸汽而氧化的方法。已發現，雖然許多核燃料在300℃下具有良好的抗水性，類似於廣泛使用的裂變材料諸如UO2，但隨著水溫升高，許多核燃料的顆粒邊界優先受到水和蒸汽的攻擊。
近來的測試指示，該等脆弱的燃料組成物(諸如U3Si2)在高於360℃的溫度下會遭受過度氧化，並會在低於600℃的蒸汽中在短時間內完全氧化，如圖1所示，該圖顯示U3Si2在水蒸氣氛圍中之熱重分析結果。熱重(TG)分析通常用來確定材料由於(例如)隨著溫度變化的分解或氧化而呈現質量損失或增加的選定特徵。商售TG分析儀在將樣品加熱至高達約2000℃之標的溫度時連續稱重樣品。隨著溫度升高，樣品的各種組分經分解或氧化並可測量各所得質量變化的重量百分比。結果以在X軸上的溫度及在Y軸上的總質量變化作圖。加熱期間質量的顯著變化指示材料不再熱穩定。如圖1所示，對於16.87%之質量變化，U3Si2完全氧化成為氧化鈾(UO2及U3O8)。裂變材料之氧化會導致設計基礎事故(諸如冷卻劑損失事故及假設反應性插入事故)中的顯著安全性顧慮。
在各種態樣中，一種保護裂變材料免於氧化的方法包括塗 覆裂變材料。塗覆U3Si2丸或保護U3Si2顆粒邊界，例如，將防止丸碎裂及丸被在反應器操作期間洩漏通過包覆障蔽至燃料上後之冷卻劑及在設計基礎事故條件中在發生包覆層破裂時被高溫蒸汽過度氧化。為改良U3Si2或其他適當裂變材料在高於360℃之溫度下的抗水及蒸汽氧化性，使用任何適當的塗覆方法將抗水性塗層塗覆至材料表面。例示性的塗覆方法包括原子層沉積、熱噴塗(thermal spray)技術諸如電漿弧噴塗及物理氣相沉積、化學氣相沉積、無電電鍍、及電鍍。塗覆材料可係將塗覆(即黏著至)所選裂變材料之表面、不與裂變材料反應、具有至少與UO2一樣低且較佳低於UO2之溶解度、且具足夠撓性而可在裂變材料於使用中膨脹時實質上保持於定位、不自U3Si2剝落的任何材料。為提高商業可行性，塗覆材料較佳係易於塗覆。在各種態樣中，適宜的塗覆材料可選自由以下所組成之群：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、SiC、Ni、Cr、及其組合。
亦描述一種核燃料材料。該材料包括諸如U3Si2的裂變材料，其經抗水性層塗覆。在各種態樣中，塗覆層可選自由以下所組成之群：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、SiC、Ni、Cr、及其組合。
抗水性塗層可位於用來控制核反應器操作中之核心反應性的整體燃料可燃吸收劑(IFBA)層下方。IFBA層可係一薄層的鋯化合物(諸如二硼化鋯(ZrB2))、硼化合物(諸如B2O3-SiO2玻璃)、及鋯化合物和硼化合物之組合。參見，例如，以引用的方式併入本文的美國專利第4,751,041號。
10:熱噴塗總成
12:加熱器
14:粉末或粒子料斗
16:槍
18:噴嘴
20:加壓氣體噴射
22:基板
24:粒子
26:傳送導管
28:傳送導管
32:傳送導管
34:傳送導管
36:經噴塗粒子
40:電漿炬
42:水冷卻噴嘴
44:陰極
46:陽極
48:絕緣體
50:熱氣體噴射
52:埠
54:塗層
56:氣體埠
60:基板
68:外殼
70:燃料棒
72:裂變材料
74:抗水性塗層
76:覆蓋層
78:間隙
80:燃料包覆層
82:冷卻劑
可藉由參看附圖較佳地理解本揭示之特性及優點。
圖1係U3Si2丸的熱重(TG)分析，其中測量U3Si2丸在水蒸氣氛圍中於2.5℃/分鐘之加熱速率下隨著溫度變化的質量增加。
圖2係燃料棒中例示性燃料丸之橫截面的示意圖，其顯示保護性塗覆層和燃料燃燒器吸收劑層的相對位置。
圖3係例示性熱沉積噴塗製程的示意圖。
圖4係例示性電漿弧製程的示意圖。
除非上下文另外清楚地規定，否則如本文中所使用之單數形式「一(a)」、「一個(an)」及「該(the)」包括複數個參考物。因此，本文中使用的冠詞「一」及「一個」係指一個或一個以上(即，至少一個)該冠詞的文法對象。舉例來說，「一元件」意指一個元件或多於一個元件。
除非另外明確地陳述，否則本文中所使用之方向性片語，諸如但不限於頂部、底部、左、右、下部、上部、前部、背部及其變化形式，應關於附圖中所展示之元件之定向且不對申請專利範圍造成限制。
在本申請案中，包括申請專利範圍，除非另外指示，否則表示數量、值或特性之所有數字應被理解為在所有情況下均由「約」字修飾。因此，即使字詞「約」可能未與數字一起明確地出現，但亦可將數字讀成如同前面具有「約」字。因此，除非有相反指示，否則在以下描述中所闡述之任何數值參數可取決於試圖在根據本揭示之組合物及方法中獲得的所需性質而變化。至少且不試圖將等效物原則之應用限制於申請專利範圍之範圍，本說明書中所描述之每一數值參數應至少鑒於所報告之有效數位的數目且藉由應用一般捨入技術來解釋。
此外，本文所列舉的任何數值範圍意欲包括其中涵蓋的所有子範圍。例如，範圍「1至10」意欲包括介於(且包括)所列舉的最小值1和所列舉的最大值10之間的任何及所有子範圍，亦即，具有等於或大於1的最小值及等於或小於10的最大值。
一種在使用於水冷卻核反應器中之裂變材料上形成抗水性邊界的方法包括利用適當的塗覆材料塗覆裂變材料至期望厚度。裂變材料可係任何適當的裂變材料。U3Si2係用於此製程的例示性裂變材料，且基於以上表述的理由，係在許多態樣中的較佳材料。雖然文中描述的塗覆方法可用於其他裂變材料，諸如UO2和下面列出的其他材料，但為了方便起見，可將裂變材料稱為U3Si2。
合適的裂變材料可包括含鈾陶瓷裂變材料。含鈾陶瓷裂變材料可包括，例如，矽化鈾(例如，U3Si2、U3Si5、U3Si)；氮化鈾(例如，UN、U15N)；碳化鈾(例如，UC)；硼化鈾(例如，UBx、UB2、UB4)，其中X係整數(金屬硼化物(例如，硼化鈾)可能具有各種各樣的金屬：硼比)；磷化鈾(例如，UP)；硫化鈾(例如，US2)；氧化鈾(例如，UO2、UCO)；或此等中任何者之混合物。
作為下一代燃料之具有前景的候選者，U3Si2提供：1.較UO2高之導熱性；2.較UO2高之鈾裝載量；及3.容許燃料在輕水反應器正常操作及瞬時條件下保持固態的熔化溫度。為了應對U3Si2在較高溫度(例如，360℃及以上)之下的不良抗水性，在各種態樣中，可將抗水性塗層塗覆至U3Si2丸和U3Si2顆粒邊界的一或兩者，此將防止、或至少實質地減緩U3Si2與水的接觸，及因此改良在燃料包覆層發生洩漏時燃料丸的抗水性。
在各種態樣中，塗覆材料應於裂變材料之至少經暴露部分 上方，諸如於丸及顆粒邊界上形成堅固的塗層。如文中所使用之術語「堅固塗層」係一種於冷卻劑中具低溶解度、容易塗覆、不與所選裂變材料反應、且在丸於輻射期間膨脹時具有一些可撓性的塗層。如文中所使用之「低溶解度」係相對術語及對於本申請案之目的意謂塗覆材料之溶解度至少與UO2(當使用UO2作為裂變材料時)之溶解度一樣低，且在各種態樣中較UO2之溶解度低。
塗覆材料可係將塗覆(即黏著至)所選裂變材料之表面且不與裂變材料反應的任何材料。如所陳述，在各種態樣中之塗覆材料具有至少與UO2之溶解度一樣良好，及較佳為比UO2之溶解度低的溶解度。UO2之溶解度值可於文獻中獲得。
在各種態樣中，塗覆材料具足夠可撓性而可在裂變材料於使用中膨脹時實質上保持於定位。熟悉技藝人士明瞭裂變材料於使用中由於發生分裂，原始原子形成較原始原子密度低之材料的兩個原子而膨脹。此外，氣體可被捕獲於顆粒邊界，其將導致更多膨脹。熟悉技藝人士可粗略計算膨脹程度，但由於捕獲的氣體，在反應器中在使用前的膨脹計算可能不精確。塗層應充分地可撓以避免在裂變材料膨脹時的脫層。然而，可容許一些偏差，從而容許在裂變材料膨脹時塗層中的龜裂或脫層部分。在該等情況中，塗層仍發揮作用以減少裂變材料之暴露於水或蒸汽，藉此減緩氧化及增進裂變材料的有效壽命。降低裂變材料在暴露於水或蒸汽情況中之氧化速率將容許在超過設計基礎事故情況中用於校正動作的時間。
在各種態樣中，適宜的塗覆材料可選自由以下所組成之群：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、 碳、SiC、Cr、Ni、及其組合。U3Si2顆粒之塗覆可經由將FeCrAl、CrAl、或Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃固體添加至U3Si2粉末，將其在低於U3Si2之溫度(1662℃)但在U3Si2丸之燒結溫度(1200至1600℃)下熔化來完成。在各種態樣中，塗層可經由沉積選自由以下組成之群的粒子來形成：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、SiC、Ni、Cr、及其組合。此等材料中之各者具有優於U3Si2的抗水性。可將塗層塗覆至各U3Si2丸的周邊、或側面、表面及視情況塗覆至其頂表面及底表面。燃料丸可係任何形狀且提及周邊或其他表面輪廓係為方便起見而不具限制性。在使用中，燃料丸通常呈大致圓柱形丸形式，其於末端上堆疊形成大致圓柱形柱，該柱藉由彈簧抵靠燃料棒的端塞固持，該彈簧位在置於頂部丸與燃料棒之頂部端塞之間之棒中之丸堆疊的頂端。在此組態中，丸的頂部及底部未暴露至任何可能洩漏至燃料棒中的水。若有之任何暴露至氧化流體將係最小的。
為提高商業可行性，塗覆材料較佳係易於塗覆。在方法中使用的塗覆步驟可係任何適當的塗覆製程。舉例來說，塗覆可藉由物理氣相沉積製程或藉由原子層沉積(ALD)進行。塗覆製程可，例如，係熱噴塗製程，諸如熱或冷噴製程或電漿弧噴塗製程。
原子層沉積(ALD)係薄膜沉積方法，其中藉由將基板之表面暴露至交替的氣態物種而使膜生長於基板上。ALD係基於氣相化學製程的依序使用。大多數的ALD反應使用兩種化學物質，稱為前驅物。此等前驅物以依序、自限制方式逐一地與材料表面反應，使得一旦表面上的所有反應性位點經消耗，反應即終止。因此，在單次暴露於所有前驅物(所謂的ALD循環)之後沉積於表面上之材料的最大量係由前驅物-表面 交互作用的性質決定。通過重複暴露至個別前驅物，緩慢地沉積薄膜。經由改變循環數目，可於任意複雜且大的基板上均勻地且以高精度生長材料。相對於化學氣相沉積，前驅物從未同時存在於沉積室中，反而其係作為一系列依序、非重疊脈衝插入。在ALD中，抗水性塗層將經由使U3Si2丸暴露至期望塗覆材料之氣態前驅物而生長於U3Si2丸表面上。
經選擇用於沉積的前驅物亦包含載體氣體。沉積中使用的溫度可在25℃至600℃、較佳200℃至450℃、及更佳265℃至350℃之範圍內，或其他具有任何前述範圍的溫度。應避免大於600℃之溫度。
或者，塗層的沉積可係藉由濺鍍或化學氣相沉積。在典型的化學氣相沉積製程中，使基板暴露至一或多種反應性前驅物，其於基板表面上反應及/或分解而產生期望沉積物。亦經常產生副產物，其藉由通過反應室的氣流移除。
在各種態樣中，適當的熱沉積方法包括熱噴或冷噴方法。在熱式熱噴塗製程中，藉由熱源或藉由於陽極與鎢陰極間之高頻電弧所產生之電漿(即電漿弧噴塗)使塗覆原料材料熔化。此經軟化的液體或熔化材料接著藉由製程氣體遞送且將噴塗於U3Si2丸表面上。此材料於U3Si2丸表面上固化並形成固體層。
冷噴方法可經由將載體氣體遞送至加熱器，在此將載體氣體加熱至在氣體通過噴嘴時膨脹後足以將氣體維持於期望溫度(例如，100℃至1200℃)之溫度來進行。在各種態樣中，可在(例如)5.0MPa之壓力下將載體氣體預熱至介於200℃及1200℃間之溫度。在某些態樣中，可將載體氣體預熱至介於200℃與1000℃間之溫度，或在某些態樣中，300℃與900℃之間，及在其他態樣中，介於500℃與800℃ 之間。溫度將取決於使用作為載體之特定氣體的焦耳-湯姆森(Joule-Thomson)冷卻係數。氣體當受到壓力變化而膨脹或壓縮時是否冷卻係取決於其焦耳-湯姆森係數之值。就正的焦耳-湯姆森係數而言，載體氣體冷卻且必須經預熱以防止會影響冷噴製程之效能的過度冷卻。熟悉技藝人士可使用熟知計算確定加熱程度以防止過度冷卻。參見，例如，就作為載體氣體的N2而言，如入口溫度為130℃，則焦耳-湯姆森係數為為0.1℃/巴(bar)。為使氣體在130℃下影響管，如其起始壓力為10巴(~146.9磅/每平方吋絕對壓(psia))及最終壓力為1巴(~14.69磅/每平方吋絕對壓(psia))，則需將氣體預熱至約9巴*0.1℃/巴或約0.9C至約130.9℃。
舉例而言，作為載體之氦氣的溫度較佳係在3.0至4.0MPa之壓力下450℃，及作為載體之氮氣的溫度可係在5.0MPa之壓力下1100℃，但亦可係在3.0至4.0MPa之壓力下600℃-800℃。熟悉技藝人士將知曉溫度及壓力變數可根據使用設備之類型改變且可修改該設備以調整溫度、壓力及體積參數。
適宜的載體氣體係為惰性或不為反應性的彼等氣體，及特定而言將不會與顆粒或基板反應的彼等氣體。例示性的載體氣體包括氮氣(N2)、氫氣(H2)、氬氣(Ar)、二氧化碳(CO2)、及氦氣(He)。
關於選定的載體氣體而言存在顯著的彈性。可使用氣體的混合物。選擇係由物理學及經濟學來決定。舉例來說，較低分子量氣體提供較高速度，但應避免最高速度，因其可導致粒子反彈及因此減少沉積粒子的數目。
冷噴製程仰賴經加熱載體氣體之受控膨脹來將粒子推進至基板上。粒子衝擊基板或先前的沉積層且通過絕熱剪切經歷塑性變形。後續的粒子衝擊累積形成塗層。粒子亦可在進入流動載體氣體之前經升 溫至以凱氏溫度(degrees Kelvin)表示之粉末熔點之三分之一至一半的溫度。噴嘴掃描(即以圖案噴塗，其中一區域係以自頂部至底部之線條自一側噴塗至另一側)跨越待塗覆之區域或需要材料累積處。
參照圖3，其顯示熱噴塗總成10。總成10包括加熱器12、粉末或粒子料斗14、槍16、噴嘴18及傳送導管34、26、32及28。高壓氣體進入導管34用於傳送至加熱器12，在此快速、實質上立即地發生加熱。當經加熱至期望溫度時，氣體經引導通過導管26至槍16。固持於料斗14中之粒子經釋放並通過導管28引導至槍16，在此其藉由加壓氣體噴射20被壓迫通過噴嘴18朝向基板22。經噴塗粒子36沉積於基板22上而形成包含粒子24的塗層。此製程大致描述冷噴及熱噴總成。熱噴製程係在足夠高而可軟化或熔化所沉積粒子的溫度下發生。
在各種態樣中，替代的塗覆方法包括電漿弧噴塗製程，諸如圖4中所顯示者。電漿炬40產生熱氣體噴射50。典型的電漿炬40包括氣體埠56、陰極44、陽極46、及水冷卻噴嘴42，其皆被外殼68中的絕緣體48環繞。在電極之間，即在陽極46與鎢陰極44之間點燃高頻電弧。流動通過電極44/46之間之埠56的載體氣體經游離形成電漿羽。載體氣體可係氦氣(He)、氫氣(H2)、氮氣(N2)、或其任何組合。噴射50係由當加壓氣體膨脹通過噴嘴42時加熱氣體的電弧所產生。經加熱氣體形成，例如，在12,000℃至16,000℃下操作之弧電漿核心。氣體作為噴射50膨脹通過水冷卻噴嘴42。粉末、或粒子通過埠52射出成為熱噴射50，在此其經軟化或熔化，並被壓向基板60上從而形成塗層54。噴塗速率可在，例如，約450m/s或以下的粒子速度之下，為2至10kg/小時。藉由熱噴塗(諸如電漿弧噴塗)所達成的塗層厚度視所噴塗材料而變化，但可在，例如，0.005至5mm之範圍內。文中描述之塗層的典型厚 度可係5至1000微米，及在各種態樣中，塗層之厚度可係10至100微米。
抗水性塗層之厚度就電漿弧噴塗塗覆塗層而言自10微米變化至200微米，及就物理氣相沉積塗層而言係1微米至20微米及就ALD而言係自0.5微米至2微米。塗覆材料包括ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、及SiC、及其組合。U3Si2歸因於高得多的導熱性而在操作中與UO2相比具有較少龜裂。即使產生龜裂，塗層仍可覆蓋U3Si2丸的實質表面積以防止其過度氧化。
抗水性塗層亦可經由無電電鍍塗覆技術來塗覆。無電電鍍塗覆技術可包括使待塗覆之物體(例如，基板、裂變材料)浸沒於包含金屬陽離子的化學浴中。可使金屬陽離子化學還原以於基板上形成金屬性塗層。還原可係通過金屬陽離子與諸如次磷酸鹽及/或硼氫化物之還原劑之間的自催化反應完成。化學浴亦可包含下列中之一或多者：錯合劑(用來提高磷酸鹽溶解度及/或減緩反應)、穩定劑(用來經由與經還原金屬共沉積而減慢還原)、緩衝劑(用來維持浴之酸度)、增亮劑(用來改良表面光度)、表面活性劑(用來使沉積層保持親水性以降低凹痕及染色)、及加速劑(用來抗衡由錯合劑所引起之電鍍速率的降低)。基板表面可在無電電鍍製程之前經活化，以確保可進行自催化還原製程。
當採用無電電鍍塗覆技術時，抗水性塗層可包含金屬性鎳(Ni)及/或金屬性鉻(Cr)。因此，化學浴中之金屬陽離子可包含Ni陽離子或Cr陽離子中之一或兩者。可使用無電電鍍塗覆技術來將抗水性塗層塗覆於本揭示之任何裂變材料上。
通過無電電鍍塗覆技術塗覆至本揭示之裂變材料的抗水 性塗層可包含5微米至20微米之厚度，諸如，比方說，5微米至15微米、5微米至10微米、10微米至20微米、10微米至15微米、或15微米至20微米。參照下文描述的圖2，抗水性塗層74亦可如前所述包含Ni及/或Cr。
抗水性塗層亦可通過電鍍塗覆技術來塗覆。電鍍塗覆技術可包括藉由直流電經由還原金屬陽離子而於待塗覆之物體(例如，基板、裂變材料)上產生抗水性金屬塗層。可使金屬陽離子還原而於基板上形成金屬性塗層。基板可充作電解電池之陰極，且陽極可包括待塗覆成為塗層的金屬及/或惰性傳導性材料。電解質溶液可與基板接觸且可包括含有待還原及塗覆於基板上之金屬陽離子的鹽溶液。基板可係導電性的。
當採用電鍍塗覆技術時，抗水性塗層可包括金屬性鎳(Ni)及/或金屬性鉻(Cr)。因此，電解質溶液中之金屬陽離子可包含Ni陽離子或Cr陽離子中之一或兩者。可使用電鍍塗覆技術來將抗水性塗層塗覆於本揭示之任何裂變材料上。裂變材料可包括導電性裂變材料。
通過無電電鍍塗覆技術塗覆至本揭示之裂變材料的抗水性塗層可包含1微米至20微米之厚度，諸如，比方說，1微米至5微米、2微米至20微米、3微米至20微米、4微米至20微米、5微米至20微米、5微米至15微米、5微米至10微米、10微米至20微米、10微米至15微米、或15微米至20微米。參照下文描述的圖2，抗水性塗層74亦可如前所述包含Ni及/或Cr。
此外，亦可經由使用ALD製程或熱噴塗製程將可燃吸收劑塗覆於經塗覆U3Si2丸的周邊表面上。整體燃料可燃吸收劑可係在塗覆抗水性塗覆層後塗覆於燃料丸上之一薄層的鋯化合物(諸如二硼化鋯(ZrB2))、硼化合物(諸如B2O3-SiO2玻璃)、及鋯化合物和硼化合物之 組合。參見，例如，以引用的方式併入本文的美國專利第4,751,041號。
可燃吸收劑係用來控制核反應器操作中之核心反應性之一種類型的可燃毒物。此等可燃吸收劑提供主要在反應器循環之開始期間有效之暫時性反應性控制並補償由於載入新鮮燃料而於循環早期中出現之過度反應性。在塗覆抗水性層之後塗覆可燃吸收劑材料層，使得其覆蓋抗水性塗覆層。
U3Si2之氧化係潛在的安全顧慮及在輕水反應器中用來實施U3Si2燃料的其中一個關鍵問題。塗覆於U3Si2上將減緩尤其在較高蒸汽溫度下的氧化，且係用來解決潛在安全顧慮的其中一個經濟方法。
如文中所述之方法產生經塗覆的裂變材料，諸如圖2中顯示的經塗覆燃料丸。通常將複數個丸堆疊於燃料棒70中。在各種態樣中之裂變材料72包含經塗覆選自由以下組成之群之抗水性層74的U3Si2：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、SiC、Ni、Cr、及其組合。燃料丸亦可包含可燃吸收劑材料，諸如二硼化鋯(ZrB2)、硼化合物(諸如B2O3-SiO2玻璃)、及鋯化合物和硼化合物之組合的覆蓋層76。在覆蓋層76與燃料包覆層80之間可存在經填充氣體(諸如氦氣)的間隙78。包覆層80的外部經冷卻劑82(通常係水冷卻反應器中之水)包圍。
下列實施例中闡述本說明書所述標的之各種態樣。
實施例1-一種方法，其包括：將裂變、含鈾陶瓷材料塗覆抗水性層，該層不與該裂變、含鈾陶瓷材料反應，其中該塗層係塗覆至該裂變、含鈾陶瓷材料之表面。
實施例2-實施例1中所述之方法，其中該裂變、含鈾陶 瓷材料包含矽化鈾、氮化鈾、碳化鈾、硼化鈾、磷化鈾、硫化鈾、氧化鈾、或其組合。
實施例3-實施例1或2中所述之方法，其中該裂變、含鈾陶瓷材料包括U3Si2、U3Si5、U3Si、UN、U15N、UC、UB2、UB4、UP、US2、UO2、UCO、或其組合。
實施例4-實施例1至3中任一者所述之方法，其中該裂變、含鈾陶瓷材料係呈丸形式。
實施例5-實施例1至4中任一者所述之方法，其中該抗水性層係選自由以下組成之群：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、SiC、Ni、Cr、及其組合。
實施例6-實施例1至5中任一者所述之方法，其中該塗層係藉由原子層沉積來塗覆。
實施例7-實施例1至5中任一者所述之方法，其中該塗層係藉由無電電鍍塗覆技術來塗覆。
實施例8-實施例1至5中任一者所述之方法，其中該塗層係藉由熱噴塗製程來塗覆。
實施例9-實施例8中所述之方法，其中該熱噴塗製程係物理氣相沉積。
實施例10-實施例1至5中任一者所述之方法，其中該塗層係藉由電鍍塗覆技術來塗覆，且其中該裂變、含鈾陶瓷材料係導電性的。
實施例11-實施例8中所述之方法，其中該熱噴塗製程係電漿弧噴塗。
實施例12-實施例11中所述之方法，其中該塗層之厚度係1微米至200微米。
實施例13-實施例8中所述之方法，其中該熱噴塗製程係冷噴製程。
實施例14-實施例8中所述之方法，其中該熱噴塗製程係熱噴製程。
實施例15-實施例1至14中任一者所述之方法，其進一步包括將一層可燃吸收劑塗覆於該抗水性層上方。
實施例16-實施例15中所述之方法，其中該可燃吸收劑係選自由ZrB2、B2O3-SiO2玻璃、及其組合所組成之群。
實施例17-一種用於核反應器中之燃料，其包含：經塗覆抗水性層之裂變、含鈾陶瓷材料，其中該塗層係塗覆至該裂變、含鈾陶瓷材料之表面。
實施例18-實施例17中所述之燃料，其中該抗水性層係選自由以下組成之群：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、SiC、Ni、Cr及其組合。
實施例19-實施例17至18中任一者所述之燃料，其中該裂變、含鈾陶瓷材料包含矽化鈾、氮化鈾、碳化鈾、硼化鈾、磷化鈾、硫化鈾、氧化鈾、或其組合。
實施例20-實施例17至19中任一者所述之燃料，其中該裂變、含鈾陶瓷材料包括U3Si2、U3Si5、U3Si、UN、U15N、UC、UB2、UB4、UP、US2、UO2、UCO、或其組合。
實施例21-實施例17至20中任一者所述之燃料，其進 一步包括位於該抗水性層上方用於控制核反應器操作中之核心反應性的整體燃料可燃吸收劑層。
實施例22-實施例21中所述之燃料，其中該吸收劑層係選自由ZrB2、B2O3-SiO2玻璃、及其組合所組成之群。
本發明已根據若干實施例進行說明，該等實施例意欲在所有態樣中為說明性而非限制性。因此，本發明可於詳細實施中存在許多變化，熟悉技藝人士可由文中包含的說明衍生該等變化。
本文中所提及的所有專利、專利申請案、公開案或其他揭示材料皆特此以全文引用之方式併入，如同每一個別參考文獻分別以引用方式明確地併入一般。據稱以引用之方式併入本文中的所有參考文獻及其任何材料或其部分僅在併入之材料不會與本揭示中所闡述之現有定義、陳述或其他揭示材料矛盾之程度上併入本文中。因而且在必要程度上，如本文中所闡述之揭示內容取代以引用方式併入本文中之任何矛盾的材料及在本申請案對照中明確闡述之揭示內容。
已參考各種例示性及說明性具體例描述本發明。本文中所描述之具體例應理解為提供本發明之各種具體例之不同細節的說明性特徵；且因此，除非另外指定，否則應理解，在可能之情況下，所揭示具體例之一或多個特徵、元件、組件、組份、成份、結構、模組及/或態樣可與或相對於所揭示具體例之一或多個其他特徵、元件、組件、組份、成份、結構、模組及/或態樣組合、分開、互換及/或重新配置，而不脫離本發明之範圍。因此，一般熟悉本技藝者將認識到，可在不脫離本發明範圍之情況下進行例示性具體例中之任一者的各種替代、修改或組合。此外，熟悉本技藝者將認識到或能夠在審閱本說明書後僅使用常規實驗確定本文中所描述之本發明之各種具體例的許多等效物。因此，本發明不受各種具體 例之描述限制，而是受申請專利範圍限制。
70:燃料棒
72:裂變材料
74:抗水性塗層
76:覆蓋層
78:間隙
80:燃料包覆層
82:冷卻劑

Claims (21)

  1. 一種改良裂變燃料之抗水性的方法，該方法包括：將裂變、含鈾陶瓷材料塗覆抗水性層，該層不與該裂變、含鈾陶瓷材料反應，其中該塗層係藉由原子層沉積、熱噴塗(thermal spray)技術、化學氣相沉積、無電電鍍、電鍍或其組合而黏著至該裂變、含鈾陶瓷材料之表面，且其中該裂變、含鈾陶瓷材料係呈丸形式。
  2. 如請求項1之方法，其中該裂變、含鈾陶瓷材料包含矽化鈾、氮化鈾、碳化鈾、硼化鈾、磷化鈾、硫化鈾、氧化鈾、或其組合。
  3. 如請求項2之方法，其中該裂變、含鈾陶瓷材料包括U3Si2、U3Si5、U3Si、UN、U15N、UC、UB2、UB4、UP、US2、UO2、UCO、或其組合。
  4. 如請求項1之方法，其中該抗水性層係選自由以下組成之群：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、SiC、Ni、及其組合。
  5. 如請求項1之方法，其中該塗層係藉由原子層沉積來塗覆。
  6. 如請求項1之方法，其中該塗層係藉由無電電鍍塗覆技術來塗覆。
  7. 如請求項1之方法，其中該塗層係藉由熱噴塗(thermal spray)製程來塗覆。
  8. 如請求項7之方法，其中該熱噴塗製程係物理氣相沉積。
  9. 如請求項1之方法，其中該塗層係藉由電鍍塗覆技術來塗覆，且其中該裂變、含鈾陶瓷材料係導電性的。
  10. 如請求項7之方法，其中該熱噴塗製程係電漿弧噴塗。
  11. 如請求項10之方法，其中該塗層之厚度係1微米至200微米。
  12. 如請求項7之方法，其中該熱噴塗製程係冷噴(cold spray)製程。
  13. 如請求項7之方法，其中該熱噴塗製程係熱噴(hot spray)製程。
  14. 如請求項1之方法，其進一步包括將一層可燃吸收劑塗覆於該抗水性層上方。
  15. 如請求項14之方法，其中該等可燃吸收劑係選自由ZrB2、B2O3-SiO2玻璃、及其組合所組成之群。
  16. 一種用於核反應器中之燃料，其包含：經塗覆抗水性層之裂變、含鈾陶瓷材料，其中該塗層係藉由原子層沉積、熱噴塗技術、化學氣相沉積、無電電鍍、電鍍或其組合而黏著至該裂變、含鈾陶瓷材料之表面。
  17. 如請求項16之燃料，其中該抗水性層係選自由以下組成之群：ZrSiO4、FeCrAl、Cr、Zr、Al-Cr、CrAl、ZrO2、CeO2、TiO2、SiO2、UO2、ZrB2、Na2O-B2O3-SiO2-Al2O3玻璃、Al2O3、Cr2O3、碳、SiC、及其組合。
  18. 如請求項16之燃料，其中該裂變、含鈾陶瓷材料包含U3Si2、U3Si5、U3Si、UN、U15N、UC、UB2、UB4、UP、US2、UO2、 UCO、或其組合。
  19. 如請求項16之燃料，其中該裂變、含鈾陶瓷材料包含矽化鈾、氮化鈾、碳化鈾、硼化鈾、磷化鈾、硫化鈾、氧化鈾、或其組合。
  20. 如請求項16之燃料，其進一步包括位於該抗水性層上方用於控制核反應器操作中之核心反應性的整體燃料可燃吸收劑層。
  21. 如請求項20之燃料，其中該吸收劑層係選自由ZrB2、B2O3-SiO2玻璃、及其組合所組成之群。
TW110137314A 2020-10-07 2021-10-07 具有增強之抗水及蒸汽氧化性的經塗覆燃料丸與改良裂變燃料之抗水性的方法 TWI814102B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/065,374 US11488730B2 (en) 2017-03-17 2020-10-07 Coated fuel pellets with enhanced water and steam oxidation resistance
US17/065,374 2020-10-07

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202217851A TW202217851A (zh) 2022-05-01
TWI814102B true TWI814102B (zh) 2023-09-01

Family

ID=79287920

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW110137314A TWI814102B (zh) 2020-10-07 2021-10-07 具有增強之抗水及蒸汽氧化性的經塗覆燃料丸與改良裂變燃料之抗水性的方法

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP4226393A1 (zh)
JP (1) JP2023545059A (zh)
KR (1) KR20230079094A (zh)
CA (1) CA3195120A1 (zh)
TW (1) TWI814102B (zh)
WO (1) WO2022077014A1 (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070064861A1 (en) * 2005-08-22 2007-03-22 Battelle Energy Alliance, Llc High-density, solid solution nuclear fuel and fuel block utilizing same
US9406410B2 (en) * 2009-12-04 2016-08-02 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Nuclear fuel rod and method of manufacturing pellets for such a rod
CN105139898B (zh) * 2015-06-30 2017-08-25 清华大学 一种包覆燃料颗粒及其制备方法
CN108335760A (zh) * 2018-02-01 2018-07-27 中国工程物理研究院材料研究所 一种高铀装载量弥散燃料芯块的制备方法
US20180268946A1 (en) * 2017-03-17 2018-09-20 Westinghouse Electric Company, Llc COATED U3Si2 PELLETS WITH ENHANCED WATER AND STEAM OXIDATION RESISTANCE

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4338215A (en) * 1979-09-24 1982-07-06 Kennecott Corporation Conversion of radioactive wastes to stable form for disposal
US4751041A (en) 1986-01-15 1988-06-14 Westinghouse Electric Corp. Burnable neutron absorber element
US9620248B2 (en) * 2011-08-04 2017-04-11 Ultra Safe Nuclear, Inc. Dispersion ceramic micro-encapsulated (DCM) nuclear fuel and related methods
KR20200089680A (ko) * 2017-10-31 2020-07-27 웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨 열중성자로용 고온 핵연료 시스템

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070064861A1 (en) * 2005-08-22 2007-03-22 Battelle Energy Alliance, Llc High-density, solid solution nuclear fuel and fuel block utilizing same
US9406410B2 (en) * 2009-12-04 2016-08-02 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Nuclear fuel rod and method of manufacturing pellets for such a rod
CN105139898B (zh) * 2015-06-30 2017-08-25 清华大学 一种包覆燃料颗粒及其制备方法
US20180268946A1 (en) * 2017-03-17 2018-09-20 Westinghouse Electric Company, Llc COATED U3Si2 PELLETS WITH ENHANCED WATER AND STEAM OXIDATION RESISTANCE
CN108335760A (zh) * 2018-02-01 2018-07-27 中国工程物理研究院材料研究所 一种高铀装载量弥散燃料芯块的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW202217851A (zh) 2022-05-01
WO2022077014A1 (en) 2022-04-14
CA3195120A1 (en) 2022-04-14
JP2023545059A (ja) 2023-10-26
KR20230079094A (ko) 2023-06-05
EP4226393A1 (en) 2023-08-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kashkarov et al. Oxidation kinetics of Cr-coated zirconium alloy: Effect of coating thickness and microstructure
Yang et al. High temperature Cr-Zr interaction of two types of Cr-coated Zr alloys in inert gas environment
US11488730B2 (en) Coated fuel pellets with enhanced water and steam oxidation resistance
JP2022177239A (ja) 水と蒸気による酸化への高い耐性を有する被膜を施されたＵ３Ｓｉ２ペレット
EP3884503B1 (en) Coatings and surface modifications to mitigate sic cladding during operation in light water reactors
EP3390681A1 (en) Cladding for a fuel rod for a light water reactor
Wang et al. Oxidation behavior and kinetics of magnetron-sputtered Cr-coated Zr alloy cladding in 1000–1300℃ steam environment
US20060188056A1 (en) Method for forming coatings on structural components with corrosion-mitigating materials
TWI814102B (zh) 具有增強之抗水及蒸汽氧化性的經塗覆燃料丸與改良裂變燃料之抗水性的方法
Tang et al. Metallic and ceramic coatings for enhanced accident tolerant fuel cladding
KR20240014490A (ko) 지르코늄 합금 핵연료 클래딩 상에 캐소드 아크 적용된 무작위 그레인 구조 코팅
CN112853287B (zh) 一种具有长时间耐高温水蒸汽氧化的防护涂层及其制备方法
Langley et al. First-wall coatings for Tokamak fusion reactors
CN115679263B (zh) 一种核反应堆用耐蚀涂层、包壳材料及其制备方法
Neall et al. Application of Selective Area Laser Deposition to the Manufacture of SiC‐SiC Composite Nuclear Fuel Cladding
Yeom et al. Multi-Functional Zirconium-Silicide Coatings on Zirconium-alloy for Improved Accident Tolerance
Whitley et al. Thermal fatigue of a TiB/sub 2/-coated, long-pulse, high-heat-flux component
JPS62150194A (ja) 制御素子
JP2018017664A (ja) 原子炉圧力容器、原子炉および原子炉圧力容器の製造方法
YAO Development of Insulating Coating on Vanadium Alloys for Liquid Lithium Blanket of Fusion Reactors
姚振宇 et al. Development of insulating coating on vanadium alloys for liquid lithium blanket of fusion reactors
Moore et al. STUDIES OF THE PARTICLE-IMPACT PROCESS FOR APPLYING CERAMIC AND CERMET COATINGS. Funal Summary Report