具有中间抗氧化层的陶瓷增强的锆合金核燃料包壳制造技术

本发明专利技术涉及用于涂覆用于在核水反应堆中的燃料棒的锆合金例如含有陶瓷的包壳管的组合物和方法。该涂层包括中间抗氧化层和至少部分地沉积中间抗氧化层上的含SiC的层。含有SiC的层可包括多个纤维。本发明专利技术对于锆合金包壳提供了承受其在核水反应堆中所暴露的正常和事故条件下的改进能力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】政府的支持和资助本专利技术是在能源部授予的款项(grant)#DE-NE0000566的政府支持下完成的。政府对本专利技术具有一定的权利。
技术介绍
本专利技术涉及一种制造在核水反应堆中使用的锆合金包壳的方法，该包壳具有在其上形成的含有陶瓷的涂层，该涂层包括抗氧化层，和特别是涉及锆合金包壳承受其在核水反应堆中所暴露的正常和事故条件下的改进的能力。相关现有技术说明在典型的核水反应堆例如加压水反应堆(PWR)、重水反应堆(例如CANDU)或沸水反应堆(BWR)中，反应堆堆芯包括大量的燃料组件，其每个都由多个细长的燃料元件或燃料棒组成。燃料组件在尺寸和设计方面取决于芯的所需尺寸和反应堆的尺寸而变化。燃料棒各含有核燃料裂变材料，例如二氧化铀(UO2)，二氧化钚(PuO2)，二氧化钍(ThO2)，氮化铀(UN)以及硅化铀(U3Si2)及其混合物中的至少一种。燃料棒的至少一部分还可以包括中子吸收材料，例如硼或硼化合物，钆或钆化合物，铒或铒化合物等。中子吸收材料可以存在于核燃料芯块的堆垛体形式的芯块之上或之中。也可以使用环形或颗粒形式的燃料。每个燃料棒具有作为安全壳以容纳裂变材料的包壳。燃料棒以阵列形式集合在一起，其组织起来从而在芯中提供足以支持高的核裂变速率的种子通量，因而以热的形式释放大量的能量。将冷却剂例如水泵送通过反应堆芯从而提取在反应堆芯中产生的热量，用于产生有用功，如电力。燃料棒上的包壳可以由锆(Zr)组成，并且可以包括多达2重量％的其它金属，例如铌(Nb)、锡(Sn)、铁(Fe)和铬(Cr)。在现有技术中的最近发展已经提供了由含有陶瓷的材料例如碳化硅(SiC)构成的燃料棒包壳。已经表明，SiC显示出在超设计基准事故(例如大于1200℃的温度)中所希望的性能，因此，可以考虑用于核燃料棒包壳的适当材料构建。然而，在由处置或事故或自然现象(如地震)诱发的弯曲过程中，维持裂变气体的不可透过性是困难的，这是由于陶瓷材料整体上天然无弹性。以高通量，经济的方式紧固SiC管上的端塞得到在超过1200℃的温度下的气密密封也是困难的。已尝试使用由包裹有SiC纤维的Zr合金组成的内套筒，但失败了，这是由于在化学气相渗透(CVI)期间在将SiC沉积在SiC纤维之内和之上以将它们保持在一起时所遇到的过度腐蚀。因此，仍然存在与核燃料棒包壳相关的问题，包括在与核水反应堆芯相关联的温度下，例如约800至约1200℃下的Zr管的腐蚀，和在CVI过程中遇到的化学条件，例如含有H2，Cl2和HCl的气体。还已经尝试分别制备碳化硅缠绕体，使其受到CVI，然后将其固定在Zr管上方。不过，这种方法也有问题。例如，Zr管和SiC复合物基体之间的空间形成了包壳层内的附加传热屏障，这可在核燃料遇到的非常高的线性热产生率(通常大于5kw/ft)下导致燃料中心线熔化。因为管的端部未被覆盖，所以有Zr管从SiC复合物套筒滑动的可能(potential)，并提供高温蒸汽和其他气体渗到SiC复合物下方并侵蚀Zr合金管的路径。每个燃料棒/包壳具有定位在每端的塞子或盖。此外，在燃料棒/包壳中提供压紧(hold down)装置如金属弹簧从而保持核燃料芯块的堆垛体结构。图1示出了现有技术的设计，它示出了燃料芯块10的堆垛体、锆基包壳12、弹簧压紧装置14和端塞16。端塞之一，即位于最靠近压紧装置14的端塞，通常称为顶端塞。有必要密封包壳的端塞从而将包含在其中的燃料与反应堆堆芯环境隔离。存在已知的密封技术，其采用各种材料，例如Ti基或Al-Si基的组合物以及钎焊和其它常规方法以密封SiC包壳和端塞。本专利技术的一个目的是提供用于使用中间涂覆层制造SiC增强的Zr合金核燃料包壳的方法，该中间涂覆层含有氧化和抗腐蚀材料，例如但不限于Al2O3，Cr2O3和它们的混合物，以便在CVI过程中防护下方的锆管免于氧化或腐蚀。为了使燃料保持其几何形状和抵抗通过熔化从堆芯损失燃料，需要在由锆合金组成的核燃料包壳的外表面的至少一部分上形成能够承受高温的覆盖物或涂层。
技术实现思路
在一个方面，本专利技术提供了一种涂覆用于核水反应堆的含陶瓷的核燃料棒包壳的方法。该包壳包括具有内表面和外表面的管状壁，所述管状壁在其中形成空腔，并具有第一开放端和第二开放端。该方法进一步包括：提供第一端塞，将第一端塞插入和密封到包壳的第一开放端，用核燃料和压紧装置填充燃料棒包壳，将该第二端插入和密封到包壳的第二开放端，对空腔加压，提供包括抗氧化材料的第一组合物，提供包括碳化硅的第二组合物，将第一组合物施加到包壳的外表面的至少一部分以形成第一外涂层，和将第二组合物施加到第一外涂层的至少一部分以形成第二外涂层。第二外涂层包括沉积SiC增强的纤维，其具有在至少一部分SiC增强的纤维之间形成的空隙；和沉积SiC材料以至少部分填充在至少一部分SiC增强的纤维之间形成的空隙。第二外涂层基本上包封包壳的外表面。在某些实施方案中，该方法进一步包括在包壳的内表面上施加第一组合物以在其上形成第一内涂层。可以通过原子层沉积来进行第一内涂层和第一外涂层的施加。第一内涂层和第一外涂层可以具有从10纳米至10微米的厚度。端塞可定位在包壳的第一端和第二端的每一个中。当第一端塞和第二端塞都不或其一定位在所述包壳的第一开放端或第二开放端内时，可发生第一内涂层的沉积。可通过缠绕或编织进行SiC增强的纤维在第二外涂层中的沉积。第二外涂层可以具有从10密耳至40密耳的厚度。在某些实施方案中，第二外涂层具有约3.22g/cm3的密度。第一组合物可以包括Al2O3、Cr2O3和它们的混合物。在某些实施方案中，第二外涂层的沉积包括涂覆定位在包壳的第一和第二端中的第一和第二端塞的每个的暴露表面。在另一个方面，本专利技术提供用于涂覆用于核水反应堆中的含有陶瓷的核燃料棒包壳的复合物。复合物包括含有陶瓷的包壳。该包壳包括具有内表面和外表面的管状壁，由所述管状壁形成的空腔，该空腔具有设置在其中的核燃料，第一开放端，和第二开放端，第一端塞和第二端塞，用第一端塞密封第一开放端和用第二端塞密封第二开放端。在某些实施方案中，第一和第二端塞的每个都是金属塞子。将第一组合物沉积在包壳的至少外表面的至少一部分上以形成第一外涂层。第一组合物包括抗氧化材料。将第二组合物沉积在第一外涂层的至少一部分上以形成第二外涂层。第二涂层组合物包括沉积在第一外涂层的至少一部分上的多个SiC增强的纤维以形成纤维层。纤维具有形成在其间的空隙。此外，第二涂层组合物包括至少部分地施加到纤维层以至少部分地填充所述空隙的SiC材料。附图的简要说明当结合附图阅读时，可以从优选实施方案的以下描述得到本专利技术的进一步理解，其中：图1是含有燃料芯块、压紧弹簧和端盖的现有技术的锆合金燃料棒的放大纵向剖视图；图2是根据本专利技术的某些实施方案具有沉积在内表面上的第一涂层的燃料棒包壳基材的横截面图；图3是根据本专利技术的某些实施方案具有沉积在外表面上的第一涂层和第二涂层的燃料棒包壳基材的横截面图；图4是根据本专利技术的某些实施方案的在图3所示的第二涂层的横截面详视图。图5是根据本专利技术的某些实施方案的在内和外表面上都具有第一涂层和在外表面上具有第二涂层的基材的横截面图。具体实施方式本专利技术整体上涉及燃料棒包壳，将组合物沉积在包壳的外表面上以在其上形成涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
涂覆用于核水反应堆的含有陶瓷的核燃料棒包壳(22)的方法，包括：提供包壳(22)，其包括：具有内表面(23)和外表面(25)的管状壁(21)；由管状壁(21)形成的空腔(27)；第一开放端(31a)；和第二开放端(31b)；提供第一端塞(26a)和第二端塞(26b)；将第一端塞(26a)插入到包壳(22)的第一开放端(31a)；密封第一端塞(26a)；用核燃料(20)和压紧装置(24)填充燃料棒包壳(22)；将第二端塞(26b)插入包壳(22)的第二开放端(31b)；密封第二端塞(26b)；对空腔(27)加压；提供包含抗氧化材料的第一组合物；提供包含碳化硅的第二组合物；将第一组合物施加到包壳(22)的外表面(25)的至少一部分以形成第一外涂层(33)；和将第二组合物施加到第一外涂层(33)的至少一部分以形成第二外涂层(51)，其包括：沉积SiC增强的纤维(62)，该SiC增强的纤维具有在SiC增强纤维(62)的至少一部分之间形成的空隙(64)；和沉积SiC材料(66)以至少部分地填充在SiC增强的纤维(62)的至少一部分之间形成的空隙(64)；其中第二外涂层(51)基本包封包壳(22)的外表面。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.12 US 14/205,9671.涂覆用于核水反应堆的含有陶瓷的核燃料棒包壳(22)的方法，包括：提供包壳(22)，其包括：具有内表面(23)和外表面(25)的管状壁(21)；由管状壁(21)形成的空腔(27)；第一开放端(31a)；和第二开放端(31b)；提供第一端塞(26a)和第二端塞(26b)；将第一端塞(26a)插入到包壳(22)的第一开放端(31a)；密封第一端塞(26a)；用核燃料(20)和压紧装置(24)填充燃料棒包壳(22)；将第二端塞(26b)插入包壳(22)的第二开放端(31b)；密封第二端塞(26b)；对空腔(27)加压；提供包含抗氧化材料的第一组合物；提供包含碳化硅的第二组合物；将第一组合物施加到包壳(22)的外表面(25)的至少一部分以形成第一外涂层(33)；和将第二组合物施加到第一外涂层(33)的至少一部分以形成第二外涂层(51)，其包括：沉积SiC增强的纤维(62)，该SiC增强的纤维具有在SiC增强纤维(62)的至少一部分之间形成的空隙(64)；和沉积SiC材料(66)以至少部分地填充在SiC增强的纤维(62)的至少一部分之间形成的空隙(64)；其中第二外涂层(51)基本包封包壳(22)的外表面。2.根据权利要求1的方法，还包括将第一组合物施加到包壳的内表面(23)上以在其上形成第一内涂层(29)。3.根据权利要求2的方法，其中通过原子层沉积进行第一内涂层(29)的施加和第一外涂层(33)的施加。4.根据权利要求2的方法，其中第一内涂层(29)和第一外涂层(33)具有10纳米至10微米的厚度。5.根据权利要求2的方法，当第一端塞(26a)和第二端塞(26b)都没有定位于第一开放端(31a)和第二开放端(31b)中时，或者当第一端塞(26a)和第二端塞(26b)中的一个分别定位于包壳(22)的第一开放端(31a)和第二开放端(31b)中时，进行第一内涂层(29)的施加。6.根据权利要求1的方法，其中当第一和第...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·J·拉霍达，
申请(专利权)人：西屋电气有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US