用于燃料元件的钢钒合金包层制造技术

本公开描述了用作将核材料与外部环境分离的壁元件的双金属和三金属包层的各种配置和部件。包层材料适合用作核燃料元件的包层，特别是暴露于钠或其他冷却剂或易于与核燃料反应的环境中的燃料元件。

Steel Vanadium Alloy Cladding for Fuel Elements

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于燃料元件的钢钒合金包层本申请于2017年6月14日作为PCT国际申请提交，并要求于2017年2月13日提交的、题为“STEEL-VANADIUMALLOYCLADDINGFORFUELELEMENT”的美国临时专利申请第62/458，377号的优先权。介绍当用于核反应堆时，核燃料通常带有包层。包层可以被提供用于容纳燃料和/或用于防止燃料与外部环境相互作用。例如，一些核燃料可与冷却剂或其他材料发生化学反应，否则在没有包层充当分离器的情况下，冷却剂或其他材料可能与核燃料接触。包层可以是或者可以不是结构化元件。例如，在一些情形中，核燃料是固体结构化元件，例如，金属铀或二氧化铀的固体棒，并且包层基本上是施加到固体燃料表面的涂层。在其他情形中，核燃料可以是液体形式、粉末形式或聚合形式，例如，小球或颗粒，这可能需要封装在结构化包层中。在任何情形中，包层可以采取将燃料放在其中的管、盒或器皿的形式。燃料和包层的组合通常被称为“燃料元件”、“燃料棒”或“燃料细棒(pin)”。金属燃料系统中的燃料包层化学相互作用(FCCI)是指燃料元件由于燃料和包层成分之间的化学反应而退化。化学相互作用至少部分归因于物种(species)从包层到燃料的多成分相互扩散，反之亦然。具体来说，扩散耦合和辐照实验都证明包层成分(铁和镍)迁移到燃料中，而裂变产物(主要是镧系元素，如铈、钕和镨)向外扩散到包层中。FCCI引起两个主要问题：脆性金属间化合物的形成导致包层机械性质的降低，包层的损耗/变薄，以及在燃料和包层界面内形成相对低熔点的组合物。这些问题最终会影响燃料系统的性能极限，其中峰值内包层温度(PICT)受到铀铁共晶的低熔点(725℃)的影响，铀铁共晶在33at％Fe处形成。此外，在EBR-II中辐照的棒的燃料推进区域很少发生包层破裂显示了破裂位置附近的广泛的FCCI(到包层中最大穿透深度高达170μm)，这表明FCCI是这些破裂的主要原因。虽然钠结合的金属燃料细棒已经用可控量的FCCI辐射到高达20at％的峰值燃耗，但是这些辐照通常是在两到四年的时间段内进行的。除了对于行波反应堆(TWR)应用所需的更高峰值燃耗(30at％)之外，温度下延长的使用时间极大地恶化了因FCCI引起的退化问题。附图简述构成本申请的一部分的以下附图示出了所描述的技术，并且不旨在以任何方式限制如所要求保护的本专利技术的范围，该范围应基于本文件中所附的权利要求。图1示出了包层或壁元件的线性截面的剖视图，显示了具有结构化外层的包层的双层构造。图2示出了图1的包层的管状实施例。图3示出了与核材料接触的图1的壁元件。图4示出了图2的包层的管状实施例，其中核材料包含在管状包层内。图5示出了包层或壁元件的线性截面的剖视图，显示了具有结构化内部钒合金层的包层的双层构造。图6示出了图5的包层的管状实施例。图7示出了与核材料接触的图5的壁元件。图8示出了图6的包层的管状实施例，其中核材料包含在管状包层内。图9示出了具有三层构造的另一实施例包层或壁元件的线性截面的剖视图。图10示出了图9的包层的管状实施例。图11示出了与核材料接触的图9的壁元件。图12示出了图10的包层的管状实施例，其在管的中空中心中包含核材料。图13示出了制造两层或三层壁元件的方法，该壁元件用于将核材料与外部环境(如以上描述的环境)分离。图14a和图14b示出了核燃料组件和燃料元件的细节。图15A和图15B是三金属包层的显微照片，该包层具有Ni的中间层，该Ni的中间层在一侧电镀到掺杂碳的钒的第一层，在另一侧电镀到第二层HT9钢。图15C显示了图15A和图15B的三金属包层的化学组成图。详细描述本公开描述了用作将核材料与外部环境分离的壁元件的双金属和三金属包层的各种配置和部件。包层材料适合用作用于核燃料元件的包层，特别是暴露于钠或其他冷却剂或易于与核燃料反应的环境中的燃料元件。双层钢钒合金包层具有碳掺杂钒内衬的结构化钢层图1示出了包层或壁元件的线性截面的剖视图，显示了包层的两层构造。包层100可以是将核燃料与反应性外部环境分离的任何结构化部件的一部分。例如，包层100可以是包含核燃料的管、器皿或任何其他形状的储存容器的壁的一部分。在替代实施例中，包层可以是由某种沉积或包层技术产生的固体核燃料的表面上的所得层，而不是容器壁的一部分。这些技术(举几个例子，如电镀、热喷涂、化学气相沉积、溅射、离子注入、离子镀、溅射沉积、激光表面合金化、热浸镀和退火等等)在本领域中是众所周知的，并且根据期望的端包层属性，可以使用任何合适的技术。不管使用什么制造技术，图1所示的包层100由两层材料102、104组成：第一层102和作为包层的结构化元件的第二结构化层104。第一层102从结构化层104分离燃料或储存区域，如果燃料还没有被提供，该燃料将被放置在储存区域。第一层102用作保护结化构层104不与燃料接触的内衬。第二层104在第一层102和外部环境之间。因此，第一层102是具有暴露于燃料的一个表面和暴露于第二层104的另一个表面的一层材料，而第二层104具有面向第一层的表面和暴露于外部环境的表面。图1所示的包层100具有材料的第一层102，其被选择为减少FCCI对第一层102和储存的燃料的性质的影响，并且也被选择为降低第二层104和第一层102之间有害化学相互作用的影响。在实施例中，第一层102是碳掺杂钒，第二层是钢。为了减少钢和碳掺杂钒层之间的相互作用，在实施例中，碳掺杂钒掺杂至少0.001wt.％的(10ppm)碳。这将减少钢中观察到的脱碳量，并减少钢在用作燃料元件时的退化。在实施例中，碳掺杂钒是钒碳合金，包括至少99.0wt.％的V；0.001-0.5wt.％的C，其余为其它元素，其中碳掺杂钒包括不大于0.1wt.％的任何一种其它元素，并且其中其它元素的总量不超过0.5wt.％。在更纯的实施例中，其它元素的总量(即，非V或C的组合物的总量)不超过合金的0.05、0.025或0.01wt.％。例如，在一个具体实施例中，碳的范围为0.1至0.3wt.％的C，其他组合元素(不是V或C的所有元素)的总量小于0.5wt.％，并且其余(balance)是V。在另一个具体实施例中，例如，碳的范围为0.1至0.3wt.％的C，其他组合元素(不是V或C的所有元素)的总量小于0.1wt.％，并且其余为V。钢层104可以是任何合适的钢。合适的钢的示例包括马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、FeCrAl合金、氧化物弥散强化钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢和304钢。钢可以具有任何类型的微观结构。例如，在实施例中，层104中基本上所有的钢具有选自回火马氏体相、铁素体相和奥氏体相的至少一种相。在实施例中，钢是HT9钢或HT9钢的改性版本。在一个实施例中，改性的HT9钢是9.0-12.0wt.％的Cr；0.001-2.5wt.％的W；0.001-2.0wt.％的Mo；0.001-0.5wt.％的Si；高达0.5wt.％的Ti；高达0.5wt.％的Zr；高达0.5wt.％的V；高达0.5wt.％的Nb；高达0.3wt.％的Ta；高达0.1wt.％的N；高达0.3wt.％的C；和高达0.01wt.％的B；其余为Fe和其它元素，其中钢包括不大于0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种壁元件，由以下项组成：由钢制成的第一层；第二层，其具有至少90％的钒；以及第三层，其在所述第一层和所述第二层之间，具有镍、镍合金、铬、铬合金、锆或锆合金。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.13 US 62/458,3771.一种壁元件，由以下项组成：由钢制成的第一层；第二层，其具有至少90％的钒；以及第三层，其在所述第一层和所述第二层之间，具有镍、镍合金、铬、铬合金、锆或锆合金。2.根据权利要求1所述的壁元件，其中，所述第二层的厚度是所述第一层的厚度的0.1％至50％，所述第三层的厚度是所述第一层的厚度的0.1％至50％。3.根据权利要求1所述的壁元件，其中，所述第二层的厚度是所述第一层的厚度的1％至5％，所述第三层的厚度是所述第一层的厚度的1％至5％。4.根据权利要求1-3所述的壁元件，其中，所述第二层选自钒合金V-20Ti、V-10Cr-5Ti、V-15Cr-5Ti、V-4Cr-4Ti、V-4Cr-4TiNIFSHeats1&2、V-4Cr-4TiUSHeats832665&8923864和V-4Cr-4TiHeatCEA-J57。5.根据权利要求4所述的壁元件，其中，所述第二层是V-4Cr-4Ti。6.根据权利要求4所述的壁元件，其中，所述第二层由以下项组成：3.0-5.0wt.％的Cr；3.0-5.0wt.％的Ti；以及不超过0.02wt.％的C；其余为V和其它元素，其中所述钒合金包括不大于0.1wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.5wt.％。7.根据权利要求5所述的壁元件，其中，所述第二层由以下项组成：3.5-4.5wt.％的Cr；3.5-4.5wt.％的Ti；0.04-0.1wt.％的Si；高达0.02wt.％的O；高达0.02wt.％的N；高达0.02wt.％的C；高达0.02wt.％的Al；高达0.02wt.％的Fe；高达0.001wt.％的Cu；高达0.001wt.％的Mo；高达0.001wt.％的Nb；高达0.001wt.％的P；高达0.001wt.％的S；以及不超过0.0002wt.％的Cl；其余为V和其它元素，其中所述钒合金包括不大于0.001wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.01wt.％。8.根据权利要求1-4所述的壁元件，其中，所述第二层由以下项组成：0.001-0.5wt.％的C；其余为V和其它元素，其中所述第二层包括不大于0.1wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.5wt.％。9.根据权利要求8所述的壁元件，其中，所述第二层除了V之外还包括0.1至0.3wt.％的C。10.根据权利要求1-9中任一项所述的壁元件，其中，所述第一层的钢选自回火马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、氧化物弥散强化钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢和304钢。11.根据权利要求1-10中任一项所述的壁元件，其中，所述第一层的钢由以下项组成：9.0-12.0wt.％的Cr；0.001-2.5wt.％的W；0.001-2.0wt.％的Mo；0.001-0.5wt.％的Si；高达0.5wt.％的Ti；高达0.5wt.％的Zr；高达0.5wt.％的V；高达0.5wt.％的Nb；高达0.3wt.％的Ta；高达0.1wt.％的N；高达0.3wt.％的C；高达0.01wt.％的B；其余为Fe和其它元素，其中所述钢包括不大于0.15wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.35wt.％。12.根据权利要求1-11中任一项所述的壁元件，其中，所述钢包括Ti、Zr、V、Nb、Ta或B的碳化物沉淀物、Ti、Zr、V、Nb或Ta的氮化物沉淀物、和/或Ti、Zr、V、Nb或Ta的碳氮化物沉淀物中的一种或更多种。13.根据权利要求5-7中任一项所述的壁元件，其中，所述钒合金包括Cr、Ti和/或其它元素的一种或更多种碳化物沉淀物。14.根据权利要求1-13中任一项所述的壁元件，其中，所述第一层是所述壁元件总厚度的至少99％，并且其中所述第三层和第二层中的每一层是所述第一层的厚度的0.0001％至0.5％。15.根据权利要求1-14中任一项所述的壁元件，其中，所述壁元件是具有内部表面和外部表面的管的形式，所述第一层形成所述管的所述内部表面，所述第二层形成所述管的所述外部表面。16.根据权利要求1-15中任一项所述的壁元件，其中，所述第三层由以下项组成：至少99.9wt.％的Ni；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于0.05wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.1wt.％。17.根据权利要求1-15中任一项所述的壁元件，其中，所述第三层由以下项组成：至少90.0wt.％的Ni；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于1.0wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过5.0wt.％。18.根据权利要求1-15中任一项所述的壁元件，其中，所述第三层由以下项组成：至少99.9wt.％的Cr；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于0.05wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.1wt.％。19.根据权利要求1-15中任一项所述的壁元件，其中，所述第三层由以下项组成：至少90.0wt.％的Cr；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于1.0wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过5.0wt.％。20.根据权利要求1-15中任一项所述的壁元件，其中，所述第三层由以下项组成：至少99.9wt.％的Zr；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于0.05wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.1wt.％。21.根据权利要求1-15中任一项所述的壁元件，其中，所述第三层由以下项组成：至少90.0wt.％的Zr；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于1.0wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过5.0wt.％。22.一种至少部分地由权利要求1-21中任一项所述的壁元件制成的容器。23.一种用于保持核燃料的容器，包括：至少一个壁元件，其将燃料储存体积与外部环境分离；所述壁元件具有通过第三层与第二层分离的第一层，所述第二层具有至少90％的钒，所述第一层由钢制成，所述第三层在所述第一层和所述第二层之间；所述壁的第一层接触外部环境，并且所述第二层接触所述燃料储存体积；以及其中，所述第三层由镍、镍合金、铬、铬合金、锆或锆合金组成。24.根据权利要求23所述的容器，其中，所述容器具有由一个或更多个连续连接的壁元件限定的形状，以形成器皿。25.根据权利要求23所述的容器，其中，所述容器被成形为圆柱形管，至少一个壁元件形成所述管的圆柱形壁，并且所述燃料储存区域是所述管的内部。26.根据权利要求23-25中任一项所述的容器，其中，所述容器包括底壁和一个或更多个侧壁，并且至少一个壁元件形成所述容器的底壁或侧壁。27.一种物品，包括：一定量的核材料；壁元件，其被设置在所述核燃料的外部并将所述核材料中的至少一些与外部环境分离，所述壁元件由以下项组成：由钢制成的第一层，其与外部环境接触；以及具有至少90％的钒的第二层，其与所述核材料接触；以及在所述第一层和所述第二层之间的第三层，镍的第一层抑制碳从所述钢转移到所述钒合金中；其中，所述第三层由镍、镍合金、铬、铬合金、锆或锆合金组成。28.根据权利要求27所述的物品，其中，所述核材料包括U、Th、Am、Np和Pu中的至少一种。29.根据权利要求27或28所述的物品，其中，所述核材料包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf的至少一种耐火材料。30.根据权利要求27-29中任一项所述的物品，其中，所述第一层包括钢，基本上所有钢都具有选自回火马氏体相、铁素体相和奥氏体相的至少一种相。31.根据权利要求27-30中任一项所述的物品，其中，所述包层包括选自马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、氧化物弥散钢、T91钢、T92钢、HT9钢、346钢和304钢的至少一种钢。32.根据权利要求27-31中任一项所述的物品，其中，所述核燃料和所述壁元件机械地结合。33.根据权利要求27-32中任一项所述的物品，其中，所述外部环境包括熔融钠，并且所述由钢制成的第一层防止钠与所述第二层中的钒的接触。34.根据权利要求27-33中任一项所述的物品，其中，所述第一层和所述第二层机械地结合到所述第三层的相对侧。35.根据权利要求27-34中任一项所述的物品，其中，所述核材料包括至少90wt.％的U。36.根据权利要求27-35中任一项所述的物品，其中，所述核材料是核燃料，并且所述物品是核燃料元件。37.根据权利要求27-36中任一项所述的物品，其中，所述第三层由以下项组成：至少99.9wt.％的Ni；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于0.05wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.1wt.％。38.根据权利要求27-36中任一项所述的物品，其中，所述第三层由以下项组成：至少90.0wt.％的Ni；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于5.0wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过10.0wt.％。39.根据权利要求27-36中任一项所述的物品，其中，所述第三层由以下项组成：至少99.9wt.％的Cr；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于0.05wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.1wt.％。40.根据权利要求27-36中任一项所述的物品，其中，所述第三层由以下项组成：至少90.0wt.％的Cr；其余为其它元素，其中所述材料包括不大于5.0wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过10.0wt.％。41.根据权利要求27-36中任一项所述的物品，其中，所述第二层由以下项组成：0.001-0.5wt.％的C；其余为V和其它元素，其中所述第二层包括不大于0.1wt.％的这些其它元素中的每一种，并且其中这些其它元素的总量不超过0.5wt.％。42.一种壁元件，由以下项组成：由钢制成的第一层；在所述第一层上的第二层，其具有掺杂有至少0.001wt.％的碳的钒，所述第二层除了V和C之外具有不超过...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈卡·J·哈克特，格雷格·A·维特里克，徐成，
申请(专利权)人：泰拉能源公司，
类型：发明
国别省市：美国,US