Многослойная композитная система покрытия топлива с высокотемпературной герметичностью и устойчивостью к нештатным ситуациям
Изобретение относится к многослойному композитному покрытию топлива для использования в реакторе с водяным, жидкометаллическим или жидким солевым охладителем и касается многослойной композитной системы покрытия топлива с высокотемпературной герметичностью и устойчивостью к нештатным ситуациям. Многослойное покрытие включает в себя внутренний слой, промежуточный слой и внешний слой. Внутренний слой формирует структуру покрытия. Промежуточный слой включает в себя керамический композит или содержащий керамику композит, состоящий из взаимосвязанных тканых или плетеных волокон, например, жгутов волокна, обернутых вокруг внутреннего слоя для того, чтобы сформировать тканую структуру, и матричного материала. Внешний слой состоит из металла или металлического сплава, например в форме покрытия. Изобретение позволяет создать композит, который включает в себя более одного материала, каждый из которых проявляет различное выгодное для покрытия свойство, а именно высокотемпературную механическую прочность и стабильность, сопротивление разбуханию и коррозионную стойкость, обеспечивая одновременно защиту и герметичность по отношению к внешней среде. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 2 ил.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Настоящее изобретение относится к покрытию, состоящему из многослойного композита, для использования в высокотемпературной окружающей среде в качестве барьера для защиты содержимого этого покрытия, а также к способам создания таких композитов. Более конкретно настоящее изобретение относится к многослойному композитному покрытию топлива для использования в реакторе с водяным, жидкометаллическим или жидким солевым охладителем.
2. ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Энергетический реактор может включать в себя реакторное ядро, имеющее большое количество топливных сборок, каждая из которых состоит из множества удлиненных топливных элементов или топливных стержней. Топливные сборки варьируются в размере и конструктивном решении в зависимости от желаемого размера ядра и размера реактора. Каждый из топливных стержней содержит расщепляющееся топливо, такое как топливные таблетки, содержащие уран с некоторым количеством расщепляющегося U235 или U233 и/или плутония. Расщепление расщепляющихся компонентов вызывает выделение тепла. Охладитель, такой как вода, жидкая соль, газ или жидкий металл, например свинец, прокачивается через реакторное ядро для извлечения тепла, выделяемого в реакторном ядре, для производства полезной работы, такой как электричество.
[0003] Каждый из топливных стержней имеет покрытие, которое действует как защитная оболочка для удержания радиоактивного топлива и отделения топлива от охлаждающей среды. Кроме того, во время работы расщепление образует газообразные и летучие и нелетучие высокорадиоактивные продукты деления, которые также ограничиваются этим покрытием. В обычных системах металлического покрытия облучение с течением времени вызывает повреждения металла, выражающиеся в упрочнении, охрупчении и вспучивании материала.
[0004] Фиг. 1 иллюстрирует конструктивное решение покрытия топлива предшествующего уровня техники, которое состоит из стопки топливных таблеток 10, покрытия 12 на основе циркония, пружинного прижимного устройства 14, и концевых заглушек 16.
[0005] Последние разработки в данной области техники предлагают покрытие топливного стержня, состоящее из содержащего керамику материала, такого как карбид кремния (SiC). Было показано, что SiC обладает желаемыми свойствами в нештатных ситуациях, например, при температурах выше 1200°C в легководных реакторах и, поэтому может считаться подходящим конструкционным материалом для покрытий стержня ядерного топлива. Однако поддержание непроницаемости для газообразных продуктов деления во время изгиба при операциях загрузки/выгрузки, или при инцидентах или природных явлениях, таких как землетрясения, является трудным из-за естественной неэластичности керамических материалов в целом. Закрепление концевых заглушек на трубах из SiC с высокой производительностью и приемлемой экономичностью для герметичного уплотнения при температурах свыше 1200°C также является затруднительным.
[0006] В данной области техники существует стремление предложить материал покрытия, который обеспечивал бы высокотемпературную механическую прочность и стабильность, сопротивление разбуханию и коррозионную стойкость, обеспечивая одновременно защиту и герметичность по отношению к внешней среде. Пока еще не был найден единственный материал, который мог бы обеспечить все желаемые свойства для покрытия. Таким образом, задачей настоящего изобретения является предложить композит, который включает в себя более одного материала, каждый из которых проявляет различное выгодное для покрытия свойство.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0007] В одном аспекте настоящее изобретение предлагает содержащее керамику и металл многослойное покрытие, которое включает в себя внутренний слой, имеющий внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, состоящий из металла или металлического сплава; промежуточный слой, имеющий внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, сформированный на внешней поверхности внутреннего слоя и включающий в себя композит, который включает в себя взаимосвязанные керамические волокна и матрицу, выбираемую из керамической матрицы, металлической матрицы или их комбинаций, или взаимосвязанные керамические волокна; и внешний слой, осажденный на внешней поверхности промежуточного слоя, состоящий из металла или металлического сплава.
[0008] Этот композит может включать в себя тканые или плетеные волокна из карбида кремния и матрицу из карбида кремния, или тканые или плетеные волокна из глинозема и матрицу из глинозема.
[0009] Внешний слой может включать в себя формирующий глинозем металлический сплав с антиокислительным покрытием на нем. В некоторых вариантах осуществления внешний слой включает в себя сплав железо-алюминий-хром, опционально с добавлением иттрия.
[0010] В другом аспекте настоящее изобретение предлагает способ для формирования содержащего керамику и металл многослойного покрытия. Этот способ включает в себя формирование внутреннего слоя, имеющего внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, состоящего из металла или металлического сплава; нанесение промежуточного слоя, имеющего внутреннюю поверхность и внешнюю поверхность, на внешнюю поверхность внутреннего слоя, причем этот промежуточный слой включает в себя композит, который включает в себя взаимосвязанные керамические волокна и матрицу, выбираемую из керамической матрицы, металлической матрицы или их комбинаций, или взаимосвязанные керамические волокна; и осаждение внешнего слоя, состоящего из металла или металлического сплава, на внешнюю поверхность промежуточного слоя.
[0011] Нанесение промежуточного слоя может включать в себя получение керамических волокон в форме жгутов волокна; обертывание, наматывание или оплетание жгутами внутреннего слоя; формирование тканой структуры из керамического волокна, в которой формируются пустоты; и осаждение матрицы поверх тканой структуры из керамического волокна с использованием процесса, выбираемого из химического осаждения из паровой фазы, химической инфильтрация паров и инфильтрации золь-геля, для того, чтобы по меньшей мере частично заполнить эти пустоты.
[0012] В некоторых вариантах осуществления внешний слой формируется с помощью процесса, выбираемого из дугового, жидкофазного или холодного распыления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0013] Дальнейшее понимание настоящего изобретения может быть получено из следующего описания предпочтительных вариантов осуществления в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0014] Фиг. 1 представляет собой схематическую диаграмму, показывающую покрытие топлива в соответствии с предшествующим уровнем техники; и
[0015] Фиг. 2 представляет собой схематическую диаграмму, показывающую осевое поперечное сечение многослойного покрытия в соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
[0016] Настоящее изобретение в целом относится к многослойному материалу для формирования покрытия, к способам подготовки этого многослойного материала, а также к способам для подготовки покрытия, состоящего из этого многослойного материала. Многослойное покрытие включает в себя комбинацию керамических и металлических компонентов. Многослойный материал включает в себя внутренний слой, промежуточный слой и внешний слой. В большинстве случаев внутренний слой может состоять из металла или сплава для формирования герметичного барьера для продуктов деления, и может также оказывать некоторую механическую поддержку для остальной структуры покрытия; промежуточный слой может включать в себя керамический композит или содержащий керамику композит, состоящий из взаимосвязанных тканых или плетеных волокон, например, жгутов волокна, обернутых вокруг внутреннего слоя для того, чтобы сформировать тканую структуру, и матричного материала; а внешний слой может состоять из металла или металлического сплава, например в форме покрытия. В большинстве случаев многослойное покрытие является эффективным барьером для защиты содержимого внутри структуры покрытия от воздействия на него высокой температуры окружающей среды и механических напряжений. Например, покрытие может быть подходящим для использования в качестве топливного покрытия для содержания ядерного топлива в реакторной окружающей среде, в которой вода, жидкая соль или жидкий металлический охладитель циркулирует при очень высоких температурах, как например, но не ограничиваясь этим, в охлаждаемых свинцом реакторах на быстрых нейтронах. Топливное покрытие обладает способностью выдерживать нормальные и нештатные условия, связанные с упомянутыми реакторами. Для простоты описания настоящее изобретение описывается в настоящем документе в контексте топливного покрытия для содержания или удержания таблеток радиоактивного топлива, причем покрытие помещается в реакторном ядре и подвергается воздействию высокотемпературного охладителя, циркулирующего вокруг покрытия в ядре реактора. Однако следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается этим контекстом. Предполагается, что многослойное композитное покрытие по настоящему изобретению может быть применимо к нерадиоактивным, например неядерным приложениям, и может включать в себя любые высокотемпературные приложения тепло- или массообмена, в которых по меньшей мере одна текучая (жидкая или газовая) фаза требует отделения от другой твердой или текучей фазы (газа или жидкости) или смешанной фазовой системы (такой как твердотопливные таблетки с газообразными продуктами), например в приложениях высокотемпературной генерации и хранения энергии, включая, но не ограничиваясь этим, солнечную энергию (использующую высокотемпературную теплопередачу) и энерготехнологию на основе ископаемого топлива.
[0017] Покрытие топливного стержня обычно имеет форму удлиненной трубы, имеющей внутри полость и два противоположных открытых конца. Толщина стенки трубы может изменяться. В некоторых вариантах осуществления толщина стенки трубы составляет от приблизительно 100 до приблизительно 1000 мкм. Эта полость содержит топливные таблетки и обычно удерживающее устройство, такое как пружина, для поддержания конфигурации, например стопки, топливных таблеток. Механизм герметизации обычно располагается на или в каждом открытом конце покрытия для того, чтобы обеспечить уплотнение и предотвратить попадание охладителя, циркулирующего в ядре реактора, в полость покрытия топливного стержня. Как показано на Фиг. 1, покрытие топливного стержня располагается в ядре ядерного реактора.
[0018] Покрытие топливного стержня, как правило, предназначено главным образом для того, чтобы содержать таблетки расщепляющегося топлива, в которых расщепление вызывает образование тепла, и для отделения топливных таблеток и продуктов деления, образующихся при расщеплении, от охлаждающей среды. Покрытие обычно состоит из металлического материала (металла или металлических сплавов) или альтернативно из керамического материала. Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки. Например, металлическое покрытие обеспечивает хорошую герметичность, хорошую пластичность, регулируемую прочность и способные повторно формироваться слои защиты от коррозии. В отличие от этого, керамическое покрытие обеспечивает высокую жесткость, высокотемпературную прочность, а также высокотемпературную стойкость в окислительной и коррозионной окружающей среде. Покрытие топливного стержня в соответствии с настоящим изобретением предлагает систему многослойного материала, которая объединяет металл/металлический сплав и керамические материалы, так, чтобы свойства и преимущества, связанные с каждым из этих материалов, могли быть проявлены в покрытии.
[0019] В большинстве случаев покрытие топливного стержня, состоящее из системы многослойного материала, избегает проблем, связанных с обычными керамическими композитными системами, таких как трудность достижения герметичности при сохранении пластичности и высокотемпературной прочности. Без привязки к какой-либо конкретной теории считается, что этот конфликт свойств обуславливается потребностью в мелкомасштабном растрескивании композитной керамической матрицы, которое способствует (например, псевдопластичному) растяжению во время деформации керамического материала. В дополнение к этому, покрытие в соответствии с настоящим изобретением может обеспечить живучесть в нештатных ситуациях на основе уникального изготовления керамического композита. В результате покрытие топливного стержня по настоящему изобретению может обеспечить высокотемпературную эффективность и защиту от коррозии топлива в реакторе на тепловых или быстрых нейтронах. Охладитель является жидким или газообразным, и в частности может быть расплавленным металлом, таким как свинец.
[0020] Фиг. 2 показывает многослойное покрытие 21 в форме цилиндрической трубы. Предполагается, что форма покрытия не является ограничивающей, и может включать в себя большое разнообразие форм и конфигураций. Например, покрытие может иметь форму коробчатой структуры или другую закрытую форму, включая двумерные осесимметричные или коническим образом расширяющиеся структуры. Кроме того, эта структура может формироваться единообразной или изменчивой; то есть форма может иметь изменяющийся диаметр вдоль ее длины. Кроме того, предполагается, что цилиндрическая труба может использоваться в различных окружающих средах, таких как, но не ограничиваясь этим, реактор, в котором покрытие 21 содержит топливный элемент. На Фиг. 2 покрытие 21 включает в себя внутренний слой 23, промежуточный слой 29 и внешний слой 35. Как показано на Фиг. 2, внутренний слой 23 имеет форму трубы, которая, в качестве неограничивающего примера, может быть предварительно изготовленным цилиндром, имеющим внутреннюю полость 24, внутреннюю поверхность 25 и внешнюю поверхность 27. Внутренний слой 23 состоит из металла или металлического сплава. В большинстве случаев материал внутреннего слоя 23 выбирается так, чтобы обеспечить хорошую герметичность, податливую поверхность, умеренную прочность и хорошую пластичность. Подходящие металлы и металлические сплавы для использования при формировании внутреннего слоя 23 включают в себя, не ограничиваясь этим, аустенитные стали, ферритно-мартенситные стали, сплавы циркония, сплавы железа, сплавы титана или их слоистые комбинации. Аустенитные и ферритно-мартенситные стали обычно используются в реакторах на быстрых нейтронах, а сплавы циркония, такие как, но не ограничиваясь этим, Zircaloy, обычно используются в реакторах на тепловых нейтронах. Выбор конкретного стального материала может зависеть от балансирования некоторых факторов, таких как ударная вязкость, радиационное охрупчение, разбухание и поглощение нейтронов. Толщина внутреннего слоя 23 может изменяться. Например, внутренний слой 23 может иметь толщину в диапазоне от приблизительно 100 до приблизительно 300 мкм. Внутренний слой 23 обычно формируется с использованием обычных устройств и процессов, таких как для формирования трубчатого топливного покрытия. Например, внутренний слой 23 может быть сформирован с использованием обычного производства труб, такого как волочение или прокатка труб. Однако внутренний слой 23 может быть сделан с использованием процессов осаждения, таких как жидкостное или дуговое распыление, погружение в жидкость или твердотельное спекание на удаляемом сердечнике. В таких процессах удаляемый сердечник может сохраняться в ходе других стадий обработки для того, чтобы облегчить изготовление многослойной структуры.
[0021] Промежуточный слой 29 наносится на внешнюю поверхность 27 внутреннего слоя 23. Как показано на Фиг. 2, промежуточный слой 29 имеет внутреннюю поверхность 31 и внешнюю поверхность 33. Промежуточный слой 29 может состоять из керамического композита, который включает в себя взаимосвязанные тканые или плетеные, например, намотанные, керамические волокна и керамическую матрицу. Опционально промежуточный слой 29 может состоять из взаимосвязанных тканых или плетеных керамических волокон в отсутствие керамической матрицы. Кроме того, опционально промежуточный слой 29 может состоять из содержащего керамику композита, который включает в себя взаимосвязанные тканые или плетеные керамические волокна и металлическую матрицу. В некоторых вариантах осуществления эти взаимосвязанные тканые или плетеные волокна могут включать в себя комбинацию керамических волокон и металлических волокон. Главной особенностью настоящего изобретения является то, что керамические волокна ткутся или сплетаются в механически самосцепляющуюся структуру таким образом, что они способны обеспечивать механическую поддержку в отсутствие механически ограничивающей матрицы между волокнами/жгутами волокон. Керамический компонент (компоненты), например волокна и матрица, если она используется, промежуточного слоя 29, обладают высокой прочностью и жесткостью как при нормальном температурном режиме работы реактора, так и при более высоких температурах, которые являются типичными как для предусматриваемых конструктивным решением нештатных ситуаций, так и для непредусматриваемых конструктивным решением нештатных ситуаций. Известно, что керамике свойственна хрупкость, и поэтому промежуточный слой материала покрытия может быть сформирован из комбинации керамических волокон и матрицы. Эта конструкция материала обеспечивает ограниченное, но тонко разделенное подавленное локальное растрескивание в матрице материала при эффективном сохранении большей части прочности и жесткости структуры взаимосвязанных волокон. За счет ограничения керамического композита (промежуточного слоя 29) между внутренним и наружным слоями (внутренним слоем 23 и внешним слоем 35) это сохранение механических свойств улучшается. Подходящее керамическое волокно и керамические матричные материалы для использования в формировании промежуточного слоя 29 включают в себя, не ограничиваясь этим, карбид кремния, глинозем, а также их смеси и комбинации. Например, волокна карбида кремния, волокна глинозема или их комбинация могут быть скомбинированы с матрицей из карбида кремния, матрицей из глинозема или их комбинацией. Подходящие металлические материалы для матрицы могут включать в себя сплавы на основе железа или на основе никеля, системы на основе титана или на основе циркония, а также их комбинации или смеси. Толщина промежуточного слоя 29 может изменяться. В некоторых вариантах осуществления промежуточный слой 29 может иметь толщину в диапазоне от приблизительно 200 до приблизительно 600 мкм.
[0022] Промежуточный слой 29 обычно формируется с использованием обычных устройств и процессов. Например, промежуточный слой 29 может быть сформирован путем предварительного натяжением волокнистого компонента для формирования волокна в жгуты, под и над обертываемыми или наматываемыми жгутами, например под углом +/-45 градусов, для того, чтобы сформировать перекрестное переплетение. В результате промежуточный слой 29 обеспечивает не только поддержку в эксплуатационных условиях, но и обеспечивает постоянную поддержку, например в форме «чулка», для находящихся внутри топливных таблеток при нештатных ситуациях, в которых металлические элементы (например, внутренний слой 23 и внешний слой 35) могут быть потеряны, перфорированы, разъедены или окислены.
[0023] В некоторых вариантах осуществления труба покрытия (например, внутренний слой 23 на Фиг. 2) обертывается, обматывается или оплетается керамическим волокном (например, из карбида кремния и/или глинозема).
Обертывание, обматывание или оплетание могут выполняться таким образом, что процесс начинается на одном конце трубы покрытия (который может быть открытым или запечатанным), и заканчивается на противоположном конце. Толщина наносимых волокон может изменяться и, например, может сформировать слой толщиной от приблизительно 200 мкм до приблизительно 600 мкм. Как правило, между индивидуальными волокнами или группами волокон имеются пустоты, и поэтому после стадии обертывания, обматывания или оплетания наносится керамический (например, из карбида кремния и/или глинозема) или металлический матричный материал для того, чтобы по меньшей мере частично заполнить пустоты, сформированные между волокнами.
[0024] Матричный материал может осаждаться или наноситься с использованием технологии химической инфильтрации паров (CVI) или химического осаждения из паровой фазы (CVD). Используемый в настоящем документе термин CVI относится к осаждению матричного материала в порах с использованием разлагаемых газообразных матричных прекурсоров, а термин CVD относится к осаждению матричного материала на поверхностях с использованием разлагаемых газообразных матричных прекурсоров. В некоторых вариантах осуществления CVI выполняется при температурах от приблизительно 300°C до приблизительно 1100°C в зависимости от конкретного используемого процесса и устройства для CVI. Традиционный процесс CVI на основе разложения происходит при температурах от приблизительно 900°C до приблизительно 1100°C. В некоторых вариантах осуществления осаждение SiC на основе осаждения атомного слоя выполняется при температурах от приблизительно 300°C до приблизительно 500°C.
[0025] Альтернативно для формирования композиционного материала, например, промежуточного слоя 29 на Фиг. 2, может использоваться процесс инфильтрации, сушки и обжига золь-геля.
[0026] Внешний слой 35 наносится или осаждается в форме покрытия на внешнюю поверхность 13 промежуточного слоя 29. Как показано на Фиг. 2, внешний слой 35 имеет внутреннюю поверхность 37 и внешнюю поверхность 39. Внешний слой 35 состоит из металла или металлического сплава. В большинстве случаев материал внешнего слоя 35 выбирается так, чтобы он отделял внешнюю окружающую среду, например, воду, газ, жидкую соль или жидкий металл, от промежуточного слоя 29, и обеспечивал защитный слой поверх промежуточного слоя 29; в частности в том случае, когда керамическая матрица подвергается растрескиванию при механической деформации композита. Как правило, материал внешнего слоя 35 является в достаточной степени пластичным для того, чтобы этот слой оставался неповрежденным по всему покрытию, и чтобы в случае растрескивания или повреждения защитной внешней поверхности 39 защитный аспект этой поверхности был способен к повторному формированию. Этот повторно формируемый защитный слой обеспечивает химический и физический барьер для проникновения жидкого охладителя в переплетение волокон промежуточного слоя 29. Подходящие металлы и металлические сплавы для использования при формировании внешнего слоя 35 могут включать в себя, не ограничиваясь этим, образующие глинозем металлические сплавы со стойким к окислению покрытием. В некоторых вариантах осуществления предпочтительными являются сплавы Fe-Cr-Al на основе железа с добавками никеля (Ni) и редкоземельных элементов, таких как иттрий (Y). Однако другие устойчивые сплавы с экологически совместимыми покрытиями, такие как высокотемпературные сплавы никеля и нержавеющие стали, также могут использоваться для внешнего слоя 35. В одном предпочтительном варианте осуществления для топливного покрытия в охлаждаемом свинцом реакторе внешний слой имеет форму покрытия, состоящего из сплава железо-хром-алюминий с добавлением иттрия (FeCrAl(Y)), который имеет металлическую пластичность при высоких напряжениях, но сохраняет способность повторно формировать защитное покрытие из глинозема в случае растрескивания внешней поверхности 39.
Толщина покрытия внешнего слоя 35 может изменяться. Например, внешний слой 35 может иметь толщину в диапазоне от приблизительно 20 мкм до нескольких миллиметров. Однако оптимальные толщины могут находиться в диапазоне от приблизительно нескольких десятков мкм (минимальная толщина для обеспечения изменчивости поверхности, формируемой намотанными жгутами керамического волокна) до приблизительно 1 мм максимум. (Максимальная толщина обеспечивает пластичное покрытие, которое может деформироваться вместе с нижележащим керамическим материалом без растрескивания). Толщины внешнего слоя порядка от нескольких десятков мкм до ста - двухсот мкм являются предпочтительными, в зависимости от толщины промежуточного слоя.
Таким образом, толщины внешнего слоя должны составлять приблизительно 10% от толщины промежуточного слоя.
[0027] Внешний слой 35 обычно формируется с использованием обычных устройств для нанесения покрытий и процессов осаждения. Например, внешний слой 35 может быть сформирован с помощью дугового, жидкофазного или холодного напыления внешнего слоя, имеющего достаточную толщину для заполнения промежутков в поверхности нижележащего композитного промежуточного слоя 29, обеспечения полного покрытия поверхности и сохранения способности к повторному формированию защитного поверхностного слоя в течение срока службы покрытия. В некоторых вариантах осуществления алюминий во внешнем слое окисляется для того, чтобы сформировать защитный слой адгезивного глинозема. В таких вариантах осуществления богатый глиноземом металлический материал осаждается как металлическая система в вакууме или в неокисляющей атмосфере, и как только металлический слой будет осажден, воздух или кислород могут быть поданы к поверхности осажденного материала либо в виде атмосферы, либо как направленный газовый поток. Нагревание этой металлической структуры и/или газа при управляемых условиях будет влиять на окисление верхней части металлического слоя и формирование желаемого защитного оксидного внешнего слоя.
[0028] Использование металлических внутренних и внешних слоев 23,35 позволяет управлять структурой вблизи конца таким образом, что обычные методики соединения металл-металл могут использоваться для запечатывания конца трубы. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один из внутреннего слоя 23 и внешнего слоя 35 проходит за промежуточный слой 29 таким образом, что удлинение или перекрытие на каждом конце способно соединяться вместе обычными способами соединения, такими как высокотемпературная пайка или сварка, для запечатывания каждого открытого конца трубы покрытия. Например, топливные таблетки могут загружаться в полость топливного покрытия, после чего на него наносится внешний слой 35, посредством чего часть внешнего слоя 35 проходит за промежуточный слой 29, и это перекрытие соединяется вместе на каждом конце трубы покрытия для того, чтобы запечатать открытые концы. Альтернативно одно концевое уплотнение может быть сформировано, например, с помощью сварки, чтобы закрыть открытый конец покрытия, после чего топливные таблетки загружаются в полость, а затем другой открытый конец покрытия запечатывается.
[0029] В некоторых вариантах осуществления изготовление одного или более из внутреннего, промежуточного и внешнего слоев может выполняться до или после загрузки топлива в полость покрытия. Кроме того, многослойное покрытие может быть создано, например, уложено, и сформировано, например, соэкструдировано, с тем, чтобы обеспечить улучшенное формование и уплотнение.
[0030] Покрытие топливного стержня в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает по меньшей мере одно или более из следующих преимуществ по сравнению с обычными покрытиями, известными в данной области техники:
[0031] Герметичность внутренней поверхности трубы покрытия для газообразных и летучих продуктов деления топлива;
[0032] Способность продемонстрировать высокотемпературную прочность и ударную вязкость, а также сопротивление разбуханию и устойчивость к образованию пустот под действием облучения;
[0033] Механическую устойчивость к очень высоким температурам и высоким механическим напряжениям;
[0034] Механическую поддержку и удержание продуктов распада топлива в случае нештатных ситуаций с тканой структурой (промежуточным слоем); и
[0035] Коррозионную стойкость и защиту от окисления поверхности системы многослойного материала, которая одновременно обеспечивает герметическое запечатывание поверхности керамического композита в случае образования микротрещин в керамической матрице и способность к повторному формированию внешнего защитного оксидного слоя.
[0036] Во время работы реактора внутреннее давление газа, выделяющегося из топлива, ограничивается покрытием. Функции покрытия включают в себя удержание топлива и продуктов его деления, обеспечение механической прочности и стабильности, а также обеспечение защиты и герметичности по отношению к внешней среде, которые обеспечиваются внутренним слоем, керамическим или содержащим керамику композитным промежуточным слоем и внешним слоем, соответственно. Таким образом удается избежать необходимости наличия высокотемпературной прочности, сопротивления разбуханию и коррозионной стойкости в одном материале. Внутренний и внешний металлические слои могут обеспечить некоторую механическую прочность, но ключевым механическим свойством этих слоев является способность деформироваться с керамическим промежуточным слоем без растрескивания. Таким образом, в случае нештатных ситуаций, когда высокая температура должна переноситься в течение короткого времени, и необходимо поддерживать разделение различных топливных элементов, но последующее сохранение 100%-ой механической целостности для повторного использования не требуется, отказ при обширном окислении/коррозии металлических частей системы покрытия не был бы катастрофическим. Остающаяся после нештатной ситуации структура топливного покрытия по существу состоит из стойкой к высокой температуре керамики, и в частности сохраненного механически поддерживающего переплетения волокон (промежуточного слоя 29), который обладает способностью удерживать продукты деления топлива, так что остающаяся окисленная структура действует как тканый «чулок», удерживающий топливные таблетки.
[0037] В то время как были подробно описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть разработаны различные модификации и альтернативы этих деталей в свете общего описания настоящего изобретения. Соответственно, конкретные раскрытые варианты осуществления являются всего лишь иллюстративными, а не ограничивающими область охвата настоящего изобретения, которая определяется приложенной формулой изобретения, а также любыми и всеми ее эквивалентами.
1. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом, содержащее:
внутренний слой (23);
промежуточный слой (29), сформированный на внешней поверхности (27) внутреннего слоя (23), содержащий:
взаимосвязанные керамические волокна; или
композит, содержащий:
взаимосвязанные керамические волокна; и
матрицу, содержащую карбид кремния, оксид алюминия, и их смеси или комбинации; и
способный повторно формироваться внешний слой (35), осажденный на внешней поверхности (33) промежуточного слоя (29), причем указанный способный повторно формироваться внешний слой (35) содержит сплав железо-хром-алюминий.
2. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом по п. 1, в котором внутренний слой (23) содержит металлический сплав, выбранный из группы, состоящей из аустенитной стали, ферритно-мартенситной стали, сплава железа, сплава циркония, сплава титана, а также их слоистых комбинаций.
3. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом по п. 1, в котором внутренний слой (23) структурируется так, чтобы сформировать цилиндрическую трубу.
4. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом по п. 1, в котором указанный внутренний слой формирует полость для содержания ядерного топлива.
5. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом по п. 1, в котором взаимосвязанные керамические волокна содержат тканые или плетеные волокна из карбида кремния, тканые или плетеные волокна из глинозема, и их смеси или комбинации.
6. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом по п. 1, в котором взаимосвязанные керамические волокна имеют форму жгутов волокна, конфигурируемых в тканую или наматываемую структуру.
7. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом по п. 1, в котором матрица осаждается на и в тканую или наматываемую структуру из керамического волокна.
8. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом по п. 1, в котором сплав железо-хром-алюминий содержит стойкое к окислению покрытие.
9. Многослойное покрытие (21) для стержня с ядерным топливом по п. 1, в котором сплав железо-хром-алюминий способного повторно формироваться внешнего слоя (35) содержит иттрий.
10. Способ формирования многослойного покрытия (21) для стержня с ядерным топливом, включающий в себя:
формирование внутреннего слоя (23), содержащего металлический сплав, выбранный из группы, состоящей из аустенитной стали, ферритно-мартенситной стали, сплава железа, сплава циркония, сплава титана, а также их слоистых комбинаций;
нанесение промежуточного слоя (29) на внешнюю поверхность (27) внутреннего слоя (23), и
осаждение способного повторно формироваться внешнего слоя (35), содержащего сплав железо-хром-алюминий, на внешней поверхности (33) промежуточного слоя (29).
11. Способ по п. 10, в котором формирование внутреннего слоя (23) включает формирование внутреннего слоя (23) с образованием полости (24) для содержания ядерного топлива.
12. Способ по п. 10, в котором нанесение промежуточного слоя (29) включает в себя обертывание, наматывание или оплетание волокнами, содержащими тканые или плетеные волокна из карбида кремния, тканые или плетеные волокна из глинозема, и их смеси или комбинации, на внутренний слой (23) с получением тканой структуры из керамического волокна, причем тканая структура керамического волокна формирует пустоты внутри.
13. Способ по п. 12, в котором обертывание, наматывание или оплетание волокнами включает обертывание, наматывание или оплетание волокнами в виде жгутов волокон.
14. Способ по п. 12, в котором нанесение промежуточного слоя (29) дополнительно включает осаждение матрицы поверх тканой структуры из керамического волокна.
15. Способ по п. 14, в котором осаждение матрицы включает осаждение карбида кремния, глинозема и их смесей или комбинаций поверх тканой структуры из керамического волокна.
16. Способ по п. 14, в котором осаждение матрицы включает осаждение с помощью процесса, выбранного из группы, состоящей из химического осаждения из паровой фазы, химической инфильтрации паров и инфильтрации золь-геля, для того, чтобы по меньшей мере частично заполнить пустоты.
17. Способ по п. 10, в котором осаждение способного повторно формироваться внешнего слоя (35) включает осаждение способного повторно формироваться внешнего слоя (35) способом, выбранным из группы, состоящей из дугового, жидкофазного или холодного напыления.
18. Способ по п. 10, в котором осаждение способного повторно формироваться внешнего слоя (35) включает инкапсулирование промежуточного слоя (29) и внутреннего слоя (23).
19. Способ по п. 10, в котором осаждение способного повторно формироваться внешнего слоя (35) дополнительно включает осаждение иттрия.
