[发明专利]进行涂层和表面改性以使在轻水反应器运行期间的SiC包壳降损

说明书

本发明涉及一种SiC陶瓷基复合材料(CMC)包壳，该包壳在外表面上施加了金属涂层、陶瓷涂层和/或多层涂层以改善耐腐蚀性和气密性保护。该涂层包括一种或更多种材料，所述材料选自：FeCrAl，Y，Zr和Al‑Cr合金，Cr₂O₃，ZrO₂和其他氧化物，碳化铬，CrN，Zr和Y的硅酸盐和硅化物。使用多种已知的表面处理技术来施加所述涂层，所述表面处理技术包括冷喷涂、热喷涂工艺、物理气相沉积工艺(PVD)和浆料涂覆。

政府支持

本发明是经美国政府支持由能源部(DOE)资助的DE-NE0008800、DE-NE0008300和DE-NE0008222下完成的。美国政府享有本发明的某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年11月20日提交序列号为16/196,005的美国实用新型专利申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

领域

本发明总体上涉及核反应堆，并且更具体地涉及在轻水核反应堆运行中的碳化硅包壳。

相关技术

在典型的轻水核反应堆中，诸如压水堆(PWR)中，反应堆堆芯包括大量燃料组件，每个燃料组件由多个细长的燃料元件或燃料棒组成。燃料组件的尺寸和设计不同，具体取决于所需的堆芯尺寸和反应堆的尺寸。每个燃料棒都包含核燃料可裂变材料，诸如二氧化铀(UO₂)、二氧化钚(PuO₂)、二氧化钍(ThO₂)、氮化铀(UN)和硅化铀(U₃Si₂)中的至少一种或它们的混合物。燃料棒的至少一部分还可以包括中子吸收材料，诸如硼或硼化合物，钆或钆化合物，以及铒或铒化合物等。中子吸收材料可以以核燃料芯块的堆叠的形式存在于芯块上或芯块中。也可以使用环形或颗粒形式的燃料。

每个燃料棒具有包壳，该包壳用作容纳可裂变材料的容器。每个燃料棒的包壳具有设于每一端部处的塞子或盖子。此外，诸如金属弹簧的压紧装置被设置在燃料棒中，以保持核燃料芯块的堆叠的配置。图1说明了燃料棒的现有技术设计，其示出了具有端塞16的锆基包壳12，具有位于包壳12内部的燃料芯块10的堆叠和弹簧压紧装置14。端塞16之一，即最靠近压紧装置14定位的那个通常被称为顶部端塞。燃料棒以阵列组合在一起，该阵列被组织为在堆芯中提供足以支持高的核裂变速率的中子通量，从而以热的形式释放大量能量。诸如水的冷却剂被泵送通过反应堆堆芯以提取在反应堆堆芯中产生的热量，以产生有用的功，诸如电。

燃料棒上的包壳可以由锆(Zr)组成，并且可以包括多达约2重量％的其他金属，诸如铌(Nb)、锡(Sn)、铁(Fe)和铬(Cr)。本领域的最新发展已经提供了由诸如碳化硅(SiC)的含陶瓷材料组成的燃料棒包壳。已证明，碳化硅在超出设计基准的事故(例如，温度高于1200℃)方面表现出理想的性能，因此，可以被认为是构建核燃料棒包壳的合适材料。然而，通常，由于陶瓷材料的天然非弹性，因此在由操作或事故或自然现象(诸如地震)引起的挠曲期间，保持抗裂变气体渗透是困难的。以高通量、经济的方式将端塞固定在SiC管上从而在超过1200℃的温度下产生气密密封也是困难的。已经尝试使用SiC纤维包裹的Zr合金组成的内层套管(inner sleeve)，但是由于当将SiC沉积在SiC纤维内和其上以将它们固定在一起时在化学气相渗透(CVI)期间遭遇过度腐蚀而失败。因此，与核燃料棒包壳有关的问题仍然存在，这些问题包括在与原子核水反应堆堆芯相关的温度(例如约800℃至约1200℃)以及在CVI工艺期间遭遇的化学条件(例如含H₂、Cl₂和HCl的气体)下Zr管的腐蚀。