用于燃料元件的鐵基組合物的制作方法
【專利說(shuō)明】用于燃料元件的鐵基組合物
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2012年12月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/747，054號(hào)以及2013年3月11日提交的美國(guó)實(shí)用新型申請(qǐng)第13/794，589號(hào)的權(quán)益，其通過(guò)引用以其整體并入本文。
[0003]背景
[0004]本專利申請(qǐng)涉及包括覆層材料(cladding material)的燃料元件，以及與該燃料元件相關(guān)的方法。
[0005]概述
[0006]公開(kāi)的實(shí)施方案包括燃料元件、燃料組件、覆層材料，以及制備和使用燃料元件、燃料組件、覆層材料的方法。
[0007]前述內(nèi)容是概述，并且因此可能包含細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化、概括、包含和/或省略；因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本概述僅是說(shuō)明性的并且不意圖以任何方式是限制性的。除了上文描述的任何說(shuō)明性的方面、實(shí)施方案和特征以外，通過(guò)參考附圖和以下的詳細(xì)描述，另外的方面、實(shí)施方案和特征將變得明顯。本文描述的裝置和/或方法和/或其他主題的其他方面、特征和優(yōu)勢(shì)在本文陳述的教導(dǎo)中將變得明顯。
[0008]附圖簡(jiǎn)述
[0009]技術(shù)人員將理解的是，附圖主要是為了說(shuō)明性的目的，且不意圖限制本文描述的發(fā)明主題的范圍。附圖不一定是按比例的；在某些情況下，本文公開(kāi)的發(fā)明主題的各個(gè)方面在附圖中可能被擴(kuò)大或放大顯示，以促進(jìn)對(duì)不同特征的理解。在附圖中，相同的參考符號(hào)通常指的是相同的特征(例如，功能上相似的和/或結(jié)構(gòu)上相似的元件)。
[0010]圖1a-1b提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中的例證性的(a)核燃料組件和(b)燃料元件的示意形式的局部剖面透視圖。
[0011]圖2a和圖2b_2f分別提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中的制備組合物的過(guò)程及過(guò)程的說(shuō)明性細(xì)節(jié)的流程圖。
[0012]圖3a_3c提供了顯示在一個(gè)示例性實(shí)施方案中的已經(jīng)經(jīng)歷了不同過(guò)程的鐵基組合物的不同微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片。
[0013]圖4a和圖4b_4e分別提供了在另一個(gè)示例性實(shí)施方案中的制備組合物的過(guò)程及過(guò)程的說(shuō)明性細(xì)節(jié)的流程圖。
[0014]圖5a和圖5b分別提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中的使用組合物的過(guò)程及過(guò)程的說(shuō)明性細(xì)節(jié)的流程圖。
[0015]詳細(xì)描述
[0016]艦
[0017]在以下的詳細(xì)描述中，參考形成說(shuō)明書一部分的附圖。在附圖中，除非上下文另外規(guī)定，否則相似的或相同的符號(hào)在不同附圖中的使用通常表示相似或相同的項(xiàng)目。
[0018]在詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要求中描述的例證性實(shí)施方案不意味著是限制性的?？梢允褂闷渌膶?shí)施方案，且可以作出其他的改變，而不偏離此處所呈現(xiàn)的主題的精神或范圍。
[0019]本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，為了概念清楚起見(jiàn)，本文描述的部件(例如操作)、裝置、對(duì)象及伴隨它們的討論被用作例子，并且預(yù)期各種配置修改。因此，如本文所使用的，所陳述的具體實(shí)施例和伴隨的討論意圖是它們較一般的類別的代表?？偟膩?lái)說(shuō)，任何具體實(shí)施例的使用意圖是其類別的代表，并且具體部件(例如操作)、裝置和對(duì)象的未包括內(nèi)容不應(yīng)該被認(rèn)為是限制性的。
[0020]為了陳述清楚起見(jiàn)，本申請(qǐng)使用形式大綱標(biāo)題。然而，應(yīng)理解，大綱標(biāo)題是為了陳述的目的，并且不同類型的主題可以在整個(gè)申請(qǐng)中被討論(例如，裝置/結(jié)構(gòu)可以在過(guò)程/操作標(biāo)題下被描述，和/或過(guò)程/操作可以在結(jié)構(gòu)/過(guò)程標(biāo)題下被討論；和/或?qū)蝹€(gè)主題的描述可能跨越兩個(gè)或更多個(gè)主題標(biāo)題)。因此，形式大綱標(biāo)題的使用并不意圖以任何方式是限制性的。
[0021]綜沭
[0022]通過(guò)綜述，在一個(gè)實(shí)施方案中提供了制備組合物的方法，所述方法包括:在第一條件下在第一溫度下熱處理包括鐵基組合物的材料，在所述第一條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為奧氏體相；在第二條件下在冷卻速率下將材料冷卻至第二溫度，在所述第二條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為馬氏體相；以及在第三條件下在第三溫度下熱處理材料，在所述第三條件下碳化物被沉淀。
[0023]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了制備組合物的方法，所述方法包括:使材料經(jīng)歷冷拔、冷軋及皮爾格軋制(pilgering)中的至少一種；在第一條件下在第一溫度下熱處理包括鐵基組合物的材料，在所述第一條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為奧氏體相；在第二條件下在冷卻速率下將材料冷卻至第二溫度，在所述第二條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為馬氏體相；以及在第三條件下在第三溫度下熱處理材料，在所述第三條件下碳化物被沉淀。
[0024]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了組合物，所述組合物包含:(Fe)a(Cr)b(M)e;其中a、b及c各自是表示重量百分比的大于零的數(shù)字；M是至少一種過(guò)渡金屬元素；b在11和12之間；c在約0.25和約0.9之間；且通過(guò)a來(lái)平衡；并且組合物還包括在約0.01wt%和約0.04wt%之間的至少N。
[0025]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了組合物，所述組合物包含:(Fe)a(Cr)b(Mo、N1、Mn、W、V)其中a、b及c各自是表示重量百分比的大于零的數(shù)字；b在11和12之間；c在約0.25和約0.9之間；且通過(guò)a來(lái)平衡；組合物的至少大體上全部具有馬氏體相；并且組合物包括在約0.01界1:%和約0.04wt%之間的No
[0026]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了使用燃料組件的方法，包括:使用燃料組件發(fā)電，燃料組件的燃料元件包括組合物，所述組合物由以下化學(xué)式表示:(Fe) a (Cr) b (M)。;其中a、b及c各自是表示重量百分比的大于零的數(shù)字；M是至少一種過(guò)渡金屬元素山在11和12之間；c在約0.25和約0.9之間；且通過(guò)a來(lái)平衡；并且組合物還包括在約0.0lwt %和約0.04wt%之間的至少N。
[0027]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了包含管狀組合物的燃料元件，所述管狀組合物由以下方法制備，所述方法包括:在第一條件下在第一溫度下熱處理包括鐵基組合物的材料，在所述第一條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為奧氏體相；在第二條件下在冷卻速率下將材料冷卻至第二溫度，在所述第二條件下鐵基組合物中的至少一些被轉(zhuǎn)化為馬氏體相；以及在第三條件下在第三溫度下熱處理材料，在所述第三條件下碳化物被沉淀。在一個(gè)實(shí)施方案中，在其中存在氮的組合物中，碳化物的沉淀可以伴隨氮化物和碳氮化物的沉淀。
[0028]燃料組件
[0029]圖1a提供根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的核燃料組件10的局部圖示。燃料組件可以是可裂變核燃料組件或能產(chǎn)生裂變物質(zhì)的核燃料組件。組件可以包括燃料元件(或“燃料棒”或“燃料針”)11。圖1b提供了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的燃料元件11的局部圖示。如在本實(shí)施方案中所示，燃料元件11可以包括覆層材料13、燃料14，及在某些情況下至少一個(gè)空隙15。
[0030]燃料可以通過(guò)外部覆層材料13密封于腔內(nèi)。在某些情況下，如圖1b中所示，多種燃料材料可以軸向地堆放，但是這不需要情況如此。例如，燃料元件可以僅含有一種燃料材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，空隙15可以存在于燃料材料和覆層材料之間，盡管空隙不需要存在。在一個(gè)實(shí)施方案中，空隙填充有加壓的氣氛，比如加壓的氦氣氣氛。
[0031]燃料可以含有任何可裂變材料。可裂變材料可以含有金屬和/或金屬合金。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料可以是金屬燃料?？梢岳斫獾氖?，金屬燃料可以提供相對(duì)高的重金屬載量及優(yōu)良的中子經(jīng)濟(jì)性，其對(duì)于核裂變反應(yīng)堆的增殖和燃燒過(guò)程是令人滿意的。根據(jù)應(yīng)用，燃料可以包括選自U、Th、Am、Np及Pu的至少一種元素。如本文通過(guò)化學(xué)符號(hào)表示的術(shù)語(yǔ)“元素”可以指的是在周期表中發(fā)現(xiàn)的元素-這不應(yīng)當(dāng)與“燃料元件”的“元件”混淆。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料可以包括至少約90wt% U-例如至少95wt%、98wt%、99wt%、99.5wt%、99.9wt%、99.99?1:%或更高的U。燃料還可以包括耐火材料，所述耐火材料可以包括選自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir和Hf的至少一種元素。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料可以包括另外的可燃毒物，比如硼、釓或銦。
[0032]金屬燃料可以與約3wt%至約10wt%的鋯成合金以在輻射期間在尺寸上穩(wěn)定合金，且抑制覆層的低溫共熔及腐蝕損害。鈉的熱結(jié)合層填充存在于合金燃料和覆層管內(nèi)壁之間的空隙，以允許燃料膨脹且提供有效的熱轉(zhuǎn)移，這可以保持燃料溫度是低的。在一個(gè)實(shí)施方案中，各個(gè)燃料元件11可以具有從約0.8mm直徑至約1.6mm直徑的細(xì)線12，該細(xì)線12圍繞覆層管的周邊螺旋纏繞，以提供冷卻劑空間及各個(gè)燃料元件56在燃料組件18和20(其還充當(dāng)冷卻劑導(dǎo)管)的殼體內(nèi)的機(jī)械分離。在一個(gè)實(shí)施方案中，由于通過(guò)大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)所指示的輻射性能，覆層13和/或繞線12可以由鐵素體-馬氏體鋼制造。
[0033]燃料元件
[0034]“燃料元件”，比如圖1a-1b中所示的、在發(fā)電反應(yīng)堆的燃料組件中的元件11，通?？梢圆扇A柱棒形式。燃料元件可以是發(fā)電反應(yīng)堆的一部分，所述發(fā)電反應(yīng)堆為核電設(shè)備的一部分。根據(jù)應(yīng)用，燃料元件可以具有關(guān)于其長(zhǎng)度和直徑的任何適宜的尺寸。燃料元件可以包括覆層13及布置于覆層13的內(nèi)部的燃料14。在核反應(yīng)堆的情況下，燃料可以含有(或是)核燃料。在一個(gè)實(shí)施方案中，核燃料可以是環(huán)形核燃料。燃料元件可以另外包括布置于核燃料14和覆層13之間的襯層。襯層可以含有多層。
[0035]燃料可以具有任何幾何形狀。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料具有環(huán)形的幾何形狀。在這樣的實(shí)施方案中，呈環(huán)形形式的燃料可以允許在一定水平的燃耗之后實(shí)現(xiàn)期望水平的燃料密度。另外，這樣的環(huán)形構(gòu)型可以維持燃料和覆層之間的壓縮力以促進(jìn)熱運(yùn)輸。根據(jù)應(yīng)用，燃料可被調(diào)整以具有各種性質(zhì)。例如，燃料可以具有任何水平的密度。在一個(gè)實(shí)施方案中，期望具有高密度的燃料，比如盡可能接近理論密度鈾的燃料(在含有鈾的燃料的情況下)。在另一個(gè)實(shí)施方案中，具有高孔隙率(低密度)可以防止輻射期間另外的內(nèi)部空腔的形成，這在核燃料操作期間減少了結(jié)構(gòu)材料(比如覆層)上的燃料壓力。
[0036]根據(jù)應(yīng)用，用于覆層13的覆層材料可以包括任何適宜的材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，覆層13可以包括選自金屬、金屬合金及陶瓷的至少一種材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，覆層13可以含有耐火材料，比如耐火金屬，所述耐火金屬包括選自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd及Hf的至少一種元素。在另一個(gè)實(shí)施方案中，覆層材料可以選自陶瓷材料，比如碳化硅或氧化鋁(礬土)。
[0037]在一個(gè)示例性實(shí)施方案中，覆層13中的金屬合金可以是鋼。鋼可以選自?shī)W氏體鋼、鐵素體-馬氏體鋼、氧化物分散的鋼、T91鋼、T92鋼、HT9鋼、316鋼及304鋼。鋼可以具有任何類型的微觀結(jié)構(gòu)。例如，鋼可以包括馬氏體相、鐵素體相和奧氏體相中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施方案中，鋼的大體上全部具有選自馬氏體相、鐵素體相和奧氏體相的至少一種相。根據(jù)應(yīng)用，微觀結(jié)構(gòu)可以被調(diào)整以具有特定相(或多種相)。覆層13可以包括如下文描述的鐵基組合物。
[0038]燃料元件的部件中的至少一些可以被結(jié)合。結(jié)合可以是物理的(例如機(jī)械的)或化學(xué)的。在一個(gè)實(shí)施方案中，核燃料和覆層是機(jī)械地結(jié)合的。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一層和第二層是機(jī)械地結(jié)合的。
[0039]鐵基組合物
[0040]在本文的一個(gè)實(shí)施方案中提供了包括金屬的組合物。金屬可以包括金屬、金屬合金及金屬間組合物中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬包括鐵。在一個(gè)實(shí)施方案中，組合物包括鐵基組合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，術(shù)語(yǔ)“X基”組合物可以指包括大量元素X(例如金屬元素)的組合物。量可以為，例如至少30% -例如至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%、至少90%、至少95%、至少99%或更多。根據(jù)上下文，本文的百分比可以指重量百分比或體積(或原子的)百分比。在一個(gè)實(shí)施方案中，鐵基組合物可以包括鋼。
[0041]本文描述的組合物可以作為核燃料元件的組分被采用，比如其覆層材料。然而，含有金屬的組合物不需限制為覆層材料，且在這樣的組合物被采用的任何情況下都可以被采用。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中提供了由化學(xué)式(Fe)a(Cr)b(M)。表示的組合物，其中a、b及c各自是表示重量百分比的大于零的數(shù)字；根據(jù)上下文，這些數(shù)字可以