给核燃料芯块涂可燃吸收剂用的设备的制作方法

专利名称:给核燃料芯块涂可燃吸收剂用的设备的制作方法
本发明一般涉及在衬底上沉积涂层用的设备，特别是涉及给核燃料芯块溅射涂层用的设备。
核燃料芯块通常具有正圆柱的形状。燃料芯块含有裂变物质，如二氧化铀、二氧化钍、二氧化钚或它们的混合物。芯块首尾相接地放置在包套管中(典型的包套管由锆合金或不锈钢制成)，做成燃料棒。燃料棒通常被组合在一起，形成一个燃料组件。若干个燃料组件排列在一起，构成核反应堆的堆芯。
如反应堆技术中众所周知的，将开始为较大量的裂变物质与计算量的可燃料吸收剂结合，可以延长燃料组件的寿命。可燃吸收剂是中子吸收几率(或截面)高的物质(诸如硼、钆、钐、铕之类)，形成中子俘获截面非常低而对中子大体上透明的同位素，始终不产生新的或额外的中子。在燃料组件的使用初期，可燃吸收剂抵销较大量的裂变物质。在反应堆运行期间，可燃吸收剂的量逐渐减少，使得燃料组件的裂变水准在较长时期内相当恒定。燃料组件寿命较长，意味着核反应堆燃料组件的更换次数减少，这种更换称为反应堆燃料更换，它又费钱又费时间。
美国专利第3427222号披露了一个将可燃吸收体(也称作可燃吸收剂)薄层熔融结合在核燃料芯块衬底表面上的方法，而本专利申请人的专利申请(W.E.专利案第51305号)披露了利用溅射在核燃料芯块上沉积一薄层可燃吸收体的方法。在溅射过程中，惰性气体被引入一个真空室，室内含一个阳极和一个靶阴极，阳极就是待涂层的衬底。在阳极和靶阴极之间加高压，使气体分子电离并轰击靶阴极。这导致靶阴极的原子和分子从靶阴极表面被溅射出来。衬底放置在拦截溅射的靶物质的位置，靶物质在轰击衬底时形成粘着的涂层。溅射是一种普遍瞄准的涂层过程。
在美国专利第4080281中披露了一种溅射设备，用来制造诸如电阻器或电容器电极之类金属膜。衬底放置在一个圆筒形笼框内，笼框当作阳极。外边的同轴圆筒形靶阴极环绕着笼框从各个方向径向地向内对着笼框溅射，包括向下溅射。里边的同轴棒状靶阴极沿笼框的纵轴放置，从各个方向径向地向外对着笼框溅射，包括向下溅射。笼框转动着，使金属膜更为均匀。
美国专利第3562140和3632494号披露了给剃刀刀片涂铬用的溅射设备。剃刀刀片放置在一个转动的筒上。当筒转动时刀片随着转动，以使双刃刀片的两个刀刃能由一个单独的靶阴极进行涂层。
本发明的主要目的是提供在核燃料芯块上沉积涂层的设备，发明相应地包括下列设备(a)一个一般说来为圆筒形的空桶，其周界至少有一个敞开区域;(b)一个承受待涂层燃料的托架，该托架包括一对彼此面对面分开的隔板，使得中间限定一个容纳燃料芯块的空间，该空间的深度只容许放置一层燃料芯块，而上述托架可以移放到上述空桶中去，放置的方式要使托架的两个隔板大体上面对空桶的径向;(c)一个密封室，上述空桶可以移入密封室并移出，空桶在该密封室中以这样的方式支撑，即使得桶的纵轴通常处于水平位置，而该空桶具有与此相联的驱动机构，能使空桶围绕其纵轴转动;(d)将上述涂层料溅射到空桶上可拆地安装的托架内所含的燃料芯块上的机构，溅射机构至少包括一个静止的上靶和一个静止的下靶，上靶和下靶支撑的位置使得当空桶转动时上下靶能溅射涂层料到上述托架内的燃料芯块上，排列方式是这样的，即是当空桶放入上述密封室内时，上述或每一个上靶被定位在桶内纵轴上面的水平面上并接近于桶的周界，靶面取向通常向上，并沿桶的径向向外，而上述或每一个下靶被定位在桶的外面和下面并接近于桶的周界，靶面取向通常向上，并沿桶的径向向内。
下面描述一种仅作为例子的本发明的较好实施方案，参考的附图有
图1是实施本发明的涂层设备的草图;
图2是表示图1涂层设备的空桶从它的密封室移出的草图;
图3是图2的敞开或空的密封室下部的内部前视草图，显示了静止的下靶，包括靶瓦;
图4是桶的后视图，它也描绘出了静止的上靶;
图5是沿图1中Ⅴ-Ⅴ线的剖面草图，显示出桶上的包含芯块的托架，同时附有静止的下靶和上靶;
图6是图5中从桶上拆卸下来的一个断开了其它部分的芯块的平面视图;
图7是图6中托架的透视图，上隔板已从下隔板上拆卸下来;
图8是涂层的核燃料芯块的透视图;
图9是分别从图3和图4所示的静止的下靶或上靶之一上面移下的靶瓦的放大透视图。
图1所示的核燃料芯块涂层设备10包括一个密封室12(图1，2和3)和一个通常为圆筒形的制成骨架的桶14(图2，4和5)，桶14可利用电动机15(图2)而绕其纵轴转动。桶14可在室12内气密封闭(图1中桶已安装好;图2中桶已移开)，桶14的纵轴通常取水平方向。桶的周界有许多可拆卸的闭合托架16，托架16包括下隔板18和上隔板20(图4、5、6、7)，每个托架16只能够包含一个单层的核燃料芯块22(图6和8)，涂层设备10也包括一台溅射机24(图1和2)，该溅射机具有静止的上靶26(图4和5)和静止的下靶28(图3和5)，靶26和28每个包括许多靶瓦30(图3和9)，这些靶瓦被溅射到核燃料芯块22(图6和8)的衬底34上形成涂层32。控制柜36(图1)被用来控制桶的电动机15和溅射机24。
典型的情况是，每个燃料芯块22包括一个通常为正圆柱形的二氧化轴衬底34，衬底的长度为约13.5毫米，直径为8.20毫米，芯块形成的衬底复盖了一层厚度比如说为10微米的涂层32，涂层由二硼化锆之类可燃吸收剂构成。如反应堆技术中众所周知的，设计者也可以选用其它的芯块衬底和涂层尺寸。根据特定的燃料装载对可燃吸收剂的要求，接受芯块涂层32的只是每个芯块22的衬底34的周界表面，只是燃料棒的中间芯块，只是一个燃料组件中的一些燃料棒，只是一个反应堆芯中的一些燃料组件。本专利申请人发现，二硼化锆靶是一种溅射脆性的靶，这意味着它在溅射过程中会破裂。一个靶是相当贵的，而一个向下溅射的溅射脆性靶会迅速破裂和掉落，从而污染衬底。在向上溅射时，这些破裂的靶块会继续参予溅射过程。本专利申请人也发现，利用许多较小的靶瓦代替整块大靶瓦来作为靶，能减少靶的破裂。
在溅射设备10中，每一个托架16通常具有长方形的形状，只能够保持单独一层燃料芯块22。这一点是依靠在下隔板18和上隔板20之间提供适当的空间距离来达到的。如果隔板18和20之间的空间距离能使托架容纳多层燃料芯块，那在溅射的时候就会产生许多问题，如芯块产生碎屑或破裂，由于芯块磨擦而产生粉状涂层，以及芯块涂层缺乏均匀性。上隔板20利用螺栓38和钩子42可拆式地固定在下隔板18上，螺栓38穿过上隔板20，旋入紧固在下隔板18上的螺母40中，钩子42咬合上下隔板20和18钩槽44。因此，上下隔板20和18被可以分离地固定在一起，固定的方式可以使燃料芯块22容易地分别装入托架或从托架卸下来。托架16(包括其上下隔板20和18)是由一种溅射物质不会粘附到上面去的适当材料制成的。本专利申请人发现，溅射的二硼化锆不会粘附到不锈钢上去。托架16中的燃料芯块22最好首尾相接地排齐成列并边缘对边缘地排齐成行(除了被螺母40占据的区域以外)。一个典型的托架16可以包含38行和19列燃料芯块22。
制成骨架的桶14在其周界上至少有一个敞开区域，以放入托架。最好是象图示的那样，围绕桶的周界有几个互相隔开的敞开区域，每个敞开区域适合于放入一个在那里待处理的托架，托架的上下隔板20和18要大体上面对径向位置。典型的情况是，桶14在其周界上保持12个托架16，排列的方式是使其截面形状通常成等边十二角形。托架16附着于桶14上的方式，最好是使每一列燃料芯块通常与桶的纵轴共平面，并平行于桶的纵轴。
本专利申请人的早期实验产生“带条纹的”燃料芯块，它们是存在未涂层区域的涂层燃料芯块，未涂层区域是上下隔板20和18挡住燃料芯块不受靶物质溅射的区域。虽然从核技术的观点看这些带条纹的芯块也是令人满意的，但仍希望涂层更为均匀，以产生“不带条纹的”燃料芯块。其次，最好能保证燃料芯块22的两端不被涂层。例如，从核技术和化学两种观点看，燃料芯块的两端不希望有含硼的可燃吸收剂。为了达到这些目标，每个托架16的上下隔板20和18之间的距离要允许单层燃料芯块22在托架内有一个可以滑动和可以滚动的配合。在溅射过程中，密封室12与封闭于内的桶14一起是倾斜于水平面的，倾角不超过10度，最好是大约5度。这样一个在定义桶的纵轴为“一般水平”取向时被考虑进去的小角度，由于消除了被排齐的芯块的首尾之间的空档，使得在对芯块周界涂层时防止了芯块两端的涂层沉积。燃料芯块22的边对边滚动，消除了纵向“条纹”，即消除了未涂层区域。滚动由托架16的平行边缘46的间距控制。这些边缘46从横向夹持住每一行芯块，使得如果一行芯块偏向托架的一条边缘46，则该行芯块与托架的另一条边缘46之间的空隙大约为1.5毫米至0.8毫米。对于直径大约为8.2毫米的燃料芯块22来说，该空隙最好为约1.2毫米。燃料芯块22的横向未涂层或“带条纹”区域是这样消除的，即是使托架16的上下隔板20和18的屏栅48和50转动时，一列芯块投影到每个屏栅上的投影角为5度至40度。最好这些投影角每个一般为15度。有了这些安排，一个滚动的燃料芯块不会回到屏栅下的刚巧同一的位置，因此芯块衬底34的周界的每一部分都会被涂层到。一个转动的屏栅中的滚动芯块，能消除燃料芯块22上的未涂层的条形区域。
溅射机24把涂层料32溅射到芯板衬底34上。溅射用的阳极、阴极和支承设备的工艺，在反应堆技术中是已知的，可以作为商品买到。在此处叙述的实施方案中，桶14(包括托架16)作为溅射机24的阳极。
溅射机24有上阴极52支撑静止的溅射脆性的上靶26，使得当桶14被置于密封室12内时，上靶26被置于桶内，并在桶的纵轴的上方位置处接近桶的周界。当然，上靶是纵向放置的，对应于桶的敞开区域的纵向位置。而且，静止的上靶26的取向通常为面向上和径向向外。因此，在溅射期间当溅射脆性的上靶26破裂时，它们将保持在它们的阴极容器52中，并继续在溅射过程中被消耗掉。靶的向下取向会使裂靶的碎片没用地掉下来，或者甚至污染可能被放置在下面的一些衬底的表面(正等待溅射靶原子/分子进行涂层)。重要的是要区分被溅射的上靶26(或靶瓦30)的微观体(即原子/分子)和在溅射过程中由某种溅射脆性物质如二硼化锆之类所碎裂成的宏观体。每次当托架16转过时，上靶26把涂层料32溅射到旋转桶14上的托架16中燃料芯块(芯块衬底34)的向静止上靶26暴露的那些面积上。
溅射机24还有下阴极54支撑静止的溅射脆性的下靶28，使得当桶14被置于密封室12内时，下靶28被置于桶外，并在桶的下方位置处接近桶的周界。下靶28同样是纵向放置的，对应于桶的敞开区域的纵向位置，而它们的取向通常为面向上和径向向内。有关靶的碎裂问题，面向上的下靶28的行为象上一段中讨论的面向上的上靶26一样。每次当托架16转过那里时，下靶28把涂层料32溅射到旋转桶14上的托架16中燃料芯块(芯块衬底34)的向静止下靶28暴露的那些面积上。
最好是，每一个静止的上靶26和下靶28都由许多一般相同的靶瓦30构成，每一块靶瓦30都可以与靶26或28中其它的靶瓦30互相调换位置。在溅射过程中，由于溅射过程的动力学作用，靶沿着一个跑道形的沟槽56(图9)消耗得较多。因为靶26和28很昂贵，利用能够互相调换到在随后的溅射操作中暴露于非沟槽区域的靶瓦30构成的靶。可以获得较长的靶寿命。
虽然溅射可以用单独一对上下靶26和28来完成，但最好有总数三对的靶来溅射那些溅射脆性的物质，如可燃的中子吸收剂二硼化锆。利用这样多的环形分开放置的静止上靶26和相同数目的环形分开放置的下靶28，可以获得较高的涂层速率。同样，控制器36能在选定的时间间隔内顺序激活不同的阴极对(此处每一对靶属于同一种靶物质，但不同的靶对属于不同的物质)以产生双重或三重涂层。如果象锆疏水外涂层之类涂层不与溅射脆性靶发生联系，那种靶通常可以面朝下边，而这样的附加靶可以加到涂层设备10上，这种方式受到精通反应堆技术的人的赏识。
涂层沉积速率高的溅射过程，使芯块衬底34变热。利用控制桶14的旋转速率与仅仅部分地环形放置上下靶26和28的办法，可以达到有助于维持所需涂层温度的期望的冷却效果。因此，当桶14转动时，芯块衬底34上的一个特定区域(即使芯块不滚动)不会恒定地受到溅射。而且，如果靶只放置在一个位置而不是放置在上下两个位置，芯块涂层可能会由于溅射过程中的热冲击而破裂。典型的尺寸和操作参数(并不想限制而只想作为例子)包括二氧化铀燃料芯块衬底的直径为8.2毫米，长13.5毫米，重7.8克;托架中芯块的排列为为38行19列;允许芯块滚动的沿边空隙在1.2毫米至3.8毫米之间;每个屏栅对其不锈钢丝的转动角为15度，不锈钢丝的直径为0.7毫米，钢丝间平行间距6.4毫米;密封室对水平面倾斜5度;桶每30秒旋转1圈;每对阴极的二硼化锆溅射速率为28至30小时内10.2微米(最终的涂层厚度)。每个靶可以是长方形的，面积为68.5厘米×12.7厘米，由4列和6行二硼化锆靶瓦组成，每个靶瓦为11.4厘米×3.18厘米的长方形，厚1.0厘米。
在操作中，靶26和28的靶瓦30放置在阴极52和54中。芯块衬底34装在托架16中，而后将托架紧固到桶14上。桶14附着在支架58上，而后由支架滚轮60在机架62上移动(密封室12也保持在这个机架上)，安装到密封室12内，形成一个密封的部件。而后机架62利用活塞66围绕枢纽64侧斜到与水平面成大约5度的角度。此时，控制柜36(以手动或自动方式操作)控制溅射机24和桶的电动机15，如反应堆技术中周知的，将涂层32溅射到芯块衬底34上。在一予定的时间后(该时间可由试验性的溅射运转选定)，控制柜停止溅射操作，将系统恢复到能够拆除燃料芯块22的状态。此时，将上述安装步骤倒转过来，导致拆除燃料芯块22，以便随后将芯块用于核反应堆的燃料棒中。
权利要求
1.在核燃料芯块上沉积涂层的设备，其特点是组合系统包括(a)一个通常为圆筒形的空桶，在其周界上至少有一个敞开的区域；(b)承受待涂层燃料芯块的托架，该托架包括一对隔板，它们各自彼此面对面地相附，因此在两块隔板中间限定了一个可以容纳燃料芯块的空间，该空间的深度只允许在那里放置单独一层燃料芯块，而上述托架可拆地安装在桶的周界的上述敞开区域内，安装的方式使得托架的两块隔板在取向上大致面对桶的径向；(c)一个密封室，上述桶可以移入此室和移出，桶以这样的方式支撑在该室内，即是使桶的纵轴通常是水平的，而上述桶具有驱动机构，可使桶围绕其纵轴转动；(d)将上述涂层料溅射到可拆地安装于桶内的托架中所含的燃料芯块上的机构，溅射机构至少包括一个上靶和一个下靶，上下靶静止地支撑在当桶转动时能使靶将涂层料溅射到上述托架内燃料芯块上的位置，安排是这样的，即是使得当桶位于上述密封室内时，上述或每个上靶定位于桶内纵轴上方的平面内并接近桶的周界，取向通常是面向上和沿桶的径向向外，而上述或每个下靶定位于桶的外边和下方并接近桶的周界，取向通常是面向上和沿桶的径向向内。
2.按权利要求
1的设备，设备中的燃料芯块包括二氧化铀，而涂层包括主要由二硼化锆组成的可燃吸收剂，设备的特征是包括上述上下隔板的托架主要由不锈钢组成。
3.按权利要求
1或2的设备，其特征在于，上述托架内的燃料芯块通常首尾对齐成列和通常边与边对齐成行，上述托架当它可拆地安装在桶的周界的上述敞开区域内的桶上时，其取向使得每一列上述芯块通常与上述桶的纵轴共平面并平行于纵轴，上述两个隔板的空间距离允许上述燃料芯块在托架内有一个可以滑动和可以滚动的配合。
4.按权利要求
3的设备，其特征在于上述托架包括通常平行设置的边缘，用来把各行燃料芯块从横向夹持在托架中，上述两条边缘之间的空间距离是这样定的，使得如果任何一行芯块偏向一条上述边缘，则上述芯块行与另一条上述托架边缘之间会有一个大约为0.8毫米至1.5毫米的空隙。
5.按权利要求
4的设备，设备中每个芯块的直径大约为8.2毫米，设备的特征是上述空隙大约为1.2毫米。
6.根据权利要求
3、4或5的设备，其特征在于，每个上述隔板有一个屏栅，其取向使得任何一列上述芯块投影到每一块屏栅上时在那里限定一个大约为5至40度的角度。
7.按权利要求
5的设备，其特征是上述角度大约为15度。
8.按任何一项前述权利要求
的设备，其特征在于，在溅射涂层期间，有上述桶在其中处理的上述密封室，以不大于10度的角度相对于水平面倾斜。
9.按权利要求
8的设备，其特征是上述角度大约为5度。
10.按任何一项前述权利要求
的设备，其特征在于，上述桶在其周界上有多个敞开的区域，每一个用来承受一个上述托架，上述敞开区域彼此大致相同，并围绕桶的周界分开设置。
11.按任何一项前述权利要求
的设备，其特征在于，溅射机构包括多对的上述上下靶，上靶被彼此成环形地静止支撑，而下靶也被彼此成环形地静止支撑。
12.按权利要求
11的设备，其特征在于至少一个上靶和至少一个下靶是由用于把上述涂层料溅射沉积于燃料芯块上的第一种材料组成的，而至少一个上靶和至少一个下靶是由用于把一种附加涂层料溅射沉积于上述第一种涂层上的第二种不相同的材料组成的，该设备包括用来控制桶的上述驱动机构和上述溅射机构的控制机构，而该控制机构适合于以一个予定的时间，首先激活由上述第一种材料组成的上下靶，而后以一个予先选定的时间激活由上述第二种材料组成的上下靶。
13.按任何一项前述权利要求
的设备，其特征在于，每一个上述的上下靶是由许多个大致相同的靶瓦组成的，这些靶瓦可以互相调换位置。
专利摘要
本发明的设备包括一个在其周界上具有承受装了燃料芯块的托架用的敞开区域的桶。每个托架有两个独立而连合在一起的隔板，其间只保持一层燃料芯块，隔板面对桶的径向，托架可拆地装在桶周界各个敞开区域中。操作时，桶在密封室内绕水平轴转动；溅射机具有设在桶内纵轴上方且面向上沿径向向外的静止上靶，以及设在桶外下方面向上沿径向向内的静止下靶，当旋转桶上的托架转动经过上下靶时，靶材料被溅射到燃料芯块上。
文档编号C23C14/36GK85105151SQ85105151
公开日1986年12月31日 申请日期1985年7月6日
发明者肯尼思·查尔斯·拉德福德, 贝里尔·休·帕克斯, 赫伯特·威尔拉德·卡勒, 罗伯特·雷·富勒 申请人:西屋电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan