用于燃料元件的铁基组合物的制作方法
【专利说明】用于燃料元件的铁基组合物
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年12月28日提交的美国临时申请第61/747，054号以及2013年3月11日提交的美国实用新型申请第13/794，589号的权益，其通过引用以其整体并入本文。
[0003]背景
[0004]本专利申请涉及包括覆层材料(cladding material)的燃料元件，以及与该燃料元件相关的方法。
[0005]概述
[0006]公开的实施方案包括燃料元件、燃料组件、覆层材料，以及制备和使用燃料元件、燃料组件、覆层材料的方法。
[0007]前述内容是概述，并且因此可能包含细节的简化、概括、包含和/或省略；因此，本领域技术人员将认识到，本概述仅是说明性的并且不意图以任何方式是限制性的。除了上文描述的任何说明性的方面、实施方案和特征以外，通过参考附图和以下的详细描述，另外的方面、实施方案和特征将变得明显。本文描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优势在本文陈述的教导中将变得明显。
[0008]附图简述
[0009]技术人员将理解的是，附图主要是为了说明性的目的，且不意图限制本文描述的发明主题的范围。附图不一定是按比例的；在某些情况下，本文公开的发明主题的各个方面在附图中可能被扩大或放大显示，以促进对不同特征的理解。在附图中，相同的参考符号通常指的是相同的特征(例如，功能上相似的和/或结构上相似的元件)。
[0010]图1a-1b提供了在一个示例性实施方案中的例证性的(a)核燃料组件和(b)燃料元件的示意形式的局部剖面透视图。
[0011]图2a和图2b_2f分别提供了在一个示例性实施方案中的制备组合物的过程及过程的说明性细节的流程图。
[0012]图3a_3c提供了显示在一个示例性实施方案中的已经经历了不同过程的铁基组合物的不同微观结构的光学显微照片。
[0013]图4a和图4b_4e分别提供了在另一个示例性实施方案中的制备组合物的过程及过程的说明性细节的流程图。
[0014]图5a和图5b分别提供了在一个示例性实施方案中的使用组合物的过程及过程的说明性细节的流程图。
[0015]详细描述
[0016]舰
[0017]在以下的详细描述中，参考形成说明书一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，否则相似的或相同的符号在不同附图中的使用通常表示相似或相同的项目。
[0018]在详细描述、附图和权利要求中描述的例证性实施方案不意味着是限制性的。可以使用其他的实施方案，且可以作出其他的改变，而不偏离此处所呈现的主题的精神或范围。
[0019]本领域技术人员将认识到，为了概念清楚起见，本文描述的部件(例如操作)、装置、对象及伴随它们的讨论被用作例子，并且预期各种配置修改。因此，如本文所使用的，所陈述的具体实施例和伴随的讨论意图是它们较一般的类别的代表。总的来说，任何具体实施例的使用意图是其类别的代表，并且具体部件(例如操作)、装置和对象的未包括内容不应该被认为是限制性的。
[0020]为了陈述清楚起见，本申请使用形式大纲标题。然而，应理解，大纲标题是为了陈述的目的，并且不同类型的主题可以在整个申请中被讨论(例如，装置/结构可以在过程/操作标题下被描述，和/或过程/操作可以在结构/过程标题下被讨论；和/或对单个主题的描述可能跨越两个或更多个主题标题)。因此，形式大纲标题的使用并不意图以任何方式是限制性的。
[0021]综沭
[0022]通过综述，在一个实施方案中提供了制备组合物的方法，所述方法包括:在第一条件下在第一温度下热处理包括铁基组合物的材料，在所述第一条件下铁基组合物中的至少一些被转化为奥氏体相；在第二条件下在冷却速率下将材料冷却至第二温度，在所述第二条件下铁基组合物中的至少一些被转化为马氏体相；以及在第三条件下在第三温度下热处理材料，在所述第三条件下碳化物被沉淀。
[0023]在另一个实施方案中提供了制备组合物的方法，所述方法包括:使材料经历冷拔、冷轧及皮尔格轧制(pilgering)中的至少一种；在第一条件下在第一温度下热处理包括铁基组合物的材料，在所述第一条件下铁基组合物中的至少一些被转化为奥氏体相；在第二条件下在冷却速率下将材料冷却至第二温度，在所述第二条件下铁基组合物中的至少一些被转化为马氏体相；以及在第三条件下在第三温度下热处理材料，在所述第三条件下碳化物被沉淀。
[0024]在另一个实施方案中提供了组合物，所述组合物包含:(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数字；M是至少一种过渡金属元素；b在11和12之间；c在约0.25和约0.9之间；且通过a来平衡；并且组合物还包括在约0.01wt%和约0.04wt%之间的至少N。
[0025]在另一个实施方案中提供了组合物，所述组合物包含:(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数字；b在11和12之间；c在约0.25和约0.9之间；且通过a来平衡；组合物的至少大体上全部具有马氏体相；并且组合物包括在约0.01界1:%和约0.04wt%之间的No
[0026]在另一个实施方案中提供了使用燃料组件的方法，包括:使用燃料组件发电，燃料组件的燃料元件包括组合物，所述组合物由以下化学式表示:(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数字；M是至少一种过渡金属元素山在11和12之间；c在约0.25和约0.9之间；且通过a来平衡；并且组合物还包括在约0.0lwt %和约0.04wt%之间的至少N。
[0027]在另一个实施方案中提供了包含管状组合物的燃料元件，所述管状组合物由以下方法制备，所述方法包括:在第一条件下在第一温度下热处理包括铁基组合物的材料，在所述第一条件下铁基组合物中的至少一些被转化为奥氏体相；在第二条件下在冷却速率下将材料冷却至第二温度，在所述第二条件下铁基组合物中的至少一些被转化为马氏体相；以及在第三条件下在第三温度下热处理材料，在所述第三条件下碳化物被沉淀。在一个实施方案中，在其中存在氮的组合物中，碳化物的沉淀可以伴随氮化物和碳氮化物的沉淀。
[0028]燃料组件
[0029]图1a提供根据一个实施方案的核燃料组件10的局部图示。燃料组件可以是可裂变核燃料组件或能产生裂变物质的核燃料组件。组件可以包括燃料元件(或“燃料棒”或“燃料针”)11。图1b提供了根据一个实施方案的燃料元件11的局部图示。如在本实施方案中所示，燃料元件11可以包括覆层材料13、燃料14，及在某些情况下至少一个空隙15。
[0030]燃料可以通过外部覆层材料13密封于腔内。在某些情况下，如图1b中所示，多种燃料材料可以轴向地堆放，但是这不需要情况如此。例如，燃料元件可以仅含有一种燃料材料。在一个实施方案中，空隙15可以存在于燃料材料和覆层材料之间，尽管空隙不需要存在。在一个实施方案中，空隙填充有加压的气氛，比如加压的氦气气氛。
[0031]燃料可以含有任何可裂变材料。可裂变材料可以含有金属和/或金属合金。在一个实施方案中，燃料可以是金属燃料。可以理解的是，金属燃料可以提供相对高的重金属载量及优良的中子经济性，其对于核裂变反应堆的增殖和燃烧过程是令人满意的。根据应用，燃料可以包括选自U、Th、Am、Np及Pu的至少一种元素。如本文通过化学符号表示的术语“元素”可以指的是在周期表中发现的元素-这不应当与“燃料元件”的“元件”混淆。在一个实施方案中，燃料可以包括至少约90wt% U-例如至少95wt%、98wt%、99wt%、99.5wt%、99.9wt%、99.99?1:%或更高的U。燃料还可以包括耐火材料，所述耐火材料可以包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir和Hf的至少一种元素。在一个实施方案中，燃料可以包括另外的可燃毒物，比如硼、钆或铟。
[0032]金属燃料可以与约3wt%至约10wt%的锆成合金以在辐射期间在尺寸上稳定合金，且抑制覆层的低温共熔及腐蚀损害。钠的热结合层填充存在于合金燃料和覆层管内壁之间的空隙，以允许燃料膨胀且提供有效的热转移，这可以保持燃料温度是低的。在一个实施方案中，各个燃料元件11可以具有从约0.8mm直径至约1.6mm直径的细线12，该细线12围绕覆层管的周边螺旋缠绕，以提供冷却剂空间及各个燃料元件56在燃料组件18和20(其还充当冷却剂导管)的壳体内的机械分离。在一个实施方案中，由于通过大量经验数据所指示的辐射性能，覆层13和/或绕线12可以由铁素体-马氏体钢制造。
[0033]燃料元件
[0034]“燃料元件”，比如图1a-1b中所示的、在发电反应堆的燃料组件中的元件11，通常可以采取圆柱棒形式。燃料元件可以是发电反应堆的一部分，所述发电反应堆为核电设备的一部分。根据应用，燃料元件可以具有关于其长度和直径的任何适宜的尺寸。燃料元件可以包括覆层13及布置于覆层13的内部的燃料14。在核反应堆的情况下，燃料可以含有(或是)核燃料。在一个实施方案中，核燃料可以是环形核燃料。燃料元件可以另外包括布置于核燃料14和覆层13之间的衬层。衬层可以含有多层。
[0035]燃料可以具有任何几何形状。在一个实施方案中，燃料具有环形的几何形状。在这样的实施方案中，呈环形形式的燃料可以允许在一定水平的燃耗之后实现期望水平的燃料密度。另外，这样的环形构型可以维持燃料和覆层之间的压缩力以促进热运输。根据应用，燃料可被调整以具有各种性质。例如，燃料可以具有任何水平的密度。在一个实施方案中，期望具有高密度的燃料，比如尽可能接近理论密度铀的燃料(在含有铀的燃料的情况下)。在另一个实施方案中，具有高孔隙率(低密度)可以防止辐射期间另外的内部空腔的形成，这在核燃料操作期间减少了结构材料(比如覆层)上的燃料压力。
[0036]根据应用，用于覆层13的覆层材料可以包括任何适宜的材料。在一个实施方案中，覆层13可以包括选自金属、金属合金及陶瓷的至少一种材料。在一个实施方案中，覆层13可以含有耐火材料，比如耐火金属，所述耐火金属包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd及Hf的至少一种元素。在另一个实施方案中，覆层材料可以选自陶瓷材料，比如碳化硅或氧化铝(矾土)。
[0037]在一个示例性实施方案中，覆层13中的金属合金可以是钢。钢可以选自奥氏体钢、铁素体-马氏体钢、氧化物分散的钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢及304钢。钢可以具有任何类型的微观结构。例如，钢可以包括马氏体相、铁素体相和奥氏体相中的至少一种。在一个实施方案中，钢的大体上全部具有选自马氏体相、铁素体相和奥氏体相的至少一种相。根据应用，微观结构可以被调整以具有特定相(或多种相)。覆层13可以包括如下文描述的铁基组合物。
[0038]燃料元件的部件中的至少一些可以被结合。结合可以是物理的(例如机械的)或化学的。在一个实施方案中，核燃料和覆层是机械地结合的。在一个实施方案中，第一层和第二层是机械地结合的。
[0039]铁基组合物
[0040]在本文的一个实施方案中提供了包括金属的组合物。金属可以包括金属、金属合金及金属间组合物中的至少一种。在一个实施方案中，金属包括铁。在一个实施方案中，组合物包括铁基组合物。在一个实施方案中，术语“X基”组合物可以指包括大量元素X(例如金属元素)的组合物。量可以为，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。根据上下文，本文的百分比可以指重量百分比或体积(或原子的)百分比。在一个实施方案中，铁基组合物可以包括钢。
[0041]本文描述的组合物可以作为核燃料元件的组分被采用，比如其覆层材料。然而，含有金属的组合物不需限制为覆层材料，且在这样的组合物被采用的任何情况下都可以被采用。例如，在一个实施方案中提供了由化学式(Fe)a(Cr)b(M)。表示的组合物，其中a、b及c各自是表示重量百分比的大于零的数字；根据上下文，这些数字可以