Componentes de reactor nuclear que incluyen capas de materiales para reducir la corrosión aumentada en aleaciones de circonio usadas en conjuntos combustibles y procedimientos de los mismos.

Un reactor nuclear, que comprende:

un primer componente (20) que está formado por al menos un material seleccionado entre aleaciones a base de níquel y aleaciones a base de hierro;

y un segundo componente adyacente al primer componente (20), estando formado el segundo componente por una aleación de circonio; y

una capa de material (300) formada sobre al menos una superficie del primer componente (20), estando la capa de material (300) formada por un material diferente del primer componente (20), de manera que se reduce una diferencia en el potencial electroquímico de corrosión entre el primer componente (20) y el segundo componente, en el que la capa de material (300) es seleccionada entre uno de titanio, circonio, hafnio, itrio, escandio, aleaciones de los mismos, y óxidos de los mismos, y

una capa tampón (310) formada entre la al menos una superficie del primer componente (20) y la capa de material (300);

caracterizado por la capa tampón (310) que incluye al menos uno de tántalo, óxidos de tántalo y aleaciones de tántalo.

Componentes de reactor nuclear que incluyen capas de materiales para reducir la corrosión aumentada en aleaciones de circonio usadas en conjuntos combustibles y procedimientos de los mismos

Antecedentes

Las realizaciones a modo de ejemplo se refieren en general a reactores nucleares que incluyen componentes que tienen corrosión sombra reducida en aleaciones de circonio y procedimientos de los mismos.

De manera general, las plantas de energía nuclear incluyen un núcleo de reactor que tiene el combustible dispuesto en su interior para producir energía por fisión nuclear. Un diseño común en las plantas de energía nuclear es la disposición de combustible en una pluralidad de varillas de combustible unidas juntas, formando un conjunto combustible, o haz combustible, colocado dentro del núcleo del reactor. Estas varillas combustibles incluyen típicamente varios elementos que unen las varillas combustibles a componentes de conjunto en varios emplazamientos axiales a través de todo el conjunto.

Como se muestra en la figura 1 A, un haz combustible convencional 10 de un reactor nuclear, tal como un reactor de agua en ebullición (RAE), puede incluir un canal exterior 12 que rodea a una placa de sujeción superior 14 y a una placa de sujeción inferior 16. Una pluralidad de varillas combustibles de cuerpo entero 18 y/o varilla combustibles de cuerpo parcial 19 pueden disponerse en una matriz dentro del haz combustible 10 y pasan a través de una pluralidad de espaciadores 20. Las varillas combustibles 18 y 19 se originan y terminan por lo general en las placas de sujeción superior e inferior 14 y 16, que discurren de manera continua por la longitud del haz combustible 10, con la excepción de las varillas de cuerpo parcial 19, que terminan todas en una posición vertical inferior de las varillas de cuerpo entero 18. La figura 1B ¡lustra un RAE 75 que Incluye cuatro conjuntos combustibles 10 y una barra de control 15.

La corrosión se observa a habitualmente por ejemplo en el canal 12 fabricado en Zircaloys cuando, por ejemplo, una barra de control 15 construida con una carcasa exterior de acero inoxidable se coloca cerca del canal 12. Las Zircaloys son aleaciones de circonio de alta resistencia bien conocidas usadas habitualmente en reactores nucleares. La corrosión se puede encontrar también en revestimiento de combustible de Zircaloy en contacto con, o cerca de, componentes nucleares fabricados en aleaciones a base de níquel y/o hierro, por ejemplo, un espaciador 20 o un resorte espaciador (no mostrado). La corrosión, también conocida como corrosión sombra, debilita los componentes de Zircaloy y reduce la vida útil de los componentes.

Con el fin de mitigar la corrosión sombra, se conocen recubrimientos protectores por los documentos de patente US 2006/0045232 A1, EP 0 986 069 y WO 99/60576 A1. Estas capas de recubrimiento se forman sobre elementos estructurales que están situados adyacentes a componentes fabricados de Zircaloy y reducen la diferencia en el potencial electroquímico de corrosión de estos elementos.

Sumario

Las realizaciones a modo de ejemplo están destinadas a proporcionar un recubrimiento adherente delgado sobre las superficies de componentes de reactor nuclear que son conocidos para causar una corrosión aumentada sobre estructuras de aleaciones de circonio y los procedimientos para reducir la corrosión aumentada. Las realizaciones a modo de ejemplo incluyen recubrimientos unidos estructuralmente a componentes de manera que la diferencia en el potencial de corrosión entre un componente recubierto y un componente de aleación de zirconio es inferior a la que se da entre un componente sin el recubrimiento y el componente de aleación de circonio.

Las realizaciones a modo de ejemplo incluyen reactores nucleares que comprenden un primer componente compuesto por al menos un material seleccionado entre aleaciones a base de níquel y aleaciones a base de hiero, y un segundo componente adyacente al primer componente. El segundo componente está compuesto por una aleación de circonio. Una capa de material se forma sobre al menos una superficie del primer componente. La capa de material está formada por un material diferente del primer componente de manera que se reduce una diferencia en el potencial electroquímico de corrosión entre el primer componente y el segundo componente, en el que la capa de material se selecciona entre uno de titanio, circonio, hafnio, itrio, escandio, aleaciones de los mismos, y óxidos de los mismos. Una capa tampón se forma entre la al menos una superficie del primer componente y la capa de material, incluyendo la capa tampón al menos uno de tántalo, óxidos de tántalo y aleaciones de tántalo.

Las realizaciones a modo de ejemplo incluyen también procedimientos para aumentar la resistencia a la corrosión de circonio en un conjunto combustible de reactor nuclear formando una capa de material sobre al menos una superficie de un primer componente adyacente a un segundo componente, de manera que se reduce una diferencia en el potencial electroquímico entre el primer componente y el segundo componente. La capa de material se selecciona entre uno de titano, circonio, hafnio, itrio, escandio, aleaciones de los mismos y óxidos de los mismos. Una capa tampón se forma entre la al menos una superficie del primer componente y la capa de material, en el que la capa tampón incluye al menos uno de tántalo, óxido de tántalo y aleaciones de tántalo.

Breve descripción de los dibujos

Las realizaciones a modo de ejemplo serán más evidentes describiendo, en detalle, los dibujos adjuntos, en los que los elementos similares están representados con los mismos números de referencia, los cuales se dan a modo de ilustración solo y en modo alguno limitan las realizaciones a modo de ejemplo del presente documento.

La figura 1A es una ilustración de un conjunto combustible de la técnica convencional.

La figura 1B es una ilustración de un RAE convencional que incluye cuatro conjuntos combustibles y una barra de control.

La figura 2A es una sección transversal de una superficie de un componente de reactor nuclear que tiene una capa de material delgada sobre el mismo.

La figura 2B es una sección transversal de una superficie de un componente de reactor nuclear que tiene una capa de material delgada y una capa tampón sobre el mismo según las realizaciones a modo de ejemplo.

La figura 3 es un gráfico del potencial electroquímico de corrosión respecto de la concentración de oxígeno para 304 SS, Zircaloy 2, y circonio puro.

La figura 4 es un gráfico del potencial electroquímico de corrosión respecto del tiempo de inmersión de un electrodo 204 SS recubierto de Zircaloy-2

La figura 5 es un gráfico que ilustra los resultados de un experimento que muestra una comparación de potencial de corrosión respecto del tiempo de inmersión de aleación de circonio y aleación de Fe-Cr-Ni recubiertas de Ti02 utilizando UV para estimular la radiación experimentada durante el procesamiento nuclear.

Descripción detallada de realizaciones a modo de ejemplo

A continuación se describirán varias realizaciones a modo de ejemplo más en detalle con referencia a los dibujos anexos en los cuales se ilustran algunas realizaciones a modo de ejemplo. En los dibujos, los espesores de las capas y regiones pueden exagerarse por motivos de claridad.

En el presente documento se divulgan realizaciones ilustrativas detalladas. Sin embargo, los detalles específicos estructurales y funcionales divulgados en el presente documento son meramente representativos con el objeto de describir realizaciones a modo de ejemplo. La presente invención puede, sin embargo, materializarse en muchas formas alternativas dentro del alcance de las reivindicaciones anexas y no cabe interpretar que se limitan solo a las realizaciones a modo de ejemplo expuestas en el presente documento.

En consecuencia, mientras las realizaciones a modo de ejemplo son susceptibles de diversas modificaciones y formas alternativas, las realizaciones de las mismas son conocidas a modo de ejemplo en los dibujos y se describirán en el presente documento en detalle. Los números similares se refieren a elementos similares a lo largo de toda la descripción de las figuras.

Se entenderá que, aunque los términos primer, segundo, etc, se pueden usar en el presente documento para describir varios elementos, estos elementos no están limitados por estos términos. Estos términos solo se usan para distinguir un elemento de otro. Por ejemplo, un primer elemento podría ser denominado segundo elemento, y de manera similar, un segundo elemento podría ser denominado primer elemento, sin salirse del alcance de las realizaciones a modo de ejemplo. Como se usa... [Seguir leyendo]

'IUn reactor nuclear, que comprende:

un primer componente (20) que está formado por al menos un material seleccionado entre aleaciones a base de níquel y aleaciones a base de hierro;

y un segundo componente adyacente al primer componente (20), estando formado el segundo componente por una aleación de circonio; y

una capa de material (300) formada sobre al menos una superficie del primer componente (20), estando la capa de material (300) formada por un material diferente del primer componente (20), de manera que se reduce una diferencia en el potencial electroquímico de corrosión entre el primer componente (20) y el segundo componente, en el que la capa de material (300) es seleccionada entre uno de titanio, circonio, hafnio, ¡trio, escandio, aleaciones de los mismos, y óxidos de los mismos, y

una capa tampón (310) formada entre la al menos una superficie del primer componente (20) y la capa de material (300);

caracterizado por la capa tampón (310) que incluye al menos uno de tántalo, óxidos de tántalo y aleaciones de tántalo.

2.- El reactor nuclear de la reivindicación 1, en el que el primer componente (20) es uno de una barra de control, un espaciador, un resorte, una placa de sujeción superior, y una placa de sujeción Inferior.

3.- El reactor nuclear de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las aleaciones de circonio incluyen, Zlrcaloy-2, Zircaloy-4 aleaciones de Zr-Sn, aleaciones de Zr-Sn-Fe-Cr-N¡, aleaciones de Zr-Sn-Fe-Cr y aleaciones de Zr-Nb.

4.- Un procedimiento para aumentar la resistencia a la corrosión de circonio en un conjunto combustible de reactor

nuclear, que comprende

formar una capa de material (300) sobre al menos una superficie de un primer componente (20) adyacente a un segundo componente, de manera que se reduce una diferencia en el potencial electroquímico entre el primer componente (20) y el segundo componente, en el que la capa de material (300) es seleccionada entre una de titano, circonio, hafnio, ¡trio, escandio, aleaciones de los mismos y óxidos de los mismos; y formar una capa tampón (310) entre la al menos una superficie del primer componente (20) y la capa de material (300), en el que la capa tampón (310) incluye al menos uno de tántalo, óxido de tántalo y aleaciones de tántalo.

5.- El procedimiento de la reivindicación 4, en el que las aleaciones de circonio incluyen, Zircaloy-2, Zircaloy-4 aleaciones de Zr-Sn, aleaciones de Zr-Sn-Fe-Cr-N¡, aleaciones de Zr-Sn-Fe-Cr y aleaciones de Zr-Nb.

6.- El procedimiento de la reivindicación 4 o la reivindicación 5, en el que el primer componente (20) está formado por al menos un material seleccionado entre aleaciones a base de níquel y aleaciones a base de hierro.

7.- El procedimiento de la reivindicación 4 en el que la etapa de formación de un recubrimiento de capa de material (300) Incluye depositar la capa de material (300) por al menos uno de los siguientes procedimientos, deposición química de vapor (CVD), deposición de vapor por plasma (PVD), deposición química de vapor asistida por plasma (PECVD), pulverización térmica por plasma, pulverización térmica de oxi-combustible de alta velocidad (HVOF), por arco a partir de hilo, deposición no electrolítica y galvanoplastia.

8.- El procedimiento de la reivindicación 4, en el que la etapa de recubrimiento incluye implantar la al menos una superficie del primer componente (20) por implantación de iones.

9.- El procedimiento de la reivindicación 8, en el que la etapa de implantación incluye implantar la al menos una superficie del primer componente (20) usando al menos una fuente de iones que incluyen Zr, Ti, Hf y Se.