特開 2022-177239 水と蒸気による酸化への高い耐性を有する被膜を施されたＵ３Ｓｉ２ペレット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022177239

(43)【公開日】2022-11-30

(54)【発明の名称】水と蒸気による酸化への高い耐性を有する被膜を施されたＵ３Ｓｉ２ペレット

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/20 20060101AFI20221122BHJP

   G21C 3/28 20060101ALI20221122BHJP

   G21C 7/10 20060101ALI20221122BHJP

【ＦＩ】

G21C3/20 200

G21C3/28 600

G21C7/10 300

【審査請求】有

【請求項の数】18

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022152997

(22)【出願日】2022-09-26

(62)【分割の表示】P 2019548646の分割

【原出願日】2018-02-19

(31)【優先権主張番号】62/472,659

(32)【優先日】2017-03-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】15/898,308

(32)【優先日】2018-02-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】501010395

【氏名又は名称】ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100091568

【弁理士】

【氏名又は名称】市位 嘉宏

(72)【発明者】

【氏名】ラホーダ、エドワード、ジェイ

(72)【発明者】

【氏名】シュウ、ペン

(72)【発明者】

【氏名】チャイ、ルー

(57)【要約】      （修正有）

【課題】水冷式原子炉に使用する核分裂性物質に耐水性境界を形成する方法を提供する。
【解決手段】原子層堆積法や溶射法などによって、Ｕ_３Ｓｉ_２ペレットおよび／またはその粒界のような核分裂性物質に、適当な被膜材により所望の厚さの被膜を施すことを含む。この被膜材は、少なくともＵＯ_２と同じくらい溶解度が低い任意の非反応性物質でよく、例示的な被膜材として、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせが挙げられる。耐水性層を、ＺｒＢ_２またはＢ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系ガラスなどの可燃性吸収材層で覆ってもよい。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

核分裂性物質に、当該核分裂性物質と反応しない耐水性層の被膜を施すことにより、被膜付き物質を形成する方法であって、
当該被膜付き物質中の当該核分裂性物質はＵ_３Ｓｉ_２であり、当該被膜は当該核分裂性物質の表面に付着される、方法。

【請求項2】

前記核分裂性物質はペレット状であり、前記被膜は前記核分裂性物質の表面に施される、請求項１の方法。

【請求項3】

前記耐水性層は、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１の方法。

【請求項4】

前記被膜は原子層堆積法で施される、請求項１の方法。

【請求項5】

前記被膜の厚さは０．５～２ミクロンの範囲内である、請求項４の方法。

【請求項6】

前記被膜は溶射法によって施される、請求項１の方法。

【請求項7】

前記溶射法は物理蒸着法である、請求項６の方法。

【請求項8】

物理蒸着法による前記被膜の厚さは１～２０ミクロンの範囲内である、請求項７の方法。

【請求項9】

前記溶射法はプラズマアーク溶射法である、請求項６の方法。

【請求項10】

前記被膜の厚さは１～２００ミクロンの範囲内である、請求項９の方法。

【請求項11】

前記溶射法はコールドスプレー法である、請求項６の方法。

【請求項12】

前記溶射法はホットスプレー法である、請求項６の方法。

【請求項13】

前記耐水性層を覆う可燃性吸収材の層をさらに具備する、請求項１の方法。

【請求項14】

前記可燃性吸収材は、ＺｒＢ_２、Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系ガラスおよびそれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１３の方法。

【請求項15】

耐水性層の被膜が施された核分裂性物質を具備し、当該耐水性層は当該核分裂性物質とは反応しないものである、原子炉で使用する燃料であって、
当該核分裂性物質はＵ_３Ｓｉ_２であり、当該耐水性層は当該核分裂性物質の表面に付着していることを特徴とする、燃料。

【請求項16】

前記耐水性層は、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１５の燃料。

【請求項17】

前記耐水性層の上に、原子炉の運転における炉心の反応度を制御するための一体型燃料可燃性吸収材層をさらに具備する、請求項１５の燃料。

【請求項18】

前記吸収材層は、ＺｒＢ_２、Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系ガラスおよびそれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１７の燃料。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

政府の権利に関する陳述
本発明は、エネルギー省との契約第ＤＥ－ＮＥ０００８２２２号に基づく政府支援の下でなされたものである。米国政府は、本発明に対して一定の権利を有している。

【0002】

本発明は原子炉用燃料に関し、具体的には、原子燃料の耐水性を高める方法に関する。

【背景技術】

【0003】

二酸化ウラン（ＵＯ_２）は現在、原子燃料として世界で最もよく使われているウラン化合物である。事故耐性を有する代替燃料の研究の背景には、軽水型原子炉の安全性および性能向上への取り組みがある。いくつかの高密度ウラン燃料について、既存の軽水型原子炉での使用が検討されてきた。ウラン・シリサイド（Ｕ_３Ｓｉ_２）は、ウラン密度が高く（ＵＯ_２より１７％高い）、熱伝導率が高く、融点が高い（１６６５℃）ことから、有望な燃料の１つである。Ｋ．Ｅ．Ｍｅｔｚｇｅｒほかの「Ｍｏｄｅｌｏｆ Ｕ_３Ｓｉ_２ Ｆｕｅｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ Ｂｉｓｏｎ Ｆｕｅｌ Ｃｏｄｅ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＩＣＡＰＰ（２０１４年４月６～９日）、論文番号１４３４３、ｐｐ．１～５を参照のこと。しかしながら、最近の試験で、Ｕ_３Ｓｉ_２は状況によって問題が生じる可能性が指摘されており、そうした潜在的問題を克服するために追加的な手立てを講じる必要性がある。

【発明の概要】

【0004】

本願では、水または蒸気に晒されることによる核分裂性物質の酸化を防ぐ方法を説明する。Ｕ_３Ｓｉ_２は、より広く使用されている核分裂性物質であるＵＯ_２と同様に、３００℃では優れた耐水性を示すが、水温が高くなると、水および蒸気による腐食がＵ_３Ｓｉ_２の粒界に集中することがわかっている。

【0005】

最近の試験では、Ｕ_３Ｓｉ_２は３６０℃を上回る温度で過度に酸化され、６００℃未満の蒸気中で短期間のうちに完全に酸化されることが示されている（図１を参照）。このグラフは、水蒸気雰囲気におけるＵ_３Ｓｉ_２の熱重量分析の結果を示す。熱重量分析（ＴＧ）は、分解や酸化などに伴って質量が増減する物質の選択された特性を温度の関数として求めるために一般的に使用されている。市販のＴＧ分析器は、最高約２０００℃の目標温度までサンプルを加熱しながら連続的にサンプルを秤量する。温度が上昇するとサンプルのさまざまな成分が分解または酸化し、それに伴う各々の質量変化を、重量百分率として測定することができる。その結果を、温度をＸ軸、合計質量の変化をＹ軸にとってグラフにプロットする。加熱時の有意な質量変化は、物質がもはや熱的に安定ではないことを示している。図１に示す１６．８７％の質量変化は、Ｕ_３Ｓｉ_２が完全に酸化されてウラン酸化物（ＵＯ_２およびＵ_３Ｏ_８）になったことを示す。核分裂性物質の酸化は、冷却材喪失事故や仮想的な反応度投入事故のような設計基準事故における有意な安全上の懸念につながる可能性がある。

【0006】

さまざまな局面において、核分裂性物質の酸化を防ぐ方法は、核分裂性物質に被膜を施すことを含む。例えば、Ｕ_３Ｓｉ_２ペレットに被膜を施したり、Ｕ_３Ｓｉ_２の粒界を保護したりすると、原子炉運転時に冷却材が被覆管の障壁から漏入したり、設計基準事故時に被覆管の破断により高温蒸気が漏入したりして燃料に触れる結果ペレットが破砕したり過度に酸化するのを防ぐことができる。３６０℃を上回る温度におけるＵ_３Ｓｉ_２または他の適当な核分裂性物質の水および蒸気による酸化への耐性を高めるために、適当な任意の被膜方法を用いて物質の表面に耐水性被膜を施す。例示的な被膜方法には原子層堆積法、例えば、プラズマアーク溶射法のような溶射法、物理蒸着法および化学蒸着法が挙げられる。被膜材は、選択した核分裂性物質の表面を覆い、すなわち当該表面に付着するが、当該核分裂性物質と反応せず、少なくともＵＯ_２に匹敵する低い溶解度を有し、好ましくはＵＯ_２よりも低い溶解度を有し、核分裂性物質が使用時に膨張してもＵ_３Ｓｉ_２から剥落せず実質的に所定位置を保てる十分な柔軟性を有する任意の材料でよい。商業的実施可能性を高めるために、被膜材は施しやすいことが好ましい。さまざまな局面において、適当な被膜材は、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせから成る群より選択することができる。

【0007】

本願では原子燃料物質についても説明する。当該物質は、耐水性被膜を施されたＵ_３Ｓｉ_２のような核分裂性物質より成る。さまざまな局面において、当該被膜層は、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせから成る群より選択することができる。

【0008】

当該耐水性被膜を、原子炉運転時の炉心反応度を制御するための一体型燃料可燃性吸収材（ＩＦＢＡ）層の下層としてもよい。ＩＦＢＡ層は、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）のようなジルコニウム化合物、Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系ガラスのようなホウ素化合物、およびジルコニウム化合物とホウ素化合物を組み合わせたものを薄い層にしたものでよい。例えば、本願に参照により援用されている米国特許第４，７５１，０４１号を参照のこと。

【図面の簡単な説明】

【0009】

添付の図面を参照することにより、本発明の特徴と利点の理解が深まるであろう。

【0010】

【図1】水蒸気環境におけるＵ_３Ｓｉ_２ペレットの質量増を加熱速度２．５℃／分の温度の関数として測定した、Ｕ_３Ｓｉ_２ペレットの熱重量分析（ＴＧ）を示す図である。

【0011】

【図2】保護被膜層と燃料可燃性吸収材層との相対位置を示す、燃料棒中の燃料ペレットの概略断面図である。

【0012】

【図3】例示的な熱的付着スプレー法の概略図である。

【0013】

【図4】例示的なプラズマアーク法の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本願で使用する「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」に先導される単数形は、文脈からそうでないことが明らかでない限り、複数形をも包含する。したがって、本願で使用する冠詞「ａ」および「ａｎ」は、１つまたは複数の（すなわち、少なくとも１つの）、冠詞の文法上における対象物を表す。例として、「ａｎ ｅｌｅｍｅｎｔ」は１つの要素または複数の要素を意味する。

【0015】

非限定的な例として、本願で使用する最上部、最下部、左、右、下方、上方、前、後ろ、およびそれらの変形例などの方向性を示唆する語句は、添付の図面に示す要素の幾何学的配置に関連し、特段の記載がない限り、本願の特許請求の範囲を限定するものではない。

【0016】

特許請求の範囲を含み、本願では、特段の指示がない限り、量、値または特性を表すあらゆる数字は、すべての場合において「約」という用語により修飾されると理解されたい。したがって、数字と一緒に「約」という用語が明示されていない場合でも、数字の前に「約」という語があるものと読み替えることができる。したがって、別段の指示がない限り、以下の説明で記載されるすべての数値パラメータは、本発明に基づく組成物および方法が指向する所望の特性に応じて変わる可能性がある。最低限のこととして、また均等論の適用を特許請求の範囲に限定する意図はないが、本願に記載された各数値パラメータは、少なくとも、報告された有効数字の数を勘案し、通常の丸め手法を適用して解釈するべきである。

【0017】

また、本願で述べるあらゆる数値範囲は、そこに内包されるすべての断片的部分を含むものとする。例えば、「１～１０」という範囲は、記述された最小値１と最大値１０との間（最小値と最大値を内包）のあらゆる断片的部分を含むことを意図している。すなわち、最小値は１以上、最大値は１０以下である。

【0018】

水冷式原子炉で使用する核分裂性物質の上に耐水性境界を形成する方法は、適当な被膜材を用いて核分裂性物質に所望の厚さの被膜を施すことを含む。核分裂性物質は、適当な任意の核分裂性物質でよい。Ｕ_３Ｓｉ_２は、このプロセスのための核分裂性物質の一例であり、前述の理由から多くの局面において好ましい材料である。本願で説明する被膜方法は、ＵＯ_２など他の核分裂性物質を使用してもよいが、便宜上、核分裂性物質をＵ_３Ｓｉ_２と称することがある。

【0019】

次世代燃料の有力な候補であるＵ_３Ｓｉ_２には、次の利点がある。（１）ＵＯ_２よりも高い熱伝導率、（２）ＵＯ_２よりも大きいウラン装荷量、および（３）軽水型原子炉の通常運転条件および過渡条件の下で燃料が固体のまま保たれるような融点。高めの温度（例えば３６０℃以上）におけるＵ_３Ｓｉ_２の耐水性の低さに対処するために、さまざまな局面において、Ｕ_３Ｓｉ_２ペレットおよびＵ_３Ｓｉ_２粒界の一方または両方に耐水性被膜を施すことにより、Ｕ_３Ｓｉ_２と水との接触を防ぐかまたは少なくとも実質的に遅らせて、たとえ燃料被覆管に漏れが生じた場合でも燃料ペレットの耐水性を高めることができる。

【0020】

さまざまな局面において、少なくともペレットや粒界のような核分裂性物質の露出部分に、被膜材の堅牢な被膜を形成する必要がある。本願で使用する「堅牢な被膜」という用語は、冷却材の中で溶解度が低く、施すのが容易であり、選択した核分裂性物質と反応せず、照射時のペレットの膨張に応じてある程度の柔軟性がある被膜のことである。ここで言う「溶解度が低い」という相対的な表現は、本願では、被膜材の溶解度は、核分裂性物質として使用されるＵＯ_２の溶解度に少なくとも匹敵するくらい低く、さまざまな局面においてそれよりさらに低いことを意味する。

【0021】

被膜材は、選択した核分裂性物質の表面を覆う、すなわち当該表面に付着するが、当該核分裂性物質と反応しない任意の材料でよい。前述のように、さまざまな局面において被膜材の溶解度は、少なくともＵＯ_２の溶解度に匹敵し、それよりさらに低いのが好ましい。ＵＯ_２の溶解度は、文献から入手できる。

【0022】

さまざまな局面において、被膜材は、核分裂性物質が使用時に膨張しても実質的に所定位置を保てる十分な柔軟性がある。当業者であれば、核分裂が起きると当初の原子よりも密度の低い物質の２つの原子が生じるため、核分裂性物質が使用時に膨張することが理解できる。また、粒界にガスが捕捉され、さらに膨張を引き起こす可能性がある。当業者は、どの程度膨張するかを概算できるが、ガスの捕捉があるため、原子炉での使用に先立つ計算により得られる膨張の値は正確ではない可能性がある。被膜は、核分裂性物質が膨張しても剥離しないよう、十分に柔軟でなければならない。しかし、核分裂性物質の膨張時に被膜にひび割れや剥離部が多少生じても許容されることがある。そのような状況でも、被膜は依然として水または蒸気への核分裂性物質の曝露を減らす機能を有するため、酸化を遅らせ、核分裂性物質の耐用期間を延ばすことに貢献する。水または蒸気に晒されても核分裂性物質の酸化速度を小さくすることができるため、設計基準事故を超える事故が起きた場合に是正措置をとる時間が得られる。

【0023】

さまざまな局面において、適当な被膜材は、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせから成る群より選択することができる。Ｕ_３Ｓｉ_２粒子の被膜は、Ｕ_３Ｓｉ_２の融点（１６６２℃）より低いが、Ｕ_３Ｓｉ_２ペレットの焼結温度（１２００～１６００℃）で溶融する、ＦｅＣｒＡｌ、ＣｒＡｌまたはＮａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系固体ガラスをＵ_３Ｓｉ_２粉末に添加することによって形成できる。さまざまな局面において、被膜は、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせから成る群より選択した粒子を付着させることによって形成できる。これらの物質はいずれも、Ｕ_３Ｓｉ_２より耐水性が優れている。被膜は、各々のＵ_３Ｓｉ_２ペレットの外周面または側面に施すことができ、随意的に、頂面および底面に施すこともできる。燃料ペレットは任意の形状でよく、外周や他の表面輪郭への言及は便宜的なものであり、制限的ではない。一般的に、燃料ペレットは概して円筒形で、使用時には概して円筒形の柱を形成するように積み重ねられており、燃料棒の中の最上部のペレットと燃料棒の上部端栓との間に位置するばねによって、燃料棒の端栓に押圧・保持されている。この構成では、燃料棒の中に水が漏入したとしても、ペレットの頂部と底部がその水に晒されることはない。酸化性の流体に晒されることがあったとしても、最小限に抑えられる。

【0024】

商業的実施可能性を高めるために、被膜材は施しやすいことが好ましい。本願の方法の被膜ステップは、適当な任意の被膜プロセスでよい。例えば、物理蒸着法または原子層堆積（ＡＬＤ）法によって被膜を施すことができる。被膜プロセスは、例えば、ホットスプレー法、コールドスプレー法またはプラズマアーク溶射法などの溶射プロセスでよい。

【0025】

原子層堆積（ＡＬＤ）法は、基材の表面を異種のガスに交互に晒すことにより、基材上に薄膜を成長させる薄膜付着法である。ＡＬＤ法は、化学気相プロセスを逐次的に使用する方法である。ＡＬＤ反応の多くは、前駆物質と呼ばれる２つの化学物質を使用する。これらの前駆物質は、逐次的かつ自己制御的に１種類ずつ材料の表面と反応し、表面上のすべての反応サイトの消尽で反応が終了する。したがって、すべての前駆物質に１回晒された（いわゆるＡＬＤサイクル）あとの表面への物質の最大付着量は、前駆物質と表面との相互作用の性質によって決まる。個々の前駆物質に繰り返し晒されることにより、徐々に薄膜が付着する。サイクル数を変えることによって、ランダムな複雑さを有する大きな基材の上に、高精度かつ均一に物質を成長させることができる。化学蒸着法の場合とは対照的に、異種の前駆物質が付着チェンバ内に同時に存在することはなく、それらは逐次的で重複のない一連の脈流として導入される。ＡＬＤ法では、Ｕ_３Ｓｉ_２ペレットを所望の被膜材のガス前駆物質に晒すことにより、Ｕ_３Ｓｉ_２ペレット表面上に耐水性被膜を成長させる。

【0026】

付着のために選択される前駆物質には、キャリアガスも含まれる。この付着は２５～６００℃の温度範囲で行うことができ、好ましくは２００～４５０℃の範囲、より好ましくは２６５～３５０℃の範囲であり、これらの範囲内の他の温度であってもよい。６００℃を超える温度は避けるべきである。

【0027】

別案として、スパッタリングまたは化学蒸着法によって被膜を付着させてもよい。典型的な化学蒸着法では、基材を１つ以上の反応性前駆物質に晒し、当該物質を当該基材の表面上で反応および／または分解させて所望の付着物を生成する。副産物の生成もよくあるが、反応チェンバ内を通るガス流によって除去される。

【0028】

さまざまな局面において、適当な熱的付着方法は、ホットスプレー法またはコールドスプレー法を含む。ホットスプレー法では、被膜原材料の溶融を、熱源により、または陽極とタングステン陰極との間の高周波アーク（すなわちプラズマアーク溶射）によって発生するプラズマにより行う。この軟化した液体または溶融物質を、プロセスガスによって運び、Ｕ_３Ｓｉ_２ペレット表面にスプレーする。この物質はＵ_３Ｓｉ_２ペレット表面上で固化し、固体層を形成する。

【0029】

コールドスプレー法では、キャリアガスを加熱器に供給し、そこで、ノズル内で膨張後のキャリアガスの温度が所望の値（例えば１００～１２００℃）に保たれるように、十分な温度に加熱する。さまざまな局面において、キャリアガスは、例えば５．０ＭＰａの圧力で２００～１２００℃の温度に予熱される。或る特定の局面において、キャリアガスは２００～１０００℃の温度に予熱される。また、或る特定の局面で３００～９００℃の温度に、他の局面では５００～８００℃の温度に予熱される。この温度は、キャリアとして使用する特定のガスのジュール＝トムソン冷却係数によって変わる。ガスの圧力が変化して膨張または収縮する際にガスが冷却するかどうかは、ジュール＝トムソン係数の値による。ジュールトムソン係数が正の値の場合、キャリアガスは冷却するので、コールドスプレー法の性能に影響を及ぼす可能性のある過度な冷却を防ぐために、キャリアガスを予熱する必要がある。当業者は、過度な冷却を防ぐために、周知の計算法を用いて加熱する度合いを決めることができる。例えば、キャリアガスがＮ_２の場合、入口温度が１３０℃であれば、ジュール＝トムソン係数は０．１℃／バールである。初期圧力が１０バール（約１４６．９ｐｓｉａ）、最終圧力が１バール（約１４．６９ｐｓｉａ）のガスを１３０℃で管体に衝突させる場合は、約９バール×０．１℃／バール（すなわち約０．９℃）高い約１３０．９℃にガスを予熱する必要がある。

【0030】

例えば、キャリアガスとしてヘリウムを用いる場合のガスの温度は、圧力３．０～４．０ＭＰａにおいて４５０℃であるのが好ましい。また、窒素のキャリアガス温度は、圧力５．０ＭＰａで１１００℃であるが、圧力が３．０～４．０ＭＰａであれば６００～８００℃でよい。当業者であれば、使用する機器の種類によって温度および圧力の変数が変わり、機器を改造することによって温度、圧力および体積のパラメータを調節できることを理解するであろう。

【0031】

キャリアガスに適しているのは不活性ガスまたは非反応性ガスであり、特に、上述の粒子や基材と反応しないガスである。キャリアガスの例として、窒素（Ｎ_２）、水素（Ｈ_２）、アルゴン（Ａｒ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、ヘリウム（Ｈｅ）が挙げられる。

【0032】

キャリアガスの選択にはかなりの自由度がある。混合ガスを使用してもよい。ガスの選択は物理的特性と経済性の双方の制約を受ける。例えば、分子量の小さいガスは速度を大きくできるが、速度を最大にすることは、粒子の跳ね返りによって付着する粒子数が少なくなるので避けるべきである。

【0033】

コールドスプレー法は、加熱されるキャリアガスを制御下で膨張させることにより粒子を推進して基材上に付着させる原理を有する。粒子は、基材または付着済みの層に衝突し、断熱せん断による塑性変形を受ける。後続の粒子の衝突が積み重なって被膜が形成される。変形を促進するには、粒子を、キャリアガスへ流入させる前に、ケルビン絶対温度スケールで粉末の融点の３分の１から２分の１の温度に温めるとよい。被膜を施す領域または材料の付着が必要な領域全体をノズルによって走査する（すなわち、ある領域の端から端まで、最上部から最下部まで線状にスプレーする）。

【0034】

図３は、溶射用アセンブリ１０を示す。アセンブリ１０は、加熱器１２、粉末または粒子ホッパー１４、ガン１６、ノズル１８および送出導管３４、２６、３２、２８を含む。導管３４により加熱器１２へ送り込まれる高圧ガスは、そこで実質的に瞬時に急速加熱される。所望の温度に加熱されたガスは、導管２６を介してガン１６へ差し向けられる。ホッパー１４に保持された粒子が放出され、導管２８を介してガン１６へ送られると、ノズル１８により発生する加圧ガス噴流２０が粒子を基材２２へ差し向ける。スプレーされた粒子３６は基材２２に付着し、粒子２４より成る被膜を形成する。このプロセスは、コールドスプレー用およびホットスプレー用アセンブリを概説したものである。ホットスプレー法は、付着させる粒子を軟化または溶融させるのに十分な高温で行われる。

【0035】

別案の被膜方法は、さまざまな局面において、図４に示すようなプラズマアーク溶射法を含む。プラズマトーチ４０は、高温のガス噴流５０を生成する。典型的なプラズマトーチ４０は、ガスポート５６、陰極４４、陽極４６および水冷式ノズル４２を具備し、それらはすべてハウジング６８内で絶縁体４８に取り囲まれている。高周波アークは、電極間、すなわち陽極４６とタングステン陰極４４との間で点火される。電極４４、４６の間のポート５６の中を流れるキャリアガスは、電離してプラズマプルームを形成する。キャリアガスは、ヘリウム（Ｈｅ）、水素（Ｈ_２）、窒素（Ｎ_２）またはそれらを任意に組み合わせたものでよい。噴流５０は、ノズル４２内で圧縮ガスが膨張する際に電気アークでガスを加熱することによって発生する。加熱されたガスは、例えば１２，０００～１６，０００℃で作用するアークプラズマコアを形成する。ガスは、水冷式ノズル４２を通る際に膨張して噴流５０となる。粉末または粒子は、ポート５２から高温の噴流５０の中に注入されて軟化または溶融し、基材６０上へ圧出されて被膜５４となる。噴射速度は、例えば約４５０ｍ／秒以下の粒子速度で２～１０ｋｇ／時間である。プラズマアーク法などの溶射により得られる被膜の厚さは、スプレー材料により異なるが、例えば０．００５～５ｍｍの範囲にわたる。本願で説明する被膜の典型的な厚さは５～１０００ミクロンであり、さまざまな局面において被膜の厚さは１０～１００ミクロンである。

【0036】

耐水性被膜の厚さは、プラズマアーク溶射法で施した場合は１０～２００ミクロンの範囲、物理蒸着法で付着させた場合は１～２０ミクロンの範囲、ＡＬＤ法の場合は０．５～２ミクロンの範囲にわたる。被膜材は、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせを含む。Ｕ_３Ｓｉ_２はＵＯ_２に比べて、はるかに熱伝導率が大きいので、運転時に生じるひび割れが少ない。ひび割れが発生しても、被膜は依然としてＵ_３Ｓｉ_２ペレットの表面積を実質的に覆うため、当該ペレットの過度な酸化を防ぐことができる。

【0037】

さらには、被膜されたＵ_３Ｓｉ_２ペレットの外周面に、ＡＬＤ法または溶射法によって可燃性吸収材の被膜を施すことができる。一体型燃料可燃性吸収材は、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）のようなジルコニウム化合物、Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系ガラスのようなホウ素化合物、およびジルコニウム化合物とホウ素化合物の組み合わせより成る薄層でよく、燃料ペレット上に、耐水性被膜層を施したあと施される。例えば、本願に参照により援用されている米国特許第４，７５１，０４１号を参照のこと。

【0038】

可燃性吸収材は、原子炉の運転における炉心反応度の制御に使用する可燃性毒物の一種である。そのような可燃性吸収材は、主に原子炉サイクルの初期に実効のある反応度の一時的制御を可能にし、未使用燃料の装荷によるサイクル初期の過剰な反応度を補償する。可燃性吸収材の層は、耐水層を施した後に施されるため、耐水性被膜層を覆う。

【0039】

Ｕ_３Ｓｉ_２の酸化は、潜在的な安全上の懸念事項であり、軽水型原子炉にＵ_３Ｓｉ_２燃料を実装する際の重要な問題の１つである。Ｕ_３Ｓｉ_２に被膜を施すことは、特に蒸気温度が高いときの酸化を遅らせる効果があり、安全上の懸念を解消する経済的な方法の１つである。

【0040】

本願で説明する方法は、図２に示す燃料ペレットのような、被膜を施された核分裂性物質を生成する。一般的に、燃料棒７０の中には複数のペレットが積み重ねられている。さまざまな局面において、核分裂性物質７２は耐水性層７４の被膜を施されたＵ_３Ｓｉ_２を含み、当該耐水性層は、ＺｒＳｉＯ_４、ＦｅＣｒＡｌ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ａｌ－Ｃｒ、ＣｒＡｌ、ＺｒＯ_２、ＣｅＯ_２、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、ＵＯ_２、ＺｒＢ_２、Ｎａ_２Ｏ－Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２－Ａｌ_２Ｏ_３系ガラス、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、炭素、ＳｉＣおよびそれらの組み合わせから成る群より選択される。燃料ペレットは、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ_２）のようなジルコニウム化合物、Ｂ_２Ｏ_３－ＳｉＯ_２系ガラスのようなホウ素化合物、およびジルコニウム化合物とホウ素化合物の組み合わせから成るような可燃性吸収材の上層７６も具備することができる。上層７６と燃料被覆管８０との間に、ヘリウムなどのガスが充填される隙間７８があってもよい。被覆管８０の外面は、水冷式原子炉では通常、水である冷却材８２に取り囲まれている。

【0041】

本発明をいくつかの例に基づいて説明してきたが、いずれの例も、すべての点において限定的ではなく例示的なものである。したがって、本発明は、詳細な実施態様において、通常の技量を有する当業者が本願の説明から導くことができる多くの変形例が可能である。

【0042】

本願で言及したすべての特許、特許出願、刊行物または他の開示資料は、各々の参考文献が参照により明示的に本願に組み込まれるように、その全体が参照により本願に組み込まれる。本願で参照により組み込まれると言及されたすべての参考文献およびあらゆる資料またはそれらの一部分は、本願に記載された既存の定義、言明または他の開示資料と矛盾しない範囲でのみ本願に組み込まれる。したがって、本願に記載の開示事項は、必要な範囲において、それと矛盾する、参照により本願に組み込まれた資料に取って代わり、本願に明示的に記載された開示事項が決定権をもつ。

【0043】

本発明を、さまざまな例示的な実施態様を参照して説明してきた。本願に記載の実施態様は、開示された発明のさまざまな実施態様のさまざまな詳細度の例示的な特徴を示すものとして理解されたい。したがって、特に断らない限り、可能な範囲において、開示した実施態様における１つ以上の特徴、要素、構成部品、成分、構造物、モジュールおよび／または局面は、本発明の範囲から逸脱することなく、当該開示した実施態様における他の１つ以上の特徴、要素、構成部品、成分、構造物、モジュールおよび／または局面との間で、複合、分割、置換えおよび／または再構成が可能であることを理解されたい。したがって、通常の技量を有する当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施態様のいずれにおいてもさまざまな置換え、変更または組み合わせが可能であることを理解するであろう。当業者はまた、本願を検討すれば、本願に記載された本発明のさまざまな実施態様に対する多くの均等物に気付くか、あるいは単に定常的な実験を用いてかかる均等物を確認できるであろう。したがって、本発明は、さまざまな実施態様の説明によってではなく、特許請求の範囲によって限定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】