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(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】P2022024128
(43)【公開日】2022-02-08
(54)【発明の名称】燃料要素のための鋼－バナジウム合金のクラッディング
(51)【国際特許分類】
G21C 3/07 20060101AFI20220201BHJP
G21C 3/06 20060101ALI20220201BHJP
【ＦＩ】
G21C3/07 200
G21C3/06 220
G21C3/06 320
【審査請求】有
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021190069
(22)【出願日】2021-11-24
(62)【分割の表示】P 2019543229の分割
【原出願日】2017-06-14
(31)【優先権主張番号】62/458,377
(32)【優先日】2017-02-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】513313945
【氏名又は名称】テラパワー， エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】ハケット，マイカ，ジェイ．
(72)【発明者】
【氏名】ヴェテリック，グレッグ，エー．
(72)【発明者】
【氏名】シュ，チェン
(57)【要約】 （修正有）
【課題】核物質を外部環境から分離する壁要素として使用するためのバイメタルおよびトライメタルのクラッディングのための様々な構成および構成要素。
【解決手段】鋼－中間層－バナジウムクラッディングであって、鋼の外側層と、バナジウム、バナジウムとチタンとの合金、および、バナジウムとチタンとクロムとの合金から選択される内側層と、前記外側層と前記内側層との間のクロムまたはクロム合金の中間層と、を含むことを特徴とする、鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【選択図】図１０
【解決手段】鋼－中間層－バナジウムクラッディングであって、鋼の外側層と、バナジウム、バナジウムとチタンとの合金、および、バナジウムとチタンとクロムとの合金から選択される内側層と、前記外側層と前記内側層との間のクロムまたはクロム合金の中間層と、を含むことを特徴とする、鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【選択図】図１０
【特許請求の範囲】
【請求項1】
鋼－中間層－バナジウムクラッディングであって、
鋼の外側層と、
バナジウム、バナジウムとチタンとの合金、および、バナジウムとチタンとクロムとの合金から選択される内側層と、
前記外側層と前記内側層との間のクロムまたはクロム合金の中間層と、
を含むことを特徴とする、鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
鋼の外側層と、
バナジウム、バナジウムとチタンとの合金、および、バナジウムとチタンとクロムとの合金から選択される内側層と、
前記外側層と前記内側層との間のクロムまたはクロム合金の中間層と、
を含むことを特徴とする、鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項2】
前記外側層はＴ９２鋼であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項3】
前記内側層は、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉからなることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項4】
前記内側層は、前記外側層の厚さの０．１％から５０％である厚さを有し、前記中間層は、前記外側層の厚さの０．１％から５０％である厚さを有することを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項5】
前記内側層は、前記外側層の厚さの０．１％から５０％までの厚さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項6】
前記中間層は、前記外側層の厚さの０．１％から５０％までの厚さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項7】
前記内側層は、前記外側層の厚さの１％から５％までの厚さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項8】
前記中間層は、前記外側層の厚さの１％から５％までの厚さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項9】
前記内側層は、前記外側層の厚さの１％から５％までの厚さを有し、前記中間層は、前記外側層の厚さの１％から５％までの厚さを有していることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項10】
前記外側層は、鋼－中間層－バナジウムクラッディングの全厚さの少なくとも９９％であり、
前記内側層と前記中間層のそれぞれは、前記外側層の厚さの０．０００１％～０．５％であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
前記内側層と前記中間層のそれぞれは、前記外側層の厚さの０．０００１％～０．５％であることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項11】
鋼－中間層－バナジウムクラッディングは、内表面および外面を有する管の形態であり、前記内側層は、前記管の内表面を形成し、前記外側層は、前記管の外面を形成することを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項12】
さらに、前記管の内部に、ある量の核物質を含むことを特徴とする、請求項１１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項13】
前記核物質が、Ｕ、Ｔｈ、Ａｍ、Ｎｐ、およびＰｕから選択される１つ以上の元素を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項14】
前記核物質が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｎｄ、およびＨｆから選択される少なくとも１つの耐熱材料を含むことを特徴とする、請求項１２に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項15】
前記内側層がバナジウムからなり、前記中間層がクロムからなることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【請求項16】
前記内側層がバナジウムからなり、前記中間層がクロム合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の鋼－中間層－バナジウムクラッディング。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【0001】
本出願は、ＰＣＴ国際出願として２０１７年６月１４日に出願されており、２０１７年２月１３日に出願された米国仮特許出願第６２／４５８，３７７号（発明の名称「燃料要素用鋼－バナジウム合金クラッディング」）に対する優先権の利益を主張する。
【0002】
核燃料が原子炉で使用される場合、該核燃料には、通常、クラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）が設けられている。上記クラッディングは、燃料を収容するために、および／または、燃料が外部環境と相互作用することを防止するために設けられてもよい。例えば、幾つかの核燃料は、冷却材その他の材料との化学的反応性を有しているが、そうではない場合、上記冷却材その他の材料と接触してもよく、上記クラッディングがセパレータとして作用しなくてもよい。
【0003】
上記クラッディングは、構造的要素であってもよいし、なくてもよい。例えば、或る場合には、核燃料は、例えばウラン金属または二酸化ウランの固体ロッドのような固体の構造的要素であり、上記クラッディングは、本質的には、固体燃料の表面に塗布されるコーティングである。他の場合には、核燃料は、液状の形態、粉末の形態、或いは、例えばペレットまたは粒子のような集合体の形態であってもよく、これは、構造的クラッディング内に封じ込めることを必要としてもよい。いずれの場合も、上記クラッディングは、上記燃料が内部に配置される管、箱、または容器の形態となってもよい。上記燃料と上記クラッディングとの組合せは、多くの場合、「燃料要素」、「燃料棒」、または「燃料ピン」と称される。
【0004】
金属燃料システムにおける燃料クラッド化学的相互作用（ｆｕｅｌ ｃｌａｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）（ＦＣＣＩ）は、上記燃料と上記クラッド構成要素との間における化学反応による燃料要素の劣化を指す。上記化学的相互作用は、少なくとも部分的に、上記クラッディングから上記燃料へ、或いは上記燃料から上記クラッディングへの化学種（ｓｐｅｃｉｅｓ）の多成分相互拡散に起因する。具体的には、拡散対の実験および照射の実験の両方により、クラッド構成要素（鉄およびニッケル）の上記燃料への移動が実証されている。一方、核分裂生成物（主に、セリウム、ネオジム、およびプラセオジムのようなランタニド）は、外側に拡散して上記クラッドに移動する。
【0005】
ＦＣＣＩは、２つの主要な懸念をもたらす。すなわち、脆性金属間化合物の形成および上記クラッディングの損耗／薄化からクラッドの機械的特性が低下すること、および、上記燃料およびクラッドの界面内に比較的低融点の組成物が形成されることである。これらの懸念は、最終的には、上記燃料システムの性能限界に影響を及ぼし、内部燃料被覆最高温度（ｐｅａｋ ｉｎｎｅｒ ｃｌａｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ）（ＰＩＣＴ）は、３３ａｔ％のＦｅで形成されるウラン－鉄共晶の低融点（７２５℃）によって影響される。さらに、ＥＢＲ－ＩＩで照射されたロッドの燃料供給領域におけるクラッディング破損の発生により、破損位置に隣接する広範なＦＣＣＩ（上記クラッド内への最大１７０μｍまでの貫通）が示され、ＦＣＣＩがこれらの破損の主要な原因であることが示唆された。
【0006】
ナトリウム結合ド型金属燃料ピンは、管理可能な量のＦＣＣＩで、最大２０ａｔ％で燃焼度を最大限とするために照射されているが、該照射は、通常、２～４年にわたって行われている。進行波炉（ＴＷＲ）の用途に必要とされるより高いピーク燃焼度（３０ａｔ％）を超えると、所定の温度での使用時間が延長されることにより、ＦＣＣＩによる劣化の懸念がいっそう大きくなる。
【0007】
〔図面の簡単な説明〕
本出願の一部を形成する以下の図面は、記載された技術を例示するものであり、特許請求の範囲に種々の形態で記載された本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明の範囲は、本願に添付の特許請求の範囲に基づくべきである。
本出願の一部を形成する以下の図面は、記載された技術を例示するものであり、特許請求の範囲に種々の形態で記載された本発明の範囲を限定することを意図するものではない。本発明の範囲は、本願に添付の特許請求の範囲に基づくべきである。
【0008】
図１は、クラッディングまたは壁要素の縦断面（ｌｉｎｅａｒ ｓｅｃｔｉｏｎ）を示す切り欠き図であり、構造的な外層を有するクラッディングの２層構造を示すものである。
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
図５は、クラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、構造的な内部バナジウム合金層を有するクラッディングの２層構造を示すものである。
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
図９は、別の実施形態のクラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、３層構造を有するものである。
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
図１３は、上述のような、外部環境から核物質を分離するための２層または３層の壁要素を製造する方法を示す図である。
【0021】
図１４ａは、核燃料アセンブリを示す図である。
【0022】
図１４ｂは、燃料要素の詳細を示す図である。
【0023】
図１５Ａは、炭素がドープされたバナジウムの第１層の一方の側と、ＨＴ９鋼の第２の層の他方の側とに電気めっきされたＮｉの中間層を有するトライメタルのクラッディングを示す顕微鏡写真である。
【0024】
図１５Ｂは、炭素がドープされたバナジウムの第１層の一方の側と、ＨＴ９鋼の第２の層の他方の側とに電気めっきされたＮｉの中間層を有するトライメタルのクラッディングを示す顕微鏡写真である。
【0025】
【0026】
〔発明の詳細な実施形態〕
本開示によって、核物質を外部環境から分離する壁要素として使用するためのバイメタルおよびトライメタル（ｔｒｉｍｅｔａｌｌｉｃ）のクラッディングに関する様々な構成および構成要素が説明される。上記クラッディングの材料は、核燃料要素のためのクラッディングとしての利用に適しており、特に、核燃料と反応する傾向を有するナトリウムその他の冷却材或いは環境に曝される燃料要素のためのクラッディングとしての利用に適している。
本開示によって、核物質を外部環境から分離する壁要素として使用するためのバイメタルおよびトライメタル（ｔｒｉｍｅｔａｌｌｉｃ）のクラッディングに関する様々な構成および構成要素が説明される。上記クラッディングの材料は、核燃料要素のためのクラッディングとしての利用に適しており、特に、核燃料と反応する傾向を有するナトリウムその他の冷却材或いは環境に曝される燃料要素のためのクラッディングとしての利用に適している。
【0027】
〔２層鋼・バナジウム合金クラッディング〕
〔炭素ドープされたバナジウムライナを有する構造的鋼層〕
図１は、クラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、上記クラッディングの２層構造を示すものである。クラッディング１００は、反応性の外部環境から核燃料を分離する任意の構造的構成要素の一部であってもよい。例えば、クラッディング１００は、核燃料を収容する管、容器、その他任意の形状の貯蔵コンテナにおける壁の一部であってもよい。代替の実施形態では、上記クラッディングは、コンテナの壁部である代わりに、固体核燃料の表面に何らかの付着技術またはクラッディング技術によって生成された層であってもよい。これらの技術は、ごく少数の例を挙げるとすれば、電気めっき、溶射コーティング、化学蒸着、スパッタリング、イオン注入、イオンプレーティング、スパッタ蒸着、レーザ表面合金化、ホットディッピング、およびアニーリングのように、当該技術分野で周知であり、所望の最終的なクラッディング特性に依存して、任意の好適な技法を使用することができる。
〔炭素ドープされたバナジウムライナを有する構造的鋼層〕
図１は、クラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、上記クラッディングの２層構造を示すものである。クラッディング１００は、反応性の外部環境から核燃料を分離する任意の構造的構成要素の一部であってもよい。例えば、クラッディング１００は、核燃料を収容する管、容器、その他任意の形状の貯蔵コンテナにおける壁の一部であってもよい。代替の実施形態では、上記クラッディングは、コンテナの壁部である代わりに、固体核燃料の表面に何らかの付着技術またはクラッディング技術によって生成された層であってもよい。これらの技術は、ごく少数の例を挙げるとすれば、電気めっき、溶射コーティング、化学蒸着、スパッタリング、イオン注入、イオンプレーティング、スパッタ蒸着、レーザ表面合金化、ホットディッピング、およびアニーリングのように、当該技術分野で周知であり、所望の最終的なクラッディング特性に依存して、任意の好適な技法を使用することができる。
【0028】
使用される製造技術にかかわらず、図１に示されるクラッディング１００は、２つの材料の層１０２、１０４、すなわち、第１の層１０２と、上記クラッディングの構造的要素である第２の構造層１０４とからなる。第１の層１０２は、上記燃料を構造層１０４から分離し、或いは、燃料が未だ供給されていない場合に燃料が配置される格納領域を構造層１０４から分離する。第１の層１０２は、構造層１０４を燃料との接触から保護するきせ金（ｌｉｎｅｒ）として機能する。第２の層１０４は、第１の層１０２と外部環境との間に存在する。従って、第１の層１０２は、一方の表面が上記燃料に曝され、他方の表面が第２の層１０４に曝される材料の層であり、一方、第２の層１０４は、第１の層との対向面と、上記外部環境に曝される表面とを有する。
【0029】
図１に示すクラッディング１００が有する第１の層１０２の材料は、第１の層１０２と貯蔵される上記燃料との両方の特性に対するＦＣＣＩの影響を低減するように選択され、かつ、第２の層１０４と第１の層１０２との間の有害な化学的相互作用の影響を低減するように選択される。一実施形態では、第１の層１０２は炭素ドープバナジウムであり、上記第２の層は鋼である。上記鋼の層と上記炭素ドープバナジウムの層との間の相互作用を低減するために、一実施形態では、上記炭素ドープバナジウムは、少なくとも０．００１ｗｔ％（１０ｐｐｍ）の炭素でドープされる。これにより、上記鋼にて観察される脱炭素の量が低減して、燃料要素として使用されている間の上記鋼の劣化が低減するであろう。
【0030】
一実施形態では、上記炭素ドープバナジウムは、少なくとも９９．０ｗｔ％のＶと、０．００１～０．５ｗｔ％のＣと、残りの他の元素とからなるバナジウム炭素合金である。ここで、上記炭素ドープバナジウムにおける上記他の元素のいずれもが０．１ｗｔ％以下であり、上記他の元素の総量は、０．５ｗｔ％を超えない。より純粋な実施形態では、上記他の元素の総量（すなわち、ＶまたはＣではない組成物の総量）は、上記合金の０．０５、０．０２５、または０．０１ｗｔ％を超えない。或る具体的な実施形態では、例えば、上記炭素の範囲は０．１～０．３ｗｔ％のＣであり、上記他の元素（ＶまたはＣではない全て）の総量は０．５ｗｔ％未満であり、残りはＶである。別の具体的な実施形態では、例えば、上記炭素の範囲は０．１～０．３ｗｔ％のＣであり、上記他の元素（ＶまたはＣではない全て）の総量は０．１ｗｔ％未満であり、残りはＶである。
【0031】
鋼層１０４は、任意の適切な鋼とすることができる。適切な鋼の例には、マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、ＦｅＣｒＡｌ合金、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、ＨＴ９鋼、３１６鋼、および３０４鋼が含まれる。上記鋼は、任意の種類の微細構造を有することができる。例えば、一実施形態では、層１０４内の略全ての鋼は、焼戻しマルテンサイト相、フェライト相、およびオーステナイト相から選択される少なくとも１つの相を有する。一実施形態では、上記鋼は、ＨＴ９鋼またはＨＴ９鋼の改質版である。
【0032】
一実施形態では、改質型ＨＴ９鋼は、９．０～１２．０ｗｔ％のＣｒ、０．００１～２．５ｗｔ％のＷ、０．００１～２．０ｗｔ％のＭｏ、０．００１～０．５ｗｔ％のＳｉ、０．５ｗｔ％までのＴｉ、０．５ｗｔ％までのＺｒ、０．５ｗｔ％までのＶ、０．５ｗｔ％までのＮｂ、０．３ｗｔ％までのＴａ、０．１ｗｔ％までのＮ、０．３ｗｔ％までのＣ、および、０．０１ｗｔ％までのＢであり、残りはＦｅおよび他の元素である。ここで、上記鋼に含まれる上記他の元素のそれぞれは、０．１５ｗｔ％未満であり、上記他の元素の総量は０．３５ｗｔ％を超えない。他の実施形態では、上記鋼は、Ｓｉの範囲が０．１～０．３ｗｔ％のようにより狭くてもよい。鋼層１０４の上記鋼には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａまたはＢの炭化物析出物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの窒化物析出物、および／または、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの炭窒化物析出物のうちの１つ以上が含まれてもよい。
【0033】
図２は、図１の上記クラッディングの管状の実施形態を示す。図示の実施形態では、壁要素２００は、内面および外面を有する管の形態であり、炭素ドープバナジウムの第１の層２０２が上記管の内面を形成し、鋼の第２の層２０４が上記管の外面を形成する。燃料貯蔵領域は、上記管の中央に存在する。従って、上記管内の燃料は、反応性の外部環境から保護されると同時に、鋼層１０４が燃料から分離される。
【0034】
本明細書にて壁要素という一般的な用語を使用することにより、管、容器、または他の形状のコンテナが、図１に示すように、クラッディング１００における異なる複数の壁または壁部を有してもよいということが認識される。すなわち、上記コンテナの形状は、容器を形成するための１つ以上の連続的に接続された壁要素によって定義される。しかし、クラッディングの実施形態には、図１に示されるようなクラッディング１００の壁要素と同様に、クラッディング１００ではない材料で構成される１つ以上の壁要素を有するものが含まれる。例えば、管は、図１および図２に記載されたクラッディング１００の筒状壁要素を有するが、端壁が異なる構造であってもよい。同様に、立方体形状の燃料コンテナは、側壁および底壁が図１に示すような構造であるが、頂部が異なる構造であってもよい。
【0035】
図３は、図１の上記壁要素を示すが、図３では核物質３１０が炭素ドープバナジウム層３０２と接触している。なお、核物質３１０は核燃料を含むがこれに限定されるものではない。鋼層３０４は、上記クラッディングに望ましい強度特性を提供するのに必要な任意の厚さ（すなわち、反応性の環境に曝される鋼層３０４の外面とバナジウム層３０２との間の最短距離）であってもよい。炭素ドープバナジウム層３０２の厚さは、薄いコーティングの厚さ（構造層３０４の厚さの０．１％）から構造層３０４の厚さの５０％の厚さまでであってもよい。例えば、上記炭素ドープバナジウム層の実施形態では、厚さの範囲は、上記鋼層の厚さのパーセンテージとして、低端における０．１％、０．５％、１．０％、２．５％、５％、１０％、１５％、２０％および２５％から、高端における５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、４５％および５０％までである。上記壁要素の実施形態は、上述で提供された上限および下限の任意の組み合わせである範囲を含む。例えば、上述で具体的に含む炭素ドープバナジウム層の実施形態は、上記鋼層の厚さの１～５％、０．１～１０％、２０～４５％、および０．１～５０％の範囲を有する。しかし、上記炭素ドープバナジウム層の厚さに関係なく、壁要素３００の主要な構造的要素は鋼層３０４である。
【0036】
同様に、図４は、図２の上記クラッディングの管状の実施形態を示すが、図４では核物質４１０が管４００の中空中央に存在する。なお、核物質４１０は核燃料を含むがこれに限定されるものではない。また、鋼層４０４は、上記クラッディングに望ましい強度特性を提供するのに必要な任意の厚さであってもよい。炭素ドープバナジウム層４０２の厚さは、薄いコーティングの厚さ（構造層４０４の厚さの０．１％）から構造層４０４の厚さの５０％の厚さまでであってもよい。しかし、上記炭素ドープバナジウム層の厚さに関係なく、壁要素４００の主要な構造的要素は鋼層４０４である。
【0037】
代替の実施形態では、図１～図４に示す上記クラッディングには、上記鋼構造層と上記炭素ドープバナジウム層との間に第３の中間層が設けられて、上記鋼と上記炭素ドープバナジウムとの間の相互作用がさらに低減されてもよい。適切な中間層の実施形態は、図９～図１２を参照して以下に説明される。
【0038】
本出願の目的のために、核物質は、核燃料として使用できるかどうかにかかわらず、アクチニドを含有する任意の物質を含む。従って、任意の核燃料は核物質であるが、より広義には、微量以上のＵ、Ｔｈ、Ａｍ、Ｎｐ、および／またはＰｕを含有する任意の物質は核物質である。核物質の他の例には、使用済み燃料、劣化ウラン、イエローケーキ、二酸化ウラン、ジルコニウムおよび／またはプルトニウムを有する金属ウラン、二酸化トリウム、トリアナイト、四塩化ウランおよび／または三塩化ウランを含有する塩などの塩化ウラン塩が含まれる。
【0039】
一方、核燃料は、任意の核分裂性物質を含む。核分裂性物質は、低エネルギー熱中性子または高エネルギー中性子に曝されると核分裂を経ることが可能な任意の核種を含む。さらに、核分裂性物質は、任意の核分裂性物質、任意の親物質、または核分裂性物質と親物質との組み合わせを含む。核分裂性物質は、金属および／または金属合金を含むことができる。一実施形態では、上記燃料は金属燃料であってもよい。金属燃料は、比較的高い重金属負荷と優れた中性子経済とをもたらすことができ、これは、核分裂原子炉の増殖および燃焼処理にとって望ましいことが理解され得る。用途に応じて、燃料は、Ｕ、Ｔｈ、Ａｍ、Ｎｐ、およびＰｕから選択される少なくとも１つの元素を含んでもよい。一実施形態では、上記燃料は、少なくとも約９０ｗｔ％のＵ、例えば、少なくとも９５ｗｔ％、９８ｗｔ％、９９ｗｔ％９９．５ｗｔ％、９９．９ｗｔ％、９９．９９ｗｔ％、またはそれ以上のＵを含んでもよい。さらに、上記燃料は耐熱性物質を含んでもよく、該耐熱性物質は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、およびＨｆから選択される少なくとも１つの元素を含んでもよい。一実施形態では、上記燃料は、ホウ素、ガドリニウム、またはインジウムなどの追加の可燃性毒を含んでもよい。さらに、照射中に上記燃料を寸法的に安定させ、上記クラッディングの低温共晶および腐食損傷を抑制するために、金属燃料は約３ｗｔ％～約１０ｗｔ％のジルコニウムで合金化されてもよい。
【0040】
上記核物質が分離される反応性の環境または物質の例には、ＮａＣｌ－ＭｇＣｌ２、Ｎａ、ＮａＫ、臨界超過のＣＯ２、鉛、および鉛ビスマス共晶などの原子炉冷却材が含まれる。
【0041】
〔鋼のきせ金を有する構造的バナジウム合金層〕
図５は、クラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、構造的な内部バナジウム合金層を有するクラッディングの２層構造を示すものである。この場合も、クラッディング５００は、反応性の外部環境から核燃料を分離する任意の構造的構成要素の一部であってもよい。例えば、クラッディング５００は、核燃料を収容する管、容器、その他任意の形状の貯蔵コンテナにおける壁の一部であってもよい。代替の実施形態では、上記クラッディングは、コンテナの壁部である代わりに、固体核燃料の表面に何らかの付着技術またはクラッディング技術によって生成された層であってもよい。これらの技術は、ごく少数の例を挙げるとすれば、電気めっき、溶射コーティング、化学蒸着、スパッタリング、イオン注入、イオンプレーティング、スパッタ蒸着、レーザ表面合金化、ホットディッピング、およびアニーリングのように、当該技術分野で周知であり、所望の最終的なクラッディング特性に依存して、任意の好適な技法を使用することができる。
図５は、クラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、構造的な内部バナジウム合金層を有するクラッディングの２層構造を示すものである。この場合も、クラッディング５００は、反応性の外部環境から核燃料を分離する任意の構造的構成要素の一部であってもよい。例えば、クラッディング５００は、核燃料を収容する管、容器、その他任意の形状の貯蔵コンテナにおける壁の一部であってもよい。代替の実施形態では、上記クラッディングは、コンテナの壁部である代わりに、固体核燃料の表面に何らかの付着技術またはクラッディング技術によって生成された層であってもよい。これらの技術は、ごく少数の例を挙げるとすれば、電気めっき、溶射コーティング、化学蒸着、スパッタリング、イオン注入、イオンプレーティング、スパッタ蒸着、レーザ表面合金化、ホットディッピング、およびアニーリングのように、当該技術分野で周知であり、所望の最終的なクラッディング特性に依存して、任意の好適な技法を使用することができる。
【0042】
使用される製造技術にかかわらず、図５に示されるクラッディング５００は、２つの材料の層５０２、５０４からなる。第１の層５０２は、上記クラッディングの主要な構造的要素であり、上記燃料を第２の層５０４から分離し、或いは、燃料が未だ供給されていない場合に燃料が配置される格納領域を第２の層５０４から分離する。第２の層５０４は、第１の層５０２と外部環境との間に存在する。従って、第１の層５０２は、一方の表面が上記燃料に曝され、他方の表面が第２の層５０４に曝される材料の層であり、一方、第２の層５０４は、第１の層との対向面と、上記外部環境に曝される表面とを有する。
【0043】
図１～図４を参照して上述した上記クラッディングと同様に、図５に示すクラッディング５００が有する第１の層５０２の材料は、第１の層５０２と貯蔵される上記燃料との両方の構造特性に対するＦＣＣＩの影響を低減するように選択され、また、第２の層５０４と第１の層５０２との間の有害な化学的相互作用の影響を低減するように選択される。
【0044】
一実施形態では、第１の層５０２は、少なくとも９０％のＶを含むバナジウム合金であり、第２の層５０４は、鋼である。第１の層５０２に使用され得るバナジウム合金には、バナジウム炭素合金、Ｖ－２０Ｔｉ、Ｖ－１０Ｃｒ－５Ｔｉ、Ｖ－１５Ｃｒ－５Ｔｉ、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ ＮＩＦＳ Ｈｅａｔｓ１＆２、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ ＵＳＨｅａｔｓ８３２６６５＆８９２３８６４、および、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ Ｈｅａｔ ＣＥＡ－Ｊ５７が含まれるが、これらに限定されるものではない。一実施形態では、上記バナジウム合金は、３．０～５．０ｗｔ％のＣｒ、３．０～５．０ｗｔ％のＴｉ、および０．０２ｗｔ％以下のＣを含み、残りはＶおよび他の元素である。ここで、上記バナジウム合金に含まれる上記他の元素のそれぞれは、０．１ｗｔ％以下であり、上記他の元素の総量は、０．５ｗｔ％を超えない。この純粋性要件は、例えばＴｉの二重若しくは三重溶融、またはＶの電気精製のような、ＶおよびＴｉの特殊精製を必要としてもよい。より純粋な実施形態では、上記他の元素の総量は、上記合金の０．４、０．２５、または０．１ｗｔ％さえも超えない。上記炭素の範囲は、上記実施形態に依存するが、０．０００１～０．０２ｗｔ％Ｃであってもよい。上記バナジウム合金は、Ｃｒ、Ｔｉおよび／または他の元素の１つ以上の炭化物析出物を含んでも良い。
【0045】
或る具体的なＶ－４Ｃｒ－４Ｔｉの実施形態が、以下の表１に提供される。
【0046】
【表1】
【0047】
鋼層５０４は、図１～図４を参照して上述したように、任意の適切な鋼であってもよい。例えば、一実施形態では、上記鋼は、９．０～１２．０ｗｔ％のＣｒ、０．００１～２．５ｗｔ％のＷ、０．００１～２．０ｗｔ％のＭｏ、０．００１～０．５ｗｔ％のＳｉ、０．５ｗｔ％までのＴｉ、０．５ｗｔ％までのＺｒ、０．５ｗｔ％までのＶ、０．５ｗｔ％までのＮｂ、０．３ｗｔ％までのＴａ、０．１ｗｔ％までのＮ、０．３ｗｔ％までのＣ、および０．０１ｗｔ％までのＢを有し、残りがＦｅおよび他の元素である改質型ＨＴ９鋼である。ここで、上記鋼に含まれる上記他の元素のそれぞれは、０．１５ｗｔ％以下であり、上記他の元素の総量は０．３５ｗｔ％を超えない。他の実施形態では、上記鋼は、Ｓｉの範囲が０．１～０．３ｗｔ％のようにより狭くてもよい。鋼層１０４の上記鋼には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａまたはＢの炭化物析出物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの窒化物析出物、および／またはＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの炭窒化物析出物のうちの１つ以上が含まれてもよい。
【0048】
上述したように、バナジウム合金層５０２は、上記クラッディングの主要な構造的要素である。すなわち、バナジウム合金層５０２は、燃料要素の形状を維持し、かつ、クラッディングの破損および核物質の放出を防止する固体構造の大部分を提供する層である。鋼層５０４は、バナジウム合金層５０２の外面における鋼のコーティングに過ぎない。これらの実施形態では、上記バナジウム合金層は、鋼層５０４の少なくとも２倍の厚さである。すなわち、鋼層５０４は、バナジウム合金層５０２の厚さの０．００１％程度であってもよく、バナジウム合金層５０２の厚さの５０％までであってもよい。様々な実施形態では、上記鋼層の厚さは、バナジウム合金層５０２の厚さの０．０１％、０．１％または１％から、バナジウム合金層５０２の厚さの５％、１０％、１５％、２０％または２５％までとしてもよい。
【0049】
図６は、図５の上記クラッディングの管状の実施形態を示す。図示の実施形態では、壁要素６００は、内面および外面を有する管の形態であり、バナジウム合金の第１の層６０２は、上記管の内面を形成し、鋼の第２の層６０４は、上記管の外面を形成する。燃料貯蔵領域は、上記管の中央領域に存在する。従って、上記管内の燃料は、反応性の外部環境から保護されると同時に、鋼層６０４が上記燃料から分離される。また、本明細書にて壁要素という一般的な用語を使用することにより、管、容器、または他の形状のコンテナが、図５に示すように、クラッディング５００における異なる複数の壁または壁部を有してもよいということが認識される。
【0050】
図７は、図５の上記壁要素を示すが、図７では核物質７１０がバナジウム層７０２と接触している。なお、核物質７１０は核燃料を含むがこれに限定されるものではない。また、鋼層７０４の厚さは、薄いコーティングの厚さからバナジウム合金構造層７０２の厚さの５０％の厚さまでであってもよい。
【0051】
図８は、同様に、図６の上記クラッディングの管状の実施形態を示すが、図８では核物質８１０が管８００の中空中央に存在する。なお、核物質８１０は核燃料を含むがこれに限定されるものではない。また、鋼層８０４の厚さは、薄いコーティングの厚さからバナジウム層８０２の厚さの５０％の厚さまでであってもよい。しかし、主要な構造的要素はバナジウム合金層８０２である。
【0052】
代替の実施形態では、図５～図８に示す上記クラッディングには、上記バナジウム合金構造層と上記鋼層との間に第３の中間層を設けられて、上記鋼と上記バナジウム合金との間の相互作用をさらに低減されてもよい。適切な中間層の実施形態は、図９～図１２を参照して以下に説明される。
【0053】
〔３層の鋼－バナジウムのクラッディング〕
また、バイメタルのクラッディングの上記実施形態に加えて、上述のクラッディングのトライメタル版が有用であり得る。トライメタルのクラッディングの実施形態は、上述の上記鋼層および上記バナジウム層の間の相互作用を低減するために、上記鋼層および上記バナジウム層の間に中間層を設けることを含む。これらの実施形態は、上記鋼層が上記構造層であるクラッディングと、上記バナジウム層がバナジウム合金であり、上記構造層として機能するクラッディングとを含む。いずれの実施形態においても、上記中間層は、上記鋼と上記バナジウムとの間の相互作用を防止する障壁として機能する。上記鋼層が上記クラッディングの上記構造的要素である実施形態では、本明細書に記載のバナジウム材料のいずれもがバナジウム層に適している。図９～図１２には、中間層と構造的鋼層とを有する上記トライメタルのクラッディングの実施形態が具体的に例示されているが、本明細書では、複数のトライメタルのクラッディングの実施形態が説明されている。
また、バイメタルのクラッディングの上記実施形態に加えて、上述のクラッディングのトライメタル版が有用であり得る。トライメタルのクラッディングの実施形態は、上述の上記鋼層および上記バナジウム層の間の相互作用を低減するために、上記鋼層および上記バナジウム層の間に中間層を設けることを含む。これらの実施形態は、上記鋼層が上記構造層であるクラッディングと、上記バナジウム層がバナジウム合金であり、上記構造層として機能するクラッディングとを含む。いずれの実施形態においても、上記中間層は、上記鋼と上記バナジウムとの間の相互作用を防止する障壁として機能する。上記鋼層が上記クラッディングの上記構造的要素である実施形態では、本明細書に記載のバナジウム材料のいずれもがバナジウム層に適している。図９～図１２には、中間層と構造的鋼層とを有する上記トライメタルのクラッディングの実施形態が具体的に例示されているが、本明細書では、複数のトライメタルのクラッディングの実施形態が説明されている。
【0054】
図９は、別の実施形態のクラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、３層構造を有するものである。上述したクラッディングの実施形態と同様に、第１の層９０２に使用されるバナジウム材料は、第１の層９０２の特性と、燃料要素に使用される燃料の特性との両方に対するＦＣＣＩの影響を低減するように再び選択される。また、外層９０４は、上述のように鋼である。
【0055】
図示のクラッディング９００では、真ん中の層すなわち中間層９０６は、鋼層９０４とバナジウム層９０２との間のきせ金として機能する。図示の実施形態では、鋼層９０４は、燃料クラッディング９００の主要な構造的構成要素である。本実施形態では、鋼層９０４は、最も厚い層であり、その結果、クラッディング９００のための構造的支持を提供する。鋼層９０４は、クラッディング９００の全厚さの５０％以上であってもよい。例えば、鋼層９０４の実施形態では、下限は、クラッディング９００の全厚さの５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、９０％、９５％、９９％、さらには９９．９％である。上限は、１００％よりも或る量だけ少なく制限され、該或る量は、上記中間層および上記バナジウム層は、ＦＣＣＩからの或る程度の保護を提供するのに十分な量である。例えば、上限は、クラッディング９００の全厚さの７５％、８０％、９０％、９５％、９９％、９９．９％、さらには９９．９９９％の中から考えられる。残りの厚さは、他の２つの層によって形成される。従って、広義の実施形態では、上記クラッディングは、冷却材と対向する厚い鋼層と、薄い燃料側バナジウム合金または炭素ドープバナジウム層と、２つの上記層の間の薄い保護層と考えてもよい。ここで、「薄い」とは、上記クラッディングの全厚さの１０％以下を意味する。例えば、一実施形態では、クラッディング９００の鋼層９０４は、具体的には、上記クラッディング全体の厚さの少なくとも９９％であり、中間層９０６およびバナジウム合金層９０２のそれぞれは、上記クラッディング全体の厚さの０．０００１％～０．９％である。
【0056】
【0057】
【0058】
中間層９０６を形成する材料について、該材料とバナジウム合金層９０２との化学的相互作用は、鋼層９０４内の鋼とバナジウム合金層９０２との化学的相互作用よりも低い。このようにして、中間層９０６は、燃料側のバナジウム層９０２と外側の鋼層９０４との間の保護障壁として機能する。
【0059】
一実施形態では、中間層９０６の材料は、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウム、またはジルコニウム合金から選択される。ニッケルの実施形態では、上記材料は、略純粋であり、すなわち、少なくとも９９．９ｗｔ％がＮｉであり、残りが他の元素である。ここで、上記材料が上記他の元素のそれぞれを０．０５ｗｔ％以下含み、かつ、上記他の元素の総量が０．１ｗｔ％を超えない。より純粋な実施形態では、上記他の元素の総量は、上記材料の０．０２５、０．０１、または０．００５ｗｔ％を超えない。ニッケル合金の実施形態では、上記材料は、少なくとも９０．０ｗｔ％がＮｉであり、残りが他の元素である。ここで、上記材料は、上記他の元素のそれぞれを５．０ｗｔ％以下含み、かつ、上記他の元素の総量は１０．０ｗｔ％を超えない。より純粋な実施形態では、上記他の元素の総量は、上記ニッケル合金の２．５、１、または０．５ｗｔ％を超えない。
【0060】
クロムの実施形態では、上記材料は、略純粋であり、すなわち、少なくとも９９．９ｗｔ％がＣｒであり、残りが他の元素である。ここで、上記材料が上記他の元素のそれぞれを０．０５ｗｔ％以下含み、かつ、上記他の元素の総量が０．１ｗｔ％を超えない。より純粋な実施形態では、上記他の元素の総量は、上記材料の０．０２５、０．０１、または０．００５ｗｔ％を超えない。クロム合金の実施形態では、上記材料は、少なくとも９０．０ｗｔ％がＣｒであり、残りが他の元素である。ここで、上記材料は、上記他の元素のそれぞれを５．０ｗｔ％以下含み、かつ、上記他の元素の総量は１０．０ｗｔ％を超えない。より純粋な実施形態では、上記他の元素の総量は、上記クロム合金の２．５、１、または０．５ｗｔ％を超えない。
【0061】
ジルコニウムの実施形態では、上記材料は、略純粋であり、すなわち、少なくとも９９．９ｗｔ％がＺｒであり、残りが他の元素である。ここで、上記材料が上記他の元素のそれぞれを０．０５ｗｔ％以下含み、かつ、上記他の元素の総量が０．１ｗｔ％を超えない。より純粋な実施形態では、上記他の元素の総量は、上記材料の０．０２５、０．０１、または０．００５ｗｔ％を超えない。ジルコニウム合金の実施形態では、上記材料は、少なくとも９０．０ｗｔ％がＺｒであり、残りが他の元素である。ここで、上記材料は、上記他の元素のそれぞれを５．０ｗｔ％以下含み、かつ、上記他の元素の総量は１０．０ｗｔ％を超えない。より純粋な実施形態では、上記他の元素の総量は、上記クロム合金の２．５、１、または０．５ｗｔ％を超えない。
【0062】
図示の実施形態では、上記鋼層は、上記クラッディングの構造的支持体であり、図１～図４を参照して上述したような厚さを有する。また、中間層９０６およびバナジウム層９０２は、上記クラッディングのより薄い層である。図示しない実施形態では、バナジウム層９０２は、より厚い構造層であり、図５～図８を参照して説明したような厚さを有する。また、中間層９０６および鋼層９０４は、上記クラッディングのより薄い層である。しかしながら、図１～図８と同様に、鋼層９０４は外側の層であり、バナジウム層９０２は内側の層である。
【0063】
図１０は、図９の上記クラッディングの管状の実施形態を示す。図示の実施形態では、壁要素１０００は、内面および外面を有する管の形態であり、バナジウム合金の第１の層１００２は上記管の内面を形成し、鋼の第２の層１００４は上記管の外面を形成し、第１の層および第２の層は中間層１００６によって分離されている。燃料貯蔵領域は、上記管の中央領域に存在する。従って、上記管内の燃料は、反応性の外部環境から保護されると同時に、鋼層１００４が上記燃料から分離される。また、本明細書にて壁要素という一般的な用語を使用することにより、管、容器、または他の形状のコンテナが、図９に示すように、クラッディング９００における異なる複数の壁または壁部を有してもよいということが認識される。
【0064】
図１１は、図９の上記壁要素を示すが、図１１では核物質１１１０が壁要素１１００のバナジウム層１１０２と接触している。なお、核物質１１１０は核燃料を含むがこれに限定されるものではない。バナジウム層１１０２は、中間層１１０６によって鋼層１１０４から分離されている。
【0065】
図１２は、同様に、図９の上記クラッディングの管状の実施形態を示すが、図１２では、核物質１２１０が管１２００の中空中央に存在する。なお、核物質１２１０は核燃料を含むが、これに限定されるものではない。また、バナジウム層１２０２は、中間層１２０６によって鋼層１２０４から分離されている。
【0066】
上記の３層の鋼－バナジウムのクラッディングが有する利点は、（ａ）該クラッディングが有する鋼の外層によって、燃料要素が反応性の冷却材環境に曝されることから保護される点と、（ｂ）燃料側バナジウム合金層によりＦＣＣＩが低減される点とに存在する。主な構造的要素は、上記鋼層または上記バナジウム層のいずれかであってもよい。
【0067】
図１３は、上述のような、核物質を外部環境から分離するための２層または３層の壁要素を製造する方法を示す。方法１３００は、第１の層を製造することを含み、第１の層は、第１の層の製造工程１３０２において、少なくとも鋼層を含む。次に、第１の層は、第２の層に接続され、第２の層は、層の接続工程１３０４において、バナジウム合金の少なくとも１つの層を含む。
【0068】
層の接続工程１３０４の一実施形態では、上記バナジウム層は、第２の層を第１の層に接続する前に製造される。層の接続工程１３０４の代替の実施形態では、第２の層を第１の層上に堆積させることによって第２の層が生成される。
【0069】
層の接続工程１３０４の一実施形態では、第２の層は、上記バナジウム合金層のみからなり、上記鋼層を上記バナジウム合金層に直接接続することを含む。
【0070】
第１の層の構築工程１３０２の一実施形態では、第１の層を製造することは、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウム、またはジルコニウム合金によって形成された第３の層に接続された上記鋼層からなる第１の層を製造することを含む。そして、層接続工程１３０４は、第３の層が上記鋼層と上記バナジウム合金層との間に存在するように、第１の層を第２の層に接続することを含む。
【0071】
代替の実施形態では、第２の層は、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウム、またはジルコニウム合金の第３の層に接続されたバナジウム合金層からなり、層の接続工程１３０４は、第３の層が上記鋼層と上記バナジウム合金層との間に存在するように、第１の層を第２の層に接続することを含む。
【0072】
〔燃料要素および燃料アセンブリ〕
図１４ａは、上述のクラッディングの１つ以上を利用する核燃料アセンブリ１０の部分図を提供する。図示のように、燃料アセンブリ１０は、格納構造１６内に保持された個々の燃料要素（すなわち「燃料棒」または「燃料ピン」）１１を多数含む。図１４ｂは、一実施形態による燃料要素１１の部分図を提供する。この実施形態に示すように、上記燃料要素は、クラッディング１３と、燃料１４と、幾つかの例では少なくとも１つのギャップ１５とを含む。クラッディング１３は、単一の要素として図示されているが、上述の２層または３層クラッディングによって全体的に構成され、或いは少なくとも部分的に構成される。
図１４ａは、上述のクラッディングの１つ以上を利用する核燃料アセンブリ１０の部分図を提供する。図示のように、燃料アセンブリ１０は、格納構造１６内に保持された個々の燃料要素（すなわち「燃料棒」または「燃料ピン」）１１を多数含む。図１４ｂは、一実施形態による燃料要素１１の部分図を提供する。この実施形態に示すように、上記燃料要素は、クラッディング１３と、燃料１４と、幾つかの例では少なくとも１つのギャップ１５とを含む。クラッディング１３は、単一の要素として図示されているが、上述の２層または３層クラッディングによって全体的に構成され、或いは少なくとも部分的に構成される。
【0073】
燃料は、外部のクラッディング１３によって形成されたキャビティ内に密封される。幾つかの例では、複数の燃料物質は、図１４ｂに示すように軸方向に積み重ねられてもよいが、必ずしもそうである必要はない。例えば、燃料要素は、１つの燃料物質のみを含んでもよい。一実施形態では、ギャップ１５は、上記燃料物質と上記クラッディングとの間に存在してもよいが、ギャップ１５は存在する必要はない。一実施形態では、上記ギャップは、加圧ヘリウム雰囲気などの加圧雰囲気で充填される。
【0074】
一実施形態では、個々の燃料要素１１には、直径が約０．８ｍｍ～約１．６ｍｍである細いワイヤ１２がクラッド管の周囲に螺旋状に巻き付けられていてもよい。これにより、燃料アセンブリ１０のハウジング内において冷却材の空間と個々の燃料要素１１の機械的分離とが提供され、燃料アセンブリ１０は冷却材ダクトとしても機能する。一実施形態では、クラッディング１３および／またはワイヤ巻付物１２は、経験的データの集まりによって示されるように、その照射性能のゆえにフェライト－マルテンサイト鋼から製造されてもよい。
【0075】
上記燃料要素は、外部の形状および内部の燃料貯蔵領域の形状の両方に関して、任意の幾何学的形状を有してもよい。例えば、上述の幾つかの実施形態では、上記燃料要素は、円筒形であり、円筒形ロッドの形態を採用してもよい。さらに、燃料要素に関する幾つかの擬似角錐台（ｐｒｉｓｍａｔｏｉｄ）の形状は、特に効率的であり得る。例えば、上記燃料要素は、３つ以上の側面と、基部に関して任意の多角形形状とを有する、直角柱、斜角柱、または切頭プリズムであってもよい。六角形プリズム、長方形プリズム、正方形プリズム、および三角形プリズムは、全て、燃料アセンブリに充填するための潜在的に効率的な形状である。
【0076】
上記燃料要素および上記燃料アセンブリは、原子力発電プラントの一部である発電用原子炉の一部であってもよい。核反応によって発生した熱は、燃料要素の外部と接触する冷却材を加熱するために使用される。次に、この熱は、除去され、タービンその他の機器を駆動するために使用されて、除去された熱から動力が有益に獲得される。
【0077】
〔実施例〕
図１５Ａおよび図１５Ｂは、炭素がドープされたバナジウムの第１の層の一方の側と、ＨＴ９鋼の第２の層の他方の側とに電気めっきされたＮｉの中間層を有するトライメタルのクラッディングの顕微鏡写真である。図１５Ｂは、図１５Ａの破線ボックス内に示された、上記トライメタルのクラッディングの領域の拡大図である。上記クラッディングにおいて、上記バナジウムは０．２ｗｔ％のＣでドープされている。
図１５Ａおよび図１５Ｂは、炭素がドープされたバナジウムの第１の層の一方の側と、ＨＴ９鋼の第２の層の他方の側とに電気めっきされたＮｉの中間層を有するトライメタルのクラッディングの顕微鏡写真である。図１５Ｂは、図１５Ａの破線ボックス内に示された、上記トライメタルのクラッディングの領域の拡大図である。上記クラッディングにおいて、上記バナジウムは０．２ｗｔ％のＣでドープされている。
【0078】
図１５Ｃは、図１５Ａおよび図１５Ｂにおける上記トライメタルのクラッディングに関する化学組成のマッピングを示す。図１５Ｃには、上記中間層の周辺の領域を範囲とするＣｒ、Ｆｅ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃ、およびＭｏの量および分布が示されている。これを分析すると、少なくとも幾らかのバナジウムが中間層に拡散したが、バナジウムはＨＴ９層にほとんどまたは全く拡散しなかったことが示される。
【0079】
図１５Ｃは、図１５Ａおよび１５Ｂのトライメタルのクラッディングの化学組成マッピングを示す。図１５（Ｃ）には、中間層周辺のＣｒ、Ｆｅ、Ｖ、Ｎｉ、Ｃ、Ｍｏの量と分布が示されている。この分析は、少なくともいくらかのバナジウムが中間層中に拡散したが、バナジウムはほとんどまたは全くＨＴ９層中に拡散しなかったことを示している。
【0080】
添付の特許請求の範囲にもかかわらず、本開示は、以下の条項によっても定義される。
【0081】
１．鋼の第１の層と、
少なくとも９０％のバナジウムの第２の層と、
第１の層と第２の層との間のニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金の第３の層と、
からなる、壁要素。
少なくとも９０％のバナジウムの第２の層と、
第１の層と第２の層との間のニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金の第３の層と、
からなる、壁要素。
【0082】
２．前記第２の層は、前記第１の層の厚さの０．１％～５０％である厚さを有し、前記第３の層は、前記第１の層の厚さの０．１％～５０％である厚さを有する、条項１に記載の壁要素。
【0083】
３．前記第２の層は、前記第１の層の厚さの１％～５％である厚さを有し、前記第３の層は、前記第１の層の厚さの１％～５％である厚さを有する、条項１に記載の壁要素。
【0084】
４．前記第２の層が、バナジウム合金 Ｖ－２０Ｔｉ、Ｖ－１０Ｃｒ－５Ｔｉ、Ｖ－１５Ｃｒ－５Ｔｉ、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ ＮＩＦＳ Ｈｅａｔｓ １および２、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ ＵＳ Ｈｅａｔｓ ８３２６６５および８９２３８６４、ならびにＶ－４Ｃｒ－４Ｔｉ Ｈｅａｔｓ ＣＥＡ－Ｊ５７から選択される、条項１～３のいずれか１項に記載の壁要素。
【0085】
５．前記第２の層がＶ－４Ｃｒ－４Ｔｉである、条項４に記載の壁要素。
【0086】
６．前記第２の層が、以下からなる、条項４に記載の壁要素：
３．０－５．０重量％のＣｒ、
３．０－５．０重量％のＴｉ、および
０．０２重量％以下のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、バナジウム合金は、０．１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
３．０－５．０重量％のＣｒ、
３．０－５．０重量％のＴｉ、および
０．０２重量％以下のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、バナジウム合金は、０．１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
【0087】
７．前記第２の層が、以下からなる、条項５に記載の壁要素：
３．５－４．５重量％のＣｒ、
３．５－４．５重量％のＴｉ、
０．０４－０．１重量％のＳｉ、
０．０２重量％までのＯ、
０．０２重量％までのＮ、
０．０２重量％までのＣ、
０．０２重量％までのＡｌ、
０．０２重量％までのＦｅ、
０．００１重量％までのＣｕ、
０．００１重量％までのＭｏ、
０．００１重量％までのＮｂ、
０．００１重量％までのＰ、
０．００１重量％までのＳ、および
０．０００２重量％以下のＣｌ、
残りはＶおよび他の元素であり、バナジウム合金は、０．００１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．０１重量％以下である。
３．５－４．５重量％のＣｒ、
３．５－４．５重量％のＴｉ、
０．０４－０．１重量％のＳｉ、
０．０２重量％までのＯ、
０．０２重量％までのＮ、
０．０２重量％までのＣ、
０．０２重量％までのＡｌ、
０．０２重量％までのＦｅ、
０．００１重量％までのＣｕ、
０．００１重量％までのＭｏ、
０．００１重量％までのＮｂ、
０．００１重量％までのＰ、
０．００１重量％までのＳ、および
０．０００２重量％以下のＣｌ、
残りはＶおよび他の元素であり、バナジウム合金は、０．００１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．０１重量％以下である。
【0088】
８．前記第２の層が、以下からなる、条項１～４のいずれか１項に記載の壁要素：
０．００１－０．５重量％のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、第２の層はこれらの他の元素の各々を０．１重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
０．００１－０．５重量％のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、第２の層はこれらの他の元素の各々を０．１重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
【0089】
９．前記第２の層が、Ｖに加えて０．１～０．３重量％のＣを含む、条項８に記載の壁要素。
【0090】
１０．前記第１の層の鋼が、焼戻マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、ＨＴ９鋼、３１６鋼、および３０４鋼から選択される、条項１～９のいずれか１項に記載の壁要素。
【0091】
１１．前記第１の層の鋼が、以下からなる、条項１～１０のいずれか１項に記載の壁要素：
９．０－１２．０重量％のＣｒ、
０．００１－２．５重量％のＷ、
０．００１－２．０重量％のＭｏ、
０．００１－０．５重量％のＳｉ、
０．５重量％までのＴｉ、
０．５重量％までのＺｒ、
０．５重量％までのＶ、
０．５重量％までのＮｂ、
０．３重量％までのＴａ、
０．１重量％までのＮ、
０．３重量％までのＣ、
０．０１重量％までのＢ、
残りはＦｅおよび他の元素であり、鋼はこれらの他の元素の各々を０．１５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．３５重量％以下である。
９．０－１２．０重量％のＣｒ、
０．００１－２．５重量％のＷ、
０．００１－２．０重量％のＭｏ、
０．００１－０．５重量％のＳｉ、
０．５重量％までのＴｉ、
０．５重量％までのＺｒ、
０．５重量％までのＶ、
０．５重量％までのＮｂ、
０．３重量％までのＴａ、
０．１重量％までのＮ、
０．３重量％までのＣ、
０．０１重量％までのＢ、
残りはＦｅおよび他の元素であり、鋼はこれらの他の元素の各々を０．１５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．３５重量％以下である。
【0092】
１２．前記鋼が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａまたはＢの炭化物析出物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの窒化物析出物、および／またはＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの炭窒化物析出物のうちの１つ以上を含む、条項１～１１のいずれか１項に記載の壁要素。
【0093】
１３．前記バナジウム合金が、Ｃｒ、Ｔｉおよび／または他の元素の１つ以上の炭化物析出物を含む、条項５～７のいずれか１項に記載の壁要素。
【0094】
１４．前記第１の層が、前記壁要素の全厚の少なくとも９９％であり、前記第３の層および前記第２の層の各々が、前記第１の層の厚さの０．０００１％～０．５％である、条項１～１３のいずれか１項に記載の壁要素。
【0095】
１５．前記壁要素は、内表面および外面を有する管の形態であり、前記第１の層は、前記管の内表面を形成し、前記第２の層は、前記管の外面を形成する、条項１～１４のいずれか１項に記載の壁要素。
【0096】
１６．前記第３の層が、以下からなる、条項１～１５のいずれか１項に記載の壁要素：
少なくとも９９．９重量％のＮｉ、
残りは他の元素であり、材料は、０．０５重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
少なくとも９９．９重量％のＮｉ、
残りは他の元素であり、材料は、０．０５重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
【0097】
１７．前記第３の層が、以下からなる、条項１～１５のいずれか１項に記載の壁要素：
少なくとも９０．０重量％のＮｉ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を１．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、５．０重量％以下である。
少なくとも９０．０重量％のＮｉ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を１．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、５．０重量％以下である。
【0098】
１８．前記第３の層が、以下からなる、条項１～１５のいずれか１項に記載の壁要素：
少なくとも９９．９重量％のＣｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を０．０５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
少なくとも９９．９重量％のＣｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を０．０５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
【0099】
１９．前記第３の層が、以下からなる、条項１～１５のいずれか１項に記載の壁要素：
少なくとも９０．０重量％のＣｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を１．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、５．０重量％以下である。
少なくとも９０．０重量％のＣｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を１．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、５．０重量％以下である。
【0100】
２０．前記第３の層が、以下からなる、条項１～１５のいずれか１項に記載の壁要素：
９９．９重量％以上のＺｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を０．０５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
９９．９重量％以上のＺｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を０．０５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
【0101】
２１．前記第３の層が、以下からなる、条項１～１５のいずれか１項に記載の壁要素：
少なくとも９０．０重量％のＺｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を１．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、５．０重量％以下である。
少なくとも９０．０重量％のＺｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を１．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、５．０重量％以下である。
【0102】
２２．条項１～２１のいずれか１項に記載の壁要素から少なくとも部分的に作製されたコンテナ。
【0103】
２３．核燃料を保持するためのコンテナであって、
燃料貯蔵領域を外部環境から分離する少なくとも１つの壁要素を含み、
前記壁要素は、少なくとも９０％のバナジウムの第２の層から、第１の層と第２の層との間の第３の層によって分離された、鋼からなる第１の層を有し、
壁の前記第１の層は前記外部環境に接触し、前記第２の層は前記燃料貯蔵領域に接触し、
前記第３の層は、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金からなる、コンテナ。
燃料貯蔵領域を外部環境から分離する少なくとも１つの壁要素を含み、
前記壁要素は、少なくとも９０％のバナジウムの第２の層から、第１の層と第２の層との間の第３の層によって分離された、鋼からなる第１の層を有し、
壁の前記第１の層は前記外部環境に接触し、前記第２の層は前記燃料貯蔵領域に接触し、
前記第３の層は、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金からなる、コンテナ。
【0104】
２４．前記コンテナは、容器を形成するために、１つ以上の連続的に接続された壁要素によって画定される形状を有する、条項２３に記載のコンテナ。
【0105】
２５．前記コンテナは円筒状の管として形成され、少なくとも１つの壁要素が前記管の円筒壁を形成し、前記燃料貯蔵領域が前記管の内側である、条項２３に記載のコンテナ。
【0106】
２６．前記コンテナは底壁と１つ以上の側壁とを含み、少なくとも１つの壁要素が前記コンテナの底壁または側壁を形成する、条項２３～２５のいずれか１項に記載のコンテナ。
【0107】
２７．物品であって、
ある量の核物質と、
核燃料の外部に配置され、核物質の少なくとも一部を外部環境から分離する壁要素とを含み、前記壁要素は、
前記外部環境と接触する鋼の第１の層と、
前記核物質と接触する少なくとも９０％のバナジウムの第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間の第３の層と、からなり、
ニッケルの前記第１の層は、鋼からバナジウム合金への炭素の移動を阻止し、
前記第３の層は、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金からなる、物品。
ある量の核物質と、
核燃料の外部に配置され、核物質の少なくとも一部を外部環境から分離する壁要素とを含み、前記壁要素は、
前記外部環境と接触する鋼の第１の層と、
前記核物質と接触する少なくとも９０％のバナジウムの第２の層と、
前記第１の層と前記第２の層との間の第３の層と、からなり、
ニッケルの前記第１の層は、鋼からバナジウム合金への炭素の移動を阻止し、
前記第３の層は、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金からなる、物品。
【0108】
２８．前記核物質が、Ｕ、Ｔｈ、Ａｍ、Ｎｐ、およびＰｕのうちの少なくとも１つを含む、条項２７に記載の物品。
【0109】
２９．前記核物質が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｎｄ、およびＨｆから選択される少なくとも１つの耐熱材料を含む、条項２７または２８に記載の物品。
【0110】
３０．前記第１の層が、鋼を含み、その実質的にすべてが、焼戻しマルテンサイト相、フェライト相、およびオーステナイト相から選択される少なくとも１つの相を有する、条項２７～２９のいずれか１項に記載の物品。
【0111】
３１．前記クラッディング層が、マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、酸化物分散鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、ＨＴ９鋼、３４６鋼、および３０４鋼から選択される少なくとも１つの鋼を含む、条項２７～３０のいずれか１項に記載の物品。
【0112】
３２．前記核燃料と前記壁要素とが機械的に結合されている、条項２７～３１のいずれか１項に記載の物品。
【0113】
３３．前記外部環境が溶融ナトリウムを含み、鋼の前記第１の層が、前記第２の層におけるナトリウムとバナジウムとの間の接触を防止する、条項２７～３２のいずれか１項に記載の物品。
【0114】
３４．前記第１の層および前記第２の層が、前記第３の層の両側に機械的に結合される、条項２７～３３のいずれか１項に記載の物品。
【0115】
３５．前記核物質が少なくとも９０重量％のＵを含む、条項２７～３４のいずれか１項に記載の物品。
【0116】
３６．前記核物質が核燃料であり、前記物品が核燃料素子である、条項２７～３５のいずれか１項に記載の物品。
【0117】
３７．前記第３の層が、以下からなる、条項２７～３６のいずれか１項に記載の物品：
少なくとも９９．９重量％のＮｉ、
残りは他の元素であり、材料は、０．０５重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
少なくとも９９．９重量％のＮｉ、
残りは他の元素であり、材料は、０．０５重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
【0118】
３８．前記第３の層が、以下からなる、条項２７～３６のいずれか１項に記載の物品：
少なくとも９０．０重量％のＮｉ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を５．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、１０．０重量％以下である。
少なくとも９０．０重量％のＮｉ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を５．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、１０．０重量％以下である。
【0119】
３９．前記第３の層が、以下からなる、条項２７～３６のいずれか１項に記載の物品：
少なくとも９９．９重量％のＣｒ、
残りは他の元素であり、材料は、０．０５重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
少なくとも９９．９重量％のＣｒ、
残りは他の元素であり、材料は、０．０５重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．１重量％以下である。
【0120】
４０．前記第３の層が、以下からなる、条項２７～３６のいずれか１項に記載の物品：
少なくとも９０．０重量％のＣｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を５．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、１０．０重量％以下である。
少なくとも９０．０重量％のＣｒ、
残りは他の元素であり、材料は、これらの他の元素の各々を５．０重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、１０．０重量％以下である。
【0121】
４１．前記第２の層が、以下からなる、条項２７～３６のいずれか１項に記載の物品：
０．００１－０．５重量％のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、前記第２の層はこれらの他の元素の各々を０．１重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
０．００１－０．５重量％のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、前記第２の層はこれらの他の元素の各々を０．１重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
【0122】
４２．鋼の第１の層と、
鋼の前記第１の層の上に少なくとも０．００１重量％の炭素がドープされたバナジウムの第２の層であって、ＶおよびＣ以外の他の元素を０．５重量％以下有する第２の層と、
からなる、壁要素。
鋼の前記第１の層の上に少なくとも０．００１重量％の炭素がドープされたバナジウムの第２の層であって、ＶおよびＣ以外の他の元素を０．５重量％以下有する第２の層と、
からなる、壁要素。
【0123】
４３．前記第１の層と前記第２の層との間の第３の層であって、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金からなる第３の層を含む、条項４２に記載の壁要素。
【0124】
４４．前記第２の層が、以下からなる、条項４２または４３に記載の壁要素：
０．００１－０．５重量％のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、前記第２の層のドープされたバナジウムは、０．１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
０．００１－０．５重量％のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、前記第２の層のドープされたバナジウムは、０．１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
【0125】
４５．前記第２の層の前記ドープされたバナジウムが、０．１～０．３重量％のＣを含む、条項４２～４４のいずれか１項に記載の壁要素。
【0126】
４６．前記第１の層の鋼が、焼戻マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、ＨＴ９鋼、３１６鋼、および３０４鋼から選択される、条項４２～４５のいずれか１項に記載の壁要素。
【0127】
４７．前記第１の層の鋼が、以下からなる、条項４２～４６のいずれか１項に記載の壁要素：
９．０－１２．０重量％のＣｒ、
０．００１－２．５重量％Ｗ、
０．００１－２．０重量％のＭｏ、
０．００１－０．５重量％のＳｉ、
０．５重量％までのＴｉ、
０．５重量％までのＺｒ、
０．５重量％までのＶ、
０．５重量％までのＮｂ、
０．３重量％までのＴａ、
０．１重量％までのＮ、
０．３重量％までのＣ、
０．０１重量％までのＢ、
残りはＦｅおよび他の元素であり、鋼はこれらの他の元素の各々を０．１５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．３５重量％以下である。
９．０－１２．０重量％のＣｒ、
０．００１－２．５重量％Ｗ、
０．００１－２．０重量％のＭｏ、
０．００１－０．５重量％のＳｉ、
０．５重量％までのＴｉ、
０．５重量％までのＺｒ、
０．５重量％までのＶ、
０．５重量％までのＮｂ、
０．３重量％までのＴａ、
０．１重量％までのＮ、
０．３重量％までのＣ、
０．０１重量％までのＢ、
残りはＦｅおよび他の元素であり、鋼はこれらの他の元素の各々を０．１５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．３５重量％以下である。
【0128】
４８．前記鋼が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａまたはＢの炭化物析出物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの窒化物析出物、および／またはＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの炭窒化物析出物のうちの１つ以上を含み、および／またはバナジウム合金が、Ｃｒ、Ｔｉおよび／または他の元素の１つ以上の炭化物析出物を含む、条項４２～４７のいずれか１項に記載の壁要素。
【0129】
４９．前記第２の層は、前記第１の層の厚さの０．１％～５０％の厚さを有する、条項４２に記載の壁要素。
【0130】
５０．前記第２の層は、前記第１の層の厚さの１％～５％の厚さを有する、条項４２～４９のいずれか１項に記載の壁要素。
【0131】
５１．前記壁要素は、内表面および外面を有する管の形態であり、前記第１の層は、前記管の内表面を形成し、前記第２の層は、前記管の外面を形成する、条項４２～５０のいずれか１項に記載の壁要素。
【0132】
５２．更に、前記管の内部に、ある量の核物質を含む、条項５１に記載の壁要素。
【0133】
５３．前記核物質が、Ｕ、Ｔｈ、Ａｍ、Ｎｐ、およびＰｕから選択される１つ以上の元素を含む、条項５２に記載の物品。
【0134】
５４．前記核物質が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｎｄ、およびＨｆから選択される少なくとも１つの耐熱材料を含む、条項５２または５３に記載の物品。
【0135】
５５．核燃料を保持するためのコンテナであって、
燃料貯蔵領域を外部環境から分離する少なくとも１つの壁要素を含み、
前記壁要素は、少なくとも０．００１重量％の炭素でドープされたバナジウムの第２の層に取り付けられた鋼の第１の層を有し、０．５重量％以下の他の元素を有し、
壁の前記第１の層は前記外部環境に接触し、前記第２の層は前記燃料貯蔵領域に接触する、コンテナ。
燃料貯蔵領域を外部環境から分離する少なくとも１つの壁要素を含み、
前記壁要素は、少なくとも０．００１重量％の炭素でドープされたバナジウムの第２の層に取り付けられた鋼の第１の層を有し、０．５重量％以下の他の元素を有し、
壁の前記第１の層は前記外部環境に接触し、前記第２の層は前記燃料貯蔵領域に接触する、コンテナ。
【0136】
５６．前記コンテナは、容器を形成するために、１つ以上の連続的に接続された壁要素によって画定される形状を有する、条項５５に記載のコンテナ。
【0137】
５７．前記コンテナは円筒状の管として形成され、少なくとも１つの壁要素が前記管の円筒壁を形成し、前記燃料貯蔵領域が前記管の内側である、条項５５または５６に記載のコンテナ。
【0138】
５８．前記コンテナは底壁と１つ以上の側壁とを含み、少なくとも１つの壁要素が前記コンテナの底壁を形成する、条項５５～５７のいずれか１項に記載のコンテナ。
【0139】
５９．前記コンテナが底壁と１つ以上の側壁とを含み、少なくとも１つの壁要素が前記コンテナの１つ以上の側壁のうちの少なくとも１つを形成する、条項５５～５８のいずれか１項に記載のコンテナ。
【0140】
６０．鋼の第１の層と、
鋼の第１の層の上のバナジウム合金の第２の層であって、鋼の前記第１の層が、第２の層の厚さの０．１％～５０％である、第２の層と、
からなる、壁要素。
鋼の第１の層の上のバナジウム合金の第２の層であって、鋼の前記第１の層が、第２の層の厚さの０．１％～５０％である、第２の層と、
からなる、壁要素。
【0141】
６１．前記第１の層と前記第２の層との間の第３の層であって、ニッケル、ニッケル合金、クロム、クロム合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金からなる第３の層を含む、条項６０に記載の壁要素。
【0142】
６２．前記第２の層が、バナジウム合金Ｖ－２０Ｔｉ、Ｖ－１０Ｃｒ－５Ｔｉ、Ｖ－１５Ｃｒ－５Ｔｉ、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ ＮＩＦＳ Ｈｅａｔｓ １および２、Ｖ－４Ｃｒ－４Ｔｉ ＵＳ Ｈｅａｔｓ ８３２６６５、８９２３８６４、ならびにＶ－４Ｃｒ－４Ｔｉ Ｈｅａｔｓ ＣＥＡ－Ｊ５７から選択される、条項６０または６１に記載の壁要素。
【0143】
６３．前記第２の層が、以下からなる、条項６２に記載の壁要素：
３．０－５．０重量％のＣｒ、
３．０－５．０重量％のＴｉ、および
０．０２重量％以下のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、バナジウム合金は、０．１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
３．０－５．０重量％のＣｒ、
３．０－５．０重量％のＴｉ、および
０．０２重量％以下のＣ、
残りはＶおよび他の元素であり、バナジウム合金は、０．１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．５重量％以下である。
【0144】
６４．前記第２の層が、以下からなる、条項６２に記載の壁要素：
３．５－４．５重量％のＣｒ、
３．５－４．５重量％のＴｉ、
０．０４－０．１重量％のＳｉ、
０．０２重量％までのＯ、
０．０２重量％までのＮ、
０．０２重量％までのＣ、
０．０２重量％までのＡｌ、
０．０２重量％までのＦｅ、
０．００１重量％までのＣｕ、
０．００１重量％までのＭｏ、
０．００１重量％までのＮｂ、
０．００１重量％までのＰ、
０．００１重量％までのＳ、および
０．０００２重量％以下のＣｌ、
残りはＶおよび他の元素であり、バナジウム合金は、０．００１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．０１重量％以下である。
３．５－４．５重量％のＣｒ、
３．５－４．５重量％のＴｉ、
０．０４－０．１重量％のＳｉ、
０．０２重量％までのＯ、
０．０２重量％までのＮ、
０．０２重量％までのＣ、
０．０２重量％までのＡｌ、
０．０２重量％までのＦｅ、
０．００１重量％までのＣｕ、
０．００１重量％までのＭｏ、
０．００１重量％までのＮｂ、
０．００１重量％までのＰ、
０．００１重量％までのＳ、および
０．０００２重量％以下のＣｌ、
残りはＶおよび他の元素であり、バナジウム合金は、０．００１重量％以下のこれらの他の元素の各々を含み、これらの他の元素の合計は、０．０１重量％以下である。
【0145】
６５．前記第１の層の鋼が、焼戻マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、ＨＴ９鋼、３１６鋼、および３０４鋼から選択される、条項６０～６４のいずれか１項に記載の壁要素。
【0146】
６６．前記第１の層の鋼が、以下からなる、条項６０～６４のいずれか１項に記載の壁要素：
９．０－１２．０重量％のＣｒ、
０．００１－２．５重量％Ｗ、
０．００１－２．０重量％のＭｏ、
０．００１－０．５重量％のＳｉ、
０．５重量％までのＴｉ、
０．５重量％までのＺｒ、
０．５重量％までのＶ、
０．５重量％までのＮｂ、
０．３重量％までのＴａ、
０．１重量％までのＮ、
０．３重量％までのＣ、
０．０１重量％までのＢ、
残りはＦｅおよび他の元素であり、鋼はこれらの他の元素の各々を０．１５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．３５重量％以下である。
９．０－１２．０重量％のＣｒ、
０．００１－２．５重量％Ｗ、
０．００１－２．０重量％のＭｏ、
０．００１－０．５重量％のＳｉ、
０．５重量％までのＴｉ、
０．５重量％までのＺｒ、
０．５重量％までのＶ、
０．５重量％までのＮｂ、
０．３重量％までのＴａ、
０．１重量％までのＮ、
０．３重量％までのＣ、
０．０１重量％までのＢ、
残りはＦｅおよび他の元素であり、鋼はこれらの他の元素の各々を０．１５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は、０．３５重量％以下である。
【0147】
６７．前記鋼が、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａまたはＢの炭化物析出物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの窒化物析出物、および／またはＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの炭窒化物析出物のうちの１つ以上を含み、および／またはバナジウム合金が、Ｃｒ、Ｔｉおよび／または他の元素の１つ以上の炭化物析出物を含む、条項６０～６６のいずれか１項に記載の壁要素。
【0148】
６８．前記第１の層は、前記第２の層の厚さの１％～５％の厚さを有する、条項６０～６７のいずれか１項に記載の壁要素。
【0149】
６９．前記壁要素は、内表面および外面を有する管の形態であり、前記第１の層は、前記管の内表面を形成し、前記第２の層は、前記管の外面を形成する、条項６０～６８のいずれか１項に記載の壁要素。
【0150】
７０．核燃料を保持するためのコンテナであって、
燃料貯蔵領域を外部環境から分離する少なくとも１つの壁要素を含み、
前記壁要素は、バナジウム合金の第２の層に取り付けられた鋼の第１の層であって、鋼の前記第１の層が前記第２の層の厚さの０．１％～５０％である、鋼の第１の層を有し、
壁の前記第１の層は前記外部環境に接触し、前記第２の層は前記燃料貯蔵領域に接触する、コンテナ。
燃料貯蔵領域を外部環境から分離する少なくとも１つの壁要素を含み、
前記壁要素は、バナジウム合金の第２の層に取り付けられた鋼の第１の層であって、鋼の前記第１の層が前記第２の層の厚さの０．１％～５０％である、鋼の第１の層を有し、
壁の前記第１の層は前記外部環境に接触し、前記第２の層は前記燃料貯蔵領域に接触する、コンテナ。
【0151】
７１．前記コンテナは、容器を形成するために、１つ以上の連続的に接続された壁要素によって画定される形状を有する、条項７０に記載のコンテナ。
【0152】
７２．前記コンテナは円筒状の管として形成され、少なくとも１つの壁要素が前記管の円筒壁を形成し、前記燃料貯蔵領域が前記管の内側である、条項７０または７１に記載のコンテナ。
【0153】
７３．前記コンテナは底壁と１つ以上の側壁とを含み、少なくとも１つの壁要素が前記コンテナの底壁を形成する、条項７０～７２のいずれか１項に記載のコンテナ。
【0154】
７４．前記コンテナは底壁と１つ以上の側壁とを含み、少なくとも１つの壁要素が前記コンテナの１つ以上の側壁のうちの少なくとも１つを形成する、条項７０～７３のいずれか１項に記載のコンテナ。
【0155】
７５．物品であって、
ある量の核物質と、
核燃料の外部に配置され、核物質の少なくとも一部を外部環境から分離する壁要素とを含み、前記壁要素は、
鋼の第１の層と、
鋼の前記第１の層と核物質との間のバナジウム合金の第２の層であって、鋼の前記第１の層が第２の層の厚さの０．１％～５０％であり、鋼の前記第１の層が第２の層を前記外部環境から分離する第２の層と、
を含む、物品。
ある量の核物質と、
核燃料の外部に配置され、核物質の少なくとも一部を外部環境から分離する壁要素とを含み、前記壁要素は、
鋼の第１の層と、
鋼の前記第１の層と核物質との間のバナジウム合金の第２の層であって、鋼の前記第１の層が第２の層の厚さの０．１％～５０％であり、鋼の前記第１の層が第２の層を前記外部環境から分離する第２の層と、
を含む、物品。
【0156】
７６．前記核物質が、Ｕ、Ｔｈ、Ａｍ、Ｎｐ、およびＰｕのうちの少なくとも１つを含む、条項７５に記載の物品。
【0157】
７７．前記第１の層が、マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、酸化物分散鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、ＨＴ９鋼、３１６鋼、および３０４鋼から選択される少なくとも１つの鋼を含む、条項７５または７６に記載の物品。
【0158】
７８．前記核燃料と前記壁要素とが機械的に結合されている、条項７５～７７のいずれか１項に記載の物品。
【0159】
７９．前記外部環境が溶融ナトリウムを含み、鋼の前記第１の層が、前記第２の層におけるナトリウムとバナジウム合金との間の接触を防止する、条項７５～７８のいずれか１項に記載の物品。
【0160】
８０．前記第１の層と前記第２の層とが機械的に結合されている、条項７５～７９のいずれか１項に記載の物品。
【0161】
８１．前記核物質が少なくとも９０重量％のＵを含む、条項７５～８０のいずれか１項に記載の物品。
【0162】
８２．前記核物質が核燃料であり、前記物品が核燃料素子である、条項７５～８１のいずれか１項に記載の物品。
【0163】
８３．条項２７～４１および７５～８２のいずれか１項に記載の物品を含む、発電原子炉。
【0164】
８４．核物質を外部環境から分離するための壁要素を製造する方法であって、
少なくとも鋼の層を含む第１の層を製造する製造ステップと、
前記第１の層を、少なくともバナジウム合金層を含む第２の層に接続する接続ステップと、
を含む、方法。
少なくとも鋼の層を含む第１の層を製造する製造ステップと、
前記第１の層を、少なくともバナジウム合金層を含む第２の層に接続する接続ステップと、
を含む、方法。
【0165】
８５．前記第２の層を前記第１の層に接続する前に、前記第２の層を製造することを含む、条項８４に記載の方法。
【0166】
８６．前記接続ステップは、前記鋼の層を前記バナジウム合金層に接続することを含む、条項８４または８５に記載の方法。
【0167】
８７．前記第１の層を製造するステップは、クロム層に接続された前記鋼の層からなる前記第１の層を製造することを含み、
前記接続ステップは、前記クロム層が前記鋼の層と前記バナジウム合金層との間にあるように、前記第１の層を前記第２の層に接続することを含む、条項８４～８６のいずれか１項に記載の方法。
前記接続ステップは、前記クロム層が前記鋼の層と前記バナジウム合金層との間にあるように、前記第１の層を前記第２の層に接続することを含む、条項８４～８６のいずれか１項に記載の方法。
【0168】
８８．前記第２の層は、クロム層に接続されたバナジウム合金層からなり、
前記接続ステップは、前記クロム層が前記鋼の層と前記バナジウム合金層との間にあるように、前記第１の層を前記第２の層に接続することを含む、条項８４～８７のいずれか１項に記載の方法。
前記接続ステップは、前記クロム層が前記鋼の層と前記バナジウム合金層との間にあるように、前記第１の層を前記第２の層に接続することを含む、条項８４～８７のいずれか１項に記載の方法。
【0169】
本技術の広い範囲を示す数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の具体例に示される数値は、可能な限り正確に報告される。しかし、任意の数値は、それぞれの試験測定において見出される標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。
【0170】
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、言及される目的および利点、ならびにその中に固有のものを達成するように十分に適合されることが明らかである。当業者であれば、本明細書内の方法およびシステムは多くの方法で実施することができ、そのような方法は前述の例示的な実施形態および実施例によって限定されるものではないことを認識するであろう。この点に関して、本明細書に記載される異なる実施形態の任意の数の特徴が、１つの単一の実施形態に組み合わされてもよく、本明細書に記載される特徴の全てよりも少ないか、またはそれよりも多い特徴を有する代替の実施形態が可能である。
【0171】
本開示の目的のために様々な実施形態を説明してきたが、本開示によって十分に企図される範囲内にある様々な変更および修正を行うことができる。当業者には容易に示唆され、本開示の精神に包含される多数の他の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0172】
【図1】クラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、構造的な外層を有するクラッディングの２層構造を示すものである。
【図5】クラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、構造的な内部バナジウム合金層を有するクラッディングの２層構造を示すものである。
【図9】別の実施形態のクラッディングまたは壁要素の縦断面を示す切り欠き図であり、３層構造を有するものである。
【図13】上述のような、外部環境から核物質を分離するための２層または３層の壁要素を製造する方法を示す図である。
【図14a】核燃料アセンブリを示す図である。
【図14b】燃料要素の詳細を示す図である。
【図15A】炭素がドープされたバナジウムの第１層の一方の側と、ＨＴ９鋼の第２の層の他方の側とに電気めっきされたＮｉの中間層を有するトライメタルのクラッディングを示す顕微鏡写真である。
【図15B】炭素がドープされたバナジウムの第１層の一方の側と、ＨＴ９鋼の第２の層の他方の側とに電気めっきされたＮｉの中間層を有するトライメタルのクラッディングを示す顕微鏡写真である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14a】
【図14b】
【図15A】
【図15B】
【図15C】