MODIFICATION OF THE SURFACE AND COATING APPLICATION ON FUEL CLADDING TUBES FOR nuclear reactors
https://doi.org/ 10.18384/2310-7251-2018-4-92-111
Abstract
We present a review of the methods for increasing the corrosion resistance of fuel rods of thermal and fast nuclear reactors using surface modification and coating application to improve the safety and efficiency of operation of nuclear fuel. We report the results of tests carried out at the SSC RF TRINITI with coatings on fuel claddings made of EP-823 steel, considered for use in the BREST-OD-300 reactor, and of zirconium alloy E110, i.e. the “forward” of Russian commercial nuclear power energy. Corrosion tests of experimental samples of fuel claddings with Al, Al2O3, Cr coatings in liquid lead with a high oxygen content and a temperature of 650-720 °C (for steel shells) and on air at a temperature of 1100 °C (for zirconium shells) showed almost complete corrosion suppression. Physical barriers to the applicability of coatings as protective layers on fuel claddings are identified: fretting corrosion of fuel element shells, the problem of low heat resistance of fuel element shells, the problem of high residual energy release of fuel elements, the lack of self-healing of protective ceramic coatings, and the problem of low-temperature radiation embrittlement of coatings. We have proposed solutions to the problems of protecting nuclear power plants.
About the Authors
Aleksey A. Yakushkin
State Research Center of Russian Federation Troitsk Institute for Innovation & Fusion Research
Russian Federation
Russian Federation
Philip I. Vysikaylo
Moscow Region State University
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Grubb W.T., King L.H. Nuclear fuel element and container // UK Patent 1584496 A. № 23104/78; fil. 26.05.1978; publ. 11.02.1981. P. 8.
2. Nuclear fuel cladding, manufacturing processes and use against oxidation / Brachet J.-C., Billard A., Schuster F. et al. // FR patent 3025929 A1. № 1458933; fil. 17.09.2014; publ. 21.10.2016. P. 43.
3. Donaghy R.E., Sherman A.H. Surface coating Zr or Zr alloy nuclear fuel elements // UK Patent 2024262 A. № 7908120; fil. 07.03.1979; publ. 09.01.1980. P. 5.
4. Method of applying a burnable poison onto the exterior of nuclear fuel rod cladding / Lahoda E.J., Junker W.R., Congedo T.V., Lareau J.P. // US Patent 7815964 B2; № 2008/0237032 A1; fil. 29.03.2007; publ. 19.10.2010. P. 7.
5. Deposition of a protective coating including metal-containing and chromium-containing layers on zirconium alloy for nuclear power applications / Mazzoccoli J.P., Xu P., Ray S. et al. // US Patent 9721676 B2. № 2015/0348652 A1; fil. 27.05.2014; publ. 03.12.2015. P. 11.
6. Горячев А.В., Косвинцев Ю.Ю., Лещенко А.Ю. Особенности кинетики высокотемпературного окисления облученных оболочек ВВЭР // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 2. С. 14-23.
7. Моделирование влияния содержания кислорода в свинце на коррозию хромистых сталей / Мещеринова И.А., Велюханов В.П., Зеленский В.П. и др. // Физика и химия обработки материалов. 2005. № 4. С. 5-11.
8. Способ внутриконтурной пассивации стальных поверхностей ядерного реактора / Мартынов П.Н., Асхадуллин Р.Ш., Иванов К.Д. и др. // пат. 2542329 С1 Рос. Федерация: МПК G21C 1/03. № 2013143712/07; заявл. 30.09.2013; опубл. 20.02.2015, Бюл. № 5. 9 с.
9. На энергоблоке №2 Нововоронежской АЭС-2 началась установка теплообменников системы пассивного отвода тепла [Электронный ресурс] // Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» : [сайт]. URL: http://www.rosatom.ru/journalist/news/na-energobloke-2-novovoronezhskoy-aes-2-nachalas-ustanovka-teploobmennikov-sistemy-passivnogo-otvoda/?sphrase_id=577886 (дата обращения: 10.11.2018).
10. Investigating Potential Accident Tolerant Fuel Cladding Materials and Coatings / Daub K., Persaud S.Y., Rebak R.B. et al. // Proceedings of the 18th International Conference on Environmental Degradation of Materials in Nuclear Power Systems - Water Reactors. 13-17 August 2017, Portland. Vol. 2. Springer International Publishing, 2018. P. 215-234.
11. AREVA NP’s enhanced accident-tolerant fuel developments: Focus on Cr-coated M5 cladding / Bischoff J., Delafoy C., Vauglin C. et al. // Nuclear Engineering and Technology. 2018. Vol. 50. P. 223-228.
12. Chromium-aluminum binary alloy having excellent corrosion resistance and method of manufacturing thereof / Kim H.-G., Kim I.-H., Jung Y.-I. et al. // KR Patent 101691916 B1. № 20140141522A; fil. 20.10.2014; publ. 27.12.2016. P. 15.
13. Модификация поверхности циркониевых компонентов ТВС реакторов на тепловых нейтронах с целью повышения их эксплуатационных свойств / Иванова С.В., Глаговский Э.М., Хазов И.А. и др. // Физика и химия обработки материалов. 2009. № 3. С. 5-17.
14. Вакуумно-дуговые хромовые покрытия для защиты сплава Zr1Nb от высокотемпературного окисления на воздухе / Куприн А.С., Белоус В.А., Брык В.В. и др. // Вопросы атомной науки и техники. 2015. № 2 (96). С. 111-118.
15. In-Pile Testing of CrN, TiAlN, and AlCrN Coatings on Zircaloy Cladding in the Halden Reactor / Nieuwenhove R. van, Andersson V., Balak J., Oberlander B. // 18th International Symposium on Zirconium in the Nuclear Industry. Hilton Head, USA, 2016. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2018. P. 965-982.
16. Investigation of coatings, applied by PVD, for the corrosion protection of materials in supercritical water / Nieuwenhove R. van., Balak J., Toivonen A. et al. // 6th International Conference on Supercritical Water Reactors. March 2013, Shenzhen, China. China: CGNPC, 2013. P. 1-12.
17. HRTEM and chemical study of an ion-irradiated chromium/Zircaloy-4 interface / Wu A., Ribis J., Brachet J.-C. et al. // Journal of Nuclear Materials. 2018. Vol. 504. P. 289-299.
18. Capabilities to Improve Corrosion Resistance of Fuel Claddings by Using Powerful Laser and Plasma Sources / Borisov V.M., Trofimov V.N., Sapozhkov A.Yu., Kuz’menko V.A., Mikhaylov V.B., Cherkovets V.Ye., Yakushkin A.A., Yakushin V.L., Dzhumaev P.S. // Physics of Atomic Nuclei. 2016. Vol. 79. No. 14. P. 1-7.
19. Структура и механические свойства стали ЭП-823, 20Х12МН и опытных вариантов 12%-ных хромистых сталей после облучения в реакторе БН-350 / Иванов А.А., Шулепин С.В., Дворяшин А.М. и др. // 9-ая Российская конференция по реакторному материаловедению: сборник научных трудов. ОАО «ГНЦ НИИАР», 14-18 сентября 2009. Димитровград: ГНЦ НИИАР, 2009. С. 60-74.
20. García Ferré F., et al. Ceramic coatings for innovative nuclear systems // Proceedings of NEA International Workshop on Structural Materials for Innovative Nuclear Systems, 11-14 July 2016, Manchester, UK. Manchester: University of Manchester, 2016 [Электронный ресурс]. URL: https://www.oecd-nea.org/science/smins4/documents/P2-3_Ceramic-coatings-for-innovative-nuclear-systems.pdf (дата обращения: 10.11.2018).
21. Влияние обработки потоками высокотемпературной импульсной плазмы на коррозионную стойкость стали в различных агрессивных средах / Якушин В.Л., Калин Б.А., Джумаев П.С. и др. // Инженерная Физика. 2007. № 4. С. 49-57.
22. Энгелько В.И. Модификация материалов импульсными электронными пучками // Атомтех-2013. Отраслевая научная конференция Госкорпорации «Росатом». МИФИ, 3-4 апреля 2013. Москва: МИФИ, 2013. С. 63-67.
23. Laser Plasma Methods for Improving the Corrosion Resistance of EP-823 Steel Fuel-Element Cladding at 650-720°C / Borisov V.M., Trofimov V.N., Kuz’menko V.A., Sapozhkov A.Yu., Mikhaylov V.B., Yakushkin A.A., Cherkovets V.Ye. // Atomic Energy. 2017. Vol. 121. No. 5. P. 344-349.
24. Preliminary results of the IAEA review on fuel failures in water-cooled reactors / Dangouleme D., Inozemtsev V., Kamimura K., Killeen J., Kucuk A., Novikov V., Onufriev V., Tayal M. // Revue Gйnйrale Nuclйaire. Numйro 2 (Mars-Avril). TOP FUEL 2009. Les enjeux industriels du combustible: Situation et perspectives - Fuel Industrial Challenges: Present Situation and Prospects. 2010. P. 40-49.
25. Adhesion property and high-temperature oxidation behavior of Cr-coated Zircaloy-4 cladding tube prepared by 3D laser coating / Kim H.-G., Kim I.-H., Jung Y.-I. et al. // Journal of Nuclear Materials. 2015. Vol. 465. P. 531-539.
26. Effect of dissolved hydrogen on the corrosion behavior of chemically vapor deposited SiC in a simulated pressurized water reactor environment / Kim D.-J., Lee H.-G., Park J.Y., Park J.-Y., Kim W.-J. // Corrosion Science. 2015. Vol. 98. P. 304-309.
27. Application of Coating Technology on Zirconium-Based Alloy to Decrease High-Temperature Oxidation / Kim H.G., Kim I.H., Park J.Y., Koo Y.H. // Zirconium in the Nuclear Industry: 17th International Symposium, STP 1543. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2014. P. 346-369.
28. Observations of Accelerated Silicon Carbide Recession by Oxidation at High Water-Vapor Pressures / More K.L., Tortorelli P.F., Keiser J.R., Ferber M.K. // Journal of the American Ceramic Society. 2000. Vol. 83. Iss. 1. P. 211-213.
29. Nieuwenhove R. van. Overview of ATF research and ongoing experiments in the Halden reactor (includes new investigations of graphene based fuel) // EU funded Enlargement Workshop with Grants “Materials resistant to extreme conditions for future energy systems”. Kyiv, Ukraine, June 12-14, 2017 [Электронный ресурс]. URL: https://www.researchgate.net/publication/317932533_Overview_of_ATF_research_and_ongoing_experiments_in_the_Halden_reactor_includes_new_investigations_of_graphene_based_fuel (дата обращения: 10.11.2018).
30. Урванов С.А. Модифицирование углеродного волокна углеродными наноструктурами: дис.. канд. хим. наук. Троицк, 2016. 155 с.
31. Lee S.W., Kim H.T. et al. Performance evaluation of UO2/graphene composite fuel and SiC cladding during LBLOCA using MARS-KS // Nuclear Engineering and Design. 2013. Vol. 257. P. 139.
32. Cooper-Carbon Nanostructured Composite Coatings with Controlled Structure / Vysikaylo P.I., Mitin V.S., Markin A.A., Yakovlev A.Yu., Belyaev V.V. // Open Journal of Applied Sciences. 2016. Vol. 6. No. 3. P. 195-207.
33. Physical Alloying of Plasma Metallization Nanocomposite Coating by Allotropic Carbon Nanostructures. Pt. 1. Experimental Research / Vysikaylo P.I., Mitin V.S., Son E.E., Belyaev V.V. // IEEE Transactions on Plasma Science. 2018. Vol. 46. Iss. 5. P. 1775-1780.
34. Физическое легирование для управления нанокристаллической структурой и свойствами многофазных композитных металл-углеродных покрытий на базе карбитов / Высикайло Ф.И., Митин В.С., Якушкин А.А., Беляев В.В. // Электронная техника. Серия 3. Микроэлектроника. 2018. № 3 (170). С. 44-58.
35. Blank V., Vysikaylo P. et al. C60- doping of nanostructured Bi-Sb-Te thermoelectrics // Physica Status Solidi A. 2011. Vol. 208. Iss. 12. P. 2783-2789.
Review
Views:
85
Email this article 