Композиция на основе железа для топливного элемента
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу стали, используемой в качестве материала оболочки для топливных элементов ядерных энергетических установок. Сталь содержит, в мас.%: Cr: от 10,0 до 13,0, C: от 0,17 до 0,23, Mo: от 0,80 до 1,2, Si: 0,5 или менее, Mn: 1,0 или менее, V: от 0,25 до 0,35, W: от 0,40 до 0,60 и Fe: по меньшей мере 80. После обработки, включающей обеспечение перехода по меньшей мере части стали в аустенитную фазу путем нагрева до температуры от 1100°C до 1300°C в течение 40-60 часов, сталь имеет распухание менее 0,9 об.% на глубине от 500 до 700 нм ниже поверхности после облучения двойным пучком Fe++ и He++ до доз 188 смещений на атом (сна) с 0,2 атомными частями на млн. Не/сна. Указанное распухание вычислено с использованием моделирования длины пробега частиц в веществе с помощью метода Кинчина-Пиза (К-Р) для каскадов повреждений и энергии смещения 40 эВ, возникающее при облучении стали при 460°C расфокусированным пучком 5 МэВ ионов Fe++ и пучком с растровым сканированием 2 МэВ ионов He++, пропущенных через тонкую алюминиевую фольгу для рассеяния и уменьшения энергии, для создания однородного профиля Не на глубине облучения образца. Обеспечивается достижение заданных свойств материала, в частности термостойкости и радиационного распухания. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Эта заявка является частичным продолжением заявки на патент США №15/076475, поданной 21 марта 2016. Заявка №15/076475 является продолжением заявки на патент США №13/794589, поданной 11 марта 2013, по которой испрашивается приоритет по дате подачи предварительной заявки на патент США №61/747054, поданной 28 декабря 2012 г., и эти заявки включены в данный документ во всей полноте посредством ссылки.
Область техники
Настоящее изобретение относится к топливному элементу, включающему материал оболочки и к соответствующим способам.
Краткое описание изобретения
Раскрытые воплощения включают топливные элементы, топливные сборки, материалы оболочки и способы их изготовления и применения.
Вышеприведенное представляет собой краткое описание и таким образом может содержать упрощения, обобщения, включение и/или опущение подробностей; следовательно, специалистам понятно, что краткое описание является лишь иллюстрацией и не предназначено для каких-либо ограничений. В дополнение к любым описанным выше иллюстративным аспектам, воплощениям и признакам другие аспекты, воплощения и признаки станут понятны при обращении к чертежам и следующему подробному описанию. Другие аспекты, признаки и преимущества устройств и/или способов и/или других объектов изобретения, описанных в данном документе, станут понятны из изложенных в данном документе идей.
Краткое описание чертежей
Специалист понимает, что чертежи представлены в основном в целях иллюстрации, и они не предназначены для ограничения области защиты объекта изобретения, описываемого в данном документе. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе, в некоторых случаях различные аспекты объекта изобретения, описанные в данном документе, могут быть показаны в сильно увеличенном или увеличенном виде на чертежах для облегчения понимания различных признаков. На чертежах подобные номера позиций обычно обозначают подобные признаки (например, функционально похожие и/или структурно похожие элементы).
На Фиг. 1а-1b представлены в схематической форме аксонометрические частичные разрезы иллюстративных (а) топливной сборки и (b) топливного элемента в одном примерном воплощении.
На Фиг. 2а и 2b-2f, соответственно, представлена блок-схема способа изготовления композиции и иллюстративные подробности способа в одном примерном воплощении.
На Фиг. 3а-3с представлены оптические микрофотографии, показывающие различные микроструктуры композиций на основе железа, которые подвергнуты различным процессам обработки в одном примерном воплощении.
На Фиг. 4а и 4b-4е, соответственно, представлена блок-схема способа изготовления композиции и иллюстративные подробности способа в одном примерном воплощении.
На Фиг. 5а и 5b, соответственно, представлена блок-схема способа применения композиции и иллюстративные подробности способа в одном примерном воплощении.
На Фиг. 6а и 6b показана технологическая схема основных стадий способа, использованных для изготовления продуктов в виде пластины и трубы из Heats СН и DH (образцы жаропрочной стали).
На Фиг. 7 показано характерное изображение, полученное посредством трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ), показывающее влияние глубины на полости, созданные облучением.
На Фиг. 8 показаны результаты распухания для образцов жаропрочной стали, показывающие различие в характеристике радиационного распухания воплощений композиции по отношению к архивному АСО-3.
На Фиг. 9 показан коллаж ПЭМ микроструктуры полостей в четырех образцах жаропрочной стали после облучения при 480°С на 188 сна (смещение на атом) с 0,2 атомных частей на млн. Не/сна, где полости затемнены.
На Фиг. 10 показан коллаж ПЭМ микроструктуры полостей в четырех образцах жаропрочной стали после облучения при 460°С на 188 сна с 0,015 атомных частей на млн. Не/сна.
Подробное описание изобретения
Введение
В нижеследующем подробном описании ссылаются на приложенные чертежи, которые составляют его часть. Похожие или одинаковые символы на различных чертежах обычно указывает на похожие или одинаковые объекты, если из контекста не следует иное.
Иллюстративные воплощения, описанные в подробном описании, на чертежах и в формуле изобретения, не ограничивают область защиты изобретения. Можно использовать другие воплощения и можно выполнить другие изменения, не отступая от сущности или не выходя из области защиты представленного здесь объекта изобретения.
Специалисту понятно, что описанные в данном документе составные части (например, операции), устройства, объекты и сопутствующее им обсуждение используют в качестве примеров в целях концептуальной ясности и предполагают различные изменения конфигурации. Следовательно, в контексте данного документа, конкретные изложенные примеры и сопутствующее обсуждение приведены в качестве представителей их более общих классов. В общем, использование конкретного примера предназначено для представления его класса, если не включены конкретные составные части (например, операции), устройства и объекты, это нельзя считать ограничением.
В настоящей заявке используют формальные заголовки глав для ясности представления. Однако, нужно понимать, что заголовки глав служат для целей представления и что во всей заявке можно обсуждать различные типы объектов изобретения (например, устройство(а)/конструкцию(и) могут быть описаны под заголовком(ами) способ(ы)/операции, и/или способ(ы)/операции могут осуждаться под заголовками конструкция(и)/способ(ы), и/или описание одной темы может охватываться двумя или более тематическими заголовками). Следовательно, использование формальных заголовков глав не претендует на то, чтобы каким-либо образом ограничивать изобретение.
Обзор
В целях обзора, в одном воплощении представлен способ изготовления композиции, включающий: тепловую обработку материала, содержащего композицию на основе железа, при первой температуре при первом условии, при котором по меньшей часть композиции на основе железа переходит в аустенитную фазу; охлаждение материала до второй температуры со скоростью охлаждения при втором условии, при котором по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в мартенситную фазу, и тепловую обработку материала при третьей температуре при третьем условии, при котором выделяется фаза карбидов.
В другом воплощении представлен способ изготовления композиции, включающий: обработку материала по меньшей мере одним из следующих способов обработки: холодная вытяжка, холодная прокатка и пилигримовая прокатка; тепловую обработку материала, содержащего композицию на основе железа при первой температуре при первом условии, при котором по меньшей часть композиции на основе железа переходит в аустенитную фазу; охлаждение материала до второй температуры со скоростью охлаждения при втором условии, при котором по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в мартенситную фазу, и тепловую обработку материала при третьей температуре при третьем условии, при котором выделяется фаза карбидов.
В другом воплощении представлена композиция, содержащая: (Fe)a(Cr)b(M)c, где a, b и с представляют собой число больше нуля, выражающее массовую процентную долю, Μ является по меньшей мере одним переходным металлом, b составляет от 11 до 12, с составляет от примерно 0,25 до примерно 0,9, а остальное составляет а, и композиция дополнительно содержит по меньшей мере N от примерно 0,01 масс. % до примерно 0,04 масс. %.
В другом воплощении представлена композиция, содержащая: (Fe)a(Cr)b(Mo, Ni, Μn, W, V)c, где a, b и с представляют собой число больше нуля, выражающее массовую процентную долю, b составляет от 11 до 12, с составляет от примерно 0,25 до примерно 0,9, а остальное составляет а, по меньшей мере по существу вся композиция имеет мартенситную фазу, и композиция содержит N от примерно 0,01 масс. % до примерно 0,04 масс. %.
В другом воплощении представлен способ применения топливной сборки, включающий выработку энергии с использованием топливной сборки, топливный элемент которой содержит композицию, которая представлена химической формулой (Fe)a(Cr)b(M)c, где a, b и с представляют собой число больше нуля, выражающее массовую процентную долю, Μ является по меньшей мере одним переходным металлом, b составляет от 11 до 12, с составляет от примерно 0,25 до примерно 0,9, а остальное составляет а, и композиция также содержит по меньшей мере N от примерно 0,01 масс. % до примерно 0,04 масс. %.
В другом воплощении представлен топливный элемент, содержащий трубчатый элемент, изготовленный посредством способа, включающего тепловую обработку материала, содержащего композицию на основе железа, при первой температуре при первом условии, при котором по меньшей часть композиции на основе железа переходит в аустенитную фазу; охлаждение материала до второй температуры со скоростью охлаждения при втором условии, при котором по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в мартенситную фазу, и тепловую обработку материала при третьей температуре при третьем условии, при котором выделяется фаза карбидов. В одном воплощении в композициях, в которых присутствует азот, выделению карбидной фазы может сопутствовать выделение фазы нитридов и карбонитридов.
Топливная сборка
На Фиг. 1а представлена иллюстрация части топливной сборки 10 в соответствии с одним воплощением. Топливная сборка может представлять собой топливную сборку на основе делящихся материалов или воспроизводящую топливную сборку. Сборка может содержать топливные элементы (или «топливные стержни», или «топливные прутки») 11. На Фиг. 1b представлена иллюстрация части топливного элемента 11 в соответствии с одним воплощением. Как показано на этом воплощении, топливный элемент 11 может содержать материал 13 оболочки, топливо 14 и, в некоторых случаях, по меньшей мере один зазор 15.
Топливо может быть загерметизировано внутри полости с помощью материала 13 внешней оболочки. В некоторых случаях множество топливных материалов можно расположить друг над другом в осевом направлении, как показано на Фиг. 1b, однако это не обязательно. Например, топливный элемент может содержать только один топливный материал. В одном воплощении между топливным материалом и материалом оболочки могут присутствовать зазор(ы) 15, хотя зазор(ы) не обязательно присутствуют. В одном воплощении зазор заполняют атмосферой при повышенном давлении, такой как гелиевая атмосфера при повышенном давлении.
Топливо может содержать любой делящийся материал. Делящийся материал может содержать металл и/или металлический сплав. В одном воплощении топливо может быть металлическим топливом. Можно понять, что металлическое топливо может характеризоваться относительно высоким содержанием тяжелого металла и превосходным балансом нейтронов, что требуется для процесса воспроизводства и горения ядерного реактора деления. В зависимости от применения, топливо может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из U, Th, Am, Np и Pu. Термин «элемент», представленный химическим символом в данном документе, может относится к элементу, который присутствуют в Периодической таблице, его не надо смешивать с «элементом» в термине «топливный элемент». В одном воплощении топливо может содержать по меньшей мере примерно 90 масс. % U, например, по меньшей мере 95 масс. %, 98 масс. %, 99 масс. %, 99,5 масс. %, 99,9 масс. %, 99,99 масс. % U или более. Топливо также может содержать огнеупорный материал, который может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir и Hf. В одном воплощении топливо может содержать дополнительные выгорающие поглотители нейтронов, такие как бор, гадолиний или индий.
Металлическое топливо можно легировать цирконием в количестве от примерно 3 масс. % до примерно 10 масс. % для размерной стабилизации сплава в течение облучения и для подавления низкотемпературного плавления и коррозионного повреждения оболочки. Натриевая термическая связь заполняет зазор, который существует между топливным сплавом и внутренней стенкой трубы-оболочки, чтобы обеспечить возможность распухания топлива и обеспечить эффективный теплоперенос, что может сохранять низкую температуру топлива. В одном воплощении отдельные топливные элементы 11 могут содержать тонкий провод 12 диаметром от примерно 0,8 мм до примерно 1,6 мм, закрученный по спирали вокруг поверхности трубы-оболочки для обеспечения пространства для охладителя и механического разделения отдельных топливных элементов 56 внутри корпуса топливных сборок 18 и 20 (который также служит в качестве канала подачи охладителя). В одном воплощении оболочку 13 и/или проводную обмотку 12 можно изготовить из ферритно-мартенситной стали, благодаря ее характеристике облучения, указанной в сборнике эмпирических данных.
Топливный элемент
«Топливный элемент», такой как элемент 11, показанный на Фиг. 1a-1b, в топливной сборке вырабатывающего энергию реактора может в общем иметь форму цилиндрического стержня. Топливный элемент может быть частью вырабатывающего энергию реактора, который является частью ядерной энергетической установки. В зависимости от применения, топливный элемент может иметь любую подходящие длину и диаметр. Топливный элемент может содержать слой 13 оболочки и топливо 14, расположенное внутри слоя 13 оболочки. В случае ядерного реактора топливо может содержать ядерное топливо (или представлять собой ядерное топливо). В одном воплощении ядерное топливо может быть кольцевым ядерным топливом. Топливный элемент может дополнительно содержать прокладку, расположенную между ядерным топливом 14 и слоем 13 оболочки. Прокладка может содержать множество слоев.
Топливо может иметь любую геометрию. В одном воплощении топливо имеет кольцевую геометрию. В таком воплощении топливо в кольцевой форме может обеспечить требуемый уровень плотности топлива, достигаемый после определенного уровня выгорания. Также, такая кольцевая конфигурация может поддерживать сжимающие усилия между топливом и оболочкой, чтобы способствовать теплопередаче. Топливо можно подобрать так, чтобы оно имело различные свойства, в зависимости от применения. Например, топливо может иметь любой уровень плотности. В одном воплощении требуется иметь высокую плотность топлива, такую как плотность, насколько возможно близкая к теоретической плотности урана (в случае содержащего уран топлива). В другом воплощении наличие высокой пористости (низкой плотности) может препятствовать образованию дополнительных внутренних полостей в течение облучения, уменьшая давление топлива на конструкционный материал, такой как оболочка, в течение функционирования ядерного топлива.
Материал для слоя 13 оболочки может включать любой подходящий материал, в зависимости от применения. В одном воплощении слой 13 оболочки может содержать по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики. В одном воплощении слой 13 оболочки может содержать огнеупорный материал, такой как огнеупорный металл, включающий по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf. В другом воплощении материал оболочки можно выбирать из керамического материала, такого как карбид кремния или оксид алюминия.
Металлический сплав в слое 13 оболочки может в одном примерном воплощении представлять собой сталь. Сталь можно выбирать из аустенитной стали, ферритно-мартенситной стали, дисперсионно упрочненной оксидами стали, стали Т91, стали Т92, стали НТ9, стали 316 и стали 304. Сталь может иметь любой тип микроструктуры. Например, сталь может содержать по меньшей мере одну фазу из мартенситной фазы, ферритной фазы и аустенитной фазы. В одном воплощении по существу вся сталь содержит по меньшей мере одну фазу, выбранную из мартенситной фазы, ферритной фазы и аустенитной фазы. В зависимости от применения, микроструктуру можно подобрать так, чтобы она содержала конкретную фазу (или фазы). Слой 13 оболочки может содержать описанную ниже композицию на основе железа.
По меньшей мере часть из компонентов топливных элементов могут быть связаны. Связь может быть физической (например, механической) или химической. В одном воплощении ядерное топливо и оболочка механически связаны. В одном воплощении первый слой и второй слой механически связаны.
Композиция на основе железа
В одном воплощении в данном документе представлена композиция, содержащая металл. Металл может включать по меньшей мере один материал из металла, металлического сплава и интерметаллической композиции. В одном воплощении металл включает железо. В одном воплощении композиция включает композицию на основе железа. Термин композиция «на основе X» в одном воплощении может относиться к композиции, содержащей значительное количество элемента X (например, металлического элемента). Это количество может составлять, например, по меньшей мере 30%, например, по меньшей мере 40%, по меньшей мере 50%, по меньшей мере 60%, по меньшей мере 70%, по меньшей мере 80%, по меньшей мере 90%, по меньшей мере 95%, по меньшей мере 99% или более. Процентная доля в данном документе может относиться к массовым процентам или объемным (или атомным) процентам, в зависимости от контекста. В одном воплощении композиция на основе железа может содержать сталь.
Описанные в данном документе композиции можно применять в качестве компонента топливного элемента, такого как материал его оболочки. Однако, содержащая металл композиция не обязательно ограничена материалом оболочки и ее можно применять везде, где применяют такую композицию. Например, в одном воплощении представлена композиция, которая выражается химической формулой (Fe)a(Cr)b(M)c, где a, b и с представляют собой число больше нуля, выражающее массовую процентную долю, в зависимости от контекста эти числа могут альтернативно выражать объемную процентную долю. В одном воплощении b является числом от 11 до 12, с составляет от примерно 0,25 и примерно 0,9; остальное составляет а. В одном воплощении композиция содержит по меньшей мере азот (N) в количестве от примерно 0,005 масс. % до примерно 0,05 масс. %, например, от примерно 0,01 масс. % до примерно 0,04 масс. %, от примерно 0,01 масс. % до примерно 0,03 масс. %, от примерно 0,02 масс. % до примерно 0,03 масс. % и т.д. Элемент Μ может представлять собой по меньшей мере один элемент, являющийся переходным металлом. Элемент Μ в этой композиции на основе железа может быть любым переходным металлом, присутствующим в Периодической таблице, например, элементом Групп 3-12 Периодической таблицы. В одном воплощении Μ представляет по меньшей мере один из Mo, Ni, Μn, W и V.
В другом воплощении композиция может содержать (или представлять собой) композицию на основе железа, содержащую стальную композицию. Композицию можно представить химической формулой (Fe)a(Cr)b(Mo, Ni, Μn, W, V)c, где a, b и с представляют собой число больше нуля, выражающее массовую процентную долю, в зависимости от контекста эти числа могут альтернативно выражать объемную процентную долю. В одном воплощении число b составляет от 11 до 12, с составляет от примерно 0,25 до примерно 0,9; остальное составляет а. В одном воплощении композиция содержит N от примерно 0,01 масс. % до примерно 0,04 масс. %.
Композиция может содержать по меньшей мере один дополнительный элемент. Дополнительный элемент может быть неметаллическим элементом. В одном воплощении неметаллический элемент может быть по меньшей мере одним элементом, выбранным из Si, S, С и Р. Дополнительный элемент может быть металлическим элементом, включая Си, Cr, Мо, Μn, V, W, Ni и т.п. В одном воплощении композиция дополнительно содержит Cr в количестве от примерно 10 масс. % до примерно 12,5 масс. %, С в количестве от примерно 0,17 масс. % до примерно 0,22 масс. %, Мо в количестве от примерно 0,80 масс. % до примерно 1,2 масс. %, Si в количестве меньшем или равном примерно 0,5 масс. %, Μn в количестве меньшем или равном примерно 1,0 масс. %, V в количестве от примерно 0,25 масс. % до примерно 0,35 масс. %, W в количестве от примерно 0,40 масс. % до примерно 0,60 масс. %, Ρ в количестве меньшем или равном примерно 0,03 масс. % и S в количестве меньшем или равном примерно 0,3 масс. %. В другом воплощении композиция дополнительно содержит Ni в количестве от примерно 0,3 масс. % до 0,7 масс. %. В другом воплощении композиция дополнительно содержит примерно 11,5 масс. % Cr, примерно 0,20 масс. % С, примерно 0,90 масс. % Мо, примерно 0,55 масс. % Ni, примерно 0,65 масс. % Μn, примерно 0,30 масс. % V, примерно 0,50 масс. % W, примерно 0,20 масс. % Si и примерно 0,02 масс. % N. Другие элементы также могут присутствовать в любом подходящем количестве. В некоторых случаях могут присутствовать некоторые случайные примеси.
Композиция может включать композицию на основе железа, которая включает стальную композицию, содержащую подобранную микроструктуру.
Например, представленные в данном документе композиции могут содержать небольшое количество фазы дельта феррита. В одном воплощении композиция по меньшей мере по существу не содержит дельта феррита. В другом воплощении композиция совсем не содержит дельта феррита. Вместо ферритной фазы композиция может содержать мартенситную фазу (например, отпущенный мартенсит). В одном воплощении по существу вся композиция состоит из мартенситной фазы. В другом воплощении полностью вся композиция состоит из мартенситной фазы. Как описано ниже, одной технологией подбора микроструктуры (например, для снижения образования ферритной фазы) может быть регулирование содержания азота в представленном в данном документе интервале. Снижение в данном документе может относиться к уменьшению и/или предотвращению, но его нельзя относить к полному устранению.
Микроструктуру, включая фазы, можно описать в показателях хромового эквивалента. В одном воплощении хромовый эквивалент (Creq) представляет собой сумму ферритобразующих элементов, обозначенных на диаграммах состояния для определения фаз в нержавеющей стали, сварочном металле, и вычисленную из различных уравнений. В некоторых случаях хромовый эквивалент можно использовать в сочетании с никелевым эквивалентом, который представляет собой сумму аустенитобразующих элементов. Уравнение может быть любым подходящим уравнением, в зависимости от по меньшей мере химического состава материала. В одном воплощении уравнение можно представить с помощью суммарного хромового эквивалента, чистого Creq, который представляет собой между хромовым эквивалентом и никелевым эквивалентом. Чистый Creq (масс. %) = (%Cr) + 6(%Si) + 4(%Мо) + 11(%V) + 5(%Nb) + 1,5(%W) + 8(%Τl) + 12(%Αl) - 4(%Ni) - 2(%Co) - 2(%Mn) - (%Cu) - 40(%C) - 30(%N). В одном воплощении описанные в данном документе композиции могут иметь Creq меньше или равный примерно 10, например, меньше или равный примерно 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 или менее. В одном воплощении Creq можно поддерживать ниже 9 для снижения образования ферритов. На основе приведенного выше уравнения содержание N может играть важную роль в значении Creq и, следовательно, в образовании феррита (или его недостатке).
По меньшей мере частично из-за микроструктуры, описанные в данном документе композиции могут иметь заданные свойства материала. Например, композиции могут обладать высокой термостойкостью. Термостойкость композиции в одном воплощении может относиться к стойкости конкретной фазы композиции к разложению (или диссоциации) на другие фазы при повышенной температуре. В одном воплощении описанные в данном документе композиции в основном являются термостойкими при температуре выше или равной примерно 500°С, например, выше или равной примерно 550°С, примерно 600°С или выше.
Представленные в данном документе композиции могут содержать дополнительную(ые) фазу(ы) или материал(ы). Например, когда композиция содержит углерод, углерод может присутствовать в форме карбида. В одном воплощении композиция может содержать карбиды, по существу однородно распределенные в композиции. Карбиды могут иметь любые подходящие размеры, в зависимости от применения. В одном воплощении карбиды имеют размер меньше или равный примерно 2 мкм, например, меньше или равный примерно 1 мкм, 0,5 мкм, 0,2 мкм, 0,1 мкм или менее.
Способы изготовления/применения композиции на основе железа
Композицию на основе железа и топливный элемент, содержащий описанную в данном документе композицию, можно изготовить с помощью множества технологий. Композиция на основе железа может быть любой из композиций, описанных в данном документе. Например, композиция может содержать сталь. В другом воплощении представлен топливный элемент, имеющий трубчатую структуру, изготовленный с помощью способов, описанных в данном документе. Например, со ссылкой на Фиг. 2а, в одном воплощении представлен способ изготовления композиции, включающий тепловую обработку материала, содержащего композицию на основе железа, при первой температуре при первом условии, при котором по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в аустенитную фазу (стадия 201), охлаждение материала до второй температуры со скоростью охлаждения при втором условии, при котором по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в мартенситную фазу (стадия 202), и тепловую обработку материала при третьей температуре при третьем условии, при котором выделяется фаза карбидов (стадия 203). В одном воплощении стадии 201 и 202 в совокупности можно назвать нормализацией, при этом стадию 203 можно назвать отпуском.
Первая температура может быть любой температурой, подходящей для первого условия. В одном примере первая температура может быть выше температуры аустенизации композиции, т.е. температуры, при которой по существу вся ферритная фаза композиции на основе железа переходит в аустенитную фазу. Температура аустенизации меняется в зависимости от химического состава материала. В одном воплощении первая температура составляет от примерно 900°С до примерно 1200°С, например, от примерно 1000°С до примерно 1150°С, от примерно 1025°С до примерно 1100°С и т.п. Первая температура может быть выше 1200°С или ниже 900°С, в зависимости от материала.
Со ссылкой на Фиг. 2b, способ тепловой обработки при первой температуре может также включать нагрев материала до первой температуры (стадия 204). Тепловую обработку при первой температуре можно выполнять в течение любого подходящего периода времени, в зависимости от используемого материала. Время можно подобрать так, чтобы период являлся достаточно продолжительным для способствования образованию однородного аустенитного твердого раствора. В одном воплощении тепловую обработку можно выполнять в течение примерно по меньшей мере 3 минут, например, по меньшей мере 4 минут, 5 минут, 15 минут, 20 минут, 30 минут, 60 минут, 90 минут, 120 минут, 150 минут, 180 минут или более. Также возможна большая или меньшая продолжительность. В одном воплощении тепловую обработку при первой температуре можно выполнять в течение от примерно 1 минуты до примерно 200 минут, например, от примерно 2 минут до примерно 150 минут, от примерно 3 минут до примерно 120 минут, от примерно 5 минут до примерно 60 минут и т.п. В одном воплощении в течение тепловой обработки при первой температуре (например, в конце обработки) по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в аустенитную фазу. В одном воплощении по существу вся композиция переходит в аустенитную фазу. В другом воплощении полностью вся композиция переходит в аустенитную фазу. В одном воплощении первое условие снижает образование дельта ферритной фазы композиции на основе железа. В другом воплощении первое условие способствует переходу по существу всей композиции на основе железа в аустенитную фазу.
Со ссылкой на Фиг. 2с, способ тепловой обработки при первой температуре (стадия 201) может дополнительно включать растворение по меньшей мере по существу всех карбидов, присутствующих в композиции материала на основе железа, если они присутствуют (стадия 205).
Вторая температура на стадии 202 может быть любой температурой, подходящей для второго условия. В одном воплощении вторая температура меньше или равна 60°С, например, меньше или равна 50°С, 40°С, 30°С, 20°С, 10°С или меньше. В одном воплощении вторая температура представляет собой примерно комнатную температуру (например, 20°С). Охлаждение можно выполнять посредством любых подходящих технологий. В одном воплощении охлаждение включает охлаждение воздухом и/или жидкостью. В одном воплощении второе условие способствует переходу по существу всей композиции на основе железа в мартенситную фазу. Например, охлаждение можно выполнять с достаточной скоростью, такой что в течение охлаждения (например, в конце обработки) по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в мартенситную фазу. В одном воплощении скорость является достаточно высокой, чтобы по существу вся композиция перешла в мартенситную фазу. В другом воплощении скорость является достаточно высокой, чтобы вся композиция полностью перешла в мартенситную фазу. В одном воплощении в конце охлаждения композиция в основном не содержит по меньшей мере одну фазу, выбранную из ферритной фазы и аустенитной фазы. В одном воплощении в конце охлаждения композиция по существу не содержит по меньшей мере одной фазы, выбранной из ферритной фазы и аустенитной фазы. В одном воплощении в конце охлаждения композиция совсем не содержит по меньшей мере одной фазы, выбранной из ферритной фазы и аустенитной фазы.
Третья температура на стадии 203 может быть любой температурой, подходящей для третьего условия. Третья температура может быть ниже температуры, выше которой начинается образование аустенита. В одном воплощении третья температура может быть ниже первой температуры. В одном воплощении третья температура составляет по меньшей мере 500°С, например, по меньшей мере 550°С, 600°С, 650°С, 700°С, 750°С, 800°С, 850°С, 900°С или более. В одном воплощении третья температура составляет от примерно 500°С до примерно 900°С, например от примерно 550°С до примерно 850°С, от примерно 600°С до примерно 800°С, от примерно 650°С до примерно 780°С, от примерно 700°С до примерно 750°С и т.п.Также возможна более высокая или более низкая температура. Третья температура может быть достаточно высокой для выделения фазы карбидов и придания высокой температурной стабильности карбидов, однако достаточно низкой, чтобы плотность карбидов была высокой и размер карбидов был небольшим с однородным распределением карбидов для стойкости к радиационному распуханию.
Со ссылкой на Фиг. 2d, тепловая обработка при третьей температуре может включать нагрев материала до третьей температуры (стадия 206). Тепловую обработку при третьей температуре можно выполнять в течение любого периода времени, в зависимости от используемого материала. В одном воплощении тепловую обработку при третьей температуре можно выполнять в течение от примерно 0,1 часа и до примерно 5 часов, например, от примерно 0,2 часа до примерно 4 часов, от примерно 0,5 часов до примерно 3 часов, от примерно 1 часа до примерно 2 часов и т.п.Также возможен более длинный или более короткий период времени. В одном воплощении третье условие может снижать образование ферритной фазы и/или аустенитной фазы в композиции на основе железа. В одном воплощении композиция по существу не содержит ферритной фазы и/или аустенитной фазы. Тепловую обработку можно выполнять с помощью любой подходящей технологии. В одном воплощении тепловую обработку при третьей температуре выполняют в вертикальной печи.
Можно использовать дополнительный(е) способ(ы). Например, со ссылкой на Фиг. 2е, способ может дополнительно включать охлаждение композиции от третьей температуры до четвертой температуры (стадия 207). Четвертая температура может быть ниже третьей температуры. Например, четвертая температура может быть меньше или равна 60°С, например, меньше или равна 50°С, 40°С, 30°С, 20°С, 10°С или меньше. В одном воплощении четвертая температура составляет примерно комнатную температуру (например, 20°С). Со ссылкой на Фиг. 2f, способ может дополнительно включать регулирование масс. % N в композиции материала на основе железа для уменьшения роста карбидной фазы в композиции на основе железа (стадия 208).
На Фиг. 3а-3с проиллюстрированы различия микроструктуры композиции на основе железа. На Фиг. 3а показана микроструктура традиционной стали с массивными зернами дельта феррита, недостатком микроструктуры отпущенного мартенсита и большим количеством зерен, не включающих сложной карбидной микроструктуры. На Фиг. 3b показана улучшенная микроструктура с более однородной карбидной микроструктурой в отпущенных мартенситных зернах, отметим, что в микроструктуре все еще присутствует некоторое количество мелких ферритных зерен. На Фиг. 3с показан результат обработки образца стали описанными в данном документе способами. На чертеже показана улучшенная микроструктура, по существу не содержащая дельта феррита, при этом большинство областей зерен, имеет высокую плотность тонко распределенных карбидов.
В другом воплощении представлен альтернативный способ изготовления композиции. Со ссылкой на Фиг. 4а, способ включает обработку материала по меньшей мере одним способом из холодной вытяжки, холодной прокатки и пилигримовой прокатки (стадия 401), тепловую обработку материала, содержащего композицию на основе железа, при первой температуре при первом условии, при котором по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в аустенитную фазу (стадия 402), охлаждение материала до второй температуры со скоростью охлаждения при втором условии, при котором по меньшей мере часть композиции на основе железа переходит в мартенситную фазу (стадия 403), и тепловую обработку материала при третьей температуре при третьем условии, при котором выделяется фаза карбидов (стадия 404).
На стадии 401 материал подвергают холодной обработке, при этом холодная вытяжка, холодная прокатка и пилигримовая прокатка являются только некоторыми примерами способов обработки, которой можно подвергнуть материал. Одним результатом холодной обработки является то, что размер материала можно изменить до требуемой величины. Например, в результате холодной обработки можно уменьшить толщину материала. В одном воплощении уменьшение толщины может составлять, например, по меньшей мере 5%, по меньшей мере 10%, 15%, 20%, 25% или более. В одном воплощении уменьшение составляет от примерно 5% до примерно 20%, например, от примерно 8% до примерно 16%, от примерно 10% до примерно 15% и т.п. Также возможны более высокие или более низкие значения.
Размер(ы) материала можно регулировать посредством дополнительных способов обработки. В одном воплощении слиток можно подвергнуть термомеханической обработке с образованием материала конечного(ых) требуемого(ых) размера(ов). Со ссылкой на Фиг. 4b, исходный обрабатываемый материал может представлять собой биллет, слиток, поковку и т.п., при этом заготовка имеет цилиндрическую форму (стадия 405). Исходный материал затем подвергают механической обработке (например, холодной обработке) с помощью подходящего(их) способа(ов) изготовления труб (стадия 406). Когда способ изготовления труб включает холодную обработку, заготовку после обработки можно подвергнуть отжигу («промежуточный отжиг») при температуре ниже температуры, выше которой начинается образование аустенита, то есть ниже температуры перехода ферритной фазы в аустенитную фазу (стадия 407). В одном воплощении необходимо избегать образования аустенита, потому что он может превращаться при охлаждении в твердый мартенсит, таким образом противодействуя процессу смягчающего отпуска. Стадии 406 и 407 повторяют до тех пор, пока не достигнут конечных размеров. В одном воплощении после конечной стадии холодной обработки (стадия 408), на которой обеспечивают трубу с ее конечными размерами, трубу снова не подвергают отжигу. Трубу затем можно подвергать нормализации и отпуску, как описано выше.
Способ может включать дополнительные стадии. Со ссылкой на Фиг. 4с, способ может дополнительно включать экструдирование слитка, содержащего композицию (стадия 409). Со ссылкой на Фиг. 4d, способ может дополнительно включать формирование слитка, содержащего композицию на основе железа, перед стадией обработки, где формирование включает по меньшей мере один способ, выбранный из индукционной плавки с холодным катодом, вакуумной индукционной плавки, вакуумной электродуговой плавки и электрошлакового переплава (стадия 410). Со ссылкой на Фиг. 4е, способ может дополнительно включать формирование слитка, содержащего композицию на основе железа, и очистку слитка для удаления примесей, например, Р, S и т.п., (стадия 411) перед стадией обработки. Способы формирования и очистки могут включать любые подходящие технологии. Вышеописанные температуры могут изменяться в зависимости от материалов и/или областей применения.
Топливный элемент (и топливные сборки), содержащие композицию (например, в качестве оболочки), можно использовать во многих областях применения. В одном воплощении представлен способ применения топливной сборки. Со ссылкой на Фиг. 5а, способ включает выработку энергии с использованием топливной сборки, топливный элемент которой содержит любую из описанных в данном документе композиций на основе железа (стадия 501). Со ссылкой на Фиг. 5b, выработка энергии может включать выработку электрической энергии и/или тепловой энергии (стадия 502).
Выработка энергии
Как описано выше, топливные сборки, описанные в данном документе, могут быть частью генератора мощности или энергии, который может быть частью энергетической установки. Топливная сборка может быть ядерной топливной сборкой. В одном воплощении топливная сборка может содержать топливо, топливные элементы и каналы подвода топлива, как описано выше. Каналы подвода топлива могут содержать расположенные в них топливных элементов.
Описанную в данном документе топливную сборку можно приспособить для выработки максимальной локальной плотности энерговыделения, составляющей по меньшей мере примерно 50 МВт/м2, например, по меньшей мере примерно 60 МВт/м2, примерно 70 МВт/м2, примерно 80 МВт/м2, примерно 90 МВт/м2, примерно 100 МВт/м2 или выше. В некоторых воплощениях топливная сборка может подвергаться радиационному повреждению на уровне по меньшей мере примерно 120 смещений на атом («сна»), например, по меньшей мере примерно 150 сна, примерно 160 сна, примерно 180 сна, примерно 200 сна или выше.
Все указанные выше патенты США, опубликованные патентные заявки США, патентные заявки США, иностранные патенты, иностранные патентные заявки и не патентные публикации, о которых идет речь в этом техническом описании, и/или перечисленные в любом информационном листке заявки, включены в данный документ путем ссылки во всей их полноте в не противоречащей ему степени. В случае, если один или более включенных литературных или аналогичных материалов отличаются от этой заявки или противоречат этой заявке, включая, но не ограничиваясь перечисленным, определенные термины, применение терминов, описываемые технологии и т.п., эта заявка имеет преимущество.
Примеры
Были изготовлены композиции согласно вышеописанным воплощениям, и их испытывали на характеристику радиационного распухания. Изготавливали три образца жаропрочной стали из композиции, обозначенные Heat FD, СН и DH, которые соответствовали вышеуказанным техническим характеристикам. Heat СН и DH являются одинаковыми композициями, которые отличаются только небольшими изменениями конечной тепловой обработки. Для относительного сравнения традиционной НТ9 и композиций по воплощениям, описанным в данном документе, образец традиционной НТ9 жаропрочной стали 84425 от трубопровода АСО-3, использованного в испытательной установке на быстрых нейтронах (ИУБН), испытывали на распухание с использованием такого же протокола испытаний.
Фактический состав конечного продукта в виде пластины из каждой жаропрочной стали определяли путем анализа, и он показан в таблице 1. Также определяли фактический состав образца традиционной стали, и он также представлен в таблице 1.
Приготовление Heat FD
20 кг полученного вакуумно-индукционным переплавом (ВИП) слитка стали Heat FD нагревали при 1200°С в течение 48 часов для гомогенизации структуры отлитой заготовки и затем ковали до размера приблизительно 70 (высота) × 100 (ширина) × 450 (длина) мм. Температуру печи для гомогенизации регулировали с помощью ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциального) регулятора температуры и посредством использования калиброванной термопары. Кованую пластину выдерживали при 1200°С в течение 2 часов и подвергали горячей прокатке от размеров 70 (высота) × 100 (ширина) × 450 (длина) мм до размеров приблизительно 24 (высота) × 110 (ширина) × 1050 (длина) мм.
Часть горячекатаной стальной пластины отжигали при 800°С в течение 1 часа, чтобы облегчить механическую обработку поверхности, и приблизительно 0,3 мм удаляли с помощью механической обработки с каждой стороны поверхности пластины для удаления оксидной пленки. Пластину затем подвергали холодной прокатке за множество стадий до толщины 5,4 мм. В промежутках между стадиями холодной прокатки пластину отжигали при 800°С в течение 1 часа для смягчения подвергнутой холодной обработке структуры. Температуру печи для промежуточной тепловой обработки также регулировали с помощью ПИД регулятора температуры печи и путем использования калиброванной термопары.
После холодной прокатки пластину отжигали при 800°С в течение 1 часа, чтобы облегчить резку, и разрезали на более мелкие детали для конечной тепловой обработки.
После резки выполняли конечную тепловую обработку на одной из более мелких деталей. Эту деталь, обозначенную как Heat FD, подвергали тепловой обработке (как часть партии деталей из других сталей) при 1000°С в течение 30 минут и затем охлаждали воздухом до комнатной температуры, чтобы получить мартенситную структуру. Температуру печи для тепловой обработки с целью нормализации регулировали с помощью ПИД регулятора температуры и путем использования калиброванной термопары. Более того, к поверхности одной из деталей в подвергаемой тепловой обработке партии прикрепляли новые термопары с помощью точечной сварки. Партию, включающую деталь с прикрепленными термопарами, помещали в печь при температуре нормализации, и отсчет времени конечной тепловой обработки с целью нормализации начинали после того, как термопары, прикрепленные к детали, достигали температуры нормализации. После выдержки в течение заданного времени, партию изымали из печи.
Нормализованную деталь Heat FD подвергали тепловой обработке при 750°С в течение 0,5 часа, чтобы отпустить мартенситную структуру, и затем охлаждали воздухом до комнатной температуры. Температуру печи для конечной тепловой обработки с целью отпуска регулировали с помощью ПИД регулятора температуры и путем использования калиброванной термопары. Снова деталь Heat FD являлась частью партии других стальных деталей, которая включала деталь с прикрепленными термопарами, как описано выше. Партию помещали в печь, поддерживаемую при температуре отпуска, и отсчет времени конечной обработки с целью отпуска начинали после того, как термопары, прикрепленные к детали, достигали температуры отпуска, составляющей 750°С.После выдержки в течение 30 минут отпущенную партию извлекали из печи.
Твердость по Виккерсу отпущенной детали Heat FD определяли в трех испытаниях, и она составляла 238, 246 и 241 со средним значением 242.
Приготовление Heat СН и DH
На Фиг. 6а и 6b показана технологическая схема основных стадий способа, используемого для изготовления продуктов в виде пластины и трубы из Heat СН и DH. Начальные технологические стадии (вакуумно-индукционное плавление (ВИП), вакуумно-дуговой переплав (ВДП) и гомогенизацию) применяли для обоих образцов Heat.
Одной особенностью способа изготовления является применение второй тепловой обработки с целью гомогенизации при 1180°С в течение 48 часов либо после горячей прокатки пластины, либо после 2-ой или 3-ей стадии холодной прокатки трубы.
Испытание на распухание
Испытание на облучение тяжелыми ионами проводили на пластинах каждой из трех жаропрочных сталей и контрольном образце традиционной стали для определения характеристики распухания композиции. Облучение проводили в лаборатории ионных пучков с использованием облучения двойным пучком ионов (Fe++ и Не++) для моделирования получения Не из (n,α) реакций и последующего образования полостей в нейтронной среде. Ионы Fe++ высокой энергии 5 МэВ и ионы Не++ низкой энергии направляли на стальные образцы при температуре 440, 460 и 480°С для достижения уровня облучения, составляющего 188 сна. ~ 2 МэВ ионы Не++ передавали через алюминиевую фольгу с толщиной ~ 3 мкм, чтобы уменьшить их энергию и осадить Не+ на надлежащей глубине в стали. Точная энергия пучка Не++ зависит от точной толщины алюминиевой фольги. Алюминиевую фольгу вращают относительно пучка Не++, чтобы изменять угол падения пучка и менять глубину внедрения в сталь в интервале от 300 до 1000 нм. Угол падения изменяется от 0 до 60° при пяти различных интервалах, с различными временами выдержки для каждого угла падения, с получением пяти отдельных профилей глубины, которые совместно представляют приблизительно однородную (±10%) концентрацию Не в стали на глубине от 300 до 1000 нм.
Облучение проводили на трех жаропрочных сталях и контрольном образце традиционной стали с использованием 3 MB ускорителя Pelletron. Образцы облучали, используя сочетание расфокусированного ионного пучка 5 МэВ Fe++ с обычным током пучка ~ 100-400 нА на образцах и сфокусированного с диаметром 3 мм ~ 2 МэВ пучка Не++ с растровым сканированием при 0,255 кГц по оси × и 1,055 кГц по оси у. Перед каждым облучением из отсека удаляли газ до давления ниже 0,01 Па (10-7 торр). Ток пучка регистрировали каждые 30 - 60 минут с использованием цилиндра Фарадея непосредственно перед образцами, и интегрированный заряд (ток x время) превращали в дозу на основе результата вычисления скорости повреждения из длины пробега ионов в веществе (ДПИВ) на глубине 600 нм с использованием режима Quick Kinchin-Pease и энергии смещения 40 эВ.
Образцы подвергали механической полировке с использованием мелкозернистой шлифовальной SiC бумаги вплоть до # 4000, с последующей конечной полировкой алмазными растворами вплоть до 0,25 мкм, с конечной механической полировкой 0,02 коллоидальным раствором диоксида кремния до облучения. После механической полировки образцы подвергали электрохимической полировке в течение 20 секунд в растворе 90% метанола и 10% перхлорной кислоты при температуре от -40°С до -50°С с приложенным потенциалом 35В между образцом и платиновым сетчатым катодом.
Контроль температуры осуществляли путем использования ряда термопар, прикрепленных к облучаемым образцам, которые нагревали и затем использовали для калибровки пирометра с двумерным формированием изображения при температуре облучения. Температуру контролировали, используя пирометр с формированием изображения, до ±10°С в течение всего периода облучения.
Приготовление облученных образцов выполняли, используя извлеченные изображения, полученные сфокусированным ионным пучком (СИП), облученной поверхности поперечного разреза каждого образца. Метод извлечения обеспечивает получение изображения всей облученной области повреждения, и для анализа изображений полостей его соответственно выполняют только на требуемой глубине.
На Фиг. 7 показано характерное изображение трансмиссионной электронной микроскопии (ТЭМ), показывающее влияние глубины на полости, созданные облучением. Построение изображений полостей осуществляли на JEOL 2100F ТЕМ. Измерения полостей включали только полости, которые находятся в зоне повреждения на глубине 300-700 нм в образце, как представлено на Фиг. 7. При выполнении анализа таким образом не учитывают все полости на поверхности (0-300 нм), на которые могут оказывать влияние поверхностные эффекты и изменения состава на поверхности. Таким образом, не учитывают также все полости в конце кривой повреждения (>700 нм), на которые может оказывать влияние имплантация самовнедряемых ионов Fe++. Самовнедряемые ионы в конце кривой повреждения как правило подавляют образование зародышей полостей путем воздействия на смещение вакансия/внедрение, которое вызывает образование зародышей полостей.
Толщину образца измеряли, используя спектроскопию энергетических потерь электронов (СЭПЭ) для измерения фракции с нулевой потерей энергии и определения толщины образца. Используя толщину образца и область изображения можно измерить плотность полостей и распухание.
Как отмечено выше, облучение также производили на образце материала традиционной стали НТ9 из трубопровода АСО-3 от ИУБН для относительного сравнения распухания с распуханием композиций по вышеописанным воплощениям. Облучение тяжелыми ионами проводили на четырех описанных выше жаропрочных сталях (СН, DH, FD и АСО-3), чтобы сравнить поведение при распухании различных жаропрочных сталей. Реакцию на распухание можно также сравнить с архивными данными для стали НТ9 (жаропрочная сталь 84425) от стенки трубопровода АСО-3 из программы ИУБН, облученной при 443°С до дозы 155 сна, которая демонстрировала распухание ~0,3% на основе ТЭМ изображений полостей. Информацию, относящуюся к традиционной жаропрочной стали НТ9 из программы ИУБН можно найти в статье Phase Stability of an HT-9 Duct Irradiate in FFTF, by O. Anderoglu, et al., Journal of Nuclear Materials 430 (2012) pp.194-204.
Для количественного определения разницы в характеристике распухания между композициями по настоящим воплощениям и традиционной сталью АСО-3, определяли распухание в %, что показано на Фиг. 8, используя метод, определенный в разделе 2.2 статьи Void Swelling And Microstructure Evolution At Very High Damage Level In Self-Ion Irradiated Ferritic-Martensitic Steels, by E. Getto, et al., Journal of Nuclear Materials 480 (2016) pp.159-176, этот раздел включен в данный документ путем ссылки. Везде, где в данном описании используют величину распухания в %, ее вычисляют с помощью метода, указанного во включенном разделе.
На Фиг. 8 показаны результаты распухания для жаропрочных сталей. На Фиг. 8 ясно показано различие в характеристике радиационного распухания композиций по воплощениям относительно традиционной АСО-3. При более высоких и более низких температурах, 440°С и 500°С, обнаруживали небольшое распухание в любой из жаропрочных сталей. Однако, при температурах от 460°С до 480°С каждая из трех жаропрочных сталей из настоящей композиции показывает значительные улучшения в распухании по сравнению с традиционной сталью АСО-3.
На Фиг. 9 показан коллаж изображений ТЭМ микроструктуры полостей в четырех жаропрочных сталях после облучения при 480°С до 188 сна с 0,2 атомными частями на млн. Не/сна, где полости видны в виде темных объектов. Образец АСО-3 показал неоднородное распределение полостей, однако с большим кластером множества полостей. Жаропрочные стали из настоящей композиции показывают явное улучшение по сравнению с АСО-3. Различия между АСО-3 и жаропрочными сталями из настоящей композиции являются четко выраженными и отражают различие в росте полостей между АСО-3 и стальными композициями по воплощениям, описанным в данном документе.
На Фиг. 10 показан коллаж изображений ТЭМ микроструктуры полостей в четырех жаропрочных сталях после облучения при 460°С до 188 сна с 0,015 атомными частями на млн. Не/сна. Снова жаропрочные стали из настоящей композиции показывают явное улучшение по сравнению с АСО-3.
Представленные выше примеры показывают, что можно изготовить сталь, имеющую состав:
Cr от примерно 10,0 масс. % до примерно 13,0 масс. %,
С от примерно 0,17 масс. % до примерно 0,23 масс. %,
Мо от примерно 0,80 масс. % до примерно 1,2 масс. %,
Si меньше или равно примерно 0,5 масс. %,
Μn меньше или равно примерно 1,0 масс. %,
V от примерно 0,25 масс. % до примерно 0,35 масс. %,
W от примерно 0,40 масс. % до примерно 0,60 масс. %, и
Fe по меньшей мере 80 масс. %,
которая имеет распухание менее 0,9 об.% и, в некоторых случаях, менее 0,75%, менее 0,5% и даже менее 0,3% на глубине от 500 до 700 нм ниже поверхности после облучения двойным пучком Fe++ и Не++ до доз 188 смещений на атом (сна) с 0,2 атомными частями на млн. Не/сна, вычисленное с использованием моделирования длины пробега частиц в веществе с помощью способа К-Р для каскадов повреждений и энергии смещения 40 эВ, возникающее при облучении стальной композиции при 460°С расфокусированным пучком 5 МэВ ионов Fe++ и пучком с растровым сканированием ~ 2 МэВ ионов Не++, пропущенных через тонкую алюминиевую фольгу для рассеяния и уменьшения энергии, чтобы создать однородный профиль Не на глубине облучения образца.
Что касается применения в данном документе практически любых терминов в единственном и/или множественном числе, специалисты могут переходить от множественного к единственному числу и/или от единственного к множественному числу так, как это соответствует контексту и/или применению. Различные перестановки единственного/множественного числа специально не сформулированы в данном документе в целях ясности.
В описанном в данном документе объекте изобретения иногда проиллюстрированы различные компоненты, содержащие различные другие компоненты или связанные с различными другими компонентами. Необходимо понимать, что такие обозначенные компоненты приведены лишь в качестве примера и что фактически можно реализовать на практике много других компонентов, которые имеют такую же функциональность. В концептуальном смысле, любое расположение компонентов для достижения такой же функциональности включено в объем защиты изобретения, поскольку достигают требуемой функциональности. Следовательно, любые два компонента в данном документе, объединенные для достижения конкретной функциональности можно представлять как «связанные» друг с другом с достижением требуемой функциональности, независимо от их расположения или промежуточных компонентов. Также, любые два компонента связанные таким образом, также можно рассматривать как «функционально связанные» или «функциональное соединенные» друг с другом для достижения требуемой функциональности, и любые два компонента, способные к такой связи, также можно рассматривать как «способные к функциональному соединению» друг с другом для достижения требуемой функциональности. Конкретные примеры способных к функциональному соединению включают, но не ограничиваются перечисленным, физически сочленяемые и/или физически взаимодействующие компоненты, и/или способные к взаимодействию по беспроводной связи, и/или взаимодействующие по беспроводной связи компоненты, и/или логически взаимодействующие, и/или способные к логическому взаимодействию компоненты.
В некоторых случаях в данном документе один или более компонентов можно назвать «выполненными для», «выполненными с помощью», «способными к функционированию/функционирующими», «приспособленными/ способными к приспособлению», «способными к», «соответствующими/ приспособленными» и т.п. Специалистам понятно, что такие термины (например, «выполненный для») могут в общем включать компоненты в активном состоянии, и/или компоненты в неактивном состоянии, и/или компоненты в режиме ожидания, если контекст не требует другого.
Хотя конкретные аспекты настоящего объекта изобретения, описанные в данном документе, были показаны и описаны, специалистам понятно, что на основе идей данного документа можно получить изменения и модификации без отклонения от объекта изобретения, описанного в данном документе, и его более широких аспектов, и поэтому приложенная формула изобретения включает в область защиты изобретения все такие изменения и модификации, как не изменяющие сущность описанного в данном документе изобретения.
Специалистам понятно, что, в общем, используемые в данном документе термины, и в особенности в приложенной формуле изобретения (например, содержание пунктов приложенной формулы изобретения), в общем следует рассматривать как «открытые» термины (например, термин «включающий» нужно интерпретировать как «включающий, но не ограниченный перечисленным», термин «содержащий» нужно интерпретировать как «по меньшей мере содержащий», термин «включает» нужно интерпретировать как «включает, но не ограничен перечисленным» и т.п.). Специалисту также понятно, что если имеется ввиду конкретное число представленных перечислений в пункте формулы изобретения, такое намерение явно изложено в пункте формулы изобретения и при отсутствии такого перечисления не присутствует никакого такого намерения. Например, для понимания, следующие приложенные пункты формулы изобретения могут содержать применение вводных выражений «по меньшей мере один» и «один или более» для введения перечислений в пункте формулы изобретения. Однако применение таких выражений нельзя истолковывать как означающее то, что представление компонента в пункте формулы изобретения в форме единственного числа ограничивает любой конкретный пункт формулы изобретения, содержащий такой представленный компонент в пункте формулы изобретения, пунктами, содержащими только единственный такой компонент, даже если такой же пункт содержит вводные выражения «один или более» или «по меньшей мере один» и компонент в единственном числе (например, единственное число обычно нужно интерпретировать как означающее «по меньшей мере один» или «один или более»), то же самое остается справедливым для конкретно указанных компонентов в единственном числе. К тому же, даже если явно перечисляют конкретное число представленных компонентов в пункте формулы изобретения, специалисту понятно, что такое перечисление обычно нужно интерпретировать как означающее по меньшей мере перечисленное число (например, простое перечисление из «двух компонентов» без других вспомогательных слов обычно означает по меньшей мере два компонента или два или более компонентов). Более того, в таких случаях, когда используют обычное выражение, аналогичное выражению «по меньшей мере один из А, В и С и т.п.», специалист должен понимать, что это выражение не является ограничивающим (например, «система, содержащая по меньшей мере один из А, В и С» будет включать системы, но не будет ограничена ими, которые содержат только А, только В, только С, А и В, А и С, В и С, и/или А, В и С и т.п.). Специалистам также понятно, что обычно разделительное слово и/или выражение, представляющее два или более альтернативных терминов, в описании, в формуле изобретения или на чертежах нужно понимать как предусматривающее возможности включения одного из терминов, либо обоих терминов, если из контекста явно не следует противоположное. Например, выражение «А или В» обычно понимают как включающее возможности «А» или «В» или «А и В».
Что касается приложенной формулы изобретения, специалисты понимают, что указанные в ней операции можно, в общем, выполнять в любом порядке. Также, хотя различные технологические схемы представлены в последовательности(ях), нужно понимать, что различные операции можно выполнять в другом порядке, чем тот, который показан, или их можно выполнять совместно. Примеры таких альтернативных порядков могут включать перекрывание, чередование, прерывание, переупорядочивание, пошаговое исполнение, предварительное выполнение, дополнительное выполнение, одновременное выполнение, обратное выполнение или другие варианты порядка операций, если из контекста явно не следует другое. Более того, выражения «ответственный за», «связанный с» или другие подобные выражения не исключают другие подобные выражения, если из контекста явно не следует другое.
Специалисты понимают, что вышеизложенные приведенные в качестве примера конкретные способы, и/или устройства, и/или технологии являются представительными примерами более общих способов, и/или устройств, и/или технологий, указанных в других местах в данном документе, таких как в формуле изобретения и/или в других местах описания настоящей заявки.
Хотя различные аспекты и воплощения были изложены в данном документе, другие аспекты и воплощения понятны специалистам. Различные аспекты и воплощения, изложенные в данном документе, служат для иллюстрации и не ограничивают область защиты изобретения, определенную в формуле изобретения.
Любую часть описанных в данном документе способов можно автоматизировать. Автоматизацию можно выполнять путем включения в способ по меньшей мере одного компьютера. Автоматизацию можно осуществлять с помощью программы, которая хранится по меньшей мере на одном не промежуточном носителе, пригодном для ввода в компьютер. Носитель может представлять собой, например, CD, DVD, USB, жесткий диск и т.п. Выбор и/или исполнение конструкции топливного элемента, включая сборку, также можно оптимизировать путем использования компьютера и/или программного обеспечения.
Описанные выше воплощения изобретения можно реализовать на практике любым из множества способов. Например, некоторые воплощения можно реализовать на практике с использованием аппаратного оборудования, программного обеспечения или их сочетания. Когда любой аспект воплощения реализуют на практике по меньшей мере частично в программном обеспечении, код программного обеспечения можно выполнять на любом подходящем процессоре или в наборе процессоров, представленных в одном компьютере или распределенных среди множества компьютеров.
Также, описанную в данном документе технологию можно воплотить в виде способа, из которого был представлен по меньшей мере один пример. Операции, выполняемые как часть способа, можно упорядочить любым подходящим способом. Соответственно, можно создать воплощения, в которых операции выполняют в любом порядке, отличном от показанного, который может включать выполнение некоторых операций одновременно, даже если они показаны как последовательные операции в иллюстративных воплощениях.
Все определения, представленные и использованные в данном документе, нужно понимать как словарные определения, определения в документах, включенных путем ссылки, и/или обычные значения определяемых терминов.
Единственное число, используемое в данном документе в описании и в формуле изобретения, если явно не указано противоположное, нужно понимать как означающее «по меньшей мере один».
Выражение «и/или», используемое в данном документе в описании и в формуле изобретения, нужно понимать как обозначающее «любой или оба» для объединенных этими союзами элементов, то есть элементы в некоторых случаях присутствуют совместно, а в других случаях присутствуют по отдельности. Множество элементов, перечисленных с использованием союзов «и/или», нужно истолковывать таким же образом, то есть «один или более» элементов совместно соединены таким же образом. При необходимости могут присутствовать другие элементы, отличные от элементов, конкретно определенных под условием «и/или», относящиеся или не относящиеся конкретно к определенным элементам. Таим образом, в качестве неограничивающего примера, ссылка на «А и/или В», при использовании в сочетании с открытым выражением, таким как «включающий», может относиться, в одном воплощении только к А (возможно включая элементы, отличные от В), в другом воплощении только к В (возможно включая элементы, отличные от А), в еще одном воплощении как к А, так и к В (возможно включая другие элементы) и т.п.
Используемое в данном документе в описании и в формуле изобретения «или» нужно понимать как имеющее такое же значение, как определенное выше «и/или». Например, при разделении элементов в списке, «или» или «и/или» нужно интерпретировать как являющиеся включающими, то есть включающими по меньшей мере один, а также включающими более одного из множества или списка элементов и, при необходимости, дополнительные, не перечисленные элементы. Только термины, явно указывающие на противоположное, такие как «только один из» или «точно один из» или, при использовании в формуле изобретения, «состоящий из» относятся к включению только одного элемента из множества или списка элементов. В общем, термин «или», используемый в данном документе, нужно интерпретировать только как указывающий на исключительные альтернативы (то есть, «один или другой, но не оба»), когда ему предшествуют термины исключения, такие как «либо», «один из», «только один из» или «точно один из», «в основном состоящий из» при использовании в формуле изобретения, которые должны иметь их обычные значения, используемые в области патентного права.
Используемое в данном документе в описании и в формуле изобретения выражение «по меньшей мере один» в применении к списку одного или более элементов нужно понимать как означающее по меньшей мере один элемент, выбранный из одного или более элементов в списке элементов, но не обязательно включающее по меньшей мере каждый и любой элемент, конкретно перечисленный в списке элементов, и не исключающее любых сочетаний элементов в списке элементов. Это определение также обеспечивает то, что в некоторых случаях могут присутствовать элементы, отличные от элементов, конкретно указанных в списке элементов, к которым относится выражение «по меньшей мере один», независимо от того, относятся или не относятся они к тем элементам, которые конкретно указаны. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, «по меньшей мере один из А и В» (или, эквивалентно, «по меньшей мере один из А или В», или, эквивалентно, «по меньшей мере один из А и/или В») может относится в одном воплощении к по меньшей мере одному А, в некоторых случаях включая более одного А, с отсутствием В (и в некоторых случаях включая элементы, отличные от В), в другом воплощении к по меньшей мере одному В, в некоторых случаях включая более одного В, с отсутствием А (и в некоторых случаях включая элементы, отличные от А), в еще одном воплощении к по меньшей мере одному А, в некоторых случаях включая более одного А, и к по меньшей мере одному В, в некоторых случаях включая более одного, В (и в некоторых случаях включая другие элементы) и т.п.
Любые приведенные в данном документе интервалы являются включающими. Термины «по существу» и «примерно», используемые по всему описанию, используют для описания и учета небольших колебаний. Например, они могут относиться к меньшим или равным ±5%, таким как меньшим или равным ±2%, таким как меньшим или равным ±1%, таким как меньшим или равным ±0,5%, таким как меньшим или равным ±0,2%, таким как меньшим или равным ±0,1%, таким как меньшим или равным ±0,05%.
В формуле изобретения, а также в приведенном выше описании, все переходные выражения, такие как «включающий», «несущий», «имеющий», «содержащий», «охватывающий», «удерживающий», «составляющий» и т.п.нужно понимать как выражения с открытым концом, то есть как означающие включающий, но не ограниченный этим. Только переходные выражения «состоящий из» и «в основном состоящий из» должны быть закрытыми или полузакрытыми переходными выражениями, соответственно, как изложено в United States Patent Office Manual of Patent Examining Procedures, Section 2111.03.
Формулу изобретения не следует считать ограниченной описанным порядком или элементами, если это не указано. Нужно понимать, что специалист может выполнить различные изменения в форме и деталях, не отклоняясь от сущности изобретения и области его защиты, определенной в приложенной формуле изобретения. Заявлены все воплощения, которые включают в себя сущность изобретения и попадают в область его защиты, определенной в приложенной формуле изобретения и ее эквивалентах.
1. Стальная композиция, содержащая
Cr от 10,0 мас.% до 13,0 мас.%,
C от 0,17 мас.% до 0,23 мас.%,
Mo от 0,80 мас.% до 1,2 мас.%,
Si в количестве, меньшем или равном 0,5 мас.%,
Mn в количестве, меньшем или равном 1,0 мас.%,
V от 0,25 мас.% до 0,35 мас.%,
W от 0,40 мас.% до 0,60 мас.% и
Fe по меньшей мере 80 мас.%,
которая обработана так, что имеет распухание менее 0,9 об.% на глубине от 500 до 700 нм ниже поверхности после облучения двойным пучком Fe++ и He++ до доз 188 смещений на атом (сна) с 0,2 атомными частями на млн. Не/сна, вычисленное с использованием моделирования длины пробега частиц в веществе с помощью способа Кинчина-Пиза (К-Р) для каскадов повреждений и энергии смещения 40 эВ, возникающее при облучении стальной композиции при 460°C расфокусированным пучком 5 МэВ ионов Fe++ и пучком с растровым сканированием 2 МэВ ионов He++, пропущенных через тонкую алюминиевую фольгу для рассеяния и уменьшения энергии, чтобы создать однородный профиль Не на глубине облучения образца, где обработка стальной композиции включает обеспечение перехода по меньшей мере части стальной композиции в аустенитную фазу путем нагрева стальной композиции до температуры от 1100°C до 1300°C в течение 40-60 часов.
2. Стальная композиция по п.1, имеющая распухание менее 0,75 об.%.
3. Стальная композиция по п.1, имеющая распухание менее 0,5 об.%.
4. Стальная композиция по п.1, имеющая распухание менее 0,3 об.%.
5. Топливный элемент, содержащий слой оболочки, изготовленный из стальной композиции по п.1.
