(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジルコニウム合金基材、
当該基材に付着して金属中間層（１３３）を形成する、金属元素を含む第１の被膜組成物、および
当該第１の被膜層（１３３）に付着してクロム被膜層（１５１）を形成する、クロム元素を含む第２の被膜組成物
から成り、
当該金属中間層（１３３）が当該ジルコニウム合金基材と当該クロム被膜層（１５１）を分離することによって、ＺｒとＣｒの反応が回避される
ことを特徴とする、水冷式原子炉の複数層被膜を有する燃料棒被覆管（１２２）。
【請求項２】
前記金属元素が貴金属である、請求項１の複数層被膜を有する燃料棒被覆管。
【請求項３】
前記金属元素が、パラジウム、ニッケル、銅およびそれらの組み合わせから成る群より選択される、請求項１の複数層被膜を有する燃料棒被覆管。
【請求項４】
前記金属元素の中性子吸収断面積が０．１〜７．０バーンである、請求項１の複数層被膜を有する燃料棒被覆管。
【請求項５】
前記金属元素の融点が１２００℃を超える、請求項１の複数層被膜を有する燃料棒被覆管。
【請求項６】
前記金属元素の中性子吸収断面積が小さい、請求項１の複数層被膜を有する燃料棒被覆管。
【請求項７】
水冷式原子炉の複数層被膜を有する燃料棒被覆管（１２２）を設ける方法であって、
外面（１２５）を有するジルコニウム合金基材を提供し、
当該基材の外面（１２５）に金属元素を含む第１の被膜組成物を付着させて金属中間層（１３３）を形成し、
当該金属中間層（１３３）の上にクロム元素を含む第２の被膜組成物を付着させてクロム被膜層（１５１）を形成する
ことから成り、
当該金属中間層（１３３）が当該ジルコニウム合金基材と当該クロム被膜層（１５１）を分離することによって、ＺｒとＣｒの反応が回避される
方法。
【請求項８】
前記第１の被膜組成物および前記第２の被膜組成物をいずれも電着法によって付着させる、請求項７の方法。
【請求項９】
前記第２の被膜組成物を水性クロム酸浴を用いて付着させる、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記第１の被膜組成物および前記第２の被膜組成物の各々を、溶射、プラズマ溶射，ワイヤーアーク被膜、化学蒸着、電子ビーム物理蒸着、スパッタリング、パルスレーザー蒸着、電気めっき、電気泳動蒸着、無電解めっき、および原子層堆積から成る群より選択した方法によって付着させる、請求項７の方法。
【請求項１１】
前記金属中間層および前記クロム被膜層を付着させて厚さ１〜２０ミクロンの保護被膜を形成する、請求項７の方法。
【請求項１２】
前記ジルコニウム合金基材によって、内部に形成されたキャビティ（１２７）、内面（１２３）および外面（１２５）を有し、当該キャビティ（１２７）内に原子燃料を保持するように構成された細長い管壁（１２１）が形成されており、当該細長い管壁（１２１）の外面（１２５）に前記金属元素が付着して前記金属中間層（１３３）が形成されている、請求項１の複数層被膜を有する燃料棒被覆管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水冷式原子炉用ジルコニウム系燃料要素を製造するための組成物および方法に関し、具体的には、クロム被膜と、被覆管とクロム被膜との間に付着した金属中間層とを含むジルコニウム合金被覆管に関し、原子炉事故状況下および通常運転時の耐腐食性を高めることを企図するものである。
【背景技術】
【０００２】
加圧水型原子炉（ＰＷＲ）、重水炉（例えばＣＡＮＤＵ）、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）などの典型的な水冷式商用原子炉の炉心には、多数の燃料集合体が含まれており、各燃料集合体は、複数（例えば束や集合体）の細長い燃料要素または燃料棒から成る。燃料集合体には、望まれる原子炉および炉心のサイズに応じて、さまざまなサイズおよび設計のものがある。
【０００３】
燃料棒のそれぞれは、例えば二酸化ウラン（ＵＯ２）、二酸化プルトニウム（ＰｕＯ２）、二酸化トリウム（ＴｈＯ２）、窒化ウラン（ＵＮ）およびウラン・シリサイド（Ｕ３Ｓｉ２）のうち少なくとも１つの物質、およびそれらの混合物などの原子燃料用核分裂性物質を含んでいる。燃料棒の少なくとも一部は、ホウ素またはホウ素化合物、ガドリニウムまたはガドリニウム化合物、エルビウムまたはエルビウム化合物などの中性子吸収材を含むことがある。中性子吸収材は、原子燃料ペレット積層体の形態をとるペレットの表面または内部に存在することがある。燃料は、環状または粒子状のものを使用することもできる。
【０００４】
燃料は、一般に燃料被覆管と呼ばれる封止された管体内に封入されている。各燃料棒は、核分裂性物質を封じ込める働きをする被覆管を有している。燃料棒は、炉心内に高い核分裂率を維持するに十分な中性子束が発生して、大量のエネルギーが熱として放出されるように構成されたアレイの形状に集束されている。制御下で核分裂が進行して熱が発生するように、燃料は被覆管によって所定位置に保持される。炉心で発生する熱を抽出して電力などの有用な仕事を生産するために、水などの冷却材が炉心内へ圧送される。被覆管は、燃料から、原子炉冷却系の一次ループを循環する加圧水へ熱を伝達される。一次ループ内の加熱された水は蒸気発生器内で水を沸騰させるために利用され、発生した蒸気はタービン内で膨張して、発電機を駆動する。あるいは、原子炉内を循環する水自体を沸騰させて蒸気を直接発生させ、タービン内で膨張させることもできる。
【０００５】
典型的な商用原子炉の炉心内の燃料集合体はそれぞれ、上部および下部ノズルを有する。両ノズル間には、横方向に離隔して縦方向に延びる複数の細長い案内シンブルがある。燃料集合体を構成する複数の細長い燃料要素または燃料棒は、互いに、また案内シンブルから、横方向に離隔している。複数の横方向支持グリッドが、案内シンブルの軸方向に沿って離隔して取り付けられている。これらのグリッドは、原子炉の炉心内で燃料棒を正確な間隔を維持しながら支持すると共に燃料棒に横方向の支持を与え、冷却材の混合を誘起するために使用される。
【０００６】
原子炉圧力容器１０および炉心１４を図１に例示する。炉心１４は、互いに平行で垂直に延びる複数の燃料集合体２２から成る。その他の容器内部構造物を、説明の目的で下部炉内構造物２４と上部炉内構造物２６とに分けることができる。従来設計では、下部炉内構造物は、炉心コンポーネントおよび計装体を支持し、整列させ、案内するとともに、容器内の流れの方向を定める機能を有する。上部炉内構造物は、燃料集合体２２（簡略化のため２体だけ図１に示す）を拘束し、あるいは燃料集合体に二次的拘束手段を提供し、計装体と例えば制御棒２８のようなコンポーネントを支持し、案内する。図１に例示する原子炉の場合、冷却材は１つ以上の入口ノズル３０から原子炉容器１０に流入し、当該容器と炉心槽３２との間に画定される環状部を流下し、下部プレナム３４において１８０°方向転換し、下部支持板３７および燃料集合体が着座する下部炉心板３６を上向きに貫流し、当該集合体の中および周りを流動する。下部支持板３７および下部炉心板３６の代わりに、３７と同じ高さで単一構造の下部炉心支持板を配置する設計もある。炉心とその周辺領域３８を貫流する冷却材の流量は通常、毎秒約２０フィートの流速で毎分４００，０００ガロン級の大きなものである。その結果、圧力降下および摩擦力が生じ、燃料集合体を上昇させようとするが、この動きは円形の上部炉心板４０を含む上部炉内構造物により制限される。炉心１４を出た冷却材は、上部炉心板４０の下側に沿って流れ、複数の孔４２を上向きに貫流する。冷却材はその後、上方および半径方向外側に流れて１つ以上の出口ノズル４４へ到達する。
【０００７】
図１に例示した燃料集合体２２の１つを、さらに詳細に図２に示す。燃料集合体２２の各々は、半径方向に延びる鉤またはアーム５２と、アレイ状にひとまとめにされた燃料棒６６とを有する。燃料棒６６は、燃料集合体の長さ方向に離隔したグリッド６４によって互いに離隔した関係に保持される。各燃料集合体２２の下端部は、下部ノズル５８によって下部炉心板３６の上に支持される。各燃料集合体２２は、その上端部に上部ノズル６２を含む。中心部には、下部ノズル５８と上部ノズル６２の間を延びてそれらに取り付けらた計装管６８が配置されている。各燃料棒６６は複数の原子燃料ペレット７０を含み、両端部はそれぞれ上部端栓７２および下部端栓７４により閉じられている。ペレット７０は、上部端栓７２と積み重ねたペレットの最上部との間に位置するプレナムばね７６により、積み重ねた形で維持される。核分裂性物質より成る燃料ペレット７０は、原子炉の核反応を発生させる元である。
【０００８】
各燃料棒６６の構成要素である被覆管は、ペレットを取り囲み、核分裂副産物が冷却材に流入して原子炉系を汚染するのを防ぐ障壁の役目を果たす。燃料棒の被覆管はジルコニウム（Ｚｒ）系合金製であってもよい。被覆管はジルコニウム（Ｚｒ）のほかに、ニオブ（Ｎｂ）、スズ（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）およびそれらの金属の組み合わせなどを最大約２重量％含むことがある。
【０００９】
原子燃料棒被覆管については、事故シナリオで発生する高温によりＺｒ合金製細管の腐食が急速に進行することなど様々な懸念があることが当技術分野で知られている。冷却材喪失事故などの事故が起きた場合、炉心内の温度は１２００℃を超える可能性がある。非常な高温下では、蒸気が存在すると、Ｚｒが急速に酸化され、その結果、燃料棒が劣化して、大量の水素が発生し、化学爆発を引き起こす可能性がある。さらに、燃料と被覆管の間の障壁の破壊と爆発が一緒に起こると、プラントおよび周囲環境が広い範囲にわたって汚染されるおそれがある。
【００１０】
燃料要素の外部表面に、例えば約１２００℃以上の高温に耐え得る酸化防止被膜を形成すると、運転員と安全系統に、炉心を安全な状態に回復させて、事故シナリオにおけるＺｒの酸化および燃料棒の劣化に付随する悪影響を少なくとも低減し、さらには回避するための長い時間的猶予を与えることができる。
【００１１】
本発明の目的は、Ｚｒ合金とＺｒ合金製原子燃料要素に付着したクロム被膜との間に金属中間層を有するＺｒ合金製原子燃料被覆管を製造するための組成物および方法を提供することである。Ｚｒ合金基材を覆う金属中間層とクロム被膜は、蒸気または水に曝されるとクロム酸化物保護層を形成するため耐腐食性を高める。付着力のある金属中間層およびクロム被膜は、従来の公知の付着装置および手法を使用して付着させる。
【発明の概要】
【００１２】
一局面において本発明は、ジルコニウム合金基材、当該基材に付着して第１の被膜層を形成する第１の被膜組成物、および当該第１の被膜層に付着して第２の被膜層を形成する第２の被膜組成物から成る被膜複合材を提供する。当該第１の被膜組成物は金属元素を含み、当該第２の被膜組成物はクロム元素を含む。
【００１３】
基材は、水冷式原子炉用燃料要素であってもよい。或る特定の実施態様において、基材は燃料棒被覆管である。
【００１４】
金属元素は、貴金属または他の適切な金属とすることができる。或る特定の実施態様において、当該金属元素は、パラジウム、ニッケル、銅およびそれらの組み合わせから成る群より選択される。
【００１５】
金属元素は、所定の温度より高い融点を有してもよい。或る特定の実施態様において、その融点は１２００℃を超える。
【００１６】
共融組成物が、第１の被膜層と基材との境界部および第１の被膜層と第２の被膜層との境界部から成る群より選択した境界部を形成してもよい。共融組成物の融点が所定の温度を超えるように金属元素を選択することができる。或る特定の実施態様において、融点は１２００℃を超える。
【００１７】
金属元素は、中性子吸収断面積が小さいものを選ぶことができる。
【００１８】
別の局面において本発明は、水冷式原子炉用ジルコニウム合金基材に被覆を施す方法を提供する。この方法は、ジルコニウム合金基材を提供し、当該基材の外面に第１の被膜組成物を付着させて第１の被膜層を形成し、当該第１の被膜層に第２の被膜組成物を付着させて第２の被膜層を形成することから成る。当該第１の被膜組成物は金属元素を含み、当該第２の被膜組成物はクロム元素を含む。
【００１９】
第１の被膜組成物および第２の被膜組成物を、いずれも電着法によって付着させることができる。或る特定の実施態様では、当該第２の被膜組成物を水性クロム酸浴を用いて付着させる。
【００２０】
第１の被膜組成物および第２の被膜組成物の各々を、溶射、プラズマ溶射，ワイヤーアーク被膜、化学蒸着、電子ビーム物理蒸着、スパッタリング、パルスレーザー蒸着、電気めっき、電気泳動蒸着、無電解めっき、および原子層堆積から成る群より選択した方法によって付着させることができる。
【００２１】
第１の被膜層および第２の被膜層を付着させて、厚さ約１〜約２０ミクロンの保護被膜を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。
【００２３】
【図１】先行技術に基づく原子炉容器および内部構成機器の部分断面立面図である。
【００２４】
【図２】図示を明瞭にするために垂直方向に短縮し、部品を破断して示す、図１の先行技術に基づく燃料集合体の部分断面立面図である。
【００２５】
【図３】先行技術に基づく燃料棒の部分断面図である。
【００２６】
【図４】本発明の或る特定の実施態様に基づく、外面に第１の被膜および第２の被膜を付着させた燃料棒被覆管基材の断面図である。
【００２７】
【図５】本発明の或る特定の実施態様に基づく、外面に第１の被膜および第２の被膜を付着させた燃料棒被覆管の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明は、概して加圧水型原子炉や沸騰水型原子炉などの水冷式原子炉で使用される燃料棒要素に関する。燃料棒要素は、被覆管などのジルコニウム（Ｚｒ）合金基材を含む。この被覆管は、当技術分野で公知の、様々な従来の材料を構成成分とすることができる。前述のように、水冷式原子炉の燃料棒被覆管を、Ｚｒを主成分とし、ニオブ（Ｎｂ）、スズ（Ｓｎ）、鉄（Ｆｅ）、クロム（Ｃｒ）およびそれらの組み合わせ（これらに限定されない）などの少量の他の金属（例えば組成物全重量の最大約２重量％）を含むＺｒ合金で作製するのは公知の技術である。
【００２９】
図３は先行技術の設計例であり、燃料ペレット積層体１、Ｚｒ合金燃料棒被覆管２、ばね押さえ装置４および端栓６を示している。燃料棒被覆管２は、典型的には、キャビティを有し、両端に開口部のある細長い管体である。端栓６のうち、押さえ装置４に最も近い位置にあるものを一般に上部端栓と称する。被覆管の壁厚は一様でなくてもよい。或る特定の実施態様において、管壁厚は約１００〜約１０００ミクロンまたは約２００〜４００ミクロンである。キャビティは燃料ペレット１と、典型的には、例えば燃料ペレット１の積層体の構成を維持するばねなどの押さえ装置４とを収容する。燃料棒被覆管２の各開端部またはその中に設置されて当該開端部を封止する端栓６のうちの１つは、炉心内を循環する原子炉冷却材が燃料棒被覆管２のキャビティ内に入らないようにする。燃料棒被覆管２は、水冷式原子炉の炉心に配置される。
【００３０】
Ｚｒ合金基材の少なくとも一部には、原子炉事故状況下での基材の耐腐食性を高めるためのクロム（Ｃｒ）元素を含む耐酸化性被覆材料または組成物の被覆が施されている。これを蒸気または水に曝すと、クロム酸化物保護層が形成される。従来の公知の付着装置および手法を用いて、クロム元素を含む被膜が施される。或る特定の実施態様では、水性クロム酸浴の使用を含む従来の電着装置および手法を用いてクロム元素含有被膜が施される。この手法の欠点は、クロム酸がＺｒ合金基材の有意な酸化をもたらす可能性があることである。
【００３１】
Ｚｒ合金基材の酸化を低減または阻止するために、クロム元素含有被膜の付着に先立って、Ｚｒ合金基材上に金属中間層を付着させる。本発明は一般的に、Ｚｒ合金基材（例えば被覆管）の外面に金属中間層の組成物または物質を（例えば直接的に）付着させて、第１の外側被膜を形成することを含む。金属中間層は、従来の公知の付着装置および手法を用いて付着させる。それは、クロム元素含有層の付着と同じまたは同様の装置および手法であってもよい。金属中間層には、以下の利点のうち１つ以上の利点がある。（ｉ）クロム元素含有被膜を付着させる際Ｚｒ合金基材が酸化しないように保護される、（ｉｉ）Ｚｒ合金基材へのクロム元素含有被膜の付着力が強化される、および（ｉｉｉ）Ｚｒ合金基材とクロム元素含有被膜とが分離されるためＺｒとＣｒの反応が回避されることである。
【００３２】
金属中間層に使用される組成物および物質は、当技術分野で公知のものから選択した１つ以上の金属元素を含む。適切な金属元素には、貴金属およびその組み合わせ（これらに限定されない）が含まれる。或る特定の実施態様において、金属中間層に使用される金属元素に、ニッケル、銅、パラジウムおよびそれらの組み合わせが含まれる。
【００３３】
或る特定の実施態様では、所定の温度より高い融点を有する金属元素を選択する。例えば、原子炉事故の際に冷却材温度は１２００℃かそれ以上に達する可能性がある。したがって、融点が１２００℃を超える金属元素を選ぶのが好ましい。例えば、本発明の或る特定の実施態様では、融点が１５５０℃と高いパラジウムが金属元素として好ましいことがある。
【００３４】
他の実施態様において、金属中間層とＺｒ合金との間、または金属中間層とクロム元素含有被膜との間に共融組成物（または比較的融点の低い他の中間組成物）が形成される可能性を勘案して金属元素を選択してもよい。或る特定の実施態様において、共融組成物は、所定の事故温度より低い融点、または金属中間層中の金属元素の融点より低い融点を有してもよい。共融組成物の融点が低いと、クロム元素含有被膜のＺｒ合金基材への付着力に影響を与える可能性がある。したがって、金属元素から形成される共融組成物の融点が、所定の温度、例えば原子炉事故時の冷却材温度（例えば１２００℃）より高くなるように金属元素を選択してもよい。
【００３５】
或る特定の実施態様では、中性子断面積を勘案して金属元素を選択してもよい。例えば、被覆管に付加的な物質や層を導入することにより中性子吸収への影響を最小限に抑える目的で中性子吸収断面積の小さい金属元素を選択するか、または薄い層を使用することができる。金属中間層に使用できる金属元素のうちのいくつかに固有の中性子断面積は、一般的に約０．１〜約７．０バーンの範囲にある。
【００３６】
一実施態様では、形成されるＺｒ−Ｐｄ共融組成物の融点が高いことからパラジウム（Ｐｄ）を本発明で使用する金属元素として選ぶことができる。金属元素にＰｄを使用する場合、Ｐｄの中性子断面積の影響を小さくするために、中間金属組成物の被膜を薄くするのが好ましい。
【００３７】
金属元素としてＣｕの使用を検討するにあたり、銅は中性子断面積が小さい等の利点があるが、形成されるＺｒ−Ｃｕ共融組成物の融点がＺｒ−Ｐｄ共融組成物より低いことを勘案する。
【００３８】
したがって、本発明で使用する適切なまたは最適な金属元素を選択するにあたって、様々な事項を考慮に入れる。
【００３９】
金属元素の量は様々である。或る特定の実施態様において、金属元素は、組成物全体の約１重量％〜約９９重量％を占める。或る特定の実施態様において、金属中間層に使用する金属元素の量を最小限に抑えるのが好ましい。
【００４０】
クロム元素含有被膜の組成物または物質はその後、例えば第１の外側被膜などの金属中間層に付着し、第２の外側被膜を形成する。その結果、Ｚｒ合金基材または燃料要素に複数層の保護被膜が形成される。本願に記載するように、第１の層すなわち金属中間層は、クロム元素含有被膜の付着性を高めるのに効果的であり、またクロム元素含有被膜は、原子炉事故が起きた場合の高温耐酸化性を提供するのに効果的である。
【００４１】
複数層から成る保護被膜の各層は、前述の付着装置および手法を用いて施すことができる。或る特定の実施態様では、付着プロセスによって薄い緻密な被膜が形成されるが、この被膜は蒸気または水に曝されると、下層のＺｒ合金基材を保護するクロム酸化物の不動態層を形成する。被膜の厚さと緻密さは様々である。或る特定の実施態様において、保護被膜の全厚は約１〜約２０ミクロンである。また、或る特定の実施態様において、金属中間層の形成に使用する組成物は、金属元素としてパラジウムを含むことがある。パラジウムを使用する利点は、その融点である１５５０℃が事故シナリオの温度である１２００℃より高いことである。しかし、金属中間層の中性子断面積による影響を最小限に抑えるために、パラジウム層をできるだけ薄くするのが望ましい。
【００４２】
前述のように、燃料要素の細管の各端部には、燃料ペレットなどの内容物を閉じ込めるための端栓が挿入される。端栓と被覆管は、同一の材料／組成物で構成されることもあるし、異なる材料／組成物の場合もある。本発明の複数層の保護被膜が電着法により水性浴を用いて施される或る特定の実施態様では、被覆管に被覆を施す前に２つの端栓がそれぞれ被覆管の互いに反対側の開端部に挿入される。また、この被膜を、Ｚｒ合金被覆管の外面だけでなく、燃料要素の細管端部と実質的に同一平面にある各端栓の表面にも施して閉端部を形成することができる。従来の燃料装填プロセスでは、１つの端栓を被覆管の開端部に挿入し固定して当該開端部を封止した後、燃料ペレットおよび積層体押さえばねを被覆管のキャビティ内に装填し、その後もう１つの端栓を被覆管のもう１つの開端部に挿入し固定する。代替策として、燃料ペレットおよび積層体押さえ装置を被覆管に装填した後、両方の端栓を被覆管の両開端部に挿入し固定することができる。
【００４３】
他の或る特定の実施態様では、複数層から成る保護層を、燃料および押さえ装置をキャビティ内に装填して端栓を被覆管の開端部に挿入する前または後に付着させることができる。
【００４４】
燃料棒被覆管の外面に形成される複数層の被膜は、２つのステップから成る方法で施される。第１のステップでは、Ｚｒ合金基材の外面に第１の被膜組成物を付着させて、当該基材の上に第１の外側被膜すなわち金属中間層を形成する。第２のステップでは、当該第１の外側被膜の表面に第２の被膜組成物を付着させて、第２の外側被膜すなわちクロム元素含有被膜を形成する。
【００４５】
図４は、本発明の或る特定の実施態様に基づく燃料棒被覆管１２２を示す。被覆管１２２の細長い管壁１２１は、内面１２３および外面１２５を有し、内部にキャビティ１２７が形成されている。被覆管１２２の外面１２５に中間の金属組成物を付着させて、外面１２５上の金属中間層（例えば第１の被膜）１３３を形成する。金属中間層１３３にクロム組成物を付着させて、金属中間層１３３の上のクロム被膜（例えば第２の被膜）１５１を形成する。
【００４６】
図５は、本発明の或る特定の実施態様に基づく燃料棒被覆管１２２を示す。図５も、図４に示すように、細長い管壁１２１、内面１２３、外面１２５、キャビティ１２７、金属中間層１３３およびクロム被膜１５１を含んでいる。図５はさらに、キャビティ１２７内に配置された燃料ペレット積層体１２０および押さえ装置１２４、ならびに第１の端部１３１ａおよび第２の端部１３１ｂを示している。第１の端栓１２６ａは第１の端部１３１ａにあって固定され、第２の端栓１２６ｂは第２の端部１３１ｂにあって固定されている。図５に示すように、金属中間層１３３およびクロム被膜１５１は、端栓１２６ａ、ｂを含む被覆管１２２を完全に囲い込むかまたは包み込むのに効果的である。
【００４７】
一般に、本発明の第１および第２の被膜は、様々な公知のプロセスを用いてジルコニウム合金基材に施すことができる。例えば、第１の被膜と第２の被膜をそれぞれ、当技術分野で公知の電着法を用いて施すことができる。これらの被膜を電着法によって施した場合、金属中間層およびクロム含有被膜の一方または両方をストライク層と呼ぶことがある。
【００４８】
公知の付着プロセスには、溶射ガンと、各被膜を単一層として形成するための特有のパラメータを使用する方法がある。或る特定の実施態様では、酸素燃料高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ）、空気燃料高速フレーム溶射（ＨＶＡＦ）、またはそれらの組み合わせなどの溶射法によって被膜の組成物を付着させることができる。これらの方法は、被膜組成物の粒子を例えば基材表面に付着させると共に、粒子同士を付着させて、被膜を形成する。ＨＶＯＦ法に用いる典型的な温度は約３０００Ｋである。またＨＶＯＦプロセスでは、平均粒子サイズ約５〜約３５ミクロンの金属粒子について約４５０ｍ／秒の平均粒子速度を用いるのが一般的である。
【００４９】
ＨＶＯＦ溶射法には、様々な方法により高速スプレーを実現するための多種のＨＶＯＦガンがある。１つの方法は、基本的に、高圧水冷式ＨＶＯＦ燃焼室および長いノズルを使用する。この方法では、燃料（ケロシン、アセチレン、プロピレンおよび水素）と酸素を燃焼室内に供給する。燃焼により生成する高温高圧の火炎を、ノズルを通過させることにより速度を増加させる。被膜の組成物等の粉末を、高圧下で軸方向にＨＶＯＦ燃焼室内に供給するか、圧力が低いノズルの側面から供給する。
【００５０】
別のＨＶＯＦ法では、高圧燃焼ノズルおよびエアキャップから成るより簡単なシステムを使用する。燃料ガス（例えばプロパン、プロピレンまたは水素）と酸素は高圧下で供給され、ノズルの外の、圧縮空気を供給されるエアキャップ内で燃焼が起きる。圧縮空気は、火炎を細く絞って加速させると共に、ＨＶＯＦガンの冷却材として機能する。粉末は、ノズルの中心から高圧で軸方向に供給される。溶射法は典型的には、高温火炎中の粒子の酸化を最小限に抑えるが、粒子は、十分なエネルギーを有するため、Ｚｒ合金基材の表面で平板状になり緻密な被膜を形成する。
【００５１】
当技術分野で公知のプラズマ溶射法によって被膜を施す別の実施態様もある。プラズマ溶射法は一般的に、溶融状態にある、または熱で軟化した物質を表面に吹き付けることによって被膜を形成する。非常に高温のプラズマ内に注入された粉末状の被膜組成物が、急速に加熱され、加速されて高速に達する。例えば、プラズマトーチの火炎温度は約１５，０００Ｋのことがある。高温物質が基材表面に衝突し、急冷して被膜を形成する。このプラズマ溶射法は、正しく実施されると、処理時に基材の温度が低く保たれて、基材の損傷、冶金学的変化、およびひずみが回避されるため、「冷間プロセス」（被覆が施される基材について）と呼ぶことができる。
【００５２】
或る特定の実施態様では、いずれも水冷される銅の陽極およびタングステンの陰極から成るプラズマ溶射ガンを使用する。プラズマガス（アルゴン、窒素、水素、ヘリウム）は、陰極の周囲を流れた後、ノズル形の陽極の小さな穴を通り抜ける。局所的な電離を発生させる高電圧放電と、陰極と陽極との間に形成される直流アークのための導電経路とにより、プラズマが発生する。アーク中のガスは電気的に加熱されるため極めて高温になり、解離し、電離してプラズマを形成する。このプラズマは、陽極ノズルから自由プラズマまたは中性プラズマ（電流を運ばないプラズマ）として放出される。これは、アークが被覆対象面まで延伸する粉体プラズマアーク被膜法とは大きく異なる。プラズマが安定し、溶射の準備ができると、電気アークは、陽極ノズルの最も近い縁部に短絡することなく、ノズル内を延伸する。このようにアークが延びるのは、熱ピンチ効果のためである。水冷された陽極ノズルの表面付近の非導電性の冷温ガスは、プラズマアークを細く絞り、アークの温度および速度を上昇させる。最も一般的には、陽極ノズルの出口付近に取り付けられた外部粉末注入口を介して、被膜組成物がプラズマ中に供給される。粉末は非常に急速に加熱および加速されるので、溶射距離は約２５ｍｍ〜約１５０ｍｍ（約１〜６インチ）ほどになる。
【００５３】
別の実施態様では、ワイヤーアーク被膜法によって被膜を施してもよい。ワイヤーアーク被膜法では、電位差のある２本のワイヤーを、約２０度の角度を成すように接触させる。ワイヤーに電流を通すと、ワイヤーの接触点で被膜材が溶融する。溶融した粒子が、噴霧ガスによって推進され低速で基材に当たる。
【００５４】
あるいは、化学蒸着（ＣＶＤ）、電子ビーム物理蒸着、スパッタリング、パルスレーザー蒸着、電気めっき、電気泳動蒸着、無電解めっき、原子層堆積または他の適切な方法など、当技術分野で公知の手法によって被膜を施すことができる。
【００５５】
本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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