用于在遮掩部分的同時熱化學(xué)處理部件的方法及相應(yīng)掩模的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及制造具有改進的性質(zhì)，諸如耐磨性和耐腐蝕性的部件。為了改進這些性質(zhì)而施加至這些部件的處理可為通過原子物質(zhì)擴散的硬化處理或防護處理。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明可特別適用于制造用于包括壓水反應(yīng)堆(PWR)和沸水反應(yīng)堆(BWR)的輕水反應(yīng)堆(LWR)的部件。例如，該部件包括:管，諸如用于中子吸收棒或核燃料棒的包殼管，用于反應(yīng)堆芯的核儀器的指套管(flux thimble)等；桿，諸如中子吸收桿、支撐銷、定位銷、端塞等；螺栓，諸如用于核反應(yīng)堆容器的擋板組件的邊緣螺栓等；彈簧，諸如核燃料組件的壓緊彈簧等。
[0003]在PWR中，中子吸收棒通常被集合成控制簇。在核反應(yīng)堆的控制簇中，一些簇在核反應(yīng)堆正常運行中專用于控制芯反應(yīng)性?？梢圆竭M模式頻繁地移動中子吸收棒以將其插入核反應(yīng)堆的核燃料組件的導(dǎo)向套管，或?qū)⒅凶游瞻魪暮朔磻?yīng)堆的核燃料組件的導(dǎo)向套管中拔出。該步進運動由于中子吸收棒與它們摩擦的導(dǎo)向件的接觸而可能引起中子吸收棒的分散的磨損。
[0004]在正常運行期間，其它控制簇在核反應(yīng)堆上部的導(dǎo)向件中保持固定。當(dāng)需要快速返回至亞臨界狀態(tài)時，這些簇通過重力同時且完全插入至反應(yīng)堆芯中，即，中子吸收棒被插入至相應(yīng)核燃料組件的相應(yīng)導(dǎo)向套管中。流致振動可能導(dǎo)致固定的控制簇的中子吸收棒的局部磨損:
[0005]在與導(dǎo)向件的接觸界面處的磨損；
[0006]由于包殼的下部和下端塞與核燃料組件的導(dǎo)向套管的上部接觸而在中子吸收棒的下端處引起的磨損(“尖端磨損”)。
[0007]無論磨損來自于步進運動或流致振動，其可能的結(jié)果是:
[0008]包殼磨穿，從而包殼中封閉的中子吸收材料潛在污染核反應(yīng)堆的主冷卻劑體系的水；以及
[0009]由于包殼機械強度的降低而導(dǎo)致中子吸收棒的機械故障。
[0010]特別是當(dāng)反應(yīng)堆以負(fù)載跟隨模式運行時(法語中的“負(fù)載跟隨”)，一些控制簇的移動頻率和幅度，并且特別是用于控制保留在固定位置的控制簇的一些中子吸收棒的振動頻率和幅度是這樣的:考慮到由摩擦引起的磨損，必須頻繁地檢查且通常過早地更換一定數(shù)量的控制簇。
[0011]為了防止這種磨損，已經(jīng)提出了通過滲氮處理和/或滲碳處理來硬化包殼的外表面。US4873117、EP446083、EP537062和EP801142描述了特別是在等離子體條件下進行這些處理的步驟。
[0012]這些處理能夠有效地保護包殼以及中子吸收棒的下端塞免于磨損和腐蝕。
[0013]如US4873117所述，首先，清潔待處理的包殼，隨后裝配它們的下端塞。在每個包殼中放置熱緩沖體，并且隨后在每個包殼上固定臨時上端塞，其中，熱緩沖體可由不銹鋼條構(gòu)成。臨時上端塞用于在處理期間夾持包殼并且臨時地關(guān)閉包殼的開口端，從而避免處理氣氛被包殼中所含有的空氣污染。將包殼放置在處理外殼中，并且有利地遮掩靠近上端塞的包殼上部。
[0014]在處理之后，從外殼中取出包殼。移除臨時上端塞，并且用中子吸收材料填充包殼，以及在每個包殼的自由端焊接最終的上端塞。
[0015]對包殼的上部進行遮掩避免了處理該區(qū)域中的包殼材料。事實上，這種處理將影響材料特征以及將待焊接至最終上端塞的該上部的性質(zhì)。例如，對上部的碳氮共滲可能導(dǎo)致在焊接至上端塞期間碳化物和/或氮化物沉淀，從而導(dǎo)致包殼對應(yīng)變和腐蝕的較低耐性。
[0016]更普遍地，必須遮掩要經(jīng)受處理(例如氧化、氮化、碳氮共滲)的部件的部分，從而避免改變材料特征和性質(zhì)以及避免妨礙施加至這些部分的后續(xù)加工操作:機械成型、沖壓、焊接、機械加工、螺紋化等。
[0017]各種遮掩方法是已知的并用于遮蔽需要被處理的部件的多個部分。
[0018]具體地，如上所述，固體掩模已被用于涉及等離子體的處理。這種固體掩模利用配合間隙接收被遮蔽而免受處理的部分。該間隙對應(yīng)于需要確保將該掩模正確地安裝至該部分的空間并且需要具有小于德拜長度的厚度。德拜長度是一種尺度，超過該尺度，移動的電荷載流子(例如電子)屏蔽用于特定等離子體條件的電場。換句話說，德拜長度是不能發(fā)生顯著電荷分離的距離。
[0019]當(dāng)間隙的厚度低于德拜長度時，在間隙中不存在等離子體條件，從而具有所述間隙的固體掩模所圍繞的部件部分將被遮蔽而免受施加至位于該固體掩模外部的部件的剩余部分的處理。
[0020]然而，如果標(biāo)稱配合間隙大于德拜長度，該標(biāo)稱配合間隙不能低于掩模和待遮蔽的部分的累計制造公差，這種固體掩模是無效的。此外，即使標(biāo)稱配合間隙小于德拜長度，已經(jīng)證實了該固體掩模至少對于等離子體碳氮共滲處理是無效的，無論是否存在固體掩模，被遮掩的部分仍然經(jīng)受去鈍化和/或硬化。
[0021]例如，WO 2009/081013中所教導(dǎo)的，已經(jīng)證實了具有間隙的固體掩模還對于在等離子體相或氣相下，對鉿包殼或在控制簇中用作中子吸收棒的鉿固體棒，或用于核燃料棒的鋯合金包殼所進行的氧擴散處理是無效的。
[0022]WO 02/066698公開了用于遮蔽部件的部分免受滲碳處理的固體掩模。該固體掩模的熱膨脹系數(shù)低于待處理部件的熱膨脹系數(shù)。因此，在滲碳處理期間，在待屏蔽的部分和固體掩模之間的間隙將減小。但是，根據(jù)部件的材料和掩模的材料，這需要高處理溫度，例如，約500°C至900°C，并且如果部件為薄壁的管，通過與所述掩模的接觸而存在損壞部件的外表面或者甚至改變其幾何構(gòu)型的高風(fēng)險。
[0023]因此，該固體掩模并不能用于例如中子吸收棒包殼的等離子體碳氮共滲。事實上，用于中子吸收棒包殼的材料(主要是不銹鋼或鎳基合金)在處理溫度下具有熱膨脹，上述熱膨脹低于包殼的制造公差或最好與包殼的制造公差具有相同的數(shù)量級。因此，并不能確保以均勻的方式保護處理批次的所有包殼的被遮掩部分。此外，通過安裝或移除掩模或者在處理期間，應(yīng)該不會損壞包殼的外表面，這就阻止了使用較小的間隙。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]本發(fā)明的一個目的通過提出一種用于熱化學(xué)處理部件的方法來克服這些不足，該方法提供對部件的部分的有效遮掩，甚至在等離子體碳氮共滲或氧化處理下，同時損壞部件的風(fēng)險較低。
[0025]為此，本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的方法。
[0026]在其它實施方式中，單獨或以任何技術(shù)上可行的組合來考慮，該方法包括權(quán)利要求2至17的一個或幾個下列特征。
[0027]本發(fā)明還涉及根據(jù)權(quán)利要求18的掩模。
[0028]在其它實施方式中，單獨或以任何技術(shù)上可行的組合來考慮，掩模包括權(quán)利要求19至22的一個或幾個下列特征。
【附圖說明】
[0029]在閱讀通過僅作為例子并且參考附圖而給出的以下描述時，將更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，其中:
[0030]圖1為核燃料組件和控制簇的局部示意圖；
[0031]圖2為根據(jù)本發(fā)明的用于處理中子吸收棒的包殼的儀器的示意圖；以及
[0032]圖3為圖2的儀器的掩模沿線II1-1II的放大的分解截面圖。
【具體實施方式】
[0033]圖1示出了部分的核燃料組件I和部分的控制簇3，該控制簇3用于控制該核燃料組件I裝載在其中的核反應(yīng)堆的芯的反應(yīng)性。
[0034]常規(guī)地，核燃料組件I包括一束核燃料棒(未示出)和用于支撐和維持所述束的骨架5。該骨架5包括下端件(nozzle) 7、上端件9和連接下端件7和上端件9的導(dǎo)向套管
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[0035]圖1中示出了一個導(dǎo)向套管11?？刂拼?具有中子吸收棒13 (在圖1中僅示出了一個中子吸收棒)以及外伸支架15。外伸支架15支撐和維持中子吸收棒13，從而中子吸收棒是平行的并且沿著與放置在控制簇3下方的中子燃料組件I的導(dǎo)向套管11相同的網(wǎng)絡(luò)橫向定位。<