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aliisags d'uranium pour combustibles auoltires.
La présente invention concerne les alliages d'uranium pour combustibles nucléaires ou pour tout autre usages et Plus particulièrement ceux de ces alliages auxquels l'addition de faibles proportions de certains éléments convenablement choisis confère, directement après nouiage, une finesse de structure et une stabilité sous irradiation qui ne seraient normalement attein- tes qu'avec des teneurs notables en déments d'apport ou grâce à des traitements métallurgiques complémentaires.
On sait que, pour les combustibles nucléaires à base d'uranium métallique, le taux d'utilisation da l'uranium, et
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donc la quantité d'énergie qu'il est possible d'en extraire, sont actuellement sévèrement limités par la détérioration progressive des éléments combustibles sous irradiation. On lait aussi que la durée de séjour possible, sans détérioration prohibitive, des dits éléments combustibles à base d'uranium métallique dans le réacteur dépend pour une large part de leur structure plycristal iine initiale et de la stabilité de cette structure dans les conditions de fonctionnement du réacteur.
On sait enfin que les meilleures garanties de stabilité sont fournies par une structu- re à grains fins, exempte de contraintes et d'orientations préfé rentielies, et qu'il n'est pratiquement pas possible de réunir ces caractéristiques et surtout de les conserver dans l'uranium non allié.
L'affinage du grain de 'uranium faiblement allié est actuellement obtenu par l'un des procédés suivants : - pour les alliages dilués, contenant au plus quelques millièmes en poids d'éléments d'addition, par trempe à la tempe* rature ordinaire depuis le domaine d'existence de la phase bêta ou par décomposition isotherme de la phase bêta dans un intervalle restreint du domaine d'existence de la phase alpha.
- pour les alliages Intermédiaires, du type notamment des alliages à deux phases (uranium - molybdène, uranium - chrome, etc) par réchauffage et*trempe douce.
Seuls, les alliages les plus concentré, (plus de 246 en poids d'éléments d'addition) peuvent être abandonnés au refroidissement naturel après coulée.
La finesse de la structure cristalline est donc actuel lement obtenue soit au prix de l'opération supplémentaire que constitue un traitement thermique, soit aux prix de 1'incor poration au combustible de teneurs notables en éléments d'alliage, ce qui ne va pas sans une consommation appréciable de la réacti- vité du combustible qui peut nécessiter son enrichissement en uranium 235.
Cette finesse est donc, en définitive, une sujétion
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coûteuse, En outre certaine traitements, tels que la trempe directe depuis le domaine bêta, induisent dans l'élément combus- tible des contraintes non négligeables et, vraisemblablement, des orientations préférentielles résultant du processus de passage de
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la phase bgta à la phase alpha.
La mise en tome des éléments combustibles t'effectuant
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dans la grande majorité des cas,, par moulage on comprendra 1' in- t6rbt résultant de la mise au point d'alliages A faibles teneurs en éléments d'addition et qui présentent cependant la structure
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cristalline désirée par simple refroidissement après oôulde,, sans nécessiter aucun traitement thermique ultérieur* La présenta invention concerne un type d'alliages qua- ternaires, à faibles teneurs en éléments d'addition, obtenus à graine fins, directement après moulage;
dans une plage de vitesses de refroidissement très étendue. Lois caractéristiques principales
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de ces alliages dits auto-trempantow, vont être décrites main- tenant, en se référant aux figures 1 A 4 ci-Jointes, qui repro- duloont des coupes m4taLolraph1qu'l effectuées sur les échantil.
Joans suivants t La figure 1 reproduit la coupe d'un échantillon d'ura- nium non allié, obtenu par refroidissement à raison de 25*C par minute depuis la température de coulée (15OO*CJ - grossissement ! environ 3 fois.
La figure 2 reproduit la coupe d'un échantillon d'un
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alliage quaternaire contenant 99 8 5/4 d'uranium, O,07 de chrome, 0#03> de silicium et OpO5% de .1rcoa1um, obtenu directement après coulée par refroidissement a raison de 25*C par minute - grossissement : environ 3 fois*
La figure 3 reproduit la coupe d'un échantillon d'un
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alliage quaternaire contenant 99/1'N' d'uranium, Oj,05,% de chrome 000$e de silicium et 001> de airoon1u#, obtenu directement après coulée par refroidissement à raison de 800 par minute. Orosste- sement : environ 3 fois.
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La figure 4 est un agrandissement d'une petite zone de la
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figure 2, destiné à mettre en évidence la finesse et la régularité des grains. Grossissement de l'ordre de 65 fois.
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Les alliages d'uranium selon l'invention sont oargoté- risés par la présence de trois éléments d'addition, chrome# silicium et zirconiu#, dont la proportion globale dans 1 'alliage ne dépasse pas 0,,4% en poids mais se situe le plus souvent entre 0,1 et oee>o L'absorption neutronique correspondant à cette teneur maximale de 0,4% est Intérieure à celle qui correspondrait*
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par exemple, z .La présence de 0,15;6 en poids de Molybdène (proportion largement dépassée dans certaine combustibles de réacteurs modérés au graphite et refroidis au gaz fonctionnant cependant avec de .L'uranium naturel. Ce'qui revient à dire qu'elle
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n'obère qu'assez légèrement la bilan neutronique de la p1l.).
Les teneurs en chrome et en silicium peuvent respectivement varier
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entre z02 et 0,l> en poids* La teneur en zirconium peut varier entre 0,01 et 0,2/4 en poids.
Les teneurs optimales en chrome, silicium et eiroonium sont choisies, dans le cadre de limites détîntes ci-dessus, en fonction de la vitesse de refroidissement au point de transition entre phase bêta et phase alpha, et donc en fonction de la dimen-' sion et de la forme des pièces coulées, de l'appareillage utilisé et du régime de refroidissement adopte. La teneur en chrome est choisie d'autant supérieure à la teneur en silicium que la vitesse de refroidissement doit être plus rapide.
La teneur en chrome est choisie d'autant intérieure à la teneur en silicium que la vitesse de refroidissement doit être plus lente. Les teneurs optimales sont définies à environ + 0,015% en poids près pour le
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chrome et le silicium et  environ + 0,05% en poids près pour le zireonima, pour une vitesse de refroidissement donnée. La gamme des vitesses de refroidissement s'étend d'environ 3 à 80 degrés centigrades par minute, bien qu'il soit possible, si ce n'est le peu d'intérêt du procède, de retendre jusqu'aux vitesses correspondant ...La trempe directe depuis le domaine bêta
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ou le domaine gamma.
Alors que dans le cas de l'uranium non allié les grains obtenus par refroidissement normal sont grossiers, très irrégu- liers et déchiquetés (figure 1) les grains obtenue avec les alliages selon l'invention (figures 2,3 et 4) sont tint, déso reintés,à contours polygonaux à peu près réguliers et exempts de contraintes, Leur "diamètre moyen est toujours Inférieur à 0,5 mm alors que les graine obtenus avec l'uranium non allié dans des conditions identiques de refroidissement peuvent attein. dre et dépasser plusieurs mm Lorsque la relation entre teneurs en éléments d'addition et vitesse de refroidissement est respec- tée,
le degré d'affinage des alliages selon .L'invention est pratiquement indépendant de la vitesse de refroidissement, excepté pour les très faibles vitesses (intérieur.. à 5 C par minute) et le diamètre moyen du grain est alors inférieur à 0,1mm
L'élaboration des alliages selon l'invention ne présente pas de difficultés,à condition, lorsque des creusets de graphite .sont utilisa d'éviter au maximum la contamination du bain par le abtn;
pour cela une brasque épaisse et résistante est suffi- .ante. Les portes en chrome et silicium sont négligeable* devant la latitude admissible de variation des teneurs lits pertes en ziron dues à la fixation de ce métal par le carbone, sont très largement inférieures à ce que l'on pourrait prévoir soechio- métriquement et sont, elles aussi, compensées par la latitude de variation de la teneur. D'autre part et pour cette môme raison, l'addition de zirconium se fera en tenant compte de la teneur en carbone de l'uranium utilise.
Les alliages auto-trempants selo 1'invention permettent donc d'obtenir des éléments combustibles de toutes formes et de toutes dimensions par la voie technologique la plus simple et la plus économique. La perte de réactivité, due aux éléments d'addi tion, est infime et notamment tout à fait admissible dans les réacteurs à uranium naturel* D'autre part, si,
par suite d'un ici-
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dent de fabrication ou pour toute autre cause* l'élément combustible ne présente pas la-structure recherchiez il est toujours possible de le réchauffer puis de lui faire subir un traitement de refroi- dissement continu depuis la phase gamma ou depuis la phase bêta Nous avons en effet observé que les temps de séjour dans les domai- nes d'existence de ces phases n'ont aucune action sur la structure fines, sinon celle d'homogénéiser les tailles des graine.
Un autre avantage de ces alliages est la possibilité d'obtenir un grain fin dans les soudures, alors qu'avec les alliages classiques tremplables béta, une trempe est toujours nécessaire après. soudage pour affiner le grain.
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On donne ci-après deux exemples d'alliages auto-tmpants selon l'invention, choisis à titre purement illustratif dans les domaines d'application les plus courants en fonderie d'uranium.
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94&*LE Ise.
Cet exemple correspond au moulage de petites pièces ou au moulage de pièces de faible épaisseur, La vitesse de refroi-
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dissèment est ici rapide, de l'ordre de 20 ?0#C par minute* La composition pondérale optimale de l'alliage serait !
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<tb> -chroma <SEP> OP06 <SEP> + <SEP> 0,0155
<tb>
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-silicium 0,04 t 0015 -z1roon:Lu# 0,07 0,03
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On a coulé un pliage dont lot figura 2 et 4 reprodui- sont des micrographies après refroidissement ; ces micrographies montrent la parfaite qualité de la structure cristalline obtenues L'analyse d'un échantillon donné les résultats suivants :
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<tb> -chrome <SEP> o,07% <SEP> (en <SEP> poids)
<tb>
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-s1!1c1u# 0,03 , -z1rconium OPO5 >
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izrazki.a.-
Cet exemple correspond au moulage de pièces =Ogives et de grandes dimensions, dont la vitesse globale de refroidisse-
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ment serait lente, de l'ordre de 4 à 1O*C Par minute avec, COP*no
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dant d'éventuel gradients de vitesse de notables dans certaines Ion...
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La composition pondéral optimal de 104111486 seraît
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- chrome 003 COl - siìoîum oeo7 + 0,015 il - eirconiua 0#07 + oeo5 x On a Coulé un alliage dont la figura % reproduit une
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. m1ororap1û.e après refroidi sèment à raison de 8-0 par minute t la structure obtenue est excellente,, L'analyse d'un échantillon a donné les résultats suivante
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chromo 0, ' ,..
#3J.ci'ut 0,09 %
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<tb> - <SEP> zirconium <SEP> 0,1%
<tb>
REVENDICATIONS.
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Alliages quaternaires uranium-ohrome-silieiua-ttirconium présentant une structure à grains fins équiaxes par refroidisse" ment continu directement au moulage, comme d'ailleurs au cours de tout traitement thermique ultérieur, utilisables pour les , élément* combustibles nucléaires métalliques de toutes -formes et de toutes dimensions ou pour toutes pièces on uranium allié
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nécessitant une structure poiyoristaliine a grais tins, caractérisas en ce que les trois éléments d'apport, chrome, silicium et zirconium, sont présents simultanément, sans que leur teneur totale dépasse 0,4% en poids.,
les teneurs partielles en chrome et silicium pouvant varier entre 0,02 et 0,1% et la
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teneur partielle en zirconiua pouvant varier entre 0,01 et 0,2;*.
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uranium alloys for auxiliary fuels.
The present invention relates to uranium alloys for nuclear fuels or for any other uses and more particularly those of these alloys to which the addition of small proportions of certain suitably chosen elements confers, directly after knotting, a fineness of structure and a stability under irradiation which would normally only be achieved with significant contents of additive dementia or thanks to additional metallurgical treatments.
It is known that, for metallic uranium-based nuclear fuels, the uranium utilization rate, and
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therefore the quantity of energy which it is possible to extract from it, are currently severely limited by the progressive deterioration of the fuel elements under irradiation. It is also believed that the possible residence time, without prohibitive deterioration, of said fuel elements based on metallic uranium in the reactor depends to a large extent on their initial plycrystalline structure and on the stability of this structure under operating conditions. of the reactor.
Finally, we know that the best guarantees of stability are provided by a fine-grained structure, free from constraints and preferred orientations, and that it is practically not possible to combine these characteristics and above all to keep them in. unalloyed uranium.
The refining of the grain of low-alloyed uranium is currently obtained by one of the following processes: - for dilute alloys, containing at most a few thousandths by weight of addition elements, by quenching at ordinary temperature since the domain of existence of the beta phase or by isothermal decomposition of the beta phase in a restricted range of the domain of existence of the alpha phase.
- for Intermediate alloys, of the type in particular of two-phase alloys (uranium - molybdenum, uranium - chromium, etc.) by heating and * soft quenching.
Only the most concentrated alloys (more than 246 by weight of addition elements) can be left to natural cooling after casting.
The fineness of the crystalline structure is therefore currently obtained either at the cost of the additional operation constituted by a heat treatment, or at the cost of the incorporation into the fuel of significant contents of alloying elements, which is not without appreciable consumption of the reactivity of the fuel which may necessitate its enrichment in uranium 235.
This finesse is therefore, ultimately, a subjection
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costly, In addition, certain treatments, such as direct quenching from the beta domain, induce in the fuel element not insignificant stresses and, probably, preferential orientations resulting from the process of passing from
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the bgta phase to the alpha phase.
The setting in volume of the fuel elements effecting you
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in the great majority of cases, by molding one will understand the interest resulting from the development of alloys having low contents of addition elements and which nevertheless have the structure
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crystalline desired by simple cooling after oil, without requiring any subsequent heat treatment. The present invention relates to a type of quaternary alloys, with low contents of additive elements, obtained in fine seed, directly after molding;
in a very wide cooling speed range. Main characteristic laws
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of these so-called self-quenching alloys, will be described now, with reference to the attached Figures 1 to 4, which reproduce the metaLolraph1qu'l sections made on the samples.
The following years: Figure 1 shows the section of a sample of unalloyed uranium, obtained by cooling at a rate of 25 ° C per minute from the casting temperature (15OO * CJ - magnification! About 3 times.
Figure 2 shows a cross section of a sample of a
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quaternary alloy containing 99 8 5/4 of uranium, 0.07 of chromium, 0 # 03> of silicon and OpO5% of .1rcoa1um, obtained directly after casting by cooling at a rate of 25 * C per minute - magnification: about 3 times*
Figure 3 shows the section of a sample of a
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quaternary alloy containing 99 / 1'N 'uranium, 0.05% chromium, 000 $ e silicon and 001> airoon1u #, obtained directly after casting by cooling at a rate of 800 per minute. Orostasis: about 3 times.
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Figure 4 is an enlargement of a small area of the
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Figure 2, intended to highlight the fineness and regularity of the grains. Magnification of the order of 65 times.
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The uranium alloys according to the invention are argotized by the presence of three addition elements, chromium # silicon and zirconiu #, the overall proportion of which in the alloy does not exceed 0.4% by weight but is most often between 0.1 and oee> o The neutron absorption corresponding to this maximum content of 0.4% is lower than that which would correspond *
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for example, z. The presence of 0.15; 6 by weight of molybdenum (proportion largely exceeded in certain fuels of reactors moderated with graphite and cooled with gas operating, however, with natural uranium. This amounts to saying that 'she
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only slightly obstructs the neutron balance of p1l.).
The chromium and silicon contents may vary respectively
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between z02 and 0.1> by weight * The zirconium content can vary between 0.01 and 0.2 / 4 by weight.
The optimum contents of chromium, silicon and iron are chosen, within the limits set above, as a function of the cooling rate at the point of transition between beta phase and alpha phase, and therefore as a function of the dimension. and the shape of the castings, the equipment used and the cooling regime adopted. The chromium content is chosen to be greater than the silicon content as the cooling rate must be faster.
The chromium content is chosen to be so much interior to the silicon content as the cooling speed must be slower. The optimum contents are defined to approximately + 0.015% by weight for the
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chromium and silicon and approximately + 0.05% by weight for zireonima, for a given cooling rate. The range of cooling speeds extends from about 3 to 80 degrees centigrade per minute, although it is possible, if not for the little interest of the process, to re-tighten up to the corresponding speeds ... Direct quenching from the beta domain
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or the gamma domain.
Whereas in the case of unalloyed uranium the grains obtained by normal cooling are coarse, very irregular and jagged (figure 1) the grains obtained with the alloys according to the invention (figures 2,3 and 4) are tinted. , unalloyed, with more or less regular polygonal contours and free from constraints, Their "mean diameter is always less than 0.5 mm, whereas the seeds obtained with unalloyed uranium under identical cooling conditions can reach and exceed several mm When the relation between the content of addition elements and the cooling rate is respected,
the degree of refinement of the alloys according to the invention is practically independent of the cooling rate, except for very low speeds (inside .. at 5 ° C. per minute) and the average grain diameter is then less than 0.1 mm
The production of the alloys according to the invention does not present any difficulties, provided, when graphite crucibles are used to avoid as much as possible the contamination of the bath by the abtn;
for this a thick and resistant pot lining is sufficient. The chrome and silicon doors are negligible * compared to the permissible latitude of variation of the contents bed losses in ziron due to the fixation of this metal by the carbon, are very much lower than what one could predict soechiometrically and are, they too, compensated by the latitude of variation of the grade. On the other hand and for this same reason, the addition of zirconium will be done taking into account the carbon content of the uranium used.
The self-quenching alloys selo 1'invention therefore make it possible to obtain fuel elements of all shapes and all sizes by the simplest and most economical technological means. The loss of reactivity, due to the additive elements, is minimal and in particular completely admissible in natural uranium reactors * On the other hand, if,
as a result of a here-
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manufacturing tooth or for any other cause * the fuel element does not have the desired structure it is always possible to reheat it then to subject it to a continuous cooling treatment from the gamma phase or from the beta phase We have in fact observed that the residence times in the domains of existence of these phases have no action on the fine structure, except that of homogenizing the sizes of the seeds.
Another advantage of these alloys is the possibility of obtaining a fine grain in the welds, whereas with conventional beta stepping alloys, quenching is always necessary afterwards. welding to refine the grain.
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Two examples of self-sealing alloys according to the invention are given below, chosen purely for illustration in the most common fields of application in uranium foundry.
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94 & * LE Ise.
This example corresponds to the molding of small parts or to the molding of thin parts. The cooling speed
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dissèment is here fast, of the order of 20? 0 # C per minute * The optimal weight composition of the alloy would be!
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<tb> -chroma <SEP> OP06 <SEP> + <SEP> 0.0155
<tb>
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-silicon 0.04 t 0015 -z1roon: Lu # 0.07 0.03
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A folding was cast, lot of which figura 2 and 4 reprodui- are micrographs after cooling; these micrographs show the perfect quality of the crystal structure obtained The analysis of a sample gave the following results:
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<tb> -chrome <SEP> o, 07% <SEP> (in <SEP> weight)
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-s1! 1c1u # 0,03, -z1rconium OPO5>
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izrazki.a.-
This example corresponds to the molding of parts = Warheads and of large dimensions, including the overall cooling speed.
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ment would be slow, of the order of 4 to 1O * C Per minute with, COP * no
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due to possible noticeable speed gradients in some Ions ...
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The optimal weight composition of 104111486 would be
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- chromium 003 COl - siìoîum oeo7 + 0.015 il - eirconiua 0 # 07 + oeo5 x An alloy was cast whose figure% reproduces a
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. m1ororap1û.e after cooled sow at a rate of 8-0 per minute t the structure obtained is excellent ,, Analysis of a sample gave the following results
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chromo 0, ', ..
# 3J.it 0.09%
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<tb> - <SEP> zirconium <SEP> 0.1%
<tb>
CLAIMS.
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Quaternary uranium-ohrome-silieiua-ttirconium alloys exhibiting a fine-grained equiaxed structure by continuous cooling directly during casting, as moreover during any subsequent heat treatment, usable for metallic nuclear fuel element * of all forms and of all sizes or for all parts on alloyed uranium
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requiring a grays tins polyoristaliine structure, characterized in that the three input elements, chromium, silicon and zirconium, are present simultaneously, without their total content exceeding 0.4% by weight.,
the partial chromium and silicon contents which may vary between 0.02 and 0.1% and the
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partial zirconia content which may vary between 0.01 and 0.2; *.