DE1152267B - Ternaere Uranlegierung und Verfahren zur Herstellung und Waermebehandlung derselben - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

C 13184 VIa/40b

ANMELDETAG: 11. JUNI 1956

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 1. AUGUST 1963

Wird reines metallisches Uran als spaltbarer Stoff im thermischen Atommeiler benutzt, so ist dies um so weniger mechanischen Beanspruchungen gewachsen, je größer der Neutronenfluß und die gelieferte Leistung sind. Der spaltbare Stoff, der die Form von Stangen oder Stäben hat, erleidet Verformungen, und dadurch besteht die Gefahr, daß die Schutzhüllen zerstört werden.

Es ist bereits bekannt, daß man beim Uran zu einer Verbesserung von Eigenschaften kommen kann, die für die Verwendung desselben in Kernreaktoren wünschenswert sind, nämlich zu einer höheren Festigkeit, einer erhöhten Korrosionsbeständigkeit und einem niedrigeren Schmelzpunkt, indem man das Uran mit einem anderen Metall legiert. Als Legierungszusatz wurden unter anderem bereits genannt: Aluminium, Chrom, Vanadium, Zirkonium, Titan, Niob. Die Zusatzmengen liegen dabei im Bereich weniger Prozente.

Ein solcher Zusatz hat jedoch im allgemeinen in der Masse der erhaltenen Legierung die Form grober Körner; das führt zu örtlichen Inhomogenitäten und mechanischer Empfindlichkeit. Die Masse muß daher zur Ausscheidung dieser zweiten Phase einer längeren Wärmebehandlung unterworfen werden. Man hat bereits bei einer Legierung aus Uran und einem geringen Zusatz an Aluminium das Werkstück nach dem Schmieden einem Lösungsglühen unterworfen, danach bei einer Temperatur von etwa 1040° C abgeschreckt und alsdann einer Vergütungsbehandlung durch Anlassen bis auf eine Temperatur von 500° C unterworfen.

Es wurde nun festgestellt, daß bei Verwendung nur jeweils eines Zusatzelementes eine Wärmebehandlung erforderlich war, die 200 bis 300 Stunden dauert. Eine solche Behandlung erschwert außerordentlich die industrielle Fertigung von Brennstoffen aus derartigen Legierungen.

Das Ziel der Erfindung geht dahin, eine leichter homogenisierbare und aushärtbare, gegen thermische Ermüdung beständigere Uranlegierung zu schaffen und ein Herstellungs- und Wärmebehandlungsverfahren aufzuzeigen, das eine geringere Zeit erfordert.

Gemäß der Erfindung wird daher eine ternäre Uranlegierung vorgeschlagen, die in einer Menge von 0,1 bis 2°/o ein erstes Zusatzelement, als welches Aluminium, Zirkonium, Chrom, Titan oder Vanadium in Frage kommen, und ferner ein zweites Zusatzelement in einer Menge von 0,05 bis 1% enthält, wobei das zweite Zusatzelement Yttrium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Ternäre Uranlegierung und Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung

derselben

Anmelder: Commissariat ä l'Energie Atomique, Paris

Vertreter: Dr. W. P. Radt, Patentanwalt, Bochum, Heinrich-König-Str. 12

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 14. Juni 1955 (Nr. 693 701, Seine)

Marcel Englander, Paris, und Jacques Andre Stohr, Bures-sur-Yvette, Seine-et-Oise (Frankreich), sind als Erfinder genannt worden

Palladium, Silber, Kadmium, Indium, Zinn oder Antimon sein kann. Dabei soll Zirkonium entweder nur die Rolle des ersten oder nur die des zweiten Zusatzelementes spielen. Der Rest der Legierung besteht immer aus Uran.

Die zugesetzten Mengen des ersten Legierungselementes übersteigen nicht den Betrag von 2 Gewichtsprozent, die des zweiten nicht den von 1 Gewichtsprozent; diese Gewichtsprozente sind auf das Gewicht des reinen metallischen Urans bezogen.

Eine derartige ternäre Uranlegierung ist als spaltbarer Stoff, insbesondere zur Benutzung als Brennstoff in einem thermischen Atommeiler verwendbar, wenn sie praktisch homogen, durch Anlassen strukturell stabilisiert und gleichzeitig ausgehärtet ist. Die Wärmebehandlung einer solchen ternären Legierung läßt sich in erheblich kürzerer Zeit durchführen. Dies beruht darauf, daß der Zusatz eines zweiten Legierungselementes in den angegebenen Grenzen die Auflösung des ersten Legierungselementes in dem spaltbaren Stoff beschleunigt, indem die Löslichkeitszone vergrößert wird.

Ein besonders geeignetes Herstellungsverfahren für die neue Legierung ergibt sich, wenn derSchmelz- und Gießvorgang unter einem Vakuum von 10—⁴ bis 10-³mmHg erfolgt, wobei die Schmelze etwa 30 bis 45 Minuten bei 1500° C vollständig legiert, entgast und anschließend in Formen vergossen wird,

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und daß die vergossene Legierung unter einem Vakuum von 10—³ mm Hg bei einer Temperatur über 1000° C, aber unter der Temperatur ihres Schmelzbeginns einer Lösungsglühung von etwa 50 Stunden bis zur praktischen Einphasigkeit unterworfen, danach noch unter Vakuum plötzlich abgeschreckt und bei etwa 600° C etwa 10 Minuten angelassen wird.

Das erste wie das zweite Zusatzelement können in metallischer Form dem metallischen Uran in einem oder mehreren Arbeitsgängen zugesetzt werden, ehe die Schmelzung erfolgt. Nach vollständigem Auflösen und Entgasen wird die Legierung in Formen gegossen, z. B. zu Stäben oder Knüppeln.

Die Zusatzelemente können aber auch in Form einer Verbindung zugegeben werden, die durch Kalzium, Magnesium oder ein anderes Metall reduzierbar ist, sowei dieses in der Lage ist, Urantetrafluorid zu reduzieren.

Die in der einen oder anderen Form gewonnene Legierung enthält noch grobe Körner, die als grobe Dispersion in einer zweiten Phase vorliegen. Sie muß, wie erwähnt, einer Erhitzung auf eine Temperatur unterworfen werden, die über 1000° C, aber unter dem Schmelzbeginn der Legierung liegt. Die Vorteile der ternären Legierung bestehen darin, daß in erheblich kürzerer Zeit, beispielsweise in etwa 50 Stunden, die zweite Phase praktisch zum Verschwinden gebracht und die Härte der Gußmasse gesteigert, teilweise verdoppelt werden kann. Die sich dabei vorübergehend bildende Kristallstruktur wird durch das nachfolgende Anlassen in eine stabile Struktur übergeleitet. Die Anlaßtemperatur soll an der oberen Grenze des Stabilitätsbereiches der orthorhombischen Phase des Urans liegen (etwa 660° C), die Dauer des Anlassens soll für eine Umkristallisation der Urangrundmasse und eine sehr feine und gleichmäßige Ausfällung der zweiten Phase ausreichen. Dadurch wird dann auch die Härte und die Widerstandsfähigkeit gegen ther- ^o mische Ermüdung erhöht.

Beispiel 1

Einem Uranknüppel von etwa 50 kg wird in einem verschließbaren Hohlraum 0,4% seiner Masse reines Aluminiumschrot von 99,99% Reinheit und 0,15°/o seiner Masse Zirkonium in Form einer Uran-Zirkonium-Vorlegierung mit 2,5 Gewichtsprozent Zirkonium zugegeben. Das Erhitzen wird so vorgenommen, daß stets ein zwischen 10~⁴ und 10~³mmHg liegendes Vakuum in der Apparatur aufrechterhalten bleibt. Nach erfolgtem Schmelzen wird die Temperatur während 30 bis 45 Minuten auf etwa 1500° C gebracht, und die geschmolzene Masse wird immer noch im Vakuum mittels eines Trichters in einen hochliegenden Vorratsbehälter gegossen, welcher die entsprechenden Formen speist. Das Gießen erfolgt durch Schwerkraft, indem ein am Boden des Tiegels vorgesehener Stöpsel aus einem feuerfesten Werkstoff im gewünschten Augenblick durch eine von außen betätigte Druckstange angehoben wird. Das Ausheben aus der Form findet nach der zur Verhinderung der Oxydation der Legierung im Vakuum vorgenommenen Abkühlung statt.

Man kann so Legierungsknüppel herstellen, welche anschließend entweder durch Walzen oder durch Hämmern oder durch Warmziehen oder auf andere Weise zu Stäben oder Stangen verformt werden. Man kann auch unmittelbar Stäbe mit einem Durchmesser von 16 bis 36 mm und einer Länge von 30 bis 50 cm herstellen.

Die so erhaltene Legierung wird einer ersten Wärmebehandlung unterworfen, die darin besteht, die Legierung unter einem Vakuum von etwa 10~³mmHg während 50 Stunden in einem Widerstandsofen, der mit einem Öl enthaltenden Behälter kombiniert ist, auf 1050° C zu erhitzen. Zur Verhinderung einer unkontrollierten Ausscheidung während der Abkühlung bis auf Zimmertemperatur läßt man nach Beendigung der Wärmebehandlung die Legierung in das kalte Ölbad fallen, wodurch eine genügend plötzliche Abschreckung erfolgt, bei der das Aluminium in übersättigter Lösung in der Urangrundmasse erhalten wird, die sich dabei in einem vorübergehenden metastabilen Zustand befindet.
Das Gefüge dieser Legierung wird anschließend durch eine weitere Behandlung stabilisiert, die darin besteht, die Legierung im Vakuum während etwa zehn Minuten auf etwa 600° C zu erhitzen. Man erhält so ein Metall, dessen Vickershärte großenordnungsmäßig 420 kg/mm² gegenüber 210 kg/mm² für gewöhnliches Uran beträgt, und welches sich bei den verschiedenen Versuchen zur thermischen Ermüdung nicht mehr verformt.

Beispiel 2

52 kg Urantetrafluorid werden gemäß einer der üblichen Reduktionsmethoden mit 19 kg Kalzium behandelt, dem vorher etwa 150 g Aluminiumspäne oder 250 g Aluminiumpulver zugesetzt wurden. Man erhält so Knüppel aus einer Rohlegierung, die zum Zwecke ihrer Entgasung umgeschmolzen werden; dabei werden ihr 0,15 Gewichtsprozent Zirkonium in Form einer Uran-Zirkonium-Vorlegierung mit 2,5 Gewichtsprozent Zirkonium zugesetzt.

Die Knüppel werden den bei Beispiel 1 beschriebenen Wärmebehandlungen unterworfen.

Claims (5)

1. PATE NTAN SPRUCH ΕΙ. Ternäre Uranlegierung, die leicht homogenisier- und aushärtbar und gegen thermische Ermüdung beständig ist, bestehend aus 0,1 bis 2% Aluminium, Zirkonium, Chrom, Titan oder Vanadium, 0,05 bis 1% Yttrium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber, Kadmium, Indium, Zinn oder Antimon, Rest Uran.
2. 2. Verwendung einer ternären Uranlegierung nach Anspruch 1 in praktisch homogenem durch Anlassen strukturell stabilisiertem und gleichzeitig ausgehärtetem Zustand als spaltbarer Stoff, insbesondere zur Benutzung als Brennstoff in einem thermischen Atommeiler.
3. 3. Verfahren zur Herstellung und Wärmebehandlung einer Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelz- und Gießvorgang unter einem Vakuum von 10~⁴ bis 10~⁵mmHg erfolgt, wobei die Schmelze etwa 30 bis 45 Minuten bei 1500° C vollständig legiert, entgast und anschließend in Form vergossen wird, und daß die vergossene Legierung unter einem Vakuum von ΙΟ"³ mm Hg bei einer Temperatur über 1000° C, aber unter der Temperatur ihres Schmelzbeginnes einer Lösungs-

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   glühung von etwa 50 Stunden bis praktisch zur In Betracht gezogene Druckschriften:

   Einphasigkeit unterworfen, danach noch unter »Journal of Metals, Transactions of AIME«,

   Vakuum plötzlich abgeschreckt und bei etwa Bd. 188, Januar 1950, S. 182 bis 194 und 198;

   600° C etwa 10 Minuten angelassen wird. »Journal of the Institute of Metals«, 83 (1954/55),
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge-
5. 5 S. 277 bis 282 und 497 bis 504; 77 (1950), S.

   kennzeichnet, daß das zweite Zusatzmetall in bis 570;

   Form einer Vorlegierung mit Uran zugesetzt »Chemical Engineering Progress Symposium

   wird. Series«, 50 (1954), Nr. 11. S. 63 bis 67.

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