DE1241121B

DE1241121B - Use of a binary zirconium alloy as a construction material in carbon dioxide-cooled nuclear reactors

Info

Publication number: DE1241121B
Application number: DEC29742A
Authority: DE
Inventors: Pierre Baque; Raymond Darras; Robert Syre
Original assignee: LE TITANIUM; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: LE TITANIUM; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1962-04-27
Filing date: 1963-04-24
Publication date: 1967-05-24

Description

Verwendung einer binären Zirkoniumlegierung als Konstruktionswerkstoff in kohlendioxydgekühlten Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer binären Zirkoniumlegierung mit 0,1 bis 3°/o Vanadium als Konstruktionswerkstoff in mit Kohlendioxyd gekühlten Kernreaktoren und der dabei dem Kohlendioxyd ausgesetzt ist.Use of a binary zirconium alloy as a construction material in carbon dioxide cooled nuclear reactors The invention relates to use a binary zirconium alloy with 0.1 to 3% vanadium as a construction material in nuclear reactors cooled with carbon dioxide and exposed to carbon dioxide is.

Zirkonium zeichnet sich durch einen kleinen Einfangquerschnitt für Neutronen aus; es ist daher allein oder in Legierung mit Partnern gleicher Eigenschaft als Konstruktionswerkstoff für die aktiven Teile von Kernreaktoren im Prinzip geeignet. Außer dem Neutroneneinfangquerschnitt eines Werkstoffs sind jedoch auch sein Verhalten und seine Beständigkeit unter den mechanischen, thermischen, chemischen und radioaktiven Belastungen im Reaktorinneren für seine Brauchbarkeit entscheidend.Zirconium is characterized by a small capture cross-section for Neutrons off; it is therefore alone or in an alloy with partners of the same property in principle suitable as a construction material for the active parts of nuclear reactors. In addition to the neutron capture cross-section of a material, however, its behavior is also important and its resistance among the mechanical, thermal, chemical and radioactive Loads inside the reactor are decisive for its usability.

So beschreibt die französische Patentschrift 1222 482 Hülsen für den Brennstoff von Kernreaktoren, die aus einer zirkoniumhaltigen Magnesiumlegierung bestehen. Sollen diese Hülsen jedoch in mit Kohlendioxyd gekühlten Kernreaktoren verwendet werden, so darf deren Betriebstemperatur 400° C nicht überschreiten, da anderenfalls die Korrosion der Hülsenlegierung zu groß wird. Damit ist aber die Einhaltung der optimalen Betriebstemperatur, die für Reaktoren des obigen Typs 500 bis 650° C erreicht, nicht möglich.So the French Patent Specification 1222482 describes sleeves for the fuel of nuclear reactors, which consist of a zirconium-containing magnesium alloy. However, if these sleeves are to be used in nuclear reactors cooled with carbon dioxide, their operating temperature must not exceed 400 ° C, otherwise the corrosion of the sleeve alloy will be too great. However, this means that it is not possible to maintain the optimum operating temperature, which for reactors of the above type reaches 500 to 650 ° C.

Auch legiert mit Zinn oder mit Uran, also dem Kernbrennstoff selbst, hat Zirkonium Eingang in den Reaktorbau gefunden (französische Patentschrift 1212 737, USA.-Patentschrift 2 813 073 und S. 486 der Zeitschrift »Il calore«, Nr. 10 von 1956). Schließlich ist in »Nuclear Science Abstracts« (Bd. 15, 1961, S. 1476, Referat Nr. 11521) über die Beständigkeit einer 0,25 bis 9 °/o Vanadium enthaltenden Zirkoniumlegierung gegen Druckwasser bei erhöhter Temperatur berichtet worden.Also alloyed with tin or uranium, i.e. the nuclear fuel itself, zirconium found its way into reactor construction (French patent specification 1212 737, U.S. Patent 2,813,073 and p. 486 of the magazine "Il calore", No. 10 from 1956). Finally, in "Nuclear Science Abstracts" (Vol. 15, 1961, p. 1476, Referat No. 11521) on the resistance of a containing 0.25 to 9% vanadium Zirconium alloy against pressurized water at elevated temperature has been reported.

In mit Kohlendioxyd gekühlten Reaktoren haben alle diese Legierungen jedoch keine Anwendung gefunden. Hinreichende Korrosionsbeständigkeit gegenüber den Belastungen in diesen Reaktoren wurde bisher lediglich bei den in der französischen Patentschrift 1234 524 beschriebenen kohlenstoffhaltigen Zirkoniumlegierungen erwartet. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß auch mit diesen Legierungen die Einhaltung der optimalen Betriebstemperaturen zu unzulässig großer Korrosion führt. Außerdem sind sie schlecht verarbeitbar und besitzen nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit.In carbon dioxide cooled reactors all have these alloys but found no application. Sufficient corrosion resistance to the loads in these reactors have so far only been those in the French Patent 1234 524 described carbonaceous zirconium alloys expected. However, experience has shown that compliance with these alloys the optimal operating temperatures leads to inadmissibly high levels of corrosion. aside from that they are difficult to process and have only a low thermal conductivity.

Es bestand daher dringender Bedarf an einem auch bei hohen Temperaturen gegen Kohlendioxyd beständigen und zugleich leicht verarbeitbaren und gut wärmeleitenden Konstruktionswerkstoff für Kernreaktoren. Dieser Bedarf läßt sich gemäß der Erfindung durch die Verwendung einer an sich bekannten binären Legierung aus Zirkonium mit 0,1 bis 30/9 Vanadium befriedigen.There was therefore an urgent need for a construction material for nuclear reactors that was resistant to carbon dioxide even at high temperatures and at the same time easy to process and had good thermal conductivity. According to the invention, this need can be satisfied by using a binary alloy, known per se, of zirconium with 0.1 to 30/9 vanadium.

Der zulässige Einsatzbereich der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen reicht bis zu Drücken von 60 kg/cm2 und Temperaturen bis 650° C, wobei bei 25 kg/cm2 und 500° C ein Vanadiumgehalt von 0,5 °/o und bei 25 kg/cm2 und 600° C ein Vanadiumgehalt von 2 % bevorzugt ist.The permissible range of use of the alloys to be used according to the invention ranges up to pressures of 60 kg / cm2 and temperatures up to 650 ° C, whereby at 25 kg / cm2 and 500 ° C a vanadium content of 0.5% and at 25 kg / cm2 and 600 ° C a vanadium content of 2% is preferred.

Das erfindungsgemäß verwendete Zirkonium ist von Hafnium befreit und weist auch sonst nur möglichst geringe Verunreinigungen, insbesondere nur ein Minimum an Eisen, auf.The zirconium used according to the invention is freed from hafnium and otherwise has only the lowest possible impurities, in particular only a minimum of iron, on.

Als Beispiele für Legierungen, die sich erfindungsgemäß als Konstruktionswerkstoff in einem kohlendioxydgekühlten Kernreaktor unter den oben angegebenen Bedingungen eignen, können die folgenden Zusammensetzungen aufgeführt werden: 1. O,Io/o Vanadium, Rest Zirkonium; 2. 0,5 % Vanadium, Rest Zirkonium; 3. 2 % Vanadium, Rest Zirkonium.As examples of alloys that can be used according to the invention as a construction material in a carbon dioxide-cooled nuclear reactor under the conditions given above suitable, the following compositions can be listed: 1. O, Io / o vanadium, Balance zirconium; 2. 0.5% vanadium, balance zirconium; 3. 2% vanadium, balance zirconium.

Als Maß für die Korrosionsbeständigkeit der obigen Legierungen gegen C02 kann die Gewichtszunahme der Legierungen dienen, die auftritt, wenn die Legierung während längerer Zeit bei den angegebenen Temperaturen und Drücken mit Kohlendioxyd in Berührung steht. I. Einwirken einer C02 Atmosphäre bei einem Druck von 25 kg/cm2 und einer Temperatur von 500° C Gewichts- Gewichts- zunahme zunahme in mg/cm2 nach in mg/cm2 nach 1000 Stunden 5000 Stunden Legierung (1) Zr-0, 10/0 V .... 0,90 2,7 Legierung (2) Zr-0,5 % V .... 1,02 2,1 Legierung (3) Zr-2 % V ...... 1,32 2,3 Zr (nicht von Hf be- freit, nicht legiert) 0,96 2,6 Aus diesen Tabellen ergibt sich, daß die Legierung mit der größten Beständigkeit bei einer Aussetzungstemperatur von etwa 500° C diejenige ist, die 0,5% Vanadium, und bei einer Temperatur von etwa 600° C diejenige ist, die 2% Vanadium enthält.The increase in weight of the alloys which occurs when the alloy is in contact with carbon dioxide for a prolonged period at the specified temperatures and pressures can serve as a measure of the corrosion resistance of the above alloys to CO 2. I. Exposure to a CO2 atmosphere at a pressure of 25 kg / cm2 and a temperature of 500 ° C Weight weight increase increase in mg / cm2 after in mg / cm2 after 1000 hours 5000 hours Alloy (1) Zr-0, 10/0 V .... 0.90 2.7 Alloy (2) Zr-0.5% V .... 1.02 2.1 Alloy (3) Zr-2% V ...... 1.32 2.3 Zr (not loaded by Hf free, not alloyed) 0.96 2.6 From these tables it can be seen that the alloy with the greatest durability at an exposure temperature of about 500 ° C is that which contains 0.5% vanadium and at a temperature of about 600 ° C is that which contains 2% vanadium.

Claims

Claims: 1. Use of a binary zirconium alloy with 0.1 to 3% vanadium as a construction material in nuclear reactors cooled with carbon dioxide and which is exposed to carbon dioxide at 500 to 650 ° C. The following tables show the weight increase of the alloys given above in comparison with that of unalloyed zirconium that has not been freed from hafnium. Il. Exposure to a CO. Atmosphere at a pressure of 25 kglcm2 and a temperature of 600 ° C Weight weight increase increase in mg / cm2 after in mg / cm2 after 1000 hours 5000 hours Alloy (1) Zr-0.1% V .... 3.4 16 Alloy (2) Zr-0.5% V .... 3.9 17 Alloy (3) Zr-2 1/0 V ...... 4.7 13 Zr (not loaded by Hf free, not alloyed) 5.6 20

2. Use of an alloy of the composition specified in claim 1, wherein the vanadium content is 0.5 or 2%, for the purpose mentioned in claim 1 and the carbon dioxide at 500 or 600 ° C and a pressure of 25 kg / cm = 2 is exposed. Documents considered: French Patent Nos. 1 212 737, 1222 482, 1234 524; U.S. Patent No. 2,81,3,073 ; "Nuclear Science Abstracts", 15 (1961), No. 9, 14.76, Paper No. 11521; "Il calore", 1956, No. 10, p. 486.