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Uranlegierungen, Die Erfindung betrifft Uranlegierungen mit charakteristischem
Aufbau und definierter Zusammensetzung-Bekanntlich zeigt das unlegierte metallische
'Uran als Werkstoff viele Nachteil., die vor allem in seinem ungünstigen Verhalten
bei dar Verarbeitung, seinem -schlechten ICorrogionsse verhalhen sowie seiner mangelnden
Pormstabilitö:t bei cycli- -scher Värmbehandlung und unter Neutranenbesstrahlung
zum Ausdruck kommen. , Diese Nachteile sind durch die mechanisch-physilcalischen
Eigenschaften, die Eigenschaftsanisotropien und die Polymorphe des Urans bedingt.
Eine gewisse Beeinflussung der Eigenschaften des Urans kann durch Legierungszusätze
erreicht werden, -wobei häufig geeignete Wärmebehandlungen noch; 2usätZ»l1che Verbessesungen
der Uran-Legierungen ergeben. Durch umfangreiche Arbei-..-. ten auf dem Gebiet der
Uran-LQgarungen- konnten a:°'$. Ieern'brrennsstoffe entwickelt werden:, die ein
besseres Vei-halten unter Reaktnrbetriehsbedingungen zeigen .als das unlegierte
Uran. Der grössere feil dieser .Arbeiten behandelt zwar binäre Uran-Legierungen,
aber auch ternäre und höhere Uran-Legierungen sind seit vielen Jahren Gegenstand
eiangehender Untersuchungen, die z.B. schon zur Verwendung verschiedener Leg3.erungstypen
als Kernbrennstoffgeführt heben. Die bekannten Uranlegierungen können ohne
Berücksichtigung von Einzelheiten wie folgt unterteilt uerden.
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a) Die «-Uran-Legierungen, wie a.8. Uran-Zirkonium-Xob-und Uran-Silicium-Aluminium-Legierungen.
sind in der Regel nur schwach legiert, so dass im wesgXitlIchen der@Uramischkristall
weiterhin eiegöechaftsbestzmmend bleibt. Vor allem ist die bei Temperaturen zwischen
etwa 5500 C und 700o C ablau- -fende polymorphe Umwändlung, des X-Uranmiechkristalls
in den
,4-Urr=mä.seh%ristall und umgekehrt. bei diesem Legierungstyp
nicht zu verraoiden; Bei Vorvendung von A-Uranlegierungen in: diesem Tesacpexaturbereich
muss also mit Eigensch$ftsveridefrun: gen des Materials gerechnet worden, dies in
der Regel schwer zu kontrƒllibran sind und nichtvorausgesagt worden können.
Solche Temperaturen lassen sch ,jedoch bei der Verarbeitung dos lL.ateraag und auch
häufig bei. seiner . Verwendung z. L. als Brennstoff In Reaktoren nicht mit S3.-cherheit
vermeiden. Auch die unangenehmen i Eigenscha£tsaniso-, tropfen, vor allem die in,
den Raumkoordinaten unterschiedliche Ausdehnung des Materials unter Neutronenbestrahlung
und bei cyclischer Wärmebeanspruchung sind bei den (X-Uranlegi:earaxa _ gen nur
schwer mit ausreichender Gewähr auszuschliessen.
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Zwar sind die Postagkeitseigenschaften der gebräuchlichen X-Uranlegierungen
erheblich besser als die des unleg'l erten Urans, ihr Krro-sionsverhalten
ist jedoch, schlecht und Im- . Vergleich zu. Urdun nur geringfügig verbessert. -
' b) Die j.,-XJran-Eegierungen Wie z. n. Uran-Molybdän- und Uran- . PiiobdLegierungen
weisen meistens höhere Gehalte bis: zu w0- GQSa.-,@o _ eines Zusatzmotalls auf und
enthalten häufig noch geringe Zusätze eines dritten. Nietalls wie z:.13. Aluminium,
Chrom oder Silicium, welche die Trägheit der f-Umwandlung erhöhen sollen. Die: Eigenschaften
dIesea L4 gierungstyps worden vom @ -Uran-Mischkristall bestimmt. Infolge ihres
kubischen Gitteraufbaus weisem die f@-Mischkristalle eine vollstähdige Iefltropie
der Eigenschaften auf und zeigen daher praktisch keine Forminstabiltät bei c yclischer
Wärmebeanspruchung und-Neutronenbestrahlung.
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fluch die Featigkeit-s- und Korrogionseigenachafteri . sind gegenüber
den ?@#LTranlei;iorungen stärker verbessert. Der Hauptnachteil der r-Uranlegierungen
:Lot,. Base sie nur oborhalb von etwa 5500 las völlig stabilen Zustand vorliegen
und unterhalb dieser Temperatur früher oder später in . IX -Uranmischlcristal
Phase zerfallen, also_
naela #7-s c. vor i»i@@-ter Verlust der @.
»rxi.J?st gans-üigeren Eigenschaften der Polymorphin Ausserdem sind d10 durch den
Zerfall: der 1®fhaso bewa@a^ktzn Veränderungen des Materials abie:If.t genau `voxauaznsagen
a so dass mit velfäl.-t. St rsrun.ger; bei der ts-leiehtea.e;htsel..ns@:e 1 lur@g
z a rechnen :ist. De,- Zerfa.11 tritt hei T("-t@ipexatsnran zwischen
300 und 500f3 C: r alzo bei. in Reaktoren Üblichen A.srbeitstompor r zur
erlr verhältnismässig rasch auf.
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Uran-Verbindtmgen w±g Z.tB. U13 SIy 3 4 und UA1 sind
infolge 11x°es en;-eax Existenz-U-Si, UAi bereiches meistens im tochn9:.-x--hen
Masstab nur. sclaeä^ in reiner Porib %erzuctellöki, selbst erenn sie Sich direkt
aus der Schwolze bilden (U3Si2) . Noch Ist es, homogene Phasen herzustellen, wenra
diese peritekt:Isch (UA1-3 UM 4) oder per:Ltektoid (U3S3.) eng stehen. Deshalb,
wurde mehrfach versucht, drrch weitere Legierungszusätze eine @rcaoiter@arig des,@,s;e:rs.?--lt.r.
;w ;kz@verschiedener rotermetallischer Phasen zu erreichen. Das Ist jedoch bisher
nicht gelungen. Jl:ii Palle das 'UAl3 lind UA14 werden die Verbindungen durch
dar Sciimea.zvorgang :n Aluminium als Matrix disvotgiert. Dabei werden den entsprechenden
IJ:ran-Al:xam3.niurn-Leg:ierungen. häufig bis zu etwa 5 Gew.-% Zirkonium oder Silicium
zugesetzt¢ um die ungünstige Umwandlung der tJA13-zsr Xra=xärmoren iJAllI-Phase
zu verzögern oder ,ganz zu unterdrücken. Dine Anwendung findet bisher nur die 'TAt3-
und UAilt-Phase n Aluminiummatrix als Brennstoff :in Nernreaktoren. Infolge der
geringen Varmfestgkelt des hatrinmaterals ist die Anwendung dieses Legierungstyps
auf Temperaturen bis zu etzfa 35t3° r Isis 4000C bcsctrünkt. Ausserdem ist in dem
wegen des höheren Urangehaltes G,stigeren Falle des UA13 eine ständige Umerandtung
zu IJAI.,. irr Remktorbetreb zu erwarten.
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13a die Volumina der beiden Phasen unterschiedlich sind, geht mit
dor Flrasrararlxnxg auch eine VorUnderune des Materials vor sich.
Zusammen.fasbend-.ergibt
sich, dass der Häuptnachteis der -untrer a) un.d. i#)-. ganten Legierungstypen ihre
durch die U:#anmischkristalle bedingte Polymorphie. ist: Der-unter c) genannte Legierungstyp
ist vorhä? tnismässig schwierig herzustellen.. Wo eine solche Schviergkelt nicht
besteht, wie bei den Dlspereionselementen auf UranWALumin3:um-Dasi$, sind die Arbeltstemparaturen
sehr begrenzt,und' die Umwandlung des U1,13.- in, die UAl4-Phase bedingt nachteilige
Verä,derun-. gen den Materials" _ .
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Gegenstand der Erfindung :Lot eine weitere Gruppe von Urenlegierur#ean,
'de- eine Reihe .der ungünstlgen Eigenschaften des unlegierten Urans :und des. Uranmschkret
alis nicht auf'
weisen. Diese Legierungen sind dadurch gelceanxzelchnet, dass
ihre Zusammensetzung in'-einem entsprechenden Dre-istogfm _ System auf' oder in
der Nähe von quasibinären Schnitten liegen. Solche. quasibinären' Schnitte in Dröistoff.-Systemenmit"
Urani bilden sich unter folgenden .Bedingumgen aus: a) zwischen den untersetzt schmelzenden
Verbindungen zwei uranhaltiger 'Randsystöme,.
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b) zwischen den unzersetz:t schmelzenden Verbindungen einesuranhaltigen
Randsystems und der dritten Komponente des.-c) Dre@L sw&; rt ff sys t euas ,
zwischen den uniersetzt schmelzenden Verbindungen eines - uranhaltigen rund eines
urangreien Raadeyst®ms, Der Grundgedanke der vorliegenden Erf nding ist in Abbildung
l dargestellt, in der in der üblichen Weise mit. Hilfe eines gleichseitigen Konzentrationsdreiecks
die Zussmmensetzungen von Legierungen zwischen Uran, einer :zweiten Komponente X
-und einer dritten Komponente y aufgetragen werden können. In dieser Daratelluagaveise
sind die drei. grummdaätxliul
möglichen quasibinären Schnitta,
die den vorstehenden Bedingungen unter a) bis a) genügen, in Form
der Geraden 1,
2 und 3 verdeutlicht. Alle Legierungen,
die auf oder in
der Nähe dieser quasiblnären Schnitte
liegen, fallen in
den Bereich der Erfindung. Dazu gehören
such solche Legierungen, die in einem räumlichen System,
durch das ein
Vierstoff-System dargestellt wird, oberhalb, dh.
in den
auf den Schnittlinien errichteten Ebenen liegen.
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In der Abbildung 1 sind unter der Bezeichnung UX, XY
und UY auf den Seiten des Dreiecke die urizersetzt schmelzenden intermetallischen
Verbindungen der entsprechenden binären Systeme eingezeichnet.
Die mit-1 bezeichnetelVerbIndungs,-gerade zwischen UX und UY bedeutet einen
quasibinären Schnitt, der sich. zwischen zwei intermetallischen Uranverbindungen
mit offenem-Maximum, d.h. zwischen zwei unzersetzt schmelzenden Uranverbindungen
ausbilden kann. Voraussetzung für das Auf treteü eines derartigen.
quasibinären Schnittes ist das Vorliegen mindestens einer intermetallisehen
Verbindung mit offenem Maximum in den beiden@ uranhaltigen Randsystemen.
' Die in der Abbildung weiterhin eingezeichnete Gerade 2 zwischen
UX und Y bedeutet einen quasibinäeren Schnitt, der
zwischen
einer intermetallischen Uranverbindung mit offenem hiaximumt und
einer unleglerten metallischen Komponente (Y) entsteht.
Voraussetzung für das Vorliegen eines solchen Schnittes ist,
dass in einem uranhaltigen Randsystem mindestens eine intermetallische
Verbindung mit-offenem Maximum vorliegt.
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Die mit Ziffer 3 in Abbildung 1 gezeichnete Gerade
zwishhen üX-und XY verdeutlicht einen quasiblnären Schnitt, der sich zwischen
einer uranhaltigen und einer uranfreien. Verbindung
ausbilden
kann, wobei: beide Verbindungen offenö MO-xima haben, d.h. umersetzt -schmelzen:
Hier-Ist Voraussetzung, das Vorliegen jeweils einer- intermmtallischen Verbindung
mit offenem Maximum in einem uranhaltigen und dem uranfreien Rundsystem..
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Die vorstehend gekennzeichneten Legierungen der erfindungsgomässon
Zusammexsetzung sind in ihren Eigpnschaften entweder völlig oder wenigstens annähernd
isotrop,- woraus sich eine erhebliche Überlegenheit gegenüber den «--Uran-Loggierungen
ergibt* Sie sind zwischen Raumtemperatur und etwa 13;00 C_ frei vorn jeder Phasenumwandlung.
Damit ist ,ihr Anwendungsbereich hinsichtlich der Temperatur .wesentlich grösser
als der aller bisher bekannten Typen von Uran-Legierungen.
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Diese Legierungen besitzen auch- gute Featgkeitsegenachaften und bei
hohen,- ?aber technisch beherrschbaren Tempera- .. euren eine ausreichende Verformbarkeit
und sind im Norroesi onsvƒrhalten gegenüber denjenigen derh# und Uran-Legerungen
wementlibh verbesserst= bas wie schon ernräänta. auch die in der Nähe dieser Schnitte
bafiüdlichen Legi®-rungszusammensatzuuxgen Innerhalb energ®wssen Ausdehnung,der
qugsibinen Schnittlinien die gleichen: Eigem$ehaften zeigen, ergibt sieh als weiterer
Vorteil die TatsacheQ. dass die erfindungegesäseen Legierungen im-Gegensatz zu den.
Intermetalltschen UrauverbIndungen sich: vorhältnamtssig sicher und reproduztarbar
in der gezrünschten Zusammensetzung und mit den gswUns:ahten verbesserten. Eigenschaften
erschmelzen lassen.
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Die bevorzugten Legierungen nach der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet,,
daaa als Legl®rungskomponente di:e Xetalle Aluminium, Silicium, Zirkonium, lfolybd,
Eisen, Beryllium, Chrom, Vanadiumt Titan, Nickel, Kupter verwendet werden, wobei.
Metalle aus der genannten Gruppe stach als 4. oder auch 5 . @ Kompohant e In untergeordneten
Mengen zugegen sein
kann. Zur weiteren Erläuterung
der Erfindung wird nachstehend Je
ein typisches Beispiel
fUr auf den Schnitten l#-2 und 3
liegende Legierungen, behandelt.
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In Abbildung
2 isst
das Zuatandsbild
des Systems
'UAl2
+
U@Si aufgrund
der durchgeführten Untersuchungen dargestellt.
Zugrunde
liegt diesem Beispiel
das Dreistoffsystem Uran - Aluminium
# Silic:l:um,
in dem sieb: zwischen
den
Verbindungen UAl2 (UX
in Abbildung i)
und U3Si2 (UY in .Abbildung 1) ein quaeibinärer Schnitt
ausbildet. Entsprechend
den Bezeichnungen
in Abbildung
1 würde
also X Aluminium und Y Slliaium bedeuten.
Das Zustandsbild UAl? -
U-Siz .
(Abbildun
g 2)
zeigt ein eutektischos System
mit einem
eutektIschen Paukt bei
etwa 136d°
C. Dte eutektIsche
Legierung
hat nach der Analyse folgende Zusammensetzung:
| At®m- Gew- |
| 51 89e6 |
| :Al 23 |
| 4,99 |
| 5i 26 5,6 |
Bis
zu der Temperatur von 1,36U0 C
und Über den gesamten Konzentrationsbereich
tritt
im Gegensatz
zu den bisher bekannten Typen
und Uran-hegiorungen
keine Phasenumwandlung
auf. -
Die Legierungen behalten über diesen weiten Temperatur-
und Konzentrationsberolch ihren charakteristischen Aufbau bei.
Die
Zusammensetzung der eutektischen Legierung weist reit 89g d
Gew.-6
Uran für diese IAgierungsgruppe auch im Vergleich
zu den r#Uran#Legi,erungen
und den bisher verwendeten intermetallischen Uranphasen
eine hohe Urankonzentration auf.
was sie ihn Verbindung seit
den niedrigen AbsorptienequerschnIa;tf:n, für thermische Neutronen
der Legierungskomponenten als Kernbrer.ua1:off aa?asichtsreich erscheinen
läaat. Die
Legierung :zeigt ein gdinstiges Gi®naverhalten;
sie last sich. praktisch posen- und luvüs®rfrei vergiessen.
Die
Yertöilung der beiden- intermetallischen Verbindungen Iats wie die mikroskopische
-8etrachung zeigt,: völlig gleichmäseig. Ihre Härte beträgt in gegossenem Zustand
650.kg/mm2 . . . (HV 2)-0 Zwar sind die Legierungen bmi 'Raumtemperatur etwas spröde;
jedoch lassen. sie sich bei- Temperaturen von 9Ä0° C an verformen.
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Das Auftreten eines quaeibin äsen Schnittes zwischen _ der .unzerr
setzt schmelzenden Verbindung eines urünhaltgen Randsystems und
der dritten Komponente
des Dreisto£foystema, antapre# chend der Geraden:
NTr2 in Abbildung 1 o liegt z: H. in.;. dem Dreistoffsyst®m Urani - Aluminium--.
M®lybdän
vor. Dort>--bild;et sch der -quaeibinäre Schnitt zwischen der Verbindung
VA12 und Molybdän: In Abbildung 1 wäre fUrr diesen - Pall .!h' durch Alsmiriium
Y dusch Holybdän fand UK -durch VA12 zu ersetzen. Dia Abbildung
3 zeigt das
Zustandeschaubild dieses quasibinären Schnittes Holybdän #» VA1z. Auch hier `handelt
es. sich uns
ein einfaches euiektischea: System,, dessen eutoktischer
Punkt-bei-etwa 1340o C iiegt.@ Die cutektismhe Legierung ergab nach der Analyse
felgende Zusensgtzüng:
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| Atom Ger:- |
| v - 25@.-7 621,8 |
| 233 - 232 |
| Al 5190 |
| . 1 s f |
Aus demz - ZustsndaachaubIld Ist ersichtlich, daea der Aufbauder Legierung über
weite- Tsmperatur- und KoÜzeatratioaoboreieaho erhalten- bl®ibt$ voraus sich die
mehrfach ganann# . ten Vorteile auch für solche Legßeramgen ergeben.: Die Gie eeigenschaften
dieser Legierungen. sind befriedigend:
Beim
Vergiessen i.ix auf etwa, 4000
C vorgewärmte Kokillen werden einwandfreies lunker- und porenfreie Gusestüek®..carhaltens
'deren.
Nikrogefüge
die erforderliche gleichmäsaigeVertei- . lang
der beides:
am Aufbau
der Legierung betolligten Phasen zeigen. Im Gegensatz zu den £K-Uranlegierungen
sind die gristallstruisturen der beiden Phasen kubisch, so dass die ausserord®nt1ich
günstige laotxopie aller Eigenschaften gegeben, Ist.
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Die eutektiauhe Legierung hat im Gusszustand eine-Härte vonetwa 700
k g/msc . Schon bei Raumtemperatur sind aus der eutektischen Legierung nicht gehr
spröde; bfll Temperaturen um etwa 1000o C sind sie gut verformbar.
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Als drittes Beispiel ft,r die erfindiuegegeatasen Legierungen Ist
das System Uran - Aztaainlum - Zirkonium 3n Betracht gezogen. Hier bildet sich entsprechend
der. Geraden 3 in Abbildung 1 ein quasibin#rer Schnitt aus, der zwischen einer uranhaltigen
und einer uranfreien Verbindung mit jeweälä offenem Maximum liegt:- Pair das Dreistoffsystom
Uran - Aluminium .- Zirkoniwn wäre in Abbildung 3. UX durch UAl2, 1G durch Al, 7CY
durch ZrAl und X durch Zirkonium zu ersetzen. Die Untersuchungen dequaslbinären
Schnittes zwischen ÜAl2 und ZrAl2 ergeben. das in Abbildung 4 gezeichnete Zustaandsschaubild.
Hier
liegt ebenfalls ein eutektisches System
vor. Der
outektisehQ Punkt
findet sieh b®1-.400
C. Die Zusammensetzung
der eutektischen
Legierung
ist lt. Analyse
| Atom Geie. |
| v 1090 37.6 |
| Zr 2:)914 3397 |
| Alir 66v6 2894 |
Im Gegensatz
zu den bisher bekannten üranlogi.Grungstypen
ist auch
bei dieser rLegierungsgrcippe
der umwandlungafre® Temperaturbereich
wesentlich erweitert.
Allerdings er-
streckt sich zum Unterschied
von den beiden vorher
behan--
delten Systemen das
zwelphprsige- Gebiet nicht
über den
gesamten Konzentrationsbereich, sondern
bleibt durch die- _ grosse Ausdehnung des Homogonitätsbereichs:der UAl2-Nisciücrisialle
auf
.den airk®nrechon Teil des Systems bo:. schränkt. 1;13:e Abbildung 4
läset-aber deutlich erkexuaen9 dass der -Exi tenzb®rolch dar UA1-Phase durch Zusatz
-von 2r
gan
z beträchtlich erweitert werden 'conn,
eine Möglichkeil
die bisher bei
keiner intermetalliechon Uranphase ver-Wirklicht v.orden konnte.
Es tot danach; möglich,--Über einen weiten Kmnzentrationabexeich UAl2-Nischkr.Iatallo
zu erschmelzen und damit die
bei der Erürtortung
der intermet.a:li:-
-sehen; Uranphasen erwähnten Hexetellungsachvierigkelten zu umgehen.
Die
UAI2-Ilisclakriatalie sind je; nach
dem Zirhomiiuagehalt zwlsehen 14.40 und
1620° C--stabil--und in ihren Eigenschaften vollstäiadig IsotropDiese Legierungen
sind allerdings auch bei höheren Temperaturen n®eh- aprdd-o, jedoch --
läset
sich die Formgebung ohne be sondere Schwier$gketen.
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mit Hilfe -von pulvermetallurgischen Methoden erreichen,
so dass der Umstande dasass die eutektische Legierung nicht ganz
s® gut vergiessbar ist wie die eutektischon Leg-exaungen aus den Systemen
U:) Si z .@ UÄI2 und UAl, -- 1Ko,aicht unbedingt sich nachteiig auswirkt.
Das Korroaionseverhalten - _-der quasibnäreu: Uran -, Aluminium-
Zrkonium - Legierun.-@ gen isst ebenso -wie das der anderen behandelten
quasibinäreri. Legerungen im Vergleich zu Cl- und ,- Uran. - Legierungen
erheblich verbessert.
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Es ergibt sich aus dem Vorstelxenden= -dass ganz allgemein
eine bevorzugte Aueführungsformu der Erfindung Uran--Legierungen
betrifft, die ganz oder nahezu die Zusammensetzungen .-der
eutektischen Punkt® der quasibinären Schnitte aufweisen.. Es sffurdo oben
bereits erwähnt.. dass -grundsätzlich aiiünh der Zusatz vierter -und fünfter
Metalle nicht aus dem Bereich -der Erfindung hinausfährt. -Solche
metallischen Zästxe empfoh-
len sich besonders= wenn
die Geschmeidigkeit und 'verformbarkelt der einen oder anderen Legierung
verbessert werden
soll oder auch wenn besondere PestIgketseißenschaftgn
gefordert werden. ,Als Bespiele derartiger Metalle seien hier Zinke Zlaust
Tautal oder Vƒlfram gerannt. Ebenso
können die Zusätze
auch 3n Form nchtmotallismhgr Elemen# to verwendet werden,
.beispielsweise können die Zusätze auch Bor, Kohlenstoff, Sauerstoff, Stickstoff
oder Vasser# atoff enthalten, so daso ein Teil der Grundkomponente
durch solche Metalle oder nichtmetallische Elemente ersetzt worden
kann. - . Aufgrund ihrer hohen Urangehalte und' ihrer sonstigen Eigenschaften
lassen sich die Legierungen gewäse der Erfindung besonders
vorteilhaft als Kernbrennstoff In Reaktoren vorwenden.