DE1533365C - Verfahren zur Herstellung einer Uran Legierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer aus 0,05 bis 0,3 °/₀ Chrom, 0,5 bis 3,0°/„ Niob, Rest Uran bestehenden Legierung zur Verwendung als Kernbrennstoff.

Aus der deutschen Auslegeschrift I L20 155 ist ein Wlirinebehandlungsverfahren von Uran-Eisen-Aluininium-Legierungen innerhalb der ß- und «-Phase bekannt. Die vorliegende Erfindung betrifft dagegen eine Uran-Chrom-Niob-Legierung, die im wesentlichen in der y-Phase wärmebehaiidelt wird. Die USA.-Palentschrift 2 914 433 offenbart eine Wärmebehandlung einer Uran-Niob-Legierting mit einer Homogenisierung im y-Phasengebiet und einem anschließenden Abschrecken, jedoch handelt es sich hier um eine Zvveistofflegierung, während der vorliegenden Erfindung eine Dreistofflegierung zugrunde liegt.

Aus der Zeitschrift »Kernenergie« 4 (1961), H. 3, S. 196, ist es bekannt, dall das Abschrecken des Uι ans eine Kornveifeinerung mit sich bringt. Das erlindungsgemäße Abschreckverfahren dient jedoch nicht der Kornverfeinerung. ·

Die britische Patentschrift 821 639 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von spaltbarem Material in Form einer Uran-Legierung mit je einem Zusatzmetall aus zwei Metallgruppen. Innerhalb der im Rahmen dieser Veröffentlichung liegenden Legierungen befindet sich auch eine Uran-Chrom-Niob-Legierung, jedoch stimmen die Wärmebehandlungen beider Verfahren nicht überein.

Es ist bekannt, daß sich die Ausbeute von metallischen Kernbrennstolfelementen dadurch verbessern läßt, daß an Stelle von unlegiertem metallischem Uran Uranlegierungen verwendet werden. Die Verwendbarkeit metallischer Kernbrennstoffelenieiite wird entscheidend dadurch eingeschränkt, daß die durch die Strahlung hervorgerufene Schädigung ihre Entnahme aus dem Reaktor noch vor Erreichen des wirtschaftlich günstigsten Abbrandes erforderlich .macht. Die Zugabe von Legierungselenienten zum metallischen Uran bezweckt, einen größeren Widerstand gegen die Strahlung zu erzielen, um einen höheren Abbrand erreichen zu können und größere spezifische Leistungen zu erhalten.

Die Schädigung der Brennstoffe durch Strahlung macht sich bekanntlich durch zwei Arten von Formunbeständigkeit bemerkbar: Durch Wachsen (growth) bei niederer Temperatur und durch Anschwellen (swelling) bei hoher Temperatur. Zum Zwecke tier Vermeidung dieser Unbeständigkeiten wurde bereits versucht, Legierungen zu erzeugen und entsprechende Hehandlungen vorzunehmen, wie aus ilen vorstehend genannten Veröffentlichungen ersichtlich ist. So wurden beispielsweise Brennstoffe erzeugt, die Uran mit geringen Eisen- und Aluniinium/usätzen (Uran der englischen Art bzw. »adjusted uranium*') und l.Jra'nin <)l)bdänlegicrimgen mit einem Molybdängehalt von etwa 1 Gewichtsprozent enthalten. Diese Legierungen werden speziell als Brennstoffe in Kernkraftwerken verwendet, die ihre Leistung an das Verbundnetz abgeben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Herstellung einer Uranlegierung ermöglicht, bei der die obergenannten Unbeständigkeiten vermieden werden und bei der die metallischen Eigenschaften und die Verteilung der zweiten Phase (Gamma) innerhalb der Legicrungsstruktur gegenüber bekannten Legierungen verbessert sind.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Legierung aus der y-Phase mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 50 bis 300°C/min abgekühlt, daraufhin bis zum Auftreten der //-Phase aufgeheizt und im /7-Phasenbereich einen 3 Stunden nicht überschreitenden Zeitraum gehalten wird, dann mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von. 4 bis 400°C/rnin kontinuierlich oder stufenweise abgekühlt und abschließend im rt-Phasenbereich erhitzt wird, bis sich die Λ-Phase mit einer gleichmäßig verteilten feinen Dispersion der y-Phase einstellt.

Die erfindungsgemäß hergestellte Legierung hat den Vorteil, daß Brennstoffelemente gewonnen werden können, die sowohl die Vorteile der auf der Basis von Uran-Niob bzw. Uran-Molybdän oder Uran-Zirkon hergestellten Elemente wie auch die der auf der Basis Uran-Chrom hergestellten Elemente aufweisen. Die auf der Basis dieser Legierung hergestellten Brennstoffelemente sind gegen Wachsen und Anschwellen beständig.

Ein Anteil von Chrom zwischen 0,14 und 0,25 Ge- r wichtsprozent sowie ein Anteil an Niob zwischen 0,8 und 1,2.Gewichtsprozent sind besonders vorteilhaft. An Stelle von Niob können Molybdän, Zirkon, Molybdän und Zirkon oder auch Niob mit Molybdän und/oder Zirkon verwendet werden. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Legierung zeigt eine gleichmäßige und feine Dispersion der y-Phase in der «-Phase des Urans. Die ix-Phase muß ihrerseits eine feine, beständige-Körnung ohne Vorzugsausriehtung besitzen, wobei die mittlere Korngröße im allgemeinen 40·μ nicht übersteigt. Um dies zu erreichen, sind folgende Schritte nötig:

1. Abkühlung der y-Phase mit hoher Geschwindigkeit;

2. Erwärmung der Legierung bis in den Bereich, in dem die//-Phase vorhanden ist;

3. Aufrechterhaltung der Bedingungen, in denen sich die Legierung bei der vorhergehenden Behandlung befand, für eine bestimmte Zeit;

4. Abkühlung der Legierung mit gesteuerter Ge- ( schvvindigkeit vom Gebiet, in dem die /J-Phase vorhanden ist, bis auf Raumtemperatur;

5. Erwärmung der Legierung bis in den Bereich, in dein die .x-Phase vorhanden ist.

1. Abkühlung der y-Phase

Diese Abkühlung muß mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Gute Abkühlgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 50 bis 300"C/min.

Bei industrieller Herstellung ist es natürlich zweckmäßig, unmittelbar den Guß mit dieser Geschwindigkeit abzukühlen. Sollten jedoch die Eigenschaften der Legierung nicht den Anforderungen entsprechen, d. h., sollten die Bestandteile nicht gut homogen sein, dann kann man die Legierung in den Bereich der y-Phase zurückführen und anschließend mit den angeführten Geschwindigkeiten abkühlen.

Wenn ferner im Laufe der Herstellung des Brennstoffes Bearbeitungen, wie Walzen oder Auspressen, durchgeführt werden, dann muß man anschließend daran sämtliche oben angeführten Wärmebehandlungen vornehmen, um die bei den Bearbeitungen erzeugte Vorzugsausrichtung zu beseitigen.

2. Erwärmung der Legierung in dem Bereich
der/?-Phase

Diese Behandlung ist leicht durchführbar und benötigt keinerlei andere Maßnahmen als jene, die bei unlegiertem Uran angewandt werden.

3. Haltezeit der Legierung im Bereich
der /?-Phase

Die Haltedauer im Bereich der /i-Phase ist im allgemeinen nicht länger als 3 Stunden.

4. Abkühlung auf Raumtemperatur

Nachdem die Legierung, wie unter 3 erwähnt, eine gewisse Zeit lang im Temperaturbereich der /i-Phase belassen wurde, muß sie mit gesteuerter Geschwindigkeit von 4 bis 400°C/min bis auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Diese Abkühlung kann fortlaufend oder stufenweise durchgeführt werden.

5. Glühen

Diese Verfahrensmaßnahme ist gewöhnlich erforderlich, um die Struktur der Legierung zu stabilisieren. Sie besteht in einer einfachen Erwärmung der Legierung in den Bereich, in dem die «-Phase vorhanden ist.

Geht man in der beschriebenen Weise vor, dann lassen sich mit den angeführten Metallen Legierungen mit besonders günstigen Eigenschaften für ihre Verwendung als Kernbrennstoffe erhalten.

Die folgenden Beispiele dienen zur Erläuterung der Erlindung, wobei die "/„-Angaben für Gewichtsprozent stehen.

B e i s ρ i e 1 1

bereich (800 bis 850° C) erhitzt und bei dieser Temperatur 1 bis I¹I₂ Stunden gehalten. Sodann mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 100°C/min abgekühlt, in den Bereich der Stabilität der /9-Phase erwärmt und mit einer Geschwindigkeit'von 300°C/min abgekühlt. Sie weist, höhere Härtewerte als reines Uran auf (350HV_ä gegenüber 230HV₅; die Härte wird auf herkömmliche Weise bestimmt, wobei HV₅ die Härte nach V i c k e r s bei Belastung mit 5 kg bedeutet), in Nach dieser Behandlung liegt die mittlere Korngröße bei 20 μ, während die «-Körner des reinen Urans eine mittlere Korngröße von etwa 100 μ besitzen.

B e i s ρ i el 3

Uranlegierungen mit 0,9% Niob und 0,1 °/₀ Chrom bzw. 1,2^u/₀ Niob und 0,1% Chrom bzw. 0,8% Niob und 0,2% Chrom bzw. 1,1% Niob und 0,3 % Chrom werden in den y-Phasenbereich (800 bis 850" C) erhitzt und bei dieser Temperatur 1 bis L ¹^ Stunden gehalten, sodann mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 250°C/min abgekühlt, sodann im Bereich der /?-Phase langsam und rasch abgekühlt, gehärtet und einer unterbrochenen Härtung unterworfen. Sie haben nach Wärmezyklierung eine Gesamtoberflächenrauhigkeit, die höchstens ^l/i des niedrigsten Wertes für reines Uran beträgt, wobei letzteres derart thermisch vorbehandelt, wurde, daß es die beste Widerstandsfähigkeit bezüglich der Wärmezyklierung besitzt. Die Rauhigkeitsmessungen wurden mittels eines Rauhigkeitsprüfgerätes üblicher Art durchgeführt, indem der Parameter Rr (Gesamtrauhigkeit) nach DIN 4760 bis 4762 gemessen wurde.

Eine Uranlegierung mit 0,9% Niob und 0,3% Chrom wird in den y-Phasenbereich (800 bis 850⁰C) gebracht und bei dieser Temperatur 1 bis I¹Z₂ Stunden gehalten. Sodann wird sie mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 50°C/min abgekühlt, sodann auf 68O⁰C (Stabilität der /i-Phase) erwärmt und 1 Stunde auf dieser Temperatur gehalten und anschließend mit einer Geschwindigkeit von 4°C/min bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Sie weist keine Veränderung der Korngröße der «-Körner auf (Feststellung auf herkömmliche Art mit dem Mikroskop), wenn die Legierung 500 Stunden lang auf 620°C erwärmt wird.

B e i s ρ i e 1 2

Eine Uranlegierung mit 0,9% Niob und 0,3% Chrom bzw. 1,1% Niob und 0,3% Chrom bzw. 1,2% Niob und 0,15% Chrom wird in den y-Phasen-

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herstellung einer aus 0,05 bis 0,3% Chrom, 0,5 bis 3,0% Niob, Rest Uran bestehenden Legierung zur Verwendung als Kernbrennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung aus der y-Phase mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 50 bis 300°C/min abgekühlt, daraufhin bis zum Auftreten der /?-Phase aufgeheizt und im /J-Phasenbereich einen 3 Stunden nicht überschreitenden Zeitraum gehalten wird, dann mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 4 bis 400° C/min kontinuierlich oderstufenweise abgekühlt und abschließend im «-Phasenbereich erhitzt wird, bis sich die «-Phase mit einer gleichmäßig verteilten feinen Dispersion der y-Phase einstellt.