DE1608120C - Uranlegierung fur Kernreaktorbrenn stoffe - Google Patents

Description

Das Hauptpatent; bezieht, sich; auf eine- Uranlegierung; für Kernreaktorbrennstoffe sowie für beliebige andere Verwendungszwecke. Es. betrifft: eine quaternäre Uranlegierung: mit feinkörnigem, gleichmäßigem Gefüge, die durch kontinuierliche Abkühlung unmittelbar nach dem Vergießen ohne spätere Wärmebehandlung-, hergestellt worden ist, für metallische Kernreaktprbrennstoffelemente beliebiger Form und beliebiger Abmessungen bzw. von Körpern aus schwach legiertem Uran, die ein polykristallines, feinkörniges Gefüge besitzen müssen.

Im Hauptpatent wird gelehrt, daß die Legierung aus je 0,02 bis 0,1 %> Chrom und Silizium, 0,01 bis 0,2 % Zirkonium, Rest Uran und üblichen Veruneinigungen bestehen sollen, wobei der Gesamtgehalt der drei dem Uran zugesetzten Elemente mindestens 0,1% beträgt.

Das Hauptpatent lehrt ferner ein Verfahren zur Herstellung von Legierungen dieser Art, daß dadurch gekennzeichnet ist, daß die optimalen Gehalte an den ao Zusatzelementen Chrom und Silizium innerhalb der angegebenen Grenzwerte in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit der gegossenen Formkörper derart gewählt werden, daß der Chromgehalt im Verhältnis zu dem Siliziumgehalt um so höher ist, je größer, und um so niedriger, je geringer die Geschwindigkeit ist, mit der abgekühlt wird.

Außerdem wird im Hauptpatent dieses Verfahren dahingehend verbessert, daß die gegossenen Formkörper aus dem Beta- oder Gammabereich mit einer Geschwindigkeit von 3 bis 80° C/Min. abgekühlt werden. Nach dem Hauptpatent soll ferner aus dem Beta- oder Gamma-Bereich mit einer üblichen Wasserkühlung abgekühlt werden.

Diese inzwischen bekanntgewordene Legierung nach dem Hauptpatent weist zwar eine außerordentlich geringe Neutronenabsorption auf, so daß die nutzbare Energiemenge bei aus dieser Legierung gebildeten Brennstoffelementen besonders hoch ist sowie ein sehr feinkörniges gleichmäßiges Gefüge, das vor allem eine gute Formstabilität unter Bestrahlung ermöglicht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der chemischen Aufbereitung von aus dieser Legierung hergestellten Brennstoffelementen, die während einer bestimmten Verweilzeit im Reaktor eingesetzt waren, Schwierigkeiten entstehen können. Da man für die chemische Aufbereitung gewöhnlich ein Naßverfahren wählt, bei dem die Brennstoffelemente in ein Salpetersäurebad eingegeben werden, kann sich das als Legierungsbestandteil in dem Brennstoffelement befindliche Silizium in kolloidales Silizium verwandeln. Dadurch bilden sich Niederschläge an der Trennfläche zwischen der organischen und der wäßrigen Phase in den Absetzkammern des Dekantierers. Außerdem neigen die Niederschläge aus kolloidalem Silizium dazu, SpaltproxJukte zurückzuhalten. Hierdurch wird der Vorgang der chemischen Reinigung bei der Wiederaufbereitung von Brennstoffelementen erschwert.

Es ist außerdem aus der französischen Patentschrift 1409 840 eine Uranlegierung bekannt, die außer einem Molybdängehalt von 0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent Molybdän noch ein oder zwei weitere F.lemente, die aus. einer Reihe von, Elementen auswählbar sind, aufweist. Diese Legierung hat ein sehr feinkörniges. Gefüge und damit eine zufrieden- '■*-■ stellende. Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen und gegenüber Kriechen sowie eine gute Formstabilität zur_; Folge. Andererseits, bedingt der. hohe Mölybdängehalt eine· sehr, starke Neutronenabsorption,, die dazu; führt,. daß; nur_; ein Teil; der zur Verfügung, stehenden Energie- nutzbar gemacht werden kann, insofern wird-; der Vorteil eines Kernbrennstoffs mit erhöhtet spezifischer Energie zumindest teilweise-wieder zunichte gemacht Es ist nämlich bekannt,, daß der Ausnutzungsgrad: des Urans, und. damit, die Menge an Energie, die aus Kernbrennstoffen- geliefert werden kann, für solche Brennstoffe auf Grundlage von metallischem Uran durch den fortschreitenden Zerfall der Brennstoffelemente unter der Wirkung der Strahlung stark eingeschränkt wird.

Es ist ferner bekannt, daß die mögliche Betriebsdauer dieser Brennstoffelemente auf Grundlage von metallischem Uran in dem Reaktor, bevor sie durch Zerfall unbrauchbar werden, zum großen Teil von ihrem anfänglichen polykristallinen Gefüge und der Stabilität dieses Gefüges unter den Arbeitsbedingungen des Reaktors abhängt. Schließlich ist es bekannt, daß die günstigsten Stabilitätseigenschaften sich bei einem feinkörnigen Gefüge der Körper, ohne Spannungen und ausgeprägte Richtungen innerhalb des Gefüges, ergeben und daß es praktisch nicht möglich ist, in nicht legiertem Uran diese Eigenschaften miteinander zu vereinigen und insbesondere sie zu erhalten.

Die Vergütung eines nur wenig legierten Uraniumkorns erfolgt zur Zeit auf dem einen oder anderen der beiden im folgenden angegebenen Wege.

Im Falle von niedriglegierten Legierungen, die höchstens einige Tausendstel Gewichtsprozent an Zusatzelementen enthalten, erfolgt diese Behandlung durch Abschrecken aus dem Existenzbereich der Beta-Phase auf normale Temperatur oder durch isotherme Umwandlung der Beta-Phase innerhalb eines engen Temperaturintervalls im Existenzbereich der Alpha-Phase.

Im Falle der höherlegierten Zwischenlegierungen, insbesondere derjenigen des Zweiphasentyps (Uran— Molybdän, Uran—Chrom usw.), erfolgt die Vergütung durch Wiedererhitzen und langsames Abkühlen.

Legierungen mit höherem Legierungsgrad können nach dem Vergießen einem natürlichen Abkühlungsprozeß oder sogar, einer noch langsameren Abkühlung unterworfen werden. Dies trifft beispielsweise für die eingangs bereits angeführte bekannte Legierung für Kernbrennstoffe mit einem Molybdängehalt von 0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent und 0,02 bis 0,2 Gewichtsprozent von einem oder zwei weiteren Elementen und als Rest Uran zu.

Ein feinkristallines Gefüge wird also nach den zur Zeit angewandten Verfahren entweder unter Inkaufnahme des zusätzlichen Arbeitsvorgangs, der eine thermische Behandlung darstellt und der außerdem bei ungeeigneten Abmessungen und Formen der beabsichtigten Stücke sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich sein kann, oder unter Inkaufnahme des Zusetzens von erheblichen anteiligen Mengen an Legierungselementen zu dem Uranbrennstoff erzielt, wobei der Zusatz lästig oder sogar hinderlich sein kann, wie das Beispiel der bekannten Uranlegierung mit 0,8 bis 1,5 Gewichtsprozent Molybdän zeigt, da an sich eine Legierung mit maximaler Urankonzentration und/oder minimaler parasitärer Neutronenabsorption benötigt wird.

E& darfi auch» nicht übersehen- werden, daß* es> fur bestimmte Anwendungsgebiete notwendig: sein kann,. Stücke· aus. Uranlegietung- autogen) zu schweißen. Um die: Homogenität der fertigen: Anordnung sicherzustellen,,, ist es zur Wiederherstellung des beim S, Schweißyorgang, zerstörten Gefüges. unerläßlich, eine Wärmebehandlung derart vorzunehmen,, daß das Gefüge bei der anschließenden Abkühlung sich nicht erneut ändert

Aus allen diesen Gründen ist es verständlich, »o warum, bei Uranlegierungen ein möglichst geringer Gehalt an Zusatzelementen: und; ein möglichst feines und regellos orientiertes Gefüge entweder nach einfacher Abkühlung nach dem Vergießen ohne spätere Wärmebehandlung oder nach einer Wärmebehandlung entsprechend einer Abkühlung mit verhältnis^ mäßig geringer Geschwindigkeit, erwünscht sind.

Das Hauptpatent definiert eine Familie quaternärer Legierungen auf der Basis von Uran, Chrom, Silizium und Zirkonium,, welche den oben angegebenen Forderungen gerecht werden. Unter weitgehender Beibehaltung der vorteilhaften Eigenschaften dieser Legierungen soll nun vor allem erreicht werden, daß sich aus Legierungen dieser Art bestehende Brennstoffelemente leicht chemisch reinigen lassen.

Die Erfindung ergänzt die vorgenannte Familie daher durch Hinzufügen von analogen Legierungen, in denen das Element Silizium ganz oder teilweise durch das Element Molybdän ersetzt ist. Die erfindungsgemäße Legierung ist durch die folgenden Grenzen ihrer anteiligen Mengen in Gewichtsprozenten der verschiedenen Bestandteile gekennzeichnet:

Chrom 0,02 bis 0,l°/o

Molybdän oder

Silizium und Molybdän 0,02 bis 0,1 %

Zirkonium 0,05 bis 0,2%

Rest Uran und übliche Verunreinigungen

Diese erfindungsgemäße Legierung unterscheidet sich von der aus der französischen Patentschrift 1409 840 bekannten Legierung vor allem durch ihren Zirkoniumgehalt und durch einen mindestens achtfach niedrigeren Molybdängehalt. Der letzt genannte niedrige Wert läßt es zu, daß man trotz des Austausches von Silizium gegen Molybdän bei der erfindungsgemäßen Legierung eine vergleichsweise niedrige Neutronenabsorption erreicht, die beispielsweise unter derjenigen einer Legierung mit einem Gehalt von 0,23 Gewichtsprozent Molybdän liegt. Wenn man Silizium durch Molybdän ersetzt, erreicht man, daß bei der Aufbereitung von bestrahltem Brennstoff die Bildung von Niederschlagen aus kolloidalem Silizium an der Trennfläche der organischen und der wäßrigen Phase in den Dekantierkammern verhindert wird. Wie man weiß, haben die Niederschläge neben der Beeinträchtigung des, Dekantierverfahrens noch den Nachteil, Spaltprodukte zurückzuhalten. Auch diese Beeinträchtigung entfällt bei Anwendung der erfindungsgemäßen Legierung.

Die Legierungszusammensetzung im Rahmen der ßo angegebenen Grenzen und die optimale Abkühlungsgeschwindigkeit zur Zeit des Übergangs von der Beta-Phase in die Alpha-Phase (die im allgemeinen zwischen 3 und 80° C pro Minute beträgt) kann ohne weiteres in Abhängigkeit von den technischen Erfordernissen z. B. den Abmessungen der herzustellenden Stücke oder der Art der verfügbaren Einrichtung eingestellt werden.

Während; ims Falte unlegierten» Urans; dä& dürchi natürliche Abkühlung: erhaltene Gefüge* grobkörnig, unregelmäßig· und; zerrissen ist, ist das- Gefüge bei den Legierungen nach diet Erfindung; feinkörnigi, gleichmäßig, und; regellos, orientiert. Der mittlere Körnungs-ÄDurchmesser« liegt immer in dec Größenordnung von_: 0;l bis 0,3 mm, während; die bei- nicht legiertem Uran, unter gleichen Abkühlungsbedingungen erzielbaren Körnungen Abmessungen von, mehreren Millimetern erreichen oder sogar überschreiteni können.

Die Möglichkeit des Einbaus der vier Elemente gibt den Verbrauchern solcher Legierungen ein größeres Ausmaß an freier Wahl, als es mit; den quaternären Legierungen nach dem Hauptpatent möglich ist Er kann insbesondere unter sonst gleichen anderen Bedingungen die Legierung wählen, für die der atomare Anteil an Zusatzelementen und/oder die Neutronenabsorption ein Minimum sind.

Die Herstellung der erfindüngsgemäßen Legierungen bietet keine besonderen Schwierigkeiten außer dem Vorbehalt, daß eine Verunreinigung des Bades durch Kohlenstoff weitgehend vermieden werden muß. Bei Verwendung eines Graphittiegels genügt eine einfache oder doppelte widerstandsfähige oder feuerfeste Auskleidung. Die Verluste an Chrom, Silizium und Molybdän sind vernachlässigbar, wenn man eine Änderung des Gehaltes an diesen Elementen von ±0,01% toleriert. Die Verluste an Zirkonium (insbesondere infolge Bindung dieses Metalls an Kohlenstoff) sind ebenfalls nur sehr gering und liegen unterhalb des zulässigen Anteilsbereiches, d. h. hier ±0,025%.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel für die optimale Gewichtszusammensetzung einer Uranlegierung wiedergegeben, die zu Stücken verhältnismäßig großer Abmessung gegossen werden kann, deren Abkühlgeschwindigkeit zwischen 4 und 10° C pro Minute zu halten ist.

Chrom 0,01 bis 0,03%

Silizium 0,05 bis 0,07%

Molybdän 0,01 bis 0,03%

Zirkonium 0,045 bis 0,095 %

Uran und übliche

Verunreinigungen Rest auf 100%

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Uranlegierung nach Patent 1234 994 mit feinkörnigem, gleichmäßigem Gefüge, die durch kontinuierliche Abkühlung unmittelbar nach dem Vergießen ohne spätere Wärmebehandlung hergestellt worden ist, für metallische Kernreaktorbrennstoffelemente beliebiger Form und beliebiger Abmessungen bzw. von Körpern aus schwach legiertem Uran, die ein polykristallines, feinkörniges Gefüge besitzen müssen mit Chrom, Silizium, Zirkonium als Legierungsbestandteilen und dem Rest aus Uran und üblichen Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,02 bis 0,1 Gewichtsprozent Chrom, 0,05 bis 0,2 Gewichtsprozent Zirkonium und 0,02 bis 0,1 Gewichtsprozent Molybdän oder Silizium und Molybdän, Rest Uran und übliche Verunreinigungen enthält.

2. Uranlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

Chrom 0,01 bis 0,03% '

Silizium 0,05 bis 0,07% . 5

Molybdän 0,01 bis 0,03%

Zirkonium 0,045 bis 0,095%

Rest Uran und übliche Verunreinigungen