DE1608735B1 - Zirkoniumlegierungshalbzeug - Google Patents

Zirkoniumlegierungshalbzeug

Info

Publication number
DE1608735B1
DE1608735B1 DE19641608735 DE1608735A DE1608735B1 DE 1608735 B1 DE1608735 B1 DE 1608735B1 DE 19641608735 DE19641608735 DE 19641608735 DE 1608735 A DE1608735 A DE 1608735A DE 1608735 B1 DE1608735 B1 DE 1608735B1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
zirconium
zirconium alloy
corrosion
hydrogen
alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE19641608735
Other languages
English (en)
Inventor
Dipl-Ing Hartmut Rubel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of DE1608735B1 publication Critical patent/DE1608735B1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/22Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
    • B23K20/233Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
    • G21C3/06Casings; Jackets
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Zirkoniumlegierungshalbzeug, z. B. in Form von Rohren, Profilstangen oder Blechen, insbesondere zur Verwendung in Atomreaktoren. An die in Atomreaktoren verwendeten Konstruktionswerkstoffe werden drei Forderungen gestellt: 1. geringer Neutronenabsorptionsquerschnitt, 2. große Korrosionsfestigkeit gegenüber dem Kühlmittel, insbesondere bei höheren Temperaturen, und 3. große mechanische Festigkeit. In besonders gutem Maße wird die erste Forderung von Zirkonium erfüllt. Das reine Metall genügt jedoch nicht den beiden anderen Forderungen. Mit Hilfe der Legierungstechnik ist es jedoch gelungen, Zirkoniumlegierungen mit hervorragenden Warmfestigkeitseigenschaften zu erzielen, z. B. Zirkonium-Zinn-Aluminium-Legierungen, die aber andererseits nicht sehr korrosionsbeständig sind. Umgekehrt kennt man aber Zirkoniumlegierungen, die sehr gute Korrosionsbeständigkeit gegenüber den Reaktorkühlmitteln, z. B. Wasserdampf oder Kohlendioxyd, aufweisen, aber auf Grund sehr niedriger Festigkeitswerte, insbesondere geringer Zeitstandfestigkeit, als Konstruktionswerkstoff ungeeignet sind (Zirkonium-Kupfer-Legierungen). Es war daher bisher notwendig, für die Verwendung zwischen den einzelnen Zirkoniumlegierungen einen Kompromiß zu schließen. Dies bedeutete aber nichts anderes, als daß es nicht möglich war; die einzelnen technisch erreichbaren Maximalwerte der verschiedenen Zirkoniumlegierungen voll auszunutzen. Hinzu kam in diesem Zusammenhang, daß Zirkoniumlegierungen durch Eindiffusion von Wasserstoff zur Versprödung neigen und daher mit zunehmender Zeit an Festigkeit verlieren, also nur auf beschränkte Zeit einsatzfähig sind.
  • Aus der Zeitschrift »Corrosion«, Vol. 19 (1963), S. 285t bis 2914 ist an Hand von zahlreichen Versuchsreihen in Bezug auf verschiedene Zirkoniumlegierungen zwar bekannt, daß die Wasserstoffdiffusion in Zirkoniumlegierungen während der Wasser- und Dampfkorrosion von der Dicke des ausgebildeten Zirkoniumoxydfilms abhängt. Dadurch wird der Fachmann jedoch nicht zum Gegenstand der Erfindung hingeführt.
  • Die Erfindung beseitigt diese Nachteile in weitgehendem Maße. Erfindungsgemäß ist das Zirkoniumlegierungshalbzeug als Verbundmaterial aus wenigstens zwei metallischen Schichten ausgebildet, von denen eine abwechselnd aus einer hochfesten und die andere aus einer besonders korrosionsfesten Zirkoniumlegierung besteht, wobei zwischen den Zirkoniumlegierungsschichten eine- Schicht aus Zirkoniumoxid oder einem anderen die Diffusion von Wasserstoff hemmenden Material vorgesehen ist. Solche Zirko= niumhalbzeuge bestehen also an ihren einem korrodierenden Medium z. B. einer Gasströmung oder einem flüssigen Kühlmittel ausgesetzten Oberflächen aus einer korrosionsbeständigen Zirkoniumlegierung, die keine besonderen Festigkeitseigenschaften aufweisen muß. Diese Legierung dient als Überzug für einen Kern aus einer mechanisch hochfesten Zirkoniumlegierung, die ihrerseits gegen Korrosion empfindlich ist, aber durch die korrosionsfeste Legierung vom Angriff des aggressiven Kühlmittels geschützt ist. Insbesondere in mit Wasser oder Wasserdampf gekühlten Reaktoren ist aber neben der Korrosionsbeständigkeit die Wasserstoffversprödung, hervorgerufen durch Aufnahme des bei der Korrosion in Wasser entstehenden Wasserstoffes, für die Einsatzdauer der Konstruktionswerkstoffe bestimmend. Die erfindungsgemäße Zwischenschicht, die vorzugsweise aus Zirkoniumoxid besteht und eine wirksame Barriere gegen die Durchdiffusion des Wasserstoffes in die hochfeste Zirkoniumlegierung bildet, verhindert, daß dieser Wasserstoff durch Diffusion auch in das Innere des Konstruktionswerkstoffes, also in die Zone der hochfesten Zirkoniumlegierung gelangt und diese versprödet, was ohne diese Zwischenschicht nicht unterbunden werden kann.
  • Bei Beanspruchung der erfindungsgemäßen Zirkoniumlegierungshalbzeuge aus Verbundmaterial in Druckwasser oder Heißdampf korrodiert die äußere Schicht in der üblichen Weise und nimmt dabei einen bestimmten Betrag von Wasserstoff auf, der sich im äußeren Rohr durch Diffusion gleichmäßig verteilt und zunächst in gelöster Form vorliegt. Entsprechend dem Dampfdruck der gelösten Komponente Wasserstoff würde sich nun bei Nichtvorhandensein der erfindungsgemäßen Zwischenschicht im Restspalt zwischen den beiden Zirkoniumlegierungen durch Wasserstoffaustritt und Rekombination in molekularen Wasserstoff ein bestimmter Wasserstoff Partialdruck aufbauen, der zunächst so lange ansteigt, bis durch Überschreiten der Löslichkeitslinie im System Wasserstoff-Zirkonium Hydride gebildet werden. Der zu erwartende Partialdruck bei Vorhandensein von Hydriden bewegt sich dann im Spalt in der Größenordnung von höchstens 10-'- Torr. Dieser Wasserstoffdruck würde aber ausreichen, um bei schutzlosem Innenrohr ab etwa 400°C eine Wasserstoffaufnahme hervorzurufen, die über Absorption, Dissoziation, Übertritt ins Metallgitter und Abdiffusion ins Innere der hochfesten Zirkoniumlegierung vordringt. Die Wasserstoffgehalte würden sich dabei zwar mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung einstellen, doch im Endeffekt den Werten des äußeren Rohres entsprechen.
  • Durch die dazwischenliegende Zirkoniumoxidschicht wird dieser Vorgang jedoch praktisch unterbunden, d. h., die Geschwindigkeit eines oder mehrerer der die Aufnahme bestimmenden Teilvorgänge verläuft sehr viel langsamer. Die Versprödung beschränkt sich also auf jenen Teil des Verbundmaterials, der keine tragende Funktion ausüben soll, sondern lediglich als Korrosionsschutz dient.
  • Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Zirkoniumlägierungshalbzeuge in Kernreaktoren läßt sich also entweder die Lebensdauer verlängern oder die mögliche Einsatztemperatur derartiger Verbundmaterialien steigern. Das Aufbringen der diffusionshemmenden Schicht aus Zirkoniumoxyd kann dabei in üblicher Weise im Autoklav stattfinden, d. h., das betreffende Werkstück wird zunächst einer Oberflächenoxydation in Druckwasser oder Dampf, vorzugsweise bei 300 bis 400°C, ausgesetzt. Der Prozeß wird abgeschlossen, wenn die dabei sich bildende Oxidschicht die gewünschte Dicke von etwa 1 bis 10 p. erreicht hat. Es ist jedoch auch möglich, diese Oxidschicht durch Oxydation an Luft zu erzeugen oder auf elektrolytischem Wege aufzubringen.
  • Das Aufbringen der Korrosionsschutzschicht aus einer entsprechenden Zirkoniumlegierung zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials kann j e nach der Form des Halbzeuges z. B. durch Ziehstrecken, Explosionsplattieren oder Walzen vorgenommen werden. Das Ziehstrecken ist insbesondere für rohrförmige oder stabförmige Materialien geeignet; es wird zweckmäßig mit einer zonenweisen Erwärmung des auf den hochfesten Kern aufgeschobenen korrosionsbeständigen Zirkoniumlegierungsrohres durchgeführt. Beim zonenweisen Erwärmen und gleichzeitigen Anlegen einer axialen Spannung wird infolge der niedrigeren Streckgrenze der erwärmten Zone in diesem Abschnitt eine Querkontraktion und damit ein Anliegen an das Kernmaterial aus der hochfesten Zirkoniumlegierung bewirkt. Die nach dem Abkühlen erfolgende zusätzliche Kontraktion (Schrumpfung) ergibt dann einen sehr hohen gleichmäßigen Anlagedruck über die gesamte Zwischenfläche.
  • Für kompliziertere Oberflächenformen ist eine Verbundkonstruktion mittels der Explosionsplattierung zweckmäßig.
  • Das Grundprinzip der Erfindung sei anschließend an Hand von zwei Beispielen nochmals dargelegt. F i g. 1 zeigt den Aufbau eines Verbundrohres und F i g. 2 den Aufbau eines U-Profils nach den Grundprinzipien der Erfindung.
  • Nach F i g. 1 besteht das innere Rohr 1 aus einer hochfesten Zirkoniumlegierung, z. B. einer Legierung, bestehend aus 1,25 °/o Al, 10/, Sn, 10/0 Mo, Rest Zr. Wie beschrieben, wird auf diesem Rohr z. B. mit Hilfe einer Autoklavbehandlung eine Zirkoniumoxidschicht 2 von 1 bis 10 #L Dicke gebildet. Über das in dieser Weise präparierte Rohr wird das äußere Rohr 3 gezogen. Dieses Rohr, das aus einer Zirkoniumlegierung mit möglichst gutem Korrosionsverhalten, z. B. aus einer ternären Legierung auf Zirkonium-Niob-Basis oder einer Zirkonium-Chrom-Legierung, besteht, wird nach einem der vorbeschriebenen Verfahren auf das innere Rohr aufgezogen bzw. aufgeschrumpft.
  • Für den Fall, daß das Rohr auch in seinem Inneren von einer korrodierenden Flüssigkeit durchströmt werden soll, ist es zweckmäßig, auch im Inneren eine Zwischenschicht aus Zirkoniumoxid und eine Korrosionsschutzschicht aus einer korrosionsbeständigen Zirkoniumlegierung anzuordnen. Bei der Herstellung eines derartigen Rohres wird selbstverständlich von dem innersten korrosionsbeständigen Rohr ausgegangen und die übrigen Rohre auf dieses aufgeschrumpft, so daß sich ein fester Verband des gesamten Verbundrohres ergibt.
  • F i g. 2 zeigt im Querschnitt einen U-Profil-Träger. Der Kern 1 besteht in diesem Falle wieder aus der hochfesten Zirkoniumlegierung. Mit 2 ist die - wie im vorhergegangenen Beispiel - aufgebrachte Zirkoniumoxidschicht und mit 3 ist wiederum die Außenschicht aus einer korrosionsbeständigen Zirkoniumlegierung bezeichnet. In diesem Fall bietet sich für die Aufbringung der Außenschicht insbesondere ein Explosionsverformungsverfahren an.
  • Selbstverständlich sind auch plattenförmige Halbzeuge in dieser Verbundbauweise denkbar. In diesem Fall wird für die äußere Schicht das Aufwalzen besonders zu empfehlen sein, um ein einheitliches Verbundmaterial zu erhalten.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Zirkoniumlegierungshalbzeug, z. B. in Form von Rohren, Profilstangen oder Blechen, insbesondere zur Verwendung in Atomreaktoren, d a -durch gekennzeichnet, daß es als Verbundmaterial aus wenigstens zwei metallischen Schichten ausgebildet ist, von denen eine abwechselnd aus einer hochfesten und die andere aus einer besonders korrosionsbeständigen Zirkoniumlegierung besteht, und daß zwischen den Zirkoniumlegierungsschichten eine Schicht aus Zirkoniumoxid oder einem anderen die Diffusion von Wasserstoff hemmenden Material vorgesehen ist.
  2. 2. Zirkoniumlegierungshalbzeug nachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, daß die zu verbindenden Schichten durch z. B. Ziehstrecken, Explosionsplattieren oder Walzen miteinander vereinigt sind.
DE19641608735 1964-04-11 1964-04-11 Zirkoniumlegierungshalbzeug Pending DE1608735B1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DES0090499 1964-04-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE1608735B1 true DE1608735B1 (de) 1970-08-27

Family

ID=7515865

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19641608735 Pending DE1608735B1 (de) 1964-04-11 1964-04-11 Zirkoniumlegierungshalbzeug

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE1608735B1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0301295A1 (de) * 1987-07-21 1989-02-01 Siemens Aktiengesellschaft Brennstab für ein Kernreaktorbrennelement

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0301295A1 (de) * 1987-07-21 1989-02-01 Siemens Aktiengesellschaft Brennstab für ein Kernreaktorbrennelement

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69815556T2 (de) Zirkonium-Niob-Zinn-Legierungen für Kernreaktorbrennstäbe und Bauteile, die einen hohen Abbrand ermöglichen
EP0121204B1 (de) Brennstab für einen Kernreaktor
DE3504031C2 (de)
DE2501505C2 (de) Kernbrennstoffelement und Verfahren zu seiner Herstellung
EP0301295B1 (de) Brennstab für ein Kernreaktorbrennelement
DE2626941C2 (de)
DE69006914T2 (de) Korrosionsfeste Zirkoniumlegierungen, enthaltend Kupfer, Nickel und Eisen.
EP0212351A1 (de) Brennstab für ein Kernreaktorbrennelement
DE2550040A1 (de) Waessrige, elektrolytische aktivierungsloesung und verfahren unter verwendung der loesung
DE2607146C2 (de) Verfahren zur Wärmebehandlung eines Konstruktionsteils aus einer Zirkoniumlegierung
CH649644A5 (de) Verfahren zum herstellen einer brennstabhuelle fuer kernbrennstoff, nach dem verfahren hergestellte brennstabhuelle und verwendung derselben.
DE69832341T2 (de) Verfahren zur Herstellung von Zirkonium-Zinn-Eisen-Legierungen für Kernreaktorbrennstäbe und Bauteile, die einen hohen Abbrand ermöglichen
DE10332239B3 (de) Zirkoniumlegierung und Bauteile für den Kern von leichtwassergekühlten Kernreaktoren
DE1608157B1 (de) Korrosionsfester Verbundwerkstoff fuer Konstruktionsteile und Brennelementhuellen in Kernreaktoren
CH660792A5 (de) Verfahren zum bestimmen der relativen knotenkorrosionsfestigkeit einer zirkoniumlegierung.
DE29521487U1 (de) Kernbrennelement für Druckwasserreaktoren
DE1608735C (de) Zirkoniumlegierungshalbzeug
DE1608735B1 (de) Zirkoniumlegierungshalbzeug
DE2651870A1 (de) Bauteil aus einer zirkonlegierung und verfahren zu dessen herstellung
DE3224686A1 (de) Verfahren zur herstellung von kapselrohren aus einer auf zirkonium basierenden legierung fuer brennstaebe von kernreaktoren
DE2129135B2 (de) Verfahren zur herstellung von gegenstaenden aus verbundmaterial
DE1913402C2 (de) Verfahren zum Entfernen von einer Fluoridverunreinigung von einer Oberfläche aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung
DE809713C (de) Metallener Verbundwerkstoff
EP0498259B1 (de) Strukturteil für ein Kernreaktorbrennelement und Verfahren zum Herstellen dieses Strukturteiles
DE2842198A1 (de) Kernbrennstoffelement