DE19741165A1 - Neutronenabsorptionsfolie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft metallische Werkstoffe für Absorber­ hüllen für Kernkraftbrennelemente und speziell eine homogene duktile Neutronenabsorbtionsfolie.

Als Werkstoff für Absorberhüllen für Kernbrennelemente werden Bleche aus borhaltigen austenitischen Stählen verwendet. Diese borhaltigen austenitischen Stählen besitzen die Eigen­ schaft, daß sie thermische Neutronen einfangen können. Für diese Neutronenabsorbtionswirkung ist der Borgehalt verant­ wortlich. Die Absorbtionswirkung hängt demnach vom Borgehalt und der Blechdicke ab.

Die bekannten austenitischen Stahlbleche haben in der Regel Dicken von 2 bis 3 mm. Um eine möglichst hohe Absorbtionswir­ kung zu erreichen, sollte der Borgehalt in diesen Stählen so hoch wie möglich liegen. Gleichzeitig sollen diese Legierun­ gen aber eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen.

Eingesetzt werden typischerweise austenitische rostfreie Ei­ senlegierungen mit etwa 18 Gew.-% Cr, 10 Gew.-% Ni und 1,5 bis 2 Gew.-% Bor. In diesen kristallinen Eisenbasislegierun­ gen ist der maximale Borgehalt jedoch auf etwa 2 Gew.-% be­ grenzt. Höhere Borgehalte sind nicht sinnvoll, da dann die Legierungen verspröden und nicht mehr zu dünnen Blechen ver­ arbeitet werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Metal­ legierung mit einem hohen Borgehalt bereit zustellen, die eine ausreichende Duktilität aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine amorphe oder nanokristalline homogene Legierung gelöst, die im wesentli­ chen aus 0 bis 20 Atom-% Fe und/oder Co und/oder Cr, 20 bis 40 Atom-% B, 0,1 bis 10 Atom-% Si und dem Rest Ni und gegebe­ nenfalls Verunreinigungen besteht.

Solche amorphen Legierungen können in an sich bekannter Weise durch die Rascherstarrungstechnik hergestellt werden. Dabei wird eine Schmelze hergestellt und die Schmelze auf einem ro­ tierenden Abschreckrad mit einer Geschwindigkeit von wenig­ stens etwa 10⁵°C pro Sekunde abgeschreckt.

Die Nickel-Basis-Legierungen nach der vorliegenden Erfindung können Bor in Gehalten von 20 bis 35 Atom-% enthalten und trotzdem auch mit Banddicken von mehr als 40 µm mit ausrei­ chender Duktilität hergestellt werden.

Der Borgehalt der Nickel-Basis-Legierungen gemäß der vorlie­ genden Erfindung ist um etwa einen Faktor 2 bis 4 höher als die eingangs erwähnten austenitischen kristallinen Borstähle. Dies hat den Vorteil, daß entsprechend weniger Material ein­ gesetzt werden muß, um die gleiche Neutronenabsorptionswir­ kung zu erzielen. Dies führt wiederum zu einer erheblichen Materialeinsparung und zu einer erheblichen Kostenreduktion.

Gemäß dem Stand der Technik werden kristalline austenitische Borstahlbleche mit einer Dicke von 2 bis 3 mm verwendet. Un­ ter Verwendung der amorphen Nickel-Basis-Legierungen nach der vorliegenden Erfindung kann nun diese Dicke entsprechend auf etwa 1 mm reduziert werden. Dabei werden die Bänder durch mehrlagiges Wickeln oder durch Herstellen eines dickeren Ver­ bundbandes mittels geeigneter Verbindungstechniken wie Punkt­ schweißen, Rollnahtschweißen etc. hergestellt.

Ferner kann ein Verbund der aus dem Stand der Technik bekann­ ten kristallinen austenitischen Borstahlbleche mit einer oder mehreren Lagen des vorgeschlagenen amorphen Bandes herge­ stellt werden. Dies hat den Vorteil, daß durch die zusätzli­ che Verwendung der amorphen Bänder die Dicke des kristallinen Stahles erheblich reduziert werden kann.

Die Nickel-Basis-Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung können ferner wenigstens einer der Elemente Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Mn in einem Gesamtanteil von weniger als 4 Atom-%.

Ferner können die Elemente C, P und Ge in einem Gesamtanteil von weniger als 5 Atom-% in der Legierung enthalten sein, wo­ bei die Gesamtheit von Si, C, P, Ge im Bereich von etwa 0 bis 10 Atom-% liegt.

Eine ganz besonders gute Legierung für Neutronenabsorptions­ folien sind solche, die aus 0 bis 10 Atom-% Fe und/oder Cr, 22 bis 35 Atom-% B, 0,1 bis 8 Atom-% Si und dem Rest Ni und gegebenenfalls Verunreinigungen bestehen. Diese kobaltfreien Legierungen sind hervorragend duktil und können besonders gut verarbeitet werden. Dadurch daß die Legierungen kobaltfrei sind, werden sie auch nicht durch Neutronen aktiviert.

Vorzugsweise werden die Neutronenabsorptionsfolien in einer Dicke von etwa 40 bis 60 µm hergestellt.

Bänder von etwa 2,5 bis 6,5 mm Breite und etwa 40 bis 60 µm Dicke wurden hergestellt, indem eine Schmelze der betreffen­ den Zusammensetzungen auf ein sich schnell drehendes Kup­ ferabkühlrad aufgesprüht wurde. Die Schmelze wurde auf dem Kupferkühlrad mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 10⁵°C/se10 abgeschreckt.

Claims (8)

1. Neutronenabsorptionsfolie bestehend aus einer homogenen duktilen amorphen oder nanokristallinen Legierung, wobei die Legierung im wesentlichen aus 0 bis 20 Atom-% Fe und/oder Co und/oder Cr und/oder Cr, 20 bis 40 Atom-% B, 0,1 bis 10 Atom- % Si und dem Rest Ni und gegebenenfalls Verunreinigungen steht.

2. Neutronenabsorptionsfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Le­ gierung ferner wenigstens eines der Elemente V, Nb, Ta, Hf, Zr, Ti, Mo, W, Mn in einem Gesamtanteil von weniger als 4 Atom-% enthalten kann.

3. Neutronenabsorptionsfolie nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Le­ gierung ferner wenigstens eines der Elemente C, P, Ge in ei­ nem Gesamtanteil von weniger als 5 Atom-% enthalten kann und die Gesamtheit von Si, C, P, Ge im Bereich von etwa 0 bis 10 Atom-% liegt.

4. Neutronenabsorptionsfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Le­ gierung im wesentlichen aus 0 bis 10 Atom-% Fe und/oder Cr, 22 bis 35 Atom-% B, 4 bis 8 Atom-% Si und dem Rest Nickel und gegebenenfalls Verunreinigungen besteht.

5. Neutronenabsorptionsfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Dicke von etwa 40 bis 60 µm besitzt.

6. Verfahren zur Herstellung von Neutronenabsorptionsfolien nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schmelze im wesentlichen aus 0 bis 20 Atom-% Fe und/oder Cr, 20 bis 35 Atom-% B, 2 bis 10 Atom-% Si und dem Rest Ni und gegebenenfalls Verunreinigungen herstellt und die Schmelze auf einem sich drehenden Kühlrad mit einer Geschwindigkeit von wenigstens etwa 10⁵⁰°C/sec abschreckt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schmelze verwendet, die im wesentlichen aus 0 bis etwa 10 Atom-% Fe und/oder Co, 22 bis 30 Atom-% B, 4 bis 8 Atom-% Si und dem Rest Nickel und gegebenenfalls Verunreinigungen be­ steht.

8. Verwendung von Neutronenabsorptionsfolien nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Absorberhüllen von radioaktiven Reakto­ relementen.