DE2342950C3 - Verfahren zur Verhinderung des Selbstverschweißens von metallischen Werkstoffen in flüssigem Natrium - Google Patents

Verfahren zur Verhinderung des Selbstverschweißens von metallischen Werkstoffen in flüssigem Natrium

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DE2342950C3
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verhinderung des Selbstverschweißens von unter flüssigem Natrium in Berührung stehenden metallischen Werkstoffen.
Metallische Werkstoffe neigen unter flüssigem Natrium bei erhöhten Temperaturen an ihren Kontaktstellen zum sogenannten Selbstverschweißen. Dadurch ist die Auswahl von für Natrium gekühlte Kernreaktoren geeigneten Struktur-Werkstoffen mit werkstoffkundlichen Problemen verbunden, die bei Reaktoranlagen mit anderer Kühlung nicht auftreten. Die vorgesehenen Struktur-Werkstoffe, vor allem austenitische Stähle oder Nickelbasislegierungen, müssen eine genügend gute Resistenz gegen das Selbstverschweißen besitzen.
Unter Selbstverschweißen versteht man eine Erscheinung, die in stark reduzierender Umgebung und bei erhöhten Temperaturen 711 Verbindungen an den Trennflächen von unter Flächenpressung stehenden Bauteilen führen kann, so daß diese Bauteile später nur sehr schwer voneinander gelöst werden können. Durch die reinigende Wirkung einer solchen reduzierenden Umgebung werden die Metalloberflächen von ihren Oxiden vollkommen gesäubert und Verschweißbarrieren beseitigt.
Es gibt sowohl im Reaktor selbst als auch in Natrium-Versuchskreisläufen Bauteile bzw. Verbindungen zwischen Bauteilen, die zwar nicht bewegt, aber über längere Zeit hinweg unter hoher Flächenpressung bei hoher Natriumtemperatur stehen und periodisch oder nur in besonderen Fällen ausgebaut bzw. gelöst werden müssen. An diesen Stellen, insbesondere Halterungen des Brennelementes an Kopf, Fuß und gegen Nachbarelemente, Führungen und Gegenlager einer Instrumentenplatte und von Steuerelementen, Ventilsitzen, Rohrplatten an Wärmetauschern usw., muß ι eine Selbstverschweißung verhindert werden, um die an sich schon komplizierte Demontage bzw. Funktion nicht zusätzlich zu erschweren und evtl. ganz unmöglich zu machen. Andere Arten von Berührungsstellen, z. B. Abstandshalter in Brennelementbündeln, sind solche, die zwar nicht mehr demontierbar sein müssen, an denen aber während des Betriebes unterschiedliche Wärmedehnungen durch Selbstverschweißung nicht behindert werden dürfen.
Besonders hoch ist die Neigung zum Selbstverschwei-Pen dann, wenn die Sauerstoffkonzentration im flüssigen Natrium besonders niedei ist Eine solche niedere Sauerstoffkonzentration muß jedoch aus Korrosionsgründen angestrebt werden, wobei Sauerstoffkonzentrationen unter 10 ppm für Temperaturen
-Ί) zwischen 550 und 700° C wünschenswert sind. Bei höheren Sauerstoffgehalten ist die Neigung zum Selbstverschweißen geringer, diese Konzentrationen können jedoch aus den beschriebenen Gründen nicht toleriert werden.
.π Es wurde bereits vorgeschlagen, das Selbstverschweißen von in Kontakt stehenden metallischen Oberflächen unter flüssigem Natrium durch Härten der Oberfläche zu verhindern. Dabei ist u.a. an das Aufbringen von Nitritschichten gedacht, die wegen ihrer Härteeigen-
so schäften zur Oberflächenhärtung allgemein bekannt sind. Da jedoch Stickstoff bei höheren Temperaturen unter Natrium aus dem Trägermaterial entfernt wird, ist mit einer solchen Oberflächenbehandlung kein Dauerschutz gegen Selbstverschweißen zu erzielen. Darüber
Γ) hinaus ist das Nitrieren von umfangreichen Reaktorbauteilen technologisch sehr schwierig und vor allem bei kombinierten Werkstücken u. U. gar nicht möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Selbstverschweißen von metallischen Oberflächen unter flüssigem Natrium trotz eines aus Korrosionsgründen niederen Sauerstoffgehaltes im Natrium und davon herrührender Verschweißneigung weitgehend auszuschalten.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten
■r> Verfahren dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß auf die in Kontakt zu bringenden Metalloberflächen eine Getterwerkstoffschicht aufgebracht wird, deren Oxid in flüssigem Natrium beständig und nicht löslich ist. Der Getterwerkstoff sollte dabei eine höhere Affinität zu
">ii Sauerstoff aufweisen als flüssiges Natrium. In vorteilhafter Weise besteht er aus dem Oxid eines Metalles, ζ. Β. Zirkonium. Das Aufbringen der Getterwerkstoffschicht gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt durch Bedampfung einer dünnen Schicht auf die Metallober-
V) flächen. Es sind jedoch auch andere Aufbringungsverfahren anwendbar, die es gestatten, die Metallschicht auf komplizierte Bauelemente unter Atmosphäre oder evtl. unter Schutzgasen aufzubringen bzw. aufzuspritzen.
ω) Im folgenden werden die Ergebnisse einiger Versuche beschrieben, die durchgeführt wurden, um die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu zeigen.
Versuchsergebnisse einer ersten Versuchsreihe zeigen den Einfluß der Spülbedingungen des Natriums auf
tii das Verschweißverhalten der dem Natrium ausgesetzten Materialien.
Der Versuch wurde unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
Versuch T, ts Ta ta Fa
Nr. [C] [h] [C] [h] [kp]
die Spültemperatur des Na
die Spülzeit
die Anpreßtemperatur
die Anpreßzeit
die Anpreßkraft sind.
11/27 700 18,5 550 168 1100 Π/28 550 24 550 168 1100
wobei
Ts
ts
T1
Es wurden Proben mit gedrehten Anpreßflächen aus den Werkstoffen 1.4981, 1.4948 und 1.4301 eingtsetzt. Da die Oxide des Nickels in jedem Fall, die des Eisens bei Temperaturen >350°C und die des Chroms bei Temperaturen >600°C von Natrium geringer Sauerstoffkonzentration reduziert werden und diese Elemente wesentliche Legierungsbestandteile obiger Struktur-Werkstoffe darstellen, ist bei höheren Temperaturen mit blanken Oberflächen und damit mit Sicherheit mit Selbstverschweißen zu rechnen.
Zur Erniedrigung der Sauerstoffkonzentration des Natriums unter den durch die Pluggingtemperatur von < 1600C während des Umwälz- und Reinigungsbetriebs bestimmten Wert, wurde die Probensäule des Versuches 11/27 zusätzlich noch in mit Zirkonspänen gefüllte Maschendrahtkissen eingepackt.
Einige Ergebnisse dieser beiden Versuche sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt:
Versuch Malerialpaarung A Fn nicht
[mm'l IM ver
11/27 1.4981/1.4981 150 870 schweißt
1.4981/1.4981 300 910
600 860
150 1380
300 1020
11/28 150 0
300 0
600 0
300 0
600 0
wobei .4981/1.4981
A .4301/1.4301 die Kontaktfläche
.4301/1.4301
.4981/1.4981
.4981/1.4981
.4981/1.4981
.4301/1.4301
.4301/1.4301
deutlich. Während bei dem unter verschärften Spülbedingungen (Ts = 700° C, Zr-Späne) durchgeführten Versuch 11/27 jede Paarung verschweißte, konnte bei dem Versuch H/28 (T5 = 550° C, ohne Zr) keine einzige verschweißte Paarung festgestellt werden. Schon beim Ausbau zeigte sich ein deutlicher Unterschied im Aussehen der beiden Probensäulen. Die Proben aus dem Versuch 11/27 waren metallisch blank; demgegenüber sahen die aus dem Versuch 11/28 stark oxidiert (schwarz)
ίο aus.
und
Fn die Haftkraft ist.
Der nur durch die unterschiedliche Spülphase (Ts = 700 bzw. 550° C) hervorgerufene Effekt ist Die Ergebnisse zeigen unerwartet deutlich, daß die von der Temperatur und der Sauerstoffkonzentration bestimmten Redoxvorgänge an der Metalloberfläche wesentlich das Verschweißverhalten beeinflussen. Das bisher nicht erklärbare indifferente Verhalten bei 550° C sowie die relativ große Streuung einiger Ergebnisse bei 700° C lassen sich nunmehr über eine mehr oder minder gute Reduktion der Oberfläche während der Spülphase erklären.
Aus den Versuchen geht weiterhin hervor, daß das Bestreben, die Sauerstoffkonzentration in Natriumkreisläufen möglichst niedrig zu halten, die Verschweißneigung der Struktur-Werkstoffe erhöht. Es ist daher notwendig, Maßnahmen zu ergreifen, die diese Verschweißneigung trotz niederer Sauerstoffkonzentration in Natrium abbauen. Das wesentlichste Ergebnis aus den Versuchen 11/27 und H/28 war, daß eine gegebene Oxidschicht das Selbstverschweißen verhindern kann. Zur Erzielung eines derart wünschenswerten Effektes schlägt die Erfindung vor, auch bei 700° C eine solche Oxidschicht zu produzieren. Da jedoch die Oxide des Nickels, des Eisens oder des Chroms bei 700°C unbeständig sind und die Testwerkstoffe zum überwiegenden Teil aus diesen Elementen legiert sind, wurden die Kontakt- und Gegenflächen einiger Proben mit einer Zirkonschicht von ca. 1 μηι bedampft. Die entsprechenden O\ide des Zirkons sind in Natrium auch bei 700°C beständig und unlöslich. Die Erfindung basiert somit auf dem Gedanken, daß eine mit Zirkon bedampfte Probe im Natrium auch aus Na/) oxidiert wird und deshalb nicht verschweißt.
Es wurde daher ein Versuch durchgeführt (Versuch Nr. 11I/A 1,2), bei dem einige Proben aus den Werkstoffen 1.4981 und Inconel 718 mit Zirkon bedampft worden waren.
Die Versuchsbedingungen für diesen Versuch waren wie folgt:
Spültemperatur T1 = 700° C
Spülzeit f, = 24 h
Anpreßtemperatur Ta = 700°C
Anpreßzeit f., = 72 h
Anpreßkraft F-, = 1100 kp
Kontaktfläche A = 300 mm2
Die Ergebnisse der interessierenden Werkstoffpaarungen sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
WerkstolTpaarung
Haftkraft
Fn [kp]
Bemerkungen
.4981/1.4981
1060
1640
2460
2400
1680
2120
Proben unbehandelt
5 Fortsetzung 23 42 950 6
WerkstofTpaarung
Haftkraft Bemerkungen
Inc. 718/Inc. 718 Fn [kp]
nicht verschweißt
190
230
460
■ion 		Proben unbehandelt
1.4981/1.4981 jy\j
390
330
180
Inc. 718/Inc. 718 mit Zirkon bedampft
mit Zirkon bedampft
nicht verschweißt!
nicht verschweißt
nicht verschweißt)
nicht verschweißt
nicht verschweißt
Es kann somit festgestellt werden, daß alle Proben, auf deren Kontakt- bzw. Gegenflächen eine Zr-Schicht aufgedampft worden war, nicht selbstverschweißten. Die Erkenntnis der Erfindung, daß eine Schicht aus Zirkonium durch ihre Oxidation im Natrium einem Selbstverschweißen entgegenwirkt, wird damit bestätigt.
uie Erfindung schafft somit ein äußerst vorteilhaftes Verfahren, mit dem das Selbstverschweißen von metallischen Oberflächen unter Natrium verhindert werden kann. Heute bekannte Beschichtungsverfahren, wie Vakuumbedampfen, Sputtering, elektrolytisches Beschichten oder Metallspritzen können dazu angewendet werden, so daß alle Arten von Bauteilen gut
beschichtbar sind. Es können für die Beschichtung auch andere Materialien mit Vorteil verwendet werden, sofern sie bei Temperaturen von 550 bis 700° C Oxide aufweisen, die in Natrium der entsprechenden Temperatur unlöslich sind und nicht reduziert werden. Unter Natrium oxidiert sich dann in vorteilhafter Weise die derart vorbehandelte Oberfläche auf und verhindert, wie die Versuche gezeigt haben, ein Selbstverschweißen.
Durch das Verhindern des Selbstverschweißens wird bei natriumgekühlten Kernreaktoren eine Einschränkung der Manipulierbarkeit unter Natrium verhindert, wodurch die Sicherheit einer solchen Kernreaktora.ilage positiv beeinflußt wird.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verhinderung des Selbstverschweißens von unter flüssigem Natrium in Berührung stehenden metallischen Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die in Kontakt zu bringenden Metalloberflächen eine Getterwerkstoffschicht aufgebracht wird, deren Oxid in flüssigem Natrium beständig und nicht löslich ist
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterwerkstoff eine höhere Affinität zu Sauerstoff aufweist als flüssiges Natrium.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterwerkstoff auf den Metalloberflächen aus dem Oxid eines Metalles besteht
4. Verfahren nach Anspruch 3 für die Anwendung bei Struktur-Materialien eines natriumgekühlten Schnellen Kernreaktors, vorzugsweise hoch- und korrosionsfesten metallischen Werkstoffen, gekennzeichnet durch die Verwendung von Zirkonium als Getterwerkstoff.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Getterwerkstoff durch Bedampfen einer dünnen Schicht auf die Metalloberflächen aufgebracht wird.
DE2342950A 1973-08-25 1973-08-25 Verfahren zur Verhinderung des Selbstverschweißens von metallischen Werkstoffen in flüssigem Natrium Expired DE2342950C3 (de)

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DE2342950A1 DE2342950A1 (de) 1975-04-10
DE2342950B2 DE2342950B2 (de) 1981-05-07
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DE3343841A1 (de) * 1983-12-03 1985-06-13 Hochtemperatur-Reaktorbau GmbH, 4600 Dortmund Verfahren zur verhinderung von diffusionsverschweissungen an metallischen koerpern

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DE2342950B2 (de) 1981-05-07
DE2342950A1 (de) 1975-04-10

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