DE29521748U1 - Hülsenrohr für Brennstäbe oder Führungsrohre für Kernbrennstabbündel - Google Patents
Hülsenrohr für Brennstäbe oder Führungsrohre für KernbrennstabbündelInfo
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Description
Framatome, Courbevoie, FR
Compagnie Generale des Matieres Nucleaires, Velizy Villacou-
blay, FR
Zircotube, Courbevoie, FR
Hülsenrohr für Brennstäbe oder Führungsrohre für Kernbrennstabbündel
Die vorliegende Erfindung betrifft die Rohre mit einer Legierung auf der Basis von Zirconium, die dazu bestimmt sind,
die gesamte oder den äußeren Teil der Hülse eines Kernbrennstabes oder eines Führungsrohres zu bilden. Sie findet eine
besonders wichtige, aber nicht ausschließliche Anwendung im Bereich der Herstellung von Hülsenrohren für Kernbrennstäbe,
die für Druckwasserreaktoren bestimmt sind.
Bis jetzt wurden vor allem Hülsen mit einer Legierung auf
der Basis von Zirconium, genannt "Zircaloy 4", verwendet, die in Gewichtsprozenten enthalten:
- 1,20 bis 1,70 % Zinn,
- 0,18 bis 0,24 % Eisen,
- 0,07 bis 0,13 % Chrom,
wobei der Gesamtgehalt an Eisen und Chrom zwischen 0,28 und 0,3 7 % liegt. Der Zusammenhang zwischen dem Eisen- und
Chromgehalt liegt typischerweise zwischen ungefähr 1,3 8 und 3,42.
096-(720177)-PG/CM/Kf
Der Sauerstoffgehalt von "Zircaloy 4" überschreitet gewöhnlicherweise
nicht 0,16 % und liegt allgemein weit darunter.
Das mechanische Verhalten der Hülsen mit "Zircaloy 4" stellt sich zufriedenstellend dar, jedoch hat im Gegensatz dazu
Korrosion durch das Wasser bei hohem Druck und hoher Temperatur die mögliche Erhaltungsdauer im Reaktor begrenzt.
Es wurden ebenso Hülsen mit einer Zr-Nb-Legierung mit ungefähr 2,5 % Niob (US-A-4 717 534 vorgeschlagen, was eine gute
Beständigkeit gegen Korrosion in wäßriger Umgebung bei hoher Temperatur darstellt. Aber im Gegensatz dazu hat eine solche
Legierung ein mittelmäßiges Verhalten in bezug auf thermisches Fließen. Es konnte verbessert werden, indem die Legierung
mit einem Sauerstoffgehalt zwischen 0,10 und 0,16 Gew.-% dotiert wurde und indem die Hülse einer Wärme-Rekristallisierungsbehandlung
unterzogen wurde. Jedoch bleibt das thermische Fließverhalten einer solchen Legierung unter dem
Verhalten von anderen Hülsenrohrmaterialien.
Die vorliegende Erfindung hat besonders die Aufgabe, ein Hülsenrohr oder Führungsrohr für Kernbrennstabbündel anzugeben,
das gleichzeitigerweise eine gute Beständigkeit gegen Korrosion in wäßriger Umgebung bei hoher Temperatur und ein
zufriedenstellendes Fließverhalten bei hoher Temperatur aufweist, ohne Schwierigkeiten bei der Inbetriebsetzung aufzuwerf
en, die zu einem erhöhten Abfallprozentsatz führen.
Für diese Aufgabe schlägt die Erfindung besonders ein Rohr mit einer Legierung auf der Basis von Zirconium vor, mit 5 0
bis 250 ppm Eisen, 0,8 bis 1,3 Gew.-% Niob, weniger als 1600 ppm Sauerstoff, weniger als 200 ppm Kohlenstoff und weniger
als 120 ppm Silicium, wobei das Rohr beispielsweise erhalten werden kann durch:
- die heiße Bearbeitung des Blocks (beispielsweise durch
Schmieden oder Walzen), um einen Stab zu erhalten;
Schmieden oder Walzen), um einen Stab zu erhalten;
- das Wasserhärten des Stabes nach Erhitzung in einem
-elektrischen Ofen oder durch Induktion zwischen 1000 0C und 1200 0C;
-elektrischen Ofen oder durch Induktion zwischen 1000 0C und 1200 0C;
- erstes Strangpressen eines hohlen Bolzens nach Erhitzung auf eine Temperatur zwischen 600 0C und 800 0C;
- eine Wärmebehandlung eventuell im Rohzustand zwischen
560 0C und 620 0C;
560 0C und 620 0C;
- wenigstens vier kalte Walzungen in Form von Röhren mit
abnehmender Dicke, mit zwischenzeitlichen Wärmebehandlungen und einer endgültigen Wärmebehandlung bei einer Temperatur
zwischen 560 und 620 0C, wobei die gesamten Wärmebehandlungen unter Normaldruck oder im Vakuum ausgeführt werden.
abnehmender Dicke, mit zwischenzeitlichen Wärmebehandlungen und einer endgültigen Wärmebehandlung bei einer Temperatur
zwischen 560 und 620 0C, wobei die gesamten Wärmebehandlungen unter Normaldruck oder im Vakuum ausgeführt werden.
Der so erhaltene Stab erhält keine Wärmebehandlung mehr, die seine metallurgische Struktur ändert, bis zu dem Moment, an
dem er als Hülsenrohr oder Führungsrohr verwendet wird. Im
Gegensatz dazu erhält er noch eine Oberflächenbehandlung und wird einer Prüfung unterworfen. Die Oberflächenbehandlung
kann insbesondere ein Sandstrahlen und eine Oxidschichtentfernung, gefolgt von einem Spülen, beinhalten. Die Oberflächenbehandlung kann durch eine Reinigung mit Hilfe eines
drehenden Bandes oder mit Hilfe eines Rades ergänzt werden. Die Kontrolle erfolgt wie üblich.
Gegensatz dazu erhält er noch eine Oberflächenbehandlung und wird einer Prüfung unterworfen. Die Oberflächenbehandlung
kann insbesondere ein Sandstrahlen und eine Oxidschichtentfernung, gefolgt von einem Spülen, beinhalten. Die Oberflächenbehandlung kann durch eine Reinigung mit Hilfe eines
drehenden Bandes oder mit Hilfe eines Rades ergänzt werden. Die Kontrolle erfolgt wie üblich.
Es ist wichtig, einen Eisengehalt von 250 ppm nicht zu überschreiten.
Es wurde unerwartet festgestellt, daß der Fließwiderstand bei hoher Temperatur plötzlich abnimmt, wenn der
Eisengehalt 250 ppm übertrifft. In der Praxis ergibt ein Eisengehalt
zwischen 100 und 200 ppm gute Ergebnisse für den
Fließwiderstand. Die einzige Zeichnung zeigt Versuchsergebnisse, die die erhaltenen Verformungen im Durchmesser für
verschiedene Eisengehalte bei Bedingungen zeigen, die denen
Fließwiderstand. Die einzige Zeichnung zeigt Versuchsergebnisse, die die erhaltenen Verformungen im Durchmesser für
verschiedene Eisengehalte bei Bedingungen zeigen, die denen
entsprechen, die eine Hülse für eine Legierung von 1 % Niob unterläuft.
Es ist ebenso von besonderer Bedeutung, die Legierung keiner thermischen Behandlung bei einer Temperatur höher als 620 0C
nach dem Strangpressen zu unterziehen. Eine Wärmebehandlung bei höherer Temperatur vermindert besonders die Beständigkeit
gegen die Korrosion bei Hitze, wie es die nachfolgenden Resultate aufzeigen, die durch Korrosionstests im autoklavierten
Zustand mit einem Wasserdampf bei 500 0C erhalten wurden, was einen einheitlichen Korrosionstest für die Legierungen
von Zirconium, die 1 % Nickel enthalten, darstellt.
- zwischenzeitliche Behandlungen: 2 Stunden ä 580 0C,
- endgültige Behandlung: 2 Stunden ä 580 0C.
- zwischenzeitliche Behandlungen: 2 Stunden ä 700 0C,
- endgültige Behandlung: 2 Stunden ä 580 0C.
- zwischenzeitliche Behandlungen: 2 Stunden ä 700 0C,
- endgültige Behandlung: 2 Stunden ä 700 0C.
Folgende- Massenausbeute wurde während der Tests im autoklavierten
Zustand erhalten:
- Beispiel 1: 48 mg/dm2
- Beispiel 2: 57 mg/dm2
- Beispiel 3: G3 mg/dm2.
Die Proben der drei Beispiele hatten einen Eisengehalt von 15 0 ppm.
Es ist vorgekommen, daß die Legierung einen Gedächtniseffekt
aufweist, nämlich diesen, daß die Auswirkung einer einzelnen Behandlung über 620 0C, die auf die Legierung über den ersten
Schritt hinaus angewendet wird, nicht gänzlich widerrufbar ist.
Im allgemeinen werden die zwischenzeitlichen Wärmebehandlungen bei einer angewiesenen Temperatur zwischen 665 und
605 0C ausgeführt und eine Temperatur oberhalb von 580 °C
für die zwischenzeitlichen Behandlungen und ungefähr 580 0C
für die endgültige Behandlung hat sich für den Großteil der Zusammensetzungen als befriedigend erwiesen.
Das Rohr kann basierend auf einem stranggepreßten Rohling insbesondere in vier oder fünf Schritten erhalten werden,
die durch Wärmebehandlungen mit einer angewiesenen Temperatur zwischen 560 und 620 0C stattfinden, vorteilhafterweise
nahe bei 620 0C.
Ein Sauerstoffgehalt in der Größenordnung von 12 00 ppm hat
sich als geeignet erwiesen für einen positiven Effekt auf den Fließwiderstand bei einer rekristallisierten Legierung.
Die Erfindung schlägt ein Hülsenrohr oder Führungsrohr für Kernbrennstabbündel für einen gekühlten und durch Druckwasser
moderierten Kernreaktor vor, das aus einer Legierung auf der Basis von Zirconium in vollkommen rekristallisiertem Zustand
mit einem Eisengehalt von 50 bis 250 ppm, 0,8 bis 1,3 Gew.-% Niob, 1000 bis 1600 ppm Sauerstoff, weniger als
200 ppm Kohlenstoff, weniger als 120 ppm Silicium besteht,
wobei der Rest bis auf die Ausnahme von unvermeidbaren Unreinheiten
aus Zirconium besteht.
;.Das Beispiel der so ausgearbeiteten Legierung hat das Fehlen
von Niederschlagsreihen von ß-Zr offenbart, was für die Korrosion verhängnisvoll ist.
Vergleichsversuche wurden bei Legierungen mit einem Niobgehalt
zwischen 0,86 und 1,3 % und einem Eisengehalt zwischen 100 und 150 ppm ausgeführt.
Das Rohr kann beispielsweise erhalten werden durch
- einen geschmiedeten Stab mit einem Durchmesser von 177 mm,
- Wasserhärten nach Erhitzung bis 1050 0C über eine Stunde;
- maschinelle Weiterverarbeitung eines Preßbarrens mit einem Außendurchmesser von 168 mm und einem Innendurchmesser
von 4 8 mm;
- Strangpressen nach Induktionserhitzung bei 650 0C, um
einen Außendurchmesser von 8 0 mm und einen Innendurchmesser von 4 8 mm zu erhalten;
- Walzen der Rohre in fünf Abfolgen, die zwischenzeitliche Wärmebehandlungen von 2 Stunden bei 580 °C beinhalten;
- endgültige Wärmebehandlung von 2 Stunden bei 58 0 0C.
Die Versuche haben einen Widerstand gegen die allgemeine Korrosion in einer wäßrigen Umgebung bei einer hohen Temperatur
offenbart, die den Bedingungen in einem Druckwasserreaktor entsprechen, die vergleichbar zum Widerstand von bekannten
Zr-Nb-Legierungen mit erhöhtem Niob-Gehalt sind; sie haben ebenso einen thermischen Fließwiderstand offenbart,
der viel höher ist als bei bekannten Legierungen und gut vergleichbar mit besserem "Zircaloy 4" ist: nach 24 0 Stunden
bei 400 0C bei 130 MPa kann die Verformung im Durchmesser
beim Fließen nachfolgend gemessen werden:
■=.- Zr, 1 % , Nb, 150 ppm Fe, rekrxstallisiert: 0,5 %,
- "Zircaloy 4" rekristallisiert mit optimaler Zusammenstellung in bezug auf Fließen:
< 1,0 %.
Claims (1)
1. Hülsenrohr für Brennstäbe oder Führungsrohre für Kernbrennstabbündel
von Kernreaktoren, die durch Druckwasser gekühlt und moderiert werden, das aus einer Legierung
auf der Basis von Zirconium in vollkommen rekristallisiertem Zustand, mit einem Eisengehalt von 50 bis 250
ppm, 0,8 bis 1,3 Gew.-% Niob, 1000 bis 1600 ppm Sauerstoff, weniger als 200 ppm Kohlenstoff, weniger als
ppm Silicium besteht, wobei der Rest bis auf die Ausnahme von unvermeidbaren Unreinheiten aus Zirconium besteht.
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