DE3124935A1

DE3124935A1 - "brennstab fuer einen kernraktor"

Info

Publication number: DE3124935A1
Application number: DE19813124935
Authority: DE
Inventors: Gunnar Dipl.-Ing. 72474 Västerås Vesterlund
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1980-07-04
Filing date: 1981-06-25
Publication date: 1982-06-16
Also published as: JPS5744886A; SE8004946L; SE422380B

Description

Brennstab für einen Kernreaktor
Die Erfindung betrifft einen Brennstab für einen Kernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Als Hülle für den Brennstoff in Kernreaktoren werden normalerweise dünnwandige Rohre aus einer auf Zirkonium basierenden Legierung verwendet, die unter dem Handelsnamen Zircaloy bekannt ist. Diese Legierungen enthalten gelöste Legierungssubstanzen wie Zinn, Eisen, Nickel, Chrom und Sauerstoff. Die Legierungen verhärten durch die Neutronenbestrahlung. Die Verhärtung führt zu einer Versprödung des Materials und einer erheblich größeren Anfälligkeit gegen durch Spannungskorrosion bedingte Stabschäden. Um einem solchen Verlauf entgegenzuwirken, ist es bekannt, die Brennstoffhülle auf der Innenseite mit einer Schicht aus Zirkonium zu überziehen. Daß sich Zirkonium für diesen Zweck eignet, beruht einerseits darauf, daß Zirkonium eine hohe Resistenz gegen Verhärtung hat, wenn es einer Neutronenbestrahlung ausgesetzt wird, und andererseits darauf, daß Zirkonium an sich ein verhältnismäßig weiches Material ist. Eine Zirkoniumschicht auf der Innenfläche der Brennstoffhülle kann daher plastisch verformt werden und so die Brennstoffhülle gegen Beanspruchungen schützen, die bei Leistungsänderungen während des Betriebs auftreten.
In dem bekannten Fall hat man für die innenseitige Schicht Zirkonium mit einem Verunreinigung ehalt von mindester1s 1f)UO n] (parts per million) und höchstens 5000 ppm verwendet. Dabei sind 200 - 1200 ppm der Verunreinigungen Sauerstoff. Die Gehalte an anderen Verunreinigungen liegen innerhalb der normalen Grenzen für die betreffenden Substanzen in einem kommerziellen Zirkoniumschwamm von Reaktorqualität, was für Aluminium 75 ppm oder weniger, für Bor 0,4 ppm oder weniger, für Kadmium 0,4 ppm oder weniger, für Kohlenstoff 270 ppm oder weniger, für Chrom 200 ppm oder weniger, für Kobalt 20 ppm oder weniger, für Kupfer 50 ppm oder weniger, für Hafnium 100 ppm oder weniger, für Wasserstoff 25 ppm oder weniger, für Eisen 1500 ppm oder weniger, für Magnesium 20 ppm oder weniger, für Mangan 50 ppm oder weniger, für Molybdän 50 ppm oder weniger, für Nickel 70 ppm oder weniger, für Niob 100 ppm oder weniger, für Stickstoff 80 ppm oder weniger, für Silizium 120 ppm oder weniger, für Zinn 50 ppm oder weniger, für Wolfram 100 ppm oder weniger, für Titan 50 ppm oder weniger und für Uran 3,5 ppm oder weniger bedeutet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Resistenz der Brennstoffhülle gegen Spannungskorrosion nachhaltig zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennstab der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches genannten Merkmale hat.
Das Zirkonium kann außerdem die oben genannten anderen in kommerziellen Zirkoniumschwamm von Reaktorqualität enthaltenden Verunreinigungen in den oben angegebenen Mengen enthalten.
Eine denkbare Erklärung der erreichten Verbesserung ist folgende: Bei der Herstellung einer Brennstoffhülle mit einer innenseitigen Zirkoniumschicht, was durch Strangpressen geschehen kann, wird das Material höheren Temperaturen ausgesetzt. Dies hat zur Folge, daß im Zirkonium ein Kornwachstum stattfindet, daß im Falle der bekannten Zirkoniumschicht, in der die Legierungssubstanzen gelöst sind, schnell vor sich geht. Bei Zusätzen von Molybdän, Kohlenstoff, Phosphor oder Silizium in den oben genannten Mengen werden Verbindungen ausgeschieden, wie zum Beispiel intermetallische Verbindungen, Karbide, Phosphide und Silizide, in Form von freien Partikeln im Zirkoniumgrundgitter.
Diese Ausscheidung verhindert das Kornwachstum, so daß man im Zirkonium eine Struktur mit kleineren Körnern erhält als in dem bekannten Fall. Diese feinkörnigere Struktur ist der Grund für die größere Resistenz gegen Spannungskorrosion.
Die Dicke der Zirkoniumschicht beträgt gemäß der Erfindung 0,005 - 0,8 mm, vorzugsweise 0,05 - 0,1 mm.
Die auf Zirkonium basierende Legierung, auf deren Innenseite die Zirkoniumschicht aufgebracht ist, besteht vorzugsweise aus einer Zirkonium-Zinn-Legierung, beispielsweise den unter den Handelsnamen Zircaloy 2 und Zircaloy 4 bekannten auf Zirkonium basierenden Legierungen, deren Gehalt an Legierungssubstanzen in den Grenzen von 1,2 - 1,7 Gewichtsprozent für Zinn, 0,07 -0,24 Gewichtsprozent für Eisen, 0,05 - 0,15 Gewichtsprozent für Chrom, O - 0,08 Gewichtsprozent für Nickel und 0,10 - 0,15 Gewichtsprozent für Sauerstoff liegt. Der-Rest besteht aus Zirkonium und eventuell vorhandenen üblichen Verunreinigungen.
Bei dem Kernbrennstoff handelt es sich vorzugsweise um Urandioxyd.
Anhand eines Ausführungsbeispieles und der Figur soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figur zeigt den Querschnitt durch einen Brennstab gemäß der Erfindung für einen leichtwassermoderierten Reaktor.
2 Gewichtsteile Molybdän werden mit 98 Gewichtsteilen kommerziellem Zirkoniumschwamm von Reaktorqualität mit der oben genannten Zusammensetzung gemischt, und die Mischung wird zum Schmelzen erhitzt. Aus dem so gewonnenen Material wird ein Rohr mit einer Wanddicke von 1,25 mm und einem Außendurchmesser von 44 mm hergestellt. Das Rohr wird in einem Rohr aus Zircaloy 2 mit einer Wanddicke von 10 mm und einem Innendurchmesser von 45 mm angeordnet. Die beiden Rohre werden an ihren Endflächen miteinander zusammengeschweißt. Das so gewonnene zusammengesetzte Rohr wird bei einer Temperatur von ungefähr 6000C stranggepreßt. Danach wird das stranggepreßte Produkt in mehreren Stufen mit dazwischenliegenden Rekristallisationsglühungen kaltgewalzt, wobei man ein in der Figur gezeigtes rohrförmiges Endprodukt erhält, das aus einer Schicht 1 aus Zircaloy 2 mit einer Dicke von 0,73 mm und einem Innendurchmesser von 10,65 mm und aus einer Schicht 2 aus Zirkonium mit einlegiertem Molybdän mit einer Dicke von 0,07 mm besteht. In der Figur ist auch der Kernbrennstoff eingezeichnet, der aus kreiszylindrischen Tabletten 3 aus Urandioxyd besteht, die in Achsenrichtung der Brennstoffhülle aufeinandergestapelt sind.
Statt Molybdän können in dem beschriebenen Beispiel u. a. 0,4 Gewichtsprozent Kohlenstoff oder 0,8 Gewichtsprozent Phosphor oder 0,8 Gewichtsprozent Silizium verwendet werden. Man kann auch zwei oder mehrere der vier Komponenten zusammen mit den angegebenen Gehalten verwenden..

Claims

Patentanspruch: Brennstab für einen Kernreaktor mit einer Brennstoffhülle (1) aus einer auf Zirkonium basierenden Legierung, auf deren Innenfläche eine Schicht (2) aus Zirkonium angebracht ist und die einen Kernbrennstoff (3) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkoniumschicht 0,1 - 3 Gewichtsprozent Molybdän und/oder 0,03 - 1 Gewichtsprozent Kohlenstoff und/oder 0,03 - 1 Gewichtsprozent Phosphor und/oder 0,03 - 1 Gewichtsprozent Silizium enthält, wobei der Gesamtgehalt der übrigen in das Zirkonium eingehenden Substanzen weniger als 0,5 Gewichtsprozent beträgt.