DE3312803C3 - Verfahren zum Herstellen eines Zirkoniumlegierungsrohres - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zir­ koniumlegierungsrohres mit einem Gefügegradienten, der einen weniger korrosionsbeständigen Zustand an dem Innenumfang des Rohres und ei­ nen korrosionsbeständigeren Zustand an dem Außenumfang des Rohres um­ faßt.

Bekannte Legierungen, wie Zircaloy-2 und Zircaloy-4, zeigen Korrosion unter den normalen Betriebsbedingungen eines Siedewasser­ reaktors, was zum Abbrechen von dicken Oxidschuppen von Kanälen und zur Verdickung von Oxidschichten auf Brennstoffstäben führt. Das Ab­ brechen von Oxidschuppen führt in einigen Fällen zur Ausbildung von Feldern starker Strahlung in der Nähe von Steuerstabvorrichtungen, wo die Schuppen sich ansammeln, und das Vorhandensein von dicken Oxidschichten verschlechtert die Wärmeübertragung und kann zur ört­ lichen Überhitzung der Brennstoffhülle führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Korrosionsbe­ ständigkeit von Zirkoniumlegierungsrohren gegenüber Wasser und Dampf hoher Temperatur zu verbessern, ohne andere Eigenschaften der aus Zirkoniumlegierungen hergestellten Rohre zu verschlechtern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem eingangs erwähnten Verfahren erfindungsgemäß ein Zirkoniumlegierungsrohr hergestellt wird, das einen weniger korrosionsbeständigen Zustand hat, ein äußerer Umfangsteil des Rohres auf den hohen Alphabereich für eine ausreichende Zeit erhitzt wird, indem das Rohr durch eine Induktionsspule hindurchgeführt wird, die mit Wechselstrom gespeist wird, um den Außenumfangsteil des Rohres in einen korrosionsbeständigeren Gefügezustand umzuwandeln, der eine teilweise entmischte Verteilung der Teilchen der intermetallischen Phase aufweist, während ein Innenumfangsteil des Rohres durch Kühlen auf einer Temperatur gehalten wird, die ausrei­ chend niedrig ist, so daß im wesentlichen keine Änderung des Gefüges an der Innenoberfläche erfolgt, das eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Teilchen der intermetallischen Phase umfaßt und das Rohr ausreichend schnell gekühlt wird, um den korrosionsbeständigeren Zustand an dem Außenumfang aufrechtzuerhalten.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Teillängsschnittansicht eines Kernbrennelementes, das Kernbrennstoffelemente mit nach der Erfindung hergestell­ ten Zirkoniumlegierungsrohren enthält,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines Kernbrennstoffelements mit übertrieben groß dargestellter Hüllrohrwand zur Veran­ schaulichung einer bevorzugten Ausführungsform eines nach der Erfindung hergestellten Zirkoniumlegierungsrohres,

Fig. 3 eine isometrische Ansicht einer Vorrichtung zum Einsatz beim erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 4 eine Teillängsschnittansicht eines Zirkoniumlegierungsroh­ res in der Heizzone der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung und

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Kernbrennstoffelementes mit einem Zirkoniumlegierungsrohr, das mit einer Schutzschicht ausgekleidet ist, die erfindungsgemäß hergestellt worden ist.

Ein Hauptverwendungszweck der Erfindung ist die Herstellung von Zirkoniumlegierungsrohren für Kernbrennelemente der in Fig. 1 dargestellten Art. Das Brennelement 10 ist typisch für ein Siedewas­ serreaktorelement und besteht aus einem rohrförmigen Durchflußkanal 11 von insgesamt quadratischem Querschnitt, der an seinem oberen En­ de mit einem Hebebügel 12 und an seinem unteren Ende mit einem her­ kömmlichen Nasenstück (nicht dargestellt, weil der untere Teil des Brennelementes 10 weggelassen worden ist) versehen worden ist. Das obere Ende des Kanals 11 ist an einem Auslaß 13 offen, und das un­ tere Ende des Nasenstückes ist mit Kühlmitteldurchflußöffnungen versehen. Eine Anordnung von Brennstoffstäben 14, die den Kernbrenn­ stoff enthalten, ist in den Kanal 11 eingeschlossen und darin mit­ tels einer oberen Endplatte 15 und einer unteren Endplatte (nicht dargestellt) befestigt. Flüssiges Kühlmittel tritt gewöhnlich über die Öffnungen in dem unteren Ende des Nasenstückes ein, steigt um die Brennstoffelemente 14 herum nach oben und tritt über den oberen Auslaß 13 mit erhöhter Temperatur in einem teilweise verdampften Zustand bei Siedewasserreaktoren oder in einem unverdampften Zustand bei Druckwasserreaktoren aus.

Die Brennstoffstäbe 14 sind an ihren Enden mittels Endstopfen 18 verschlossen, die an die Hülle 17 angeschweißt sind, und können Zapfen 19 aufweisen, die die Befestigung des Brennstoffstabes in dem Brennelement erleichtern. Ein Hohlraum oder Sammelraum 20 ist an ei­ nem Ende des Brennstoffstabes vorgesehen, um die Längsausdehnung des Brennstoffes und das Ansammeln von aus dem Brennstoff freigesetzten Gasen zu gestatten. Eine Brennstoffhaltevorrichtung 24 in Form einer Schraubenfeder ist in dem Raum 20 angeordnet, um eine Axialbewegung des Kernbrennstoffes zu verhindern, insbesondere während der Handha­ bung und des Transportes des Brennstoffelements.

Der Brennstoffstab ist so ausgelegt, daß ein ausgezeichneter thermischer Kontakt zwischen der Hülle und dem Brennstoff vorhanden ist, daß die Neutronenabsorption minimal ist und daß ein Wider­ stand gegen Durchbiegung und Vibration, die gelegentlich durch den Kühlmitteldurchfluß hoher Geschwindigkeit verursacht werden, be­ steht.

Ein Brennstoffstab 14 ist in einem Teillängsschnitt in Fig. 1 gezeigt. Der Brennstoffstab enthält einen Kern oder eine Säule aus Kernbrennstoff 16, der hier in Form von mehreren Brennstofftabletten aus spaltbarem Material und/oder Brutmaterial, die in einem Hüllrohr aus einem erfindungsgemäß hergestellten Zirkoniumlegierungsrohr an­ geordnet sind, dargestellt ist. In einigen Fällen können die Brenn­ stofftabletten unterschiedliche Formen haben, wie beispielsweise zy­ lindrische Tabletten oder Kugeln, und in anderen Fällen kann Brenn­ stoff anderer Form wie beispielsweise teilchenförmiger Brennstoff, benutzt werden. Die körperliche Form des Brennstoffes ist für die Erfindung unwesentlich. Verschiedene Kernbrennstoffe können benutzt werden, einschließlich Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Gemische derselben. Ein bevorzugter Brenn­ stoff ist Urandioxid oder ein Gemisch, das Urandioxid und Plutonium­ dioxid enthält.

Gemäß Fig. 2 ist der Kernbrennstoff 16, der den zentralen Kern des Brennstoffstabes 14 bildet, von dem Hüllrohr 17 umgeben. Das Hüllrohr umschließt den spaltbaren Kern derart, daß ein Spalt 23 zwischen dem Kern und dem Hüllrohr während des Gebrauches in ei­ nem Kernreaktor verbleibt. Fig. 2 ist nicht maßstäblich gezeichnet, denn die Größe des Spaltes 23 und die Wanddicke des Hüllrohres 17 sind der Übersichtlichkeit halber übertrieben groß dargestellt. Das Hüllrohr besteht aus einer erfindungsgemäß behandelten Zirkoniumle­ gierung. Vorzugsweise besteht das Hüllrohr aus Zircaloy-2 oder Zirc­ aloy-4. Zircaloy-2 enthält (auf Gewichtsbasis) etwa 1,5% Zinn, 0,12% Eisen, 0,09% Chrom, 0,005% Nickel und 0,1% Sauerstoff. Zircaloy-4 enthält im wesentlichen kein Nickel und etwa 0,2% Eisen, gleicht aber ansonsten im wesentlichen dem Zircaloy-2.

Zirkoniumlegierungen enthalten üblicherweise eine intermetal­ lische Teilchenphase. Die bevorzugten Zirkoniumlegierungen enthal­ ten, wie oben angegeben, Zinn, Eisen und Chrom und können darüber hinaus Nickel enthalten. Die bevorzugten Zirkoniumlegierungen ent­ halten die intermetallische Verbindung Zr(Cr, Fe)₂ und können Zr₂(Ni, Fe) in Form einer Teilchenausscheidung enthalten.

Reines Zirkonium weist zwei unterschiedliche Kristallgitter­ strukturen oder -phasen auf, nämlich Alpha und Beta, die in unter­ schiedlichen Temperaturbereichen stabil sind.

Darüber hinaus zeigen Zirkoniumlegierungen, wie beispielsweise Zircoloy-2 und Zircaloy-4, ein stabiles Gemisch aus zwei Kristall­ gitterstrukturen in einem dritten Zwischentemperaturbereich.

Der hier verwendete Ausdruck "Alphakristallstruktur" oder "Al­ phaphase" bedeutet die dicht gepackte hexagonale Kristallgitter­ struktur, die bei niedrigeren Temperaturen stabil ist. Der Tempera­ turbereich, in welchem die Alphaphase stabil ist, wird als Alphabe­ reich bezeichnet.

Der hier verwendete Ausdruck "Betakristallstruktur" oder "Be­ taphase" bedeutet die kubisch-raumzentrierte Kristallgitterstruktur, die bei höheren Temperaturen stabil ist. Der Temperaturbereich, in welchem die Betaphase stabil ist, wird als Betabereich bezeichnet.

In reinem Zirkonium ist die Alphakristallstruktur bis zu etwa 860°C stabil. Bei etwa dieser Temperatur erfolgt eine Phasenum­ wandlung in die Betakristallstruktur, die bei Temperaturen oberhalb von etwa 860°C stabil ist. Zirkoniumlegierungen haben einen Tempe­ raturbereich um die Phasenumwandlungstemperatur von reinem Zirkoni­ um, in welchem ein Gemisch aus Alpha- und Betakristallstrukturen stabil ist. Der spezifische Temperaturbereich, in welchem das Ge­ misch stabil ist, hängt von der spezifischen Legierung ab. Bei­ spielsweise zeigt Zircaloy-2 ein stabiles Gemisch von Alpha- und Be­ takristallstrukturen von etwa 810°C bis etwa 970°C.

Das Hüllrohr hat einen Gefügegradienten über der Wanddicke, der einen weniger korrosionsbeständigen Gefügezustand an dem Innenumfang 24 und einen korrosionsbeständigeren Gefügezustand an dem Außenumfang 26 aufweist.

Gewöhnlich hat die intermetallische Teilchenphase der Teile des Rohres, die einen weniger korrosionsbeständigen Gefügezustand haben, eine insgesamt gleichmäßige Konfiguration, und die interme­ tallische Teilchenphase der korrosionsbeständigeren Teile ist zumin­ dest teilweise entmischt, z. B. in zweidimensionale Anordnungen. Es sind jedoch Gefügegradienten beobachtet worden, die keinen erkennba­ ren Unterschied in der Konfiguration der Ausscheidungsphase des kor­ rosionsbeständigeren Gefügezustands und des weniger korrosionsbe­ ständigen Gefügezustands haben.

Das erfindungsgemäße Verfahren beginnt mit der Herstellung eines aus einer Zirkoniumlegierung bestehenden Hüllrohres, das sich insgesamt in einem weniger korrosionsbeständigen Gefügezustand be­ findet. Das ist der stabilste Zustand der Alphaphase, und er ist ty­ pisch für Rohre, die nicht bis zu einer Temperatur erhitzt worden sind, bei der sich die korrosionsbeständigeren Eigenschaften zeigen.

Die Außenseite des Rohres wird auf eine Temperatur erhitzt, die ausreicht, um die Außenseite in einen korrosionsbeständigeren Gefügezustand umzuwandeln, d. h. die Außenseite des Rohres wird bis in den hohen Alphabereich erhitzt.

Es hat sich gezeigt, das ein "hoher Alpha"-Temperaturbereich vorhanden ist, in welchem die Alphaphase stabil ist, wobei Zirkoni­ umlegierungen, die bis zu diesem Bereich erhitzt werden, in den kor­ rosionsbeständigeren Gefügezustand umgewandelt werden. Zirkoniumle­ gierungen, die bis zu dem hohen Alphabereich erhitzt und dann aus­ reichend schnell abgeschreckt werden, um den korrosionsbeständigeren Gefügezustand aufrechtzuerhalten, zeigen eine verbesserte Korro­ sionsbeständigkeit. Bei den bevorzugten Zirkoniumlegierungen reicht dieser Bereich von etwa 700°C bis zu der Temperatur, bei der die Legierung eine Phasenumwandlung von der Alphaphase in eine gemischte Alphabetaphase erfährt.

Eine Wärmebehandlung in dem hohen Alphabetabereich statt in dem Betabereich hat gezeigt, daß die Duktilität der Zirkoniumlegierung viel weniger nachteilig beeinflußt wird.

Während der äußere Teil des Rohres erhitzt wird, wird die In­ nenoberfläche auf einer Temperatur gehalten, die ausreichend niedrig ist, um den weniger korrosionsbeständigen Gefügezustand aufrechtzu­ erhalten und um eine Oxidbildung zu verhindern, indem ein Kühlmittel durch das Rohr geleitet wird. Ein Kühlmittel muß benutzt werden, insbesondere bei dünnwandigen Rohren, d. h. Rohren, die eine Wand­ dicke von weniger als etwa 25,4 mm haben, weil Zirkoniumlegierungen eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben und weil in der Praxis die Hitze der Außenseite nicht schnell genug zugeführt und von ihr entfernt werden kann, um die inneren Teile des Rohres nicht auf eine uner­ wünschte Temperatur zu erhitzen.

Bevorzugt wird, daß die Innenoberflächentemperatur etwa 425°C nicht überschreitet. Oberhalb von etwa 425°C kann es zur Oxidbildung auf der Innenoberfläche kommen. Es wird mehr bevorzugt, daß die Temperatur etwa 100°C nicht überschreitet. Eine Innen­ oberflächentemperatur von etwa 100°C oder weniger gestattet die Verwendung von Umgebungsdruckwasser als Kühlmittel ohne nennenswerte Bildung von Dampf innerhalb des Rohres.

Nachdem das Äußere des Rohres ausreichend erhitzt worden ist, um die Legierung in einen korrosionsbeständigeren Gefügezustand zu überführen, wird das Rohr ausreichend schnell abgekühlt, um eine nennenswerte Umwandlung in den weniger korrosionsbeständigen Gefüge­ zustand zu verhindern. Das ergibt ein Rohr, das eine umgewandelte hohe Alphaphase in seinem äußeren Bereich hat.

Der Teil eines Zirkoniumlegierungsrohres, der bis in den hohen Alphabereich für eine Zeit erhitzt worden ist, die ausreicht, um diesen Teil des Rohres in einen korrosionsbeständigeren Gefügezu­ stand umzuwandeln, und der anschließend abgekühlt wird, um eine nennenswerte Rückverwandlung in den weniger günstigen Gefügezustand zu verhindern, wird hier als "umgewandelte hohe Alpha"-Phase be­ zeichnet.

Es wird außerdem bevorzugt, daß die oben beschriebene Wärme­ behandlung in Gegenwart eines inerten Fluids durchgeführt wird, um die Bildung von Oxiden an der Außenseite des Rohres zu verhindern.

Gemäß Fig. 3 besteht ein bevorzugtes Verfahren zum Erzeugen eines Gefügegradienten, wie er oben beschrieben ist, aus dem gleich­ förmigen Erhitzen eines Umfangsteils der Außenseite des Hüllrohres 31 auf wenigstens den hohen Alphabereich, der bei den bevorzugten Zirkoniumlegierungen oberhalb von etwa 700°C liegt, während die Innenumfangsfläche unter etwa 425°C und vorzugsweise unter etwa 100°C gehalten wird. Das Hüllrohr 31 ist mit einer Vorrichtung zum Vorschieben des Rohres durch eine Induktionsspule 33, beispielsweise Rollen 32, mechanisch gekuppelt. Das Rohr wird mit einer konstanten linearen Geschwindigkeit vorgeschoben, damit die Hitze gleichmäßig auf das Rohr verteilt wird. Die bevorzugte Geschwindigkeit beträgt etwa 10 bis 76 cm/min oder mehr. Die Geschwindigkeit wird so einge­ stellt, daß das Rohr innerhalb der Induktionsspule ausreichend Zeit hat, um das Ausmaß an Hitze zum Umwandeln des äußeren Umfangsteils des Rohres in einen korrosionsbeständigeren Gefügezustand zu errei­ chen.

Die Hitze wird durch die Induktionsspule erzeugt, die mit Wechselstrom gespeist wird, dessen Frequenzen üblicherweise von 3000 bis 50 000 Hz reichen. Die zugeführte Leistung ist ausreichend, um die erforderliche Wärmemenge zu erzeugen. Eine Zone des Rohres in­ nerhalb der Induktionsspule wird auf eine ausreichende Temperatur erhitzt, um eine Umwandlung des Gefügezustandes an der Außenober­ fläche in einen korrosionsbeständigeren Gefügezustand zu bewirken.

Die Ausdehnung oder die Tiefe des korrosionsbeständigeren Ge­ fügezustands hängt von der Zeit und von der Temperatur des Rohres innerhalb der Induktionsspule ab. Die Temperatur ist von der Lei­ stung, die der Induktionsspule zugeführt wird, abhängig. Ein Strah­ lungspyrometer 34 fühlt die Außentemperatur der erhitzten Zone des Rohres über ein übliches elektronisches Regelsystem 36 ab, und eine Anpaßstation 37 begrenzt und steuert die Temperatur auf einen ausge­ wählten Wert durch Regeln der der Spule zugeführten Leistung.

Die Oxidbildung auf der Außenseite des Hüllrohres wird mini­ miert, indem die heiße Zone innerhalb der Induktionsspule und die unmittelbare Umgebung mit einem inerten Fluid, wie beispielsweise Helium, umhüllt werden, das in einem Quarzrohr 38 angeordnet ist, welches mit einem Einlaßkasten 39 und einem Auslaßkasten 41 ver­ bunden ist. Das Inertgas wird dem Auslaßkasten 41 über ein Rohr 42 zugeführt, und ein geringfügiger Überdruck des Gases wird innerhalb des Quarzrohres im Bereich der heißen Zone aufrechterhalten, indem dem Austritt der Gasströmung durch eine Einlaßstopfbuchse 43 und ei­ ne Auslaßstopfbuchse 44, über die das Rohr in die Vorrichtung ein­ tritt bzw. aus ihr austritt, ein Widerstand entgegengesetzt wird.

Die Innenoberfläche des Rohres wird gekühlt, indem ein Kühl­ mittel über eine flexible Leitung 46 in das Rohr eingeleitet und durch das Rohr hindurchgeleitet wird, während dessen Außenseite er­ hitzt wird. Das bevorzugte Kühlmittel ist Wasser. Das strömende Kühlmittel, das mit der Innenoberfläche des Rohres in Kontakt ist, hält die inneren Teile des Rohres in einem weniger korrosionsbestän­ digen Gefügezustand. Die Innenoberfläche des Rohres erfährt wegen ihrer niedrigeren Temperatur keine chemische Reaktion oder Oxidation während der Wärmebehandlung. Wenn die erhitzte Zone des Rohres sich an der Induktionsspule vorbeibewegt und nicht länger in diesen Teil des Rohres zum Erhitzen desselben eindringt, kühlt das durch das In­ nere des Rohres strömende Wasser den äußeren Teil des Rohres durch Wärmeleitung über die Rohrwand schnell ab. Das Abkühlen erfolgt aus­ reichend schnell, um den korrosionsbeständigeren Gefügezustand auf­ rechtzuerhalten, der in der Induktionsspule erzeugt worden ist.

In Fig. 4 ist der Teil des Rohres, der durch die Induktions­ spule hindurchgeht, im Längsschnitt gezeigt. Eine heiße Zone 47 des Rohres 48 wird im Inneren der Induktionsspule 49 erzeugt, wenn sich das Rohr vorwärtsbewegt. Wasser 51, das durch das Innere des Rohres strömt, kühlt die inneren Teile 52 des Rohres ab, die durch die Wär­ me unbeeinflußt bleiben. Wenn sich das Rohr vorwärts bewegt, wird der äußere Teil 53 des Rohres, der in der Induktionsspule erhitzt worden ist, durch Wärmeleitung abgekühlt, wobei die Wärme auf das durch das Innere des Rohres fließende Wasser übertragen wird. Das ergibt einen Gefügegradienten, wobei der äußere Teil 53 des Rohres durch die Wärmebehandlung in einen korrosionsbeständigeren Gefügezu­ stand umgewandelt worden und der innere Teil 52 durch die Wärmebe­ handlung unbeeinflußt geblieben ist. Der innere Teil und der äu­ ßere Teil 53 des Rohres sind als zwei getrennte Schichten darge­ stellt, der Gefügezustand weist tatsächlich aber eine allmähliche Änderung in der Korrosionsbeständigkeit auf.

Das Kühlmittel, das durch das Rohr strömt, kühlt die Innenoberfläche des Rohres ausreichend, um eine Oxidbildung zu verhindern und das gesamte Rohr ausreichend schnell abzukühlen, nachdem der Strom abgeschaltet wor­ den ist, um den korrosionsbeständigeren Gefügezustand, der durch die Wärmebehandlung erzeugt worden ist, aufrechtzuerhalten. Dieses Wär­ mebehandlungsverfahren kann ebenfalls in einer inerten Atmosphäre ausgeführt werden, um die Bildung von Oxiden an der Außenoberfläche des Rohres zu verhindern.

Der gewünschte Gefügegradient kann auch erzeugt werden, indem das Rohr in einem Ofen erhitzt wird, während Kühlmittel durch das Rohrinnere strömt. Diese Methode macht jedoch die Verhinderung einer Oxidbildung an der Außenseite des Rohres schwieriger.

Die Wärmebehandlung nach der Erfindung kann während irgendei­ ner Stufe der Rohrreduzierung ausgeführt werden. Das Verfahren ist besonders geeignet zur Behandlung des Endprodukts, das die Wärmebe­ handlung erfahren kann, ohne daß es sich nennenswert verzieht. Ge­ genwärtig wird jedoch bevorzugt, daß die Wärmebehandlung vor der abschließenden Kaltbearbeitungsreduzierung stattfindet. Das ergibt ein Rohr mit einer größeren Wanddicke, was gestattet, die Außen­ seite des Rohres mit weniger Energie auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen, weil die Wärme durch Wärmeleitung über die Wand langsa­ mer als bei einem Rohr mit geringerer Wanddicke abgeführt wird. Jed­ wede Kaltbearbeitungsreduktionen, die nach der Wärmebehandlung durchgeführt werden, bewirken, daß die Gefügeeigenschaften der Wand des Hüllrohres proportional reduziert werden, daß aber die vorteil­ haften Auswirkungen, die mit dieser Wärmebehandlung erzielt worden sind, nicht nennenswert reduziert werden.

Der korrosionsbeständigere Gefügezustand des Rohres bedeutet eine bessere Oxidationsbeständigkeit in heißem Wasser und heißem Dampf als der weniger korrosionsbeständige Gefügezustand. Durch An­ wenden des oben beschriebenen Verfahrens kann ein Hüllrohr erzeugt werden, das den korrosionsbeständigeren Gefügezustand in seinem äu­ ßeren Bereich aufweist, welcher nur der Teil ist, der typisch mit dem Dampf und dem heißen Wasser in Berührung ist, während die er­ wünschten mechanischen Eigenschaften, d. h. höhere Duktilität, in dem gesamten Rohr aufrechterhalten werden.

Beispiel 1

Ein Rohrkörper aus Zircaloy-2 mit einem Durchmesser von etwa 63,5 mm, einer Länge von etwa 1,83 m und einer Wanddicke von etwa 11 mm wurde in eine Induktionsspule mit vier Windungen eingebracht. Wasser wurde durch das Innere des Rohrkörpers mit einer Durchfluß­ leistung von etwa 18,9 l/min hindurchgeleitet. Die Induktionsspule wurde durch eine 200 kW, 3000 Hz-Stromquelle mit geeignetem An­ paßtransformator gespeist.

Das Äußere des Rohrkörpers wurde innerhalb der Induktionsspu­ le in etwa 22 s auf eine Temperatur von etwa 900°C erhitzt. Die äußere Temperatur der Rohrhülle wurde etwa 8 s lang auf etwa 900°C gehalten. Der Strom wurde dann abgeschaltet, und der Rohr­ körper durch sein Inneres hindurchfließendes Wasser in etwa 21 s auf etwa 205°C abgekühlt.

Der wärmebehandelte Rohrkörper wurde dann in einem Pilger­ schrittwalzwerk in drei aufeinanderfolgenden Durchgängen zu einem fertigen Hüllrohr mit einem Außendurchmesser von etwa 12,3 mm und einer Wanddicke von etwa 0,8 mm reduziert. Nach jedem Reduktions­ durchgang wurde das Rohr bei etwa 620°C für etwa 2 h geglüht.

Das Rohr wurde dann für etwa 24 h bei etwa 500°C einem Dampfkorrosionstest unterzogen. Der Korrosionsgewichtsgewinn für den Teil des Rohres, dem die Wärmebehandlung gegeben wurde, betrug etwa ein Viertel des Gewichtsgewinns, den der nichtwärmebehandelte Teil des Rohres zeigte.

Da der innere Teil der Rohreinheit während der Anwendung der Erfindung auf relativ niedrigen Temperaturen gehalten wird, wodurch es keine nennenswerten Änderungen in diesem Bereich gibt, ist die Erfindung auch bei Rohreinheiten anwendbar, die verschiedene innere Komponenten, wie beispielsweise Überzüge oder Auskleidungen, haben, welche eine innere Sperr- oder Schutzschicht gegen Spaltprodukte und andere Effekte im Betrieb als Brennstoffhülse in einem Kernreaktor bilden. Rohre für Kernbrennstoffhüllen, die bei der Erfindung ver­ wendbar sind, umfassen auch diejenigen, die Zirkoniummetallsperr­ schichten haben, wie sie beispielsweise in der US-PS 42 00 492 be­ schrieben sind, sowie diejenigen mit Auskleidungen aus Kupfer und anderem Metall einschließlich Verbundauskleidungen, wie beispiels­ weise die Einheiten, die in den US-PS 39 69 186, 39 25 151, 40 22 662, 40 45 288 und 43 16 771 beschrieben sind.

Fig. 5 zeigt ein mit einer Sperrschicht ausgekleidetes Rohr, das gemäß der Erfindung wärmebehandelt ist. In dieser Ausführungs­ form weist das Hüllrohr 17 für Brennstoff 16, zusätzlich zu einem korrosionsbeständigeren Gefügezustand in einem Außenumfangsbereich 26, eine Auskleidung 54 auf, die mit dem Innenumfang oder der Innen­ oberfläche 24 verbunden ist. Die Auskleidung 54 kann aus Zirkonium oder anderen Metallen bestehen, die bislang als Sperrschichten auf dem einschlägigen Fachgebiet benutzt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Zirkoniumlegierungsrohres mit einem Gefügegradienten, der einen weniger korrosionsbeständigen Zustand an dem Innenumfang des Rohres und einen korrosionsbeständigeren Zustand an dem Außenumfang des Rohres umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zirkoniumlegierungsrohr hergestellt wird, das einen weniger korrosionsbeständigen Zustand hat, ein äußerer Umfangsteil des Rohres auf den hohen Alphabereich für eine ausreichende Zeit erhitzt wird, indem das Rohr durch eine Induktionsspule hindurchgeführt wird, die mit Wechselstrom gespeist wird, um den Außenumfangsteil des Rohres in einen korrosionsbeständigeren Gefügezustand umzuwandeln, der eine teilweise entmischte Verteilung der Teilchen der intermetallischen Phase aufweist, während ein Innenumfangsteil des Rohres durch Kühlen auf einer Temperatur gehalten wird, die ausreichend niedrig ist, so daß im wesentlichen keine Änderung des Gefüges an der Innenoberfläche erfolgt, das eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Teilchen der intermetallischen Phase umfaßt, und das Rohr ausreichend schnell gekühlt wird, um den korrosionsbeständigeren Zustand an dem Außenumfang aufrechtzuerhalten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des derart wärmebehandelten Rohres durch Kaltverformen während mehrerer Durchgänge in einem Reduzierwalzwerk vermindert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfangsteil des Rohres auf wenigstens etwa 700°C erhitzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfangsteil des Rohres gekühlt wird, indem kontinuierlich ein Kühlmittel durch das Innere des Rohres hindurchgeleitet wird, während der Außenumfangsteil des Rohres erhitzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr im Anschluß an das Erhitzen gekühlt wird, indem ein Kühlmittel durch das Innere des Rohres geleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildung von Oxiden auf der Außenumfangsfläche des Rohres während des Erhitzens und Kühlens verhindert wird, indem der Außenumfangsteil des Rohres in Gegenwart eines inerten Mediums erhitzt und gekühlt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Innenumfangsfläche etwa 425°C nicht überschreitet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Innenumfangsfläche etwa 100°C nicht überschreitet.