-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kernbrennstoffeinheit mit Wasserstäben und Brennstoffstäben mit gleichem Bestrahlungswachstum.
-
Brennstoffeinheiten des in der DE-OS 22 47 685 beschriebenen Siedewasser-Kernreaktors enthalten Brennstoffstäbe und Wasserstäbe. Typischerweise werden die Hülsen beider Arten von Stäben aus Zirkoniumlegierungen, wie Zircaloy-2 und Zircaloy-4 hergestellt. Die Brennstoffstäbe enthalten Brennstoffmaterial, wie Urandioxid-Pellets, während durch die Wasserstäbe Wasser fließt.
-
In dem Artikel "High-Temperature Irradiation Growth in Zircaloy" in "ASTM Special Technical Publication" 754, Public. Code-Nr. 04-754 000-35, Seiten 208-234 vom Januar 1982 sind Untersuchungen des strahlungsinduzierten Wachstums von Zirkoniumlegierungen beschrieben. Dabei wurden die Proben aus den Zirkoniumlegierungen sowohl im geglühten (1 h bei 1070 K) als auch im 20 bzw. 40% kaltverformten und anschließend 3 h bei 740 K spannungsfrei geglühten Zustand untersucht. Nach der Zusammenfassung auf den Seiten 231/232 ist das strahlungsinduzierte Wachstum in beiden Zuständen stark von der Bestrahlungstemperatur abhängig, wobei die Zunahme der Wachstumsgeschwindigkeit mit der Temperatur im geglühten Zustand größer als im 20% kaltverformten Material ist. Die Wachstumsverhalten waren in beiden Zuständen ähnlich. Das starke Wachstum im geglühten Zustand wird der Bildung von Versetzungsreihen zugeschrieben.
-
In dem Artikel "Längenwachstum von Brennstäben mit Zry-4-Hüllrohren" in "Atomwirtschaft", Seiten 563 und 564 vom November 1972 sind die Ursachen für dieses Wachstum untersucht worden und nach dem dort angegebenen Ergebnis ist das Längenwachstum proportional der schnellen Neutronendosis, wobei eine Überlagerung aufgrund der Wechselwirkung zwischen Brennstoff und Hüllrohr angenommen wird.
-
In der DE-OS 30 03 610 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Behälterrohres für Brennstäbe beschrieben, das aus einer Außenhülse aus einer Zirkoniumlegierung und einer metallurgisch damit verbundenen Innenschicht aus Zirkoniummetall mit Verunreinigungen von weniger als 5000 ppm besteht. Das Verfahren besteht aus Kaltverformungsstufen mit Zwischenglühungen zum Rekristallisieren sowie einer nach der letzten Kaltverformungsstufe ausgeführten Abschlußglühung bei einer tieferen Temperatur als während der Zwischenglühungen, um nur das Zirkoniummetall zu einem feinkörnigen Gefüge zu rekristallisieren, die Zirkoniumlegierung aber nur spannungsfrei zu machen.
-
Unter dem in einem im Betrieb befindlichen Kernreaktor vorherrschenden Bedingungen entwickeln Zirkoniumlegierungen wie vorstehend ausgeführt, ein gewisses Maß an strahlungsinduziertem Wachstum. Das Ausmaß des strahlungsinduzierten Wachstums hängt von vielen Faktoren ab, darunter dem Legierungsmaterial, der Temperatur, der Neutronenenergie und dem Neutronenfluß.
-
Mechanische Wechselwirkung zwischen Brennstoffpellets und der Brennstoffhülse führt eine Wachstumskomponente in die Brennstoffstäbe ein, die in Wasserstäben nicht vorliegt. Dies führt zu einem unterschiedlichen Bestrahlungswachstum zwischen Brennstoffstäben und Wasserstäben. Mit zunehmenden Abbrand nimmt die mechanische Pellet-Brennstoffhülsen-Wechselwirkung (PCMI) zu, und als Folge nimmt der Unterschied im Bestrahlungswachstum zwischen Brennstoffstäben und Wasserstäben zu.
-
In einer solchen Kernbrennstoffeinheit liegen die Brennstoffstäbe längs zwischen oberen und unteren Verankerungsplatten, in denen die Enden der Brennstoffstäbe befestigt sind, z. B. mit Hilfe von Endstopfen mit Zapfen, die in Löcher in den Verankerungsplatten eingepaßt sind. Wasserstäbe sind längs zwischen den Verankerungsplatten angeordnet und ebenso mit Hilfe solcher Endstopfen mit in entsprechende Löcher in der Verankerungsplatte eingepaßten Zapfen befestigt.
-
Typischerweise besteht ein axialer Unterschied im strahlungsinduzierten Wachstum zwischen Brennstoffstäben und Wasserstäben. Ein kleiner axialer Wachstumsunterschied wird z. B. durch Einbringen von Ausdehnungsfedern zwischen der oberen Verankerungsplatte und dem oberen Ende der Brennstoffstabhülse ausgeglichen. Die Ausdehnungsfedern sind um einen Teil der Endstopfenzapfen herum angeordnet.
-
Der Abstand zwischen den oberen und unteren Verankerungsplatten nimmt entsprechend dem axialen strahlungsinduzierten Wachstum der Brennstoffstäbe zu. Es könnte der Unterschied im axialen, durch Bestrahlung verursachten Wachstum zwischen Brennstoffstäben und Wasserstäben zu groß werden, um durch die Ausdehnungsfedern ausgeglichen zu werden, und dies könnte dazu führen, daß ein oder mehrere Endstopfenzapfen von Wasserstäben aus der oberen oder unteren Verankerungsplatte freigegeben werden können.
-
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Kernbrennstoffeinheit mit Wasserstäben und Brennstoffstäben mit in etwa gleichem Bestrahlungswachstum bereitzustellen.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hülsenrohre der Brennstoffstäbe und die Hülsenrohre der Wasserstäbe aus einer Zirkoniumlegierung hergestellt werden, wobei die Endabmessungen jeweils durch Kaltverformungsreduktion erzielt werden, und daß danach die Hülsenrohre der Brennstoffstäbe einer Wärmebehandlung von etwa 1 bis etwa 15 h bei etwa 540 bis etwa 700°C und die Hülsenrohre der Wasserstäbe einer Wärmebehandlung von etwa 1 bis etwa 4 h bei etwa 440 bis etwa 510°C ausgesetzt werden.
-
Die Erfindung beruht auf der Vermutung, daß ein geringes Bestrahlungswachstum auftritt, wenn die kristalline Struktur des Metalls sich in einem niederenergetischen Zustand befindet, und ein stärkeres Bestrahlungswachstum auftritt, wenn kristalline Struktur des Metalls in einem höher-energetischen Zustand ist.
-
Im einzelnen umfaßt das Verfahren die Bildung eines Hülsenrohres für die Brennstoffstäbe aus einer Zirkoniumlegierung, wobei die Endabmessungen durch eine ausgewählte Kaltverformungsreduktion erzielt werden, was der kristallinen Struktur des Metalls einen hohen Energiezustand verleiht. Der abschließenden Kaltverformungsreduktion folgt eine Wärmebehandlung des Hülsenrohres für die Brennstoffstäbe bei einer ausgewählten Temperatur und für eine ausgewählte Zeit, um das Metall sich zumindest teilweise auf einen geringeren Energiezustand rekristallisieren zu lassen.
-
Ein Hülsenrohr für die Wasserstäbe wird aus dem gleichen Metall wie das Brennstoffhülsenrohr hergestellt, indem durch ausgewählte Kaltverformungsreduktion gegebene Endabmessungen erreicht werden, die in etwa die gleichen wie die des Brennstoffhülsenrohres sein können. Das Hülsenrohr für die Wasserstäbe kann dann bei einer ausgewählten Temperatur und für eine ausgewählte, zum Induzieren von weniger Rekristallisation als beim ersten Hülsenrohr ausreichende Zeit erwärmt werden, um dadurch einen höheren Energiezustand der kristallinen Struktur als die des ersten Rohres beizubehalten.
-
Das Hülsenrohr für die Wasserstäbe wird aufgrund eines höheren Energiezustandes ein stärkeres Bestrahlungswachstum als das Hülsenrohr für die Brennstoffstäbe zeigen.
-
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur einen teilweise weggeschnittenen Querschnitt einer Kernbrennstoffeinheit mit Kernbrennstoffstäben und Wasserstäben gemäß der Erfindung darstellt.
-
Eine Hauptanwendung der Erfindung ist die Herstellung von Kernbrennstoffeinheiten, wie in der Figur als teilweise weggeschnittene Schnittansicht veranschaulicht, worin die Hülsenbehälter der Wasserstäbe ein Bestrahlungswachstum zeigen, das dem von Brennstoffstäben unter Betriebsbedingungen eines Siedewasserreaktors äquivalent ist.
-
Eine Kernbrennstoffeinheit 10 umfaßt einen rohrförmigen Strömungskanal 11 von allgemein quadratischem Querschnitt, am oberen Ende mit einem Hebegriff 12 auf der oberen Verankerungsplatte und am unteren Ende mit einem Nasenteil (durch das Weglassen des unteren Teils der Einheit 10 nicht dargestellt) ausgestattet. Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Nasenteils ist mit Kühlstromöffnungen versehen. Eine Reihe von alternierenden Brennstoffstäben 14 und Wasserstäben 15 ist im Kanal 11 eingeschlossen und wird darin mit Hilfe einer oberen Verankerungsplatte 16 und einer unteren Verankerungsplatte (durch das Weglassen des unteren Teils nicht dargestellt) getragen.
-
Flüssiges Kühlmittel tritt gewöhnlich durch die Öffnungen im unteren Ende des Nasenteils ein und strömt teilweise in die Wasserstäbe durch Einlaßlöcher (nicht dargestellt) und gelangt aufwärts durch die Wasserstäbe und durch Auslaßöffnungen 17 der Wasserstäbe und Auslaß 13 des Kanals mit erhöhter Temperatur hinaus. Kühlmittel gelangt auch aufwärts innerhalb des Kanals in den Raum zwischen die Brennstoff- und Wasserstäbe. Kühlmittel außerhalb der Wasserstäbe wird typischerweise aus dem Kanal über den Auslaß 13 in wenigstens teilweise verdampftem Zustand ausgebracht. Die Kernbrennstoffstäbe 14 sind an ihren Enden durch Endstopfen 18 hermetisch verschlossen, die mit der Hülse 19 verschweißt sind. Die Endstopfen umfassen Zapfen 20, um das Anbringen des Brennstoffstabes in der Einheit zu ermöglichen oder zu erleichtern. Ein Hohl- oder Leerraum 21 ist an einem Ende des Elements vorgesehen, um Ausdehnung von Pellets des Brennstoffmaterials 22 in Längsrichtung und Ansammlung von aus dem Brennstoffmaterial freigesetzten Gasen zu ermöglichen. Eine Rückhalteeinrichtung 24 für das Kernbrennstoffmaterial in Form eines schraubenförmigen Teils ist innerhalb des Leerraums 21 angeordnet, um gegen die axiale Bewegung der Pelletsäule, insbesondere während der Handhabung und des Transports des Brennstoffelements, einen Widerstand zu schaffen. Eine Ausdehnungsfeder 23 ist zwischen dem oberen Ende eines jeden Brennstoffstabs und der oberen Verankerungsplatte angeordnet, um unterschiedliche axiale Ausdehnung unter Brennstoffstäben und zwischen Brennstoffstäben und Wasserstäben aufgrund Bestrahlungswachstums auszugleichen.
-
Nukleare Wasserstäbe 15 sind hohl und an ihren Enden durch Endstopfen 25 fest verschlossen, die an die Hülse 26 geschweißt sind. Die Endstopfen weisen Zapfen 27 auf, die das Anbringen der Wasserstäbe in der Einheit ähnlich den Brennstoffstäben ermöglichen bzw. erleichtern. Die Wasserstäbe weisen Einlaßöffnungen (nicht dargestellt) über dem unteren Endstopfen und Auslaßöffnungen 17 unter dem oberen Endstopfen 27 auf. Wenn das Kühlmittel in die Wasserstäbe von ausgewählten radialen Richtungen hereintreten oder aus ihnen austreten soll, kann bzw. können ein oder beide Endstopfen Zapfen von quadratischem Querschnitt aufweisen, die dann in Löcher in den Verankerungsplatten mit entsprechendem quadratischen Querchnitt eingesetzt werden. Ausdehnungsfedern 28 sind auch zwischen dem oberen Ende einer jeden Wasserstabhülse und der oberen Verankerungsplatte angebracht, um ein gewisses Maß unterschiedlichen Bestrahlungswachstum zwischen Wasserstäben und Brennstoffstäben auszugleichen.
-
Die Erfindung eignet sich besonders für anisotrope Metalle, da isotrope Metalle geringes oder praktisch kein Bestrahlungswachstum erfahren. Anisotrope Metalle sind Metalle, die in verschiedenen kristallographischen Richtungen unterschiedliche Eigenschaften zeigen. Die bevorzugten anisotropen Metalle zur Anwendung in Kernreaktoren sind Zirkoniumlegierungen. Noch bevorzugter sind die Zirkoniumlegierungen Zircaloy-2 und Zircaloy-4.
-
Zircaloy-2 hat auf Gewichtsbasis etwa 1,5% Zinn, 0,12% Eisen, 0,09% Chrom und 0,005% Nickel und wird in wassergekühlten Reaktoren extensiv verwendet. Zircaloy-4 hat weniger Nickel als Zircaloy-2 und enthält etwas mehr Eisen, gleicht aber sonst Zircaloy-2.
-
Um die Endabmessung des Rohres zu erzielen, erfolgen im allgemeinen mehrere Kaltverformungsreduktionen. Nach jedem Reduktionsdurchgang wird der Rohrrohling gereinigt und wärmebehandelt.
-
Die schwere Kaltverformung, die bei der Rohrreduktion stattfindet, führt zu einer Verformung der Gestalt der Metallkristalliten und ruft viele Kristalldefekte innerhalb der Kristallite hervor. Kaltverformte Metalle befinden sich in relativ hohem Energiezustand, der thermisch nicht stabil ist. Wärmebehandlung nach einem Kaltverformungsreduktionsdurchgang wendet Wärme an, um den Atomen des Metalls Beweglichkeit zu verleihen, und läßt sie sich selbst in einen tieferen Energiezustand bringen. Dies wird als Rekristallisation bezeichnet und ist eine Funktion sowohl der Temperatur als auch der Zeit, wobei die Temperatur der empfindlichere Parameter ist.
-
Nach Erreichen der endgültigen Dimensionen durch einen abschließenden Kaltverformungsreduktionsdurchgang erfahren Brennstoffstäbe typischerweise eine Wärmebehandlung, bei der Zeit und Temperatur ausreichend gewählt werden, um praktisch vollständige Rekristallisation zu ergeben, aber nicht ausreichend, um allzu großes kristallines Kornwachstum zuzulassen. Im Falle von Zirkoniumlegierungen liegen geeignete Temperaturen und Zeiten für diese Wärmebehandlung oder Vergütungsstufe im Bereich von etwa 540 bis etwa 700°C für etwa 1 bis 15 h und vorzugsweise etwa 2 bis 5 h.
-
Nach Erreichen der endgültigen Dimensionen durch einen Kaltverformungsreduktionsdurchgang werden Wasserstäbe bei einer Temperatur und Zeit wärmebehandelt, die der Legierung weniger Rekristallisation verschaffen, als bei den Brennstoffstäben. Vorzugsweise wird die Wärmebehandlung zur Erzielung teilweiser Rekristallisation ausgewählt, d. h. Entspannung, nicht aber volle Rekristallisation der kristallinen Metallstruktur. Für Zirkoniumlegierungen sind bevorzugte Temperaturen für diese Wärmebehandlung von etwa 440 bis etwa 510°C für etwa 1 bis 4 h.
-
Der Energiezustand kann auch zusätzlich zur abschließenden Wärmebehandlung, durch den Grad der Kaltverformungsreduktion beim abschließenden Reduktionsdurchgang variiert werden. Eine große Reduktion der Wanddicke verleiht größere Verformung und Kristalldefekte und läßt das Metall in relativ höherem Energiezustand sein als eine geringere Reduktion.
-
Das endgültige Energieniveau eines Hülsenrohres resultiert aus der Kombination von Kaltverformungsreduktion und Wärmebehandlung. Die beiden Faktoren hängen voneinander ab, so daß eine allzu große Kaltverformungsreduktion durch eine längere oder heißere Wärmebehandlung kompensiert werden kann, um das gewünschte Energieniveau zu erreichen.
-
Um beispielsweise Brennstoffstäbe und Wasserstäbe mit im wesentlichen gleichwertigem Bestrahlungswachstum in einem Siedewasserreaktor herzustellen, können die nachfolgend beschriebenen Rohrfabrikationspläne angewandt werden.
-
Ein erstes Hülsenrohr für einen Brennstoffstab wird aus einem Rohling aus Zircaloy-2-Legierung entsprechend ASTM B 353, Grade RA-1 hergestellt. Der Rohling wird maschinell bearbeitet und gereinigt und hat Abmessungen von etwa 23 cm Länge, etwa 14,6 cm Außendurchmesser und etwa 4,2 cm Innendurchmesser.
-
Der Rohling wird zu einer Hülsenrohrschale mit einer Extrusionsgeschwindigkeit von etwa 15 cm/min, einem Reduktionsverhältnis von etwa 6 : 1, einer Temperatur von etwa 600°C und einer Extrusionskraft von etwa 34 300 kN extrudiert. Alle Rohlingoberflächen, mit Ausnahme der Bohrung und des Pendeldorns, werden mit einem wasserlöslichen Gleitmittel geschmiert.
-
Die endgültige Reduktion der Rohrschale erfolgt durch Kaltverformungsreduktion in einer Pilger-Maschine.
-
Die Rohrschale hat vor der Reduktion einen Außendurchmesser von etwa 6,3 cm und eine Wanddicke von etwa 1,1 cm. Die Rohrschale wird mit einem Entfettungsmittel und dann einer alkalischen Lösung auf Seifenbasis gereinigt. Sie wird etwa 1 h bei etwa 620°C vergütet.
-
Ein erster Reduktionsdurchgang in einer Pilger-Maschine wird vorgenommen und führt zu einer Rohrschale mit einem Außendurchmesser von etwa 3,7 cm und einer Wanddicke von etwa 0,56 cm. Die Schale wird dann wie zuvor gereinigt und etwa 1 h bei etwa 620°C vergütet.
-
Ein zweiter Reduktionsdurchgang in der Pilger-Mühle wird vorgenommen und führt zu einem Rohr mit einem Außendurchmesser von 2 cm und einer Wanddicke von etwa 0,24 cm. Das Rohr wird gereinigt und etwa 1 h bei etwa 620°C vergütet.
-
Die erste Rohrschale zur Herstellung eines Brennstoffstabs erfährt dann eine dritte und abschließende Reduktion in der Pilger-Mühle, in der eine etwa 76%ige Reduktion der Wanddicke erfolgt, um ein erstes Hülsenrohr mit einem Außendurchmesser von 1,26 cm und einer Wanddicke von 0,09 cm zu ergeben. Das Rohr wird wieder gereinigt und bei etwa 580°C etwa 2,5 h vergütet, um das Endprodukt zu liefern.
-
Ein zweites Hülsenrohr aus Zirkaloy-2, zu verwenden als Wasserstab, wird hergestellt, wie oben für einen Brennstoffstab durch den zweiten Reduktionsdurchgang in der Pilger-Maschine beschrieben. Nach dem zweiten Reduktionsdurchgang wird die Rohrschale mit einem Entfettungsmittel und einer alkalischen Lösung auf Seifenbasis gereinigt. Die Rohrschale wird dann etwa 1 h bei etwa 620°C vergütet.
-
Ein dritter Reduktionsdurchgang durch die Pilger-Mühle, worin eine etwa 60%ige Reduktion der Wanddicke erfolgt, führt zu einer Rohrschale mit einem Außendurchmesser von etwa 1,57 cm und einer Wanddicke von 0,094 cm. Das Rohr wird wieder gereinigt, wie zuvor, und etwa 1 h bei etwa 620°C vergütet. Ein vierter und abschließender Reduktionsdurchgang durch die Pilger-Mühle, worin eine etwa 20%ige Reduktion der Wanddicke erfolgt, führt zu einem zweiten Hülsenrohr mit einem Außendurchmesser von 1,5 cm und einer Wanddicke von 0,08 cm.
-
Nach der endgültigen Kaltverformungsreduktion wird das zweite Hülsenrohr etwa 4 h bei etwa 510°C wärmebehandelt.
-
Beide Hülsenrohre werden dann auf Länge geschnitten und zu Brennstoff- bzw. Wasserstäben verarbeitet.