DE3442209A1

DE3442209A1 - Fuel rod for a nuclear reactor

Info

Publication number: DE3442209A1
Application number: DE19843442209
Authority: DE
Inventors: Gunnar Dipl.-Ing. Västeraas Vesterlund
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1983-11-29
Filing date: 1984-11-19
Publication date: 1985-06-05
Also published as: SE8306575D0; JPS60135788A; SE441791B; SE8306575L

Abstract

Fuel rod for a nuclear reactor having a fuel sheath (1) filled with nuclear fuel (3) and made of a zirconium-base alloy, to whose inside surface a protective layer (1a) made of another zirconium-base alloy is applied. According to the invention, the zirconium in the protective layer is alloyed with one or more of the substances iron, chromium and nickel with a total content of 0.4-1.5 percent by weight and the content of all the other substances contained in the zirconium of the protective layer is less than 0.5 percent by weight. The fuel rod contains a nuclear fuel (2) which is preferably composed of uranium dioxide. <IMAGE>

Description

Brennstab für einen Kernreaktor Fuel rod for a nuclear reactor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstab für einen Kernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The present invention relates to a fuel rod for a nuclear reactor according to the preamble of claim 1.

Als Hülle für den Brennstoff in Kernreaktoren werden normalerweise dünnwandige Rohre aus auf Zirkonium basierenden Legierungen verwendet, die unter dem Handelsnamen Zircaloy bekannt sind. Diese Legierungen enthalten Legierungssubstanzen wie Zinn, Eisen, Nickel, Chrom und Sauerstoff. Die Legierungen verhärten durch die Neutronenbestrahlung. Die Verhärtung führt zu einer Versprödung des Materials und zu einer erheblich größeren Anfälligkeit für durch Spannungskorrision bedingte Stabschäden. Um diesem Prozeß entgegenzuwirken, ist es bekannt, die Brennstoffhülle auf der Innenseite mit einer dünnen Schutzschicht zu überziehen.As a cover for the fuel in nuclear reactors are normally thin-walled tubes made of zirconium-based alloys are used, which under known by the trade name Zircaloy. These alloys contain alloying substances such as tin, iron, nickel, chromium and oxygen. The alloys harden through the Neutron irradiation. The hardening leads to an embrittlement of the material and significantly greater susceptibility to rod damage caused by stress corrosion. In order to counteract this process, it is known to have the fuel cladding on the inside to be covered with a thin protective layer.

Aus den DE-Osen 25 50 029 und 28 42 198 ist es bekannt, als Material für die Schutzschicht Zirkonium mit einem Verunreinigungsgehalt von höchstens 1000 ppm (parts per million) bzw. höchstens 5000 ppm zu verwenden. Die DE-OS 31 24 935.3 beschreibt Schutzschichten aus Zirkonium, das mit 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 legiert ist. Das Zirkonium kann dabei außerdem andere in kommerziellem Zirkoniumschwamm von Reaktorqualität vorhandene Verunreinigungen enthalten. In der genannten Druckschrift wird angenommen, daß die Zusätze an Molybdän, Kohlenstoff, Phosphor oder Silizium zu einer Ausscheidung von Verbindungen führen, wie zum Beispiel intermetal-lische Verbindungen, Karbide, Phosphide und Silizide, die in Form freier Partikel im Zirkoniumgrundgitter auftreten. Es wird angenommen, daß diese Ausscheidungen das Kornwachstum bei der Herstellung des Rohres verhindern, so daß man ein Zirkoniumgefüge aus kleineren Körnern erhält, als wenn keine Zusätze vorhanden wären. Dieses besondere feinkörnige Gefüge soll der Grund für die erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosion sein.From DE-Osen 25 50 029 and 28 42 198 it is known as a material for the protective layer of zirconium with a maximum impurity content of 1000 ppm (parts per million) or a maximum of 5000 ppm should be used. DE-OS 31 24 935.3 describes protective layers made of zirconium, which contains 0.1 - 3 percent by weight of molybdenum and / or 0.03-1 weight percent carbon and / or 0.03-1 weight percent Phosphorus and / or 0.03-1 weight percent silicon is alloyed. The zirconium can including others present in commercial reactor grade zirconium sponge Contain impurities. In the cited document it is assumed that the Additions of molybdenum, carbon, Phosphorus or silicon to one Lead to the elimination of compounds, such as intermetallic compounds, Carbides, phosphides and silicides, which are in the form of free particles in the zirconium basic lattice appear. It is believed that these precipitates cause grain growth in the Prevent manufacture of the tube, so that you can make a zirconium structure from smaller ones Grains as if there were no additives. This particular fine-grained The structure is said to be the reason for the increased resistance to stress corrosion be.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Brennstab der eingangs genannten Art zu entwickeln, welcher ebenfalls ein feinkörniges Gefüge und sehr widerstandsfähig gegen Spannungskorrosion ist, der aber gleichzeitig eine kostensparenderende Herstellung ermöglicht.The invention has for its object to provide a fuel rod of the initially called type to develop, which also has a fine-grain structure and very is resistant to stress corrosion, but at the same time it is cost-saving Production enables.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennstab für einen Kernreaktor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.A fuel rod for a nuclear reactor is used to solve this problem proposed according to the preamble of claim 1, which according to the invention in the characterizing part of claim 1 has mentioned features.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.Advantageous refinements of the invention are set out in the further claims called.

Gemäß der Erfindung hat es sich als möglich erwiesen, ein feinkörniges Gefüge und eine große Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosion in der Schutzschicht durch die Verwendung von Zirkonium zu erzielen, welches mit verhältnismäßig hohen Gehalten eines oder mehrerer der Metalle Eisen, Chrom und Nickel legiert ist. Die Ausnutzung dieser Möglichkeit hat erhebliche Vorteile, da diese Substanzen als Bestandteile in der Zirkoniumlegierung der Brennstoffhülle vorkommen, auf deren Innenseite die spannungskorrosionsbeständige Schicht aufgebracht wird. Hierdurch kann nämlich ein solches Überschußmaterial in der inneren Schicht, das bei der Herstellung der beschichteten Brennstoffhue notwendigerweise auftritt, wieder für die Herstellung der Zirkoniumlegierung für die Brennstoffhülle verwendet werden.According to the invention, it has been found possible to use a fine-grained Structure and great resistance to stress corrosion in the protective layer to achieve through the use of zirconium, which with relatively high Held one or more of the metals iron, chromium and nickel is alloyed. the Taking advantage of this possibility has considerable advantages, as these substances are used as components occur in the zirconium alloy of the fuel shell, on the inside of which the Stress corrosion resistant layer is applied. Because of this, a such excess material in the inner layer that in the preparation of The coated fuel hue necessarily occurs again for manufacture the zirconium alloy can be used for the fuel cladding.

Diese Herstellung geschieht normalerweise dadurch, daß Zirkoniumschwamm von Reaktorqualität, Schrott der Zirkoniumlegierung und Legierungszusätze gemischt und geschmolzen werden. Die Wiederverwendung von Überschußmaterial in der inneren Schicht auf diese Weise bedeutet eine erhebliche Kostenersparnis.This production is usually done by using zirconium sponge of reactor grade, zirconium alloy scrap and alloy additives mixed and be melted. The reuse of excess material in the interior Layering in this way means a significant cost saving.

Die übrigen im Zirkonium enthaltenen Substanzen sind in Zirkoniumschwamm von Reaktorqualität normalerweise vorkommende Verunreinigungen. Normale Verunreinigungsgehalte in Zirkonium dieser Qualität betragen für Sauerstoff 200 - 1200 ppm, 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 wengier, 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. In den Fällen, in den Eisen, Chrom bzw. Nickel gemäß der Erfindung als Legierungszusätze vorhanden sind, sind deren Gehalte natürlich so groß, wie sie für die betreffende Legierung spezifiziert sind. Der Gesamtgehalt aller anderen, also mit Ausnahme von Eisen, Chrom und Nickel, in der auf Zirkonium basierenden Legierung für die Schutzschicht enthaltenen Substanzen beträgt weniger als 0,5 Gewichtsprozent.The other substances contained in zirconium are in zirconium sponge reactor grade contaminants normally occurring. Normal impurity levels in zirconium of this quality it is 200 - 1200 ppm for oxygen and for aluminum 75 ppm or less, for boron 0.4 ppm or less, for cadmium 0.4 ppm or less, for carbon 270 ppm or less, for chromium 200 ppm or less, for cobalt 20 ppm or less, for copper 50 ppm or less, for hafnium 100 ppm or less, for hydrogen 25 ppm or less, for iron 1500 ppm or less, for magnesium 20 ppm or less, for manganese 50 ppm or less, for molybdenum 50 ppm or less, for nickel 70 ppm or less, for niobium 100 ppm or less, for nitrogen 80 ppm or less, for silicon 120 ppm or less, for tin 50 ppm or less, for tungsten 100 ppm or less, for titanium 50 ppm or less and for uranium 3.5 ppm or less. In the cases in which iron, chromium or nickel according to the invention are present as alloy additives, their contents are of course as large as they are specified for the alloy in question. The total salary of everyone else with the exception of iron, chromium and nickel, in the one based on zirconium Alloy for the substances contained in the protective layer is less than 0.5 percent by weight.

Die Dicke der innwandigen Schutzschicht beträgt o,XRS- - 0,8 mm, vorzugsweise 0,05 - 0,1 mm.The thickness of the inner-walled protective layer is 0.5XRS- 0.8 mm, preferably 0.05-0.1 mm.

Die Zirkoniumlegierung für die Brennstoffhülle, auf deren Innenseite die Schutzschicht aufgebracht ist, besteht vorzugsweise aus einer Zirkonium-Zinn-Legierung, beispielsweise den unter den Handelsnamen Zircaloy 2 und Zircaloy 4 bekannten Zirkoniumlegierungen, deren Gehalt an Legierungssubstanzen in den Grenzen von 1,2 - 1,7 % Zinn, 0,07 - 0,24 % Eisen, 0,05 - 0,15 % Chrom, 0 - 0,08 % Nickel und 0,09 -0,16 % Sauerstoff liegt. Der Rest besteht aus Zirkonium und den in Zirkonium von Reaktorqualität normalerweise vorkommenden Verunreinigungen. Zircaloy 2 enthält 1,2 - 1,7 % Zinn, 0,07 -0,20 Eisen, 0,05 - 0,15 % Chrom, 0,03 - 0,08 % Nickel und 0,09 - 0,16 % Sauerstoff. Zircaloy 4 enthält 1,2 - 1,7 % Zinn, 0,18 - 0,24 % Eisen, 0,07 - 0,13 Chrom und 0,09 - 0,16 % Sauerstoff. Alle angegebenen Prozentsätze sind Gewichtsprozente. Der Kernbrennstoff in den Brennstäben ist vorzugsweise Urandioxyd.The zirconium alloy for the fuel shell, on the inside the protective layer is applied, preferably consists of a zirconium-tin alloy, for example the zirconium alloys known under the trade names Zircaloy 2 and Zircaloy 4, their content of alloy substances within the limits of 1.2 - 1.7% tin, 0.07 - 0.24% iron, 0.05-0.15% chromium, 0-0.08% nickel and 0.09-0.16% oxygen lies. The remainder consists of zirconium and those in reactor grade zirconium normally occurring impurities. Zircaloy 2 contains 1.2-1.7% tin, 0.07-0.20 iron, 0.05-0.15% chromium, 0.03-0.08% nickel and 0.09-0.16% oxygen. Zircaloy 4 contains 1.2-1.7% tin, 0.18-0.24% iron, 0.07-0.13 chromium and 0.09-0.16 % Oxygen. All percentages given are percentages by weight. The nuclear fuel there is preferably uranium dioxide in the fuel rods.

Anhand des in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen Figur 1 einen Brennstab gemäß der Erfindung für einen leichtwassermoderierten Reaktor, Figur 2 einen Querschnitt durch den Brennstab gemäß Figur 1 in vergrößertem Maßstab.Based on the embodiment shown in the figures, the Invention will be explained in more detail. FIG. 1 shows a fuel rod according to the invention for a light water moderated reactor, Figure 2 shows a cross section through the fuel rod according to Figure 1 on an enlarged scale.

In den Figuren besteht die mit 1 bezeichnete Brennstoffhülle aus einer auf Zirkonium basierenden Legierung, wie zum Beispiel Zircaloy 2. Die auf der Innenwand aufgebrachte dünne SchutzschichtjL9emäß der Erfindung ist in Figur 1 nicht dargestellt. Die Brennstoffhülle ist ca. 4 m lang und enthält ca. 300 kreiszylindrische Tabletten 2 aus Urandioxyd, die in Achsenrichtung aufeinandergestapelt sind. Die Tabletten haben eine Höhe von 11 mm und einen Durchmesser von 10,30 mm. Die unterste Tablette ruht eben und lose auf einem in dem unteren Ende des Rohres eingeschweißten Endzapfen 3, und die oberste Tablette wird von einer Spiralfeder 4 nach unten gedrückt, die zwischen der Tablettensäule und einem in dem oberen Ende des Rohres eingeschweißten Endzapfen 5 eingespannt ist. Die Tabletten sind so geschliffen, daß das Spiel 6 zwischen der Mantelfläche der Tabletten und der Innenseite der Brennstoffhülle ca. 0,1 mm beträgt, wenn die Tablette zentriert in dem Rohr liegt. Die Brennstoffhülle ist mit Helium gefüllt, das unter einem Druck von 0,4 MPa steht.In the figures, the fuel shell denoted by 1 consists of a Zirconium based alloy, such as Zircaloy 2. Die on the inner wall Applied thin protective layer according to the invention is not shown in FIG. The fuel shell is approx. 4 m long and contains approx. 300 circular-cylindrical tablets 2 from uranium dioxide, which are stacked one on top of the other in the axial direction. The tablets have a height of 11 mm and a diameter of 10.30 mm. the lowest tablet rests flat and loosely on one that is welded into the lower end of the tube End pin 3, and the top tablet is pressed down by a spiral spring 4, those welded between the pill column and one in the upper end of the tube End pin 5 is clamped. The tablets are ground so that the game 6 between the outer surface of the tablets and the inside of the fuel shell approx. Is 0.1 mm when the tablet is centered in the tube. The fuel envelope is filled with helium, which is under a pressure of 0.4 MPa.

Die Herstellung der Brennstoffhülle 1 mit ihrer inwandigen Schutzschicht kann wie folgt geschehen: 0,5 Gewichtsteile Eisen werden mit 99,5 Gewichtsteilen kommerziellem Zirkoniumschwamm von Reaktorqualität mit der oben genannten Zusammensetzung gemischt. Aus dieser Mischung wird unter Schmelzen derselben ein Rohr mit einer Wanddicke von 1,25 mm und einem Außendurchmesser von 44 mm hergestellt. Dieses Rohr wird in einem Rohr aus Zircaloy 2 angeordnet, welches eine Wanddicke von 10 mm und einen Innendurchmesser von 45 mm hat. Die beiden Rohre werden an ihren beiden Enden miteinander zusammengeschweißt. Das so gewonnene zusammengesetzte Rohr wird stranggepreßt, ohne einer Erhitzung ausgesetzt zu werden. Das stranggepreßte Produkt wird danach in mehreren Stufen kaltgewalzt mit zwischenzeitlichen Rekristallisationsglühungen bei ca. 650 Grad und einer Endglühung nach dem letzten Walsvorgang bei ca. 650 Grad und einer Endglühung nach dem letzten Walzvorgang bei ca. 525 Grad, wobei man das in Figur 2 dargestellte 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 1a aus Zirkonium mit einlegiertem Eisen mit einer Dicke von 0,07 mm besteht.The production of the fuel cladding 1 with its internal protective layer can be done as follows: 0.5 parts by weight of iron become 99.5 parts by weight commercial reactor grade zirconium sponge having the above composition mixed. This mixture becomes a tube with a melting point Wall thickness of 1.25 mm and an outside diameter of 44 mm. This pipe is placed in a pipe made of Zircaloy 2, which has a wall thickness of 10 mm and has an inside diameter of 45 mm. The two tubes are at their two ends welded together. The composite tube obtained in this way is extruded, without being exposed to heating. The extruded product is thereafter Cold-rolled in several stages with intermittent recrystallization annealing at approx. 650 degrees and a final annealing after the last whale process at approx. 650 degrees and a final annealing after the last rolling process at approx. 525 degrees The tubular end product shown in FIG. 2 is obtained, which consists of a layer 1 made of Zircaloy 2 with a thickness of 0.73 mm and an inner diameter of 10.65 mm and from a layer 1a made of zirconium with inlaid iron with a thickness of 0.07 mm.

In der Figur sind auch die Tabletten 2 aus Urandioxyd dargestellt.In the figure, the tablets 2 made of uranium dioxide are also shown.

Statt Eisen können in dem beschriebenen Beispiel u.a. 0,5 Gewichtsprozenom 0,5 Gewichtsprozent Nickel oder zwei der drei oder alle drei genannten Substanzen Eisen, Chrom und Nickel zusammen verwendet werden, zum Beispiel je 0,2 Gewichtsprozent jeder der drei Substanzen.Instead of iron, in the example described, inter alia 0.5 weight percent 0.5 percent by weight nickel or two of the three or all three substances mentioned Iron, chromium and nickel can be used together, for example 0.2 weight percent each each of the three substances.

Der Brennstab gemäß der Erfindung ist in erster Linie für einen Reaktor mit Wasser als Kühlmittel bestimmt.The fuel rod according to the invention is primarily for a reactor determined with water as a coolant.

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Claims

Patent claims over. Fuel rod for a nuclear reactor with a fuel shell (1) filled with nuclear fuel (3) and made of a zirconium-based one Alloy, on whose inner surface a protective layer (la) made of another zirconium based alloy is applied, d u r c h g e -k e n n n z e i c h n e t that the zirconium in the protective layer with one or more of the substances Iron, chromium and nickel are alloyed with a total content of 0.4 - 1.5 percent by weight and that the content of all the rest contained in the zirconium of the protective layer Substances is less than 0.5 percent by weight.

2. Fuel rod according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h ne t that the rest are contained in the zirconium of the protective layer Substances normally found in reactor grade zirconium sponge Impurities.