DE3635025A1

DE3635025A1 - TUBULAR FUEL COATING

Info

Publication number: DE3635025A1
Application number: DE19863635025
Authority: DE
Inventors: John Paul Foster; George Paul Sabol
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1985-10-22
Filing date: 1986-10-15
Publication date: 1987-04-23
Also published as: FR2588992B1; FR2588992A1; JPS6299432A; SE464267B; SE8604289D0; SE8604289L

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffummantelungen aus Zirkoniumbasislegierung für Leichtwasserreaktoren, zur Anwendung bei Druckwasserreaktoren, Siedewasserreaktoren und Schwerwasserreaktoren. Die Erfindung betrifft insbesondere rohrförmige Brennstoffummantelungen, die aus einem einzigen Zirkonbasismaterial zusammengesetzt sind.The present invention relates to fuel jackets made of zirconium-based alloy for light water reactors, for Application in pressurized water reactors, boiling water reactors and Heavy water reactors. The invention relates in particular tubular fuel jackets made from a single Zirconium base material are composed.

In der Vergangenheit sind eine Anzahl von Kernbrennstoffummantelungsanordnungen vorgeschlagen worden, die jeweils das Ziel der Minimierung von PCI-Rißfortpflanzung haben (PCI = pellet-cladding-interaction = Brennstoffpellet-Ummantelungzwischenwirkung). Diese Ausführungsformen betrafen alle die Anordnung eines verhältnismäßig weichen Materials als dünne, innere Schicht auf der inneren Oberfläche eines Rohres aus herkömmlichem Zirkoniumbasislegierungsmaterial (z. B. Zirkaloy 2 oder 4). Die Kosten für das weiche Material, und die Kosten für ihre Einbeziehung in das Brennstoffummantelungsrohr erhöhten bedeutsam die endgültigen Kosten für das Rohr. PCI-widerstandsfähiges Ummantelungsmaterial besitzt typischerweise eine voll rekristallisierte Mikrostruktur und verhältnismäßig niedrige Festigkeit und schlechte Wasserkorrosionswiderstandsfähigkeit im Vergleich zu den herkömmlichen Ummantelungsmaterialien Zirkaloy 2 und 4. Diese Eigenschaften haben es ungeeignet gemacht für die Verwendung als Material, das das gesamte Ummantelungsrohr bilden könnte. Es existiert daher dort ein Bedürfnis nach einem Brennstoffummantelungsdesign, bei dem ein einziges Material das Rohr bildet und eine Ummantelung liefert, die eine Kombination von ausgezeichneter Widerstandfähigkeit gegenüber PCI-Rißfortpflanzung und ausgezeichnete Wasserkorrosionseigenschaften wie auch gute strukturelle mechanische Eigenschaften aufweist.In the past there have been a number of nuclear fuel cladding arrangements have been proposed, respectively have the goal of minimizing PCI crack propagation (PCI = pellet-cladding-interaction = fuel pellet sheathing interaction). These embodiments all affected the arrangement of a relatively soft material as thin inner layer on the inner surface of a pipe made of conventional zirconium-based alloy material (e.g. Zirkaloy 2 or 4). The cost of the soft material, and the cost of their inclusion in the fuel jacket tube significantly increased the final cost of that Pipe. PCI-resistant sheathing material typically a fully recrystallized microstructure and relatively low strength and poor water corrosion resistance compared to the conventional ones Sheathing materials Zirkaloy 2 and 4. This Properties have made it unsuitable for use as a material that could form the entire jacket tube. So there is a need for a fuel jacket design where a single material is the pipe forms and provides a jacket that is a combination of excellent resistance to PCI crack propagation and excellent water corrosion properties as well as good structural mechanical properties having.

Entsprechend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige rohrförmige Brennstoffummantelung zu schaffen.Accordingly, it is an object of the present invention to to create such tubular fuel jacket.

Gelöst wird die Erfindung durch die Merkmale des Hauptanspruchs, also durch eine rohrförmige Brennstoffummantelung, die charakterisiert ist dadurch, daß die Ummantelung Zirkonbasislegierungen A, B, C, D oder E umfaßt und hinsichtlich ihrer gesamten Wand vollständig aus einer einzigen Legierung zusammengesetzt ist.The invention is solved by the features of the main claim, through a tubular fuel jacket, which is characterized in that the sheathing zirconium-based alloys A, B, C, D or E includes and with respect their entire wall made entirely of a single alloy is composed.

Es wird somit eine rohrförmige Brennstoffummantelung geliefert, die zusammengesetzt ist aus einer einzigen Zirkonbasislegierung. Die Ummantelung besitzt sowohl ausgezeichnete Wasserkorrosionswiderstandsfähigkeit und ausgezeichnete PCI-Bruchfortpflanzungswiderstandsfähigkeit wie auch gute strukturelle mechanische Eigenschaften. Infolgedessen wird die Notwendigkeit einer Ummantelung, die zwei Schichten aufweist (eine äußere Schicht zur Festigkeit und zum Widerstand gegen Wasserkorrosion, gebunden an eine weiche innere Schicht, die gegenüber PCI-Bruchfortpflanzung widerstandfähig ist), beseitigt. Vorzugsweise besitzt die rohrförmige Brennstoffummantelung gemäß der Erfindung durchgehend eine kaltgearbeitete und streßentlastete Mikrostuktur. Es kann zwar ein gewisses Ausmaß an rekristallisierten äquiaxialen Körnern in der Mikrostruktur vorhanden sein, sie machen aber nicht mehr als 10 Vol% der Mikrostruktur aus. Am günstigsten gibt es keine sichtbaren rekristallisierten Körner, um die strukturellen Eigenschaften der Ummantelung bei einer akzeptablen Wanddicke zu geben. Die verwendete Legierung kann eine der folgenden Zirkonbasislegierungen sein:A tubular fuel jacket is thus supplied which is composed of a single zirconium-based alloy. The casing has both excellent Water corrosion resistance and excellent PCI break propagation resistance as well as good structural mechanical properties. As a result the need for a sheathing, the two layers (an outer layer for strength and resistance against water corrosion, bound to a soft inner Layer that is resistant to PCI break propagation is) eliminated. Preferably, the tubular one Fuel jacket according to the invention continuously a cold worked and stress relieved micro structure. It can a certain amount of recrystallized equiaxial Grains are present in the microstructure, but they do not more than 10 vol% of the microstructure. The cheapest there are no visible recrystallized grains around which structural properties of the casing to give an acceptable wall thickness. The alloy used can be one of the following zirconium base alloys:

Tabelle I Table I

Vorzugsweise besitzt die Brennstoffummantelung gemäß der Erfindung eine hochanisotrope Textur und ist charakterisiert durch ein kontraktiles Belastungsverhältnis von 2 oder mehr, und vorzugsweise von 2,5 bis 3,0, oder durch eine Kearns- Radial-f-Nummer von zumindest 0,65, und vorzugsweise von mindestens 0,7.Preferably, the fuel jacket according to the Invention has a highly anisotropic texture and is characterized due to a contractile load ratio of 2 or more, and preferably from 2.5 to 3.0, or by a Kearns Radial f number of at least 0.65, and preferably of at least 0.7.

Vorzugsweise beträgt der Sauerstoffgehalt der in Tabelle I dargestellten Legierungen weniger als 400 ppm. Vorzugsweise ist der gesamte Unreinheitsgehalt geringer als 1000 ppm.The oxygen content is preferably that in Table I. alloys shown less than 400 ppm. Preferably the total impurity level is less than 1000 ppm.

Die Legierung wird ausgewählt aus einer dieser in Tabelle I dargestellten Legierungen. Es sei bemerkt, daß eine Brennstoffummantelung, die vollständig aus einer der in Tabelle I dargestellten Legierungen hergestellt wird und die die vorgenannten kaltbearbeiteten und streßentlasteten Mikrostrukturen besitzen, eine Kombination von wäßriger Korrosionsbeständigkeit, strukturelle mechanische Eigenschaften und PCI-Widerstandskraft aufweisen, die die Legierung geeignet macht zur Verwendung in herkömmlichen Brennstoffelementanordnungen für PWR-Reaktoren (Druckwasserreaktoren) und BWR-Reaktoren (Siedewasserreaktoren).The alloy is selected from one of these in Table I Alloys shown. It should be noted that a fuel jacket, which are entirely from one of the in Table I Alloys shown is manufactured and the aforementioned cold worked and stress relieved microstructures possess a combination of aqueous corrosion resistance, structural mechanical properties and have PCI toughness that make the alloy suitable makes for use in conventional fuel element assemblies for PWR reactors (pressurized water reactors) and BWR reactors (boiling water reactors).

Brennstoffummantelung mit der Legierung der C-Zusammensetzung kann eine endgültige Mikrostuktur aufweisen, die in einem streßentlasteten oder in einem teilweise oder auch in einem voll rekristallisierten Zustand vorliegt. Ein höherer Zinngehalt der Ausführungsform Legierung C erhöht die strukturellen mechanischen Eigenschaften dieser Legierung im Vergleich zu den anderen Legierungen, wie sie in der Tabelle I dargestellt sind, wodurch es möglich wird, die Brennstoffummantelung, die aus einem Material der Legierung C hergestellt ist, auch in teilweise oder in voll rekristallisiertem Zustand zu verwenden, zusätzlich zu dem vorzugsweise kaltbearbeiteten und streßentlasteten Zustand. Vorzugsweise wird die Zusammensetzung gemäß Legierung C innerhalb einer der folgenden Grenzen gehalten, wie in Tabelle II dargestellt. Diese Grenzwerte der Legierungselemente entsprechen denen der aus Zirkaloy 2 und Zirkaloy 4 bestehenden Brennstoffummantelung, mit der Ausnahme, daß der Sauerstoffgehalt abgesenkt wurde und die Gesamtunreinheitsgehalte ebenfalls gesteuert sind. Am günstigsten ist es, wenn für die in Tabelle II dargestellten Legierungen der Sauerstoffgehalt weniger als 400 ppm beträgt, während der gesamte Unreinheitsgehalt (einschließlich Sauerstoff) geringer als 1000 ppm ist. Fuel coating with the alloy of the C composition may have a final microstructure that is in a stress relieved or in a partial or even in is in a fully recrystallized state. A higher one Tin content of the alloy C embodiment increases the structural mechanical properties of this alloy in Comparison to the other alloys as shown in the table I, which makes it possible to cover the fuel, which are made of a material of alloy C is produced, also in partially or fully recrystallized Condition to use, in addition to the preferred cold worked and stress relieved condition. Preferably the composition according to alloy C within a of the following limits, as shown in Table II. These limit values correspond to the alloying elements those of the fuel jacket consisting of Zirkaloy 2 and Zirkaloy 4, except that the oxygen content was lowered and the total impurity levels as well are controlled. It is cheapest if for in Alloys shown in Table II of oxygen content is less than 400 ppm while the total impurity level (including oxygen) is less than 1000 ppm.

Tabelle II Table II

Es wird ferner angemerkt, daß der PCI-Widerstand der erfindungsgemäßen Brennstoffummantelung weiter verbessert werden kann durch Steuerung der kristallografischen Textur des endgültig angelassenen Rohrs, um so ein kontraktiles Belastungsverhältnis von 2 oder mehr zu haben, vorzugsweise von 2,5 bis 3,0, oder eine Kearns-Radial-f-Zahl von zumindest 0,65 und vorzugsweise von zumindest 0,7.It is also noted that the PCI resistance of the invention Fuel coating can be further improved can be done by controlling the crystallographic texture of the final tempered tube to create a contractile load ratio to have 2 or more, preferably 2.5 to 3.0, or a Kearns radial f number of at least 0.65 and preferably of at least 0.7.

Es wird angemerkt, daß der Durchschnittsfachmann das oben beschriebene Rohr unter Verwendung der bekannten Zirkaloy 2- und Zirkaloy 4-Brennstoffummantelungsherstellung Verfahren leicht herstellen kann. Es sei fernerhin bemerkt, daß die Brennstoffummantelung gemäß der vorliegenden Erfindung eine PCI-Widerstandsfähigkeit zeigen wird, die ähnlich ist zu der, die bei Zirkaloy 2-Brennstoffummantelung beobachtet wurde, die einen niedrigen Sauerstoffgehalt ≦ωτ450 ppm) und voll rekristallisierte Zirkoniumauskleidung aufweist, gebunden an die Innenseitendurchmesseroberfläche der Ummantelung.It is noted that those of ordinary skill in the art do the above described pipe using the known Zirkaloy 2- and Zirkaloy 4 fuel jacket manufacturing process can easily manufacture. It should also be noted that the Fuel cladding according to the present invention PCI resilience will show, which is similar to that the one that observed with Zirkaloy 2 fuel jacketing which has a low oxygen content ≦ ωτ450 ppm) and fully recrystallized zirconium lining to the inside diameter surface of the jacket.

Claims

1. A tubular fuel jacket, characterized in that the jacket comprises a zirconium alloy A, B, C, D or E; and that the wall is made entirely of a single alloy.

2. A casing according to claim 1, characterized in that that the wall is characterized by a continuous cold worked and stress relieved microstructure.

3. A casing according to claim 1 or 2, characterized in that that the total impurity content of the Alloy is less than 1000 ppm.

4. A casing according to claim 1, 2 or 3, characterized characterized in that the oxygen content of the alloy is less than 400 ppm.

5. A casing according to claim 1, 2, 3 or 4, thereby characterized that the only alloy is zirconium base alloy C is 1.2-1.7 w / o Sn, 0.07-0.20 w / o Fe, 0.05-0.15 w / o Cr, 0.03-0.08 w / o Ni, ≦ ωτ600 ppm O and contains less than 1500 ppm total impurities.

6. A casing according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized characterized that the only alloy is zirconium base alloy C is 1.2-1.7 w / o Sn, 0.18-0.24 w / o Fe, 0.07-0.13 w / o Cr, ≦ ωτ600 ppm O, and less than 1500 ppm Contains total impurities.

7. A casing according to claim 5 or 6, characterized in that that the sheathing is a partial or has fully recrystallized microstructure.

8. A casing according to one of claims 1 to 7, characterized in that the casing is anisotropic has crystallographic texture, which is characterized by a Kearns f number in the radial direction of at least 0.65 is characterized.

9. A casing according to claim 8, characterized in that that the Kearns f number is at least 0.7.

10. A casing according to one of claims 1 to 9, characterized characterized in that the sheathing is anisotropic has crystallographic texture by a contractile exposure ratio of at least 2.0 is characterized.

11. A casing according to claim 9, characterized in that that the contractile load ratio is 2.5 to Is 3.0.