DE69918002T2

DE69918002T2 - Anordnung und Verfahren zum Schutz gegen Schattenkorrosion

Info

Publication number: DE69918002T2
Application number: DE69918002T
Authority: DE
Inventors: Gunnar Wikmark
Original assignee: Westinghouse Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2019-08-28
Also published as: JP2000131490A; EP0986069B1; SE9803080D0; SE512804C2; DE69918002D1; ES2218914T3; EP0986069A1; SE9803080L; JP4458499B2

Description

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung, zu der ein erstes Bauteil gehört, welches eine Zirkoniumlegierung enthält oder aus ihr besteht, und zu der ein zweites Bauteil von solcher Art gehört, daß es eine Gegenelektrode in Bezug auf das erste Bauteil zu bilden vermag, wobei das erste und das zweite Bauteil in einer geringen Entfernung voneinander angeordnet sind, sich zwischen ihnen ein elektrisch leitendes Medium befindet und sie einer radioaktiven Strahlung durch ein Strahlungsfeld ausgesetzt sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verhinderung einer Schattenkorrosion auf einem ersten Bauteil, wobei das genannte Bauteil eine Zirkoniumlegierung enthält oder aus ihr besteht und dazu bestimmt ist, in einem Feld aus radioaktiver Strahlung in einer geringen Entfernung von einem zweiten Bauteil positioniert zu werden, wobei das genannte zweite Bauteil von solcher Art ist, daß es eine Gegenelektrode im Verhältnis zu dem ersten Bauteil zu bilden vermag, und wobei das erste und das zweite Bauteil der Strahlung des Feldes ausgesetzt sind.
Heutzutage kommen Anordnungen der oben genannten Art häufig in Kernkraftanlagen vor. In jüngster Zeit wurde beobachtet, daß Zirkoniumlegierungen, die in einer kurzen Entfernung von einem Bauteil angeordnet sind, welches beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder aus einer Nickellegierung besteht, eine erhöhte Neigung zur Korrosion in dem Milieu zeigt, in dem sie in einer Kernkraftanlage angeordnet sind, verglichen mit dem Fall, in welchem sie in einer größeren Entfernung von dem genannten Bauteil in dem gleichen Milieu angeordnet sind. In diesem Milieu ist die Zirkoniumlegierung sowohl einer Strahlung als auch einem korrosiven Medium ausgesetzt.
Bisher wurde die allgemeine Ansicht vertreten, daß der Grund für diese Korrosion, eine sogenannte Schattenkorrosion, in einer erhöhten Radiolyse besteht, bedingt durch ein extensiv erhöhtes Beta-Feld als Folge einer Kernreaktion mit dem Legierungselement Mangan.
Folglich ist der Stand der Technik auf diesem Gebiet primär darauf fokussiert, das Problem der Schattenkorrosion durch Vermeidung der genannten Kernreaktion mit dem Legierungselement Mangan in irgendeiner Weise zu verhindern. Dies hat jedoch nicht zu einer kommerziell praktikablen Lösung geführt, und daher wurde die Schattenkorrosion von Zirkoniumlegierungen, die in einer kurzen Entfernung von Bauteilen aus rostfreiem Stahl oder Nickellegierungen angeordnet sind, bisher als unvermeidbar unter den in Kernkraftanlage herrschenden Bedingungen akzeptiert.
Die EP-A2-0798747 beschreibt eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die englische Zusammenfassung der JP-A-08-313683 beschreibt, daß eine galvanische Korrosion in einer Zircaloy-Kanalkasten dadurch unterdrückt werden kann, daß die Oberfläche eines Handgriffes eines Steuerstabes und einer Führungsrolle mit einer Isolationskeramik, wie zum Beispiel Aluminiumoxid oder Spinell, überzogen wird.
Die englische Zusammenfassung der JP-A-07-248390 beschreibt, daß die lokale Korrosion eines Kontaktteils (oberer Endstopfen und unterer Endstopfen eines Hüllrohres) dadurch vermin dert werden kann, daß eine Oxidfilm auf einer Seite oder auf beiden Seiten eines konstitutiven Gliedes des Kontaktteils vorgesehen wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, in welcher ein erstes Bauteil, welches eine Zirkoniumlegierung enthält oder aus ihr besteht und in einer kurzen Entfernung von einem zweiten Bauteil angeordnet ist, welches aus einem auf Nickel basierenden Material besteht, eine wesentlich reduzierte Neigung zur Schattenkorrosion zu verleihen, verglichen mit Anordnungen gemäß dem Stande der Technik.
Dieses Ziel wird erreicht durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1.
Das Problem der Schattenkorrosion wird somit in einer Weise angegangen, die von den im Stande der Technik und in der Forschung vorgeschlagenen Vorgehensweisen wesentlich verschieden ist. Die Lösung basiert auf neuen Erkenntnissen über die Ursachen des Phänomens der Schattenkorrosion, zu denen die Erfinder gelangt sind. Dabei ist man zu dem Schluß gekommen, daß es eine Kombination aus Strahlung (hauptsächlich Gamma-Strahlung) und eines nicht sehr gut passivierten (aus Sicht der Elektrochemie und nicht aus chemischer Sicht) Bauteils in einer kurzen Entfernung von dem Zirkoniummaterial ist, was Anlaß zu der Schattenkorrosion gibt. Die Gamma-Strahlung führt zu gelegentlichen leitenden Kanälen für Ladungen, was zu der Korrosion führt, die lokal besonders verstärkt auftritt, und auch integral über den ganzen Oxidfilm an der Oberfläche der Zirkoniumlegierung in diesen Milieus auftritt. Um die Schattenkorrosion zu vermeiden, sollte daher das erste Bauteil von dem zweiten Bauteil elektrisch isoliert sein, zumindest in dem Bereich, in wel chem die beiden Bauteile in einer Entfernung voneinander angeordnet sind, die unter einer bestimmten kürzesten Entfernung liegt.
Gemäß der Erfindung gehört zu der Anordnung ein isolierender Überzug, der auf dem zweiten Bauteil aufgebracht ist. Dadurch wird eine vorteilhafte Abschirmung gegen den eigentlichen Grund für die Schattenkorrosion auf dem ersten Bauteil erreicht.
Gemäß der Erfindung enthält der Überzug Zirkoniumdioxid. Mit der heutigen Technik kann diese Art von Überzug in geeigneter Weise auf dem in Frage stehenden Bauteil aufgebracht werden. Es hat Eigenschaften, um mit dem korrosiven Milieu fertig zu werden, dem es in einer Kernkraftanlage ausgesetzt ist, während es gleichzeitig einer Strahlung, zum Beispiel Neutronenstrahlung und Gamma-Strahlung, ausgesetzt ist. Wenn der Überzug aus einer Mehrzahl von Schichten besteht, beispielsweise im Zusammenhang mit der Aufbringung des Überzugs mittels PVD oder CVD, kann/können eine oder mehrere der Schichten ein im allgemeinen reines Metallmaterial enthalten, wie zum Beispiel aus der Elementengruppe Pt, Ni, Pd, Rh, Ti, Cu und Zr.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Überzug eine Dicke im Bereich von 0,01–1000 μm. Die Wahl der Dicke hängt von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel der Art des zweiten Bauteils, der Position des Bauteils, und dem Milieu, in dem es angeordnet ist. Für Abstandshalter und Abstandshalterfedern, die normalerweise auf Nickel basierendes Material enthalten, hat der Überzug vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0, 01–50 μm.
Der elektrische Widerstand der Schicht sollte im Bereich von 1·10³ – 1·10¹⁰·Ω·cm², vorzeigsweise im Bereich von 1·10⁶ – 1·10¹⁰·Ω·cm² liegen, um eine gut isolierende Wirkung zu erreichen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Verhinderung von Schattenkorrosion auf einem ersten Bauteil vorzuschlagen, welches eine Zirkoniumlegierung enthält oder aus ihr besteht und dafür vorgesehen ist, in einem Feld mit einer erhöhten radioaktiven Strahlung in einer kurzen Entfernung von einem zweiten Bauteil angeordnet zu werden, wobei das zweite Bauteil von solcher Art ist, daß es eine Gegenelektrode im Verhältnis zu dem ersten Bauteil zu bilden vermag, und wobei das erste und das zweite Bauteil der Strahlung des Feldes ausgesetzt sind. Das zweite Bauteil besteht aus einem auf Nickel basierenden Material. Vorzugsweise ist es in Kernkraftanlage angeordnet und kann ein Abstandshalter und eine Abstandshalterfeder sein.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 5 erreicht.
Das Verfahren wurde, wie es bei der oben behandelten Anordnung der Fall ist, im Lichte der neuen Erkenntnis über die Gamma-Strahlung entwickelt, die zu gelegentlich leitenden Kanälen zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil führt. Teilweise bedingt durch das umgebende Milieu, bilden die Bauteile dabei zwei Elektroden, zwischen denen Ladungen ausgetauscht werden. Normalerweise bildet dabei das zweite Bauteil eine elektrolytische Gegenelektrode in Bezug auf das erste Bauteil, wenn die Bauteile in einem kurzen Abstand, normalerweise weniger als oder gleich 10 mm, voneinander entfernt sind. Die Schattenkorrosion des ersten Bauteils kann wesentlich herabgesetzt werden, wenn das zweite Bauteil von dem ersten Bauteil elektrisch isoliert ist, wie dies von der Erfindung vorgeschlagen wird. Da die Schattenkorrosion nur ein Problem darstellt, wenn das genannte erste und zweite Bauteil in einem sehr kurzen Abstand, unter ungefähr 10 mm, voneinander angeordnet sind, sollte das zweite Bauteil von dem ersten Bauteil elektrisch isoliert sein, vorzugsweise in dem Bereich, in dem die Bauteile einen Abstand voneinander haben, der unter dem genannten kürzesten Abstand liegt. Hierbei sollte beachtet werden, daß der genannte kürzeste Abstand in Abhängigkeit verschiedener äußerer Parameter, wie zum Beispiel der Art des Mediums, in welchem die Bauteile angeordnet sind, variieren kann.
Gemäß der Erfindung ist das zweite Bauteil von dem ersten Bauteil durch einen elektrisch isolierenden Überzug isoliert, der auf dem zweiten Bauteil aufgebracht ist. Dabei ist es möglich, sehr genau festzustellen, welcher Bereich des zweiten Bauteils durch den genannten Überzug isoliert sein sollte. Auch eine Mehrzahl anderer Eigenschaften des Überzuges, wie zum Beispiel die Dicke und der elektrische widerstand, können während des eigentlichen Aufbringungsprozesses des Überzugs leicht gesteuert werden. Es ist auch ein Vorteil, daß jede der großen Anzahl von hochentwickelten Aufbringungstechniken, die heutzutage verfügbar sind, angewendet werden kann, um eine solche Isolation zu erzielen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird der Überzug mittels mindestens eines der folgenden Verfahren aufgebracht: PVD, CVD, Heißbehandlung in Gasen oder Gasgemischen, Aufbringung, bei der ein feines Pulver in einem Gel auf das Bauteil aufgetragen wird und unter Anwendung von Hitze zum Sintern zu einem Überzug auf der Oberfläche des Bauteils gebracht wird, Aufbringung mittels Flammsprühen und Zerstäubungsaufbringen. Alle diese Techniken wurden extensiv praktiziert, und sie haben den Vorteil, daß sie eine sehr genaue Steuerung der Dicke des Überzuges und das Material oder die Materialien, die in dem Überzug enthalten sein sollen, zulassen. Sie ermöglichen auch die Aufbringung einer Mehrzahl verschiedener Schichten von unterschiedlicher Zusammensetzung oder aus verschiedenen Materialstrukturen und die zusammen den genannten Überzug bestimmen.
Eine besonder vorteilhafte Technik ist diejenige, bei der ein feines Pulver, vorzugsweise ein keramisches Pulver, das zusammen mit einer Flüssigkeit und anorganischen oder organischen Verbindungen zu einem sogenannten Solgel gemischt wird, auf dem in Frage stehenden Bauteil aufgetragen wird und dann unter der Einwirkung von Hitze zu einem Überzug auf der Oberfläche des Bauteils gesintert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung genannt.
Detailierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In einer Kernkraftanlage, bei der es sich vorzugsweise um einen Siedewasserreaktor (BWR) handelt, es sich aber auch um einen Druckwassereaktor (PWR) handeln kann oder in anderen kommerziellen oder nicht-kommerziellen Spalt- oder Fusionsreaktoren, oder in jedem anderen Milieu, in welchem wesentliche Strahlungsfelder aus Neutronen, Gamma-Strahlung oder Beta-Strahlung vorhanden sind, werden ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil in einem kurzen Abstand, weniger als etwa 10 mm, voneinander angeordnet, und diese Bauteile stehen mit einem elektrisch leitenden Medium in Verbindung. Normalerweise ist dieses Medium Wasser.
Das erste Bauteil enthält eine oder besteht aus einer Zirkoniumlegierung, und es kann sich bei ihm um irgendein Bauteil in einer Kernkraftanlage, welches eine solche Zirkoniumlegierung enthält oder aus ihr besteht, handeln, wie zum Beispiel ein Abstandshalterrahmen eines Abstandshalters in einem Leichtwasserreaktor.
Das zweite Bauteil besteht aus einer Nickellegierung mit der Fähigkeit als eine elektrolytische Gegenelektrode in Bezug auf das erste Bauteil zu wirken, und zwar mit oder ohne einem von außen angelegten elektrischen Feld, und welches ebenfalls in einem Strahlungsfeld angeordnet ist.
Das zweite Bauteil kann ein aus einem auf Nickel basierenden Material bestehender Abstandshalter für einen BWR und PWR sein oder eine aus einem auf Nickel basierenden Material bestehende Abstandshalterfeder für einen BWR und PWR sein.
Das zweite Bauteil ist mit einem Überzug versehen, welcher Zirkoniumdioxid enthält oder daraus besteht.
Der Überzug hat eine Dicke von 0,01–1000 μm, vorzugsweise 0,01-50 μm für Abstandshalter und Abstandshalterfedern. Sein elektrischer Widerstand sollte 1·10³ – 1·10¹⁰ Ω·cm², vorzeigsweise im 1·10⁶ – 1·10¹⁰ Ω·cm² betragen.
Natürlich ist eine Vielzahl von alternativen Ausführungsformen für den Fachmann offensichtlich, ohne dabei den Bereich der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims

Anordnung, zu der ein erstes Bauteil gehört, welches eine Zirkoniumlegierung enthält oder aus ihr besteht, und ein zweites Bauteil gehört, welches aus auf Nickel basierendem Material hergestellt ist, wobei das zweite Bauteil von solcher Art ist, daß es eine Gegenelektrode in Bezug auf das erste Bauteil zu bilden vermag, wobei das erste und das zweite Bauteil in einer geringen Entfernung voneinander angeordnet sind, sich zwischen ihnen ein elektrisch leitendes Medium befindet und sie einer radioaktiven Strahlung durch ein Strahlungsfeld ausgesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Bauteil ein Abstandshalter oder eine Abstandshalterfeder für einen Siedewasser-Kernreaktor oder einen Druckwasser-Kernreaktor ist, daß das erste und das zweite Bauteil weniger als oder gleich 10 mm voneinander entfernt angeordnet sind und daß zu der Anordnung ein elektrisch isolierender, Zirkoniumdioxid enthaltender Überzug gehört, der auf dem zweiten Bauteil derart aufgebracht ist, daß er mindestens einen Teil des zweiten Bauteils gegenüber dem ersten Bauteil elektrisch isoliert, um eine Schattenkorrosion (shadow corrosion) des ersten Bauteils zu verhindern.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Dicke im Bereich von 0,01-1000 μm
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Dicke im Bereich von 0,01–50 μm hat.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,, daß der Überzug einen elektrischen Widerstand im Bereich von 1·10³ bis 1·10¹⁰ Ω·cm², vorzugsweise 1·10⁶ bis 1·10¹⁰ Ω·cm², hat.
Verfahren zur Verhinderung einer Schattenkorrosion auf einem ersten Bauteil, welches eine Zirkoniumlegierung enthält oder aus ihr besteht und so angeordnet ist, daß es in einem Feld aus radioaktiver Strahlung in einer geringen Entfernung von einem zweiten Bauteil positioniert ist, wobei das zweite Bauteil aus einem auf Nickel basierenden Material hergestellt ist und von solcher Art ist, daß es eine Gegenelektrode im Verhältnis zu dem ersten Bauteil zu bilden vermag, und wobei das erste und das zweite Bauteil der Strahlung des Feldes ausgesetzt sind, dadurchgekennzeichnet, daß das zweite Bauteil ein Abstandshalter oder eine Abstandshalterfeder für einen Siedewasser-Kernreaktor oder einen Druckwasser-Kernreaktor ist, daß das erste und das zweite Bauteil weniger als oder gleich 10 mm voneinander entfernt angeordnet sind, und daß mindestens ein Teil des zweiten Bauteils gegenüber dem ersten Bauteil dadurch elektrisch isoliert ist, daß das zweite Bauteil mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen ist, der Zirkoniumdioxid enthält, um eine Schattenkorrosion des ersten Bauteils zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug durch mindestens eines der Verfahren aufgebracht ist, zu denen PVD, CVD, Wärmebehandlung in Gasen oder in Gasgemischen, Aufbringen einer Mischung aus feinem Pulver oder einem Gel auf dem Bauteil, wobei es unter der Einwirkung von Hitze als ein Überzug auf der Oberfläche des Bauteils zum Sintern gebracht wird, Niederschlag eines Überzuges mittels Flammspritzen und Zerstäubungsniederschlag gehören.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Überzug eine Dicke im Bereich von 0,01–1000 μm gegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Überzug eine Dicke im Bereich von 0,01–50 μm gegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5–8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1·10³ bis 1·10¹⁰ Ω·cm², vorzugsweise 1·10⁶ bis 1·10¹⁰ Ω·cm², hat.