DE9018123U1 - Abriebs- und korrosionsfester Stab für Kernreaktorbrennstabbündel - Google Patents
Abriebs- und korrosionsfester Stab für KernreaktorbrennstabbündelInfo
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Description
EP 90 400 082.5
Abriebs- und korrosionsfester Stab für
Kernreaktorbrennstabbündel
Kernreaktorbrennstabbündel
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Brennstab für ein Brennstabbündel -eines - -Kernreaktors, der eine bessere
Festigkeit gegen. Korrosion und Abrieb aufweist.
Brennstabbündel von wassergekühlten Kernreaktoren und
insbesondere von mit Druckwasser gekühlten Kernreaktoren enthalten ein Gerippe, in das Brennstäbe eingeschoben
werden, welche aus einer Hülle bestehen, die einen Nuklearbrennstoff, wie zum Beispiel ein Uraniumoxyd oder
ein Plutoniumoxyd in Form von gesinterten Pellets enthält.
Die Hülle, welche aus einem aus Zirkoniumlegierung
, hergestellten Rohr besteht, muß eine gute Festigkeit gegen Korrosion unter dem Einfluß des zirkulierenden Primärfluids
haben, das mit der Außenfläche der Hülle in Berührung
steht.
Für die Herstellung der Hülle der Brennstäbe von wassergekühlten Kernreaktoren verwendet man im allgemeinen
eine Legierung auf der Basis von Zirkonium, die hauptsächlich folgende Bestandteile aufweist: 1,2 bis 1,7 %
Zinn, 0,18 bis 0,24 % Eisen und 0,07 bis 0,13 % Chrom, oder
aber eine Zirkoniumlegierung, die folgende Bestandteile
aus einer anderen Zirkoniumlegierung besteht, als die Innenschicht, und die Eisen sowie wenigstens eines der
Elemente Vanadium, Platin und Kupfer enthält. Diese Oberflächenschicht, deren Dicke etwa 5 bis 20 % der
Gesamtdicke der Wand der Hülle ausmacht, kann durch Strangpressen eines Rohlings hergestellt werden, der aus
einem Innenrohr aus einer Zirkoniumlegierung klassischer Zusammensetzung besteht, auf das ein Außenrohr aufgeschoben
wird, welches die Zusammensetzung der Oberflächenschicht hat.
Die Hülle wird anschließend auf einem Pilgerwalzwerk gewalzt, bis sie-ihren—endgültigen Durchmesser erreicht
hat.
Die Brennstäbe, deren Hülle aus einem Duplexrohr besteht, haben eine deutlich verbesserte Festigkeit gegen die
allgemeine äußere Korrosion in der Umgebung des Kernreaktors. Die Härte und die Festigkeit gegen Abrieb der
Oberflächenschicht sind jedoch niedriger, als diejenigen von Hüllen, die aus klassischen Legierungen hergestellt
sind.
Daraus ergibt sich, daß bei der Beladung eines Brennstabbündel mit neuen Brennstäben oder beim Austausch
von Brennstäben in einem verbrauchten Brennstabbündel die Hüllen der Brennstäbe an ihren Außenflächen einem
verstärkten Abrieb unterzogen werden, wodurch Fehler oder eine verstärkte örtliche Korrosion auftreten können.
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Es ist daher das Ziel der Erfindung, einen Brennstab für ein Brennstabbündel eines Kernreaktors vorzuschlagen,
welcher innerhalb einer Hülle mit einer rohrförmigen Innenschicht und einer Oberflächenschicht aus untereinander
• ·
-9* * &psgr; 9 * +* *&PSgr;2-
untjsthiedlichen Zirkoniumlegierungen einen nuklearen
Brennstoff enthält, wobei dieser Brennstab eine deutlich verbesserte Festigkeit gegen äußere Korrosion und Abrieb
sowohl gegenüber Brennstäben aufweist, deren Hülle aus einem homogenen Rohr aus einer konventionellen
Zirkoniumlegierung besteht, als auch gegenüber Brennstäben, die eine Hülle haben, die aus einem Duplexrohr besteht.
Zu diesem Zweck ist die Oberflächenschicht, welche eine
Dicke aufweist, die zwischen 10 und 25 % der Gesamtdicke der Wand der Hülle beträgt, aus einer Legierung auf der
Basis von Zirkonium hergestellt, die in Gewichtsprozent 0,35 bis 0,65 Zinn, 0,20 bis 0,65 % Eisen, 0,09 bis 0,16 %
Sauerstoff, sowie Niob in einem Verhältnis von 0,35 bis 0,65 % oder Vanadium in einem Verhältnis von 0,25 bis 0,35
% enthält.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Brennstab,
dessen Hülle eine rohrförmige Innenschicht aufweist, welche aus einer Zirkoniumlegierung besteht, die 0,8 bis 1,2 %
Niob enthält, sowie mit einer Oberflächenschicht ausgestattet ist, welche dem Hauptmerkmal der Erfindung
entspricht.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachstehend als nicht einschränkende Beispiele mehrere Ausführungsarten
eines erfindungsgemäßen Brennstabes beschrieben, welcher in
einem Brennstabbündel eines mit Druckwasser gekühlten Kernreaktors eingesetzt wird.
In allen Fällen wird die Hülle des erfindungsgemäßen
Brennstabes durch Strangpressen und Walzen eines Rohlings auf einem Pilgerwalzwerk hergestellt, der aus einem
rohrförmigen Kernstück aus einer Zirkoniumlegierung
besteht, auf das ein Außenrohr aufgeschoben wird, welches eine Zusammensetzung hat, die der Zusammensetzung der
nachstehend definierten Oberflächenschicht entspricht.
Im Endzustand hat die Hülle des erfindungsgemäßen Brennstabes folgende charakteristische Abmessungen:
Außendurchmesser 9,63 ± 0,04 mm, minimale Gesamtdicke der
Wand der Hülle 0,605 mm, minimale Dicke der Oberflächenschicht 0,060 mm.
10
10
Beispiele 1, 2 und 3:
Die innere rohrförmige Schicht wird aus -einer
konventionellen -Zirkoniumlegierung hergestellt, welche allgemein für die Fertigung von Hüllen von Brennstäben
verwendet wird, die für Brennstabbündel von mit Druckwasser gekühlten Kernreaktoren bestimmt sind.
Eine solche Legierung auf der Basis von Zirkonium, welche die Bezeichnung Zircaloy 4 trägt, enthält 1,2 bis 1,7 &
Zinn, 0,18 bis 0,24 % Eisen, 0,07 bis 0,13 % Chrom, 0,0080 bis 0,0200 % Kohlenstoff, 0,0050 bis 0,012 % Silizium und
0,0900 bis 0,1600 % Sauerstoff, wobei die angegebenen Prozentsätze Gewichtsprozente sind und das Gesamtgewicht in
Prozent der Komponenten Eisen und Chrom zwischen 0,28 und 0,37 % liegt. Der Rest besteht aus Zirkonium mit der
Ausnahme von unvermeidbaren Verunreinigungen, deren Anteil sehr gering ist.
In der nachstehenden Tabelle sind die Zusammensetzungen (in Gewichtsprozenten) von drei Oberflächenschichten angegeben,
die jeweils den Ausführungsbeispielen 1, 2 und 3 der Erfindung entsprechen, wobei diese Schichten untereinander
gewisse Unterschiede in der Zusammensetzung bezüglich
gewisser beigefügter Zusatzelemente oder bezüglich der Gewichtsprozente dieser Elemente aufweisen.
| 1 | 0 | Sn | ,65 | 0 | Fe | Cr O | 16 | 0 | Nb | 0, | V | 35 | Zr | |
| Bsp. | 2 | 0 | ,35/0 | ,65 | 0 | ,22/0,28 | - 0,09/0, | 16 | 0 | ,35/0,65 | - | Rest | ||
| Bsp. | 3 | 0 | ,35/0 | ,65 | 0 | ,35/0,45 | - 0,09/0, | 16 | ,35/0,65 | - | Rest | |||
| Bsp. | ,35/0 | ,55/0,65 | - 0,09/0, | - | 25/0, | Rest | ||||||||
Die Zusammensetzungen der Oberflächenschicht der erfindungsgemäßen Brennstäbe sind gekennzeichnet durch die
Anwesenheit von Zinn in einem wesentlichen Verhältnis von 0,35 bis bis 0,65 %, durch die Anwesenheit von Eisen in
einem Verhältnis,'welches variabel sein kann, jedoch immer zwischen 0,20 und 0,65 % liegt, durch das Fehlen von Chrom,
das nur inn Form von residuellen Verunreinigungen in sehr geringen Mengen vorhanden sein kann, sowie durch die
Anwesenheit eines der Elemente Niob und Vanadium in einem wesentlichen und genau bestimmten Verhältnis.
In allen Fällen erlaubt die gleichzeitige Anwesenheit von Zinn und eines der Elemente wie. Niob oder Vanadium sowohl
sehr zufriedenstellende mechanische Eigenschaften, wie zum
Beispiel eine große Härte zu erreichen, als auch eine Festigkeit gegen Korrosion zu erzielen, welche mit den
Zirkoniumlegierungen vergleichbar sind, die Vanadium enthalten und frei von Zinn sind.
Das Vanadium und das Niob erlauben es, die Oberflächenabsorption von Sauerstoff durch die Hülle zu
verringern und verbessern daher die Festigkeit gegen Korrosion in der Umgebung des Kernreaktors.
Nach Beendigung ihrer Herstellung und nach der Wärmebehandlung hat die Duplexhülle des erfindungsgemäßen
Brennstabes insgesamt eine homogene kristalline Struktur in Form einer rekristallisierten Phase.
5
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Beispiele 4, 5 und 6:
In diesen Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen
Brennstabes besteht die innere rohrförmige Schicht aus
einer Legierung auf der Basis von Zirkonium, die weitgehend
1 % Niob unter Ausschluß einer wesentlichen Menge eines anderen Elementes einer metallischen Legierung enthält.
Diese Innenschicht hat in allen Fällen die folgende Gewichtszusammensetzung: Niob 0,8 bis 1,2 %, Sauerstoff
0,09 bis 0,16 %, und der Rest besteht mit Ausnahme von in
sehr geringen Mengen vorhandenenen unvermeidbaren Verunreinigugen aus Zirkonium.
Die Hüllen der Brennstäbe nach den Ausführungsbeispielen 4, 5 und 6 unterscheiden sich untereinander durch die
Zusammensetzung ihrer Oberflächenschicht.
In dem Ausführungsbeispiel 4 hat die Oberflächenschicht die
Zusammensetzung, welche im obigen Ausführungsbeispiel 1 angegeben ist. In gleicher Weise hat die Oberflächenschicht
der Hüllen der Brennstäbe nach den Ausführungsbeispielen 5 und 6 die vorstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele
2 und 3 angegebene Zusammensetzung.
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Im Endzustand hat die Hülle eine vollkommen rekristallisierte Struktur.
Festigkeitsversuche gegen Korrosion, die bei 400° durchgeführt wurden, haben gezeigt, daß die Verbundhüllen
der erfindungsgemäßen Brennstäbe im Vergleich zu Hüllen aus Zircaloy 4 deutlich verbesserte Eigenschaften aufweisen.
5
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Außerdem ist bei einer Temperatur von 400° die Festigkeit gegen Kriechen von Hüllen von Brennstäben, welche eine
Innenschicht aus einer Legierung aus Zirkonium und Niob aufweisen, sehr viel besser, als die Festigkeit gegen
Kriechen von Hüllen aus Zircaloy 4, die entweder homogen oder zusammengesetzt sind.
Entsprechend einem besonderen Vorteil der Erfindung vermindert die Legierung aus Zirkonium und Niob deutlich
die Gefahr des Auftretens einer Spannungsrißkorrosion, welche auf die Zwischenwirkung zwischen dem Pellet und der
Hülle zurückzuführen ist, da diese Legierung einen relativ geringeren Verlust an Zähigkeit zeigt, als die Legierungen
aus dem Stand der Technik.
In allen Fällen ist die Härte der Oberflächenschicht bei hohen oder niedrigen Temperaturen weitaus besser, als die
Härte der entsprechenden Oberflächenschicht von Verbundhüllen aus dem Stand der Technik.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Es ist daher ebenfalls möglich, eine innere Schicht zu verwenden, welche aus einer Zirkoniumlegierung, wie zum
Beispiel Zircaloy 2 besteht, die 1,2 bis 1,7 % Zinn, 0,07 bis 0,2 % Eisen, 0,05 bis 0,15 % Chrom, 0,03 bis 0,08 %
Nickel und 0,07 bis 0,15 % Sauerstoff enthält, wobei die
• fr *···
Summe der Gewichtsprozente von Eisen, Chrom und Nickel zwischen 0,18 und 0,38 % liegt.
Bezüglich der Oberflächenschicht ist es ebenfalls möglich, innerhalb der oben angegebenen Abstufungen der
Zusammensetzungen noch präzisere Abstufungen dieser Zusammensetzungen auszuwählen.
Schließlich können die erfindungsgemäßen Brennstäbe sowohl
im Falle von Brennstabbündeln für mit Druckwasser gekühlte Kernreaktoren als auch für B renn stabbündel für mit
kochendem Wasser gekühlte Kernreaktoren eingesetzt werden.
90400082.5 - 1 -
Ansprüche
1. Brennstab für einen Kernreaktor, enthaltend einen
Nuklearbrennstoff, im Innern einer Hülle, die eine rohrförmige Innenschicht und eine Oberflächenschicht
aufweist, die aus voneinander unterschiedlichen Zirkoniumlegierungen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenschicht eine Dicke von 10 bis 25% der gesamten Wanddicke der Hülle hat und aus einer Zirkonium-Bas
i si egierung besteht, die in Gew.% 0,35 bis 0,65 Zinn, 0,20 bis 0,65% Eisen, 0,09 bis 0,16% Sauerstoff, ebenso wie Niob
mit einem Anteil von 0,35 bis 0,65% oder Vanadium in einer Menge von 0,25 bis 0,35%, Rest Zirkonium einschließlich
unvermeidbarer Verunreinigungen enthält.
2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus einer Zirkonium-Basislegierung
besteht, die 0,35 bis 0,65% Zinn, 0,22 bis 0,28% Eisen, 0,09 bis 0,16% Sauerstoff und 0,35 bis 0,65% Niob, Rest Zirkonium,
einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, enthält.
3. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus einer Zirkonium-Basislegierung
besteht, die 0,35 bis 0,65% Zinn, 0,35 bis 0,45% Eisen, 0,09 bis 0,16% Sauerstoff, 0,35 bis 0,65% Niob, Rest Zirkonium,
einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, enthält.
4. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus einer Legierung mit 0,35 bis
0,65% Zinn, 0,55 bis 0,65% Eisen, 0,09 bis 0,16% Sauerstoff und 0,25 bis 0,35% Vanadium, Rest Zirkonium, - einschließlich
unvermeidbarer Verunreinigungen, enthält.
Summe der Gewichtsprozente von Eisen, Chrom und Nickel zwischen 0,18 und 0,38 % liegt.
Bezüglich der Oberflächenschicht ist es ebenfalls möglich,
innerhalb der oben angegebenen Abstufungen der Zusammensetzungen noch präzisere Abstufungen dieser
Zusammensetzungen auszuwählen.
Schließlich können die erfindungsgemäßen Brennstäbe sowohl
im Falle von Brennstabbündeln für mit Druckwasser gekühlte Kernreaktoren als auch für Brennstabbündel für mit
kochendem Wasser gekühlte Kernreaktoren eingesetzt werden.
Claims (7)
1. Brennstab für einen Kernreaktor, enthaltend einen
Nuklearbrennstoff, im Innern einer Hülle, die eine rohrförmige Innenschicht und eine Oberflächenschicht
aufweist, die aus voneinander unterschiedlichen Zirkoniumlegierungen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß
die Oberflächenschicht eine Dicke; von 10 bis 25% der gesamten Wanddicke der Hülle hat und aus einer Zirkonium-Basislegierung
besteht, die in Gew.% 0,35 bis 0,65 Zinn, 0,2 bis 0,65% Eisen, 0,09 bis 0,16% Sauerstoff, ebenso wie Niob
mit einem Anteil von 0,35 bis 0,65% oder Vanadium in einer Menge von 0,25 bis 0,35%, Rest Zirkonium einschließlich
unvermeidbarer "Verunreinigungen enthält.
2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus einer Zirkonium-Basislegierung
besteht, die 0,35 bis 0,65% Zinn, 0,22 bis 0,28% Eisen, 0,09 bis 0,16% Sauerstoff und 0,35 bis 0,65% Niob, Rest Zirkonium,
einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, enthält.
3. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht aus einer Zirkonium-Basislegierung
besteht, die 0,35 bis 0,65% Zinn, 0,35 bis 0,45% Eisen, 0,09
bis 0,16% Sauerstoff, 0,35 bis 0,65% Niob, Rest Zirkonium,
einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, enthält.
4. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberflächenschicht aus einer Legierung mit 0,35 bis 0,65% Zinn, 0,55 bis 0,65% Eisen, 0,09 bis 0,16% Sauerstoff
und 0,25 bis 0,35% Vanadium, Rest Zirkonium, - einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, enthält.
— 2 —
5. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht aus einer Zirkonium-Basislegierung
besteht, die 1,2 bis 1,7% Zinn, 0,18 bis 0,24% Eisen, 0,07 bis 0,13% Chrom, 0,09 bis 0,16% Sauerstoff, 0,008
bis 0,02% Kohlenstoff, 0,005 bis 0,012% Silizium enthält, wobei die Summe der Gewichtsprozente von Eisen und Chrom
zwischen 0,28 und 0,37% beträgt.
6. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht der Hülle gebildet wird
durch eine Zirkonium-Basislegierung mit 0,12 bis 1,7% Zinn, 0,07 bis 0,2% Eisen, 0,05 bis 0,15% Chrom, 0,03 bis 0,08%
Nickel.
7. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht der Hülle gebildet wird
durch eine Zirkonium-Basislegierung mit 0,8 bis 1,2% Niob und 0,09 bis 0,16% Sauerstoff r Rest Zirkonium einschließlich
unvermeidbarer Verunreinigungen.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| FR8900761A FR2642215B1 (fr) | 1989-01-23 | 1989-01-23 | Crayon pour assemblage combustible d'un reacteur nucleaire resistant a la corrosion et a l'usure |
| EP90400082A EP0380381B1 (de) | 1989-01-23 | 1990-01-11 | Abriebs- und korrosionsfester Stab für Kernreaktorbrennstabbündel |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9018123U1 true DE9018123U1 (de) | 1995-09-21 |
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|---|---|---|---|
| DE9018123U Expired - Lifetime DE9018123U1 (de) | 1989-01-23 | 1990-01-11 | Abriebs- und korrosionsfester Stab für Kernreaktorbrennstabbündel |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9018123U1 (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE29813359U1 (de) * | 1998-07-27 | 1999-09-02 | Siemens Ag | Brennelement für einen Siedewasserreaktor |
-
1990
- 1990-01-11 DE DE9018123U patent/DE9018123U1/de not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE29813359U1 (de) * | 1998-07-27 | 1999-09-02 | Siemens Ag | Brennelement für einen Siedewasserreaktor |
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