FI92355B - Ydinpolttoaine-elementti sekä menetelmä ydinpolttoaineen komposiittiverhoussäiliön käsittelemiseksi - Google Patents

Description

92355

Ydinpolttoaine-elementti sekä menetelmä ydinpolttoaineen komposiittiverhoussäiliön käsittelemiseksi Tämä keksintö koskee laajasti ydinpolttoaine-ele-5 menttejä, joissa on komposiittiverhous, joka koostuu sieni- tai kidesauvazirkoniumia olevasta metallisulkukerrok-sesta, joka on sidottu zirkoniumlejeerinkiputken sisäpinnalle. Tarkemmin sanottuna keksinnön kohteena on ydinpolttoaine-elementti, joka on tyyppiä, joka sisältää zirko-10 niumlejeerinkiputken zirkoniumsulkukerroksen, joka on me-tallurgisesti sidottu lejeerinkiputken sisäpinnalle ja ydinpolttoainemateriaalia olevan keskisydämen, joka täyttää osittain sanotun putken sisäosan jättäen raon sanotun sienimäisen zirkoniumsulkukerroksen ja sanotun ydinpolt-15 toainemateriaalin väliin.

Nykyään suunnitellaan, rakennetaan ja käytetään ydinreaktoreita, joissa ydinpolttoaine sisältyy polttoai-ne-elementteihin, joilla voi olla vaihtelevat geometriset muodot, kuten levyt, putket tai sauvat. Polttoainemateri-20 aali on tavallisesti suljettu syöpymistä kestävään, reagoimattomaan, lämpöä johtavaan säiliöön tai verhoukseen. Elementit kootaan yhteen ristikoksi kiinteille etäisyyksille toisistaan jäähdytysaineen virtauskanavaan tai alueeseen, joka muodostaa polttoainekokoonpanon ja riittävä 25 määrä polttoainekokoonpanoja yhdistetään ydinfissioketju- reaktiokokoonpanon tai reaktorisydämen muodostamiseksi, joka kykenee itseään ylläpitävään fissioreaktioon. Sydän on puolestaan suljettu reaktioastiaan, jonka läpi johdetaan jäähdytysainetta.

30 Verhous palvelee useita tarkoituksia ja kaksi pää tarkoitusta ovat: ensiksi estää kosketus ja kemialliset reaktiot ydinpolttoaineen ja jäähdytysaineen tai hidastimen välillä, mikäli hidastinta on läsnä tai molempien välillä, mikäli sekä jäähdytysainetta että hidastinta on 35 läsnä; ja toiseksi estää radioaktiivisia fissiotuotteita.

2 92555 joista eräät ovat kaasuja, vapautumasta polttoaineesta jäähdytysaineeseen tai hidastimeen tai molempiin, mikäli sekä jäähdytysainetta että hidastinta on läsnä. Hyödyllisiä verhousmateriaaleja ovat ruostumaton teräs, alumiini 5 ja sen lejeeringit, zirkonium ja sen lejeeringit, tietyt magnesiumlejeeringit ja muut. Verhouksen pettäminen, ts. vuototiiviyden menetys voi saastuttaa jäähdytysaineen tai hidastimen ja siihen liittyvät systeemit radioaktiivisilla pitkäikäisillä tuotteilla siinä määrin, että se häiritsee 10 laitoksen toimintaa.

Ongelmia on esiintynyt niiden ydinpolttoaine-elementtien valmistuksessa ja toiminnassa, joissa käytetään tiettyjä metalleja ja lejeerinkejä verhousmateriaalina johtuen mekaanisista jännityksistä tai kemiallisista reak-15 tioista, joita tapahtuu näiden verhousmateriaalien kanssa tietyissä olosuhteissa. Zirkonium ja sen lejeeringit ovat normaaliolosuhteissa erinomaisia ydinpolttoaineen verhouksia, sillä niillä on pienet neutronien absorptiopoikki-leikkaukset ja alle n. 398 °C:n lämpötiloissa ne ovat vah-20 voja, venyviä, erittäin stabiileja ja reagoimattomia mine- raalittoman veden tai höyryn läsnä ollessa, joita käytetään yleisesti reaktorin jäähdytysaineina ja hidastimina.

Polttoaine-elementin toiminta on kuitenkin paljastanut verhouksen hauraan lohkeamisen ongelman, joka johtuu 25 ydinfissioreaktioiden aikana muodostuneiden ydinpolttoai neen, verhouksen ja fissiotuotteiden välisistä yhteisvaikutuksista. On keksitty, että tämä epämieluisa toiminta johtuu paikallisista, polttoaineen verhoukseen kohdistuvista mekaanisista jännityksistä, jotka ovat seurausta 30 laajenemisen ja kitkan eroista polttoaineen ja verhouksen välillä. Fissiotuotteita syntyy ydinpolttoaineessa fissio-ketjureaktiolla ydinreaktorin toiminnan aikana ja nämä fissiotuotteet vapautuvat ydinpolttoaineesta ja niitä on läsnä verhouksen pinnalla. Nämä paikalliset jännitykset ja 35 venymät kykenevät määrättyjen fissiotuotteiden, kuten jo- li 92355 3 din ja kadmiumin läsnä ollessa tuottamaan verhouksen pettämisiä ilmiöiden avulla, jotka tunnetaan jännityskorroo-siomurtumana ja nesteen aiheuttamana metallin haurastumisena.

5 Suljetun polttoaine-elementin rajojen sisällä voi syntyä vetykaasua verhouksen ja verhouksen sisällä olevan jäännösveden välisellä hitaalla reaktiolla ja tämä vety voi kertyä tasoille, jotka tietyissä olosuhteissa voivat johtaa verhouksen paikalliseen hybridinmuodostukseen, jolio loin samanaikaisesti tapahtuu verhouksen mekaanisten ominaisuuksien paikallista huononemista. Verhoukseen voivat vaikuttaa haitallisesti myös sellaiset kaasut kuin happi, typpi, hiilimonoksidi ja hiilidioksidi laajalla lämpötilojen alueella.

15 Ydinpolttoaine-elementin zirkoniumverhous joutuu alttiiksi yhdelle tai useammalle edellä luetelluista kaasuista ja fissiotuotteista säteilytyksen aikana ydinreaktorissa ja tätä tapahtuu huolimatta siitä, että näitä kaasuja ei ehkä ole läsnä reaktorin jäähdytysaineessa tai 20 hidastimessa ja edelleen voi olla mahdollisimman pitkälle suljettu pois ympäristön atmosfääristä verhouksen ja polttoaine-elementin valmistuksen aikana. Sintratut tulenkes-toiset ja keraamiset kokoonpanot, kuten uraanidioksidi ja muut ydinpolttoaineena käytetyt kokoonpanot vapauttavat 25 mittavia määriä edellä mainittuja kaasuja kuumennettaessa, kuten polttoaine-elementin valmistuksen aikana ja vapauttavat edelleen fissiotuotteita ydinfissioketjureaktioiden aikana. Hiukkasmaisten tulenkestoisten ja keraamisen kokoonpanojen, kuten uraanidioksidipulverin ja muiden ydin-30 polttoaineena käytettyjen pulvereiden on tiedetty vapauttavan jopa suurempia määriä edellä mainittuja kaasuja säteilytyksen aikana. Nämä vapautuneet kaasut kykenevät reagoimaan ydinpolttoainetta sisältävän zirkoniumverhouksen kanssa.

35 Näin ollen edellä esitetyn valossa on havaittu toi vottavaksi minimoida veden, vesihöyryn ja kaasujen, eri- 4 92355 tyisesti vedyn reaktio zirkoniumverhouksen kanssa, jotka aineet ovat reaktiokykyisiä verhouksen kanssa, polttoaine-elementin sisältä päin koko sen ajan, kun polttoaine-elementtiä käytetään ydinvoimalaitosten toiminnan aikana.

5 Kahta erityisen tehokasta lähestymistapaa zirkoniu mia ja zirkoniumlejeerinkiä olevien ydinpolttoaineverhous-putkien hajoamisen ehkäisemiseksi on kuvattu US-patenteis-sa 4 200 492 ja 4 372 817, joiden paljastukset liitetään viitteenä tähän esitykseen. Niissä kuvattu komposiitti-10 verhousputki koostuu sulkukerroksesta, joka on joko erittäin puhdasta zirkoniumia (kuten kidesauvazirkoniumia) tai kohtuullisen puhdasta zirkoniumia (kuten sienizirkoniu-mia), joka on metallurgisesti sidottu zirkoniumlejeerinki-putken sisäpinnalle. Komposiittiverhous sulkee sisäänsä 15 ydinpolttoainemateriaalin jättäen raon polttoaineen ja verhouksen väliin. Sulkukerros suojaa lejeerinkiputkea verhouksen sisällä pidetyltä ydinpolttoainemateriaalilta samoin kuin se suojaa lejeerinkiputkea fissiotuotteilta ja kaasuilta. Sulkukerroksen paksuus vastaa tyypillisesti n. 20 1 - 30 % komposiittiverhouksen paksuudesta. Kummassakin tapauksessa sulkukerros säilyy suhteellisen pehmeänä sä-teilytyksen aikana ja minimoi paikallisen venymisen ydinpolttoaine-elementin sisällä toimien täten suojaten lejeerinkiputkea sekä jännityskorroosiomurtumalta että nesteen 25 aiheuttamalta metallin haurastumiselta. Verhouksen lejee-rinkiputkiosa on muutoin malliltaan ja toiminnaltaan muuttumaton ydinreaktorin aikaisemmasta käytännöstä ja on valittu tavanomaisista verhousmateriaaleista, kuten zirko-niumlejeeringeistä.

30 US-patenteissa nro 4 200 492 ja 4 372 817 paljaste taan, että puhtaudeltaan korkea ja kohtuullinen zirkonium-metalli, joka muodostaa metallisulkukerroksen komposiitti-verhouksessa, kykenee jopa pitkäaikaisen säteilytyksen jälkeen ylläpitämään haluttuja rakenneominaisuuksia, kuten 35 myötörajaa ja kovuutta tasoilla, jotka ovat huomattavasti . · · 92355 5 alemmat kuin tavanomaisilla zirkoniumlejeeringeillä. Itse asiassa metallisulkukerros ei kovetu yhtä paljon kuin tavanomaiset zirkoniumlejeeringit, kun se saatetaan säteilyn alaiseksi ja tämä yhdessä sen alunperin alhaisen myötöra-5 Jan kanssa tekee mahdolliseksi metallisulkukerrokselle deformoitua plastisesti ja keventää rakeiden aiheuttamia jännityksiä polttoaine-elementissä tehon tasaantumisten aikana. Rakeiden aiheuttamia jännityksiä polttoaine-elementissä voi saada aikaan esimerkiksi ydinpolttoaineen 10 rakeiden paisuminen reaktorin toimintalämpötiloissa (300 -- 350 °C), niin että rae joutuu kosketukseen verhouksen kanssa.

US-patenteissa 4 200 492 ja 4 372 817 kuvatut ydinpolttoaine-elementit ovat oleellinen parannus niihin ele-15 mentteihin nähden, jotka eivät sisällä sisäisiä zirkonium-sulkukerroksia. Tiettyjä ongelmia esiintyy kuitenkin tällaisten ydinpolttoaine-elementtien valmistuksessa ja käytössä. Ensinnäkin zirkoniumsienisulkukerroksen pehmeyden ja suuren raekoon on havaittu edistävän pinnan murtumista 20 tai mikrosäröilyä komposiittiverhouksen valmistuksen aika na, erityisesti sen vaiheen aikana, jossa putken kuoresta muodostetaan putkitus. Mikrosäröilyt voivat ulottua aina 10 mikronin syvyyteen zirkoniumsulkukerrokseen (joka on tyypillisesti noin 75 mikronia paksu) toimien alkukohtina 25 jännityskorroosiomurtumalle. Toiseksi suhteellisen puhtaat zirkoniumverhoukset hapettuvat nopeasti, jos komposiitti-verhous rikkoutuu ja vettä tai höyryä pääsee polttoaine-sauvaan reaktorin toiminnan aikana.

Näin ollen olisi toivottavaa saada aikaan parannet-30 tu ydinpolttoainesauva, joka on US-patenteissa nro 4 200 492 ja 4 372 817 yleisesti kuvattua tyyppiä ja jossa suhteellisen puhtaan zirkoniumsulkukerroksen pyrkimys halkeilla valmistuksen aikana ja hapettua käytön aikana on suuressa määrin ehkäisty. Olisi erityisen toivottavaa, jos 35 tällainen halkeilu ja hapettumisen ehkäisy voidaan saavut- 6 92355 taa pienentämättä zirkoniumsulkukerroksen tehokkuutta, erityisesti sulkukerroksen kykyä deformoitua plastisesti ja keventää rakeiden aiheuttamia jännityksiä polttoaine-elementissä tehon tasaantumisten aikana.

5 Edellä mainittujen päämäärien toteuttamiseksi kek sinnön mukaiselle elementille on tunnusomaista, että se sisältää lejeerinkikerroksen, joka on muodostettu zirkoniumsulkukerroksen sisäpinnalle, joka lejeerinkikerros muodostuu yhdestä tai useammasta epäpuhtaudesta, jota on läs-10 nä ohuella zirkoniumsulkukerroksen alueella vähemmän kuin 1 paino-% mutta riittävästi ehkäisemään sanotun zirkoniumsulkukerroksen sisäpinnan hapettumisen vaikuttamatta oleellisesti sanotun sulkukerroksen plastisiin ominaisuuksiin, jolloin epäpuhtaudet on valittu ryhmästä, johon 15 kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi. Lejeerinkikerroksen paksuus on tyypillisesti välillä n. 0,01 - 1,0 mikronia, kun taas zirkoniumlejeerinkiputken paksuus on välillä n. 500 - 1 000 mikronia ja zirkoniumsulkukerroksen paksuus on välillä n. 25 - 100 mikronia. Lejeerinki 20 muodostetaan tyypillisesti ioni-istutuksella, ionipäällys-tyksellä, epäpuhtauksien kemikaalihöyrykerrostuksella, jotka epäpuhtaudet on valittu ryhmästä, johon kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi. Erityisen edullista lejeerinkiseosta, joka sisältää kutakin näistä alkuaineis-25 ta, kuvataan jäljempänä.

Keksinnön suositeltavat suoritusmuodot on esitetty oheistetuissa patenttivaatimuksissa 2-6.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle komposiittiver-houssäiliön käsittelemiseksi on tunnusomaista, että syöte-30 tään ainakin yhtä epäpuhtautta, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi zirkoniumsulkukerroksen sisäpintaan lejeerinkikerroksen muodostamiseksi, jolla on parantunut hapettumisen vastustuskyky verrattuna sanottuun zirkoniumsulkukerrokseen, jolloin 35 mitään epäpuhtautta ei ole läsnä suuremmassa määrin kuin 1 paino-% lejeerinkikerroksessa. Menetelmän suositeltavat suoritusmuodot on esitetty patenttivaatimuksissa 8-10.

92355 7

Kuvio 1 on osittain aukileikattu leikkauskuvanto ydinpolttoainekokoonpanosta, joka sisältää ydinpolttoaine-elementtejä, jotka on valmistettu tämän keksinnön mukaisesti .

5 Kuvio 2 on suurennettu poikkileikkauskuvanto tämän keksinnön ydinpolttoaine-elementistä.

Kuvio 3 on suurennettu yksityiskohtakuvanto kuviosta 2, joka esittää tämän keksinnön lejeerinkikerroksen sijoitusta.

10 Viitaten nyt tarkemmin kuvioon 1, siinä esitetään osittain aukileikattu leikkauskuvanto ydinpolttoainekokoonpanosta 10. Tämä polttoainekokoonpano koostuu yleensä poikkileikkaukseltaan neliömäisestä, putkimaisesta vir-tauskanavasta 11, jonka yläpää on varustettu nostosangalla 15 12 ja alapää nokkakappaleella (ei esitetty johtuen siitä, että kokoonpanon 10 alaosa on jätetty pois). Kanavan 11 yläpää on avoin kohdasta 13 ja nokkakappaleen alapää on varustettu jäähdytysaineen virtausaukoilla. Polttoaine-elementtien 14 järjestelmä (käytetään yleisesti myös nimi-20 tystä polttoainesauvat) on suljettu kanavaan 11 ja tuettu siihen yläpäätylevyn 15 ja alapäätylevyn avulla (ei esitetty johtuen siitä, että alaosa on jätetty pois). Nestemäinen jäähdytysaine tulee tavallisesti sisään nokkakappaleen alapäässä olevien aukkojen kautta, kulkee ylöspäin 25 polttoaine-elementtien 14 ympäri ja poistuu yläaukosta 13 osittain höyrystyneessä tilassa kiehutusreaktoreissa tai höyrystymättömässä tilassa painereaktoreissa kohonneessa lämpötilassa.

Ydinpolttoaine-elementit 14 on suljettu päistään 30 päätytulppien 18 avulla, jotka on hitsattu verhoussäiliöön 17 ja jotka voivat sisältää tapit 19, jotka auttavat polt-toainesauvan asentamisessa kokoonpanoon. Tyhjä tila tai holvi 20 on aikaansaatu elementin toiseen päähän polttoai-nemateriaalin pituuslaajeneman ja polttoaineesta vapautu-35 neiden kaasujen kerääntymisen sallimiseksi. Ydinpolttoai- 92355 8 nemateriaalin pidätinväline 24 kierre-elimen muodossa on sijoitettu tilaan 20 polttoainemateriaalisydämen 16 aksiaalisen liikkeen hillitsemiseksi erityisesti polttoaine-elementin käsittelyn ja kuljetuksen aikana.

5 Polttoaine-elementti 14 on suunniteltu aikaansaa maan erinomainen terminen kosketus verhousputken 17 ja polttoainemateriaalisydämen 16 välillä, mahdollisimman pieni passiivinen neutroniabsorptio ja taipumisen- ja tä-rinänkesto, joita ilmiöitä suurinopeuksinen jäähdytysai-10 neen virtaus satunnaisesti aiheuttaa.

Polttoainemateriaalisydämenä 16 on tyypillisesti lukuisia fissioituvan ja/tai aktiivisen materiaalin polt-toainerakeita, jotka on sijoitettu verhoussäiliöön 17. Joissakin tapauksissa polttoainerakeet voivat olla eri 15 muotoisia, kuten sylinterimäisiä rakeita tai pallosia ja toisissa tapauksissa voidaan käyttää eri polttoainemuoto-ja, kuten hiukkasmaista polttoainetta. Polttoaineen fysikaalinen muoto ei ole oleellinen tälle keksinnölle. Erilaisia ydinpolttoainemateriaaleja voidaan käyttää mukaan 20 luettuna uraaniyhdisteet, plutoniumyhdisteet, toriumyhdis- teet ja niiden seokset. Edullinen polttoaine on uraani-dioksidi tai seos, joka sisältää uraanidioksidia ja pluto-niumoksidia.

Viitaten nyt kuvioon 2, polttoaine-elementin keski-25 sydämen muodostava ydinpolttoainemateriaali 16 on ympäröity verhoussäiliöllä 17, joka on komposiittiverhous. Kompo-siittiverhoussäiliö 17 sulkee sisäänsä sydämen 16 jättäen raon 23 sydämen ja verhoussäiliön väliin ydinreaktorin käytön aikana. Komposiittiverhoussäiliö 17 koostuu zirko-30 niumlejeerinkiputkesta 21, joka on tämän keksinnön edullisessa toteutusmuodossa tehty Zircaloy-2-materiaalista. Lejeerinkiputken 21 sisäpinnalle on kiinnitetty zirkonium-sulkukerros 22 siten, että sulkukerros 22 muodostaa suojan lejeerinkiputken 21 ja verhouksessa 22 pidetyn ydinpoltto-35 ainemateriaalin 16 välille. Sulkukerros 22 muodostaa n.

9 2 ό 5 5 9 1 - 30 % verhouksen paksuudesta ja sille on luonteenomaista alhainen neutroniabsorptio. Zirkoniumsulkukerros 22 suojaa verhouksen zirkoniumlejeerinkiputkiosaa kosketukselta ja reaktiolta kaasujen ja fissiotuotteiden kanssa ja 5 estää paikallisen jännityksen ja venymän esiintymisen.

Sopivia zirkoniumsulkukerroksia 22 ovat sekä erittäin puhdas (esim. kidesauva) zirkonium että kohtuullisen puhdas (esim. sieni) zirkonium, joita on kuvattu US-paten-teissa nro 4 200 492 ja 4 372 817 samassa järjestyksessä.

10 Erittäin puhtaan zirkoniumin epäpuhtauspitoisuus on alle n. 500 ppm happipitoisuuden ollessa alle n. 200 ppm ja edullisesti alle 100 ppm.

Zirkoniumsienisulkukerroksen 22 koostumus valitaan antamaan sulkukerrokselle erikoisominaisuuksia. Yleensä 15 sulkukerroksen 22 materiaalissa on vähintään n. 1 000 ppm painosta ja alle n. 5 000 ppm epäpuhtauksia ja edullisesti alle n. 4 200 ppm. Näistä happi pidetään välillä n. 200 -1 200 ppm. Kaikki muut epäpuhtaudet ovat kaupallisen, re-aktorilaatuisen sienizirkoniumin normaalilla alueella ja 20 ne luetellaan seuraavasti: alumiinia - 75 ppm tai vähemmän; booria - 0,4 ppm tai vähemmän; kadmiumia - 0,4 ppm tai vähemmän; hiiltä 270 ppm tai vähemmän; kromia - 200 ppm tai vähemmän; kobolttia - 20 ppm tai vähemmän; kuparia- 50 ppm tai vähemmän; hafniumia - 100 ppm tai vähem-25 män; vetyä 25 ppm tai vähemmän; rautaa - 1 500 ppmm tai vähemmän; magnesiumia - 20 ppm tai vähemmän; mangaania -50 ppm tai vähemmän; molybdeeniä - 50 ppm tai vähemmän; nikkeliä - 70 ppm tai vähemmän; niobia - 100 ppmm tai vähemmän; typpeä - 80 ppm tai vähemmän; piitä - 120 ppm tai 30 vähemmän; tinaa - 50 ppm tai vähemmän; wolf rämiä - 100 ppm tai vähemmän; titaania - 50 ppm tai vähemmän; ja uraania -3,5 ppm tai vähemmän.

Tämän keksinnön ydinpolttoaine-elementin 14 kompo-siittiverhouksessa 17 sulkukerros 22 on sidottu zirkonium-35 lejeerinkiputkeen 21 vahvalla sidoksella. Putken 21 ja 9 2 355 10 sulkukerroksen 22 materiaalin välillä tulisi olla riittävästi diffuusiota sidoksen muodostamiseksi, muttei missään määrin diffuusiota poispäin sidosalueelta. Sienizirkoniu-mia oleva sulkukerros 22, joka on edullisesti n. 5 - 15 % 5 verhouksen 17 paksuudesta ja jonka erityisen edullinen paksuus on 10 % verhouksesta ja joka on sidottu zirkonium-lejeerinkiä olevaan lejeerinkiputkeen, saa aikaan jännityksen pienenemisen ja sulkuvaikutuksen, joka on riittävä estämään viat komposiittiverhouksessa. Zirkoniumlejeerin-10 kejä, jotka toimivat sopivina lejeerinkiputkina 21, ovat Zircaloy-2 ja Zircaloy-4. Zircaloy-2-lejeeringissä on painosta n. 1,5 % tinaa; 0,12 % rautaa; 0,09 % kromia ja 0,05 % nikkeliä ja sitä käytetään yleisesti vesijäähdytteisissä reaktoreissa. Zircaloy-4-lejeeringissä on vähemmän nikke-15 liä kuin Zircaloy-2-lejeeringissä, mutta se sisältää hieman enemmän rautaa kuin Zircaloy-2.

Komposiittiverhous 17, jota käytetään tämän keksinnön ydinpolttoaine-elementissä 14, voidaan valmistaa millä tahansa seuraavista menetelmistä.

20 Eräässä menetelmässä sulkukerrokseksi 22 valittu, sienizirkoniumia oleva ontto holkki työnnetään lejeerinki-putkeksi valittuun, zirkoniumlejeerinkiä olevaan onttoon tankoon. Kokoonpano saatetaan hoikin räjäytyssidontaan tankoon. Komposiitti pursotetaan korkeassa n. 538 - 750 25 °C:n lämpötilassa käyttäen tavanomaista putkipursotustek-niikkaa. Pursotettu komposiitti saatetaan sitten prosessiin, johon liittyy tavanomainen putken pienennys, kunnes haluttu verhouksen koko on saavutettu.

Toisessa menetelmässä sulkukerrokseksi 22 valittu, 30 sienizirkoniumia oleva ontto holkki työnnetään lejeerinki-putkeksi valittuun, zirkoniumlejeerinkiä olevaan onttoon tankoon ja sen jälkeen kokoonpano saatetaan kuumennusvai-heeseen, tyypillisesti 750 °C:ssa n. kahdeksaksi tunniksi diffuusiosidonnan saamiseksi hoikin ja tangon välille. 35 Komposiitti pursotetaan sitten käyttäen tavanomaista put- 92355 11 kikuoripursotustekniikkaa ja pursotettu komposiitti saatetaan prosessiin, johon liittyy tavanomainen putken pienennys, kunnes haluttu verhouksen koko on saavutettu.

Vielä eräässä menetelmässä sulkukerrokseksi 22 va-5 littu, sienizirkoniumia oleva ontto holkki työnnetään le-jeerinkiputkeksi valittuun, zirkoniumlejeerinkiä olevaan onttoon tankoon ja kokoonpano pursotetaan käyttäen tavanomaista putkikuoripursotustekniikkaa. Tämän jälkeen pursotettu komposiitti saatetaan prosessiin, johon liittyy 10 tavanomainen putken pienennys, kunnes haluttu verhouksen 17 koko on saavutettu.

Tähän vaiheeseen saakka polttoaine-elementin ver-houssäiliön 17 valmistusmenetelmä on ollut US-patentissa nro 4 200 492 kuvatun kaltainen. Tämä keksintö saa aikaan 15 aikaisemmin patentoidun prosessin muutoksen, jossa lejee-rataan zirkoniumsulkukerroksen 22 ohueen kerrokseen yhtä tai useampaa metalliepäpuhtautta, joka kykenee ehkäisemään sulkukerroksen hapettumista käytön aikana ja estämään sul-kukerroksen mekaanisen vahingoittumisen valmistuksen aika-20 na. Epäpuhtauksia, jotka muodostavat halutut lejeeringit, ovat pienet määrät rautaa, kromia, kuparia, typpeä ja niobia. Lejeerinkikerros muodostetaan zirkoniumsulkukerroksen 22 sisäpinnalle (esitetty viitenumerolla 30 kuviossa 3) syöttämällä ennalta valitut määrät epäpuhtauksia. Epäpuh-25 taudet voidaan lisätä millä tahansa tavanomaisella menetelmällä, joka tekee mahdolliseksi kerrostuman syvyyden säätämisen. Erityisen sopivia ovat sellaiset tekniikat kuin ioni-istutus, ionipäällystys, kemiallinen höyrystys yms. Lejeerinkikerroksen paksuus ei ole kriittinen ja se 30 riippuu lejeeringin tarkasta koostumuksesta. Paksuuden tulisi olla riittävä aikaansaamaan halutun mekaanisen suojauksen ja hapettumisen vastustuskyvyn, jotka ovat tämän keksinnön tavoitteita. Tyypillisesti lejeerinkikerroksen paksuus on välillä n. 0,01 - 1,0 mikronia ja tavallisemmin 35 välillä n. 0,01 - 0,1 mikronia.

92355 12

Epäpuhtaudet, jotka muodostavat lejeeringin, ovat läsnä lejeerinkikerroksessa (joka on vain pieni osa zirko-niumsienikerroksesta) ja niiden määrät ovat suhteellisen pienet, tyypillisesti n. 0,01 - 0,75 paino-%. Tämän kek-5 sinnön erityisen edullinen lejeerinkikerros sisältää kutakin alkuaine-epäpuhtautta seuraavassa taulukossa 1 esitetyt määrät. On ymmärrettävä, että lisäepäpuhtauksia voidaan myös lisätä sikäli kuin niiden mukaanliittäminen ei pienennä lejeerinkikerroksen haluttua hapettumisen vastus-10 tuskykyä.

Taulukko 1

Alkuaine- Paino-%*) ' epäpuhtaus Laaja alue Kapea alue

Niobi 0 - 0,75 0,01 - 0,6 15 Rauta 0-0,5 0,2-0,3

Kromi 0-0,5 0,05-0,3

Rauta & kromi 0-0,5 0,15-0,3

Kupari 0-0,5 0,02-0,2

Typpi 0 - 0,75 0,01 - 0,5 20 *Läsnä lejeerinkikerroksessa sulkukerroksessa 22.

Lejeeraus alkuaine-epäpuhtauksilla voidaan saavuttaa tavanomaisella teollisella tekniikalla, kuten ioni-istutuksella, ionipäällystyksellä, kemiallisella höyrys-tyksellä yms. Tyypillisesti lejeeraus toteutetaan ioni-25 istutuksella putkikuorivaiheessa sen jälkeen, kun zirko- niumsienisulkukerros 22 on muodostettu verhoussäiliön 17 sisäpinnalle, kuten edellä kuvattiin. Ioni-istutus suoritetaan huoneenlämpötilassa alipaineolosuhteissa. Ioni-istutuksen energia säädetään siten, että istutettujen ionien 30 tunkeutumissyvyys sienizirkoniumsulkukerrokseen on n.

0,1 - 1 mikronia.

Komposiittiverhousputki 17 saatetaan sitten tavanomaisiin putken pienennysprosesseihin, kunnes haluttu verhouksen koko on saavutettu. Lopullisessa putken koossa 35 istutettu kerros on paksuudeltaan tyypillisesti luokkaa n.

92355 13 0,01 - 0,1 mikronia, kun taas koko zirkoniumsulkukerroksen 22 paksuus on tyypillisesti n. 75 mikronia. Koska putken pienennysvalmistustapa on vakiotilavuinen prosessi, lejee-rinkikerroksen koostumus pysyy oleellisesti muuttumattoma-5 na putken pienennysprosessin aikana.

Vaikka edellä esitettyä keksintöä on kuvattu joine-kin yksityiskohtineen valaisun ja esimerkkien avulla ymmärtämisen selvennystarkoituksessa, on selvää, että tiettyjä muutoksia ja muunnelmia voidaan suorittaa oheisten 10 patenttivaatimusten suojapiirin puitteissa.

Claims (10)

1. Ydinpolttoaine-elementti, joka on tyyppiä, joka sisältää zirkoniumlejeerinkiputken (21), zirkoniumsulku-5 kerroksen (22), joka on metallurgisesti sidottu lejeerin-kiputken (21) sisäpinnalle ja ydinpolttoainemateriaalia olevan keskisydämen (16), joka täyttää osittain sanotun putken (21) sisäosan jättäen raon (23) sanotun sienimäisen zirkoniumsulkukerroksen ja sanotun ydinpolttoainemateriaa-10 Iin väliin, tunnettu siitä, että se sisältää le-jeerinkikerroksen, joka on muodostettu zirkoniumsulkukerroksen (22) sisäpinnalle (30), joka lejeerinkikerros muodostuu yhdestä tai useammasta epäpuhtaudesta, jota on läsnä ohuella zirkoniumsulkukerroksen alueella vähemmän kuin 15 1 paino-% mutta riittävästi ehkäisemään sanotun zirkonium sulkukerroksen sisäpinnan hapettumisen vaikuttamatta oleellisesti sanotun sulkukerroksen plastisiin ominaisuuksiin, jolloin epäpuhtaudet on valittu ryhmästä, johon kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinpolttoaine- elementti, tunnettu siitä, että zirkoniumlejeerin-kiputken (21) paksuus on välillä n. 500 - 1000 pm, zirkoniumsulkukerroksen (22) paksuus on välillä n. 25 - 100 pm ja mainitun ohuen alueen paksuus on n. 0,01 - 1,0 pm.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen ydinpolttoaine- elementti, tunnettu siitä, että vähintään yhtä alkuainetta on lisätty ioni-istutuksella, ionipäällystyk-sellä tai kemiallisella höyrystyksellä.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen polttoaine-ele-30 mentti, tunnettu siitä, että alkuaineita on läsnä lejeerinkikerroksessa seuraavat määrät: niobia 0,01 - 0,6 paino-% rautaa 0,2 - 0,3 paino-% kromia 0,05 - 0,3 paino-% 35 raudan ja kromin seosta 0,15 - 0,3 paino-% ja kuparia 0,02 - 0,2 paino-%. 15 9^355

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinpolttoaine-elementti, tunnettu siitä, että zirkoniumsulkuker-ros on erittäin puhdasta zirkoniumia.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinpolttoaine-5 elementti, tunnettu siitä, että zirkoniumsulkuker- ros on kohtuullisen puhdasta zirkoniumia.

7. Menetelmä ydinpolttoaineen komposiittiverhous-säiliön (17) käsittelemiseksi hapettumisen ehkäisemiseksi, joka komposiittiverhoussäiliö sisältää zirkoniumlejeerin- 10 kiputken (21) ja zirkoniumsulkukerroksen (22), joka on metallurgisesti sidottu lejeerinkiputken (21) sisäpinnalle (30), tunnettu siitä, että syötetään ainakin yhtä epäpuhtautta, joka on valittu ryhmästä, johon kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi zirkoniumsulkukerrok- 15 sen (21) sisäpintaan (30) lejeerinkikerroksen muodostamiseksi, jolla on parantunut hapettumisen vastustuskyky verrattuna sanottuun zirkoniumsulkukerrokseen (22), jolloin mitään epäpuhtautta ei ole läsnä suuremmassa määrin kuin 1 paino-% lejeerinkikerroksessa.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että zirkoniumlejeerinkiputken (21) paksuus on välillä n. 500 - 1000 pm, zirkoniumsulkukerroksen (22) paksuus on välillä n. 25 - 100 pm ja että epäpuhtaudet syötetään riittävälle syvyydelle lejeerinkikerroksen 25 muodostamiseksi, jonka paksuus on välillä n. 0,01 - 1,0 pm.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että epäpuhtaudet syötetään ioni-istutuksella, ionipäällystyksellä tai kemiallisella höyrystyk- 30 sellä.

10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että epäpuhtaudet syötetään siten, että muodostuu lejeerinkikerros, jolla on seuraava koostumus: 35 92355 16 niobia 0,01 - 0,6 paino-% rautaa 0,2 - 0,3 paino-% kromia 0,05 - 0,3 paino-% raudan ja kromin seosta 0,15 - 0,3 paino-% ja 5 kuparia 0,02 - 0,2 paino-%. 17 92355