FI92355C - Ydinpolttoaine-elementti sekä menetelmä ydinpolttoaineen komposiittiverhoussäiliön käsittelemiseksi - Google Patents

Description

92355

Ydinpolttoaine-elementti seka menetelma ydinpolttoaineen komposiittiverhoussailidn kasittelemiseksi

Tama keksintd koskee laajasti ydinpolttoaine-ele-5 mentteja, joissa on komposiittiverhous, joka koostuu sie-ni- tai kidesauvazirkoniumia olevasta metallisulkukerrok-sesta, joka on sidottu zirkoniumlejeerinkiputken sisapin-nalle. Tarkenunin sanottuna keksinnttn kohteena on ydinpolttoaine-elementti, joka on tyyppia, joka sisaitaa zirko-10 niumlejeerinkiputken zirkoniumsulkukerroksen, joka on me-tallurgisesti sidottu lejeerinkiputken sisåpinnalle ja ydinpolttoainemateriaalia olevan keskisydamen, joka tayt-taa osittain sanotun putken sisåosan jattaen raon sanotun sienimaisen zirkoniumsulkukerroksen ja sanotun ydinpolt-15 toainemateriaalin valiin.

Nykyaan suunnitellaan, rakennetaan ja kaytetaan ydinreaktoreita, joissa ydinpolttoaine sisaityy polttoai-ne-elementteihin, joilla voi olla vaihtelevat geometriset muodot, kuten levyt, putket tai sauvat. Polttoainemateri-20 aali on tavallisesti suljettu sydpymista kestavaan, rea-goimattomaan, lampGa johtavaan sailiOOn tai vérhoukseen. Elementit kootaan yhteen ristikoksi kiinteille etaisyyk-sille toisistaan jaahdytysaineen virtauskanavaan tai alu-eeseen, joka muodostaa polttoainekokoonpanon ja riittava 25 maara polttoainekokoonpanoja yhdistetaan ydinfissioketju- reaktiokokoonpanon tai reaktorisydamen muodostamiseksi, joka kykenee itseaan yliapitavaan fissioreaktioon. Sydan on puolestaan suljettu reaktioastiaan, jonka lapi johde-taan jaahdytysainetta.

30 Verhous palvelee useita tarkoituksia ja kaksi paa- tarkoitusta ovat: ensiksi estaa kosketus ja kemialliset reaktiot ydinpolttoaineen ja jaahdytysaineen tai hidastimen vaiilia, mikali hidastinta on lasna tai molempien va-lilia, mikali seka jaahdytysainetta etta hidastinta on 35 lasna; ja toiseksi estaa radioaktiivisia fissiotuotteita.

2 92355 joista erSSt ovat kaasuja, vapautumasta polttoaineesta jaahdytysaineeseen tai hidastimeen tai molempiin, mikali seké jaahdytysainetta etta hidastinta on lasna. Hyddylli-sia verhousmateriaaleja ovat ruostumaton teras, alumiini 5 ja sen lejeeringit, zirkonium ja sen lejeeringit, tietyt magnesiumlejeeringit ja muut. Verhouksen pettaminen, ts. vuototiiviyden menetys voi saastuttaa jaahdytysaineen tai hidastimen ja siihen liittyvat systeemit radioaktiivisilla pitkaikaisilia tuotteilla siina maarin, etta se hairitsee 10 laitoksen toimintaa.

Ongelmia on esiintynyt niiden ydinpolttoaine-ele-menttien valmistuksessa ja toiminnassa, joissa kaytetaan tiettyja metalleja ja lejeerinkeja verhousmateriaalina johtuen mekaanisista jannityksista tai kemiallisista reak-15 tioista, joita tapahtuu naiden verhousmateriaalien kanssa tietyissa olosuhteissa. Zirkonium ja sen lejeeringit ovat normaaliolosuhteissa erinomaisia ydinpolttoaineen verhouk-sia, silia niilia on pienet neutronien absorptiopoikki-leikkaukset ja alle n. 398 °C:n lampOtiloissa ne ovat vah-20 voja, venyvia, erittain stabiileja ja reagoimattomia mine- raalittoman veden tai hOyryn lasna ollessa, joita kaytetaan yleisesti reaktorin jaahdytysaineina ja hidastimina.

Polttoaine-elementin toiminta on kuitenkin paljas-tanut verhouksen hauraan lohkeamisen ongelman, joka johtuu 25 ydinfissioreaktioiden aikana muodostuneiden ydinpolttoai neen, verhouksen ja fissiotuotteiden vålisista yhteisvai-kutuksista. On keksitty, ettå tama epamieluisa toiminta johtuu paikallisista, polttoaineen verhoukseen kohdistu-vista mekaanisista jannityksista, jotka ovat seurausta 30 laajenemisen ja kitkan eroista polttoaineen ja verhouksen vaiilia. Fissiotuotteita syntyy ydinpolttoaineessa fissio-ketjureaktiolla ydinreaktorin toiminnan aikana ja nama fissiotuotteet vapautuvat ydinpolttoaineesta ja niita on lasna verhouksen pinnalla. Nama paikalliset jannitykset ja 35 venymat kykenevat maarattyjen fissiotuotteiden, kuten jo- li 92355 3 din ja kadmiumin låsnå ollessa tuottamaan verhouksen pet-tåmisiå ilmittiden avulla, jotka tunnetaan jånnityskorroo-siomurtumana ja nesteen aiheuttamana metallin haurastumi-sena.

5 Suljetun polttoaine-elementin rajojen sisållå voi syntyå vetykaasua verhouksen ja verhouksen sisållå olevan jåånnOsveden vålisellå hitaalla reaktiolla ja tåmå vety voi kertyå tasoille, jotka tietyisså olosuhteissa voivat johtaa verhouksen paikalliseen hybridinmuodostukseen, jol-10 loin samanaikaisesti tapahtuu verhouksen mekaanisten omi-naisuuksien paikallista huononemista. Verhoukseen voivat vaikuttaa haitallisesti myås sellaiset kaasut kuin happi, typpi, hiilimonoksidi ja hiilidioksidi laajalla låmpOtilo-jen alueella.

15 Ydinpolttoaine-elementin zirkoniumverhous joutuu alttiiksi yhdelle tai useammalle edellå luetelluista kaa-suista ja fissiotuotteista sateilytyksen aikana ydinreak-torissa ja tåtå tapahtuu huolimatta siitå, ettå nåitå kaa-suja ei ehkå ole låsnå reaktorin jååhdytysaineessa tai 20 hidastimessa ja edelleen voi olla mahdollisimman pitkålle suljettu pois ympåristån atmosfååristå verhouksen ja polt-toaine-elementin valmistuksen aikana. Sintratut tulenkes-toiset ja keraamiset kokoonpanot, kuten uraanidioksidi ja muut ydinpolttoaineena kåytetyt kokoonpanot vapauttavat 25 mittavia mååriå edellå mainittuja kaasuja kuumennettaessa, kuten polttoaine-elementin valmistuksen aikana ja vapauttavat edelleen fissiotuotteita ydinfissioketjureaktioiden aikana. Hiukkasmaisten tulenkestoisten ja keraamisen ko-koonpanojen, kuten uraanidioksidipulverin ja muiden ydin-30 polttoaineena kåytettyjen pulvereiden on tiedetty vapaut-tavan jopa suurempia mååriå edellå mainittuja kaasuja så-teilytyksen aikana. Nåmå vapautuneet kaasut kykenevåt rea-goimaan ydinpolttoainetta sisåltåvån zirkoniumverhouksen kanssa.

35 Nåin olien edellå esitetyn valossa on havaittu toi- vottavaksi minimoida veden, vesihOyryn ja kaasujen, eri- 4 92355 tyisesti vedyn reaktio zirkoniumverhouksen kanssa, jotka aineet ovat reaktiokykyisia verhouksen kanssa, polttoaine-elementin sisaita pain koko sen ajan, kun polttoaine-ele-menttia kaytetaan ydinvoimalaitosten toiminnan aikana.

5 Kahta erityisen tehokasta lahestymistapaa zirkoniu- mia ja zirkoniumlejeerinkia olevien ydinpolttoaineverhous-putkien hajoamisen ehkaisemiseksi on kuvattu US-patenteis-sa 4 200 492 ja 4 372 817, joiden paljastukset liitetaan viitteena tahan esitykseen. Niissa kuvattu komposiitti-10 verhousputki koostuu sulkukerroksesta, joka on joko erit-tain puhdasta zirkoniumia (kuten kidesauvazirkoniumia) tai kohtuullisen puhdasta zirkoniumia (kuten sienizirkoniu-mia), joka on metallurgisesti sidottu zirkoniumlejeerinki-putken sisapinnalle. Komposiittiverhous sulkee sisaansa 15 ydinpolttoainemateriaalin jattaen raon polttoaineen ja verhouksen valiin. Sulkukerros suojaa lejeerinkiputkea verhouksen sisaiia pidetylta ydinpolttoainemateriaalilta samoin kuin se suojaa lejeerinkiputkea fissiotuotteilta ja kaasuilta. Sulkukerroksen paksuus vastaa tyypillisesti n. 20 1 - 30 % komposiittiverhouksen paksuudesta. Kummassakin tapauksessa sulkukerros sailyy suhteellisen pehmeana sa-teilytyksen aikana ja minimoi paikallisen venymisen ydin-polttoaine-elementin sisaiia toimien taten suojaten lejeerinkiputkea seka jannityskorroosiomurtumalta etta nesteen 25 aiheuttamalta metallin haurastumiselta. Verhouksen lejee-rinkiputkiosa on muutoin malliltaan ja toiminnaltaan muut-tumaton ydinreaktorin aikaisemmasta kaytanndsta ja on va-littu tavanomaisista verhousmateriaaleista, kuten zirko-niumlejeeringeista.

30 US-patenteissa nro 4 200 492 ja 4 372 817 paljaste- taan, etta puhtaudeltaan korkea ja kohtuullinen zirkonium-metalli, joka muodostaa metallisulkukerroksen komposiitti-verhouksessa, kykenee jopa pitkaaikaisen sateilytyksen jaikeen yllåpitamåan haluttuja rakenneominaisuuksia, kuten 35 myGtOrajaa ja kovuutta tasoilla, jotka ovat huomattavasti . · · 92355 5 alemmat kuin tavanomaisilla zirkoniumlejeeringeilia. Itse aslassa metallisulkukerros ei kovetu yhta paljon kuin ta-vanomaiset zirkoniumlejeeringit, kun se saatetaan sateilyn alaiseksi ja tama yhdessa sen alunperin alhaisen myOtOra-5 jan kanssa tekee mahdolliseksi metallisulkukerrokselle deformoitua plastisesti ja keventaa rakeiden aiheuttamia jannityksia polttoaine-elementissa tehon tasaantumisten aikana. Rakeiden aiheuttamia jånnityksiå polttoaine-elementissa voi saada aikaan esimerkiksi ydinpolttoaineen 10 rakeiden paisuminen reaktorin toimintaiampotiloissa (300 -- 350 °C), niin etta rae joutuu kosketukseen verhouksen kanssa.

US-patenteissa 4 200 492 ja 4 372 817 kuvatut ydin-polttoaine-elementit ovat oleellinen parannus niihin ele-15 mentteihin nahden, jotka eivat sisaiia sisaisia zirkonium-sulkukerroksia. Tiettyja ongelmia esiintyy kuitenkin tai-laisten ydinpolttoaine-elementtien valmistuksessa ja kay-tOssa. Ensinnakin zirkoniumsienisulkukerroksen pehmeyden ja suuren raekoon on havaittu edistavan pinnan murtumista 20 tai mikrosarOilya komposiittiverhouksen valmistuksen aika na, erityisesti sen vaiheen aikana, jossa putken kuoresta muodostetaan putkitus. MikrosarOilyt voivat ulottua aina 10 mikronin syvyyteen zirkoniumsulkukerrokseen (joka on tyypillisesti noin 75 mikronia paksu) toimien alkukohtina 25 jannityskorroosiomurtumalle. Toiseksi suhteellisen puhtaat zirkoniumverhoukset hapettuvat nopeasti, jos komposiitti-verhous rikkoutuu ja vetta tai hOyrya paasee polttoaine-sauvaan reaktorin toiminnan aikana.

Nain olien olisi toivottavaa saada aikaan parannet-30 tu ydinpolttoainesauva, joka on US-patenteissa nro 4 200 492 ja 4 372 817 yleisesti kuvattua tyyppia ja jossa suhteellisen puhtaan zirkoniumsulkukerroksen pyrkimys hal-keilla valmistuksen aikana ja hapettua kaytOn aikana on suuressa maarin ehkaisty. Olisi erityisen toivottavaa, jos 35 tailainen halkeilu ja hapettumisen ehkaisy voidaan saavut- 6 92355 taa pienentSmatta zirkoniumsulkukerroksen tehokkuutta, erityisesti sulkukerroksen kykya deformoitua plastisesti ja keventaa rakeiden aiheuttamia jannityksia polttoaine-elementissM tehon tasaantumisten aikana.

5 Edelia mainittujen paamaarien toteuttamiseksi kek- sinndn mukaiselle elementille on tunnusomaista, etta se sisaitaa lejeerinkikerroksen, joka on muodostettu zirkoniumsulkukerroksen sisapinnalle, joka lejeerinkikerros muo-dostuu yhdesta tai useammasta epapuhtaudesta, jota on las-10 na ohuella zirkoniumsulkukerroksen alueella vahemman kuin 1 paino-% mutta riittavasti ehkaisemaan sanotun zirkoniumsulkukerroksen sisapinnan hapettumisen vaikuttamatta oleellisesti sanotun sulkukerroksen plastisiin ominai-suuksiin, jolloin epapuhtaudet on valittu ryhmasta, johon 15 kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi. Lejeerinkikerroksen paksuus on tyypillisesti vaiilia n. 0,01 - 1,0 mikronia, kun taas zirkoniumlejeerinkiputken paksuus on vaiilia n. 500 - 1 000 mikronia ja zirkoniumsulkukerroksen paksuus on vaiilia n. 25 - 100 mikronia. Lejeerinki 20 muodostetaan tyypillisesti ioni-istutuksella, ionipaailys-tykselia, epapuhtauksien kemikaalihdyrykerrostuksella, jotka epapuhtaudet on valittu ryhmasta, johon kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi. Erityisen edullista lejeerinkiseosta, joka sisaitaa kutakin naista alkuaineis-25 ta, kuvataan jaijempana.

KeksinnOn suositeltavat suoritusmuodot on esitetty oheistetuissa patenttivaatimuksissa 2-6.

KeksinnOn mukaiselle menetelmaile komposiittiver-houssailidn kasittelemiseksi on tunnusomaista, etta sybte-30 taan ainakin yhta epapuhtautta, joka on valittu ryhmasta, johon kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi zirkoniumsulkukerroksen sisapintaan lejeerinkikerroksen muodos-tamiseksi, jolla on parantunut hapettumisen vastustuskyky verrattuna sanottuun zirkoniumsulkukerrokseen, jolloin 35 mitaan epapuhtautta ei ole lasna suuremmassa maarin kuin 1 paino-% lejeerinkikerroksessa. Menetelman suositeltavat suoritusmuodot on esitetty patenttivaatimuksissa 8-10.

92355 7

Kuvio 1 on osittain aukileikattu leikkauskuvanto ydinpolttoainekokoonpanosta, joka sisaltåå ydinpolttoaine-elementteja, jotka on valmistettu tåmån keksinnOn mukai-sesti.

5 Kuvio 2 on suurennettu poikkileikkauskuvanto taman keksinniin ydinpolttoaine-elementista.

Kuvio 3 on suurennettu yksityiskohtakuvanto kuvios-ta 2, joka esittåa taman keksinnOn lejeerinkikerroksen sijoitusta.

10 Viitaten nyt tarkemmin kuvioon 1, siina esitetaan osittain aukileikattu leikkauskuvanto ydinpolttoainekokoonpanosta 10. Tama polttoainekokoonpano koostuu yleensa poikkileikkaukseltaan neliOmåisesta, putkimaisesta vir-tauskanavasta 11, jonka ylSpSS on varustettu nostosangalla 15 12 ja alapSa nokkakappaleella (ei esitetty johtuen siita, etta kokoonpanon 10 alaosa on jatetty pois). Kanavan 11 yiapaa on avoin kohdasta 13 ja nokkakappaleen alapaa on varustettu jaahdytysaineen virtausaukoilla. Polttoaine-elementtien 14 jarjestelma (kaytetaan yleisesti myOs nimi-20 tysta polttoainesauvat) on suljettu kanavaan 11 ja tuettu siihen yiapaatylevyn 15 ja alapaatylevyn avulla (ei esitetty johtuen siita, etta alaosa on jatetty pois). Neste-mainen jaahdytysaine tulee tavallisesti sisaan nokkakappaleen alapaassa olevien aukkojen kautta, kulkee ylOspain 25 polttoaine-elementtien 14 ympari ja poistuu yiaaukosta 13 osittain hOyrystyneessa tilassa kiehutusreaktoreissa tai hOyrystymattOmassa tilassa painereaktoreissa kohonneessa lampOtilassa.

Ydinpolttoaine-elementit 14 on suljettu paistaan 30 paatytulppien 18 avulla, jotka on hitsattu verhoussailiddn 17 ja jotka voivat sisaitaa tapit 19, jotka auttavat polt-toainesauvan asentamisessa kokoonpanoon. Tyhja tila tai holvi 20 on aikaansaatu elementin toiseen paahan polttoai-nemateriaalin pituuslaajeneman ja polttoaineesta vapautu-35 neiden kaasujen keraSntymisen sallimiseksi. Ydinpolttoai- 92355 8 nemateriaalin pidatinvaiine 24 kierre-elimen muodossa on sijoitettu tilaan 20 polttoainemateriaalisydSmen 16 aksi-aalisen liikkeen hillitsemiseksi erityisesti polttoaine-elementin kSsittelyn ja kuljetuksen aikana.

5 Polttoaine-elementti 14 on suunniteltu aikaansaa- maan erinomainen terminen kosketus verhousputken 17 ja polttoainemateriaalisydåmen 16 vaiilia, mahdollisimman pieni passiivinen neutroniabsorptio ja taipumisen- ja ta-rinankesto, joita ilmidita suurinopeuksinen jaahdytysai-10 neen virtaus satunnaisesti aiheuttaa.

Polttoainemateriaalisydamenå 16 on tyypillisesti lukuisia fissioituvan ja/tai aktiivisen materiaalin polt-toainerakeita, jotka on sijoitettu verhoussailidtin 17. Joissakin tapauksissa polttoainerakeet voivat olla eri 15 muotoisia, kuten sylinterimaisiå rakeita tai pallosia ja toisissa tapauksissa voidaan kayttaa eri polttoainemuoto-ja, kuten hiukkasmaista polttoainetta. Polttoaineen fysi-kaalinen muoto ei ole oleellinen talle keksinndlle. Eri-laisia ydinpolttoainemateriaaleja voidaan kayttaa mukaan 20 luettuna uraaniyhdisteet, plutoniumyhdisteet, toriumyhdis- teet ja niiden seokset. Edullinen polttoaine on uraani-dioksidi tai seos, joka sisaitaa uraanidioksidia ja pluto-niumoksidia.

Viitaten nyt kuvioon 2, polttoaine-elementin keski-25 sydamen muodostava ydinpolttoainemateriaali 16 on ympardi-ty verhoussailidlia 17, joka on komposiittiverhous. Kompo-siittiverhoussailiO 17 sulkee sisaansa sydamen 16 jattaen raon 23 sydamen ja verhoussailidn valiin ydinreaktorin kaytdn aikana. Komposiittiverhoussailid 17 koostuu zirko-30 niumlejeerinkiputkesta 21, joka on tamån keksinndn edulli-sessa toteutusmuodossa tehty Zircaloy-2-materiaalista. Lejeerinkiputken 21 sisapinnalle on kiinnitetty zirkonium-sulkukerros 22 siten, etta sulkukerros 22 muodostaa suojan lejeerinkiputken 21 ja verhouksessa 22 pidetyn ydinpoltto-35 ainemateriaalin 16 vålille. Sulkukerros 22 muodostaa n.

9 2 ό 5 5 9 1 - 30 % verhouksen paksuudesta ja sille on luonteenomais-ta alhainen neutroniabsorptio. Zirkoniumsulkukerros 22 suojaa verhouksen zirkoniumlejeerinkiputkiosaa kosketuk-selta ja reaktiolta kaasujen ja fissiotuotteiden kanssa ja 5 eståå paikallisen jånnityksen ja venymån esiintymisen.

Sopivia zirkoniumsulkukerroksia 22 ovat seka erit-tain puhdas (esim. kidesauva) zirkonium etta kohtuullisen puhdas (esim. sieni) zirkonium, joita on kuvattu US-paten-teissa nro 4 200 492 ja 4 372 817 samassa jarjestyksessa.

10 Erittåin puhtaan zirkoniumin epapuhtauspitoisuus on alle n. 500 ppm happipitoisuuden ollessa alle n. 200 ppm ja edullisesti alle 100 ppm.

Zirkoniumsienisulkukerroksen 22 koostumus valitaan antamaan sulkukerrokselle erikoisominaisuuksia. Yleensa 15 sulkukerroksen 22 materiaalissa on vahintaan η. 1 000 ppm painosta ja alle n. 5 000 ppm epåpuhtauksia ja edullisesti alle n. 4 200 ppm. Naista happi pidetaan vaiilia n. 200 -1 200 ppm. Kaikki muut epåpuhtaudet ovat kaupallisen, re-aktorilaatuisen sienizirkoniumin normaalilla alueella ja 20 ne luetellaan seuraavasti: alumiinia - 75 ppm tai våhem-man; booria - 0,4 ppm tai vahemman; kadmiumia - 0,4 ppm tai vahemman; hiilta 270 ppm tai vahemman; kromia - 200 ppm tai vahemman; kobolttia - 20 ppm tai vahemman; kupa-ria- 50 ppm tai vahemman; hafniumia - 100 ppm tai våhem-25 man; vetya 25 ppm tai vahemman; rautaa - 1 500 ppmm tai vahemman; magnesiumia - 20 ppm tai våhemman; mangaania -50 ppm tai vahemman; molybdeenia - 50 ppm tai våhemman; nikkelia - 70 ppm tai vahemman; niobia - 100 ppmm tai vahemman; typpea - 80 ppm tai vahemmån; piita - 120 ppm tai 30 vahemman; tinaa - 50 ppm tai vahemmån; wolframia - 100 ppm tai vahemmån; titaania - 50 ppm tai vahemmån; ja uraania - 3,5 ppm tai vahemmån.

Tåmån keksinnOn ydinpolttoaine-elementin 14 kompo-siittiverhouksessa 17 sulkukerros 22 on sidottu zirkonium-35 lejeerinkiputkeen 21 vahvalla sidoksella. Putken 21 ja 10 9 2 355 sulkukerroksen 22 materiaalin vålillå tulisi olla riitta-våsti diffuusiota sidoksen muodostamiseksi, muttei missaan maarin diffuusiota poispain 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-lejeerinkia olevaan lejeerinkiputkeen, saa aikaan janni-tyksen pienenemisen ja sulkuvaikutuksen, joka on riittava estamaan viat komposiittiverhouksessa. Zirkoniumlejeerin-10 keja, jotka toimivat sopivina lejeerinkiputkina 21, ovat Zircaloy-2 ja Zircaloy-4. Zircaloy-2-lejeeringisså on pai-nosta n. 1,5 % tinaa; 0,12 % rautaa; 0,09 % kromia ja 0,05 % nikkelia ja sita kaytetaan yleisesti vesijaahdytteisissa reaktoreissa. Zircaloy-4-lejeeringissa on vahemman nikke-15 lia kuin Zircaloy-2-lejeeringissa, mutta se sisaitåa hie-man enemmån rautaa kuin Zircaloy-2.

Komposiittiverhous 17, jota kåytetaan taman keksin-nOn ydinpolttoaine-elementissa 14, voidaan valmistaa milia tahansa seuraavista menetelmista.

20 Eraasså menetelmasså sulkukerrokseksi 22 valittu, sienizirkoniumia oleva ontto holkki tydnnetaan lejeerinki-putkeksi valittuun, zirkoniumlejeerinkia olevaan onttoon tankoon. Kokoonpano saatetaan holkin rajaytyssidontaan tankoon. Komposiitti pursotetaan korkeassa n. 538 - 750 25 °C:n låmpOtilassa kayttaen tavanomaista putkipursotustek-niikkaa. Pursotettu komposiitti saatetaan sitten proses-siin, johon liittyy tavanomainen putken pienennys, kunnes haluttu verhouksen koko on saavutettu.

Toisessa menetelmasså sulkukerrokseksi 22 valittu, 30 sienizirkoniumia oleva ontto holkki tyOnnetaån lejeerinki-putkeksi valittuun, zirkoniumlejeerinkia olevaan onttoon tankoon ja sen jalkeen kokoonpano saatetaan kuumennusvai-heeseen, tyypillisesti 750 °C:ssa n. kahdeksaksi tunniksi diffuusiosidonnan saamiseksi holkin ja tangon valille. 35 Komposiitti pursotetaan sitten kåyttaen tavanomaista put- 92355 11 kikuoripursotustekniikkaa ja pursotettu komposiitti saate-taan prosessiin, johon liittyy tavanomainen putken pienen-nys, kunnes haluttu verhouksen koko on saavutettu.

Viela eraassa menetelmassa sulkukerrokseksi 22 va-5 littu, sienizirkoniumia oleva ontto holkki tydnnetaan le-jeerinkiputkeksi valittuun, zirkoniumlejeerinkia olevaan onttoon tankoon ja kokoonpano pursotetaan kayttaen tavan-omaista putkikuoripursotustekniikkaa. Taman jaikeen pursotettu komposiitti saatetaan prosessiin, johon liittyy 10 tavanomainen putken pienennys, kunnes haluttu verhouksen 17 koko on saavutettu.

Tahan vaiheeseen saakka polttoaine-elementin ver-houssailiOn 17 valmistusmenetelmå on ollut US-patentissa nro 4 200 492 kuvatun kaltainen. Tama keksintO saa aikaan 15 aikaisemmin patentoidun prosessin muutoksen, jossa lejee-rataan zirkoniumsulkukerroksen 22 ohueen kerrokseen yhta tai useampaa metalliepåpuhtautta, joka kykenee ehkaisemaån sulkukerroksen hapettumista kaytGn aikana ja estamaan sul-kukerroksen mekaanisen vahingoittumisen valmistuksen aika-20 na. Epapuhtauksia, jotka muodostavat halutut lejeeringit, ovat pienet maarat rautaa, kromia, kuparia, typpea ja nio-bia. Lejeerinkikerros muodostetaan zirkoniumsulkukerroksen 22 sisapinnalle (esitetty viitenumerolla 30 kuviossa 3) sydttamaiia ennalta valitut maarat epapuhtauksia. Epapuh-25 taudet voidaan lisata milla tahansa tavanomaisella mene-telmaiia, joka tekee mahdolliseksi kerrostuman syvyyden saatamisen. Erityisen sopivia ovat sellaiset tekniikat kuin ioni-istutus, ionipaailystys, kemiallinen hOyrystys yms. Lejeerinkikerroksen paksuus ei ole kriittinen ja se 30 riippuu lejeeringin tarkasta koostumuksesta. Paksuuden tulisi olla riittava aikaansaamaan halutun mekaanisen suo-jauksen ja hapettumisen vastustuskyvyn, jotka ovat taman keksinndn tavoitteita. Tyypillisesti lejeerinkikerroksen paksuus on vaiilia n. 0,01 - 1,0 mikronia ja tavallisemmin 35 vaiilia n. 0,01 - 0,1 mikronia.

92355 12

Epapuhtaudet, jotka muodostavat lejeeringin, ovat lasna lejeerinkikerroksessa (joka on vain pieni osa zirko-niumsienikerroksesta) ja niiden maarat ovat suhteellisen pienet, tyypillisesti n. 0,01 - 0,75 paino-%. Taman kek-5 sinnOn erityisen edullinen lejeerinkikerros sisaitaa kuta-kin alkuaine-epSpuhtautta seuraavassa taulukossa 1 esite-tyt maarat. On ymmarrettava, etta lisaepapuhtauksia voi-daan mytts lisata sikaii kuin niiden mukaanliittaminen ei pienenna lejeerinkikerroksen haluttua hapettumisen vastus-10 tuskykya.

Taulukko 1

Alkuaine- Paino-%*) ' epapuhtaus 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 *Lasnå lejeerinkikerroksessa sulkukerroksessa 22.

Lejeeraus alkuaine-epapuhtauksilla voidaan saavut-taa tavanomaisella teollisella tekniikalla, kuten ioni-istutuksella, ionipaailystykselia, kemiallisella h5yrys-tykselia yms. Tyypillisesti lejeeraus toteutetaan ioni-25 istutuksella putkikuorivaiheessa sen jaikeen, kun zirko- niumsienisulkukerros 22 on muodostettu verhoussailidn 17 sisapinnalle, kuten edelia kuvattiin. Ioni-istutus suori-tetaan huoneeniampCtilassa alipaineolosuhteissa. Ioni-is-tutuksen energia saadetaan siten, etta istutettujen ionien 30 tunkeutumissyvyys sienizirkoniumsulkukerrokseen on n.

0,1 - 1 mikronia.

Komposiittiverhousputki 17 saatetaan sitten tavan-omaisiin putken pienennysprosesseihin, kunnes haluttu ver-houksen 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 edellå esitettyé keksintdå on kuvattu joine-kin yksityiskohtineen valaisun ja esimerkkien avulla ym-mflrtSmisen selvennystarkoituksessa, on selvåa, etta tietty ja muutoksia ja muunnelmia voidaan suorittaa oheisten 10 patenttivaatimusten suojapiirin puitteissa.

Claims (10)

1. Ydinpolttoaine-elementti, joka on tyyppia, joka sisaitaa zirkonlumlejeerinkiputken (21), zirkoniumsulku-5 kerroksen (22), joka on metallurgisesti sidottu lejeerin-kiputken (21) sisåpinnalle ja ydinpolttoainemateriaalia olevan keskisydåmen (16), joka tayttaa osittain sanotun putken (21) sisSosan jattåen raon (23) sanotun sienimaisen zirkoniumsulkukerroksen ja sanotun ydinpolttoainemateriaa-10 lin vaiiin, tunnettu siita, etta se sisaitaa le-jeerinkikerroksen, joka on muodostettu zirkoniumsulkukerroksen (22) sisapinnalle (30), joka lejeerinkikerros muo-dostuu yhdesta tai useammasta epapuhtaudesta, jota on lasna ohuella zirkoniumsulkukerroksen alueella vahemman kuin 15 1 paino-% mutta riittavasti ehkåisemåan sanotun zirkonium sulkukerroksen sisapinnan hapettumisen vaikuttamatta olee-llisesti sanotun sulkukerroksen plastisiin ominaisuuksiin, jolloin epapuhtaudet on valittu ryhmasta, johon kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinpolttoaine- elementti, tunnettu siita, etta zirkoniumlejeerin-kiputken (21) paksuus on vålilia n. 500 - 1000 μπ>, zirkoniumsulkukerroksen (22) paksuus on vaiilia n. 25 - 100 pm ja mainitun ohuen alueen paksuus on n. 0,01 - 1,0 pm.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen ydinpolttoaine- elementti, tunnettu siitå, etta vahintaan yhta alkuainetta on lisatty ioni-istutuksella, ionipaailystyk-selia tai kemiallisella hdyrystykselia.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen polttoaine-ele-30 mentti, tunnettu siitå, etta alkuaineita on lasna lejeerinkikerroksessa seuraavat maaråt: 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-elementtl, tunnettu siita, etta zirkoniumsulkuker-ros on erittSin puhdasta zirkoniumia.

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

7. Menetelma ydinpolttoaineen komposiittiverhous-sSiliOn (17) k&sittelemiseksi hapettumisen ehkaisemiseksi, joka komposiittiverhoussailiO sisaitaa zirkoniumlejeerin- 10 kiputken (21) ja zirkoniumsulkukerroksen (22), joka on metallurgisesti sidottu lejeerinkiputken (21) sisapinnalle (30), tunnettu siita, etta syOtetaan ainakin yhta epapuhtautta, joka on valittu ryhmasta, johon kuuluvat rauta, kromi, kupari, typpi ja niobi zirkoniumsulkukerrok- 15 sen (21) sisapintaan (30) lejeerinkikerroksen muodostami-seksi, jolla on parantunut hapettumisen vastustuskyky ver-rattuna sanottuun zirkoniumsulkukerrokseen (22), jolloin mitaan epapuhtautta ei ole lasna suuremmassa maarin kuin 1 paino-% lejeerinkikerroksessa.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelma, tun nettu siita, etta zirkoniumlejeerinkiputken (21) pak-suus on vaiilia n. 500 - 1000 pm, zirkoniumsulkukerroksen (22) paksuus on vaiilia n. 25 - 100 pm ja etta epapuhtau-det syOtetaan riittavaile syvyydelle lejeerinkikerroksen 25 muodostamiseksi, jonka paksuus on vaiilia n. 0,01 - 1,0 pm.

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelma, tunnettu siita, etta epapuhtaudet syOtetaan ioni-istu-tuksella, ionipaailystykselia tai kemiallisella hOyrystyk- 30 sella.

10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelma, tunnettu siita, etta epapuhtaudet syOtetaan si-ten, etta 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