REVETEMENT DE COMBUSTIBLE TUBULAIRE.
La présente invention concerne les revêtements de combustible en alliage à base de zirconium, de réacteur à eau légère, en vue de leur application dans des réacteurs à eau pressurisée, à eau bouillante et à eau lourde. L'invention concerne plus particulièrement les revêtements de combustible tubulairesconstitués d'un unique matériau à base de zirconium.COATING OF TUBULAR FUEL.
The present invention relates to zirconium alloy fuel coatings of light water reactor for application in pressurized water, boiling water and heavy water reactors. The invention more particularly relates to tubular fuel coatingsconstitués of a single zirconium-based material.
Dans le passé, un certain nombre de projets de revêtement de combustible-nucléaire ont été proposés, chacun ayant pour but de réduire au minimum la propagation des fissures due au PCI (interaction entre les pastilles et le revêtement). Ces projets ont tous impliqué la mise en place d'un matériau comparativement tendre sous la forme d'une couche interne fine sur la surface intérieure d'un tube classique en alliage à base de zirconium (par exemple du Zircaloy 2 ou 4). Le coût de ce matériau tendre, et le coût de son incorporation dans le tube de revêtement de combustible augmentent de façon significative le coût final de l'ensemble du tube.Les matériaux de revêtement résistant au PCI ont typiquement eu une microstructure complètement recristallisée, et une résistance mécanique relativement basse ainsi qu'une faible résistance à la corrosion aqueuse, si on les compare aux matériaux classiques de revêtement Zircaloy 2 et 3. Ces propriétés lesont rendu inaptes à être utilisés en tant que matériaux pouvant constituer la totalité du tube de revêtement. I1 existe donc, dans ce domaine, un besoin pour une conception de revêtement de tube dans laquelle un matériau unique constitue le tube et fournit un revêtement combinant une excellente résistance à la propagation des fissures due au PCI, et d'excellentes propriétés en ce qui concerne la corrosion aqueuse ainsi que de bonnes propriétés mécaniques de structure. In the past, a number of nuclear fuel coating projects have been proposed, each aimed at minimizing crack propagation due to ICP (interaction between pellets and coating). These projects all involved the placement of comparatively soft material in the form of a thin inner layer on the inner surface of a conventional zirconium alloy tube (eg, Zircaloy 2 or 4). The cost of this soft material, and the cost of its incorporation into the fuel coating tube significantly increases the final cost of the entire tube. PCI-resistant coating materials typically have a completely recrystallized microstructure, and a relatively low mechanical strength and low resistance to aqueous corrosion, when compared to conventional Zircaloy 2 and 3 coating materials. These properties have rendered them unsuitable for use as materials which can constitute the entire coating tube . There is therefore a need in this field for a tube coating design in which a single material constitutes the tube and provides a coating which combines excellent resistance to crack propagation due to PCI, and excellent properties for relates to aqueous corrosion as well as good mechanical properties of structure.
En conséquence, la présente invention concerne un revêtement de combustuble tubulaire caractérisé en ce que ce revêtement comporte un alliage à base de zirconium A, B, C, D, ou E, et est entièrement constitué de cet unique alliage. Accordingly, the present invention relates to a tubular combustuble coating characterized in that said coating comprises an alloy based on zirconium A, B, C, D, or E, and consists entirely of this single alloy.
On obtient ainsi un revêtement de combustible tubulaire qui est composé d'un unique alliage à base de zirconium. Ce revêtement présente à la fois une excellente résistance à-la corrosion aqueuse et une excellente résistance à la propagation des fissures dues au PCI, ainsi que de bonnes propriétés mécaniques de structure. En conséquence, la nécessité pour ce revêtement d'avoir deux couches (une couche externe pour la résistance mécanique et la résistance à la corrosion aqueuse et qui a une couche interne tendre résistant à la propagation des fissures dues au PCI) est éliminée. De préférence, le revêtement de combustible tubulaire conforme à la présente invention présente d'un bout à l'autre une microstructure travaillée à froid et libéré de ses tensions.Si, cependant, il peut y avoir une petite quantité de grains equiaxés recristallisés présents dans la microstructure, ils ne représentent pas plus de 10 X en volume de la microstructure. I1 est préférable que l'on nepuisse pas observer de grains recristallisés pour assurer les propriétés mécaniques de structure au revêtement pour une épaisseur de parois raisonnable.L'alliage utilisé peut être l'un quelconque des alliages à base de zirconium suivants
TABLEAU I
ELEMENT ALLIAGES (X EN POIDS)
A B C D E
Sn 0,2-0,6 0,1-0,6 1,2-1,7 0,15-0,6 0,4-0,6
This produces a tubular fuel coating which is composed of a single zirconium alloy. This coating has both excellent resistance to aqueous corrosion and excellent resistance to the propagation of cracks due to PCI, as well as good mechanical properties of structure. As a result, the need for this coating to have two layers (an outer layer for mechanical strength and resistance to aqueous corrosion and which has a soft inner layer resistant to the propagation of cracks due to PCI) is eliminated. Preferably, the tubular fuel coating according to the present invention has from one end to the other a microstructure cold worked and released from its tensions. If, however, there may be a small amount of recrystallized equiaxed grains present in the microstructure, they do not represent more than 10 X by volume of the microstructure. It is preferable that recrystallized grains can not be observed to provide structural mechanical properties to the coating for reasonable wall thickness. The alloy used may be any of the following zirconium-based alloys.
TABLE I
ALLOY ELEMENT (X BY WEIGHT)
A B C D E
Sn 0.2-0.6 0.1-0.6 1.2-1.7 0.15-0.6 0.4-0.6
<tb> Fe <SEP> ) <SEP> <SEP> 0,04-0,24 <SEP> 0,04-0,24 <SEP> 0,15-0,5 <SEP> 0,1-0,3
<tb> <SEP> tO,û3-0,11 <SEP>
<tb> Cr <SEP> J <SEP> <SEP> 0,05-0,15 <SEP> 0,05-0,15
<tb>
Ni < 0,08 < 0,08 0,03-0,07 0* < 600 < 600 < 600 < 600 < 600
Total des impuretés < 1500* < 1500 < 1500 < 1500 < 1500 *en ppm ; le total des impuretés comprend l'oxygène.<tb> Fe <SEP>) <SEP><SEP> 0.04-0.24 <SEP> 0.04-0.24 <SEP> 0.15-0.5 <SEP> 0.1-0, 3
<tb><SEP> tO, û3-0,11 <SEP>
<tb> Cr <SEP> J <SEP><SEP> 0.05-0.15 <SEP> 0.05-0.15
<Tb>
Ni <0.08 <0.08 0.03-0.07 * * <600 <600 <600 <600 <600
Total impurities <1500 * <1500 <1500 <1500 <1500 * ppm; total impurities include oxygen.
De préférencejle revetement de combustible conforme à la présente invention a une structure hautement anisotropique, caractérisée par un rapport de contrainte de compression de 2 ou davantage , et de préférence de 2,5 à 3,0, ou bien par un nombre radial f de Kearn d'au moins 0,65, de préférence d'au moins 0,7. Preferably, the fuel coating according to the present invention has a highly anisotropic structure, characterized by a compression stress ratio of 2 or more, preferably 2.5 to 3.0, or a radial number f of Kearn. at least 0.65, preferably at least 0.7.
De préférence, la teneur en oxygène
des alliages représentés sur le tableau 1 est inférieure à 400 ppm. De préférence, la teneur totale en impuretés est inférieure à 1000 ppm.Preferably, the oxygen content
alloys shown in Table 1 is less than 400 ppm. Preferably, the total content of impurities is less than 1000 ppm.
L'alliage est choisi parmi ceux indiqués sur le tableau I. I1 y a lieu de souligner qu'un revêtement de combustible constitué entièrement de l'un des alliages indiqués sur le tableau I et présentant la microstructure précitée et travaillé à froid, et libéré de ses tensions, combinera une résistance a' la corrosion aqueuse, des propriétés mécaniques de structure, et une résistance au PCI qui le rend propre à être utilisé dans un élément combustible classique pour des réacteurs à eau pressurisée et à eau bouillante. The alloy is selected from those shown in Table I. It should be emphasized that a fuel coating consisting entirely of one of the alloys shown in Table I and having the aforementioned microstructure and cold worked, and released its voltages, will combine an aqueous corrosion resistance, structural mechanical properties, and resistance to PCI that makes it suitable for use in a conventional fuel element for pressurized water and boiling water reactors.
Un retement de combustible ayant la composition de l'alliage C peut avoir une microstructure finale qui est dans un état libéré des contraintes ou dans un état partiellement ou complètement recristallisé. La teneur élevée en étain et des réalisations en alliage C accroit les propriétés mécaniques -de structure de cet alliage par comparaison avec les autres alliages indiqués sur le tableau I, permettant ainsi au revêtement de combustible composé du matériau en alliage C de pouvoir également être utilisé dans l'état partiellement et complètement recristallisé en addition à l'état préféré travaillé à froid libéré des contraintes.De préférence, la composition de l'alliage C est contrôlée à l'intérieur des limites suivantes c-omme le montre le tableau II. Ces limites de l'élément allié correspondent à celles du revêtement de combustible en Zircaloy 2 et 4 excepté que la teneur en oxygène a été abaissée et que la teneur totale en impuretés est également contrôlée. A fuel retent having the composition of the alloy C may have a final microstructure which is in a stress relieved state or in a partially or completely recrystallized state. The high tin content and alloy C achievements increase the structural-mechanical properties of this alloy compared to the other alloys shown in Table I, thus allowing the fuel coating composed of the alloy material C to also be used. in the partially and completely recrystallized state in addition to the preferred cold working state released from the stresses. Preferably, the composition of the alloy C is controlled within the following limits as shown in Table II. These limits of the alloy element correspond to those of the Zircaloy fuel coating 2 and 4 except that the oxygen content has been lowered and the total content of impurities is also controlled.
I1 est de beaucoup préférable que la teneur en oxygène pour les alliages indiqués sur le tableau II soit inférieure à 400 ppm tandis que la teneur totale en impuretés (y compris l'oxygène) est inférieure à 1000 ppm. It is much preferred that the oxygen content for the alloys shown in Table II be less than 400 ppm while the total content of impurities (including oxygen) is less than 1000 ppm.
TABLEAU Il
Elément Alliages (% en poids)
C1 CII Sn 1,2-17 1,2-1,7
Fe 0,07-0,20 0,18-0,24
Cr 0,05-0,15 0,07-0,13
Ni 0,03-0,08 Impureté 0 < 600 ppm < 600 ppm
Total des impuretés < 1500 ppm < 1500 ppm
I1 y a en outre lieu de souligner que la résistance au PCI du revetement de combustible conforme à la présente invention peut être, en outre, améliorée en contrôlant la texture cristallographique du tube recuit final de façon à avoir un rapport de contrainte de compression de 2 ou davantage, et de préférence de 2,5 à 3,0, ou bien un nombre radial f de Kearn d'au moins 0,65 et de préférence d'au moins 0,7.TABLE II
Element Alloys (% by weight)
C1 CII Sn 1,2-17 1,2-1,7
Fe 0.07-0.20 0.18-0.24
Cr 0.05-0.15 0.07-0.13
Neither 0.03-0.08 Impurity 0 <600 ppm <600 ppm
Total impurities <1500 ppm <1500 ppm
It should further be emphasized that the ICP resistance of the fuel coating according to the present invention can be further improved by controlling the crystallographic texture of the final annealed tube so as to have a compression stress ratio of 2. or more, and preferably from 2.5 to 3.0, or a radial number f of Kearn of at least 0.65 and preferably at least 0.7.
I1 est souligné que les spécialistes habitués dans ce domaine peuvent facilement fabriquer l'ensemble du tube décrit ci-dessus en utilisant les techniques connues de fabrication de revêtement de combustible en zircaloy 2 et en zircaloy 4.I1 y a lieu, en outre, de souligner que le revêtement de combustible conforme à la présente invention présentera une résistance au PCI semblable à celle observée sur les revêtements de combustible en zircaloy 2 ayant une faible teneur en oxygène (inférieure à 450 ppm), et un revêtement de zirconium complètement-recristal- lisé lié à leur surface interne. It is pointed out that those skilled in the art can easily manufacture the entire tube described above using the known techniques for manufacturing zircaloy 2 and zircaloy fuel coatings. point out that the fuel coating in accordance with the present invention will have a PCI resistance similar to that observed on zircaloy 2 fuel coatings having a low oxygen content (less than 450 ppm), and a completely recrystallized zirconium coating; linked to their inner surface.