SE426891B

SE426891B - Sett att tillverka kapselror av zirkoniumbaserad legering forbrenslestavar till kernreaktorer

Info

Publication number: SE426891B
Application number: SE8104214A
Authority: SE
Inventors: G Vesterlund
Original assignee: Asea Atom Ab
Priority date: 1981-07-07
Filing date: 1981-07-07
Publication date: 1983-02-14
Also published as: FI822395A0; FI72007B; JPS5825466A; FR2509510B1; FR2509510A1; FI72007C; SE8104214L; BE893788A; DE3224685A1; FI822395L

Description

15 20' 25 30 55 8104214-*5 2 i ett antal steg och mellan två på varandra följande kallvalsningar en glödg- ning, mellanglöägziing, vid 625-700 °C för att möjliggöra den efterföljande kall- valsningen. Kylningen av den extruderade produkten efter varje mellanglödg- ning sker relativt långsamt med en 'hastigæt av högst 5 OC/minut i tempera- turområdet närmast under glödgzingstemperahïren och utan användning 'av något kylmedium. Efter sita kallvalsningssteget utföres en slutglödgxﬁng, för att ge materialet eftersträvade mekaniska egenskaper. Slutglödgningen kan göras vid temperaturer av 400-700 OG.

'Rör som framställts av Ziroaloy under hittills använda betingelser har i allmänhet visat sig besitta tillräcklig beständighet mot korrosion under de driftsbetmgelser som råder i en kärnreaktor. Utvecklingen går emellertid mot ett allt högre utnyttjande av bränslet, vilket betyder längre drifts- tider för bränsleelementen. Kapslingsmaterialet kommer därmed att utsättas för det korrosiva vattnet under en längre tidsperiod än vad som tidigare varit normalt, vilket innebär en ökad risk för korrosionsskador. Det-har där- för varit ett önskemål att åstadkomma bättre korrosionsegenskaper hos de an- vända legeringarna utan att detta medför ogynnsamma förändringar av de meka- niska egenskaperna.

Det är tidigare känt, bl a genom den amerikanska patentskriften 4 258 251, att man genom ß-släclming av ettfärdigtillverkat rör av Zircaloy kan för- bättra rörets 'beständighet mot s k aocelererad nodulär korrosion i vatten ooh ånga av högt tryck. Rör av Ziroaloy med goda mekaniska egenskaper kan, såsom framgår av den amerikanska patentslcriften 3 865 655, åstadkommas genom ß-släclcrsing av den extruderade produkten, innan denna underkastas den sista kallvalsningen.

Den exakta orsaken till den förbättrade 'oeständigheten mot accelererad nodu- lär korrosion som uppnås genom ß -släolming har ännu inte helt klarlagts.

Det anses dock att förbättringen är relaterad till storlek och fördelning av intermetalliska föreningar i materialet. De intermetalliska föreningarna, s k sekundärfaser, utgöres av kemiska föreningar innehållande förutom zirkonium främst elementen järn., Iccom och nickel och de förekommer i form av partiklar. en vid /ﬁ -släokrxing åstadkomna upplösnings- och återutskiljningsprocessen resulterar dels i en förfining av partiklarnas storlek, dels i en omfördel- ning från jämnt fördelade partiklar till partiklar utgörande stråk i de vid /5 -fasomvandlíngen bildade »L -kornens korngrärlser. 10 15 20 25 50 35 m ß-siaelming av det färdiga kapselröret medför en sanering av amani- teten hos röret, vilket innebär en nackdel hos metoden. En /Ö-släclcrzizzg av den extruderade produkten före kallvalsning till färdig dimension ger mindre försämring-ar av det färdiga rörets mekaniska egenskaper. En ß-släclcrling ger oavsett om det sker på. ett färdigtillverkat rör eller före det sista kallvalsningssteget emellertid en utbytesförsämring på grund av ökad kassa- tion och vidare materialförluster på grund av att ß-släolcrxing medför bild- ning av ett oxidskikt pâ rörets yta, som måste avlägsnas. /å-släclcning är också i sig själv en operation, som innebär en komplikation vid tillverk- ningen av kapselrör.

Enligt den föreliggande uppfinningen har det visat sig möjligt att till- verka kapselrör för bränslestavar till kärnreaktorer med lika god resistens mot nodulär korrosion och minst lika goda mekaniska egenskaper som hos de bästa tidigare kända kapselrören utan användning av /å-slächxirg efter extru- sionen.

Uppfinningen avser ett sätt att tillverka kapselrör av zirkoniumbaserad legering för bränslestavar till kärnreaktorer, varvid den zirkoniumbaserade legeringen extruderas vid en temperatur understigande 680 OC och den extru- derade produkten underkastas kallvalsningar och glödgningar, mellanglödg- ningar, mellan kallvalsningarna., varav åtminstone en mellanglödgning ut- föres vid en temperatur överstigande 650 °C i oá-fasområdet och efter den sista kallvalsningen en slutglödgznzíng, kännetecknat därav, att den extrude- rade produkten efter varje mellanglödgzming vid en temperatur överstigande 650 °C i oL-fasområdet kyles med en hastighet som i temperaturintervallet från glödgningstemperaturen till650 °C uppgår till minst 5 °C/minut innan den underkastas den efterföljande kallvalsningen samt att glödgriingar efter den sista mellanglödggiingen vid en temperatur överstigande 650 °C i oá-fas- området, utföres vid en temperatur av högst 600 °C. Mellanglödgzing vid en temperatur överstigande 650 °C i øó-fasområdet sker företrädesvis vid en temperatur inom intervallet 675-725 OC. kylningen kan med fördel ske i en ugn fylld med helium, som har god värmeledningsförmåga. Kylningen kan ske med godtycklig hastighet över' 5 QC/minut. Tiden för glödgningen vid en tem- peratur överstigande 650 OC i øC-fasområdet uppgår till 0,540 timmar.

Efter sista kallvalsningen underkastas den ertruderade produkten en slut- glöagning vid en temperatur av 4oo-6oo °c, företrädesvis av 525-575 °c. 8104214-5 10 15 20 25 50 35 Vid tillverkning av kapselrör enligt den föreliggande uppfinningen har det visat sig, att sekzmdärfaspartilclarnas storlek i det färdiga kapselröret, liksom fallet är då. ß-släckning användes, är avsevärt mindre än vid konven- tionell tillverkning av kapselrör utan /5 -släclming efter extrusionen. Selnm- aarfeepeetnaeene neger aeek i meteete till ved feuet ae efter ßeeiaeleﬁng homogent fördelade i materialet. Det är tåinkbart att det är den enligt den föreliggande uppfinningen uppnådda lilla storleken hos selomdärfaspartik- larna tillsammans med den homogena fördelningen av dem som ger den gynnsamma kombinationen av god resistens mot nodulär korrosion och goda mekaniska egen- skaper .

Den zirkoniumbaserade legal-ingen utgöres företrädesvis av en zirkonium-tenn- dager-ing, t ex de under handelsnamnen Zircaloy 2 och Zircaloy 4 kända lege- ringanza, vilkas innehåll av legeringsämen ligger inom gränserna 1,2-1,7 73 för tenn, o,o7-o,24 v, för järn, o,o5-o,15 % för men een o-o',o8 91, för niekel, rest zirkonium och eventuellt förekommande föroreningar av vanligt slag, där êﬂåivïß PIOGGIW liksom angivna procent i ansökningen i övrigt avser viktpro- cent. ziteeley 2 metaller 1,2-1,7 gt tenn, o,o7-o,2o 71, åäe-n, Q,O5.Q,15 y, krom och 0,05-0,08 *få nickel. Zircaloy 4 innehåller 1,2-1,7 ZÉ tenn, O,18-0,24 gå 351111, 0,07-0,15 74 krom och ingen nickel.

Den zirkoniumbaserade legerimgen underkastas företrädesvis en ß-släckning före extrusionen, dvs den värmes upp till en temperatur i ﬁ-fasomrâdet och snabbky-les till en temperatur i oC-fasområdet. Det är dock möjligt *att an- vända den zirkoniumbaserade legeringen utan att den underkastas ß-släck- p ning... /å-släclnﬁng före extrusionen utföres genom att legeringen uppvärmes till en temperatur av lämpligen 950-1250 °C och av företrädesvis 1000-1150 OC och snabbkyles till en temperatxm i eL-fasområdet. Kylningen från den an- vända temperaturen i ß-fasområdet till temperaturen 790 OC sker därvid iämpiigen med en hastighet ev 1-5o °c/ee1ema een kylningen från 790 °c tm son °c eller aäeunaer, lämpligen men en neetighet ev mer än 5 °c/minut.

Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av ett utföringsezcem- pel.

Ett göt av Zircaloy 2 smides till en stång med en dimension av 150-200 mm.

Stången mderkastas /â-släclmixag genom uppvärmning till en temperatur av 1050 OC under 15 minuter och lqrlning till rumstemperatur ”med en hastighet av 5-10 °C/sekund. iv stången tillverkas extrusionsämnen. Dessa extruderas utan föregående uppvärmning. Den extruderade produkten underkastas därefter 10 15 20 25 5 8104214-5 I tre kallvalsningar varigenom rörets slutliga ytterdiameter blir 12,5 mm.

Mellan första och andra valsningen samt mellan andra och sista valsningen glödgas den extruderade produkten vid en temperatur av 700 0G- under 1 timme.

Efter varje mellanglödgrzing kyles den extruderade produkten i en ugn fylld med helium så att lqlningshastigheten i temperaturområdet från glödgzings- temperaturen, avs 700 °c, nea :111 65o-°c uppgår till 10 °c/m1nut. efter sista kallvalsrzingen slutglödgas röret vid en temperatur av 565 °c. Såväl mellanglödgningar som slutglödgning kan utföras i evakuerad ugn. I det färdiga röret har sekundärfaspartiklarna. en storlek, som i huvudsak ligger i intervallet 0,01-0,2/um och en medelpartikelstorlek av omkring 0,1 /um.

I ett kapselrör, som tillverkats på konventionellt sätt och som inte under- kastas ß-släclming i färdig-tillverkat skick eller tidigare i extruderat skikt, har sekundärpartiklarna en storlek, som i huvudsak ligger i inter- vallet 0,1-G,6/um och en medelpartikelstorlek av omkring OJ/um. I stället för att utföra mellanglödgningen mellan andra och sista; kallvalsningen vid en temperatur av 700 °C kan nämnda mellanglödgning i det exemplifierade fallet utföras vid en temperatur av 575 °c.

Vid korrosionsprov, som visat sig väl simulera betingelsema vid reaktor- drift, uppvisar kapselrör tillverkade enligt den föreliggande uppfirmingen en viktökning, som endast är en bråkdel av den som uppnås vid konventionell tillverkning utan användning av ß-släckrxing efter extrusionen och ungefär lika stor som den som uppnås vid tillverkning med användning av ﬂ-släclming efter extrusionen. De mekaniska egenskaperna hos ett kapselrör tillverkat enligt uppfinningen är ungefär desamma som hos rör tillverkade på konven- tionellt sätt utan ß-släolming efter extrusionen och avsevärt bättre än hos rör som under-kastats; ﬁ-släolcrzing i färdigtillverkat tillstånd.

Gvan nämnda korrosionsprov utföres i autoklav med vattenånga vid ett tryck - av 9,8 MPa och en temperatur av 500 °c. Viktökningen är ett mått på. den korrosion som röret åsamkats.

Claims

a 8104214-5 6 PATENTIQAV

1. Sätt att tillverka kapselrör av zirkoniumbaserad légering för bränsle- stavar till käzcnreaktorer, varvid 'den zirkoniumbaserade legeringen ertmde- ras vid en temperatur understigende 680 0G' och den extruderade produkten underkastas kallvalsningar och glödgzzingar, mellanglödgzingar, mellan kall- valsningarxza., varav åtminstone en mellanglödgzizxg utföres vid en' temperatur överstigande 650 °C i oC-fasomrâdet, och efter den sista. kallvalsningen en slutglödgning, k ä. n n e t e c k n a t ' där-av, att den extruderade produk- ten efter varje mellanglödgning vid en temperatur överstigande 650 °C i oL-fasområdet kyles med en hastighet som från glödgingstemperaturen till 650 °c uppgår till minst 5 °c/minut,' man den maa-kastas den efterföljande kallvalsningen samt att glödgzxingar efter den sista mellanglödgningen vid enatemperatur överstigande 650 OC' i øí-fasområdet utföres vid temperaturer av högst 6oo °c.

2. Sätt enligt patentkrav 1 eller 2, k ä. n n e t e c k n a t därav, att åtminstone en mellanglödging utföres vid en temperatur av 575-725 OC.

3. 5. Sätt enligt något av patenthaven 1 eller 2, k ä. n n e t e c k n a t därav, att den zirkoniumbaserade legeringen innehåller 1,2-1,7 viktprocent tenn, 0,07-0,24 vilctprocent järn, 0,05-0,15 vikbprocent Iccom och O-0,08 viktprocent nickel, rest zirkonium och eventuellt förekommande förore- ningar av vanligt slag.

4. Sätt enligt något av patentkraven 1-3, k ä. n n e t e c k n a t därav, att den vid extruderingen använda zirkoniumbaserade legeringen är ß-släckt, 8104214-5 Sammandrag Vid tíllverlmíng av kapselrör av zirkoniumbaeerad legerirzg för bränelesta- var till kärnreaktorer extruderas den zirkoniumbaserade lager-ingen vid en temperatur understig-ande 680 °C och den extruderade produkten kallvalsas med glödgingar, mellanglödgningar, mellan kellvalsningarrxe., varvid åtmins- tone en mellanglödgrxing utföres vid en temperatur överstigande 650 °C i eL-fasområdein Efter den sista kallvalsningen under-kastas produkten en slut- glödgning. Ett kapselrör med samtidigt goda. korrosionsegenskaper och goda mekaniska egenskaper åstadkommes genom att den extruderade produkten efter varje mellanglödgrxing överstigande 650 °C lcylee med en hastighet som i temperaturømrådet från glödgxíngetemperaturen ned till 650 0G uppgår till minst 5 OC/minut, - innan den underkastas den efterföljande kallvalsnirzgen. Glödgrlingar efter den siste mellanglödgningen vid en temperatur överstigande 650 OC i aC-fasområdet utföres vid en temperatur av högst 600 OC.