SE436047B - Termomekaniskt forfarande for framstellning av kompositkapslingsror samt kompositkapslingsror - Google Patents

Description

80110838-6 2 vid den konventionella processen för framställning av kaps- lingsrör med ett spärrskikt bundet till innerytan förses ett ihåligt ämne av zirkoniumlegering med en hylsa av zirkonium- metallen för spärrskiktet och kompositföremålet samextruderas.

Kompositkroppen reduceras därefter till slutdiameter genom kallbearbetning ett flertal steg genom en reduktionsanordning, exempelvis ett stegvalsverk.

Efter varje reduktionssteg underkastar man konventionellt kompositprodukten glödgning genom värmebehandling vid en temperatur och under en tidrymd som är tillräcklig för i huvudsak fullständig rekristallisering av zirkoniumlegeringen.

Det har emellertid visat sig att glödgningstemperaturen och glödgningstiden som erfordras för fullständig rekristallise- ring av zirkoniumlegeringen medför en icke önskad korntill- växt i zirkoniummetallspärrskiktet.

Enligt en aspekt av uppfinningen genomföres därför värmebe- handlingen av kompositprodukten efter slutliga dimensions- reduktionssteget vid en temperatur och under en tidrymd som tillåter i huvudsak fullständig rekristallisering av zirko- niummetallskiktet och ger en finkornig mikrostruktur i detta samtidigt som värmebehandlingen ger spänningsutlösning men icke fullständig rekristallisering av zirkoniumlegeringen.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen kan den kristallogra- - fiska texturen hos zirkoniummetallskiktet om så önskas för- bättras genom kompressionsdeformation av ytan-av skiktet, exempelvis genom kulblästring, utan deformation av zirkonium- legeringen i kompositröret.

Uppfinningen beskrives i det följande utförligare under hän- visning till bifogade ritning.

Figur l är en sidovy, delvis i sektion, genom ett kärnbränsle- element. 8000838-6 3 Figur 2 är en tvärsektion genom bränsleelementet enligt figur l.

Figur 3 är en tabelluppställning av ett exempel på rörreduk- tion och behandling enligt uppfinningen.

Ett kärnbränsleelement ll som visas på figurerna l och 2 innefattar ett långsträckt kompositkapslingsrör l2 innehål- lande en pelare av bränslekutsar 13 och är tillslutet vid båda ändar med nedre och övre ändpluggar 14 och l6.

Ett plenumrum 17 är utformat för att tillåta expansion i längdriktningen av kärnbränslet och ge ett utrymme för gaser som frigöres från bränslet under drift av reaktorn. En fjäder l8 mellan toppen av bränslepelaren och den övre änd- pluggen 16 kvarhåller bränslepelaren i läge. Såsom bäst visas på figur 2 är kompositkapslingsröret ll dimensionerat i förhållande till diametern av bränslekutsarna så att ett ringformigt mellanrum eller gap 19 bildas mellan bränsle- styckena och innerytan av kapslingsröret.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar kompositkapslingsröret ll ett kapslingsrör 21 utfört av en zirkoniumlegering och ett spärrskikt 22 av zirkoniummetall, som är metallurgiskt bunden till innerytan av röret 2l.

Bland zirkoniumlegeringar som är lämpliga för röret 21 kan nämnas Zircaloy-2 och Zircaloy-4. Zircaloy-2 innehåller, räknat på vikten, ca 1,5 % tenn, 0,12 % järn, 0,09 % krom, 0,005 % nickel och resten zirkonium. Zircaloy-4 innehåller mindre mängd nickel än Zircaloy-2 men innehåller något mer järn. Båda dessa legeringar innehåller andra element än zirkonium i en mängd överstigande 5000 milliondelar.

Spärrskiktet 22, som kan utgöra från ca l till ca 30 % av tjockleken av kompositkapslingen, är utfört av zirkonium- metall med begränsad föroreningshalt varierande från högrent eller väsentligen rent zirkonium med mindre än 500 million- 8000838-6 4. delar (ppm) föroreningar till en föroreningshalt av upp till 5000 ppm men företrädesvis en föroreningshalt understigande ca 4200 ppm.

Av föroreningar bör halten syre minimeras och hållas inom ett intervall av 200 ppm eller mindre till ett maximum av ca l200 ppm. Andra föroreningar kan ligga inom det normala intervallet för zirkoniumsvamp av kommersiell reaktorkvalitet och anges i det följande: Aluminium 75 ppm eller mindre, bor 0,4 ppm eller mindre, kadmium 0,4 ppm eller mindre, kol 270 ppm eller mindre, krom 200 ppm eller mindre, kobolt 20 ppm eller mindre, koppar 50 ppm eller mindre, hafnium 100 ppm eller mindre, väte 25 ppm eller mindre, järn 1500 ppm eller mindre, magnesium 20 ppm eller mindre, mangan 50 ppm eller mindre, molybden 50 ppm eller mindre, nickel 70 ppm eller mindre, niob 100 ppm eller mindre, kväve 80 ppm eller mindre, kisel 120 ppm eller mindre, tenn 50 ppm eller mindre, volfram lO0 ppm eller mindre, titan 50 ppm eller mindre samt uran 3,5 ppm eller mindre.

Spärrskiktet 22 av zirkoniummetall är metallurgiskt bundet till zirkoniumlegeringsröret 21 med tillräcklig tvärdiffusion mellan dessa skikt för att ge en stark bindning men icke så stor diffusion att spärrskiktet 22 förorenas till mer än ca l2,7-25,4 /xm från bindningsgränsytan.

Det har visat sig att ett spärrskikt av zirkoniummetall med en tjocklek av storleksordningen 5-15 % av kompositkapslingen samt med en särskilt föredragen tjocklek av ca lO % förhindrar att zirkoniumlegeringen i kapslingsröret 21 utsättes för in- verkan av de korrosiva klyvningsprodukterna.

Spärrskiktet skiljer även zirkoniumlegeringskapslingsröret från direkt mekanisk inverkan med bränslekutsarna och minskar de spänningar som kan orsakas härav. Spärrskiktet visar sig bibehålla sina önskvärda strukturegenskaper, såsom sträck- gräns och hårdhet vid nivåer som är väsentligt lägre än hos konventionella zirkoniumlegeringar. Sålunda härdas metall- 8000838-6 spärrskiktet icke lika mycket som konventionella zirkonium- legeringar vid inverkan för bestrålning, och detta tillsam- mans med den ursprungligen låga sträckgränsen möjliggör att metallspärrskiktet deformeras plastiskt och ger efter för av kutsarna inducerade spänningar i bränsleelementet under effekttoppar eller effekttransienter. Av bränslepelletar eller bränslestycken inducerade spänningar i bränsleelementet kan uppkomma exempelvis genom svällning av kärnbränsle- styckena vid reaktorns arbetstemperatur, så att bränsle- styckena kommer i kontakt med kapslingen.

Kompositkapslingen enligt uppfinningen kan framställas med någon av i det följande angivna metoder.

Enligt en metod införes ett ihâligt rör av zirkoniummetall som valts såsom spärrskikt i ett ihåligt ämne av zirkonium- legering som valts till kapslingsröret. Denna enhet under- kastas därefter explosionsbindning av röret till ämnet.

Kompositkroppen strängpressas vid förhöjd temperatur av ca 538-760°C med användning av konventionella metoder för rörsträngpressning. Det strängpressade kompositröret under- kastas därefter en process innefattande konventionell rör- reduktion tills den önskade storleken hos kompositkapslingen uppnåtts.

Enligt en annan metod införes ett ihâligt rör av zirkonium- metall, som valts för spärrskiktet, i ett ihåligt ämne av zirkoniumlegering, som valts för framställning av kapslings- röret. Enheten underkastas därefter ett upphettningssteg, exempelvis vid 760°C under ca 8 timmars tid, för åstadkom- mande av diffusionsbindning mellan zirkoniummetallröret och ämnet. Kompositkroppen strängpressas därefter med användning av konventionell rörsträngpressningsteknik och det sträng- pressade kompositröret underkastas ett förfarande innefat- tande konventionell rörreduktion tills den önskade storleken hos kapslingen uppnåtts.

Enligt ytterligare en annan metod införes ett ihåligt rör av 8000838 -6 6 det zirkoniummetallmaterial som valts såsom spärrskikt i ett ihåligt ämne av den zirkoniumlegering som valts för fram- ställning av kapslingsröret. Denna enhet strängpressas där- efter med användning av konventionell rörsträngpressnings- teknik. Den strängpressade kompositkroppen underkastas där- efter ett förfarande innefattande konventionell rörreduktion tills den önskade storleken hos kapslingen uppnåtts.

Dimensionerna hos utgångsmaterialen bestämmas av förhållande- na mellan tvärsektionsareorna hos spärrskiktet och zirkonium- legeringsdelarna av den önskade kompositkapslingsprodukten.

Såsom exempel anges den totala tvärsektionsarean.av den färdiga kapslingen av _ 2 2 ATP '77/4 (ODTF ' IDTF )' i vilken ATF är arean hos den färdiga produkten, ODTF är ytterdiametern hos slutprodukten och IDTF är innerdiametern hos slutprodukten. Tvärsektionsarean hos det önskade spärr- skiktet anges av _ 2 _a I? ABF ' 77/4 (ODBF IDBF )' i vilken ABF är tvärsektionsarean hos metallspärrskiktet, OD BF innerdiametern hos metallspärrskiktet. Den totala tvärsek- tionen hos det ursprungliga ämnet för kapslingsröret anges av är ytterdiametern hos metallspärrskiktet och IDBF är ATI :77/4 (ODTI2 _ IDTI2) ' i vilken ATI är den totala tvärsektionsarean hos utgângsämnet innefattande metallspärrskiktet, ODTI är ytterdiametern hos utgångsämnet samt IDTI är innerdiametern hos utgångsämnet.

Den önskade tvärsektionsarean hos utgångsspärrskiktet anges av A :A ABF (--) .

BI TI ATF 8000838-6 Exempel.

Ett exempel på framställning av ett kompositkapslingsrör ll enligt uppfinningen är följande.

Ett ämne för zirkoniumlegeringskapslingsröret och insatsen för zirkoniummetallspärrskiktet maskinbearbetas, rengöres och sammanföres med standardmetoder, varvid dimensionerna väljes för strängpressning av kompositenheten i en varmsträngpress. Ämnet för kapslingsröret utgöres av normal Zircaloy-2-lege- ring enligt ASTM B353, Grade RA-1, och insatsen för spärr- skiktet utgöres av zirkoniummetall med föroreningshalter inom de i det föregående angivna gränserna. Hålen i ämnet och insatsen är utformade med en konicitet av 8 tusendelar och sammanpressas för att säkerställa god kontakt mellan de anslutande ytorna.

Exempel på dimensioner hos de maskinbearbetade delarna är följande: för kapslingsrörämnet, längd 229 mm, ytterdiameter 146 mm, innerdiameter 62,0 mm; för spärrskiktsinsatsen, ytterdiameter 62,0 mm, innerdiameter 42,2 mm.

Före sammanfogningen underkastas de anliggande ytorna hos ämnet och insatsen försiktig etsning för avlägsnande av spår av föroreningar. En lämplig etslösning är 70 ml H20, 30 ml HNO3 (70 % akv) och 5 ml HF (48 % akv).

För säkerställande av tillfredsställande bindning under strängpressningen kan enheten för-bindas genom pressning av den koniska insatsen in i det koniska hålet i ämnet i ett vakuum í 20_pm kvicksilver med upprätthållande av en tempe- ratur av ca 760°C under 8 timmars tid med en ursprunglig presskraft av 13.600-20.400 kp. Detta har visat sig ge bindning över 20-25 % av gränsytarean.

För att minska ändförlusterna under strängpressningen kan stycken av Zircaloy-2 med längden 5 cm svetsas vid vardera änden av den för-bundna enheten och maskinbearbetas till anslutning. 8000838-6 8 Strängpressningen av den för-bundna ämnesenheten till ett kapslingsrörskal åstadkommes med användning av följande para- metrar: strängpressningshastighet l5 cm/minut, reduktions- förhållande 6:1, temperatur 595°C och strängpresskraft 3500 ton.

Samtliga ämnesytor med undantag av hålet och den flytande dornen kan smörjas med ett vattenlösligt smörjmedel, som brännes på vid 70É°C under en timmes tid. Efter strängpress- ning renskäres båda ändarna av röret för avlägsnande av de tillsatta ändstyckena och innerytan honas för avlägsnande av eventuella ytrepor och för förbättrande av ytfinheten.

Den slutliga reduktionen av kompositröret.till-ett rör med lämplig dimension till bränsleelementkapsling åstadkommes genom kallbearbetning i tre steg genom ett i och för sig välkänt stegvalsverk för rörreduktion med.värmebehandling och rengöring mellan stegen. Stegen vid en representativ reduk- tionsprocess anges i tabell l. nn» aoooazs-6 >m~OH Nw.Ofl mw.mH m@\m~ ww.a« MWBWEQHQ IZHZZH EE wßOO~O I mw0.0 ~ßw¥MflMmHHmmm m0Q MmHxUOfiuQflHm mN.NH Nm~NH ~m_o~ m.mm m.mm MMBNZGHQ IMWBBN .T Hæ.o Am Hfiflu mmpm n « _uo~w« .m:flHøamnwn@a»m> mcflH©cmnmnwEum> Anu ummcwm fiflntflhwflflfi >ß .ÜGHHNMWH QHÜM «æ_O uwmwummcoflvxdwwu wwwwufi n H .uoflmw _m=ficm@@Hw maflamumflm www uwmcmm H«.~ uwmøummcoflvxøøwu muwcm Q H .oofiww .mcflcmøwfio mcflnmflmflm mmm uwmswm mm.m uwmwummøofivxdumu mumußm Q H .ooßßw .maficmønfiw Aflmwmå umfiuflmsflmxonwmß umummmQHm>v .w:Hauuwu>mV mcflflmußflm mmm uwmcwm Nm.OH wflfiwhßh UGE mfinwm ZMBMDQOmm Umfim |BHmOmZOM WOW MWQMUOÜH OZHQQZ H QAWNÅH Åmav Amflv AHHV AOHV Am.

Aæv .ßv Amy Amv fiwv Am.

AN.

AH.

MZ OWBW 8000838-6 Reduktionsprocessen är konventionell med undantag för modifi- ul kationer enligt uppfinningen. Underlaget för dessa modifika- tioner och de fördelaktiga resultaten som erhålles med dessa diskuteras i det följande.

Den kraftiga kallbearbetning som äger rum vid rörreduktions- stegen medför deformation av metallkristalliternas form och åstadkommer många kristalldefekter i kristalliterna. Kall- bearbetade metaller föreligger sålunda i ett relativt hög- energitillstånd som icke är termiskt stabilt. Vid glödgning av metaller användes värme för att ge metallens atomer rör- lighet och tillåta dessa att omfördela sig till en konfigura- tion med lägre energi, och denna glödgning är en funktion av både temperaturen och tiden varvid temperaturen är den mer känsliga parametern. I allmänhet väljes glödgningstemperatur och glödgningstid så att de är tillräckliga för att ge i huvudsak fullständig rekristallisering men otillräckliga för att tillåta alltför kraftig kristall- eller korntillväxt.

För glödgningsstegen 5 och 8 vid reduktionsprocessen enligt tabell l väljes sålunda temperatur och tid så att i huvudsak fullständig rekristallisering av zirkoniumlegeringen i röret 21 erhålles.

Den förhållandevis renare metallen i spärrskiktet 22 rekris- talliserar emellertid vid lägre temperatur och det visar sig att konventionella glödgningstemperaturer och glödgnings- tider som är lämpade för zirkoniumlegeringen, såsom vid stegen 5 och 8, orsakar korntillväxt i spärrskiktsmetallen i en grad som är olämplig i den färdiga produkten.

Enligt en aspekt av uppfinningen underkastas därför komposit- röret efter det slutliga reduktionssteget värmebehandling vid lägre temperatur såsom visas med steg l2.

Temperaturen och tiden vid värmebehandlingen vid steg l2 väljes därför så att zirkoniummetallen i spärrskiktet 22 eoooaza-6 ll blir i huvudsak helt rekristalliserad utan korntillväxt.

Detta ger ett spärrskikt med finkornig likaxlig mikrostruktur med förbättrad hållfasthet och duktilitet, ökad beständighet mot spänningskorrosionssprickning och hög plastisk stabilitet.

Temperaturen och tiden vid värmebehandlingssteget 12 väljes även för att ge fullständig spänningsutlösning men icke full- ständig rekristallisering av zirkoniumlegeringen i röret 21.

Detta medför den ytterligare fördelen att zirkoniumlegeringen bibehåller den långsträckta kornstruktur som âstadkommes genom reduktionsprocessen och har högre hâllfasthet vid hög töjningshastighet eller töjningsgrad men fortfarande befrias från inre spänningar.

Lämpliga temperaturer och tider för glödgningsstegen 2, 5 och 8 ligger inom området från ca 538 till 704°C under ca l-15 timmars tid och företrädesvis under ca l-4 timmars tid.

Lämpliga temperaturer och tider för värmebehandlingssteget l2 ligger inom intervall-en från ca 440 till 5lo°c under ca 1-4 timmars tid.

Enligt en annan aspekt av uppfinningen kan om så önskas den kristallografiska texturen (dvs. graden av föredragen kris- tallografisk orientering) hos zirkoniummetallspärrskiktet förbättras genom mekanisk, komprimerande deformering av ytan.

Sålunda kan exempelvis före det slutliga värmebehandlings- steget 12 spärrskiktet kulblästras från enhetens insida så att komprimerande deformation av detta skikt åstadkommas utan väsentlig deformation av zirkoniumlegeringsröret.

Sådan mekanisk behandling före den slutliga värmebehandlingen, visad såsom steg 10 i tabell l, ger förbättrad kristallogra- fisk struktur med baspolerna (0002) kraftigt inriktade i radiell riktning hos komposítkapslingsröret.

Claims (7)

8000838-6 \l PATENTKRAV

1. l. Förfarande för framställning av ett långsträckt kompositkapslingsrör avsett att innehålla kärnbränsle såsom ett bränsleelement för en kärnreaktor, varvid kapslingsröret är framställt av en kapslingsrörmantel innefattande ett zirkoniumlegeringsrör innehållande andra beståndsdelar än zirkonium i en mängd överstigande ca 5000 milliondelar med ett skikt av zirkoniummetall innehållande föroreningar i en mängd understigande 500 milliondelar metallurgiskt bundet till innerytan, k ä n n e t e c k n a t därav, att man genomför följande steg: (l) reducerar diametern hos kapslingsröret genom kall- bearbetning i en serie reduktionssteg till önskad innerdiameter och väggtjocklek, (2) värmebehandlar kapslingsröret mellan varje sådant reduktionssteg vid en temperatur och under en tid- rymd som är tillräckliga för att i huvudsak helt rekristallisera zirkoniumlegeringen, (3) värmebehandlar kapslingsröret efter det sista av dessa reduktionssteg vid en lägre temperatur och under en tidrymd som tillåter i huvudsak fullständig rekristallisering av zirkoniummetallskiktet och ger en finkornig mikrostruktur i detta med utlösning av spänningar men med förhindrande av fullständig re- kristallisering av zirkoniumlegeringen.

2. Förfarande enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k - n a t därav, att temperaturen och tiden vid steg (2) är från ca sas till ca 7o4°c samt från ca 1 till ca 15 timmar och att temperaturen och tiden vid steg (3) är från ca 440 till ca 5lO°C och från ca l till ca 4 timmar.

3. Förfarande enligt patentkravet l eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att man genomför en i huvudsak lik- formig komprimerande deformering av ytan av zirkoniummetall- skiktet före värmebehandlingssteg (3). u) 8000838-6 13

4. Förfarande enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k - n a t därav, att deformationen âstadkommes genom kulbläst- ring.

5. Långsträckt kompositkapslingsrör avsett att innehålla kärnbränsle såsom bränsleelement för en kärnreaktor, k ä n - n e t e c_k n a t därav, att kompositkapslingsröret inne- fattar ett zirkoniumlegeringsrör innehållande andra bestånds- delar än zirkonium i en mängd överstigande ca 5000 million- delar och är försett med ett skikt av zirkoniummetall inne- hållande föroreningar i en mängd mindre än 500 milliondelar metallurgiskt bundet till innerytan av röret, varvid zirko- niummetallskiktet är i huvudsak fullständigt rekristalliserat till finkornig mikrostruktur och zirkoniumlegeringsröret är i huvudsak fullständigt spänningsutlösningsbehandlat men icke fullständigt rekristalliserat.

6. Kompositkapslingsrör enligt.patentkravet 5, k ä n - n e t e c k n a t därav, att ytan av zirkoniummetallskiktet är tryckdeformerad.

7. Kompositkapslingsrör enligt patentkravet 6, k ä n - n e t e c k n a t därav, att deformeringen åstadkommas genom kulblästring.