SE441791B

SE441791B - Nuclear reactor fuel rod

Info

Publication number: SE441791B
Application number: SE8306575A
Authority: SE
Inventors: G Vesterlund
Original assignee: Asea Atom Ab
Priority date: 1983-11-29
Filing date: 1983-11-29
Publication date: 1985-11-04
Also published as: DE3442209A1; SE8306575D0; JPS60135788A; SE8306575L

Description

15 20 25 30 35 '8306575-5 ppm av syre. Halter av andra föroreningar ligger inom de normala gränserna för resp ämnen i kommersiell zirkoniumsvamp av reaktorkvalitet, vilket inne- bär för aluminium 75 ppm eller mindre, för bor 0,4 ppm eller mindre, för kadmium 0,4 ppm eller mindre, för kol 270 ppm eller mindre, för krom 200 ppm eller mindre, för kobolt 20 ppm eller mindre, för koppar 50 ppm eller mindre, för hafnium 100 ppm eller mindre, för väte 25 ppm eller mindre, för järn 1 500 ppm eller mindre, för magnesium 20 ppm eller mindre, för 'mangan 50 ppm eller mindre, för molybden 50 ppm eller mindre, för nickel 70 ppm eller mindre, för niob 100 ppm eller mindre, för kväve 80 ppm eller mindre, för kisel 120 ppm eller mindre, för tenn 50 ppm eller mindre, för volfram 100 ppm eller mindre, för titan 50 ppm eller mindre samt för uran 3,5 ppm eller mindre. 15 20 25 30 35 '8306575-5 ppm of acid. Concentrations of other impurities are within the normal limits for the respective substances in commercial grade zirconium fungi, which means for aluminum 75 ppm or less, for boron 0.4 ppm or less, for cadmium 0.4 ppm or less, for carbon 270 ppm or less, for chromium 200 ppm or less, for cobalt 20 ppm or less, for copper 50 ppm or less, for hafnium 100 ppm or less, for hydrogen 25 ppm or less, for iron 1,500 ppm or less, for magnesium 20 ppm or less, for manganese 50 ppm or less, for molybdenum 50 ppm or less, for nickel 70 ppm or less, for niobium 100 ppm or less, for nitrogen 80 ppm or less, for silicon 120 ppm or less, for tin 50 ppm or less, for tungsten 100 ppm or less, for titanium 50 ppm or less and for uranium 3.5 ppm or less.

Enligt den svenska patentansökningen 7511581-6 användes i det invândiga skiktet zirkonium med en föroreningshalt av mindre än 1 000 ppm, företrä- desvis mindre än 500 ppm. Av föroreningarna hålles syrehalten på en nivå understigande cirka 200 ppm.According to Swedish patent application 7511581-6, zirconium with an impurity content of less than 1,000 ppm, preferably less than 500 ppm, is used in the inner layer. Of the impurities, the oxygen content is kept at a level below about 200 ppm.

Genom det svenska patentet 800ü9H6-2 är det känt att i det invändiga skik- tet använda zirkonium innehållande 0,1-3 viktprocent molybden och/eller 0,03-1 viktprocent kol-och/eller 0,03-1 viktprocent fosfor och/eller 0,03-1 viktprocent kisel. Zirkoniumet kan därvid dessutom innehålla ovan angivna andra föroreningar, ingående i kommersiell zirkoniumsvamp av reaktorkvali- tet. Tillsatserna av molybden, kol, fosfor eller kisel antages 1 nämnda patent ge en utskiljning av stabila faser, såsom intermetalliska föreningar, karbider, fosfider och silicider, i form av fria partiklar i zirkoniummatri- sen. Denna utskiljning skulle förhindra en korntillväxt i samband med rörets tillverkning, så att en struktur med mindre korn erhålles i zirkoniumet än om tillsatserna inte göres. Den annorlunda finkornigare strukturen skulle' vara ansvarig för den ökade resistensen mot spänningskorrosion.From the Swedish patent 800ü9H6-2 it is known to use zirconium containing 0.1-3% by weight of molybdenum and / or 0.03-1% by weight of carbon and / or 0.03-1% by weight of phosphorus and / or in the inner layer. or 0.03-1% by weight of silicon. The zirconium may also contain the above-mentioned other impurities, contained in commercial reactor-grade zirconium sponges. The additions of molybdenum, carbon, phosphorus or silicon are believed in said patent to give a precipitate of stable phases, such as intermetallic compounds, carbides, phosphides and silicides, in the form of free particles in the zirconium matrix. This precipitation would prevent a grain growth in connection with the manufacture of the pipe, so that a structure with less grain is obtained in the zirconium than if the additives are not made. The different fine-grained structure would be responsible for the increased resistance to stress corrosion.

Enligt den föreliggande uppfinningen har det visat sig möjligt att uppnå den nämnda finkornigare strukturen och den 'ökade resistensen mot 'spännings- korrosion genom användning av relativt höga halter av en eller flera av- metallerna järn, krom och nickel. Att utnyttja denna möjlighet innebär en väsentlig fördel på grund av att dessa ämnen ingår som beståndsdel i den I 'zirkoniumbaserade legering i kapselröret, på vars insida det spännings- korrosionsbeständiga skiktet är anordnat. Härigenom kan nämligen sådant överskottsmaterial i det invändiga skiktet, som vid tillverkningen av det 10 15 20 25 30 8306575-5 belagda kapselröret med nödvändighet uppkommer, återanvändas för tillverkning av den zirkoniumbaserade legeringen i kapselröret. Sådan tillverkning sker normalt genom att zirkoniumsvamp av reaktorkvalitet, skrot av den zirkonium- baserade legeringen och legeringstillsatser blandas och smältes. Äteranvänd- ning av överskottsmaterialet i det invändiga skiktet på detta sätt innebär en avsevärd kostnadsbesparing.According to the present invention, it has been found possible to achieve the said finer-grained structure and the 'increased resistance to' stress corrosion by using relatively high levels of one or more of the metals iron, chromium and nickel. Taking advantage of this possibility entails a significant advantage because these substances are included as a component in the zirconium-based alloy in the canister tube, on the inside of which the stress-corrosion-resistant layer is arranged. Namely, this means that such excess material in the inner layer, which in the manufacture of the coated capsule tube necessarily arises, can be reused for the manufacture of the zirconium-based alloy in the capsule tube. Such production normally takes place by mixing and melting reactor-grade zirconium sponge, scrap of the zirconium-based alloy and alloy additives. Reusing the surplus material in the inner layer in this way means a considerable cost saving.

Enligt den föreliggande uppfinningen innehåller zirkoniumet i skiktet på kapselrörets insida ett eller flera av ämnena järn, krom eller nickel i en sammanlagd halt av 0,5-1,5 viktprocent. Den sammanlagda halten av andra än Järn, krom och nickel i den zirkoniumbaserade legeringen ingående ämnen är mindre än 0,5 viktprocent och utgöres av i kommersiell zirkoniumsvamp av reaktorkvalitet ingående föroreningar.According to the present invention, the zirconium in the layer on the inside of the capsule tube contains one or more of the substances iron, chromium or nickel in a total content of 0.5-1.5% by weight. The total content of substances other than iron, chromium and nickel in the zirconium-based alloy constituents is less than 0.5% by weight and consists of reactor-grade impurities contained in commercial zirconium sponges.

Tjockleken hos zirkoniumskiktet uppgår till 0,005-0,8 mm, företrädesvis till 0,05-0,1 mm.The thickness of the zirconium layer is 0.005-0.8 mm, preferably 0.05-0.1 mm.

Den zirkoniumbaserade legeringen, på vars insida zirkoniumskiktet är anordnat, utgöres företrädesvis av en zirkonium-tenn-legering, t ex de under handels- namnen Zircaloy 2 och Zircaloy H kända zirkoniumbaserade legeringarna, vilkas innehåll av legeringsämnen ligger inom gränserna 1,2-1,7 % för tenn, 0,07-0,2N % för järn, 0,05-0,15 % för krom, 0-0,08 % för nickel, 0,09-0,16 % för syre, rest zirkonium och i zirkonium av reaktorkvalitet normalt förekommande för- oreningar. Zircaloy 2 innehåller 1,2-1,7 % tenn, 0,07-0,20 % järn, 0,05-0,15 % krom, 0,03-0,08 % nickel och 0,09-9,16 % syre. Zircaloy U innehåller 1,2-1,7 % tenn, 0,18-O,2M % järn, 0,07-0,13 % krom och 0,09-0,16 % syre. Samtliga angivna procent avser här viktprocent. Kärnbränslet i bränslestaven utgöres företrädes- 1l vis av urandioxid.The zirconium-based alloy, on the inside of which the zirconium layer is arranged, is preferably a zirconium-tin alloy, for example the zirconium-based alloys known under the trade names Zircaloy 2 and Zircaloy H, whose content of alloying elements is within the limits 1,2-1, 7% for tin, 0.07-0.2N% for iron, 0.05-0.15% for chromium, 0-0.08% for nickel, 0.09-0.16% for oxygen, residual zirconium and in reactor grade zirconium normally occurring contaminants. Zircaloy 2 contains 1.2-1.7% tin, 0.07-0.20% iron, 0.05-0.15% chromium, 0.03-0.08% nickel and 0.09-9.16 % acid. Zircaloy U contains 1.2-1.7% tin, 0.18-0.2% iron, 0.07-0.13% chromium and 0.09-0.16% oxygen. All stated percentages here refer to weight percent. The nuclear fuel in the fuel rod is preferably 1l of uranium dioxide.

Uppfinningen skall förklaras närmare genom beskrivning av utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritning, som visar ett tvärsnitt av en bränsle- stav enligt den föreliggande uppfinningen för en lättvattenreaktor. 0,5 viktdelar järn blandas med 99,5 viktdelar kommersiell zirkoniumsvamp av reaktorkvalitet med i beskrivningen tidigare angiven sammansättning. Ett rör med en väggtjocklek av 1,25 mm och en ytterdiameter av H4 mm tillverkas av blandningen under det att deg smältesgßﬂöret anordnas i ett rör av ¿ircaloy 2 med en väggtjocklek av 10 mm, och en innerdiameter av H5 mm. De båda rörenThe invention will be explained in more detail by describing exemplary embodiments with reference to the accompanying drawing, which shows a cross section of a fuel rod according to the present invention for a light water reactor. 0.5 parts by weight of iron are mixed with 99.5 parts by weight of commercial grade zirconium sponge with a composition previously stated in the description. A tube with a wall thickness of 1.25 mm and an outer diameter of H4 mm is made from the mixture while the dough is melted and the tube is arranged in a tube of ¿ircaloy 2 with a wall thickness of 10 mm, and an inner diameter of H5 mm. The two pipes

Claims

010 15 8306575-5 is welded together at both end surfaces of the pipes. The composite tube thus obtained is extruded without being subjected to any heating. The extruded product is then cold rolled in several steps with intermediate recrystallization annealing at about 650 ° C and a final annealing after the last rolling at about 525 ° C, whereby a tubular end product shown in the figure is obtained, consisting of a layer 1A of Zircalov 2 with a thickness of 0.73 mm and an inner diameter of 10.65 mm and of a layer 2 of zirconium with alloyed iron with a thickness of 0.07 mm. The figure also shows the nuclear fuel, which consists of circular-cylindrical pellets 3 of uranium dioxide stacked on top of each other in the axial direction of the canister tube. Instead of iron, in the example described, 0.5% by weight of chromium or 0.5% by weight of nickel or two or all of the substances together may be used, for example 0.2% by weight of each of the substances iron, chromium and nickel. The fuel rod according to the invention is primarily intended for use in a reactor with water as coolant. PATENT REQUIREMENTS

Fuel rod for nuclear reactor comprising a canister tube (1) of zirconium-based alloy on the inner surface of which a layer (2) consisting essentially of zirconium is arranged and which contains a nuclear fuel (3), characterized in that the zirconium in the layer contains one or more of the substances iron, chromium and nickel in a total content of 0, H-1.5% by weight - and that the total content of other substances in the zirconium in the layer is less than 0.5% by weight and consists of in commercial reactor grade zirconium fungi containing contaminants. -_