SE510099C2 - Metod att åstadkomma en bränslekapsel med ett legerat zirkoniumbarriärskikt - Google Patents

Description

510 099 vikt-% zirkonium och resten tenn, järn, krom och nickel.

"Zirkaloy-2" och "zirkaloy-4" är två vanligt förekommande zirkoniumbaserade legeringar för kapslar. Zirkaloy-2 har cirka 1,2-1,7 vikt-% tenn, 0,13-0,20% järn, 0,06-0,15% krom och 0,05-0,08% nickel. Zirkaloy-4 har nästan inget nickel och cirka O,2% järn men liknar i övrigt zirkaloy-2.

Defekter hos zirkaloy-kapslar kan uppkomma av olika skäl, inkluderande nötning till följd av skräp och kontakt mellan kutsar och kapsel. I det första fallet finns skräp intill kapseln, som vibrerar eller nöts mot kapselväggen under inverkan från en passerande blandning av ånga/vatten. Sådan vibration fortsätter tills kapselväggen har genomträngts.

Samverkan mellan kutsar och kapsel förorsakas av samverkan mellan kärnbränslet, kapseln och fissionsprodukter alstrade under kärnreaktionen. Anledningen till denna oönskade effekt har befunnits vara lokala mekaniska påfrestningar på bränslekapseln till följd av differentiell expansion och friktion mellan bränslet och kapseln tillsammans med korro- derande fissionsprodukter, som förorsakar sprickbildning till följd av spänningskorrosion.

För att undvika defekter till följd av samverkan mellan kutsar och kapsel inkluderar vissa kapslar rena zirkonium- barriärskikt metallurgiskt bundna till rörets inneryta. Det banbrytande arbetet på barriärskiktskapslar beskrivs i de amerikanska patentskrifterna 4 200 492 och 4 372 817 (Armijo och Coffin), den amerikanska patentskriften 4 610 842 (Vannesjo) och den amerikanska patentskriften 4 894 203 (Adamson), vilka samtliga innefattas häri genom referens. Barriärskikt har befunnits effektivt förhindra skador på kapseln till följd av samverkan med kutsarna. Om dock kapselväggen på något sätt skadas (t.ex. perforeras eller bringas spricka till följd av nötning av skräp) och vatten intränger i det inre av bränslestaven, kan det skydd som ges av barriärskiktet minskas. Anledningen till detta är att den ånga som bildas av vatten i bränslestaven mycket 510 099 snabbt kan oxidera barriärskiktet. Till följd av den has- tighet, med vilken denna typ av korrosion sker, kallas den ibland "accelererad" korrosion.

För att skydda zirkoniumbarriären mot oxidering, om ett genombrott av kapseln sker, kan en treskiktsstruktur an- vändas, se t.ex. den amerikanska patentansökningen 08/091672 med titeln METHOD FOR MAKING FUEL CLADDING HAVING ZIRCONIUM BARRIER LAYERS AND INNER LINERS och den ameri- kanska patentansökningen 08/092188 med titeln INNER LINERS FOR FUEL CLADDING HAVING ZIRCONIUM BARRIER LAYERS, vilka båda inlämnades den 14 juli 1993 och är överlåtna på inne- havaren av denna ansökning. Båda ansökningarna innefattas i denna beskrivning genom referens i sin helhet. Förutom substratet och zirkoniumbarriären inkluderar treskiktskap- seln ett mycket tunt, korrosionsbeständigt innerfoder bundet till barriärens bränslesida. Innerskiktet tillverkas typiskt av en zirkaloy eller en modifierad zirkaloy. Om kapseln genombryts och ånga bildas i det inre av bränsle- staven, skyddar innerfodret barriären mot snabb oxidering. Även om denna treskiktskonstruktion representerar ett betydande framsteg, kan metoder att forma treskiktskapseln vara svåra att genomföra exakt. Ibland uppträder vid till- verkning sprickor eller revor i det mycket tunna innerfod- ret. Även om de metoder att åstadkomma treskiktskapslar, som beskrivs i den amerikanska patentansökningen 08/091672, ger kapslar med betydande skydd mot skador till följd av sam- verkan mellan kutsarna och kapseln och accelererad korro- sion, är det fortfarande önskvärt att utveckla andra flex- ibla metoder att åstadkomma kapslar med samma eller för- bättrade egenskaper.

KORTEATTAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning åstadkommer en metod att åstadkomma ett kapselrör med tre skikt, vid vilket zirkoniumbarriär- 510 099 skiktet (mellan ett yttre substrat och ett innerfoder) är åtminstone delvis legerat med legerande grundämnen, som ger korrosionsbeständighet. Barriärskiktet uppvisar företrädes- vis diffusionsskikt, som innehåller korrosionsbeständiga legerande grundämnen och som sträcker sig från sin inre yta (mot bränslet) till barriärskiktets inre (där det inre avgränsas mellan barriärskiktets inre och yttre ytor).

Koncentrationen legerande grundämnen bildar en gradient över diffusionsskiktet. Vid diffusionsskiktets inre kant finns väsentligen inga legerande grundämnen förutom de som normalt föreligger i zirkonium. Sålunda kan barriärskiktet behålla tillräcklig eftergivlighet för att skydda mot skador förorsakade av samverkan mellan kutsar och kapsel. Ändamålet med metoderna enligt denna uppfinning är att åstadkomma ett rör med ovannämnda struktur och egenskaper.

Metoderna inkluderar en diffusionsglödgning av en tre- skiktskapsel i området 650-l000°C (och ännu hellre 650- 825°C) under tidsrymder mellan cirka l minut och tjugo timmar. Denna glödgning driver vissa av de legerande grund- ämnena från innerfodret in i zirkoniumbarriärskiktet för att bilda diffusionsskiktet. Exakt tid och temperatur beror på det tillverkningssteg, vid vilket värmebehandlingen sker. Vanligtvis skulle olika steg vara lämpliga för utfö- randet av diffusionsglödgningen: (1) efter det att ett rörskal har bildats men före eventuella kallbearbetnings- pass för rörreduktion och (2) efter något av tre eller flera kallbearbetningspass, som utförs efter rörskalsste- get.

En föredragen metod att åstadkomma ett kapselrör enligt föreliggande uppfinning inkluderar följande steg: (a) att man binder ett zirkoniumbarriärskikt till substratets inneryta; (b) att man binder ett innerfoder till zirkonium- barriärskiktets inneryta; och (c) att man utför en diffu- sionsglödgning efter stegen (a) och (b) under en tid och vid en temperatur, som är tillräcklig för att diffundera de 510 099 legerande grundämnena från innerfodret in i barriärskiktet för att bilda ett diffusionsskikt, vilket innehåller en koncentration av legerande grundämnen, som minskar från barriärskiktets inneryta till en punkt i barriärskiktet, vid vilken det finns väsentligen inga legerande grundämnen.

I allmänhet utförs diffusionsglödgningen vid en temperatur och under en tidrymd på mellan cirka 650 och l00O°C och mellan cirka l minut och 20 timmar. Om den utförs i rör- skalssteget (före kallbearbetningspass för rörreduktion har utförts), utförs glödgningen företrädesvis vid en tempera- tur pà mellan cirka 650 och 825°C under mellan cirka 4-20 timmar. Om dock diffusionsglödgningen utförs efter ett steg med ett slutligt kallbearbetningspass, utförs den före- trädesvis vid en temperatur på mellan cirka 650 och 825°C under mellan cirka 5 minuter och 10 timmar.

Dessa och andra särdrag hos föreliggande uppfinning kommer att anges mer i detalj i följande beskrivning av uppfin- ningen och ritningarna.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. l är ett fasdiagram för en typisk legering innehållan- de zirkonium och fig. 2 är en tvärsnittsvy genom ett kärnbränsleelement enligt denna uppfinning med ett substrat, ett barriärskikt och ett innerfoder.

BESKRIVNING AV DE FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMERNA I. KAPSELRÖRETS UPPBYGGNAD I denna beskrivning innebär uttrycket "alfakristallin struktur" eller "alfafas" den hexagonala, tätt packade kristallgitterstruktur hos zirkonium och legeringar inne- hållande zirkonium, som är stabil vid låga temperaturer.

Det temperaturområde i vilket alfafasen är stabil betecknas alfaområdet. För zirkaloy-2 existerar alfafasen vid tempe- raturer under cirka 820°C. 510 099 I denna beskrivning innebär termen "betakristallin struk- tur" eller "betafas" den kroppscentrerade, kubiska kris- tallgitterstruktur hos zirkonium och legeringar innehållan- de zirkonium, som är stabil vid höga temperaturer. Det temperaturområde i vilket betafasen är stabil betecknas betaområdet. För zirkaloy-2 existerar den rena betafasen vid temperaturer över cirka 960°C.

I denna beskrivning menas med termen "alfa- plus betakris- tallina strukturer" eller "alfa- plus betafaser" bland- ningar av de alfa- och betafaser som existerar vid vissa temperaturer i vissa zirkoniumlegeringar men inte i rent zirkonium. I rent zirkonium är den alfakristallina struk- turen stabil upp till cirka 860°C. Vid ungefär denna tempe- ratur sker en fasförändring för att bilda en betakristallin struktur, som är stabil vid temperaturer över cirka 860°C.

Däremot har zirkoniumlegeringar ett temperaturområde, över vilket förändringen från alfa- till betafas sker. I detta område är en blandning av alfa- och betakristallina struk- turer stabil. Det specifika temperaturområde i vilket blandningen är stabil beror på den specifika legeringen.

Exempelvis uppvisar zirkaloy-2 en stabil blandning av alfa- plus betakristallina strukturer från cirka 825°C till cirka 965°C. Under cirka 850°C bildas intermetalliska fällningar.

Fig. l visar de olika fasområdena för zirkaloy-2.

I denna beskrivning menas med termen "rör" ett metallrör med olika användningar och termen "bränslestavbehàllare" eller helt enkelt "behållare" rör, som används i bränsle- stavar för att innesluta bränslekutsar. Ibland kallas bränslestavbehållaren "kapsel" eller "kapselrör".

I fig. 2 visas ett bränsleelement 14 (vanligtvis refererat till som en bränslestav) åstadkommet enligt föreliggande uppfinning. Bränsleelementet 14 inkluderar en bränslemate- rialkärna 16 och en omgivande behållare 17. Bränsleele- mentet 14 är utformat för att ge utmärkt termisk kontakt 510 099 mellan bränslestavbehållaren 17 och bränslematerialkärnan 16, minsta möjliga parasitiska neutronabsorption och mot- stånd mot böjning och vibrering, som ibland förorsakas av kylmedelsströmning med hög hastighet. Bränslematerialkärnan består typiskt av ett flertal bränslekutsar av klyvbart och/eller fertilt material. Bränslekärnan kan ha olika former, såsom cylindriska kutsar, sfärer eller små partik- lar. Olika kärnbränslen kan användas, inkluderande uran- föreningar, toriumföreningar och blandningar av dessa. Ett föredraget bränsle är urandioxid eller en blandning in- nefattande urandioxid och plutoniumdioxid.

Kapselröret 17 är en sammansatt konstruktion, som inklude- rar ett substrat 21, en zirkoniumbarriär 22 och ett inre skikt eller foder 23. Substratet bildar ett kapselrörs yttre omkretsområde, det inre skiktet bildar ett inre omkretsområde hos kapselröret och zirkoniumbarriären är placerad däremellan.

Substratet kan tillverkas utgående från ett konventionellt kapselmaterial, såsom rostfritt stål eller en zirkonium- legering. Lämpliga zirkoniumlegeringar för substratet inkluderar företrädesvis åtminstone cirka 98% zirkonium, upp till cirka 0,25% järn, upp till cirka 0,l% nickel, upp till cirka 0,25% krom och upp till cirka l,7% tenn (alla procent är viktprocent). Andra legerande element kan in- kludera niobium, vismut, molybden liksom andra grundämnen, som används inom teknikområdet. Generellt sett kan varje zirkoniumlegering med lämplig korrosionsbeständighet mot vatten och med tillräcklig hållfasthet och formbarhet utnyttjas. Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen är substratet zirkaloy-2 eller zirkaloy-4.

Zirkoniumbarriären 22 är metallurgiskt bunden till subst- ratets 21 inneryta, se ovannämnda amerikanska patentskrif- ter 4 200 492 och 4 372 8l7 (Armijo och Coffin), den ameri- kanska patentskriften 4 610 842 (Vannesjo) och den ameri- 510 D99 kanska patentskriften 4 894 203 (Adamson). Eftersom zirko- niumbarriären vid metoderna enligt föreliggande uppfinning åtminstone delvis legeras, motstår den accelererad korro- sion i händelse av ett brott i kapseln och efterföljande inströmning av ånga. Vid föreliggande uppfinning åstadkom- mes sådant skydd genom att man ger barriärskiktet en be- tydande koncentration legerande grundämnen medelst ett diffusionsglödgningssteg. Detta driver vissa av grundämnena från substratet och innerfodret in i zirkoniumbarriärskik- tet, där de ger beständighet mot accelererad korrosion.

De legerande grundämnena i barriärskiktet bör föreligga i koncentrationer, som är tillräckliga för att ge ett visst skydd mot snabb korrosion utan att de äventyrar zirkoniu- mets eftergivlighet. Det är särskilt viktigt, att de lege- rande grundämnena finns vid zirkoniumbarriärskiktets in- neryta (nära innerfodret). Detta tillförsäkrar, att, om barriärskiktet utsätts för en korrosiv miljö till följd av ett fel i innerfodret, barriärskiktets yta (dess inneryta) får ett visst mått av korrosionsskydd. Lämpliga koncentra- tioner av legerande grundämnen vid zirkoniumbarriärens inneryta är (räknat i vikt) åtminstone cirka 0,03% järn, åtminstone cirka 0,01% krom och åtminstone cirka 0,01% nickel (samtliga koncentrationer utöver de "olegerade" nivåerna för de legerande grundämnena). Ännu hellre ligger dessa koncentrationer mellan cirka 0,03 och 0,40% järn, mellan cirka 0,01 och 0,20% krom och mellan cirka 0,01 och 0,20% nickel (även här utöver de olegerade nivåerna).

I denna beskrivning gör olika hänvisningar till "legerande grundämnen" i zirkoniumbarriärskiktet eller till ett "lege- rat" zirkoniumbarriärskikt. Sådana hänvisningar skall anses inkludera kapselrör, i vilka koncentrationen av legerande grundämnen (t.ex. järn och nickel), som med avsikt till- förts, överskrider koncentrationen av dessa grundämnen i ett konventionellt, "olegerat" zirkoniumbarriärskikt. Såsom tidigare beskrivits, har konventionella barriärskikt till- 510 099 verkade enligt specifikation endast begränsad renhet (d.v.s. de innehåller typiskt en viss låg koncentration av de legerande grundämnena). Sålunda avses med samtliga häri angivna värden för koncentrationer av legerande grundämnen koncentrationer överstigande de som vanligtvis påträffas i zirkoniumbarriärskikt. Om exempelvis zirkonium, som används i "olegerade" barriärskikt tillverkas med en specifikation på 500 ppm järn, innehåller ett legerat zirkoniumbarriär- skikt med 0,1 vikt-% järn denna vikt-% plus de 500 ppm som finns hos konventionellt zirkonium.

Barriärskiktet kommer att få ett diffusionsskikt, som sträcker sig från barriärskiktets inneryta (mot bränslet) till barriärskiktets inre (där det inre avgränsas mellan barriärskiktets inner- och ytterytor). Vid diffusionsskik- tets inre kant finns väsentligen inga legerande grundämnen förutom de som normalt föreligger i zirkonium (t.ex. krom - 70 ppm eller mindre; järn - 500 ppm eller mindre; och nickel - 70 ppm eller mindre). Företrädesvis sträcker sig diffusionsskiktet från barriärskiktets gränsyta med in- nerfodret in i barriärskiktets inre med som mest zirka 10% av barriärskiktets totala bredd. Detta motsvarar cirka 8 mikrometer av ett konventionellt barriärskikts på 75 mikro- meter totala radiella tjocklek. Vid mer föredragna ut- föringsformer har diffusionsskiktet en tjocklek på som mest cirka 5% av barriärskiktets totala bredd.

Innerfodret 23 är metallurgiskt bundet till zirkoniumbarri- ärens 22 inneryta. Detta skikt ger visst skydd för zirko- niumbarriären mot snabb oxidation, om bränsleelementets inre skulle komma i kontakt med ånga. Sålunda bör innerfod- ret vara ett relativt korrosionsbeständigt material, såsom zirkaloy. Dock kan också modiferade zirkaloyer och andra korrosionsbeständiga material användas. Exempelvis kan innerfodret vara mjukare än konventionellt zirkaloy, så att sprickbildning och -utbredning på kapselrörets inneryta minimeras, se den amerikanska patentansökningen nr 510 099 08/092188, som tidigare innefattats i denna beskrivning genom referens. Vid en alternativ utföringsform kan in- nerfodret tillverkas av en legering utformad att ha starkt väteabsorberande egenskaper. Ett sådant material är en zirkoniumlegering med en hög nickelkoncentration (t.ex. upp till 15% nickel).

Vid vissa utföringsformer är innerfodret så tunt, att det helt tas upp genom interdiffusion med barriärskiktet vid en diffusionsglödgning. Den resulterande kapseln innehåller ett barriärskikt med tillräcklig beständighet mot accelere- rad korrosion tack vare den ökade koncentrationen legerande grundämnen vid barriärskiktets inre område (där det är mest utsatt för korrosion). Diffusionsglödgningen homogeniserar även koncentrationsfördelningen över barriärskiktets in- neryta. Denna fördel erhålls även, då innerfodret finns kvar i den slutliga kapseln. Om det sålunda skulle finnas nâgra revor eller andra defekter i innerfodret (som skulle kunna utgöra en punkt för accelererad korrosion), får diffusionsglödgningen de legerande grundämnena att flytta sig in i barriärskiktet vid dessa defekter, så att de skyddar mot accelererad korrosion. Förutom att innerfodret helt upptas vid en diffusionsglödgning, blir kapselröret strukturellt likt det kapselrör med tre skikt som beskri- vits ovan.

Ytterligare detaljer av den konstruktion som bildas enligt metoderna enligt denna uppfinning ges i den svenska patent- ansökningen nr 9500968-4, vilken innefattas i denna be- skrivning genom referens.

II. TILLVERKNING AV RÖRET Ändamålet med metoderna enligt denna uppfinning är att åstadkomma rör med ovannämnda struktur och egenskaper.

Metoderna inkluderar en diffusionsglödgning av en tre- skiktskapsel i området 650 till l0O0°C (och hellre 650 till 825°C) under tider mellan cirka 1 minut och 20 timmar. Den 11 510 Û99 exakta tiden och temperaturen beror på det tillverknings- steg, vid vilket värmebehandlingen sker. Vanligtvis skulle olika steg vara lämpliga för utförandet av diffusionsglödg- ningen: (1) efter det att rörskalet har bildats men före eventuella kallbearbetningspass för rörreduktion och (2) efter något av de tre eller flera kallbearbetningspass som utförs efter rörskalssteget. En sammanfattning av processen som behandlar rörskals- och kallbearbetningsstegen ges nedan.

Eftersom uppfinningen beror av diffusion av legerande grundämnen (särskilt järn och nickel) genom zirkoniumbarri- ärskiktet, är de relevanta variabler som hör samman med diffusionsglödgningen tid, temperatur och barriärtjocklek.

Vid steg i processen, då barriärskiktet är tunt (t.ex. efter det sista kallbearbetningspasset), bör sålunda rela- tivt låga temperaturer och/eller korta tider användas.

Omvänt bör vid steg, då barriärskiktet är relativt sett tjockare (t.ex. vid rörskalssteget), relativt sett högre temperaturer och/eller längre tider användas. Vid rörskals- steget inkluderar lämpliga temperaturer och tider cirka 650 till 825°C under mellan cirka 4 och 20 timmar. Vid 825°C bör tiden ligga närmare 4 timmar, under det att vid 650°C tiden bör ligga mellan cirka 10 och 20 timmar. I det slut- liga rörformningssteget (efter det sista kallbearbetnings- passet) inkluderar lämpliga temperturer och tider cirka 650 till 825°C under mellan cirka 5 minuter och 10 timmar. Vid temperaturer närmare 825°C bör diffusionstiden närma sig 5 minuter. I samtliga fall bör man se till att diffusions- glödgningen inte utförs, så att koncentrationen legerande grundämnen ökas över hela zirkoniumbarriärskiktet. Glödg- ningen bör åstadkomma ett diffusionsskikt, som innehåller en koncentration legerande grundämnen, som minskar från barriärskiktets inneryta till en punkt i barriärskiktet, där det finns väsentligen inga legerande grundämnen. I vissa fall utförs glödgningen under förhållanden, vid vilka innerfodret helt upptas i barriärskiktet. 12 510 099 Såsom inses av fackmannen inom teknikomrâdet, kan diffu- sionsglödgningen utföras med olika kommersiellt tillgäng- liga utrustningar, såsom en vakuumugn, en inert gas-ugn eller en induktionsspole. Lämpliga vakuumglödgningsugnar är tillgängliga från Centorr Vacuum Industries, Nashua, New Hampshire. U I allmänhet börjar processen med en tacksmälta av zirkaloy eller annan lämplig legering, som formas, genomborras och expanderas, så att ett tjockväggigt ämne åstadkommes. Ämnet avkyls därefter från beta-fasen. Därefter utförs ett strängpressningssteg och eventuellt vissa kallbearbet- nings-, glödgnings- och ytbehandlingssteg anpassade för dimensionsstabilitet. Detta resulterar i en rörformad del, som kallas rörskal, vilket därefter utsätts för olika glödgnings-, kallbearbetnings- och andra steg för att åstadkomma den slutliga bränslestavkapseln. Vid någon tidpunkt efter beta-avkylningen binds barriärskiktet och innerfodret till substratets inre (varvid innerfodrets ytteryta i praktiken binds till barriärskiktets inneryta).

Båda dessa skikt är utformade som hylsor, som formas i ett eller flera steg från ämnen av lämpligt material - zirko- nium för barriärskiktet och en zirkoniumlegering för in- nerfodret.

Olika metoder kan användas för att binda de tre komponen- terna till varandra. Eftersom strängpressningssteget måste utföras oavsett eventuella andra tekniker, som används för att binda komponenterna, är dock strängpressning den före- dragna bindningsprocessen. Härvid ger själva strängpress- ningsprocessen den energi (i form av hoptryckning) som krävs för att binda de tre skikten. Andra lämpliga bind- ningsprocesser beskrivs i den amerikanska patentansökningen 08/091672, som tidigare innefattats genom referens. Det skall noteras, att de tre komponenterna typiskt binds till varandra i ett enda steg men detta är inte nödvändigt.

Exempelvis skulle zirkoniumbarriärskiktet kunna bindas till 13 510 Û99 substratet i ett steg och innerfodret skulle kunna bindas till substratet/barriärskiktet i ett andra steg.

Strängpressningen åstadkommas genom att man för röret genom en uppsättning avsmalnande munstycken under högt tryck vid cirka 538 till 760°C. Lämpliga strängpressar är tillgäng- liga från Mannesmann Demag, Coreobolis, Pennsylvania. Efter strängpressning utsätts den sammansatta enheten för en konventionell glödgning och rörreduktionsprocesser för att åstadkomma en produkt känd som ett "rörskal", som är till- gängligt i specifika dimensioner och sammansättningar från olika försäljare, såsom Teledyne Wahchang (Albany, Oregon, USA), Western Zirconium (ett Westinghouse-företag i Ogden, Utah) och Cezus (Frankrike).

Den treskiktsstruktur som bildas genom bindning glödgas vanligtvis och reduceras till en standarddiameter (t.ex. cirka 6,35 cm) genom kallbearbetning. Ett glödgningssteg efter kallbearbetningen och viss ytbehandling kan också utföras. Det resulterande röret kallas rörskal.

Rörskalet utsätts för flera kallbearbetningspass, vanligt- vis med ett pilgerverk - för att ge de dimensioner som krävs för en viss tillämpning. Efter varje kallbearbet- ningssteg utförs en glödgning under t.ex. cirka 2 till 4 timmar för att minska spänningar och återge formbarhet.

Företrädesvis utförs varje kallbearbetningspass till mellan cirka 30 och 80%, även om detta inte är vitalt för upp- finningen. Kallbearbetningens procentvärde motsvarar unge- fär den procentuella minskningen av väggtjockleken under processen. Det inses av läsaren, att pilgerverk är allmänt tillgängliga utrustningar, låt vara tämligen komplicerade sådana. Under kallbearbetning med ett pilgerverk rullas ett format element på rörets utsida, under det att ett hårt avsmalnande mothåll uppstöder rörets insida. På detta sätt minskas rörets väggtjocklek och diameter samtidigt. Ytter- 14 510 099 ligare detaljer av kallbearbetningsprocessen ges i ovan- nämnda amerikanska patentansökning nr 08/091672.

För att ge substratets yttre omkretsomràde ytterligare korrosionsbeständighet kan ett steg innefattande selektiv upphettning och snabb avkylning av ytterområdet från alfa- plus beta-området till det rena beta-området, under det att innerområdet hålls vid en lägre temperatur, företrädesvis utföras under den efterföljande rörminskningsbehandlingen.

Detta ger en metallurgisk gradient, i vilken ytterområdet innehåller fina fällningar, under det att innerområdet har kvar de grova fällningarna. Detta värmebehandlingssteg kan åstadkommas genom olika metoder, inkluderande induktions- spoleupphettning, såsom beskrivs nedan. Det kan även vara önskvärt att bilda eller bibehålla grova fällningar i rörets inre område genom att man utför åtminstone en hög- temperaturglödgning och/eller utför rekristallisations- glödgningar vid relativt höga temperaturer. I denna be- skrivning avses med en högtemperaturglödgning en process, som utförs vid mellan cirka 650 och 750°C under mellan cirka l och 100 timmar. En mikrostruktur med grova fäll- ningar motstår i allmänhet sprickutbredning. En mer detal- jerad beskrivning av den procedur som används för att åstadkomma denna mikrostruktur finner man i den amerikanska patentansökningen nr 08/052793 med titeln ZIRCALOY TUBING HAVING HIGH RESISTANCE TO CRACK PROPAGATION och den ameri- kanska patentansökningen nr 08/052791 med titeln METHOD OF FABRICATING ZIRCALOY TUBING HAVING HIGH RESISTANCE TO CRACK PROPAGATION, vilka båda inlämnades den 23 april 1993, har överlåtits till innehavaren av denna ansökning och innefat- tas i denna beskrivning genom referens.

Vid vissa utföringsformer är det önskvärt att utföra en etsning eller annat ytbearbetningssteg för att avlägsna innerfodret från kapseln. Detta ger en kapsel, vid vilken zirkoniumbarriärskiktet bildar den inre omkretsytan. Kemis- ka och mekaniska ytbearbetningssteg används för närvarande 510 099 vid kapseltillverkning. Dessa inkluderar slipning, pole- ring, svarvbearbetning, putsning med sämskskinn, kemisk etsning och kemisk/mekanisk polering.

För att ytterligare klargöra processerna enligt denna uppfinning kommer en specifik föredragen process enligt denna uppfinning nu att beskrivas. Det skall inses, att även om de förhållanden som beskrivs i detta exempel är ganska specifika, kan processens samtliga steg utföras under många olika förhållanden. Processen börjas med ett ihåligt zirkaloy-ämne med en diameter på cirka 15 till 25 cm och en längd på cirka 61 cm. Ämnet bildar substratet hos en struktur i slutet av processen. Vid denna punkt omvand- las ämnet till cirka 120 m rör med en ytterdiameter på cirka 1,25 cm.

Först avkyls ämnet snabbt. I allmänhet involverar avkyl- ningen upphettning av ämnet till över l0OO°C och efter- följande avkylning från l0OO°C till cirka 700°C genom nedsänkning i en vattentank. Att en korrekt avkylningstakt upprätthålls i temperaturområdet mellan l0OO°C och 700°C är viktigt; efter det att 700°C har nåtts, kan emellertid avkylningstakten ökas eller minskas efter önskemål.

Efter avkylning införs ett rör av den metall som valts som zirkoniumbarriär och ett rör av det material som valts som innerfoder koncentriskt i det ihåliga ämnet. Ämnets, barri- ärens och innerfodrets rörändar binds därefter medelst elektronstràlesvetsning. Det svetsade röret strängpressas vid en rörtemperatur på cirka 570°C, så att ett rör åstad- kommes med en diameter på cirka 7,6 cm. Det strängpressade röret glödgas ytterligare och kallbearbetas, så att ett rörskal bildas med en diameter på cirka 6,35 cm.

Vid detta steg utförs en diffusionsglödgning vid cirka 800°C under cirka 4 timmar för att bilda en treskiktskapsel med ett diffusionsskikt, såsom beskrives ovan. Detta steg 16 510 Û99 kan ha den ytterligare fördelen att det gör fällningarna grövre i ämnet, varigenom motståndet mot axiell sprickut- bredning förbättras. I den efterföljande behandlingen minskas rördiametern och väggtjockleken men barriärskiktets koncentrationsprofil inkluderar fortfarande ett korrosions- beständigt diffusionsskikt.

Rörskalet utsätts för tre kallbearbetningspass i ett pil- gerverk. Det inses av läsaren, att pilgerverk är allmänt tillgänga utrustningar, låt vara tämligen komplicerade sådana. Vid kallbearbetning med ett pilgerverk rullas ett format element på rörets utsida, under det att ett hårt, avsmalnande mothàll uppstöder rörets insida. På detta sätt minskas rörets väggtjocklek och diameter samtidigt.

Det första kallbearbetningssteget utförs typiskt till cirka 69%. Detta procentvärde motsvarar ungefär den procentuella minskningen av väggtjockleken. Om röret ges alltför mycket kallbearbetning i ett enda pass, kan det under tillverkning spricka. För att minska den spänning som förorsakas av kallbearbetning glödgas röret till cirka 593°C under två timmar i en stor vakuumglödgningsugn, såsom beskrivits ovan (tillgänglig från Centorr Vacuum Industries, Nashua, New Hampshire).

Därefter värmebehandlas röret vid cirka 927°C på de yttre % av väggen. Detta åstadkommes genom upphettning av rörskalet med en högenergi eller en frekvens (från en induktionsspole) som tränger igenom som mest cirka 33% av väggen. Under induktionsupphettningen strömmar vatten genom rörets mitt. Syftena med detta är två: för det första håller det rörets inre vid en lägre temperatur, medan ytteromràdet upphettas, och för det andra avkyler det mycket snabbt hela röret, då uppvärmningsenergin avlägsnas.

Det är viktigt att se till att rörskalets inre inte upp- hettas för mycket. Ytterligare detaljer om induktions- upphettningsprocessen ges i den amerikanska patentskriften 17 510 099 4 576 654 (Eddens), vilken innefattas i denna beskrivning genom referens. Detta steg med selektiv upphettning ger substratets yttre område korrosionsbeständighet genom att fina fällningar bildas i detta.

Vid denna punkt utförs ett andra kallbearbetningspass (denna gång till cirka 74%) med ett pilgerverk. För att eliminera den spänning som åstadkommes av detta andra kallbearbetningspass utförs ytterligare en glödgning (även här till 593°C under cirka två timmar). Slutligen utförs ett tredje kallbearbetningspass såsom tidigare. Detta minskar röret till dess slutliga storlek - en ytterdiameter på cirka 12,7 mm med en nominell väggtjocklek på cirka 0,76 mm.

Detta rör uppdelas i längder för bränslestavar (d.v.s. cirka 4,3 m långa) och ges en slutlig rekristallisations- glödgning vid 577°C under cirka två timmar. Alternativt skulle den slutliga glödgningen kunna vara en spännings- elimineringsglödgning, som utförs vid någon temperatur mellan cirka 480°C och 577°C. Efter den slutliga glödg- ningen är röret färdigt för användning i reaktorn.

Det inses av fackmannen inom teknikområdet, att olika steg utförs förutom de som anges ovan. Exempelvis används kemisk etsning för att avlägsna ytdefekter, som förorsakas av rörreduktionsverket. Vidare utförs ofta uträtning av rören med utrustning inrättad för detta syfte. Dessutom utförs olika icke-destruktiva tester, såsom korrosionstester och ultraljudstester för att hitta sprickfel i ytan. Detta är inte en uttömmande lista utan dess syfte är bara att be- skriva vissa steg, som kan utföras.

Kompositröret enligt denna uppfinning kan användas för tillverkning av kärnbränsleelement genom att man först fäster en förslutning till ena änden av kapselröret, så att det endast finns en öppen ände kvar. Det fullbordade bräns- 18 510 099 leelementet förbereds därefter genom att man fyller kapsel- behållaren med kärnbränslematerial, inför ett organ, som håller kvar kärnbränslematerialet i håligheten, evakuerar kapselrörets inre, trycksätter det inre med helium, fäster en förslutning på behållarens öppna ände och förbinder kapselbehållarens ändar med förslutningen, så att en tät fog bildas mellan dessa. Även om ovannämnda uppfinning har beskrivits i detalj för enklare förståelse, inses det, att vissa ändringar och modifieringar kan utföras inom ramen för bifogade krav.

Exempelvis kan andra lämpliga processer med fler eller färre kallbearbetningspass användas, även om beskrivningen har beskrivit tre eller fyra kallbearbetningspass.

Claims (10)

19 510 099 Patentkrav

1. Metod att tillverka ett kapselrör med ett yttre sub- strat (21), ett mellanliggande zirkoniumbarriärskikt (22) och ett zirkoniumbaserat innerfoder (23) med legerande grundämnen, varvid substratet, barriärskiktet och inner- fodret vart och ett har inre och yttre omkretsytor, k ä n n e t e c k n a d a v följande steg: (a) att man binder zirkoniumbarriärskiktets yttre omkrets- yta till substratets inre omkretsyta; (b) att man binder innerfodrets yttre omkretsyta till zirkoniumbarriärskiktets inre omkretsyta; och (c) att man utför en diffusionsglödgning efter stegen (a) och (b) under en tid och vid en temperatur, som är till- räcklig för att diffundera de legerande grundämnena från innerfodret in i barriärskiktet för att bilda ett diffu- sionsskikt, vilket innehåller en koncentration av legerande grundämnen, som minskar från barriärskiktets inneryta till en punkt i barriärskiktet, vid vilken det finns väsentligen inga legerande grundämnen, varvid de legerande grundämnena i diffusionsskiktet gör barriärskiktet korrosionsbestän- digt.

2. Metod enligt krav l, vid vilken steget att utföra en diffusionsglödgning utförs vid en temperatur och under en tid på mellan cirka 650 och lO00°C under mellan cirka l minut och 20 timmar.

3. Metod enligt krav 1, vid vilken steget att utföra en diffusionsglödgning utförs efter att ett rörskal bildats.

4. Metod enligt krav 3, vid vilken steget att utföra en diffusionsglödgning utförs vid en temperatur på mellan cirka 650 och 825°C under mellan cirka 4 och 20 timmar. 510 099 20

5. Metod enligt krav 1, vid vilken steget att utföra en diffusionsglödgning utförs efter ett steg med ett slutligt kallbearbetningspass.

6. Metod enligt krav 5, vid vilken steget att utföra en diffusionsglödgning utförs vid en temperatur på mellan cirka 650 och 825°C under mellan cirka 5 minuter och 10 timmar.

7. Metod enligt krav 1, vid vilken stegen (a) och (b) utförs som ett enda steg.

8. Metod enligt krav 1, vilken vidare innefattar ett steg att avlägsna innerfodret medelst en ytbehandlingsprocess.

9. Metod enligt krav 1, vilken dessutom innefattar steget (d) att man utför två eller flera kallbearbetningssteg, vart och ett följt av en spänningseliminerings- eller rekristalliseringsglödgning; och (e) att man upphettar som mest cirka de yttre 33% av det yttre substratet till alfa- plus beta-fasen eller beta- fasen och därefter avkyler för att åstadkomma en fördelning av fina fällningar i substratets yttre område.

10. Metod enligt krav 9, vid vilken steget att utföra en diffusionsglödgning utförs vid en temperatur och under en tid på mellan cirka 650 och 825°C under mellan cirka 4 timmar och 20 timmar.