SE515223C2 - Kärnbränslekapsel med ett legerat zirkoniumbarriärskikt - Google Patents

Description

- Q . . . - 515 223 2 kommande zirkoniumbaserade legeringar för kapslar. Zirka- loy-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 0,2% järn men liknar i övrigt zirka- loy-2.

Zirkaloy-kapslar kan spricka av olika anledningar, inklude- rande 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 den passerande ång/vattenblandningen. 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 bränsle- kapseln till följd av differentiell expansion och friktion mellan bränslet och kapseln tillsammans med korroderande 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 nrs 4 200 492 och 4 372 817 (Armijo och Coffin), den amerikanska patentskriften nr 4 610 842 (Vannesjo) och den amerikanska patentskriften nr 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 barriärskiktet ger snabbt minska. Anledningen till detta är att den ånga som alstras av vatten i bränslestaven mycket snabbt kan oxidera barriärskiktet. Till följd av den 515 223 š*5ff::;@:n- 3 hastighet, 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 nr 08/092188 med titeln INNER LINERS FOR FUEL CLADDING HAVING ZIRCONIUM BARRIER LAYERS, vilka båda inlämnades den 14 juli 1993 och är överlåtna på innehavaren av denna ansökning. Båda ansökningarna innefat- tas i denna beskrivning genom referens i sin helhet. För- utom substratet och zirkoniumbarriären inkluderar tre- skiktskapseln ett mycket tunt, korrosionsbeständigt inner- foder bundet till barriärens bränslesida. Innerskiktet tillverkas typiskt av en zirkaloy eller en modifierad zirkaloy. Om kapseln genombryts och ånga bildas i det inre av bränslestaven, skyddar innerfodret barriären mot snabb oxidering. Även om denna treskiktskonstruktion represen- terar ett betydande framsteg, kan metoder att forma tre- skiktskapseln vara svåra att genomföra exakt. Ibland upp- träder revor och andra fel i det mycket tunna innerfodret vid tillverkning. Även om de treskiktskapslar, som beskrivs i den amerikanska patentansökningen nr 08/092188, ger betydande skydd mot skador till följd av samverkan mellan kutsarna och kapseln och accelererad korrosion, är det fortfarande önskvärt att utveckla andra kapslar med samma eller förbättrade egenska- per.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Föreliggande uppfinning åstadkommer ett kapselrör med ett tvärsnitt och vilket inkluderar (1) ett yttre omkretssubst- rat av zirkoniumlegering med en inneryta och med ett eller flera legerande grundämnen, (2) ett zirkoniumbarriärskikt 515 223 4 bundet till det yttre omkretssubstratets inneryta och legerat med ett eller flera legerande grundämnen och (3) ett inre omkretsfoder av zirkoniumlegering bundet till zirkoniumbarriärskiktets inneryta. De legerande elementen i barriärskiktet (åtminstone de legeringar vid barriärskik- tets gränsyta med substratet) adderas för att ge barriär- skiktet ett visst mått av korrosionsskydd.

Vid en föredragen utföringsform har zirkoniumbarriären en koncentrationsprofil, i vilken (a) legerande grundämnen finns med en överskottskoncentration (utöver den som på- träffas i konventionella, ej legerade zirkoniumbarriär- skikt) på åtminstone cirka 0,03% järn och åtminstone cirka 0,01% nickel vid zirkoniumbarriärskiktets gränsyta med innerfodret och (b) väsentligen inga legerande grundämnen (utöver den koncentration som påträffas i olegerat zirko- nium) på ett avstånd av som mest cirka 10% av barriärskik- tets totala radiella tjocklek från zirkoniumbarriärskiktets gränsyta med innerfodret. Det finns företrädesvis inga legerande grundämnen på ett avstånd av som mest cirka 5% av barriärskiktets totala tjocklek från zirkoniumbarriärskik- tets gränsyta med innerfodret. Vid en särskilt föredragen utföringsform finns de legerande grundämnena med en över- skottskoncentration på åtminstone cirka 0,03% järn och åtminstone cirka 0,01% nickel vid zirkoniumbarriärskiktets gränsyta med det yttre omkretssubstratet. Termen "diffu- sionsskikt" används i denna beskrivning för att beskriva området mellan barriärskiktets gränsyta med innerfodret och den punkt i barriärskiktets inre, där koncentrationen av legerande grundämnen först sjunker till väsentligen noll.

Det finns naturligtvis en koncentrationsgradient i diffu- sionsskiktet.

Vid föredragna utföringsformer innefattar innerfodret en zirkaloy eller en modifierad zirkaloy. Innerfodret är företrädesvis tillverkat av en modifierad zirkaloy med litet tenn och/eller litet syre, så att innerfodret blir < . . . .. 515 225 mer eftergivligt än konventionella zirkaloyer, vilket sålunda ger betydande skydd mot skada från samverkan mellan kutsar och höljen. Exempelvis kan innerfodret ha mindre än cirka 900 ppm syre utgående från vikt och mindre än cirka l,2% tenn utgående från vikt. Vid en alternativ utförings- form är innerfodret en modifierad zirkaloy med mycket nickel och mycket järn. Sådana legeringar ger ytterligare skydd mot korrosion. I samtliga utföringsformer har in- nerfodret företrädesvis en genomsnittlig tjocklek på mellan cirka 10 och 50 mikrometer.

Närvaron av legerande grundämnen i barriärskiktet (i ett diffusionsskikt eller på annan plats) ger ytterligare skydd mot accelererad korrosion, om ånga skulle tränga in i höljets inre genom en defekt i kapseln. Dessa och andra fördelar och särdrag hos föreliggande uppfinning kommer att visas mer i detalj i följande beskrivning av uppfinningen och figurerna.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. l är en tvärsnittsvy genom ett kärnbränsleelement enligt denna uppfinning med ett substrat, ett barriärskikt och ett innerfoder, fig. 2 är en vy, delvis i genomskärning, över ett kärn- bränsleknippe innehållande en kärnbränslestav i fig. l och fig. 3 är en delvis genomskuren tvärsnittsvy genom ett kärnbränsleknippe, som visar det inre av en bränslestav.

BESKRIVNING AV DE FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMERNA I. KAPSELRÖRETS UPPBYGGNAD I denna beskrivning innebär uttrycket "rör" ett metallrör med olika användningar och betecknar uttrycket "bränsle- stavbehållare" eller helt enkelt "behållare" rör, som används i bränslestavar för att inneslutna bränslekutsar. ' - ~ . . - . . - . .- 515 223 6 Ibland kallas bränslestavbehàllaren "kapsel" eller "kapsel- rör".

I fig. 1 visas ett bränsleelement 14 (vanligtvis refererat till som en bränslestav), som inkluderar en bränslestav- behållare 17, som omger en bränslematerialkärna 16. Bräns- leelementet 14 är utformat för att ge utmärkt termisk kontakt mellan bränslestavbehàllaren 17 och bränslemate- rialkärnan 16, minsta möjliga parasitiska neutronabsorption och motstånd mot böjning och vibrering, som ibland för- orsakas av kylmedelsströmning med hög hastighet. Bränsle- materialkärnan består typiskt av ett flertal bränslekutsar av klyvbart och/eller fertilt material. Bränslekärnan kan ha olika former, såsom cylindriska kutsar, sfärer eller små partiklar. Olika kärnbränslen kan användas, inkluderande uranföreningar, toriumföreningar och blandningar av dessa.

Ett föredraget bränsle är urandioxid eller en blandning innefattande urandioxid och plutoniumdioxid.

Behållaren 17 är en sammansatt kapsel med en struktur, som inkluderar ett substrat 21, en zirkoniumbarriär 22 och ett inre skikt eller foder 23. Substratet bildar ett kapselrörs yttre omkretsområde, det inre fodret bildar ett inre om- kretsområde och zirkoniumbarriären är placerad mellan substratet och innerfodret. Vid alternativa föredragna utföringsformer har inte det sammansatta höljet något väldefinierat innerfoder. I stället innehåller de inre områdena av zirkoniumbarriären (närmare bränslet) en hög koncentration legerande grundämnen, under det att de inre områdena av barriärskiktet (mellan barriärskiktets inre och yttre ytor) innehåller lägre koncentrationer av legerande element.

Substratet kan tillverkas utgående från ett konventionellt kapselmaterial, såsom ett rostfritt stål eller företrädes- vis en zirkoniumlegering. Lämpliga zirkoniumlegeringar för substratet inkluderar företrädesvis åtminstone cirka 98% | « - - 1 u . - - | «~ n. 515 223 š*É?Äïßs@32~ zirkonium, upp till cirka 0,25% järn, upp till cirka O,l% nickel, upp till cirka 0,25% krom och upp till cirka 1,7% tenn (alla procent är viktprocent). Andra legerande grund- ämnen kan inkludera niobium, vismut, molybden liksom andra grundämnen, som används inom teknikområdet. Generellt sett kan varje zirkoniumlegering med lämplig korrosionsbestän- dighet mot vatten i kokvattenreaktorer och med tillräcklig hållfasthet och formbarhet utnyttjas.

Vid en föredragen utföringsform av denna uppfinning är substratet zirkaloy-2 eller zirkaloy-4. Vid andra före- dragna utföringsformer används "zirlo" - en zirkoniumbase- rad legering, som innehåller cirka 1% tenn, cirka 1% nio- bium och mindre än cirka O,2% järn. Andra exempel på subst- ratlegeringar inkluderar zirkonium/2,5% niobium, "NSF"- legeringar (cirka 1% tenn, cirka 0,2-O,5% järn, cirka 0,05% nickel, cirka 0,6-1% niobium och resten zirkonium), "valloy" (cirka O,l% järn, cirka l,2% krom och resten zirkonium), andra legeringar med hög kromhalt och "excel" eller "excellite" (cirka O,3% niobium, cirka 0,3% molybden, cirka 1,2-l,5% tenn och resten zirkonium). Ytterligare exempel på legeringar inkluderar olika vismutinnehållande zirkoniumlegeringar, såsom de som beskrivs i det ameri- kanska patentet nr 4 876 064 i namnet Taylor, utfärdat den 24 oktober 1989. Dessa legeringar inkluderar exempelvis (l) cirka 0,5-2,5 vikt-% vismut, (2) cirka 0,5-2,3 vikt-% av en blandning av vismut och tenn plus cirka 0,5-1,0 vikt-% löst ämne, som kan vara niobium, molybden, tellurium eller blandningar av dessa, eller (3) cirka 0,5-2,5 vikt-% av en blandning av tenn och vismut plus cirka 0,3-1,0 vikt-% tellurium.

Vid vissa föredragna utföringsformer har substratet en mikrostruktur (d.v.s. fällningsstorleksfördelning), som motstår korrosion och/eller sprickutbredning. Det är känt att mikrostrukturen hos zirkaloyer och andra legeringar kan styras genom glödgningstemperaturen och -tiden liksom andra » v » - - - . | - | vv 515 223 i tillverkningsparametrar. Det är även känt att i kokvatten- reaktorer mindre fällningar i allmänhet ger bättre skydd mot korrosion, under det att i tryckvattenreaktorer större fällningar i allmänhet ger bättre skydd mot korrosion. I båda miljöerna ger grövre fällningar förbättrat skydd mot axiell sprickutbredning. Vid en föredragen utföringsform har substratet en tät fördelning av fin fällning (t.ex. mellan cirka 0,01 och 0,1 mikrometer i diameter) i de (radiellt) yttre områdena av substratet och en mindre tät fördelning av grova fällningar (t.ex. mellan cirka 0,01 och 1 mikrometer i diameter) i substratets inre områden. En detaljerad behandling av zirkaloyers mikrostruktur och metoder att tillverka kapslar med en önskad mikrostruktur ges i den amerikanska patentansökningen nr 08/052793 med titeln ZIRCALOY TUBING HAVING HIGH RESISTANCE TO CRACK PROPAGATION och den amerikanska patentansökningen nr 08/052791 med titeln METHOD OF FABRICATING ZIRCALOY TUBING HAVING HIGH RESISTANCE TO CRACK PROPAGATION, vilka båda inlämnades den 23 april 1993, är överlåtna på föreliggande innehavare och innefattas i denna beskrivning genom refe- rens i sin helhet.

Zirkoniumbarriären 22 är metallurgiskt bunden på substra- tets 21 inneryta. Se ovannämnda amerikanska patent nrs 4 200 492 och 4 372 817 (Armijo och Coffin), det ameri- kanska patentet nr 4 610 842 (Vannesjo) och det amerikanska patentet nr 4 894 203 (Adamson). Eftersom zirkoniumbarriä- ren vid föreliggande uppfinning är åtminstone delvis lege- rad, motstår den accelererad korrosion i händelse av ett brott i kapseln och efterföljande inströmning av ånga. Vid föreliggande uppfinning ges sådant skydd genom att man inför en betydande koncentration legerande grundämne i barriärskiktet genom ett diffusionsglödgningssteg. Detta driver vissa av grundämnena från substratet och innerfodret in i zirkoniumbarriärskiktet. Såsom är välkänt inom teknik- området, kan förekomsten av legerande grundämnen, såsom » | < . - u - - < 4 - n 515 223 9 . . « - - . . . . . järn och nickel, i zirkonium ge beständighet mot accelere- rad korrosion.

Vid föredragna utföringsformer är barriärskiktets tjocklek mellan cirka 50 och 200 mikrometer (cirka 2 till 8 mil) och ännu hellre mellan cirka 75 och 115 mikrometer (cirka 3,2 till 4,7 mil). I'en typisk kapsel utgör zirkoniumbarriären mellan cirka 5% och cirka 30% av kapselns tjocklek eller tvärsnitt.

Zirkoniumbarriärskiktet föreligger i allmänhet inlednings- vis på en "olegerad" form. Lämpliga barriärskikt tillverkas av zirkonium med "litet syresvamp", zirkonium av typen "reaktorsvamp" och renare "kristallstavzirkonium". I all- mänhet finns det åtminstone 1000 delar per miljon (ppm) per vikt och mindre än cirka 5000 ppm föroreningar i svamp- zirkonium och företrädesvis mindre än 4200 ppm. Svampzirko- nium åstadkommes typiskt genom reduktion med elementmagne- sium vid förhöjda temperaturer och vid lufttryck. Reak- tionen sker i en inert atmosfär, såsom helium eller argon.

Kristallstavzirkonium tillverkas av svampzirkonium genom omvandling av zirkoniummetallen i svampzirkoniumet till zirkoniumtetrajodidånga och efterföljande sönderdelning av jodiden på en glödtråd. Kristallstavzirkonium är dyrare än svampzirkonium men har små föroreningar och har större motståndskraft mot strâlningsskador.

Såsom nämnts, har zirkoniumbarriären i konventionella barriärskiktskapslar till funktion att ge den eftergivlig- het som krävs för att motverka de skadliga effekterna av samverkan mellan kutsar och kapsel. Det är dock även vik- tigt, att barriärskiktet motstår accelererad korrosion, som kan uppkomma om ånga intränger i kapselns inre genom en defekt. Innerfodret ger visst skydd mot accelererad korro- sion men i det fall fodret har revor eller andra defekter, bör barriärskiktet ha ytterligare skydd mot korrosion. Vid föreliggande uppfinning åstadkommes sådant skydd genom att f.. .- n | = . ; = - 515 223 | 1 - . . , , . .. man ger barriärskiktet en betydande koncentration legerande grundämnen genom exempelvis ett diffusionsglödgningssteg.

Detta driver vissa av grundämnena från substratet och innerfodret in i zirkoniumbarriärskiktet. Såsom är känt inom teknikområdet, kan förekomsten av legerande grundäm- nen, såsom järn och nickel, i zirkonium ge beständighet mot accelererad korrosion.

I denna skrift görs 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, "ej legerat" zirkoniumbarriärskikt.

Såsom tidigare beskrivits, har konventionella barriärskikt tillverkade enligt specifikation endast begränsad renhet (d.v.s. de innehåller typiskt en viss låg koncentration grundämnen). Sålunda avses med samtliga häri angivna värden för koncentrationer av legerande grundämnen koncentrationer utöver de som vanligtvis påträffas i zirkoniumbarriärskikt.

Om exempelvis zirkonium, som används i "olegerade" barriär- skikt tillverkas med en specifikation på 500 ppm järn, innehåller ett legerat zirkoniumbarriärskikt med 0,1 vikt-% järn denna vikt-% plus de 500 ppm som finns hos konven- tionellt zirkonium.

De legerade barriärskikten enligt denna uppfinning kan ha legerande grundämnen i en koncentration, som är tillräcklig för att åstadkomma utfällning. Detta är inte kritiskt för föreliggande uppfinning. De legerande grundämnena bör helt enkelt finns i koncentrationer, som är tillräckliga för att ge ett visst skydd mot accelererad korrosion utan att de i större grad sätter ned zirkoniumets eftergivlighet. Det är särskilt viktigt, att de legerande grundämnena finns vid zirkoniumbarriärskiktets inneryta (intill innerfodret).

Detta garanterar att om barriärskiktet utsätts för en 515 225 ll korrosionsmiljö till följd av en defekt på innerfodret, har barriärskiktets inneryta en viss grad av korrosionsbestän- dighet. Lämpliga koncentrationer av legerande grundämnen vid zirkoniumbarriärens inneryta är (i vikt-%) åtminstone cirka 0,03% järn, åtminstone cirka 0,01% krom och åtminsto- ne cirka 0,01% nickel (samtliga koncentrationer utöver de "olegerade" nivåerna för de legerande grundämnena). Ännu hellre bör dessa koncentrationer ligga mellan cirka 0,03 och 0,40% järn, mellan 0,01 och 0,20% krom och mellan cirka 0,01 och 0,20% nickel (även här utöver de olegerade nivåer- na).

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 olegerat svamp- eller kristallstavzirkonium (t.ex. krom - 70 ppm eller mindre; järn - 500 ppm eller mindre; och nickel - 70 ppm eller mindre). Detta blir koncentrationen vid diffusionsskiktets inre kant. Vid barriärskiktets yttre kant av diffusions- skiktet (barriärskiktets inneryta) uppträder den största koncentrationen legerande grundämnen. Diffusionsskiktet sträcker sig företrädesvis från barriärskiktets gränsyta med innerfodret mot det inre som täcker som mest cirka 10% av barriärskiktets totala bredd. Detta motsvarar cirka 8 mikrometer av den totala radiella tjockleken hos ett kon- ventionellt barriärskikt på 75 mikrometer. Vid mer före- dragna utföringsformer har diffusionsskiktet en tjocklek på som mest cirka 5% av barriärskiktets totala bredd.

Såsom kommer att behandlas nedan, bildas diffusionsskiktet typiskt medelst en diffusionsglödgning, som driver vissa av de legerande grundämnena från innerfodret in i barriärskik- tet. Under detta glödgningssteg kommer även vissa av de legerande grundämnena i det yttre omkretssubstratet att - - - . » n | | « . K n :Mlfwoøø | nu. , ..,. . .i . f: -: - -- n n n f .. u.. 'f-...f 12 diffundera in i barriärskiktet, låt vara vid gränsytan mellan substrat- och barriärskikten. Detta resulterar i bildandet av två diffusionsskikt över barriärskiktet i radialriktningen. De legerande grundämnena vid zirkonium- barriärskiktets gränsyta med det yttre omkretssubstratet föreligger företrädesvis i koncentrationer på mellan cirka 0,03 till 0,40% järn, mellan cirka 0,01 till 0,20% krom och mellan cirka 0,01 till 0,20% nickel (samtliga koncentra- tioner utöver de olegerade nivåerna). Eftersom legerande grundämnen kan härda rent zirkonium, är det viktigt, att barriärskiktets innerområden (de innanför diffusionsskik- ten) förblir väsentligen olegerade. Detta gör att barriär- skiktet kan förbli tillräckligt eftergivligt för att motstå skada förorsakad av samverkan mellan kutsar och kapsel.

Innerfodret 23 är metallurgiskt bundet till zirkoniumbarri- ärens 22 inneryta. Såsom visas, är innerfodret den del av den sammansatta kapseln som ligger närmast kärnbränslemate- rialet 16. Detta skikt ger visst skydd för zirkoniumbarriä- ren mot snabb oxidation om kärnelementets inre skulle komma i kontakt med ånga. Innerfodret bör sålunda vara ett rela- tivt korrosionsbeständigt material, såsom zirkaloy. Dock kan även modifierade zirkaloyer och andra korrosionsbe- ständiga material användas. Exempelvis kan innerfodret vara mjukare än konventionellt zirkaloy, så att sprickbildning och -utbredning på kapselrörets inneryta minimeras.

Se den amerikanska patentansökningen med nr 08/092188, som tidigare innefattats i denna beskrivning genom referens.

Vid en alternativ utföringsform kan innerfodret 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 mellan barriärskiktet vid en diffusionsglödgning. Den resulterande kapseln innehåller ett barriärskikt med tillräcklig beständighet mot accelere- 515 223 13 rad korrosion tack vare den ökade koncentrationen legerande grundämnen vid barriärskiktets inre område (där det är mest känsligt för korrosion). Diffusionsglödgningen homogeni- serar även koncentrationsfördelningen över barriärskiktets inneryta. (Denna fördel med diffusionsglödning erhålls även, då innerfodret finns kvar i den slutliga kapseln.) Om sålunda det finns några revor eller andra defekter i in- nerfodret (som skulle kunna utgöra en punkt för accelererad korrosion), får diffusionsglödgningen de legerande grund- ämnena att flytta sig in i barriärskiktet vid dessa defek- ter för att skydda mot accelererad korrosion. Förutom att innerfodret helt upptas vid en diffusionsglödgning blir kapselröret strukturellt likt det kapselrör med tre skikt som beskrivits ovan (d.v.s. barriärskiktet får diffusions- skikt vid sina båda kanter).

Om kapselröret innehåller ett innerfoder, kan detta foder tillverkas av många olika material. Exempelvis är en inner- fodersammansättning med låg tennhalt enligt denna uppfin- ning zirkoniumlegeringar (t.ex. modifierade zirkaloyer) med mindre än cirka 1,2 vikt-% tenn. En klass av lämpliga legeringar inkluderar åtminstone cirka 98% zirkonium, upp till cirka 0,24% järn och mindre än cirka l,2% tenn (samt- liga i vikt-%). Vissa foderlegeringar innehåller även mellan cirka 0,05 och 0,15% krom och/eller mellan cirka 0,03 och 0,08% nickel. Andra tillsatser kan inkludera niobium, vismut och molybden liksom andra grundämnen, som används inom teknikområdet.

Andra föredragna zirkoniumlegeringar har reducerade syre- koncentrationer. I allmänhet ger lägre syrehalt i fodret större beständighet mot sprickor. I kommersiellt tillgäng- lig zirkaloy görs syrekoncentrationen med avsikt hög, cirka 1000 ppm räknat i vikt, så att zirkaloyen blir tillräckligt stark för att motstå de påkänningar som uppkommer i ett kapselrör. Till följd av att innerfodren i strukturer enligt denna uppfinning inte behöver vara särskilt starka, 515 225 14 kan syrehalten i dessa foder minskas till värden, som ligger betydligt under de hos konventionella strukturlege- ringar. Zirkaloy-innerfoder enligt föreliggande uppfinning innehåller därför företrädesvis mindre än cirka 1000 ppm och hellre mindre än cirka 800 ppm och helst mindre än cirka 600 ppm syre räknat i vikt. Naturligtvis kan hård- heten hos andra zirkoniumlegeringar än zirkaloy reduceras genom att man minskar syre- och tennkoncentrationerna.

Förutom de ovan beskrivna modiferade zirkaloyerna inklude- rar relativt mjuka och korrosionsbeständiga zirkoniumlege- ringar lämpade för innerfoder enligt denna uppfinning utspädda järn-kromlegeringar (de ovan beskrivna), zirlos och modifierade versioner av dessa legeringar med reducera- de tenn- och syrehalter. Foder av utspädda järn-krom-zirko- niumlegeringar innehåller företrädesvis cirka 0,07 till 0,24% järn och cirka 0,05 till 0,15% krom räknat i vikt.

Sådana legeringar beskrivs i den amerikanska patentansök- ningen nr 08/011559 (inlämnad den 1 februari 1993 med angivande av Rosenbaum, Adamson och Cheng som uppfinnare, och vilken har överlåtits till innehavaren av denna ansök- ning). Andra lämpliga legeringar är zirkoniumlegeringar innehållande vismut, som beskrivs i det amerikanska paten- tet nr 4 876 064 (med mellan cirka 0,5 och 2,5 vikt-% vismut, såsom diskuterats ovan i samband med substratet).

Legeringar som innehåller nickel (och järn) och som ej baseras på zirkonium, såsom rostfritt stål och Inconel, kan även användas.

Innerfodret bör vara tillräckligt tunt för att förhindra, att mikrosprickor når kritiskt djup. Om en spricka i in- nerfodret överskrider det kritiska djupet, kan den utbreda sig genom innerfodret och in i barriären och till och med in i substratet. Innerfodrets medeltjocklek är företrädes- vis mellan cirka 10 och 50 mikrometer. Det skall dock inses, att tunnare skikt kan åstadkommas med något modifie- rade tillverkningsmetoder, såsom de som utnyttjar ång- . « « . . . . . . . n. 515 223 H .m avsättningstekniker. Vid en särskilt föredragen utförings- form är innerfodret i snitt cirka 25 mikrometer tjockt.

I ett exempel är kapselrörets totala tjocklek cirka 700 mikrometer (cirka 28 mil), av vilka innerfodret eller skiktet upptar mindre än 15 mikrometer (cirka 0,6 mil) och zirkoniumbarriären upptar cirka 75 till 115 mikrometer (cirka 3,2 till 4,7 mil).

I fig. 2 visas en uppskuren tvärsnittsvy genom ett kärn- bränsleknippe eller -enhet 10. Bränsleknippet är en diskret bränsleenhet, som innehåller många individuella tätade bränsleelement eller -stavar R, var och en innehållande ett kapselrör enligt denna uppfinning. Dessutom består bränsle- knippet av en strömningskanal C, som vid sin övre ände är försedd med en övre lyftbygel 12 och vid dess nedre ände en nosdel L och en nedre lyftbygel ll. Kanalens C övre ände är öppen vid 13 och nosdelens nedre ände är försedd med ström- ningsöppningar för kylmedel. Uppsättningen bränsleelement eller -stavar R är insluten i höljeröret C och uppstöds i denna medelst en topplatta U och en (ej visad) bottenplat- ta. Vissa av bränslestavarna har till funktion att "samman- binda" plattorna - de kallas därför ofta "bärande stavar" (vilka ej visas). Dessutom kan en eller flera spridare S vara anordnade i strömningskanalen för att hålla bränsle- elementen inriktade i linje med varandra och strömnings- kanalen. Under bränsleknippets livslängd inströmmar det flytande kylmedlet vanligen genom öppningarna i nosdelens nedre ände, passerar uppåt runt bränsleelementen R och utströmmar vid ett övre utlopp 13 i delvis förångat till- stånd.

I fig. 3 visas bränsleelementen eller -stavarna R med ändarna tätade medelst ändpluggar 18 svetsade till bräns- lestavbehållaren 17, vilken kan inkludera tappar 19 för att underlätta montering av bränsleelementet i bränsleenheten.

Ett tomrum eller utrymme 20 är inrättat vid ena änden av . . ~ . . . . . . . f. 515 225 16 . . - . . . - » 1 . elementet för att tillåta expansion i längdled av bränsle- materialet 16 och uppsamling av gaser, som släpps ut av bränslematerialet. En (ej visad) gasupptagare används typiskt för att avlägsna olika skadliga gaser och andra produkter från fissionsreaktionen. En behållare 24 för kärnbränslematerial i form av ett skruvlinjeformat element finns i utrymmet 20 för att motverka axiell rörelse hos kutsstapeln under hantering och transport av bränsleele- mentet.

II. TILLVERKNING AV KAPSELN Olika metoder kan användas för att tillverka kapselrören enligt denna uppfinning. Lämpliga metoder bör åstadkomma en metallurgisk bindning mellan substratet och metallbarriären och mellan metallbarriären och innerfodret. Barriären och innerfodret är typiskt anordnade som cylindriska rör eller hylsor, som binds till innerytan hos ett ihåligt zirkonium- legeringsämne (som bildar substratet i den slutliga kap- seln). Komponenterna binds företrädesvis till varandra medelst samsträngpressning men andra metoder kan användas.

Exempelvis kan komponenterna även bindas till ämnet medelst isostatisk varmpressning eller explosiv bindning. Vid en annan metod binds barriär- och innerfoderhylsorna till ämnets inneryta medelst upphettning (såsom till 750°C under 8 timmar) för att åstadkomma en diffusionsbindning mellan rören och ämnet. Före bindningen (medelst exempelvis strängpressning) fästs barriär- och innerfoderhylsorna företrädesvis till ämnet vid ändarna medelst en bindnings- process, såsom elektronstrålesvetsning i ett högt vakuum.

Elektronstrålesvetsning är en konventionell process, vid vilken en elektronstråle används för att upphetta de cy- lindriska rörens ändar tills de smälter.

Strängpressning åstadkommes genom att man för röret genom en uppsättning avsmalnande munstycken under högt tryck vid cirka 5380 till 76006. Lämpliga strängpressar är tillgäng- liga från Mannesmann Demag, Coreobolis, Pennsylvania. Efter 515 22: 17 strängpressning utsätts den sammansatta enheten för kon- ventionella glödgnings- och rörreduktionsprocesser för att åstadkomma en produkt känd som "rörskal", som är tillgäng- ligt i specifika dimensioner och sammansättningar från olika försäljare, såsom Teledyne Wahchang (Albany, Oregon, USA), Western Zirconium (ett Westinghouse-bolag i Ogden, Utah) och Cezus (Frankrike).

För att åstadkomma det slutliga röret med nödvändiga dimen- sioner kan olika tillverkningssteg, såsom kallbearbetning, värmebehandling och glödgning, användas. En lämplig metod för rörreduktion involverar tre pass med cirka 65 till 85% kallbearbetning (som utförs med ett pilgerverk), i samtliga fall följda av en spänningsminsknings- eller rekristallise- ringsglögdning. Den utrustning och de driftförhållanden som krävs för att utföra de olika stegen inses enkelt av fackmannen inom teknikomràdet och de beskrivs i följande patentansökningar: (1) den amerikanska patentansökningen nr 08/091672, (2) den svenska patentansökningen nr 9500969-2 och (3) den svenska patentansökningen nr 9500967-6. Samt- liga dessa ansökningar är överlåtna på föreliggande in- nehavare och innefattas i denna beskrivning genom referens.

För att bilda den legerade barriären enligt denna uppfin- ning utförs en diffusionsglödgning, varvid vissa legerande grundämnen från substratet och innerfodret överförs till zirkoniumbarriärskiktet för att bilda ett delvis legerat barriärskikt. Såsom inses av fackmannen inom teknikområdet, kan diffusionsglödgningen utföras med olika kommersiellt tillgängliga utrustningar, såsom en vakuumugn, en ugn med inert gas eller en induktionsspole. Lämpliga vakuumglödg- ningsugnar är tillgängliga från Centorr Vacuum Industries, Nashua, New Hampshire. Detaljer hos processerna, som har lämliga diffusionsglödgningar ges i ovannämnda svenska patentansökning nr 9500969-2. Det skall dock noteras, att diffusionsglödgningen bör utföras under en tid och vid en temperatur, som är lämpliga för barriärskiktets tjocklek. . . . . . . . . \ , . v 515 225 18 Med andra ord bör diffusionen kontrolleras så mycket att de legerande grundämnena inte diffunderar över hela barriär- skiktet. I stället bör diffusionsglödgningen ge ett diffu- sionsskikt, såsom beskrivits ovan. Diffusionsglödgningen kan utföras i varje steg i processen, inklusive rörskals- steget eller efter något kallbearbetningssteg. Vanligtvis är glödgningstemperaturen mellan cirka 650 och l0O0°C och den varar under mellan cirka 5 minuter och 20 timmar, beroende på barriärskiktets tjocklek.

Det sammansatta röret enligt denna uppfinning kan användas vid tillverkning av kärnbränsleelement genom att man först fäster en förslutning vid ena änden av kapselröret, så att endast en öppen ände blir kvar. Det fullbordade bränsleele- mentet 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 förändringar och modifieringar kan utföras inom ramen för bifogade krav.

Exempelvis kan andra former likväl användas, även om be- skrivningen har beskrivit föredragna zirkoniumlegeringsrör.

Exempelvis kan plattor och metalldelar med andra former också användas. Vidare är ovan beskrivna zirkaloy-2 ett exempel pà en legering, som med fördel kan användas vid föreliggande uppfinning. Vissa andra zirkoniumbaserade legeringar liksom andra metallegeringar med liknande struk- turer kan i många fall också användas vid metoderna enligt uppfinningen.

Claims (10)

515 225 19 Patentkrav

1. Kapselrör med ett tvärsnitt k ä n n e t e c k n a t a v ett yttre omkretssubstrat (21) av zirkoniumlegering med en inneryta, vilken zirkoniumlegering även har ett eller flera legerande grundämnen, ett zirkoniumbarriärskikt (22) bundet till det yttre om- kretssubstratets inneryta och med en utbredning avgränsad mellan dess inner- och ytterytor, vilket barriärskikt är legerat med ett eller flera legerande grundämnen, och ett inre omkretsfoder (23) av zirkoniumlegering bundet till zirkoniumbarriärskiktets inneryta.

2. Kapselrör enligt krav 1, vid vilket zirkoniumbarriär- skiktet (22) uppvisar en koncentrationsprofil, vid vilken (a) legerande grundämnen föreligger i överskjutande kon- centrationer på åtminstone cirka 0,03 vikt-% järn och åtminstone cirka 0,01 vikt-% nickel vid zirkoniumbarriär- skiktets gränsyta med innerfodret och (b) väsentligen inget överskott av legerande grundämnen finns på ett avstånd av som mest cirka 10% av den totala barriärskiktsutbredningen från zirkoniumbarriärskiktets gränsyta med innerfodret.

3. Kapselrör enligt krav 2, vid vilket legerande grund- ämnen föreligger i en överskjutande koncentration på åt- minstone cirka 0,03 vikt-% järn och åtminstone 0,01 vikt-% nickel vid zirkoniumbarriärskiktets gränsyta med det yttre omkretssubstratet. 515 2 2 3 20

4. Kapselrör enligt krav 1, vid vilket innerfodret in- nefattar en zirkaloy eller en modifierad zirkaloy.

5. Kapselrör enligt krav 1, vid vilket innerfodret har en genomsnittlig tjocklek på mellan cirka 10 och 50 mikro- meter.

6. Kapselrör enligt krav 1, innefattande ett diffusionsskikt, som sträcker sig från zirkoniumbarri- ärskiktets ínneryta in i barriärskiktets inre, vilket diffusionsskikt uppvisar en största koncentration av lege- rande grundämnen vid barriärskiktets ínneryta och en minsta koncentration legerande grundämnen i barriärskiktets inre.

7. Kapselrör enligt krav 6, vid vilket legerande grund- ämnen föreligger i en överskjutande koncentration på åt- minstone cirka 0,03 vikt-% järn och åtminstone cirka 0,01 vikt-% nickel vid zirkoniumbarriärskiktets gränsyta med innerfodret och väsentligen inga legerande grundämnen finns vid diffusionsskiktets innersida.

8. Kapselrör enligt krav 7, vid vilket diffusionsskiktet är som mest cirka 10% av barriärskiktets bredd.

9. Kapselrör enligt krav 6, vid vilket legerande grund- ämnen föreligger i en överskjutande koncentration på åt- minstone cirka 0,03 vikt-% järn och åtminstone cirka 0,01 vikt-% nickel vid zirkoniumbarriärskiktets gränsyta med det yttre omkretssubstratet.

10. Kapselrör enligt krav 8, vid vilket diffusionsskiktet är som mest cirka 5% av barriärskiktets bredd.