SE519613C2 - Förfarande för framställning av en spridare, en spridare och ett bränsleelement - Google Patents

Description

« . . | m 519 613 . . V . .- tronbestrålning, vilket är fallet då den utnyttjas som spridarele- ment i olika typer av nukleära anläggningar. Orsaken till detta är att valsningen av plåten leder till en orienterad struktur i materi- alet. Om plåten antas vara väsentligen plan gäller i praktiken att störst benägenhet till växning föreligger i en riktning som är pa- rallell med valsriktningen, något mindre benägenhet föreligger i en riktning i plåtplanet, tvärs valsriktningen, och minst benägen- het till växning föreligger i normalriktningen, dvs plåtens tjock- leksriktning. Då plåten bestrålas med neutroner kommer väx- ningen att ske i den eller de mest växningsbenägna av dessa riktningar, under det att en motsvarande krympning sker i någon av eller samtliga övriga riktningar. Detta som en direkt följd av att plåtvolymen förblir konstant vid neutronbestrålning. Vid neu- tronbestrålning leder detta i praktiken till att plåten växer mest i valsriktningen, växer något mindre tvärs valsriktningen och krymper i tjockleksriktningen .

Detta skapar ett problem, då sådan plåt på konventionellt sätt används för att bilda väggar hos en spridare för positionering av bränslestavar i en nukleär anläggning. Spridaren definierar näm- ligen en mängd kanaler igenom vilka bränslestavarna löper och vilkas väggar bildas av nämnda plåt. Plåten växer därvid i en riktning tvärs kanalernas utsträckningsriktning, samtidigt som väggtjockleken minskar, vilket får till följd att kanalernas tvär- snittsarea ökar och ett spel uppstår mellan dessas väggar och bränslestavarna. Vid ogynnsamma förhållanden, såsom exem- pelvis vid drift av en PWR-reaktor, kommer därför bränslesta- varna p.g.a. nämnda spel att genom skakning utsättas för kraftig nötning mot de spridarpartier som de därvid kommer i beröring med. På sikt kan detta leda till att hål uppstår i bränslestavarnas väggar och att radioaktivt material läcker ut i dessas omgivning.

Då även bränslestavarna är gjorda av ett växningsbenäget ma- terial kommer en ytterligare spelskapande effekt att uppstå ge- nom att dessas diameter minskar då de neutronbestrålas. » > - . f- 519 613 Tidigare teknik avhjälper i viss mån det ovan nämnda problemet genom att den riktning hos plåtarna som sträcker sig tvärs ka- nalernas Iängdriktning anordnas så att den sammanfaller med plàtarnas tvärriktning relativt valsriktningen. En väsentligt mindre växning erhålles därigenom l denna riktning, men inte desto mindre uppstår tillräckligt stor växning för att problemet med uppkomst av spel skall kvarstå.

Till viss del råder man även bot på problemet genom att i spri- darväggarna stansa ut flikar som likt fjädrar är ägnade att ligga an mot bränslestavarna och även fortsättningsvis ligga an mot dessa då växning sker. Emellertid har zirkoniumlegeringar en något låg sträckgräns» för att vara helt lämpliga som fjädermate- rial, varför flikarna i praktiken endast räcker för att kompensera för ett spel så stort som det som eventuellt uppstår på grund av bränslestavarnas diameterminskning. Flikarna räcker inte till för att kompensera för det totala spel, som på grund av diameter- krympning och spridarväggsväxning, uppstår mellan spridarväg- gar och bränslestavarnas ytterytor. Efter en första av ett flertal bestrålningscykler har emellertid spridarmaterialet relaxerat. varigenom flikarnas förmåga att kompensera för bränslestavarnas diameterminskning i påföljande cykler är betydligt reducerad.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att tillhandahålla ett förfarande av inledningsvis nämnda slag, vilket tillåter att man helt eller delvis undviker nötning av bränslestavar mot spri- darväggar och vilket samtidigt är okomplicerat och föga kost- nadskråvande.

Denna målsättning uppnås med ett förfarande av inledningsvis nämnda slag, vilket dessutom innefattar stegen: ... n. » u - » - . 1. m .- a v» .s n . u u g n. . v vi v l v v . . = - f n. 3.; L, , . ., . . , n r | a - | » u , . | . .x ; , att plåten underkastas en värmebehandling som innefattar beta- släckning, och att plåten underkastas en efterföljande värmebehandling i den zirkoniumbaserade legeringens alfafastemperaturområde.

Genom betasläckningen åstadkommes en randomisering av strukturens orientering i plåten, vilket innebär att våxningsbenä- genheten är lika stor i såväl plåtens valsningsriktning, dennas tvårriktning som i tjockleksriktningen. Resultatet blir att ingen växning kommer att ske hos plåten i samband med neutronbe- strålning av denna. Problemet med spel mellan bränslestavar och spridarväggar avhjälps därigenom så gott som helt.

Den efterföljande värmebehandlingen i alfafasområdet är nöd- vändig för att ge den betasläckta plåten en allmän korrosions- härdighet som väsentligen motsvarar den allmänna korrosions- härdigheten hos en på konventionellt sätt framställd plåt. För att erhålla god härdighet mot allmånkorrosion bör temperaturen vara större än 650°C, företrädesvis större än 700°C.

Efter betasläckningen och värmebehandlingen i alfafastempera- turområdet visar det sig även att plåten erhåller en något förhöjd sträckgråns samt en något större duktilitet, vilket medför att eventuellt utstansade flikar uppvisar bättre fjäderegenskaper och mindre risk för sprickuppkomst föreligger i samband med stans- ningen av sådana flikar.

Det skall nämnas att ett annat förfarande som innefattar nämnda steg visserligen visas i den svenska patentskriften SE 502866, men att problemställningen i det fallet är en helt annan, nämligen att förhindra att ledrör för styrstavar i en tryckvattenreaktor växer på längden när de sitter infästade mellan en topp- och en bottenplatta och därigenom riskerar att böjas eller brytas sönder.

Vad som utmärker den föreliggande uppfinningen är insikten om ' att ett helt annat problem, nämligen problemet med söndernöt- 519 613 i. .in ning av bränslestavar i spridare p.g.a. speluppkomst mellan be- hållare och spridarelementväggar, kan lösas genom det definie- rade förfarandet.

Enligt ett föredraget utförande av förfarandet enligt uppfinningen innefattar detta även steget att genom stansning partier hos plåten bringas att skjuta ut från en yta hos plåten och att plåten bibringas en förhöjd temperatur vid stansningen.

Genom att plåten bibringas den förhöjda temperaturen vid stans- ningen aktiveras en ökad mängd glidplan i den zirkoniumbase- rade legeringen och plåten kan lättare deformeras utan risk för sprickbildning i denna. Eftersom den zirkoniumbaserade lege- ringen har HCP-struktur och därför vid rumstemperatur uppvisar ett litet, begränsat antal glidplan är detta en viktig aspekt som bidrar till att göra det enklare att förse spridarelementen, d.v.s. plåtarna, med utskjutande partier som likt fjädrar ligger an mot bränslestavarna och därigenom hjälper till att förhindra att spel uppstår mellan spridarelementens väggar och bränslestavarna p.g.a. de senares diameterreducering vid neutronbestrålning.

Det skall därvid inses att de utskjutande partierna utgör en del av spridarelementens väggar.

Enligt ett föredraget utförande av förfarandet enligt uppfinningen ligger den förhöjda temperaturen hos plåten vid stansningen i området 25-500°C, och mer föredraget i området 50-250°C. Däri- genom uppnås i synnerhet den eftersträvade glidplansaktive- ringen utan ofördelaktig påverkan av materialet utifrån andra as- pekter. såsom exempelvis ur korrosionssynpunkt.

Uppfinningen avser dessutom en spridare för positionering av bränslestavar i en nukleär anläggning, vilken spridare innefattar ett flertal spridarelement som vart och ett innefattar en plåt av en zirkoniumbaserad legering, och är kännetecknad av att plåten är betasläckt och därefter värmebehandlad i den zirkonium- baserade legeringens alfafastemperaturområde. - - . . . 4 519 613 De fördelar som uppnås med en sådan spridare har redan be- rörts i samband med beskrivningen av det uppfinningsenliga förfarandet och behöver därför ingen ytterligare förklaring.

Genom att använda de definierade spridarelementen i spridaren garanteras en stabil spridare med minimal uppkomst av spel mellan spridarcellernas, dvs kanalernas väggar och de däri in- förda och dessa genomskjutande bränslestavarna.

Uppfinningen avser dessutom ett bränsleelement i en nukleär anläggning, vilket bränsleelement innefattar en spridare enligt uppfinningen. Dessutom kan det innefatta bränslestavar, bräns- lestavsbox, ledrör för styrstavar, etc.

Ytterligare särdrag hos och fördelar med förfarandet, spridar- elementet och spridaren enligt uppfinningen framgår av den ef- terföljande, detaljerade beskrivningen samt de övriga, icke självständiga patentkraven.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Härefter följer en detaljerad beskrivning av en såsom exempel anförd utföringsform av spridarelementet resp spridaren enligt uppfinningen under hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka: figur 1 är en perspektivvy av en spridare enligt uppfinningen, figur 2 är en perspektivvy av en spridarcell sammansatt av par- tier av spridarelement enligt uppfinningen, och figur 3 är en tvärsnittsvy ovanifrän av spridarcellen enligt figur 2, med en däri placerad bränslestav, 519 613 figur 4 är en ytterligare tvärsnittsvy av spridarcellen enligt figur 2 och 3.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRANDEN l figur 1 visas en typisk spridare 1 för positionering av bränsle- stavar i en nukleär anläggning. Spridaren 1 är bildad av ett fler- tal spridarelement 2, vilka vart och ett är bildade utifrån en vä- sentligen plan plåt och sammansvetsade på sådant sätt att de bildar ett flertal celler 3 hos spridaren 1. Cellerna 3 definierar kanaler med ett fyrkantigt tvärsnitt, vilka kanaler är ägnade att genomskjutas av bränslestavar 4, av vilka enbart en är visad i exemplifierande syfte. Spridaren genomskjuts även och är fästad mot ledrör för styrstavar, men dessa ledrör är inte visade i figuren.

Den plåt utifrån vilken spridarelementen 2 är bildade, innefattar en zirkoniumbaserad legering. Sådana legeringar är karakteris- tiska genom att de är neutrontransparenta och uppvisar god kor- rosionshärdighet i korrosiva media. Zirkoniumbaserade lege- ringar är framför allt användbara som väggmaterial i spridare i tryckvattenreaktorer PWR, men även i kokarvattenreaktorer, BWR. Emellertid är p.g.a. den speciella miljön i BWR INCONEL ett normalt utnyttjat spridarmaterial i kokarvattenreaktorer, vari- genom problemet med spel p.g.a. växning inte uppstår. Det skall dessutom nämnas att antalet celler vanligtvis är större hos PWR än BWR (normalt 17x17 för PWR och 5x5 för BWR).

Varje spridarelement innefattar åtminstone ett från själva plåtens plan utskjutande parti 5,6. Dessa partier 5,6 innefattar dels en relativt styv, väsentligen icke fjädrande utbuktning 5 samt en fjädrande flik 6, vilka bägge pressats ut ur plåtplanet i samband med stansning av detta. Utbuktningen 5 och fliken 6 skjuter ut åt motsatta håll ur plåtplanet, dvs spridarelementets 2 plan. Varje spridarcell 3 innefattar två stycken flikar eller fjäderelement 6 - 1 . . 1. 519 613 och två stycken utsprång eller utbuktningar 5. Fjäderelementen 6 är företrädesvis positionerade på intill och vinkelrätt mot var- andra belägna spridarelement 2 hos spridarcellen 3 såsom fram- går av figur 3. Därigenom sörjs för en stadig och flexibel fixering av bränslestaven 4 i spridarcellen 3.

Då spridaren 1 och bränslestavarna 4 vid drift utsätts för neu- tronbestrålning sker på grund av växning hos bränslestavarna 4, vilka företrädesvis också är gjorda av zirkoniumbaserad legering, en viss diameterreduktion hos dessa. Fixeringen av bränsle- stavarna 4 i spridarcellerna 3 förblir emellertid god genom att fjäderelementen eller flikarna 6 är anordnade att fjädrande an- ligga mot bränslestavarna 4 även då en viss diameterreducering hos dessa sker. Detta gäller i första hand en första bestrålnings- cykel, varefter en relaxation sker hos spridarmaterialet och fjädereffekten minskar. Eftersom spridarelementen 2 är fram- ställda i enlighet med det uppfinningsenliga förfarandet före- kommer praktiskt taget ingen växning hos dessa, varför någon ytterligare källa som orsakar spel mellan bränslestavarna 4 och spridarelementen 2 inte föreligger.

De ovan beskrivna spridarelementen och spridaren är enligt det uppfinningsenliga förfarandet framställda pà följande sätt: Spridarelement 2 och ytterväggar 7, 8 hos spridaren 1 framställs genom att man ur en plåt av en zirkoniumbaserad legering som betasläckts och därefter värmebehandlats i legeringens alfafas- temperaturområde skär eller stansar ut plåtar med form och storlek som motsvarar de hos ytterväggarna 7,8 resp de enskilda spridarelementen 2. Spridarelementen 2 skiljer sig från ytterväg- garna 7, 8 enbart genom att de har lodräta slitsar (icke visade) som möjliggör att de kan korsa varandra och bilda det nät som definierar spridarcellerna. Slitsarna sträcker sig lämpligtvis till halva höjden av spridarelementen och utgår nedifrån för de spri- darelement som är riktade i den ena riktningen och ovanifrån hos I . ; . .- 519 613 f* r.,- de som är riktade vinkelrätt däremot. Det utesluts emellertid inte att även ytterväggarna är slitsförsedda.

Därefter, före eller samtidigt därmed, stansas dessa plåtar så att partier 5,6 hos plåten bringas att skjuta ut från en yta som här breder ut sig i plåtens plan. Dessa partier 5,6 är identiska med de ovan beskrivna utsprången eller utbuktningarna 5 resp fli- karna eller fjäderelementen 6.

Under stansningen bibringas plåten en förhöjd temperatur genom att det stansverktyg som utnyttjas i sig ges en förhöjd tempera- tur. Därvid kommer plåtens temperatur vid stansningen att ligga i området 25-500°C, företrädesvis i området 50-250°C och allra mest föredraget i området 50-l50°C. Andra sätt att värma plåten utesluts visserligen inte, men detta sätt är särskilt fördelaktigt då plåten, såsom här, är tunn eller mycket tunn.

Därefter sammanfogas spridarelementen 2 på sådant sätt att de bildar de ovan beskrivna spridarcellerna 3 som i sin tur tillsam- mans bildar själva spridaren 1. Sammanfogningen sker lämpligt- vis genom svetsning, men andra metoder är för den skull inte uteslutna.

Det skall vidare nämnas att den härigenom erhållna spridaren kan användas i alla typer av reaktorer men är särskilt fördelaktig när det gäller val av spridare till en tryckvattenreaktor PWR, av skäl som redan nämnts ovan.

Det skall inses att en rad varianter och modifieringar av det upp- finningsenliga förfarandet liksom den uppfinningsenliga sprida- ren naturligtvis är möjliga inom ramen för uppfinningen utan att själva uppfinningstanken frångås.

Claims (7)

\___¿ 10 15 20 25 30 35 519 613 10 .u .f Patentkrav

1. Förfarande för framställning av en ett flertal spridarelement (2) innefattande spridare (1) för positionering av bränslestavar (4) i en nukleär anläggning, varvid förfarandet innefattar tillhan- dahàllande av en plåt, som innefattar en zirkoniumbaserad lege- ring, kännetecknat av att det dessutom innefattar stegen: att plåten underkastas en värmebehandling som innefattar beta- släckning, att plåten underkastas en efterföljande värmebehandling i den zirkoniumbaserade legeringens alfafastemperaturområde, att partier (5,6) hos plåten genom stansning bringas att skjuta ut från en yta hos plåten, för att åstadkomma stödytor för bränsle- stavarna, varvid stansningen utförs efter betaslåckningen och värmebehandlingen vid alfafastemperaturområdet.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att plåten bi- bringas en förhöjd temperatur vid stansningen.

3. Förfarande enligt krav 2, kännetecknat av att den förhöjda temperaturen hos plåten vid stansningen ligger i området 25- 500°C, företrädesvis 50-250°C.

4. Förfarande enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknat av att stansningen innefattar att åtminstone ett utskjutande parti (6) pressas ut ur en yta hos plåten, vilket parti (6) är ägnat att fjäd- rande anligga mot en bränslestav (4).

5. Spridare för positionering av bränslestavar (4) i en nukleär anläggning, vilken spridare (1) innefattar ett flertal spridarele- ment (2) som vart och ett innefattar en plåt av en zirkoniumbase- 10 519 613 »m t. s..- 11 rad Iegering, kännetecknad av att plåten är betasläckt och där- efter värmebehandlad i den zirkoniumbaserade Iegeringens alfafastemperaturområde, varvid plåten innefattar partier (5,6) som skjuter ut från en yta hos denna, varvid dessa utskjutande partier (5, 6) är bildade genom stansning av plåten efter beta- släckningen och värmebehandlingen i alfafastemperaturområdet.

6. Spridare enligt krav 5, kännetecknad av att åtminstone ett av de partier (6) som skjuter ut från plåtens yta definierar ett fjä- derelement ägnat att fjädrande anligga mot en bränslestav (4).

7. Bränsleelement i en nukleär anläggning, kännetecknat av att det innefattar en spridare enligt något av kraven 5 och 6.