SE525808C2 - Förfarande, användning och anordning avseende kapslingrör för kärnbränsle samt en bränslepatron för en nukleär tryckvattenreaktor - Google Patents

Description

.ao 525 808 Det finns huvudsakligen två typer av moderna lättvattenreakto- rer: kokarvattenreaktorer (BWR) och tryckvattenreaktorer (PWR). l dessa typer av reaktorer råder olika förhållanden vilka ställer olika krav på de delar som ingår i reaktorerna. l en PWR kyls bränslestavarna i huvudsak av vatten som är i vätskefas under högt tryck. l en BWR är trycket lägre och vattnet som ky- ler bränslestavarna förångas så att bränslestavarna omges av både vatten i vätskefas och i ångfas. Vidare har bränslepatro- nerna olika konstruktion i en BWR och en PWR. l en typ av BWR sträcker sig bränslestavarna i en bränslepatron hela vägen mellan en topplatta och en bottenplatta som håller ihop bränsle- pattronen. l en PWR, å andra sidan, hålls bränslestavarna vanli- gen på plats med hjälp av spridare och når ej ända fram till topplattan och bottenplattan.

En bränslestav som används i en nukleär reaktor utsätts för höga temperaturer och tryck. Därvid uppstår med tiden kryp- ningsfenomen. En sådan krypning bör i möjligaste mån undvikas eftersom den kan ha negativa effekter. Exempelvis kan krypning av bränslestavarna medföra att de kommer att trycka mot de bränslekutsar som finns däri. Den neutronstrålning som en bränslestav utsätts för när den används kan även leda till att kapslingsröret tenderar till att växa med tiden. Även en sådan tillväxt orsakad av neutronbestrålning kan ha oönskade effekter.

Det bör därför undvikas att kapslingsröret tillväxer i en högre grad. Moderna kapslingsrör som tillverkas i lämpliga zirkoniurn- legeringar och utsätts för speciella värmebehandlingar under tillverkningen, har ofta en relativt liten tendens att växa när de utsätts för neutronstrålning. Tendensen att växa kan minskas bl.a. genom att kapslingsröret vid tillverkningen utsätts för en avslutande rekristallisationsglödgning.

Genom lämpligt val av material för kapslingröret och lämpligt framställningsförfarande kan kapslingröret erhålla lämpliga egenskaper beträffande t.ex. hårdhet och duktilitet. vvvv vv oo l den miljö där kapslingrören används kan de utsättas för olika korrosiva angrepp. Dessa angrepp kan komma från utsidan eller insidan. Angreppen från insidan har ofta sin grund i påverkan av det kärnbränslematerial som finns där, så kallat kuts-kapslings- växelverkan (PCI). Om en spricka uppstår genom kapslingsröret (en så kallad primär skada) så kan vatten tränga in genom sprickan och sprida sig längs rörets insida. Detta kan leda till nya korroslva angrepp från rörets insida, så kallade sekundära skador. Ett kapslingsrör av zirkonium eller zirkoniumbaserade legeringar kan även reagera med väte så att hydrider bildas i kapslingsröret. Dessa hydrider kan bildas från rörets insida, speciellt om en spricka uppstått så att vatten har trängt in i rö- ret. Dessa hydrider gör röret sprödare och sannolikheten för sprickbildning ökar. Speciellt hydrider som sträcker sig i radiell riktning genom röret utgör en ökad risk för sprickbildning. Såda- na radiella hydrider kan därför påskynda eventuella sekundära skador och sprickbildningar.

De komplicerade kemiska, mekaniska och metallurgiska förhål- landen som-råder i en nukleär reaktor har lett till att en mycket stor mängd förslag till materialval och framställningsförfaranden av kapslingsrör har framlagts. Även små förändringar i lege- ringssamansättningar eller tillverkningsparametrar kan ha stor betydelse för kapslingsrörets egenskaper.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Kapslingsrör tillverkade av en Zr-baserad legering som innehål- ler Nb har visat sig ha goda egenskaper i många hänseenden.

Genom lämpliga legeringshalter (exempelvis såsom beskrivs i ovannämnda US-A-5 648 995) och genom ett lämpligt val av framställningsparametrar så kan ett kapslingsrör erhållas som har goda kemiska, mekaniska och metallurgiska egenskaper. 525 eos Det har emellertid visat sig att även i rör av denna typ finns det en risk för skador.

Ett syfte med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma ett förfarande för framställning av ett kapslingsrör, av en Zr-ba- serad legering som innehåller mellan 0,5 viktprocent och 2,4 viktprocent Nb och som har en förbättrad resistens mot skador än tidigare kapslingsrör av denna typ av legeringar.

Dessa syften uppnås med ett förfarande av det slag som har be- skrivits i det första stycket ovan och som dessutom känneteck- nas av att efter det att kapslingsröret har bildats enligt ovan och efter eventuella valsningar med däremellan förekommande vär- mebehandlingar så slutglödgas kapslingsröret vid en temperatur och under en tid så att nämnda rörkomponent delvis rekristalli- seras men ej helt rekristalliseras. Rörkomponenten är således partiellt rekristalliserad (pRXA).

Ett kapslingsrör framställt enligt detta förfarande har visat sig ha en god resistens mot skador orsakade av PCI samtidigt som ris- ken för bildandet av radiella hydrider är liten. Därmed minskas risken för sprickor. Kapslingsröret har samtidigt även en hög duktilitet, låg kryphastighet och låg tendens till tillväxt orsakad av neutronbestrålning. Ytterligare syften och fördelar av uppfin- ningen kommer att framgå av det följande.

Eftersom rörkomponenten är pRXA (och ej helt rekristalliserad), så har det visat sig att eventuella hydrider som bildas tenderar att utsträcka sig huvudsakligen i tangentiell riktning under det att risken för radiella hydrider är låg. Därigenom uppnås förbätt- rad resistens mot sprickbildning. Anledningen till att radiella hydrider undviks är förmodligen att vissa spänningar som härrör från rörets tillverkning bibehålles eftersom rörkomponenten ej är helt rekristalliserad. Dessa spänningar leder till att tendensen till radiella hydrider minskar. 2 5 8 0 8 gjg -:j=_ f: ":= ="= o I u u o c u c o o o u en u: Det kan noteras att tidigare kända kapslingsrör av denna typ av legeringar har utsatts för en slutglödgning så att kapslingsröret har blivit helt rekristalliserat (se till exempel ovan nämnda US-A- 648 995). En sådan RXA är fördelaktig i vissa hänseenden (för att motverka krypning och neutronbestrålningsinducerad tillväxt samt för att erhålla resistans mot PCl-skador). Emellertid har uppfinnarna av föreliggande uppfinning kommit fram till att des- sa fördelar i hög grad kan erhållas även om kapslingsröret en- dast slutglödgas för att erhålla pRXA. Således har det därvid visat sig att en bättre resistens mot skador kan erhållas genom denna slutglödgning.

Det bör noteras att slutglödningen normalt är det sista värme- behandlingssteget i tillverkningsförfarandet. Eventuellt kan en viss efterbehandling av kapslingsröret utföras, men en sådan efterbehandlingen skall vara sådan att den struktur som uppnås genom slutglödgningen ej väsentligen förstörs.

Det bör även noteras att enligt ett föredraget utförande består kapslingsröret endast av nämnda rörkomponent. Det finns så- ledes inga ytterligare skikt. Sammansättningen på rörets ytteryta och inneryta kan dock skilja sig från sammansättningen i det inre av röret, t.ex. på grund av de ämnen som röret har kommit i kontakt med. Röret kan t.ex. vara oxiderat genom att det befun- nits i en omgivning av luft. Enligt ett alternativt utförande kan dock tänkas att röret innefattar ett eller flera skyddande ytterli- gare skikt, på dess insida eller dess utsida. l detta fall består således röret av flera komponenter. Dock gäller alltid att nämn- da rörkomponent utgör rörets huvudkomponent, t ex att denna rörkomponent utgör mer än 60% av rörets tjocklek. Såsom på- pekats ovan föredras emellertid att hela rörets tjocklek utgörs av nämnda rörkomponent.

Slutligen påpekas att när i detta dokument % eller ppm används i samband med halter av olika ämnen så avses, om inget annat sägs, viktandelar av respektive ämnen. 0 Dial! 525 808 §";."=f;": Enligt ett föredraget utförande av förfarandet enligt uppfinningen utföres slutglödgningen så att rekristallisationsgraden i rörkom- ponenten är högre än 5% och lägre än 95%, företrädesvis högre än 40%, exempelvis mellan 60% och 90%. Det har visat sig att sådana rekristallisationsgrader är speciellt lämpliga för att upp- nå de beskrivna fördelarna.

Den temperatur och tid som behövs för att uppnå en sådan re- kristallisationsgrad beror på halterna av legeringselementen.

Temperaturen för slutglödgningen är företrädesvis lägre än 550°C, exempelvis mellan 400°C och 540°C, och ofta mest läm- pat mellan 450°C och 500°C. Slutglödgningen kan lämpligen utföres under 1h till 6h, företrädesvis under 1 till 3 timmar.

Enligt ett föredraget utförande så innefattar förfarandet, före nämnda slutglödgning, följande steg: en stång av nämnda Zr-baserade legering bildas; denna stång upphettas till mellan 900°C och 1300°C samt släckes därefter, företrädesvis i vatten; ett ämne extruderas från stången efter upphettning till mellan 500°C och 900°C; ämnet kallvalsas till ett rör i åtminstone två steg, med mellanliggande värmebehandlingar vid mellan 550°C och 650°C.

Ett sådant framställningsförfarande är lämpligt för att erhålla gynsamma egenskaper hos kapslingsröret. Det bör noteras att framställningsförfarandet givetvis kan innefatta ytterligare steg (till exempel ytterligare värmebehandlingar eller kallvalsningar) förutom de som nämns ovan.

Enligt ett föredraget utförande är Nb-halten i nämnda legering mellan 0,8 viktprocent och 1,2 viktprocent. Företrädesvis har inget legeringselement, förutom Zr och Nb, i nämnda legering en halt som överstiger 0,3 viktprocent, och helst ej över 0,2 vikt- procent. ~ BJ 01 CO 3 00 G1 Legeringen kan lämpligen innehålla mellan 800ppm och 1700ppm O. Ett sådant val av halten av O leder till att kapslings- röret har goda krypningsegenskaper.

Enligt ett fördelaktigt utförande så innehåller legeringen mellan 50ppm och 600ppm Fe. Genom att hålla halten av Fe låg så för- bättras krypningsegenskaperna ytterligare. Fe-halten kan t.ex. vara lägre än 250ppm. Det bör noteras att dessa låga Fe-halter endast är föredragna utföranden av uppfinningen. Enligt en an- nan utföringsform kan även en högre Fe-halt tillåtas. Legeringen kan även innehålla en viss mängd S, exempelvis mellan 20ppm S och 600ppm S, eller mellan 100ppm S och 600ppm S. En så- dan mängd S kan förbättra legeringens korrosionsresistens och krypningsegenskaper.

Enligt ett föredraget utförande innehåller nämnda legering, för- utom Zr, 0,8 viktprocent till 1,2 viktprocent Nb, 50 ppm till 600ppm Fe, 800ppm till 1700ppm O, mindre än 250 ppm C, mindre än 150 ppm Si, mindre än 1000ppm S och därutöver en- dast föroreningar av en halt som ej överstiger vad som normalt accepteras i Zr eller Zr-legeringar för tillämpningar i nukleära reaktorer. » Exempel på vad som betraktas som acceptabla föroreningar i detta sammanhang finns angivet t.ex. i patentdokumentet EP 0 674 800 B1, spalt 5.

Såsom har nämnts inledningsvis avser uppfinningen även en användning. Därvid används ett kapslingsrör framställt enligt förfarandet enligt något av föregående utföranden i en bränsle- patron för en nukleär tryckvattenreaktor. Därmed uppnås de ovan beskrivna fördelarna med ett sådant kapslingsrör.

Uppfinningen avser även ett kapslingsrör i sig, lämpat för att in- nehålla kärnbränsle för en nukleär tryckvattenreaktor, vilket 0 IOIOO 0 kapslingsrör åtminstone huvudsakligen består av en cylindrisk rörkomponent av en Zr-baserad legering, där det legeringsele- ment som, förutom Zr, har högst halt i legeringen är Nb, varvid Nb-halten i viktprocent är mellan 0,5 och 2,4, varvid nämnda rörkomponent har slutvärmebehandlats så att den har en struk- tur så att den är delvis rekristalliserad men ej helt rekristallise- rad. Rekristallisationsgraden i rörkomponenten är högre än 5% och lägre än 95%, företrädesvis högre än 40%, exempelvis mellan 60% och 90%.

Ett sådant kapslingsrör kan framställas enligt ovan beskrivet förfarande. Fördelaktiga utföringsformer t ex beträffande ingå- ende legeringselement och legeringshalter framgår av exemplen ovan i samband med förfarandet enligt uppfinningen. Med dessa utföringsformer av kapslingsröret uppnås de ovan beskrivna fördelarna.

Slutligen avser uppfinningen även en bränslepatron för en nuk- leär tryckvattenreaktor. Bränslepatronen innefattar ett flertal kapslingsrör enligt uppfinningen fyllda med kärnbränsle lämpligt för sådana kapslingsrör för en nukleär tryckvattenreaktor KORT BESKRIVNING AV RlTNlNGARNA Fig 1 visar schematiskt en bränslepatron för en nukleär tryck- vattenreaktor.

Fig 2 visar schematiskt ett tvärsnitt genom ett kapslingsrör enligt uppfinningen.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL AV UPPFlNNlNGEN Fig 1 visar schematiskt en i sig känd bränslepatron för en PWR.

Bränslepatron innefattar en topplatta 4 och en bottenplatta 5.

CT! fi) U" l CO S W aaaa o.

Mellan topplattan 4 och bottenplattan 5 sträcker sig ett flertal ledrör 3 för styrstavar. Vidare innefattar bränslepatronen ett flertal kapslingsrör 1. Dessa kapslingsrör 1 innehåller således ett kärnbränslematerial och kallas därmed för brånslestavar. l denna typ av bränslepatron för PWR så når brånslestavarna ej ända fram till topplattan 4 och bottenplattan 5. Bränslestavarna hålls på plats i bränslepatronen med hjälp av spridare 2.

Fig 2 visar schematiskt ett tvärsnitt genom ett kapslingsrör enligt uppfinningen. Tvärsnittet visar kapslingsröret starkt förstorat. l realiteten är kapslingsröret av en dimension och enlängd som är lämpliga för användande i en PWR. Kapslingsröret innefattar en cylindrisk rörkomponent 1. l det visade fallet utgör den cy- lindriska rörkomponenten 1 hela kapslingsröret. Detta är den fö- redragna utföringsformen. Såsom nämnts ovan är det dock möj- ligt att denna rörkomponent 1 har ett eller flera skyddande skikt på sin insida eller utsida. Rörkomponenten 1 utgörs av en Zr- baserad legering. Detta betyder att rörkomponenten till allra största delen, alltid mer än 95%, utgörs av Zr. Enligt ett utfö- ringsexempel så innehåller rörkomponenten 1 följande lege- ringselement: 1 % Nb, 1 200 ppm O, 200 ppm Fe, mindre än 200 ppm C, mindre än 150 ppm Si, mindre än 1000ppm S och därut- över endast föroreningar av en halt som ej överstiger vad som normalt accepteras i Zr eller Zr-legeringar för tillämpningar i nukleära reaktorer. Kapslingsröret har slutvärmebehandlats så att rörkomponenten 1 har en struktur så att den är delvis rekris- talliserad men ej helt rekristalliserad. Rekristallisationsgraden kan exempelvis vara cirka 85%.

Uppfinningen avser även ett förfarande för att framställa ett kapslingsrör för kårnbränsle för en nukleår tryckvattenreaktor.

Förfarandet enligt uppfinningen kan genomföras på följande sätt.

En stång av exempelvis ovan nämnda legering bildas. Denna stång upphettas till mellan 900°C och 1300°C samt släckes där- 525 803 sjgfæs -zsz ":=="= o o c n u ~ | . .. ' ' 0 I ~ o ~ u a Q ø .a efter, företrädesvis i vatten. Ett ämne extruderas från stången efter upphettning till mellan 500°C och 900°C. Ämnet kallvalsas till ett rör i åtminstone två steg (exempelvis i tre steg), med mellanliggande värmebehandlingar vid mellan 550°C och 650°C.

Röret slutglödgas vid en temperatur och under en tid så att rör- komponenten delvis rekristalliseras men ej helt rekristalliseras.

Slutglödgningen kan exempelvis utföras vid en temperatur på cirka 490°C under cirka två timmar. Slutglödgningen utförs så att en lämplig rekristallisationsgrad erhålles i röret. Denna re- kristallisationsgrad bör vara högre än 5% och lägre än 95%. En rekristallisationsgrad på över 40%, till exempel mellan 60% och 90% kan vara lämplig, exempelvis en rekristallisationsgrad på cirka 85%.

Ett kapslingsrör framställt enligt förfarandet kan lämpligen an- vändas i en bränslepatron i en nukleär PWR.

När en bränslepatron av exempelvis den ovan beskrivna typen förses med ett flertal kapslingsrör enligt föreliggande uppfinning så erhålles således en bränslepatron enligt uppfinningen.

Uppfinningen är ej begränsad till ovan angivna exempel utan kan varieras inom ramen för efterföljande patentkrav. i

Claims (19)

10 15 20 25 30 35 5f25 808 11 Patentkrav

1. Ett förfarande för att framställa ett kapslingsrör för kärn- bränsle för en nukleär tryckvattenreaktor, vilket förfarande in- nefattar följande steg: bildande av ett rör som åtminstone huvudsakligen består av en cylindrisk rörkomponent (1) av en Zr-baserad legering, där det legeringselement, förutom Zr, som har högst halt i lege- ringen är Nb, varvid Nb-halten i viktprocent är mellan 0,5 och 2,4 och varvid inget legeringselement, förutom Zr och Nb, i nämnda legering, har en halt som överstiger 0,3 viktprocent, kännetecknat av att efter det att kapslingsröret har bildats enligt ovan och efter eventuella valsningar med däremellan fö- rekommande värmebehandlingar så slutglödgas kapslingsröret vid en temperatur och under en tid så att nämnda rörkomponent (1) delvis rekristalliseras men ej helt rekristalliseras, varvid nämnda slutglödgning utföres så att rekristallisationsgraden i nämnda rörkomponent (1) är högre än 5% och lägre än 95%.

2. Förfarande enligt krav 1, varvid nämnda slutglödgning utfö- res så att rekristallisationsgraden i nämnda rörkomponent (1) är högre än 40%.

3. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid slut- glödgningen utföres vid en temperatur som är lägre än 550°C.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid slut- glödgningen utföres vid en temperatur som är mellan 400°C och 540°C.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid slut- glödgningen utföres under 1h till 6h.

6. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid före nämnda slutglödgning så innefattar förfarandet följande steg: 10 15 20 25 30 35 525 808 12 en stång av nämnda Zr-baserade legering bildas; denna stång upphettas till mellan 900°C och 1300°C samt släckes därefter, företrädesvis i vatten; ett ämne extruderas från stången efter upphettning till mellan 500°C och 900°C; ämnet kallvalsas till ett rör i åtminstone två steg, med mellanliggande värmebehandlingar vid mellan 550°C och 650°C.

7. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid Nb- halten i nämnda legering är mellan 0,8 viktprocent och 1,2 vikt- procent.

8. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid nämn- da legering innehåller mellan 800ppm och 1700ppm O.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid nämn- da legering innehåller mellan 50ppm och 600ppm Fe.

10. Förfarande enligt något av föregående krav, varvid nämn- da legering förutom Zr innehåller 0,8 viktprocent till 1,2 viktpro- cent Nb, 50 ppm till 600ppm Fe, 800ppm till 1700ppm O, mindre än 250 ppm C, mindre än 150 ppm Si, mindre än 1000ppm S och därutöver endast föroreningar av en halt som ej överstiger vad som normalt accepteras i Zr eller Zr-legeringar för tillämp- ningar i nukleära reaktorer.

11. Användning av ett kapslingsrör framställt enligt förfarandet enligt något av föregående krav i en bränslepatron för en nukle- är tryckvattenreaktor.

12. Ett kapslingsrör för kärnbränsle för en nukleär tryckvatten- reaktor, vilket kapslingsrör åtminstone huvudsakligen består av en cylindrisk rörkomponent (1) av en Zr-baserad legering, där det legeringselement som, förutom Zr, har högst halt i lege- ringen är Nb, varvid Nb-halten i viktprocent är mellan 0,5 och 2,4, och varvid inget legeringselement, förutom Zr och Nb, i 10 15 20 25 30 35 525 808 13 nämnda legering, har en halt som överstiger 0,3 viktprocent, kännetecknat av att nämnda rörkomponent (1) har slutvärmebe- handlats så att den har en struktur så att den är delvis rekristal- liserad men ej helt rekristalliserad, varvid rekristallisationsgra- den i nämnda rörkomponent (1) är högre än 5% och lägre än 95%.

13. Ett kapslingsrör enligt krav 12, varvid rekristallisationsgra- den i nämnda rörkomponent (1) är högre än 40%.

14. Ett kapslingsrör enligt något av kraven 12 och 13, varvid Nb-halten i nämnda legering är mellan 0,8 viktprocent och 1,2 viktprocent.

15. Ett kapslingsrör enligt något av kraven 12-14, varvid nämnda legering innehåller mellan 800ppm och 1700ppm O.

16. Ett kapslingsrör enligt något av kraven 12-15, varvid nämnda legering innehåller mellan 50ppm och 600ppm Fe.

17. Ett kapslingsrör enligt något av krav 12-16, varvid nämnda legering förutom Zr innehåller 0,8 viktprocent till 1,2 viktprocent Nb, 50 ppm till 600ppm Fe, 800ppm till 1700ppm 0, mindre än 250 ppm C, mindre än 150 ppm Si, mindre än 1000ppm S och därutöver endast föroreningar av en halt som ej överstiger vad som normalt accepteras i Zr eller Zr-legeringar för tillämpningar i nukleära reaktorer.

18. En bränslepatron för en nukleär tryckvattenreaktor, Lä_n; netecknad av att den innefattar: _ ett flertal kapslingsrör (1) enligt något av kraven 12-17 fyllda med kärnbränsle lämpligt för sådana kapslingsrör (1) för en nukleär tryckvattenreaktor.

19. En bränslepatron enligt krav 18, innefattande: en topplatta (4), 525 808 14 en bottenplatta (5), ett flertal ledrör (3) för styrstavar, vilka ledrör sträcker sig mellan topplattan (4) och bottenplattan (5), och ett flertal spridare (2) anordnade för att hålla nämnda kapslings- rör (1) på plats i bränslepatronen och på lämpliga avstånd från varandra.