CZ2193A3 - Nuclear fuel element and process for producing thereof - Google Patents

Description

Vynález se týká palivových článků určených k včleněni do palivových sestav pro jaderný reaktor chlazený a moderovaný vodou, zejména do sestav pro reaktor s tlakovou vodou.

Dosavadní stav techniky

Tyto reaktory jsou konstruovány pomocí palivových tablet uzavřených v ochranném obalu s malou absorpci neutronů. Pouzdro musí splňovat četné podmínky, z nichž řada je obtížně sladitelna. Musí uchovat svou těsnost a své mechanické vlastnosti při hořeni za vysoké teploty a vykazovat jen malé tečeni. Musí odolávat korozi ve vodném prostředí, které je obklopuje. Vzájemné působení mezi pouzdrem a jeho obsahem musí být sníženo.

Doposud se používala zejmena pouzdra slitinová na bázi zirkonia, tak zvaný Zircaloy 4, který obsahoval:

c e i kovy

i >	20	až 1,	70¾ cinu,
- 0 ,	1 Ξ	až 0	.24¾ železa,
- 0 ,	\j /	až 0 ,	,12¾ ohromu,
obsah	že	leze.	a chrómu se pohyboval	mezi 0,23

Normy, vztahující se na Zircaloy doporučením UNSR 60304, omezuji obsah je zirconium a prvků výše uvedených s

4, určene rovněž jiných prvků než vý j i m k o u ky s i i ku .

.rca-

tředí za wsoke	teploty
údržby reaktoru.	Fro od-
navrženo použití	pouzder

pro který je pouze zmíněno, že obsah musí být určen případ od případu. Obsah kyslíku v Zircaloy nepřekračuje 0,12¾ a je obecně velmi nízký.

Jestliže se mechanická odolnost pouzder loy 4 ukázala být vyhovující, lze naopak konstatovat, že jeho koroze ve vodním pi snížila poněkud přípustnou doi straněni teto nevýhody bylo ji tak zvaných duplex nebo triplex, viz FR-A-1537960;

ΞΡ-Α-212351; US-A-4649023, která obsahují alespoň jednu vnitřní vrstvu ze Zircaloy 4, nebo z podobné slitiny a jednu vrstvu vnější, zřetelně slabší, než jé vrstva vnitřní, ze slitiny na bázi zirconia, lépe odolávající korozi než Zircaloy 4.

Eyla zejména navržena pouzdra, obsahující vnitřní vrstvu ze Zircaloy 4 a vnější vrstvu ze slitiny na bázi zirocnia o sníženém nebo nulovém obsahu cínu, ale obsahující doplňkové prvky, které zlepšuji odolnost proti korozi, jako je niobium, vanadium a nikl. Již dlouho je rovněž známo, např.

4717534, že slitiny Zr-Nb až asi do 2 dobrou odolnost proti korozi ve vodním pr z US PAT. č.

:ia mají pr:

soks tec 1otě .

Složeni z b ý t tak o v e, ab prot1 ač ováním, etapě výroby.

tělně zhoršit ákladní slitiny y pouzdro bylo se zvýšenou

N3.víc nssrni ΌΓ mechanické vlas tvořící vnější vrstvu musí vyrobiteln^ /álcovánim nebo mírou překování při každé itomnos- vnější vrstvy matnosti pouzdra, uvažovaného ve svém celku. Jenže při prvním přiblíženi nické vlastnosti pouzdra sumou vlastnosti vyvážených faktorem, který představuje i tloušťky, odpovídající každé vrstvě. A je že obvykle slitiny zirconium-niobium, majíc obsah kyslíku, mají mnohem horši mechanické i? 5 š ξ ϊ u i n’’ s Θ Z i í?c 3.1 oy 4 jsou rcechaobou vrstev, ast celkové dobře známo, i velmi malý

V i 3.3^ΓΪ03^1

Vynalez má za cil vyřešit pouzdro pro jaderna palivové tyče, kde pouzdro obsahuje alespoň jednu vnitřní vrstvu ze Zircaloy 4 a jednu vnější vrstvu, slabší než je vnitřní vrstva, které odpovídá lépe než doposud známá pouzdra požadavkům praxe, zejména tím, že má znatelně zvýšenou odolnost proti korozi v okolním vodním prostředí a zcela zachovává své mechanické vlastnosti úplně porovnatelné s vlastnostmi celistvého pouzdra ze Zircaloy

Podstata vynálezu

Vynalez řeší jadernou palivovu tyč, jejíž pouzdro obsahuje alespoň jednu vnitřní část ze Zircaloy 4 a jednu část vnější ze slitiny na bázi zirconia, obsahující váhově kromě zirconia a nevyhnuté 1ných nečistot:

'„a; - od 0,35 do 0,65% cmu

- od 0,13 do 0,25% želez

- 0,07 až 0,13% chrómu a

- 0,19 až 0,23% kyslíku, přičemž souče- obsahu železa, chrómu, cínu a kyslíku je nižší než 1,25%,

- až do 200 ppm křemíku, (b) - a/nebo 0,80 až 1,20¾ niobia, přičemž obsah kyslíku

se pohybuje mez	i 0,10 a	0,15¾ váhových a	tloušťka vnější
vrstvy je mezi	10 a 25¾	celkové tloušťky	pouzdra.
V jednom	přikladu	provedeni obsah	kyslíku, chrómu
nebo niobia od	0 do 0,	0 5¾ je nahrazen e'	kvivalentnim ob-

sáhem vanadia.

V případě, že vnější vrstva obsahuje cm a nemá měřitelný obsah niobia, obsah kyslíku, mnohem vyšší než v obvyklých slitinách typu Zircaloy 2, 3 a 4, umožňuje získat mechanické vlastnosti, které se blíží mechanickým vlastnostem Zircaloy 4 za podmínky, že je pouzdro v uvolněném stavu.

V případě vnější vrstvy, jejíž jediný přídavný kov (s výjimkou nevyhnutelných nečistot) je niobium, slitina v uvolněném stavu, zvláště silně -naplněná kyslíkem, vykazuje velice průměrnou (nedostatečnou) odolnost proti tepelnému tečení: tato nevýhoda je odstraněna tím, že se současně udržuje slitina dopovaná kyslíkem a současně se pouzdro podrobuje konečnému tepelnému zpracováním rekrystali zace.

Vynález rovněž řeší způsob výroby pouzdra využitelného v palivové tyči výše popsaného typu.

Aby se získala duplexní trubka pro palivovou tyč podle vynálezu, vyrobí se kompozitní polotovar, obsahující vnitřní část ze Zircaloy 4, zejména mající obsah cmu v nižších hodncrách normy: a vnější vrstvu ze slitiny zirconium-niobium-kys1ik nebo ze slitiny na bázi zirconia obsahující cín, železo, chrom a kyslík. Spojeni těchto dvou polotovarů se získá svařením na koncích.

Polotovary takto získané pro oba typy slitin jsou protlačovaný za tepla, zpravidla při 650°C. Pravě během teto operace společného protlačovaní se uskutečni metalurgické spojení mezi oběma zirkonicvými slitinami. Takto získané vrstvy duplexní trubky jsou dále upraveny sledem termomechanických cyklů a výsledkem jsou ukončené duplexní trubky. Rozměry ukončených duplexních trubek jsou většinou od 9,50 mm vnějšího průměru a 0,625 mm tloušťky nebo 10,75 a 0, 725 mm s vnější vrstvou ze slitiny na bázi zirconia, obsahující niobium a kyslík (nebo železo, chrom, cín, kyslík), jejichž tloušťka se pohybuje přibližně mezi 80pm a 140pm.

Rozsah úprav, uplatněných zejména válcováním za studená poutnickým krokem je stejný pro obě sledované slitiny pro všechny kroky v poměru stupně uberu průřezu a faktoru Q (poměr mezi změnami tloušťky a změnami průměru), zejména se zvýšeným stupněm deformace. Transformace se obejde bez obtíži, ani vady typu trhlinek se nevytváří. Zato prostředni rekrystalizačni žíhaní a konečné žíhaní jsou přizpůsobeny každá z obou slitin.

Pro slitinu zirkonium, cín, železo, ohrom, kyslík jsou prostředni rekrysnaii začni žíhaní prováděna mezi 700°C a 750°C; v případě pěti operaci jsou dvě první žíháni prováděná s výhodou asi při 735°C a tři poslední asi při 700°C, kdežto finální žínaní ié -nevaděno okolo

Pokud se týká slitiny zirkoma, .obia, kyslíku, pt27 O S X* 9ct — i 279 VS 3. 1 Z * u ' ¹ *13 ΓΠ θ ~ x váni jsou provedeny nejdříve při 53O°C zahráni i o korozi v průběhu odpovídající ní; dři další mohou být při 700°C e 15 měl v reaktoru dobrou odolnost. Finálu vaděno při asi 5SQ^JC.

5V = a i omam ze proFozsahy termo-mechanicke transformace určena pro obě slitiny vedou na ukončené duplexní trubce k řezáni a rozdělování optimálních intermetalických sraženin hlavně proti běžné korozi a sice jemná sraženina (průměr sraženin běžné 50 nm) a homogenní pro slitinu zirkonia, niobia, kyslíku a homogenní sraženina a dostatečné velikosti (průměr největších intermetalických částic do 0,13 gm) pro slitinu zirkonia, cínu, železa, chrómu, ky s1 iku

Nyní uvedeme několik výsledků hodnost složeni pouzder podle ookusů. které dokážuPříklady provedení vynálezu

1. přiklad: Složeni obsahující cm, o m em obsahu nu a zvýšeném obsahu kyslíku.

Fokusy byly nejdříve pro sníženi obsahu cínu vzhledem k je v klasickém Zircaioy 4, 0,12% a slitin vnéíši vrstvy edenv pro určem následků obsahu, koerý se vyskvtu— mající obsah kyslíku od o malém obsahu cmu pro : v.e tem:

Nejdůležitějsi odchylky mají vliv na odpor tepelného tečeni v podmínkách typických pro reaktor při 400°C v průběhu 24 hodin pod tlakem 130 MPa.

Průměrová deformace byla tedy následující:

- slitina A : (Zircalov 4 do 1,5¾ cmu a 0,12¾ kyslíku:

t i na 3 : (Zircaloy 4 do , 5¾

- slinina C : (slitina do 0,5% pouze cm a 0 12% kyslík): 3,6%

- slitina D : (slitina do 0,5% cín a 0,19 až 0,2% kyslík): 1,7 až 1,3%

Tyto výsledky byly získány se slitinou V uvolněném stavu: je vidět, že podstatné zvýšení obsahu kyslíku umožňuje získat· - u slitiny o velmi nízkém obsahu cmu - odpor proti tepelnému tečeni a to při hoření téměř totožném jako u Zircaloy 4. Najdou se tedy hodnoty tečeni, vyhovující požadavkům koncepce palivové tyče. Navíc pokusy s tečením v podmínkách typických pro jádra APP? ukazuji, zvláště pro určité teploty ·; nad oblastí alfa, oblastmi a *· β a β) že chování tečeni při vysoké teplota slitiny D dopované O. je porovnatelné a lepši, než chováni Zircaloy 4 A a 3 na hranici okamžiku přetrženi

Pokusy měřeni meze pružnosti v tahu a v prasknuti, vždy při teplouš okolí, ukázaly rovněž velmi jasné sníženi vzhledem ke standardnímu Zircaloy 4 v případě smaž do 0 5% , s vyloučením zvýšení obsai nalezla tauaž mez pružnosti jako v případě Zircaloy 4 do 1 pckud uvolněná slitina obsahuje 0,19 až 0,20% kyslíku.

Tyto příznivé výsledky byly získaný v případě uvolněné slitiny: naopak, v případě rekrystalizované slitiny existuje zhoršeni odolnosti při tepelném tečeni, vybuzeném snížením obsahu cínu, dokonce i pro zvýšený obsah kvs1 iku.

A přece může byt v některých případech pro zajištěni stability v reaktoru a uděleni dobrých antikorozivních vlastností vnitřní vrstvě dána přednost rekrystalizovat celek rozsahu pomoci konečne tepelné úpravy. Tato úprava může tedy být provedena při 5S0°C+ 25°C.

Přiklad 2: Složeni obsahující rovněž křemík

Obsah křemíku, jdoucí až do 200 ppm může být přidán pro zlepšeni odolnosti proti obecné korozi, tedy když nebude mít dopad zejména na zrnitou korozi (s kterou se setkáváme nejvíce v reaktorech s vroucí vodou.)

Přiklad 3. Složení obsahující niobium o nízkém obsahu niobia a o proměnném obsahu kyslíku

V případě, že vnější vrstva· obsahuje cín a nemá měřitelný obsah niobia, obsah kyslíku, mnohem vyšší než v slitinách obvyklého typu Zircaloy 2, 2 a 4, umožňuje získat mechanické vlastnosti, blížící se mechanickým vlastnostem Zircaloy 4, zejména když je pouzdro v uvolněném stavu.

V případě vnější vrstvy jej jediný přídavný kov niobium (kromě nevyhnutelných nečistot), \· uvolněném stavu zvláště silně naplněná kyslíkem, vykazuje odolnost proti tepelném tečeni velice průměrnou. Tato nevýhoda je odstraněna udržováním slitiny dopované kyslíkem a současné podrobováním pouzdra konečné tepelné úpravě rekrysta1 izace. Navíc pro tuto slitinu ZrNb rekrystaii sace a přidám kyslíku umožní rovněž zlepšit významně odolnost proti korozi, působením přítomnosti jodu zvýšit hranici odolnosti proti únavě, zesílit obvyklé mechanické vlastnosti a znovu najit odolnost v ΆΡΒΡ (nehoda vinou ztráty primárního chíadiva) tak dobrou jako je odolnost Zircaloy 4 v rekrystalizovaném stavu.

Přiklad 4; Porovnání mezi námi obsahujícími niobium

Stejné porovnání, jako mezi jednou časti slitin

Ξ a F:

- slitina Ξ : 1% niobia a 0 slitinami Ziroaíoy 4 a slitivýše popsané, bylo provedeno

A a 3 a slitinami s niobiem ,08 až 0,10% kyslíku ,125% kyslíku zejména silné naplněné kyslístavu příliš nevýhodné tnechaečem, než abv se mohlo úva- slitina P : 1¾ niobia a 0 slitiny s pouze 1% niobia kem, vykazuji v uvolněném nicke vlastnosti, zejména z žovat o jejich využiti.

ha!;

Naopak pokusy uskutečněné na yicky rekrystalizovaném, u pádě slitiny P dopované kysl Byly totiž získány následuji slitinách ve stavu n.c · inily zajímavý objev kem.

i výsledky pro tepe i ne

tečeni při	400 °C během 240 hodi	n pod tla	kem 130 MPa:
- s i i p i na	A rekrystali zováná :	0,5 až 0,	6%
- slitina	3 rekrystalizovaná :	1%
- slitina	E rekrystalizovaná :	0,60%
- slitina	F rekrystalizovaná :	0,2 o az 0	, 30%
Kromě toho	se měřením meze pru	.žnosti ob	j evi i o , -že zhor

seni vlastno když ss pominou

slitina E,	je téměř	zcela vyro	vnanc slitinou
Nyní	uvedeme	výs1edky	porovnaní mezi
pouzdrem ze slitiny	A nebo B,	tj . ze Zircaloy

xovým pouzdrem, majícím jednu vnitřní vr

F.

ce a

štvu, istvým duplepředstavuje 30% tloušťky a vnější vrstvu, představující 20% tloušťky, přičemž je vnitřní vrstva u slitiny A něho B a vnější vrstva u slitiny C, D nebo F.

Výsledky získané pro rekrystalizovaný stav jsou tedy nas1eduj ící:

Při tepelném tečení při 400°C, pod tlakem 130 MPa po dobu 240 hodin, byly typické průměrová deformace:

- slitina celistvá A : 0,30 - 0,40% : 1¾ .na celistvá

- duplex B/C : 1,3 - 1,45%

B ·' D : 1,1 - 1,25%

- dupl·

- duplex A/F ' 0.7 5 - 0,-3 5%

Meze pružnosti v Přetrženi oři 400°C jsou:

- slitina celistvá A : 215 MFa

- 3 L i i na cel i s tvá 3 : 132 MPa

- duplex 3/C : i“5 MPa

- duplex S/D : 194 MPa

- duplex A/F : 137 K?a

Analýza těchto výsledků ukazuje, že

2./ dopováni kyslíkem slitiny typu D, která vytváří vnější vrstvu duplexní trubky S/D umožňuje:

- zlepšit odolnost proti tepelnému tečeni a mechanické vlastnosti ve srovnaní s duplexem 3/C slabě legovaným kys iikem;

- přiváděn tyto viastnosni na stejnou úroveň jako jsou vlasnnosti získané pro celistvou slitinu 3.

b) zvýšený obsah kyslíku ve slitině F duplexu A/F:

- vede k zesíleni odolnosti mechanickým vlastnostem proti tečeni a ke zlepšeným

- umožňuje najit podonne vlastnosti, lepši nez jsou vlastnosti celistvé slitiny 3.

Navíc výběr rekrystalizovaného stavu kombinovaného obohacením kyslíkem pro duplex 3/D a A/F, umožní rovněž zlepšit odolnost proti korozi působením přítomnosti jodu a vývoj oři hořem a získat radiálnější strukturu rovin fáze krystalické mříže.

Obecné řečeno, obohacení kyslíkem zlepší mechanickou odolnost a zvláště elektrickou mez. Rekrystalizace v nitmi vr s t vy : ováním zlepši odolnost prcci korozi působením jódu, který vzniká z paliva. P.ekrvstaiizace celku, pokud ji vyvolá konečné zpracovaní, zlepši v horku celkovou odolnost pouzdra proti tečeni.

Claims (6)

1. Palivová’tyč pro jaderny reaktor chlazený a moderovaný vodou, obsahující palivové tablety uzavřené

   v pouzdře, v y z n a č u j i ci se t i m , že ma jednu vnitřní vrsť vu z s slitiny na bázi zirkc nia, obsahující - 1,20 až 1, 70% c í nu, -0,13 až 0, , 24% železa, - 0,07 až 0, , 13% chrómu, přičemž celkový obsah že leza a chrómu se pohybuje me

   zi 0,28 a 0,37% a má jednu vnější vrstvu ze slitiny na bázi zirkcnia obsahující kromě zirkonia a nevyhnutelných nečistot:

   (a) ~ od 0, 35 do 0,65% váhových cmu - od 0, 8 do 0,25% z e 1 eza - od 0, 07 dc 0,13% chrómu a - 0, 19 až 0,23% váhových kys i iku

   součet obsahu železa, chrómu, cínu a kyslíku je nižší než 1,26% váhových, b') a/nebo 0,80 až 1,20% váh. niobia, přičemž obsah kyslíku se pohybuje mezi 0,10 a 0,16% váhových a tloušťka vnější vrstvy je ve všech případech mezi 10 a 25% celkcve tloušťky pouzdra.

   O 921 - 93
2. 2. ?álivc’'i tyč podle nároku 1, vyznačuj i c i se tom, že externí vrstva nemá -měřitelný cňsah niobia a tim, že pouzdro je ve stavu metalurgického uvolněni.

   Palivová tyč přísadou vnější j o o o se váno .

   podle nároku i. v niž jedinou kovovou vrstvy je niobium vyznačuí m , že pouzdro je rekrysta1 izoPalivová tyč tim, podle nároku 1, vyznačující že externí vrstva nemá upřesněný obsah niobia, ale obsahuje křemík o obsahu nepřekračujícím 200 ppm a že pouzdro je v metalurgickém uvolněném stavu pro zvýšeni meze pružnosti.
3. 5. Palivová tyč podle kteréhokoliv z nároků i až 4 vyznačující se tim, že obsah železa, ohromu nebo niobia od 0 do 0,05% je nahrazen ekviva 1 er.-nim obsahem vanadia.

   / y z n s 1 ožený loy 4 a

   c. ípusoo vyroby z ačujici se tim, že se vyrobí polotovar, obsahující vnitřní část ze Zircavnějši vrstvu, tvořenou ze slitiny obsahující cm, železo, chrom a kyslík tak, že se spoji obě časti svařením na koncích, pak se polotovar protlačuje asi při 650°C, načež se takto získaný polotovar duplexni trubky transformuje následnými termodynamickými cykly a nakonec se· provede konečná .etapa žíháni .
4. 7. Způsob výroby podle nároku 6, vyznačující se tim, že dokončovací žíhaní se provádí kolem teploty 485^0.
5. 8. Způsob výroby podle nároku ó nebo 7, vyznačující se tim, že cykly obsahuji následná žíhání při teplotách asi 735°C a 700°C.
6. 9. Palivová tyč podle nároku 6, vyznačující se tím, že dokončovací žíhání se provádí při teplotě 580°C + 25°C, čímž se vyvolá rekrystalizace vnitřní a vnější vrstvy.

   9. Způsob výroby pczdra palivové tyče podle nároku 3, vyznačující se tim. že se vyrobí složený polotovar, obsahující vnitřní část ze Zircaloy 4 a vnější vrstvu, tvořenou ze slitiny zirkonium-niobium-kys1ik svařením obou části na koncích, pak se polotovar protlačuje asi při 550°C, načež se takto získaný polotovar duplexní trubky transformuje následnými termometalurgickýmí cykly, zahrnujícími prostředni rekrystal izačm žíhám mezi (.oky válcováni a nakonec se provede dokončovací ezapa rekrvstali zace.