DE1241121B

DE1241121B - Verwendung einer binaeren Zirkoniumlegierung als Konstruktionswerkstoff in kohlendioxyd-gekuehlten Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1241121B
Application number: DEC29742A
Authority: DE
Inventors: Pierre Baque; Raymond Darras; Robert Syre
Original assignee: LE TITANIUM; Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: LE TITANIUM; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1962-04-27
Filing date: 1963-04-24
Publication date: 1967-05-24

Description

Verwendung einer binären Zirkoniumlegierung als Konstruktionswerkstoff in kohlendioxydgekühlten Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer binären Zirkoniumlegierung mit 0,1 bis 3°/o Vanadium als Konstruktionswerkstoff in mit Kohlendioxyd gekühlten Kernreaktoren und der dabei dem Kohlendioxyd ausgesetzt ist.
Zirkonium zeichnet sich durch einen kleinen Einfangquerschnitt für Neutronen aus; es ist daher allein oder in Legierung mit Partnern gleicher Eigenschaft als Konstruktionswerkstoff für die aktiven Teile von Kernreaktoren im Prinzip geeignet. Außer dem Neutroneneinfangquerschnitt eines Werkstoffs sind jedoch auch sein Verhalten und seine Beständigkeit unter den mechanischen, thermischen, chemischen und radioaktiven Belastungen im Reaktorinneren für seine Brauchbarkeit entscheidend.
So beschreibt die französische Patentschrift 1222 482 Hülsen für den Brennstoff von Kernreaktoren, die aus einer zirkoniumhaltigen Magnesiumlegierung bestehen. Sollen diese Hülsen jedoch in mit Kohlendioxyd gekühlten Kernreaktoren verwendet werden, so darf deren Betriebstemperatur 400° C nicht überschreiten, da anderenfalls die Korrosion der Hülsenlegierung zu groß wird. Damit ist aber die Einhaltung der optimalen Betriebstemperatur, die für Reaktoren des obigen Typs 500 bis 650° C erreicht, nicht möglich.
Auch legiert mit Zinn oder mit Uran, also dem Kernbrennstoff selbst, hat Zirkonium Eingang in den Reaktorbau gefunden (französische Patentschrift 1212 737, USA.-Patentschrift 2 813 073 und S. 486 der Zeitschrift »Il calore«, Nr. 10 von 1956). Schließlich ist in »Nuclear Science Abstracts« (Bd. 15, 1961, S. 1476, Referat Nr. 11521) über die Beständigkeit einer 0,25 bis 9 °/o Vanadium enthaltenden Zirkoniumlegierung gegen Druckwasser bei erhöhter Temperatur berichtet worden.
In mit Kohlendioxyd gekühlten Reaktoren haben alle diese Legierungen jedoch keine Anwendung gefunden. Hinreichende Korrosionsbeständigkeit gegenüber den Belastungen in diesen Reaktoren wurde bisher lediglich bei den in der französischen Patentschrift 1234 524 beschriebenen kohlenstoffhaltigen Zirkoniumlegierungen erwartet. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß auch mit diesen Legierungen die Einhaltung der optimalen Betriebstemperaturen zu unzulässig großer Korrosion führt. Außerdem sind sie schlecht verarbeitbar und besitzen nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Es bestand daher dringender Bedarf an einem auch bei hohen Temperaturen gegen Kohlendioxyd beständigen und zugleich leicht verarbeitbaren und gut wärmeleitenden Konstruktionswerkstoff für Kernreaktoren. Dieser Bedarf läßt sich gemäß der Erfindung durch die Verwendung einer an sich bekannten binären Legierung aus Zirkonium mit 0,1 bis 30/9 Vanadium befriedigen.
Der zulässige Einsatzbereich der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen reicht bis zu Drücken von 60 kg/cm2 und Temperaturen bis 650° C, wobei bei 25 kg/cm2 und 500° C ein Vanadiumgehalt von 0,5 °/o und bei 25 kg/cm2 und 600° C ein Vanadiumgehalt von 2 % bevorzugt ist.
Das erfindungsgemäß verwendete Zirkonium ist von Hafnium befreit und weist auch sonst nur möglichst geringe Verunreinigungen, insbesondere nur ein Minimum an Eisen, auf.
Als Beispiele für Legierungen, die sich erfindungsgemäß als Konstruktionswerkstoff in einem kohlendioxydgekühlten Kernreaktor unter den oben angegebenen Bedingungen eignen, können die folgenden Zusammensetzungen aufgeführt werden: 1. O,Io/o Vanadium, Rest Zirkonium; 2. 0,5 % Vanadium, Rest Zirkonium; 3. 2 % Vanadium, Rest Zirkonium.

Als Maß für die Korrosionsbeständigkeit der obigen Legierungen gegen C02 kann die Gewichtszunahme der Legierungen dienen, die auftritt, wenn die Legierung während längerer Zeit bei den angegebenen Temperaturen und Drücken mit Kohlendioxyd in Berührung steht.

I. Einwirken einer C02 Atmosphäre bei einem Druck

von 25 kg/cm2 und einer Temperatur von 500° C

Gewichts- Gewichts-

zunahme zunahme

in mg/cm2 nach in mg/cm2 nach

1000 Stunden 5000 Stunden

Legierung (1)

Zr-0, 10/0 V .... 0,90 2,7

Legierung (2)

Zr-0,5 % V .... 1,02 2,1

Legierung (3)

Zr-2 % V ...... 1,32 2,3

Zr (nicht von Hf be-

freit, nicht legiert) 0,96 2,6

Aus diesen Tabellen ergibt sich, daß die Legierung mit der größten Beständigkeit bei einer Aussetzungstemperatur von etwa 500° C diejenige ist, die 0,5% Vanadium, und bei einer Temperatur von etwa 600° C diejenige ist, die 2% Vanadium enthält.

Claims

Patentansprüche: 1. Verwendung einer binären Zirkoniumlegierung mit 0,1 bis 3% Vanadium als Konstruktionswerkstoff in mit Kohlendioxyd gekühlten Kernreaktoren und der dabei dem Kohlendioxyd bei 500 bis 650° C ausgesetzt ist. In den folgenden Tabellen ist die Gewichtszunahme der oben angegebenen Legierungen im Vergleich mit der von nicht legiertem, nicht von Hafnium befreitem Zirkonium aufgeführt. Il. Einwirken einer CO.-Atmosphäre bei einem Druck von 25 kglcm2 und einer Temperatur von 600° C Gewichts- Gewichts- zunahme zunahme in mg/cm2 nach in mg/cm2 nach 1000 Stunden 5000 Stunden Legierung (1) Zr-0,1 % V .... 3,4 16 Legierung (2) Zr-0,5 % V .... 3,9 17 Legierung (3) Zr-2 1/0 V ...... 4,7 13 Zr (nicht von Hf be- freit, nicht legiert) 5,6 20

2. Verwendung einer Legierung der im Anspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, wobei der Vanadiumgehalt 0,5 bzw. 2% beträgt, für den im Anspruch 1 genannten Zweck und dabei dem Kohlendioxyd bei 500 bzw. 600° C und einem Druck von 25 kg/cm=2 ausgesetzt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 1212 737. 1222 482, 1234 524; USA.-Patentschrift Nr. 2 81.3 073; »Nuclear Science Abstracts«, 15 (1961), Nr. 9. S. 14.76, Referat Nr. 11521; »Il calore«, 1956, Nr. 10, S_ 486.