DE69702222T3

DE69702222T3 - Zirkonlegierung mit niedrigem Bestrahlungswachstum, deren Herstellungsverfahren und Verwendung

Info

Publication number: DE69702222T3
Application number: DE69702222T
Authority: DE
Inventors: Tadashi Fujieda; Masahisa Inagaki; Iwao Naka-gun Takase; Junjiro Nakajima; Rinichi Asano; Takehiro Seto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi GE Nuclear Energy Ltd
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2017-03-11
Also published as: US5862194A; DE69702222T2; EP0795618A1; EP0795618B1; JPH09249927A; EP0795618B2; DE69702222D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Brennelementkanals.
Eine Zirconiumlegierung ist ein Material mit hoher Korrosionsbeständigkeit und kleinem Querschnitt für Neutronenabsorption, weswegen es für ein Brennstabbündelelement verwendet wird. Für diese Verwendungsart werden hauptsächlich Zr-Sn-Fe-Cr-Ni-Legierungen verwendet, die als Zircaloy-2 und Zircaloy-4 bezeichnet werden. Wenn diese Legierungen für eine lange Zeitspanne in einem Kernreaktor verwendet werden, treten eine Verlängerung und eine bogenförmige Verformung in speziellen Richtungen auf, da ihre (0001)-Ebenen in der Richtung der Plattendicke ausgerichtet sind. Wenn die bogenförmige Verformung in einem Brennstabkanal auftritt, ist der Raum zum Antreiben des Kontrollstabs verringert, was den Betrieb des Reaktors behindert. Ferner ändert sich, wenn eine bogenförmige Verformung auftritt, der Abstand zur Brennstab-Verkleidungsröhre, mit dem Ergebnis, dass sich das Verhältnis von Wasser zu Uran örtlich ändert, was eine Änderung des Kernspaltungs-Reaktionsvermögens verursacht. Im Ergebnis wird die Korrosion der Brennstab-Verkleidungsröhre durch anomale Erwärmung beschleunigt, wodurch weitere Brennstab-Schäden verursacht werden können. Um zu verhindern, dass eine bogenförmige Verformung des Brennstabkanals auf Grund einer derartigen Ungleichmäßigkeit der Neutronenexposition auftritt, wurde eine Vergleichmäßigung der Neutronenexposition durch Ändern der Einsetzposition des Brennstabbündels in den Reaktorkern untersucht. Mit dieser Maßnahme gelang es jedoch nicht, die bogenförmige Verformung zu verhindern. Sowohl die Verringerung des Antriebsraums für den Kontrollstab als auch die Änderung des Kernspaltungs-Reaktionsvermögens, wie sie durch eine bogenförmige Verformung verursacht werden, sind Hauptfaktoren, die die Lebensdauer des Brennstabkanals begrenzen.
Als Verfahren zum Verhindern des Verbiegens des Brennstab- Kanals ist es in JP-A-59-229475, JP-A-62-200286, JP-A-5-17837, JP-A-5-80170 sowie EP-A-689 209 offenbart, die Orientierung von Kristallkörnern zufällig zu machen. Jedoch kann eine bogenförmige Verformung durch Bestrahlungswachstum wegen des unten beschriebenen Grundes nicht weiter verringert werden.
Gemäß dem Stand der Technik wird die Kristallorientierung eines Zirconiumlegierungselements zufällig gemacht. Jedoch ist ein Kanal viereckig und röhrenförmig, und insbesondere offenbaren JP-A-5-17837 und JP-A-5-80170, dass, um die Kristallorientierung zufällig zu machen, eine Wärmebehandlung dadurch ausgeführt wird, dass eine Erwärmung in einem β-Temperaturbereich ausgeführt wird, gefolgt von einem Abschrecken, wobei es jedoch schwierig ist, die Gesamtheit zu erwärmen und auf gleichmäßiger Temperatur zu halten. Demgemäß tritt, wenn nicht das gesamte Element erwärmt und auf gleichmäßiger Temperatur gehalten wird, eine Verformungsdifferenz durch Neutronenbestrahlung auf, wobei wegen dieser Differenz Verbiegung auftritt.
US-A-493891 offenbart einen Prozess zum Herstellen einer Brennelementhülle aus einer Zirconiumlegierung. Es wird eine Wärmebehandlung im β-Temperaturbereich verwendet, jedoch ist das Ausmaß nicht offenbart, gemäß dem dieser Prozess zufällige Orientierung bewirkt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Brennelementkanals anzugeben, wobei die Verformung durch Neutronenbestrahlungswachstum an jeder Position gleichmäßigeres Ausmaß aufweist und bogenförmige Verformungen vermieden oder minimiert werden.
Bei einer erfindungsgemäß verwendeten Zirconiumlegierungsplatte wird die <0001>-Kristallorientierung von hexagonalem Zr-Metall in der Zirconiumlegierungsplatte großer Abmessung stark zufällig gemacht, und wünschenswerterweise wird dieselbe Zufallsorientierung an jeder Position der Legierungsplatte erzielt.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Bei der erfindungsgemäßen Herstellung eines Brennelementkanals aus einer Zirconiumlegierung mit niedrigem Bestrahlungswachstum ist es bevorzugt, das Legierungselement während einer kurzen Zeitspanne im Temperaturbereich der β-Einzelphase zu halten, so dass der Wert des durch die nachstehende Formel bestimmten Parameters P nicht kleiner ist als 0,8, und danach die Legierung abzuschrecken: P = (3,55 + log t) × log(T – 980),wobei t die Verweilzeitspanne (s) ist und T die Heiztemperatur (°C) ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet den folgenden Schritt: örtliches und kontinuierliches Induktionsheizen des Elements in einem Temperaturbereich der β-Phase, während es eine Relativbewegung erfährt, und Ausführen einer Abschreckbehandlung durch Zwangskühlen des erwärmten Teils des Elements unter Verwendung eines Kühlmediums, wobei die Abschreckbehandlung mehrmals ausgeführt wird.
Ein erfindungsgemäß hergestellter Brennelementkanal kann so verwendet werden, dass das Abbrandausmaß beim Entnehmen nicht kleiner als ungefähr 32 GWd/t ist, so dass Kernbrennstoff mindestens zweimal während seiner Verwendung ausgetauscht wird, wobei der Vorgang vorzugsweise so ausgeführt wird, dass der Kanal für späteren Betrieb an derselben Betriebsposition wie beim vorigen Betrieb positioniert wird.
In dem Kanal wird Brennstoff mindestens zweimal ausgetauscht, und die Verformung, wie sie während einer solchen Zeitspanne auftritt, dass das Abbrandausmaß bei Entnahme 35 GWd/t oder mehr beträgt, oder für eine solche andere Zeitspanne, dass die Neutronenexposition 10²² n/cm² oder mehr beträgt, ist verringert, und insbesondere beträgt der Biegewert auf 4 m Länge des Kanals nicht mehr als 2,16 mm.
Insbesondere kann der Kanal bis zu einem höheren Abbrandausmaß von 38,45 und 50 oder nicht weniger als 50 GWd/t wirkungsvoll genutzt werden, so dass der Vorteil merklich wird.
Eine Verformung eines Zirconiumlegierungselements tritt auf, da die <0001>-Richtung von hexagonalem Zr beinahe rechtwinklig zur Oberfläche des Elements ausgerichtet ist. Wenn das hexagonale Gitter Neutronenbestrahlung unterworfen wird, ziehen sich Kristalle in der <0001>-Richtung zusammen, während sie sich in der Richtung rechtwinklig zur <0001>-Richtung ausdehnen. Genauer gesagt, wird durch Neutronenbestrahlung eine Versetzungsfläche rechtwinklig zur <0001>-Richtung eingeführt, die diese Kontraktion und Expansion in den speziellen Richtungen bewirkt. Das Ausmaß der Neutronenbestrahlung wird an einer Position größer, die näher am Zentrum des Reaktorkerns liegt, und sie wird am Rand des Reaktorkerns kleiner. In einem Kanal, der am Rand liegt, wo sich das Ausmaß der Neutronenbestrahlung stark ändert, tritt eine Änderung des Bestrahlungswachstumswerts (Dehnungsdifferenz) zwischen der Fläche an der Reaktorkernseite und der davon abgewandten Seite auf, was ein Verbiegen des Kanals verursacht. Das Maß der Biegung kann durch die folgende Formel berechnet werden: δ(Verbiegungsmaß) = K·{(1 – 3Fl)(LI – L2) + 3LIΔFl},wobei K eine Konstante ist, L1 und L2 das Dehungsmaß ist, wie es durch Bestrahlungswachstum in der Fläche auf der Reaktorkernseite eines herkömmlichen Elements bzw. der davon abgewandten Fläche verursacht wird, F2 die Kristallorientierung in Bezug auf die Längsrichtung des Kanals ist und ΔFl die Differenz der F2-Werte zwischen den voneinander abgewandten Flächen ist. L1 und L2 hängen vom Abbrandausmaß aus, so dass es sich ergibt, dass das Maß der Verbiegung vom Wert Fl und von ΔFl abhängt, wenn das Abbrandausmaß konstant ist. Die Abhängigkeit des Maßes der Verbiegung des Kanals bei einem Abbrandausmaß 35 vom Wert Fl und von ΔFl wird durch die Formel so berechnet, dass das Maß der Verbiegung im Fl-Bereich von 0,33 bis 0,35 minimal wird, wie in 6 dargestellt, mit einer Verkleinerung, wenn ΔFl kleiner ist. Demgemäß muss hinsichtlich des tolerierbaren Maßes der Biegeverformung des Kanals, unter Berücksichtigung der Wölbungsverformung durch Kriechen Δ bei einem Abbrandausmaß von 35 GWd/t kleiner als 2,16 mm sein. Demgemäß müssen in diesem Fall ΔFl und der Fl-Wert so gesteuert werden, dass ΔFl ≤ 0,025 und Fl = 0,20 bis 0,35 erzielt werden. Darüber hinaus nimmt das Aufwölbungsausmaß durch Kriechen während der Bestrahlung zu, wenn zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Kanals eine Druckdifferenz auftritt und eine Verformung der Rufwölbung nach außen hervorgerufen wird.
Es wird angenommen, dass ein abgeschrecktes Element in jedem Korn viele Unterkorngrenzen aufweist und leicht ein Gleiten entlang der Korngrenzen auftreten kann. Demgemäß kann eine Verbesserung dadurch erzielt werden, wenn die Unterkorngrenzen unter Verwendung sowohl einer Temperung als auch einer Umkristallisierung, die nach dem Kaltwalzen ausgeführt werden, verringert werden, wobei das Maß der Verbiegung des Kanals durch Bestrahlungswachstum verringert wird und es möglich wird, einen Kanal und ein Brennstabbündel zu erhalten, bei denen beiden die Streustrahlungsdosis verringert ist.
Eine Verformung tritt auf, da die <0001>-Kristallorientierung von hexagonalem Zr-Metall rechtwinklig zur Oberfläche der Zirconiumlegierung ausgerichtet ist. Wenn hexagonales Zr- Metall Neutronenbestrahlung ausgesetzt wird, zieht sich der Kristall in der <0001>-Richtung zusammen, während er sich in der Richtung rechtwinklig zur <0001>-Richtung ausdehnt. Genauer gesagt, wird durch Neutronenbestrahlung eine Versetzungsfläche rechtwinklig zur (0001)-Fläche eingeführt, was eine derartige Kontraktion und Expansion des Kristalls bewirkt. Demgemäß tritt in einem Brennstabkanal, in dem die <0001>-Kristallorientierung so ausgerichtet ist, dass rechtwinklig zur Oberfläche zeigt, Kristallwachstum in der Längen- und der Breitenrichtung auf. Das Ausmaß der Neutronenbestrahlung wird an einer Position näher am Zentrum des Reaktorkerns größer, und dort tritt durch Änderung der Neutronenbestrahlungsmenge eine Differenz im Ausmaß des Bestrahlungswachstums auf, was die bogenförmige Verformung verursacht. Eine zufällige Orientierung von <0001>-Richtungen von Kristallen ist zum Begrenzen des Bestrahlungswachstums wirkungsvoll. Bestrahlungswachstum ist eine Verformung ohne jede Volumenänderung, und selbst wenn jedes der Kristallkörner des polykristallinen Aggregats in einer speziellen Richtung verformt wird, sind alle Verformungsrichtungen zufällig, was so betrachtet werden kann, als liege insgesamt keine Verformung vor.
Für eine quantitative Bewertung der Kristallorientierung wird normalerweise ein Verfahren verwendet, bei dem die Röntgenbeugungsintensität einer speziellen Kristallfläche unter Verwendung einer Kombination von Reflexions- und Transmissions-Röntgenbeugungsverfahren gemessen wird, und der F-Wert wird nach Gleichung (1) aus der gemessenen Röntgenbeugungsintensität berechnet: F = ∫/20 V(ϕ)·cos2 ϕ·dϕ (Gleichung 1)wobei Φ der Winkel zwischen einer speziellen Richtung (z. B. einer Richtung rechtwinklig zu einer Plattenfläche) und einer speziellen Kristallrichtung (z. B. <0002>-Kristallrtchtung) ist und V(Φ) der Volumenanteil der in der Richtung Φ ausgerichteten Kristalle ist. Wenn angenommen wird, dass die Richtungen r, t und 1 als die Normalenrichtung der Platten(Röhren)fläche (Fr), als Längsrichtung der Platte (Röhre) (Fl) bzw. als Breitenrichtung der Platte (Umfangsrichtung der Platte) (Ft) definiert sind, wobei diese Richtungen rechtwinklig zueinander sind, existiert die folgende Beziehung: Fr + Ft + F2 = 1,0.
Wenn die Kristallrichtung völlig zufällig gemacht ist, gilt die Beziehung: Fr = Ft = Fl = 1/3.
Es ist bevorzugt, dass Fr, Ft und Fl jeweils 0,20 bis 0,50 betragen. Vorzugsweise beträgt Fr 0,25 bis 0,50, Fl 0,20 bis 0,35 und Ft 0,25 bis 036. Am bevorzugtesten betragen Fr, Ft und Fl jeweils 0,31 bis 0,35.
Der Fr-Wert der (0002)-Kristallebene (entsprechend der (0001)-Ebene einer Platte und einer Röhre, die durch einen Prozess hergestellt werden, bei dem übliche Kaltbearbeitung und Temperung wiederholt werden, beträgt ungefähr 0,7, und die <0001>-Kristallrichtung ist hauptsächlich in der Richtung rechtwinklig zur Platten(Röhren)fläche ausgerichtet. Dieser Zustand, bei dem die <0001>-Kristallrichtung hauptsächlich in der Richtung rechtwinklig zur Oberfläche ausgerichtet ist, wird als Textur bezeichnet. Wie in 1 dargestellt, die die Beziehung zwischen der Neutronenexposition und der Dehnung durch Verlängerung offenbart, ist die Bestrahlungsdehnung beträchtlich verringert, wenn der Fl-Wert nicht kleiner als 0,23 oder vorzugsweise nicht kleiner als 0,25 ist. Wenn der Fl-Wert 0,30 bis 0,35 beträgt, ist die Dehnung selbst in einem Bereich hoher Bestrahlung bei einem Wert der Neutronenexposition ≥ 10²² (n/cm²) im Wesentlichen auf 0 (null) begrenzt.
Als Maßnahme zum Erzielen einer Textur, bei der der Fl-Wert 0,20 bis 0,35 ist, existiert ein Prozess mit den Schritten des Erwärmens einer Zirconiumlegierungselements auf den Temperaturbereich einer β-Phase (Temperatur über 980°C im Fall von Zircaloy), um dadurch ausreichende Kristallkörner von βZr zum Wachsen zu bringen, mit anschließendem Abschrecken des Elements durch Aufsprühen von Wasser, wobei es jedoch erforderlich ist, das gesamte Element auf eine gleichmäßige Temperatur zu erwärmen. Durch diese Behandlung werden hexagonale αZr-Kristalle in kubische βZr-Kristalle umgewandelt, die im Verlauf der Abkühlung erneut in hexagonale in αZr- Kristalle umgewandelt werden. Um durch diese Wärmebehandlung eine Textur zu erzielen, bei der der Fl-Wert 0,20 bis 0,35 beträgt, ist es zweckdienlich, βZr-Kristallkörner so zu züchten, dass ihre Korngröße nicht kleiner als 100 μm ist. Um eine Textur zu erzielen, bei der der Fl-Wert nicht kleiner als 0,20 ist, müssen βZr-Kristallkörner so gezüchtet werden, dass sie mindestens nicht kleiner als 50 μm aber nicht größer als 500 μm hinsichtlich der Korngröße sind, vorzugsweise nicht kleiner als 150 μm und nicht größer als 300 μm. Die Zeitspanne zum Erwärmen im Temperaturbereich der β-Phase kann dann kürzer sein, wenn die Heiztemperatur im Temperaturbereich der β-Phase höher ist (vorzugsweise 1000 bis 1350°C, bevorzugter 1000 bis 1200°C). Die Verweilperiode bei der maximalen Temperatur kann sehr kurz sein. Zum Bei spiel beträgt sie 1,5 bis 100 s, vorzugsweise 5 bis 60 s Insbesondere ist es bevorzugt, die Erwärmung im Bereich auszuführen, der in 5 mit der Markierung "^·" versehen ist.
Ein gleichmäßiges Erwärmen des gesamten Elements kann durch die folgende Maßnahme ausgeführt werden: die Breite des Heizkörpers wird auf nicht kleiner als 3 cm, vorzugsweise nicht kleiner als 4,5 cm, bevorzugter auf 4,5 bis 10 cm (zwei Windungen einer Hochfrequenz-Induktionsheizspule) eingestellt; das Erwärmen wird ausgeführt, während der Zwischenraum zwischen dem erwärmten Element und dem Heizkörper unter Verwendung von Walzen konstant gehalten wird und eine Abschreckbehandlung wird mehrmals ausgeführt; und es wird eine Messung des erwärmten Teils ausgeführt usw. Der Zwischenraum beträgt 1 bis 5 mm, wobei insbesondere ein Zwischenraum von 2 bis 3 mm bevorzugt ist.
Wenn die Heiztemperatur unpassend ist oder die zugehörige Verweilzeit unpassend ist, ist es selbst dann, wenn die Erwärmung im Temperaturbereich der β-Phase ausgeführt wird, unmöglich, im gesamten Element die gewünschte Textur zu erzielen. Um eine Textur zu erhalten, bei der die Kristallrichtung zufällig ist, ist es erforderlich, ausreichende βZr-Kristallkörner mit verschiedenen Kristallkornrichtungen zu züchten. Für dieses ausreichende Wachstum ist eine Temperatur oder eine Verweilzeit erforderlich, die ausreichend hoch oder lang (nicht kleiner als 0,8 hinsichtlich des p-Werts) sind, um βZr-Kristallkörner zu züchten, bis die Korngröße mindestens 50 μm beträgt.
Wie oben beschrieben, variiert der Fr-Wert abhängig von der Wärmebehandlung, und die Temperatur und die Verweilzeit sind wichtige Faktoren. Demgemäß ist es, um den Fr-Wert durch Erwärmen im Temperaturbereich der β-Phase so zu verringern, dass er nicht mehr als 0,50 beträgt, bevorzugt, den durch die obige Gleichung erhaltenen Parameter P auf nicht weniger als 1,5 einzustellen (Größe von βZr-Kristallkörnern nicht unter 60 μm). Insbesondere beträgt der Parameter P vorzugsweise 2,5 bis 5 (Größe von βZr-Kristallkörnern von 70 bis 500 μm). Bevorzugter beträgt er 3,2 bis 5 (Größe von βZr- Kristallkörnern von 100 bis 500 μm).
Eine geeignete Zirconiumlegierung, die als Verkleidungsröhre, Kanal und als Abstandshalterelement verwendet wird, enthält nicht mehr als 5 Gew.-% Sn und/oder nicht mehr als 5 Gew.-% Nb und nicht weniger als 90 Gew.-%, (vorzugsweise 95 bis 98,5 Gew.-%) Zr. Sn und Nb sind erforderlich, um die Festigkeit von Zr zu erhöhen. Es werden nicht mehr als 5% Sn und nicht mehr als 5% Nb benötigt. Vorzugsweise beträgt die Untergrenze von sowohl Sn als auch Nb 0,1%. In Zircaloy sind 1 bis 2% Sn bevorzugt, bevorzugter 1,2 bis 1,7% Sn. Diese Legierung kann nicht mehr als 0,5% Fe und nicht mehr als 0,5% Cr enthalten, oder sie kann diese Menge an Cr und nicht mehr als 0,2% Ni oder diese Mengen an Fe und Ni enthalten. Insbesondere ist es bevorzugt, dass Zircaloy 0,05 bis 0,20% Fe oder 0,1 bis 0,38 Fe, 0,05 bis 0,15% Cr oder 0,03 bis 0,10% Ni oder 0,25% Ni, die zugesetzt sind, oder 0,22 bis 0,38% Fe, 0,05 bis 0,15% Cr und 0,09 bis 0,15% Ni enthält. Im letzteren Fall können Fe oder Ni alleine verwendet werden, jedoch ist es bevorzugt, dass sowohl Fe als auch Ni enthalten sind. Das bevorzugte Mischungsverhältnis (Fe/Ni) beträgt 1,3 bis 10.
Als Beispiele für Nb-haltige Legierungen sind Legierungen Zr – 0,5 bis 2% Nb, Zr – 2 bis 5% Sn – 0,5 bis 1,5% Nb – 0,5 bis 1,5% Mo, Zr – 0,5 bis 0,15% Sn – 0,5 bis 1,5% Nb – 0,1 bis 1,0% Fe, Zr – 0,5 bis 5,0% Nb – 0 bis 3,0% Sn – nicht mehr als 2% mindestens eines Materials, das aus der aus Fe, Ni, Cr, Ta, Pd, Mo und W bestehenden Gruppe ausgewählt ist, bevorzugt.
Bei einem Herstellprozess wird ein Röhrenelement fortgesetzt für eine gewünschte Verweilzeit mit einer Induktionsspule erwärmt, während das Element so bewegt wird, dass es im Temperaturbereich der β-Phase erwärmt wird, wobei das Element nach der Erwärmung zwangsweise abgekühlt wird. Durch dieses Erwärmen auf die β-Phase kann eine Struktur erzielt werden, in der <0001>-Richtungen wahlweise ausgerichtet sind, und es wird hohe Korrosionsbeständigkeit gegen reines Wasser auf hoher Temperatur und hohem Druck erzielt. Vorzugsweise erfolgt das Abkühlen durch Aufsprühen von Wasser (vorzugsweise durch Aufsprühen warmen Wassers), wobei die Abkühlgeschwindigkeit 50 bis 300°C, vorzugsweise 100 bis 250°C/s beträgt. Es kann eine andere Heizeinrichtung wie Infrarotstrahlung oder ein Elektroofen verwendet werden. Insbesondere ist es bevorzugt, eine Verformung durch Abkühlen dadurch zu vermeiden, dass die Abkühlgeschwindigkeit beim Abkühlvorgang unter Verwendung von warmem Wasser über der Raumtemperatur als Kühlmittel für den Abkühlvorgang verwendet wird. Die Temperatur beträgt vorzugsweise 40 bis 80°C.
Wenn eine Erwärmung im Temperaturbereich der β-Phase erfolgt, ist es bevorzugt, das erwärmte Element dadurch einzugrenzen, dass es an einem Element mit einem Wärmeexpansionskoeffizienten über dem der Zr-Legierung befestigt wird. Insbesondere ist es im Fall eines Röhrenelements bevorzugt, das Erwärmen und Abkühlen auszuführen, während in das Innere der Röhre ein metallisches Element eingeführt ist, das örtliche mit der Innenseite des Elements in Kontakt steht, um erwärmt zu werden, um den Wärmeeinfluss auf dieses dadurch zu verringern, dass verhindert wird, dass die gesamten Oberflächen dieser Elemente miteinander in Kontakt stehen, während die entgegengesetzten Enden dieser Elemente aneinander befestigt sind, um zu verhindern, dass sich das Röhrenelement während des Erwärmens und Abkühlens verformt. Wenn das Beibehaltungselement vorhanden ist, können das Erwärmen und das Abkühlen leicht ausgeführt werden. Als Eingrenzungselement ist ein austenitischer rostfreier Stahl wie SUS304, 316, 347 usw. mit größerem Wärmeexpansionskoeffizienten als dem einer Zr-Legierung bevorzugt.
Anschließend an die Wärmebehandlung in der β-Phase wird ein Tempern zum gleichmäßigen Erwärmen des gesamten Elements ausgeführt. Das Tempern erfolgt bei 500 bis 650°C, (vorzugsweise 550 bis 640°C). Auch für dieses Tempern ist es bevorzugt, das Eingrenzungselement zu verwenden, um das erwärmte Element einzugrenzen, wodurch das Röhrenelement geeignet geformt werden kann. Diese Wärmebehandlungen erfolgen in nicht oxidierender Atmosphäre, wobei insbesondere eine Behandlung in Ar bevorzugt ist.
Nach der abschließenden Wärmebehandlung wird eine Oxidationsschicht auf der Oberfläche durch Sandstrahlen und Beizen entfernt. Nach dem Entfernen der Oxidationsschicht wird die Oberfläche durch einen Autoklav oxidiert, um darauf eine stabile Oxidbeschichtung herzustellen, wodurch das Erzeugnis fertiggestellt ist. Endabschnitte von Schraublöchern usw. für Befestigungszwecke an den beiden Enden werden für den Gebrauch des Erzeugnisses ausgeschnitten.
Ein Kanal wird dadurch hergestellt, dass zwei U-förmige Elemente stumpf aneinandergesetzt werden, ein Plasmaverschweißen der stumpf aneinander gesetzten Abschnitte zum Herstellen einer eckigen Röhre ausgeführt und der geschweißte Abschnitt eingeebnet wird, woraufhin er verwendet wird. Für die Wärmebehandlung dieser eckigen Röhre ist es bevorzugt, ein X-förmiges Eingrenzungselement in sie einzuführen.
Es wurde eine Atomkraftanlage mit einer Dampfturbine erstellt, die durch die Wärmeausgangsleistung getrieben wird, die durch atomaren Brennstoff erhalten wird, der in einem Reaktordruckgefäß enthalten ist, wobei durch die Drehung der Turbine ein Generator angetrieben wird, um elektrische Ausgangsleistung zu erzeugen, wobei die thermische Ausgangsleistung des Reaktors nicht kleiner als 3200 MW ist, der Druck im Reaktor nicht kleiner als 7,0 MPa ist, die Temperatur des Reaktor nicht niedriger als 288°C ist und die elektrische Ausgangsleistung nicht kleiner als 1100 MW ist, oder alternativ die thermische Ausgangsleistung des Atomreaktors nicht kleiner als 4300 MW ist, der Druck im Reaktor nicht kleiner als 7,2 MPa ist, die Temperatur des Reaktors nicht kleiner als 288°C ist und die elektrische Ausgangsleistung nicht kleiner als 1500 MW ist, wobei bei diesem Kraftwerk das Brennstoffbündel angewandt ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Kurvenbild, das den Einfluss einer Exposition durch schnelle Neutronen und des Fl-Werts auf die Dehnung durch Bestrahlungswachstum zeigt;
2 ist ein Kurvenbild zur Beziehung zwischen der Dehnung durch Bestrahlungswachstum und dem Fl-Wert;
3 ist ein Kurvenbild zur Beziehung zwischen dem Fl-Wert und der βZr-Kristallkorngröße;
4 ist ein Kurvenbild zur Beziehung zwischen der Dehnung durch Bestrahlungswachstum und der Zr-Kristallkorngröße;
5 ist ein Kurvenbild zur Beziehung zwischen der Dehnung durch Bestrahlungswachstum, der Abschrecktemperatur und der Verweilzeit;
6 ist ein Kurvenbild zur Beziehung zwischen dem ΔFl- Wert und dem Maß der Verbiegung;
7 ist ein Kurvenbild zur Beziehung zwischen dem Fl-Wert und dem ΔFl-Wert;
8 ist eine perspektivische Konstruktionsansicht, die Herstellschritte für einen Kanal zeigt;
9 ist eine perspektivische Konstruktionsansicht, die eine Vorrichtung zum Abschrecken des Kanals zeigt;
10 ist eine geschnittene Teilansicht des Brennstabbündels;
11A bis 11C sind eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht des Kanals;
12 ist eine perspektivische Ansicht des Kanals; und
13 ist eine Gesamtansicht eines Atomreaktors.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ausführungsbeispiel 1 (nicht erfindungsgemäß)
Es wurden drei Zircaloy-Arten verwendet, die als Zirconiumlegierungs-Plattenelement mit Legierungszusammensetzungen, wie sie in Tabelle 1 dargestellt sind, eingesetzt wurden. Sie wurden unter den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen wärmebehandelt.
Tabelle 1
Tabelle 2
Jede dieser Legierungen wurden als Platte hergestellt, die durch Wiederholen von Kaltwalzen und Tempern, das bei 650°C für zwei Stunden ausgeführt wurde, mit einer Dicke von 2,5 mm vor dem Gebrauch ausgebildet. Die in Tabelle 2 angegebenen Wärmebehandlungen 2 bis 4 wurden durch die Schritte des Erwärmens des Plattenelements mit einer Breite von 280 mm und einer Länge von 4 m mittels einer Hochfrequenz-Induktionsspule sowie des Abkühlens desselben mit Wasser in Umfangsrichtung in gleichmäßiger Weise unter Verwendung spulenförmiger Abkühldüsen, die darunter in derselben Weise wie die Hochfrequenz-Induktionsspule aufgewickelt waren, ausgeführt. Der Parameter P wurde durch die oben genannte Gleichung berechnet. Um über die gesamte Plattenbreite gleichmäßig zu erwärmen, wurden der obere und der untere Teil der Spule durch Walzen fixiert, um die Platte an einer Bewegung nach rechts und links sowie nach hinten zu vorne zu hindern, damit sich der Zwischenraum zwischen der Platte und der Spule nicht änderte. Die Spule verfügt über drei Windungen, wobei eine Windung eine Heizbreite von nicht weniger als 1 cm aufweist, so dass die Breite der Heizzone nicht größer als 4 cm, vorzugsweise 1,5 bis 2 cm, wird, was es ermöglicht, dass die Platte eine gleichmäßige Erwärmungstemperatur zeigt. Zum Kühlen wurde warmes Wasser mit einer Temperatur nicht unter 440°C verwendet, was das Auftreten einer Verformung während des Abkühlens verhinderte und zu gleichmäßiger Erwärmung führte. Durch visuelle Untersuchung zeigte sich keine Verformung des Plattenelements bei diesem Ausführungsbeispiel.
Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse von Messungen von F-Werten für die (0002)-Ebene (parallel zur (0001)-Ebene) und die (1010)-Ebene (senkrecht zur (0001)-Ebene) für die wärmebehandelten Elemente 1 bis 6. Die Messung der F-Werte wurde durch die oben genannte Kombination von Reflexions/Transmissions-Röntgenbeugungsverfahren ausgeführt. Im Fall eines Röhrenelements ist Fr die Orientierung in einer Richtung rechtwinklig zur Oberfläche desselben, Fl ist die Orientierung in der Längsrichtung desselben und Ft ist die Orientierung in der Umfangsrichtung desselben.
Tabelle 3
Im Fall der Platte (Wärmebehandlung Nr. 1), die durch Wiederholen sowohl des üblichen Kaltwalzens als auch des Tempern hergestellt wurde, ist der Fr-Wert für die (0002)-Ebene groß, mit ungefähr 0,7, während der Fr-Wert für die (1010)- Fläche im Vergleich mit Fl und Ft klein ist (ungefähr 0,15). Aus diesen Werten, wie sie in Tabelle 3 dargestellt sind, ist erkennbar, dass die (0002)-Ebene im Wesentlichen parallel zur Plattenoberfläche ausgerichtet ist. Die F-Werte des auf den Temperaturbereich der (α + β)-Phase und abgekühlten Elements (Wärmebehandlung Nr. 2) entsprechen im Wesentlichen denjenigen des zugeführ ten Elements (Wärmebehandlung Nr. 1). So ist es ersichtlich, dass sich die Textur durch Erwärmen auf den Temperaturbereich der (α + β)-Phase und Abkühlen nicht ändert. In den Fällen des Erwärmens bis in den Temperaturbereich der β-Phase (1000°C) für 1 nun und 5 s, gefolgt durch Abkühlen (Wärmebehandlungen Nr. 3 und 6) werden eine Verringerung des Fr-Werts und Zunahme beim Fl- und Ft-Wert für die (0002)-Ebene sowie eine Erhöhung beim Fr-Wert und Verkleinerungen beim Fl- und Ft-Wert für die (1010)-Ebene im Vergleich zum zugeführten Element beobachtet und die Kristallorintierung ist zufällig. Jedoch ist die Bedingung Fr-Wert ≤ 0,35 nicht erfüllt, was ein Zielwert ist, der die Verwendung in einem Bereich derartig hoher Strahlung ermöglicht, bei der das Ausmaß der Neutronenexposition ≥ 10²² (n/cm²) ist. In den Fällen einer Verweilzeit bei 1000°C für 10 min (Wärmebehandlung Nr. 4) und einer Erhöhung der Erwärmungstemperatur auf 1200°C (Wärmebehandlung Nr. 5), betragen die F-Werte für die (0002)-Ebene und die (1010)-Ebene jeweils ungefähr 0,33, und es ist ersichtlich, dass die Kristallorientierung im Wesentlichen vollständig zufällig ist. Wie oben beschrieben, wird in den durch die Wärmebehandlungen 4 und 5 bearbeiteten Elementen weder eine Biegeverformung noch eine Dehnungsverformung hervorgerufen, und zwar selbst dann, wenn eine Ungleichmäßigkeit der Neutronenexposition innerhalb des Elements existiert.
1 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der Exposition durch schnelle Neutronen und dem Ausmaß von Bestrahlungswachstum zeigt. Wie in 1 dargestellt, nimmt die Dehnung abrupt zu, wenn das Ausmaß der Neutronenexposition zunimmt, wenn der Fl-Wert nicht größer als 0,3 ist, jedoch geht die Dehnung in einem anderen Fall, in dem der Fl-Wert 0,3 überschreitet, in Sättigung und nimmt nicht zu. Insbesondere im Fall F2 = 0,33 ist die <0001>-Kristallrichtung im Wesentlichen zufällig, so dass Dehnungen in der Normalenrichtung, der Längsrichtung und der Richtung der Plattendicke zwischen Kristallen gegeneinander versetzt sind. Das heißt, dass die Dehnung im Wesentlichen vernachlässigbar ist, d. h., dass sie im Fall von 4 m Länge und einem Abbrandausmaß von 60 GWd/t nicht mehr als 1 mm beträgt. Im Fall von Fl = 0,3 ist das Ausmaß von Bestrahlungswachstum klein, mit nicht mehr als 2 mm bis zu einer Neutronenexposition von 10²² n/cm², jedoch nimmt das Ausmaß des Bestrahlungswachstums in einem anderen Fall eines Fl-Werts von über 0,3 allmählich zu, wenn das Ausmaß der Neutronenexposition zunimmt.
2 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Fl-Wert und dem Ausmaß des Bestrahlungswachstums zeigt, wie es durch Bestrahlung hervorgerufen wird, das einem Abbrandausmaß von 36,45 und 60 GWd/t entspricht. Bei Abnahme des Fl-Wert nimmt das Dehnungsmaß abrupt zu. Insbesondere ist das Ausmaß des Bestrahlungswachstums 0, wenn Fl = 0,33 gilt, was ein beachtlich kleiner Wert ist, d. h. nicht größer als ungefähr 1/7 im Vergleich mit dem bei Fl = 0,3. Auch ist dieser Wert beachtlich klein, wenn Fl = 0,3 gilt, d. h. ungefähr 1/3 oder weniger im Vergleich mit dem bei Fl = 0,23. Jedoch ist er im Fall von Fl = 0,23 ungefähr die Hälfte desjenigen bei Fl = 0,16. Im Fall von Fl = 0,16 ist er ungefähr die Hälfte desjenigen bei Fl = 0,09.
Rundliche Kristallkörner, wie sie in der metallischen Struktur jedes der wärmebehandelten Elemente Nr. 1, 3 und 4 beobachtet werden, sind αZr-Körner. Es wurden keine βZr-Kristallkörner beobachtet. Auch sind die beobachteten vieleckigen Kristallkörner βZr-Kristallkörner, wie sie während der Erwärmung in den Temperaturbereich der β-Phase, mit Beibehaltung dieses Bereichs, erzeugt wurden. Es ist ersichtlich, dass dann, wenn die Verweilzeit bei 1000°C von 1 auf 10 min zunimmt, die Korngröße der βZr-Kristallkörner stark zunimmt. Eine in den βZr-Kristallkörnern aufgefundene Schicht- oder Nadelstruktur entsteht, wenn βZr während des Abkühlprozesses erneut in αZr umgewandelt wird, und es handelt sich um keine βZr-Korngrenze.
3 zeigt die Beziehung zwischen der βZr-Korngröße und dem Fl-Wert für die (0002)-Ebene. Es ist erkennbar, dass durch das Wachstum von βZr-Kristallkörnern nicht unter 200 μm eine Textur mit einem Fl-Wert von nicht über 0,33 ausgebildet ist.
Es ist möglich, die Kristallrichtung der (0002)-Ebene durch Züchten von Kristallkörnern zufällig zu machen, jedoch beträgt das Maß der Zufälligkeit dieser Orientierung ungefähr 75%, wenn der Fl-Wert 0,30 beträgt, in welchem Fall die Korngröße ungefähr 100 μm beträgt. Wenn die Korngröße 150 μm überschreitet, ist das Maß der Zufälligkeit nicht kleiner als ungefähr 80%, und der Fl-Wert wird 0,310. Ferner ist, wenn der Fl-Wert 0,33 beträgt, das Maß der Zufälligkeit nicht kleiner als ungefähr 90%, wobei die Korngröße in diesem Fall nicht kleiner als ungefähr 250 μm ist.
4 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen der βZr-Korngröße und dem Ausmaß des Bestrahlungswachstums bei Bestrahlung mit schnellen Neutronen entsprechend einem Abbrandausmaß von 60 GWd/t zeigt. Aus der 4 ergibt sich, dass dann, wenn die Korngröße nicht kleiner als 90 μm beträgt, das Maß des Wachstums null ist, was beachtlich klein ist. Wenn sie 10 μm beträgt, ist das Maß des Wachstums nicht größer als 2 mm. Insbesondere dann, wenn sie nicht mehr als 35 μm beträgt, wird das Maß des Wachstums abrupt größer. Eine hervorragende Charakteristik wird dann erzielt, wenn das Maß des Wachstums nicht mehr als 1 mm beträgt, während die Korngröße nicht kleiner als 60 μm ist.
Aus der Beziehung zwischen dem Parameter P = (3,55 + logt) × log(T–980) und der Dehnung durch Bestrahlungswachstum, insbesondere im Fall einer Wärmebehandlung bei 1000°C, fällt die Dehnung durch Bestrahlungswachstum abrupt, wenn P 0,5 überschreitet, mit einer weiteren Verringerung, wenn sich P von 0,5 auf 3,5 ändert, und mit ungefähr konstantem Wert nahe null, wenn P nicht kleiner als 3,5 ist. Wenn P kleiner als 3,5 ist, tritt Bestrahlungswachstum auf. Wenn P 3,5 oder größer ist, tritt im Wesentlichen kein Bestrahlungswachstum auf. Der Effekt des Begrenzens der Dehnung durch Bestrahlungswachstum ist dann ausreichend hoch, wenn P nicht kleiner als 1,5 ist. Vorzugsweise wird P auf 3,2 bis 5 eingestellt.
5 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Fl-Wert der in Tabelle 1 und 4 angegebenen Legierungen und jeweils der Temperatur und der Verweilzeit zeigt. Wie in 5 dargestellt , beträgt, wenn die Temperatur nicht weniger als 980 °C ist, der Fl-Wert nicht mehr als 0,20, und es ist schwierig, die <0002>-Kristallrichtung zufällig zu machen. Wenn jedoch für 11 s auf 980°C (10,5 s auf 1000°C) oder mehr oder auf 1240°C oder mehr für 1,1 s oder länger erwärmt wird, d. h., wenn Erwärmung unter Bedingungen erfolgt, die auf einer Linie oder über dieser liegen, die diejenigen Punkte verbindet, die diese Temperaturen und Zeiten verbindet, kann das wärmebehandelte Element einen Fl- Wert über 0,25 und ein höheres Maß an Zufälligkeit aufweisen. Ferner kann das wärmebehandelte Element einen Fl- Wert von über 0,2, jedoch nicht über 0,25 aufweisen, wenn für 6 s oder länger auf 980°C oder höher erwärmt wird, oder für 6 s oder länger aus 1240°C. Im Fall einer Erwärmung bei Bedingungen, die unter dieser Linie liegen, beträgt der Fl- Wert nicht mehr als 0,20, das Maß der Zufälligkeit ist gering und der Effekt des Begrenzens der Dehnung ist klein.
Tabelle 4
Wie oben beschrieben, tritt, wenn die Kristallrichtung völlig zufällig gemacht ist, keine Dehnung durch Bestrahlungswachstum bei Bestrahlung mit Neutronen auf. Jedoch ist ein tatsächlicher Kanal ein viereckiger, röhrenförmiger Körper mit einer Seitenlänge von 140 mm, und es ist besonders schwierig, ihn so herzustellen, dass die F-Werte an den voneinander abgewandten Seiten völlig gleich sind. Die oben genannte Dehnung durch Bestrahlungswachstum wird durch eine Differenz von F-Werten verursacht, wobei jedoch das Problem hinsichtlich Wasserkästen eine Verbiegung ist. Die Verbiegung wird insbesondere durch die Differenz der F-Werte für die voneinander abgewandten Flächen verursacht. Das Biegeausmaß wurde dadurch gemessen, dass zwischen den voneinander abgewandten Flächen eine sehr kleine Differenz zwischen den F-Werten dadurch erzeugt wurde, dass die oben genannten Wärmebehandlungsbedingungen geändert wurden.
6 ist ein Kurvenbild, das den F-Wert (Fl) für die Längsrichtung über eine Länge von 4 m und das Biegeausmaß zeigt, wie es durch die Differenz ΔFl zwischen den Fl- Werten der voneinander abgewandten Flächen hervorgerufen wird. Das Biegeausmaß ist ein Wert, wie er bei 35 GWd/t Abbrandausmaß auftritt, und ein Grenzwert von 2,16 mm für die Verbiegung ist als Toleranzwert am Zwischenraum dargestellt, der zwischen einem Kanal und einem Kontrollstab ausgebildet ist. Aus dem Kurvenbild ist es ersichtlich, dass der ΔF2-Wert zwischen den voneinander abgewandten Flächen, entsprechend einer Verbiegung von 2,16 mm, wobei dieser ΔF2-Wert hinsichtlich jedes der Fl-Werte erhalten wird, zunimmt, wenn das Maß der Zufälligkeit der Kristallrichtung zunimmt. Insbesondere ist es für ΔFl bevorzugt, F2 durch Schritte einer gleichmäßigen Unterteilung der Fläche des Kanals in mehrere einander gegenüberstehende Abschnitte, vorzugsweise vier oder mehr Abschnitte, zu erhalten, und für jeden der einander zugewandten Abschnitte einen Mittelwert für F2 zu erhalten, um so die Differenz für die mittleren Fl-Werte zu messen.
7 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Fl-Wert und der Differenz der Fl-Werte (ΔF2) zwischen voneinander abgewandten Flächen in der Umfangsrichtung in Bezug auf den Schwellenwert der Verbiegung bei einem Abbrandausmaß von 35 GWd/t zeigt. Die Toleranz ΔFl ist proportional zum Fl-Wert, und das Kurvenbild ist als Gleichung Y = 0,0935 × –0,00585 dargestellt, wobei die Ordinate für ΔFe y ist und die Abszisse für Fl × ist. Durch Ausführen einer gleichmäßigen Wärmebehandlung in solcher Weise, dass die Faktoren gemäß der Gleichung gelten, kann eine Verformung innerhalb des Schwellenwerts erzielt werden. Um ein Erwärmen bei insgesamt gleichmäßiger Temperatur hinsichtlich sowohl der Plattendicke, der Breite und der Länge, wie sie für einen Kanal bei der Erfindung erforderlich sind, auszuführen, ist es erforderlich, die Windungszahl der Induktionsheizspule, die Breite der Heizzone und die Abkühlrate zu optimieren und den Zwischenraum zwischen einer Platte und einer Spule zu vergleichmäßigen, wie oben beschrieben.
8 ist ein Diagramm, das einen Herstellprozess von einem Plattenelement bis zu einem Enderzeugnis zeigt. Das Plattenelement verwendet bei diesem Prozess das obige Element, es wird durch eine Hochfrequenz-Induktionsspule erwärmt und es wird unter Verwendung einer wassergekühlten Düse, die unter ihm vorhanden ist, abgekühlt. Die Spule und die wassergekühlte Düse stehen fest, während das Plattenelement kontinuierlich nach oben bewegt wird. Die Messung der Heiztemperatur wurde in einem Raum unmittelbar vor der wassergekühlten Düse und unmittelbar nach dem Erwärmen der Platte durch unmittelbare Verwendung eines optischen Pyrometers gemessen. Die Verweilzeit beim Erwärmen wurde dadurch gesteuert, dass die Verstellgeschwindigkeit des Plattenelements eingestellt wurde. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Ende und der Mitte der Platte betrug beim vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht mehr als 10 °C, und es wurden mehrere Kombinationen aus einer Erwärmungstemperatur von 1050 bis 1150 °C und eine Verweilzeit von 3 bis 20 s verwendet. Als Kühlwasser wurde warmes Wasser mit einer Temperatur von 40 bis 80°C verwendet, und hinsichtlich einmaligem Abkühlen wurde warmes Wasser mit beinahe konstanter Temperatur verwendet. Nach dem Abschrecken wurden ein Kaltwalzvorgang und ein anschließendes Tempern bei 600°C für zwei Stunden ausgeführt. Dann wurde ein Plattenelement durch Kaltbiegen so bearbeitet, dass es eine Kanalform aufwies, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, und es wurde danach bei 600°C für zwei Stunden getempert. Durch die Schritte eines Plasmaverschweißens zum Erhalten eines viereckigen Rohrs, durch Abflachen mittels Einebnen der Schweißnähte und durch Bearbeiten, durch Tempern durch Erwärmen auf 600°C × 2 Stunden unter Einführung eines kreuzförmigen Dorns aus SUS304 in den röhrenförmigen Körper, ein Geraderichten der Form, durch Sandstrahlen oxidierten Zunders, der sich durch die oben genannte Wärmebehandlung gebildet hatte, durch Entfernen der Innen- und Außenfläche durch Beizen, durch Oberflächenbearbeitung wie Entfetten usw. sowie mittels einer Autoklavbehandlung durch Dampf, was zum Enderzeugnis führte, wurde ein eckiger, röhrenförmiger Körper hergestellt. Nach dem Abschrekken erfolgte unter Verwendung von Ultraschallwellen eine Untersuchung der Zufälligkeit hinsichtlich der Kristallorientierung. Die Kristallkorngröße betrug beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ungefähr 300 μm, der F-Wert entsprach demjenigen der Nr. 5 in Tabelle 3 und ΔF2 betrug zwischen den voneinander abgewandten Flächen nicht mehr als 0,010.
Ferner tritt in einem Kanal Kriechverformung durch den Wasserdruck auf, was zu Aufwölbungsverformung führt. Die Aufwölbungsverformung tritt dann auf, wenn das Abbrandausmaß weiter zunimmt, und die Werte der Verbiegung und der Rufwölbung müssen insbesondere bei 60 GWd/t berücksichtigt werden.
Tabelle 5 zeigt die Abhängigkeit des Biegeausmaßes (mm) eines Kanals auf Fl und ΔFl bei 60 GWd/t. Unter Berücksichtigung der Rufwölbung beträgt das Biegeausmaß vorzugsweise nicht mehr als 1,17 mm, wobei Fl vorzugsweise 0,30 bis 0,35 ist und ΔFl nicht mehr als 0,06 beträgt.
Tabelle 5
Ausführungsbeispiel 2
9 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zum Abschrecken eines Kanals in einem erfindungsgemäßen Verfahren. Zwei zugeführte Plattenelemente (d. h. solche, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wurden) aus Zircaloy C, wie im Hinblick auf das Ausführungsbeispiel 1 beschrieben, wurden durch Kaltbiegen zu zwei kanalförmigen Elementen so bearbeitet, dass sie eine Länge von 4 m und eine Dicke von 2,5 mm aufwiesen. Diese kanalförmigen Elemente wurden zu einem Kanal 1 mit einer viereckigen, eckigen Röhre mit einer Außenseitenabmessung von 140 mm plasma-verschweißt. Unregelmäßigkeiten in den Schweißabschnitten wurden so endbearbeitet, dass sie eben waren. Dieser Kanalkasten 1 wurde danach durch eine Hochfrequenz-Spannungsquelle 4 in den Temperaturbereich der β-Phase erwärmt und durch warmes Wasser abgeschreckt, das durch Wassersprühdüsen 6 zur Abkühlung, die unmittelbar unter einer Hochfrequenz-Induktionsheizspule 4 lagen, ausgesprüht wurde. Damit sich der Kanal 1 in keiner Richtung bewegte, waren im oberen Teil der Hochfrequenzheizspule 4 und im unteren Teil der Wassersprühdüsen 6 zu Kühlzwecken Walzen vorhanden, und der Kanal 1 wurde kontinuierlich verschoben, wie durch einen Pfeil dargestellt , während der Zwischenraum zwischen der Hochfrequenz-Induktionsheizspule 4 und dem Kanal 1 während der Erwärmung und Abkühlung konstant gehalten wurde. Der Kanal 1 wurde mit konstanter Geschwindigkeit von oben nach unten durch die Spule geführt, um dadurch die gesamte Wärmebehandlung abzuschließen, wobei die Vorschubgeschwindigkeit des Kanals und die Ausgangsleistung der Hochfrequenz-Spannungsquelle 5 so gesteuert wurden, dass die Heiztemperatur 100°C bei einer Verweilzeit von 10 s betrug. Nach der Wärmebehandlung wurden Teststücke mit einer Breite von 40 mm und einer Länge von 40 mm ausgeschnitten und die F-Werte derselben wurden durch ein Röntgenbeugungsverfahren gemessen. Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse dieser Messung. Der Parameter P hat im Fall des Erwärmens auf 1100°C den Wert 2,07. Die Differenz zwischen den Fl-Werten für die voneinander abgewandten Flächen war sehr klein, d. h. nicht mehr als 0,015 über die gesamte Länge. Die Wärmebehandlung erfolgte einmal. Jedoch kann der ΔF2-Wert dadurch auf nicht mehr als 0,010 weiter verringert werden, dass die Wärmebehandlung zweimal unter im Wesentlichen denselben Bedingungen wiederholt wird, während die Relativposition zwischen der Spule und dem Kanal geändert wird und während eine Bewegung in der Richtung umgekehrt zu der bei der ersten Wärmebehandlungs ausgeführt wird, wobei die gesamte Zeitperiode gleich eingestellt ist. Der ΔFl-Wert kann dadurch weiter verringert werden, dass die Wärmebehandlung viermal ausgeführt wird, während die Relativposition geändert wird.
Tabelle 6
Wie aus Tabelle 6 erkennbar, war jeder der F-Werte auf 1/3 verringert, und die Kristallrichtung war völlig zufällig.
Als Ergebnis eines zugehörigen Tests bei einer Bestrahlung mit schnellen Neutronen betrug die durch eine Bestrahlung von 3 × 10²² n/cm² verursachte Dehnung nicht mehr als ungefähr 0,3 × 10^–4, was sehr klein ist. Die Kristallkorngrößen dieser Proben betrugen 250 μm.
Nach dieser Wärmebehandlung wurden Sandstrahlen und Beizen ausgeführt, um die an der Oberfläche ausgebildete Oxidschicht zu entfernen und danach wurde eine Autoklavbehandlung unter Verwendung von Wasserdampf ausgeführt.
10 ist eine geschnittene Teilansicht eines SWR-Brennstabbündels unter Verwendung einer eckigen Röhre, die auf die oben genannte Weise hergestellt wurde.
Das SWR-Brennstabbündel umfasst, wie veranschaulicht, mehrere Brennstäbe 11, Abstandshalter 12 zum Halten der Brennstäbe mit vorbestimmtem Intervall, einen röhrenförmigen Kanal 1 mit eckiger Form zum Aufnehmen dieser Stäbe und Abstandshalter, eine obere und eine untere Ankerplatte 14 und 15 zum Halten der beiden Enden der Brennstäbe 11, die in einer Brennstab-Mantelröhre Brennstoffpellets enthalten, und einen Griff 13 zum Halten des gesamten Brennstabbündels.
Dieses Brennstabbündel wird durch einen komplizierten Herstellprozess hergestellt, und jede Struktur wird durch Verschweißen angebaut.
Der die Brennstäbe enthaltende Kanal 1 nimmt die mittels der Brennstab-Abstandshalter zusammengebauten Brennstäbe 11 auf, und er wird verwendet, während die Brennstäbe an der oberen und unteren Ankerplatte 14 und 15 befestigt werden. Der Kanal hat die Form einer eckigen Röhre, die durch Plasmaverschweißen zweier kanalförmiger Platten, wie oben beschrieben, hergestellt wurde. Dieser Kanal dient zum zwangsweisen Führen von Wasser hoher Temperatur und von Wasserdampf, wie er an den Brennstäben erzeugt wurde, an die obere Position während des Anlagenbetriebs, und er wird für eine lange Zeitspanne verwendet, während er dauernd Belastungen aufnimmt, da die eckige Röhre die Tendenz zeigt, sich nach außen auszudehnen. Der Kanal für das Brennstabbündel wird Kernwasser unter hoher Temperatur und hohem Druck ausgesetzt und er unterliegt einer Neutronenbestrahlung während seines Gebrauchs. Auch nimmt er einen Innendruck auf, da der Druck in der eckigen Röhre höher als der Außendruck ist. So muss der Kanal sowohl Korrosionsbeständigkeit in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hohem Druck als auch Kriechverformungsbeständigkeit bei Neutronenbestrahlung aufweisen.
Zirconiumlegierungen verfügen im Allgemeinen über hohe Korrosionsbeständigkeit und einen kleinen Neutronenabsorptions-Querschnitt. Wegen dieser Eigenschaften sind sie als Materialien für ein Brennstabbündel für einen Atomreaktor geeignet, und sie werden für eine Brennstab-Mantelröhre, einen Kanal 1 und einen Abstandshalter 12 verwendet, die alle das Brennstabbündel ausbauen. Als spezielle, bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Zirconiumlegierung wurde für die Brennstab-Mantelröhre und die Abstandshalter Zircaloy 2 (1,2 bis 1,7 Gew.-% Sn, 0,07 bis 0,2 Gew.-% Fe, 0,05 bis 0,15 Gew.-% Cr, 0,03 bis 0,08 Gew.-% Ni, mit Zr als Rest) verwendet. Für diese Elemente sind Zirconiuinlegierungen, die 1,2 bis 1,7 Gew.-% Sn, 0,21 bis 0,50 Gew.-% Fe und 0,03 bis 0,15 Gew.-% Ni oder eine Legierung, die zusätzlich zu diesen Bestandteilen 0,05 bis 0,1 Gew.-% Cr enthalten, bevorzugt, da sie über hohe Korrosionsbeständigkeit und niedrige Wasserstoffabsorption für den Ge brauch während einer Zeitspanne aufweisen, die länger als eine solche von einer Neutronenexposition nicht unter 45 GWd/t ist, wobei dasselbe für einen Kanal gilt. Auch ist jede Zr-Legierung verwendbar, die 0,5 bis 2 Gew.-% Nb, Zr – 1 bis 5 Gew.-% Sn – 0,5 bis 1,5 Gew.-% Nb – 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mo; Zr – 0,5 bis 1,5 Gew.-% Sn – 0,5 bis 1,5 Gew.-% Nb – 0,1 bis 1,0 Gew.-% Fe; und Zr-Nb (0,5 bis 5,0 Gew.-%) – Sn (0 bis 3,0 Gew.-%) – ein Material, das aus der aus Fe, Ni, Cr, Ta, Pd, Mo und W (nicht mehr als 2 Gew.-%) bestehenden Gruppe ausgewählt ist, entspricht. Die Zircaloylegierung wird für die Mantelröhren, den Kanal und die Abstandshalter in einem Siedewasserreaktor verwendet. Da jedoch die Tendenz besteht, dass örtliche Oxidation (knollenförmige Korrosion) insbesondere der Mantelröhren auftritt, wurde in einem Stadium, das in der Periode von der abschließenden Heißbearbeitung bis zur abschließenden Kaltwalzbearbeitung ausschließlich ausgewählt war, nur die Außenfläche von der (α + β)-Phase oder der β-Phase abgeschreckt. Die Erwärmungstemperatur für das Abschrecken beträgt 825 bis 1100°C, und die Verweilzeit liegt vorzugsweise innerhalb 1 Minute, bevorzugter 3 bis 30 s. Diese Erwärmung erfolgt unter Verwendung einer Induktionsspule auf kontinuierliche Weise, und das Abkühlen erfolgt durch Aufsprühen von Wasser anschließend an das Erwärmen. Vorzugsweise wird für Mantelröhren der Fr-Wert für die <0001>-Richtung rechtwinklig zur Röhrenfläche auf nicht kleiner als 0,66 eingestellt. Beim Abschrecken werden die Temperatur und die Zeitspanne so gesteuert, dass verhindert wird, dass die Kristallorientierung zufällig wird.
Die aus diesem Ausführungsbeispiel erhaltenen Brennstabbündel wurden entlang dem Außenumfang eines Reaktorkerns eingesetzt und einem 2-Zyklus-Test (für zwei Jahre) unterzogen. Nach dem Messen des Verbiegeausmaßes nach dem Entnehmen des Kanals ergab sich, dass keinerlei Verbiegung vorlag. Das Abbrandausmaß betrug im 2-Zyklus-Test ungefähr 16,6 GWd/t.
Es ist ersichtlich, dass das Biegeausmaß selbst bei einem Abbrandausmaß von nicht unter 45 GWd/t und auch bei einem Abbrandausmaß nicht unter 32 GWd/t sehr klein ist. In diesem Fall kann der Kanal auf diese 2-Zyklus-Weise erneut verwendet werden, wenn der an der Oberfläche angebrachte Mantel entfernt wird und der Brennstoff zur Wiederverwendung des Kanals ausgetauscht wird. Da das Biegeausmaß klein ist, kann er an derselben Position im Kern wie beim vorigen Gebrauch verwendet werden. Es ist auch bevorzugt, dieselbe Wärmebehandlung und Orientierung für die Mantelröhren anzuwenden, die aus den oben genannten Legierungen, die keine Zircaloylegierung sind, hergestellt sind.
Es ist ersichtlich, dass durch gleichzeitiges Unterdrücken sowohl der durch Bestrahlung verursachten Verformung als auch der durch thermische Kriechverformung verursachten Rufwölbung Streustrahlung aus dem Zwischenraum zwischen der unteren Ankerplatte und dem Kanal verringert ist, und es kann eine Änderung der Streustrahlungsdosis, wie sie im Verlauf der Zeit auftritt, verringert werden.
Ausführungsbeispiel 3
Die Plattendicke jedes der Wasserkästen bei den oben genannten Ausführungsbeispielen 1 und 2 wurde so ausgebildet, dass insgesamt dieselbe Dicke vorlag. Im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels war, wie in 11 und 12 dargestellt, jede der Ecken dicker als der Seitenteil, wobei die Wärmebehandlung gemäß der Erfindung auf einen Kanal mit einer solchen Dickenbeziehung angewandt wurde. Der in 11 und 12 dargestellte Kanal wurde nach der oben genannten Abschreckbehandlung wärmebehandelt, während ein Dorn aus rostfreiem Stahl SUS304 auf dieselbe Weise wie beim Ausführungsbeispiel 1 eingeführt wurde, und er wurde durch chemische Bearbeitung unter Verwendung eines Säurelösegemischs von sowohl Wasserstofffluorid als auch Salpetersäure unter Maskierung, oder unter Verwendung einer Bearbeitung zu vorbestimmter Form so ausgebildet, dass die Seite im Vergleich zur Ecke 20 dünner war und an der Außenseite (11B) oder der Innenseite (11C) eines röhrenförmigen Körpers konkave Stellen ausgebildet waren. Es wurde dafür gesorgt, dass die dünneren Teile in 11A bis 11C für jede Seite des Vierecks dieselbe Dicke aufwiesen. In 12 sind die Dicken in den Seitenteilen für Teile an einer oberen und unteren Position voneinander verschieden, d. h., dass der obere Teil 22 geringere Dicke als der untere Teil 23 aufweist.
Durch die Struktur gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sollen Aufwölbungen durch Kriechverformung verhindert werden, wie sie durch Gebrauch für eine lange Zeitspanne auftreten können. Auch können im Fall der vorliegenden Struktur die bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 beschriebenen Zr-Legierungen in ähnlicher Weise verwendet werden, und es kann auch eine Verbiegung durch Bestrahlungswachstum dadurch verhindert werden, dass eine Abschreckbehandlung auf dieselbe Weise ausgeführt wird.
Ausführungsbeispiel 4
13 ist eine geschnittene Teilansicht eines gesamten Atomreaktorkerns vom Siedewassertyp, bei dem das Brennstabbündel unter Verwendung des bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 erhaltenen Kanals aufgebaut ist.
Der vorliegende Atomreaktor wird bei einer Dampftemperatur von 286°C und einem Dampfdruck von 70,7 atg betrieben, wobei er als erzeugte elektrische Ausgangsleistung eine elektrische Leistung von 500, 800 und 1100 MW erzeugen kann. Jede Bezeichnung ist die Folgende: Röhre 51 der Neutronenquelle, Kernhalteplatte 52, Neutronenmessdetektor 53, Kontrollstab 54, Kernverkleidung 55, obere Gitterplatte 56, Brennstabbündel 57, Sprühdüse 58 an der oberen Endplatte, Belüftungsdüse 59, Deckel 60 des Druckbehälters, Flansch 61, Messdüse 62, Dampf-Wasser-Separator 63, Verkleidungskopf 64, Speisewasser-Einlassdüse 65, Strahlpumpe 66, Dampftrockner 68, Dampfauslassdüse 69, Speisewasserverteiler 70, Kernsprühdüse 71, unteres Kerngitter 72, Umwälzwasser-Einlassdüse 73, Staubplatte 74 und Kontrollstab-Antriebsführungsrohr 75.
Ein Atomreaktor verfügt über einen Atomreaktor-Druckbehälter, einen in dessen Innerem enthaltenen Kern, Innenkonstruktionen, Kontrollstäbe und deren Antriebsvorrichtung.
Kühlwasser, das mit hoher Geschwindigkeit von 20 Düsen einer Strahlpumpe 66 eingestrahlt wird mit einer Lage um den kreisförmigen Ringteil am Außenumfang der Kernverkleidung 55 absorbiert Wasser von um den kreisförmigen Ringteil herum und führt es einem Sammelteil im unteren Teil des Kerns zu. Dieses Kühlwasser wird über Öffnungen, die an einem Halteteil jeder Brennstabanordnung 57 angebracht sind, an jede der Brennstabanordnungen verteilt. Kühlmedium, das in jeder Brennstabanordnung erwärmt wurde und dadurch zu einem Gemisch von Wasser und Dampf wurde, wird im oberen Sammelraum gesammelt und erneut an viele Dampf-Wasser-Separatoren 63 verteilt. Vom Dampf-Wasser-Separator 63 abgetrennter Dampf wird von einer Dampfauslassdüse über einen Dampftrockner 68, der an einer weiter oben liegenden Position vorhanden ist, einer Turbine zugeführt. Vom Dampf abgetrenntes Wasser wird durch Speisewasser unterkühlt, das von einem Speisewasser- Nebengefäß 70 her einströmt und es fließt um den kreisförmigen Ringteil der Kernverkleidung 55 nach unten, wobei ein Teil desselben der Rückumwälzpumpe für Rückumwälzung an die Wasserauslassdüse 73 zugeführt wird, und es dann von der Rückumwälz-Wasserauslassdüse 73 einer Strahlpumpe zugeführt wird, nachdem es unter Druck gesetzt wurde. Da der Kontrollstab 54 vom unteren Teil durch das Kontrollstab-Führungsrohr 75 in den Kern eingeführt wird, ist die Ausgangsleistungsverteilung zweckdienlich einstellbar, und es bestehen keine Schwierigkeiten zum Abtrennen des Antriebsmechanismus beim Brennstoffaustausch. Jedoch kann das Absenken desselben durch Schwerkraft nicht genutzt werden, wobei sicheres Einführen unter Verwendung eines Wasserdruckantriebs im Fall einer Notabschaltung erforderlich ist. Ferner sind als Gegenmaßnahme für solche Gefahren wie ein Hängenbleiben eines Brennstabs nach dem Einführen und eines Lösens desselben von der Antriebsachse, wodurch er durch die Schwerkraft nach unten fällt, mit dem Ergebnis, dass auf Grund einer plötzlichen Zunahme der Reaktivität ein Anstieg der Ausgangsleistung auftritt, jüngere SWRs mit einem Geschwindigkeitsbegrenzer versehen, um die Fallgeschwindigkeit zu begrenzen, um das Auftreten eines Unfalls zu verhindern.
Tabelle 7 zeigt die Hauptspezifikation eines elektrischen Kraftwerks mit SWR oder ASWR, wie durch das vorliegende Ausführungsbeispiel erhalten. Das vorliegende elektrische Kraftwerk verfügt über das Merkmal, dass durchgehend bei hohem Abbrandausmaß von nicht unter 35 GWd/t (nicht unter vier Jahren) keine Verbiegung durch Bestrahlungswachstum in einem Brennstabbündel auftritt und dass der Gebrauch des Brennstabbündels und des Elements aus einer Zirconiumlegierung für eine lange Zeitspanne möglich ist, was es ermöglicht, die Menge an aufgebrachtem Brennstoffabfall zu verringern. Die Korrosionsbeständigkeit und die Zuverlässigkeit des Brennstabbündels können ebenfalls verbessert werden, da sowohl die Brennstabbündel-Mantelröhre als auch der Kanal und der Abstands halter einem Abschrecken in der (α + β)-Phase oder der β-Phase unterzogen werden, wie oben angegeben.
Tabelle 7
Tabelle 7 (Fortsetzung )
Wie oben beschrieben, kann die Kristallrichtung eines Zirconiumelements eines Brennstabbündels auf gleichmäßige Weise zufällig gemacht werden, so dass selbst während des Gebrauchs in einer Umgebung mit hoher Strahlung mit einem Wert der Neutronenbestrahlung über 10²² (n/cm²) keine schwerwiegende Biegeverformung durch Bestrahlungswachstum auftritt und eine Minimierung an Brennstabumordnung erzielbar ist. Demgemäß ist der Gebrauch eines Zirconiumelements eines Brennstabbündels für lange Zeit bei einem Atomreaktor mit hohem Abbrandausmaß möglich, was zur Verringerung verbrauchten Brennstoffabfalls beiträgt. Ferner ist die Korrosionsbeständigkeit verbessert und Aufwöl-bungsverformung durch thermische Kriechverformung ist unterdrückt, und es ist die Streustrahlungsdosis verringert, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Brennstabbündelelements aus Zirconium beitragen kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Brennelementkanals, wobei ein Röhrenelement eckiger Form aus einer Zirconiumlegierung mit niedrigem Bestrahlungswachstum erzeugt und in einen Brennelementkanal eingebaut wird, wobei zur Erzeugung des Röhrenelements ein Röhrenelement aus der Zirconiumlegierung, die nicht mehr als 5 Gew.-% Sn und/oder nicht mehr als 5 Gew.-% Nb und nicht weniger als 90 Gew.-% Zr enthält, mittels kontinuierlicher Induktionserwärmung auf den β-Einphasen-Temperaturbereich erwärmt und der erwärmte Abschnitt durch ein Kühlmittel zwangsgekühlt wird, wobei die Erwärmung auf den β-Einphasen-Temperaturbereich über eine kurze Zeitspanne mit anschließender schneller Abkühlung erfolgt, so dass die <0001>-Orientierung (Fl-Wert) von hexagonalem Zr bezüglich der Längsrichtung des Röhrenelements im Bereich von 0,20 bis 0,35 liegt, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Erwärmung Mittel zur Verringerung der Temperaturdifferenz zwischen den entgegengesetzten Flächen des Röhrenelements verwendet werden, so dass die Differenz der Fl-Werte zwischen den entgegengesetzten Flächen nicht größer wird als 0,025, und wobei die lokale und kontinuierliche Erwärmung des Röhrenelements auf den β-Phasen-Temperaturbereich und das Abschrecken des erwärmten Abschnitts durch ein Kühlmittel mehrmals durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erwärmung dadurch erfolgt, dass das Element kontinuierlich eine Hochfrequenz-Induktionsheizspule mit mehrerem Windungen durchläuft, und dass die Zwangskühlung dadurch erfolgt, dass ein Kühlmittel durch eine im hinteren Bereich der Spule angeordnete Kühldüse ausgespritzt wird.