CN86101123A - 水堆燃料包壳管 - Google Patents

Abstract

用两种锆基合金同轴层组成水堆燃料包壳管。外层由具有极好抗水腐蚀性的高强度锆基合金组成。冶金结合于外层的是基本上含有0.4～0.6(重量)％的锡；0.5～1.4(重量)％的铁；和100～700ppm的氧的锆基合金所组成的内层。

Description

本发明涉及用于压水和沸水反应堆的锆基合金水堆燃料包壳管。尤其是涉及能使水堆燃料元件内芯体-包壳相互作用（PCI）的有害影响减至最小的燃料包壳。

完全由高锆合金制造的包壳管已经在水堆工业中得到实地应用。已使用的普通合金实例是锆锡合金-2和锆锡合金-4。是根据核特性、机械特性和高温抗水腐蚀性筛选出这些合金的。

在Stanleg    Kass发表的《锆锡合金的研制》〔ASTM（美国材料试验协会）专门技术刊物No.368（1964）PP3-27〕中，总结了研制锆锡合金-2和4以及淘汰锆锡合金-1和3的情况。因此将这篇文章编进参考文献之中。美国专利说明书No2，772，964;3，097，094和3，148，055对锆锡合金的研究也是使人感兴趣的。

例如，锆锡合金-2和4的大多数商业化学特性基本上符合ASTM    B350-80中公布的要求（分别适于UNS    NoR60802和R60804合金）除了这些要求外，还要求上述合金的氧含量在900～1600ppm之间，若作为燃料包壳则典型地约为1200±200ppm。

制造锆锡合金包壳管的通常做法是，包括以下生产工艺，将铸锭热加工成中等尺寸的料坯或园坯;β溶液处理料坯;机械加工成空心管坯;将空心管坯高温α挤压成空心园柱管;然后通过一系列皮尔格式冷轧孔型，将园柱管基本上轧挤成最终尺寸的包壳，在达到另一个孔型之前进行α再结晶退火。然后将基本上是冷加工的最终尺寸的包壳进行最终退火。这种最终退火可以是消除应力退火、部分再结晶退火或者完全再结晶退火。根据设计人员对燃料包壳机械性能的规范书来选择最终退火类型。

在使用上述燃料包壳的燃料棒中发生了这样一个问题，即在与破裂了的热膨胀氧化物燃料芯块接触的附加应力下，观察到了产生于包壳内表面的裂纹。有时候这些裂纹扩展到能穿通包壳壁厚，从而破坏燃料棒的完整，使冷却剂进入燃料棒，因而使放射性裂变产物污染循环通过堆芯的冷却剂。通常认为，这种裂纹现象是由于辐照硬化、机械应力和裂变产物的相互作用，从而导致周围介质有助于裂纹在锆合金中的产生与扩展而引起的。

已经建议将内表面结合锆层的锆锡合金燃料包壳管，用作抗水堆运行期间在燃料芯块和包壳之间接触面处产生裂纹的扩展。美国专利说明书No4，045，288;4，372，817;4，200，492和4，390，497以及联合王国专利说明书No4，104，711A提供了这种建议的各种实例。

上述专利之所以选择锆层，因为它们可抗PCI裂纹扩展，而不考虑它们的抗水腐蚀性。如果包壳在反应堆中破裂，使包壳内部存在冷却剂，预料上述锆层的抗水腐蚀性能，将大大劣于构成包壳基体的高锆合金。在这些条件下，将预料锆层完全被氧化，因而很快失效，同时导致在包壳的锆合金部分中增加氢化物生产，由此损坏锆合金结构的完整。包壳的这种性能变坏会导致严重的破坏，随着铀和放射性核素将大量释入冷却剂。

该技术试图在具有高抗水腐蚀性能的普通锆合金层之间，嵌埋上述专利的锆层，或者用低锆合金代替内暴露的锆层，来探寻这种抗水腐蚀性能问题。在英国专利说明书No2，119，559中叙述了这些设计实例。尽管作了这些努力，仍需一种对于在内径和外径表面上具有极好抗水腐蚀性的普通锆合金的水堆燃料包壳，它同普通锆锡合金-2和锆锡合金-4比较，应具有增强了的抗PCI裂纹扩展性能。

因此，本发明属于水堆燃料包壳管范畴，其特征在于，上述包壳管包括具有高强度和极好抗水腐蚀性能的第一锆合金外园柱层，此锆合金由锆锡合金-2或锆锡合金-4组成，以及以冶金结合于外园柱层的第二锆合金内园柱层，第二锆合金基本上由0.4～0.6（重量）%的锡、0.5～1.4（重量）%的铁、100～700ppm的氧和余下部分由锆组成。

从而在园筒式燃料包壳管的外径和内径表面上，形成了极好的抗水腐蚀性，以及同普通锆锡合金-2和锆锡合金-4燃料包壳比较，具有增强了的抗PCI裂纹扩展性。最好，外园柱层的锆合金是锆锡合金-2或是锆锡合金-4。最好将内园柱层的锡含量保持在0.4～0.5（重量）%，铁含量保持在0.5～1.0（重量）%。

为了能够更清楚地了解本发明，现在通过实例、参考细长燃料包壳管的横截面附图，将叙述本发明的一个适宜的具体实例。

参照附图，复合燃料包壳管1有两个同轴层，每个同轴层由不同的锆基合金组成。外层10由已知在多水环境中具有极好抗腐蚀性的高强度锆基合金组成。第一合金最好由锆锡合金-2或锆锡合金-4组成。所用锆锡合金-2或4最好符合在ASTM    B350-80表中公布的对UN    S60802（锆锡合金-2）或UN    S60804（锆锡合金-4）的化学要求。此外，这些合金的氧含量应该为900～1600ppm。

冶金结合于其上并位于外层10内的是第二园柱层20，它基本上由以下表Ⅰ中所示成分的合金组成。

表Ⅰ

内层的成分

主要部分    推荐成分

Sn    0.4～0.6（重量）%    0.4～0.5（重量）%

Fe    0.5～1.4（重量）%    0.5～1.0（重量）%

O    100～700ppm    100～700ppm

Zr    其余    其余

该内层20给燃料包壳管提供增强了的抗反应堆中PCI裂纹扩展性。认为规定含量的铁和锡给本合金提供增强了的抗水腐蚀性。还认为，与通常熟悉本行技术的工作人员一般看法相反，应用高含量铁对内层的抗PCI性将不会有显著的有害影响，而且事实上可能导致提高抗PCI性。最好将锡保持在0.4～0.5（重量）%，将铁保持在0.5～1.0（重量）%，以便提供抗水腐蚀性和抗PCI裂纹扩展性的最佳结合。

如果增加氧含量，将增加内层合金的硬度，并且认为对内层抗堆内PCI裂纹扩展的性能产生有害影响。因此将氧保持在100～700ppm。最好氧为100～500ppm。氧含量的下限是根据下述基础选定的，即通过进一步降低氧含量，以求进一步改善PCI性能，已被认为是有限的，因而，进一步降低氧含量，从而导致大量增加附加费用的角度来看，是不合理的。

当注意到内层中的总杂质被保持在2000pmm以下时，在可适用的场合，最好是低于1500ppm，并且各别杂质含量不超出ASTM    B350-80表UN    S60001所规定的最大极限。因而ASTM    B353-77a已全部列入参考文献。电子束熔化用于制造内层合金的锆原材料，可以实现减少总杂质含量。

内层20的厚度小于外层10的厚度，其厚度最好为0.002～0.006英寸，更可取的是0.003～0.004英寸厚。外层10组成包壳的主体，并且提供包壳所要求的机械性能。因此此外层所需厚度，可通过燃料元件设计技术的常规方法确定。最好结合热加工、退火和冷加工步骤来得到内外层之间完全的冶金结合。

现在将参照以下实例说明本发明：

通过自耗电极真空电弧，熔炼具有表Ⅱ所示标称成分的合金、所需合金填加剂和商用锆。最好至少进行两次电弧熔炼。当然，在合金元素和杂质铸锭制造阶段，随后在诸如填隙元素、氧、氢和氮接近共挤压一类的制造中间阶段，进行化学分析可以满足本申请中所规定的对化学特性的要求。不需要对最终尺寸的包壳进行化学分析。

表Ⅱ

内层材料的标称成分

Sn    0.45（重量）%

Fe    0.5（重量）%

O    100ppm

Zr    其余，含有偶然混入之杂质

最好通过普通锆锡合金一次加工技术（包括β溶液处理步骤），将成品铸锭作成内层管初始坯料。用满足规范R60802或R60804的ASTM    B350-80要求的并约有900～1600ppm氧含量的铸锭，通过常规方法制造外层管锆锡合金初始坯料。内外层管初始坯料可以进行冷加工、热加工、α退火或β淬火显微构造。

然后将外层初始坯料的内径表面和内层初始坯料的外径表面机械加工到这样的尺寸，当它们彼此套装时，使得二者之间的间隙最小。在机械加工以后，从要配合的初始坯料的表面上尽可能干净地清洗去除全部表面沾污。然后将二初始坯料彼此套装起来，随后经真空电子束焊接，将毗邻部分的接触面处形成的环状缝隙封闭，在焊接已套装好的坯料的两端以后，使环状缝隙内保持真空。

到此阶段，这个未经结合的管壳组件已可根据用于制造纯粹是锆锡合金包壳管的方法，进行众所周知的挤压皮尔格式冷轧和退火工艺，同在1982.1.29注册的正在审理的美国专利申请No343，788和343，787，以及美国专利No4，450.016中叙述的任何一种常规和新的方法一起，都可以应用普通锆锡合金的润滑、清洗、矫直和表面抛光技术。除了不可避免的结合层污染的极小而不明显的区域以外，全部上述制造工艺将使内外层实现完整、连续的冶金结合。

当不要求应用本发明时，最好用激光或是感应加热进行β处理。当应用本发明时，应进行这种处理，最好作为在倒数第二和最后一道皮尔格式冷轧孔型之间的表面处理（如同在美国专利申请No343，788中所述），或者最好作为正在倒数第二个皮尔格式冷轧型之前的穿壁β处理。在β处理以后，全部中间以及最终退火都应该在低于600℃进行，更可取的是在或低于550℃进行。进行这些低温退火是为了保持由β表面处理赋于的增强了的抗腐蚀性。

最可取的是，外层和内层的抗水腐蚀性的特点在于，灰色或基本上黑色的附着的腐蚀膜和小于200mg/dm的增重，更可取的是在24小时、500℃、1500Psi蒸汽试验后，小于100mg/dm的增重。

无论是否进行β处理，在最后的皮尔格式冷轧孔型后，最终退火是在锆锡合金内层进行消除应力（也就是无显著的再结晶）、部分再结晶或完全再结晶。当进行完全再结晶最终退火时，得到的平均晶粒尺寸不大于内层壁厚的1/4，更可取的是在1/10～1/30之间。锆锡合金外层至少要进行消除应力退火。在最终退火以后，进行普通的锆锡合金管清洗、矫直和抛光步骤。

随后向加衬了的包壳装填核燃料。最好所使用的燃料呈园柱形芯块，并且可以具有倒角和碟形端头。最好这些芯块由UO₂组成，并且约有95%密实性。这些芯块中的铀可以是浓缩铀或天然铀，也可以含有诸如氧化钆一类的可燃毒物吸收剂作为含硼材料。所得到的燃料元件可以是已知商用压水或沸水反应堆类型中的任何一种元件，最好在密封的燃料棒中包含压缩氦。

Claims (7)

1、一种水堆燃料包壳管，其特征在于，上述包壳管包括具有高强度和极好抗水腐蚀性的第一锆基合金外园柱层，第一锆合金由锆锡合金-2或锆锡合金-4组成；以及冶金结合于外园柱层的第二锆合金内园柱层，第二锆合金基本上由0.4～0.6(重量)%的锡、0.5～1.4(重量)%的铁、100～700ppm的氧和余量为锆组成。

2、根据权利要求1的包壳管，其特征在于，第二合金含有0.4～0.5（重量）%的锡。

3、根据权利要求1的包壳管，其特征在于，第二合金含有0.5～1.0（重量）%的铁。

4、根据权利要求1的包壳管，其特征在于，第二合金含有100～500ppm的氧。

5、根据权利要求1～4任一项的包壳管，其特征在于，第二合金的特点在于冷加工和消除应力显微构造。

6、根据权利要求1～4任一项的包壳管，其特征在于，第二合金的特点在于部分再结晶显微构造。

7、根据权利要求1～4任一项的包壳管，其特征在于，第二合金的特点在于完全再结晶显微构造。