DE1234994B - Uranium alloys for nuclear reactor fuels - Google Patents
Uranium alloys for nuclear reactor fuelsInfo
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Description
DEUTSCHES GERMAN WTWW^ WTWW ^ PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFT DeutscheKl.: 40 b-27/00 EDITORIAL DEVELOPMENT German Cl .: 40 b -27/00
Nummer: 1234 994Number: 1234 994
Aktenzeichen: C 32214 VI a/40 bFile number: C 32214 VI a / 40 b
J 234 994 Anmeldetag: 21.Februar 1964J 234 994 Filing date: February 21, 1964
Auslegetag: 23. Februar 1967Opened on: February 23, 1967
Die Erfindung bezieht sich auf Uranlegierungen als Kernreaktorbrennstoffe sowie für beliebige andere Verwendungszwecke. Sie betrifft insbesondere solche Legierungen dieser Art, welchen durch Zusatz von geringen anteiligen Mengen von zweckentsprechend ausgewählten Elementen eine unmittelbar nach ihrem Vergießen vorhandene Feinheit des Gefiiges und Stabilität gegenüber Strahlung erteilt werden, wie sie normalerweise nur durch einen erheblichen Gehalt an zusätzlichen Elementen oder durch zusätzliche metallurgische Behandlungen erzielt werden konnten.The invention relates to uranium alloys as nuclear reactor fuels as well as any other Uses. It relates in particular to such alloys of this type, which by adding small proportional amounts of appropriately selected elements one immediately after their Shedding existing delicacy of the structure and stability to radiation are given as they are usually only through a significant content of additional elements or through additional ones metallurgical treatments could be achieved.
Es ist bekannt, daß der Ausnutzungsgrad des Urans und damit die Menge an Energie, die aus Kernbrennstoffen geliefert werden kann, für solche Kernbrennstoffe auf Grundlage von metallischem Uran durch den fortschreitenden Zerfall der Brennstoffelemente unter der Wirkung der Strahlung stark eingeschränkt wird. Es ist ferner bekannt, daß die mögliche Betriebsdauer dieser Brennstoffelemente auf Grundlage von metallischem Uran in dem Reaktor, bevor sie durch Zerfall unbrauchbar werden, zum großen Teil von ihrem anfänglichen polykristallinen Gefüge und der Stabilität dieses Gefüges unter den Arbeitsbedingungen des Reaktors abhängt. Schließlich ist es bekannt, daß die günstigsten Stabilitätseigenschaften sich bei einem feinkörnigen Gefüge der Körper, ohne Spannungen und ausgeprägte Richtungen innerhalb des Gefüges, ergeben und daß es praktisch nicht möglich ist, in nichtlegiertem Uran diese Eigenschaften miteinander zu vereinigen und insbesondere sie zu erhalten.It is known that the degree of utilization of uranium and thus the amount of energy that is produced Nuclear fuel can be supplied for such nuclear fuel based on metallic Uranium is strong due to the progressive decay of the fuel elements under the action of radiation is restricted. It is also known that the possible service life of these fuel elements Base of metallic uranium in the reactor before they become unusable due to decay a large part of their initial polycrystalline structure and the stability of this structure among the The working conditions of the reactor depends. Finally, it is known that the most favorable stability properties In the case of a fine-grain structure, the bodies develop without tension and pronounced directions within the structure, and that it is practically not possible in non-alloy uranium to combine these properties with one another and, in particular, to maintain them.
Die Vergütung eines nur wenig legierten Uraniumkorns erfolgt zur Zeit auf dem einen oder anderen der beiden im folgenden angegebenen Wege.The remuneration of a uranium grain that is only slightly alloyed is currently based on one or the other of the two ways given below.
Im Falle von niedriglegierten Legierungen, die höchstens einige tausendstel Gewichtsprozent an Zusatzelementen enthalten, erfolgt diese Behandlung durch Abschrecken aus dem Bereich der Existenz der /MPhase auf normale Temperatur oder durch isotherme Umwandlung der /ί-Phase innerhalb eines engen Temperaturintervalls im Existenzbereich der «-Phase.In the case of low-alloy alloys, the maximum a few thousandths of a weight percent Containing additional elements, this treatment is carried out by deterring them from the realm of existence the / MPhase to normal temperature or by isothermal conversion of the / ί phase within a narrow temperature interval in the area of existence of the «phase.
Im Falle der höherlegierten Zwischenlegierungen, insbesondere derjenigen des Zweiphasentyps (Uran— Molybdän, Uran—Chrom usw.), erfolgt die Vergütung durch Wiedererhitzen und langsames Abkühlen. In the case of the higher alloyed intermediate alloys, especially those of the two-phase type (uranium- Molybdenum, uranium-chromium, etc.), the remuneration is done by reheating and slowly cooling.
Lediglich die stärker legierten Legierungen, die mehr als 1 Gewichtsprozent an Zusatzelementen enthalten, können nach dem Vergießen der normalen Abkühlung unterworfen werden.Only the more heavily alloyed alloys that contain more than 1 percent by weight of additional elements can be subjected to normal cooling after potting.
Ein feinkristallines Gefüge wird also nach den zur Uranlegierungen für KernreaktorbrennstoffeA finely crystalline structure thus becomes the uranium alloys for nuclear reactor fuels
Anmelder:Applicant:
Compagnie pour l'ßtude et la Realisation de
Combustibles Atomiques, ParisCompagnie pour l'stude et la Realization de
Combustibles Atomiques, Paris
Vertreter:Representative:
Dipl.-Ing. R. H. Bahr und Dipl.-Phys. Ε. Betzier, Patentanwälte, Herne, Freiligrathstr. 19Dipl.-Ing. R. H. Bahr and Dipl.-Phys. Ε. Betzier, patent attorneys, Herne, Freiligrathstr. 19th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Henri Monti, Vitry-sur-Seine;Henri Monti, Vitry-sur-Seine;
Michel Foure, Croissy-sur-Seine, Seine-et-OiseMichel Foure, Croissy-sur-Seine, Seine-et-Oise
(Frankreich)(France)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Frankreich vom 26. Februar 1963 (926 053) - -France of February 26, 1963 (926 053) - -
Zeit angewendeten Verfahren entweder unter Inkaufnahme des zusätzlichen Arbeitsvorganges, den eine weitere thermische Behandlung darstellt, oder des Zusatzes von erheblichen anteiligen Mengen an Legierungselementen zu dem nuklearen Brennstoff erzielt, was wieder mit einer erheblichen Einbuße hinsichtlich der Reaktivität des Brennstoffes verbunden ist, welche andererseits wieder dessen Anreicherung mit Uran 235 erforderlich machen kann. Das Erzielen dieser Gefügefeinheit stellt also immer eine teure zusätzliche Maßnahme dar. Außerdem erzeugen gewisse Behandlungen, wie die unmittelbare Abschreckung aus dem Bereich der /J-Phase, in dem Brennstoffelement nicht zu vernachlässigende Spannungen und mit Wahrscheinlichkeit Vorzugsrichtungen, beides als Folgen des Überganges aus der ß- in die «-Phase.Time applied method either by accepting the additional work process, which represents a further thermal treatment, or the addition of considerable proportions of alloying elements to the nuclear fuel, which is again associated with a considerable loss of reactivity of the fuel, which on the other hand, is again Enrichment with uranium 235 may be necessary. Achieving this structural fineness is therefore always an expensive additional measure. In addition, certain treatments, such as direct quenching from the area of the / J phase, generate stresses in the fuel element that cannot be neglected and, with probability, preferred directions, both as consequences of the transition from the ß- into the «phase.
Es ist ebenfalls bekannt, die Beständigkeit von Uran gegen thermische Ermüdung durch Zusatz geringer Mengen zweier metallischer Elemente zu verbessern. Bei einem dieser Zusatzmetalle kann es sich um Aluminium, Zirkonium, Chrom, Titan oder Vanadium handeln; beim zweiten um Zirkonium, Molybdän oder um ein anderes Metall der V. Gruppe des Periodischen Systems. Die hierdurch hergestellte Uranlegierung macht aber eine komplizierte thermische Behandlung erforderlich; unter anderem zu nennen sind eine Erwärmung auf etwa 1050° C, dann eine Abkühlung, gefolgt von einem Anlassen beiIt is also known that the resistance of uranium to thermal fatigue is reduced by adding it To improve quantities of two metallic elements. It can be one of these additional metals be aluminum, zirconium, chromium, titanium or vanadium; the second is about zirconium, Molybdenum or another metal from Group V of the Periodic Table. The one produced in this way However, uranium alloy requires a complicated thermal treatment; among other things too names include heating to around 1050 ° C, then cooling, followed by tempering at
709 510/458709 510/458
etwa 600 ~ C. Diese Verfahren sind kompliziert und aufwendig.about 600 ~ C. These procedures are complicated and time-consuming.
Da die Formgebung der Brennstoffelemente in der großen Mehrzahl der Fälle durch Gießen erfolgt, besteht deshalb ein erhebliches Bestreben, Legierungen mit geringen Gehalten an Zusatzelementen zu schaffen, die nach dem Vergießen ohne die Notwendigkeit einer späteren Wärmebehandlung durch einfache Abkühlung das gewünschte feinkristalline Gefüge erhalten.Since the shaping of the fuel elements takes place in the great majority of cases by casting, there is therefore a considerable effort to use alloys with low contents of additional elements create that through after potting without the need for subsequent heat treatment the desired fine crystalline structure can be obtained simply by cooling.
Die Erfindung betrifft daher einen Typ von quaternären Legierungen mit geringen Gehalten an den Zusatzelementen Chrom, Silicium und Zirkonium, die mit feinkörnigem Gefüge unmittelbar nach dem Vergießen unter Abkühlung innerhalb eines sehr weit ausgedehnten Bereiches von Abkühlgeschwindigkeiten erhalten werden. Die Hauptmerkmale dieser als »sich selbsttätig vergütend« zu bezeichnenden Legierungen werden nachstehend an Hand der SchlifTbilder beschrieben werden, welche metallographische Schnittflächen durch Proben der folgenden Beschaffenheit darstellen:The invention therefore relates to a type of quaternary alloys with low contents of the Additional elements chromium, silicon and zirconium, which have a fine-grain structure immediately after the Potting with cooling within a very wide range of cooling speeds can be obtained. The main features of these can be described as "self-compensating" Alloys are described below on the basis of the micrographs, which are metallographic Represent cut surfaces by specimens of the following nature:
F i g. 1 veranschaulicht in etwa 25facher Vergrößerung eine metallographische Schnittfläche eines Probekörpers aus unlegiertem Uran, welcher durch Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 25° C/Min. von der Gießtemperatur von 1500° C herunter erhalten wurde;F i g. 1 illustrates, enlarged approximately 25 times, a metallographic sectional surface of a Specimen made of unalloyed uranium, which by cooling at a rate of 25 ° C / min. was obtained from the casting temperature of 1500 ° C;
F i g. 2 zeigt, ebenfalls in etwa 25facher Vergrößerung, die Schnittfläche eines Probekörpers aus einer quaternären Legierung, die aus 99,85 % Uran, 0,07% Chrom, 0,03% Silicium und 0,05% Zirkonium besteht, und die nach dem Vergießen mit einer Geschwindigkeit von ebenfalls 25° C/Min. abgekühlt wurde;F i g. 2 shows, likewise magnified approximately 25 times, the cut surface of a test specimen from a quaternary alloy consisting of 99.85% uranium, 0.07% chromium, 0.03% silicon and 0.05% zirconium exists, and after potting at a rate of also 25 ° C / min. cooled down became;
F i g. 3 zeigt, ebenfalls in etwa 25facher Vergrößerung, die Schnittfläche eines Probekörpers aus einer quaternären Legierung, die aus 99,77 % Uran. 0,05 % Chrom, 0,08% Silicium und 0,10% Zirkonium besteht, und die nach dem Vergießen mit einer Geschwindigkeit von 8° C/Min. abgekühlt wurde;F i g. 3 shows, likewise magnified approximately 25 times, the cut surface of a test specimen from a quaternary alloy made from 99.77% uranium. Consists of 0.05% chromium, 0.08% silicon and 0.10% zirconium, and after potting at a rate of 8 ° C / min. has been cooled;
F i g. 4 ist eine lOOfache Vergrößerung einer kleinen Zone der Schnittfläche gemäß F i g. 2, welche die Feinheit und Regelmäßigkeit der Körner erkennen läßt.F i g. Figure 4 is a 100X enlargement of a small zone of the cut surface of Figure 4. 2, which reveals the fineness and regularity of the grains.
Die Uranlegierungen gemäß der Erfindung sind durch das Vorhandensein von drei Zusatzelementen, nämlich von Chrom, Silicium und Zirkonium in einer gesamten anteiligen Menge, die 0,4 Gewichtsprozent nicht übersteigt, jedoch meistens nur 0,1 bis 0,2 Gewichtsprozent beträgt, gekennzeichnet. Die diesem Maximalgehalt von 0,4 Gewichtsprozent entsprechende Neutronenabsorption ist geringer als die, welche sich ζ. B beim Vorhandensein von 0,15 Gewichtsprozent Molybdän ergeben würde (diese anteilige Menge wird bei gewissen Reaktorbrennstoffen auf der Grundlage von natürlichem Uran, die durch Graphit moderiert und mit Gas gekühlt werden, erheblich überschritten. Das bedeutet, daß die Neutronenbilanz des Elements nur verhältnismäßig wenig belastet wird). Die Gehalte an Chrom und Silicium betragen jeweils 0,02 bis 0,1 Gewichtsprozent und der Gehalt an Zirkonium 0,01 bis 0,2 Gewichtsprozent. The uranium alloys according to the invention are characterized by the presence of three additional elements, namely of chromium, silicon and zirconium in a total proportional amount that is 0.4 percent by weight does not exceed, but is mostly only 0.1 to 0.2 percent by weight, marked. The this Maximum content of 0.4 percent by weight corresponding neutron absorption is less than that, which ζ. B would result in the presence of 0.15 percent by weight molybdenum (this proportional Amount of certain reactor fuels is based on natural uranium, which is produced by Graphite moderated and cooled with gas is exceeded considerably. That means that the neutron balance of the element is only loaded relatively little). The contents of chromium and silicon are in each case 0.02 to 0.1 percent by weight and the zirconium content is 0.01 to 0.2 percent by weight.
Der Gesamtanteil dieser drei dem Uran zugesetzten Elemente liegt bei wenigstens 0,1 Gewichtsprozent.The total proportion of these three elements added to uranium is at least 0.1 percent by weight.
Die optimalen anteiligen Gehalte an Chrom, Silicium und Zirkonium werden im Rahmen der vor-The optimal proportions of chromium, silicon and zirconium are determined as part of the
stehend angegebenen Grenzwerte in Abhängigkeit von der Abkühlgeschwindigkeit im Bereich des Umwandlungsintervalles von der ß- zur \-Phase und damit von den Abmessungen und der Gestalt der gegossenen Formkörper, der verwendeten Apparatur und der Art der Abkühlung, mit der gearbeitet wird, gewählt. Der Gehalt an Chrom wird gegenüber dem an Silicium um so höher bemessen, je größer die Abkühlgeschwindigkeit und um so geringer, je niedriger die Abkühlgeschwindigkeit sein muß. Die optimalen Gehalte an Chrom sind mit Toleranzen von ± 0,015 Gewichtsprozent für das Chrom und das Silicium und mit Toleranzen von ±0,05 Gewichtsprozent für das Zirkonium bei einer gegebenen Abkühlgeschwindigkeit zu verstehen. Der Bereich der Abkühlgeschwindigkeiten erstreckt sich von 3 bis 80° C/Min., obwohl es auch möglich ist, die Abkühlgeschwindigkeiten bis auf die der unmittelbaren Abschreckung mittels einer üblichen Wasserabkühlung aus dem /J-Bereich oder dem y-Bereich zu erhöhen.The limit values given depend on the cooling rate in the range of the conversion interval from the β to the phase and thus on the dimensions and shape of the cast moldings, the equipment used and the type of cooling that is used. The greater the cooling rate and the lower the lower the cooling rate, the higher the content of chromium compared to that of silicon. The optimal contents of chromium are to be understood with tolerances of ± 0.015 percent by weight for the chromium and the silicon and with tolerances of ± 0.05 percent by weight for the zirconium at a given cooling rate. The range of cooling rates extends from 3 to 80 ° C./min., Although it is also possible to increase the cooling rates to that of the immediate quenching by means of conventional water cooling from the / J range or the y range.
Während im Falle von unlegiertem Uran die durch normale Abkühlung erhaltenen Körner des Gefüges grob, sehr unregelmäßig und dendritisch sind (Fig. 1), sind die Körner, die im Falle der Legierung gemäß der Erfindung erhalten werden (F i g. 2, 3 und 4) fein, ungerichtet, weisen polygonale annähernd regelmäßige Konturen auf und sind frei von Spannungen. Ihr mittlerer »Durchmesser« ist immer kleiner als 0,5 mm, während demgegenüber die mit nicht legiertem Uran unter gleichen Abkühlbedingungen erhaltenen Körner eine Größe von mehreren Millimetern erreichen und sogar überschreiten können. Wenn für die Innehaltung der Beziehung zwischen den anteiligen Gehalten von Zusatzelementen und Abkühlgeschwindigkeit Sorge getragen wird, so ist der Grad der Vergütung der Legierungen gemäß der Erfindung mit Ausnahme dessen im Falle sehr geringer Abkühlgeschwindigkeiten (unterhalb 5° C/Min.) praktisch unabhängig von der Abkühlgeschwindigkeit und der mittlere Durchmesser des Korns ist kleiner als 0,1 mm.Whereas in the case of unalloyed uranium the grains of the structure obtained by normal cooling are coarse, very irregular and dendritic (Fig. 1), these are the grains which, in the case of the alloy according to The invention can be obtained (Figs. 2, 3 and 4) fine, omnidirectional, have polygonal approximately regular Contours on and are free from tension. Their mean "diameter" is always smaller than 0.5 mm, while that obtained with unalloyed uranium under the same cooling conditions Grains can reach and even exceed a size of several millimeters. If for maintaining the relationship between the proportionate contents of additional elements and the cooling rate Care is taken, so is the degree of tempering of the alloys according to the invention with the exception of this, in the case of very low cooling rates (below 5 ° C./min.), this is practical regardless of the cooling rate and the mean diameter of the grain is less than 0.1 mm.
Die Herstellung der Legierungen gemäß der Erfindung ergibt keine Schwierigkeit, unter der Voraussetzung, daß im Falle der Verwendung von Tiegeln aus Graphit eine Verunreinigung der Schmelze durch Kohlenstoff soweit als irgend möglich verhindert wird. Um das zu erzielen bzw. zu sichern, ist eine dicke widerstandsfähige feuerfeste Auskleidung der Tiegel ausreichend. Die Verluste an Chrom und Silizium können im Hinblick auf den zulässigen Toleranzbereich, innerhalb dessen die Gehalte an diesen Metallen veränderlich sind, vernachlässigt werden. Die als Folge der intermetallischen Bindung des Zirkoniums durch den Kohlenstoff eintretenden Verluste an diesem Metall sind sehr viel geringer, als das vom stöchiometrischen Gesichtspunkt aus an sich zu erwarten wäre, und werden ebenfalls durch den Bereich von Änderungsmöglichkeiten des Gehaltes der Legierung an diesem Metall kompensiert. Andererseits wird aus dem gleichen Grunde bei Bemessung der zugesetzten Menge an Zirkonium der Kohlenstoffgehalt des verwendeten Urans berücksichtigt.The production of the alloys according to the invention presents no difficulty, provided that that in the case of the use of crucibles made of graphite, contamination of the melt by Carbon is prevented as much as possible. In order to achieve or secure that, one is required Thick, resistant, refractory lining of the crucibles is sufficient. The losses of chromium and Silicon can with regard to the permissible tolerance range within which the contents of these metals are changeable can be neglected. As a result of the intermetallic bond of the zirconium through the carbon occurring losses in this metal are very much lower than which would be expected from the stoichiometric point of view, and are also supported by the Compensated for range of possibilities for changing the content of the alloy in this metal. on the other hand For the same reason, the carbon content is calculated when measuring the amount of zirconium added of the uranium used.
Die sich selbst vergütenden Legierungen gemäß der Erfindung ermöglichen es also, Brennstoffelemente von allen beliebigen Formen und Abmessungen auf dem einfachsten und wirtschaftlichsten technologischen Weg herzustellen. Der als Folge desThe self-aging alloys according to the invention thus make it possible to use fuel elements of any shape and size to the simplest and most economical technological way to establish. As a result of the
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Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1410253A (en) * | 1964-07-01 | 1965-09-10 | Cie Pour L Etude Et La Realisa | New uranium alloys for nuclear fuels |
| ES348693A2 (en) * | 1966-12-30 | 1970-04-01 | Cerca | Uranium alloys |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1149991A (en) * | 1956-04-21 | 1958-01-03 | Commissariat Energie Atomique | New uranium alloys and process for obtaining these alloys |
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1963
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-
1964
- 1964-02-21 DE DEC32214A patent/DE1234994B/en not_active Withdrawn
- 1964-02-26 GB GB8008/64D patent/GB1045019A/en not_active Expired
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1149991A (en) * | 1956-04-21 | 1958-01-03 | Commissariat Energie Atomique | New uranium alloys and process for obtaining these alloys |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| FR1357738A (en) | 1964-04-10 |
| GB1045019A (en) | 1966-10-05 |
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