DE60014577T2

DE60014577T2 - Zirkonlegierung für nuklearen brennstoffaufbau

Info

Publication number: DE60014577T2
Application number: DE60014577T
Authority: DE
Inventors: Shigemitu Hyogo-ku SUZUKI; Toshimichi Takahashi; Soichi Hyogo-ku DOI; Mituteru Hyogo-ku SUGANO; Yasuhide Hyogo-ku SENDA; Toshiya Naka-gun KIDO
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: JP2001040441A; EP1136578B1; EP1136578A4; JP4718656B2; WO2001009402A1; EP1136578A1; ATE278815T1; DE60014577D1; ES2225181T3

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft eine Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau. Mehr spezifisch betrifft diese Erfindung eine Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau für strukturelle Teile wie Abdeckrohr für nuklearen Brennstoff, Führungsrohr und Trägergitter eines unter Druck gesetzten Wasserreaktors, die eine erforderliche Dauerhaftigkeit (Stärke) und Korrosionsresistenz, Wasserstoffabsorption und Dimensionsstabilität innerhalb des Reaktors erfüllt.
STAND DER TECHNIK
Als Material für strukturelle Teile wie Abdeckrohr für nuklearen Brennstoff, Führungsrohr und Trägergitter eines unter Druck gesetzten Wasserreaktors wird Zr mit niedriger Absorptionsfähigkeit von thermischen Neutronen verwendet. Ein solches Material muss zunächst eine vorbestimmte Dauerhaftigkeit aufweisen. Wenn das Material die Dauerhaftigkeit aufweist, ist als nächstes die Korrosionsresistenz erforderlich, und darüber hinaus sind die Wasserstoffabsorption und Dimensionsstabilität im Reaktor erforderlich. Als solche Legierung wird im allgemeinen Zirkalloy-4 verwendet. Zur Verbesserung der Kostenleistung einer Atomenergie-Erzeugungsanlage soll der Brennstoff stark gebrannt werden. Unter solchen Verwendungsumgebungen ist die Korrosionsresistenz von Zirkalloy-4 stärker erforderlich. Die Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau, bei der die Korrosionsresistenz verbessert ist, ist aus den japanischen Patenten 1,984,830, 2,139,789 und 2,674,052 bekannt.
Bei diesen Patenten wird ein Verhältnis von zugegebenen Elementen definiert, aber die Menge eines jeden zugegebenen Elementes wird nicht definiert. Das konventionelle Material ohne Definition ist manchmal unzureichend bezüglich der Stärke.
FR 2 769 637 A beschreibt eine Zirkoniumlegierung, umfassend 0,2 bis 1,7 Gew.-% Sn, 0,18 bis 0,6 Gew.-% Fe, 0,07 bis 0,4 Gew.-% Cr, 0,05 bis 1,0 Gew.-% Nb, wobei der Rest Zr und unvermeidbare Verunreinigungen ist. Wahlweise kann Ta ebenfalls enthalten sein.
Es wird durch die Erfinder dieser Erfindung bestätigt, dass die Mengen der zugegebenen Elemente den Absolutwert der Dauerhaftigkeit bei der hohen Temperatur von 385°C in der Zr-Legierung beeinflussen, zu der die zusätzlichen Elemente, insbesondere Sn und Nb, die in der Zr-Legierung feststofflöslich sind, gegeben werden. Daher ist es gewünscht, die Dauerhaftigkeit der Zr-Legierung zu verbessern, zu der in der Zr-Legierung feststofflösliches Sn und Nb gegeben werden. Darüber hinaus ist es gewünscht, dass die Korrosionsresistenz zusätzlich zur Verbesserung der Stärke und darüber hinaus die Wasserstoffabsorption und Dimensionsstabilität verbessert werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Daher liegt ein Ziel dieser Erfindung darin, eine Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau anzugeben, worin in der Zr-Legierung feststofflösliches (Sn + Nb) zugegeben werden, sodass die Dauerhaftigkeit (Stärke) verbessert werden kann.
Ein anderes Ziel dieser Erfindung liegt darin, eine Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau anzugeben, worin die Korrosionsresistenz zusätzlich zur Verbesserung der Stärke durch Zugabe von in der Zr-Legierung feststofflöslichem (Sn + Nb) verbessert werden kann.
Ein weiteres Ziel dieser Erfindung liegt darin, eine Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau anzugeben, worin die Gesamtmenge an in der Zr-Legierung feststofflöslichem (Sn + Nb) definiert ist und deren physikalische Eigenschaft in einem Fest-Lösungszustand von (Sn + Nb) quantitativ gesteuert wird, um so die Stärke zu verbessern.
Ein noch weiteres Ziel dieser Erfindung liegt darin, eine Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau anzugeben, worin die Mengen an in der Zr-Legierung feststofflöslichem Sn und Nb definiert sind und andere physikalische und chemische Eigenschaften verbessert werden können und ebenso die physikalische Eigenschaft der Zr-Legierung im Feststoff-Lösungszustand von (Sn + Nb) quantitativ gesteuert wird, um so die Stärke und Korrosionsresistenz zu verbessern.
Die Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau dieser Erfindung ist in Anspruch 1 definiert und umfasst definierte Mengen an Fe, Cr, Sn und Nb und enthält darüber hinaus positiv O.
Jedoch ist es nicht bekannt, wie der Gehalt an Sauerstoff die physikalische Eigenschaft beeinflusst. Die Korrosionsresistenz kann durch positives Vorhandensein von Sauerstoff zusätzlich zu Fe, Cr, Sn und Nb verbessert werden.
Die Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau umfasst 0,2 bis 0,6 Gew.-% Sn, 0,45 bis 0,55 Gew.-% Nb, 0,27 bis 0,33 Gew.-% Fe, 0,36 bis 0,44 Gew.-% Cr und 0,10 bis 0,16 Gew.-% O. Hierdurch kann die Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau die sauerstoffhaltige Wirkung zeigen, während weiterhin die Stärke verbessert wird. Insbesondere ist es gewünscht, dass die Gesamtmenge an Fe und Cr 0,28 bis 1,0 Gew.-% ist.
Es ist wichtig zu berücksichtigen, dass Sn und Nb, die in einem Feststoff-Lösungszustand coexistieren, Elemente einer Gruppe (Sn + Nb) eines feststofflöslichen Materials sind. Es wird in dem obigen japanischen Patent 2,674,052 beschrieben, dass Sn und Nb unabhängig sowohl die Stärke als auch die Korrosionsresistenz beeinflussen. Jedoch wird in der Druckschrift nicht beschrieben, dass (Sn + Nb) als feststofflösliches Material die Stärke empfindlich beeinflussen. Es wird ebenfalls durch die Erfinder festgestellt, dass die Verminderung der Stärke auf weniger als 20% erniedrigt werden kann, wenn die Zr-Legierung Fe und Cr und zumindest eines von Sn und Nb enthält, wobei eines von Sn und Nb im Feststoff-Lösungszustand vorliegt und die Gesamtmenge an Sn und Nb 0,7 Gew.-% oder mehr ist. In diesem Fall ist die Gesamtmenge an Sn und Nb wichtig. Extrem ausgedrückt kann die Wirkung beibehalten werden, selbst wenn das Verhältnis von Sn und Nb 0 bis 100 ist. Wenn die Gesamtmenge an (Sn + Nb) gleich oder mehr als 0,7 Gew.-% ist, kann die Verminderung der Stärke auf gleich oder weniger als 20% unterdrückt werden.
Wenn auf diese Weise die Kontrolle der Stärke durch die Zugabe von Sn oder Nb, die Kontrolle der Korrosionsresistenz durch Zugabe von Sauerstoff und die Kontrolle der Zusammensetzung im Hinblick auf die Temperatur durchgeführt wird, können die Stärke und die Korrosionsresistenz unabhängig gesteuert werden, und die Zr-Legierung, die für eine gewünschte Anwendung passt, kann erhalten werden. Eine zusätzliche Wirkung von Verminderungen der Wasserstoffabsorptionsquantität kann durch Verbesserung der Korrosionsresistenz erhalten werden. Zusätzlich wird Dimensionsstabilität verbessert. Eine solche Legierung ist als Legierungsmaterial, das im Reaktor verwendet wird, wirksam, insbesondere als Material eines Rohrs für nuklearen Brennstoffaufbau.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Diagramm, das die physikalische Stärkeneigenschaft der Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung zeigt; und
2 ist ein Diagramm, das eine Sauerstoffzugabewirkung zeigt.
BESTE ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird die Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau dieser Erfindung detailliert beschrieben. Die Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau gemäß einem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung enthält Sn, Nb, Fe und Cr und enthält weiterhin O. Sn und Nb liegen in der Zr-Legierung in einem feststofflöslichen Zustand vor. Die Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau umfasst 0,2 bis 0,6 Gew.-% Sn, 0,45 bis 0,55 Gew.-% Nb, 0,27 bis 0,33 Gew.-% Fe, 0,36 bis 0,44 Gew.-% Cr und 0,10 bis 0,16 Gew.-% 0.
Eine solche Zr-Legierung enthält manchmal Ni. In diesem Fall ist es gewünscht, dass Ni 0,1 Gew.-% oder weniger ist. Ebenso sind Ta, Ni und andere Verunreinigungsmaterialien (Elemente) in der Zr-Legierung enthalten. Andere Materialien als solche Elemente sind Zr mit Ausnahme von Verunreinigungen, die unvermeidbar enthalten sind.
Die Definition einer Gesamtmenge an Sn und Nb ist wirksam zum Aufrechterhalten der vorbestimmten Stärke der Zr-Legierung. Insbesondere wenn die Gesamtmenge an Sn und Nb 0,7 Gew.-% oder mehr ist, kann die Stärke oberhalb des vorbestimmten Wertes aufrecht erhalten werden. In diesem Fall kann Sn im wesentlichen 0 Gew.-% sein.
Es wurde durch diese Erfinder bestätigt, dass ein Absolutwert der Dauerhaftigkeit einer solchen Zr-Legierung durch 2% Sn und 3% Nb pro 1 Gew.-% eines jeden von Sn und Nb bei der Temperatur von 385°C beeinflusst wird. Wenn die Gesamtmenge an Sn und Nb definiert wird, dass sie gleich oder mehr als 0,7% ist, wurde bestätigt, dass die Verminderung der Dauerhaftigkeit innerhalb von 20% unterdrückt werden kann im Vergleich zu der gegenwärtigen Zirkalloy-4, wie in 1 gezeigt ist. Es kann aufgrund dieser Tatsache geschlossen werden, dass ein gutes Ergebnis erhalten werden kann, wenn die Gesamtmenge an Sn und Nb 0,7 Gew.-% oder mehr ist. Die Dauerhaftigkeit hängt von der Konzentration von (Sn + Nb) ab, die im Feststoff-Lösungszustand in der Zr-Legierung existieren. Der Einfluss des vorhandenen Prozentsatzes an Sn und Nb führt zu den Konzentrationen von (Sn + Nb), die im Feststoff-Lösungszustand coexistieren. Der Feststoff-Lösungszustand, der durch die Verarbeitungszeit und -temperatur beeinflusst wird, beeinflusst vermutlich auch die Stärke.
Es sollte beachtet werden, dass die Dauerhaftigkeit ein Wert ist, der durch einen Einachsen-Zugfestigkeitstest bei der Temperatur von 385°C mit der Zr-Legierung erhalten wird, die den Prozentsatz gemäß dieser Erfindung enthält.
Bei der gegenwärtig verwendeten Zirkalloy-4 ist der vorhandene Prozentsatz an Sn 1,2 bis 1,7 Gew.-%. Bei der gegenwärtig verwendeten Zirkalloy-4 vermindert sich die Dauerhaftigkeit auf 0,8, wenn der vorhandene Prozentsatz an Sn sich von 1,7 Gew.-% auf 0,7 Gew.-% vermindert. Auf der anderen Seite ist in dieser Erfindung der Dauerhaftigkeitswert oberhalb einer geraden Linie lokalisiert, die eine 20%-ige Verminderungslinie anzeigt, wie in 1 gezeigt ist. Dies impliziert, dass dann, wenn die Gesamtmenge an Sn und Nb auf 0,7 Gew.-% oder mehr erhöht wird, es möglich ist, die Erhöhungsrate der Dauerhaftigkeit zuverlässig größer zu machen als bei den konventionellen Beispielen.
2 zeigt, dass der vorhandene Prozentsatz an Sauerstoff die Korrosionsresistenz beeinflusst. Wenn eine Zr-Legierung mit hoher Sauerstoffkonzentration, die 0,7 Gew.-% Sn enthält, und eine Zr-Legierung mit niedriger Sauerstoffkonzentration, die 0,8 Gew.-% Sn enthält, verglichen werden, wird die Korrosionsresistenz nachteilig, wenn sich der Prozentsatz des Sauerstoffgehaltes vermindert.
Sauerstoff mit einem Gehalt von 0,05 Gew.-% ist in der Zr-Legierung natürlich enthalten. Wie oben erwähnt, wurde durch die Erfinder festgestellt, dass Sauerstoff keine Verunreinigung ist, sondern die Korrosionsresistenz beeinflusst. Daher ist in der erfindungsgemäßen Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau Sauerstoff positiv in einer höheren Menge zugegeben, als die Menge an Sauerstoff, die natürlich in der Zr-Legierung existiert.
Ein Abdeckrohr für Brennstoff aus der Zr-Legierung wird durch Wasserstoffabsorption korrodiert, wenn es in dem Wasser eines unter Druck gesetzten Leichtwasserreaktors verwendet wird. Diese Erfindung gibt die Verbesserungswirkung einer solchen Korrosion gleichzeitig an. Das Abdeckrohr für Brennstoff aus der Zr-Legierung hat wünschenswert die Dimensionsstabilität im Nuklearreaktor. Diese Erfindung gibt gleichzeitig auch die Verbesserung der Dimensionsstabilität an. Die Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau gemäß dieser Erfindung kann die Korrosionsresistenz verbessern, während die Stärke beibehalten wird. Dies wird durch die Kontrolle einer Gesamtmenge an Sn und Nb im Feststoff-Lösungszustand erreicht.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Diese Erfindung hat Vorteile bezüglich der Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau, mehr spezifisch für eine Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau bezüglich der strukturellen Teile wie Abdeckrohr für nuklearen Brennstoff, Führungsrohr und Trägergitter eines unter Druck gesetzten Wasserreaktors, wobei die erforderliche Dauerhaftigkeit (Stärke) und Korrosionsresistenz, Wasserstoffabsorption und Dimensionsstabilität innerhalb des Reaktors erfüllt werden.

Claims

Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau, umfassend Fe, Cr, Sn und Nb und weiterhin positiv umfassend O, und worin die Zr-Legierung umfaßt: Sn 0,2 bis 0,6 Gew.% Nb 0,45 bis 0,55 Gew.% Fe 0,27 bis 0,33 Gew.% Cr 0,36 bis 0,44 Gew.% und O 0,10 bis 0,16 Gew.%, wobei der Rest Zr und unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei die Verunreinigungen Ta und/oder 0,1 Gew.% oder weniger Ni umfassen.
Zr-Legierung für nuklearen Brennstoffaufbau nach Anspruch 1, worin die Gesamtmenge an Fe und Cr 0,28 bis 1,0 Gew.% ist.
Zr-Legierung nach Anspruch 1 oder 2, worin zumindest eines von Sn und Nb im festen Lösungszustand existiert und die Gesamtmenge an Sn und Nb 0,7 Gew.% oder mehr ist.