СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТОЙ ОБОЛОЧКИ СТЕРЖНЕЙ ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА И ТРУБЧАТАЯ ОБОЛОЧКА, ПОЛУЧЕННЫЕ УКАЗАННЫМ СПОСОБОМ Российский патент 2000 года по МПК G21C3/06 G21C3/07 

Настоящее изобретение касается труб из сплава на основе циркония, предназначенных для формирования полной оболочки стержня ядерного топлива либо внешней ее части или направляющей трубы. Оно находит важное, хотя и не единственное, применение в области изготовления труб для герметизации стержня ядерного топлива, предназначенных для водных реакторов высокого давления.

До настоящего времени использовались, в основном, оболочки из сплава на основе циркония, так называемый "Zircaloy-4", с содержанием в вес.%: 1,20-1,70% - олова, 0,18-0,24% - железа, 0,07-0,13% - хрома, причем общее содержание железа и хрома составляет от 0,28 до 0,37 вес.%. В классическом варианте соотношение содержания железа и хрома составляет, приблизительно, от 1,38 до 3,42.

Содержание кислорода в "Zircaloy-4" обычно не превышает 0,16% и, как правило, значительно ниже.

Механическая прочность оболочек из "Zircaloy-4" достаточно высока, однако их подверженность коррозии в результате действия напорной воды при высокой температуре ограничивает их срок службы в реакторе.

Уже предлагались оболочки из сплава Zr-Nb приблизительно с 2,5% ниобия (US-A-4717534), который показал высокую коррозийную прочность в водной среде при высокой температуре. Однако такой сплав имеет невысокое сопротивление текучести при высоких температурах. Оно может быть улучшено путем повышения содержания кислорода в сплаве до 0,10-0,16 вес.% и путем осуществления заключительной термообработки оболочки перекристаллизацией. Однако сопротивление текучести такого сплава при высоких температурах остается ниже, чем у других материалов оболочки.

Настоящее изобретение касается, в частности, способа изготовления труб для герметизации, позволяющего получить трубу, имеющую одновременно высокую коррозийную прочность в водной среде при высоких температурах и достаточное сопротивление текучести при высоких температурах, и в то же время не создающего сложностей при его осуществлении, ведущих к высокой степени отходов.

Для этого предлагается, в частности, способ изготовления труб из сплава на основе циркония с содержанием 50 - 250 вес. ч. железа, 0,8 -1,3 вес.% ниобия, менее 1600 вес. ч. кислорода, менее 200 вес. ч. углерода и менее 120 вес. ч. кремния, причем этот процесс включает:
- горячую обработку давлением болванки (например, ковкой или прокаткой) для получения бруска;
- погружение бруска в воду после нагрева в электрической печи или после индукционного нагрева при температуре от 1000 до 1200^oC;
- вытяжку полой заготовки после нагрева при температуре от 600 до 800^oC;
- при необходимости, термообработку заготовки при температуре от 560 до 620^oC;
- по меньшей мере четыре этапа холодной прокатки по форме трубы с уменьшением толщины, с промежуточными этапами термообработки и заключительной термообработкой при температуре от 560 до 620^oC, причем вое этапы термообработки осуществляются в инертной атмосфере или в вакууме.

Полученную таким образом трубу в дальнейшем не подвергают термообработке, изменяющей ее металлургическую структуру, вплоть до момента ее использования в качестве трубы для герметизации или направляющей трубы. Вместе с тем производят однократную обработку поверхности с последующим тестированием. Обработка поверхности может, в частности, включать пескоструйную обработку и химическую декапировку с последующей промывкой. Обработка поверхности может дополняться шлифовкой с помощью вращающейся ленты или колеса. Контроль осуществляется классическим способом.

Важно, чтобы содержание железа не превысило 250 вес. ч. Был получен неожиданный эффект, заключающийся в том, что сопротивление текучести при высокой температуре резко снижается, если содержание железа превышает 250 вес. ч. На практике содержание железа от 100 до 200 вес. ч. дает хорошие результаты с точки зрения сопротивления текучести. На чертеже показаны результаты испытаний, показывающие величины деформаций по диаметру при различных процентных содержаниях железа в условиях, типичных для оболочки, при 1%-ном содержании ниобия.

Важно также не подвергать сплав термообработке при температуре выше 620^oC после вытяжки. Термообработка при большей температуре ведет к значительному снижению коррозийной прочности при высоких температурах, что показывают нижеследующие результаты тестирования на коррозию сплавов циркония с содержанием 1% ниобия, осуществляющегося в автоклаве в среде водяного пара при 500^oC.

Пример 1
- промежуточные этапы обработки: 2 часа при 580^oC,
- заключительная обработка: 2 часа при 580^oC.

Пример 2
- промежуточные этапы обработки: 2 часа при 700^oC,
- заключительная обработка: 2 часа при 580^oC.

Пример 3
- промежуточные этапы обработки: 2 часа при 700^oC,
- заключительная обработка: 2 часа при 700^oC.

При тестировании в автоклаве получены оболочки массой:
- пример 1 - 48 мг/дм²;
- пример 2 - 57 мг/дм²;
- пример 3 - 63 мг/дм².

Образцы в трех примерах имели содержание железа 150 вес. ч.

Было установлено, что сплав обладал феноменом памяти, т. е. последствия даже одной обработки после первого прохода прокатки при температуре выше 620^oC полностью не устраняются.

Как правило, промежуточные этапы термообработки осуществлялись при рекомендуемой температуре от 565 до 605^oC, а температура выше 580^oC для промежуточных этапов термообработки и около 580^oC при заключительной обработке оказалась достаточной для большей части соединений.

Изготовление трубки из заготовки после вытяжки может осуществляться, в частности, в четыре или пять отдельных проходов путем термообработки при 560^oC - 620^oC, предпочтительно около 620^oC.

Содержание кислорода порядка 1200 вес. ч. оказывается достаточным для оказания благоприятного эффекта на сопротивление текучести перекристаллизованного сплава.

В изобретении предлагается также герметизирующая или направляющая труба для соединения топлива ядерного реактора, охлажденного и замедленного водой под давлением, выполненная из сплава на основе циркония с полностью перекристаллизованном состоянии, с содержанием железа 50-250 вес. ч., 0,8-1,3 вес.% ниобия, 1000/1600 вес. ч. кислорода, менее 200 вес. ч. углерода, менее 120 вес. ч. кремния, а также циркония, кроме неизбежных загрязнений.

Анализ разработанного сплава выявил отсутствие уравнения осадков β Zr, вредных с точки зрения коррозии.

Было проведено сравнительное тестирование сплавов с содержанием ниобия от 0,86 до 1,3% и железа от 100 до 150 вес. ч.

Ниже приведены типовые этапы, применяемые при изготовлении изделия из кованого стержня диаметром 177 мм:
- погружение в воду после нагрева в течение 1 часа при 1050^oC;
- механическая обработка заготовки с внешним диаметром 168 мм и внутренним диаметром 48 мм;
- вытяжка после индукционного нагрева при 650^oC для получения внешнего диаметра 80 мм и внутреннего диаметра 48 мм;
- прокатка труб в пять циклов, включающее промежуточные этапы термообработки в течение 2 часов при 580^oC;
- заключительная термообработка в течение двух часов при 580^oC.

Испытания выявили стойкость к общей коррозии в водной среде при высокой температуре, типичной для условий водного реактора высокого давления, сравнимую с коррозийной стойкостью известных сплавов Zr-Nb с высоким содержанием ниобия; тестирование также выявило сопротивление текучести при высоких температурах, значительно более высокое, чем у известных сплавов, и сравнимое с лучшими сплавами "Zircaloy-4": таким образом, после 240 часов при 400^oC и при 130 МПа можно измерить следующие деформации текучести по диаметру:
- Zr, 1%, 150 вес. ч. Fe, перекристаллизированный: 0,5%;
- перекристаллизованный "Zircaloy-4" оптимальной композиции с точки зрения текучести: ≤ 1,0%.

Способ позволяет изготавливать трубы, предназначенные для герметизации стержня ядерного топлива. Изготавливают брусок из сплава на основе циркония с содержанием 50 - 250 вес.ч. железа, 0,8-1,3 вес.% ниобия, менее 1600 вес. ч. кислорода, менее 200 вес.ч. углерода и менее 120 вес.ч. кремния. Погружают брусок в воду после нагрева при 1000 - 1200^oС, выдавливают заготовку после нагрева при 600 - 800^oС, проводят холодную прокатку заготовки, по меньшей мере, в четыре этапа для получения трубки, с промежуточными этапами термообработки при 560 - 620^oС и осуществляют заключительную термообработку при 560 - 620^oС, причем все этапы термической обработки осуществляются в инертной атмосфере или в вакууме. Технический результат - высокая коррозионная прочность трубчатых оболочек в водной среде при высоких температурах и достаточное сопротивление текучести. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления трубчатой оболочки стержней ядерного топлива, являющейся полной оболочкой, либо внешней частью оболочки указанного стержня, либо трубчатой направляющей стержня ядерного топлива, отличающийся тем, что изготавливают брусок из сплава на основе циркония с содержанием 50 - 250 вес. ч. железа, 0,8 - 1,3 вес.% ниобия, менее 1600 вес. ч. кислорода, менее 200 вес. ч. углерода и менее 120 вес. ч. кремния, погружают брусок в воду после нагрева при 1000 - 1200^oC, вытягивают заготовку после нагрева при 600 - 800^oC, осуществляют холодную прокатку заготовки, по меньшей мере, в четыре этапа для получения трубки, с промежуточными этапами термообработки при 560 - 620^oC, осуществляют заключительную термообработку при 560 - 620^oC, причем все этапы термообработки осуществляют в инертной атмосфере или в вакууме. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что трубчатую оболочку получают в результате четырех или пяти проходов холодной прокатки из заготовки, подвергнутой вытяжке. 3. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что вытяжка заготовки осуществляется с последующей термообработкой при 560 - 620^oC. 4. Способ по пп.1, 2 и 3, отличающийся тем, что промежуточные этапы термообработки осуществляют при рекомендуемой температуре от 560 до 605^oC. 5. Способ по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что заключительная термообработка осуществляется предпочтительно при температуре около 580^oC. 6. Способ по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что содержание железа составляет приблизительно 150 вес. ч. 7. Способ по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что содержание кислорода составляет 1000 - 1600 вес. ч. 8. Трубчатая герметичная оболочка или трубчатая направляющая стержня ядерного топлива реактора, охлажденного и замедленного водой под давлением, выполненные из сплава на основе циркония в полностью перекристаллизованном состоянии, с содержанием железа 50 - 250 вес. ч. 0,8 - 1,3 вес.% ниобия, 1000 - 1600 вес. ч. кислорода, менее 200 вес. ч. углерода, менее 120 вес. ч. кремния, а также циркония, кроме неизбежных загрязнений.