ТРУБЧАТАЯ ОБОЛОЧКА ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА ВОДЯНОГО РЕАКТОРА
TUBULAR SHELL OF WATER REACTOR FUEL ELEMENT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора, содержащей внутренний слой и наружный слой соответственно из первого сплава на основе циркония и второго сплава на основе циркония. Настоящее изобретение также относится к стержневому тепловыделяющему элементу (твэлу) и тепловыделяющей сборке, содержащим такую трубчатую оболочку тепловыделяющего элемента водяного реактора, и способу изготовления такой трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора.
Описание уровня техники
Трубчатые оболочки тепловыделяющих элементов для водяных реакторов обычно изготавливались из сплава на основе циркония. Примерами сплавов, которые применялись ранее, являются циркалой-2 (Zircaloy-2) и циркалой-4 (Zircaloy-4). Стержневые тепловыделяющие элементы формируют путем вставки топливных таблеток в такие трубчатые оболочки. Тепловыделяющие сборки содержат несколько стержневых тепловыделяющих элементов.
Проблема, наблюдавшаяся при использовании трубчатых оболочек из сплавов на основе циркония в реакторе, состоит в том, что могут образовываться трещины, которые возникают на внутренней поверхности трубчатой оболочки, как описано в ЕР 0194797. Как представляется, трещины создаются при контакте между трубчатой оболочкой и топливными таблетками во время быстрых увеличений выходной мощности реактора, то есть в результате так называемого взаимодействия между таблеткой и оболочкой (PCI). В ЕР 0194797 предлагается решение этой проблемы за счет предусматривания защитного внутреннего слоя из сплава на основе циркония.
В реакторах с водой под давлением (PWR) выходная мощность реактора возрастает не так быстро, как в реакторах с кипящей водой (BWR), и поэтому образование трещин в PWR-реакторах не столь распространено, как в BWR-реакторах. Таким образом, в PWR-реакторах защитный внутренний слой не рассматривается как имеющий столь же важное значение, как в BWR-реакторах.
Однако было обнаружено, что проблема трещин по-прежнему существует в трубчатых оболочках реакторов с водой под давлением вследствие взаимодействия между таблеткой и оболочкой (PCI).
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в предоставлении трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора, которая имеет преимущественные свойства в отношении устойчивости к коррозии. В особенности, оно направлено на такую коррозионно-устойчивую трубчатую оболочку тепловыделяющего элемента водяного реактора для реактора с водой под давлением.
Еще одной задачей настоящего изобретения является предоставление способа изготовления трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора, которая имеет преимущественные свойства в отношении устойчивости к коррозии. В особенности, оно направлено на способ изготовления такой коррозионно-устойчивой трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора для реактора с водой под давлением.
Эти задачи решаются с помощью трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора и способа согласно независимым пунктам формулы изобретения.
Дальнейшие преимущества настоящего изобретения достигаются с помощью признаков, охарактеризованных в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предусмотрена трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора. Трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора содержит наружный слой из первого сплава на основе циркония и имеет металлургически соединенный с ним внутренний слой из второго сплава на основе циркония, причем этот внутренний слой приспособлен для защиты трубчатой оболочки от коррозионного растрескивания под напряжением. Второй сплав на основе циркония содержит олово в качестве легирующего материала, и каждый из сплавов на основе циркония содержит по меньшей мере 96 процентов по весу циркония. Трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора отличается тем, что первый сплав на основе циркония содержит по меньшей мере 0,1 процента по весу ниобия.
Благодаря наличию ниобийсодержащего сплава в наружном слое трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора становится более коррозионно-устойчивой в реакторе с водой под давлением, чем если бы наружный слой состоял из сплава на основе циркония без ниобия. Далее, благодаря введению внутреннего слоя из сплава на основе циркония, содержащего олово в качестве легирующего материала, устойчивость трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора против образования трещин повышается по сравнению с трубчатыми оболочками тепловыделяющих элементов водяного реактора, не имеющими какого-нибудь слоя из содержащего олово сплава на основе циркония.
Главными легирующими материалами первого сплава на основе циркония могут быть ниобий, железо и олово, причем содержание любых дополнительных веществ составляет менее 0,05 процента по весу. Такой сплав обеспечивает преимущественные характеристики в отношении коррозии, в особенности в реакторе с водой под давлением.
Главные легирующие материалы первого сплава на основе циркония могут содержать хром. В случае, если хром присутствует в первом сплаве на основе циркония, то содержание хрома предпочтительно составляет 0,05-0,1 процента по весу.
Первый сплав на основе циркония может содержать кислород. В случае, если кислород присутствует в первом сплаве на основе циркония, то содержание кислорода предпочтительно составляет 500-2000 миллионных долей по весу.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения первый сплав на основе циркония может содержать 0,6-1,2 процента по весу ниобия, а предпочтительно 1,0-1,1 процента по весу ниобия, и наиболее предпочтительно 1,02-1,04 процента по весу ниобия. Далее, первый сплав на основе циркония содержит 0,6-1,2 процента по весу олова, а предпочтительно 0,6-1,0 процента по весу олова, и наиболее предпочтительно 0,6-0,8 процента по весу олова. Более того, первый сплав на основе циркония содержит 0,1-0,3 процента по весу железа. Такой сплав обычно называется «Цирло» (Zirlo) и также может включать хром и кислород в количествах, указанных в двух предшествующих абзацах. Сплав Zirlo проявил себя весьма выгодным сплавом в реакторах с водой под давлением. Также возможно применение сплава только с одним или некоторыми из вышеупомянутых легирующих материалов.
В качестве альтернативы вышеописанным вариантам осуществления, главный легирующий материал первого сплава на основе циркония представляет собой ниобий, и содержание любых дополнительных веществ составляет менее 0,05 процента по весу. Первый сплав на основе циркония предпочтительно содержит 0,6-1,2 процента по весу ниобия.
Первый сплав на основе циркония может альтернативно содержать легирующие материалы, как охарактеризовано в любом из пунктов 12-31 формулы изобретения. Эти сплавы обеспечивают высокую устойчивость против коррозии.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения главными легирующими материалами второго сплава на основе циркония являются олово и железо, причем содержание любых дополнительных веществ составляет менее 0,05 процента по весу. Второй сплав на основе циркония преимущественно содержит 0,1-1 процент по весу олова. Такой сплав выгоден тем, что он является достаточно мягким, чтобы препятствовать образованию обусловленных контактом трещин в трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора.
Чтобы обеспечить оптимальные характеристики в отношении обусловленных контактом трещин, второй сплав на основе циркония содержит 0,02-0,3 процента по весу железа.
Трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора по любому из предшествующих пунктов формулы изобретения, в котором наружный слой является частично перекристаллизованным.
Чтобы обеспечить оптимальную устойчивость против трещин в трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора, внутренний слой предпочтительно является полностью перекристаллизованным.
Чтобы обеспечить оптимальную коррозионную стойкость наружного слоя, наружный слой предпочтительно является частично перекристаллизованным.
В случае, когда наружный слой трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора является частично перекристаллизованным, степень перекристаллизации в наружном слое составляет 45 процентов - 90 процентов, а предпочтительно 50 процентов - 70 процентов.
Трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора согласно изобретению может быть изготовлена многими путями. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора была изготовлена путем совместного выдавливания первой трубки из первого сплава на основе циркония и второй трубки из второго сплава на основе циркония. Этот способ обеспечивает возможность изготовления трубки высокого качества.
Толщина внутреннего слоя в трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора согласно изобретению составляет 5-40% от толщины трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента реактора, а предпочтительно 5-15% от толщины трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента реактора. Это обеспечивает хорошую защиту против образования трещин, в то же время не повышая вес трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предусмотрен стержневой тепловыделяющий элемент водяного реактора, содержащий трубчатую оболочку тепловыделяющего элемента водяного реактора согласно изобретению и топливные таблетки, заключенные в этой трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предусмотрена тепловыделяющая сборка, которая содержит по меньшей мере два стержневых тепловыделяющих элемента согласно изобретению.
Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора. Способ включает в себя стадии обеспечения первой трубки из первого сплава на основе циркония, имеющей внутренний диаметр и наружный диаметр, обеспечения второй трубки из второго сплава на основе циркония, имеющей внутренний диаметр и наружный диаметр, при этом наружный диаметр второй трубки по существу равен внутреннему диаметру первой трубки, вставки второй трубки в первую трубку, и совместного выдавливания первой трубки и второй трубки с формированием трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора. Каждый из сплавов на основе циркония содержит по меньшей мере 96 процентов по весу циркония. Способ отличается тем, что первый сплав на основе циркония содержит по меньшей мере 0,1 процента по весу ниобия.
В изготовленной трубчатой оболочке тепловыделяющего элемента водяного реактора наружный слой соответствует первой трубке, а внутренний слой соответствует второй трубке.
В уровне техники известно изготовление трубчатых оболочек путем вставки первой трубки внутрь второй трубки перед совместным выдавливанием этих трубок. Перед вставкой первой трубки внутрь второй трубки внутренность второй трубки обычно протравливают, чтобы получить на внутренности второй трубки гладкую поверхность и сделать внутренний диаметр второй трубки по существу равным наружному диаметру первой трубки. Однако, когда трубка содержит ниобийсодержащий сплав на основе циркония, протравливание поверхности трубки является неблагоприятным, так как процесс травления будет оставлять на поверхности трубки остаточные продукты в виде чистого ниобия.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения внутреннюю поверхность первой трубки перед вставкой второй трубки в первую трубку подвергают механической обработке резанием так, что внутренний диаметр первой трубки по существу соответствует наружному диаметру второй трубки.
Способ также может включать стадию термической обработки трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора так, что внутренний слой полностью перекристаллизовывается, и так, что наружный слой частично перекристаллизовывается.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения термическую обработку выполняют до тех пор, пока степень перекристаллизации наружного слоя не составит 45 процентов - 90 процентов, а предпочтительно - пока степень перекристаллизации наружного слоя не составит 50 процентов - 70 процентов. Эта степень оказалась выгодной степенью перекристаллизации.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения термическую обработку выполняют при температуре 485-565°С в течение 1-6 часов.
Это обеспечивает желательные степени вышеупомянутой перекристаллизации. Специалист в этой области техники без труда найдет точные температуру и продолжительность для достижения желательной степени перекристаллизации наружного слоя в пределах вышеупомянутого интервала степени перекристаллизации.
Далее предпочтительные варианты осуществления изобретения будут описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 схематически показывает известную саму по себе тепловыделяющую сборку для PWR-реактора.
Фиг. 2 показывает поперечное сечение трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента водяного реактора согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 показывает первую трубку и вторую трубку для иллюстрирования способа изготовления трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента, показанной на Фиг. 2.
Описание предпочтительных вариантов осуществления
В нижеследующем описании предпочтительных вариантов осуществления изобретения одинаковые ссылочные номера будут использованы для сходных признаков на различных чертежах, которые изображены не в масштабе.
Фиг. 1 схематически показывает известную саму по себе тепловыделяющую сборку для PWR-реактора. Эта тепловыделяющая сборка содержит верхнюю плиту 4 и донную плиту 5. Между верхней плитой 4 и донной плитой 5 располагается множество направляющих трубок 3 для регулирующих стержней. Кроме того, эта тепловыделяющая сборка содержит множество трубчатых оболочек 1. Таким образом, в этих трубчатых оболочках 1 содержится материал ядерного топлива, и поэтому они называются стержневыми тепловыделяющими элементами. В этом типе тепловыделяющей сборки для PWR-реактора стержневые тепловыделяющие элементы ни в каком случае не достигают верхней плиты 4 и донной плиты 5. Стержневые тепловыделяющие элементы зафиксированы на своем месте в тепловыделяющей сборке с помощью дистанционирующих решеток 2.
Фиг. 2 показывает поперечное сечение трубчатой оболочки 4 тепловыделяющего элемента водяного реактора согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента содержит наружный слой 6 и внутренний слой 7. Наружный слой 6 состоит из первого сплава на основе циркония, тогда как внутренний слой 7 состоит из второго сплава на основе циркония.
Первый сплав на основе циркония содержит ниобий. Пример первого сплава на основе циркония содержит 0,6-1,2 процента по весу ниобия, 0,6-1,2 процента по весу олова и 0,1-0,3 процента по весу железа, при этом содержание любых дополнительных веществ составляет ниже 0,05 процента по весу. Первый сплав на основе циркония также может иметь содержание хрома 0,05-0,1 процента по весу и содержание кислорода 500-2000 миллионных долей. Сплав, включающий вышеназванные вещества, иногда называется «Цирло» (Zirlo).
Второй пример первого сплава на основе циркония имеет содержание ниобия 0,6-1,2 процента по весу, при этом содержание любых дополнительных веществ составляет менее 0,05 процента по весу.
Третий пример первого сплава на основе циркония содержит 0,6-1,5 процента по весу ниобия, 0,05-0,40 процента по весу олова, 0,02-0,30 процента по весу меди, 0,10-0,30 процента по весу ванадия и, необязательно, также 0,01-0,1 процента по весу железа. Общее содержание дополнительных веществ составляет не более чем 0,50 процента по весу, а предпочтительно не более чем 0,30 процента по весу. Под дополнительными веществами подразумеваются вещества в дополнение к главным легирующим материалам.
Четвертый пример первого сплава на основе циркония содержит 0,6-1,5 процента по весу ниобия, 0,02-0,30 процента по весу меди, 0,15-0,35 процента по весу хрома и, необязательно, также 0,01-0,1 процента по весу железа. Общее содержание дополнительных веществ составляет не более чем 0,50 процента по весу, а предпочтительно не более чем 0,30 процента по весу.
Пятый пример первого сплава на основе циркония содержит 0,2-1,5 процента по весу ниобия, 0,05-0,40 процента по весу олова, 0,25-0,45 процента по весу железа, 0,15-0,35 процента по весу хрома и, необязательно, также 0,01-0,1 процента по весу никеля. Общее содержание дополнительных веществ составляет не более чем 0,50 процента по весу, а предпочтительно не более чем 0,30 процента по весу.
Первый пример второго сплава на основе циркония содержит 0,1-1 процент по весу олова, при этом содержание любых дополнительных веществ составляет ниже 0,05 процента по весу.
Второй пример второго сплава на основе циркония содержит 0,1-1 процент по весу олова и 0,02-0,3 процента по весу железа, при этом содержание любых дополнительных веществ составляет ниже 0,05 процента по весу.
Способы изготовления трубок из первого сплава на основе циркония, а также из второго сплава на основе циркония хорошо известны в данной области техники и здесь описываться не будут.
Фиг. 3 показывает первую трубку и вторую трубку для иллюстрирования способа изготовления трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента, показанной на Фиг. 2. Обеспечивают первую трубку 8 из первого сплава на основе циркония и вторую трубку 9 из второго сплава на основе циркония. Первая трубка 8 ограничивает первый канал 10, а вторая трубка 9 ограничивает второй канал 11. Первая трубка, а также вторая трубка имеет внутренний диаметр и наружный диаметр. Внутренняя часть первой трубки 8 и/или наружная часть второй трубки 9 подвергают механической обработке резанием до тех пор, пока внутренний диаметр первой трубки 8 не будет по существу равным наружному диаметру второй трубки 9. Затем вторую трубку 9 вставляют в первую трубку 8. Узел из первой трубки 8 и второй трубки 9 затем подвергают совместному выдавливанию в трубчатую оболочку 4 тепловыделяющего элемента водяного реактора, показанную на Фиг. 2, в которой наружный слой 6 соответствует первой трубке 8, а внутренний слой 7 соответствует второй трубке 9. При совместном выдавливании наружный слой 6 и внутренний слой 7 металлургически соединяются между собой. Поскольку совместное выдавливание известно специалисту в этой области техники, оно не будет здесь подробно описано.
Дальнейшее улучшение коррозионной стойкости внутреннего слоя 7 может быть получено проведением дополнительной термической обработки второй трубки 9 перед тем, как ее соединяют с первой трубкой 8. Эту дополнительную термическую обработку осуществляют в области альфа-фазы при 600°С-800°С, когда второй сплав на основе циркония не содержит олова, и при 600°С-860°С, когда второй сплав на основе циркония содержит олово. Предпочтительно, эту термическую обработку осуществляют при 650°С-750°С. Эта дополнительная термическая обработка может быть осуществлена в качестве последней стадии перед тем, как вторая трубка 9 будет соединена с первой трубкой 8, или на более раннем этапе технологической цепочки, например, перед выдавливанием второй трубки 9.
После совместного выдавливания, во время которого была сформирована трубчатая оболочка 4 тепловыделяющего элемента водяного реактора, трубчатую оболочку тепловыделяющего элемента водяного реактора подвергают термической обработке при 485°С-565°С в течение 1-6 часов до тех пор, пока внутренний слой 7 не перекристаллизуется полностью, а степень перекристаллизации наружного слоя не достигнет 40-50 процентов.
Описанные варианты осуществления могут быть изменены многими путями без выхода за рамки смысла и объема настоящего изобретения, который ограничивается только формулой изобретения.
В пределах объема изобретения возможно наличие низких концентраций иных веществ, чем описанные выше.
Трубчатая оболочка тепловыделяющего элемента водяного реактора согласно изобретению может быть применена в реакторах с кипящей водой, а также в реакторах с водой под давлением.