專利名稱:用于快速反應(yīng)堆的燃料棒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核技術(shù)，并具體涉及用于具有比如鈉的液態(tài)金屬冷卻劑的快速反應(yīng)堆的燃料棒設(shè)計。
背景技術(shù)：
在施加強要求于輻射耐溶脹性、燃料棒覆層和核燃料的裂變產(chǎn)物之間的相互作用、在延長和強烈輻射過程中的脆變和在液態(tài)-金屬冷卻劑-鈉中的耐蝕性的快速反應(yīng)堆核心中操作燃料棒覆層的結(jié)構(gòu)材料。這些材料也對高可塑性、長時間強度、在溫度為(700～850)℃(在燃料棒覆層的內(nèi)部表面上的熱補區(qū)域中)處的低蠕變率、通過改變冷卻環(huán)境引起的對低周期疲勞的高抵抗性和熱沖擊、在快速中子通量中的高輻射阻抗提出了增強的需要。已經(jīng)非常適用于核技術(shù)的奧氏體鋼最大程度的滿足了上面的需要，同時該鋼利用了用于快速反應(yīng)堆的燃料棒覆層的結(jié)構(gòu)材料。奧氏體鋼在高溫和低溫下都具有高的可塑性和令人滿意的特性。在技術(shù)上講，上面的鋼具有高的可塑性和令人滿意的特性由其獲得的需要的輪廓和不管在什么上面可以焊接。
現(xiàn)有技術(shù)使用以尾端件增壓的具有在其內(nèi)部具有燃料的覆層的快速反應(yīng)堆燃料棒(RU1345917，G21C3/07，27.09.1996)。為了提高燃料棒的可靠性，通過確保在370℃至710℃的覆層的操作溫度處覆層的穩(wěn)定的尺寸，由沿著軸向的幾個部分制成燃料棒覆層。覆層的低溫部分，也就是沿著冷卻劑流動的第一部分由鐵氧體-馬氏體鋼制成，并且覆層的高溫部分由奧氏體耐熱鋼制成。然而，上面的設(shè)計是復雜的，而且需要用于制備和焊接覆層的部分的專門技術(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)中的快速反應(yīng)堆燃料裝配包括覆層的外部直徑不同的兩種類型的燃料棒(US4654193，G21C3/32，31.03.1987)。燃料裝配的目前設(shè)計具有一部分有6.2mm外部覆層直徑和另一部分有7.6mm外部覆層直徑的燃料棒。結(jié)果，燃料棒沒有統(tǒng)一制備困難的現(xiàn)有的設(shè)計。
關(guān)于技術(shù)特性和獲得的結(jié)果，包含內(nèi)部具有核燃料的圓柱覆層的快速反應(yīng)堆燃料棒(US4587091，G21C3/30，06.05.1986)是最接近于本發(fā)明的。已知的燃料棒具有由具有高含量鎳，重量百分比30～80的鋼制成的覆層。增加的鎳含量確保了穩(wěn)定的奧氏體結(jié)構(gòu)，并能夠增加對通過以鈦、釩和鈮合金膨脹引入的中子輻射的阻抗。但是，鎳含量的增加大大增大了燃料棒的成本。
奧氏體不銹鋼具有1.5倍于例如二氧化鈾的核燃料的熱膨脹系數(shù)。因此在操作過程中，當加熱燃料棒時，核燃料和覆層之間的縫隙增大。由于覆層和核燃料之間的溫度差增大，并因此核燃料的最大溫度上升，縫隙將依據(jù)燃料棒裝配處理的需要盡可能的最小。通過燃料棒的直徑，特別是通過核燃料核心的直徑也影響最大燃料溫度，當使用不銹鋼作為覆層材料時，其在某種程度上依賴于燃料和覆層之間縫隙的可能尺寸。已知的解決方法選擇覆層材料和與另一個覆層獨立的覆層外部直徑的尺寸。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是改進和提出一種具有改進性能的快速反應(yīng)堆燃料棒。
滿足本目標可以獲得的下面的技術(shù)結(jié)果在放射性輻射過程中，由于耐溶脹性的增加，燃料棒的變形減小，同時在高溫環(huán)境下，機械特性和耐蝕性保持相同，并且同時燃料棒的可制造性保持相同，核燃料核心和覆層之間的縫隙尺寸減小。
由于由包含在其內(nèi)部具有核燃料的圓柱覆層構(gòu)成的具有5.9mm到7.5mm的外部覆層直徑，以及壁厚度是0.25mm到0.55mm，并且覆層由具有下列成份的鋼制成，重量百分比碳-(0.05～0.08)，硅-(0.3～0.6)，錳-(1.0～2.0)，硫-不超過0.012，磷-不超過0.020，鉻(15.5～17.0)，鎳(14.0～15.5)，鉬(1.9～2.5)，鈦(0.2～0.5)，釩(0.1～0.3)，硼(0.002～0.005)，氮不超過0.02，鈷不超過0.02，鋁不超過0.1，鎂(0.0001～0.005)，鈣(0.0005～0.005)，其余的為鐵，其中，鈦對碳的含量比率至少為4的快速反應(yīng)堆燃料棒的事實，獲得上面的技術(shù)結(jié)果。
依據(jù)本發(fā)明的新穎性特征，覆層的外部直徑是5.9mm到7.5mm，壁厚度是0.25mm到0.55mm，并且覆層由具有下列成份的鋼制成，重量百分比碳-(0.05～0.08)，硅-(0.3～0.6)，錳-(1.0～2.0)，硫-不超過0.012，磷-不超過0.020，鉻(15.5～17.0)，鎳(14.0～15.5)，鉬(1.9～2.5)，鈦(0.2～0.5)，釩(0.1～0.3)，硼(0.002～0.005)，氮不超過0.02，鈷不超過0.02，鋁不超過0.1，鎂(0.0001～0.005)，鈣(0.0005～0.005)，其余的為鐵，其中，鈦對碳的含量比率至少為4。
試驗評估，通過實施描述了覆層的外部直徑以及提供的由以上面指定的用于成份的含量的范圍的特殊的合金制成的覆層的它的壁厚度的該特征，可以獲得上面的技術(shù)結(jié)果。
鎂和鈣的存在有利于減少非金屬內(nèi)含物的數(shù)量和尺寸的減少、粒度的減小、沿著粒子主體碳化物和氮化物的更均勻的分布、銳角轉(zhuǎn)角內(nèi)含物的形成的減少。在長期運轉(zhuǎn)操作過程中這減小了覆層的變形。
在特定范圍中的鉻、硅和鉬使得鋼在腐蝕性介質(zhì)中是耐蝕性的，以及在特定范圍中的鉻和硅確保在高至950℃的高溫下的耐熱性。
在特定范圍中的鎂和鈣主要和硫(以及鈣與氧反應(yīng))相互反應(yīng)，由于形成分散的硫化物(以及氧化物)有利于在鋼容量中它們的更加均勻的分布。
在特定范圍中與鉬的合金提供了高的強度水平，結(jié)合了依據(jù)本發(fā)明的鋼的充分的可塑性，也減小了形成導致在多合金鋼中產(chǎn)生空位孔和在核反應(yīng)堆核心中膨脹的拉夫斯相的可能性。
存在的鈦確保固溶體和依據(jù)本發(fā)明的合金的碳氮化合物的硬化，其隔離了在粒子主體中鈦碳氮化合物，阻止了碳化鉻析取于粒子邊界之上。
在錠塊結(jié)晶化過程中，在特定范圍中真空的存在具有修改效用。
在特定范圍中氮的存在穩(wěn)定了γ-固溶體。此外，氮部分消耗以用于形成鋁和鉻氮化物的很好分散的顆粒。在特定范圍中硼的存在與在熱處理之前加熱錠塊時的溫度環(huán)境下的它的溶解度有關(guān)，也與附加穩(wěn)定加強相位包含硼的碳化鉻、鈦和鈮的碳氮化合物的可能性有關(guān)。
除了外部覆層直徑優(yōu)選是6.0±0.02mm以及覆層的壁厚度優(yōu)選是0.3±0.1mm之外，優(yōu)選的將下面的元素附加引入鋼，重量百分比銅不超過0.03，砷不超過0.003，氧不超過0.01，鎵和/或鍺的不超過0.0002，鉍和/或鉛和/或錫不超過0.001，鑭和/或鈰和/或鐠和/或釹和/或鈧不超過0.05，其中，磷對硼的含量比率可取為3到7，并且硫、磷和硼的全部含量不超過重量百分比的0.04。
圖1示出了快速反應(yīng)堆燃料棒的總圖。
具體實施方式
證實提供本發(fā)明的可能性的數(shù)據(jù)圖1中所示的快速反應(yīng)堆的燃料棒1包括具有在例如以芯塊3為形式的內(nèi)部的核燃料的圓柱形覆層2。覆層的外部直徑D是5.9mm到7.5mm，而且覆層h的壁厚度是0.25mm到0.55mm。覆層由具有下列成份的鋼制成，重量百分比碳-(0.05～0.08)，硅-(0.3～0.6)，錳-(1.0～2.0)，硫-不超過0.012，磷-不超過0.020，鉻(15.5～17.0)，鎳(14.0～15.5)，鉬(1.9～2.5)，鈦(0.2～0.5)，釩(0.1～0.3)，硼(0.002～0.005)，氮不超過0.02，鈷不超過0.02，鋁不超過0.1，鎂(0.0001～0.005)，鈣(0.0005～0.005)，其余的為鐵，其中，鈦對碳的含量比率可以接近于至少為4。覆層的外部直徑D優(yōu)選的是6.0±0.02mm，并且覆層的壁厚度1是0.3±0.1mm。其中鋼可以附加包括下面的元素，重量百分比銅不超過0.03，砷不超過0.003，氧不超過0.01，鎵和鍺的全部不超過0.0002，鉍、鉛和錫的全部不超過0.001，鑭、鈰、鐠、釹和鈧的全部不超過0.05，其中，磷對硼的含量比率可取為3到7，并且硫、磷和硼的全部含量不超過重量百分比的0.04。
在覆層2的上部配備壓力通風系統(tǒng)4，其用于計算析出氣體并確保用于沿著燃料棒的長軸展開的核燃料的可能性。在壓力通風系統(tǒng)4中安裝核燃料捕獲裝置，例如以彈簧5為形式，其沿著燃料棒1的長軸壓縮核燃料。通過焊接在覆層2的上部和下部插塞6對覆層2增壓。覆層2的外部表面具有墊片，其由以線7纏繞于覆層的外部表面的形式制成。使用由具有依據(jù)本發(fā)明的成份的鋼制成的管式覆層，依照已知的標準技術(shù)制備依據(jù)本發(fā)明的燃料棒。
下面是用于制備來自依據(jù)本發(fā)明的鋼的管式覆層的已知技術(shù)的主要步驟-在真空-感應(yīng)電爐(VIM)中熔融鋼-電極的真空-電弧熔融-將通過真空-電弧熔融獲得的錠塊鍛造成精細的尺寸1、下面是用于真空-感應(yīng)熔融依據(jù)本發(fā)明的鋼的技術(shù)在真空-感應(yīng)電爐的12-(6-)噸坩堝中熔融鋼。使用純凈(新鮮的)裝料材料和本固有等級的廢料作為熔爐供給。對熔爐的裝料添加鐵、鉻、鎳、硅和鋁。在熔融裝料爐以及獲得指定加熱溫度之后，允許金屬位于熔爐中10～20分鐘(金屬精練)。同時金屬受精煉(減少氣體含量和非金屬內(nèi)含物)碳、錳、釩、鈦、硼和添加進入裝料爐的其他元素鈣、鎂和稀土金屬的支配。
在以1～3分鐘燒結(jié)金屬之后其是混合物。然后測量溫度并且實施采樣以用于等級的化學分析。在已經(jīng)完成熔融之后，金屬澆鑄進入用于自耗電極的模型。在坩堝中錠塊的冷卻時間不少于2小時，其中包括至少為40分的熔爐冷卻時間。然后空氣冷卻金屬。熔融的全部時間接近于2小時10分鐘到2小時40分鐘。
2、下面是用于真空-電弧熔融依據(jù)本發(fā)明的鋼的的技術(shù)在具有的直徑為400mm的結(jié)晶器中的真空-電弧熔爐中實施自耗電極的真空-電弧熔融。在真空-電弧熔融之前，自耗電極的表面被完全研磨整平或使用旋轉(zhuǎn)機器去皮。同時熔融以氦附加冷卻的錠塊。熔融時間是90～180分。熔融率達到3～3.5kg/min。在真空中燒結(jié)15分鐘之后，熔爐開放，卸載錠塊并進行空氣冷卻。
3、如下是鍛造真空-電弧熔融的依據(jù)本發(fā)明的錠塊在真空-電弧熔融鋼錠之后，使用切割工具將其切割成直徑400mm的尺寸，或以研磨工具修整為直徑300mm的尺寸，并將其轉(zhuǎn)移以通過錘子進行鍛造。
以兩個步驟將開始的錠塊鍛造成具有直徑150mm尺寸的粗糙管形覆層(在鍛造之前)-將鋼塊鍛造成具有尺寸為125～145mm的中間正方形坯段。
-將中間正方形坯段鍛造成粗糙管形覆層。
以等于(1160～20)℃的溫度的連續(xù)熔爐對錠塊和坯段進行14～16小時的加熱。
同時廢棄鍛造的錠塊頭和尾以獲得具有1000kg的額定重量的錠塊。
使用制備的坯段和已知的方法制備燃料棒覆層，其具有5.9mm到7.5mm的外部直徑和0.25mm到0.55mm的壁厚度。
表1給出了依據(jù)本發(fā)明的加熱成份。
表1
在表2中給出了由依據(jù)本發(fā)明的鋼制成的燃料棒覆層采樣的輻射特性。
表2
表2的注釋-使用具有加熱1成份的鋼制備具有5.9mm的外部直徑和0.3mm的壁厚度的燃料棒覆層的樣品。
-使用具有加熱2成份的鋼制備具有6.0mm的外部直徑和0.35mm的壁厚度的燃料棒覆層的樣品。
-使用具有加熱3成份的鋼制備具有6.1mm的外部直徑和0.25mm的壁厚度的燃料棒覆層的樣品。
原子位移-在中子照射(材料損壞的等級)過程中損壞劑量尺寸的特性。
-在BN-350反應(yīng)堆(59原子位移)和BN-600反應(yīng)堆(108原子位移)中，在所謂的測試裝置中以管取樣的形式照射加熱1。
-膨脹空位是在照射之前和照射(ΔV)之后材料體積變化之間的比率。
-用于確定膨脹空位的程序
1、通過電子-顯微方法確定鋼的膨脹空位的程序“TheStructure of Fast-reactor Irradiated Solution-treated Type AISI316 Steel”P.J.Barton，B.L.Eyre，and D.A.Stow.Journal of NuclearMaterial，No67(1997)，pp.181-197。
2、通過流體靜力學稱重方法確定密度(膨脹)的程序“Remote determination of material density and sampleweight”。以在程序的分支目錄中的No240紀錄程序，并以用于程序的分支數(shù)據(jù)庫中的“BD MERI”名稱進行登錄。
3、用于測量受輻射燃料棒的幾何參數(shù)的程序和系統(tǒng)。ACK139.00 PC Certificate。
這樣依據(jù)本發(fā)明的快速反應(yīng)堆燃料棒已經(jīng)增大了在快速反應(yīng)堆核芯中的操作環(huán)境下的耐溶脹性(放射性蠕變)，同時其他特性保持不變。
權(quán)利要求
1.包含在內(nèi)部具有核燃料的圓柱覆層的快速反應(yīng)堆燃料棒，其特征在于外部覆層直徑是5.9mm到7.5mm，覆層的壁厚度是0.25mm到0.55mm，并且覆層由具有下列成份的鋼制成，重量百分比碳-(0.05～0.08)，硅-(0.3～0.6)，錳-(1.0～2.0)，硫-不超過0.012，磷-不超過0.020，鉻(15.5～17.0)，鎳(14.0～15.5)，鉬(1.9～2.5)，鈦(0.2～0.5)，釩(0.1～0.3)，硼(0.002～0.005)，氮不超過0.02，鈷不超過0.02，鋁不超過0.1，鎂(0.0001～0.005)，鈣(0.0005～0.005)，其余的為鐵，其中，鈦對碳的含量比率至少為4。
2.依據(jù)權(quán)利要求
1的燃料棒，其特征在于外部覆層直徑是6.0±0.02mm，覆層的壁厚度1是0.3±0.1mm，并且鋼附加包括下面的元素，重量百分比銅不超過0.03，砷不超過0.003，氧不超過0.01，其中，磷對硼的含量比率可取為3到7，并且硫、磷和硼的全部含量不超過重量百分比的0.04。
專利摘要
本發(fā)明涉及核技術(shù)，并具體涉及用于具有比如鈉的液態(tài)金屬冷卻劑的快速反應(yīng)堆的燃料棒設(shè)計?？焖俜磻?yīng)堆燃料棒由具有核燃料的圓柱覆層構(gòu)成，其具有5.9mm到7.5mm的外部覆層直徑，以及覆層壁的厚度是0.25mm到0.55mm，并且覆層由具有下列成份的鋼制成，重量百分比碳(0.05～0.08)，硅(0.3～0.6)，錳(1.0～2.0)，硫不超過0.012，磷不超過0.020，鉻(15.5～17.0)，鎳(14.0～15.5)，鉬(1.9～2.5)，鈦(0.2～0.5)，釩(0.1～0.3)，硼(0.002～0.005)，氮不超過0.02，鈷不超過0.02，鋁不超過0.1，鎂(0.0001～0.005)，鈣(0.0005～0.005)，其余的為鐵，其中，鈦對碳的含量比率至少為4。外部覆層直徑是6.0±0.02mm，并且覆層的壁厚度是0.3±0.1mm。
文檔編號G21C3/07GKCN1767076SQ200410086844
公開日2006年5月3日 申請日期2004年10月28日
發(fā)明者布達諾夫·尤里·帕夫洛維奇, 采利謝夫·安德烈·瓦西里耶維奇, 奧什卡諾夫·尼古拉·尼古拉耶維奇, 科羅斯京·奧列格·斯捷潘諾維奇, 波托斯卡耶夫·根納季·格奧爾基耶維奇, 比比拉什維利·尤里·康斯坦丁諾維奇, 梅德韋杰夫·阿納托利·瓦西里耶維奇, 克留科夫·奧列格·瓦西里耶維奇, 貝克·葉夫根尼·格列博維奇, 貝奇科夫·謝爾蓋·阿納托利耶維奇 申請人:機器制造廠無限股份公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan