[其他]水堆燃料色層管

無效

• 申請號: 85106811
• 申請日: 1985-09-10
• 公開（公告）號: CN85106811A
• 公開（公告）日: 1986-09-03
• 發明（設計）人: 約翰·保羅·弗斯特;薩馬爾·吉伯·麥克多納德
• 申請（專利權）人: 西屋電氣公司
• 主分類號: G21C3/20
• 分類號: G21C3/20;C22C16/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 曹廣生,辛哲生

本發明涉及用于壓水堆和沸水堆的鋯基合金燃料包層管。特別涉及到使此類包層管具有這樣一些性質：把燃料柱芯一包層相互作用（PCI）在水堆燃料元件中的不利影響減到最小限度。

完全由高鋯合金制的包層管已實際應用于水堆工業。采用過的普通合金例子是鋯-2合金與鋯-4合金。選用這些合金的依據是它們的核性質、機械性質以及耐高溫水蝕性。

鋯-2與鋯-4合金的發展史同鋯-1與鋯-3合金的放棄史，概述于斯坦尼·卡斯（San Ley Kass）著作：“鋯合金的發展”一文中，發表于ASTM（美國材料試驗學會）《特種技術出版物》，1964，368期，3-27頁。本專利已引用了核論文作為參考。與鋯合金發展密切相關的有美國專利說明書：2772964、3097094以及3148055號。

對于鋯-2與鋯-4合金的絕大部分商品性化學特性要求，實質上是依照例如ASTM（美國材料試驗標準）B350-80（分別是關于合金UNSR60802與R60804）。除了其中的這些要求之外，當把這些合金用作燃料包層時，還要求氧含量為900～1600ppm，但典型情況約為1200±200ppm。

業已成為制造鋯合金包層管的一條共同經驗是采用如下的生產方法將一鑄錠熱加工成中等尺寸的坯料或塊料;以β溶液處理此坯料;機加工成中空坯料;用高溫α擠壓此空心坯料成空心圓柱擠壓件;然后通過許多冷式皮爾格周期式軋管工藝中的減徑孔型，使此擠壓件減徑成基本上屬最終尺寸的包層，并在每次通過孔型前要有一次α重結晶退火。再將此冷加工完的基本具備最終尺寸的包層進行一次最終退火。最終退火可以是一種消除應力退火、局部重結晶退火或全部重結晶退火。所給的最終退火形式，系根據設計者對燃料包層機械性質的技術要求而選定的。

前述包層應用于燃料棒時，已有這樣的問題，當包層與破裂的熱膨脹中的氧化物燃料芯塊接觸而處于附加的應力之作用F時，可觀察到有許多發源自包層內表面的裂紋。這些裂紋常常會穿過包層的壁原而蔓延，破壞燃料棒的完整性，由此讓冷卻劑滲入到棒與放射性裂變產物中，使通過反應堆堆芯循環的一次冷卻劑受到污染。這種裂紋現象一般認為是由于輻照硬化、機械應力與裂變產生物的相互作用所造成，形成了一種促使裂紋在鋯合金中引發與蔓延的環境。

曾建議用那種內表面上粘接有鋯層的鋯合金燃料包層管，因為它們能在水反應運行期間，抑制發自燃料芯塊與包層間界面處的裂紋蔓延。這類建議的例子見美國專利說明書：4045288;4372817;4200492與4390497，以及英國專利說明書：21047114。

前面援引的專利中之所以選擇了鋯襯里，是因為它們具有抗PCI裂紋蔓延的特性，但并未考慮到水的腐蝕。要是包層在反應堆中有缺口，讓冷卻劑滲入到包層內，此種襯里的耐水腐蝕性，遠不如構成包層主體的的高鋯合金。那么，上述襯里有可能完全氧化，并迅速地喪失其功能，于此同時，在包層的鋯合金部分內增加了氫化物的形成，從而損害了鋯合金的完整性。包層的這種降解現象將會由于相當顯著的將鈾和放射性核類釋放到冷卻劑中，而導致全面性的破壞。

技術部門曾極力尋求解決耐水腐蝕性的問題，即把前述專利中提及的鋯層埋入兩層抗水腐蝕性能力高的鋯合金中，或用一種低濃的鋯合金層來取代暴露在內部的鋯層。有關這方面結構的例子已在英國專利說明書2119559中有過描述。盡管作過以上努力，但對于水堆的燃料包層，仍有著要求即：在它的內外側的徑向表面上都應具有抗水腐蝕性及及其優越的通常的鋯合金層;同時，在抗PCI裂紋蔓延的性質方面，則要比常規的鋯-2與鋯-4合金燃料包層有所改進。

為此，本發明具有下述特征：水堆燃料包層管：該管件包括由第一種種鋯合金構成的外圓柱形層，此種合金具有很高的強度和優越的耐水腐蝕性，選自鋯-2合金與鋯-4合金;以及用冶金方法組合到上述外圓柱柱形層上的第二種鋯合金的內圓柱形層，后一種鋯合金的基本組成為（A）：0.19～0.6%（重量）的錫與0.19～0.5%（重量）的鐵，或（B）：0.4～0.6%（重量）的錫與0.1～0.3%（重量）的鐵以及0.1～0.3%（重量）的鎳;還分別含有100～700ppm的氧，其余為鋯。

本發明的筒狀燃料包層與完全由鋯-4合金或鋯-2合金的常規包層管相比，在抗PCI裂紋蔓延性方面有了顯著的改進。這樣的第二種鋯合金是選自具有表Ⅰ中所示組成的合金。

表Ⅰ

X????Y

Sn????0.19～0.6%（重量）????0.4～0.6%（重量）