Método, uso y dispositivo referentes a tubos de vaina para combustible nuclear y conjunto de combustible para un reactor nuclear de agua en ebullición.

Método de producción de un tubo de vaina para combustible nuclear para un reactor nuclear de agua en ebullición, método que comprende las etapas siguientes:

formar un tubo que comprende un componente cilíndrico exterior

(10) de una aleación a base de circonio y un componente cilíndrico interior (20) unido metalúrgicamente al componente exterior (10), en el que el componente interior (20) es de circonio o una aleación a base de circonio, en el que las composiciones de material del componente interior (20) y el componente exterior (10) se seleccionan de modo que difieren entre sí y de modo que el componente interior (20) tiene una temperatura de recristalización más baja que el componente exterior (10), caracterizado por que

tras haberse formado el tubo de vaina según lo anterior y tras posibles etapas de laminado produciéndose tratamientos térmicos entre ellas, el tubo de vaina se somete a recocido final a una temperatura y durante un tiempo tales que el componente interior (20) recristaliza en al menos el 97% y tales que el componente exterior (10) recristaliza parcialmente pero en menor medida que el componente interior (20), en el que dicho recocido final se lleva a cabo de modo que el grado de recristalización en el componente exterior (10) es superior al 50%.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/SE2003/000920.

Solicitante: WESTINGHOUSE ELECTRIC SWEDEN AB.

Nacionalidad solicitante: Suecia.

Dirección: 721 63 Västerås SUECIA.

Inventor/es: DAHLBACK, MATS, LIMBACK,MAGNUS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > METALURGIA; ALEACIONES FERROSAS O NO FERROSAS; TRATAMIENTO... > MODIFICACION DE LA ESTRUCTURA FISICA DE METALES O... > Modificación de la estructura física de metales... > C22F1/18 (Metales de elevado punto de fusión o refractarios o aleaciones basadas en ellos)
  • SECCION G — FISICA > FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR > REACTORES NUCLEARES (reactores de fusión, reactores... > Elementos combustibles para reactor o sus conjuntos;... > G21C3/07 (caracterizados por el material, p. ej. aleaciones)
  • SECCION G — FISICA > FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR > REACTORES NUCLEARES (reactores de fusión, reactores... > Aparatos o procesos especialmente adaptados para... > G21C21/02 (Fabricación de elementos combustibles o reproductores en el interior de conductos no activos)
  • SECCION G — FISICA > FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR > REACTORES NUCLEARES (reactores de fusión, reactores... > Elementos combustibles para reactor o sus conjuntos;... > G21C3/20 (con revestimiento sobre el combustible o sobre el interior de la envoltura; con una capa intermedia no activa entre la envoltura y el material activo)

PDF original: ES-2543194_T3.pdf

 

google+ twitter facebook

Fragmento de la descripción:

Método, uso y dispositivo referentes a tubos de vaina para combustible nuclear y conjunto de combustible para un reactor nuclear de agua en ebullición

Antecedentes de ¡a invención y técnica anterior

La presente Invención se refiere a un método de producción de un tubo de vaina para combustible nuclear para un reactor nuclear de agua en ebullición, método que comprende las etapas siguientes:

formar un tubo que comprende un componente cilindrico exterior que contiene principalmente circonio y un componente cilindrico interior unido metalúrgicamente al componente exterior, en el que también el componente interior contiene al menos principalmente circonio, en el que las composiciones de material del componente Interior y el componente exterior se seleccionan de modo que difieren entre sí y de modo que el componente Interior tiene una temperatura de recristalización más baja que el componente exterior.

La invención también se refiere a un tubo de vaina, al uso de un tubo de vaina así como a un conjunto de combustible para un reactor nuclear de agua en ebullición que comprende un tubo de vaina de este tipo.

Un método del tipo que se describe en el primer párrafo anterior se conoce del documento de patente EP 0 674 800 B1. En este documento también se describen los antecedentes de la invención descritos en el mismo. Cuando se usa un tubo de vaina en un reactor nuclear contiene combustible nuclear, habitualmente en forma de pastillas que contienen UO2 enriquecido. El tubo de vaina con su contenido constituye por tanto una varilla de combustible. Debido al entorno muy particular en el que se usan los tubos de vaina, deben cumplirse diferentes requisitos.

Hay principalmente dos tipos de reactores de agua ligera actuales: los reactores de agua en ebullición (BWR) y los reactores de agua a presión (PWR). En estos tipos de reactores existen diferentes condiciones, que exigen diferentes requisitos en las piezas que se Incluyen en los reactores. En un PWR, las varillas de combustible se enfrían principalmente por agua que está en fase líquida a alta presión. En un BWR, la presión es inferior y el agua que enfría las varillas de combustible se evapora de modo que las varillas de combustible están rodeadas por agua tanto en fase líquida como en fase de vapor. Además, los conjuntos de combustible tienen una construcción diferente en un BWR y en un PWR. En un tipo determinado de BWR, las varillas de combustible en un conjunto de combustible se extienden en su totalidad entre una placa superior y una placa Inferior que mantienen el conjunto de combustible junto. En un PWR, por otro lado, las varillas de combustible se mantienen habitualmente en su sitio con la ayuda de espaciadores y no alcanzan toda la distancia hasta la placa superior y hasta la placa inferior.

Cuando se usa una varilla de combustible en un reactor nuclear, se expone a radiación de neutrones. Esto conduce al hecho de que el tubo de vaina tiende a crecer con el tiempo. En determinados tipos de BWR, el tubo de vaina sólo tiene una posibilidad limitada de expandirse en la dirección longitudinal. Por tanto, el tubo de vaina puede curvarse durante el funcionamiento. Esto puede conducir a daños. Por tanto, debe evitarse que el tubo de vaina crezca en mayor medida. Los tubos de vaina actuales que se producen en aleaciones de circonio adecuadas y que se someten a tratamientos térmicos especiales durante la producción tienen a menudo una tendencia relativamente baja a crecer cuando se exponen a radiación de neutrones. La tendencia a crecer puede reducirse, entre otras cosas, porque el tubo de vaina durante la producción se somete a un recocido de recristalización final.

A través de una elección adecuada del material para el tubo de vaina y de un método de producción adecuado, el tubo de vaina puede obtener propiedades adecuadas con respecto a por ejemplo la dureza y la ductilidad. Puesto que las condiciones son diferentes en un BWR y en un PWR, los tubos de vaina se producen con propiedades diferentes dependiendo de para qué tipo de reactor se obtienen.

En el entorno en que se usan los tubos de vaina se someten a diferentes ataques corrosivos. Estos ataques pueden proceder del exterior o del interior. Los ataques procedentes del interior a menudo tienen su base en una influencia del material de combustible nuclear que se ubica allí, denominada interacción pastilla-vaina (PCI). Si se forma una grieta a través del tubo de vaina (un denominado daño primario), puede penetrar agua a través de la grieta y extenderse a lo largo del interior del tubo. Esto puede conducir a nuevos ataques corrosivos procedentes del interior del tubo, los denominados daños secundarios. Un tubo de vaina de circonio también puede reaccionar con hidrógeno de modo que se forman hidruros en el tubo de vaina. Estos hidruros pueden formarse desde el interior del tubo, particularmente si se ha formado una grieta de modo que ha penetrado agua en el tubo. Estos hidruros hacen que el tubo sea más frágil y aumenta la probabilidad de la formación de grietas. En particular, los hidruros que se extienden en una dirección radial a través del tubo constituyen un riesgo aumentado de formación de grietas. Tales hidruros radiales pueden acelerar por tanto los posibles daños secundarios y las formaciones de grietas.

Las complicadas condiciones químicas, mecánicas y metalúrgicas que se producen en un reactor nuclear han conducido al hecho de que se han propuesto un número muy grande de sugerencias para la selección de materiales y para los métodos de producción de tubos de vaina. Incluso pequeños cambios en la composición de las aleaciones o en los parámetros de producción pueden tener una gran importancia para las propiedades del tubo de vaina.

Puesto que se producen diferentes condiciones en el Interior y en el exterior del tubo de vaina, los tubos de vaina se

producen a veces con diferentes composiciones en diferentes capas. El documento EP 0 674 800 B1 mencionado anteriormente describe por tanto la producción de un tubo de vaina que tiene un componente exterior que está compuesto por ejemplo de cualquiera de las aleaciones que se producen frecuentemente Zircaloy 2 y Zircaloy 4. El tubo de vaina tiene un componente interior - un denominado revestimiento - que según una realización consiste principalmente en Zr, siendo los elementos de aleación el 0,25% de Sn, 310 ppm de Fe y 430 ppm de O. El tubo de vaina se produce según un método particular con tratamientos térmicos seleccionados cuidadosamente. El tubo de vaina se somete a recocido final a 570°C durante 1,5 h, lo que significa un recocido de recristalización completa (cRXA). Se ha mostrado que el tubo de vaina producido tiene una buena resistencia fuente a la corrosión aunque el agua penetre en el Interior del tubo de vaina.

Otro ejemplo de un tubo de vaina queda claro a partir del documento US-A-4.933.136. Este documento describe un tubo de vaina que consiste en un componente exterior de Zircaloy 2 o Zircaloy 4 y un componente Interior que según una realización consiste principalmente en Zr con el 0,19-0,20 por ciento en peso de Sn, el 0,19 por ciento en peso Fe y 615-721 ppm de O. El documento describe la producción del tubo con diferentes etapas de laminado y tratamientos térmicos. Como recocido final se describen tres alternativas en el documento. Según la primera alternativa, se produce una recristalización completa (cRXA) tanto en el componente exterior como en el interior. Según una segunda alternativa, se produce una cRXA en el componente interior pero sólo un recocido de atenuación de tensiones (SRA), es decir sin recrlstallzaclón perceptible, en el componente exterior. Según una tercera alternativa, se produce una recristalización parcial (pRXA) en el componente interior y un SRA en el... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

Método de producción de un tubo de vaina para combustible nuclear para un reactor nuclear de agua en ebullición, método que comprende las etapas siguientes:

formar un tubo que comprende un componente cilindrico exterior (10) de una aleación a base de circonio y un componente cilindrico interior (20) unido metalúrgicamente al componente exterior (10), en el que el componente interior (20) es de circonio o una aleación a base de circonio, en el que las composiciones de material del componente interior (20) y el componente exterior (10) se seleccionan de modo que difieren entre sí y de modo que el componente Interior (20) tiene una temperatura de recrlstallzaclón más baja que el componente exterior (10), caracterizado por que

tras haberse formado el tubo de vaina según lo anterior y tras posibles etapas de laminado produciéndose tratamientos térmicos entre ellas, el tubo de vaina se somete a recocido final a una temperatura y durante un tiempo tales que el componente Interior (20) recrlstallza en al menos el 97% y tales que el componente exterior (10) recristaliza parcialmente pero en menor medida que el componente Interior (20), en el que dicho recocido final se lleva a cabo de modo que el grado de recristalización en el componente exterior (10) es superior al 50%.

Método según la reivindicación 1, en el que dicho recocido final se lleva a cabo de modo que el grado de recristalización en el componente Interior (20) es de al menos el 98%, preferiblemente del 100% y el grado de recristalización en el componente exterior (10) es de entre el 50% y el 96%.

Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el componente Interior (20) no contiene más de 1500 ppm de Fe.

Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el componente Interior (20) no contiene más de 1000 ppm de O.

Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el componente exterior (10) tiene una composición según Zlrcaloy 2 o Zlrcaloy 4.

Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el componente Interior (20) contiene entre el 0,1 y el 0,7 por ciento en peso de Sn.

Método según la reivindicación 6, en el que el componente interior (20) contiene del 0,1 al 0,4 por ciento en peso de Sn, de 400 a 1500 ppm de Fe, menos de 600 ppm de O y el resto es Zr, excepto por las impurezas de un contenido que no supera el que se acepta normalmente en Zr o aleaciones de Zr para aplicaciones en reactores nucleares.

Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el componente interior (20) tiene un grosor tal que constituye entre el 3% y el 30% del grosor total del tubo de vaina.

Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el recocido final se lleva a cabo a una temperatura de entre 485°C y 550°C.

Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el recocido final se lleva a cabo durante de 1 h a 6 h.

Método de producción y de uso de un tubo de vaina para combustible nuclear para un reactor nuclear de agua en ebullición, método que comprende:

producir un tubo de vaina según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y

usar el tubo de vaina producido en un conjunto de combustible para un reactor nuclear de agua en ebullición.

Tubo de vaina para combustible nuclear para un reactor nuclear de agua en ebullición, tubo de vaina que comprende:

un componente cilindrico exterior (10) de una aleación a base de circonio,

un componente cilindrico interior (20) de circonio o una aleación a base de circonio y que está unido metalúrgicamente al componente exterior (10), en el que las composiciones de material del componente interior (20) y el componente exterior (10) difieren entre sí y son tales que el componente interior (20) tiene una temperatura de recristalización más baja que el componente exterior (10), caracterizado por que

el componente interior (20) tiene una estructura recrlstallzada en al menos el 97% y el componente exterior (10) tiene una estructura tal que está recrlstallzada parcialmente pero no en la misma medida que el

14.

15.

10 16.

17.

18.

19.

20 20.

componente interior (20), en el que el grado de recristalización en el componente exterior (10) es superior al 50%.

Tubo de vaina según la reivindicación 12, en el que el grado de recrlstalización en el componente interior (20) es de al menos el 98%, preferiblemente del 100% y el grado de recristallzaclón en el componente exterior (10) es de entre el 50% y el 96%.

Tubo de vaina según cualquiera de las reivindicaciones 12-13, en el que el componente Interior (20) no contiene más de 1500 ppm de Fe.

Tubo de vaina según cualquiera de las reivindicaciones 12-14, en el que el componente interior (20) no contiene más de 1000 ppm de O.

Tubo de vaina según cualquiera de las reivindicaciones 12-15, en el que el componente exterior (20) tiene una composición según Zlrcaloy 2 o Zircaloy 4.

Tubo de vaina según cualquiera de las reivindicaciones 12-16, en el que el componente interior (20) contiene entre el 0,1 y el 0,7 por ciento en peso de Sn.

Tubo de vaina según la reivindicación 17, en el que el componente interior (20) contiene del 0,1 al 0,4 por ciento en peso de Sn, de 400 a 1500 ppm de Fe, menos de 600 ppm de O y el resto es Zr, excepto por las impurezas de un contenido que no supera el que se acepta normalmente en Zr o aleaciones de Zr para aplicaciones en reactores nucleares.

Tubo de vaina según cualquiera de las reivindicaciones 12-18, en el que el componente interior (20) tiene un grosor tal que constituye entre el 3% y el 30% del grosor total del tubo de vaina.

Conjunto de combustible para un reactor nuclear de agua en ebullición, que comprende:

un tubo de cerramiento (2), y

una pluralidad de tubos de vaina según cualquiera de las reivindicaciones 12-19 rellenos con combustible nuclear adecuado para tales tubos de vaina para un reactor de agua en ebullición, en el que dicha pluralidad de tubos de vaina están dispuestos dentro de dicho tubo de cerramiento (2).