FUEL ELEMENT FOR A FAST NEUTRON REACTOR (VARIANTS) AND A CLADDING FOR THE PRODUCTION THEREOF

• Main Authors: GOLOVANOV, VIKTOR NIKOLAEYICH, SHAMARDIN, VALENTIN KUZMICH, SHKABURA, IGOR ALEXEEVICH, FORSTMAN, VLADIMIR ALEXANDROVICH, VATULIN, ALEXANDR VIKTOROVICH, TSEVELEV, VALENTIN VLADIMIROVICH, SOLONIN, MIKHAIL IVANOVICH, IOLTUKHOVSKY, ALEXANDR GRIGORIEVICH, LEONTIEVA-SMIRNOVA, MARIA VLADIMIROVNA, BULANOVA, TATYANA MIKHAILOVNA, IVANOV, JURY ALEXANDROVICH
• Format: Patent
• Language: English; French; Russian
• Published: 14.04.2005
• Edition: 7
• Subjects: ALLOYS; CHEMISTRY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUSMETALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE BY DECARBURISATION, TEMPERING OR OTHERTREATMENTS; METALLURGY; METALLURGY OF IRON; MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; NUCLEAR ENGINEERING; NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR POWER PLANT; NUCLEAR REACTORS; PHYSICS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS

The invention relates to nuclear engineering, in particular to materials used for nuclear power engineering. The aim of said invention is to develop a fuel element for a fast neutron reactor and a cladding for the production thereof which exhibits the following properties: a lower induced activity level and the rapid loss thereof after a neutron exposure, a high embrittlement resistance within a temperature range of 270-400 DEG C at a neutron irradiation and a high heat resistance at temperatures up to 700 DEG C. The aim is achieved by that the fuel element cladding is made of a martensite-ferrite steel. The structure of said steel is embodied in the form of at least two areas through the height thereof, the steel structure ensures a high heat resistance in the upper area and a high low-temperature radiation embrittlement resistance in the lower area thereof. The inventive cladding for the fuel element is made of a steel having the following component ratio: 0.10-0.21 mass % carbon, 0.1-0.8 mass % silicium, 0.5-2.0 mass % manganese, 10.0-13.5 mass % chromium, 0.8-2.5 mass % tungsten, 0.05-0.4 mass % vanadium, 0.05-0.4 mass % titanium, 0.001-008 mass % boron, 0.001-0.01 mass % cerium (and/or yttrium in total), 0.05-0.2 mass % zirconium, 0.05-0.2 mass % tantalum, and 0.02-0.15 mass % nitrogen the rest, being iron at a ratio between a total vanadium, titanium, zirconium and tantalum content and a total carbon and hydrogen content ranging from 2 to 9. The steel structure through the height of the cladding is embodied in the form of at least two areas, ensures the high hear resistance thereof and comprises alpha -ferrite, delta -ferrite, sorbite, M23C6 and M6C chromium carbides, (V, Ta, Ti, Zr and other) steel component carbides and carbonitrides and Fe2 (W)-type intermetallides. The lower area structure ensures a high low-temperature radiation embrittlement resistance and consists of a sorbite, alpha -ferrite, delta -ferrite, retained austenite, (Cr, V, Ta, W and other) steel component carbides and carbonitrides, wherein grain high-angle boundaries are filled with M23C6 and M6C carbides, the sorbite and delta -ferrite grains are provided with separate precipitates of the VC, V(CN), Ti(CN) and Ta(CN) carbides and carbonitrides, the remaining (Fe, Mn, Mo, W, Si and other) elements being part of the complex M23C6 and M6C carbides or of a FeCr solid solution. La présente invention relève du domaine de la technique nucléaire, et se rapporte en particulier à des matériaux utilisés pour l'énergie nucléaire. Le but de l'invention est de produire une unité de combustible pour un réacteur à neutrons rapides et une gaine permettant sa préparation, ladite gaine possédant les propriétés suivantes : un bas niveau de radioactivité induite et une chute plus rapide de cette dernière après une exposition neutronique, une résistance à la fragilisation élevée à des températures comprises entre 270 et 400 DEG C dans des conditions d'irradiation, et une forte résistance à la chaleur à des températures allant jusqu'à 700 DEG C. Pour ce faire, la gaine de l'unité de combustible est constituée d'acier martensito-ferritique, et la structure de l'acier sur la hauteur de la gaine se compose d'au moins deux zones, la structure de l'acier dans la zone supérieure de la gaine de l'unité de combustible garantissant une résistance à la chaleur améliorée, et celle de la zone inférieure garantissant une résistance à la fragilisation de rayonnement à faible température améliorée. Ainsi, la gaine de l'unité de combustible est constituée d'un acier contenant les divers éléments suivants : 0,10-0,21 % poids de carbone, 0,1-0,8 % poids de silicium, 0,5-2,0 % poids de manganèse, 10,0-13,5 % poids de chrome, 0,8-2,5 % poids de tungstène, 0,05-0,4 % poids de vanadium, 0,05-0,4 % poids de titane, 0,001-008 % poids de bore, 0,001-0,01 % poids de cérium (et/ou d'yttrium au total), 0,05-0,2 % poids de zirconium, 0,05-0,2 % poids de tantale, et 0,02-0,15 % poids d'azote, le solde étant composé de fer. Le rapport entre la teneur totale en vanadium, titane, zirconium et tantale, et la teneur totale en carbone et azote, étant compris entre 2 et 9. La structure de l'acier sur la hauteur de la gaine se compose d'au moins deux zones. La structure de l'acier dans la zone supérieure de la gaine de l'unité de combustible garantit une résistance à la chaleur améliorée et contient de la ferrite alpha , de la ferrite delta , du sorbite, des carbures de chrome M23C6 et M6C, des carbures et des carbonitrures de composants de l'acier (V, Ta, Ti, Zr et autres), et des composés intermétalliques de type Fe2(W). La structure de la zone inférieure garantit une résistance à la fragilisation de rayonnement à basse température améliorée, et contient du sorbite, de la ferrite delta , de la ferrite alpha , de l'austénite résiduelle, des carbures et des carbonitrures des composants de l'acier (Cr, V, Ta, W et autres), les limites de grand angle des grains étant remplies de carbures M23C6 et M6C, et les grains de sorbite et de ferrite delta ne contenant que des précipités séparés de carbures et de carbonitrures VC, V(CN), Ti(CN) et Ta(CN), les éléments restants (Fe, Mn, Mo, W, Si et autres) faisant partie des carbures M23C6 et M6C complexes ou d'une solution solide de FeCr.