专利名称：用于燃料棒定位的间隔栅的制作方法
用于燃料棒定位的间隔栅技术领域：
本发明涉及制造优化的锆基合金金属片的方法。本发明还涉及在核电站的 燃料组件中制造用于燃料棒定位的间隔栅的方法。背景技术：
间隔栅通常出现在沿着燃料棒束的多个位置，限定燃料棒延伸穿过其中的 栅极，并且将所述燃料棒保持在适当位置。间隔栅可以以许多不同的方式进行制造。 一种制造间隔栅的方法基于锆基 合金金属片的使用。锆基合金金属片经受许多轧制阶段，其中金属片在轧制阶段之间经受热处理，以便实现所述合金中的松弛(relaxation)和结构，从 而促进随后的轧制阶段。但是，由于由此形成的材料的孩i结构，当经受中子 辐射时，按照这种传统方法生产的锆基合金金属片具有不同的在金属片的不 同方向上生长的倾向，当其被用作不同类型的核电站中的间隔栅元件时，正 是这种情况。此处原因在于金属片的轧制导致材料中结构的优选定向。假定 金属片通常是平坦的，在实践中，将生长的主要倾向是平行于轧制方向的方少生长的倾向将在法向，即在金属片的厚度方向上。当金属片经受中子辐射 时，生长将发生在在这些最易生长的方向的那个或者那些方向上，同时对应 的收缩发生在任何或者所有其他方向上。这是当经受中子辐射时金属片体积 为常数的直接结果。在中子辐射期间，在实践中金属片将主要在轧制方向上 生长、某种程度更少地在轧制方向交叉方向上生长，并且在厚度方向上收缩。这带来了问题，按照传统方式的这种金属片被用于形成间隔栅的壁，所述 间隔斥册用于原子能发电站中的燃料棒的定位。更精确地，间隔栅限定燃料棒 贯穿其中多个的栅单元，并且栅单元的壁由所述金属片形成。因此，金属片沿着与栅单元的长度方向交叉的方向生长，同时壁厚度减少，其导致栅单元的横截面面积的增加，并导致在栅单元的壁和燃料棒之间形成间隙(play)。 在不适宜的情况下，例如在PWR反应堆(PWR-reactor,压水反应堆)运行 期间，由于所述间隙，所述燃料棒将因此相对那些间隔栅部分经受严厉的磨 损，由此通过振动接触所述间隔栅部分。在长期运行中，这将导致在燃料棒 的壁中形成孔，并且导致放射性的材料泄漏到环境中。同时由于燃料棒是由 易生长的材料制成，因此当燃料棒经受中子辐照时，另一间隙带来的影响将 引发燃料棒直径的减少。在EP0 869 197 Bl中的现有技术的说明中，描述了一种部分解决了上述 问题的方法。垂直于栅单元的纵向延伸的金属片的方向以这种方式进行布置， 该方向与同轧制方向交叉的金属片的方向一致。由此在该方向上获得基本减 少的生长，但是仍然能够获得生长，所述生长足够大，从而造成形成间隙的 问题。通过从间隔栅壁的里面向外沖击补片(punching patches )也可将所述问题 矫正到某一范围，所述补片像弹簧一样抵压到燃料棒上，而且随着生长产生 继续抵压在后者上。但是，锆合金具有稍微低的屈服强度，以便充分适合作 为弹簧材料，因此在实践中，补片仅能够补偿由于燃料棒直径的减少而可能 引发达到的间隙。补片不能够补偿由于直径收缩和间隔栅壁的生长所形成的 介于所述间隔栅壁和燃料棒的外表面之间的所有间隙。在多个辐射循环首次 循环之后，间隔栅材料也已经松弛，由此补片用于补偿燃烧棒的直径减少的 能力基本被减少。US-A-4 918 710描述了用于燃料组件的十字支撑4册极(cross-bracing grid)的制造。栅极由锆基合金生产。锆基合金的板或者片是冷成型的处于a+P的锆 状态的板。所述栅极还可以在a相下被处理。由切割和才莫压加工所述板而形成 有用于燃料棒的支撑凸起部(support bosses )。根据EP 0 869 197 Bl的发明对当燃料棒经受中子辐照时，由于间隔栅生 长导致的燃料棒相对间隔栅壁的磨损(abrasive wear)问题^^供可选的解决方案。作为一种解决方案，EP 0 869 197 Bl提供一种方法，其包括步骤提供 锆基金属合金；使得金属片经受包括p淬火(quenching)的首次热处理；使得 金属片经受处于锆基合金的a相温度区域的随后热处理，并且随后冲击金属片 的部分，以便使得那些部分从所述金属片的表面突出并实现用于燃料棒的支 撑表面。EP0 869 197B1中所描述的方法的缺点在于用于(3淬火的装置相对昂贵。尽管现有技术的解决方案已经提供了可运行(functioning)的间隔栅，但 是仍然期望提供现有技术的间隔栅的替换。仍然期望提供避免需要(3淬火的制 造间隔栅的方法。
发明内容本发明的目的是提供一种在不使用P淬火的情况下制造优化的锆基合金 的金属片的方法，当经受中子辐照时，优化的金属片至少在一个方向上表现 出了较小的生长。本发明的另 一 目的是提供一种在不使用P淬火的情况下在核电站的燃料 组件中制造用于定位燃料棒的间隔栅的方法，当经受中子辐照时，间隔栅表 现出了垂直于燃料棒的较小的生长。用根据独立权利要求的方法实现了上述目的。从属权利要求的特征获得了进一 步的益处。本发明的基本的观点是提供一种方法，用该方法可能在不使用P淬火的情 况下制造至少在一个方向上具有接近0.33的Kearns (卡尔恩斯)因子的金属 片。根据本发明的第一方面，提供制造锆基合金的优化的金属片的方法，该优 化的金属片限定有片平面。所述方法包括提供锆基合金的金属片的步骤。所 述方法的特征在于其包括步骤使得金属片至少经受预备冷轧和最后冷轧， 其中所述预备冷轧和所述最后冷轧均以共同的轧制方向进行；在所述预备冷 轧和所述最后冷轧之间对所述金属片进行热处理，从而锆基合金^皮部分地再7结晶，其中热处理中的再结晶度不超过90%。在不使用卩淬火的情况下，用根据本发明的第 一方面的方法在优化的金属 片的片平面内在垂直于轧制方向上可能获得接近于0.33的Kearns因子。因此， 当建造一座工厂用于制造核反应堆中的燃料组件中的燃料棒的间隔栅时，其 可能避免对适合用于P淬火的炉(oven)的投资。所述方法还可以包括至少一个位于预备冷轧之前的冷轧。这种附加冷轧可 以包括在所述方法中而不影响金属片的最终结果，即所述金属片在优化的金 属片的所述片平面内的垂直于轧制方向上具有接近于0.33的Keams因子。在预备冷轧之前的所述至少一个冷轧中的轧制方向优选地基本与预备冷 轧和最后冷轧的轧制方向相同。按照这种方式，最后的结果被优化。为了获得接近0.33的Kearns因子，在热处理中的再结晶度应当为 20%-90%。为了获得尽可能接近0.33的Kearns因子，在热处理中的再结晶度优选地 为40%-60%。在最后冷轧期间，减少的厚度可以为最后冷轧之前的金属片在垂直于片平 面方向上的厚度的40-60%。采用这种冷轧量，可以获得接近0.33的Kearns 因子。在预备冷轧期间，减少的厚度可以为预备冷轧之前的金属片在垂直于片平 面的厚度的40-60%。在预备冷轧期间，锆合金的晶体结构至少部分地被破坏。 通过40-60%的减少，可获得优化的结果。在跟随预备冷轧的热处理期间，锆合金部分地再结晶。结晶度依赖热处理 期间的温度和热处理的持续时间。可以在连续的炉或者间歇式炉中执行热处 理。在连续的炉中，金属片通过所述炉被緩慢地转移，同时在间歇式炉中， 金属片放置为静止。如果在连续的炉中扭^亍热处理，所述热处理在580°C-650°C的温度4丸4亍， 优选地在580。C-630。C的温度执行，并且最优选地在580。C-600。C^丸行。8上述的温度适合连续的炉，其中热处理的时间被限制。在上述的温度，热处理优选地被执行4-10分钟。当在间歇式炉中执行热处理时，可以自由选择热处理。在间歇式炉中，可以在520。C-560。C的温度执行热处理1-6个小时。锆基合金优选地包括至少96%重量的锆。在根据本发明的法中中，还可 能使用具有较高锆含量的锆合金。但是用至少96%的锆含量获得了最好的结 果。锆基合金可以包括许多不同合金材料的任何一种。在间隔栅中，被考虑用于锆基合金的合金材料的第一实例是铌。在间隔栅 中，锆基合金按重量计可以包括0.8-1.2%的铌，优选地按重量计为1.0-1.1% 的铌，并且最优选地按重量计为1.02-1.04%的铌。在间隔栅中，被考虑用于锆基合金的合金材料的第二实例是锡。在间隔栅 中，锆基合金按重量计可以包括0.6-1.2%的锡，并且优选地按重量计包含 0.6-0,8%的锡。被考虑用于锆基合金的合金材料的第三实例是铁。在间隔栅中，锆基合金 按重量计可以包括0.1-0.3%的铁。在根据本发明的一个方法中使用的锆基合金可以包括上述的合金材料的 任4可组合。在优选的实施方案中，锆基合金仅包括锡、铁和铌。任何给出的附加合金 材料其含量按重量计小于0.05%。根据本发明的第二方面，提供一种用于在核电站的燃料组件中制造用于燃 料棒定位的间隔栅的方法。间隔栅限定用于燃料棒的栅单元。所述方法的特 征在于所述方法包括步骤提供根据前述权利要求任一项所述的优化的金属 片；将所述优化的金属片切割为金属条，金属条的长轴垂直于轧制方向，并 且布置金属条以形成间隔栅，从而金属条的长轴垂直于栅单元的纵向延伸。下面将参考附图描述本发明优选的实施方案。
图la示出了金属片，所述金属片在根据本发明的实施方案的方法中被使用，以便制造优化的金属片。图lb示出了优化的金属片，其使用根据本发明的实施方案的方法进行制造。图2示出了根据本发明的实施方案的间隔栅。具体实施方式
在下面本发明优选的实施方案的描述中，在不同附图中，相似的特征由相 同的标号进行表示。图la示出了金属片2，在根据本发明的实施方案中使用金属片2,以便制 造优化的金属片1。图lb示出了优化的金属片1,其使用根据本发明的实施 方案的方法进行制造。金属片2以及被优化的金属片1具有长轴A和宽轴B， 它们共同限定片平面BA。金属片2和优化的金属片1沿着垂直于片平面BA 的厚度轴C具有厚度。优化的金属片1的制造起始于锆合金电极，其包括基于电极重量的约 0.8-1.2%重量的铌、0.1-0.3%重量的铁和0.6-0.8%重量的锡，并且其由将锆块 (briquettes)与合金材料压在一起进行制造。电极是真空熔化成铸件，其随 后至少被真空融化一次，此铸件被锻造为100-125mm厚的材料，其依次被处 理并且表面修整(surface conditioned )。随后，材料经受P淬火。随后，所述 材料被热轧若千步骤以形成金属片2。其步骤数和经过各热轧之后的厚度依赖 于金属片2上期望的最后厚度。该材料可以通过不同于上述方法的其他方法制造。根据上述描述准备的金属片2随后至少经受预备冷轧。在预备冷轧期间， 轧制方向沿着长轴A。金属片2沿着厚度轴C的厚度被减少。在预备冷轧期 间，减少的厚度为预备冷轧之前金属片沿着C轴的厚度的40-60°/。。在预备冷 轧之后，金属片2经受热处理，从而锆基合金部分被再结晶。在连续的炉中，热处理在温度580°C-650°C、优选地在580。C-630。C的温度、并且最优选地在 580。C-60(TC执行4-10分钟。热处理期间的再结晶度为20-90%，并且优选地 为40-60%。在热处理后，金属片2经受最后冷轧到最后的尺寸。在最后冷轧 期间，轧制方向沿着长轴A。在最后冷轧期间，减少的厚度为最后冷轧之前 金属片2沿着C轴的厚度的40-60%。由此优化的金属片l被制造。根据上述 的方法准备的优化的金属片1沿着宽轴B具有接近0.33的Kearns因子。在预备冷轧之前可能包括附加的冷轧。这种附加的冷轧跟随着热处理，以 便在下一附加冷轧或者预备冷轧之前在金属片2中再结晶锆合金。根据该方法的替换实施方案，在间歇式炉中，在预备冷轧和最后冷轧之间 的热处理在520。C-590。C的温度被执行1-6个小时。图2示出了根据本发明的实施方案的间隔栅3。间隔栅3包括许多金属条 4，所述金属条4形成用于燃料棒的栅单元5。所述栅单元5限定有纵向6。 通过沿着如图la所示的线7切割优化的金属片1，由所述优化的金属片l形 成金属条4，从而金属条4的长轴A与优化的金属片1的宽轴B—致，并且 随后垂直于所优化的金属片1的长轴A。金属条4被布置在间隔栅3中，从 而金属条4的长轴垂直于栅单元5的纵向6。沿着金属条的长轴和垂直于栅单 元5的纵向6的间隔栅3的Keams的因子接近0.33。当根据本发明的间隔栅3在原子核反应堆中被使用时，间隔栅3将经受中 子辐照并将由于中子辐照而生长。但是由于间隔4册的Kearns的因子在该方向 上接近0.33,因此间隔栅将在垂直于栅单元5的纵向的尺寸上保持常数。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对上述实施方案进行许多修 改，本发明的精神和范围仅由权利要求进行限定。例如，锆合金包括上述的所有的合金材料是没有必要的。对于锆合金包含上述的一种合金材料就足够了 。为简单起见，图2中示出的间隔栅仅具有9个栅单元。向间隔栅提供任何 期望数量的栅单元是可能的。
权利要求
1.一种制造优化的锆基合金金属片(1)的方法，其优化的金属片(1)限定有片平面(BA)，所述方法包括提供锆基合金的金属片(2)的步骤，其特征在于所述方法包括步骤使得金属片(2)至少经受预备冷轧和最后冷轧，其中所述预备冷轧和所述最后冷轧均以共同的轧制方向进行；在所述预备冷轧和所述最后冷轧之间对所述金属片(2)进行热处理，从而锆基合金被部分地再结晶，其中热处理中的再结晶度不超过90％。
2. 根据权利要求1所述的方法，其在预备冷轧之前至少还包括一个冷轧。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中在预备冷轧之前所述至少一个冷轧 的轧制方向基本与预备冷轧和最后冷轧的轧制方向 一致。
4. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中热处理中的再结晶度至少 为20%。
5. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中热处理中的再结晶度至少 为40%。
6. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中热处理中的再结晶度不超 过60%。
7. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中在最后冷轧中，减少的厚 度为最后冷轧之前的金属片(2 )在垂直于所述片平面(BA )的厚度的40-60%。
8. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中在预备冷轧中，减少的厚 度为预备冷轧之前的所述金属片(2)在垂直于所述片平面(BA)的厚度的 40-60%。
9. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中热处理在连续的炉中被执行。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中热处理在580。C-650。C的温度被执行。
11. 根据权利要求9或者10所述的方法，其中热处理在580。C-630。C的温度被执行。
12. 根据权利要求9、 10或者11所述的方法，其中热处理在580°C-600 。C的温度被执行。
13. 根据权利要求9-12任一项所述的方法，其中热处理被执行4-10分钟。
14. 根据权利要求l-5任一项所述的方法，其中热处理在间歇式的炉中被 执行。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中热处理在520。C-590。C的温度被 执行。
16. 根据权利要求14或者15所述的方法，其中热处理被执行1-6个小时。
17. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中锆基合金按重量计包括至 少96%的锆。
18. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中锆基合金包括铌。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中锆基合金按重量计包括0.8-1.2% 的铌。
20. 根据权利要求18或者19所述的方法，其中锆基合金按重量计包括 1.0-1.1%的铌。
21. 根据权利要求18、 19或者20所述的方法，其中锆基合金按重量计包 括1.02-1.04°/。的铌。
22. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中锆基合金包括锡。
23. 根据权利要求22所述的方法，其中第一锆基合金按重量计包括 0.6-1.2%的锡。
24. 根据权利要求22或者23所述的方法，其中第一锆基合金按重量计包括0.6-0.8%的锡。
25. 根据前述权利要求任一项所述的方法，其中锆基合金包括铁。
26. 根据权利要求25所述的方法，其中第一锆基合金按重量计包括 0.1-0.3°/。的铁。
27. —种在核电站的燃料组件中制造用于定位燃料棒的间隔栅(3)的方 法，所述间隔栅(3)限定出用于燃料棒的栅单元(5)，其特征在于所述方法 包括步骤提供根据前述权利要求任一项所述的优化的金属片(1);将所述优化的金属片(1)切割为金属条(4)，金属条(4)的长轴(A) 垂直于轧制方向；以及布置金属条(4)以形成间隔栅(3),从而金属条(4)的长轴(A)垂直 于栅单元(5)的纵向延伸。
全文摘要
描述了一种制造锆基合金的优化的金属片(1)的方法，优化的金属片(1)限定片平面(BA)。所述方法包括步骤提供锆基合金的金属片(2)；使得金属片(2)至少经受预备冷轧和最后冷轧，其中所述预备冷轧和所述最后冷轧均以共同的轧制方向进行；在所述预备冷轧和所述最后冷轧之间对所述金属片(1)进行热处理，从而锆基合金被部分地再结晶。还描述了一种使用根据本发明的优化的金属片(1)制造间隔栅的方法。
文档编号C22F1/18GK101605921SQ200780049800
公开日2009年12月16日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年1月16日
发明者J·多尔蒂, J·贝茨, L·哈尔斯塔迪厄斯, M·达尔巴克, R·康斯托克, S·金 申请人:威斯丁豪斯电气瑞典有限公司