Stahllegierung mit hohem Borgehalt, die insbesondere als Absorbermaterial für Kernreaktoren geeignet ist
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stahllegierung mit hohem Borgehalt, insbesondere als Absorbermaterial für Kernreaktoren, das für fast sämtliche Typen von Kernreaktoren sowie für niedrige und höhere Reaktortemperaturen verwendbar ist. Ausserdem ist ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für ein solches Absorbermaterial angegeben.
Das Element Bor wird im Kernreaktorbau für viele Zwecke herangezogen, da es einen hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen besitzt. Diese Eigenschaft lässt es besonders für die Regelung des Neutronenflusses geeignet erscheinen, und es ist daher in den verschiedenartigsten Zusammensetzungen als wirksamer Bestandteil in Regelstäben enthalten. Unter Neutronenbestrahlung zerfällt das Borisotop B 10, das etwa zu 20% in dem natürlichen Isotopengemisch vertreten ist, in stabile Atomkerne des Li7 und He4, wobei es keine y-Strahlen aussendet.
Diese Eigenschaft des Bors wird beim Bau von thermischen Schildern ausgenutzt, die aus borhaltigen Werkstoffen hergestellt werden und die Aufgabe haben.
eine übermässige Erwärmung bestimmter Reaktorbauteile durch Bestrahlung zu verhindern. So werden z.B. bei Kugelhaufenkernreaktoren die Abzugsrohre für die Brennstoffkugeln mit einer Schicht eines borhaltigen Materials umgeben. Die Anwendung derartiger Abschir- mungen gestattet es auch, die Wandstärken der übrigen Reaktorbauteile zu verringern sowie eine Überprüfung des Reaktor-Druckbehälters in Stillstandzeiten unter erleichterten Bedingungen vorzunehmen.
Nach dem Stand der Technik wird das Bor in Regelstäben entweder - meist als B4C - in Form einer pulvermetallurgisch hergestellten Mischung oder als metallische Legierung verwendet.
Im ersteren Fall erweist es sich als sehr ungünstig.
dass die B4C-Körper von Dampf angegriffen und schnell zersetzt werden. Sie müssen daher von Hülsen aus nichtrostendem Stahl umschlossen werden, wobei ein Aufquellen der Regelstäbe infolge des sich Ansammelns von Zerfallsatomen (He, Li) nicht auszuschliessen ist. Die Herstellung von Regelstäben, in denen das Bor in einer pulvrigen Mischung vorliegt, stösst auf technische Schwierigkeiten.
Die Verwendung von Bor in Form von metallischen Legierungen ist seit längerer Zeit bekannt, so werden Guss-Stähle mit einem Gehalt von 5% Bor bereits fabrikmässig hergestellt. Austenitische Cr-Ni-Stähle lassen sich bis zu einem eutektischen Borgehalt von 2,1% schmieden. Eine Erhöhung des Borgehalts steigert zwar die Zugfestigkeit und die Streckgrenze der Stahllegierung, aber gleichzeitig werden Bruchdehnung, Kerbschlagzähigkeit und Brucheinschnürung merklich herabgesetzt. Es erschien daher nicht geraten, legierte Stähle mit höheren Borgehalten herzustellen.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein borhaltiges Absorbermaterial insbesondere für Kernreaktoren anzugeben, das eine hohe Stabilität und Temperaturbeständigkeit mit guten mechanischen Eigenschaften verbindet. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, dass in eine austenitische Cr-Ni-Stahllegierung mit einem Cr-Anteil oberhalb 30 Gewichtsprozent das Bor-Isotop B 10 mit einem Gehalt von mindestens 1,9 Gewichtsprozent eingelagert ist. Derartige Stähle mit einem höheren Borgehalt weisen in ihrem Gussgefüge balkenförmige Primärboride auf, die erhebliche Mengen von Cr abzubinden vermögen. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, über die Erhöhung des Cr-Gehalts den Prozentsatz an Bor zu steigern und damit die Zusammensetzung der Stahllegierung ohne nachteilige Folgen für ihre mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen.
Das Verhältnis der Anteile von Bor und Chrom ist dabei durch ein stöchiometrisches Gleichgewicht bestimmt, bei dem die Bildung eines niedrigschmelzenden Eutektikums verhindert wird.
Der 1,9%ige B 10-Gehalt ist so berechnet, dass die Wirksamkeit des erfindungsgemässen Absorbermaterials für eine mindestens zwanzigjährige Betriebsdauer eines Kernreaktors gewährleistet ist. Der Borstahl kann daher auch für Reaktorbauteile verwendet werden, die während der Betriebsdauer nicht ausgewechselt werden können, z.B. für das Kugelabzugsrohr umgebende Absorberschichten.
Das Absorbermaterial gemäss der Erfindung kann beispielsweise die folgende Zusammensetzung haben:
36-38 % Chrom
6- 8 % Nickel
2 % Borisotop B 10
0,05% Kohlenstoff
0,2 % Aluminium
Rest: Eisen
Der hohe Cr-Gehalt stellt die Grundlage für die Bildung einer hinreichenden Menge Chromboriden dar.
Der Prozentsatz an Kohlenstoff ist so gering wie möglich zu halten, um die Entstehung von unerwünschten Chromkarbiden zu vermeiden.
Das erfindungsgemässe Absorbermaterial weist gegenüber dem Stand der Technik eine Anzahl von Vorteilen auf. So sind die in ihm enthaltenen Boride stabil und werden nicht von Wasserdampf zersetzt. Das Absorbermaterial ist nicht anfällig für Kornzerfall, da sein C Gehalt nur sehr niedrig ist, und auch nach längerem Abbrand bzw. nach längerer Bestrahlung besitzt es noch ein hinreichend stabiles austenitisches Gefüge, denn die dabei entstandenen Spaltatome He und Li können sich im Gussgefüge und in den Leerstellen festsetzen. Ausserdem müssen der niedrige Preis und die unbegrenzte Verfügbarkeit des erfindungsgemässen Absorbermaterials erwähnt werden sowie der Umstand, dass es leicht zu handhaben ist, was beim Auswechseln von Abschaltstäben von grossem Nutzen ist.
Der 1,9%ige Anteil an B 10 in der Cr-Ni-Stahllegierung entspricht etwa 10% Bor im natürlichen Isotopengemisch, und das erfindungsgemässe Absorbermaterial lässt sich vorteilhaft dadurch herstellen, dass einer Cr-Ni-Stahllegierung der genannten Zusammensetzung 10% des natürlichen Borisotopengemisches beigegeben werden. Für die Verwendung des Absorbermaterials in Abschaltstäben wird es zweckmässig in Form von Hohlkörpern hergestellt, die beispielsweise einen Aussendurchmesser von 12 cm und einen Innendurchmesser von 6 cm haben und 150 cm lang sind.
Vier derartige Hohlkörper bilden zusammen einen Abschaltstab. Die Herstellung einer Cr-Ni-Stahllegierung mit einem 1,9%igen Gehalt an B 10 kann jedoch auch realisiert werden, ohne dass die Stahllegierung den hohen Prozentsatz von 10% Bor aufweist. So kann vorteilhaft ein Gehalt von 7,5 bis 8,5 % Bor gewählt werden, das jedoch nicht im natürlichen Isotopengemisch vorliegt, sondern dessen B 10-Komponente angereichert ist. Ein derartiges Absorbermaterial hat annähernd die gleiche Wirksamkeit wie das vorher beschriebene, lässt sich jedoch vom metallurgischen Standpunkt aus leichter herstellen. Vorteilhaft wird das Bor der Cr-Ni-Stahllegie- rung in Form von Ferrobor zugesetzt, das im Handel angeboten wird. Die Cr-Ni-Stahllegierung wird im Hochvakuum erschmolzen und mit dem Borzuschlag versetzt.
Die Beigabe von Aluminium zur Schmelze soll den Sauerstoff abbinden, welcher jedoch vorzugsweise durch das hohe Vakuum entfernt werden soll. Das Vakuum soll die Schmelze entlüften, entgasen und schützen. In der ersten Phase des Schmelzens kann das Vakuum bei 10-4 Torr stehen, und das Titan wird in dieser ersten Phase beigegeben, ebenso das Aluminium. In der zweiten Phase des Schmelzens, das ist nach der Zugabe des Ferrobors oder der borhaltigen Zutaten in entsprechender Verbindung, soll das Vakuum vorzugsweise 10- Torr oder weniger zeigen, weil durch die entstehenden Chromboride die Schmelze dickflüssiger wird und die Entgasung somit höheres Vakuum erfordert. Die Beigabe des Titans nach dem Ferroborzusatz erscheint unzweckmässig.
Es kann auch zweckmässig sein, die Cr-Ni-Stahllegie- rung im pulvermetallurgischen Verfahren in einer Schutzatmosphäre von Helium oder Argon zu verdichten.
Vorteilhaft schliesst sich daran ein Sinterungsprozess im Hochvakuum an.
Eine Chrom-Nickel-Stahllegierung mit einem hohen Borgehalt gemäss der Erfindung kann wegen ihrer grossen Festigkeit und sonstigen guten mechanischen Eigenschaften auch allgemein im Stahlbau mit Vorteil verwendet werden.
Steel alloy with a high boron content, which is particularly suitable as an absorber material for nuclear reactors
The present invention relates to a steel alloy with a high boron content, in particular as an absorber material for nuclear reactors, which can be used for almost all types of nuclear reactors and for low and high reactor temperatures. In addition, an advantageous production method for such an absorber material is specified.
The element boron is used for many purposes in nuclear reactor construction, as it has a high capture cross-section for thermal neutrons. This property makes it appear particularly suitable for regulating the neutron flux, and it is therefore contained in a wide variety of compositions as an active ingredient in control rods. When irradiated with neutrons, the borisotope B 10, which is approximately 20% in the natural isotope mixture, decays into stable atomic nuclei of Li7 and He4, whereby it does not emit any y-rays.
This property of boron is used in the construction of thermal shields, which are made of materials containing boron and have the task.
to prevent excessive heating of certain reactor components by irradiation. E.g. In pebble-bed core reactors, the exhaust pipes for the fuel balls are surrounded by a layer of a boron-containing material. The use of shields of this type also makes it possible to reduce the wall thicknesses of the other reactor components and to check the reactor pressure vessel during downtimes under easier conditions.
According to the state of the art, the boron is used in control rods either - mostly as B4C - in the form of a powder-metallurgically produced mixture or as a metallic alloy.
In the former case, it turns out to be very unfavorable.
that the B4C bodies are attacked by steam and quickly decomposed. They must therefore be enclosed in sleeves made of stainless steel, whereby a swelling of the control rods due to the accumulation of decay atoms (He, Li) cannot be ruled out. The production of control rods, in which the boron is present in a powdery mixture, encounters technical difficulties.
The use of boron in the form of metallic alloys has been known for a long time, so cast steels with a boron content of 5% are already manufactured in the factory. Austenitic Cr-Ni steels can be forged up to a eutectic boron content of 2.1%. An increase in the boron content increases the tensile strength and the yield point of the steel alloy, but at the same time elongation at break, notched impact strength and necking at break are noticeably reduced. It therefore did not seem advisable to manufacture alloy steels with higher boron contents.
The invention is based on the task of specifying a boron-containing absorber material, in particular for nuclear reactors, which combines high stability and temperature resistance with good mechanical properties. The characteristic feature of the invention can be seen in the fact that the boron isotope B 10 with a content of at least 1.9 percent by weight is embedded in an austenitic Cr-Ni steel alloy with a Cr content of more than 30 percent by weight. Such steels with a higher boron content have bar-shaped primary borides in their cast structure, which are able to bind considerable amounts of Cr. This makes it possible to increase the percentage of boron by increasing the Cr content and thus to influence the composition of the steel alloy without adverse consequences for its mechanical properties.
The ratio of the proportions of boron and chromium is determined by a stoichiometric equilibrium in which the formation of a low-melting eutectic is prevented.
The 1.9% B 10 content is calculated in such a way that the effectiveness of the absorber material according to the invention is guaranteed for at least twenty years of operation of a nuclear reactor. The boron steel can therefore also be used for reactor components that cannot be replaced during the operating period, e.g. for the absorber layers surrounding the ball exhaust pipe.
The absorber material according to the invention can for example have the following composition:
36-38% chromium
6-8% nickel
2% Borisotop B 10
0.05% carbon
0.2% aluminum
Remainder: iron
The high Cr content is the basis for the formation of a sufficient amount of chromium borides.
The percentage of carbon should be kept as low as possible in order to avoid the formation of undesirable chromium carbides.
The absorber material according to the invention has a number of advantages over the prior art. The borides contained in it are stable and are not decomposed by water vapor. The absorber material is not susceptible to grain disintegration, since its C content is only very low, and even after prolonged burn-off or after prolonged irradiation it still has a sufficiently stable austenitic structure, because the fission atoms He and Li formed in the process can be in the cast structure and in fix the spaces. In addition, the low price and the unlimited availability of the absorber material according to the invention must be mentioned, as well as the fact that it is easy to handle, which is of great benefit when replacing switch-off rods.
The 1.9% share of B 10 in the Cr-Ni steel alloy corresponds to about 10% boron in the natural isotope mixture, and the absorber material according to the invention can advantageously be produced by adding 10% of the natural to a Cr-Ni steel alloy of the stated composition Borisotope mixture are added. For the use of the absorber material in shut-off bars, it is expediently produced in the form of hollow bodies which, for example, have an outside diameter of 12 cm and an inside diameter of 6 cm and are 150 cm long.
Four such hollow bodies together form a shutdown rod. The production of a Cr-Ni steel alloy with a 1.9% content of B 10 can, however, also be realized without the steel alloy having the high percentage of 10% boron. For example, a boron content of 7.5 to 8.5% can advantageously be chosen, which is not, however, present in the natural isotope mixture, but whose B 10 component is enriched. Such an absorber material has approximately the same effectiveness as that previously described, but is easier to manufacture from a metallurgical point of view. The boron is advantageously added to the Cr-Ni steel alloy in the form of ferroboron, which is commercially available. The Cr-Ni steel alloy is melted in a high vacuum and the boron additive is added.
The addition of aluminum to the melt should bind the oxygen, which, however, should preferably be removed by the high vacuum. The vacuum is supposed to vent, degas and protect the melt. In the first phase of melting, the vacuum can be 10-4 Torr, and the titanium is added in this first phase, as is the aluminum. In the second phase of melting, which is after the addition of the ferrous boron or the corresponding boron-containing ingredients, the vacuum should preferably be 10 Torr or less, because the resulting chromium boride makes the melt more viscous and the degassing thus requires a higher vacuum. The addition of the titanium after the addition of ferroboron appears inexpedient.
It can also be useful to compress the Cr-Ni steel alloy in a powder metallurgical process in a protective atmosphere of helium or argon.
This is advantageously followed by a sintering process in a high vacuum.
A chromium-nickel steel alloy with a high boron content according to the invention can also be used with advantage in general in steel construction because of its great strength and other good mechanical properties.