CH664036A5

CH664036A5 - WITH A COMBUSTIBLE NEUTRON ABSORBER COATED FUEL BODY.

Info

Publication number: CH664036A5
Application number: CH752/84A
Authority: CH
Inventors: Walston Chubb; Kenneth C Radford; Beryl H Parks
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1983-02-22
Filing date: 1984-02-16
Publication date: 1988-01-29
Also published as: GB2137012A; GB2177250A; GB8402535D0; GB8616520D0; SE8400596L; GB2137012B; SE8400596D0; KR840007790A; FR2541495B1; FR2541495A1; GB2177250B; KR910005068B1; SE458810B; DE3402192A1

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen mit einem abbrennbaren Neutronenabsorber beschichteten Kernbrennstoffkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. DESCRIPTION The invention relates to a nuclear fuel body coated with a burnable neutron absorber according to the preamble of claim 1.

Bekanntermassen können Kernbrennstoffkörper verschiedene geometrische Formen haben, beispielsweise als Platten, Säulen oder als Brennstofftabletten ausgebildet sein, die stirnseitig aneinanderstossend in einem Hüllrohr aus einer Zirkoniumlegierung oder aus rostfreiem Stahl angeordnet sind. Diese Brennstofftabletten enthalten spaltbares Material wie beispielsweise Urandioxid, Thoriumdioxid, Plutoniumdioxid odér Gemische hiervon. Die Brennstäbe sind gewöhnlich zu Brennelementen gruppiert. Die Brennelemente werden ihrerseits zum Reaktorkern eines Kernreaktors zusammengesetzt. As is known, nuclear fuel bodies can have various geometric shapes, for example they can be designed as plates, columns or as fuel tablets, which are arranged abutting one another at the end face in a cladding tube made of a zirconium alloy or of stainless steel. These fuel tablets contain fissile material such as uranium dioxide, thorium dioxide, plutonium dioxide or mixtures thereof. The fuel rods are usually grouped into fuel assemblies. The fuel elements are in turn assembled to form the core of a nuclear reactor.

Es ist allgemein bekannt, dass der nukleare Spaltvorgang den Zerfall des spaltbaren Kernbrennstoffmaterials in zwei oder mehr Spaltprodukte mit geringerer Massenzahl bedingt. Unter anderem erzeugt der Spaltvorgang auch Neutronen, welche die Voraussetzung für eine sich selbst aufrechterhaltende Kettenreaktion darstellen. Nachdem ein Reaktor während einer gewissen Zeitspanne betrieben worden ist, müssen die Brennelemente mit dem spaltbaren Material schliesslich infolge der eingetretenen Erschöpfung des spaltbaren Materials ausgetauscht werden. Da dieser Brennstofferneuerungsvorgang zeitraubend und kostspielig ist, ist es wünschenswert, die Standzeit eines gegebenen Brennelements so lang wie möglich zu verlängern. Bei einem thermischen Reaktor können zu diesem Zweck dem Reaktorbrennstoff bewusst eingegebene Zusätze von parasitât neutro-neneinfangenden Elementen in berechneten kleinen Mengen zu sehr vorteilhaften Effekten führen. Solche neutroneneinfangen-de Elemente werden gewöhnlich als «abbrennbare Neutronenabsorber» bezeichnet, da sie ebenfalls nach einiger Zeit erschöpft werden, so dass dadurch eine Kompensation hinsichtlich der gleichzeitig erfolgenden Verringerung des spaltbaren Materials stattfindet. It is generally known that the nuclear fission process causes the fissile nuclear fuel material to disintegrate into two or more fission products with a lower mass number. Among other things, the splitting process also generates neutrons, which are the prerequisite for a self-sustaining chain reaction. After a reactor has been operated for a certain period of time, the fuel elements with the fissile material must finally be replaced due to the exhaustion of the fissile material that has occurred. Because this fuel renewal process is time consuming and costly, it is desirable to extend the life of a given fuel assembly as long as possible. For this purpose, in a thermal reactor, additions of parasitic neutron-trapping elements, which are deliberately introduced into the reactor fuel, can lead to very advantageous effects in calculated small amounts. Such neutron capturing elements are usually referred to as “burnable neutron absorbers” because they also become exhausted after some time, so that this compensates for the simultaneous reduction in the fissile material.

Die Standzeit eines Brennelements kann demzufolge durch Kombination einer anfänglich grösseren Menge spaltbaren Materials mit einer berechneten Menge eines abbrennbaren Neutronenabsorbers verlängert werden. Während der frühen Betriebsphasen eines solchen Brennelements werden überschüssige Neutronen durch den abbrennbaren Neutronenabsorber absorbiert, der dadurch eine Umwandlung in Elemente niedrigen Neutronenabsorptionsquerschnitts erfährt, welche die Reaktivität des Brennelements in späteren Betriebsphasen seiner Standzeit nicht mehr wesentlich beeinträchtigen, wenn nur noch weniger spaltbares Material verfügbar ist. Wenn also ein Brennelement sowohl Kernbrennstoff als auch' einen abbrennbaren Neutronenabsorber in sorgfältig abgestimmtem Verhältnis enthält, lässt sich eine längere Standzeit des Brennelements bei verhältnismässig konstanter Neutronenproduktion und Reaktivität erreichen. The service life of a fuel element can therefore be extended by combining an initially larger amount of fissile material with a calculated amount of a burnable neutron absorber. During the early operating phases of such a fuel assembly, excess neutrons are absorbed by the combustible neutron absorber, which is thereby converted into elements with a low neutron absorption cross section, which no longer significantly impair the reactivity of the fuel assembly in later operating phases of its service life, if only less fissile material is available. So if a fuel element contains both nuclear fuel and a combustible neutron absorber in a carefully coordinated ratio, a longer service life of the fuel element can be achieved with a relatively constant neutron production and reactivity.

Zu den verwendbaren abbrennbaren Neutronenabsorbern gehören Bor, Gadolinium, Samarium, Europium und dergleichen. Die abbrennbaren Neutronenabsorber werden entweder in gleichförmig mit dem Kernbrennstoff gemischter Form (verteilte Absorber) verwendet oder als gesonderte Elemente im Reaktor derart angeordnet, dass sie in gleichem Masse abbrennen bzw. erschöpft werden wie der Kernbrennstoff. Infolgedessen wird die Nettoreaktivität des Reaktorkerns während der aktiven Standzeit des Reaktorkerns im wesentlichen konstant gehalten. The combustible neutron absorbers that can be used include boron, gadolinium, samarium, europium and the like. The combustible neutron absorbers are either used in a form uniformly mixed with the nuclear fuel (distributed absorbers) or are arranged as separate elements in the reactor in such a way that they burn off or are exhausted to the same extent as the nuclear fuel. As a result, the net reactivity of the core is kept substantially constant during the active life of the core.

Die US-PS 3 427 222 beschreibt eine Urandioxid-Brennstofftablette, die mit einem Gemisch aus Urandioxid und einem abbrennbaren Neutronengift aus Zirkoniumdiborid überzogen ist, wobei dieser Überzug durch Plasmaspritzen aufgebracht ist (siehe Spalte 4, Beispiel I). In dieser Patentschrift ist ausserdem eine Urandioxid-Brennstofftablette beschrieben, die mit einem durch chemische Aufdampfung aufgebrachten Borüberzug als abbrennbarem Neutronengift überzogen ist. Dabei ist erwähnt, dass die Aufdampfungsgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen langsam war, während bei hohen Temperaturen der Überzug keine ausreichende Haftung zeigte (siehe Spalte 5, Beispiel III). US Pat. No. 3,427,222 describes a uranium dioxide fuel tablet which is coated with a mixture of uranium dioxide and a combustible neutron poison made of zirconium diboride, this coating being applied by plasma spraying (see column 4, example I). This patent also describes a uranium dioxide fuel tablet which is coated with a boron coating applied by chemical vapor deposition as a burnable neutron poison. It is mentioned that the evaporation rate was slow at low temperatures, while at high temperatures the coating did not show sufficient adhesion (see column 5, example III).

Es ist bekannt, dass in einer Aluminiumumhüllung untergebrachter Kernbrennstoff mit einer Niobschicht überzogen wer5 It is known that nuclear fuel housed in an aluminum casing is coated with a niobium layer5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

664 036 664 036

den kann, um eine chemische Reaktion des Kernbrennstoffs mit der Umhüllung zu vermeiden (GB-PS 859 206, Seite 1, Zeilen 12 bis 30). Es ist ausserdem bekannt, dass sehr kleine Kernbrennstoffpartikel, beispielsweise Urandioxidpartikel, mit einer einfachen Schicht oder mit mehreren Schichten des gleichen oder verschiedener Nichtabsorbermaterialien einschliesslich Niob zu Zwecken überzogen werden können, um beispielsweise den Kernbrennstoff gegen Korrosion zu schützen und das Zurückhalten der Spaltprodukte zu unterstützen. Diese Überzüge können durch verschiedene Techniken aufgebracht werden, beispielsweise durch Niederschlag aus einem Dampf des Überzugsmaterials, durch Niederschlag aus einem zersetzenden Dampf oder auf elektrischem Weg (GB-PS 933 500). this can be done in order to avoid a chemical reaction of the nuclear fuel with the casing (GB-PS 859 206, page 1, lines 12 to 30). It is also known that very small nuclear fuel particles, for example uranium dioxide particles, can be coated with a single layer or with multiple layers of the same or different non-absorber materials, including niobium, for purposes such as protecting the nuclear fuel against corrosion and supporting the retention of the fission products. These coatings can be applied by various techniques, for example by precipitation from a vapor of the coating material, by precipitation from a decomposing vapor or by electrical means (GB-PS 933 500).

In einer 1967 von Gordon und Breach, New York, veröffentlichten AEC-Monographie von A.N. Holden mit dem Titel «Dispersion Fuel Elements» ist eine Beschichtung von Kernbrennstoffpartikeln in Dispersionsbrennstoffen zur Verhinderung einer Wechselwirkung der Partikel mit der Matrix und zum Zurückhalten von Spaltprodukten erwähnt (Seite 30). Weiter ist durch Dampfphasenreduktion mit Niob überzogenes Urandioxid beschrieben (Seite 48). Ausserdem ist mit Chrom unter Verwendung von Chromdichlorid durch Dampfphasenreduktion beschichtetes Urandioxid beschrieben, wobei das Chromdichlorid auf eine Niobunterschicht aufgebracht worden war (Seite 48). In an AEC monograph, published by Gordon and Breach, New York, in 1967 by A.N. Holden, titled “Dispersion Fuel Elements”, refers to a coating of nuclear fuel particles in dispersion fuels to prevent the particles from interacting with the matrix and to retain fission products (page 30). Uranium dioxide coated with niobium by vapor phase reduction is also described (page 48). In addition, uranium dioxide coated with chromium using chromium dichloride by vapor phase reduction is described, the chromium dichloride being applied to a niobium underlayer (page 48).

Neh einer nicht veröffentlichten US-Patentanmeldung betreffend die Beschichtung von Urandioxid-Kernbrennstoff mit Zirkoniumdiborid als abbrennbarem Neutronengift werden Ab-splitterungsprobleme bei chemischem Aufdampfen von Zirkoniumdiborid auf Urandioxid dadurch bewältigt, dass zunächst (durch Spritzen, chemische Aufdampfung usw.) eine dünne Unterschicht aus Niob (mit einer Dicke zwischen etwa 3 |im und 6 lim) auf dem Urandioxid aufgebracht und erst dann das Zirkoniumdiborid durch chemischen Dampfniederschlag auf der Niobschicht aufgebracht wird. In addition to an unpublished US patent application for coating uranium dioxide nuclear fuel with zirconium diboride as a burnable neutron poison, splintering problems with chemical vapor deposition of zirconium diboride on uranium dioxide are overcome by first (through spraying, chemical vapor deposition, etc.) a thin underlayer made of niobium ( with a thickness between about 3 μm and 6 lim) is applied to the uranium dioxide and only then is the zirconium diboride applied to the niobium layer by chemical vapor deposition.

Brennstofftabletten, die mit einem Bor enthaltendem abbrennbaren Neutronenabsorber wie beispielsweise elementarem Bor, dem Bor-10-Isotop (dem die Eigenschaft eines abbrennbaren Absorbers aufweisenden Isotop des elementaren Bors), Zirkoniumdiborid, Borcarbid, Bornitrid und dgl. überzogen sind, haben den Nachteil unterschiedlich starker Feuchtigkeitsabsorption. Beispielsweise müssen Urandioxid-Brennstofftabletten, die mit Zirkoniumdiborid überzogen sind, nach der Herstellung in einem zeitraubenden Vorgang ofengetrocknet und dann in einer feuchtigkeitsarmen Handschuhkastenatmosphäre in die Brennstäbe eingefüllt werden. Dies ist erforderlich, weil das hygroskopische Zirkoniumdiborid (durch Feuchtigkeitsadsorption) aus der Luft eine dünne Feuchtigkeitsschicht aufnimmt. Der folgende langwierige Trocknungsvorgang (typischerweise etwa 1 bis 3 Stunden bei Temperaturen 200°C bis 600°C in einem Vakuum von 1,3 Pa oder weniger) und die feuchtigkeitsgesteuerte Ein-füllung der Brennstofftabletten tragen beträchtlich zu dem Zeitbedarf, der Komplexität und den Kosten der Kernbrennstoffherstellung bei. Feuchtigkeit im Kernbrennstoff muss aber vermieden werden, da überschüssiger Wasserstoff in den Brennstofftabletten, der meistens in Form von Feuchtigkeit vorliegt, eine Hydrierung der aus Zircaloy bestehenden Brennstabhülle verursacht, was zu einem Bruch der Brennstabhülle führen kann. Fuel tablets coated with a boron-containing combustible neutron absorber such as elemental boron, the boron-10 isotope (the isotope of elemental boron which has the characteristic of a combustible absorber), zirconium diboride, boron carbide, boron nitride and the like have the disadvantage of different degrees Moisture absorption. For example, uranium dioxide fuel tablets coated with zirconium diboride have to be oven-dried in a time-consuming process after manufacture and then filled into the fuel rods in a low-humidity glove box atmosphere. This is necessary because the hygroscopic zirconium diboride (through moisture adsorption) absorbs a thin layer of moisture from the air. The subsequent lengthy drying process (typically about 1 to 3 hours at temperatures from 200 ° C to 600 ° C in a vacuum of 1.3 Pa or less) and the moisture-controlled filling of the fuel pills add significantly to the time, complexity and cost nuclear fuel production. Moisture in the nuclear fuel must be avoided, however, since excess hydrogen in the fuel tablets, which is usually in the form of moisture, causes hydrogenation of the Zircaloy fuel rod shell, which can lead to a breakage of the fuel rod shell.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Brennelemente zuschaffen, deren Brennstofftabletten mit einem neutronenabsorbierenden Material überzogen sind, das nicht der Feuchtigkeitsadsorption ausgesetzt ist, so dass die Brennstofftabletten ohne langwierige und teure Vorbereitungen aufbewahrt und in die Brennstabhüllen eingefüllt werden können. The invention is therefore based on the object of providing fuel assemblies whose fuel tablets are coated with a neutron-absorbing material which is not exposed to moisture adsorption, so that the fuel tablets can be stored without lengthy and expensive preparations and filled into the fuel rod casings.

Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffkörper der eingangs genannten Gattung nach der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst. This object is achieved in a fuel body of the type mentioned according to the invention by the training specified in the characterizing part of claim 1.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt: The invention is described in more detail below on the basis of a preferred exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 im Längsschnitt einen Brennstab mit Brennstofftabletten, die mit einem abbrennbaren Neutronenabsorber in Form einer nichthygroskopischen Überzugsschicht nach der Erfindung überzogen sind, 1 is a longitudinal section of a fuel rod with fuel tablets, which are coated with a burnable neutron absorber in the form of a non-hygroscopic coating layer according to the invention,

Fig. 2 den Brennstab im Querschnitt längs der Schnittlinie II-II in Fig. 1, 2 shows the fuel rod in cross section along the section line II-II in FIG. 1,

Fig. 3 eine Weiterbildung des Brennstabs nach Fig. 1, wobei der Überzug der Brennstofftabletten eine zusätzliche Unterschicht aufweist, und 3 shows a further development of the fuel rod according to FIG. 1, the coating of the fuel tablets having an additional underlayer, and

Fig. 4 einen Querschnitt des Brennstabs nach Fig. 3 längs der Schnittlinie IV-IV in Fig. 3. FIG. 4 shows a cross section of the fuel rod according to FIG. 3 along the section line IV-IV in FIG. 3.

Kernbrennstoff enthält Uran in Form von Urandioxid (oder Thoriumdioxid, Plutoniumdioxid oder Gemischen davon) und ist zu Tabletten etwa zylindrischer Gestalt mit einem Durchmesser von etwa 8 mm und einer Länge von etwa 12 mm geformt. Die wünschenswerte Schichtdicke eines abbrennbaren Zirkoni-umdiborid-Neutronenabsorberüberzugs auf den Brennstofftabletten liegt zwischen etwa 8 um und 16 um und vorzugsweise zwischen etwa 9 |xm und 10 um, was einer Einfang-Bor-10-Be-schickung von etwa 0,6 mg/cm entspricht. Nuclear fuel contains uranium in the form of uranium dioxide (or thorium dioxide, plutonium dioxide or mixtures thereof) and is shaped into tablets of approximately cylindrical shape with a diameter of approximately 8 mm and a length of approximately 12 mm. The desirable layer thickness of a burnable zirconium diboride neutron absorber coating on the fuel tablets is between about 8 µm and 16 µm, and preferably between about 9 µm and 10 µm, which is a capture boron 10 load of about 0.6 mg / cm corresponds.

Das Mass der Feuchtigkeitsadsorption hängt von der verwendeten Technik des Aufbringens der Zirkoniumdiborid-Schicht ab. Es hat sich gezeigt, dass Aufspritzen einen etwas porösen Überzug ergibt, der die Feuchtigkeitsadsorption begünstigt, während eine chemische Dampfablagerung geringere Feuchtigkeitsadsorptionsprobleme zu ergeben scheint. The degree of moisture adsorption depends on the technique used to apply the zirconium diboride layer. Spraying has been shown to give a somewhat porous coating that favors moisture adsorption, while chemical vapor deposition appears to pose fewer moisture adsorption problems.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, weist ein Brennstab 10 für ein Kernreaktor-Brennelement ein Hüllrohr 12 mit einem oberen Endstopfen 14 und einem unteren Endstopfen 16 auf, in dessen Innerem 18 eine Vielzahl von spaltbaren Brennstofftabletten 20 jeweils stirnseitig aneinanderstossen und mittels einer Feder 22 in Richtung zum unteren Endstopfen 16 hin vorgespannt untergebracht sind. Der Durchmesser der Brennstofftabletten 20 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser des Hüllrohrs 12, so dass ein kleiner Spielraum 24 verbleibt. Die Feder 22 und der Spielraum 24 lassen eine Wärmeausdehnung der Brennstofftabletten 20 im Reaktorbetrieb zu. As shown in FIGS. 1 and 2, a fuel rod 10 for a nuclear reactor fuel element has a cladding tube 12 with an upper end plug 14 and a lower end plug 16, in the interior 18 of which a large number of fissile fuel tablets 20 abut each other and by means of one another a spring 22 are accommodated biased towards the lower end plug 16. The diameter of the fuel tablets 20 is slightly smaller than the inside diameter of the casing tube 12, so that a small margin 24 remains. The spring 22 and the clearance 24 permit thermal expansion of the fuel tablets 20 in reactor operation.

Vorzugsweise besteht der spaltbare Brennstoffkörper bzw. das Substrat 26 jeder Brennstofftablette 20 im wesentlichen aus Urandioxid, obwohl auch andere Uranformen sowie beispielsweise Plutonium oder Thorium verwendet werden können. Die das Substrat 26 mindestens teilweise bedeckende abbrennbare Neutronenabsorberschicht 30 besteht vorzugsweise im wesentlichen aus elementarem Bor oder aus Zirkoniumdiborid, obwohl auch andere Formen des Bors sowie beispielsweise Gadolinium, Samarium, Europium und dgl. verwendet werden können. Preferably, the fissile fuel body or substrate 26 of each fuel tablet 20 consists essentially of uranium dioxide, although other forms of uranium, such as plutonium or thorium, can also be used. The burnable neutron absorber layer 30, which at least partially covers the substrate 26, preferably consists essentially of elemental boron or zirconium diboride, although other forms of boron, such as gadolinium, samarium, europium and the like, can also be used.

Um die mit dem abbrennbaren Neutronenabsorber überzogenen Kernbrennstofftabletten 20 nichthygroskopisch, also hydrophob zu machen, wird die abbrennbare Neutronenabsorberschicht 30 mit einer unmittelbar damit verbundenen Überzugsschicht 32 überzogen. Diese Überzugsschicht 32 enthält ein reaktorverträgliches hydrophobes Material. Vorzugsweise hat die Überzugsschicht 32 eine Dicke zwischen etwa 2 um und 6 |xm. Diese Überzugsschicht 32 sollte angebracht werden, bevor die abbrennbare Neutronenabsorberschicht 30 mit Luft in Berührung kommt, um die Aufnahme und das Einschliessen von Feuchtigkeit durch Adsorption durch den Neutronenabsorber in der Brennstofftablette 20 zu vermeiden. Zu den hinsichtlich der Reaktorreinigung zu berücksichtigenden Faktoren einer solchen Überzugsschicht gehören Kosten, Neutroneneinfangquer-schnitt, Verträglichkeit mit abbrennbaren Neutronenabsorbern, Verträglichkeit mit dem Rohrmaterial und Schmelzpunkt. Unter diesen Gesichtspunkten kann ein reaktorverträgliches hydro5 In order to make the nuclear fuel tablets 20 coated with the burnable neutron absorber non-hygroscopic, that is to say hydrophobic, the burnable neutron absorber layer 30 is coated with a coating layer 32 directly connected to it. This coating layer 32 contains a reactor-compatible hydrophobic material. Preferably, the coating layer 32 has a thickness between about 2 µm and 6 µm. This coating layer 32 should be applied before the burnable neutron absorber layer 30 comes into contact with air in order to avoid the absorption and inclusion of moisture by adsorption by the neutron absorber in the fuel tablet 20. The factors of such a coating layer to be taken into account with regard to the reactor cleaning include costs, neutron capture cross section, compatibility with combustible neutron absorbers, compatibility with the tube material and melting point. From this point of view, a reactor compatible hydro5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

664 036 664 036

4 4th

phobes Material ein Material aus der Materialgruppe Niob, Zirkonium, Magnesium, Aluminium, Silizium, Kohlenstoff, Titan, Chrom, Eisen, Nickel, Kupfer, Yttrium, Molybdän, Barium und Cer sein. phobic material can be a material from the material group niobium, zirconium, magnesium, aluminum, silicon, carbon, titanium, chromium, iron, nickel, copper, yttrium, molybdenum, barium and cerium.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform wird elementares Bor für die abbrennbare Neutronenabsorberschicht 30 verwendet und unmittelbar auf das aus Urandioxid bestehende Substrat 26 aufgebracht, und die Überzugsschicht 32 besteht im wesentlichen aus Niob. Gemäss einem Ausführungsbeispiel wurden Urandioxid-Brennstofftabletten durch herkömmliche chemische Aufdampfung zuerst mit elementarem Bor und dann mit Niob überzogen, wobei ein die vertikal aufeinandergestapel-ten Brennstofftabletten umschliessendes vertikales Rohr verwendet wurde. Der Borüberzug 30 wurde durch Pyrolyse von B2H6 und der Niobüberzug 32 durch Wasserstoffreduktion von Niobpentachlorid (NbCl5) hergestellt. Diese gasförmigen Vorstufen der auszudampfenden Stoffe wurden in das untere Ende des Rohres eingeleitet, während die Abfallprodukte aus dem oberen Ende des Rohres abgeführt wurden. Die Brennstofftablettensubstrate 26 waren durch schwaches Abschleifen, wiederholte Utraschallspülung in destilliertem Wasser und Vakuumtrocknen gereinigt worden. An der Rohrwand waren Thermoelemente angebracht. Die Tablettensubstrate 26 wurden mittels eines oberen Ofens auf eine vorgegebene, durch Thermoelemente gemessene Temperatur erhitzt, während die Vorstufengase mittels eines unteren Ofens auf eine vorgegebene, ebenfalls durch Thermoelemente gemessene Temperatur vorerwärmt wurden. Unter verschiedenen, in der anliegenden Tafel 1 zusammengestellten Bedingungen wurden zufriedenstellende Überzüge erzielt. In a first preferred embodiment, elemental boron is used for the combustible neutron absorber layer 30 and applied directly to the substrate 26 made of uranium dioxide, and the coating layer 32 consists essentially of niobium. According to one embodiment, uranium dioxide fuel tablets were first coated with elemental boron and then with niobium by conventional chemical vapor deposition, using a vertical tube enclosing the fuel tablets stacked vertically on top of one another. The boron coating 30 was made by pyrolysis of B2H6 and the niobium coating 32 by hydrogen reduction of niobium pentachloride (NbCl5). These gaseous precursors of the substances to be evaporated were introduced into the lower end of the tube, while the waste products were removed from the upper end of the tube. The fuel tablet substrates 26 had been cleaned by light grinding, repeated ultrasonic flushing in distilled water and vacuum drying. Thermocouples were attached to the pipe wall. The tablet substrates 26 were heated to a predetermined temperature measured by thermocouples using an upper oven, while the precursor gases were preheated to a predetermined temperature also measured by thermocouples using a lower oven. Satisfactory coatings were obtained under various conditions summarized in Table 1 below.

Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, wird Zirkoniumdiborid für die abbrennbare Neutronenabsorberschicht 30 verwendet und durch chemische Aufdampfung an eine Unterschicht aus Niob gebunden, und die Niob-Unterschicht 28 wird ihrerseits durch chemische Aufdampfung an das Urandioxid-Substrat 26 gebunden. Die Überzugsschicht 32 besteht im wesentlichen aus che-5 misch aufgedampftem Niob. Die Notwendigkeit einer Unterschicht aus Niob oder dgl. für das Aufbringen von Zirkoniumdiborid durch chemische Aufdampfung auf Urandioxid ist bereits oben erläutert worden. Vorzugsweise hat die Unterschicht 28 eine Dicke zwischen etwa 3 |im und 6 |im. Das Verfahren 10 entspricht demjenigen bei der ersten Ausführungsform. Die Gasvorstufe für die chemische Aufdampfung des Zirkoniumdi-borids war Zirkoniumtetrachlorid und Bordichlorid. Das gasförmige Zirkoniumchlorid wurde durch Reaktion von HCl und Zirkonium hergestellt und die Reaktionsprodukte wurden in ei-15 nem Wasserstoffstrom transportiert. Unter verschiedenen, in der anliegenden Tafel 2 zusammengestellten Bedingungen wurden zufriedenstellende Überzüge erzielt. In a second preferred embodiment, as shown in Figs. 3 and 4, zirconium diboride is used for the burnable neutron absorber layer 30 and bonded to a niobium underlayer by chemical vapor deposition, and the niobium underlayer 28 is in turn chemically vapor-deposited on the nibble Uranium dioxide substrate 26 bound. The coating layer 32 consists essentially of chemically vapor-deposited niobium. The need for an underlayer of niobium or the like for the application of zirconium diboride by chemical vapor deposition on uranium dioxide has already been explained above. The underlayer 28 preferably has a thickness of between approximately 3 μm and 6 μm. The method 10 corresponds to that in the first embodiment. The gas precursor for the chemical vapor deposition of the zirconium di-boride was zirconium tetrachloride and boron dichloride. The gaseous zirconium chloride was prepared by the reaction of HCl and zirconium and the reaction products were transported in a stream of hydrogen. Satisfactory coatings were obtained under various conditions as shown in Table 2 below.

Typischerweise findet die Erfindung zur umfangsmässigen Beschichtung (d.h. zur Beschichtung nur der zylindrischen Um-20 fangsfläche) des Brennstofftablettensubstrats 26 mit einer abbrennbaren Neutronenabsorberschicht 30 und der Überzugsschicht 32 (und gegebenenfalls der Unterschicht 28) Anwendung. In manchen Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, das gesamte Brennstofftablettensubstrat 26 einschliesslich seiner 25 oberen und unteren Stirnflächen zu überziehen. In anderen Fällen kann es vorteilhaft sein, nur einen Teil des Kernbrennstoffsubstrats mit der abbrennbaren Neutronenabsorberschicht und diese dann ganz (oder teilweise) mit der Überzugsschicht zu überziehen. Wenn das Substrat, die abbrennbare Neutronenab-30 sorberschicht und die Überzugs- bzw. Unterschicht Urandioxid bzw. Zirkoniumdiborid bzw. Niob enthält, besteht sie vorzugsweise im wesentlichen aus dem betreffenden Material, nämlich Urandioxid bzw. Zirkoniumdiborid bzw. Niob. Typically, the invention applies to the circumferential coating (i.e., coating only the cylindrical peripheral surface) of the fuel tablet substrate 26 with a burnable neutron absorber layer 30 and the overcoat layer 32 (and possibly the underlayer 28). In some cases, however, it may be desirable to coat the entire fuel pellet substrate 26 including its upper and lower end faces. In other cases, it may be advantageous to coat only a part of the nuclear fuel substrate with the burnable neutron absorber layer and then to cover it completely (or partially) with the coating layer. If the substrate, the burnable neutron absorbing layer and the coating or underlayer contain uranium dioxide or zirconium diboride or niobium, it preferably consists essentially of the material in question, namely uranium dioxide or zirconium diboride or niobium.

TAFEL 1 Herstellung für Bor/Niob-Überzüge TABLE 1 Manufacture for boron / niobium coatings

Versuch attempt

Schicht layer

Versuchs Try

Temperaturen (°C) Temperatures (° C)

Durchsätze (Mol-%) Throughputs (mol%)

Gesamtdurchsatz Total throughput

Nr. No.

dauer (min) duration (min)

Gas gas

Tabletten Tablets

B2H6 B2H6

h2 h2

NbCl; NbCl;

(cm3/min) (cm3 / min)

1 1

B B

45 45

230 230

600 600

0,015 0.015

99,985 99.985

17010 17010

Nb Nb

172 172

650 650

850 850

— -

99,938 99.938

0,062 0.062

16510 16510

2 2nd

B B

60 60

230 230

615 615

0,015 0.015

99,985 99.985

— -

17010 17010

Nb Nb

20 20th

650 650

850 850

... ...

99,983 99.983

0,107 0.107

16017 16017

3 3rd

B B

60 60

230 230

610 610

0,015 0.015

99,985 99.985

— -

17010 17010

Nb Nb

35 35

650 650

850 850

... ...

99,909 99.909

0,091 0.091

16315 16315

4 4th

B B

35 35

230 230

610 610

0,015 0.015

99,985 99.985

— -

17010 17010

Nb Nb

34 34

650 650

845 845

... ...

99,946 99.946

0,054 0.054

17169 17169

TAFEL 2 TABLE 2

Herstellungsbedingungen für Nb/ZrB2/Nb-Überzüge Manufacturing conditions for Nb / ZrB2 / Nb coatings

Versuch Nr. Trial No.

Schicht layer

Versuchsdauer (min) Test duration (min)

Temperaturen (°C) Gas Tabi. Temperatures (° C) Gas Tabi.

BCI3 BCI3

HCl HCl

Durchsätze (Mol-Ifo) Throughput (Mol-Ifo)

H2 NBCI5 H2 NBCI5

ZrCL, ZrCL,

Gesamtdurchsatz (cm3/min) Total throughput (cm3 / min)

1 1

Nb Nb

45 45

650 650

850 850

99,921 99.921

0,079 0.079

15632 15632

ZrB2 ZrB2

60 60

600 600

800 800

0,140 0.140

0,053 0.053

99,680 99.680

— -

0,128 0.128

17098 17098

Nb Nb

67 67

650 650

850 850

... ...

99,946 99.946

0,054 0.054

... ...

15668 15668

2 2nd

NB NB

59 59

650 650

850 850

— -

99,942 99.942

0,053 0.053

— -

17089 17089

ZrB22 ZrB22

37 37

600 600

805 805

0,279 0.279

0,204 0.204

99,298 99.298

— -

0,220 0.220

17196 17196

Nb Nb

69 69

650 650

850 850

— -

99,951 99.951

0,049 0.049

— -

17088 17088

5 5

664 036 664 036

TAFEL 2 (Fortsetzung) TABLE 2 (continued)

Versuch Nr. Trial No.

Schicht layer

Versuchsdauer (min) Test duration (min)

Temperaturen (°C) Gas Tabi. Temperatures (° C) Gas Tabi.

bci3 bci3

Durchsätze (Mol-%) HCl Hz NBCls Throughputs (mol%) HCl Hz NBCls

ZrCLt ZrCLt

Gesamtdurchsatz (cm3/min) Total throughput (cm3 / min)

3 3rd

Nb Nb

44 44

643 643

865 865

—« - «

99,907 99.907

0,093 0.093

17136 17136

ZrB2 ZrB2

76 76

600 600

800 800

0,187 0.187

0,234 0.234

99,498 99.498

— -

0,082 0.082

17114 17114

Nb Nb

48 48

650 650

850 850

... ...

99,915 99.915

0,085 0.085

... ...

17155 17155

4 4th

Nb Nb

60 60

650 650

840 840

— -

99,942 99.942

0,059 0.059

— -

17195 17195

ZrB2 ZrB2

30 30th

605 605

805 805

0,279 0.279

0,204 0.204

99,298 99.298

— -

0,220 0.220

17196 17196

Nb Nb

50 50

660 660

840 840

... ...

99,932 99.932

0,068 0.068

... ...

17197 17197

5 5

Nb Nb

55 55

650 650

855 855

— -

99,941 99.941

0,059 0.059

— -

17280 17280

ZrB2 ZrB2

25 25th

600 600

805 805

0,279 0.279

0,204 0.204

99,298 99.298

— -

0,220 0.220

17196 17196

Nb Nb

55 55

650 650

843 843

... ...

99,938 99.938

0,062 0.062

... ...

17231 17231

6 6

Nb Nb

81 81

650 650

843 843

— -

99,959 99.959

0,041 0.041

— -

17192 17192

ZrBz ZrBz

27 27th

600 600

804 804

0,279 0.279

0,204 0.204

99,298 99.298

— -

0,220 0.220

17196 17196

Nb Nb

72 72

650 650

844 844

... ...

99,945 99.945

0,055 0.055

... ...

17194 17194

7 7

Nb Nb

27 27th

650 650

870 870

— -

99,811 99.811

0,189 0.189

— -

17112 17112

ZrBz ZrBz

75 75

600 600

825 825

0,140 0.140

0,234 0.234

99,544 99.544

— -

0,082 0.082

17106 17106

Nb Nb

33 33

650 650

■ 890 ■ 890

... ...

99,870 99.870

0,130 0.130

... ...

17062 17062

8 8th

Nb Nb

65 65

650 650

843 843

— -

99,920 99.920

0,080 0.080

— -

17199 17199

ZrB2 ZrB2

37 37

602 602

803 803

0,279 0.279

0,204 0.204

99,298 99.298

— -

0,220 0.220

17196 17196

Nb Nb

54 54

650 650

843 843

... ...

99,922 99.922

0,078 0.078

... ...

17153 17153

9 9

Nb Nb

64 64

650 650

860 860

— -

99,936 99.936

0,064 0.064

— -

17105 17105

ZrBz ZrBz

55 55

620 620

817 817

0,140 0.140

0,234 0.234

99,543 99,543

— -

0,082 0.082

17106 17106

Nb Nb

77 77

650 650

853 853

... ...

99,946 99.946

0,054 0.054

— -

17103 17103

10 10th

Nb Nb

71 71

650 650

850 850

— -

99,949 99.949

0,052 0.052

— -

17194 17194

ZrBz ZrBz

37 37

600 600

810 810

0,279 0.279

0,204 0.204

99,298 99.298

— -

0,220 0.220

17196 17196

Nb Nb

52 52

650 650

850 850

... ...

99,934 99.934

0,066 0.066

... ...

17196 17196

11 11

Nb Nb

69 69

650 650

848 848

— -

99,956 99.956

0,044 0.044

— -

17228 17228

ZrBz ZrBz

55 55

600 600

809 809

0,140 0.140

0,105 0.105

99,640 99.640

— -

0,114 0.114

17101 17101

Nb Nb

77 77

650 650

845 845

... ...

99,956 99.956

0,044 0.044

... ...

17206 17206

v v

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

664 036

2nd

PATENT CLAIMS

1. With a burnable neutron absorber-coated nuclear fuel body (20) with a nuclear fuel substrate (26), which contains a fissile material, and a layer (30) covering at least part of this substrate (26), which contains a burnable neutron absorber, characterized by a coating layer (32), which contains a reactor-compatible hydrophobic material and is directly connected to the neutron absorber layer (30).

2. Nuclear fuel body according to claim 1, characterized in that the substrate (26) consists essentially of uranium dioxide and the neutron absorber layer (30) comprises a material containing boron.

3. Nuclear fuel body according to claim 1 or 2, characterized in that the neutron absorber layer (30) consists essentially of boron and is directly connected to the substrate (26).

4. Nuclear fuel body according to claim 1 or 2, characterized by a niobium-containing underlayer (28) which is arranged between the substrate (26) and the neutron absorber layer (30) consisting essentially of zirconium diboride and is directly connected to the substrate.

5. Nuclear fuel body according to claim 4, characterized in that the lower layer (28) consists essentially of niobium.

6. Nuclear fuel body according to claim 4 or 5, characterized in that the underlayer (28) has a thickness between 3 µm and 6 µm.

7. Nuclear fuel body according to one of claims 1 to 6, characterized in that the coating layer (32) consists essentially of niobium.

8. Nuclear fuel body according to one of claims 1 to 7, characterized in that the substrate (26) is designed as an approximately cylindrical fuel tablet with a diameter of approximately 8 mm and a length of approximately 12 mm and that the neutron absorber layer (30) has a thickness of 8 | im to 16 (im and the coating layer (32) has a thickness of 2 | im to 6 pm.

9. Nuclear fuel element with fuel rods containing a nuclear fuel body coated with a burnable neutron absorber according to one of claims 1 to 8.

10. A process for the production of nuclear fuel bodies according to any one of claims 1 to 8 by coating a nuclear fuel body containing uranium dioxide with a burnable neutron venom containing zirconium diboride, characterized in that a layer containing niobium is first applied to at least part of the nuclear fuel body and then by chemical vapor deposition a layer of the combustible neutron poison is adhered to at least part of the layer containing niobium.

11. The method according to claim 10, characterized in that the niobium-containing layer consists essentially of niobium and is applied by chemical vapor deposition.

12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the burnable neutron poison layer consists essentially of zirconium diboride.