DE1514115A1

DE1514115A1 - Dampfgekuehltes Brennelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1514115A1
Application number: DE19651514115
Authority: DE
Inventors: Kornbichler Dr-Ing Heinz
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1965-02-17
Filing date: 1965-02-17
Publication date: 1969-09-04
Also published as: US3384551A; GB1132874A

Description

Ii i c e η t i a
Patent-Verwaltungs-Ö.m_ob „K, Frankfurt/Main, Theodor-Stexn-Kai 1

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Dampfgekühltea Brennelement für Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft ein dampfgekühltes Brennelement für Kernreaktoren mit keramischem Brennstoff und metallischer .HUlIe₀

Bei Verwendung von Wasser oder Dampf als Kühlmittel in Kernreaktoren haben sich keramische Brennelemente*,, die von metallischen Hüllen umschlossen sind, durchgesetzt. An das Hüllmaterial werden hauptsächlich folgende zwei Forderungen gestellt:

,1) Das Hüllmaterial muß bei Betriebsbedingungen hinreichend korrosionsfest seine,

2) Das Hüllmaterial soll wenig Neutronen einfanden. d.ho das Verhältnis von* Neutronenabsorption Js Volumeneinhe-it zur'mechanischen Festigkeit (Wane!stärke) soll möglichst gering sein,,

Man hat mehrere bekannte Materialien auf die gleichseitig« Erfüllung dieser Bedingungen hin untersucht:

Die erste Forderung der 'Korrosionsfestigkeit wird bei BiMe-'.fasserreakfcorbedingungen von Zircaloy recht gut, von den höhernickelhaltlgen Legierungen vermutlich ebenfalls gut, vcra rost-. ■* *iiE Stahl auf der Basis 18 Cr/8 Ni unter Umständen nicht voll ¹ ,end orfttilt» Bei Dampfkühlung bis zu 650° G Wandtempe-

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ratur wird die Forderung der Korrosionsfestigkeit von den höhernicke lhalt igen Legierungen recht gut, von rostfreiem Stahl auf der Basis 18 Cr/8 Ni vermutlich nicht voll befriedigend und von den gegenwärtig verfügbaren Zirkonlegierungen (Zircaloy) vorerst überhaupt nicht erfüllt.

Die Forderungen nach niedrigem Neutroneneinfang erfüllen Zircaloy am besten, rostfreier Stahl auf der Basis 18, Cr/8 Ni mäßig und die höherhaltigen Nickellegierungen relativ schlecht. Es zeigt sich somit, daß ein« einfache Umhüllung, die aus den angeführten bekannten Werkstoffen, also beispielsweise aus rostfreiem Stahl, besteht, nicht allen Anforderungen in dem wünschenswerten Maße genügt.

Um nun bei einem dampfgekühlten Brennelement mit keramischem Brennstoff und metallischer Hülle die Forderungen nach Korrosionsfestigkeit und nach niedrigem Neutroneneinfang möglichst gut au erfüllen, wird vorgeschlagen» daß die Hülle des erfinuungsgemäßen Brennelementes aus einemMetall oder einer Metalllegierung mifc sehr niedrigem Verhältnis von Neutronenabsorption zu mechanischer Festigkeit bei Betriebstemperaturen besteht und daß diese Hülle auf der dem Dampf zugewandten Seite mit einem dünnen metallischen Überzug aus einem bei Betriebstemperatur hinreichend korrosionsfesten Metall oder einer Metalllegierung versehen ist. Bei einer solchen Konstruktion übernimmt das brennstoffseitige Hohr die Trag- und Stützfunktion, während der kühlmittelseitige Überzug für die Korrosionsbeständigkeit sorgt ο

Eine Möglichkeit der Ausführung einer solchen Doppelhüllen-Konatrukt:i.on besteht darin, <wei Rohre mit sehr engen Toleranzen ineinander zu schieben, so daß ein möglichst geringer Wärmewiderstand infolge guten Kontaktes auftritt. Besonders VOrtailhaft ist es in diesem Falle, nicht Höhre der endgültigen -Abmessungen ineinander zu schieben, sondern vor dem Ziehen der Rohre aus den Vorziehluppen bereits zwei Luppen des einen und

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des anderen Metalls ineinandeijzu stecken und die so entstandene doppelwandig Vorziehluppe auf das gewünschte Endmaß herunter zu ziehen. Auf diese Weise kann man bekanntlich außerordentlich dünne Abmessungen des kühlmittelseitigen Korrosionsschutzrohres herstellen und erzielt Überdies durch den Ziehvorgang sowie erforderlichenfalls durch Zwisohengltihung eine echte metallurgische Verbindung zwischen den beiden Rohren.

Eine andere Möglichkeit besteht darin» die Korrosionsschutzschicht durch galvanischen Überzug von Nickel oder Chrom aufzubringen.

Die Figur zeigt als Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes rohrförmiges Brennelement im Schnitt, das als kombiniertes Siede-Überhitzerelement an seiner Außenseite das als Kühlmittel dienende Siedewasser verdampft und den entstehenden Sattdampf innen überhitzt.

Der rOhrfÖrmige Brennstoff 1, der beispielsweise aus lirandioxyd besteht, ist nach außen, d.h. zur Siedeseit- 2 hin, von Siedewasser mit einer temperatur von etwa 285° G umgeben. Der sich bildende Sattdampf 3 dringt mittels eines nicht gezeichneten Dampfführungssystems von unten in das Brennelement ein utxd wird diesem als überhitzter Dampf an der Stelle 4 abgenommen. Zur Siedeseite ist der Brennstoff mit einem Hüllrohr 5 aus einer Zirkonlegierung umgeben, das zugleich eine StUtzfunlction ausübt = Zur Überhitzerseite 6 ist der Brennstoff durch das Poppelrohr I₉ vom Kühlmitteldampf getrennt. Dieses Doppelrohr besteht aus einer Röhre 7,die ζ.B, aus Zircaloy sein kann, die mit einem dünnen metallischen Überzug 8 beispielsweise aus Incoloy ausgekleidet ist. Dieser Überzug dient zur Verhütung der Korrosion der Röhre Das erfindungsgemäße Brennelement trägt an seinem oberen Ende einen ringförmigen Endstopfen 9, beispielsweise ebenfalls aus Zircaloy _% über dem eine thermische Schutzkappe 10 angebracht ist.

E2ifi?pi:eehend den eingangs erläuterten Eigenschaften verschiedener EUlIv,. rkstof f e würde man bei einem dampf gekühlten ringförmigen

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Brennelement für Kernreaktoren z?/eekmäßigerweise an der Siedeseite 2 als Umhüllung Zircaloy verwenden (niedriger Neutroneneinfang und gute Korrosionseigenschaften) und auf der Überhltzerseite 6 höhernickelhaltige Legierungen_s um den Erfordernissen der Korrosionswiderstandsfähigkeit zu entsprechen. Einer solchen Konstruktion steht einmal die Schwierigkeit des Verschweißens von Zirkon und Stahl entgegen. Selbst wenn dieses Froblem befriedigend gelöst werden kann, würden aber die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Zirkon und höhernidelhaltigen Legierungen erhebliche Spannungen zwischen dampf- und wassereeitiger Hölle zur Folge haben und damit große Schwierigkeiten bereiten* Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag kann man diese Schwierigkeiten vermeidenο Man kann das gesamte Brennelement, d.h. die siedeseitige Hülle 5, den ringförmigen Endstopfen 9 und die überhitzerseitige Röhre7t aus Ziroaloy aufbauen, so daß sich Wärmespannungen nur zufolge der unterschiedlichen Temperaturen, nicht aber noch zusätzlich zufolge der unterschiedlichen Wärmeausdehnungszahlen einstellen. Da die Wärmeausdehnungszahl von Zircaloy überdies sehr niedrig ist, stellen sich bei Verwendung dieses Materials nur relativ niedrige Thermoepannungen in einem solchen Brennelement ein. Durch den dampfseitigen metallischen Überzug 8 als Korrosionsschutz wird das Problem der Korrosion des Zircaloys durch den heißen Dampf verhindert.

Bei der erfindungsgemäßen Anwendung von Hüllrohren mit Korrosionsschutzschieht (Doppelhüllen) ergibt eich aber bei kombinierten Siede-Überhitzerelementen noch das Problem, daß an den Enden des Hüllrohres der heiße Dampf das Zirkon angreifen kann. Um dies zu ▼erhindern, wird erfindungsgemäß weiterhin vorgeschlagen, an den Enden der Hüllrohre, dort wo sie mit den ringförmigen Endetopfen verschweißt sind, auch das innere Korrosionsschutzrohr 8 mit dim Zircaloyrohr 7 zu verschweißen, wobei diese Schweißnaht 11 keine funktion der Festigkeit zu übernehmen hat, sondern nur zur Abdichtung dient. Sie soll lediglich verhindern, daß Dampf zwischen das Korroeionsschutssrohr 8 und das Zircaloyrohr 7 eindringen kann. Derartige Schweißnähte ώ-^isehen Zirkon und Stahl bzw. höhernicke1-

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haltigen legierungen, toe! denen man keine hohen Anforderungen an die mechanische Festigkeit stellt, sind ausführbar. Um nun auch zu verhindern, daß diese Schweißnaht selbst bzw. das benachbarte Zirealoyms-terial vom heißen Dampf angegriffen wird, wird weiterhin vorgeschlagen, eine thermische Schutzkappe 10 einzusetzen_o Durch die gute Wärmeleitung iin Zircaloy durch den ringförmigen Sndstopfen 9 hindurch und durch die intensive Kühlung auf der Siedeseite 2 wird damit erreicht, daß sowohl die kritische"Naht.zwischen Korrosionshüllrohr 8 und Zircaloyrohr wie au'Th die zweite mechanisch hoch belastbare Naht 12 zwischen dem Zircaloyrohr 7 und dem ringförmigen Endstopfen 9 auf i'emperaturen gehalten werden, die nicht nennenswert über der Sattdampftemperatur des außen siedenden Wassers liegen. Bei diesen Temperaturen tritt erfahrungsgemäß keine Korrosion des Zircaloys auf.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der thermischen Schutzkappe besteht darin, daß die S-iweißnaht 11 und ihre Umgebung die häufig· λ Temperaturzyklen zwischen 500° C und 300° C nicht mitmachen muß, die auftreten, wenn die Anlage von Vollast auf Ieerlauf (heißer Bereitschaftazustand) gebracht wird und umgekehrt=» Derartige Zyklen werden sich im Kraftwerksbetrieb möglicherweise täglich oder noch häufiger abspielen. Die Schweißnaht 11 und ihre Umgebung muß nur die Temperaturzyklen 300° bis 60° C mitlachen, wenn die Anlage gelegentlich halt gefahren wird. Dies kommt 1.ν regulären Kraftwerksbetrieb nur alle paar Monate vor.

5 Seiten Beschreibung 12 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung

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Claims

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Patentansprüche

Dampfgekühltes Brennelement für Kernreaktoren mit keramischem Brennstoff und metamscher Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle aus einem Metall oder einer Metallegierung mit sehr niedrigem Verhältnis der Heutronenabsorption zur mechanischen Festigkeit bei Betriebstemperaturen besteht, und daß diese Hülle auf der dem Dampf zugewandten Seite mit einem dünnen metallischen Überzug aus einem bei Betriebstemperatur hinreichend korrosionsfesten Metall oder einer Metallegierung (Doppelhülle) versehen ist.
2) Brennelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Zircaloy als brennstoffseitigem Hüllwerkstoff.
3) Brennelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch üäü Verwendung von Inealoy als Überzug.
4) Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug durch ein auf- oder eingeschobenes korrosionsfestes Metallrohr gebildet wird.
5) Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

die Doppelhülle durch gemeinsames Hexunterziehen von zwei konzentrisch ineinander gesteckten Vorziehluppen hergestellt wird«

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6) Brennelement nach Ansprach 5» dadurch gekennzeichnet* daß die Rohre der Boppelhülle mittels Zwischenglühungen eine gute metallische Bindung erhalten.
7) Brennelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daS der Überzug galvanisch hergestellt wird.
S) Brennelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei rohrförmigen Siede-iJberhitzerbrennelementen mit Wasserkühlung außen und Dampfkühlung innen der Korrosionsüberzug innen aufgebracht wird.
9) Brennelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als tragende Hülle außen und innen eine Zirkonlegierung verwendet wird.
10) Brennelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennelement durch zwei Endatopfen aus derselben Zirkonlegierung verschlossen ist.
11) Brennelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Boppelhülle an den Enden verschweißt

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12) Brennelement nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermische Schutzkappe aus korrosionsfestem Material die Enden der Boppelhülle bsw. die dort gelegne Schweißnaht (Ti) vom strömenden Heißdampf trennt.

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