DE1517990C

DE1517990C - Fuel element channel for an atomic nuclear reactor cooled with pressurized water compounds

Info

Publication number: DE1517990C
Authority: DE
Inventors: Anton Manitoba Sawatzky (Kanada)
Original assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Current assignee: Atomic Energy of Canada Ltd AECL
Publication date: 1972-09-07

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennelementkanal für einen mit einer unter Druck stehenden Wasserstoffverbindung gekühlten Atomkernreaktor, bestehend aus einem inneren, die Brennelemente und das Kühlmittel aufnehmenden Druckrohr aus einer Zirkonlegierung und einem dieses Druckrohr mit Abstand konzentrisch umgebenden Mantelrohr, wobei der Raum zwischen beiden Rohren mit einem thermisch isolierenden Gas gefüllt ist, um das Mantelrohr dauernd auf niedrigere Temperatur als das Druckrohr zu halten.The invention relates to a fuel assembly channel for a pressurized hydrogen compound cooled atomic nuclear reactor, consisting of an inner one, the fuel elements and the coolant receiving pressure tube made of a zirconium alloy and this pressure tube with a distance concentrically surrounding jacket pipe, the space between the two pipes with a thermally insulating gas is filled in order to keep the jacket pipe at a lower temperature than the pressure pipe.

Es ist bekannt, Zirkon und seine Legierungen in bevorzugter Weise als Werkstoffe in Kernreaktoren einzusetzen, da sie einen niedrigen Neutroneneinfangquerschnitt haben. Diese Eigenschaft führt zu wirksamen und wirtschaftlichen Leistungsreaktorsystemen. Solche Werkstoffe haben üblicherweise bei Verwendung im Temperaturbereich um 500⁰C eine gleichmäßige Festigkeit und Dehnbarkeit. Jedoch neigt Zirkon generell dazu, Wasserstoff anzulagern und kann hinreichend große Wasserstoffmengen in Form von Hydriden aufnehmen (vgl. G. L. M i 11 e r, »Zirkonium«, London, 1957, S. 18). Die hieraus erfolgende Anreicherung des Zirkonhydrids in einem aus Zirkonlegierung bestehenden Bauteil hat eine nachteilige Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften dieses Bauteils und kann im Laufe der Zeit zu einer schwerwiegenden Sprödigkeit führen, falls die Wasserstoffabsorption nicht überwacht wird. Natürlich ist eine derartige Begrenzung der nutzbaren Lebensdauer des Bauteils unerwünscht.It is known to use zirconium and its alloys in a preferred manner as materials in nuclear reactors, since they have a low neutron capture cross-section. This property leads to efficient and economical power reactor systems. Such materials usually have uniform strength and ductility when used in the temperature range around 500 ^{° C.} However, zircon generally tends to accumulate hydrogen and can absorb sufficiently large amounts of hydrogen in the form of hydrides (cf. GL M i 11 er, "Zirkonium", London, 1957, p. 18). The resulting enrichment of the zirconium hydride in a component made of zirconium alloy has an adverse effect on the mechanical properties of this component and over time can lead to severe brittleness if the hydrogen absorption is not monitored. Such a limitation of the useful life of the component is of course undesirable.

Vielfach verwendet man in Kernreaktoren organische Kühlmittel. Es hat sich gezeigt, daß nach einer Exposition von aus Zirkonlegierung bestehenden Bauteilen aus den organischen Kühlmitteln übermäßige Wasserstoffmengen absorbiert werden können. Das geht darauf zurück, daß das organische Kühlmittel ein Stoff ist, der kein Oxydationspotential hat und zusätzlich durch thermische Zerlegung entstehenden freien Wasserstoff enthält.Organic coolants are often used in nuclear reactors. It has been shown that after exposure excessive amounts of hydrogen from the organic coolants of zirconium alloy components can be absorbed. This is due to the fact that the organic coolant is a substance which has no oxidation potential and, in addition, free hydrogen produced by thermal decomposition contains.

Es ist ferner bereits ein Verfahren zur Herstellung von den Kernbrennstoff tragenden Rohren aus rostfreiem Stahl bekannt, bei dem die Rohrform durch Zusammenbiegen des Bleches gewonnen wird, derart, daß die in Längsrichtung verlaufenden Ränder flanschartig vorstehende Teile bilden. Anschließend wird das Rohr als Ganzes um seine Längsachse tordiert, so daß beim fertigen Rohr der Doppeifiansch in Form einer spiralförmig umlaufenden Windung erscheint. Dieser Doppeiflansch dient aber dazu, die einzelnen Rohre innerhalb eines Rohrbündels des Kernreaktors besser zu lokalisieren (USA.-Patentschrift 3 096 264).It is also already a process for the manufacture of tubes carrying the nuclear fuel from stainless steel Known steel in which the tubular shape is obtained by bending the sheet metal, such that the edges extending in the longitudinal direction form flange-like protruding parts. Then the pipe twisted as a whole about its longitudinal axis, so that the Doppeifiansch in the form of a spiral in the finished pipe circumferential winding appears. This double flange is used to keep the individual pipes inside a tube bundle of the nuclear reactor to better localize (USA.-Patent 3 096 264).

Ebenfalls ist ein Brenneiementkanai für einen mit einer unter Druck stehenden Wasserstoffverbindung gekühlten Atomkernreaktor- bekannt, bestehend aus einem inneren, die Brennelemente und das Kühlmittel aufnehmenden Druckrohr aus einer Zirkonlegierung und einem dieses Druckrohr mit Abstand konzentrisch umgebenden Mantelrohr, wobei der Raum zwischen beiden Rohren mit einem thermisch isolierenden Gas gefüllt ist, um das Mantelrohr auf niedrigerer Temperatur als das Druckrohr zu halten. Zwischen Druckrohr und Mantelrohr sind jedoch keine besonderen Bauteile oder Maßnahmen vorgesehen, um die Hydrierung wirksam zu vermeiden (belgische Patentschrift 644 866).Also is a fuel channel for one with a pressurized hydrogen compound Cooled atomic nuclear reactor- known, consisting of an inner one, the fuel elements and the coolant receiving pressure tube made of a zirconium alloy and this pressure tube with a distance concentrically surrounding jacket pipe, the space between the two pipes with a thermally insulating gas is filled to keep the jacket pipe at a lower temperature than the pressure pipe. Between pressure pipe and jacket pipe, however, no special components or measures are provided for the hydrogenation effectively to avoid (Belgian patent specification 644 866).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einer Zirkonlegierung bestehende Druckrohre vor der zersetzenden Hydrierung zu schützen.The invention is based on the object of pressure pipes consisting of a zirconium alloy before the decomposing one Protect hydrogenation.

Dies wird bei einem Brennelementkanal der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß am Druckrohr, im Raum zwischen dem Druckrohr und dem Mantelrohr, Rippen aus einer Zirkonlegierung derart befestigt und auf einer niedrigeren Temperatur als das Druckrohr gehalten sind, daß eine Diffusion von Wasserstoff quer durch die .Verbindungsstelle erfolgt. Nun erfolgt die thermische Diffusion des Wasserstoffes in den Zirkohlegierungen derart, daß der Wasserstoff von einem heißen in einen kühleren Bereich fließt, ίο und deshalb neigt der ganze, von einem Zirkonlegieurngskörper absorbierte Wasserstoff dazu, in die als Verlustglied vdienende Rippen zu diffundieren. Während sich die absorbierte Wasserstoffmenge im Aufbau befindet, verteilt sich bzw. schlägt sich Zirkonhydrid in den Rippen nieder, während andererseits keine störende Hydridbildung und folglich keine Herabsetzung der Festigkeit in dem aus Zirkonlegierung bestehendem Bauteil stattfindet. .·;..·In the case of a fuel assembly channel of the type mentioned at the outset, this is achieved in that according to the invention on the pressure pipe, in the space between the pressure pipe and the jacket pipe, ribs made of a zirconium alloy like this attached and kept at a lower temperature than the pressure pipe that diffusion of Hydrogen takes place across the connection point. The thermal diffusion of the hydrogen now takes place in the zirconium alloys in such a way that the hydrogen flows from a hot to a cooler area, ίο and therefore the whole tends to be of a zircon alloy body absorbed hydrogen to diffuse into the ribs serving as the loss link. While If the amount of hydrogen absorbed is in the process of being built up, zirconium hydride is dispersed or struck the ribs down, while on the other hand no disruptive hydride formation and consequently no reduction in the Strength takes place in the component made of zirconium alloy. . ·; .. ·

Die Rippen sind ohne scharfe oder vorstehende Enden ausgeführt, welche leicht zum Brechen neigen. Splitterartige oder gebrochene Rippenstücke würden "^ zu einer schweren Zerstörung der im ReaktorkühP"~~ system benutzten Pumpen und Ventile führen. >■The ribs are designed without sharp or protruding ends, which tend to break easily. Splinter-like or broken pieces of rib would "^ serious destruction of the reactor cooling system "~~ pumps and valves used in the system. > ■

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der ■' Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher ' beschrieben. Es zeigt ,,,-..' /An embodiment of the invention is 'illustrated drawings and will be in greater detail below' in the ■ described. It shows ,,,-..' /

F i g. 1 eine Ansicht im Querschnitt eines aus Zirkonlegierung bestehenden Druckrohres mit den Wasserstoff absorbierenden Rippen, das von einem Reaktor-30. mantelrohr umgeben ist,F i g. 1 is a cross-sectional view of a zirconium alloy existing pressure pipe with the hydrogen absorbing fins, which is from a reactor-30. casing pipe is surrounded,

F i g. 2 eine Ansicht im Querschnitt ähnlich derjenigen der F i g. 1, aber mit einer abweichenden Ausbildung der Rippen,F i g. FIG. 2 is a cross-sectional view similar to that of FIG. 1, but with a different education the ribs,

F i g. 3 eine Ansicht im Querschnitt eines Brenn-Stoffkanals, F i g. 3 is a view in cross section of a fuel channel,

F i g. 4 eine Teilansicht von Druckrohr und Rippe, F i g. 5 eine graphische Darstellung mit einer typischen Verteilung von Wasserstoff in einem Prüfling aus. einer Zirkonlegierung mit niedriger Hydriergeschwindigkeit bei einem Temperaturgefälle und F i g. 6 eine abgeänderte Ausbildung der Rippen zwecks Verwendung mit einem aus einer Zickonlegier. - rung bestehenden Rohr nach F i g. 1. _ ^ ; ;F i g. 4 shows a partial view of the pressure tube and rib, FIG. 5 is a graphic representation with a typical distribution of hydrogen in a test object. a zirconium alloy with a low hydrogenation rate at a temperature gradient and F i g. Figure 6 shows a modified configuration of the ribs for use with one made of a zinc alloy. - the existing pipe according to FIG. 1. _ ^; ;

Das aus Zirkonlegierung bestehende Druckrohr 10 ~~~ (F i g. 1) befindet sich innerhalb eines Mantelrohres od. dgl. 12 des Kernreaktors, das in der Regel aus Aluminium hergestellt ist. In Wirklichkeit trägt der Kernreaktor (nicht dargestellte) Brennstoffelemente im inneren Teil 11 des Druckrohres 10. Ein organisches,. Üblicherweise auf eine Temperatur von etwa 35O⁰C und auf einen Überdruck von etwa 14 Atm gebrachtes Kühlmittel fließt gleichfalls im inneren Teil 11 des Druckrohres 10, um die in den Brennstoffelementen erzeugte Wärme abzuführen. Im Raum 13 zwischen den Rohren 10 und 12 ist Kohlenstoffdioxyd als Isolierung vorhanden, während im Raum außerhalb des, Mantelrohres 12 ein Schwerwassermoderator, üblicherweise auf einer Temperatur von 8O⁰C, vorhanden ist. Somit ist ersichtlich, daß. die innere Oberfläche des aus Zirkonlegierung bestehenden Rohres 10 einem den Wasserstoff tragenden Stoff, dem organischen fKühlmittel, bei hoher Temperatur ausgesetzt ist und somit in seiner Festigkeit durch Wasserstoffabsorption und das Einwandern von Zirkonhydrid geschwächt werden kann. Da die vorgesehene Lebensdauer von Druckrohren im Kernreaktor in der Größenordnung von 20 Jahren liegt, ist auch eine nur Langsam erfolgende Wasserstoffabsorption gefährlich und unerwünscht.The zirconium alloy pressure tube 10 (Fig. 1) is located inside a jacket tube or the like 12 of the nuclear reactor, which is usually made of aluminum. In reality, the nuclear reactor carries fuel elements (not shown) in the inner part 11 of the pressure tube 10. An organic. Usually to a temperature of about 35O ⁰ C and at a pressure of about 14 atm accommodated coolant flows also in the inner part 11 of the pressure tube 10 so as to generated in the fuel elements dissipate heat. In the space 13 between the tubes 10 and 12 carbon dioxide is present as an insulator, while in the space outside of the, casing tube, a heavy water moderator, typically, is present at a temperature of 8O ⁰ C 12th It can thus be seen that. the inner surface of the tube 10 made of zirconium alloy is exposed to a hydrogen-bearing substance, the organic coolant, at high temperature and its strength can thus be weakened by hydrogen absorption and the migration of zirconium hydride. Since the intended service life of pressure pipes in the nuclear reactor is of the order of 20 years, even slow hydrogen absorption is dangerous and undesirable.

1 617 9901,617,990

Das Druckrohr 10 ist mit aus Zirkonlegierung bestehenden Rippen 14,15 oder Verlustgliedern versehen. Diese Rippen od. dgl. sind an das Druckrohr 10 durch Nahtverschweißüng oder andere geeignete Verfahren bzw. Befestigungsteile angebracht, was eine innige Berührung zwischen den Rippen und dem Druckrohr ergibt, infolge des zwischen dem Inneren des Druckrohres und dem Äußeren des Mantelrohres vorhandenen Druckgefälles während des Reaktorbetriebes befinden sich die Rippen 14, 15 auf niedrigerer Temperatur als das Druckrohr 10. Auch ist ersichtlich, daß man, je nach Einzelfall, z. B. durch ein Extrusionsverfahren Rippen und Rohr einstückig herstellen kann.The pressure pipe 10 is provided with ribs 14, 15 or loss members made of zirconium alloy. These ribs or the like are attached to the pressure pipe 10 by seam welding or other suitable methods or fastening parts attached, which results in an intimate contact between the ribs and the pressure pipe, as a result of the existing between the interior of the pressure pipe and the exterior of the jacket pipe The pressure gradient during operation of the reactor, the ribs 14, 15 are at a lower temperature than the pressure pipe 10. It can also be seen that, depending on the individual case, z. B. by an extrusion process Can produce ribs and tube in one piece.

Die Wirkung der Wasserstoffdiffusion in Zirkonlegierungen unter dem Einfluß eines Temperafurgefalles wird an Hand der F i g. 5 erläutert. Es ergibt sich, daß dann, wenn Wasserstoff iängs eines Temperaturgradienten in einer Zirkonlegierung fließt, die resultierende Verteilung des Wasserstoffes in der Legierung die durch die Kurve B in Fi g. 5 gezeigte sein kann. In F i g. 5 zeigt die Kurve A die sich am Ende einstellende feste Löslichkeit von Wasserstoff in der Legierung als eine Funktion der Temperatur. Somit ist es ersichtlich, daß die Wasserstoffkonzentration am kälteren Ende (Te) des Prüflings die am Ende einstellende feste Löslichkeit überschreitet und sich als Zirkonhydrid niederschlagen muß. Die Konzentration von Wasserstoff am wärmeren Ende (7Ή) des Prüflings ist kleiner als die sich am Ende einstellende feste Löslichkeit, und es ergibt sich deshalb kein Zirkonhydrid-Niederschlag in diesem Bereich. Hinsichtlich der Kurve B der F i g. 5, bezogen auf das Druckrohr 10 und die Rippen 14, 15 der F i g. 1, wird es notwendig, den Temperaturgradienten so auszuwählen, daß der Teil B' der Kurve die Zustände in den Rippen und der Teil B" die Zustände im Druckrohr darstellen.The effect of hydrogen diffusion in zirconium alloys under the influence of a fall in temperature is illustrated in FIG. 5 explained. It can be seen that when hydrogen flows along a temperature gradient in a zirconium alloy, the resulting distribution of hydrogen in the alloy is represented by curve B in FIG. 5 may be shown. In Fig. 5 shows curve A the final solid solubility of hydrogen in the alloy as a function of temperature. It can thus be seen that the hydrogen concentration at the colder end (Te) of the test specimen exceeds the solid solubility established at the end and must precipitate as zirconium hydride. The concentration of hydrogen at the warmer end (7Ή) of the test specimen is lower than the solid solubility established at the end, and there is therefore no zirconium hydride precipitate in this area. With regard to curve B of FIG. 5, based on the pressure pipe 10 and the ribs 14, 15 of FIG. 1, it becomes necessary to select the temperature gradient so that part B 'of the curve represents the conditions in the ribs and part B "represents the conditions in the pressure pipe.

Für bestimmte Dichtewerte des Wasserstoffstromes und des Temperaturgradienten im Prüfling kann der Zweiphasen-Bereich, Kurve B' in Fig. 5, eliminiert werden. Statt dessen wird eine Schicht aus festem Hydrid an der kälteren Oberfläche gebildet, und es ergibt sich eine durch die Kurve C in F i g. 5 dargestellte Wasserstoffverteilung. Hinsichtlich der Übertragung dieses Verhältnisses auf das Druckrohr 10 und die Rippen 14 und 15 der F i g. 1 wird das Hydrid an der kälteren Oberfläche der Rippen gebildet, und der größere Teil der Rippe bleibt frei von Hydrid. Gelangt mehr Wasserstoff vom■' Druckrohr in die Rippe, so wandert die Hydridschicht in Richtung auf die Basis 16 der Rippe. Dieses Verhältnis wird vor allem als die Arbeitsweise der Rippe in dem Zweiphasen-Bereich angestrebt. For certain density values of the hydrogen flow and the temperature gradient in the test object, the two-phase area, curve B ' in FIG. 5, can be eliminated. Instead, a layer of solid hydride is formed on the colder surface and one is shown by curve C in FIG. 5 shown hydrogen distribution. With regard to the transfer of this relationship to the pressure pipe 10 and the ribs 14 and 15 of FIG. 1 the hydride is formed on the colder surface of the ribs and the greater part of the rib remains free of hydride. If more hydrogen gets from the pressure pipe into the rib, the hydride layer migrates in the direction of the base 16 of the rib. This relationship is most sought after as the operation of the rib in the two-phase domain.

Bei der genauen Ausbildung der Rippen bzw. der Verlustglieder muß berücksichtigt werden, daß verschiedene, vom jeweiligen Einzelfall abhängige Bedingungen berücksichtigt werden müssen, die sich gegebenenfalls dem Fachmann auf diesem Gebiet anbieten. Das aus Zirkonlegierung bestehende Rippenvolumen muß hinreichend groß sein, um fast die ganze Menge des durch das Druckrohr während seiner Lebensdauer fließenden Wasserstoffs aufzunehmen. Bei der Vorkehrung für das erforderliche Volumen von Zirkonlegierung in der Rippe muß man beachten, daß das Verhältnis von Wasserstoff zum Zirkon in Zirkonhydrid in der Größenordnung von 18 000 Teilen pro Million liegt.In the exact design of the ribs or the loss members, it must be taken into account that different, Depending on the individual case, conditions must be taken into account that may arise offer to those skilled in the art. The rib volume made of zirconium alloy must be large enough to accommodate almost all of the through the pressure pipe during its Life of flowing hydrogen. When making provision for the required volume of Zirconium alloy in the rib one must note that the ratio of hydrogen to zirconium in zirconium hydride is on the order of 18,000 parts per million.

Es ist erwünscht, den hauptsächlichen Anteil der Rippenmasse in dem gekühlten Teil, der Rippe zusammenzuballen, um eine maximale Wasserstoff menge vom Druckrohr absorbieren zu können. Eine derart abgeänderte Rippe ist in F i g. 6 in bezug auf das Druckrohr 10 und das Mantelrohr 12 dargestellt. Durch zusätzliche Massen 64 an den Enden erhält die Rippe 14 eine abgewandelte Ausführung.It is desirable to have the major portion of the Rib mass in the cooled part of the rib clump, in order to be able to absorb a maximum amount of hydrogen from the pressure pipe. One of those Modified rib is shown in FIG. 6 shown in relation to the pressure pipe 10 and the jacket pipe 12. Through Additional masses 64 at the ends give the rib 14 a modified design.

Der Abstand der Endteile der Rippen vom Druckrohr ist durch einen Ausgleich von zwei einander entgegenarbeitenden Faktoren zu bestimmen. Der Abstand muß so gewählt sein, daß sich die Endteile der Rippen in hinreichendem Abstand vom Druckrohr befinden, um einen beachtlichen Temperaturgradienten · zu erzeugen, der hinreichend ist, um eine Wasserstoffdiffusiön vom Druckrohr zur Rippe zu gewährleisten.The distance between the end parts of the ribs and the pressure pipe is achieved by compensating for two opposing forces Determine factors. The distance must be chosen so that the end parts of the Ribs are at a sufficient distance from the pressure pipe to ensure a considerable temperature gradient to generate, which is sufficient to ensure a hydrogen diffusion from the pressure pipe to the rib.

Hinsichtlich der in F i g. 1 und 2 gezeigten Rippenausbildungen durchgeführte Berechnungen ergeben, daß ein Temperaturgradient größer als 10° C/cm zu diesem Zweck ausreichend ist. Für andere Gestalten bzw. Ausbildungen der Rippen kann die Größe des notwen-With regard to the in F i g. 1 and 2 shown rib configurations performed calculations show that a temperature gradient greater than 10 ° C / cm is sufficient for this purpose. For other shapes or Formations of the ribs can vary the size of the

digen Temperaturgradienten abgeändert werden und kann, in einigen Fällen, weniger als 10° C/cm betragen.-^Digen temperature gradient can be modified and can, in some cases, be less than 10 ° C / cm .- ^

. Der Abstand muß nicht so groß sein, daß ein unnützeP--~ Wärmeverlust zum Mantelrohr 12 stattfindet, und '. offensichtlich muß die Gestalt der Rippe so gewählt £. The distance does not have to be so great that a useless P-- ~ Heat loss to the jacket tube 12 takes place, and '. obviously the shape of the rib must be chosen in this way

sein, daß sie im vorgegebenen Raum untergebracht ! werden kann. Die Gestalt der Verlustglieder muß auch / •so ausgewählt werden, daß kein eine Last tragendes \ Teil des Druckrohres geschwächt und ein Lecken vermieden wird.be that they are housed in the given space! can be. The shape of the loss of limbs must be / • selected such that no load-bearing \ partial weakening of the pressure tube and leakage is avoided.

30. Als Beispiel wird eine mögliche Konfiguratio/i des aus einer Zirkonlegierung bestehenden Rohres mit den Verlustgliedern gemäß der Erfindung in F i g. 2 dargestellt. Bei dieser Ausbildung sind hülsenartige Rippen od. dgl. 17, 18 aus einer Zirkonlegierung als Verlustglieder vorgesehen und an Stellen 19 am Druckrohr 10 nahtverschweißt. Das Druckrohr 10 hat einen Innendurchmesser von etwa 76,5 mm und eine Dicke von etwa 2 mm. Der Ringabstand'zwischen dem Druckrohr 10 und dem Mantelrohr 12 beträgt etwa 6,1* mm. Unter einer angenommenen Arbeitstemperatur von 400⁰C für das Druckrohr und von 70⁰C für das Mantelrohr ergibt ein maximaler Abstand solcher Rippen 17 und 18 von. etwa 1,6 mm von der äußeren Wandung des Druckrohres 10 einen Temperaturgradienten, der größer"aTs~ ^ der bevorzugte Wert von 10° C/cm ist. Bei einem größeren Abstand, wie z. B. 3,2 mm, würde,man sogar noch größere Temperaturgradienten erreichen.30. As an example, a possible configuration of the pipe made of a zirconium alloy with the loss members according to the invention is shown in FIG. 2 shown. In this embodiment, sleeve-like ribs or the like 17, 18 made of a zirconium alloy are provided as loss members and are seam-welded at points 19 on the pressure pipe 10. The pressure tube 10 has an inner diameter of approximately 76.5 mm and a thickness of approximately 2 mm. The ring spacing between the pressure pipe 10 and the jacket pipe 12 is approximately 6.1 * mm. Under an assumed working temperature of 400 ^° C. for the pressure pipe and of 70 ^° C. for the jacket pipe, a maximum distance between such ribs 17 and 18 results from. about 1.6 mm from the outer wall of the pressure pipe 10 has a temperature gradient that is greater than "aTs ~ ^ the preferred value of 10 ° C./cm. With a greater distance, such as 3.2 mm, one would achieve even greater temperature gradients.

Das nachfolgende Beispiel veranschaulicht die Herabsetzung der Hydrierung in einem aus einer Zirkönlegierung bestehenden Körper.The following example illustrates the reduction the hydrogenation in a body made of a zircon alloy.

B e i s ρ i elB e i s ρ i el

Es wurde ein Prüfling in Form eines aus einer Zirkonlegierung bestehenden Rohres von etwa 61 cm Länge hergestellt. In F i g. 3 ist ein Querschnitt des Rohres 20 dargestellt. Vier Rippenabschnitte 21, gleichfalls 61 cm lang, sind durch Schweißnähte an dem Rohr 20 befestigt. Das Rohr und die Rippen sind auf 520 Teile pro Million Wasserstoff vorhydriert, was etwa 250Teile pro Million mehr ist als die sich am Ende einstellende feste Löslichkeit bei 400° C. Der Zweck der Vorhydrierung des Prüflings.besteht darin, denjenigen Zustand zuIt became a test piece in the form of one made of a zirconium alloy existing pipe of about 61 cm in length. In Fig. 3 is a cross section of the tube 20 shown. Four rib sections 21, also 61 cm long, are attached to the tube 20 by welds. The tube and fins are pre-hydrogenated to 520 parts per million hydrogen, which is about 250 parts per million is more than the final solid solubility at 400 ° C. The purpose of prehydrogenation of the test object. consists in that state

reproduzieren, welcher dem Betriebszustand nach einigen Monaten in wasserstoffhaltiger Atmosphäre entspricht.
Der Prüfling wird innerhalb einer Aluminiumum-reproduce which corresponds to the operating status after a few months in a hydrogenous atmosphere.
The test item is placed inside an aluminum

hüllung 22 angeordnet, die durch Wasser gekühlt ist, um sie auf etwa 70°C zu halten. Eine elektrische Heizwicklung 23 ist innerhalb des Rohres 20 vorhanden und über Klemmen 24 und 25 mit einer nicht dargestellten elektrischen Spannungsquelle verbunden, die so eingestellt ist, daß die Temperatur des Rohres 20 bei 400⁰C liegt. Ein mit Wasserstoff gesättigter Kohlenstoffdioxydstrom fließt längs sowohl der Innen- als auch der Außenfläche des Rohres 20, um eine Hydrierungsgeschwindigkeit nachzuahmen, die im Kernreaktor, zu erwarten ist.Sheath 22 is arranged, which is cooled by water in order to keep it at about 70 ° C. An electrical heating coil 23 is within the tube 20 is provided and via terminals 24 and 25 connected to a not shown electric power source, which is adjusted so that the temperature of the tube is located at 400 ⁰ C twentieth A stream of hydrogen saturated carbon dioxide flows along both the inner and outer surfaces of the tube 20 to mimic a rate of hydrogenation expected in the nuclear reactor.

Rohr und Rippenabschnitte wurden nach 43 und nach 105 Testtagen.herausgenommen. Die'Abschnitte wurden in kleine Segmente zerteilt, wie schematisch in F i g. 4 dargestellt ist, und jedes einzelne Segment wurde separat metallographisch geprüft, um seinen Wasserstoffgehalt zu bestimmen. Die Ergebnisse der Analyse sind in der nachfolgenden Tabelle gezeigt, wobei die Lage jedes Segments aus F i g. 4 ersichtlich ist.Tube and fin sections were removed after 43 and 105 days of testing. The sections were divided into small segments, as shown schematically in FIG. 4 and each individual segment was separately metallographically checked to determine its hydrogen content. The results of the Analysis are shown in the table below, with the location of each segment from FIG. 4 can be seen is.

WasserstoffmengeAmount of hydrogen Nach 105 TagenAfter 105 days Segmentsegment (ppm =(ppm = 21402140 = Teilchen pro Million)= Particles per million) 16601660 3131 Nach 43 TagenAfter 43 days 773773 32 .32. 14201420 250250 3333 12201220 756756 , 34,, 34, 750750 15151515 35 ,.35,. 488488 20952095 3636 745745 195195 3737 10801080 179179 3838 12601260 179179 3939 220220 175175 4040 225225 164164 4141 320320 167167 4242 4343 —-

Aus der Tabelle ergibt sich somit, daß während des Testlaufes eine beachtliche Wasserstoffmenge aus dem Rohr 20 in die Rippe 21 diffundiert ist, insbesondere zu den Endsegmenten 31 und 37 derselben, die im Vergleich zum Druckrohr und dem übrigen Teil der Rippe auf niedrigster Temperatur gehalten wurden.The table thus shows that a considerable amount of hydrogen from the during the test run Tube 20 is diffused into the rib 21, in particular to the end segments 31 and 37 of the same, which in comparison to the pressure pipe and the rest of the rib were kept at the lowest temperature.

Die Rippen können aus einer Zirkonlegierung bestehen, die verschieden vom Werkstoff des Druckrohres selbst ist, um eine unterschiedliche Wasserstoffabsorptionsfähigkeit der Rippen bezüglich des sie umgebenden Gases zu erzielen. Hierdurch soll die Wasserstoffabsorption aus dem umgebenden Gas bzw. dem Kühlmittel in den Werkstoff des Mantel- bzw. Druckrohres verringert werden. Zum Beispiel kann das Druckrohr 10 gemäß F i g. 1, das von einem organischen Kühlmittel durchflossen wird, aus Zr mit 2,5 Gewichtsprozent Nb und die Rippen 14 und 15 können aus Zirkaloy-2 folgender Zusammensetzung bestehen:The ribs can consist of a zirconium alloy, which is different from the material of the pressure pipe itself is due to a different hydrogen absorption capacity of the ribs with respect to that surrounding them To achieve gas. This is intended to reduce the hydrogen absorption from the surrounding gas or the Coolant can be reduced in the material of the jacket or pressure pipe. For example it can Pressure pipe 10 according to FIG. 1, through which an organic coolant flows, made of Zr with 2.5 percent by weight Nb and the ribs 14 and 15 can consist of zircaloy-2 of the following composition:

GewichtsprozentWeight percent

Zinn 1,20 bis 1,70Tin 1.20 to 1.70

Eisen 0,07 bis 0,20Iron 0.07 to 0.20

Chrom 0,05 bis 0,15Chromium 0.05 to 0.15

Nickel 0,03 bis 0,08Nickel 0.03 to 0.08

Sauerstoff 1000 bis 1400 ppmOxygen 1000 to 1400 ppm

(Teile pro Million)(Parts per million)

Summe aus Fe -\- Cr + Ni 0,18 bis 0,38
Rest Zr plus 'VerunreinigungenSum of Fe - \ - Cr + Ni 0.18 to 0.38
Remainder Zr plus' impurities

Zirkaloy-2 hat eine etwas niedrigere ^-Absorptionsfähigkeit in Luft als Zr mit 2,5 Gewichtsprozent Nb, wobei jedoch das Zirkoloy-2 eine wesentlich höhere H₂-Absorptionsfähigkeit im organischen Kühlmittel als das Zr mit 2,5 Gewichtsprozent Nb hat. Somit ergibt sich für den Fall der F i g. 1, daß die vorstehend angegebene Anordnung von Werkstoffen für Druckrohr und Rippe insgesamt zu einer niedrigeren H₂-Absorption aus dem umgebenden Gas bzw. KühlmittelZircaloy-2 has a slightly lower ^ absorption capacity in air than Zr with 2.5 weight percent Nb, but the zirconium-2 has a significantly higher H ₂ absorption capacity in the organic coolant than the Zr with 2.5 weight percent Nb. Thus, in the case of FIG. 1 that the above-mentioned arrangement of materials for the pressure tube and rib overall leads to a lower H ₂ absorption from the surrounding gas or coolant

ίο führt, verglichen mit dem Fall, bei dem sowohl Rippe als auch Druckrohr aus Zr mit 2,5 Gewichtsprozent Nb bestehen. Die Hydriergeschwindigkeit selbst ist im Zirkaloy-2 und im Zr mit 2,5 Gewichtsprozent Nb praktisch gleich.ίο leads compared to the case where both rib as well as the pressure pipe are made of Zr with 2.5 percent by weight of Nb. The rate of hydrogenation itself is im Zircaloy-2 and in Zr with 2.5 weight percent Nb are practically the same.

Im Einzelfall können die Rippen auch aus einem Stück mit dem Druckrohr selbst bestehen; in diesem Falle wird nach der Erfindung das Druckrohr 10 auf höherer Temperatur gehalten als die Rippen, so daß Wasserstoff aus dem Druckrohr hinweg zu den Rippen diffundiert.In individual cases, the ribs can also consist of one piece with the pressure pipe itself; in this Trap is held according to the invention, the pressure pipe 10 at a higher temperature than the ribs, so that Hydrogen diffuses from the pressure tube to the fins.

Es ist ersichtlich, daß verschiedene Abänderungen"^ dieser Anordnung bzw. eier Form der Bauteile irrr⁵ Rahmen der Erfindung möglich sind. Erforderlich istj daß die Rippen eine innige Verbindung mit dem zu schützenden Körper (Druckrohr) haben und daß hinsichtlich der Umgebung die Anordnung so vorgesehen ist, daß sich ein Teil des Verlustgliedes auf niedrigerer', Temperatur als der zu schützende Körper befindet. Im Falle des mit Rippen versehenen Rohres ist es wün-It will be appreciated that various modifications "^ are possible this arrangement or egg shape of the components irrr ⁵ scope of the invention. Required ISTJ that the ribs have an intimate connection with the body to be protected (pressure tube) and that with respect to the environment, the assembly so it is provided that part of the loss link is at a lower ' temperature than the body to be protected. In the case of the finned tube, it is desirable

3.0 sehenswert, daß der Bereich bzw. die Fläche der Verbindung oder der Befestigung mindestens das' Zweifache des Rippenquerschnittes beträgt. Ein so großer Teil des Verlustgliedes wie möglich wird auf der niedrigeren Temperatur gehalten, um eine maximale Wasserstoff menge zu absorbieren. Wenn auch die dargestellten Ausbildungen, oberflächlich gesehen, eine Ähnlichkeit mit handelsüblichen Wärmetauschern haben, sind sie von ihnen jedoch sowohl nach Aufgabe als nach Ausbildung verschieden. Die^Ausbildungen gemäß der Erfindung sind dazu bestimmt, Wärmeverluste soweit wie möglich herabzusetzen, in Übereinstimmung mit der Schaffung des erforderlichen Wärmegradienten in den Rippen od. dgl. Bei den Wärmetauschern dagegen kommt es darauf an, eine maximal gute Wärrrfeleif-^ fähigkeit zu erzielen.3.0 worth seeing that the area or the surface of the connection or the attachment is at least twice the cross-section of the ribs. Such a big one Part of the loss link as possible is kept at the lower temperature to maximize hydrogen amount to absorb. Even if, on the surface, there is a resemblance to the training presented with commercially available heat exchangers, they are, however, from them both in terms of the task and in terms of training different. The ^ training according to the invention are intended to reduce heat losses as far as possible to reduce, in accordance with the creation of the required thermal gradient in the Ribs or the like. In the case of heat exchangers, on the other hand, it is important to have a maximally good Wärrrfeleif- ^ ability to achieve.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf Anwendung in Kernreaktoren beschränkt, die ein organisches Kühlmittel verwenden. Sie kann auch in durch Wasser gekühlten Kernreaktoren verwendet werden, in denen die Hydrierung ein gewisses Problem darstellt.However, the invention is not limited to use in nuclear reactors that use an organic coolant use. It can also be used in water-cooled nuclear reactors in which the Hydrogenation poses some problem.

Claims

Patent claims:

1. Fuel channel for one with one under Pressurized hydrogen compound-cooled atomic nuclear reactor, consisting of an inner, the Fuel elements and the coolant receiving pressure tube made of a zirconium alloy and a this pressure pipe at a distance concentrically surrounding the jacket pipe, the space between both tubes is filled with a thermally insulating gas to keep the jacket tube on to keep lower temperature than the pressure pipe, characterized in that on Pressure pipe (10), in the space between the pressure

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tube (10) and the jacket tube (12), ribs (14,15) made of a zirconium alloy so attached and on a lower temperature than the pressure tube are kept that a diffusion of hydrogen takes place across the junction.

2. Fuel channel according to claim 1, characterized in that the ribs on their from Pressure pipe protruding parts are made thicker. .. ■ .. '..:' -.-.

3. Brehnelementkanal according to claim 2, characterized in that the protruding parts of the ribs are designed in the form of a curved section and remain approximately parallel and in the same

the distance to the outer surface, des; Print or Jacket pipe run. , ... .-

4. Fuel channel after. Claim 2 or 3, characterized in that the temperature gradient from the pressure pipe to the thicker one; Rib part or. to the end of the rib at least; 10 ° "C per cm

5. Fuel element channel according to one of claims 1 to 4, characterized in that the body made of zirconium alloy is made of Zrmit2.5 percent by weight and Nb. the rib consists of a Zürkan alloy with a somewhat lower hydrogen absorption capacity in air than Zr with 2 ^ 5 percent by weight of Nb. . .

.. 1 sheet of drawings

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