DE1564739C3 - Kernreaktorbrennstab und Verfahren zur Erzeugung des Überzugs auf den Tabletten des Kernreaktorbrennstabs - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kernreaktorbrennstab, der aus einer Füllung von Tabletten aus sauerstoffhaltigem Kernbrennstoffmaterial, insbesondere aus UCh, innerhalb eines Hüllrohres aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung besteht. Bei höheren Einsatztemperaturen besteht bei derartigen Brennstäben die Gefahr einer Sauerstoffversprödung des Hüllrohrmaterials. Der Sauerstoff diffundiert dabei aus dem Brennstoff, z. B. UO2, in das Zirkon. Bei wechselnder mechanischer Beanspruchung des Hüllrohrmaterials, z. B. bei Lastwechseln oder bei Scram, kann die Versprödung des Hüllrohrmaterials unter Umständen zu einem Hüllrohrdefekt führen. Solche Defekte stellen sich mit Sicherheit nicht ein, wenn es gelingt, die Eindiffusion von Sauerstoff aus dem Kernbrennstoff in das Zirkon bzw. die Zirkonlegierung zu verhindern.

Diese Gefahr der Hüllrohrversprödung wird dadurch beseitigt, daß zur Erzeugung einer Diffusionssperre gegen das Eindringen des Sauerstoffes in das Hüllrohrmaterial erfindungsgemäß die Tabletten wenigstens an ihrer Mantelfläche mit einem Überzug aus Pyrographit mit einer Schichtdicke von wenigstens 1 μ Dicke versehen sind.

Eine Möglichkeit zur Aufbringung des Pyrographitüberzuges auf den Tabletten besteht beispielsweise darin, Methangas in an sich bekannter Weise über die auf etwa 800°C oder mehr erwärmten Tabletten zu leiten und damit eine pyrolytische Abscheidung von Graphit auf den Tabletten zu bewirken.

Die Verwendung von durch Abscheiden hergestellten Pyrographitüberzügen ist in der Technik der Brennstoffelementherstellung für Kernreaktoren an sich bekannt (vgl. OE-PS 2 36 542). Dort handelt es sich jedoch um ein Reaktorbrennstoffelement mit einer Hülle aus graphitischem Kohlenstoff um den Brennstoffkern, die zur Zurückhaltung von Spaltprodukten mindestens zwei voneinander unabhängig wirkende, hintereinandergeschaltete Dichtungszonen aufweist, die thermisch leitend miteinander verbunden sind. Die innerste Dichtungszone kann auf dem Brennstoffkern aufgebracht sein und durch eine dichte Pyrographitschicht gebildet sein, die eine aus Urankarbid und Graphit bestehende Brennstoffpille umgibt oder mit der Urankarbid-Einzelkörner oder -Fäden umgeben sind. Wenn sie die einzelnen Brennstoffpartikeln umhüllt, soll die Schichtdicke mindestens 10 μ betragen. Auch die äußeren Dichtungszonen können durch Pyrographitüberzüge gebildet sein, die auf der Innen- und/oder Außenseite der den Brennstoff umschließenden Graphithüllen aufgebracht sind. Für einen auf der Innenseite der Hülle vorgesehenen Überzug ist eine Schichtdikke von mindestens 1 mm vorgeschrieben. Dort dienen jedoch die Pyrographitüberzüge zur Abdichtung der Graphithüllen, um den Austritt gasförmiger Spaltprodukte zu verhindern. Da bei dem bekannten Brennstoffelement der von der Graphithülle eingeschlossene Kernbrennstoff aus Urankarbid besteht, tritt dort die Möglichkeit eines Auftretens von Sauerstoff nicht auf.

Diese Technik unterscheidet sich daher grundlegend von dem Gegenstand der Erfindung, bei der die Grundvoraussetzung in der Verwendung eines sauerstoffhaltigen Kernbrennstoffes und eines gegen Sauerstoff zu schützenden Hüllrohres aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung liegt.

Der Überzug beim Brennstab nach der vorgesehenen Erfindung wird durch Abscheidung des Pyrographits direkt auf den Kernbrennstofftabletten erreicht und wirkt selbst zunächst als eine Sperre für den Austritt des Sauerstoffes aus der Tablette und bildet während des Reaktorbetriebes auf der Innenseite des Hüllrohres eine Zirkonkarbidschicht, die einen sicheren Schutz für das Hüllrohrmaterial gegen die Eindiffusion von Sauerstoff darstellt. Diese Schutzschicht zerreißt wohl bei Dehnungserscheinungen des Hüllrohres, bildet sich jedoch stets wieder neu. Sie bleibt auch erhalten, wenn durch die Temperaturwechselbeanspruchung die Tabletten zerbröckeln. Ihre Abriebfestigkeit bildet dabei einen wirksamen Schutz gegen Verletzungen dieser Schicht durch Bewegungen der Tabletten bzw. von Bruchstücken derselben.
In F i g. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Kernreaktorbrennstab 2 dargestellt. Darin sind die Spaltstofftabletten mit 3, ihre Umhüllung mit Pyrographit mit 31 und das Hüllrohr mit 4 bezeichnet. Es ist dabei nicht unbedingt erforderlich, daß auch die Stirnseiten der Brennstofftabletten mit Pyrographit belegt sind, da sich die hauptsächliche Schutzschicht während des Betriebes des Brennstabes auf der Innenseite des Hüllrohres 4 bildet. Diese Schutzschicht ist mit 41 bezeichnet.

Die F i g. 2 zeigt ein Diagramm, in welchem die Mikrohärte des Hüllrohrmaterials — in diesem Beispiel Legierung Zr/Cul,6 — von der den Brennstofftabletten .zugekehrten Innenseite des Hüllrohres ausgehend bis zu eine Tiefe von etwa 200 μ nach einer Testzeit von 24 Stunden und einer Testtemperatur von 800° C aufgezeichnet ist. Die Kurve A zeigt den Härteverlauf bei Verwendung von mit Pyrographit geschützten Oberflächen der UO2-Tabletten. Er ist absolut konstant niedrig und entspricht dem Ausgangszustand der Legierung. Die Kurve B dagegen zeigt den Härteverlauf bei Verwendung von ungeschützten UO2-Tabletten. Hieraus ist zu ersehen, daß in der Randzone der Innenseite des Hüllrohrmaterials eine wesentliche Härtesteigerung auftritt, da die Sauerstoffkonzentration in den Randzonen am stärksten ist. Nach dem Inneren des Materials nimmt diese und damit auch die Mikrohärte im gleichen Maße ab und erreicht schließlich jenen Wert, der dem Ausgangszustand des Hüllrohrmaterials entspricht. Dieses Diagramm beweist also in eindeutiger Weise die Schutzwirkung der Pyrographitschicht auf den UO2-Tabletten.

Die Anwendung dieses Verfahrens ist allerdings begrenzt auf Brennstäbe, deren betriebslichc Oberflächentemperatur nicht wesentlich über 800⁰C liegt, jenseits dieser Temperaturgrenze, die höchstens bei Unfäl-

len vorkommen kann, wird ZrC bereits merklich in Zr gelöst. Dadurch kann sich keine zusammenhängende Zirkonkarbidschicht mehr auf der Oberfläche des Hüllrohres ausbilden, so daß nach Aufzehrung der Pyrographitschicht auf den UCte-Tabletten die Schutzwirkung langsam aufhört. Da aber diese Hüllrohrmaterialien aus Festigkeitsgründen nur bis maximal 650⁰C Verwendung finden können, dürfte diese Einschränkung praktisch nicht von Bedeutung sein.

Abschließend sei erwähnt, daß ein Abscheiden von Pyrographit aus der Gasphase auf dem Hüllrohrmaterial selbst wegen des dabei frei werdenden Wasserstoffes und der damit verbundenen Wasserstoffversprödung des Hüllrohrmaterials nicht durchgeführt werden kann. Eine in neutronenphysikalischer Hinsicht störende Wirkung der Pyrographitüberzüge ist nicht zu erwarten, da sich Graphit oder Kohlenstoff als Reaktorwerkstoff für thermische Reaktoren bestens eignet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kernreaktorbrennstab, bestehend aus einer Füllung von Tabletten aus sauerstoffhaltigem Kernbrennstoffmaterial, insbesondere aus UCb, innerhalb eines Hüllrohres aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten wenigstens an ihrer Mantelfläche mit einem Überzug aus Pyrographit mit einer Schichtdicke von wenigstens 1 μ Dicke versehen sind.

2. Verfahren zur Erzeugung des Überzuges auf den Tabletten des Kernreaktorbrennstabs gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an'sich bekannter Weise Methangas über die auf etwa 800° C oder mehr erwärmten Tabletten geleitet wird.