DE1639070A1 - Spaltstoffelement fuer Druck-Kernreaktoren - Google Patents

Description

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Augsburg, den 12» Februar 1968

';/est:Lnghou3e EIe c br ic Corporation,-Pittsburgh., (Pennsylvania), m Vereinigte Staaten von Amerika * _

Spaltstoffelement für Druck-Kernreaktoren

Die Erfindung betrifft Spaltstoffelemente, wie sie in Druck-Kernreaktoren in Gebrauch, sind,

Druckwasserreaktoren, haben bekanntlich, einen besseren tfirkungsgrad, wenn sie bei hö'neren Temperaturen und höjieren Drücken betrieben werden. '

„. 1 0 9 8 Ö S / Ö 3 2

BAD ORIGINAL

Die Brh.c3h.ung der Betriebstemperatur und des Betriebsdruckes wassergekühlter Kernreaktoren kann jedoch' dazu führen, daß das Umhüllüngsmaterial der.Spaltstoffelemente an der Oberflache der darin befindlichen Spaltstoffkörper bricht und es dadurch schneller zu Störungen kommt, weil dann das Umhüllungsmaterial den Bewegungen der Spaltstoffkörper folgt, welche sich in dem Maße, in welchem sie . mehr oder weniger Hitze erzeugen,"entsprechend ausdehnen oder zusammenziehen. Obwohl das Ausmaß dieser Bewegungen des Umhüllungsmaterials nur gering.ist, kann das Umhüllüngsmaterial nur einer begrenzten Zahl von Last?j-eche_eln standhalten, bevor es zum Dauerbruch kommt* Umhüllungsmaterialien, die aus Legierungen auf Zirkoniumbasis bestehen und beispielsweise unter den Warenbezeichnungen "Zircaioy - 2" und "Zircaloy - Ψ¹ bekannt geworden sind können in !Fällen extremer Bewegungen über die Elastizitätsgrenze hinaus häufig nur etwa hundert Lastwechseln bis tausend Lastwechseln standhalten, bevor es zum Dauerbruch kommt. Auch Umhüllungsmater!aIien aus rostfreiem Stahl neigen in gleicher 7/eise zu Dauerbrüchen.

Während des Betriebes von Kernreaktoren werden außerdem die Umhüllungsmaterialien der Spaltstoffelemente infolge der Bestrahlung im Laufe der Zeit immer spröder.

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und dieselben können nach einer gewissen Betriebszeit nicht mehr als im Bereiche von etwa einem Prozent beansprucht werden. Kommt es aber infolge Ermüdung des Umhullungsmaterials der Spaltstoffelemente zürn Bruch einer Umhüllung oder bilden sich Nadellöcher in den Umhüllungen, so können radioaktive Gase und radioaktive Spaltstoffe aus den Spaltstoffelementen'austreten und das Reaktorkühlmittel wird stark radioaktiv verseucht. Der.Reaktor muß also regelmäßig stillgesetzt werden, damit an der Grenze der Schadhaftigkeit befindliche Spaltstoffelemente oder Spaltstoffelemente mit bereits eingetretenen Umhüllungsschaden ausgewechselt werden können»

Es wäre an sich naheliegend, Brüche des Umhüllungs- · materials der Spaltstoffelemente von Druck-Kernreaktoren dadurch zu vermeiden, daß Umhüllungen größerer Dicke Anwendung finden. Dickere Umhüllungen wirken sich aber nachteilig auf die Neutronenwirtschaft aus und haben infolgedessen eine Erhöhung der Reaktor-Betriebskosten zur Folge.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei dicht verschlossenen Spaltstoffelementen für Druck-Kernreaktpren einerseits eine nur geringe Umhüllungsdicke vorzusehen und andererseits zu erreichen, daß diese Elemente

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den im Reaktor auftretenden Druckänderungen sowie den Dehnungen und Zusammenziehungen der von,-ihnen beherbergten Spaltstoffkörper besser standhalten.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Spaltstoffelement für Druck-Kernreaktoren aus, dessen an beiden Enden geschlossene Umhüllung mit Abstand ..,.eine Anzahl von Kernspalt stoff korpern umschließt, so'daß α '.Värmedehnungsunterschiede zwischen dem Umhüllungsmaterial und den Spaltstoff körpern aufgenommen werden. "Ein derartiges Spaltstoffelement ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sich- in dem Spaltstoffelement Mittel befinden, welche die Umhüllung zum Ausgleich eines auf sie wirkenden Außendruckes nach außen pressen und dadurch auf Beanspruchungen infolge periodischen Reaktorbetriebes zurückgehende vorzeitige Ermüdungserscheinungen des Umhüllungsmaterials vermindern. Dadurch ist es möglich, die Dicke des Umhüllungsmaterials etwa nur halb so groß

^ zu machen als notwendig wäre, wenn die erfindungsgemäßen Mittel zur Entwicklung eines Innendruckes innerhalb der Spaltstoffelemente nicht angewendet würden.

.. Die Erfindung wird nunmehr unter Bezug auf die anliegende Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform in ihren Einzelheiten beispielsweise beschrieben,

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JÄivJÖirfG teM - BAD ORIGINAL

In .welcher ■ . ■ ■: - ...■-.

Figur 1 einen schema wischen iertikalachnitt

■ . durch ein Spaltstoffelement nach

-. der -Erfindung zeigt und

-B¹IgUr 2 einen Horizontalschnitt längs

der Ebene Il-II in Figur 1, in

■-■

■ > Pfeilrichtung gesehen, wiedergibt.

Das in Figur 1 der Z'eichnung dargestellte Spaltstoffelement 10 beherbergt eine Anzahl zylindrischer Kernspaltatoffkörper 12, die mit ihren Stirnseiten aneinanderliegend innerhalb eines Gehäuses bzw. einer röhrenförmigen Umhüllung 14- angeordnet sind» Die beiden stirnseitigen Enden der Umhüllung 14- sind "durch Endverschlüsse 16 und 1ö verschlossen, welche mittels Bing-Schweißnähten 20 mit dem Umhüllungsmantel 14- verschweißt sind und auf diese //eise das Spaltstoff element 10 dicht abschließen* Am oberen Ende des Spaltstoffelementes ist eine Ausdehnungskammer 22 angeordnet, in welcher die Spaltgase Aufnahme finden. . . ,

Innerhalb der Kammer 22 befindet sich ein Körper_: 24-aus einer in der Wärme zerfallenden Substanz, welcher

.. 5 „ V 10988S/O32.T : ■-

BAD

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oben auf-der Spaltstoffkörper-Stapelsäule 12 aufliegt, Dieser Körper 24- aus einer in der //!irme zerfallenden Substanz ist zwischen Aluminiunioxydscheiben 26 und 26 untergebracht» Zwischen dem oberen BndverschluS 16 des .. Spaltstoff elements und dem Körper 24- befindet sich eine Schraubenfeder JO, welche diesen Körper und die darunter befindliche Spaltstoffkorper-otapelsäule 12 nach unten in Richtung auf den unteren Verschlußkörper 16 ra?e3t.

Der Zweck der in der marine zerfallenden Substanz 24-ist, ein G-as zu erzeugen, welches innerhalb des Spaltstoffelementes 10 nach vollkommener Zusammensetzung undh'ermetischem Abschluß dieses Elementes einen Innendruck aufbaut. Der Körper 24- kann entweder srus einem Oxalat oder aus einem Karbonyl oder- aus einem Gemisch zweier oder mehrerer solcher Substanzen bestehen, welche sich innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 93° G und 316° C thermisch zersetzen. Das erfxndtingsgemäße Spaltstoffelement kann also ordnungsgemäß zusammengebaut und anschließend erhitzt werden, wobei sich die darin befindliche, in der Warme zerfallende Substanz, beispielsweise also ein Oxalat, in Kohlendioxyd oder ein Gemisch aus Kohlendioxyd undKohlenmonoxyd zerlegt» Obwohl Oxalate oder Karbonyle, die bei Normaltemperatur einen festen Aggregatszustand

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BAD OfttßtNAt

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haben, vorzugsweise zu verwenden sind₅ können auch Flüssigkeiten Anwendung finden, die in einem Trägerkörper adsorbiert sind,.beispielsweise in einem Molekularsieb oder in einer metallorganischen Verbindung, Ein Beispiel für ein geeignetes Oxalat ist Bisenoxalat (FeC₂O^), welches sich bei einer Temperatur von etwa 160° 'G nach einer oder beiden der nachstehenden Formeln zersetzt:

FeG₂OI- >■ Fe + 2

FeO + GO₊

!Carbonyle, welche sich in einem Temperaturbereich zwischen 93° 0 und 516 C thermisch zersetzen, enthalten unter anderem auch Ni(GO^) und Fe(CO₁-). Solche Carbonyle zerfallen nach folgender Formel in CO :

ITi(GO^) — >- Hi + 4 GO

Andere Oxalate, welche'sich innerhalb der vorgenannten Temperaturgrenzen thermisch zersetzen, enthalten (G₂O^)₅ und

Sowohl Kohlenmonoxyd als auch Eohlendioxyd vertragen sich mit den Materialien, aus welchen die Spaltstoffkörper

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CiÄ|,_ BAD ORIGINAL

und die Umhüllung 14- bestehen. Die Spaltstoff körper bestehen aus Urandioxyd ,(UO₂) mit einer Anreicherung an U- 23!5· Das Umhüllungsmaterial 14· besteht aus einem im wesentlichen mit Bezug auf die umgebenden Reaktorteile inerten Material, wobei diese Inertität auch bezüglich des die Spaltstoffelemente umgebenden Kühlmittels, des innerhalb der Spaltstoffelemente entwickelten Kohlenmonoxydes und Kohlendioxydes sowohl als auch bezüglich anderer korrodierender Faktoren, wie beispielsweise des Einflusses der Strahlung der Spaltstoff körper 12 gegeben sein muß. Das Umhüllungsmaterial 14- kann aus einer !legierung auf Zirkoniumbasis oder einem austenitischen rostfreien Stahl bestehen. Legierungen auf Zirkoniumbasis haben einen kleineren Neutronenabsorptionsfaktor als rostfreier Stahl, doch hat rostfreier Stahl eine geringere Kriechneigung als Legierungen auf Zirkoniumbasis. Das erfindungsgemäße Spaltstoffelement 10 kann beispielsweise einen Außendurchmesser von 11,2 mm haben und eine zwischen weiten Grenzen mögliche Länge haben, welche von den Abmessungen der Kernreaktionskammer abhängt, in welcher derartige Elemente Anwendung finden sollen. Gewöhnlich wird der Durchmesser des Spaltstoffelementes kleiner als "12,7 π¹™· sein. Bei einer bestimmten Reaktorgroße haben die Spaltstoffkörper 12 vorzugsweise einen Durch-

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messer von etwa 10,2 mm . Der freie Raum 32 zwischen den Spaltstoffkörpern 12 und der Innenfläche der Umhüllung 14 beträgt ungefähr 0,07 mm-,. Der Zweck dieses freien Raumes besteht in der Aufnahme der Ausdehnung bzw. der Zusammenziehung der Spaltstoffkörper 12, wenn das Spaltstoffelement 10 bei verschiedenen Temperaturen arbeitet. Je nach den angewandten Betriebstemperaturen können sich die Spaltstoff körper 12 so stark dehnen, daß dieser freie Raum 32 |j| vollständig von ihnen ausgefüllt wird und die Oberflächen der einzelnen Spaltstoffkörper 12 innig und fest an den Innenwandungen des Umhüllungsmaterials 14 anliegen. Da gemäß der Erfindung das Spaltstoffelement 10 unter Innendruck steht, ist die Umhüllung 14- geringeren Erafteinwirkungen von außen ausgesetzt, so daß die Dicke des Umhüllungsmaterials nicht größer als etwa 0,44 mm - 0,02 mm zu s e in br aucht. SοIche erfindungs g emäß e Sp aItst ο ff elernente haben einen besseren Wirkungsgrad und arbeiten zufrieden- stellender als die bisher üblichen, nicht unter Innendruck stehenden Spaltstoffelemente mit einer UmhüllungsWandstärke von 0,61 mm. Wird rostfreier Stahl als Umhüllungsmaterial verwendet, bei welchem bisher normalerweise eine Umhül lungs Wandstärke von 0,38 nun angewendet wurde^ so kann diese Wandstärke bis auf etwa 0,19 mm verringert werden, wenn Spaltstoffelemente zur Anwendung kommen, die unter

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2 2

einem Innendruck von etwa 70,3 kp/cm bis 140,6 kp/cm

stehen. ,-"'"■".

Das oben beschriebene erfindungsgemäße Spaltstoff-

e.lement eignet sich zum Betrieb in Druckwasserreaktoren,

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deren Wasser unter einem Druck von etwa 140,6 kp/cm

2
bis 158,2 kp/cm steht. Bei optimalen Betriebsbedingungen beträgt die Temperatur jeweils in den Mitten der einzelnen Spaltstoffkörper 12 etwa 2325° 0, während deren Oberflächentemperatur ungefähr 564° C beträgt. Die Temperatur der Innenfläche des Umhüllungsmaterials 14- beträgt etwa 416° C und diejenige der Außenfläche des Umhiillungsmaterials ungefähr 348° C. Die Spitzentemperatur des Kühlwassers liegt bei 344° C.

Bei diesen Temperaturen und den sich daraus ergebenden Drücken befindet sich das Umhüllungsmaterial 14 in Berührung W """. mit den thermisch gedehnten Spaltstoff körpern 12, so daß unter Mormalbedingungen keine Gefahr besteht, daß das Umhüllungsmaterial 14 übergroßen Irmüdungsbeanspruchungen ausgesetzt wird, die ihre Ursache in dem außerordentlich

2 hohen Druck des umgebenden Wassers von 158,2 kp/cm haben könnten. Die Gefahr einer Ermüdung des Umhüllungsmaterials wird hauptsächlich durch die wiederholte thermische Zusammenziehung und Wi ed er a us dehnung der Spaltstoffkörper

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infolge wiederholten Abschaltens und Wiederinbetriebsetzens des Reaktors heraufbeschworen. Wird der Reaktor stillgesetzt, so ziehen sich die Spaltstoffkörper 12 infolge ihrer Abkühlung zusammen "und kommen infolgedessen außer Berührung mit der Innenfläche des Umhüllungsmaterials 14-. Das Umhüllungsmaterial folgt jedoch nicht diesen Bewegungen der Spaltstoffkörper 12, sondern behält wegen des innerhalb der Umhüllung aufrechterhaltenen Gasdruckes seine Form bei.

Beträgt beispielsweise der Druck.des umgebenden Wassers

o
158,2 kp/cm , so wird innerhalb des dicht abgeschlossenen Spaltstoffelementes nach der Erfindung ein Innen-G-asdruck

2
von 70,3 kp/cm aufrechterhalten, so daß in Wirklichkeit nur ein äußerer Druck von 87,9 kp/cm wirksam ist* der jedoch nicht ausreicht, um ein Kriechen oder "Absacken" des dünnen Umhüllungsmaterials 14- herbeizuführen.

Während die erfindungsgemäße Verwendung einer in

der Wärme zerfallenden Substanz die bequemste Methode (|

darstellt, erfindungsgemäß innerhalb des Spaltstoffelementes einen Innendruck aufzubauen, können gemäß der Erfindung auch andere Methoden Anwendung finden, um innerhalb eines SpaltstoffStabes einen Innendruck aufzubauen. Eine solche andere erfindungsgemäße-Methode besteht in der Auffüllung des betreffenden SpaJJbstoffelementes mit Druckgas aus einer D ruckgas quelle.' Eine andere Methode,

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ORKSINAL

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innerhalb eines Spaltstoffstabes gemäß der Erfindung einen Innendruck aufzubauen, besteht darin^ den Stab nach seiner Herstellung in einer Wasserstoffatmosphäre oder Heliumatmosphäre unter hohem Druck auf eine Temperatur in der Größenordnung von etwa 1000° C zu erhitzen, so daß; der Wasserstoff bzw. das Helium durch das Umhüllungsmaterial des Spaltstoffstabes hindurchdringt und innerhalb desselben den gewünschten inneren Gasdruck aufbaut. Eine weitere Methode zur Erzielung des erfindungsgemäßen inneren Gasdruckes besteht darin, festes Kohlendioxyd in den Spaltstoffstab einzubringen, so daß nach dichtem Abschließen des Stabes das Kohlendioxyd verdampft und innerhalb des Spaltstoffstabes Kohlendioxydgas von gewünschtem Druck entwickelt.

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BADORIGJNAL

Claims (8)

43 Patentansprüche

1. Spaltstoffelement für Druck-Kernreaktoren, dessen an beiden Enden geschlossene Umhüllung mit Abstand eine Anzahl von KernspaItstoffkörpern umschließt, so daß vVärmedehnungsunterschiede zwischen dem Umhüllungsmaterial und den Spältstoffkörpern aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß -sich in dem Spaltstoffelement (10) % Mittel (z.B. 24) befinden, welche die Umhüllung (14·) zum Ausgleich eines auf sie wirkenden Außendruckes nach außen pressen und dadurch auf Beanspruchungen infolge periodischen Reaktorbetriebes zurückgehende vorzeitige Ermüdungserscheinungen des UiahüllungsmateriaIs vermindern.

2. Spaltstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekenu'-zeichnet, daß dasselbe eine in der Wärme zerfallende, gasbildende Substanz (z.B. 24) enthält. ' λ

3. Spaltstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Wärme zerfallende Substanz (z.B. 24) der Gruppe der Oxalate, Karbonyle oder festen Kohlendioxyde angehört. *

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, , ΒΑΙ5 ORIGINAL

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4. Spalts toff element nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die in der Wärme zerfallende Substanz (z.B. 24) MnC₂O^ ist.

5· Spaltstoffelement nach einem der Ansprüche bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der gasbildenden Substanz (z.B. 24) so bemessen ist, daß in dem Spaltstoffelement (10) bei Betriebstemperatur ein Innen-

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druck von 21,1. kp/cm bis 246,1 kp/cm aufgebaut wird.

6. Spaltstoffelement nach einem der Ansprüche bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (14-) aus einer Legierung einer Legierungsgruppe auf Zirkoniumbasis und austenitischem rostfreiem Stahl besteht.

7· Spaltstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Nachaußenpressen der Umhüllung (14) aus komprimiertem Helium besteht.

8. SpaItstoffelement nach einem der Ansprüche bis ?, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umhüllung eine Gasexpansionskamiaer (22) angeordnet ist.

9· Verfahren zur Herstellung von unter Innendruck

BAD ORlQiNAl,

stehenden Spaltstoffelementen nach einem der Ansprüche bis ?, gekennzeichnet durch, folgende Verfahrensschritte

a) Einbringen einer Anzahl von Spaltstoffkörpern in eine röhrenförmige Umhüllung,

b) Einbringen einer gasbildenden, in der Wärme zerfallenden Substanz in die Hülle,

c) dichtes Verschließen der Hülle und

•d) Erhitzen des so gebildeten SpaltstoffElementes auf eine Temperatür* bei welcher^ die in der Wärme zerfallende Substanz zerfällt.

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