DE1812347A1 - Uranium-silicon alloy nuclear fuel element - Google Patents
Uranium-silicon alloy nuclear fuel elementInfo
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Description
IG/scnIG / scn
19. 11. 1968November 19, 1968
ATOI-IIC ENSIiGY OF CAITADA LIIJITED,ATOI-IIC ENSIiGY OF CAITADA LIIJITED,
150 Kent Street, City of Ottawa, Province of Ontario, Kanada150 Kent Street, City of Ottawa, Province of Ontario, Canada
Kernbrennstoffelement aus einer Uran-Siliciumlegierung.Uranium-silicon alloy nuclear fuel element.
Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement mit einem aus Uranmetall mit etwev zwei bis 7» 3 Gewichtsprozent Silicium legierten und einen Leerraum aufweisenden, zwecks Erhöhung des Korrosionswiderstandes seiner Legierung wärmebehandelten Kern, der durch einen Mantel aus an sich bekannter korrosionsfester Zirkonlegierung umfaßt ist nach Patentanmeldung P 15 89 458. 3.The invention relates to a nuclear fuel element having a of uranium metal alloyed with about two to 7 »3 percent by weight silicon and having a void for the purpose of increasing it the corrosion resistance of its alloy heat-treated Core, which is encompassed by a jacket made of a known corrosion-resistant zirconium alloy according to patent application P 15 89 458. 3.
Bei Uran-legierten Kernbrennstoffelementen für Kernkraftreaktoren ergeben sich Schwierigkeiten, weil die mit Uran hochlegierten, dem hocherhitzten ¥asser als Kühlmittel ausgesetzten Legierungen nur einen niedrigen Korrosionswiderstand haben. Im Hinblick auf diesen niedrigen Korrosionswiderstahd im wässrigen Medium führt jeder Fehler in dem die Uranlegierung umgebenden Schutzmantel zu schworen und unerwünschten Störungen.For uranium-alloyed nuclear fuel elements for nuclear power reactors Difficulties arise because the highly alloyed with uranium, exposed to the highly heated water as a coolant Alloys have only a low corrosion resistance. In view of this low corrosion resistance In the aqueous medium, any flaw in the protective jacket surrounding the uranium alloy leads to sworn and undesirable Disruptions.
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Um diese Nachteile herabzusetzen, sind bereits Legierungen mit einer sich der Deltaphase U Si nähernden Zusammensetzung aus Uran-Siliciumie-gäreä-Hasig bekannt, die eine niedrigere Korrosionsgeschwindigkeit haben.Allerdings zeigen diese Legierungen bei Bestrahlung eine ungenügende Volumenstabilität, da die Unordnung in der gesetzmäßigen Deltaphase und/oder das Ausbrechen gasförmiger Spaltungsprodukte zu den Betrieb gefährdenden Volumenvergrößerungen führen können.In order to reduce these disadvantages, alloys with a composition approaching the delta phase U Si are already available from Uran-Siliciumie-gärä-Hasig known the one lower Corrosion rate. However, these alloys show insufficient volume stability during irradiation, since the disorder in the regular delta phase and / or the breakout of gaseous fission products can lead to volume increases that endanger the operation.
Nach der Hauptanmeldung P 15 89 ^58· 3 ist bereits vorgeschlagen worden, daß das Kernbrennstoffelement einen aus Uranmetali mit etwa 2 bis 7j3 Gewichtsprozent Silicium legierten und einen.Leerraum aufweisenden, zwecks Erhöhung des Korrosionswiderstandes einer Legierung wärmebehandelten Kern aufweist, der durch einen Mantel aus an sich bekannter korrosionsfester Zirkonlegierung umfaßt ist und der Leerraum etwa 3-15 Volumenprozent der Uranlegierung beträgt.According to the main application P 15 89 ^ 58 · 3 is already proposed It has been found that the nuclear fuel element alloyed one of uranium metal with about 2 to 7/3 weight percent silicon and a void that is heat-treated to increase the corrosion resistance of an alloy Has core which is surrounded by a jacket made of a known corrosion-resistant zirconium alloy and the empty space is about 3-15 percent by volume of the uranium alloy.
Die Erfindung bezweckt eine Vesfoesserung und weitere Ausbildung der Hauptanmeldung, Es wird in überraschender Weise vorgeschlagen, Kernbrennstoffelemente zu verwenden, bei denen jeweils der Leerraum des Kernes bis 25 Volumenprozent der Uranlegierung beträgt, wobei 25 Volumenprozent selbst ausdrücklich eingeschlossen sind. Durch eine derartige Ausbildung des zentralen Kernes wird die Herstellung vereinfacht, der Anwendungsbereich der Kernbrennstoffelemente vergrößert.The invention aims a Vesfoesserung and further development of the main application, It is in a surprising way proposed to use nuclear fuel elements at each of which the void space of the core up to 25 percent by volume of the uranium alloy, with 25 percent by volume themselves are expressly included. By such a Formation of the central core simplifies the manufacture, the scope of the nuclear fuel elements enlarged.
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Bine weitere Ausgestaltung· der Erfindung sieht in überraschender Weise vor, daß der Leerraum vorzugsweise 15 Volumenprozent der Uranlegierung· beträgt. Hierdurch -wird eine Verbesserung als auch weitere Ausbildung gegenüber der Hauptanmeldung erreicht, weil dort der Tolumenbereich lediglich bis 15 Volumenprozent erstreckt wurde, ohne diesen Wert selbst einzuschließen. Dieser in der Hauptanmeldung als ein noch nicht erreichbarer Grenzfall angegebener Wert bildet nach der Erfindung das bevorzugte Ausführungsbeispiel für die Herstellung des Kernbrennstoffelementes, eben im Unterschied zur Hauptanmeldung.A further embodiment of the invention is surprising Provide that the void is preferably 15 percent by volume of the uranium alloy · is. This is an improvement as well as further training compared to the main application achieved because there the tolumen area only up to 15 percent by volume without this value include yourself. This forms the value specified in the main application as a borderline case that has not yet been achieved according to the invention the preferred embodiment for the production of the nuclear fuel element, just as a difference to the main registration.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die mit einem zentralen Leerraum versehenen Brennstoffelemente durch ein Abdeck- bzw. Absperrbauteil wie einen Pfropfen» Zapfen oder dgl. aus U„Si ergänzt werden können, wobei dieser Bauteil an dem Kern angeschmolzen, angeschweißt oder angelötet ist, um den zentralen Leerraum im Kern abzudichten. Dies ist insofern von Vorteil, als man bei Beschädigung des Mantels oder der Stirnseite im vollständigen Kernbrennstoffelement den Eintritt des Wassers in den relativ heißen Brennstoffkern verhindert«Another embodiment of the invention provides that the fuel elements provided with a central void can be supplemented by a cover or shut-off component such as a plug »pin or the like made of U« Si, with this component is fused, welded or soldered to the core in order to seal the central empty space in the core. This is advantageous in that if the shell or the end face in the complete nuclear fuel element is damaged, the entry of the water into the relative hot fuel core prevents "
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß statt eines zentralen Leerraumes im Kern des Brennstoffelementes eine Mehrzahl von Einzelräumen, insbesondere gleichmäßig verteilte und/oder porenartige Räume vorhanden ist bzw. sind, wobei diese 3—15 Volumenprozent der Uranlegierung betragen.DieAnother embodiment of the invention provides that instead of a central empty space in the core of the fuel element, a plurality of individual spaces, in particular evenly distributed and / or pore-like spaces, is or are present, with these amount to 3-15 percent by volume of the uranium alloy
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artigen Räume dienen dem gleichen Zweck wie der zentrale Leerraum, in-dem sie das Aufblähen des Elementes aufnehmen, bzw. ausgleichen. Dies ist wiederum insofern von Vorteil, als im Falle-eines defekten Mantels das Wasser nicht in den relativ heißen Brennstoffkern eindringen kann und eine steile Korrosion vermieden wird»like rooms serve the same purpose as the central one Empty space in which they absorb or compensate for the expansion of the element. This, in turn, is advantageous in that than in the case of a defective jacket the water does not go into the relatively hot fuel core can penetrate and a steep Corrosion is avoided »
Außer ,einem einzigen Leerraum oder gleichmäßig verteilten porenartigen Einzelräumen wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine sinngemäße Kombination dieser beiden Vorschläge vorzusehen, also einen Uran-Silicium-legierten Kern mit gleichmäßig verteilten porösen Leerräumen und einem ausgedehnteren Leerraum. In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wo eine Kombination der verteilten porenartigen Räume und des einzigen ausgedehnten Leeraumes verwendet wird, beträgt das Gesamtvolumen etwa 3 - 25 fo* bezogen auf das Volumen des Kernes aus Uran-Silicxumlegierung.In addition to a single void or evenly distributed pore-like individual spaces, the invention proposes to provide an analogous combination of these two proposals, that is, a uranium-silicon alloy core with evenly distributed porous voids and a more extensive void. In this embodiment of the invention, where a combination of the distributed pore-like spaces and the single extensive void is used, the total volume is about 3 - 25 fo * based on the volume of the uranium-silicon alloy core.
Ferner werden erfindungsgemäß beispielhafte Verfahren zum Herstellen bzw. zum Vereinigen der Einzelteile des Kernbrennstoffelementes vorgeschlagen;Furthermore, according to the invention, exemplary methods for Manufacture or combine the individual parts of the nuclear fuel element suggested;
Beispiel 1 - Individuelle Herstellung der Elemente, der derExample 1 - Individual manufacture of the elements that the
Arbeitsschritt Beschaffung des Gleitsitzes folgt»Work step procurement of the sliding seat follows »
At|s der Uran-Siliciumlegierung wird ein stabförmiger Bauteil gegossen, der den zentralen Leerraum enthält und dann.wird der Stab oder dgl. bei einer Temperatur im Bereich von 750 - 900 C,At | s of the uranium-silicon alloy becomes a rod-shaped component poured, which contains the central empty space and then the rod or the like is at a temperature in the range of 750 - 900 C,
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vorzugsweise bei etwa 800 C wärmebehandelt, um die Legierung peritektoidisch in die Deltaphase (u_Si) zu überführen. Die genaue Temperatur der Wärmebehandlung hängt von vorhandenen Spurenbestandteilen in der Legierung ab. Dies Verfahren kann, in Abhängigkeit von der zuerst gegossenen Gestalt der Legierung und vom Ausmaß der Vollständigkeit der bei der Anwendung erforderlichen Transformation, in einem Zeitintervall von 2 bis 300 Stunden, regelmäßig nach etwa 72,,Stunden^ beendet werden. Dann wird der Stab durch mechanische Bearbeitung wie durch Schleifen auf die endgültige^für den Kern des Brennstoffelementes vorgesehenen Maße gebracht und das Brennelement dadurch hergestellt, daß der Kern mit Gleitsitz in den Schutzmantel eingeführt wird.preferably heat treated at about 800 C to give the alloy to transfer peritectoidally into the delta phase (u_Si). the the exact temperature of the heat treatment depends on the trace elements present in the alloy. This procedure can depending on the first cast shape of the alloy and the degree of completeness of the application required transformation, in a time interval of 2 to 300 hours, regularly finished after about 72 hours will. Then the rod is machined, such as by grinding, to the final ^ for the core of the fuel element Brought intended dimensions and the fuel assembly produced in that the core with a sliding fit in the protective jacket is introduced.
Beispiel 2 - Ein dem Beispiel 1 ähnliches Verfahren unterscheidet sich von diesem dadurch, daß die Uran-Silioiumlegierung zu einem Barren oder dgl., anstelle eines Stabes mit einem zentralen Leeraum, gegossen wird. Nachdem die Wärmebehandlung bei etwa 800 C, wie in Beispiel 1 ausgeführt wor- · den ist, wird der Barren bei einer Temperatur, die kleiner als die perltektoidisohe Temperatur von 930 C ist, zu einem mit einem zentralen Leeraum versehenen Stab oder dgl. extrudiert. Man unterschreitet die Temperatur von 930 C,um einen entgegengesetzt gerichteten Arbeitsablauf zu unterbinden, der den Deltaphasönzustand in der Legierung zerstören würde. Wie auch früher wird dann der Stab durch Bearbeitung oder Schleifen auf seine endgültigen Abmessungen gebracht und man erhält das Kernbrennstoffelement, indem der bearbeitete Stab bzw. derExample 2 - A process similar to Example 1 differs from this in that the uranium-silicon alloy is poured into an ingot or the like, instead of a rod with a central empty space. After the heat treatment at about 800 C, as has been carried out in Example 1, the ingot is at a temperature which is less than the pearl tectoid temperature is 930 C, to one with a central empty space provided rod or the like. Extruded. The temperature falls below 930 C, by one opposite to prevent a specific workflow that would destroy the delta color in the alloy. As well as earlier the rod is then brought to its final dimensions by machining or grinding and that is what you get Nuclear fuel element by placing the machined rod or the
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Kern mit Gleitsitz in den Schutzmantel eingeführt wird.Core is inserted with a sliding fit in the protective jacket.
Beispiel 3 - Es wird ein dem Beispiel 2 ähnliches Verfahren verwendet, mit der Ausnahme, daß die Reihenfolge der Arbeitssohritte Wärmebehandlung und Extrusion umgekehrt wird. , Die Uran-Siliciumlegierung wird also als Barren gegossen und dann in einen, einen zentralen Leerraum aufweisenden Stab extrudiert. Dann wird der Stab bei etwa 800 G wärmebehandelt, wie im Beispiel 1, um die Legierung peritektoidisoh in die Deltaphase U_Si zu überführen. Anschließend wird der Stab auf seine endgültigen Abmessungen, die für den Kern vorgesehen sind, durch mechanische Bearbeitung oder Schleifen gebracht und dann" der Kern in den Schutzmantel mit Gleitsitz eingeführt, so daß das Kernbrennstoffelement gebildet ist.Example 3 - A procedure similar to Example 2 is used, except that the order of the working hole center Heat treatment and extrusion is reversed. So the uranium-silicon alloy is cast as an ingot and then extruded into a rod having a central void. The rod is then heat-treated at about 800 G, as in Example 1, in order to convert the alloy peritectoidally into the delta phase U_Si. Then the rod is up its final dimensions intended for the core, brought by machining or grinding and then "the core is inserted into the protective jacket with a sliding fit, so that the nuclear fuel element is formed.
Beispiel k - Dies Verfahren enthält die ersten, im Beispiel 2 angegebenen Arbeitsschritte, d.h., die Uran-Siliciumlegierung wird als Barren gegossen und dann der Barren bei etwa 800 C, wie in Beispiel 1, wärmebehandelt. Der wärmebehandelte Barren wird dann innerhalb der aus Zirkonlegierung bestehenden HÜlae bzw. dem Mantel bei einer 930 G unterschreitenden Temperatur koextrudiert» so daß ein Kernbrennstoffelement mit einem Kern aus Uran-Silicium in Deltaphase U_S± gewonnen wird, der einen zentralen Leerraum hat und dann mit dem Mantel aus Zirkonlegierung verkleidet wird, bzw» an diesen angeschmolzen oder dgl. wird«Example k - This method contains the first working steps given in Example 2, ie the uranium-silicon alloy is cast as an ingot and then the ingot is heat-treated at about 800.degree. C. as in Example 1. The heat-treated ingot is then coextruded within the zirconium alloy shell or jacket at a temperature below 930 G »so that a nuclear fuel element with a core of uranium-silicon in delta phase U_S ± is obtained, which has a central empty space and then with the Sheath made of zirconium alloy is clad, or "is melted onto this or the like"
Beispiel 5 - Ein Verfahren ähnlich demjenigen nach Beispiel kt Example 5 - A method similar to that of Example k t
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mit der Ausnahme, daß die Arbeitsschritte Wärmebehandlung und !Coextrusion in der Reihenfolge umgekehrt werden} d. h,, die Uran-Siliciumlegierung wird als Barren gegossen und dann innerhalb einer Hülse bzw. eines Mantels aus Zirkonlegierung koextrudiert, so daß ein Kernbrennstoffelement gebildet wird, in welchem der Kern einen zentralen Leeraum hat, und dann wird er mit dem Mantel aus Zirkonlegierung verkleidet bzw. an diesen angeschmolzen oder dgl. Dann wird das so vereinigte Kernbrennstoffelement einer Wärmebehandlung bei etwa 800 C1 wie im Beispiel 1 angegeben, unterworfen, um den Kern aus Uran-Siliciumlegierung in die Deltaphase TJ„Si zu überführen.with the exception that the work steps heat treatment and! coextrusion are reversed in the order} d. The uranium-silicon alloy is cast as an ingot and then coextruded within a zirconium alloy shell to form a nuclear fuel element in which the core has a central void, and then it is clad with the zirconium alloy shell The nuclear fuel element thus combined is then subjected to a heat treatment at about 800 C 1 as indicated in Example 1 in order to convert the uranium-silicon alloy core into the delta phase TJ “Si.
Beispiel 6 - Aus der Uran-Siliciumleglerung wird ein Stab mit gleichmäßig verteilten porenartigen Einzelräumen gegossen, die insgesamt 3-25 Volumenprozent des Stabes ausmachen* Diesen Stab oder dgl, kann man dadurch herstellen, daß ein geeignetes inertes Gas wie Helium in die geschmolzene Charge eingeführt wird. D£es kann durch Einblasen oder dgl. des Gases in die schmelzende Legierung erfolgen. Wenn sich die Legierung verfestigt, wird das Gas in ihr in Form von sphärischen geschlossenen Poren (porenförmige Einzelräume) eingeschlossen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Schmelzlegierung, insbesondere bei I5OO Cj der Atmosphäre des inerten Gases ausgesetzt wird, wodurch regelmäßig genug Gas absorbiert wird, um die gewünschte Porösität während der Verfestigung zu erreichen.Example 6 - The uranium-silicon layer becomes a rod Cast with evenly distributed pore-like individual spaces, which make up a total of 3-25 percent by volume of the rod * This rod or the like can be made by adding a suitable inert gas such as helium to the molten charge is introduced. This can be done by blowing or the like. The gas into the melting alloy. If the When the alloy solidifies, the gas is enclosed in it in the form of spherical closed pores (pore-shaped individual spaces). According to the invention it is proposed that the fusible alloy, in particular at I5OO Cj of the atmosphere of the inert gas, which regularly absorbs enough gas to achieve the desired porosity during the To achieve solidification.
Eine andere Ausführungsforin der Erfindung sieht vor, daß dasAnother embodiment of the invention provides that the
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Gas in die geschmolzene Legierung dadurch eingeführt wird, daß in die Hohlform, in der der Kern geformt wird, eine, ein Gas erzeugende Flüssigkeit oder ein fester Stoff eingeführt wird. Vorzugsweise wird hierfür metallisches Magnesium verwendet. Wenn die das Gas erzeugende1 Flüssigkeit oder der Feststoff mit der geschmolzenen Legierung in Berührung gebracht wird, wird das Gas gebildet, bzw. freigegeben und es durchdringt die Legierung und wird wiederum in der Legierung während der Verfestigung in üblicherweise sphärischen geschlossen Porenräumen eingeschlossen, DaJ^n wird der Stab gemäß Beispiel 1 bei etwa 800 C wärmebehandelt, um die Legierung peritektoidisch in die Delta*Gas is introduced into the molten alloy by introducing a gas generating liquid or solid into the hollow mold in which the core is formed. Metallic magnesium is preferably used for this. When bringing the gas generating one liquid or solid with the molten alloy in contact, the gas is formed and released and penetrates the alloy and is again in the alloy during solidification in generally spherical closed pore spaces enclosed DAJ ^ n the rod is heat-treated according to example 1 at about 800 C in order to convert the alloy peritectoidally into the delta *
phase U0Si zu überführen« Dann wird der Stab durch mechani-J phase U 0 Si to transfer «Then the rod is through mechani- J
sehe Bearbeitung oder Schleifen auf seine endgültigen Abmessungen als Kern eines Brennstoffelementes gebracht und das Element entsteht wiederum dadurch, daß der Kern in den Schutzmantel mit Gleitsitz eingeführt wird.see machining or grinding to its final dimensions Brought as the core of a fuel element and the element is in turn created by the fact that the core in the protective jacket is introduced with a sliding fit.
Für die Kernbrennstoffelemente gemäß dieser Erfindung wurde festgestellt, daß man eine Leistung von mehr als 10 000 Megawattagen pro Tonne Uran erreichen konnte, ohne daß der Innendurchmesser 1 $ überschritten hätte.For the nuclear fuel elements according to this invention found that one has an output of more than 10,000 megawatt-days per ton of uranium without the inside diameter exceeding $ 1.
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GB1251400A (en) | 1971-10-27 |
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8340 | Patent of addition ceased/non-payment of fee of main patent |