DE1903009A1 - Bauelement aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung - Google Patents

Description

• Bauelement aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung.
• Die Erfindung betrifft Bauelemente aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung, die einem wasserstoffhaltigen Medium oder wasserstoffabgebenden Medium ausgesetzt und in erster Linie im Reaktorbeu verwendet werden.
• Bekanntlich wird Zirkon, insbesondere in Form von Zirkonlegierungen, wegen seines geringen Auffangquerschnitts für thermische Neutronen bevorzugt als Reaktorwerkstoff eingesetzt, Jedoch haben solche Zirkonlegierungen den Nachteil, daß sie unter de, Einfluß bzw. durch die Aufnahme von Wasserstoff sehr schnell oad sehr stark verspröden. Pur die Lebensdauer von Bauelemementen aus Zirkonlegierungen in wasser. oder organisch gekühlten Reaktoren ist neben dem Mterialverlust durch den Korrosionsangriff des Kühlmittels vor allem die Versprödung maßgebend. Die Gefahr eines Aufreißens oder Undichtwerdens solcher Bauelemente wächst beträchtlich, wenn es zur Ausscheidung von Hydrigen in dem Material kommt. Die bisherigen Methoden zur Begrenzung dieser Wasserstoffversprüdung sind folgende: 1. Begrenzung der schädlichen Verunreinigungen im Kühlmittel und 2. Verähderung der Zusammensetzung des Zustandes des Bauelement-Materials.
• Diese Methoden sind nur begrenzt wirksam und werden unzureichend, wenn zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Reaktors eine hohe Kühlmitteltamperatur angestrebt wird.
• Bei den bisher gebauten und geplanten Landreaktoren, bei denen eine Zirkonlegierung, wie Zircaloy, zur Umhüllung des Kernbrennstoffes vorhanden ist, muß man die Kernladung in Abstden von 2 bis 4 Jahren wechseln, wenn nlBn die Wasserstoffversprödung mit den genannten Methoden beherrschen will. Bei Schiffsreaktoren ist jedoch aus wirkschaftlichen Gründen eine wesentlich längere Standzeit der mit solchen Brennstäben zusammengesetzten Brennelemente notwendig, und auch bei Landreaktoren besteht die Tendenz zu längeren Brennelement-Standzeiten und höheren Kühlmitteltemperaturen. Die Wasserstoffversprödung ißt dabei mit den bisherigen Methoden nicht ntshr nu beherrschen. Auch in Kernreaktoren vom Druckrohrtyp, bei denen der Moderator-Behälter von den Druckrohren durchzogen ist, in dennen sich die Brennstoffelemente und das Kühlmittel befinden, sollen die Druckrohre maglichst über die gesamte Standzeit des Reaktors einsatzbereit bleiben.
• Es ist bereits die Methode bekannt, die Wasserstoffversprödung in Druckrohren aus Zirkonlegierungen in wasser- oder organisch gekühlten Reaktoren vom Druckrohrtyp dadurch zu beeinflussen, daß auf der Außenseite der Druckrohre Rippen aus dem gleichen Material wie den der Druckrohre angeschweißt sind. Da die Rippen sich bei Reaktorbetrieb auf tieferer Temperatur als die Druckrohrs befinden, wandert der von den Druckrohren aufgenommene Wassertoff überwiegend in die Rippen ab und scheidet dort als Rydrid aus.
• Diese Methode, die auf Druckrohre beschränkt und nicht auf Brennstabumhüllungen übertragbar ist, da sich im letzteren Ball der notwendige Temperaturunterschied nicht herstellen läßt, hat den Nachteil großen Platz- und Materialbedarfs.
• Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung in Vorschlag zu bringen, das längere Standzeiten aufweist und höhere Kühlmitteltemperaturen aushält, da die Ausscheidung von Zirkonhybriden aus diesen Zirkonlegeirrungen über lange Standzeiten verhindert und somit die bisherigen Nachteile vermieden werden.
• Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einem Bauelement der eileiterid genannten Art mit dem Zirkon oder der Zirkonlegierung ein Metall oder eine Metall-Legierung metallisch zu verbinden, die eine höhere Wasserstoffaffinität als das Zirkon oder die Zirkonlegierung hat und die als Wasserstoffaufnehmer dient. Als ein solches wasserstoffaufnehmendes Material kann man vorteilhaft Yttrium oder eine Yttrium-Legierung vorsehen, oder auch ein seltenes Erdmetall, wie Cer oder dergl. oder eine ein seltenes Erdmetall enthaltende Legierung einsetzen.
• Das wasserstoffaufnehmende Material kann am irgendeiner geeigneten Stelle in dem Bauelement eingebaut sein; es ist dabei lediglich notwendig, eine gute metallische Verbindung des wasserstoffaufnehmenden Materials mit dem Zirkon oder der Zirkonlegierung herzustellen, so daß der Wasserstoff ungehindert in den wasserstoffaufnehmer diffundieren kanne Diese Verbindung kann dureh Lötung, Kalt- oder Warmwalzen oder durch eine Schmelzverschweißung nach dem WIG-. Plasma-Elektronenstrahl- oder Preßschweißverfahren hergestellt werden, oder dadurch, daß das wasserstoffaufnehmende Material galvanisch oder chemisch auf das Zirkon oder die Zirkonlegierung aufgetragen oder nach einem herkömmlichen Verfahren aufgespritzt wird.
• Wenn das erfindungsgemäße Baelement ein solches ist, das einen Brennstab für ein Brennelement zum Aufbau von Reaktorkernen darstellt, dessen Kernbrennstoff von einem Außenmantel aus einer Zirkonlegierung, wia Zircaloy, umgeben ist, dann wird das wasserstoffaufnehmende Material auf der Mantelinnenseite mit der Zirkonlegierung verbunden und kann dabei vorteilheit an dem Außenmantel abschließenden Endstopfen angebracht oder über die Länge des Brennstabes verteilt und zwischen Brennstoff-Pellets angeordnet oder auch als zylindrische Hülse zwischen Außenmantel und Pelletsäule vorgesehen seL Wenn es sich bei dem erfindungsgemäßen Bauelement um eine Brenstoffplatte für ein Brennelement zum Aufbau von Reaktorkernen handelt, deren Kernbrennstoff von einem Außenmantel aus einer Zirkonlegierung, wie Zircaloy, umgeben ist, dann kann das wasserstoffaufnehmende Material zweckmäßig entweder an den Schmalseiten der Brennstoffplatte oder an der Breitseite des Plattenelmente fest zwischen Außenmantel und Brennstoff angebracht und mit der Zirkonlegierung verbunden sein.
• Sofern es sich bei dem erfindungsgemäßen Bauelement um ein Druckrohr für Kernreaktoren vom Druckrohrtyp handelt, das mit einer Zirkonlegierung, wie Zirkaloy, gebildet ist, sieht man erfindungsgemäß das wasserstoffaufnehmende Material entweder im Druckrohrmaterial eingebettet oder außen am Druckrohr angebracht vor. Wenn das wasserstoffaufnehmende Material im Druckrohrmaterial eingebettet ist, kann dies in Form einer Schicht erfolgen, wobei das Drcukrohr durch Preßverschweißung eines mit dem wasserstoffaufnehmenden Material beschichteten Innenrohres und eines darüber geschobenen Rohres hergestellt ist, odet man das inbetten as wasserstoffaufnehmenden Materials im Druckrohrmaterial als Wicklung so vornehmen, daß das Druekrohr durch Preßverschweißung eines mit dem wasserstoffaufnehmenden Material bewickelten Innenrohres und eines darüber geschobenen Rohres hergestellt wird.
• Wenn das wasserstoffaufnehmende Material außen am Druckrohr angebracht ist, kann es vorteilhaft in Form einer nach einem galvanischen, chemischen oder Metallspritzverfahren oder durch eine Schweißplattierung aufgebrachten Schicht vorhanden sein, die zweckmäßig zusätzlich mit einer Schutzschicht gegen Korrosionsangriff versehen ist, oder es kann das wasserstoffaufnehmende Material auf de, Druckrohr als Wicklung aufgebracht sein, die entweder durch Einwalzen eines Drahtes oder Bandes oder duirch eine Auftragsschweißung hergestellt ist. Dabei kann man vorteilhaft das auf das Druckrohr aufgebrachte wasserstoffaufnehmende Material in Form eines aus einer Zirkonlegierungbestehenden Schutzröhrchens vorsehen, welches durch Einwalzen oder Auflöten mit dem Druckrohr verbunden ist.
• Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise voranschaulicht sind.
• Fig. 1 ueigt schematisch einen Schnitt durch einen Druckröhrenreaktor 1 mit Zirkon-Druckrohren 2, Kühlmittelzu- und abflüssen 3a, 3b und Moderator-Zu-und Abflüssen 4a, 4b.
• Fig. 2 ist ein vergrößerter Teilschnitt II-II der Fig. 1 durch eines der Zirkon-Druckrohre. Dass wasserstoffaufnehmende Material 5 ist als beidseitig vom Druckrohrmaterial 6 bedeckte Zwischenschicht untergebracht. Innerhalb des Druckrohres sind die Brennelemente 7 angeordnet.
• Fg, S zeigt, ebenfalls als Schnitt durch ein Zirkon-Druckrohr, eine ähnliche Einbauweise für das wasserstoffaufnehmende Material wie in Fig0 2, Jedoch ist der Wasxerstoffaufnehmer 15 dabei in Form von Wicklungen im Druckrohrmaterial 16 untergebracht.
• In Fig. 4, in der wiederum ein Querschnitt durch ein Zirkon-Druckrohr veranschaulicht ist, befindet sich der Wasserstoffaufnehmer 25 als äußere Beschichtung auf dem Druckrohrmaterial 26.
• In Fig. 5 ist eine Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Zirkon-Druckrohrabschnitt veranschaulicht, bei dem das wasserstoffaufnehmende Material 35 bandförmig auf die Außenwand des Druckrohres 36 aufgewickelt ist.
• Fig. 6 zeigt einen Längschnitt durch ein erfindungsgemäßes Zirkon-Druckrohr, auf dem der mit einem Schutzrohr 48 aus Zirkonlegierung umhüllte Wasserstoffaufnehmer 45 auf der Außenseite des Druckrohrmaterials 46 als Wicklung aufgebracht ist.
• In Fig. 7 ist schematisch im Wuerschnitt ein erfindungsgemäßes Zirkon-Bauelement in Form eines zylindrischen Brennstabes 8 7 gezeigt, bei dem das wasserstoffaufnehmende Material 55 auf die Innenseite des Hüllenrohres 56 galvanisch oder chemisch aufgetragen oder aufgespritst ist. Die Brennstoff-Pellets sind mit 59 bezeichnet.
• In Fig.8 ist ein anderes Einbauprinzip fUr das wasserstoffaufnehmenden Material 65 in einem zylindrichen Brennstab 7, und zwar an dessen Stabende vor dem das Zirkon-Hühllrohr verschließenden Endstopfen 69 veranschauchlicht.
• Das Einbauprinzip des Wasserstoffaufnehmers 75 und 85 bei erfindungsgemäßen Bauelementen in Form von Zirkon-Brennstoffplatten zeigen Fig. 9 und 10. Hierbei ist der Wasserstoffaufnehmer 75 bzw. 85 in verschiedenen geometrischen Richtungen zwischen (nicht gezeigtem) Brennstoff und Mantel 76,86 angeordnet.

Claims (1)

1. P a t e n t a n s p r ü c h e .

   1. Bauelement aue Zirkon oder einer Zirkonlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß ea metallisch verbunden ist mit einem Netall oder einer Metall-Legierung, die eine höhere Easserstoffaffinität als des Zirkon oder die Zirkonlegierung hat und als Wasserstoffaufnehmer dient.

   2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wasserstoffaufnehmende Material Yttrium oder eine Yzzrium-Legierung vorhanden iStö 30 Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wasserstoffaufnehmende Material eine seltenes Erdmetall, wie Cer oder dergl., oder eine ein seltenes erdmetall enthaltende Legierung vorhanden ist.

   4. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Brennstab für ein Brennelement zum Aufbau von Raktorenen darstellt, dessen Kernbrennstoff von einem AuBentel aus einer Zirkonlegierung, wie Zircaloy1 geben tat, die auf der Nantelinnenseite mit dem wasserstoffaufnehmenden Material verbunden tat.

   5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material durch Schnellzverscheißung oder Diffusionsverschweißung mit der Zirkonlegierung verbunden ist.

   6. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmenden Material galvanisch oder chemisch auf die Zirkonlegierung aufgetragen ist.

   7. Bauelement nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmenden Material an dem den Außenmantel abschließenden Endstopfen angebracht ist.

   8. Bauelement nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material über die Länge des Brennstabes verteilt und zwischen Brennstoffpellets angeordnet ist.

   9. Bauelement nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmenden Material als zylindrische Hülse zwischen Außenmantel und Pelletsäule angeordnet ist.

   10. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Brennstoffplatte für ein Brennelement zum Aufbau von Reaktorkernen darstellt, deren Kernbrennstoff von einem Außenmantel aus einer Zirkonlegierung, wie Zircaloxy, umgeben ist, und bei der das wasserstoffaufnehmende Material an den Schmalseiten der Brennstoffplatte fest zwischen Außenmanteil und Brennstoff angebracht und mit der Zirkonlegierung verbunden ist.

   II. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufneiimende Material an der Breitseite des Plattenelementes fest zwischen Außenmantel und Brennstoff angebracht und mit der Zirkonlegierung verbunden ist.

   12. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennsel¢hnet, daß ee ein Druckrohr ftir Kernreaktoren vom Druckrohrtyp darstellt das mit einer Zirkonlegierung, wie Zirealoy, gebildet ist, die mit dem wasserstoffauftehmenden Material verbunden ist.

   13. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material im Druckrohrmsntel eingebettet iat.

   4. Bauelement nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material als Schicht im Druckrohrmaterial eingebettet ist, wobei das Druckrohr durch Preßverschweißung eines mit dem wasserstoffaufnehmende Material beschichteten Innenrohres und eines darüber geschobenen Rohres hergestellt ist.

   15., Bauelement nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material als Wicklung im Druckrohrmaterial oingebettet ist, wobei das Druckrohr durch Preßverschweißung eines mit dem waserstoffaufnehmende Material bewickelten Innenrohres eines darüber geschlobenen Rohres hergestellt ist.

   16. Bauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material außen am Druckrohr angebracht ist.

   17. Bauelement nach Anspruch t2 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material in Pore einer nach einen galvanischen, chemischen oder Metallspritzverfahren oder durch eine Schweißplattierung aufgebraohten Schicht vorhanden ist.

   18. Bauelement nach Anspruch 12, 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß das was serstoffaufrehmende Naterial zusätzlich mit einer Schutzschicht gegen Korosionsangriff versehen ist.

   19. Bauelement nach Anspruch 12 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material auf den Druckrohr als Wicklung aufgebracht ist, die entweder durch Einwalzen eines Drahtes oder Bandes oder durch eine Auftragsschweißung hergestellt ist.

   20. Bauelement MOh Anspruch 12, 16 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das Druckrohr aufgebrachte wasserstoffaufnehmende Material sich in einem aus einer Zirkonlegierung bestehenden Schutzrörohen befindet, welches durch Einwalzen oder Auflöten mit den Druckrohr verbunden ist.