DE19509388A1 - Gegen Hydridbeschädigung beständige Kernbrennstäbe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hülle für in Kernreakto­ ren eingesetzte Brennstäbe. Mehr im besonderen betrifft die Erfindung eine Dreischicht-Hülle mit Facetten bzw. Seiten­ flächen auf der inneren Oberfläche. Die Erfindung betrifft auch Brennstäbe, deren Brennstoff einen stöchiometrischen Sauerstoffüberschuß aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Kernreaktoren enthalten ihren Brennstoff in abgedich­ teten Hüllen zur Isolation des Kernbrennstoffes vor dem Mo­ derator/Kühlmittel-System. Der Begriff "Hülle", wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf ein Rohr aus einer Legierung auf Zirkoniumbasis. Häufig wird die Hülle aus verschiedenen Schichten zusammengesetzt sein, die ein Substrat aus einer Zirkoniumlegierung und eine Sperrschicht aus unlegiertem Zirkonium einschließen.

Die Hülle - nominell in der Größenordnung von etwa 0,76 mm (0,030 inches) dick - wird in der Form eines Rohres gebildet, wobei der Kernbrennstoff typischerweise in Pel­ letform darin enthalten ist. Diese Pellets sind in Kontakt miteinander über fast die gesamte Länge jedes Hüllrohres aufgestapelt, wobei das Hüllrohr eine Länge in der Größen­ ordnung von etwa 406 cm (160 inches) hat. Typischerweise ist das Hüllrohr mit Federn versehen, um die axiale Positi­ on der Füllstoffpellets aufrechtzuerhalten, und einige Aus­ führungsformen schließen sogenannte "Getter" zum Absorbie­ ren von Wasserstoff ein. Die inneren Abschnitte des Brenn­ stabes stehen unter Heliumdruck, um das Leiten der Wärme vom Brennstoffmaterial zur Hülle zu unterstützen.

Zirkonium und seine Legierungen sind unter normalen Umständen ausgezeichnet für eine Kernbrennstoffhülle, da sie geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte aufweisen und bei Temperaturen unter etwa 350°C fest, duktil, außeror­ dentlich stabil und relativ unreaktiv in Gegenwart von ent­ mineralisiertem Wasser oder Dampf sind. "Zircaloys" sind eine Familie korrosionsbeständiger Zirkoniumlegierungen für Hüllmaterialien. Sie sind aus 98-99 Gew.-% Zirkonium, Rest Zinn, Eisen, Chrom und Nickel, zusammengesetzt. "Zircaloy- 2" und "Zircaloy-4" sind zwei im weiten Rahmen eingesetzte Legierungen auf Zirkoniumbasis für Hüllen.

Defekte von Zircaloy-Hüllen können aufgrund ver­ schiedener Ursachen auftreten, die durch Bruchstücke indu­ zierte Reibung (Fretting) und Wechselwirkung zwischen Pel­ let und Hülle einschließen. Beim ersten von diesen lagern sich Bruchstücke nahe der Hülle ab und vibrieren oder rei­ ben unter dem Einfluß der hindurchströmenden Dampf/Wasser- Mischung gegen die Hüllwand. Eine solche Vibration setzt sich fort, bis die Hüllwand durchdrungen ist. Die Pellet- Hülle-Wechselwirkung wird durch die Wechselwirkungen zwi­ schen dem Kernbrennstoff, der Hülle und den während der Kernreaktion erzeugten Spaltprodukten verursacht. Es wurde festgestellt, daß diese unerwünschte Wirkung lokalisierten mechanischen Spannungen auf die Brennstoffhülle zuzuschrei­ ben ist, die sich aus der unterschiedlichen Ausdehnung und Reibung zwischen dem Brennstoff und der Hülle zusammen mit korrosiven Spaltprodukten ergeben, die Spannungsrißkorro­ sion verursachen.

Um Defekte aufgrund der Wechselwirkung zwischen Pel­ let und Hülle zu bekämpfen, schließen einige Hüllen Sperr­ schichten aus reinem Zirkonium ein, das metallurgisch mit der inneren Oberfläche des Rohres verbunden ist. Die Pio­ nierarbeit hinsichtlich Sperrschicht-Hüllen ist in den US- PSn 4,200,492 und 4,372,817 von Armÿo und Coffin, 4,610,842 von Vannesjo und 4,894,203 von Adamson beschrieben. Sperr­ schichten verhindern wirksam eine Beschädigung der Hülle aufgrund der Wechselwirkung mit dem Pellet. Wird die Hüll­ wand jedoch irgendwie beeinträchtigt (zum Beispiel aufgrund von Reibung durch Bruchstücke perforiert oder gespalten) und Wasser tritt in das Innere des Brennstabes ein, dann kann der durch die Sperrschicht gebotene Schutz verringert werden, weil die Sperrschicht durch den durch das Wasser im Brennstab gebildeten Dampf oxidiert werden kann.

Um die Zirkoniumsperre beim Auftreten eines Hüllen­ bruches vor Oxidation zu schützen, kann eine Dreischicht- Struktur benutzt werden. Siehe zum Beispiel die US-Patent­ anmeldung Serial Nr. 08/091,672 mit dem Titel "Method for Making Fuel Cladding Having Zirconium Barrier Layers and Inner Liners" und die US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/ 092,188 mit dem Titel "Inner Liners for Fuel Cladding Having Zirconium Barrier Layers" beschrieben, die beide am 14. Juli 1993 eingereicht und auf die vorliegende Anmelde­ rin übertragen wurden. Beide Anmeldungen werden durch Be­ zugnahme für alle Zwecke hier aufgenommen. Solche Struk­ turen schließen eine korrosionsbeständige innere Ausklei­ dung ein, die mit der dem Brennstoff zugewandten Seite der Sperre verbunden ist. Unglücklicherweise unterliegen solche Auskleidungen einem lokalisierten Hydrieren, das zu sekun­ dären Defekten in der Hülle führen kann.

Nachdem ein Brennstab einen primären Bruch erlitten hat, kann er manchmal noch für eine gewisse Zeitdauer in einem Reaktor benutzt werden. Wenn jedoch als Ergebnis von durch den primären Bruch eintretenden Kühlmittels ein "se­ kundärer Defekt" auftritt, dann muß der Brennstab außer Dienst gestellt werden. Es wurde beobachtet, daß solche sekundären Defekte sind häufig viel schlimmer als die pri­ mären Defekte sind. Nach dem Einsatz ausgeführte Untersu­ chungen von Brennstäben zeigen, daß die Sekundärdefekte häufig einem lokalisierten Hydrieren der Hülle zuzuschrei­ ben sind.

Der primäre Bruch in der Hüllwand führt zum Eindrin­ gen von Wasser, das augenblicklich verdampft. Etwas von dem Dampf reagiert höchstwahrscheinlich mit dem Zirkonium auf der inneren Oberfläche der Hülle unter Abgabe von Wasser­ stoff. Dies ist der Wasserstoff, der zur Bildung von Sekun­ därbeschädigungen durch Hydrid führt.

Normalerweise ist Zirkoniummetall mit einer dünnen Schutzschicht aus Zirkoniumoxid bedeckt, das gegen Hydrid­ bildung schützt. Wird diese Schutzschicht aus Zirkoniumoxid beeinträchtigt (zum Beispiel durch einen Kratzer), dann re­ generiert der Sauerstoff und/oder Dampf in der umgebenden Atmosphäre augenblicklich das schützende Zirkoniumoxid über dem beschädigten Bereich. Wird aus einem Grunde die Schutz­ schicht aus Zirkoniumoxid nicht regeneriert, dann kann die beschädigte Stelle die Bildung eines Hydrides unterstützen. Tritt dies auf, dann kann eine Schutzschicht aus Zirkonium­ oxid nicht mehr über der Hydridstelle gebildet werden. Das Hydrid wird also weiter wachsen und die Hülle beschädigen, solange genügend Wasserstoffgas in der Umgebung vorhanden ist.

In der Umgebung innerhalb einer Brennstoffhülle tritt nach einem primären Bruch manchmal ein als "Sauerstoffver­ armung" bekannter Zustand auf. Dieser Zustand kommt am häu­ figsten dann zustande, wenn das Verhältnis von Wasserstoff zu Dampf über ein "Sauerstoffverarmungs"-Niveau hinaus er­ höht wird. An diesem Punkt gibt es ungenügend Sauerstoff in der Umgebung, um die Schutzschicht aus Zirkoniumoxid zu re­ generieren, wenn sie beschädigt wird, oder wenn ein Bereich aus bloßem Zirkonium freigelegt wird. Danach wird der Was­ serstoff durch das fehlerhafte Oxid dringen oder mit der Stelle bloßen Zirkoniums unter Erzeugung von Hydriden rea­ gieren. Das spröde Zirkoniumhydrid nimmt mehr Volumen ein als das reine Zirkonium. Dies führt zur Bildung von Forma­ tionen auf der Hülle, die in verschiedener Weise als Hy­ drid-"Beulen",-"Blasen", "Sonnendurchbrüche" charakteri­ siert werden.

Wenn daher ein hohes Verhältnis von Dampf zu Wasser­ stoff im Inneren der Hülle entlang der axialen Länge des Brennstabes aufrechterhalten werden könnte (d. h. wenn die Bedingungen der Sauerstoffverarmung verhindert oder verzö­ gert werden könnten), dann würde die Sekundärbeschädigung durch Hydrid und die resultierende Brennstoffbeeinträchti­ gung vermindert werden. Es besteht daher ein Bedarf an Hül­ len, die den Nutzen der Zweischicht-Hülle aufweisen und im Falle eines primären Hüllenbruches der Bildung von Hydrid­ defekten widerstehen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Hüllrohr mit einer Achse und einem Querschnitt senkrecht zur Achse. Der Querschnitt schließt ein (1) ein den Außenumfang bildendes Substrat, das eine innere Oberfläche aufweist, (2) eine mit der inneren Oberfläche des den äußeren Umfang bildenden Substrates verbundene Zirkonium-Sperrschicht und (3) eine den inneren Umfang bildende Auskleidung, die mit der inne­ ren Oberfläche der Zirkonium-Sperrschicht verbunden ist. Die innere Auskleidung schließt mehrere Facetten bzw. Sei­ tenflächen ein, die im wesentlichen parallel mit der Achse des Hüllrohres ausgerichtet sind. Die Facetten - die die Geometrie des Inneren der Hülle bilden - erleichtern das Vermischen der Gase im Inneren der Hülle. Tritt Dampf in das Innere der Hülle durch einen Primärdefekt ein, dann fördert die Hülle dieser Erfindung das Vermischen von Dampf und Wasserstoff und minimiert das Auftreten von eine Sauer­ stoffverarmung verursachenden, hohen lokalen Verhältnissen von Wasserstoff zu Dampf.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die innere Auskleidung in einer solchen Weise mit Facetten bzw. Sei­ tenflächen versehen, daß das Innere der Hülle durch ein mehrseitiges Polygon gebildet wird. In alternativen Ausfüh­ rungsformen kann die innere Auskleidung jedoch Rillen oder andere Kanäle aufweisen, die den Transport des Dampfes ent­ lang der Länge des Hüllrohres gestatten.

Ein Aspekt der Erfindung schafft einen Brennstab mit (1) einem Hüllrohr mit einer Facetten bzw. Seitenflächen aufweisenden inneren Auskleidung, wie oben beschrieben, (2) Kernbrennstoffmaterial, das in einem Brennstoffbereich in­ nerhalb des Hüllrohres angeordnet ist und (3) einem oder mehreren Hohlräumen an einem oder beiden Endbereichen (jen­ seits des Kernbrennstoffbereiches) innerhalb des Hüllroh­ res. Im Falle von in das Hülleninnere eintretendem Dampf dient der bzw. dienen die Hohlräume als ein Reservoire zum Verdünnen von Bereichen mit hohem Wasserstoff/Dampf-Ver­ hältnis. In bevorzugten Ausführungsformen ist mindestens ein Teil des Kernbrennstoffes Urandioxid mit einem stöchio­ metrischen Überschuß an Sauerstoff, wobei das Molverhältnis von Sauerstoff zu Uran zwischen etwa 2 und 2,2, vorzugs­ weise zwischen etwa 2,02 und 2,06 liegt.

Ein anderer Aspekt dieser Erfindung schafft einen Brennstab, bei dem der Brennstoffbereich des Hülleninneren in drei Bereiche entlang der Hüllenachse unterteilt ist, einschließlich zwei Brennstoff-Endbereichen, die mit Kern­ brennstoff mit einem stöchiometrischen Überschuß an Sauer­ stoff gefüllt sind und einem zentralen Bereich, der mit stöchiometrischem Kernbrennstoff gefüllt ist. Vorzugsweise ist der stöchiometrische Kernbrennstoff vom Kernbrennstoff mit einem stöchiometrischen Sauerstoffüberschuß durch ein oder mehrere Sperren getrennt, die eine Diffusion zwischen dem Kernbrennstoff im zentralen Bereich und dem Kernbrenn­ stoff in beiden Brennstoff-Endbereichen blockieren. Eine geeignete Sperre ist Aluminiumoxid.

Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung detaillierter dargestellt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Brennsta­ bes dieser Erfindung mit einem Substrat, einer Sperrschicht und einer facettierten inneren Auskleidung;

Fig. 2 ist eine teilweise weggeschnittene perspekti­ vische Ansicht eines Brennelementes, das Kernbrennstäbe enthält und

Fig. 3 ist eine teilweise weggeschnittene Quer­ schnittsansicht eines Brennelementes, die das Innere eines Brennstabes zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen I. Die Brennstab-Struktur

Der Begriff "Rohr", wie er hier benutzt wird, bezieht sich auf ein Metallrohr mit verschiedenen Einsatzmöglich­ keiten, und der Begriff "Brennstab-Behälter" oder einfach "Behälter" bezieht sich auf ein Rohr, das bei Brennstäben benutzt wird, um Brennstoffpellets einzuschließen. Manchmal wird der Brennstab-Behälter als "Hülle" oder "Hüllrohr" be­ zeichnet.

In Fig. 1 ist ein Brennstoffelement 14 (üblicherwei­ se als Brennstab bezeichnet) gezeigt. Der Brennstab 14 schließt einen Kern 16 aus Brennstoffmaterial und einen umgebenden Behälter 17 ein. Der Brennstab 14 weist einen ausgezeichneten Wärmekontakt zwischen dem Behälter 17 und dem Kern aus Brennstoffmaterial, eine minimale parasitäre Neutronenabsorption und eine Beständigkeit gegenüber Biegen und Vibration auf, die gelegentlich durch die Strömung des Kühlmittels bei hoher Geschwindigkeit verursacht wird. Der Kern aus Brennstoffmaterial ist typischerweise aus mehreren Brennstoffpellets aus spaltbarem und/oder Brutmaterial zu­ sammengesetzt. Es können verschiedene Kernbrennstoffe be­ nutzt werden, einschließlich Uran-, Thoriumverbindungen und deren Mischungen. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxid oder eine Urandioxid und Plutoniumdioxid umfassende Mi­ schung.

Das Behälter 17 ist eine Verbundhülle mit einer Struktur, die ein Substrat 21, eine Zirkoniumsperre 22 und eine Innenschicht oder Auskleidung 23 einschließt. Das Sub­ strat bildet den äußeren Umfangsbereich eines Hüllrohres, die innere Schicht bildet einen inneren Umfangsbereich, und die Zirkoniumsperre ist zwischen dem Substrat und der inne­ ren Auskleidung angeordnet. Die innere Auskleidung weist mehrere Facetten bzw. Seitenwände 25 auf, um das Vermischen von Gasen im Inneren der Hülle zu unterstützen, sollte Kühlmittel durch einen primären Defekt in die Hüllwand ein­ treten. Wie ersichtlich, bilden die Facetten Kanäle benach­ bart dem Brennstoffmaterial 16, wodurch axiale Kanäle zum Verbessern des Vermischens geschaffen werden. Durch Ver­ bessern des Vermischens der inneren Gase verhindert die mit Facetten bzw. Seitenwänden versehene Ausführungsform die Bildung lokaler Taschen mit hohem Verhältnis von Wasser­ stoff zu Dampf, die, wie ausgeführt, zur Sauerstoffverar­ mung und zu sekundären Hydriddefekten in der Hüllwand füh­ ren können.

Das Substrat kann aus einem konventionellen Hüllmate­ rial, wie korrosionsbeständigem Stahl oder vorzugsweise einer Zirkoniumlegierung, hergestellt sein. Geeignete Zir­ koniumlegierungen für das Substrat schließen vorzugsweise mindestens etwa 98% Zirkonium, bis zu etwa 0,25% Eisen, bis zu etwa 0,1% Nickel, bis zu etwa 0,2% Chrom und bis zu etwa 1,7% Zinn (alles in Gew.-%) ein. Andere Legierungselemente können Niob, Wismut, Molybdän sowie verschiedene andere im Stand der Technik eingesetzte Elemente einschließen. Im allgemeinsten kann eine Zirkoniumlegierung mit geeigneter Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasser eines Siedewasser­ reaktors ("SWR") und/oder Druckwasserreaktors ("DWR") mit genügender Festigkeit und Duktilität eingesetzt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist das Substrat Zircaloy-2 oder Zircaloy-4. Andere geeignete Mate­ rialien sind in der oben genannten US-Patentanmeldung, Se­ rial Nr. 08/092,188 beschrieben.

In einigen bevorzugten Ausführungsformen hat das Sub­ strat ein Gefüge (d. h. eine Größenverteilung der Ausschei­ dung), das der Korrosion und/oder Rißausbreitung wider­ steht. Es ist bekannt, daß das Gefüge von Zircaloys und an­ deren Legierungen durch die Glühtemperatur und -zeit sowie andere Herstellungsparameter kontrolliert werden kann. Es ist auch bekannt, daß in Siedewasserreaktoren (SWRs) klei­ nere Ausscheidungen im allgemeinen eine hervorragende Kor­ rosionsbeständigkeit verleihen, während in Druckwasserreak­ toren (DWRs) größere Ausscheidungen im allgemeinen eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Korrosion verleihen. In jeder dieser Umgebungen schaffen grobe Ausscheidungen eine verbesserte Beständigkeit gegen axiale Rißausbreitung. In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Substrat eine dichte Verteilung feiner Ausscheidungen (zum Beispiel zwi­ schen etwa 0,01 und 0,15 µm Durchmesser) in den Außenberei­ chen (radial) des Substrates und eine weniger dichte Ver­ teilung grober Ausscheidungen (zum Beispiel zwischen 0,2 und 1 um Durchmesser) in den inneren Bereichen des Substra­ tes. Detaillierte Diskussionen des Zircaloy-Gefüges und von Verfahren zum Herstellen von Hüllen mit einem erwünschten Gefüge finden sich in der US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/ 052,793 mit dem Titel "Zircaloy Tubing Having High Resi­ stance to Crack Propagation" und der US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/052,791 mit dem Titel "Method of Fabricating Zircaloy Tubing Having High Resistance to Crack Propaga­ tion", die beide am 23. April 1993 eingereicht und auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurden. Diese Anmeldungen werden für alle Zwecke durch Bezugnahme hier aufgenommen.

Mit der inneren Oberfläche des Substrates 21 ist die Sperrschicht 22 aus Zirkonium metallurgisch verbunden (sie­ he die oben erwähnten US-PSn 4,200,492 und 4,372,817 von Armÿo und Coffin; 4,410,842 von Vannesjo und 4,894,203 von Adamson). Die Zirkoniumsperre schirmt das Substrat vor dem innerhalb der Verbundhülle befindlichen Kernbrennstoffmate­ rial ab. Die Zirkoniumsperre verformt sich plastisch, um durch Pellets induzierte Spannungen im Brennstab während des Quellens zu beseitigen. Die Sperre verhindert auch Spannungskorrosionsrisse und schützt die Hülle vor dem Kon­ takt und der Umsetzung mit Verunreinigungen und Spaltpro­ dukten. In bevorzugten Ausführungsformen liegt die Dicke der Sperrschicht zwischen etwa 50 und 130 µm (etwa 2-5 mils) und zwischen etwa 5% bis etwa 30% der Dicke oder des Querschnittes der Hülle.

Im allgemeinen kann die Zirkonium-Sperrschicht aus nicht legiertem Zikonium oder einer die erwünschten struk­ turellen Eigenschaften aufweisenden, verdünnten Zirkonium­ legierung hergestellt werden. Geeignete Sperrschichten wer­ den aus "Schwamm"-Zirkonium geringen Sauerstoffgehaltes, Schwamm-Zirkonium von "Reaktorqualität" und "Kristallstab"- Zirkonium höherer Reinheit hergestellt. In alternativen Ausführungsformen ist die Sperrschicht mit geringen Konzen­ trationen von Legierungselementen, wie Chrom, Nickel und Eisen, legiert, die im Substrat benutzt werden. Die Legie­ rungselemente und die Konzentrationen, in denen sie er­ scheinen, sollten so ausgewählt sein, um der Sperrschicht zusätzliche Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, während sie deren Nachgiebigkeit genügend aufrechterhalten, um eine Beschädigung aufgrund einer Wechselwirkung zwischen Pellet und Hülle zu verhindern.

Mit der inneren Oberfläche der Zirkoniumsperre 22 ist die innere Auskleidung 23 metallurgisch verbunden. Wie ge­ zeigt ist die innere Auskleidung der Abschnitt der Ver­ bundhülle, der dem Kernbrennstoff-Material 16 am nächsten ist. Diese Schicht schützt die Zirkoniumsperre vor einer Oxidation, sollte das Innere des Brennstabes mit Dampf in Berührung kommen. Die innere Auskleidung sollte daher aus einem relativ korrosionsbeständigen Material, wie Zircaloy, bestehen. Es können jedoch auch modifizierte Zircaloys und andere korrosionsbeständige Materialien eingesetzt werden. So kann die innere Auskleidung zum Beispiel weicher sein als konventionelle Zircaloy, so daß die Rißeinleitung und -ausbreitung auf der inneren Oberfläche des Hüllrohres mi­ nimiert sind. Siehe die US-Patentanmeldung Serial Nr. 08/ 092,188, die oben genannt ist. In einer alternativen Aus­ führungsform kann die innere Auskleidung aus einer Legie­ rung hergestellt sein, die stark Wasserstoff absorbierende Eigenschaften aufweist. Ein solches Material ist eine Zir­ koniumlegierung mit einer hohen Nickelkonzentration (zum Beispiel bis zu 15% Nickel).

Wie ausgeführt, können Sekundärdefekte aufgrund von Hydridbildung in einer Hülle dadurch erzeugt werden, daß Dampf durch einen Primärdefekt in das Innere der Hülle ein­ tritt. Unterstützt die innere Hüllenumgebung danach lokale Bereiche der Sauerstoffverarmung, dann kann sich ein Zirko­ niumhydrid-Keim bilden und unter Erzeugung eines Sekundär­ defektes wachsen. Diese Erfindung verhindert die lokalen Bereiche der Sauerstoffverarmung in mindestens zwei ver­ schiedenen Weisen. Erstens schafft sie eine gut gemischte innere Umgebung in der Hülle, so daß Dampf zum Verdünnen von Taschen mit einem hohen Verhältnis von Wasserstoff zu Dampf zur Verfügung steht. Dies erfolgt durch eine facet­ tierte innere Auskleidung, die das Vermischen fördert. Es wird auch durch Schaffen von Dampfreservoiren an den Enden der Stäbe ermöglicht. Zweitens schafft die Erfindung einen Kernbrennstoff, der Sauerstoff verfügbar hat, um die innere Umgebung in der Hülle von einem chemischen Gleichgewicht zu verschieben, das eine Sauerstoffverarmung gestattet. Diese beiden Arten des Herangehens werden im folgenden erläutert.

Wie in Fig. 1 gezeigt, hat die innere Oberfläche der inneren Schicht die Form eines vielseitigen Polygons. Es ist bekannt, daß solche Strukturen das Vermischen im Inne­ ren eines Hüllrohres fördern. Dies ist der Fall, weil wäh­ rend des Betriebes die etwa dreieckigen Kanäle, die zwi­ schen den Scheiteln der polygonalen inneren Oberfläche der Hülle und den zylindrischen Brennstoffpellets erzeugt wer­ den, offen bleiben. Diese Kanäle, zusammen mit den ringför­ migen Volumina der Pelletabschnitte bilden ein ununterbro­ chenes Gas-Verbindungsgitter entlang des Brennstoffes, selbst wenn sich Brennstoff und Hülle in festem Kontakt befinden.

In Fig. 2 ist eine weggeschnittene Ansicht eines Brennelementes 10 gezeigt. Das Brennelement ist eine dis­ krete Brennstoffeinheit, die viele einzelne abgedichtete Brennstäbe R enthält, die jeder ein Hüllrohr dieser Erfin­ dung aufweisen. Zusätzlich weist das Brennelement einen Strömungskanal C auf, der an seinem oberen Ende mit einem oberen Hebebügel 12 und an seinem unteren Ende mit einen Nasenstück L und einem unteren Hebebügel 11 versehen ist. Das obere Ende des Kanales C ist bei 13 offen, und das un­ tere Ende des Nasenstückes ist mit Öffnungen für die Kühl­ mittelströmung versehen. Die Anordnung von Brennstäben R ist in dem Kanal C eingeschlossen und mittels einer oberen Gitterplatte U und einer (nicht gezeigten) unteren Gitter­ platte darin abgestützt. Gewisse Brennstäbe dienen dazu, die Gitterplatten zusammenzuhalten, so daß sie häufig als "Haltestäbe" (nicht gezeigt) bezeichnet werden. Zusätzlich können ein oder mehrere Abstandshalter S innerhalb des Strömungskanales angeordnet sein, um die Brennstäbe in Aus­ richtung miteinander und dem Strömungskanal zu halten. Wäh­ rend des Einsatzes des Brennelementes tritt üblicherweise flüssiges Kühlmittel durch die Öffnungen im unteren Ende des Nasenstückes ein, strömt um die Brennstäbe R herum nach oben und tritt am oberen Auslaß 13, in teilweise verdampf­ tem Zustand, aus.

In Fig. 3 ist gezeigt, daß die Brennstäbe R an ihren Enden durch Endstopfen 18 abgedichtet sind, die an den Brennstab-Behälter 17 geschweißt sind und die Stifte 19 einschließen können, um die Montage des Brennstabes im Brennelement zu erleichtern. Eine Einrichtung 24 zum Halten des Kernbrennstoffmaterials, in Form eines Spiralteiles, ist innerhalb des Raumes 20 angeordnet, um eine Sperre ge­ gen axiale Bewegung der Pelletsäule während der Handhabung und des Transportes des Brennstabes zu schaffen. In bevor­ zugten Ausführungsformen befindet sich die Brennstoff- oder Pelletsäule in einem zentralen Bereich des Hülleninneren zwischen den beiden Endbereichen oder Hohlräumen.

Ein Hohlraum 20 ist an einem Ende des Elementes ge­ zeigt. In bevorzugten Ausführungsformen haben beide Enden des ,Elementes Hohlräume. In konventionellen Brennstäben wurde der einzelne Hohlraum vorgesehen, um die Längsausdeh­ nung des Brennstoffmaterials 16 und die Ansammlung von vom Brennstoffmaterial abgegebenen Gasen zu gestatten. In die­ ser Erfindung dient der Hohlraum (oder die Hohlräume) auch als Dampfreservoire für den Fall eines Hüllenbruches, bei dem Dampf in das Innere der Hülle eintritt. Im Sinne der Verringerung des molaren Verhältnisses von Wasserstoff zu Dampf schafft die Anwesenheit von Dampfreservoiren einen Puffer nahe den Enden des Brennstoffbereiches, um eine Pro­ duktion von überschüssigem Wasserstoff in diesen Bereichen auszugleichen. Das molare Verhältnis von Wasserstoff zu Dampf ist häufig am größten nahe den Endbereichen des Hüll­ rohrinneren, weg von dem typischen Bereich des Primärdefek­ tes nahe dem Zentrum der Hülle. Die Dampfreservoire werden daher in den Bereichen geschaffen, in denen sie am meisten benötigt werden.

In einigen Brennstäben ist ein Getter in dem Hohlraum vorgesehen, um zufällig während der Herstellung in den Brennstab eingeführten Wasserstoff zu entfernen. Üblicher­ weise ist der Getter eine Zirkoniumlegierung, die hohe Kon­ zentrationen von Legierungselementen, wie Nickel und Titan, enthält. Typischerweise ist der Getter innerhalb des Ple­ nums vorhanden und in einem Rohr enthalten, in dem er mit Gasestopfen gehalten wird. In bevorzugten Ausführungsformen dieser Erfindung wird kein Getter benutzt, da er Raum ein­ nehmen würde, der vorteilhafterweise zum Aufnehmen von Was­ serstoff verdünnendem Dampf benutzt werden sollte. Es ist auch bevorzugt, keine Getter zu benutzen, weil sie im Falle eines Primärdefektes, bei dem Dampf in das Innere der Hülle eindringt, zu Erzeugern von Wasserstoff werden können.

Die bisher diskutierten erfindungsgemäßen Merkmale haben sich auf die Förderung des Vermischens von Wasser­ stoff und Dampf im Inneren der Hülle konzentriert. Ein an­ derer Aspekt dieser Erfindung macht mehr Sauerstoff che­ misch im Inneren der Hülle verfügbar und verringert dadurch das Auftreten von Sauerstoffverarmung. Dies erfolgt durch Schaffen eines Kernbrennstoffes mit einem stöchiometrischen Überschuß an Sauerstoff. Normalerweise enthalten Uranoxid- oder gemischte Uran/Plutoniumoxid-Brennstoffe (um nur zwei Beispiele zu nennen) ein molares Verhältnis von 2 : 1 an Sau­ erstoff zu Metall. In anderen Worten haben diese Brennstof­ fe chemische Formeln von UO₂ bzw. (U,Pu)O₂. Enthalten diese Brennstoffe zusätzlichen Sauerstoff (über die "normale" Stöchiometrie von 2 : 1 hinaus), dann ist der zusätzliche Sauerstoff im Inneren der Hülle chemisch verfügbar, um die Gefahr der Sauerstoffverarmung zu verringern. Es wurde festgestellt, daß eine für diese Erfindung geeignete Brenn­ stoff-Stöchiometrie etwa 2 bis 2,2 Sauerstoff zu Uran be­ trägt.

Die Wirksamkeit des Brennstoffes ist jedoch bei der normalen 2 : 1-Stöchiometrie optimal. Wenn die Brennstoff- Stöchiometrie mehr dem Sauerstoff zuneigt, nimmt die Brenn­ stoff-Wirksamkeit ab. Ein Grund hierfür ist die negative Auswirkung, die überschüssiger Sauerstoff auf die thermi­ sche Leitfähigkeit eines Brennstoffes hat. Ein anderer Grund ist die negative Auswirkung von überschüssigem Sauer­ stoff auf den Schmelzpunkt eines Brennstoffes. Brennstoffe mit einem stöchiometrischen Sauerstoffüberschuß haben ge­ ringere thermische Leitfähigkeiten und geringere Schmelz­ temperaturen als stöchiometrische Brennstoff-Zusammenset­ zungen. In Anbetracht dieser Beobachtungen liegt eine be­ vorzugte Brennstoff-Stöchiometrie zwischen etwa 2,02 bis 2,06 Sauerstoff zu Uran. Bevorzugter ist die Stöchiometrie etwa 2,04. Vergleichbare Stöchiometrieen können bei anderen Kernbrennstoffen benutzt werden, wie gemischtem Uran/Pluto­ nium-Oxid und gemischtem Uran/Gadolinium-Oxid (um nur zwei Beispiele zu nennen).

Es ist bekannt, daß die Brennstoff-Leistungsfähigkeit am kritischsten von der Qualität des Brennstoffes nahe dem zentralen axialen Bereich der Brennstoffsäule abhängt. Brennstoff, der näher an den Enden der Pelletsäule angeord­ net ist, hat eine weniger ausgeprägte Auswirkung auf die Brennstoff-Leistungsfähigkeit, und er kann tatsächlich na­ türliches oder verarmtes Uranoxid sein. Wenn der Brenn­ stoffbereich im Inneren der Hülle (d. h. wo sich die Brenn­ stoffpellets befinden) entlang der Achse des Hüllrohres in drei Unterbereiche unterteilt wird - zwei Brennstoff-Endbe­ reiche und einen -Mittelbereich - dann sollte der mittlere Bereich mit dem Brennstoff höchster Qualität gefüllt wer­ den. Ein Aspekt dieser Erfindung schafft daher einen Brenn­ stoffbereich, bei dem die beiden Endbereiche mit einem Brennstoff mit überschüssigem Sauerstoff und der mittlere Bereich mit einem Brennstoff normaler Stöchiometrie gefüllt ist. Während dieses Herangehen vom Standpunkt der Brenn­ stoff-Leistungsfähigkeit sensibel ist, ist es auch vom Standpunkt der Hydrid-Verhinderung sensibel.

In einigen bevorzugten Ausführungsformen wird es er­ wünscht sein, Diffusionssperren oder -Abstandshalter zwi­ schen dem Brennstoff mit überschüssigem Sauerstoff in den beiden Brennstoff-Endbereichen und dem Brennstoff mit nor­ maler Stöchiometrie im mittleren Bereich anzuordnen. Diese Sperren verhindern, daß überschüssiger Sauerstoff des nicht stöchiometrischen Kernbrennstoffes zum stöchiometrischen Kernbrennstoff diffundiert und diesen dadurch beeinträch­ tigt. Materialien mit geeigneten Sperreigenschaften sind dem Fachmann bekannt. Ein solches Material ist ein aus Aluminiumoxid gebildeter Keramikstopfen bzw. eine solche Keramikscheibe.

II. Herstellung des Rohres

Es können verschiedene Verfahren benutzt werden, um die Hüllrohre dieser Erfindung herzustellen. Geeignete Ver­ fahren sollten metallurgische Bindungen zwischen dem Sub­ strat und der Zirkoniumsperre und zwischen der Zirkonium­ sperre und der inneren Auskleidung erzeugen. Typischerweise werden die Sperre und die innere Auskleidung als zylindri­ sche Rohre oder Hülsen geschaffen, die mit der inneren Oberfläche eines hohlen Knüppels aus Zirkonium-Legierung (der bei der fertigen Hülle das Substrat bildet) verbunden werden. Vorzugsweise werden die Komponenten durch Koextrusi­ on miteinander verbunden, obwohl auch andere Verfahren be­ nutzt werden können. Zum Beispiel können die Komponenten mit dem Knüppel durch heißisostatisches Pressen oder Explo­ sionsverbinden verbunden werden. Nach einem anderen Verfah­ ren werden die Hülsen für die Sperre und die innere Aus­ kleidung mit der inneren Oberfläche des Knüppels durch Er­ hitzen (wie 8 Stunden auf 750°C) verbunden, um ein Diffusi­ onsverbinden zwischen den Rohren und dem Knüppel zu erhal­ ten. Vor dem Verbinden (zum Beispiel durch Strangpressen) werden die Hülsen für die Sperre und die innere Auskleidung vorzugsweise an ihren Enden durch ein Verfahren mit dem Knüppel verbunden, wie Elektronenstrahlschweißen in hohem Vakuum. Das Elektronenstrahlschweißen ist ein konventionel­ les Verfahren, bei dem ein Elektronenstrahl zum Erhitzen der Enden der zylindrischen Rohre benutzt wird, bis diese schmelzen.

Das Strangpressen erfolgt durch Hindurchführen des Rohres durch einen Satz sich verjüngender Werkzeuge unter hohem Druck bei etwa 538° bis 760°C (1000° bis 1400°F). Ge­ eignete Vorrichtungen zum Strangpressen sind von Mannesmann Demag, Coreobolis, Pennsylvania, erhältlich. Nach dem Strangpressen wird das Verbundmaterial konventionellen Ver­ fahren zum Glühen und zur Rohrreduktion unterworfen, um ein als "Rohrmantel" bekanntes Produkt herzustellen, das in spezifischen Abmessungen und Zusammensetzungen von ver­ schiedenen Verkäufern, wie Teledyne Wahchang (Albany Ore­ gon, USA), Western Zirconium (einer Westinghouse Company in Ogden, Utah) und Cezus (Frankreich) erhältlich ist.

Um das fertige Rohr der erforderlichen Abmessungen zu erhalten, können verschiedene Herstellungsstufen benutzt werden, wie Kaltumformen, Wärmebehandeln und Glühen. Die zum Ausführen der verschiedenen Stufen erforderlichen Vor­ richtungen und Betriebsbedingungen sind dem Fachmann be­ kannt, und sie sind in der oben genannten US-Patentanmel­ dung Serial Nr. 08/091,672 beschrieben. Ein geeignetes Ver­ fahren der Rohrreduktion schließt 3 Durchgänge von etwa 65 bis 80% des Kaltumformens (ausgeführt mit einem Pilgerwalz­ werk) ein, gefolgt in jedem Falle von einem Entspannungs- oder Rekristallisationsglühen.

Es wird im folgenden ein spezifisches bevorzugtes Verfahren gemäß dieser Erfindung beschrieben. Es sollte jedoch klar sein, daß, obwohl die Bedingungen, die in diesem Beispiel angegeben sind, sehr spezifisch sind, jede Stufe des Verfahrens unter einem Bereich von Bedingungen ausgeführt werden könnte. Das Verfahren beginnt mit einem hohlen Zircaloy-Knüppel von etwa 15 bis etwa 25 cm (6 bis 10 inches) Durchmesser und etwa 60 cm (2 feet) Länge. Der Knüppel wird am Ende des Verfahrens das Substrat einer Struktur bilden. Dann wird der Knüppel in ein etwa 12,2 m (400 feet) langes Rohr mit einem Außendurchmesser von etwa 1,25 cm (1/2 inch) umgewandelt sein.

Als erstes wird der Knüppel rasch abgeschreckt. All­ gemein schließt das Abschrecken das Erhitzen des Knüppels auf über etwa 1.000°C und dann das schnelle Abkühlen von 1.000°C auf etwa 700°C durch Eintauchen in einen Wassertank ein. Das Aufrechterhalten einer richtigen Abschreckrate ist wesentlich im Temperaturbereich zwischen 1.000°C und 700°C; nachdem 700°C erreicht sind, kann die Abkühlgeschwindigkeit nach Wunsch erhöht oder verringert werden.

Nach dem Abschrecken wird ein als Zirkoniumsperre ausgewähltes Metallrohr und ein Rohr aus dem als innere Auskleidung ausgewählten Material konzentrisch in den hoh­ len Knüppel eingeführt. Die Enden des Knüppels, Sperr- und inneren Auskleidungs-Rohres werden dann durch Elektronen­ strahl-Schweißen verbunden. Das geschweißte Rohr wird bei einer Rohrtemperatur von etwa 570°C stranggepreßt, um ein Rohr mit einem Durchmesser von etwa 7,6 cm (3 inches) her­ zustellen. Das stranggepreßte Rohr wird weiter geglüht und kaltumgeformt, um einen Rohrmantel von etwa 6,35 cm (2,5 inches) Durchmesser herzustellen.

Der Rohrmantel - der nun eine darin gebundene Zirko­ niumsperre und innere Auskleidung aufweist - wird drei Durchgängen zur Kaltumformung in einem Pilgerwalzwerk un­ terworfen. Der Leser wird verstehen, daß Pilgerwalzwerke allgemein erhältliche, obwohl recht komplizierte Vorrich­ tungen sind. Während des Kaltumformens mit einem Pilger­ walzwerk wird die Außenseite des Rohres mit einem geformten Werkzeug gewalzt, während ein harter verjüngter Dorn die Innenseite des Rohres abstützt. Auf diese Weise werden Wandstärke und Durchmesser des Rohres gleichzeitig verrin­ gert.

Die erste Durchgangsstufe beim Kaltumformen erfolgt typischerweise bis zu etwa 69%. Dieser Prozentwert ist analog der prozentualen Reduktion der Wandstärke des Roh­ res. Wird das Rohr in einem einzelnen Durchgang ohne Ent­ spannung zu stark kaltumgeformt, dann wird es während der Herstellung wahrscheinlich reißen. Um die durch das Kalt­ umformen verursachte Spannung zu entfernen, wird das Rohr etwa 2 Stunden in einem großen Vakuumglühofen, wie er von Centorr Vacuum Industries, Nashua, New Hampshire) erhält­ lich ist, bei 593°C geglüht.

Als nächstes wird das Rohr bei etwa 927°C auf den äu­ ßeren 30% der Wandung wärmebehandelt. Dies erfolgt durch Erhitzen des Rohrmantels mit einer hohen Energie oder Fre­ quenz (von einer Induktionsspule), die höchstens etwa 33% der Wandung durchdringt. Während des Induktionserhitzens strömt Wasser durch das Innere des Rohres. Dies dient zwei Zwecken: erstens hält es das Innere des Rohres bei einer geringeren Temperatur, während der äußere Bereich erhitzt wird, und zweitens schreckt es das gesamte Rohr sehr schnell ab, wenn die Heizenergie abgeschaltet wird. Es ist wichtig, zu erkennen, daß der innere Abschnitt des Rohrman­ tels nicht beträchtlich erhitzt wird. Weitere Einzelheiten des Induktions-Heizverfahrens finden sich in der US-PS 4,576,654 von Eddens, die durch Bezugnahme für alle Zwecke hier aufgenommen wird. Diese selektive Heizstufe verleiht dem Außenbereich des Substrates Korrosionsbeständigkeit, indem es darin feine Ausscheidungen erzeugt.

Zu diesem Zeitpunkt wird ein zweiter Durchgang des Kaltumformens mit einem Pilgerwalzwerk (diesmal bis zu 74%) ausgeführt. Um die durch diese zweite Durchgangsstufe der Kaltumformung induzierte Spannung zu entfernen, wird ein weiteres Glühen (wieder etwa 2 Stunden bei 593°C) ausge­ führt. Schließlich wird ein dritter Durchgang des Kaltum­ formens wie oben ausgeführt. Dies verringert das Rohr zu seiner Endgröße, etwa 1,25 cm (1/2 inch) Außendurchmesser mit einer nominellen Wandstärke von grob 0,75 mm (30 mils).

Hüllrohre mit einer facettierten inneren Oberfläche gemäß dieser Erfindung könnten nach Verfahren hergestellt werden, die den Einsatz eines facettierten harten verjüng­ ten Dornes beim letzten Durchgang des Pilger-Verfahrens einschließen. Während dieses Durchganges würde das Indexie­ ren der Winkelrotation des Rohres während des Pilger-Durch­ ganges so einzustellen sein, daß es der Anzahl der Facetten bzw. Seitenflächen auf dem Dorn angepaßt ist, um kontinu­ ierliche Facetten bzw. Seitenflächen entlang der inneren Oberflächen der Hülle zu bilden.

Dieses Rohr wird in Längen für Brennstäbe [d. h. etwa 427 cm (14 feet) lang] zerschnitten und abschließend rekri­ stallisationsgeglüht für etwa 2 Stunden bei 577°C. Alterna­ tiv könnte das Endglühen ein Entspannungsglühen sein, das bei irgendeiner Temperatur zwischen etwa 480 bis 577°C aus­ geführt wird. Nach dem Endglühen ist das Rohr fertig zum Einsatz im Reaktor.

Der Fachmann wird erkennen, daß verschiedene Stufen zusätzlich zu den oben aufgeführten ausgeführt wurden. So wird zum Beispiel ein chemisches Ätzen angewandt, um Ober­ flächenfehler, die durch das Rohrreduktions-Walzwerk verur­ sacht werden, zu entfernen. Weiter wird häufig ein Begradi­ gen von Rohren mit für diesen Zweck vorgesehenen Vorrich­ tungen ausgeführt. Zusätzlich werden verschiedene zerstö­ rungsfreie Tests, wie Korrosionstests und Ultraschalltests, auf Rißfehler in der Oberfläche ausgeführt. Dies ist keine erschöpfende Liste, sondern dient nur der Beschreibung ei­ niger Schritte, die benutzt werden können.

Das Verbundrohr dieser Erfindung kann benutzt werden zur Herstellung von Kernbrennstäben, indem man erst einen Verschluß an einem Ende des Hüllrohres befestigt, so daß nur ein offenes Ende verbleibt. Der fertige Brennstab wird dann hergestellt durch Füllen des Hüllbehälters mit Kern­ brennstoffmaterial (wobei Diffusionssperren und nicht stö­ chiometrische Brennstoffe nach Bedarf eingefügt werden), zwischen das Kernbrennstoffmaterial zurückhaltenden Ein­ richtungen, um Hohlräume an den Endbereichen der Hülle zu bilden, Evakuieren des Inneren des Hüllrohres, Unterdruck­ setzen des Inneren mit Helium, Aufbringen eines Verschlus­ ses auf das offene Ende des Behälters und Verbinden der Enden des Hüllbehälters mit dem Verschluß, um eine feste Dichtung dazwischen zu bilden.

III. Schlußfolgerung

Obwohl die vorliegende Erfindung zum klaren Verstehen in einigen Details beschrieben worden ist, wird klar sein, daß gewisse Änderungen und Modifikationen innerhalb des Rahmens der beigefügten Ansprüche ausgeführt werden können. Obwohl zum Beispiel in der Beschreibung nicht-stöchiometri­ sches Urandioxid als Brennstoffmaterial beschrieben wurde, können ebensogut andere, nicht-stöchiometrische Brennstoff­ materialien eingesetzt werden, wie zum Beispiel gemischte Uran/Plutonium-dioxide, gemischte Uran/Thorium-dioxide und gemischte Uran/Gadolinium-dioxide, die jeweils überstöchi­ ometrisch Sauerstoff enthalten.

Claims (10)

1. Hüllrohr mit einer Achse und einem Querschnitt, das umfaßt:
ein den äußeren Umfang bildendes Substrat mit einer inneren Oberfläche;
eine mit der inneren Oberfläche des den äußeren Um­ fang bildenden Substrates verbundene Zirkonium-Sperr­ schicht, die ihrerseits eine innere Oberfläche aufweist und
eine mit der inneren Oberfläche der Zirkonium-Sperr­ schicht verbundene, den inneren Umfang bildende innere Aus­ kleidung, wobei die innere Auskleidung eine Vielzahl von im wesentlichen parallel mit der Hüllrohr-Achse ausgerichteten Seitenflächen aufweist.

2. Hüllrohr nach Anspruch 1, worin die innere Ausklei­ dung eine Vielzahl von Rillen umfaßt.

3. Hüllrohr nach Anspruch 1, worin die innere Ausklei­ dung eine Zircaloy oder modifizierte Zircaloy umfaßt.

4. Brennstab, umfassend:

• (a) ein Hüllrohr mit einer Achse und einem Inneren, wobei das Innere zwei Endbereiche und einen Brennstoffbe­ reich aufweist, der zwischen den beiden Endbereichen ange­ ordnet ist und die Hülle auch das folgende einschließt:
  • (i) ein den äußeren Umfang bildendes Substrat mit einer inneren Oberfläche;
  • (ii) eine mit der inneren Oberfläche des den äußeren Umfang bildenden Substrates verbundene Zirkonium­ sperrschicht, die ihrerseits eine innere Oberfläche aufweist und
  • (iii) eine mit der inneren Oberfläche der Zirkonium- Sperrschicht verbundene, den inneren Umfang bildende innere Auskleidung, wobei die innere Auskleidung eine Vielzahl von im wesentlichen parallel mit der Hüll­ rohr-Achse ausgerichteten Seitenflächen aufweist;
• (b) im Brennstoffbereich innerhalb des Hüllrohres an­ geordnetes Kernbrennstoffmaterial und
• (c) einen in einem der Endbereiche innerhalb des Hüllrohres angeordneten Hohlraum, der für den Fall, daß Dampf in das Innere des Hüllrohres eintritt, als Dampf­ reservoir dient.

5. Brennstab nach Anspruch 4, wobei mindestens ein Teil des Kernbrennstoffmaterials ein Urandioxid mit einem stö­ chiometrischen Sauerstoffüberschuß umfaßt.

6. Brennstab nach Anspruch 5. worin der Teil des Kern­ brennstoffes mit dem stöchiometrischen Sauerstoffüberschuß ein Molverhältnis von Sauerstoff zu Uran von höchstens etwa 2,2 hat.

7. Brennstab nach Anspruch 6, worin der Brennstoffbe­ reich im Inneren der Hülle in drei Bereiche entlang der Hüllenachse unterteilt ist, die zwei mit einem Kernbrenn­ stoff mit stöchiometrischem Sauerstoffüberschuß gefüllte Brennstoff-Endbereiche und einen zwischen den beiden End­ bereichen angeordneten Mittelbereich einschließen, der mit stöchiometrischem Kernbrennstoff gefüllt ist.

8. Brennstab, umfassend:

• (a) ein Hüllrohr mit einer Achse und einem Inneren, wobei das Innere zwei Endbereiche und einen in einem axia­ len Sinne zwischen den beiden Endbereichen angeordneten Brennstoffbereich aufweist, wobei der Brennstoffbereich weiter in zwei Brennstoff-Endbereiche und einen zentralen Bereich unterteilt ist, der in einem axialen Sinne zwischen den beiden Brennstoff-Endbereichen angeordnet ist und
• (b) Kernbrennstoffmaterial, das im Inneren des Hüll­ rohres im Brennstoffbereich derart angeordnet ist, daß Kernbrennstoff mit einem stöchiometrischen Sauerstoffüber­ schuß die beiden Brennstoff-Endbereiche füllt und stöchio­ metrischer Kernbrennstoff den zentralen Bereich füllt, wobei Kernbrennstoff mit einem stöchiometrischen Sauer­ stoffüberschuß ein Verhältnis von Sauerstoff zu Metall von höchstens etwa 2,2 : 1 aufweist.

9. Brennstab nach Anspruch 8, worin das Kernbrennstoff­ material mit dem stöchiometrischen Sauerstoffüberschuß ein molares Verhältnis von Sauerstoff zu Uran zwischen etwa 2,02 : 1 und 2,06 : 1 aufweist.

10. Brennstab nach Anspruch 8, worin der stöchiometrische Kernbrennstoff vom Kernbrennstoff mit stöchiometrischem Sauerstoffüberschuß durch ein oder mehrere Sperren getrennt ist, die die Diffusion von Sauerstoff zwischen dem Kern­ brennstoff im zentralen Bereich und dem Kernbrennstoff in den beiden Brennstoff-Endbereichen blockieren.