DE19842486C2 - Brennelement mit qualifizierter Verteilung von spaltbarem Material im Brennstab - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Kernreaktor insbesondere Druckwasser-Reaktor. Sie kann aber auch für Sie­ dewasser-Reaktoren oder andere Reaktortypen Verwendung fin­ den.

Der Reaktorkern von derartigen Reaktoren weist eine Mehrzahl von in Längsrichtung geodätisch vertikal orientierten Brenn­ elementen auf. Im wesentlichen bestehen diese Brennelemente aus einem Brennelement-Fuß und einem Brennelement-Kopf, zwi­ schen denen eine Mehrzahl von Brennstäben angeordnet ist. Die Brennstäbe enthalten Kernbrennstoff, wie z. B. mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material angereichertes Urandioxid oder eine Mischung aus mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material angerei­ chertem Urandioxid und Plutoniumoxid, in zumeist aus Zirko­ nium oder einer seiner Legierungen bestehenden Hüllrohren. Diese Mehrzahl von Brennstäben eines Brennelementes wird zu einem Bündel zusammengefaßt durch Abstandhalter, die in Ab­ ständen von ca. 0,5 bis 1 m über die gesamte Länge der ca. 4,5 m langen Brennstäbe verteilt sind.

Die bei einer Kernreaktion durch Spaltung des spaltbaren Kernbrennstoff-Materials entstehende Wärme wird über die Hüllrohre an ein die Brennelemente von unten nach oben durch­ strömendes Kühlmittel abgegeben. Bei Druckwasser- und Siede­ wasser-Reaktoren ist dieses Kühlmittel Wasser, das zugleich als Moderator dient.

Während der Betriebszeit der Brennelemente im Reaktor erfolgt eine Oxidation der Außenflächen der Hüllrohre. Zwar ist diese Oxidation nicht so stark, daß sie bei üblichen Abbrennraten des Brennstoffs die Einsatzzeit eines Brennstabes im Reaktor­ kern bestimmt, jedoch wird in der Kernkraftwerkstechnik angestrebt, möglichst hohe Abbrennraten des Kernbrennstoffs zu realisieren, um dadurch Entsorgungs- und Wiederaufarbeitungs­ kosten zu minimieren. Infolge dessen ist dem Korrosionsver­ halten von Hüllrohren erhöhte Aufmerksamkeit zu zollen.

Messungen der Oxidschicht an Hüllrohroberflächen in ganz oder teilweise abgebrannten Brennelementen haben ergeben, daß die Dicke der Oxidschicht im Bereich der Abstandhalter jeweils geringer ist als in benachbarten Bereichen. Diese geringere Oxidschichtdicke im Einflußbereich der Abstandhalter weist auf Kaltstellen hin, also auf solche Stellen, an denen die Temperatur des Hüllrohrs während des Reaktorbetriebs ein lo­ kales Minimum annimmt. Ursache für diese Kaltstellen ist zum Teil ein erhöhter Wärmeabfluß durch den Kontakt der Hüllrohre mit den Abstandhaltern. Außerdem bewirken die Abstandhalter eine stärkere Verwirbelung des sonst weitgehend laminar strö­ menden Kühlmittels und einen sich daraus ergebenden verbes­ serten Wärmeübergang zwischen Hüllrohr und Moderator.

Bei der Korrosion von Zirkonium-Legierungen entsteht durch die Reduktion von geringen Mengen des Kühlmittels Wasser an der Oberfläche des Hüllrohres Wasserstoff, der zu einem ge­ wissen Teil von dem Hüllrohrwerkstoff aufgenommen wird und sich in der Hüllrohrwand ansammelt. Infolge des Temperatur­ gradienten zwischen den Kaltstellen des Hüllrohrs im Bereich der Abstandhalter und den übrigen Bereichen des Hüllrohres entsteht ein Diffusionspotential, welches dazu führt, daß der aufgenommene Wasserstoff zu den kühleren Bereichen hin dif­ fundiert. Eine erhöhte Konzentration von Wasserstoff in Zir­ konium und seinen Legierungen bewirkt eine Versprödung des Materials, die zu einer verminderten Duktilität des Hüllroh­ res im Bereich der Abstandhalter führt. Bei Überschreitung des Löslichkeitsbereichs von Wasserstoff in Zirkon entsteht Zirkoniumhydrid, welches im Verhältnis zu Zirkonium eine deutlich höhere Oxidationsgeschwindigkeit aufweist. Als Folge können bei längeren Einsatzzeiten des Brennstabes lokale Oxidschichtdicken auftreten, die zu einer nicht mehr hinnehm­ baren Beeinträchtigung des Hüllrohres führen können.

Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit wurde in WO 90/03035 vorgeschlagen, Brennstäbe zu verwenden, bei denen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abstandhaltern in den Brennstäben mindestens zwei axiale Bereiche mit unterschiedlicher Brenn­ stoffanreicherung in der Weise vorgesehen sind, daß in Strö­ mungsrichtung des Kühlmittels gesehen der Bereich mit der höchsten Brennstoffanreicherung jeweils in der Höhe eines Ab­ standhalters beginnt und sich über einen erheblichen Teil, beispielsweise ein Drittel der Distanz bis zum nächsten Ab­ standhalter erstreckt. Dabei wird betont, daß der Bereich mit der höheren Anreicherung an spaltbarem Kernbrennstoff-Mate­ rial in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen in einer durch die Vorderkante gegebenen Höhe des Abstandhalters be­ ginnt, weil im Bereich des Abstandhalters meist eine niedrige Oxidschichtdicke auftritt. Dabei wird freilich übersehen, daß bei langen Verweilzeiten des Brennstabes im Reaktorkern und bei entsprechend hohem Abbrand des Brennstoffs die Diffusion von Wasserstoff zu den von Abstandhaltern benachbarten Berei­ chen der Hüllrohre zu einer Bildung von Zirkoniumhydroxid führen kann, welches eine deutlich höhere Oxidationsgeschwin­ digkeit aufweist als Zirkonium.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennelement für Kernreak­ toren mit einem Bündel von durch Abstandhalter zusammengefaß­ ten Brennstäben anzugeben, bei welchen selbst bei hohem Ab­ brand des Kernbrennstoffs in den Brennstäben und einer damit verbundenen langen Einsatzzeit der Brennstäbe im Reaktorkern die Diffusion von in Hüllrohrwerkstoff gelöstem Wasserstoff zu den von Abstandhaltern benachbarten Bereichen der Hüll­ rohre der Brennstäbe vermieden wird, um dadurch die Bildung von Zirkoniumhydrid und/oder eine durch die Anreicherung mit Wasserstoff bedingte lokale Veränderung der Werkstoffeigen­ schaften der Hüllrohre in diesem Bereich zu verhindern.

Hierfür ist erfindungsgemäß bei einem Brennelement für einen Kernreaktor mit einem Bündel von durch Abstandhalter zusam­ mengefaßten Brennstäben, die Kernbrennstoff mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material enthalten, die auf ein Volumenelement bezogene Konzentration dieses spaltbaren Kernbrennstoff-Mate­ rials im Bereich der Abstandhalter höher, als im Bereich zwi­ schen den Abstandhaltern. Dabei sind die Bereiche mit auf ein Volumenelement bezogener höherer Konzentration des spaltbaren Kernbrennstoff-Materials in Richtung auf benachbarte Abstand­ halter oberhalb und unterhalb des Abstandhalters etwa um des­ sen axiale Abmessung erweitert. Mit anderen Worten: Der Be­ reich der höheren Konzentration mit spaltbarem Kernbrenn­ stoff-Material erstreckt sich eine relativ kurze Strecke über die Oberkante und Unterkante des Abstandhalters hinaus.

Auf diese Weise wird erreicht, daß im Bereich der Abstand­ halter eine höhere Wärmeleistung vorhanden ist und auf diese Weise die durch die Abstandhalter bedingte verstärkte Kühlung des Hüllrohres kompensiert ist.

Eine Erhöhung der auf ein Volumenelement bezogenen Konzentra­ tion des spaltbaren Kernbrennstoff-Materials kann vorteilhaf­ terweise auf mehrere Arten erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Kernbrennstoff mit Kernbrennstoff-Material höher anzureichern. Alternativ dazu kann der Kernbrennstoff dort, wo er eine erhöhte Konzentration an spaltbarem Kern­ brennstoff-Material, bezogen auf ein Volumenelement, aufwei­ sen soll, gegenüber den übrigen Bereichen höher verdichtet werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die höher konzentrierten Brennstoff-Tabletten durch entsprechende Abstimmung von Sinterhilfsstoffen oder unterschiedliche Sin­ terbedingungen eine geringere Porosität aufweisen. Es ist ebenso vorteilhaft, eine Kombination zwischen einer höheren Anreicherung des Kernbrennstoffs mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material und einer erhöhten Dichte des Kernbrennstoffs zu wählen.

Da der Kernbrennstoff zumeist in Form von Brennstoff-Tablet­ ten vorliegt, ist es vorteilhaft, daß die Brennstäbe in dem Bereich mit erhöhter Konzentration an spaltbarem Kernbrenn­ stoff-Material Brennstoff-Tabletten aufweisen, die mehr spaltbares Kernbrennstoff-Material enthalten, als Brennstoff- Tabletten in Bereichen mit der niedrigeren Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material. Dabei wird es als beson­ ders vorteilhaft angesehen, wenn jeweils bis zu vier Brenn­ stoff-Tabletten oberhalb und unterhalb der Abstandhalter- Oberkante bzw. -Unterkante eine solch höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material aufweisen. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn oberhalb der Abstandhalter-Oberkante ein oder zwei Brennstoff-Tabletten und unterhalb der Abstand­ halter-Unterkante zwei oder drei Brennstoff-Tabletten eine höhere Konzentration an spaltbarem Material aufweisen.

Dadurch, daß eine höhere Wärmeleistung durch den Kernbrenn­ stoff in einem nahen Bereich unterhalb und oberhalb der Ab­ standhalter erreicht wird, ist zum Ausgleich der durch die Abstandhalter verursachten stärkeren Kühlung des Hüllrohres möglicherweise eine schwächere Konzentration von spaltbarem Kernbrennstoff-Material im Bereich der Abstandhalter selbst erforderlich, so daß der Wärmeleistungsgradient zwischen hö­ her und niedriger konzentriertem Kernbrennstoff flacher aus­ fallen und durch diesen Gradienten hervorgerufene Spannungen im Hüllrohr an den Übergangsstellen der unterschiedlich kon­ zentrierten Bereiche verringert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht eines Brennelements für einen Druckwasser-Reaktor in Explosionsdarstellung

Fig. 2 einen Kurvenverlauf der Oxidschichtdicke an der Au­ ßenwand eines Hüllrohrs bei bislang üblicher Abbrenn­ rate des Brennelements

Fig. 3 einen Brennstabausschnitt im Bereich eines Abstand­ halters mit Brennstoff-Tabletten.

In Fig. 1 ist ein Brennelement 1 dargestellt, das aus Brenn­ stäben 2 in einer quadratischen Gitteranordnung aufgebaut ist. In einem Kernreaktor wird eine vorgegebene Anzahl von untereinander gleichen Brennelementen vorgesehen, die in ei­ nem Reaktordruckbehälter angeordnet und in Richtung des Pfei­ les K von unten nach oben von einem Kühlmittel durchströmt werden. Die Brennstäbe 2 des Brennelementes werden in einer Tragstruktur gehalten, die aus einem Brennelement-Kopf 3 und einem Brennelement-Fuß 4 und dazwischenliegenden Führungsroh­ ren 5 für nicht dargestellte Steuerstäbe besteht. An den Füh­ rungsrohren 5 sind in nicht näher dargestellter Art und Weise Abstandhalter 6 befestigt, welche die Brennstäbe 2 zu einem Bündel zusammenfassen und derart halten, daß die Brennstäbe 2 sich frei ausdehnen können und gleiche Kühlquerschnitte für sie vorliegen. Durch die seitlich offene Konstruktion der Brennelemente 1 wird eine Quervermischung des Kühlmittels er­ möglicht und dessen Erwärmung vergleichmäßigt. Die Brennstäbe 2 bestehen aus mit Kernbrennstoff gefüllten Hüllrohren, vor­ zugsweise aus einer Zirkonium-Legierung, hier: Zircaloy-4.

Fig. 2 zeigt den Kurvenverlauf der Oxidschichtdicke an der Außenwand eines Hüllrohrs eines Brennstabes 2 bei bislang üb­ licher Abbrennrate. Dabei ist auf der Abszisse die vertikale Höhe des Brennstabes 2 und auf der Ordinate zugehörige Oxid­ schichtdicke aufgetragen. Die Kurve wurde vom Brennelement- Fuß 4 zum Brennelement-Kopf 3 aufgenommen. Die Bereiche der Abstandhalter 6 sind in der Meßkurve mit gestrichelten Linien und den Bezugszeichen 6 gekennzeichnet. Die Oxidschicht zeigt vom Brennelement-Fuß 4 ausgehend eine grundsätzlich kontinu­ ierliche Schichtdickenzunahme in Richtung zum Brennelenent- Kopf 3 bis zu einem Maximum bei ca. 3500 mm Kernhöhe. In dem darüberliegenden Bereich des Hüllrohres nimmt die Oxid­ schichtdicke wieder ab. An den Stellen, an denen sich die Ab­ standhalter 6 befinden weist der Kurvenverlauf signifikante lokale Minima der Oxidschichtdicke auf, die auf Kaltstellen am Hüllrohr hindeuten. Diese Kaltstellen werden aus den oben bereits erwähnten Gründen, nämlich einem erhöhten Wärmeüber­ gang infolge der durch die Abstandhalter hervorgerufenen Ver­ wirbelung des Kühlmittels und direkter Wärmeeinkopplung in den Abstandhalter 6 hervorgerufen.

Wie ebenfalls bereits erwähnt, entsteht durch diese Tempera­ turdifferenz ein Diffusionspotential, durch welches im Hüll­ rohrwerkstoff gelöster Wasserstoff zu den Kaltstellen diffun­ diert und sich dort anreichert. Will man höhere Abbrennraten realisieren als bisher üblich, so besteht die Gefahr, daß der zu den Kaltstellen diffundierte Wasserstoff eine derart hohe Konzentration annimmt, daß die Löslichkeit von Wasserstoff in Zirkonium überschritten wird und sich Zirkoniumhydrid bildet. Dieses Zirkoniumhydrid weist eine deutlich höhere Oxidations­ geschwindigkeit auf als Zirkonium selbst. Die Folge davon ist eine starke Zunahme der Oxidschichtdicke an den Kaltstellen, also in den Bereichen der Abstandhalter 6. Darüber hinaus führt Wasserstoff in Zirkonium zu einer. Versprödung, auch ohne daß Zirkoniumhydroxid entsteht. Aufgrund dieser Ver­ sprödung wird die Duktilität des Hüllrohrwerkstoffes herabge­ setzt, so daß an diesen Stellen, die durch den im Hüllrohr herrschenden Innendruck hervorgerufene Ausdehnung des Hüll­ rohres gegenüber den wärmeren Hüllrohrbereichen vermindert ist und sich so Einschnürungen einstellen.

Fig. 3 zeigt einen Brennstab 2 im Bereich eines Abstandhal­ ters 6. Dabei kontaktiert der Abstandhalter 6 das Hüllrohr 7 an mehreren Stellen mit Federn 8 und Noppen 9. Hierdurch wird ein direkter Wärmeübergang zwischen dem Hüllrohr 7 und dem Abstandhalter 6 bewirkt.

Um die Temperatur am Hüllrohr 7 im Bereich der Abstandhalter 6 an die Temperatur in den übrigen Hüllrohrbereichen anzu­ gleichen, weisen die im Hüllrohr 7 befindlichen Brennstoff- Tabletten 10 und 11 eine unterschiedlich hohe, auf ein Volu­ menelement bezogene Konzentration an spaltbarem Kernbrenn­ stoff-Material auf. Die Brennstoff-Tabletten 11, die dem Ab­ standhalter 6 direkt benachbart sind, sowie diejenigen in un­ mittelbarer Nähe zu dem Abstandhalter zeigen eine höhere Kon­ zentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material als die Brennstoff-Tabletten 10, die vom Abstandhalter 6 weiter ent­ fernt sind. Der Bereich der höher konzentrierten Kernbrenn­ stoff-Tabletten 11 erstreckt sich um eine Kernbrennstoff-Ta­ blette 11 über die Oberkante 6.1 des Abstandhalters 6 und um zwei Kernbrennstoff-Tabletten 11 über die Unterkante 6.2 des Abstandhalters 6 hinaus. Dadurch, daß höher konzentrierte Brennstoff-Tabletten 11 über den direkten Bereich des Ab­ standhalters 6 hinaus ragen, ist es möglich, die Konzentra­ tion der Kernbrennstoff-Tabletten 11 an spaltbarem Kernbrenn­ stoff-Material etwas niedriger zu halten, als dies für einen wirksamen Temperaturausgleich am Hüllrohr 7 erforderlich wäre, wenn die Brennstoff-Tabletten 11 nur für den direkten Bereich des Abstandhalters 6 vorgesehen wären. Es wird hier­ durch erreicht, daß die bei der Kernreaktion entstehende Wär­ memenge eine Temperaturnivellierung im Hüllrohr 7 im Bereich des Abstandhalters 6 gewährleistet und dennoch zwischen den höher konzentrierten Brennstoff-Tabletten 11 und den niedri­ ger konzentrierten Brennstoff-Tabletten 10 ein weniger stei­ ler Wärmeleistungsübergang vorliegt.

Die auf das Volumen bezogene höhere Konzentration an spaltba­ rem Kernbrennstoff-Material in den Kernbrennstoff-Tabletten 11 wird dadurch bewirkt, daß diese Kernbrennstoff-Tabletten 11, die im wesentlichen aus Urandioxid bestehen, stärker mit spaltbarem Uran angereichert sind. So weisen die Kernbrenn­ stoff-Tabletten 11 z. B. einen Anreicherungsgrad von 3,2 (oder 2,5% bzw. 1,9%) auf, während die niedriger konzentrierten Kernbrennstoff-Tabletten 10 Anreicherungsgrade von beispielsweise 2,5% (oder 1,9% bzw. 1,4%) aufweisen.

Alternativ zu einer höheren Anreicherung mit spaltbaren Kern­ brennstoff-Material kann die höhere Konzentration an spaltba­ rem Kernbrennstoff-Material in den Kernbrennstoff-Tabletten 11 auch dadurch hervorgerufen werden, daß die Kernbrennstoff- Tabletten 11 eine höhere Verdichtung aufweisen. Diese höhere Verdichtung der als Sinterkörper vorliegenden Kernbrennstoff- Tabletten 11 kann dadurch erzielt werden, daß sie gegenüber den niedriger konzentrierten Kernbrennstoff-Tabletten 10 eine andere Dotierung mit Sinterhilfsmitteln, wie z. B. den Poren­ bildnern Titan oder Aluminium aufweisen. Es ist auch möglich, eine höhere Sinterdichte durch ein stärkeres Komprimieren der Tablettengrünlinge zu erreichen.

Darüber hinaus ist auch eine Kombination zwischen höherer An­ reicherung und größerer Verdichtung der Kernbrennstoff-Ta­ bletten 11 möglich.

Claims (7)

1. Brennelement für einen Kernreaktor mit einem Bündel von durch Abstandhalter (6) zusammengefaßten Brennstäben (2), die Kernbrennstoff mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material enthal­ ten, dadurch gekennzeichnet, daß die auf ein Volumenelement bezogene Konzentration dieses spaltbaren Kernbrennstoff-Materials im Bereich eines Abstandhalters (6) höher ist, als im Bereich zwischen den Abstandhaltern (6), wobei der Bereich mit auf ein Volumenelement bezogener höhe­ rer Konzentration des spaltbaren Kernbrennstoff-Materials in Richtung auf benachbarte Abstandhalter (6) oberhalb und un­ terhalb des Abstandhalters (6) etwa um dessen axiale Abmes­ sung erweitert ist.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf ein Volumenelement bezogene höhere Konzentration an spaltba­ rem Kernbrennstoff-Material auf einer erhöhten Anreicherung des Kernbrennstoffs mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material beruht.

3. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf ein Volumenelement bezogene höhere Konzentration an spaltba­ rem Kernbrennstoff-Material auf einer erhöhten Dichte des Kernbrennstoffs beruht.

4. Brennelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf ein Volumenelement bezogene höhere Konzentration an spaltba­ rem Kernbrennstoff-Material auf einer Kombination zwischen höherer Anreicherung des Kernbrennstoffs mit spaltbarem Kern­ brennstoff-Material und erhöhter Dichte des Kernbrennstoffs beruht.

5. Brennelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn­ stäbe (6) in den Bereichen mit erhöhter Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material Brennstoff-Tabletten (11) aufweisen, die mehr spaltbares Kernbrennstoff-Material ent­ halten als Brennstoff-Tabletten (10) in Bereichen mit der niedrigeren Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Mate­ rial.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils bis zu vier Brennstoff-Tabletten (11) oberhalb und unterhalb der Abstandhalter-Oberkante (6.1) bzw. -unterkante (6.2) eine höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material aufweisen.

7. Brennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Abstandhalter-Oberkante (6.1) ein oder zwei Brennstoff- Tabletten (11) und unterhalb der Abstandhalter-Unterkante (6.2) zwei oder drei Brennstoff-Tabletten (11) eine höhere Konzentration an spaltbarem Material aufweisen.