DE19842486C2 - Brennelement mit qualifizierter Verteilung von spaltbarem Material im Brennstab - Google Patents
Brennelement mit qualifizierter Verteilung von spaltbarem Material im BrennstabInfo
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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.
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DE19842486A DE19842486C2 (de) | 1998-09-16 | 1998-09-16 | Brennelement mit qualifizierter Verteilung von spaltbarem Material im Brennstab |
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DE19842486C2 true DE19842486C2 (de) | 2002-10-31 |
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DE19842486A Expired - Fee Related DE19842486C2 (de) | 1998-09-16 | 1998-09-16 | Brennelement mit qualifizierter Verteilung von spaltbarem Material im Brennstab |
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- 1998-09-16 DE DE19842486A patent/DE19842486C2/de not_active Expired - Fee Related
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- 1999-09-15 WO PCT/EP1999/006901 patent/WO2000016339A1/de active Application Filing
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Also Published As
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