DE2206430A1

DE2206430A1 - Kernbrennstoffelement für einen schnellen Kernreaktor

Info

Publication number: DE2206430A1
Application number: DE19722206430
Authority: DE
Inventors: Warren Philip West Hartford Conn. Chernock (V.StA.)
Original assignee: Combustion Engineering Inc
Current assignee: Combustion Engineering Inc
Priority date: 1971-03-23
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1972-09-28
Also published as: FR2130546A1

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Firma Combustion Engineering, Inc., Windsor, Conn. o6o95*

V.St.A.

betreffend:
"Kernbrennstoffelement für einen schnellen Kernreaktor"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernbrennstoffelement für einen schnellen Kernreaktor, bestehend aus spaltbarem Material, das in eine Hülle aus einer Stahllegierung eingeschlossen ist.

Bei der Verwendung von korrosionsfesten Stählen und Legierungen auf Nickelbasis als Hüllenmaterial für.Kernbrennstoffelemente in schnellen Kernreaktoren haben sich erhebliche metallurgische Probleme ergeben. Aufgrund von Korngrenzenrissen ergaben »ich sehr niedrige Hüllenzugfestigkeitswerte. Dieses Reißen rührt von einer Mehrzahl von Paktoren her, u.a. der Erzeugung von Lücken und Mikroleerstellen durch Einwirkung schneller Neutronen, Bildung von Helium und der Umwandlung von Legierungs- und Spurenelementen in korrosionsfesten Stählen oder Nickelbasislegierungen durch Transmutation infolge schneller Neutronen. Diese Probleme sind ausschließlich bei schnellen Reaktoren infolge der hohen Hüllentemperaturen vorhanden, welche in der Größenordnung von 55o°C oder hoher liegen, während bei thermischen Reaktoren vom Druckwasser- oder Siedewassertyp nur Hüllentemperaturen in der Größenordnung von j55o°C beobachtet werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbesserung dahingehend zu schaffen, daß die Korngrenzenfestigkeit des Hüllenmaterials gesteigert wird und der Zerstörung des Hüllenmaterials durch schnelle Neutronen entgegengewirkt wird. Diese Aufgabe •wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Stahllegierung 1-1ooo ppm Bor als korngrenzenverfestigenden Legierungsbestandteil enthält. Es hat sich gezeigt, daß die Erhöhung des Borgehalts für den Stahl die MikroStruktur erheblich verändert und insbesondere die Tendenz für Korngrenzenrisse bei erhöhten Temperaturen herabsetzt. Zwar hat man bereits vorgeschlagen, Bor als Zusatz bei Kernbrennstoffelementhüllen thermischer Reaktoren einzusetzen, und zwar als sogenanntes verbrauchbares Neutronengift, beschrieben z.B. in der US-PS 3.1OJ5.476. Dort wird das Bor als Neutronenabsorptionsmittel eingesetzt, während infolge der niedrigeren Betriebstemperatur dieser (thermischen) Kernreaktoren das Korngrenzenrii3problem keine Rolle spielt.

Bei schnellen Reaktoren ist das Helium, das durch das Verbrauchen von B ° gebildet wird, nur ein Bruchteil des insgesamt erzeugten Heliums, da die Quantität an thermischen Neutronen, welche das B ° in Helium umwandeln könnten, gering ist. Erhebliche Heliummengen werden erzeugt von Legierungs- und Spurenelementen in den Stahl- oder Nickellegierungsbestandteilen infolge Transmutation schneller Neutronen. Sowohl in thermischen als auch schnellen Reaktoren besteht jedoch die Tendenz, Spuren oder Reste von Bor in Hüllenmaterial zu vermeiden, um die Bildung von Helium so weit als möglich einzuschränken.

Die Erfindung soll nachstehend im einzelnen erläutert werden.

Kernbrennstoffelemente für Kernreaktoren besitzen normalerweise die Form von spaltbarem Material in einer Metallhülle, oas typiF'rbs Brennstoffelement umfa3t ein zylindrisches Metallroh:" aus korrosionsfestem Stahl oder anderen Chros- una/ocbv-·

Nickelstahllegierungen, welche das spaltbare Material enthält. Die Erfindung bezieht sich auf das HUllenmaterial für schnelle Reaktoren. Obwohl Chrom- und/oder Nickelstahllegierungen sich bei maximalen Hüllentemperaturen, wie sie in thermischen Reaktoren vorliegen, also etwa j55o°C, befriedigend verhalten, gilt dies keineswegs für schnelle Reaktoren, bei denen die maximalen Hüllentemperaturen 7oo°C oder 760 C erreichen können. Wie oben erwähnt, resultiert die Kombination dieser hohen Temperaturen mit Produkten des Neutronenbeschusses in der Beschädigung der metallurgischen Struktur und kann zum Versagen der Hülle des Brennstoffelementes führen.

Deshalb wird gemäß dem Erfindungsvorschlag der Hüllenlegierung Bor zugesetzt, um die Korngrenzen zu verfestigen und die Duktilitätsverluste infolge Bestrahlung mit Temperaturen, die bei schnellen Reaktoren auftreten, herabzusetzen. Dies wird dadurch bewirkt, daß etwa 1-1000 ppm Bor dem Hüllenmaterial zugesetzt werden. Das Bor bildet komplexe Chrom-Eisen-Boride während der Verfestigung der Schmelze. Wenn diese Boride einmal ausgebildet sind, sind sie nur sehr schwer wieder zu lösen. Die Verteilung des Bors in der Legierung ist nicht homogen infolge der niedrigen Löslichkeit des Bors und der Affinität des Bors für Kohle, was zur Ausbildung von Bor-enthaltenden Karbiden vorzugsweise im Korngrenzenbereich führt.

Natürliches Bor enthält etwa 81,2# B und nur etwa 18,8$ B °. Der Vergiftungseffekt von B ° und das durch den Verbrauch von B ° gebildete Helium werden auf ein Minimum herabgesetzt infolge des relativ geringen Prozentsatzes an B ° sowie der Tatsache, daß thermische Neutronen, welche von B ° eingefangen werden könnten, nur einen kleinen Bruchteil der Neutronendichte in schnellen Reaktoren bilden. Es kann jedoch insbesondere bei höheren Boranteilen wünschenswert sein, nur das B -Isotop oder zumindest solches Bor zu verwenden, das eine höhere Konzentration von B und eine niedrigere Konzentration von B ° besitzt, als man in natürlichem Bor vorfindet. Dies setzt natürlich

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den Neutronenabsorptionsquerschnitt· der Bor-enthaltenden Hülle herab.

Gemäß der Erfindung läßt sich eine weitere Korngrenzenverfestigung dadurch erreichen, daß das Bor zusammen mit anderen Legierungselementen, wie Kohle und/oder Stickstoff, zugesetzt wird. Der Kohlenstoff und das Bor bilden Borkarbide, während der Stickstoff mit dem Bor Bornitride ausbildet. Wenn sowohl Kohlenstoff als auch Stickstoff zusammen mit Bor zugesetzt werden, ergeben sich komplexe Borkarbonitride. Der Kohlenstoff und der Stickstoff werden in einer Menge zugesetzt abhängig von der Borzusatzmenge und dem gewünschten Verhältnis von Bor zu Kohlenstoff und/oder Stickstoff.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

1.) Kernbrennstoffelemenfc für einen schnellen Kernreaktor/ f·

stehend aus spaltbarem Material, das in eine Hülle aus einer Stahllegierung eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung 1-1ooo ppm Bor als Korngrenzenverfestigenden Legierungsgestandteil enthält.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor natürliches Bor umfaßt.

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor weniger als 18,8$ B ° und mehr als 81,2$ B¹¹ enthält.

4. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung zusätzlich Stickstoff zur Bildung von Bornitriden enthält.

5. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung zusätzlich Kohlenstoff zur Bildung von Borkarbiden enthält.

6. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Stahllegierung zusätzlich Stickstoff zur Bildung von Borkarbonitriden enthält.

ORIClINAL INSPEGTiD

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