DE2259569B2

DE2259569B2 - Kernbrennstoffelement und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2259569B2
Application number: DE2259569A
Authority: DE
Inventors: Leonard Nathan Livermore Calif. Grossman; Harry Albert Livermore Levin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-12-08
Filing date: 1972-12-06
Publication date: 1981-04-30
Also published as: ES409209A1; JPS5516280B2; NL7216756A; SE403207B; DE2259569A1; CH551678A; BE792373A; US3899392A; JPS4880992A; FR2162408B1; CA973644A; DE2259569C3; FR2162408A1; GB1370707A; IT971611B

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

In der US-PS 31 41 830 ist ein Kernbrennstoffelement beschriebe!!, daß die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruches 1 aufweist, wobei sich der vom Kernbrennstoffniaterial freigelassene innere Raum jedoch in dem Endverschluß befindet, so daß auch die Legierung in diesem Hohlraum im Endverschluß angeordnet ist und die als Getter wirkenden Legiemngsteilchen in Form elastischer poröser Preßkörper vorliegen.

Diese Ausbildung der Endverschlüsse bedingt eine teuere und aufwendige Herstellung. Auch führt die Form, in der die Legiemngsteilchen vorliegen, zu einer verminderten Aktivität da deren Oberfläche geringer ist, als die nicht gepreßter Teilchen. Und schließlich sind auch die verwendeten Legierungsarten hinsichtlich ihrer Aktivität verbesserungsfähig.

Ein Kernbrennstoffelement, das innerhalb des Behälters neben dem Kernbrennstoffmaterial noch ein Material, wie Zirkonium oder Titan, zum Absorbieren von Gas, insbesondere Wasserstoff, enthält, ist auch in der GB-PS 8 42 317 beschrieben. Ein konkretes Beispiel ist der Einsatz einer Scheibe aus Niob, die an einem Ende des Kernbrennstoffstabes anliegt.

In der DE-OS 20 39 457 ist ein Kernbrennstoffelement mit einem bereits vor seiner Inbetriebnahme aufgebrachten Innendruck von 7 — 70 atü beschrieben, das einen inneren Raum im Behälter aufweist, in dem sich neben einem Körper aus einer thermisch zersetzbaren Verbindung auch eine Schraubenfeder befindet, um den Kernbrennstoff zusammenzuhalten.

In der US-PS 29 26 981 ist unter anderem ein Zirkonium-Titan-Gettcr beschrieben.

In einer älteren, inzwischen als DE-OS 2144 192 veröffentlichten Patentanmeldung sind ternäre Legierungen aus Zirkonium, Nickel und Titan vorgeschlagen, die mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen bei Temperaturen im Bereich von etwa 200 bis etwa 650⁰C reagieren. Die Legierungen bestehen aus etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel und etwa 3 bis 30 Gew.-°/o Titan, Resi Zirkonium. Sie lagen jedoch allenfalls in Form dünner Bleche vor.

Der Erfindung lag nun die Aufgabe zugrunde, das

Kernbrennstoffelement der eingangs genannten Art hinsichtlich der Art und Unterbringung der Legierung zu verbessern, um ein billigeres und dauerhaftes Element zu erhalten.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.

Die Teilchenform der ternären Legierung Zirkonium, Nickel und Titan reagiert bei den Reakiorbetriebstemneraturen wirksam mit Wasser, Wasserdampf nr.l Gasen, die in bezug auf den Behälter eines Kernbrennstoffelementes reaktionsfähig sind, wenn sie in dein gasdurchlässigen Behälter in dem inneren Raum des Kernbrennstoffelementes angeordnet ist. Diese Ausführungsform eines Kernbrennstoffelementes nutzt die Gettereigenschaften der ternären Legierung in der Weise, daß die Lr.ge und die Form der Legierung erlauben. Wasser, Wasserdampf und Gase, die bezüglich der Umhüllung reaktionsfähig sind, von dem Brennstoffelement zu der Legierung hin ibzuziehen. sie hindert die Legierung und deren Reaktionsprodukte jedoch an der freien Bewegung innerhalb des Brennstoffelementes. Auf diese Weise ist die Legierung an einer der während des Betriebes kältesten Stellen in dem Brennstoffelement angeordnet, und diese Stellung schließt im wesentlichen jegliche Umkehrung der Getterreaktion der Legierung mit Wasser, Wasserdampfund reaktionsfähigen Gasen aus.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoff kassette, die erfindungsgemäße Kernbrennstoffelemente enthält, wobei ein Element im Teilschnitt dargestellt ist,

Fig. 2 in Teilschnittansicht den inneren Raum des Kernbrennstoffelementes mit dem Getter in einem gasdurchlässigen Behälter, der innerhalb einer Schraubenfeder angeordnet ist und

Fig. 3 im Teilschnitt den gasdurchlässigen Behälter, der den Getter aus einer ternären Legierung in Teilchenform enthält.

In Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffkassette 10 dargestellt, die einen röhrenförmigen Durchflußkanal 11 mit quadratischem Querschnitt aufweist, der an seinem oberen Ende mit der Hebevorrichtung 12 und an seinem unteren Ende mit einem nicht dargestellten Ansatzstück versehen ist. Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Ansatzstückes ist mit Kühlmitteldunjhflußöffnungen versehen. Der Kanal 11 enthält eine Anordnung von Brennstoffelementen 14, die darin mittels einer oberen Endplatte 15 und einer niciit dargestellten unteren Endplatte gehalten ist. Das flüssige Kühlmittel tritt gewöhnlich durch die öffnungen in dem unteren Ende des Ansatzstückes ein, strömt um die Brennstoffelemente 14 nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 im Falle von Siedereaktoren in teilweise verdampftem Zustand oder im Falle von LVuckreakloren in unverdampftem Zustand mit erhöhter Temperatur aus.

In Fig. 2 ist ein Kernbrennstoffelenient 14' in Teilschnittansicht dargestellt. Das Brennstoffelement enthält Brennstoffmalerial 16, welches hier als eine Vielzahl von Brennstofftablctien aus spaltbarem und/oder brütbarem Material dargestellt ist, die in einem Behälter 17 angeordnet sind. Die Brennstofftabletten können verschiedenartige Gestalt haben, oder es können verschiedene Brennstofformen. wie z. B.

teilchenförmiger B^rennstoff, verwendet werden. Die gegenständliche Fo-m des Brennstoffes ist für diese Erfindung unwesent'ich. Es können auch verschiedene Kernbrennstoffmaterialien, einschließlich Uranverbindungen. Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Mischungen derselben verwendet werden. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxid oder eine Mischung, die Urandioxid und Plutoniumdioxid enthält. Der Behälter ist an seinen Enden durch stopfenförmige Endverschlüsse 18 dicht verschlossen, die Stutzen 19 aufweisen können, um die Halterung der Brennstoffelemente in der Kassette zu erleichtern. An einem Ende des Brennstoffelementes ist ein innerer Raum 20 vorhanden, um die Längsausdehnung des Brennstoffmaterials und die Ansammlung von Gasen, die aus dem Brennstoffmaterial freigesetzt werden, zu erlauben. Eine Schraubenfeder 21 ist in dem Raum 20 angeordnet, um eine innere Stütze für den Teil des Behälters 17 zu bieten, der den Raum 20 umgibt und der nicht auf andere Art gegen den äußeren Druck von als Moderator und/oder Kühlmittel benutzten Strömungsmitteln gestützt ist Die Schraubenfeder dient auch zum Aufrcchthalten der Lage des Brennstoffes während der Handhabung und des Transportes der Brennstoffelemente. Der Behälter 17 ist an den Ei.dvet Schlüssen 18 durch umlaufende Schweißungen 22 befestigt.

Das Brennstoffelement ist ausgelegt für einen hervorragenden thermischen Kontakt zwischen dem Behälter und dem Brennstoffmaterial, eine minimale parasitäre Neutronenabsorption und einen Widerstand gegen Biegen und Schwingen, was gelegentlich durch den Fluß des Kühlmittels bei hohen Geschwindigkeiten hervorgerufen wird.

Aus den F i g. 2 and 3 ist ersichtlich, daß innerhalb der Schraubenfeder 21 in dem inneren Raum 20 ein hoher, gasdurchlässiger Behälter 23 angeordnet ist, vorzugsweise ein metallischer Behälter, wie z. B. ein Behälter aus rostfreiem Stahl, der eine Vielzahl von Öffnungen besitzt, die den in den inneren Raum eintretenden Gasen und Flüssigkeiten den Eintritt in den Behälter gestatten. Im Behälter 23 ist ein Getter aus der ternären Legierung in Teilchenform angeordnet, um eine maximale Oberfläche pro Gewichtseinheit des Getters für die Reaktion mit den in den Behälter 23 eintretenden Gasen und Flüssigkeiten zu haben.

Der Behälter 23 liegt vorzugsweise in der Form eines rechtwinkligen kreisrunden Zylinders vor, obgleich eine beliebige andere Konfiguration ebenfalls geeignet ist. Der Behälter 23 ist vorzugsweise aus einem Drahtgitter einer mit lichten Maschenweite von etwa 0,037 bis etwa 0,56 mm hergestellt und er wird durch Schweißen, Löten oder eine andere Art des Verbindens von Streifen aus dem Drahtgittermaterial zu der gewünschten Konfiguration zusammengebaut. Eine wirksame Menge des Getters wird in den Behälter gefüllt, wobei ein Ende offen und eines verschlossen ist. Vorzugsweise werden etwa 4±1g Getter in einem Brennstoffelement verwendet, der etwa 5 kg gesintertes Kernbrennstoffmaterial enthüll. Größere Gettermengen werden bei pulverförmigen Brennstoffelementen und bei solchen Brennstoffelementen eingesetzt, von denen angenommen wird, daß sie große Mengen zu entfernender Gase enthalten.

Der erfindungsgemäß eingesetzte Getter hat einen geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt ist billig herzustellen und reagiert mit Wasserstoff und anderen reaktionsfähigen Gasen, wie Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid. Sauerstoff und Stickstoff, und wasser-

stoffhaltigcn Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffen.

Der Verunreinigungsgehalt in den Legierungen ist nicht kritisch für die Entwicklung der vorstehend genannten Gcttereigenschaften, und es können wesentliche Mengen an Verunreinigungen in den hergestellten Legierungen eingeschlossen sein, solange die Oberfläche der Legierungen die wirksame ternäre Zirkonium-Nickel-Titan-Bcschaffenheit aufweist. In der Praxis wurde gefunden, daß Saucrstoffgehalte bis heraul zu einigen tausend Teilen pro Million in den Legierungen tolericrbar sind. Stickstoffgehalte von bis zu etwa 750 Teilen pro Million sind tolericrbar und sogar wünschenswert bei der Verwendung der Legierungen als Feuchtigkeitsgelter. Die anderen in den eingesetzten lernären Legierungen gefundenen Verunreinigungen, die die Anwendung der Legierung als Getter nicht beeinträchtigen, schließen Wasserstoff und Kohlenstoff ein. In der Legierung gefundene metallische Verunreinigungen, die die Verwendung der Legierungen als Getter nicht behindern, sind Hafnium in Mengen bis zu etwa 10 000 Teilen pro Million, Eisen in Mengen von bis zu etwa 1100 Teilen pro Million, und Chrom in Mengen bis zu etwa 1000 Teilen pro Million. Die Tatsache, daß der Verunreinigungsgehall der Legierungen für ihre Verwendung als Feuchtigkeilsgettcr nicht kritisch ist, ermöglicht die Herstellung der Legierung aus billigeren Ausgangsmatcrialien mit höheren Verunreinigungsgehalten. Ein Beispiel wäre die Verwendung von unreinem Zirkon, das aus einer Zirkonherstellungseinrichtung erhältlich ist, mit dem Kostenvorteil gegenüber hoch gereinigtem Zirkon. Die Verwendung der Legierungen dieser Erfindung bei nuklearen Anwendungen kann die Kontrolle auf Verunreinigungen mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt in den Legierungen notwendig . machen.

Die oben angeführten Legierungen haben die Eigenschaft, für lange Zeit mil Wasser bei einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit in einem Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 650"C zu reagieren, ohne passiv

in zu werden. Eine gemessene Reaktionsgeschwindigkeit mit Wasserdampf bei etwa 15 Torr betrug etwa 1 bis etwa 2 Mikrogramm pro cm² Oberflächengröße pro Minute bei etwa 300°C. Die Langzeitreaktionsdaten mit Wasser wurden durch Erhitzen der in Kontakt mit

i) Wasserdampf stehenden Legierungsproben erhalten, und die Legierung zeigte keine Passivität während Zeiten, die langer als 30 Stunden waren. Während der Reaktion mit Wasser erlauben die Legierungen im wesentlichen kein Freiwerden von Wasserstoff für

.'Ii Gewichtszunahmen bis zu etwa 6% des anfänglichen Gettergewichtcs. so daß ein Behälter eines Kernbrennstoffclementes der in Verbindung mit den oben angegebenen Gellern verwendet wird, im wesentlichen keinem Wasserstoff ausgesetzt sein würde, wodurch

'-. Bildung metallischer Hydride, die schließlich zur Beschädigung des Behälters führen, ausgeschlossen wird. Dieses minimale Freisetzen von Wasserstoff während der Reaktion der Legierungen mit Wasser weist auf eine im wesentlichen stöchiometrischc

κ ι Reaktion der Legierungen mit Wasser hin.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement, bestehend aus

einem länglichen Behälter, ^r>

einem Körper aus Kernbrennstoffmaterial, der innerhalb des Behälters angeordnet ist und diesen teilweise füllt und einen inneren Raum freiläßt,
einem Endverschluß, der vollständig an dem Behälter befestigt ist und jeweils das Ende des i< > Behälters abdichtet und

einer Vielzahl von Teilchen einer Legierung, die als Komponenten unter anderem Zirkonium und Titan enthält und in dem inneren Raum angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, daß im inne- ιί ren Raum (20) in an sich bekannter Weise eine Schraubenfeder (21) angeordnet ist und daß sich in diesem Raum (20) ein hohler gasdurchlässiger Behälter (23) befindet, der die Vielzahl von Legiemngsteilchen enthält, die aus einer ternären :o Legierung aus Zirkonium, Titan und Nickel bestehen.

2. Kcrnbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (23) innerhalb der Schraubenfeder (21) in dem Raum (20) 2^r> angeordnet ist.

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Legierung etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa 3 bis etwa 30 Gew.-% Titan und als Rest Zirkonium enthält. ü>

4. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Legierung etwa 4 Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-°/o Titan und als Rest Zirkonium enthält.

5. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, ü dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Legierung etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-% Titan und als Rest Zirkonium enthält.

6. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Legierung 4<i etwa 5 Gew.-% Nickel, etwa 10 Gew.-% Titan und als Rest Zirkonium enthält.

7. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (23) und die Schraubenfeder (21) aus rostfreiem Stahl ή bestehen.

8. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche Behälter (17) aus einem Metall wie Zirkonium, Zirkoniumlegierungen, rostfreiem Stahl, Aluminium, Aluminium- so legierungen, Niob, Nioblegierungen und Magnesiumlegierungen, besteht.

9. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbrennstoffmaterial (16) aus Uranverbindungen, Plutoniumver- 5^r> bindungen, Thoriumverbindungen oder Mischungen derselben besteht.

10. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbrennstoffmaterial (16) aus Urandioxid besteht. M)

11. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbrennstoffmaterial (16) aus einer Mischung besteht, die Urandioxid und Plutoniumdioxid enthält.

12. Verfahren zur Herstellung des Kernbrenn- b5 Stoffelementes gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umhüllungsbehälter teilweise mit Kernbrennstoffmaterial gefüllt wird und an seinem offenen Ende ein Raum freigelassen wird, daß eine Schraubenfeder in diesen Raum eingesetzt wird, daß ferner eine Vielzahl von Teilchen einer ternären Legierung, deren wesentliche Komponenten Zirkonium, Titan und Nickel sind, in einen hohen, gasdurchlässigen Behälter gebracht werden, daß dieser hohle, gasdurchlässige Behälter in den freien Raum eingesetzt wird, daß ein Endverschluß an dem Ende des Umhüllungsbehältcrs angebracht wird, der den freien Raum mit dem Kernbrennstoff in Verbindung beläßt, und daß dann das Ende des Umhüllungsbehälters mit dem Endverschluß verbunden wird, um eine feste Abdichtung zwischen beiden herzustellen, wobei die ternäre Legierung den reaktionsfähigen Gasen, die innerhalb des Umhüllungsbehälters freigesetzt werden, ausgesetzt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle, gasdurchlässige Behälter in das schraubenförmige Glied eingesetzt wird.