DE2259570A1

DE2259570A1 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2259570A1
Application number: DE2259570A
Authority: DE
Inventors: Leonard Nathan Grossman; Douglas Randall Packard
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-12-08
Filing date: 1972-12-06
Publication date: 1973-06-14
Also published as: DE2259570C3; CH551677A; ES409339A1; JPS4880991A; FR2162398B1; NL7216757A; CA962382A; SE401962B; DE2259570B2; GB1370208A; US3898125A; IT971609B; JPS559675B2; FR2162398A1; BE792371A

Description

Die vorliegende¹ Erfindung betrifft allgemein eine Verbesserung an Kernbrennstoffelementen für die Verwendung im Gore von Kernspaltungsreaktoren, und sie bezieht sich im besonderen auf verbesserte Kernbrennstoffelemente, die eine Legierung besitzen, deren wesentliche Komponenten aus, Nickel, Titan und Zirkon bestehen, und die in dem Füllraum des Brennstoffelementes angeordnet ist und mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen reagieren kann.

Zur Zeit werden Kernreaktoren geplant, gebaut und betrieben,' in denen der Kernbrennstoff in Brennstoffelementen enthalten

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ist, die verschiedene geometrische Formen, wie z.B. Platten, Röhren oder Stäbe besitzen können. Das Brennstoffmaterial ist gewöhnlich in einem korrosionsfesten, nicht reaktionsfähigen, wärmeleitenden Behälter oder Umhüllung eingeschlossen. Die Elemente sind zusammen in einem Gitter mit festen Abständen voneinander in einem Kühlmitteldurchflusskanal oder -bereich angeordnet und bilden eine Brennstoffanordnung, und hinreichend viele Brennstoffanordnungen sind kombiniert, um die Gesamtanordnung für die Kernspaltungsreaktion oder das Reaktorcore zu bilden, das einer selbsterhaltenden Kettenspaltungsreaktion fähig ist. Das Core wiederum ist in einem Reaktorgefäss eingeschlossen, durch das ein Kühlmittel geleitet wird.

Die Umhüllung dient zwei primären Zwecken: erstens soll sie Kontakt und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff einerseits und entweder dem Kühlmittel oder dem Moderator, wenn ein solcher anwesend ist, oder beiden andererseits verhindern; und zweitens soll sie verhindern, dass die radioaktiven Spaltprodukte, von denen einige Gase sind, von dem Brennstoff in das Kühlmittel oder in den Moderator oder in beide freigesetzt werden. Gebräuchliche Umhüllungsmaterialien sind rostfreier Stahl, Aluminium und seine Legierungen, Zirkon und seine Legierungen, Niob (Columbium), gewisse Magnesiumlegierungen und andere. Die Beschädigung der Umhüllung auf Grund-des Aufbauens eines Gasdruckes oder aus anderen Gründen kann das Kühlmittel oder den Moderator und die damit verbundenen Systeme mit radioaktiven langlebigen Produkten bis zu einem Grad kontaminieren, der den Betrieb der Anlage beeinträchtigt.

Bei der Herstellung und im Betrieb von Kernbrennstoffelementen, in denen gewisse Metalle und Legierungen als Umhüllungsmaterial verwendet worden sind, sind auf Grund der Reaktionsfähigkeit dieser Materialien unter gewissen Umständen Probleme aufgetreten. Zirkon und seine Legierungen sind unter normalen Umständen hervorragende Materialien für eine Kernbrennstoffumhüllung,

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da sie geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen und . bei Temperaturen unterhalb etwa 316°C (600°F) extrem stabil.sind und nicht reaktionsfähig in Anwesenheit von demineralisiertem Wasser oder Dampf sind, die gewöhnlich als Reaktorkühlmittel und Moderatoren verwendet werden.. Innerhalb der Begrenzungen eines abgedichteten Brennstoffstabes kann sich das Wasserstoffgas, das durch die langsame Reaktion zwischen der Umhüllung und dem Restwasser erzeugt wird, jedoch bis zu Niveaus aufbauen, die unter gewissen Bedingungen zu einer^!lokalisierten Hydrierung der Zirkonlegierung mit gleichzeitiger Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Umhüllung führen. Umgekehrt wird auch die Umhüllung von derartigen Gasen, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffmonoxyd und Kohlenstoffdioxyd, bei allen Temperaturen angegriffen.

Die Zirkohumhüllung eines Kernbrennstoffelementes ist dem Einfluss eines oder mehrerer der oben genannten Gase während der Bestrahlung in einem Kernreaktor trotz der Tatsache ausgesetzt, dass diese Gase in dem Reaktorkühlmittel oder dem Moderator eventuell nicht anwesend sind und weiterhin so weit wie möglich von der Umgebungsatmosphäre während der Herstellung der Umhüllung und des Brennstoffelementes ausgeschlossen sein können. Gesinterte hochschmelzende und keramische Zusammensetzungen, wie z.B. Urandioxyd und andere als Kernbrennstoff verwendete Zusammensetzungen, setzen messbare Mengen der oben erwähnten Gase bei Erhitzung frei, wie z.B. während der Brennstoffelementherstellung und insbesondere während der Bestrahlung. Besondere hochschmelzende und keramische Zusammensetzungen, wie z.B.. Urandioxydpulver und andere als Kernbrennstoff verwendete Pulver, sind bekannt dafür, dass sie sogar grössere Mengen der oben angegebenen Gase während der Bestrahlung freisetzen. Diese Gase i-eagieren mit der Zirkonumhüllung, die den Kernbrennstoff enthält. Diese Reaktion kann zu der Versprödung der Umhüllung führen, was die Gesamtheit des Brennstoffelementes gefährdet. Obgleich Wasser und Wasserdampf nicht direkt reagieren können,

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um dieses Ergebnis zu liefern, reagiert Wasserdampf bei hohen Temperaturen mit Zirkon und Zirkonlegierungen, um Wasserstoff zu erzeugen, und dieses Gas reagiert weiter lokal mit dem Zirkon und den Zirkonlegierungen, um Versprödung zu erzeugen. Diese unerwünschten Ergebnisse werden durch das Freisetzen dieser Restgase in dem abgedichteten metallumhüllten Brennstoffelement verstärkt, da es den Innendruck in dem Element erhöht und auf diese Weise Spannungen in Gegenwart von korrosiven Bedingungen einführt, die bei der ursprünglichen Planung des Umhüllungsrohres nicht vorgesehen waren.

Unter dem Gesichtspunkt des vorstehend Gesagten wurde es als wünschenswert gefunden, Wasser, Wasserdampf und Gase zu minimalisieren, die reaktionsfähig auf die Umhüllung innerhalb des Inneren der Umhüllung während der Zeit wirken, die der Kernbrennstoff im Betrieb von Kernkraftanlagen verwendet wird. Ein derartiger Versuch war, Materialien zu finden, die schnell mit dem Wasser, dem Wasserdampf und anderen Gasen chemisch reagieren, um diese Gase aus dem Inneren der Umhüllung zu eliminieren, und diese Materialien werden Getter genannt. Obgleich verschiedene Getter für Wasser und Wasserdampf gefunden worden sind, wie z.B. das Zirkon-Titan-Getter, das in dem US-Patent Nr. 2 926 981 beschrieben worden ist, ist es wünschenswert geblieben, ein Getter zu entwickeln, das gleiche oder sogar höhere Reaktionsgeschwindigkeiten mit feuchten Dämpfen und Gasen besitzt und zusätzlich die Eigenschaft aufweist, vernachlässigbar wenig Wasserstoffgas während der Reaktion mit Wasserdampf bzw. feuchten Dämpfen zu erzeugen.

Ein Getter in Form einer Legierung, die schnell stöchiometrisch mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen reagiert, ist entwickelt worden und wird in der deutschen Patentanmeldung P 21 U4 192.9 beschrieben. Diese Patentanmeldung wurde von der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Patentanmeldung eingereicht und wird durch diese Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Die in der vorstehenden Patentanmeldung

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offenbarte Erfindung erstreckt sich auf Legierungen, die mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen bei Temperaturen im Bereich von etwa 200 bis etwa 650°C reagieren. Die Legierungen besitzen die wesentlichen KompJenten Zirkon, Nickel und Titan und sind insbesondere solche Legierungen, die von etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel und von etwa 3 bis etwa 30 Gew.-%.Titan enthalten, wobei Zirkon den Rest bildet.

Ein verbessertes Kernbrennstoffelement enthält ein Getter einer ternären Legierung, die als wesentliche Komponenten Zirkon, Nickel und Titan besitzt und in dem Füllraum des Kernbrennstoffelementes in Form dünner Streifen oder Folien angeordnet ist. Die Getterstreifen sind vorzugsweise in einem helikalen oder schraubenförmigen Glied in dem Füllraum angeordnet und werden dort gehalten, und das helikale oder schraubenförmige Glied hindert die Getterlegierungsstreifen und die Reaktionsprodukte der Getterlegierungsstreifen an der freien Bewegung innerhalb des Brennstoffelementes. Die Getterstoff en sind an einer der kältesten Stellen während des Betriebes in dem Brennstoffelement angeordnet, und diese Stellung schliesst im wesentlichen jegliche Umkehrung der Getterreaktbn der Legierung mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen aus. Das Getter reagiert wirksam bei Arbeitstemperatur mit Wasser, Wasserdampf und Gasen, die mit der Umhüllung eines Kernbrennstoffelemente's reaktionsfähig sind. Diese Anordnung eines Kernbrennstoffelementes benützt die Gettereigenschaften der ternären Legierung in der Weise, dass die Lage und die gegenständliche Form der Legierung in dem Füllraum erlauben, Wasser, Wasserdampf und Gase, die bezüglich der Umhüllung reaktionsfähig sind, von dem Brennstoffelement zu der Legierung abzuziehen.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbesserte's Kernbrennstoffelement zu liefern, das ein Getter besitzt, welches eine ternäre Legierung aus Zirkon, Nickel und Titan enthält und in einem Bereich niedriger Temperatur eines Kernbrennstoffelementes angeordnet ist. -

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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine wirksame gegenständliche Ausführungsform eines Getters, das eine ternäre Legierung aus Zirkon, Nickel und Titan enthält, für ein Kernbrennstoffelement in einer Form, die für eine schnelle Reaktion mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen geeignet ist, zu liefern.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von metallisch umhüllten Kernbrennstoffelementen zu schaffen, die ein Getter aus einer ternären Legierung enthalten, das in dem Brennstoffelement zum wirksamen Schutz des Brennstoffelementes angeordnet ist.

Es ist ferner Gegenstand der Erfindung, ein Kernbrennstoffelement mit einem Getter aus einer ternären Legierung zu liefern, in der Wasserdampf bzw. feuchte Dämpfe und reaktionsfähige Gase in Kontakt mit dem Getter gezogen werden, um die Reaktion mit dem Getter voranzutreiben, was zur Bildung fester unschädlicher Reaktionsprodukte führt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Kernbrennstoffelement zu liefern, das ein Getter aus einer ternären Legierung in Form von Streifen in einer Anordnung eingelagert hat, die das Getter und die Reaktionsprodukte des Getters an der freien Bewegung innerhalb des Brennstoffelementes hindert.

Noch ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist es, eine Kernbrennstoffelementanordnung zu schaffen, die ein Getter aus einer ternären Legierung enthält, welche in einem Bereich niedriger Temperatur eines Brennstoffelementes angeordnet ist.

Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Kernbrennstoffelement zu schaffen, das ein Getter aus einer ternären Legierung in Form von Streifen oder Folien enthält, das in dem Füllraum des Brennstoffelementes angeordnet ist und vorzugsweise durch das helikale oder schraubenförmige Glied in dem Füllraum festgehalten wird.

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Die vorstehenden und andere Ziele und Gegenstände der Erfindung werden dem Fachmann durch das Lesen der unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgenden Beschreibung und der angefügten Patentansprüche offenbar.

Fig. 1 zeigt eine teilweise Schnittansicht einer Kernbrennstoffanordnung, die gemäss der vorliegenden Erfindung aufgebaute Kernbrennstoffelemente enthält, wobei ein Element in teilweiser Schnittansicht dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht des Füllraumabschnittes des Kernbrennstoffelementes und stellt die Lage des Getters in Form dünner Streifen oder Folien dar, die innerhalb eines helikalen oder schraubenförmigen Gliedes in dem Füllraum zusammengefügt sind.

In Figur 1 ist eine teilweie geschnittene Teilansicht einer Kernbrennstoffanordnung 10 dargestellt. Diese Brennstoffanordnung besteht aus einem röhrenförmigen Durchflusskanal 11 mit quadratischem Querschnitt, der an seinem oberen Ende mit der Hebe—Vorrichtung 12 und an seinem unteren mit einem Ansatzstück (welches nicht dargestellt ist^ da der untere Abschnitt der Anordnung 10 fongelassen ist) versehen ist. Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Ansatzstückes ist mit Kühlmitteldurchflussöffnungen versehen. Eine Anordnung vonBrennstoffelementen 14 ist im Kanal 11 eingeschlossen und wird darin mittels einer oberen Endplatte 15 und einer unteren Endplatte (die nicht dargestellt ist, weil der untere Abschnitt fortgelassen ist) gehalten. 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 in teilweise verdampftem Zustand im Falle von Siedereaktoren oder in einem unverdampften Zustand im Falle von Druckreaktoren bei erhöhten Temperaturen aus. ^:

In Fig. 2 ist zusätzlich zu Fig. 1 ein Kernbrennstoffelement oder

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-stab 14* in teilweiser Schnittansicht dargestellt, das gemäss der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das Brennstoffelement enthält Brennstoffmaterial 16, welches hier als eine Vielzahl von Brennstofftabletten oder -teilchen aus spaltbarem und/oder brütbarem Material dargestellt ist, die in einer Stützumhüllung oder einem Behälter 17 angeordnet sind. In einigen Fällen können die Brennstofftabletten von verschiedenartigen Gestalten sein; in anderen Fällen können verschiedene Brennstoffformen, wie z.B. teilchenförmiger Brennstoff, verwendet werden. Die gegenständliche Form des Brennstoffes ist für diese Erfindung unwesentlich. Verschiedene Kernbrennstoffmaterialien, einschliesslich Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Mischungen derselben, können verwendet werden. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxyd oder eine Mischung, die Urandioxyd und Plutoniumdioxyd enthält. Der Behälter ist an seinen Enden durch Endstopfen 18 dicht verschlossen, die Stutzen 19 besitzen können, um die Halterung der Brennstoffstäbe in der Anordnung zu erleichtern. Ein leerer Raum oder Füllraum 20 ist an einem Ende des Brennstoffelementes vorgesehen, um longitudinale Ausdehnung des Brennstoffmaterials und Ansammlung von Gasen, die aus dem Brennstoffmaterial freigesetzt wrden, zu erlauben. Ein helikales oder schraubenförmiges Glied 21 ist in dem Raum 20 angeordnet, um eine innere Stütze für den Teil der Umhüllung 17 zu liefern, der den Raum 20 umgibt und der nicht auf andere Art gegen den äusseren Druck von den Moderator-Kühlmittel-Fluiden gestützt ist. Das schraubenförmige Glied dient ebenfalls zum Aufrechterhalten der Lage des Brennstoffes während der Handhabung und des Transportes der Brennstoffelemente. Die Umhüllung 17 ist an den Endstopfen 18 durch umlaufende Schweissungen 2 2 befestigt.

Das Brennstoffelement liefert hervorragenden thermischen Kontakt zwischen der Brennstoffumhüllung und dem Brennstoffmaterial, ein Minimum an parasitärer Neutronenabsorption und Widerstand gegen Biegen und Schwingen, was gelegentlich durch den Fluss

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des Kühlmittels bei hohen Geschwindigkeiten hervorgerufen wird»

In Fig. 2 ist vorzugsweise innerhalb des helikalen oder schraubenförmigen Gliedes 21 in dem Füllraum 20 eine Vielzahl von Streifen oder Folien 23, vorzugsweise dünne Streifen, eines Getters aus einer ternären Legierung aus Zirkon, Nickel und Titan angeordnet. Die Streifen sind in dem Füllraum 20 so angeordnet, dass sie in den Füllraum eintretenden Gasen und Flüssigkeiten, die in dem Füllraum kondensieren, erlauben, mit den Streifen in Kontakt zu kommen. Die Streifen stellen eine gegenständliche Form dar, die ein hohes Verhältnis der Oberflächengrösse zum Volumen besitzt und daher den Oberflächenbereich des Getters wirksam der Reaktion mit den Gasen und Flüssigkeiten, die in den Füllraum 20 eintreten, aussetzt. Die Streifen sind vorzugsweise von rechteckiger Form und besitzen bevorzugte Abmessungen von etwa 0,13 mm bis etwa 0,25 mm (5 bis 10 mils) Dicke, etwa 0,3 cm (1/8 inch) bis etwa 0,6 cm (I/¹+ inch) Breite und eine Länge von etwa 7,5 bis etwa 10 cm (3 bis 4 inch). Im allgemeinen sind etwa 8 bis etwa 10 oder mehr Getterstreifen in dem Füllraum angeordnet, die etwa 10 bis etwa 12 g Legierung in einem Brennstoff stab, der etwa 5 kg Kernbrennstoffmaterial enthält, bilden. Grössere Gettermengen werden bei pulverförmigen Brennstoffstäben und bei Brennstoffstäben, Von denen angenommen wird, dass sie grosse Mengen zu entfernender Gase enthalten, verwendet .

Das in dem Kernbrennstoffelement gemäss der Erfindung verwendete Getter und seine Eigenschaften werden nun im Detail beschrieben.

Es ist gefunden worden, dass ein geeignetes Material zur Regelung der Feuchtigkeit und anderer reaktionsfähiger Gase durch chemisches Binden mit derartigen gasförmigen Materialien, welches hier ein "Getter" genannt wird, eine Kombination von Eigenschaften besitzen sollte. Eine wünschenswerte Eigenschaft ist die Minimalisierung von.jeglichem freiem Wasserstoff nach der chemischen Reaktion des Getters mit Wasser , um durch Hydrierung

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entstandene Schaden an der mit dem Getter verbundenen Umhüllung zu verhindern. Daher sollte das Getter angenähert stöchiometrisch mit dem Wasser und dem Wasserdampf (beides wird hier Wasser genannt) reagieren, und zwar in einer derartigen Weise, dass sich eine vom Nettoergebnis her betrachtet vernachlässigbare Quelle an Wasserstoff aus der Reaktion ergibt.

Das Getter sollte ebenfalls schnell mit dem Wasser bei der Temperatur reagieren, die in dem System, in dem das Getter verwendet wird, vorherrscht, und die in dem Bereich von etwa 200 bis etwa 650 C für eine bevorzugte Anwendung des^ Getters liegen würde. Das Getter sollte ebenfalls einen geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt besitzerjund billig herzustellen sein. Vorzugsweise sollte das Getter ebenfalls die Eigenschaft besitzen, mit anderen reaktionsfähigen Gasen, wie z»B. Kohlenstoff monoxyd , Kohlenstoffdioxyd, Sauerstoff und Stickstoff und wasserstoffhaltigen Verbindungen, wie z.B. Kohlenwasserstoffen, zu reagieren.

Die im vorstehenden aufgezählten Eigenschaften finden sich'in einer Klasse von Legierungen, die als wesentliche Komponenten Zirkon, Nickel und Titan besitzen, insbesondere in den Legierungen, die von etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel, von etwa 3 bis etwa 30 Gew.-% Titan enthalten, wobei Zirkon den Rest bildet. Die ' Legierungen können als Legierungen auf Zirkonbasis eingeordnet werden, und die oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche liefern Legierungen mit wenigstens etwa 0,5 Vol.-% einer intermetallischen nickel-haltigen Phase. Repräsentativ für die intermetallischen nickelhaltigen Phasen in der Legierung sind typischerweise NiZr2 und Ni (0,9 Zr, 0,1 Ti)„· Die Legierungen besitzen ein metallisches Aussehen, und metallographische Prüfung zeigt, dass die Legierungen mittelfeinkörnig sind und eine mittlere Korngrösse von etwa 10 Mikron besitzen.

Besonders bevorzugte Zusammensetzungen der ternären Legierungen gemäss dieser Erfindung sind die folgenden:

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(a) 10 Gew.-% Titan, 5 Gew.-% Nickel und als Rest Zirkon,

(b) 11 Gew.-% Titan, 4 Gew.-%'Nickel und als Rest Zirkon und

(c) 11 Gew.-% Titan, 12 Gew.-% Nickel und als Rest Zirkon.

Der Verunreinigungsgehalt der Legierungen ist nicht kritisch für die Entwicklung der vorstehend genannten Gettereigenschaften und wesentliche Mengen an Verunreinigungen können in den hergestellten Legierungen so lange eingeschlossen sein, wie die Oberfläche der Legierungen die ternäre Zirkon-Nickel-Titan-Beschaffenheit aufweist, die der Reaktion wirksam ausgesetzt ist. In der Praxis wurde gefunden, dass Sauerstoffgehalte bis herauf zu einigen tausend Teilen pro Million in den Legierungen tolerierter sind. Stickstoffgehalte von bis zu etwa 7 50 Teilen pro Million sind tolerierbar und sogar wünschenswert bei der Verwendung der Legierungen als Feuchtigkeitsgetter. Die anderen in den ternären Legierungen dieser Erfindung gefundenen Verunreinigungen, die die Anwendung der Legierungen als Getter nicht beeinträchtigen, schliessen Wasserstoff und Kohlenstoff ein. In der Legierung gefundene metallische Verunreinigungen, die die Verwendung der Legierungen als Getterfnicht behindern, sind Hafnium in Mengen bis zu etwa 10 000 Teilen pro Million, Eisen in Mengen von bis zu 1100 Teilen pro Million und Chrom in Mengen bis zu etwa 1000 Teilen pro Million. Die Tatsache, dass der Verunreinigungsgehalt der Legierungen für die Verwendung der Legierungen als Feuchtigkeitsgetter nicht kritisch ist, ermöglicht die Herstellung der Legierung aus niedriggradigen Komponenten von Nickel, Titan und Zirkon mit Verunreinigungsgehalten. Ein Beispiel wäre die Verwendung von unreinem Zirkon, das aus einer Zirkonherstellungseinrichtung erhältlich ist, mit dem Kostenv_or-(-_e£2. gegenüber hochgereinigtem Zirkon. Die Verwendung der Legierungen dieser Erfindung bei nuklearen Anwendungen kann die Kontrolle auf Verunreinigungen mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt in den Legierungen notwendig machen.

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Die oben angeführten Legierungen besitzen die Eigenschaft, für lange Zeitdauern mit Wasser und Wasserdampf bei einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit über einen Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 6 50 C zu reagieren, ohne passiv zu werden. Eine gemessene Reaktionsgeschwindigkeit mit Wasserdampf bei etwa

15 Torr betrug etwa 1 bis etwa 2 Mikrogramm pro cm Oberflächengrösse pro Minute bei etwa 300 C. Die Langzeitreaktionsdaten mit Wasser wurden durch Erhitzen der in Kontakt mit Wasserdampf stehenden Legierungsproben erhalten, und die Legierung zeigte keine Passivität während Zeitdauern, die grosser als 30 Stunden waren. Während der Reaktion mit Wasser erlauben die Legierungen im wesentlichen kein Freiwerden von Wasserdampf für Gewichtszunahmen bis zu etwa 6 % des anfänglichen Gettergewichtes, so dass eine Umhüllung, die in Verbindung mit den oben angegebenen Gettern verwendet wird, im wesentlichen keinem Wasserstoff ausgesetzt sein würde, wodurch Bildung metallischer Hydride, die letztlich zu Beschädigung der metallischen Materialien führen, ausgeschlossen wird. Dieses minimale Freisetzen von Wasserstoff während der Reaktion der Legierungen mit Wasser zeigt eine im wesentlichen stöchiometrische Reaktion der Legierungen mit Wasser an. Forschungen zeigen, dass die in dieser Erfindung verwendeten Legierngen leicht mit Wasserstoff über einen Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 650 C reagieren, so dass die in dieser Erfindung verwendeten Legierungen wirksame Wasserstoffgetter sind. Die Legierungen reagieren ebenfalls mit wasserstoffhaltigen Verbindungen, wie z.B. einigen Kohlenwasserstoffen, und mit anderen Gasen, wie z.B. Stickstoff, Kohlenstoffdioxyd, Kohlenstoffmonoxyd und Sauerstoff. Da die Legierungen Legierungen auf Zirkonbasis sind, besitzen sie einen niedrigen Neutronenquerschnitt, der für die Verwendung in nuklearen Anwendungen erforderlich ist, wenn die Verunreinigungen mit hohem Neutronenquerschnitt annehmbar minimalisiert worden sind. Die Legierungen können leicht in Formen mit hoher Oberflächengrösse, wie z.B. als dünne Folien, hergestellt wenden.

Für den Fachmann versteht es sich, dass verschiedene

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Modifikationen und Abwandlungen in der oben beschriebenen Erfindung gemacht werden können. Es ist dementsprechend beabsichtigt, dass die Erfindung in der breitesten Art ausgelegt wird, die in dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der angefügten Patentansprüche ausgedrückt ist.

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Claims

Patentansprüche

t 1.^Kernbrennstoffelement, gekennzeichnet durch einen länglichen Behälter (17), einen Körper aus Kernbrennstoffmaterial (16), der innerhalb des Behälters (17) angeordnet ist und diesen teilweise füllt und einen inneren Raum (20) freilässt, einen Endverschluss (18), der vollständig an dem Behälter (17) befestigt ist und jeweils das Ende des Behälters (17) abdichtet, ein helikales oder schraubenförmiges Glied (21), das in dem Raum (20) angeordnet ist, und eine Vielzahl von Streifen (23) aus einer ternären Legierung, die als wesentliche Komponenten Zirkon, Nickel und Titan enthält und in dem Raum (20) angeordnet ist.
2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Vielzahl der Streifen (23) innerhalb des schraubenförmigen Gliedes (21) in dem Raum (20) angeordnet ist.
3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Streifen (23) Abmessungen von etwa 0,13mm (5 mils) bis etwa 0,2 5 mm (10 mils) Dicke, etwa 0,3 cm (l/8inch) bis etwa 0,6 cm (l/H inch) Breite und eine Länge von etwa 7,5 cm (3 inch) bis etwa 10 cm C+ inch) besitzen.
4. 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 Zirkon enthält.

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5. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die ternäre Legierung etwa'4- Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-'% Titan und als Rest Zirkon enthält.
6. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die ternäre Legierung etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.
7. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die ternäre Legierung etwa 5 Gew.-% Nickel, 10 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.
8. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das schraubenförmige Glied (21) aus rostfreiem Stahl besteht.
9. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der längliche Behälter (17) aus einem Metall, ausgewählt aus der Klasse aus Zirkon, Zirkonlegierungen, rostfreiem Stahl, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Niob, Nioblegierungen und Magnesiumlegierungen, besteht.
10. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Kernbrennstoffmaterial (16) aus der Gruppe aus Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Mischungen derselben ausgewählt ist.
11. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Kernbrennstoffmaterial (16) aus Urandioxyd besteht.

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12. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass das Kernbrennstoffmaterial (16) eine Mischung ist, die aus Urandioxyd und Plutoniumdioxyd besteht.
13. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelementes, dadurch gekennzeichnet , dass ein Umhüllungsbehälter teilweise mit Kernbrennstoffmaterial gefüllt wird und an einem Ende, das offen ist, ein Raum freigelassen wird, das ein helikales oder schraubenförmiges Glied in diesem Raum eingesetzt wird, dass ferner eine Vielzahl von Streifen einer ternären Legierung, deren wesentliche Komponenten Zirkon, Nickel und Titan sind, in den freigelassenen Raum eingesetzt werden, dass ein Endverschluss an dem Ende des Umhüllungsbehälters 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.
IM. Verfahren nach Anspruch 13,dadurch gekennzeichnet , dass die ternäre Legierung etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa 3 bis etwa 30 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass die ternäre Legierung etwa M Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch geken η zeichnet , dass die ternäre Legierung etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.

3 Π f) H 2 /, / U 3 H 9
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , dass die ternär© legierung etwa

10 Gew.-% Titan, 5 Gew«-% Nickel und als Rest Zirkon enthält,
18. Verfahren nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , dass der Behälter aus Metall besteht.

19« Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e η η zeichnet , dass die Vielzahl der Streifen in das
helikale oder schraubenförmige Glied eingesetzt wird.

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