DE2323041A1

DE2323041A1 - Kernbrennstoff-element

Info

Publication number: DE2323041A1
Application number: DE2323041A
Authority: DE
Inventors: Richard Thompson Penrose; John Robert Thompson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1972-05-15
Filing date: 1973-05-08
Publication date: 1973-12-06
Also published as: CA992677A; FR2184674A1; BE799536A; CH548088A; ES414511A1; JPS4949093A; IT988646B; NL7306789A; GB1415831A; US3804709A; FR2184674B1

Description

Kernbrennstoff-Element

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Verbesserung in Kernbrennstoff-Elementen für die Verwendung im Kern von Kernspaltungs-Reaktoren und sie betrifft insbesondere verbesserte Kernbrennstoff-Elemente, die ein Additiv eines bariumhaltigen Materials aufweisen, das in dem brennstoff-freien Raum bzw. der Gaskammer (im englischen "plenum" genannt) des Brennstoff-Elementes angeordnet ist und Gase durch chemische Reaktion oder Absorption binden kann.

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Kernreaktoren werden gegenwärtig so entworfen, konstruiert und betrieben, daß in ihnen der Kernbrennstoff in Brennstoff-Elementen enthalten ist* die verschiedene geometrische Formen wie Platten, Rohre oder Stäbe aufweisen können. Das Brennstoff-Material ist üblicherweise in einem korrosionsbeständigen, nicht reaktiven, wärmeleitenden Behälter eingeschlossen. Die Elemente werden in einem Gitter mit festgelegten Abständen voneinander in einem Kühlmittel-Kanal oder -Bereich zusammengebaut und bilden eine Brennstoff-Einheit, und es werden ausreichend Brennstoff-Einheiten miteinander kombiniert, um eine Einheit zu bilden, in der eine Kernspaltungs-Kettenreaktion ablaufen kann bzw. einen Reaktorkern, der eine Spaltungsreaktion selbständig unterhalten kann. Der Kern wiederum ist in einem Reaktorkessel eingeschlossen, durch welchen ein Kühlmittel geleitet wird.

Die Umhüllung dient zwei Hauptaufgaben: ,

1. den Kontakt und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff und entweder dem Kühlmittel oder einem ggf. anwesenden Moderator oder beiden zu vermeiden und

2. das Abgeben von radioaktiven Spaltprodukten, von denen einige Gase sind, durch den Brennstoff in das Kühlmittel oder ggf. den Moderator oder beide zu vermeiden'.

übliche Materialien für die Umhüllung sind rostfreie Stahllegierungen, Aluminium und dessen Legierungen, sowie Zirkon und dessen Legierungen. Eine Beschädigung der Umhüllung, etwa durch Aufbau eines Gasdruckes oder aus anderen Gründen, kann zur Vergiftung des Kühlmittels oder Moderators und des damit verbundenen Systems mit langlebigen radioaktiven Produkten bis zu einem Grad führen, der den Betrieb der Anlage beeinträchtigt.

Im Zusammenhang mit der Herstellung und dem Betrieb von Kernbrennstoff-Elementen, in denen verschiedene Metalle und Legierungen als Umhüllungsmaterial verwendet werden, haben sich Probleme aufgrund der Reaktivität dieser Materialien unter bestimmten Umständen ergeben. Zirkon und seine Legierungen sind unter

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normalen Umständen ausgezeichnete Materialien für eine Kernbrennstoff-Umhüllung, da sie geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte aufweisen und bei' Temperaturen unterhalb von etwa 315°C (entsprechend 600 P) extrem stabil sind und in Gegenwart von entmineralisiertem Wasser oder Dampf, welches die üblicherweise verwendeten Reaktorkühlmittel und Moderator sind, nicht reaktiv ist. Innerhalb eines abgedichteten Brennstoff-Stabes kann sich jedoch das durch die langsame Reaktion zwischen der Umhüllung und dem Restwasser bildende Wasserstoffgas bis zu einem Druck ansammeln, der unter bestimmten Bedingungen zu einer lokalen Hydrierung der Legierung führen kann und als Folge dessen zu einer Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften der Umhüllung. Die Umhüllung wird auch durch solche Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd bei den Betriebstemperaturen des Reaktors nachteilig beeinflußt.

Die Zirkon-Umhüllung eines Kernbrennstoff-Elementes ist einem oder mehreren der oben genannten Gase während der Bestrahlung in einem Kernreaktor ausgesetzt, obwohl diese Gase nicht in dem Reaktorkühlmittel oder Moderator vorhanden zu sein brauchen und sie außerdem soweit als möglich während der Herstellung der Umhüllung und des Brennstoff-Elementes von der umgebenden Atmosphäre ausgeschlossen worden sind. Gesinterte hitzebeständige und keramische Zusammensetzungen, wie Urandioxyd und andere als Kernbrennstoff verwendete geben meßbare Mengen der vorgenannten Gase beim Erhitzen ab, wie während der Herstellung des Brennstoff-Elementes und insbesondere während der Bestrahlung. Hitzebeständige und keramische Zusammensetzungen in Teilchenform, wie Urandioxyd-Pulver und andere Pulver, die als Kernbrennstoffe verwendet itferden, geben sogar noch größere Mengen der vorgenannten Gase während der Bestrahlung ab. Diese Gase reagieren mit dem Zirkonmaterial der Umhüllung, welche den Kernbrennstoff enthält. Diese Umsetzung"kann zu einem Brüchigwerden der Umhüllung führen, was die Integrität des Brennstoff-Elementes gefährdet. Obwohl Wasser und Wasserdampf sich nicht direkt mit diesem Ergebnis umsetzen können, setzt sich

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der Wasserdampf bei hohen Temperaturen doch mit Zirkon und Zirkonlegierungen unter Bildung von Wasserstoff um und dieses Gas reagiert weiter lokal mit dem Zirkon und den Zirkonlegierungen und verursacht dabei das Brüchigwerden. Diese unerwünschten Ergebnisse werden durch die Abgabe dieser Restgase innerhalb der abgedichteten Metallumhüllung des Brennstoff-Elementes noch verstärkt, da dadurch der innere Druck im Element erhöht wird und dies führt zu Belastungen bei Anwesenheit korrosiver Bedingungen,^ die beim ursprünglichen Entwurf des Umhüllungsrohres nicht vorhergesehen wurden.

In der Elektronik-Industrie enthalten verschiedene elektronische Bauelemente einen sogenannten Getter, um das Restgas in dem Bauelement chemisch zu binden. Getter werden auch dazu verwendet, die Reinheit des Vakuums in evakuierten elektronischen Bauelementen aufrecht zu erhalten. Dies ist.ein einfacheres Mittel, das elektronische Bauelement zu schützen, als die Verwendung einer Evakuierungsvorrichtung, um ein elektronisches Bauelement vollständig zu evakuieren. Die in elektronischen Bauelementen üblicherweise verwendeten Getter sind Barium und Bariumlegierungen, wie Barium-Aluminiumlegierungen. Barium und Bariumlegierungen sind besonders geeignet für diesen Zweck, da diese Materialien ausreichend stabil sind, um eine sichere Handhabung während des Zusammenbaus des elektronischen Bauelementes zu gestatten und sie sind auch ausreichend reaktiv, um die Restgase wirksam aufzunehmen. Barium ist das am weitesten angewendete aktive metallische Material für blitzartig reagierende"(im englischen "flash-type"genannt) Getter in elektronischen Bauelementen

Gröbere Getter werden bei höheren Temperaturen in begrenzten Volumen verwendet, in denen ein Getterblitz unpraktisch ist. Die gröberen Getter müssen, um wirksam zu sein, bei erhöhten Temperaturen arbeiten, doch wirken sie nicht blitzartig. Metalle oder Mischungen von Metallen, die in gröberen Gettern verwendet werden, schließen Thorium, Titan, Cäsium, Zirkon, Uran, Tantal,

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Hafnium, Niob, Lanthan oder Mischungen seltener-Erdmetalle, wie Mischmetall, ein.

Im-Lichte des Vorstehenden wurde es als erwünscht befunden, Wasser, Wasserdampf und andere mit der Umhüllung reagierende Gase innerhalb des Brennstoff-Elementes während der Zeit, in der der Kernbrennstoff in Kernenergie-Anlagen verwendet wird, möglichst gering zu halten. Eine Lösungsmöglichkeit bestand darin, Materialien zu ermitteln, die chemisch rasch reagieren und sich mit Wasser, Wasserdampf und anderen reaktiven Gasen umsetzen oder diese absorbieren, um sie aus dem Inneren der Umhüllung zu entfernen. Obwohl verschiedene Getter für Wasser und Wasserdampf gefunden worden sind, wie eier in der US-Patentschrift 2 926 981 beschriebene Zirkon-Titan-Getter, ist es nach wie vor erwünscht, einen Getter zu entwickeln, der gleich schnell oder schneller mit Feuchtigkeit und Gasen reagiert und der insbesondere die Fähigkeit hat, rasch bei den Temperaturen zu reagieren, bei denen Kernbrennstoff-Elemente hergestellt werden.

Es ist festgestellt worden, daß bei einer bevorzugten Arbeitsweise ein Getter in Teilchenform in einem Behälter gehalten werden sollte, wodurch sichergestellt ist, daß nicht nur die ursprünglichen Teilchen der Legierung zurückgehalten werden, sondern auch die Reaktionsprodukte der Legierung, die sehr viel geringere durchschnittliche Teilchengrößen aufweisen können. Es ist auch festgestellt worden, daß der Behälter für die Aufnahme der Legierung in Teilchenform leicht zu füllen sein sollte, daß es möglich sein sollte, ihn mit gegebenen Dimensionen innerhalb enger Toleranzen herzustellen und daß der Behälter relativ beständig gegen Deformation während der Handhabung sein sollte.

Es ist nun in der Erfindung überraschenderweise festgestellt worden, daß eine Teilchenform von Barium oder einer Barium-Legierung (nachfolgend werden beide als bariumhaltiges Material bezeichnet), die in dem Hohlraum eines Kernbrennstoff-Elementes

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angeordnet ist., die Integrität eines Kernbrennstoff-Elementes . schützen kann und den Angriff auf die Umhüllung verhindern kann, indem/es Wasser, Wasserdampf und gegenüber der Umhüllung reative Gase wirksam gettert. Dies führt zu einer neuen Kombination eines Kernbrennstoff-Elementes, das ein'Additiv eines barium-, haltigen Materials enthält, das mit Wasser, Wasserdampf und reaktiven Gasen bei Temperaturen von Raumtemperatur bis zu der Temperatur des Brennstoff-Element-Plenums reagiert. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Getter aus einem bariumhaltigen Material in Teilchenform vor und ist In einen hohlen Behälter eingeschlossen, der eine Vielzahl gasdurchlässiger öffnungen in einem Teil des Behälters aufweist, wobei der Behälter in der Gaskammer des Kernbrennstoff-Elementes angeordnet ist. Auf diese Weise ist das bariumhaltige Material an einer der kühlsten Stellen des Brennstoff-Elementes während des Reaktorbetriebes angeordnet, und diese Stelle eliminiert im wesentlichen jede Umkehr der Getterreaktion des bariumhaltigen Materials mit dem Wasser, Wasserdampf und den reaktiven Gasen. Der das bariumhaltige Material fassende Behälter stellt nicht nur sicher, daß die ursprünglichen Teilchen des bariumhaltigen Materials darin gehalten werden, sondern er hält auch alle Reaktionsprodukte der Legierung zurück, die sehr viel geringere durchschnittliche Teilchengrößen aufweisen können und der Behälter ist leicht zu füllen, er kann in bestimmten Dimensionen hergestellt werden und ist während der Handhabung im wesentlichen beständig gegen Deformation. "

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt einer Kernbrennstoff-Einheit, die Kernbrennstoff-Elemente nach der vorliegenden Erfindung enthält, wobei ein Element im Teilquerschnitt dargestellt ist.

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Pig« 2 eine Schnittansicht des Hohlraumes eines Kernbrennstoff-Elementesj welche die Anordnung des Getters in einem gasdurchlässigen Behälter zeigt, der innerhalb eines Spiralteiles in der Gaskammer angeordnet ist und

Fig. 3 den gasdurchlässigen Behälter im Schnitt, der den Getter aus einem bariumhaltigen Material in Festkörperteilchenform enthält.

In Fig. 1 ist teilweise im Schnitt eine Kernbrennstoff-Einheit abgebildet. Diese Brennstoff-Einheit besteht aus einem rohrförmigen Kanal 11 mit dem allgemeinen quadratischen Querschnitt mit einem Hebelbügel 12, der sich nach außerhalb des Kanals erstreckt und einem Nasenteil am unteren Ende des Kanals 11, der jedoch in der vorliegenden Fig. 1 nicht dargestellt ist, da der untere Teil der Einheit 10 xvegge.lassen wurde. Das obere Endstück des Kanals 11 ist bei 13 offen und das untere Endstück des Nasenteils ist mit öffnungen für die Kühlmittelströmung versehen. Eine Anordnung von Brennstoff-Elementen 14 ist in dem Kanal 11 eingeschlossen, von denen ein Brennstoff-Element lh' teilweise im Schnitt dargestellt ist und die Anordnung wird durch die obere Endplatte 15 und eine untere, nicht-dargestellte Endplatte abgestützt. Das flüssige Kühlmittel tritt normalerweise durch die Öffnungen im unteren Endstück des Nasenteils ein und strömt um die Brennstoff-Elemente 14 herum nach oben und verläßt durch den oberen Auslaß 13 bei Siedereaktoren den Kanal 11 in teilweise verdampfter Form oder bei Druckreaktoren bei erhöhten Temperaturen in nicht verdampfter Form.

In Fig. 2 ist ein Kernbrennstoff-Element oder -Stab 14' teilweise im Schnitt abgebildet, der erfindungsgemäß konstruiert ist. Das Brennstoff-Element enthält Brennstoff-Material 16, das im vorliegenden Falle als eine Vielzahl von Brennstoff-Pellets aus spaltbarem Material dargestellt ist, das sich innerhalb einer Strukturumhüllung oder eines Behälters 17 befindet. In

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einigen Fällen können die Brennstoff-Pellets von verschiedener Gestalt sein, in anderen Fällen können verschiedene Brennstoffformen, wie teilchenfä'rmiger Brennstoff verwendet werden, nie physikalische Form des Brennstoffes ist für die vorliegende Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung:, Verschiedene Kernbrennstoff-Material! en können verwendet werden·! einschließlich Uran-Verbindungen, Plutonium-Verbindungen, Thorium-Verbindüngen und deren Mischungen... Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxyd oder eine Mischung: aus Urandioxyd und Plutoniumdioxyd. Der* Behälter ist an seinen Endstücken durch die Stopfen 18 abgedichtet, die Bolzen 19 aufweisen können, um die Montage des Brennstoff-Stabes in der Einheit zu erleichtern. Ein Hohlraum oder Plenum, ist an dem einen Endstück des Brennsto ff -Element es vorgesehen,, um eine Längsausdehnung des - Brennstoff-Materials und eine Ansammlung von Gasen zu ermöglichen, die- vom Brennstoff-Material abgegeben werden* Ein Spiral teil 2t ist innerhalb, des; Raumes 2Q angeordnet und stützt innen den Teil der umhüllung 1?,, der den Raum 20 umgibt und der anders gegen den äußere« Druck der Fiaderator-KühlmLttei-Strömungsmi'fcteX nicht; abgestützt: ist*. Bas Spiralteil 21 dient außerdem aazuj die Position des Brennstoffes während: der Handhabung und des. Transportes- der Brennstoff-Elemente festzulegen. Die Umhüllung 17 ist mit dem Snfi^topifeitt 1.8 durch Rings chweißungen 22 verbunden,.

Das Brennstoff-Element ist so entwerfe«,, daß es einen ausgezeichneten thermischen Kontakt zwischen der Umhüllung und; d!em Brennsto ff-Material ermöglicht _J; ein Minimum parasitärer Neu— tronen-Äbsorption aufweist und gegenüber Verbiegen und Vibrieren,, wie es gelegentlich durch die Kühlmitteiströmung: hoher Geschwindigkeit verursacht wird,_: beständig ist -

Den. Figuren 2 und 3 kann entnommen, werden,; daß in, dem Raum 20 innerhalb des Spiralteils 21, das vorzugsweise ein aus rostfreiem Stahl hergestelltes Spiralteil ist,- ein hohler- Behälter'

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angeordnet ist, vorzugsweise ein metallischer Behälter wie aus rostfreiem Stahl, der eine Vielzahl gasdurchlässiger Öffnungen in einem Teil aufweist, vorzugsweise an einem Endstück oder einer Kappe 25 des Behälters, welche es den in das Plenum 20 eintretenden Gasen und Flüssigkeiten gestatten, in den Behälter 23
zu gelangen. In dem Behälter 23 Ist ein Getteradditiv 2k angeordnet, das aus Barium oder Barium-Legierungen zusammengesetzt ist, die ein oder mehrere Legierungskomponenten außer Barium
enthalten, wie Aluminium, Zirkon, Nickel, Titan und Kombinationen der vorgenannten Metalle. Der Getter liegt vorzugsweise in Teilchenform vor, um eine maximale Oberfläche pro Gewichtseinheit des Getters für die Reaktion mit den Gasen und Flüssigkeiten die in den Behälter 23 gelangen, zu haben.

Im allgemeinen machen die legierenden Bestandteile bis zu
15 Gew.-% der Legierung aus, während der Rest Barium ist. Doch sind verschiedene vorteilhafte Legierungen mit mehr als 15 Gew.-% legierenden Bestandteilen ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich. Eine solche bevorzugte Legierung enthält
etwa 50 Gew.-% Aluminium und der Rest 1st Barium. Eine andere
solche Legierung enthält etwa 10 Gew.-/S Nickel, etwa 40 Gew.-% Aluminium und der Rest ist Barium. Eine weitere bevorzugte
Legierung enthält etwa 15 bis 20 Gew.-% Zirkon und der Rest Ist Barium.

Während In den Figuren 2 und 3 eine bevorzugte Ausführungsform des Getters der vorliegenden Erfindung dargestellt ist,*können auch andere physikalische Formen des Getters in dem Plenum 20
verwendet werden, einschließlich Folien,· Platten, Filmen, Drähten, Stäben,'Stangen und Kombinationen der vorgenannten. Diese anderen physikalischen Formen können in dem Plenum angeordnet sein, vorzugsweise innerhalb des Spiralteils 20 und vorzugsweise in einem Behälter, wie einem aus rostfreiem Stahl.

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Der Behälter 23 der Figuren 2 und 3 ist vorzugsweise in der Form eines rechtwinkligen Zylinders dargestellt, obwohl auch jede andere Konfiguration des Behälters geeignet ist. Ein Endstück oder eine Kappe 26 und der zylindrische Wandteil 28 sind

das aus festem Metall, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gebildet und/ andere Endstück oder die Kappe 25 ist vorzugsweise ein Netzmaterial und vorzugsweise ein Netz aus rostfreiem Stahl mit etwa 400 bis etwa 32 Maschen/Zoll (entsprechend einer lichten Maschenweite von etwa 0,03 bis 0,5 mm). Der Behälter wird durch Schweißen, Löten oder anderes Verbinden des festen Endstückes und des Netzendstückes mit dem Wandteil 28 des Hohlzylindershergestellt. Die Endstücke .oder Kappen 25 und 26 sind vorzugsweise konkav oder mit einer Vertiefung in d_sen Zylinder hinein ausgebildet,· wie dies in Figur 3 dargestellt ist^ um das Schweißen zu erleichtern. Eine wirksame Menge eines Getters wird durch das offene Endstück des Behälters in diesen eingefüllt,.wozu_ vorzugsweise das Netzende offen gelassen wird und danach verschließt man dieses Endstück durch Punktschweißen. Vorzugsweise werden 5 +ig Getter in einem Brennstoff-Stab verwendet, der etwa 5 kg gesinterten Kernbrennstoff-Material enthält, .das,, entspricht im allgemeinen einem Gramm Getter pro Kilogramm Brennstoff-Material.. Größere Mengen Getter werden in Pulver-Brennstoffstäben verwendet, sowie in Brennstoffstäben, in denen, man große Mengen beeinträchtigender Gase erwartet.

Die bevorzugte Verwendung des Getterbehälters 23 führt zu weiteren Vorteilen. Der Behälter 23 stellt nicht nur sicher, daß der teilchenförmige Getter darin gehalten wird, sondern er hält auch die Reaktionsprodukte, die bei der Umsetzung des Getters mit den reaktiven Gasen in dem Brennstoff-Element entstehen. Auf diese Weise kann das teilchenförmige Material aus dem Plenum nicht in den Teil des Brennstoff-Elementes gelangen, in dem sich der Kernbrennstoff befindet und die Produkte der Getterreaktion werden in dem freien Raum gehalten, der der Teil mit

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der geringsten Temperatur des Brennst off-Elementes- ist. Dies hält die Produkte der Getterreaktion bei einer geringeren Temperatur und verringert die Möglichkeit, daß die Reaktionsprodukte höheren Temperaturen ausgesetzt sind, die dazu führen würden, die reaktiven Gase freizusetzen, die bei der Bildung des Reaktionsproduktes gebunden wurden. Der Behälter 2J> ist leicht zu füllen, er kann in sehr engen Dimensionstoleranzen hergestellt werden und hat aufgrund der Festigkeit des Metalls, das die zylindrische Wand bildet, eine ausgezeichnete Stabilität hinsichtlich der Dimension. Weiter vermindert die Festigkeit des Metalls der Zylinder-Wand die Deformation des Behälters während der Handhabung und des Zusammenbaus des Brennstoff-Elementes. In einer* anderen Ausfuhrungs form des Behälters Mannen ein oder mehrere Öffnungen in einem Teil der Zylinderwand 28 eingearbeitet werden, um den Gasen die Möglichkeit zu geben, zum Getter zu gelangen. Bei dieser Ausführungsform kann außerdem die Netzen dkappe 25 verwendet werden adez* sie kann durch eine feste Endkappe ersetzt werden.

Der in dem Kernbrennstoff-EIement der vorliegenden Erfindung verwendete Getter und seine Eigenschaften sollen nunmehr im einzelnen beschrieben werden.

Es wurde festgestellt, daß ein Gettermaterial, das für die Einstellung, eines bestimmten Gehaltes an Feuchtigkeit und anderen reaktiven Gasen durch chemische Reaktion mit diesen gasförmigen Materialien geeignet ist, eine Kombination von Eigenschaften haben sollte. Eine erwünschte Eigenschaft ist das Verringern freien Wasserstoffes nach der chemischen Umsetzung des Getters mit Wasser auf einen Minimalgehalt, da dadurch mögliche Hydridbeschädigungen der Umhüllung des Kernbrennstoff-Elementes vermieden werden. Der Getter sollte daher ungefähr stöchiametriscn mit Wasser und Wasserdampf in solch einer Weise reagieren, daß nur eine vernachläßigbare Menge Wasserstoff bei dieser Reaktion entsteht. Der Getter sollte auch rasch mit dem Wasser bei den

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in dem System vorherrschenden Temperaturen, in dem der Getter verwendet wird,reagieren. Der Getter sollte im allgemeinen einen geringen Neutrorienquerschnitt aufweisen und billig herzus.tellen sein. Ferner sollte der Getter auch mit Wasserstoff, anderen reaktiven Gasen, wie Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Sauerstoff, Stickstoff und wasserstoffhaltigen Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffen reagieren können.

Barium und Barium-Legierungen, wie sie hierin beschrieben sind, haben die vorgenannten Eigenschaften und können einfach käuflich erworben oder in Form kleiner Teilchen hergestellt werden, die Tyler-Siebgrößen im Bereich von etwa Nr. 1 bis KTr. 8 aufweisen und so eine große Oberfläche für die Umsetzung mit irgendxvelchen in dem Brennstoff-Element vorhandenen reaktiven Gasen aufweisen. Barium-Legierungen, die ein oder mehrere Metalle neben Barium enthalten, wie Aluminium, Zirkon, Nickel, Titan oder deren Kombinationen, können einfach käuflich erworben wer- den und sie haben in dem vorgenannten Größenbereich eine große Oberfläche, die sie mit allen in dem Brennstoff-Element vorhandenen reaktiven Gasen umsetzt.

Der Verunreinigungsgehalt der bariumhaltigen Materialien ,ist für die Entwicklung der vorgenannten Gettereigenschaften nicht kritisch und es können beträchtliche Mengen, Verunreinigungen in den hergestellten bariumhaltigen Materialien vorhanden sein, solange die Oberfläche der bariumhaltigen Materialien wirksames Barium für die Umsetzung enthält. Es ist festgestellt worden, daß Sauerstoffgehalte bis zu einigen 1000 ppm in den bariumhaltigen Materialien tolerierbar sind. Gleiches gilt für Stickstoffgehalte bis zu etwa 750 ppm. Die anderen in den erfindungsgemäß verwendeten bariumhaltigen Materialien -gefundenen Verunreinigungen, die ebenfalls nicht deren Verwendung als Getter in Kernbrennstoff-Stäben hindern, schließen Wasserstoff und Kohlenstoff ein. Metallische Verunreinigungen der bariumhaltigen Materialien, xtfelche die Verwendung dieser Materialien als Getter

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nicht beeinträchtigen, sind Hafnium in Mengen bis zu 1000 ppm oder mehr, Eisen in Mengen bis zu 1000 ppm oder mehr und Chrom in Mengen bis zu 1000 ppm oder mehr. Die Tatsache, daß der Verunreinigungsgehalt der bariumhaltigen Materialien für ihre Verxiendung als Peuchtigkeitsgetter nicht kritisch ist, ermöglicht die Herstellung der bariumhaltigen Materialien aus entsprechend itfeniger hochgereinigten metallischen Ausgangsstoffen. Da die bariumhaltigen Materialien jedoch in dem Plenum von Brennstoff-Elementen verwendet werden, sind geringe Verunreinigungsmengen mit hohem Neutronen-Absorptionsquerschnitt nachteilig.

Die bariumhaltigen Materialien, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, haben die Fähigkeit^, mit Wasser für lange Zeiten mit einer großen Reaktionsgeschwindigkeit zu reagieren und dies in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur (d. h. etwa 20⁰C bzw. 70°P) bis zu der Temperatur des Plenums des Brennstoff-Elementes, die im allgemeinen bei etwa 3²JO + 55°C Centsprechend 650 + 100 °_F)liegen, ohne passiv zu werden. WäKrend der Umsetzung mit Wasser lassen die bariumhaltigen Materialien im wesentlichen keinen freien Wasserstoff entstehen, so daß die zusammen mit den Gettern der vorliegenden Erfindung verwendete Umhüllung im wesentlichen keinem Wasserstoff ausgesetzt ist. Dadurch wird die Bildung von Metallhydriden vermieden, die schließlich zum Erweichen oder zur Beschädigung der Umhüllung führen würde. Diese minimale Freigabe, von Wasserstoff während der Reaktion der bariumhaltigen Materialien mit Wasser zeigt, daß eine im wesentlichen stöchiometrische Umsetzung der bariumhaltigen Materialien mit Wasser stattfindet. Untersuchungen haben gezeigt, daß die in der ,vorliegenden Erfindung verwendeten bariumhaltigen Materialien rasch mit Wasserstoff in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zur Betriebstemperatur des Reaktors reagieren, so daß diese Materialien wirksame Wasserstoffgetter sind. Die bariumhaltigen Materialien reagieren auch mit wasserstoffhaltigen Verbindungen, wie Kohlenwasserstoff und mit

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anderen Gasen, wie Stickstoff, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd und Sauerstoff. Die bariumhaltigen Materialien haben geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte, wie für Nuklearanwendungen erforderlich, wenn solche Verunreinigungen mit hohen Neutronen-Absorptionsquerschnitten möglichst gering gehalten werden.

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Claims

- 15 AnsDrüche

( IJ Kernbrennstoff-Element mit einem langgestreckten Umhüllungsbehälter (17), einem Körper (16) aus Kernbrennstoff-Material in dem Umhüllungsbehälter (17), das diesen teilweise füllt und einen inneren Hohlraum (20) freiläßt, Endverschlüsse (25, 26), die integral mit jedem Endstück des Umhüllungsbehälters (17) dicht/sind, einem Spiralteil (21) in dem Hohlraum (20) und eine wirksame Menge eines Additivs (24) aus Barium oder Bariumlegierungen, wobei die Legierungen eine Legierungskomponente aus Aluminium, Zirkon, Nickel, Titan oder deren Kombination enthalten, in dem Hohlraum (20).
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv in einem Behälter (23) gehalten ist, der in dem Spiralteil (21) in dem Hohlraum (20)

" angeordnet ist, wobei der Behälter (23) eine Vielzahl gasdurchlässiger öffnungen in einem Teil aufweist. .
3. Element nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bariumlegierung (24) eine Barium-Aluminium-, eine Barium-Aluminium-Nickel-, eine Barium-Zirkon-, eine Barium-Niekel- oder eine Barium-Titan-Legierung ist.
4. Element nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umhüllungsbehälter (17) aus Zirkon, Zirkonlegierungen, rostfreiem Stahl-, Aluminium oder Aluminiumlegierungen besteht.
5. Element nach den Ansprüchen 1 bis 4, da- durch gekennzeichnet, daß das Kernbrennstoff-Material (16) aus Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen oder deren Mischungen besteht.

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6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß das Kernbrennstoff-Material (16) aus Urandioxyd oder einer Mischung aus Urandioxyd und Plutoniumdioxyd besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoff-Elementes, gekennzeichnet durch teilweises Füllen eines Umhüllungsbehälters (17) mit einem Kernbrennst of f-Material (16) unter Freilassung eines Hohlraumes (20) an einem Endstück, welches offen Ist, Einführen eines Spiralteiles (21) in den Hohlraum (2O)₅ Einfüllen einer wirksamen Menge eines Additivs (2h) aus Barium oder Bariumlegierungen In den Hohlraum (2O)₅ wobei die Legierungen einen Legierungsbestandteil aus Aluminium, Zirkon, Nickel, Titan oder deren Kombination enthalten, Anbringen eines Endverschlusses an dem offenen Endstück des Umhüllungsbehälters (17), wobei der Hohlraum (20) In Verbindung mit dem Kernbrennstoff (16) bleibt und Verbinden des Endstückes des TJmhüllungsbehälters (17) mit dem Endverschluß .unter Bildung einer Abdichtung zwischen beiden, wobei das Additiv (2A) den in dem Umhüllungsbehälter (17) freigesetzten reaktiven Gasen ausgesetzt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv (24) in Teilchenform vorliegt und in einem hohlen Behälter (23) mit einer Vielzahl gasdurchlässiger öffnungen in einem Teil (25) gehalten wird und daß der hohle Behälter (23) in den Hohlraum (20) des Umhüllungsbehälters (17) eingeführt wird.
9. Verfahren sum Schutz der Umhüllung eines Kernbrennstoff-Elementes gegen inneren Angriff, gekennzeichnet durch die Einführung einer wirksamen Menge eines Additivs (2h) aus Barium oder Bariumlegierungen In das Brennstoff-Element (1*0.

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10. Verfahren nach Anspruch 9₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (17) aus einer Zlrkonlegierung besteht.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 9 oder 10, dadurch geke.nnzei c h η e t, daß das Additiv (24) In dem Hohlraum (20) des Brennstoff-Elementes (14) angeordnet wird,
12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv (2*0 in Festkörperteilchenform vorliegt und In einem gasdurchlässigen Behälter (23) gehalten wird.

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