DE2346463C2 - Kernbrennstoffhülse - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Kernbrennstoffhülse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Diese mittlerweile bekanntgewordene Kernbrennstoffhülse (DE-OS 21 28 911) weist einen zum Verschließen ihres offenen Endes dienenden Verschlußstopfon so auf, der einen in das offene Ende passend eingreifenden Verschlußteil, einen demgegenüber geringeren Querschnitt aufweisenden, als Wärmedämmung dienenden Steg, welcher sich axial von dem Verschlußteil in das Hülseninnere erstreckt, und einen gegenüber dem Steg einen größeren Querschnitt aufweisenden, am Stegende angebrachten Endflansch aufweist. Dieser Endflansch steht seinerseits mit einer Plenumfeder in Berührung.

Beim Verschweißen des Stopfens mit der Hülse kann die Wärmeübertragung im Innern dieser Hülse zur Legierungsbildung zwischen der Plenumfeder und der Stopfenoberfläche führen. Der die Wärmeübertragung hemmende Steg verhindert aber, daß sich das der Plenumfeder benachbarte Ende des Stopfens in ungebührlicher Weise aufheizt, so daß durch den genannten Vorschlag die unerwünschte Legierungsbil dung unterbunden wird.

Obwohl sich die Erfindung ebenfalls mit einer

Kernbrennstoffhülse befaßt, geht sie doch von einer ganz anderen Problemlage aus: Bevor während der Herstellung eingehülster Atombrennstoff der Hülsenverschluß hergestellt wird, wird das Innere der Hülse evakuiert (ggf. mit einem inerten Gas angefüllt), damit sämtliche Fremdkörper beseitigt werden, welche später chemische Reaktionen eingehen können, durch welche die Eignung der Hülse als Behälter für Atombrennstoff beeinträchtigt werden kann. Trotz dieser Vorsichtsmaßnahmen, welche eine Routinemaßnahme bei der Herstellung von eingehülstem Atombrennstoff darstellen, ist es schwierig sicherzustellen, daß die Beseitigung von Fremdkörpern oder Fremdsubstanzen absolut ist, denn einige Gase oder Dämpfe, insbesondere Wasserdampf, verbleibt in adsorbierter Form in festen Oberflächen innerhalb der Hülse. Der Erfinder hat erkannt, daß manche Fehler bei eingehülstem Brennstoff auf chemische Reaktionen zurückgefüh-t werden können, welche innerhalb der Hülse zwischen den gasförmigen Komponenten dieser absorbierten Dämpfe auftreten, wobei diese Komponenten erst dann frei auftreten, nachdem die Hülse der Strahlung und hohen Temperatur in einem Atomreaktor ausgesetzt wurde. Eine Beseitigung der Fehler an dieser Stelle bedeutet ein höchst drastisches Vorgehen, denn dies hat zur Folge, daß der Reaktor außer Betrieb gesetzt und ein Teil des Reaktorkccnes ausgebaut werden muß, damit die fehlerhafte Brennstoffhülse herausgezogen werden kann.

Von den verwendbaren Hülsenmaterialien ist Zirkonium wegen seines geringen Neutronenabsorptionsquerschnittes und wegen seines in Verbindung mit anderen Legierungsbestandteilen vorhandenen guten Hochtemperaturverhaltens ein ausgezeichnetes Ausgangsmaterial für eine Legierung zur Herstellung der Hülse und deren Verschlusses. Zirkonium als Grundmaterial enthaltende Legierungen, wie diejenigen, die unter der Handelsbezeichnung »Zircalloy« gehandelt werden, neigen zur Aufnahme vr>n Wasserstoff und reagieren somit mit einem solchen Gas unter Bildung von Zirkoniumhydrid.

Mit Sicherheit verbleibt etwas Wasserdampf innerhalb einer geschlossenen Hülse. Der Wasserdampf wirkt später als mögliche Quelle für freien Wasserstoff. Es wurde festgestellt, daß der Angriff des Hülsenverschlusses durch diesen freien Wasserstoff, begleitet durch die Bildung des Hydrides, welches zur Dichtungsschweißnaht des Verschlusses wandert, zu einer Zerstörung der Wirksamkeit der Hülse führt.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte, bekannte Kernbrennstoffhülse dahingehend weiterzubilden, daß ihre Integrität während des Betriebes trotz sich etwa einstellender Wasserstoffentwicklung aufrechterhalten bleibt.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Kernbrennstoffhülse durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs I gelöst. Es bildet hierbei der Stopfen einen Verschlußteil, welcher derart gestaltet ist, daß er in das offene Ende eingreift, sowie einen sich axial von dem Verschlußteil in das Hüiseninnere erstreckenden Steg verringerten Querschnitts aufweist, welcher in einen Flansch mit demgegenüber größerem Querschnitt aus einem Material auslauf, welches selektiv angriffsfähig für Wasserstoff ist. Der Verschlußteil des Stopfens, der Steg und der Flansch können aus einem einzigen Halbzeug aus Metall spanabhebend hergestellt sein, welches vorzugsweise eine Legierung mit Zirkonium als Grundbestand-

teil ist Unabhängig davon, ob diese Teile einstückig sind oder einen Verbundkörper darstellen, kann die dem Hülseninneren zugewandte Stirnfläche des Flansches eine ausgeprägte Oberflächenrauhigkeit haben, d. h. die vom Maschinenwerkzeug herrührenden Markierungen werden beibehalten, so daß die Stirnfläche rauher ist, als die Innenseite der Hülsenwand und eine Absorption des Wasserstoffs an der Stirnfläche begünstigt ist Die Abmessungen dieser Teile des Stopfens sind, falls sie zylindrisch sind, derart, daß der Flansch in die Hülse unter Freihaltung eines geringen Spaltes eingreift und mit dem Verschlußteil über einen Steg verbunden ist dessen Durchmesser etwa halb so groß ist wie derjenige des Flansches.

Brauchbare QuersehniusverhäHnisse liegen in den folgenden Bereichen:

Hülseninnendurchmesser
und Verschlußteil

Flansch

Steg

20

4,0
6,0

1,0 und \5

Bevorzugte Abmessungsverhältnisse sind etwa
6,8 : 5,0 : 1,2

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In einem typischen Fall kann ein Ringspalt von 0,5 mm zwischen dem Umfang des Flansches und der Hülsenwand vorgesehen werden. JO

Der Verschlußteil, der Steg und der Flansch können aus zwei oder mehr getrennten Einzelteilen bestehen, die zu einer Einheit verbunden werden.

Vorzugsweise ist der Flansch aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung, wobei die der Brennstoffüllung zugewandte Stirnseite des Flansches aufgerauht sein kann, so daß die Aufnahmefähigkeit des Flansches für Wasserstoff erhöht ist Dieser Flansch, welcher den heißesten Teil des Stopfens bildet, da er dem Brennstoff am nächsten ist ist derjenige Teil, in welchem Hydride bevorzugt gebildet werden. Wenn sich das Hydrid bildet und eine gewisse Konzentration erreicht, wandert es entlang den Korn- oder Kristallgrenzen wegen des abfallenden Temperaturgradienten von der heißen Stirnfläche des Flansches zur kühleren Flanschseite und dem dort angrenzenden Steg hin in den Flansch hinein. Der geringe Querschnitt des Steges bildet ein Hindernis für die Wärmeleitung und die Hydridübertragung und verhindert somit die Bildung des Hydrides am Stopfen im Bereich der Dichtungsschweißnaht bzw. die Übertragung des in den heißere:' Flanschbereichen gebildeten Hydrides in die Schweißnaht

Die Wirksamkeit oder Integrität der Brennstoffhülse ist somit verbessert da die Schweißnaht nicht dem Hydridangriff ausgesetzt ist. Funktionell sind die Abmessungsverhäl'.nisse derart, daß gewährleistet ist, daß der Flansch dem Hülseninneren eine ausreichend große Oberfläche darbietet, so daß er den größten Anteil jedweden Wasserstoffes leicht aufnimmt welcher in dem den Brennstoff enthaltenden Raum entsteht und daß der Steg einen ausreichend geringen Querschnitt hat (selbstverständlich) den Flanseh abzustützen und sowohl für die Wärmeleitung vom Flansch und für die Diffusion von Hydridsalzen aus dem Flansch zum Verschlußteil sowie über diesen in die Schweißnaht zwischen der Hülse und dem Verschlußstopfen ein wirksames Hindernis bildet.

In einer Ausgestaltung kann der Verschlußstopfen als Doppelstopfen ausgebildet sein, so daß er zwei koaxiale Metallhülsen miteinander verbinden kann, wobei jedes Stopfenende einen Steg und einen Endflansch aufweist, welcher füi Wasserstoff aufnahmefähig ist.

Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch einen Teil einer zylindrischen Brennstoffhülse, nämlich durch lediglich ein Ende, mit einem Verschlußstopfen, und

F i g. 2 einen Axialschnitt durch einen Doppelstopfen, welcher zwei gleiche, mit ihren Enden einander zugewandte Brennstoffhülsen miteinander verbindet.

Die Atonibrennstoff-Hülse in Fig. 1 besteht aus einem Rohr 1 zylindrischen Querschnitts aus einer Zirkonium als Grundbestandteil enthaltenden Legierung. Die Hülse enthält Tabletten 2 aus Atombrennstoff, wie aus Urandioxidpulver. Die Tabletten füllen nicht das gesamte Innere der Hülse aus. Vielmehr ist ein freier Raum 3 an einem Hülsenende freigehalten. Das Ende der Hülse ist durch den Verschlußteil 4 eines Stopfens verschlossen und durch eine Umf,*c;gsschweißnaht 5 abgedichtet Nicht gezeigte federnde Elemente sind als Abstandshalter für die Tabletten vorgesehen.

Von dem Verschlußteil 4 des Stopfens ragt ein Steg 6 verringerten Durchmessers weg, welcher an seinem freien Lnde einen Flansch 7 aus einer Zirkoniumlegierung trägt an welchem Wasserstoff bevorzugt angreift. Wie gezeigt sind der Verschlußteil 4, der Steg 6 und der Flansch 7 einteilig, indem sie aus einem einzigen Halbzeug spanabhebend hergestellt sind. Der Flansch 7 ist in seinem durch die spanabhebende Bearbeitung erzeugten Zustand verblieben, wohingegen die Flächen des Verschlußteiles, welche an der Hülsenwand angreifen, fertig geglättet sind, so daß keinerlei Werkzeugmarkierungen verbleiben.

Für einen Hülseninnendurchmesser t/l von 13,6 mm hat der Flansch einen Durchmesser d2 von 10 mm, wohingegen der Stegdurchmesser </3 2,4 mm beträgt.

Im Betrieb sammelt sich der vom Wasser -.,elches aus den Brennstofftabletten ausgeschieden wird, trennende Wasserstoff in dem Raum 3 und, da er ein leichtes Element ist, steigt er nach oben, wo er auf die heiße Stirnfläche des Flansches 7 auftrifft welche von einem engen Ringspalt Ta zwischen dem Umfang des Flansches und der Hülsenwand umgeben ist.

Somit ist die Wahrscheinlichkeit, daß der Wasserstoff von der rauhen Oberfläche des Flansches, d.h. von dessen heißesten Bereich, adsorbiert wird, sehr groß und für das Hindurchtreten von Wasserstoff durch den Spalt Ta klein. Der Wasserstoff reagiert, wenn er erst adsorbiert ist, mit dem Zirkonium im Flansch 7 und bildet ein Zirkoniumhydrid, welches entlang der. Korngrenzen in den Steg 6 diffundiert, solange ein Temperaturgradient vorhanden ist d. h. die Temperatur von der Stirnseite des Flansches zum Steg 6 hin abfällt. In diesem kühleren Bereich neigen die Üalze zur Ausscheidung an der Stegfläche. Hierdurch wird eine Wanderung der Hydride aus dem Steg in den Verschlußteil des Stopfens ur<d von dort in die Dichtungsschweißnaht 5 vermieden, welche andernfalls geschwächt und sehr anfällig gegen Bruch werden würde. Andere von dem Vorhandensein von freiem Wasserstoff in der Brennstoffhülse begleitete Zerstörungseffekte sind ebenfalls vermieden.

Der beschriebene Verschlußstopfen kann sowohl an dem einen als auch dem anderen Ende der Hülse verwendet werden und falls erwünscht, können die

Brennstofftabletten sich an der Stirnfläche des Flansches 6 abstützen, wobei Vorsorge zu treffen ist, daß die eine oder beide der aneinander angrenzenden Flächen derart ausgespart oder gewölbt werden, daß ein maximaler Oberflächenbereich den Verunreinigungsgasen präsentiert wird.

Fig.2 zeigt einen Doppelstopfen für die endseitige Verbindung zweier mit ihren Enden einander zugewandten Brennstoffhülsen 11, 12. wobei außerdem die Innenräume der beiden Hülsen miteinander verbunden werden.

Im einzelnen enthält jede Hülse 11, 12 übereinandergestapelte Tabletten 13 aus Atombrennstoff, wobei die Länge der Hülse diejenige der Brennstoffüllung übersteigt, so daß ein Raum 14 über der obersten Brennstofftablettc in der unteren Hülse 12 frei bleibt. Der Verbindungsstopfen 15 vereinigt in der Wirkung zwei der in F i g. I gezeigten Stopfen dadurch, daß diese Rücken an Rücken über ein Brückenstück 16 miteinander verbunden werden. Letzteres weist ein Paar von im Abstand voneinander angeordneten Flanschen 17 auf. welche über den Umfang der Hülsenwand nach außen hinausragen, um die Brennstoffhülse am Umfang von der Wand des sie aufnehmenden Kanals oder von benachbarten Brennstoffhülsen auf Abstand zu halten. Der Doppelstopfen ist aus einem einzigen Halbzeug aus Zirkoniumlegierung spanabhebend hergestellt. Jedes Stopfenende weist einen Endflansch 18, einen Steg 19 und einen Verschlußteil 20 auf, die ähnlich oder gleich wie der Einzelstopfen in F i g. I bemessen sind. Durch den ganzen Rohling für den Doppelstopfen wird ein Kanal 22 gebohrt, welcher eine Verbindung für Hülseninnenräume miteinander erlaubt.

Die Wirksamkeit des Stopfens in Fig. 2 ist gleich derjenigen des Stopfens in Fig. 1, d. h., er wehrt einen typischen Hydridangriff in den folgenden Stufen ab:

a) Wasserstoff aus dem Brennstoff unter Betriebsbedingungen ausgeschiedenem Wasser tritt in der Hülse auf und steht einer sehr heißen Endfläche des Flansches 7 (18) gegenüber;

b) eine Schicht aus Zirkoniumhydrid wird auf der Endfläche des Flansches gebildet, wenn der letztere

to Wasserstoff adsorbiert:

c) ggf. beginnt ein Diffusionsmechanismus, durch welchen das Hydrid von der heißen rindfläche in die kühleren Bereiche des Stopfens übertragen werden, d. h. zu der von der F.ndfläche iibgcwandten Flanschseite und dem Steg hin. Schließlich ist der Hydridanteil an der Außenseite des Flunsches größer als an der Endfläche. Es wird darauf hingewiesen, daß dieselben Reaktionen gleichzeitig an der Oberfläche der Hülsen wand stattfinden, falls diese aus Zirkoniumlegierung besteht. Jedoch findet eine Hydridwanderung entlang der Hülsenwand nur in einem sehr geringen Ausmaß statt, da der Temperaturgradient entlang diesem Teil. verglichen mit den abfallenden Tcinperaturgradienten entlang des Stopfens von dem Flansch zu dem Verschlußteil über den Sieg des Stopfens klein ist.

Endlich scheidet sich Zirkoniumhydrid in der Fläche der kühleren Bereiche des Steges ab und dadurch wird eine Verunreinigung der Schweißnaht durch Hydride gut abgewehrt, wobei die Schweißnaht die Endbarriere gegen ein Undichtwerden bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffhülse mit einem zum Verschließen eines offenen Endes der Hülse dienenden Verschlußstopfen, der einen in das offene Ende passend eingreifenden Verschlußteil, einen demgegenüber einen geringeren Querschnitt aufweisenden, als Wärmedämmung dienenden Steg, welcher sich axial von dem Verschlußteil in das Hülseninnere erstreckt, und einen gegenüber dem Steg einen größeren Querschnitt aufweisenden, am Stegende angebrachten Endflansch aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Endflansch (7; 18) aus einem für Wasserstoff aufnahmefähigen Material hergestellt ist. ι a

2. Kernbrennstoffhülse mit einem Verschlußstopfen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in das offene Ende der Hüise (1; 11, 12) eingreifende Verschlußteil (4; 20), der Steg (S; 19) und der Edflansch (7; 18) einstückig aus demselben Material hergestellt sind.

3. Kernbrennstoffhülse mit einem Verschlußstopfen nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Endflansch (7; 18) aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung gebildet ist

4. Kernbrennstoffhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Verschlußteil (4; 20) abgewandte Oberfläche des Endflansches (7; 18) eine Oberflächenrauhigkeit hat, die größer als diejenige der Innenfläche der Hülsenwanrf ist.

5. Kernbrennstoffhülse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vov.i Verschlußteil 4; 20) abgewandte Fläche de» Endflansches (7; 18) eine Anzahl von darin ausgebildet in Ringnuten oder Ringrillen aufweist.

6. Kernbrennstoffhülse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der das Ende der Hülse (1; 11,12) verschließende Verschlußstopfen (4; 20) über eine Dichtungsschweißnaht (5; 21) mit der Hülse verbunden ist.