DE2420600B2 - Kernbrennstab - Google Patents

Description

Verhältnissen zu einer örtlichen Hydrierung des Behälters mit einer einhergehenden Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Behälters führen kann. Der Behälter wird außerdem in einem breiten Temperaturbereich nachteilig beeinflußt durch solche Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxyd and Kohlendioxyd.

Der Ziriosui-Behälter eines Kernbrennstabes ist während der Bestrahlung in einem Kernreaktor einem oder mehreren der vorstehend genannten Gase trotz der Tatsache ausgesetzt, daß diese Gase in dem Reaktorkühlmittel oder im Moderator nicht vorhanden sein können und auch noch weiterhin weitmöglichst während der Herstellung des Behälters und des Kenbrennstabes aus der Umgebungsatmosphäre ferngehalten werden. Die gesinterten hochschmelzenden Keramikmaterialien, wie beispielsweise Urandioxyd, und andere als Kernbrennstoff verwendete Materialien geben bei Erhitzung meßbare Mengen der vorgenannten Gase frei, beispielsweise während der Herstellung der Kernbrennstabes und insbesondere während einer Bestrahlung. Es ist bekan.it, daß teilchenförmige hochschmelzende und Keramikstoffe, wie beispielsweise Urandioxydpulver und andere als Kernbrennstoff verwendete Pulver während der Bestrahlung sogar noch größere Mengen der vorstehend genannten Gase freigeben Diese Gase reagieren mit dem Zirkonbf halter, welcher den Kernbrennstoff umschließt. Diese Reaktion kann zu einem Ürüchigwerden oder zu einer Versprödung des Behälters führen, was die Integrität des Kernbrennstabes gefährdet. Obwohl Wasser und Wasserdampf sich nicht unmittelbar zur Herbeiführung dieses Ergebnisses umsetzen können, reagiert Wasserdampf bei hohen Temperaturen mit Zirkon und Zirkonlegierungen unter Erzeugung von Wasserstoff, und dieses Gas reagiert dann weiterhin örtlich mit Zirkon und Zirkonlegierungen und bewirkt eine Versprödung. Diese unerwünschten Folgeerscheinungen werden noch gesteigert durch die Freisetzung dieser Restgase im Innern des ^erschlossenen, mit Metall umkleideten Kernstabes, da hierdurch der Innendruck in dem Element erhöht wird und auf diese Weise Spannungen bei Anwesenheit von korrodierenden Verhältnissen erzeugt werden, welche bei der ursprünglichen Konstruktion des Behälters nicht vorausgesehen wurden.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen wurde es als erwünscht betrachtet, den Anteil von Wasser, Wasserdampf und anderen Gasen, besonders Wasserstoff, welche mit dem Behältermaterial reagie ren können, während des gesamten Zeitraumes, in dem ein Kernbrennstab im Beineb von Kernkraftanlagen verwendet wird, im Innern eines solchen Kernbrennstabes auf ein Minimum zu bringen. Ein Lösungsweg hierzu bestand in der Auffindung von Materialien, die chemisch schnell mit dem Wasser, dem Wasserdampf und anderen Gasen reagieren, um diese aus dem Innenraum des Behälters zu entfernen, und solche Materialien werden als Getter bezeichnet. So wurden verschiedene Getter für Wasser und Wasserdampf gefunden, beispielsweise der in den US-PS 29 26 981 und 31 41 830 beschriebene Zirkon-Titan-Getter, ebenso wie das in der GB-PS 10 10 901 beschriebene Gettermaterial.

In dieser GB-PS 10 10 901 ist ein Kernbrennelement beschrieben, das ein Wärmeübertragungsmedium enthält, das bei der Betriebstemperatur des Elements eine Flüssigkeit ist. Da dieses Wärmeübertragungsmedinm reaktive Bestandteile enthalten kann, wie Sauerstoff und Wasserstoff, welche die Umhüliungsmaterialien des Elemenis bei den Betriebsbedingungen des Elements stark angreifen, ist innerhalb des Elements ein Gettermaterial mit einer Affinität für solche Substanzen in dem Wärmeübertragungsmedium vorgesehen, die unerwünscht sind, da sie potentiell zerstörend auf die Umhüllung wirken. Dieses Gettermaterial kann aus den üblichen Gettermaterialien ausgewählt werden. Der Getter kann ein rohrförmiger Bestandteil sein, der in einem freien Raum innerhalb des Behälters des Kernbrennelements angeordnet wird, in dem sich ein Hauptteil des Volumens des Wärmeübertragungsmediums befindet. Das feste zylindrische Rohr aus Gettermaterial kann auch durch einen Körper ersetzt werden, der eine größere Oberfläche zum Kontakt mit der das Wärmeübertragungsmedium bildenden Natriumfüllung aufweist.

Mit all diesen bekannten Gettern gelang es jedoch nicht, ein Problem zu beseitigen, das bei der Verwendung von Zirkon und Zirkonlegierungen als Getter in einem Kernbrennelement auftritt. Dieses Problem besteht in einer Neigung des Zirkons und der Zirkonlegierungen zur Bildung eines schützenden geschlossenen Films aus Zirkonoxyd. Dieser Film hemmt die Reaktion des darunterliegenden Zirkons mit dem durch die Getterwirkung zu beeinflussenden Material. Der Zirkonoxydfilm bildet sich auf allen Oberflächen eines Zirkonmaterials, welche bei den Betriebstemperaturen eines Reaktors einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzt sind.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen Kernbrennstab mit einem gegenüber bekannten verbesserten Getter zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Getter ein als Bimetall wirkender Verbundkörper ist, bestehend aus einem metallischen Substrat mit einem mindestens einen I eil des Substrats bedeckenden, zur Getterung der reaktiven Gase geeigneten Überzug, wobei das Substrat einen derart größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Überzug aufweist, daß bei Betriebstemperatur das Substrat ein Reißen der Oberfläche des Überzuges bewirkt. Das Substrat übt also einen Druck auf den Überzug aus und bewirkt ein Reißen oder einen Bruch des Oberflächenfilms und letztendlich des Überzuges. Das Reißen des Films auf der Oberfläche des Überzuges erfaßt auch einen etwa vorhandenen schützenden Oxydfilm und hierdurch werden freie Oberflächen des Überzuges zur Getterung während des Wärmezyklus des Kernreaktors freigelegt. Der Verbundkörper kann in dem Kernbrennstoffmaterial, in dem Sammelraum des Kernbrennstabes oder in beiden angebracht werden. Diese Anordnung eines Kernbrennstabes ergibt eine Ausnutzung der Eigenschaften des Überzuges zur Reaktion mit irgendeinem reaktiven Gas und insbesondere irgendeiner in dem Brennelement vorhandenen Wasserstoffquelle und ermöglicht die Freilegung freier Oberflächen des Überzuges, die von Schutzfilmen frei sind, für die Reaktion, und zws>r im wesentlichen während der gesamten Lebensdauer des Kernbrennelements. Die Erfindung beinhaltet weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines vorstehend beschriebenen Kernbrennelements.

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Abbildungen.

Fig. 1 zeigt eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines nuklearen Brennstoffbündels, das Kernbrennele-

mente enthält, die als Ausführungsform der Erfindung aufgebaut sind; ein Element ist dabei im Teilschnitt gezeigt:

Fig. 2 zeigt eine teilweise weggeschnittene Ansicht des Sammelraumteils eines Kernbrennelements als Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lehre einer Anordnung eines Verbundmaterials als Getter in einem wendeiförmigen Teil im Sammelraum und zwischen zwei Brennstoffpillen;

F i g. 3 zeigt eine stark vergrößerte isometrische Schnittansicht eines Getters in Form eines Bimetallstreifens als Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 4 zeigt eine teilweise weggeschnittene Schnittansicht eines Getters in Form eines diskreten Teilchens mit einem Überzug auf einem metallischen Substrat als ij Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 5 zeigt eine stark vergrößerte isometrische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Getters in Form eines Bandes, wobei die Oberfläche eines metallischen Substrats als Ausführungsform der to Erfindung mit einem Überzug versehen ist.

Insbesondere zeigt die Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene Schnittansicht einer Kernbrennstoffanordnung 10 Diese Brennstoffanordnung besteht aus einem rohrförmigen Strömungskanal 11 mit quadratischem Querschnitt, der an seinem oberen Ende mit einer öse 12 zum Anheben und an seinem unteren Ende mit einem Nasenteil ausgestattet ist (der letztere ist nicht gezeigt, da der untere Teil der Anordnung 10 weggelassen ist). Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Nasenteils ist mit Öffnungen für den Kühlmittelstrom ausgestattet. Eine Anordnung von Kernbrennstäben 14 ist in dem Kanal 11 eingeschlossen und wird dort mittels einer oberen Endplatte gehaltert (die untere Endplatte ist nicht gezeigt, da der untere Teil weggelassen ist). Das flüssige Kühlmittel tritt gewöhnlich durch die Öffnungen im unteren Ende des Nasenteils ein, strömt um den Kernbrennstab 14 herum nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 bei Siedewasserreaktoren in einem teilweise verdampften Zustand oder bei Druckreaktoren bei erhöhten Temperaturen in einem unverdampften Zustand aus.

Es wird nachstehend neben der Fi g. 1 auch noch auf die F i g. 2 Bezug genommen. Ein Kernbrennstab 14 ist im Teilschnitt als Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lehre gezeigt. Der Kernbrennstab enthält Kernbrennstoffmaterial 16, das hier in Form einer Vielzahl von Brennstoffpillen gezeigt ist, und/oder Spaltrohstoff, wobei dieses Material im Innern einer strukturellen Verkleidung oder eines Behälters 10 angeordnet ist In einigen Fällen können die Pillen verschiedene Formgestalt besitzen. In anderen Fällen kann eine andere Form des Brennstoffes verwendet werden, beispielsweise teilchenförmiger Brennstoff. Die räumliche Form des Brennstoffes ist für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Verschiedenartige Kernbrennstoffmaterialien können verwendet werden einschließlich Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Gemische derselben. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxyd oder ein Gemisch, das Urandioxyd und Plutoniumdioxyd enthält. Der Behälter ist an seinen Enden mit Hilfe von Endstopfen 18 verschlossen, die Stutzen 19 enthalten können, um die Halterung des Brennstabes in der Anordnung zu begünstigen. Ein leerer Raum oder Sammelraum 20 ist an einem Ende des Brennelements vorgesehen, um eine Längsausdehnung des Brennmaterials und die Sammlung der aus dem Brennmaterial freigesetzten Gase zu gestatten. In dem Raum 20 ist eine Einrichtung 21 zur Festlegung des Kernbrennmaterials in Form eines wendeiförmigen Teils angeordnet, das letztendlich eine Behinderung der axialen Bewegung der Säule aus Pillen besonders während der Handhabung und des Transportes des Brennelements ergibt. Die Verkleidung 17 ist mit den Endstopfen 18 mit Hilfe von umkreisförmigen Schweißverbindungen 22 fest verbunden.

Das Brennelement ist so konstruiert, daß es einen ausgezeichneten thermischen Kontakt zwischen den Behältern und dem Brennmaterial, ein Mindestmaß an parasitärer Neutronenabsorption und eine Beständigkeit gegenüber Durchbiegung und Vibration ergibt, welche gelegentlich dadurch entsteht, daß das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit strömt.

Es wird nachstehend Bezug genommen auf die F i g. 2. In dem Innern des wendeiförmigen Teils 21 im Sammelraum 20 ist ein Getter 23 in Form von bimetallischen Streifen angeordnet. Der Getter 23 umfaßt einen zusammengesetzten Körper mit einem metallischen Substrat, auf dem sich ein Überzug befindet, der für die Getterung reaktiver Gase einschließlich solcher Wasserstoffquellen wie Wasserstoff, Wasserdampf und wasserstoffhaltige Verbindungen geeignet ist. Dabei bedeckt der Überzug mindestens einen Teil des Substrats. Das Substrat besitzt einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Überzug, und auf dem Überzug entsteht im Laufe der Zeit, besonders bei erhöhten Temperaturen, ein Schutzfilm. Im Laufe der Zeit wird der Schutzfilm bei den Betriebstemperaturen des Reaktors mit Rissen oder Brüchen durchsetzt, und es werden frische Teiie des Überzuges bezüglich der reaktiven Gase freigelegt, einschließlich irgendeiner in dem Brennelement vorhandenen Wasserstoffquelle, und hierdurch wird eine wirksame Getterung des Wasserstoffes ermöglicht. Die Oberfläche des Überzuges, welche durch das Rissigwerden des Schutzfilms freigelegt wird, besitzt ursprünglich keinen Schutzfilm, der als eine Behinderung einer wirksamen Getterung wirkt. Im Laufe der Zeit wird sich ein zunächst im Schutzfilm des Überzuges vorhandener Riß zu einem Spalt in dem Überzug ausweiten und weitere Teile des Überzuges freilegen, die in der Lage sind, reaktive Gase zu gettern.

F i g. 3 zeigt weitere Einzelheiten. Der Getter ist hier in Form eines metallischen Streifens enthalten, und das Substrat 24 des Getters 23 besteht aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Nickel oder Nickellegierungen, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen als der Überzug 25. Das Substrat 24 besitzt einen Überzug 25, beispielsweise aus Zirkon oder Zirkonlegierungen, der als ein zur Rißbildung geeigneter Überzug bezeichnet werden kann und bei Erhitzung des Getters Riß- und Bruchstellen entwickelt Die durch diese Risse freigelegte Oberfläche des Überzuges besitzt zunächst keinen schützenden Film wie beispielsweise einen Metalloxydfilm, der als Behinderung für eine wirksame Getterung wirken würde.

Der zusammengesetzte Körper besitzt vorzugsweise die Form von bimetallischen Streifen 23 gemäß F i g. 3 oder die Form eines Kreiszylinders 26 nach Fig. 2. Es sind jedoch auch andere räumliche Formen des zusammengesetzten Körpers geeignet

Als weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die F i g- 4 eine weggeschnittene Schnittansicht eines Getters 27 in Form eines diskreten Teilchens mit einem Überzug 23

auf einem metallischen Substrat 28. Das Substrat 28 des Getterteilchens 27 besteht aus einem metallischen Material, wie beispielsweise Nickel oder Nickellegierungen, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als der Überzug 29. Der Überzug 29 besteht aus einem metallischen Material, beispielsweise Zirkon oder Zirkonlegierungen, und kann als ein zur Riß- oder Bruchbildung fähiger Überzug bezeichnet werden. Der Überzug zeigt bei Erhitzung des Getters eine Rißbildung in einem gegebenenfalls vorhandenen Oberflächenfilm. Die durch die Rißbildung der Oberflächenfilme freigelegte Oberfläche des Überzuges besitzt zunächst keinen schützenden Film, der als Behinderung einer wirksamen Getterung wirkt.

Fig.5 zeigt einen Getter 30 in Form eines Bandes, das Überzüge 31 auf jeder Seite eines metallischen Substrats 32 besitzt. Das Substrat 32 des Getterbandes 30 besteht aus einem metallischen Material, beispielsweise Nickel und Nickellegierungen, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt als die Überzüge 31. Die Überzüge 31 bestehen aus einem metallischen Material, beispielsweise Zirkon oder Zirkonlegierungen, und bei Erhitzung dec Getters entstehen im Überzug Risse in irgendwelchen vorhandenen Schutzfilmen. Die durch Rißbildung freigelegte Oberfläche des Überzuges besitzt zunächst keinen schützenden Film, der als Behinderung einer wirksamen Getterung wirkt.

In dem Verbundkörper wird gemäß der Konstruktion eine wirksame Menge des Überzuges zur Getterung vorgesehen. Beispielsweise werden mindestens etwa 4 Gramm eines metallischen Überzuges in einem typischen Kernbrennelement vorgesehen. Eine größere Menge wird in der Praxis verwendet und kann in Brennelementen verwendet werden, die einen Kernbrennstoff in Pulverform enthalten und weiterhin in solchen Brennelementen, bei denen das Vorhandensein großer Mengen von schädlichen Gasen wie Wasserstoff und Wasserdampf vermutet wird. Es erfolgt nachstehend die ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des Getters und der Eigenschaften des Getters zur Bildung eines Verbundkörpers, wie er in dem Kernbrennelement gemäß der Erfindung verwendet wird.

Ein für den Überzug und zur Getterung einer Quelle für Wasserstoff und andere reaktive Gase durch chemische Kombination mit den Materialien oder Absorption dieser Materialien geeigneter Getter sollte eine Kombination verschiedener Eigenschaften aufweisen. Eine erwünschte Eigenschaft besteht darin, daß nach der chemischen Reaktion eines Getters mit einer Wasserstoffquelle nur ein Mindestmaß an freiem Wasserstoff vorhanden ist, um auf diese Weise Ausfallerscheinungen an der Verkleidung des Brennelements durch Hydridbildung zu verhindern. Der Getter sollte daher etwa stöchiometrisch mit Wasserdampf reagieren, wenn dieser Wasserdampf die Wasserstoffquelle ist, so daß durch die Reaktion keine wesentliche resultierende Wasserstoffquelle vorhanden ist Der Getter sollte außerdem mit Wasserdampf bei den Temperaturen reagieren, wie sie in dem System vorherrschend sind, in dem der Getter benutzt wird. Für eine bevorzugte Verwendung des Getters im Sammelraum von Kernbrennelementen liegt dieser Temperaturbereich beispielsweise zwischen 200 und etwa 650° C. Der Getter sollte außerdem einen geringen Neutronenquerschnitt besitzen und billig herzustellen sein. Vorzugsweise sollte der Getter außerdem noch die Eigenschaft besitzen, mit gasförmigem Wasserstoff und wasserstoffhaltigen Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffe und Wasserstofffluorverbindungen, zu reagieren.

Die vorstehend erörterten Eigenschaften für den Getter sind in einer Reihe von Metallen und Legierungen vorhanden, beispielsweise Zirkon und Zirkonlegierungen, wobei Zirkonlegierungen vorzugsweise einen Zirkongehalt von mindestens 50 Gew.-% Zirkon besitzen. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besitzt einen Überzug aus metallischem Zirkon und Zirkonlegierungen wie ZlR-CALOY-2, ZIRCALOY-3 und ZIRCALOY-4. Die Lehre der Erfindung umfaßt auch noch Zirkonlegierungen mit Niob, Titan, Nickel, Yttrium und Gemischen derselben.

Die bei der Bildung des zusammengesetzten Materials oder Verbundkörpers verwendeten metallischen Substrate müssen bestimmte Eigenschaften besitzen, um bei erhöhten Temperaturen eine ausreichende Belastung auf die Überzüge auszuüben, um dort Risse in der Filmoberfläche auf dem Überzug zu erzeugen. Die Anwendung einer mechanischen Belastung ist notwendig, um zu gewährleisten, daß irgendein am Überzug vorhandener Metalloxydfilm, beispietsweise ein bei Zirkon und Zirkonlegierungen vorhandener Zirkonoxydfilm, während des Erhitzens rissig wird oder bricht. Hierdurch ergeben sich ungeschützte blanke Oberflächen des Überzuges, welche den Umgebungsbedingungen des Brennelements ausgesetzt sind und verfügbar sind zu einer leicht erfolgenden Reaktion mit irgendeinem reaktiven Gas, beispielsweise einer Wasserstoffquelle, das in Kontakt mit dem Überzug kommt. Das Substrat wird aus der Gruppe ausgewählt, welche aus Nickel, Nickellegierungen, beispielsweise Nickel-Zinn-Legierungen, Ferrolegierungen wie Eisen-Chrom-Nickcl-Legierungen und rostfreien Stählen besteht, beispielsweise aus 18-8 austeniiischem rostfreiem Stahl, sowie aus Titan und Titanlegierungen wie Titan-Nickel-Legierungen. Die vorstehenden Metalle und Legierungen besitzen einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Überzug. Dies führt zu einer Rißbildung des Metalloxydfilms auf dem Überzug und letztendlich zu einem Überzug mit freigelegten frischen Teilen der Oberfläche des Überzuges während jedes Temperaturoder Wärmezyklus des Kernbrennelements.

Der Überzug muß an dem Substrat so angebracht werden, daß die thermische Ausdehnung des Substrats auf den Überzug weitergegeben wird zur Auslösung und Bildung von Rissen und Bruchstellen.

Der Überzug wird typischerweise durch Plattieren, Diffusionsverbindungen, Aufdampfen oder mechanische Verbindung, wie Aufwalzen, Gesenkschmieden (swaging), Schmiedeverbindung und ähnliche, angebracht. Dabei liegt jedes geeignete Mittel zur Aufbringung des Überzuges zur Erzielung eines Anhaftens des Überzuges am Substrat im Rahmen des Umfangs der Erfindung.

Bevorzugte Querschnitte für den Überzug umfassen mindestens etwa 20% der Dicke des Gesamt-Getterquerschnittes bis zu einer Größe von etwa 60% der Dicke des Gesamt-Getterquerschnittes, und ein besonders bevorzugter Bereich für den Querschnitt des Überzuges liegt zwischen 30 und 50% der picke des Verbundkörpers. Eine bevorzugte Dicke des Überzuges auf einem Substrat im Bereich von etwa 0,025 bis etwa 2,5 mm (1 bis etwa 100 tausendstel Zoll) hat ausgezeichnete Ergebnisse erzielt

Der Verunreinigungsgehalt des Metalls oder der Legierungen für den Überzug, der zur Getterung einer

Wasserstoffquelle oder anderer reaktiver Gase geeignet ist, ist nicht kritisch für die Entstehung der Gettereigenschaften, und es können in einem solchen Metall oder in den Legierungen beträchtliche Mengen an Verunreinigungen enthalten sein. Es wurde in der Praxis gefunden, daß Wasserstoffgehalte bis zu mehreren tausend Teilen pro Million (ppm) im Getter ebenfalls zulässig sind. Weiterhin können im Getter Stickstoffgehalte von bis zu etwa 750 Teilen pro Million (ppm) enthalten sein. Weitere Verunreinigungen, die bei dem erfindungsgemäßen Getter die Verwendung des Getters nicht behindern, sind Wasserstoff und Kohlenstoff. Metallische Verunreinigungen, die im Getter enthalten sein können, ohne die Verwendung des Getters zu behindern, sind Hafnium und Chrom. Die Tatsache, daß der Verunreinigungsgehalt der für die Erfindung verwendeten Getter für die Benutzung der Getter zur Getterung von Wasserstoff nicht kritisch ist.

ermöglicht eine Herstellung der Legierungen aus Bestandteilen mit geringem Reinheitsgrad. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Zirkon mit Verunreinigungen, wodurch sich beträchtliche Vorteile bezüglich der Kosten gegenüber einem hochgereinigten Zirkon ergeben. In Abhängigkeit von der Anordnung des Getters im Kernelement kann jedoch die Benutzung von Gettern gemäß der Erfindung bei Kernbrennstäben die Beherrschung solcher Verunreinigungen in den Gettern notwendig machen, die hohe Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen.

Die Getter gemäß der Erfindung besitzen den Vorteil, daß sie mit einer Wasserstoffquelle über lange Zeitdauer reagieren infolge der immer wieder erfolgenden Rißbildung des Films auf dem Überzug und einem letztendlichen Aufbrechen des Überzuges, wodurch frische Teile des Getters freigelegt werden, die frei von irgendwelchen Filmüberzügen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstab, bestehend aus einem länglichen Behälter, einem Körper aus Kernbrennstoffmaterial, der in dem Behälter angeordnet ist und diesen nur teilweise ausfüllt, so daß ein innerer Hohlraum gebildet wird, wobei an jedem Ende des Behälters ein Verschlußteil integral befestigt und abgedichtet angeordnet ist und wobei im Innern des Behälters ein Getter angeordnet ist, der Gase und Dämpfe, die mit dem Strukturmaterial des Brennstabes reagieren, bindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Getter (23) ein als Bimetall wirkender Verbundkörper ist, bestehend aus einem metallischen Substrat (24) mit einem mindestens einen Teil des Substrats bedeckenden, zur Getterung der reaktiven Gase geeigneten Überzug (25), wobei das Substrat (24) einen derart größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Überzug (25) aufweist, daß bei Betriebstemperatur das Substrat (24) ein Reißen der Oberfläche des Überzuges (25) bewirkt.

2. Kernbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (20) eine Einrichtung zur Festlegung des Kernbrennmaterials (16) in Form eines wendeiförmigen Teils (21) enthält und der Getter (23) im Innern des wendeiförmigen Teils angeordnet ist.

3. Kernbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Getter in dem Körper aus Kernbrennstoffmaterial angeordnet ist.

4. Kernbrennstab nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (25) aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung besieht.

5. Kernbrennstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkonlegierung noch einen Bestandteil aus Niob, Titan, Nickel, Yttrium oder Gemischen derselben enthält.

6. Kernbrennstab nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus Nickel, einer Nickellegierung, einer Ferrolegierung, rostfreiem Stahl, Titan oder Titanlegierung besteht.

7. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstabes nach einem oder mehreren der Ansprüche t bis

6, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: ein an einem Ende offener umkleideter Behälter wird teilweise mit Kernbrennstoffmaterial unter Freilassung eines Hohlraumes am offenen Ende gefüllt, in den Hohlraum wird eine Einrichtung zur Festlegung des Kernbrennstoffmaterials eingeführt, in den Behälter wird ein Getter eingebracht, wobei der Getter aus einem metallischen Substrat besteht, auf dem sich ein Überzug befindet, der mindestens einen Teil des Substrats bedeckt, und das Substrat noch einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Überzug besitzt und der Überzug geeignet ist zur Getterung von reaktiven Gasen, an dem offenen Ende des Behälters wird ein Verschlußteil angebracht, welcher den Hohlraum in Verbindung mit dem Kernbrennstoff beläßt, und dann wird das Ende des verkleideten Behälters mit dem Verschlußteil zur Bildung eines dichten Verschlusses zwischen den beiden Teilen fest verbunden, wodurch der Getter den im Innern des verkleideten Behälters freigesetzten reaktiven Gasen ausgesetzt bleibt.

Die Erfindung betrifft einen Kernbrennstab, bestehend aus einem länglichen Behälter, einem Körper aus Kernbrenhstoffmaterial, der in dem Behälter angeordnet ist und diesen nur teilweise ausfüllt, so daß ein innerer Hohlraum gebildet wird, wobei an jedem Ende des Behälters ein Verschlußteil integral befestigt und abgedichtet angeordnet ist und wobei im Innern des Behälters ein Getter angeordnet ist, der Gase und Dämpfe, die mit dem Strukturmaterial des Brennstabes

ίο reagieren, bindet

Es werden zur Zeit Kernreaktoren entworfen und betrieben, in denen der Kernbrennstoff in Brennstoffelementen enthalten ist, welche die verschiedensten geometrischen Formen besitzen können, beispielsweise Platten, Rohre oder Stäbe. Das Brennmaterial ist gewöhnlich in einem korrosionsbeständigen, nicht reaktiven, wärmeleitenden Behälter eingeschlossen. Die Brennstoffelemente werden in einer Gitteranordnung mit festen Abständen untereinander in einem Kühlmittelstromungskana! oder -bereich so zusammengefügt, daß sie eine Brennstoffanordnung bilden und eine ausreichende Zahl solcher Brennstoffanordnungen (oder Brennstoffbündel) werden miteinander kombiniert zur Bildung des Reaktorkerns oder der Anordnung zur Durchführung der Spaltungskettenreaktion, so daß die gesamte Anordnung für eine sich selbst unterhaltende Spaltungsreaktion geeignet ist. Der Kern wird in einem Reaktorbehälter eingeschlossen, durch den ein Kühlmittel geleitet wird.

Der Behälter erfüllt dabei zwei Hauptzwecke:

1. verhindert er den Kontakt und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff und dem Kühlmittel oder einem gegebenenfalls vorhandenen Moderator oder gegebenenfalls sowohl mit dem Kühlmittel als auch dem Moderator, wenn beide Mittel vorhanden sind, und

2. verhindert er die Freisetzung von radioaktiven Spaltprodukten, von denen einige Gase sind, aus dem Brennstoff in das Kühlmittel oder in den Moderator oder gegebenenfalls in das Kühlmittel und den Moderator.

Die üblichen Behältermaterialien sind rostfreieir Stahl, Aluminium und seine Legierungen, Zirkon und seine Legierungen, Niob (Columbium), bestimmte Magnesiumlegierungen und andere Materialien. Der Ausfall oder Defekt des Behälters infolge des Aufbau!» eines Gadruckes oder aus anderen Gründen kann das Kühlmittel oder den Moderator und die zugeordneten Systeme mit radioaktiven Produkten langer Lebensso dauer zu einem solchen Ausmaß verunreinigen, daß der Betrieb der Anlage beeinträchtigt wird.

Bei der Herstellung und im Betrieb von Kernbrennelementen, die bestimmte Metalle und Legierungen als Behältermaterial verwenden, sind Probleme infolge der Reaktivität dieser Materialien unter bestimmten Umständen aufgetreten. Zirkon und seine Legierungen sind unter normalen Umständen ausgezeichnete Materialien für die Verwendung als Kernbrennstoffbehälter, da sie geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte besitfo zen und bei Temperaturen unterhalb etwa 315°C äußerst stabil und nicht reaktiv in Anwesenheit von entmineraüsier'em Wasser oder Dampf sind, die gewöhnlich als Reaktorkühlmittel und Moderatoren verwendet werden. In dem abgeschlossenen Innenraum eines verschlossenen Kernbrennstabes kann sich jedoch eine Konzentration des durch die langsame Reaktion zwischen dem Behältermaterial und Restwasser erzeugten Wasserstoffgases aufbauen, die unter bestimmten