DE2420600C3 - Kernbrennstab - Google Patents
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- DE2420600C3 DE2420600C3 DE19742420600 DE2420600A DE2420600C3 DE 2420600 C3 DE2420600 C3 DE 2420600C3 DE 19742420600 DE19742420600 DE 19742420600 DE 2420600 A DE2420600 A DE 2420600A DE 2420600 C3 DE2420600 C3 DE 2420600C3
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Description
rostfreier Stahl,
und seine Legierungen, Zirkon und seine Niob (Columbium), bestimmte Magnesi-'■n
und andere Materialien. Der Ausfall «Her Defekt des Behälters infolge des Aufbaus eines
Gadruckes oder aus anderen Gründen kann das KuS mitte oder den Moderator und die zugeordneten
Svstememit radioaktiven Produkten langer Lebensso dauer zu eTnem solchen Ausmaß verunreinigen, daß der
Retrieb der Anlage beeinträchtigt wird.
Bdder Hemellung und im Betrieb von Kernbrennelementen,
die bestimmte Metalle und Legierungen als BeStermaterial verwenden, sind Probleme infolge der
ReakUvSt dieser Materialien unter bestimmten Umständen aufgetreten. Zirkon und seine Legierungen
sind unter normalen Umständen ausgezeichnete Mate-Sen
für die Verwendung als Kernbrennstoffbehälter,
da sfe geringe ^^^^^f^^^c
7en und bei Temperaturen unterhalb etwa ils C
äußersistabil und nicht reaktiv in Anwesenheit von ^nfmineralisiertem Wasser oder Dampf sind, die
!Sin a Reaktorkühlmittel und Moderatoren
verwendet werden. In dem abgeschlossenen Innenraum
efn« verschlossenen Kernbrennstabes kann sich jedoch
eine Konzentration des durch die langsame Reaktion
zwischen dem Behältermaterial und Restwasser erzeugten Wasserstoffgases aufbauen, die unter bestimmten
Verhältnissen zu einer örtlichen Hydrierung des η hälters mit einer einhergehenden Verschlechterung
H r mechanischen Eigenschaften des Behälters führen
knn Der Behälter wird außerdem in einem breiten
Temperaturbereich nacnteilig beeinflußt durch solche
Gase wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid und
Kohlendioxyd.
Der ZIrkon-Behälter eines Kernbrennstabes ist
ährend der Bestrahlung in einem Kernreaktor einem Wrfer mehreren der vorstehend genannten Gase trotz
der Tatsache ausgesetzt, daß diese Gase in dem Reaktorkühlmittel oder im Moderator nicht vorhanden
η können und auch noch weiterhin weitmöglichst während der Herstellung des Behälters und des
"iCernbrennstabes aus der Umgebungsatmosphäre fernehalten werden. Die gesinterten hochschmelzenden
Keramikmaterialien, wie beispielsweise Urandioxyd, nd andere als Kernbrennstoff verwendete Materialien
geben bei Erhitzung meßbare Mengen der vorgenannten Gase frei, beispielsweise während der Herstellung M
der Kernbrennstabes und insbesondere während einer Bestrahlung. Es ist bekannt, daß teilchenförmige
hochschmelzende und Keramikstoffe, wie beispielswei-Urandioxydpulver und andere als Kernbrennstoff
verwendete Pulver während der Bestrahlung sogar noch größere Mengen der vorstehend genannten Gase
freigeben. Diese Gase reagieren mit dem Zirkonbehälter
welcher den Kernbrennstoff umschließt. Diese Reaktion kann zu einem Brüchigwerden 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 verschlossenen, 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 Ausfuhrungen wurde es als erwünscht betrachtet, den Anteil von
Wasser, Wasserdampf und anderen Gasen, besonders Wasserstoff, welche mit dem Behältermaterial reagieren
können, während des gesamten Zeitraumes, in dem ein Kernbrennstab im Betrieb 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
4 η ιλλπι UArnkMokono tf~i<»ttprma t (»Hai,
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 Wärmeübertragungsmedium reaktive Bestandteile enthalten kann, wie Sauerstoff
und Wasserstoff, welche die Umhüllungsmaterialien des Elements 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 Teil 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 Oxydfi m 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 zwar 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.
F i g. 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;
F i g. 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 Brennstoff pillen;
Fig.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 i|
Ausführungsform der Erfindung;
Fig.5 zeigt eine stark vergrößerte isometrische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des
Getters in Form eines Bandes, wobei die Oberflache eines metallischen Substrats als Ausführungsform der »
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 ti 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 F i g. 1 auch noch auf die F i g. 2 Bezug genommen. Ein Kernbrennstab 14 ist
im Teilschnitt als Ausführungsform der erfindungsge- ^5
mäßen 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 LBngsausdehnung 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 Rsaktors mit Rissen oder Brüchen durchsetzt, und es werden frische Teile des
Überzuges bezüglich der reaktiven Gase freigelegt, einschließlich irgendeiner in dem Brennelement vorhandenen
Wasserstoff quelle, 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 vorhandene! Riß zu einem Spalt in dem Überzug ausweiten unc
weitere Teile des Überzuges freilegen, die in der Lage sind, reaktive Gase zu gettern.
F i g. 3 zeigt weitere Einzelheiten. Der Getter ist hiei
in Form eines metallischen Streifens enthalten, und da; Substrat 24 des Getters 23 besteht aus einen
metallischen Material, wie beispielsweise Nickel odei Nickellegierungen, die einen größeren Wärmeausdeh
nungskoeffizienten besitzen als der Überzug 25. Da Substrat 24 besitzt einen Überzug 25, beispielsweise au
Zirkon oder Zirkonlegierungen, der als ein zu Rißbildung geeigneter Überzug bezeichnet werdei
kann und bei Erhitzung des Getters Riß- un< Bruchstellen entwickelt Die durch diese Risse freigeleg
te Oberfläche des Überzuges besitzt zunächst kemei schützenden Film wie beispielsweise einen Metalloxyd
film, der als Behinderung für eine wirksame Getterun; wirken würde.
Der zusammengesetzte Körper besitzt vorzugsweis die Form von bimetallischen Streifen 23 gemäß Fig_
oder die Form eines Kreiszylinders 26 nach F i g. 2. fa sind jedoch auch andere räumliche Formen de
zusammengesetzten Körpers geeignet.
Als weiteres Ausführungsbcispie! zeigt die F i g. 4 ein
weggeschnittene Schnittansicht eines Getters 27 11 Form eines diskreten Teilchens mit einem Überzug 2
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 des 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 ho
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 6500C.
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,
ZlRCALOY-3 und ZlRCALOY-4. Die
Lehre der Erfindung umfaßt auch noch Zirkonlegierungen mit Niob, Titan, Nickel, Yttrium und Gemischen
derselbe n.
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, beispielsweise ein bei Zirkon und Zirkonlegierungen vorhandener Zirkon-oxydfilm,
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-Nickel-Legierungen
und rostfreien Stählen besteht, beispielsweise aus 18-8 austenitischem 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 Dicke 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
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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 einerr
letztendlichen Aufbrechen des Überzuges, wodurch frische Teile des Getters freigelegt werden, die frei vor
irgendwelchen Filmüberzügen sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
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
Kernbrennstoffrnateria! angeordnet ist.
4. Kernbrennstab nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug (25) aus Zirkon
oder einer Zirkonlegierung besteht.
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 1 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 VerschiuSieii zur Büdung eines dichten Verschlusses
zwischen den beiden Teilen fest verbunden, wodurch der Getter den im Innern des verkleideten Behälters
freigesetzten reaktiven Gasen ausgesetzt bleibt.
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SSS&se-sr
η /wischen dem Kernbrennstoff und dem
Kühlmittel oder einem gegebenenfalls vorhandenen
Moderator oder gegebenenfalls sowohl mn dem Kühlmittel als auch dem Moderator, wenn
beide Mittel vorhanden sind, und 2 verhindert er die Freisetzung von radioaktiven
produkten, von denen einige Gase sind, aus Brennstoff in das Kühlmittel oder in den
S oder gegebenenfalls in das Kühlmittel
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US35873673 | 1973-05-09 | ||
US05/358,736 US3969185A (en) | 1973-05-09 | 1973-05-09 | Getter for nuclear fuel elements |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2420600A1 DE2420600A1 (de) | 1975-05-22 |
DE2420600B2 DE2420600B2 (de) | 1977-04-21 |
DE2420600C3 true DE2420600C3 (de) | 1977-12-08 |
Family
ID=
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