DE2515709A1

DE2515709A1 - Verfahren zur bearbeitung eines brennmaterials fuer einen kernreaktor

Info

Publication number: DE2515709A1
Application number: DE19752515709
Authority: DE
Inventors: Thoma Mees Vant Hoffsnyder; Richard Alan Proebstle; Edward Rosicky; Trevor Cartwright Rowland; John Robert Thompson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-04-12
Filing date: 1975-04-10
Publication date: 1975-10-23
Also published as: IL46627A0; SE7504174L; JPS50143999A; FR2267609B1; JPS5945956B2; BE827841A; AU7836975A; DE2515709C2; US4057466A; GB1506436A; SE415217B; NL7504391A; IL46627A; IT1037193B; FR2267609A1; ES436553A1

Description

9. April 1975 _Ä WK/Kr

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt 6 Frankfurt/Main 1

Niddastr. 62

5539-21I-NF-O398O

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Verfahren zur Bearbeitung eines Brennmaterials für einen Kernreaktor.

In den bekannten industriellen Leistungskernreaktoren ist der Reaktorkern heterogen, d.h. der Kernbrennstoff liegt in Form von langen verkleideten Stäben vor. Diese Stäbe oder Elemente sind in Gruppen zusammengefaßt und zwischen oberen und unteren Gitterplatten zur Bildung getrennt herausnehmbarer Brennstoffbündel gehaltert. Eine genügende Anzahl solcher Brennstoffbündel sind in einer Matrix angeordnet, die angenähert einem rechtwinkligen Zylinder entspricht, um einen Kern des Kernreaktors zu bilden, der zu einer sich selbst unterhaltenden Spaltreaktion geeignet ist. Der Kern ist in eine Flüssigkeit eingetaucht, beispielsweise in leichtes Wasser, die als Kühlmittel und als Neutronenmoderator

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dient. Eine Vielzahl von Steuerstäben enthalten neutronenabsorbierendes Material und können selektiv zwischen die Brennstoffbündel zur Steuerung der Reaktivität und damit der Betriebsleistung des Kerns eingeführt werden. In einigen Reaktoren, beispielsweise in Reaktoren des Siedewasser-Typs, kann der Leistungspegel auch noch durch Änderung der Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Reaktorkern geändert werden.

Typischerweise umfassen die vorgenannten Brennstäbe oder Brennelemente ein verschlossenes Rohr, das aus einem geeigneten Metall, beispielsweise einer Zirkonlegierung, gebildet ist und eine Vielzahl von gesinterten Pillen eines Oxyds eines geeigneten Brennstoffes enthält, beispielsweise von Uranoxyd, wie dies beispielsweise aus der U.S.-Patentschrift Nr. 3.365.371 ersichtlich ist. Das Rohr ist mit Endstopfen verschlossen und dient auf diese Weise als eine Verkleidung zur Trennung des Kernbrennmaterials von dem Moderator/Kühlmittel und zur Verhinderung des Austretens von Spaltprodukten.

Die Verkleidung des rohrförmigen Brennstabes kann eine Dicke in der Größenordnung von etwa 0,75 mm (0,032 Zoll) besitzen und unterliegt im Betrieb harten Umgebungsbedingungen im Reaktorkern durch den hohen Druck, die hohe Temperatur und die Kernstrahlung. Die hier betrachteten Brennelemente haben im allgemeinen ein zuverlässiges Betriebsverhalten gezeigt. Aus den verschiedensten Gründen sind jedoch einige Defekte an Brennelementen aufgetreten.

Der Ausdruck "Defekt" soll hier anzeigen, daß in der Verkleidung des Brennstabes eine oder mehrere Öffnungen, Risse oder Locher entstanden sind, welche das Austreten von Spaltprodukten aus dem Brennelement in das umgebende Kühlmittel gestatten.

Eine Art des Defektes, die beobachtet wurde, ist gekennzeichnet durch in Längsrichtung verlaufende spröde Risse oder Spalten in

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der Verkleidung, die im allgemeinen benachbart zu den Grenzflächen von Brennstoffpillen oder benachbart zu Rissen in den Pillen auftreten. Es wird gegenwärtig angenommen, daß solche Defekte vorwiegend durch eine mechanische Wechselwirkung zwischen den Brennstoffpillen und der Verkleidung während bestimmter Verhältnisse beim Betrieb des Brennstoffmaterials auftreten. Daher wird diese Art des Defekts als "Pillen-Verkleidung-Wechselwirkungsdefekt" bezeichnet. Insbesondere treten nach dem gegenwärtigen Verständnis solche Pillen-Verkleidung-Wechselwirkungsdefekte wahrscheinlich unter den folgenden Umständen auf: Während des Abbrennens in dem Kernreaktor dehnen sich die Brennstoffpillen aus oder schwellen an. Die Pillen werden auch noch in ihrer Gestalt verändert. Insbesondere neigen die Pillen dazu, eine "Sanduhrform" (hour glass shape) im Gegensatz zu ihrer ursprünglichen zylindrischen Form anzunehmen. In anderen Worten besitzen die Pillen eine Neigung dazu, sich an ihren Enden stärker auszudehnen als in ihren Mittenbereichen. Weiterhin besitzen die Endoberflächen der Pillen eine Neigung dazu, konvex zu werden mit der Folge, daß sich die Kanten benachbarter Pillen voneinander entfernen. Die Bestrahlung verringert auch noch die Duktilität der Verkleidung.

Daher kann eine plötzliche starke Änderung in dem Leistungspegel des bestrahlten Brennstoffes ein relativ schnelles Anschwellen der Brennetoffp±13en gegen die Verkleidung bewirken. Wenn die sich ausdehnenden und sich voneinander trennenden Kanten benachbarter Pillen (oder benachbarter Seiten eines Pillenrisses) an der Verkleidung anstoßen, dann kann die hieraus resultierende örtlich begrenzte Belastung die Höchstbelastung ^der versprodeten Verkleidung übersteigen, und es entsteht eine Rißbildung und der Pillen-Verkleidung-Wechselwirkungsdefekt.

Es ist in höchstem Maße erwünscht, das Auftreten solcher Pillen-

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Verkleidung-Wechselwirkungsdefekte zu beseitigen oder mindestens auf ein Mindestmaß zu verringern.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Behandlung (Konditionierung) (conditioning) des Brennstoffes in einem Reaktorkern gemäß einem vorgegebenen
maximalen Pegel der Betriebsleistung, so daß nachfolgende relativ schnelle Änderungen des Leistungspegels, insbesondere Leistungssteigerungen unterhalb und bis zu diesem maximalen Leistungspegel mit einem Mindestmaß des Risikos von Pillen-Verkleidung-Wechselwirkungsdefekten an den Brennstäben vorgenommen werden können.

Diese und weitere Aufgaben werden durch Ausnutzung der Tatsache erreicht, daß überraschend gefunden wurde, daß Reaktorbrennstoff für spätere Änderungen der Leistung im Hochleistungsbetrieb durch ein Verfahren vorbehandelt oder konditioniert werden können, bei dem die örtliche Leistung des Brennstoffes im Hochleistungsbereich systematisch gesteigert wird (d.h. innerhalb des Leistungsbereiches der Wechselwirkung zwischen den Pillen und der Verkleidung), und zwar mit oder unterhalb einer überraschend gefundenen kritischen Geschwindigkeit. Es wurde gefunden, daß eine solche Erhöhung der Leistung bei oder unterhalb der gefundenen kritischen Geschwindigkeit eine allmähliche Langzeitanpassung zwischen der Verkleidung und den Brennstoffpillen durch die von den sich ausdehnenden
Brennstoffpillen erzeugten Belastungen ergibt, ohne daß hier ein Defekt an der Verkleidung auftritt. Unter "Langzeit" ist hier zu verstehen, daß die Anpassung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen während einer bedeutungsvollen Zeitdauer weiterbesteht, die möglicherweise nicht unendlich ist. Die Anpassung bleibt jedoch mindestens während einer Zeitdauer beständig, die für die
praktische Anwendung dieses Vorbehandlungsverfahrens beim Betrieb eines industriellen Kernreaktors ausreichend ist.

Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter
Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben.

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Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Siedewasser-Kernreaktors .

Die Figur 2 ist eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, für einen typischen Brennstab oder ein typisches Brennelement.

Die Figur 3 zeigt eine Längsschnittansicht eines Teils eines Brennstabes zur Veranschaulichung der Wechselwirkung zwischen den Brennstoff pillen und der Verkleidung.

Die Figuren 4 bis Io sind Kurven des zeitlichen Leistungsverlaufes bei Versuchen zur Brennstoffbestrahlung und zeigen die Bestimmung der Dosis für die Vorbehandlung und die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Vorbehandlungsverfahrens.

Die Erfindung wird nachstehend in ihrer Anwendung auf einen Siedewasser-Kernreaktor beschrieben. Sie ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. In Figur 1 ist eine typische Kraftanlage schematisch dargestellt, die einen Siedewasser-Reaktor mit Direktzyklus verwendet. Ein Druckgefäß 1OO enthält einen Brennstoffkern lol und eine Anlage Io2 zur Dampfabscheidung und Trocknung (das Druckgefäß ist normalerweise in einem dickwandigen Gebäude eingeschlossen, das nicht gezeigt ist). Eine Vielzahl von Steuerstäben Io3 können durch Antrxebseinrichtungen Io4 in den Kern lol eingeführt und aus ihm herausgezogen werden, um die Reaktivität desselben zu steuern. Ein System Io5 zur Auswahl und Steuerung der Steuerstäbe steuert die Arbeitsweise der Antriebseinrichtung Io4 für die Steuerstäbe.

Das Gefäß 1OO ist mit einem Kühlmittel (beispielsweise Leicht-Wasser) mit einem Pegelstand etwas oberhalb des Kerns lol gefüllt. Das Kühlmittel wird durch den Kern lol durch eine Umwälzpumpe Io6 im Kreislauf geführt, welche das Kühlmittel aus einem nach unten führenden Ringkanal Io7 aufnimmt und in einen Sammelraum Io8 drückt, aus dem das Kühlmittel durch die Brennstoffbündel des Reaktorkerns nach oben strömt. Hierdurch wird die von den Brennelementen erzeugte

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Wärme unmittelbar auf das Wasser übertragen und es wird im oberen Teil des Gefäßes ein Dampfdruck erzeugt. Der Dampf wird einer Turbine Io9 zugeführt, die einen elektrischen Generator llo antreibt. Die Turbine gibt den Abdampf an einen Kondensator 111 ab und das erhaltene Kondensat wird durch eine Speisewasserpumpe 112 als Speisewasser zum Gefäß 1OO zurückgeführt.

Eine Antriebseinrichtung 113, die aus einem Motor mit variabler Drehzahl oder einer anderen Einrichtung bestehen kann, ist zum Antrieb der Umwälzpumpe Io6 vorgesehen. Hierdurch erhält man zusätzlich zu den Steuerstäben Io3 eine Möglichkeit zur Veränderung der Reaktivität des Kerns lol über einen begrenzten Bereich. Insbesondere bewirkt eine Verringerung der Durchflußgeschwxndigkeit des Kühlmittels eine Vergrößerung der Hohlräume und eine Verminderung der Dichte des Moderator-Kühlmittels mit entsprechender Verringerung der Moderatorwirkung auf die Neutronen und damit einer Verringerung der Reaktivität des Kerns. Umgekehrt führt eine Erhöhung der Durchflußgeschwxndigkeit des Kühlmittels zu einer Erhöhung der Moderatordichte und damit der Reaktivität des Kerns.

In Kernreaktoren des hier erörterten Typs sind die Brennelemente zweckmäßigerweise in Form von langen Stäben ausgebildet, die aus einem korrosionsbeständigen nicht reaktiven Material bestehen und einen geeigneten Brennstoff enthalten. Die Brennelemente sind mit festen Abständen voneinander in einem Strömungskanal für das Kühlmittel als Brennstoffbündel in Gruppen zusammengefaßt. Eine ausreichende Anzahl der Brennstoffbündel sind mit Abstand untereinander in einer räumlichen Anordnung zur Bildung eines Kerns des Kernreaktors angeordnet, der zu einer sich selbst unterhaltenden Spaltreaktion fähig ist.

Ein typisches Brennstoffbündel ist beispielsweise aus einer Anordnung von 7x7 beabstandeten Brennstäben gebildet, die

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jeweils eine Länge in der Größenordnung von Meter, einen Durchmesser in der Größenordnung von 1,5 can und einen Abstand untereinander in der Größenordnung von einigen Millimetern (Bruchteile eines Zoll) besitzen. Die Brennstäbe sind in einem rohrförmigen Strömungskanal mit offenen Enden zwischen geeigneten Gitterplatten enthalten. Ein typisches Brennstoffbündel dieser Bauform ist beispielsweise in der U.S.-Patentschrift Nr. 3.689.358 beschrieben.

Figur 2 zeigt ein typisches Brennelement oder einen typischen Brennstab 115. Er enthält ein längliches Verkleidungsrohr 116, in dem eine Säule aus Brennstoffpillen 117 und ein Sammelraum 118 zur Sammlung der bei der Spaltung entstehenden Gase enthalten sind. Das Verkleidungsrohr 116 ist mit einem oberen Endstopfen 119 und einem unteren Endstopfen 121 verschlossen und die Säule aus Brennstoffpillen wird in ihrer Lage durch eine Feder 122 gehalten, die sich durch den Sammelraum 118 vom oberen Teil der Säule von Brennstoffpillen 117 bis zum oberen Endstopfen 119 erstreckt.

Das Verkleidungsrohr 116 und die Endstopfen 119 und 121 sind aus einem für die Verwendung in einem Reaktor geeigneten Material gebildet, beispielsweise aus einer Zirkonlegierung. Die Pillen 117 sind vorzugsweise aus einem Oxyd eines geeigneten Brennstoffes gebildet, beispielsweise Uran oder Plutonium, und der Durchmesser der Pillen 117 ist etwas geringer als der Innendurchm_esser des Verkleidungsrohrs 116, um einen anfänglichen Spielraum oder Abstand 123 zu erhalten.

Für den hier erläuterten Reaktortyp besitzen die Brennstoffpillen typischerweise eine Länge von etwa 1,3 bis 2 cm (0,5 bis 0,8 Zoll) und einen Durchmesser von etwa 1,3 cm (0,49 Zoll). Das Verkleidungsrohr 116 besitzt typischerweise einen Außendurchmesser von etwa 14,33 mm (etwa o,564 Zoll) und eine Wandstärke von etwa 0,813 mm (O,O32 Zoll). Hierdurch erhält man einen zunächst vorhandenen radialen Spielraum 123 von etwa O,127 mm (etwa 0,005 Zoll) (einen freien Raum auf dem Durchmesser von etwa 0,254 mm (etwa 0,010 Zoll)).

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Figur 3 zeigt einen Teil des Brennelementes 115, teilweise im Schnitt, zur Veranschaulichung der Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung. Mit der Erzeugung einer wachsenden Leistung (Wärme) durch die Brennstoffpillen 117 dehnen sich die Brennstoffpillen in einer solchen Weise aus, daß sie eine spulenförmige oder sanduhrförmige Gestalt annehmen, wobei die Enden 126 und 127 gemäß der Abbildung in Figur 3 gebogen sind. Der anfänglich vorhandene Spielraum 123 wird schließlich eingenommen, die Kanten 128 und der Pille sind dann im Kontakt mit der inneren Oberfläche des Verkleidungsrohrs 116 und es erfolgt die Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung. Eine weitere Ausdehnung der Brennstoffpille bewirkt eine Lelastung am Umfang des Verkleidungsrohrs 116 an den Punkten der Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung. Außerdem besitzen die Enden 128 und 129 der Pille eine Neigung zum Festhaften an dem Verkleidungsrohr. Daher bewirkt ein weiteres Ausbiegen der Enden 126 und 127, daß sich die Pillenenden 128 und 129 in Längsrichtung auseinanderbewegen und dabei eine Belastung auf das Verkleidungsrohr in Längsrichtung erzeugt wird. Weiterhin entstehen in den Pillen^vLängsrisse 131. Die scharfen Kanten dieser Risse können Punkte mit hoher örtlicher Belastung an der Verkleidung ergeben.

Für den hier erörterten Typ von Brennelementen liegt die maximale Spitzenleistung im Betrieb (oder lineare Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit) in der Größenordnung von etwa 53 bis 60 kW/m (16 bis 18 kW/Fuß) (Kilowatt pro Fuß) und es wurde gefunden, daß die Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung in dem Leistungsbereich von etwa 18 bis 33 kW/m (6 bis Io kW/Fuß) und darüber erfolgt. Es wurde gefunden, daß sich bei der Ausführung von schnellen Änderungen des Leistungspegels in diesem Bereich für die Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung schnelle örtlich begrenzte Erhöhungen der Belastung und der Spannung in der Verkleidung oberhalb der Streckgrenze des Materials ergeben und ein Defekt an der Verkleidung durch die Entstehung von Rissen erfolgen kann? ein charakteristischer Riß ist bei 132 abgebildet. Die Wahrscheinlichkeit eines Pillen-

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Verkleidung-Wechselwirkungsdefektes wird mit der Lebensdauer des Brennstoffes in einem Reaktor infolge der Verringerung der Duktilität der Verkleidung durch die Bestrahlung noch erhöht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde überraschend ein Verfahren zu einer solchen Behandlung des Brennstoffes gefunden, daß anschließende schnelle Änderungen des Leistungspegels in einer solchen vorbehandelten Verkleidung (d.h. bis zum maximalen Leistungspegel, bei dem der Brennstoff behandelt wurde) ausgeführt werden können mit einem Minimum des Risikos einer Beschädigung der Verkleidung (d.h. eines Defektes durch Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung) .

In Figur 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung des Brennstoffes dargestellt. Es besteht darin, daß zunächst die Brennstoffleistung in dem Bereich für die Viech sei wirkung zwischen Pille und Verkleidung auf den erwünschten maximalen Leistungspegel mit einer Geschwindigkeit erhöht wird, die unter einer kritischen Geschwindigkeit liegt, die eine Beschädigung der Verkleidung verursachen würde. Die maximale Geschwindigkeit dieses anfänglichen Leistungsanstieges wurde mit etwa 0,33 kW/m/Stunde (0,1 kW/Fuß/Stunde) (Kilowatt pro Fuß pro Stunde) Spitzenleistung für den hier erörterten Typ von Brennstoffelementen gefunden.

Nach dem Grad des derzeitigen Verständnisses wird angenommen, daß der Widerstand der bestrahlten Verkleidung gegenüber der Rißbildung bei Zugbelastung sehr stark von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit der die Verkleidung gedehnt wird. Daher gestattet die beschriebene anfängliche relativ langsam erfolgende Steigerung der Leistung eine plastische Verformung der Verkleidung gemäß den von den sich ausdehnenden Brennstoffpillen erzeugten Spannungen. Es wird auch noch angenommen, daß die Spannungsbelastung der Verkleidung durch eine langsame plastische Verformung oder einen Kriechvorgang an den Brennstoffpillen gemildert wird, welcher durch die

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von der belasteten Verkleidung erzeugten rückwirkenden Kräfte entsteht. Dies ist besonders der Fall bei hohen Leistungswerten, bei denen die BrennstoffpiIlen stärker dehnbar werden. In jedem Falle wurde gefunden, daß der Brennstoff, welcher mit der gefundenen Vorbehandlungsgeschwindigkeit auf Leistung gebracht wird, keine Ausfallerscheinungen zeigt und weiterhin spätere schnelle Änderungen des Leistungspegels des Brennstoffes (beispielsweise 15% der Nennleistung pro Minute) vorgenommen werden können (wie dies beispielsweise zur Nachführung bei einer steigenden Belastung erforderlich ist), wie dies in Figur 4 dargestellt ist, mit einem Mindestrisiko eines Defektes durch Wechselwirkung zwischen der Brennstoffpille und der Verkleidung.

In Figur 4 wird eine kontinuierliche anfängliche Steigerungsgeschwindigkeit für die Leistung dargestellt. Es wurde jedoch in der Praxis gefunden, daß es zweckmäßiger ist, die Leistung in einer Folge von Schritten zu steigern. Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Vorbehandlungsverfahren für den Brennstoff schrittweise ausgeführt werden kann, wenn die einzelnen Schritte oder Leistungsstufen klein genug sind. Beispielsweise wurden Leistungsstufen von etwa O,33 kW/m (0,1 kW/Fuß) Spitzenleistung als praktisch ausführbar gefunden. Der maximal zulässige Wert scheint bei etwa 1,6 kW/m (etwa 0,5 kW/Fuß) Spitzenleistung zu liegen.

Das hier beschriebene Verfahren zur Vorbehandlung des Brennstoffes gestattet spätere schnelle Leistungsänderungen. Es wurde jedoch weiterhin gefunden, daß die Wirkung der Vorbehandlung verlorengehen kann, wenn der Brennstoff später während eines ausgedehnten Zeitraums bei Leistungswerten unterhalb oder in der Nähe der unteren Grenze für die Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung betrieben wird. Es wird angenommen, daß sich dieser Verlust der Wirkung der Vorbehandlung durch Betrieb des Brennstoffes mit niedrigen Leistungswerten aus einer Relaxation des Brennstoffes, einem Ausheilen der Risse in der Brennstoffpille und einer Relaxation und einer Kriecherscheinung in der Verkleidung ergibt. Daher wurde es als notwendig gefunden, nach einem ausgedehnten Zeitraum des Betriebes des Brennstoffes mit niedriger Leistung den Brennstoff erneut

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zum Betrieb mit höheren Leistungswerten vorzubehandeln, wenn man den Defekt durch Wechselwirkung zwischen Brennstoffpille und Verkleidung vermeiden will.

Die Zeitdauer und die Bedingungen für den Verlust der Auswirkung der Vorbehandlung wurden noch nicht vollständig ermittelt und sind scheinbar von einer Anzahl von Paktoren abhängig einschließlich der Vorgeschichte des Betriebs mit hoher Leistung- In jedem Falle wurde gemäß der nachstehenden Erläuterung gefunden, daß eine Vorbehandlung gemäß der Erfindung während einer ausreichenden Zeitdauer wirksam ist, um den praktischen Betrieb von einem Tag zum andern und die Ausgleichung der Belastungsänderung an Wochenenden zu gestatten.

Es folgen nachstehend einige Beispiele zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung.

Beispiel 1

Es wurde ein Brennstab geprüft, welcher zuvor in einem Reaktor betrieben wurde, wobei er eine Strahlungsleistung in der Größenordnung von etwa 9OOO bis 12OOO Megawatt-Tagen pro Tonne ausgesetzt war. Während der letzten Monate dieser Bestrahlung lag die Spitzenleistung in diesem Brennstoffstab bei weniger als etwa 33 kW/m (IO kW/Fuß). Dieser Brennstab wurde in einen Versuchsreaktor eingesetzt und die Leistung in demselben wurde schnell von etwa 33 kW/m auf etwa 46 kW/m (etwa IO kW/Fuß auf 14 kW/Fuß) gesteigert. An dem Brennstab ergab sich ein Defekt durch Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung.

Beispiel 2

Es wurden fünf Brennstäbe mit einer ähnlichen Vorgeschichte des Betriebs wie der Brennstab nach Beispiel 1 gemäß der Darstellung in Figur 5 geprüft, iru-dem die Leistung in den Brennstäben von

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etwa 33 kW/m (10 kW/Fuß) in einer Folge von Schritten mit etwa 6,6 kW/m (2 kW/Fuß) mit Ha 3toperioden von Io Stunden zwischen den einzelnen Schritten gesteigert wurde. Alle Brennstäbe fielen vor dem Erreichen einer Leistung von etwa 53 kW/m (16 kW/Fuß) aus.

Beispiel 3

Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebs ähnlich dem Brennstab nach Beispiel 1 wurde gemäß der Abbildung in Figur 6 geprüft, wobei die Leistung in dem Stab von etwa 33 kW/m (10 kW/Fuß) in einer Folge von Schritten von jeweils 3,3 kW/m (1 kW/Fuß) mit Halteperioden von 5 Stunden zwischen den einzelrien Schritten gesteigert wurde. Dieser Brennstab fiel aus vor dem Erreichen einer Leistung von etwa 53 kW/m (16 kW/Fuß).

Beispiel 4

Zwei Brennstäbe mit ähnlicher Vorgeschichte des Betriebs wie der Brennstab nach Beispiel 1 wurden gemäß der Darstellung in Figur 7 dadurch geprüft, daß die Leistung in den Brennstäben von etwa 19,6 kW/m (6 kW/Fuß) in einer Reihe von Schritten von jeweils 0,41 kW/m (0,125 kW/Pui^ mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten gesteigert wurde. Auch diese Brennstäbe wurden defekt.

Beispiel 5

Fünf Brennstäbe mit einer ähnlichen Vorgeschichte des Betriebs wie der Brennstab nach Beispiel 1 wurden gemäß der Darstellung in Figur 8 wie folgt geprüft:

In einem Brennstab F-I wurde die Leistung mit einer Geschwindigkeit von etwa 53 kW/m/Stunde (16 kW/Fuß/Stunde) auf einen Leistungspegel von etwa 26 kW/m (8 kW/Fuß) gesteigert. Die Leistung in dem Brennstab

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wurde dann weiter in einer Folge von Schritten von 0,26 kW/m (0,08 kW/Fuß) mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten auf einen Leistungspegel von etwa 51 kW/m (15,5 kW/Fuß) gesteigert.

In Brennstäben F-2, F-3 und F-4 wurde die Leistung mit einer Geschwindigkeit von etwa 53 kW/m/Stunde (etwa 16 kW/Fuß/Stunde) auf einen Leistungspegel von etwa 23 kW/m (7 kW/Fuß) gesteigert. Die Leistung in dem Brennstab wurde dann in einer Folge von Schritten von etwa 0,26 kW/m (0,08 kW/Fuß) mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten auf einen Leistungspegel von etwa 53,1 kW/m (16,2 kW/Fuß) für den Stab F-2, etwa 51 kW/m (15,5 kW/Fuß) für den Stab F-3 und etwa 44,3 kW/m (13,5 kW/Fuß) für den Stab F-4 gesteigert.

In einem Brennstab F-5 wurde die Leistung auf etwa 19,6 kW/m (6 kW/Fuß) mit einer Geschwindigkeit von etwa 53 kW/m/Stunde (16 kW/Fuß/Stunde) gesteigert. Die Leistung wurde dann mit der Geschwindigkeit von etwa O,26 kW/m/Stunde (0,08 kW/Fuß/Stunde) in Schritten von einer Stunde auf einen Leistungspegel von etwa 31,7 kW/m (11,5 kW/Fuß) gesteigert.

Nach den vorstehenden Versuchen wurden diese fünf Brennstäbe F-I bis F-5 gründlich untersucht. An keinem der Brennstäbe war ein Ausfalleffekt aufgetreten und sie zeigten auch keine Anzeichen für einen bevorstehenden Defekt.

Beispiel 6

Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebs ähnlich dem Brennstab nach Beispiel 1 wurde im Leistungsbereich zwischen etwa 22,9 kW/m (7 kW/Fuß) bis etwa 53 kW/m (16 kW/Fuß) dadurch geprüft, daß die Leistung in einer Folge von Schritten von jeweils

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etwa 3 kW/Fuß) mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten erhöht wurde. Bei einer anschließenden Untersuchung zeigte der Brennstab keine Anzeichen für einen Defekt.

Beispiel 7

Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebs ähnlich dem Brennstab nach Beispiel 1 wurde gemäß der Darstellung in Figur in seiner Leistung von etwa 23 kW/m (7 kW/Fuß) auf etwa 53 kW/m (16 kW/Fuß) in einer Reihe von Schritten von jeweils etwa 0,3 kW/m (0,1 kW/Fuß) mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten gesteigert. Die Leistung in diesem Brennstab wurde dann mit relativ großer Geschwindigkeit und mit Halteperioden zyklisch verringert und gesteigert, wie dies im wesentlichen in der Figur dargestellt ist. Die anschließende Untersuchung dieses Brennstabes ergab keine Anzeichen für einen Defekt. Durch diese Untersuchung wurde die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen, den Brennstoff für anschließende starke und schnelle Leistungsänderungen vorzubehandeln, wie sie beispielsweise für eine Anpassung an Laständerungen erforderlich sein kann.

Beispiel 8

Mehrere Brennstäbe mit ähnlichen Vorgeschichten des Betriebs wie der Brennstab nach Beispiel 1 wurden gemäß der Abbildung in Figur untersucht. Hierzu wurden die Stäbe zunächst nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbehandelt und danach die Leistung in den Brennstäben zyklisch verringert und gesteigert mit relativ großer Geschwindigkeit, wobei verschiedene Haltezeiten an den einzelnen Leistungswerten verwendet wurden, einschließlich Haltezeiten von bis zu 480 Stunden. An keinem dieser Stäbe trat ein Defekt auf. Diese Untersuchung zeigte, daß die Vorbehandlung des Brennstoffes mindestens während einer Dauer von 480 Stunden bei Betrieb mit niedriger Leistung anhält und diese Zeitdauer ist mehr als ausreichend, um beispielsweise der Nachführung gemäß der Belastung während eines langen Wochenendes mit Feiertagen oder ähnlichen Betriebszuständen gerecht zu werden.

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Neben den vorstehend aufgeführten Beispielen wurde die Brauchbarkeit und der Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens auch noch bestätigt durch die Verwendung des Verfahrens nach der Erfindung in mehreren industriellen Leistungsreaktoren seit etwa Mai 1973. Die Ergebnisse an diesen Reaktoren zeigen, daß die Verwendung des Vorbehandlungsverfahrens gemäß der Erfindung anschließende starke und schnelle Änderungen der Leistungswerte mit einer beträchtlichen Verminderung der Ausfälle von Brennstäben ermöglichte.

Die Leistung des Brennstabes (lineare Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit) für die einzelnen Brennstäbe wurde hier in Kilowatt pro Meter ausgedrückt. Es können jedoch auch andere äquivalente Größen verwendet werden. Beispielsweise kann die Leistung des Brennstabes alternativ in Prozent der Nennleistung ausgedrückt werden. Wenn beispielsweise ein Brennstab eine maximale Nennleistung von etwa 53 kW/m (16 kW/Fuß) besitzt, dann entspricht eine Geschwindigkeit der Leistungsänderung von O,6% der Nennleistung pro Stunde einem Wert von etwa O,315 kW/m/Stunde (0,096 kW/Fuß/Stunde).

Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Verfahren in seiner Anwendung auf Brennstäbe mit einem Durchmesser der Brennstoffpillen in der Größenordnung von etwa 1,25 cm (0,49 Zoll) beschrieben. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise anwendbar auf Brennstäbe mit anderem Durchmesser. Da bei einer vorgegebenen linearen Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit und einem vorgegebenen Belastungszustand des Brennstoffes die Kriechgeschwindigkeit des Brennstoffes im wesentlichen umgekehrt proportional zum Quadrat des Durchmessers der Brennstoffpillen ist, ist die Vorbehandlungsgeschwindigkeit (ausgedrückt in der Steigerungsgeschwindigkeit der linearen Wärmeerzeugungsgeschwindigkeit) ebenfalls umgekehrt proportional dem Quadrat des Durchmessers der Brennstoffpillen. Ebenso ist die Vorbehandlungsgeschwindigkeit direkt proportional dem Belastungspegel und damit dem Verhältnis der Dicke des Verkleidungsrohrs zu seinem Durchmesser. Daher kann die Vorbehandlungsgeschwindigkeit

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wie folgt verallgemeinert angegeben werden:

D₁ ³ T

r " ^Cl

^Dn^{3 T}l

Hierin bedeuten:

C ist die Vorbehandlungsgeschwindigkeit für diesen Brennstab,

C, die bekannte Vorbehandlungsgeschwindigkeit für einen bekannten Brennstab, welcher Brennstoffpillen mit be kanntem Durchmesser D, enthalt,

D, der Durchmesser der Brennstoffpillen des bekannten Brennstabes,

D der Durchmesser der Brennstoffpillen des zu berechnenden Brennstabes,

T, die Dicke der Verkleidung des bekannten Brennstabes,

T die Dicke der Verkleidung des zu berechnenden Brennn

Stabes.

Wie vorstehend gezeigt, betragt die maximale Vorbehandlungsgeschwindigkeit für einen Brennstab mit einer Dicke der Verkleidung von etwa 0,813 mm (0,032 Zoll) und mit Brennstoffpillen mit einem Durchmesser von etwa 12,5 mm etwa 0,31 kw/m/Stunde (0,1 kW/Fuß/ Stunde) und die kritische Geschwindigkeit (welche wahrscheinlich einen Defekt der Verkleidung bewirken wird) ist etwa 0,41 kW/m/ Stunde (0,125 kW/Fuß/Stunde). Daher beträgt die maximale oder zulässige Vorbehandlungsgeschwindigkeit C für einen Brennstab

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mit einer Verkleidungsdicke T und mit Brennstoffpillen des Durchmessers D :
η

C_r = O, 31 - . V___{)3 ;>/ra/stund?:1}

Wenn beispielsweise der Durchmesser der Pille halbiert wird und die Verkleidung die gleiche Dicke besitzt, dann wird die zulässige Vorbehandlungsgeschwindigkeit auf das Achtfache vergrößert. Wenn die Verkleidungsdicke ebenfalls halbiert wird, dann wird die zulässige Vorbehandlungsgeschwindigkeit nur um das Vierfache vergrößert .

Es ist zu beachten, daß der Beginn der Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung (welcher wie vorstehend erwähnt in dem Leistungsbereich zwischen etwa 2O und 33 kW/m (6 - Io kW/Fuß) für Brennstoffpillen mit einem Durchmesser von etwa 1,25 cm (0,49 Zoll) und einer Dicke der Verkleidung von etwa O,0813 cm (0,032 Zoll) auftritt) im wesentlichen unabhängig von dem Durchmesser der Brennstoffpille und der Dicke der Verkleidung ist.

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Claims

Patentansr>rüche:

1. )\ In einem Brennstoff kern eines Kernreaktors, bei dem der Brennstoff aus einer Vielzahl von zylindrischen Pillen besteht, die in einer Vielzahl von rohrförmigen länglichen verkleideten Brennelementen enthalten sind, ein Verfahren zur Vorbehandlung der Brennelemente, welche dann anschließende schnelle Leistungsänderungen ohne Defekt der Verkleidung aushalten, dadurch gekennzeichnet , daß es umfaßt: die von den Brennelementen erzeugte Leistung wird unter Überstreichen eines Leistungsbereiches für die Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung zu einem gewünschten maximalen Leistungspegel mit einer Geschwindigkeit der Leistungssteigerung durchschritten, die unterhalb einer kritischen Geschwindigkeit liegt, die eine Beschädigung der Verkleidung infolge der Wechselwirkung zwischen Pille und Verkleidung verursacht.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die kritische Geschwindigkeit für Brennstoffpillen mit einem Durchmesser von etwa 1,25 cm (0,49 Zoll) im Bereich von etwa 0,41 kW/m/Stunde (O,125 kW/Fuß/ Stunde) liegt.

3.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungssteigerungen in Richtung des maximalen Leistungspegels mit einer Geschwindigkeit vorgenommen werden, die nicht größer ist als etwa O,31 kW/m/Stunde (0,1 kW/Füß/Stunde).

4.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungssteigerung in Richtung des maximalen Leistungspegels einer Geschwindigkeit vorgenommen wird, die zwischen etwa 0,26 bis 0,31 kW/m/Stunde (0,08 bis 0,1 kW/Fuß/Stunde), liegt.

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5.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Erhöhung der Leistung in Richtung des maximalen Leistungspegels in einer Folge von schrittweisen Leistungssteigerungen durchgeführt wird und daß jeder Schritt nicht größer ist als etwa 1,64 kW/m (0,5 kW/Fuß).

6.) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Steigerung der Leistung in Richtung des maximalen Leistungspegels in einer Folge von schrittweisen Leistungssteigerungen vorgenommen wird und jeder der Schritte nicht größer ist als etwa 0,31 kW/m (0,1 kW/Fuß), wobei zwischen den einzelnen schrittweisen Erhöhungen ein Zeitraum von nicht weniger als einer Stunde liegt.

7.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die kritische Geschwindigkeit etwa O,41x(l,25)³/D³ mal T_n/o,o813 kW/m/Stunde (o,125x(o,49)³/D³ mal T /o,o32 kW/Fuß/Stunde) beträgt, wobei D der Durchmesser der BrennstoffpiIlen und T die Dicke der Verkleidung ist.

8.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Erhöhung der Leistung auf den maximalen Leistungspegel mit einer Geschwindigkeit vorgenommen

3 3 wird, die nicht größer als etwa o,33 x(l,25) /D_n mal T_n/o,o813

kw/m/Stunde (Ο,Ι χ (0,49)³/D³ mal T_n/ 0,032 kW/Fuß/Stunde) ist.

9.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungssteigerung auf den maximalen Wert mit einer Geschwindigkeit von etwa (0,26 bis O,33) χ (1,25)³/D³ mal T_n/O,O813 kW/m/Stunde (0,08 bis O_#l) (O,49)³/D³ mal T_n/o,O32 kW/Fuß/Stunde) vorgenommen wird.

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10.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungssteigerung in Richtung des maximalen Leistungspegels als Abfolge von schrittweisen Leistungssteigerungen vorgenommen wird und jeder der Schritte nicht größer ist als etwa

1,64 χ (1,25)³/D³ mal T /O.O813 kW/m/Stunde (0,5 (O;49³/D³ mal T / 0,032 kW/Fuß/Stunde).

11.) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Leistungssteigerung in Richtung auf den maximalen Leistungspegel als Folge von stufenweisen Erhöhungen der Leistung ausgeführt wird und keine der Stufen größer ist als etwa 0,33 (1,25) /D³ mal T /0,0813 kW/m/Stunde (0,1 (O,49)³/D³ mal T /O.O32 kW/Fuß/Stunde)_t

wobei zwischen den stufenweisen Erhöhungen ein Zeitraum von mindestens 1 Stunde vorhanden ist.

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