DE2540351C3

DE2540351C3 - Fuel element

Info

Publication number: DE2540351C3
Application number: DE19752540351
Authority: DE
Inventors: Hideo Katsuta; Ito Kenichi Hitachi; Maki (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1974-09-11
Filing date: 1975-09-10
Publication date: 1977-10-20

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement, das eine Anzahl von Brennstoffpellets in einer abgedichteten Brennstoffhülle enthält.The invention relates to a fuel element which has a number of fuel pellets in a sealed Contains fuel envelope.

In Kernreaktoren wird eine große Anzahl von Brennstoffelementen verwendet, die gebildet werden, indem durch Formen oder Formgießen von Kernbrennstoff, der spaltbare Materialien enthält, und Kalzinieren des geformten Kernbrennstoffes hergestellte Brennstoff-Pellets in einer Brtnnstoffhülle aufeinander angeordnet werden. Speziell in Siedewasserreaktoren werden Brennelemente angewendet, die gebildet werden, indem in einer Brennstoffhülle aus einer Zirkonlegierung aus 1,5% Sn, 0,12% Fe, 0,1% Cr, 0,05% Ni, Rest Zr, eine große Anzahl von UOrPellets angeordnet wird, die durch Verformen von pulverförmigem Urandioxid (UO2) und Kalzinieren des verformten Pulvers erhalten werden. Beide Enden der Hülle aus dieser Zirkonlegierung werden hermetisch abgedichtet, indem Verschlußkappen an beide Enden der Hülle angeschweißt werden, die mit den Pellets aus UO2 gefüllt ist. Vor dem hermetischen Abdichten der Hülle aus der Zirkonlegierung wird Helium eingefüllt. Das Helium füllt den zwischen der Hülle und den UOrPellets gebildeten Hohlraum aus und bildet in oberen Teil der Hülle aus der Zirkonlegierung einen Gasraum.A large number of fuel elements are used in nuclear reactors, which are formed by molding or casting nuclear fuel containing fissile materials and calcining The fuel pellets produced from the shaped nuclear fuel are arranged on top of one another in a fuel envelope will. Fuel elements that are formed are used especially in boiling water reactors in a fuel shell made of a zirconium alloy of 1.5% Sn, 0.12% Fe, 0.1% Cr, 0.05% Ni, remainder Zr, a large number of UOrPellets is arranged by deforming powdery Uranium dioxide (UO2) and calcining the deformed powder can be obtained. Both ends of the sheath off These zirconium alloys are hermetically sealed by placing sealing caps on both ends of the sheath welded on, which is filled with the pellets made of UO2. Before hermetically sealing the envelope Helium is filled in from the zirconium alloy. The helium fills the between the envelope and the UOrPellets formed cavity and forms one in the upper part of the shell made of the zirconium alloy Gas compartment.

Die Brennstoffhülle hat zwei Hauptfunktionen, und zwar (1) den Kontakt der Brennstoff-Pellets mit dem Kühlmittel oder einem Moderator zu verhindern, um das Eintreten einer chemischen Reaktion zwischen diesen Bestandteilen zu vermeiden, und (2) zu verhindern, daß Spaltprodukte hoher Radioaktivität, die durch Spaltung der Brennelemente gebildet werden, an das Kühlmittel oder den Moderator abgegeben werden.The fuel cladding has two main functions, namely (1) to keep the fuel pellets in contact with the fuel Coolant or a moderator to prevent a chemical reaction from occurring between to avoid these constituents, and (2) to prevent high radioactivity fission products which are formed by fission of the fuel assemblies to which the coolant or the moderator are released.

Eine integrierte Anordnung von Brennstoffelementen wird aus einer großen Anzahl der Zirkonlegierungs-Elemente ausgebildet und eine große Anzahl der Brennstoffelement-Anordnungen wird in dem Kern eines Kernreaktors angeordnet. Die Hülle aus der genannten Zirkonlegierung wird durch die Deformation der UOrPellets, welche durch den Betrieb des Kernreaktors verursacht wird, nach außen expandiert und unterliegt der Spannungsbeanspruchung. Es wird angenommen, daß diese Erscheinung aus folgenden drei Gründen eintritt. Der erste Grund besteht darin, daß die Temperatur von UO₂-Pellets während des Betriebs des Kernreaktors höher wird als die Temperatur der Hülle aus Zirkonlegierung. Der zweite Grund ist der, daß aufgrund eines großen Temperaturgradienten in den UOrPellets ein Massentransport in radialer Richtung auftritt oder eine hohe Wärmeausdehnung in den zentralen Teilen der UO₂-Pellets durch die absorbierte Wärme auftritt und infolgedessen in den äußeren Teilen der UO₂-Pellets Rißbildung in radialer Richtung auftritt. Der dritte Grund liegt darin, daß im Verlauf der Betriebszeit des Kernreaktors Spaltprodukte in den UO₂-Pellets angereichert werden, welche das Volumen der UOrPellets erhöhen.An integrated assembly of fuel elements is formed from a large number of the zirconium alloy elements, and a large number of the fuel element assemblies are arranged in the core of a nuclear reactor. The shell made of the zirconium alloy mentioned is expanded outwards by the deformation of the UOrPellets, which is caused by the operation of the nuclear reactor, and is subject to stress. It is believed that this phenomenon occurs for the following three reasons. The first reason is that the temperature of UO ₂ pellets during operation of the nuclear reactor becomes higher than the temperature of the zirconium alloy shell. The second reason is that due to a large temperature gradient in the UOrPellets, mass transport occurs in the radial direction or high thermal expansion occurs in the central parts of the UO ₂ pellets due to the absorbed heat and, as a result, cracks form _{in the outer parts of the UO 2 pellets} occurs in the radial direction. The third reason is that, in the course of the operating time of the nuclear reactor, fission products _{accumulate in the UO 2} pellets, which increase the volume of the UO pellets.

Die Deformation der Hülle aus Zirkonlegierung wird nachstehend ausführlicher beschrieben, im Verlauf der Betriebsdauer des Kernreaktors nehmen die säulenförmigen UOrPellets in dem im Kernreaktor angedeuteten Brennstoffelement an beiden Enden des UOrPellets eine größere Querschnittsfläche an, als im zentralen Teil, gesehen in axialer Richtung des UOrPellets. Das heißt, die Randteile an beiden Enden des UOrPellets sind stärker erhöht als der Umfang im Zentrum des UOrPellets. Wenn die erhöhten peripheren Teile an beiden Enden der UOrPellets in Kontakt mit der Innenfläche der Zirkonlegierungs-Hülle kommen und dadurch weiter vorspringen, wird die Hülle nach außen gedehnt. Dadurch bilden sich wulstartige Teile an der Hülle, die wie Bambus-Knoten aussehen. Anders ausgedrückt, nimmt die Hülle ein Aussehen an, das dem eines Bambusrohres ähnlich ist. Die Spannungen konzentrieren sich an den wulstartigen Teilen und können leicht zur Beschädigung und Zerstörung der Hülle aus Zirkonlegierung führen.The deformation of the zirconium alloy shell will be described in more detail below, in the course of FIG The column-shaped UOrPellets in the indicated in the nuclear reactor take the operating time of the nuclear reactor Fuel element at both ends of the UOrPellet has a larger cross-sectional area than in the central one Part, seen in the axial direction of the UOrPellet. That is, the edge parts at both ends of the UOrPellet are increased more than the circumference in the center of the UOrPellet. When the raised peripheral parts both ends of the UOrPellets come into contact with the inner surface of the zirconium alloy shell and thereby protruding further, the envelope is stretched outwards. This causes bead-like parts to form on the Sheaths that look like bamboo knots. In other words, the shell takes on an appearance that resembles the is similar to a bamboo cane. The stresses are concentrated on the bulbous parts and can easily damage and destroy the zirconium alloy shell.

Außerdem werden Spaltprodukte abgegeben, wenn das spaltbare Material (Uran 235) in den UOrPellets Kernspaltung erleidet. Die Spaltprodukte werden in dem zwischen der Hülle und den UOrPellets gebildeten Zwischenraum und in dem Gasraum angereichert. Es wurde kürzlich gefunden, daß die Hülle aus Zirkonlegierung der Spannungskorrosion unterliegt, wenn Jod, ein Spaltprodukt, sich an der Innenfläche der wulstartigen Teile ansetzt, die in der Hülle ausgebildet werden. Die Ausbeute des durch Kernspaltung gebildeten Jods in dem Brennstoffelement ist hoch. Wenn dieses Jod sich an der Innenfläche der Wulstteile anlagert, die sich in der Hülle aus Zirkonlegierung in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet haben, so wird die Zerstörung der Wulstteile der Hülle gefördert. Diese Erscheinung wurde experimentell bestätigt. Aufgrund dieser Erscheinung wird nicht nur die Verläßlichkeit des Brennstoffelements vermindert, sondern auch die Sicherheit des Kernreaktors gefährdet. Die Abgabe der Spaltprodukte, speziell Jod, aufgrund der Zerstörung der Hülle aus Zirkonlegierung aus dem Brennstoffelement nach außen führt zu der Schwierigkeit, daß die Brennstoffanordnung in dem Kernreaktor ersetz werden muß. Darüber hinaus wird durch eine Abgab« von Jod an die Atmosphäre die Umgebung dei Kernkraftanlage verunreinigt und bewirkt, daß die ii der Nähe der Kernkraftstation lebende Bevölkerunj der direkten oder indirekten Strahlung ausgesetzt wird. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, da Auftreten von Spannungskorrosion und die darauffol gende Zerstörung der Brennstoffelemente unter de Einwirkung des Spaltprodukts Jod zu verhindern.In addition, fission products are released when the fissile material (uranium 235) is in the UOrPellets Suffers nuclear fission. The cleavage products are formed between the shell and the UOrPellets Gap and enriched in the gas space. It has recently been found that the shell is made of zirconium alloy is subject to stress corrosion when iodine, a fission product, adheres to the inner surface of the bulbous Attaches parts that are formed in the shell. The yield of iodine formed by nuclear fission in the fuel element is high. When this iodine attaches itself to the inner surface of the bead parts, which are in of the zirconium alloy shell formed in the manner described above, the Destruction of the bead parts of the shell promoted. This phenomenon has been confirmed experimentally. Because of this phenomenon degrades not only the reliability of the fuel element, but also that Nuclear reactor safety at risk. The release of the fission products, especially iodine, due to the destruction the zirconium alloy shell from the fuel element to the outside leads to the difficulty that the Fuel assembly in the nuclear reactor needs to be replaced. In addition, a levy " of iodine to the atmosphere contaminates the environment of the nuclear power plant and causes the ii The population living in the vicinity of the nuclear power station is exposed to direct or indirect radiation. The invention is therefore based on the object that stress corrosion occurs and the subsequent to prevent the destruction of the fuel elements under the action of the fission product iodine.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Brennstoffelement erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen je zwei benachbarten Brennstoffpellets -in Körper aus Nickel oder einer Nickellegierung neeordnet ist, der mit beim Reaktorbetrieb auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß Nickel verknüpft und in das ein Nickelfilm auf der Innenseite der Brennelementhülle niederschlägt, welcher das Spaltprodukt JodIn the case of the fuel element mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that that between every two adjacent fuel pellets -in body made of nickel or a nickel alloy is neeordered, which is heated to such a high temperature during reactor operation that nickel is linked and in which deposits a nickel film on the inside of the fuel element cladding, which contains the fission product iodine

"es war bereits bekannt, im Inneren von Brennstoffelementen für Kernreaktoren bestimmte Substanzen, darunter Nickel oder Nickellegierungen anzuordnen, „m einen bestimmten Zweck zu erreichen."It was already known inside fuel elements to order certain substances for nuclear reactors, including nickel or nickel alloys, “M to achieve a specific purpose.

So wird gemäß der DT-AS 1171 544 der Kernbrennstoff eines Brennstoffelements mit Hilfe von Nickel- und Chromschichten mit der aus Aluminium bestehenden metallischen Umhüllung verbunden. Auf diese Weise wird eine festere Verbindung erreicht und die Diffusion von Aluminium vermieden.This is how nuclear fuel is used according to DT-AS 1171 544 a fuel element with the help of nickel and chromium layers with the one made of aluminum metallic casing connected. In this way a stronger connection is achieved and the diffusion avoided by aluminum.

Aus der DT-OS 22 59 569 war es bekannt, in einem Kernbrennstoffelement eine aus Nickel, Titan und Zirkon bestehende Legierung anzuordnen, um gegenüber der Umhüllung des Brennstoffelements reaktiven Wasserstoff und Wasserdampf abzufangen. Zu dem gleichen _Zweck wird gemäß der DT-OS 24 49 553 ein bimetallischer Verbundkörper angewendet, dessen Substrat aus Nickel, einer Nickellegierung, Ferrolegierung rostfreiem Stahl, Titan oder einer Titanlegierung und dessen Überzug aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung gebildet ist.From DT-OS 22 59 569 it was known to arrange an alloy consisting of nickel, titanium and zirconium in a nuclear fuel element in order to intercept hydrogen and water vapor which are reactive towards the envelope of the fuel element. For the same _purpose , according to DT-OS 24 49 553, a bimetallic composite body is used, the substrate of which is made of nickel, a nickel alloy, ferroalloy, stainless steel, titanium or a titanium alloy and its coating is made of zirconium or a zirconium alloy.

In dem vorstehend erläuterten Stand der Technik wird jedoch das Problem, die durch Jod ausgelöste Spannungskorrosion einer Brennstoffhülle zu verhindern, nicht angesprochen.In the prior art discussed above, however, the problem caused by iodine Preventing stress corrosion of a fuel cladding is not addressed.

Wenn ein Kernreaktor, der solche Brennelemente eemäß der Erfindung aufweist, in Betrieb genommen wird so entwickelt das Nickel oder die Nickellegierung Nickeldämpfe. Die Nickeldämpfe werden auf der Innenwand der Brennstoffhülle durch die Diffusion der Nickeldämpfe abgelagert und bilden auf der Innenfläche der Brennstoffhülle einen Nickelfilm. Der so gebildete Nickelfilm absorbiert Jod und auf diese Weise kann die Spannungskorrosion der Brennstoffhülle vermiedenWhen a nuclear reactor having such fuel assemblies according to the invention is put into operation this is how the nickel or the nickel alloy nickel vapors are developed. The nickel fumes are on the Inner wall of the fuel shell deposited by the diffusion of nickel vapors and form on the inner surface the fuel envelope a nickel film. The nickel film thus formed absorbs iodine and in this way the Stress corrosion of the fuel shell avoided

*Wenn außerdem die nachstehend beschriebene Vorrichtung in Verbindung mit dem Brennelement Eemäß der Erfindung mit den angegebenen Eigenschaften angewendet wird, kann die zusätzliche Wirkung erzielt werden, daß der Nickelfilm auf der Innenfläche der Brennstoffhülle in kurzer Zeit ausgebildet werden kann und dadurch die Gefahr des Auftretens der SDannungskorrosion vermindert werden kann. Es wird bevorzugt, das Nickel oder die Nickellegierung in einer Zone anzuordnen, in der das Nickel oder die Nickellegierung ihren Schmelzpunkt erreicht, Vorzugsweise nahe des axialen Zentrums der Brennstoffpellets und zwischen den Brennstoffpellets.* If the device described below is also used in conjunction with the fuel assembly Applied according to the invention with the specified properties, the additional effect be achieved that the nickel film on the inner surface the fuel shell can be formed in a short time and thereby the risk of occurrence of the Stress corrosion can be reduced. It is preferred to use the nickel or the nickel alloy in one To arrange zone in which the nickel or nickel alloy reaches its melting point, Preferably near the axial center of the fuel pellets and between the fuel pellets.

Das Brennelement gemäß der Erfindung kann in der nachstehend angegebenen Weise weiter verbessert werden Bei dieser Ausführungsform wird auf der oberen Seite des Brennstoffpellets eine Vertiefung vorgesehen und in die Vertiefung wird Nickel oder eine Nickellegierung eingefüllt. Wenn das Nickel oder die der Nickellegierung in die Ausnehmungen kann diese Abwärtsbewegung der Brennstoffpellets vermieden we. den. Außerdem kann das Nickel oder die Nickellegierung sicher geschmolzen werden, wenn das Nicke! oder seine Legierung in einem Bereich vorgesehen wird, in dem sein Schmelzpunkt erreicht wird.The fuel assembly according to the invention can be further improved in the following manner In this embodiment, a depression is made on the upper side of the fuel pellet provided and nickel or a nickel alloy is filled into the recess. If the nickel or the the nickel alloy in the recesses can prevent this downward movement of the fuel pellets we. the. Also, the nickel or nickel alloy can be melted safely if the nod! or its alloy is provided in a range where its melting point is reached.

Bei dem Brennelement gemäß der Erfindung werden aus dem metallischen Nickel oder der Nickellegierung unter der Einwirkung der Wärme, die durch Kernspaltung der Brennstoffpellets frei wird, Nickeldämpfe durch Diffusion an der Innenfläche der Brennstoffhülle abgeschieden und bilden dort einen die Innenfläche der Brennstoffhülle überziehenden Nickelfilm. Durch Anordnen von Nickel oder einer Nickellegierung zwischen den Brennstoffpellets kann der Nickelfilm in Bereichen in der Nähe der Innenseite der Wulstteile ausgebildet werden, die sich in der Brennstoffhülle ausbilden. Daher kann in wirksamer Weise die Spannungskorrosion an den Wulstteilen vermieden werden. Nickel ist ein Material, das in zufriedenstellender Weise zur Absorption von Jod befähigt ist und hohen Dampfdruck hat. Außerdem ist Nickel gegenüber der Brennstoffhülle stabil und zeigt gute Adhäsion gegenüber der Brennstoffhülle. Außer Nickel kann ein nickelhaltiges Material, wie eine Nickellegierung, zwischen den Brennstoffpellets vorgesehen werden. Ein Beispiel für eine geeignete Nickellegierung ist eine intermetallische Verbindung von Zirkon und Nickel.In the fuel assembly according to the invention, metallic nickel or nickel alloy are used under the action of the heat released by the nuclear fission of the fuel pellets, nickel vapors deposited by diffusion on the inner surface of the fuel cladding, where they form the inner surface of the Nickel film covering the fuel envelope. By placing nickel or a nickel alloy between In the fuel pellets, the nickel film may be formed in areas near the inside of the bead parts that form in the fuel shell. Therefore, stress corrosion can be effectively reduced the bead parts are avoided. Nickel is a material that is satisfactory for absorption is capable of iodine and has high vapor pressure. Plus, nickel is opposite to the fuel shell stable and shows good adhesion to the fuel shell. In addition to nickel, there can be a nickel-containing one Material, such as a nickel alloy, may be provided between the fuel pellets. An example for a suitable nickel alloy is an intermetallic compound of zirconium and nickel.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. In diesen Zeichnungen bedeutet F i g. 1 eine vertikale Schnittansicht eines Brennstoffelements, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt.The invention is described below with reference to the drawing. In these drawings means F i g. 1 is a vertical sectional view of a fuel element which is a preferred embodiment of FIG Invention shows.

F i g. 2 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Veränderung des Nickeldampfdruckes in Abhängigkeit von der Temperatur zeigt.F i g. 2 is a characteristic diagram showing the change in nickel vapor pressure as a function of from the temperature shows.

F i g. 3 ist ein charakteristisches Diagramm, das die Änderung des Nickeldampf-Diffusionskoeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur angibt.F i g. 3 is a characteristic diagram showing the change in the nickel vapor diffusion coefficient in FIG Depending on the temperature.

F i g. 4 ist eine vertikale Schnittansicht des erfindungsgemäßen Brennstoffelements, die die Beschaffenheit eines Nickelfilms zeigt, der auf der Innenfläche der in F i g. 1 gezeigten Brennstoffhülle ausgebildet ist.F i g. 4 is a vertical sectional view of the fuel element of the present invention showing the constitution of a nickel film deposited on the inner surface of the film shown in FIG. 1 fuel shell shown is formed.

F i g. 5 ist die schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Brennstoffpellets, die sich für das erfindungsgemäße Brennstoffelement verwenden läßt.F i g. 5 is a schematic view of another embodiment of a fuel pellet suitable for can use the fuel element according to the invention.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung worden nachstehend unter Bezugnahme auf F i g. 1 beschrieben. Das Brennstoffelement 1 läßt sich für einen Siedewasserreaktor verwenden. Das Brennstoffelement 1 besteht aus U02-Pellets 2, einer Hülle 5 aus einer Zirkonlegierung aus 1,5% Sn, 0,12% Fe. 0,1% Cr 0,05% Ni, Rest Zr, Abschlußklappen 7 und 8 unc Nickelstücken 10. In der Hülle 5 ist eine große Anzah von UO₂-Pellets 2 angeordnet, die aufeinander gestapel sind. An beiden Enden der Hülle 5 sind Endkappen bzw Abschlußstopfen 7 und 8 durch Schweißen befestigt, s( daß die Hülle 5 hermetisch abgedichtet ist Ein Gasraun 12 ist in dem oberen Teil der Hülle 5 ausgebildet, dami sich dort gasförmige Spaltprodukte anreichern könner In dem Gasraum 5 ist eine Spiralfeder 14 angeordne welche die UO₂-Pellets 12 durch das Plättchen herabdrückt. Auf der Oberseite des UO₃-Pellets 2 i;Preferred embodiments of the invention are described below with reference to FIG. 1 described. The fuel element 1 can be used for a boiling water reactor. The fuel element 1 consists of U02 pellets 2, a shell 5 made of a zirconium alloy of 1.5% Sn, 0.12% Fe. 0.1% Cr, 0.05% Ni, the remainder Zr, closing flaps 7 and 8 and pieces of nickel 10. A large number of UO ₂ pellets 2 are arranged in the casing 5 and are stacked on top of one another. End caps or plugs 7 and 8 are attached to both ends of the envelope 5 by welding, s (that the envelope 5 is hermetically sealed is a spiral spring 14 is arrange which the UO ₂ pellets 12 presses down through the plate to the top of the UO 2 pellets ₃ i.

5 aus Zinnlegierung vorgesehen. Der Gasraum 12 und der Abstand oder Hohlraum 17 sind mit Helium unter einem Druck von etwa 1 Atmosphäre gefüllt.5 made of tin alloy. The gas space 12 and the spacing or cavity 17 are covered with helium a pressure of about 1 atmosphere.

Die Brennstoffelemente werden zu einer Brennstoffanordnung vereinigt und die Brennstoffanordnung wird in den Kern eines Kernreaktors eingeführt. Dann wird der Kernreaktor in Betrieb genommen. Die Temperatur in der Nähe des axialen Zentrums der UOrPellets 2 (nachstehend als Axialzentrum-Temperatur bezeichnet) erreicht einen hohen Wert von etwa 2000⁰C aufgrund der Kernspaltung. Die Axialzentrum-Temperatur der UO2-Pellets 2 hängt hauptsächlich von der thermischen Leistung des Brennstoffelements 1 ab und in manchen Fällen wird eine so hohe Temperatur wie etwa 2500⁰C erreicht. Da die Vertiefung 3 an Stellen in der Nähe des axialen Zentrums der UOrPellets 2 vorgesehen sind, befinden sich natürlich dann die Nickelstücke 10 in den Vertiefungen im geschmolzenen Zustand, weil der Schmelzpunkt von Nickel etwa 1450°c beträgt. Die Lage der Vertiefungen 3 auf der Oberseite der m> UOrPellets 2 kann innerhalb eines Bereiches verändert werden, in welchem das Nickelstück 10 seinen Schmelzpunkt erreichen kann.The fuel elements are combined into a fuel assembly and the fuel assembly is inserted into the core of a nuclear reactor. Then the nuclear reactor is put into operation. The temperature in the vicinity of the axial center of the UOrPellets 2 (hereinafter referred to as the axial center-temperature) has reached a high value of about 2000 ⁰ C due to the nuclear fission. The axial center temperature of the UO2 pellets 2 depends mainly on the thermal performance of the fuel element 1, and in some cases a temperature as high as about 2500 ^° C. is reached. Since the indentations 3 are provided at locations near the axial center of the UOrPellets 2, the nickel pieces 10 are of course then in the indentations in the molten state because the melting point of nickel is about 1450 ° C. The position of the depressions 3 on the upper side of the m> UOrPellets 2 can be changed within a range in which the nickel piece 10 can reach its melting point.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Ausführungsform erläutert, in der die Axialzentrum-Temperatür der UO₂-Pellets 2 einen Wert von etwa 2000⁰C erreicht. Wenn die Axialzentrum-Temperatur erhöht wird, werden Nickeidämpfe aus den Nickelstücken 10 gebildet. Bei 2000⁰C wird ein Nickeldampfdruck von etwa 1 χ 10"² Atmosphäre erzeugt, wie aus Fig. 2 hervorgeht, in der die Veränderung des Nickeldampfdruckes in Abhängigkeit von der Temperatur gezeigt ist. Die Nickeldämpfe strömen durch die Zwischenräume 19 zwischen benachbarten UO2-Pellets 2 von der Stelle in der Nähe des Axialzentrums der UO2-Pellets 2 in Richtung der Innenfläche der Hülle 5 durch die treibende Kraft der Konzentrationsdifferenz und der Temperaturdifferenz.The invention is explained below with reference to the embodiment in which the axial center tempera door UO ₂ pellets 2 reaches a value of about 2000 ⁰ C. When the axial center temperature is increased, nickel vapors are generated from the nickel pieces 10. At 2000 ⁰ C a nickel vapor pressure of about 1 χ 10 ^"2 atmosphere, is generated, in which the variation is shown the nickel vapor pressure in dependence on the temperature as shown in Fig. 2. The nickel vapors pass through the interstices 19 between adjacent UO2 pellets 2 from the point near the axial center of the UO2 pellets 2 in the direction of the inner surface of the shell 5 by the driving force of the concentration difference and the temperature difference.

Der Zusammenhang zwischen dem Nickeldampf-Diffusionskoeffizienten und der Temperatur in Helium in einem Brennstoffelement I₁ in welches Helium bei Normaltemperatur unter einem Druck von 1 Atmosphäre eingeschlossen ist, ist in Fig.3 gezeigt. Die Transportdichte der Nickeldämpfe, die von der Ausnehmung 3 aus den Zwischenraum 17 erreichen, beträgt etwa 3,0 χ 10⁵ Atome/cm² see. In der Vertiefung 3, die in einem UO₂-PeIlCt 2 vorgesehen ist, ist ein Nickelstück 10 von etwa 1,5 g vorgesehen. Dabei wird während eines Zeitraums von 1 Tag ein etwa 0,05 mm dicker Nickelfilm hauptsächlich an dem Teil der Innenfläche der Hülle 5 ausgebildet, der dem Zwischenraum 19 gegenüberliegt.The relationship between the nickel vapor diffusion coefficient and the temperature in helium in a fuel element I ₁ in which helium is enclosed at normal temperature under a pressure of 1 atmosphere is shown in FIG. The transport density of the nickel vapors which reach the intermediate space 17 from the recess 3 is about 3.0 10 ⁵ atoms / cm ² see. In the recess 3, which is provided in a UO ₂ -PeIlCt 2, a nickel piece 10 of about 1.5 g is provided. At this time, a nickel film about 0.05 mm thick is mainly formed on the part of the inner surface of the shell 5 which is opposite to the gap 19 over a period of 1 day.

Unter Bezugnahme auf Fig.4 wird nachstehend die Beschaffenheit des auf der Innenfläche der Hülle 5 ausgebildeten Nickelfilms erläutert. In Fig.4 haben gleiche Teile die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1. Wenn der Kernreaktor in Betrieb genommen wird, unterliegen die UO₂-PeIIeIs 2 der Deformation in der vorstehend beschriebenen Weise. An beiden Enden der UO₂-Pellets 2 bilden sich hervorspringende Teile 20 aus und die Querschnittsfläche an den hervorspringenden Teilen 20 der UO₂-PeIIcIs 2 wird größer als die Querschnittsfläche in zentralen Teilen in Achsrichtung der UO₂-Pellets 2.Referring to FIG. 4, the nature of the nickel film formed on the inner surface of the shell 5 will be explained below. In FIG. 4, the same parts have the same reference numerals as in FIG. 1. When the nuclear reactor is put into operation, the UO ₂ -PeIIeIs 2 are subject to deformation in the manner described above. At both ends of the UO ₂ pellets 2 protruding parts 20 are formed and the cross-sectional area at the protruding parts 20 of the UO ₂ pellets 2 becomes larger than the cross-sectional area in central parts in the axial direction of the UO ₂ pellets 2.

Gleichzeitig bewegen sich die in den Vertiefungen 3 erzeugten Nickeldämpfe durch Diffusion durch die Zwischenräume 19, wie vorstehend beschrieben wurde, und lagern sich an der Innenfläche der Hülle 5 an, die niedrige Temperatur hat. Das heißt, daß die Nickeldämpfe hauptsächlich an der Innenfläche der Hüiie abgelagert werden, die den Zwischenräumen 19 gegenüberliegt. Ein Nickelfilm 22 bildet sich in diesen Bereichen aus, wie in Fig.4 gezeigt ist. Außerdem werden die Nickeldämpfe auch auf den Oberflächen der hervorspringenden Teile 20 des UO₂-Pellets 2 abgelagert und bilden auf diese Weise den Nickelfilm 23. Die Nickeldämpfe diffundieren nicht nur durch die Zwischenräume 19, sondern auch über die Oberflächen der UO₂-Pellets 2 von dem Axialzentrum der UO₂-PeIlets 2 in Richtung zu ihrem Rand, wenn auch in geringerem Umfang.At the same time, the nickel vapors generated in the recesses 3 move by diffusion through the spaces 19, as described above, and are deposited on the inner surface of the shell 5, which has a low temperature. That is, the nickel vapors are mainly deposited on the inner surface of the shell facing the spaces 19. A nickel film 22 forms in these areas, as shown in FIG. In addition, the nickel vapors are also deposited on the surfaces of the protruding parts 20 of the UO ₂ pellets 2 and in this way form the nickel film 23. The nickel vapors diffuse not only through the spaces 19, but also over the surfaces of the UO ₂ pellets 2 from the axial center of the UO ₂ -PeIlets 2 in the direction of their edge, albeit to a lesser extent.

Selbst wenn in dem Brennstoffelement Spaltprodukte, insbesondere Jod, erzeugt werden, wird das Jod in dem Nickel absorbiert und daher hat Jod keine zerstörende Wirkung mehr auf die Hülle 5. Da der Nickelfilm speziell auf der Innenfläche der Hülle 5 ausgebildet werden kann, die dem Zwischenraum 19 gegenüberliegt, an der am wahrscheinlichsten die Spannungskorrosion auftritt, kann die Gefahr einer Zerstörung des Brennstoffelements beträchtlich vermindert werden. Selbst wenn sich in der Hülle 5 bei fortgesetztem Betrieb des Kernreaktors in der vorherbeschriebenen Weise wulstartige Teile ausbilden, lagen sich an den Wulstteilen kein Jod ab, so daß die Spannungskorrosion der Hülle 5 vollständig vermieden werden kann. Außerdem kann der zur Absorption von Jod befähigte Nickelfilm einfacher Weise lediglich durch den Betrieb des Kernreaktors ausgebildet werden. Es ist somit nicht erforderlich, durch vorheriges Überziehen einen Nickelfilm auf der Innenfläche der Hülle auszubilden.Even if fission products, especially iodine, are generated in the fuel element, the iodine is in absorbed by the nickel and therefore iodine no longer has a destructive effect on the shell 5. Since the Nickel film can be specially formed on the inner surface of the shell 5, which the gap 19 where stress corrosion is most likely to occur, there may be a risk of Destruction of the fuel element can be reduced considerably. Even if in the case 5 at continued operation of the nuclear reactor in the manner described above form bead-like parts, lay no iodine is deposited on the bead parts, so that stress corrosion of the casing 5 is completely avoided can be. In addition, the nickel film capable of absorbing iodine can simply simply pass through be trained in the operation of the nuclear reactor. It is therefore not necessary to cover it beforehand to form a nickel film on the inner surface of the shell.

Es wäre möglich, Vertiefungen 3 auf der Oberseite der UOrPellets 2 vorzusehen, jedoch außerhalb der Zone, in der die Nickelstücke 10 ihren Schmelzpunkt erreichen. Die Temperatur der UO₂-Pellets 2 ist nämlich am höchsten in der Nähe des Axialzentrums der UOrPellets 2 und vermindert sich in Richtung des Randes der UO₂-Pellets 2. So können beispielsweise Vertiefungen 3 an Stellen in der Nähe des Randes auf der Oberseite von UOrPellets 2 angeordnet werden. Je weiter jedoch die Vertiefungen 3 von dem Axialzentrum der UO₂-PeIlets 2 entfernt sind, desto niedriger ist die Temperatur der in die Vertiefungen eingeführten Nickelstücke 10 und um so geringer ist die Menge des erzeugten Nickeldampfes. Speziell aus nicht geschmolzenem Nickel wird nur eine sehr geringe Menge an Nickeldampf angegeben. Das heißt, es ist eine lange Zeit erforderlich, den Nickelfilm auf der Innenfläche der Hülle auszubilden.It would be possible to provide depressions 3 on the upper side of the UOrPellets 2, but outside the zone in which the nickel pieces 10 reach their melting point. The temperature of the UO ₂ pellets 2 is namely highest in the vicinity of the axial center of the UOrPellets 2 and decreases in the direction of the edge of the UO ₂ pellets 2. For example, depressions 3 at locations near the edge on the top of UOrPellets 2 are arranged. However, the further away the depressions 3 are from the axial center of the UO ₂ pellets 2, the lower the temperature of the nickel pieces 10 introduced into the depressions and the lower the amount of nickel vapor generated. Especially from unmelted nickel, only a very small amount of nickel vapor is specified. That is, it takes a long time to form the nickel film on the inner surface of the shell.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann auch dadurch gelöst werden, daß ein Nickelstück oder eine Nickelfolie zwischen UO₂-Pellets angeordnet wird, ohne daß Vertiefungen 3 auf den Oberseiten der UO₂-Pcllets 2 vorgesehen werden. Die bloße Einfügung eines Nickelstückes oder einer Nickelfolie zwischen UO₂-Pellets bringt jedoch die Gefahr mit sich, daß das Nickelstück oder die Nickelfolie sich in die Zone bewegt, in der das Nickel nicht geschmolzen werden kann, wenn das Brennstoffelement in die Anordnung eingebaut ist, selbst wenn das Nickelstück oder die Folie in der Zone vorgesehen wird, in der Nickel geschmolzen werden kann, Darüber hinaus hat das Verdampfen des zwischen UO₂-Pellets angeordneten Nickels zur Folge, daß die Brennstoffpellets sich in axialer Richtung nach unten bewegen.The object on which the invention is based can also be achieved in that a _{piece of nickel or a nickel foil is arranged between UO 2} pellets without indentations 3 being provided on the upper sides of the UO ₂ pellets 2. The mere insertion of a piece of nickel or a nickel foil between UO ₂ pellets, however, entails the risk that the piece of nickel or the nickel foil will move into the zone in which the nickel cannot be melted when the fuel element is built into the arrangement, even if the nickel piece or the foil is provided in the zone in which nickel can be melted, the evaporation of the _{nickel arranged between UO 2} pellets causes the fuel pellets to move axially downwards.

F i g. 5 zeigt ein UO₂-Pellet 25, das sich für die ZweckeF i g. 5 shows a UO ₂ pellet 25, which can be used for the purposes

der Erfindung verwenden läßt. Eine Vertiefung 3 ist in der Nähe des axialen Zentrums auf der Oberseite des UOrPellets 25 vorgesehen. Ein Nickelstück 10 ist in die Vertiefung 3 eingefügt. Auf der oberen Seite des UO2-Pellets 25 sind Rillen 27 vorgesehen, welche von s der Vertiefung 3 aus zu dem Rand des UO2-Pellets 25 führen. Wenn UO₂-PeIlCtS 25 in der Hülle aufeinander gelegt sind, können die Rillen 27 leicht die in der Vertiefung 3 erzeugten Nickeldämpfe zu dem Zwischenraum 17 leiten.of the invention can be used. A recess 3 is provided in the vicinity of the axial center on the upper side of the UOrPellet 25. A piece of nickel 10 is inserted into the recess 3. On the upper side of the UO2 pellet 25, grooves 27 are provided which lead from s of the recess 3 to the edge of the UO2 pellet 25. When UO ₂ -PeIlCtS 25 are placed on top of one another in the casing, the grooves 27 can easily conduct the nickel vapors generated in the recess 3 to the interspace 17.

Wenn anstelle des Nickels eine Nickellegierung verwendet wird, so verdampfen die einzelnen Bestandteile der Legierung für sich und die Diffusion der Nickeldämpfe wird daher vermindert im Vergleich mit der Verwendung von reinem metallischem Nickel. Es ist jedoch möglich, auf der Innenfläche der Hülle einenIf a nickel alloy is used instead of nickel, the individual components evaporate the alloy itself and the diffusion of the nickel vapors is therefore reduced in comparison with the use of pure metallic nickel. However, it is possible to have one on the inner surface of the shell

Nickelfilm auszubilden und somit kann die Spannungskorrosion der Hülle verhindert werden. Wenn eine Nickellegierung verwendet wird ist es wünschenswert, eine Legierung mit höhcrem Nickelgchalt einzusetzen.Form nickel film and thus stress corrosion of the shell can be prevented. When a Nickel alloy is used, it is desirable to use an alloy with a higher nickel content.

Mit Hilfe der Erfindung kann die Spannungskorrosion verhindert werden und infolgedessen wird die Gefahr der Zerstörung des Brennstoffelements wesentlich verringert. Auf diese Weise wird die Verläßlichkeit des Brennstoffelements erhöht und die Sicherheit eines Kernreaktors verbessert.With the present invention, the stress corrosion can be prevented and, as a result, the danger becomes the destruction of the fuel element is significantly reduced. In this way, the reliability of the Fuel element increased and the safety of a nuclear reactor improved.

Die Erfindung läßt sich nicht nur auf Brennstoffelemente von Siedewasserreaktoren, sondern auch aul Brennstoffelemente für andere Kernreaktoren anwen den, beispielsweise für Druckwasserreaktoren unc schnelle Brüter.The invention can be applied not only to fuel elements of boiling water reactors, but also to aul Fuel elements for other nuclear reactors to apply, for example for pressurized water reactors unc fast breeders.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 7OiFor this purpose 3 sheets of drawings 7Oi

Claims

Patent claims:

1. Fuel element, which is a number of fuel pellets in a hermetically sealed Contains fuel envelope, characterized in that that between every two adjacent fuel pellets (2) a body (10) made of nickel or a nickel alloy is arranged, which heats up to such a high temperature during reactor operation, that nickel evaporates and is deposited as a nickel film on the inside of the fuel element cladding (5), which binds the decomposition product iodine.

2. Fuel element according to claim 1, characterized in that the nickel or the nickel alloy is arranged in a recess (3) in the top of the fuel pellet (2).

3. Fuel element according to claim 2, characterized in that in the top of the fuel pellet (25) grooves (27) are provided from the recess (3) to the periphery of the fuel pellet (25) lead.