DE2549970C2 - Nuclear fuel element - Google Patents
Nuclear fuel elementInfo
- Publication number
- DE2549970C2 DE2549970C2 DE2549970A DE2549970A DE2549970C2 DE 2549970 C2 DE2549970 C2 DE 2549970C2 DE 2549970 A DE2549970 A DE 2549970A DE 2549970 A DE2549970 A DE 2549970A DE 2549970 C2 DE2549970 C2 DE 2549970C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- nuclear fuel
- jacket
- zirconium
- copper layer
- copper
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 239000003758 nuclear fuel Substances 0.000 title claims description 72
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 52
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 52
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 52
- 229910001093 Zr alloy Inorganic materials 0.000 claims description 28
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 20
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 8
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- ZSLUVFAKFWKJRC-IGMARMGPSA-N 232Th Chemical compound [232Th] ZSLUVFAKFWKJRC-IGMARMGPSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052778 Plutonium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052776 Thorium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N plutonium atom Chemical compound [Pu] OYEHPCDNVJXUIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DNYWZCXLKNTFFI-UHFFFAOYSA-N uranium Chemical compound [U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U][U] DNYWZCXLKNTFFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 38
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 29
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 19
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 15
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 9
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 9
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 7
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 6
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 description 6
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005253 cladding Methods 0.000 description 5
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 5
- FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N uranium dioxide Inorganic materials O=[U]=O FCTBKIHDJGHPPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 4
- JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N uranium(0) Chemical compound [U] JFALSRSLKYAFGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 229910052792 caesium Inorganic materials 0.000 description 3
- TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N caesium atom Chemical group [Cs] TVFDJXOCXUVLDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- OOAWCECZEHPMBX-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);uranium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[U+4] OOAWCECZEHPMBX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910017855 NH 4 F Inorganic materials 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Inorganic materials O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 2
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009395 breeding Methods 0.000 description 1
- 230000001488 breeding effect Effects 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- -1 cesium compound Chemical class 0.000 description 1
- 238000003776 cleavage reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000002301 combined effect Effects 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000001351 cycling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N nitrogen oxide Inorganic materials O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003061 plutonium compounds Chemical class 0.000 description 1
- UTDLAEPMVCFGRJ-UHFFFAOYSA-N plutonium dihydrate Chemical compound O.O.[Pu] UTDLAEPMVCFGRJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FLDALJIYKQCYHH-UHFFFAOYSA-N plutonium(IV) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[Pu+4] FLDALJIYKQCYHH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000003847 radiation curing Methods 0.000 description 1
- 238000005510 radiation hardening Methods 0.000 description 1
- 230000007017 scission Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 150000003586 thorium compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000003671 uranium compounds Chemical class 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/16—Details of the construction within the casing
- G21C3/20—Details of the construction within the casing with coating on fuel or on inside of casing; with non-active interlayer between casing and active material with multiple casings or multiple active layers
-
- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21C—NUCLEAR REACTORS
- G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
- G21C3/02—Fuel elements
- G21C3/04—Constructional details
- G21C3/06—Casings; Jackets
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement, im wesentlichen bestehend aus einem zentralen Kern eines Körpers aus Kernbrennstoffmaterial aus Verbindungen des Urans, Plutoniums, Thoriums oder deren Gemischen und einem länglichen, behälterartigen, zusammengesetzten Mantel aus Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen, auf dessen innerer Oberfläche eine Kupferschicht aufgebracht ist. Ein derartiges Kernurennstoffelement ist aus der FR-PS 15 11 075 bekannt.The invention relates to a nuclear fuel element, consisting essentially of a central core of a Body made of nuclear fuel material from compounds of uranium, plutonium, thorium or their mixtures and an elongated, container-like, composite jacket made of zirconium or zirconium alloys, a copper layer is applied to its inner surface. Such a nuclear fuel element is known from FR-PS 15 11 075.
Der Mantel des Kernbrennstoffelementes dient vorzugsweise folgenden Zwecken: Erstens sollen Berührungen und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff und dem diesen umgebenden Kühlmittel und/oder Moderator verhindert werden; zweitens soll verhindert werden, daß radioaktive Spaltprodukte, von denen einige Gase sind, aus dem Brennstoff in das Kühlmittel und/oder den Moderator freigesetzt werden. Denn Fehler des Mantels, d. h. ein Undichtwerden, können das Kühlmittel oder den Moderator und die angeschlossenen Systeme mit radioaktiven langlebigen Produkten in einem Ausmaß kontaminieren, das den Betrieb der Anlage stört.The jacket of the nuclear fuel element is preferably used for the following purposes: Firstly, it should be touched and chemical reactions between the nuclear fuel and the surrounding coolant and / or moderator are prevented; secondly, it should be prevented that radioactive fission products of some of which are gases from which fuel is released into the coolant and / or moderator. Because failure of the coat, d. H. a leak can be the coolant or the moderator and the connected Contaminate systems with radioactive long-lived products to an extent that would allow their operation disturbs the system.
Zirkonium und seine Legierungen stellen unter normalen Bedingungen ein ausgezeichnetes Material für Kernbrennstoffmäntel dar, da sie geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen und bei Temperaturen unterhalb etwa 400°C in Gegenwart von entmineralisiertem Wasser oder Dampf, die üblicherweise als Reaktorkühlmittel und -moderatoren verwendet werden, fest, zäh, extern stabil und nicht-reaktiv sind.Zirconium and its alloys are an excellent material for under normal conditions Nuclear fuel jackets because they have small neutron absorption cross-sections and at temperatures below about 400 ° C in the presence of demineralized water or steam, which is usually used as a reactor coolant and moderators are used, are solid, tough, externally stable and non-reactive.
Beim Betrieb der Kernbrennstoffelemente kann nun eine Rißbildung des Mantels infolge seiner Versprödung durch die kombinierten Einwirkungen des Kernbrennstoffs, des Mantels und der Spaltprodukte aufeinander aufgetreten. Es wurde festgestellt, daß sich diese Risse durch lokalisierte mechanische Beanspruchungen infolge unterschiedlicher Expansion des Brennstoffmantels verstärken (Beanspruchungen des Mantels beschränken sich örtlich auf Risse im Kernbrennstoff). Zudem werden beim Betrieb des Kernreaktors korrosive Spaltprodukte gebildet und aus dem Kernbrennstoff freigesetzt, die am Schnittpunkt der Brennstoffrisse mit der Mantelfläche vorliegen. Die lokalisierten Beanspruchungen werden durch die hohe Reibung zwischen dem Brennstoff und dem Mantel verstärktDuring the operation of the nuclear fuel elements, cracking of the shell can now occur as a result of its embrittlement through the combined effects of the nuclear fuel, the cladding and the fission products on one another occurred. It was found that these cracks are caused by localized mechanical stresses different expansion of the fuel jacket (limit stresses on the jacket locally on cracks in the nuclear fuel). In addition, corrosive fission products are generated during operation of the nuclear reactor formed and released from the nuclear fuel at the intersection of the fuel cracks with the surface area are present. The localized stresses are due to the high friction between the fuel and reinforced the coat
Außerdem kann innerhalb eines verschlossenen Kernbrennstoffelements gasförmiger Wasserstoff durch langsame Umsetzung zwischen dem Man*.el und restlichem Wasser im Mantel gebildet werden und sich in einem, Maß anreichern, das unter bestimmten Umständen zu einer örtlichen Hydrierung des Mantels mit ίο gleichzeitiger lokaler Zerstörung der mechanischen Eigenschaften des Mantels führen kann. Der Mantel wird ferner durch Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, in einem weiten Temperaturbereich nachteilig beeinflußt.In addition, gaseous hydrogen can be contained within a sealed nuclear fuel element be formed by slow conversion between the man * .el and remaining water in the coat and to a degree that, under certain circumstances, leads to a local hydrogenation of the mantle with ίο simultaneous local destruction of the mechanical properties of the coat can lead. The jacket is also covered by gases such as oxygen, nitrogen and carbon monoxide and carbon dioxide, are adversely affected over a wide temperature range.
Der Zirkoniummantel eines Kernbrennstoffelementes ist während des Einsatzes in einem Kernreaktor einem oder mehreren der vorstehend angeführten Gase und Spaltprodukte auch dann ausgesetzt, wenn diese Gase und Spaltprodukte ursprünglich nicht im Reaktorkühlmittel oder -moderator vorliegen und ferner bei der Herstellung des Mantels und des Kernbrennstoffelementes soweit als möglich aus der umgebenden Atmosphäre ausgeschlossen wurden. Denn gesinterte hochschmelzende und keramische Massen, wie Urandioxid und andere Zusammensetzungen, die als Kernbrennstoff verwendet werden, setzen beim Betrieb meßbare Mengen der vorstehend angeführten Gase und Spaltprodul.te frei. Diese freigesetzten Gase können mit dem Zirkoniummantel reagieren, der den Kernbrennstoff enthält.The zirconium jacket of a nuclear fuel element is one during use in a nuclear reactor or more of the gases and fission products listed above, even if they Gases and fission products are not originally present in the reactor coolant or moderator and furthermore in the Manufacture of the shell and the nuclear fuel element from the surrounding atmosphere as much as possible were excluded. Because sintered high-melting and ceramic masses such as uranium dioxide and other compositions used as nuclear fuel put measurable ones in operation Quantities of the gases and fission products listed above are free. These released gases can with the React zirconium clad which contains the nuclear fuel.
Davon ausgehend ist es erwünscht, den Angriff von Wasser, Wasserdampf und anderen Gasen, insbesondere Wasserstoff, die mit dem Mantel vom Inneren des Kernbrennstoffelements her reagieren auf den Mantel während der gesamten Zeit zu vermindern, die das Kernbrennstoffelement beim Betrieb der Kernkraftanlagen verwendet wird.Proceeding from this, it is desirable to prevent attack by water, water vapor and other gases, in particular Hydrogen that reacts with the jacket from inside the nuclear fuel element on the jacket during the entire time that the nuclear fuel element is used in the operation of the nuclear power plants is used.
Bei dem aus der FR-PS 15 11 075 bekannten Kernbrennstoffelement befinden sich jedoch zwischen dem zentralen Kern eines Körpers aus Kernbrennstoffmaterial und der äußeren Mantelschicht aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung zwei Schichten, und zwar eine aus Kupfer und eine aus Graphit. Diese beiden Schichten können nach der Lehre der FR-PS sowohl auf die innere Oberfläche des Mantels als auch auf den Kernbrennstoff aufgebracht werden.In the nuclear fuel element known from FR-PS 15 11 075, however, are located between the central core of a body made of nuclear fuel material and the outer cladding layer made of zirconium or a zirconium alloy, two layers, one made of copper and one made of graphite. These two Layers can, according to the teaching of FR-PS, both on the inner surface of the jacket and on the Nuclear fuel can be applied.
Über die Reinheit der Materialien der beiden Zwischenschichten ist der FR-PS nichts zu entnehmen.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Kernbrennstoffelement der eingangs
genannten Art dahingehend zu verbessern, daß nur eine Schutzschicht erforderlich ist und diese Schutzschicht
darüber hinaus so ausgebildet ist, daß sie während des Betriebes des Elementes in einem Kernreaktor
keine nachteiligen Wirkungen erfährt oder verursacht.The FR-PS says nothing about the purity of the materials of the two intermediate layers.
In contrast, the present invention is based on the object of improving the nuclear fuel element of the type mentioned in that only one protective layer is required and this protective layer is also designed so that it does not experience or cause any adverse effects during operation of the element in a nuclear reactor .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich zwischen der Kupferschicht und dem Kernbrennstoffmaterial keine weitere Schicht befindet und daß die Kupferschicht weniger als 1 Gew.-% an Verunreinigungen enthält.This object is achieved according to the invention in that there is between the copper layer and the nuclear fuel material there is no further layer and that the copper layer contains less than 1% by weight of impurities contains.
Nur dadurch, daß sich zwischen der Kupferschutzschicht und dem Kernbrennstoffmaterial nicht noch eine Graphitschicht befindet, kann die Kupferschutzschicht als bevorzugter Reaktionsort für UmsetzungenOnly because there is not another one between the protective copper layer and the nuclear fuel material Graphite layer is located, the copper protective layer can be the preferred reaction site for reactions
b5 mit flüchtigen Verunreinigungen oder Spaltprodukten im Inneren des Kernbrennstoffelementes dienen. Auf diese Weise werden diese flüchtigen Verunreinigungen beseitigt und können nicht zur Ausbildung eines zu ho-b5 with volatile impurities or fission products serve inside the nuclear fuel element. In this way, these are volatile impurities eliminated and cannot be used to train a too high
hen Druckes innerhalb des Elementes führen.hen pressure within the element.
Hinzu kommt, daß das Kupfer für die Schutzschicht, das weniger als 1 Gew.-°/o an Verunreinigungen enthält, nicht den nachteiligen Wirkungen einer Strahlungshärtung ausgesetzt ist, so daß die Schutzschicht duktil bleibt und daher Spannungen in dein Element nicht in dem Maße auftreten können, wie es bei einer Schutzschicht aus Kupfer der Fall ist, das einen weniger ausgeprägten Reinheitsgrad aufweistIn addition, the copper for the protective layer, which contains less than 1% by weight of impurities, is not exposed to the adverse effects of radiation curing, so that the protective layer is ductile remains and therefore tensions in your element cannot occur to the same extent as with a protective layer made of copper is the case, which has a less pronounced degree of purity
Und schließlich sorgt der geringe Anteil an Verunreinigungen üafür, daß der Neutronenhaushalt des Kernbrennstoffelementes nicht nachteilig beeinflußt wird.And finally, the low proportion of impurities ensures that the neutron balance of the nuclear fuel element is not adversely affected.
Der zusammengesetzte Mantel für die Kernbrennstoffelemente gemäß der Erfindung kann nach einem der folgenden Verfahren hergestellt werden:The composite jacket for the nuclear fuel elements according to the invention can according to a the following processes:
Nach einem Verfahren wird Kupfer auf ein Substrat aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung derart elektroplattiert, daß die Kupferschicht gleichmäßig auf dem Substrat aufliegt Ein typisches Elektroplattierungsverfahren wird folgendermaßen durchgeführt:According to one method, copper is applied to a substrate made of zirconium or a zirconium alloy in this way electroplated so that the copper layer rests evenly on the substrate. A typical electroplating process is carried out as follows:
Die das Substrat bildende Zirkoniumlegierung wird zuerst dadurch aktiviert, daß man sie einer Lösung der folgenden Zusammensetzung aussetzt; NH4F · HF (15 g/l), H2SO4 (0,95 g/l), Rest Wasser in einer für einen Liter ausreichenden Menge. In die vorstehend beschriebene Lösung wird ein Stück Zirkonium oder Zirkoniumlegierung mit einer Oberfläche von 129 cm2 10 Minuten lang eingetaucht. Danach wird Kupfer elektroplattiert, indem man übliche Säureplattierungstechniken anwendet. Der zusammengesetzte Mantel wird danach im Vakuum bei etwa 150 bis 2000C 3 bis 4 Stunden lang zur Entfernung von Wasserstoff entgast, der während des Plattierungsverfahrens eingeschlossen wurde. Physikalische Tests, wie ein plastisches Verbiegen des zusammengesetzten Mantels um einen bestimmten Radius, zeigen, daß die plattierte Kupferschicht fest an das Substrat gebunden ist.The zirconium alloy forming the substrate is first activated by exposure to a solution of the following composition; NH 4 F · HF (15 g / l), H 2 SO 4 (0.95 g / l), the remainder water in an amount sufficient for one liter. A piece of zirconium or zirconium alloy with a surface area of 129 cm 2 is immersed in the above-described solution for 10 minutes. Copper is then electroplated using standard acid plating techniques. The composite jacket is then degassed in vacuo at about 150 to 200 ° C. for 3 to 4 hours to remove hydrogen that has been trapped during the plating process. Physical tests, such as plastic bending of the composite jacket by a certain radius, show that the plated copper layer is firmly bonded to the substrate.
Bei einem anderen Verfahren folgt auf die vorstehend beschriebene Elektroplattierung eine Diffusionsverbindung, um die Kupferschicht an das Zirkoniumlegierungssubstrat metallurgisch zu binden, indem man eine Diffusionsschicht erzeugt. Metallographische Analysen zeigen, daß diese Diffusionsschich·. bei der empfohlenen Diffusionsverbindungsbehandlung etwa 1 bis 5 μιη stark ist. Empfohlene Diffusionsverbindungsbehandlungen sind: die Kupferschicht wird etwa 2 bis 3 Stunden lang bei etwa 6000C gehalten.In another method, the above-described electroplating is followed by diffusion bonding to metallurgically bond the copper layer to the zirconium alloy substrate by creating a diffusion layer. Metallographic analyzes show that this diffusion layer. is about 1 to 5 μm thick at the recommended diffusion bond treatment. Recommended diffusion bonding treatments are: the copper layer is held at about 600 ° C. for about 2 to 3 hours.
Bei einem anderen Verfahren wird die Kupferschicht durch Elektroplattieren auf das Substrat aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung aufgetragen, wobei eine gleichmäßige Kupferschicht auf dem Substrat erhalten wird; danach wird der zusammengesetzte Mantel einem Verfahren mit üblicher Kaltbearbeitung des Rohrs unterworfen, um es zur gewünschten Größe zu verkleinern. Es zeigte sich, daß dieses Verfahren eine starke metallurgische Bindung ergibt.In another method, the copper layer is electroplated onto the substrate from zirconium or a zirconium alloy, whereby a uniform copper layer is obtained on the substrate will; thereafter, the assembled jacket is subjected to a process with conventional cold working of the pipe, to shrink it to the size you want. It turned out that this procedure is a powerful one metallurgical bond results.
Bei einem weiteren Verfahren, wird ein Einsatzrohr aus Kupfer in einen hohlen Extrusionsbarren aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung eingesetzt und durch Diffusion mit dem Extrusionsbarren verbunden. Der zusammengesetzte Barren wird danach zu einem Rohrrohling extrudiert. Dieser Rohling besteht aus einem äußeren konzentrischen Zylinder aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung mit einer inneren konzentrischen Auskleidung aus Kupfer, das metallurgisch mit dem Zirkonium h/w. der Zirkoniumlegierung verbunden wurde; der Rohling wird einer üblichen Rohrverkleinerung unterworfen und es wird ein zusammengesetzter Mantel mit der gewünschten Geometrie und den gewünschten Dimensionen hergestelltAnother method involves inserting a copper insert tube into a hollow zirconium extrusion ingot or a zirconium alloy and bonded to the extrusion bar by diffusion. The assembled billet is then extruded into a tube blank. This blank consists of a outer concentric cylinder made of zirconium or a zirconium alloy with an inner concentric Lining made of copper, metallurgically with the zirconium h / w. connected to the zirconium alloy became; the blank is subjected to a usual pipe downsizing and it becomes an assembled one Sheath made with the desired geometry and dimensions
Bei einem weiteren Verfahren wird ein hohles Rohr aus Kupfer in einen extrudierten Rohrrohling aus Zirkoniumlegierung eingesetzt Dieser hohle Rohr soll eine gleichmäßige Wandstärke besitzen; die Einheit aus Rohrrohling und hohlem Rohr wird danach zur Herstellung des zusammengesetzten Mantels verkleinert Bei dem resultierenden zusammengesetzten Mantel ist dieAnother method is to insert a hollow copper tube into an extruded zirconium alloy tube blank used This hollow tube should have a uniform wall thickness; the unit off The pipe blank and the hollow pipe are then reduced in size to produce the composite jacket the resulting composite cladding is the
to Kupferschicht metallurgisch mit dem Zirkonium- bzw. Zirkoniumlegierungssubstrat verbunden. Das Rohrverkleinerungsverfahren
kann Glühbehandlungen bei verschiedenen Stufen des Verfahrens vorsehen.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigtto copper layer metallurgically bonded to the zirconium or zirconium alloy substrate. The pipe downsizing process can include annealing treatments at various stages in the process.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In detail shows
F i g. 1 eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffeinheit, die erfindungsgemäß ausgebildete Kernbrennstoffelemente enthält undF i g. 1 is a partial sectional view of a nuclear fuel unit, the nuclear fuel elements formed according to the invention contains and
Fig.2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kernbrennstoffelementesgemäß Fig. 1.FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a nuclear fuel element shown in FIG.
In Fi g. I ist eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffeinheit 10 dargestellt. Diese Kernbrennstoffeinheit 10 besteht aus einem rohrförmigen Durchlaufkanal 11 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, wobei der Kanal an seinem oberen Ende mit einem Hebebügel 12 und an seinem unteren Ende mit einem nicht-dargestellten Nasenstück versehen ist. Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Nasenstücks ist mit Öffnungen für den Kühlmitteldurchlauf versehen. Eine Reihe von Kernbrennstoff elementenIn Fi g. I is a partial sectional view of a nuclear fuel unit 10 shown. This nuclear fuel unit 10 consists of a tubular flow channel 11 with a substantially rectangular cross-section, the channel at its upper end with a lifting bracket 12 and is provided at its lower end with a nosepiece, not shown. The top of the Channel 11 is open at 13 and the lower end of the nosepiece is apertured for coolant passage Mistake. A number of nuclear fuel elements
14 ist im Kanal 11 eingeschlossen und durch eine Platte14 is enclosed in channel 11 and by a plate
15 am oberen Ende und eine nicht-dargestellte Platte am unteren Ende getragen. Das flüssige Kühlmittel tritt üblicherweise durch die Öffnungen am unteren Ende des Nasenstücks ein, fließt rings um die Kernbrennstoffelemente 14 nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 bei Siedereaktoren in zum Teil verdampftem Zustand und bei Druckreaktoren in unverdampftem Zustand mit erhöhter Temperatur aus.15 at the top and a plate, not shown worn at the lower end. The liquid coolant usually passes through the openings at the lower end of the nosepiece, flows up around the nuclear fuel elements 14 and exits at the upper outlet 13 in the case of boiling reactors in a partially evaporated state and in the case of pressure reactors in the non-evaporated state elevated temperature.
Die Kernbrennstoffelemente 14 sind an ihren Enden mit Stopfen 18 verschlossen, die an den Mantel 17 angeschweißt sind und Bolzen 19 umfassen können, um das Befestigen der Kernbrennstoffelemente in der Einheit zu erleichtern. Es ist ein leerer Raum 20 am einen Ende des Elementes 14 vorgesehen, damit eine Längsausdehnung des Kernbrennsloffmaterials und eine Ansammlung von Gasen möglich ist, die aus dem Kernbrennstoffmaterial freigesetzt werden. Es ist ein Kernbrennstoffmaterial-Rückhalteelement 24 im Raum 20 angeordnet, um die axiale Bewegung der Pelletsäule, insbesondere beim Handhaben und Transportieren des Brennstoffelements, einzuschränken.The nuclear fuel elements 14 are closed at their ends with plugs 18 which are welded to the jacket 17 and may include bolts 19 to secure the nuclear fuel elements in the unit to facilitate. An empty space 20 is provided at one end of the element 14 so that it can extend longitudinally of the nuclear fuel material and an accumulation of gases is possible from the nuclear fuel material be released. A nuclear fuel material retention element 24 is disposed in space 20, about the axial movement of the pellet column, especially when handling and transporting the Fuel element to restrict.
Das Kernbrennstoffelement ist so ausgebildet, daß ein ausgezeichneter thermischer Kontakt zwischen dem Mantel und dem Kernbrennstoffmaterial, ein Minimum an schädlicher Neutronenabsorption und Beständigkeit gegen Verbiegen und Vibration erzielt werden, die gelegentlich durch die Strömung des Kühlmittels bei hoher Geschwindigkeit verursacht werden.The nuclear fuel element is designed so that an excellent thermal contact between the Cladding and the nuclear fuel material, a minimum of harmful neutron absorption and durability against bending and vibration can be achieved occasionally by the flow of coolant at high Speed caused.
Ein Kernbrennstoffelement 14 ist in Fig. 1 in Teilschnittansicht dargestellt. Das Kernbrennstoffelement 14 umfaßt einen zentralen Kern aus Kernbrennstoffmaterial 16. das hier durch mehrere Kernbrennstoffpellets eines spaltbaren und/oder Brutmaterial dargestellt ist,A nuclear fuel element 14 is shown in FIG. 1 in partial sectional view. The nuclear fuel element 14 comprises a central core of nuclear fuel material 16. which is defined here by a plurality of nuclear fuel pellets a fissile and / or breeding material is shown,
to die in dem Mantel 17 angeordnet sind. In einigen Fällen können die Brennstoffpellets verschiedene Formen besitzen, wie zylindrische Pellets oder Kugeln, und in anderen Fällen können verschiedene Brennstofformen,to which are arranged in the jacket 17. In some cases the fuel pellets may have various shapes such as cylindrical pellets or spheres, and others Different types of fuel,
wie feinteiliger Brennstoff, verwendet werden. Die physikalische Form des Brennstoffs ist für die Erfindung nicht wesentlich. Als Kernbrennstoffmaterialien dienen Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und deren Gemische. Einen bevorzugten Brennstoff stellen Urandioxid oder Gemische dar, die Urandioxid und Plutoniumdioxid enthalten.such as finely divided fuel. The physical form of the fuel is essential for the invention not essential. Uranium compounds, plutonium compounds, thorium compounds serve as nuclear fuel materials and their mixtures. A preferred fuel are uranium dioxide or mixtures that Contain uranium dioxide and plutonium dioxide.
Nach F i g. 2 ist das Kernbrennstoffmaterial 16, das den zentralen Kern des Kernbrennstoffelementes 14 bildet, von einem zusammengesetzten Mantel 17 umgeben. Der zusammengesetzte Mantel 17 weist ein Substrat 21 auf, das aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung besteht. Mit der inneren Oberfläche des Substrats 21 ist eine Kupferschicht 22 verbunden, so daß die Kupferschicht 22 einen Schulz zwischen dem Substrat OI linA Xam ^arfikrannrtnfUnlarinl 1£ k^M^t Ant- In According to FIG. 2, the nuclear fuel material 16, which forms the central core of the nuclear fuel element 14, is surrounded by a composite jacket 17. The composite shell 17 has a substrate 21 made of zirconium or a zirconium alloy. A copper layer 22 is bonded to the inner surface of the substrate 21 so that the copper layer 22 forms a shoulder between the substrate OI linA Xam ^ arfikrannrtnfUnlarinl 1 £ k ^ M ^ t Ant- In
~a UI(U UbIIl llblllUlblllidLVIIIllUlVIIUI · \J k/.IV4\.l, UU^ III dem zusammengesetzten Mantel 17 gehalten wird. ~ a UI (U UbIIl llblllUlblllidLVIIIllUlVIIUI · \ J k / .IV4 \ .l, UU ^ III the composite jacket 17 is held.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kupferschicht 22 eine Stärke von etwa 0,0025 bis etwa 0,05 mm. Die Kupferschicht dient als bevorzugter Reaktionsort für gasförmige Verunreinigungen und Spaltprodukte und wirkt als Schutz, um den Mantel vor einer Berührung und einer Reaktion mit derartigen Verunreinigungen und Spaltprodukten zu schützen.In a preferred embodiment, the copper layer 22 has a thickness of about 0.0025 to about 0.05 mm. The copper layer serves as the preferred reaction site for gaseous impurities and fission products and acts as a protection to the jacket from contact and reaction with such contaminants and to protect fission products.
Die Reinheit des Kupfers der Kupferschicht ist ein wesentliches Merkmal und verleiht der Kupferschicht spezielle Eigenschaften. Im allgemeinen enthält die Kupferschicht weniger als 1 Gew.-% Verunreinigungen und vorzugsweise weniger als 1000 ppm. Dabei wird das Boräquivalent vom nuklearen Standpunkt aus auf einem Wert von weniger als 40 ppm gehalten.The purity of the copper of the copper layer is an essential characteristic and gives the copper layer special properties. In general, the copper layer contains less than 1% by weight of impurities and preferably less than 1000 ppm. This will be Boron equivalent held less than 40 ppm from a nuclear point of view.
Bei dem zusammengesetzten Mantel des Kernbrennstoffelements ist die Kupferschicht fest an das Substrat gebunden. Wenn der zusammengesetzte Mantel allein durch Elektroplattieren hergestellt wird, erhält man eine starke physikalische Bindung. Bei Tests zur Abtrennung der Kupferschicht vom Substrat waren hohe Scherkräfte bzw. beträchtliche plastische Deformationen des Substrats erforderlich. Zum Beispiel kann der elektroplattierte Überzug mit einem Radius verbogen werden, daß eine 15- bis 20%ige permanente Dehnung im Substrat auftritt, ohne daß die elektropiattierte Kupferschicht reißt. Wenn der zusammengesetzte Mantel durch Diffusionsverbinden nach dem Elektroplattieren, durch Rohrverkleinerung nach dem Elektroplattieren, durch Koextrusion mit anschließender Rohrverkleinerung oder durch Rohrverkleinerung allein hergestellt wird, erhält man eine starke metallurgische Bindung.In the composite cladding of the nuclear fuel element, the copper layer is firmly attached to the substrate bound. If the composite jacket is made by electroplating alone, one will be obtained strong physical bond. Tests to separate the copper layer from the substrate were high Shear forces or considerable plastic deformations of the substrate are required. For example, the electroplated coating can be bent to a radius that has a 15-20% permanent elongation occurs in the substrate without the electroplated copper layer rips. If the composite shell by diffusion bonding after electroplating, by downsizing pipes after electroplating, by coextrusion with subsequent pipe downsizing or made by downsizing the pipe alone, a strong metallurgical bond is obtained.
Es ist bekannt, daß reines Kupfer gegen die nachteiligen Wirkungen einer Strahlungshärtung und Zerstörung unter den Bedingungen, die in Kernspaltreaktoren angetroffen werden, z. B. bei Temperaturen von etwa 260 bis etwa 4000C, widerstandsfähiger als Zirkonium und Zirkoniumlegierungen ist. So ist reines Kupfer un ter den genannten Bedingungen besser geeignet, einer plastischen Deformation ohne mechanische Zerstörung zu widerstehen als Zirkonium und Zirkoniumlegierungen. Reines Kupfer kann sich plastisch bei vorübergehenden durch Pellets hervorgerufenen Beanspruchungen deformieren und die durch Pellets hervorgerufenen Beanspruchungen herabsetzen. Ferner bricht reines Kupfer nicht mechanisch und schützt außerdem auf diese Weise das Zirkoniumlegierungssubstrat vor der nachteiligen Einwirkung der Spaltprodukte. Durch Pellets hervorgerufene Beanspruchungen und Belastungen des Kernbrennstoffelements können z. B. durch Anschwellen der Pellets des Kernbrennstoffs bei Reaktorbetriebsbedingungen hervorgerufen werden, so daß die Pellets mit dem Mantel in Berührung kommen.It is known that pure copper is effective against the adverse effects of radiation hardening and destruction under the conditions encountered in nuclear fission reactors, e.g. B. at temperatures of about 260 to about 400 0 C, is more resistant than zirconium and zirconium alloys. Pure copper is better suited to withstanding plastic deformation without mechanical destruction under the conditions mentioned than zirconium and zirconium alloys. Pure copper can deform plastically in the event of temporary stresses caused by pellets and reduce the stresses caused by pellets. Furthermore , pure copper does not break mechanically and in this way also protects the zirconium alloy substrate from the adverse effects of the fission products. Stresses and loads on the nuclear fuel element caused by pellets can e.g. B. caused by swelling of the pellets of the nuclear fuel under reactor operating conditions, so that the pellets come into contact with the jacket.
Es wurde ferner festgestellt, daß eine Kupferschicht einer Stärke von etwa 0,0025 bis etwa 0,05 mm Beanspruchungen herabsetzt und eine chemische Beständigkeit mit sich bringt, die Fehler im Substratbereich des Mantels verhindert Der Bereich der Kupferschicht schafft eine bemerkenswerte chemische Beständigkeit gegenüber Spaltprodukten und Gasen, die im Kernbrennstoffelement vorhanden sein können, und hindert diese Spaltprodukte und Gase daran, mit dem Substratbereich des zusammengesetzten Mantels in Berührung zu kommen, der durch die Kupferschicht geschützt ist.It was also found that a copper layer a thickness of about 0.0025 to about 0.05 mm reduces stresses and chemical resistance that prevents defects in the substrate area of the jacket. The area of the copper layer creates remarkable chemical resistance to fission products and gases that may be present in the nuclear fuel element and prevents these fission products and gases come into contact with the substrate area of the composite jacket to come, which is protected by the copper layer.
Es wurde ferner festgestellt, daß der zusammengesetzte Mantel die Lokalisierung von Beanspruchungen und Belastungen im Mantel vermindert. Ohne einen zusammengesetzten Mantel reagiert die Zirkoniumlegierung mit dem UO2-Brennstoff unter Bildung von Zirkoniumdioxid auf der inneren Mantelfläche. Bei den üblichen Mantelinnentemperaturen und in Gegenwart von Strahlung kann dieses Zirkoniumdioxid in den UO2-Brennstoff sintern, wodurch der Brennstoff an den Mantel gebunden wird. Bei Leistungsveränderungen des Kernbrennstoffelementes kann diese Bindung zu starken lokalisierten Beanspruchungen und Spannungen im Mantel an Bruchstellen des UO2 führen. Wenn der zusammengesetzte Mantel mit der Kupferschicht versehen ist, liegt ein derartiges Sauerstoffpotential im Innern des Kernbrennstoffelements vor, daß sich kein Oxid auf dem Kupfer bilden kann, so daß es zu keinem Verbinden kommt. So setzt Kupfer, das erfindungsgemäß für die Metallschicht verwendet wird, örtliche Beanspruchungen und Spannungen im Mantel herab, indem es die Bindung des Mantels an den Kernbrennstoff vermirdert.It has also been found that the composite jacket reduces the localization of stresses and strains in the jacket. Without a composite jacket, the zirconium alloy reacts with the UO2 fuel to form zirconium dioxide on the inner jacket surface. At the usual inside jacket temperatures and in the presence of radiation, this zirconium dioxide can sinter into the UO2 fuel, whereby the fuel is bound to the jacket. In the event of changes in the performance of the nuclear fuel element, this bond can lead to strong localized stresses and tensions in the jacket at break points in the UO 2 . When the composite jacket is provided with the copper layer, there is such an oxygen potential inside the nuclear fuel element that oxide cannot be formed on the copper so that bonding does not occur. Thus, copper, which is used according to the invention for the metal layer, reduces local stresses and stresses in the jacket by reducing the bond between the jacket and the nuclear fuel.
Es wurde ferner festgestellt, daß — da die Kupferschicht nicht oxidieren bzw. weitgehend die Oxidation der Innenflächen des Mantels gegenüber der von Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen herabsetzt — die Stöchiometrie des Kernbrennstoffmaterials stabilisiert wird. Ohne Kupferschicht würde ein Zirkonium- oder Zirkoniumlegierungsmantel mit UO2 unter Bildung von ZrO2 reagieren, wodurch die UO2Stöchiometrie geändert würde. Der chemische Zustand verschiedener Spaltprodukte hängt sehr stark von der UO2-Stöchiometrie ab. Zum Beispiel bildet bei höheren Verhältnissen von Sauerstoff zu Uran Cäsium eine Verbindung mit UO2-Brennstoffen. Bei niedrigeren Verhältnissen von Sauerstoff zum Metall ist diese Cäsiumverbindung nicht stabil und kann zu den Bereichen der Kernbrennstoffelemente mit geringerer Temperatur wandern, nämlich den Mantelinnenflächen. Das Cäsium kann dann an die-It was also found that - since the copper layer does not oxidize or largely reduces the oxidation of the inner surfaces of the jacket compared to that of zirconium or zirconium alloys - the stoichiometry of the nuclear fuel material is stabilized. Without a copper layer, a zirconium or zirconium alloy jacket would react with UO 2 to form ZrO 2 , which would change the UO 2 stoichiometry. The chemical state of various cleavage products depends very strongly on the UO 2 stoichiometry. For example, at higher oxygen to uranium ratios, cesium forms a compound with UO 2 fuels. At lower ratios of oxygen to metal, this cesium compound is not stable and can migrate to the areas of the nuclear fuel elements with a lower temperature, namely the inner surface of the jacket. The cesium can then
c#r ^tslle entweder allein oder in Kombination rnitC # r ^ tslle either alone or in combination with
anderen Spaltprodukten — die Korrosion des Zirkoniums bzw. Zirkoniumlegierungsmantels fördern. Bei einem Kernbrennstoffelement mit einem unbeschichteten Zirkonium- oder Zirkoniumlegierungsmantel (selbst wenn das UO2 ein hohes Ausgangsverhältnis von Sauerstoff zu Uran besitzt) setzt der Sauerstoff, der durch die Oxidation der Zirkoniumlegierung verbraucht wird, dieses Verhältnis herab, und das Cäsium kann an die Manteloberfläche abgegeben werden. Bei einem zusammengesetzten Mantel mit einer Kupferschicht gemäß der Erfindung bleibt das Sauerstoff/Uran-Verhältnis nahezu konstant bzw. verändert sich in geringem Ausmaß. So kann ein UO2 irgendeiner gewünschten Zusammensetzung in dem zusammengesetzten Mantel mit der Erwartung verwendet werden, daß diese Zusammensetzung konstant bleibt oder sich im Verlauf der Zeit mit einer other fission products - promote corrosion of the zirconium or zirconium alloy jacket. In the case of a nuclear fuel element with an uncoated zirconium or zirconium alloy jacket (even if the UO 2 has a high initial ratio of oxygen to uranium), the oxygen consumed by the oxidation of the zirconium alloy decreases this ratio and the cesium can be released to the jacket surface will. In the case of a composite jacket with a copper layer according to the invention, the oxygen / uranium ratio remains almost constant or changes to a small extent. Thus, a UO 2 of any desired composition can be used in the composite shell with the expectation that that composition will remain constant or change over time with one
vie! geringeren Geschwindigkeit als bei unbeschichtetem Zirkonium bzw. unbeschichteter Zirkoniumlegierung ändert.a lot! lower speed than uncoated Zirconium or uncoated zirconium alloy changes.
Das erfindungsgemäße Kernbrennstoffelemeni stellt man her. indem man den wie oben erhaltenen zusammengesetzten Mantel, der an einem Ende offen ist, mit einem Kernbrennstoffmateriai füllt, wobei man einen Raum am offenen Ende freiläßt, ein Halteelement für das Kernbrennstoffmaterial in diesen Raum einsetzt, einen Verschluß am offenen Ende des Behälters anbringt, wobei man den freien Raum mit dem Kernbrennstoff in Verbindung läßt, und danach das Ende des behälterartigen Mantels mit dem Verschluß verbindet und zwischen ihnen eine Dichtung ausbildet.The nuclear fuel element according to the invention provides man here. by using the composite jacket obtained as above, which is open at one end a nuclear fuel material, leaving a space at the open end, a holding member for inserting the nuclear fuel material into this space, applying a closure to the open end of the container, leaving the free space in communication with the nuclear fuel, and then the end of the container-like Jacket connects to the closure and forms a seal between them.
Der zusammengesetzte Mantel des erfindungsgemäßen Kernbrennsioffeieineriteä weist eine vernachlässigbare zusätzliche Neutronenabsorption auf, so daß er sich leicht in Kernreaktoren einsetzen läßt. Zwar beste!. ' Möglichkeit, daß ein zusammengesetztes Element mit Kupfer niedrigschmelzende eutektische Phasen mit Zirkonium- oder Zirkoniumlegierungen bildet, wenn die Temperatur des zusammengesetzten Mantels auf oberhalb etwa 9650C erhöht wird, da bei einem angenommenen Verlust von Kühlmittel bei einem Unfall in einem mit Wasser gekühlten und moderierten Kernspaltungsreaktor die Temperatur des Brennstoffmantels 12 Minuten lang auf etwa 1205°C ansteigen kann, bevor auf Raumtemperatur abgekühlt wird.The composite shell of the nuclear fuel plant according to the invention has negligible additional neutron absorption so that it can easily be used in nuclear reactors. Best of all !. 'Possibility of a composite element with copper forming low-melting eutectic phases with zirconium or zirconium alloys if the temperature of the composite shell is increased to above about 965 0 C, since an assumed loss of coolant in an accident in a water-cooled and moderated nuclear fission reactor allows the temperature of the fuel jacket to rise to about 1205 ° C for 12 minutes before cooling to room temperature.
Tests mit einer Kupferschicht auf einem Zirkoniumlegierungssubstrat als zusammengesetztem Mantel, bei dem der zusammengesetzte Mantel dem vorstehend beschriebenen Wärmezyklus unterworfen wurde, zeigen, daß dabei eine eutektische Reaktion eintritt. Metallographische Analysen dieser Proben nach dem Testen zeigen jedoch, daß maxima! 0,05 mm der Dicke der Zirkoniumlegierung durch die eutektische Reaktion verloren gehen.Tests with a copper layer on a zirconium alloy substrate as a composite shell in which the composite shell is that described above Heat cycling show that a eutectic reaction occurs. Metallographic However, analyzes of these samples after testing show that maxima! 0.05mm of the thickness of the zirconium alloy get lost through the eutectic reaction.
Ein anderer Test mit dem vorstehend angesprochenen thermischen Zyklus, bei dem gleichzeitig ein Gasdruck an die Innenseite des zusammengesetzten Mantels angelegt wurde, um Spannungen im Mantel hervorzurufen, zeigte, daß ein der Verlust an Stärke des Mantels infolge der eutektischen Reaktion die Festigkeit des Mantels bei einem angenommenen Unfallzyklus mit Verlust des Kühlmittels nicht ernstlich beeinträchtigt.Another test with the thermal cycle mentioned above, in which a gas pressure applied to the inside of the assembled jacket to create tension in the jacket, showed that the loss of strength of the shell due to the eutectic reaction reduced the strength of the Jacket is not seriously impaired in an assumed accident cycle with loss of coolant.
Ferner hat der zusammengesetzte Mantel einen sehr kleinen Wärmeübertragungsverlust insofern, als keine thermische Schranke gegen eine Übertragung von Wärme vorliegt, wie sie resultiert, wenn separate Folien oder Auskleidungen in ein Kernbrennstoffelement eingesetzt werden. Der zusammengesetzte Mantel ist ο durch übliche, nicht zerlegende Testmethoden in verschiedenen Herstellungsstufen prüfbar.Furthermore, the composite jacket has very little heat transfer loss in that it is none there is a thermal barrier against the transfer of heat, as it results when separate foils are used or liners are inserted into a nuclear fuel element. The composite coat is ο by customary, non-decomposing test methods in various Production stages can be checked.
Nachstehend wird die Erfindung durch ein Beispiel näher erläutert.The invention is explained in more detail below by means of an example.
Es wurden zusammengesetzte Rohre hergestellt, indem man Kupfer in einer gleichmäßigen Stärke von etwa 0,01 mm auf die Innenfläche eines Zircaloy-2-Rohres mit einer Länge von etwa 50 cm elektroplattierte. Das Plattieren wurde unter Verwendung einer Aktivierungslösung mit NH4F ■ HF : 15 g/l,Composite tubes were made by electroplating copper to a uniform thickness of about 0.01 mm onto the inside surface of a Zircaloy-2 tube about 50 cm long. The plating was carried out using an activating solution with NH 4 F ■ HF: 15 g / l,
H2SO4 :36 η = 0,95 g/l, Rest Wasser für 1 1 vorgenommen,
wonach man mit einem sauren Kupferbad aus CuSO4 · 5 H2O : 250 g/l, H2SO4 : 36 η = 70 g/l und
C2H5OH : 10 g/l elektroplattierte. Das Rohr wurde danach
bei etwa 150 bis 2000C 4 Stunden lang im Vakuum
entgast.
Drei derartige Rohre wurden zu Kernbrennstoffelementen verarbeitet, die mit einer kleinen Menge von
Palladiumjodid in Hohlräumen des UO2-Kernstoffes
versetzt wurden.H 2 SO 4 : 36 η = 0.95 g / l, remainder water for 1 1, after which one with an acidic copper bath of CuSO 4 · 5 H 2 O: 250 g / l, H 2 SO 4 : 36 η = 70 g / l and C 2 H 5 OH: 10 g / l electroplated. The tube was then degassed in vacuo at about 150 to 200 ° C. for 4 hours.
Three such tubes were made into nuclear fuel elements, which were mixed with a small amount of palladium iodide in voids of the UO 2 core material.
Dann setzte man die Elemente in einen Testreaktor ein; diese Elemente wurden zusammen mit Vergleichselementen bei steigender Leistung bewertet, wobei alle drei Vergleichselemente ausfielen, die sich von den erfindungsgemäßen Elementen nur dadurch unterschieden, daß sie jeweils einen Mantel aus unbeschichteten Zircaloy-2-Rohren aufwiesen. Alle drei Elemente mit zusammengesetzten Kupfer-Zircaloy-2-Mänteln überstanden die steigende Leistung.The elements were then placed in a test reactor; these elements were together with predicates rated with increasing performance, with all three comparison elements failing that differ from the inventive Elements differed only in that they each have a coat made of uncoated Had Zircaloy-2 tubes. All three elements survived with assembled copper-Zircaloy-2 sheaths the increasing performance.
Eine nach dem Test vorgenommene Untersuchung aller sechs Stäbe zeigte, daß die drei Vergleichselemente durch Korrosionsrisse infolge Beanspruchung ausfielen und daß die drei Elemente mit zusammengesetzten Mänteln in jeder Hinsicht einwandfrei waren.Post-test examination of all six bars showed that the three comparative elements failed due to corrosion cracks due to stress and that the three elements with composite Coats were flawless in every way.
Dieser Test zeigte, daß man mit dem zusammengesetzten Kupfer-Zircaloy-2-Mantel wirksam die Beanspruchungskorrosion bei Beanspruchungen und Spannungen verhindern kann, die bei einem eingesetzten Kernbrennstoffelement auftreten.This test showed that the composite copper-Zircaloy-2 jacket was effective in preventing stress corrosion can prevent stresses and tensions that occur with an inserted nuclear fuel element.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (3)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US52276974A | 1974-11-11 | 1974-11-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2549970A1 DE2549970A1 (en) | 1976-05-13 |
| DE2549970C2 true DE2549970C2 (en) | 1984-04-19 |
Family
ID=24082270
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE2549970A Expired DE2549970C2 (en) | 1974-11-11 | 1975-11-07 | Nuclear fuel element |
Country Status (10)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5625995B2 (en) |
| BE (1) | BE835480A (en) |
| BR (1) | BR7507464A (en) |
| DE (1) | DE2549970C2 (en) |
| ES (1) | ES440476A1 (en) |
| FR (1) | FR2290735A1 (en) |
| GB (1) | GB1525608A (en) |
| IT (1) | IT1048658B (en) |
| MX (1) | MX3682E (en) |
| SE (1) | SE419484B (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS543698A (en) * | 1977-06-09 | 1979-01-11 | Power Reactor & Nuclear Fuel Dev Corp | Internal production method of reactor fuel cladding tube |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB809671A (en) * | 1949-02-22 | 1959-03-04 | Atomic Energy Authority Uk | Improvements in or relating to nuclear fuel elements |
| GB960854A (en) * | 1961-10-13 | 1964-06-17 | Rolls Royce | Fuel elements for nuclear reactors |
| US3230150A (en) * | 1963-11-18 | 1966-01-18 | William R Martin | Metal-clad fuel element with copper foil interlayer |
| GB1063631A (en) * | 1964-02-06 | 1967-03-30 | Atomic Energy Authority Uk | Improvements in or relating to nuclear reactor fuel elements |
| US3365371A (en) * | 1966-10-14 | 1968-01-23 | Gen Electric | Nuclear reactor fuel pellet |
| FR1511075A (en) * | 1966-12-14 | 1968-01-26 | Commissariat Energie Atomique | fuel element and its manufacturing process |
| FR1537960A (en) * | 1967-07-20 | 1968-08-30 | Siemens Ag | Process for obtaining high corrosion resistance |
-
1975
- 1975-08-26 ES ES440476A patent/ES440476A1/en not_active Expired
- 1975-10-07 GB GB41025/75A patent/GB1525608A/en not_active Expired
- 1975-10-15 SE SE7511580A patent/SE419484B/en unknown
- 1975-11-07 IT IT7529074A patent/IT1048658B/en active
- 1975-11-07 DE DE2549970A patent/DE2549970C2/en not_active Expired
- 1975-11-10 FR FR7534248A patent/FR2290735A1/en active Granted
- 1975-11-11 JP JP13477475A patent/JPS5625995B2/ja not_active Expired
- 1975-11-11 MX MX751635U patent/MX3682E/en unknown
- 1975-11-11 BR BR7507464A patent/BR7507464A/en unknown
- 1975-11-12 BE BE161783A patent/BE835480A/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB1525608A (en) | 1978-09-20 |
| FR2290735A1 (en) | 1976-06-04 |
| BR7507464A (en) | 1976-08-31 |
| SE419484B (en) | 1981-08-03 |
| IT1048658B (en) | 1980-12-20 |
| JPS5625995B2 (en) | 1981-06-16 |
| FR2290735B1 (en) | 1981-05-08 |
| SE7511580L (en) | 1976-05-12 |
| MX3682E (en) | 1981-04-27 |
| JPS5169792A (en) | 1976-06-16 |
| DE2549970A1 (en) | 1976-05-13 |
| BE835480A (en) | 1976-03-01 |
| ES440476A1 (en) | 1977-09-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE68908196T2 (en) | Nuclear fuel element with an oxidation-resistant layer. | |
| DE2549969C2 (en) | Nuclear fuel element | |
| DE2501505C2 (en) | Nuclear fuel element and process for its manufacture | |
| DE2549971C2 (en) | Nuclear fuel element | |
| DE2550028A1 (en) | NUCLEAR FUEL ELEMENT | |
| EP0121204B1 (en) | Fuel rod for a nuclear reactor | |
| DE69006914T2 (en) | Corrosion-resistant zirconium alloys containing copper, nickel and iron. | |
| DE69008374T2 (en) | Abrasion and corrosion resistant rod for nuclear reactor fuel bundles. | |
| EP0726966B1 (en) | Material and structural component of modified zircaloy | |
| DE60031804T2 (en) | Envelope for use in nuclear reactors with increased crack and corrosion resistance | |
| DE2550029A1 (en) | NUCLEAR FUEL ELEMENT | |
| DE19509045A1 (en) | Nuclear fuel cladding tube | |
| DE2259569A1 (en) | NUCLEAR FUEL ELEMENT | |
| DE19509257B4 (en) | Improved zirconium alloy nuclear fuel sheath | |
| DE3027999A1 (en) | METHOD FOR PRODUCING A VESSEL FOR NUCLEAR FUEL AND NUCLEAR FUEL VESSEL | |
| DE2527686C2 (en) | Nuclear fuel assembly with a cylindrical container | |
| DE19509258A1 (en) | Cladding tube for water-cooled nuclear reactor fuel | |
| DE3310054A1 (en) | Nuclear fuel element and composite container therefor | |
| DE69209415T2 (en) | Structural components for nuclear reactor fuel bundles | |
| DE3248235A1 (en) | COMPOSITE CONTAINER FOR CORE REACTORS | |
| DE60215886T2 (en) | Fuel rod with a shell of a zirconium alloy and containing a metal oxide for limiting the hydrogenation | |
| DE2259570A1 (en) | NUCLEAR FUEL ELEMENT | |
| DE2549970C2 (en) | Nuclear fuel element | |
| DE2842198B2 (en) | Nuclear fuel element | |
| DE3315820C2 (en) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |