DE2549976A1

DE2549976A1 - Umhuellung fuer kernbrennstoffelemente

Info

Publication number: DE2549976A1
Application number: DE19752549976
Authority: DE
Inventors: Ii Robert Lee Cowan; Gerald Myron Gordon; Richard Alan Proebstle
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-11-11
Filing date: 1975-11-07
Publication date: 1976-05-13
Also published as: SE7511582L; IT1049052B; BE835483A; JPS5171497A; ES442004A1; BR7507463A; FR2290739A1

Description

Naue- Telefonnummer η? C Γ Γ C .Nev/ Jeiephonenumber i-v UvJ Jv

Df. rer. nah Horst Schüler 6 Frankfurt/Main 1, 6 · November 1975

PATENTANWALT Niddastraße 52 Dr .HS/hö

Telefon (0611)· Telex: 04-16759'mapat d

25499 76 Postscheck-Konto: 2824 20-602 Frankfurt/M.

Bankkonto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

37Ο1-24-ΑΪ-Ρ4Ο13

GENERAL ELECTRIC COMPANY

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

Umhüllung für Kernbrennstoffelemente

Die Erfindung betrifft allgemein eine Verbesserung von Kernbrennstoffe lementen zur Verwendung im Spaltraum bzw. Kern von Kernspaltungsreaktoren, und sie betrifft spezieller ein verbessertes Kernbrennstoffelement mit einer/behälterartigen Umhüllung, die eine Trägersubstanz und eine Metallschicht auf der inneren Oberfläche der Trägersubstanz aufweist.

Es werden gegenwärtig Kernreaktoren entworfen, gebaut und betrieben, bei denen der Kernbrennstoff in Brennstoffelementen enthalten ist, die verschiedene geometrische Formen besitzen können, wie z.B. die Form von Platten, Rohren oder Stäben. Das Brennstoffmaterial ist üblicherweise in einem korrosionsbeständigen, nicht-reaktiven, wärmeleitenden Behälter oder Umhüllung eingeschlossen. Die Elemente sind in einem Gitter mit festen Abständen voneinander in einem Kühlmittel-Dureh_Xlußkanal oder Kühlmittel-Durchflußbereich zusammen angeordnet, wobei sie eine Brennstoff-

609820/0834

7549976

einheit bilden, und ausreichend viele Brennstoffeinheiten sind kombiniert, um die Kernspaltungs-Kettenreaktionseinheit oder den Reaktorkern zu bilden, der in der Lage ist, eine selbständige Spaltungsreaktion aufi'echt zu erhalten. Der Kern selbst ist wiederum in einem Reaktorgefäß eingeschlossen, durch das ein Kühlmittel geleitet wird.

Die Umhüllung dient verschiedenen Zwecken, und zwei Hauptzwecke sind: 1. Kontakt und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff und dem Kühlmittel oder dem Moderator, wenn ein Moderator vorhanden ist, oder mit beiden, wenn sowohl das Kühlmittel als auch der Moderator vorhanden sind, zu verhindern; 2. zu verhindern, daß die radioaktiven Spaltprodukte, von denen einige Gase sind, von dem Brennstoff in das Kühlmittel oder in den Moderator oder in beide, wenn sowohl das Kühlmittel als auch der Moderator vorhanden sind, freigegeben werden. Übliche Umhüllungsmaterialien sind Edelstahl, Aluminium und seine Legierungen, Zirkon und seine Legierungen, Niob, gewisse Magnesiumlegierungen und andere. Das Versagen der Umhüllung, d.h. ein Verlust an Leckdichtigkeit, kann das Kühlmittel oder den Moderator und die damit verbundenen Systeme mit radioaktiven langlebigen Produkten bis zu einem Ausmaß kontaminieren, das den Betrieb der Anlage beeinträchtigt.

Es sind Probleme bei der Herstellung und beim Betrieb von Kernbrennstoffelementen, bei denen bestimmte Metalle und Legierungen als Umhüllungsmaterial verwendet werden, eingetreten, die auf mechanische oder chemische Reaktionen dieser Umhullungsmaterialien unter bestimmten Umständen zurückzuführen sind. Zirkon und seine Legierungen sind unter normalen Umständen hervorragende Kernbrenn st off Umhüllungen, da sie niedrige Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen und bei Temperaturen unterhalb etwa 398 C (etwa 750 ⁰P) in Anwesenheit von entmineralisiertem Wasser oder Dampf, die üblicherweise als Reaktorkühlmittel und -moderatoren verwendet werden, fest, dehnbar, äußerst stabil und nicht-reaktiv sind.

609820/0834

Es hat sich jedoch beim Betriebsverhalten von Kernbrennstoffelementen ein Problem bezüglich des Sprödigkeitsbrechens der Umhüllung aufgrund der kombinierten Wechselwirkungen zwischen dem Kernbrennstoff, der Umhüllung und der während der Kernspaltungsreaktionen erzeugten Spaltprodukte ergeben. Es wurde gefunden, daß dieses unerwünschte Betriebsverhalten durch lokale mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Brennstoff-Umhüllungs-Ausdehnung verstärkt wird (Spannungen in der Umhüllung sind auf Risse im Kernbrennstoff lokalisiert). Korrosive Spaltprodukte werden von dem Kernbrennstoff freigegeben und sind an den Schnittbereichen der Brennstoffrisse mit der Umhüllungsoberfläche vorhanden . Spaltprodukte werden in. dem Kernbrennstofff während der Kettenspaltreaktion im Betrieb eines Kernreaktors erzeugt. Die lokale Spannung wird durch hohe Reibung zwischen dem Brennstoff und der Umhüllung noch erhöht. Innerhalb der Begrenzung eines abgeschlossenen Brennstoffelementes kann durch die langsame Reaktion zwischen der Umhüllung und dem restlichen Wasser innerhalb der Umhüllung Wasserstoffgas gebildet werden, und dieses Wasserstoffgas kann bis zu Mengen aufgebaut werden, die unter bestimmten Bedingungen zu lokalisierter Hydrierung der Umhüllung führen, die mit lokaler Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Umhüllung verbunden ist. Die Umhüllung wird auch in einem weiten Temperaturbereich nachteilig durch Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxyd und Kohlendioxyd, angegriffen.

Die Zirkonumhüllung eines Kernbrennstoffelementes ist einem oder mehreren der oben angegebenen Gase und Spaltprodukte während der Bestrahlung in einem Kernreaktor ausgesetzt, und dies tritt trotz der Tatsache ein, daß diese Gase und Spaltproduktelemente nicht in dem Reaktorkühlmittel oder -moderator vorhanden sein dürfen und ferner so weit wie möglich während der i rstellung der Umhüllung und des Brennstoffelementes aus der Umgebungsatmosphäre ausgeschlossen sein sollten. Gesinterte hochschmelzende und keramische Zusammensetzungen, wie z.B. Urandioxyd und andere Zusammensetzungen, die als Kernbrennstoff verwendet werden, setzen meßbare Mengen der vorgenannten Gase und Spaltprodukte beim Erhitzen frei, wie dies z.B. während der Brennstoffelement-Herstellung der Fall ist, und sie geben ferner während der Bestrahlung Spaltpro-

609820/0834

dukte ab. Spezielle hochschmelzende und keramische Zusammensetzungen, wie z.B. Urandioxydpulver und andere Pulver, die als Kern-

sie brennstoff verwendet werden, sind dafür bekannt, daß/sogar größere Mengen der oben genannten Gase während der Bestrahlung abgeben. Diese abgegebenen Gase sind in der Lage, mit der den Kernbrennstoff enthaltenden Zirkonumhüllung zu reagieren.

Im Hinblick auf diese Tatsachen ist es wünschenswert, das Angreifen der Umhüllung durch Wasser, Wasserdampf und andere Gase, insbesondere Wasserstoff, zu minimalisieren, die mit der Umhüllung von der inneren Brennstoffelementseite her während der Zeit, die das Brennstoffelement in Kernkraftanlagen im Betrieb verwendet wird, reagieren. Ein Versuch in dieser Richtung bestand darin, Materialien zu finden, die chemisch schnell mit dem Wasser, dem Wasserdampf und anderen Gasen reagieren, um diese aus dem Inneren der Umhüllung zu entfernen, und derartige Materialien werden Getter genannt.

Ein anderer Versuch bestand darin, das Kernbrennstoffmaterial mit einer Keramik zu überziehen, um zu verhindern, daß Feuchtigkeit mit dem Kern^,brennstoffmaterial in Berührung kommt, wie es in dem US-Patent 3 108 936 beschrieben ist. In dem US-Patent 3 085 059 wird ein Brennstoffelement beschrieben, das ein Metallgehäuse aufweist, in dem ein oder mehrere Pellets aus spaltbarem keramischem Material und eine Schicht aus glasartigem Material enthalten ist, welches an die keramischen Pellets so gebunden ist, daß sich die Schicht zwischen dem Gehäuse und dem Kernbrenstoff befindet, um gleichmäßig gute Wärmeleitfähigkeit von den Pellets an das Gehäuse zu gewä—hrleisten. In dem US-Patent 2 873 238 werden mit einem Mantel versehene spaltbare Klumpen aus Uran in einem Metallgehäuse beschrieben, wobei die Schutzmäntel oder Schutzabdeckungen für die Klumpen Zink-Aluminium-Verbundschichten sind. Im US-Patent 2 849 387 wird ein mit einem Mantel versehener spaltbarer Körper beschrieben, der eine Vielzahl ummantelter Körperabschnitte aus Kernbrennstoff mit offenen Enden enthält, welche in ein geschmolzenes Bad aus Bindungsmaterial getaucht worden sind, das eine wirksame thermisch leitfähige Verbindung zwischen den Urankörperabschnitten und dem Behälter (oder der Um-

609820/0834

hüllung) verleiht. Der Überzug wird als irgendeine Metallegierung mit guter Wärmeleitfähigkeit mit Beispielen, die Aluminium-Silizium- und Zink-Aluminium-Legierungen umfassen, beschrieben. In der japanischen Patentpublikation Nr. 47-46559 vom 24. Nov. 1972 wird das Einbetten einzelner (diskreter) Kernbrennstoffteilchen in eine kohlenstoffhaltige Matrix/einem Brennstoff-Matrix-Verbund durch Beschichten der Brennstoffteilchen mit einer hochdichten, glatten, kohlenstoffhaltigen Beschichtung um die Pellets beschrieben. Noch ein weiterer Überzug ist in der japanischen Patentpublikation Nr. 47-14200 beschrieben, bei der der Überzug von einer von zwei Gruppen von Pellets mit einer Schicht aus Siliziumkarbid besteht und die andere Gruppe mit einer Schicht aus pyrolytisch hergestelltem Kohlenstoff oder Metallkarbid-beschichtet ist.

Die Beschichtung eines Kernbrennstoffmaterials bringt Betriebssicherheitsprobleme mit sich, die darin bestehen, daß das Erzielen gleichmäßiger überzüge ohne Fehler schwierig ist. Ferner können durch die Verschlechterung des Überzugs Probleme bezüglich der Langzeit-Leistungsfähigkeit des Kernbrennstoffmaterials auftreten.

In der US-Patentanmeldung Serial No. 330, 152 vom 6. Februar 1973 wird ein Verfahren zum Verhindern von Korrosion von Kernbrennstoffumhüllungen beschrieben, das aus der Zugabe eines Metalles wie z.B. Niob zu dem Brennstoff besteht. Der Zusatz kann in Form eines Pulvers vorliegen, vorausgesetzt, daß die folgende Brennstoffverarbeitung das Metall nicht oxydiert, oder in dem Brennstoffelement in Form von Drähten oder Folien oder in anderer Form in, um oder zwischen den Brennstoffpellets angeordnet werden.

In der Druckschrift GEAP-4555 vom Februar 1964 wird eine zusammengesetzte Umhüllung aus einer Zirkonlegierung mit einer inneren Auskleidung aus rostfreiem Stahl beschrieben, 4^er metallurgisch mit der Zirkonlegierung verbunden ist, und die zusammengesetzte Umhüllung wird durch Extrudieren eines hohlen Barrens der Zirkonlegierung mit einer inneren Auskleidung aus rostfreiem Stahl hergestellt. Diese Umhüllung weist den Nachteil auf, daß sich in dem rostfreien Stahl spröde Phasen bilden,und die rostfreie Stahl-

809820/0834

schicht bringt Neutronenabsorptionsfolgen mit sich, die etwa 10-bis 15-mal so groß sind wie bei einet? Zirkonlegierungsschicht der gleichen Dicke.

Im US-Patent 3 502 549 wird ein Verfahren zum Schützen von Zirkon und seinen Legierungen durch elektrolytische Abscheidung von Chrom beschrieben, um ein zusammengesetztes Material zu schaffen, das für Kernreaktoren brauchbar ist. Ein Verfahren zur elektrolytisehen Abscheidung von Kupfer auf Z ircaloy-2-Oberflächen und nachfolgende Wärmebehandlung für den Zweck, Oberflächendiffusion des elektrolytisch abgeschiedenen Metalls zu erzielen, wird in Energia Nucleare, Band H₃ Nr. 9 (September 1964) auf den Seiten 505 bis 508 beschrieben. In Stability and Compatibility of Hydrogen Barriers Applied to Zirconium Alloys von P. Brossa und anderen (European Atomic Energy Community, Joint Nuclear Research Center, EUR 4O98e, 1969) werden Verfahren zur Abscheidung verschiedener Überzüge und ihre Wirkung als .Wasserstoffdiffusionshindernis zusammen mit einer A1-Si-Beschichtung als dem am meisten versprechenden Hindernis gegen Wasserstoffdiffusion beschrieben. Verfahren zum Elektroplattieren von Nickel auf Zirkon und Zirkon-Zinn-Legierungen Und Wärmebehandlung dieser Legierungen, um Legierungsdiffusionsbindungen zu erzeugen, werden in Electroplating on Zirconium and Zirconium-Tin von W.C. Schickner und anderen beschrieben (BMl-757, Technical Information Service, 1952). Im US-Patent 3 625 821 wird ein Brennstoffelement für einen

ein
Kernreaktor beschrieben, das/Brennstoffumhüllungsrohr besitzt, dessen innere Oberfläche mit einem festhaltenden Metall mit niedrigem Neutroneneinfangsquerschnitt, wie z.B. Nickel, beschichtet ist und fein dispergierte Teilchen aus einem brennbaren Gift darin angeordnet enthält. In Reactor Development Program Progress Report vom August 1973 (ANL-RDP-19) wird eine Anordnung aus chemischem Getter in einer sich aufbrauchenden Schicht aus Chrom auf der inneren Oberfläche einer Umhüllung aus Edelstahl beschrieben.

Ein weiterer Versuch besteht darin, ein Hindernis zwischen das Kernbrennstoffmaterial und die Umhüllung, die das Kernbrennstoffmaterial hält, einzufügen, wie es im US-Patent 3 230 150 (Kupferfolie), in der deutschen Auslegeschrift 1 238 115 (Titanschicht),

609820/0834

in' dem US-Patent 3 212 988 (Schicht aus Zirkon, Aluminium oder Beryllium), dem US-Patent 3 018 238 (Hindernis aus kristallinem Kohlenstoff zwischen dem U0„ und der Zirkonumhüllung) und dem US-Patent 3 088 893 (Edelstahlfolie) beschrieben ist. Während sich das Hinderniskonzept als vielversprechend erweist, werden in einigen der vorstehenden Druckschriften inkompatible Materialien vorgeschlagen, die entweder mit dem Kernbrennstoff (beispielsweise kann sich Kohlenstoff mit Sauerstoff von dem Kernbrennstoff verbinden ) oder mit der Umhüllung (z.B. können Kupfer und andere Metalle mit der Umhüllung reagieren, wobei die Eigenschaften der Umhüllung verändert werden) oder mit der Kernspaltungsreaktion (beispielsweise durch Wirkung als Neutronenabsorber) unverträglich sind. In keiner der angeführten Druckschriften werden Lösungen des kürzlich aufgezeigten Problems der lokalisierten chemisch-mechanischen Wechselwirkungen zwischen dem Kernbrennstoff und der Umhüllung angegeben.

Weitere Versuche für das Hinderniskonzept sind in der deutschen Patentanmeldung P 25 Ol 309.6 (hochschmelzendes Metall, wie Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob und Legierungen derselben in Form eines Rohres oder einer Folie in einzelner oder mehrfacher Schicht oder einerBeschichtung auf der inneren Oberfläche der Umhüllung) und in der deutschen Patentanmeldung P 25 01 505.8 (Auskleidung aus Zirkon, Niob oder Legierungen derselben zwischen dem Kernbrennstoff und der Umhüllung mit einer Beschichtung aus einem Material hoher Schmierfähigkeit zwischen der Auskleidung und der Umhüllung) angegeben.

Dementsprechend bleibt es wünschenswert, Kernbrennstoffelemente zu entwickeln, mit denen die oben diskutierten Probleme beseitigt werden können.

Ein besonders wirksames Kernbrennstoffelement für die Verwendung in dem Kern eines Kernreaktors besitzt ehe zusammengesetzte behälterartige Umhüllung, die aus einem Träger besteht, der auf der inneren Oberfläche eine Schutzschicht aus einem Material enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus (1) chromhaltj gen oxydationsbeständigen Legierungen, wie z.B. Nickel-

609820/0834

Chrom-Legierungen (z.B. Kanthai und Nichrome) und rostfreien Stähle η mit hohem Chromgehalt, und <2) einem mit der Trägersubstanz legierten Überzug, der aus einem verchromten überzug (chromized coating), einem veraluminierten überzug (aluminized coating) oder einem silizierten überzug (siliconized coating) besteht. Die Schutzschicht dient als Hindernis, um zu verhindern, daß die darunterliegende Trägersubstanz während eines eventuellen Unfalls durch Kühlmittelverlust korrodiert und oxydiert wird, und dient auf diese Weise dazu, die günstigen mechanischen Eigenschaften der Umhüllung aufrecht zu erhalten. Verfahren zur Herstellung der zusammengesetzten Umhüllung werden ebenfalls angegeben, einschließlich Elektroplattieren, Ko-Extrudieren_f Elektroplattieren mit nachfolgender Diffusionsverbindung, Zusammenrütteln (co-rocking) und Aufdampfen. Der metallisierte überzug kann durch Metallisierungsverfahren aufgebracht werden. Die vorliegende Erfindung weist den außerordentlichen Vorteil auf, daß die Trägersubstanz der Umhüllung gegen den Kontakt mit korrosiven Mitteln durch die Metallschicht geschützt ist, und die Metallschicht bringt vernachlässigbare Neutronenabsorptionsfolgen mit sich.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

In den Zeichnungen zeigt:

Figur 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Kernbrennstoffkassette oder -einheit, die Kernbrennelemente enthält, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind, und

Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines in Figur 1 dargestellten Kernbrennstoffelementes zur Erläuterung der Er-· findung.

609820/0834

Es wird nun speziell auf die Figur 1 Bezug genommen. Figur 1 zeigt eine Kernbrennstoffkassette 10 teilweise geschnitten als Schnittansicht. Diese Brennstoffkassette besteht aus einem röhrenförmigen Durchflußkanal 11 mit üblicherweise quadratischem Querschnitt, der an seinem oberen Ende mit einem Hebebügel 12 und an seinem unteren Ende mit einem Nasenstück versehen ist (dieses Nasenstück ist nicht dargestellt, da der untere Teil der Kassette 10 weggelassen ist). Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Nasenstückes ist mit öffnungen für den Kühlmitte ldurchfluß versehen. Eine Anordnung aus Brennstoffelementen oder -stäben 14 ist im Kanal 11 eingeschlossen und wird darin mittels der oberen Endplatte 15 und einer unteren Endplatte (die nicht dargestellt ist, da das untere Teil weggelassen ist) gehalten. Das flüssige Kühlmittel tritt üblicherweise durch die öffnungen in dem unteren Ende des Nasenstückes ein, fließt nach oben um die Brennstoffelemente 14 und tritt am oberen Auslaß 13 teilweise verdampft bei Siedereaktoren oder unverdampft bei Hochdruckreaktoren mit einer erhöhten Temperatur aus.

Die Kernbrennstoffelemente oder -stäbe 14 sind an ihren Enden mittels Endstopfen 18, die an die Umhüllung 17 geschweißt sind, dicht verschlossen, und sie können Bolzen 19 aufweisen, um die Anbringung der Brennstoffstäbe in der Einheit zu erleichtern. Ein Leerraum oder freier Raum 20 ist an einem Ende des Elementes vorgesehen, der die Längsausdehnung des Brennstoffmaterials und das Ansammeln von Gasen gestatten soll, die von dem Brennstoffmaterial freigegeben werden. Ein Mittel 24 zum Festhalten des Kernbrennstoffmaterials in Form eines schraubenfederförmigen Gliedes ist innerhalb des Raumes 20 angeordnet, das für eine Bewegungsbegrenzung gegen die axiale Bewegung der Pellet-Säule, insbesondere während des Hantierens und des Transportes des Brennstoffelementes, sorgt.

Das Brennstoffelement ist so ausgelegt, daß es einen hervorragenden thermischen Kontakt zwischen der Umhüllung und dem Brennst off material, ein Minimum an parasitärer, unerwünschter Neutronenabsorption und Beständigkeit gegen Biegungen und Schwingungen besitzt, wobei letztere gelegentlich durch den Fluß des Kühlmit-

609820/0834

-,10 te'ls bei hoher Geschwindigkeit erzeugt werden.

Ein Kernbrennstoffelement oder -stab Ik ist in Figur 1 teilweise im Schnitt gezeigt, und es ist gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut. Das Brennstoffelement enthält einen Kern oder einen mittleren zylindrischen Teil aus Kernbrennstoffmaterial 16, das hier in Form einer Vielzahl von Brennstoffpellets aus spaltbarem und/oder brutfähigem Material dargestellt ist, welches innerhalb einer tragenden Umhüllung oder eines Behälters 17 angeordnet ist. In einigen lallen können die Brennstoffpellets verschiedene Formen aufweisen, z.B. zylindrische Pellets oder Kugeln, und in anderen Fällen können verschiedene Brennstofformen, wie z.B. Brennstoff in Form von kleinen Teilchen, verwendet werden. Die physikalische Form des Brennstoffes ist für die vorliegende Erfindung jedoch unwesentlich. Es können verschiedene Kernbrennstoffmaterialien einschließlich Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Mischungen derselben verwendet werden. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxyd oder eine Mischung, die Urandioxyd und Plutoniumdioxyd enthält.

Es wird nun auf Figur 2 Bezug genommen. Das Kernbrennstoffmaterial 16, das den zentralen Kern des Brennstoffelementes 14 bildet, ist von einer Umhüllung 17 umgeben, die im folgenden in dieser Beschreibung auch als zusammengesetzte Umhüllung bezeichnet wird. Die zusammengesetzte Umhüllung besitzt einen Träger aus einer Trägersubstanz 21, die aus herkömmlichen UmhÜllungsmaterialien, wie z.B. Zirkonlegierungen, ausgewählt wird, und in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist die Trägersubstanz eine Zirkonlegierung, wie z.B. Zircaloy-2. An der inneren Oberfläche des Trägers ist eine Schutzschicht so angebracht, daß die Schutzschicht einen Schutz und eine Abschirmung zwischen der Trägersubstanz und dem Hochtemperatur-Dampf bildet, der bei einem möglichen Unfall durch Kühlmittelverlust auftritt. Die Schutzschicht besitzt eine Dicke von etwa 0,000127 cm (0,00005 inch) bis 0,0076 cm (0,003 inch) und besteht aus (1) chromhaltigen ' oxydationsbeständigen Legierungen, wie z.B. Nicke1-Chrom-Legierungen (z.B. Kanthai und Nichrome) und rostfreien Stählen mit hohem Chromgehalt und (2) einem überzug, der mit der Trägersub-

609820/0834

stanz legiert ist und aus einem verchromten überzug (chromized coating), veraluminierten überzug (aluminized coating) und einem silizierten überzug (siliconized coating) besteht. Die Schutzschicht dient als Sperre, um zu verhindern, daß die darunterliegende Trägersubstanz während eines möglichen Unfalls mit Kühlmittelverlust korrodiert und oxydiert, und dient auf diese Weise dazu, die günstigen Eigenschaften der Umhüllung aufrecht zu erhalten. Die oxydationsbeständigen Legierungen in (1) oben schließen die folgenden rostfreien Stähle mit hohem Chromgehalt wie z.B. 26 % Chrom mit dem Rest im wesentlichen Eisen, Nickel-Chrom-Legierungen wie Kanthal-Legierungen und Nichrome-Legierungen ein.

Die Reinheit der Schutzschicht ist vom Standpunkt der Neutronenökonomie aus eine wichtige Qualität. Im allgemeinen sollen die Verunreinigungen ein Gesamt-Boräquivalent von weniger als 40 Teilen pro Million aufweisen. Legierungselemente werden für diesen Zweck nicht als Verunreinigungen angesehen.

Bei der zusammengesetzten Umhüllung des Kernbrennstoffelementes gemäß dieser Erfindung ist die Schutzschicht an die Trägersubstanz mit einer starken Bindung gebunden.

Es wurde ferner gefunden, daß eine Schutzschicht von wenigstens etwa 0,000127 cm (0,00005 inch), die an die Trägersubstanz, vorzugsweise eine Zirkonlegierung, gebunden ist, die gasförmige Atmosphäre des Kernbrennstoffelementes gegen den Kontakt mit der Trägersubstanz abschließt, was insbesondere deshalb wünschenswert ist, um Korrosion und Oxydation bei Temperaturen zu verhindern, die 1204 °C (2200 ⁰F) erreichen, die während eines Unfalls mit Kühlmittelverlust auftreten. Die hier beschriebenen Schutzschichten besitzen ebenfalls die notwendige Eigenschaft, keine flüssige eutektische Phase mit Zirkonlegierungen bei erhöhten Temperaturen zu bilden.

Die zusammengesetzte Umhüllung, die für die Kernbrennstoffelemente der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann durch irgendeines der folgenden Verfahren hergestellt werden.

609820/0834

Die chromhaltigen oxydationsbeständigen Legierungen können durch verschiedene zum Stand der Technik gehörende Verfahren aufgebracht werden, einschließlich durch Ko-Extrudieren und Zusammenrütteln (co-rocking). Bei dem Ko-Extrusionsverfahren wird ein Einsatz aus der Legierung in einen Extrusions - Barren aus der Trägersubstanz, vorzugsweise einer Zirkonlegierung, eingefügt und durch Diffusion an den Extrusions - Barren gebunden. Der zusammengesetzte Barren wird dann zu einem Rohr-Rohling extrudiert. Dieser Rohling, der aus einem äußeren konzentrischen Zylinder aus einer Zirkonlegierung mit einer inneren konzentrischen Schicht aus der an das Zirkon gebundenen Chromlegierung besteht, wird durch herkömmliches Bearbeiten rohrverkleinert, um eine zusammengesetzte Umhüllung mit der gewünschten Geometrie und einer inneren Metallschichtdicke herzustellen.

Bei einem anderen Verfahren wird ein extrudierter Rohr-Rohling aus Zirkonlegierung mit einem inneren hohlen Rohr aus einer der Chromlegierungen versehen. Dieses innere Rohr sollte gleichmäßig in seiner Wandstärke sein, und die Dicke des Rohres wird durch die Wandstärke des Rohr-Rohlings und die gewünschte Enddicke der Metallschicht bestimmt. Die Anordnung wird dann rohrverkleinert, um die zusammengesetzte Umhüllung herzustellen. Das entstehende Verbundteil hat eine Chromlegierungsschicht, die metallurgisch an die Zirkonlegierung-Trägersubstanz gebunden ist. Bei dem Rohrverkleinerungsverfahren können Ausglühbehandlungen bei verschiedenen Stufen des Verfahrens angewendet werden.

Die metallisierten Überzüge aus Chrom, Aluminium oder Silizium können durch herkömmliche Flamm- oder Plasma-Sprühverfahren aufgebracht werden.

Die Erfindung schließt ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelementes ein, bei dem eine zusammengesetzte behälterartige Umhüllung mit einer Trägersubstanz und einer Schutzschicht, die, wie oben beschrieben, an die innere Oberfläche der Trägersubstanz gebunden ist, hergestellt wird, wobei die Umhüllung an einem Ende offen ist·, die zusammengesetzte behälterartige Umhüllung mit Kernbrennstoffmaterial gefüllt wird, wobei ein Hohlraum

609820/0834

am oberen Ende belassen wird; ein Mittel zum Pesthalten des Kernbrennstoffaaterials in den Hohlraum eingefügt wirdj ein Verschluföstück an dem offenen Ende der Umhüllung angebracht wird, wobei der Hohlraum mit dem Kernbrennstoff in Verbindung gelassen bleibt, und dann das Ende der behälterartigen Umhüllung mit dem Versehlußstück verbunden wird, um eine feste Dichtung zwischen diesen beiden zu bilden.

einem

Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, daß bei/Brennstoffelement, bei dem die beschriebene Schutzschicht verwendet wird, die innere Oberfläche der Trägersubstanz, vorzugsweise eines Zirkonlegierungs-Umhüllungsmaterials, gegen Oxydation und Korrosion durch Dampf und Wasser während eines Unfalls mit Kühlmittelverlust in einem mit Wasser moderierten oder mit Wasser gekühlten Kernreaktor «schützt/. Durch die Verhinderung irgendeiner Verschlech· terung der mechanischen Eigenschaften, die durch Korrosion und Oxydation plus irgendeiner Oxydationsdurchdringung der inneren

könnte

Oberfläche der Umhüllung verursacht werden/,wird das Risiko des Brechens der Umhüllung während des ungünstigsten angenommenen Falles eines Unfalles mit Kühlmittelverlust auf nahezu null durch gängige Konstruktionspraxis reduziert.

Eine wichtige Eigenschaft der zusammengesetzten Umhüllung gemäß der Erfindung ist, daß die vorstehend beschriebenen Verbesserungen mit vernachlässigbaren zusätzlichen Neutronenfolgen erzielt werden. Eine derartige Umhüllung wird leicht in Kernreaktoren eingesetzt, da die Umhüllung im wesentlichen keine eutektische Bildung während eines Unfalles mit Kühlmittelverlust oder bei einem Unfall, bei dem ein nuklearer Steuerstab fällt, zeigen würde. Ferner besitzt die zusammengesetzte Umhüllung einen sehr geringen Nachteil bezüglich des Wärmeübergangs, da kein thermisches Hindernis gegen Wärmeübergang vorhanden ist, wie das in der Anordnung, wenn eine getrennte Folie oder Auskleidung in ein Brennstoffelement eingefügt wird, der Fall ist. Auch ist die zusammengesetzte Umhüllung dieser Erfindung durch herkömmliche zerstörungsfreie Testmethoden während verschiedener Stadien der Herstellung prüfbar.

609820/0834