DE2550029A1

DE2550029A1 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2550029A1
Application number: DE19752550029
Authority: DE
Inventors: Joseph Sam Armijo; Jun Louis Fussell Coffin
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: DE2550029C3; JPS5169795A; SE7511581L; IT1048624B; DE2550029B2; JPS606893A; BR7507461A; SE9100149D0; BE835481A; GB1525717A; SE9100149L; FR2290738B1; FR2290738A1; ES442003A1; JPH0213280B2; JPS5533037B2; SE419485B; MX3667E

Description

Kernbrennstoffelement

Die Erfindung betrifft - allgemein gesprochen - Verbesserungen von Kernbrennstoffelementen zur Verwendung im Spaltraum bzw. Kern von Kernspaltungsreaktoren und insbesondere ein verbessertes Kernbrennstoffelement mit einem zusammengesetzten Mantel bzw. Metallmantel mit einem Substrat und einem Metallschutz, der metallurgisch an die Innenfläche des Substrats gebunden ist.

Es werden gegenwärtig Kernreaktoren entworfen, konstruiert und betrieben, bei denen der Kernbrennstoff in Brennstoffelementen enthalten ist, die verschiedene geometrische Formen besitzen können, z.B. die von Platten, Rohren oder Stäben. Das Brennstoffmaterial ist im allgemeinen von einem korrosionsbeständigen, nicht-reaktiven und wärmeleitenden Behälter oder Mantel eingeschlossen. Die Elemente sind zu einem Gitter mit festen Abständen voneinander in einem Kühlmitteldurchlaufkanal bzw. in einem Kühlmitteldurchlaufbereich vereinigt, wobei sie eine Brennstoffeinheit bilden; eine ausreichende Anzahl von Brennstoffeinheiten wird zu einer Kernspaltungskette-Reaktionseinheit (nuclear fission chain reacting assembly) bzw. einem Reaktorkern vereinigt, der von sich aus eine Spaltreaktion unterhalten kann. Der Kern ist wiederum in einem Reaktionsgefäß eingeschlossen, durch das ein Kühlmittel geleitet wird.

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Der Mantel dient verschiedenen Zwecken, wobei es sich bei zwei Hauptzwecken um folgendes handelt: Erstens sollen Berührungen und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff und dem Kühlmittel oder dem Moderator (wenn ein Moderator zugegen ist) oder beiden (wenn sowohl das Kühlmittel als auch der Moderator zugegen sind) verhindert werden; zweitens soll verhindert werden, daß radioaktive Spaltprodukte, von denen einige Gase sind, aus dem Brennstoff in das Kühlmittel bzw. den Moderator bzw. in beide freigesetzt werden, wenn sowohl das Kühlmittel als auch der Moderator zugegen sind. Bei üblichen Materialien für Mantel handelt es sich beispielsweise um rostfreien Stahl, Aluminium und seine Legierungen, Zirkon und seine Legierungen, Mob und bestimmte Magnesiumlegierungen. 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.

Es sind Probleme bei der Herstellung und beim Einsatz von Kernbrennstoffelementen, die bestimmte Metalle und Legierungen als Mantelmaterialien verwenden, infolge mechanischer oder chemischer Reaktionen dieser Mantelmaterialien unter bestimmten Umständen aufgetreten. Zirkon und seine Legierungen stellen unter normalen Bedingungen ausgezeichnete Kernbrennstoffmäntel dar, da sie kleine Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen und bei Temperaturen unterhalb etwa 400 ⁰G (etwa 750 ⁰F) in Gegenwart von entmineralisiertem V/asser oder Dampf, die üblicherweise als Reaktorkühlmittel und -moderatoren verwendet werden, fest, zäh, extrem stabil und nicht-reaktiv sind.

Jedoch ist beim Brennstoffelementbetrieb ein Problem hinsichtlich der Rißbildung des Mantels infolge Sprödigkeit durch die kombinierten Einwirkungen des Kernbrennstoffs, des Mantels und der Spaltprodukte aufeinander aufgetreten, die während der Kernspaltreaktionen gebildet werden. Es wurde festgestellt,

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daß sich diese Fehler durch lokalisierte mechanische Beanspruchungen infolge unterschiedlicher Expansion des Brennstoffmantels verstärken (Beanspruchungen des Mantels beschränken sich örtlich auf Risse im Kernbrennstoff). Es werden korrosive Spaltprodukte aus dem Kernbrennstoff freigesetzt, wobei sie am Schnittpunkt der Brennstoffrisse mit der Mantelfläche vorliegen. Es werden Spaltprodukte im Kernbrennstoff während der Spaltungskettenreaktion beim Betrieb des Kernreaktors gebildet. Die lokalisierten Beanspruchungen werden durch die hohe Reibung zwischen dem Brennstoff und dem Mantel verstärkt.

Innerhalb der Grenzen eines verschlossenen Brennstoffelements kann gasförmiger Wasserstoff durch langsame Umsetzung zwischen dem Mantel und restlichem Wasser im Mantel gebildet werden und dieser gasförmige Wasserstoff kann sich in einem Maß anreichern, das unter bestimmten Umständen zu einer örtlichen Hydrierung des Mantels mit 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.

Der Zirkonmantel eines Kernbrennstoffelements ist einem oder mehreren der vorstehend angeführten Gase und Spaltprodukte während der Bestrahlung in einem Kernreaktor ausgesetzt; dies tritt trotz der Tatsache ein, daß diese Gase nicht im Reaktorkühlmittel oder -moderator vorliegen und ferner soweit wie möglich aus der umgebenden Atmosphäre bei der Herstellung des Mantels und des Brennstoffelements ausgeschlossen wurden. Gesinterte feuerfeste und keramische Massen, wie Urandioxid und andere Zusammensetzungen, die als Kernbrennstoff verwendet werden, setzen meßbare Mengen der vorstehend angeführten Gase beim Erhitzen frei, z.B. bei der Brennstoffelementherstellung; sie setzen ferner Spaltprodukte beim Bestrahlen frei. Es sind feinteilige feuerfeste und keramische Massen bekannt geworden,

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wie Urandioxidpulver und andere Pulver, die als Kernbrennstoffe verwendet werden, die noch größere Mengen der vorstehend angeführten Gase beim Bestrahlen freisetzen. Diese freigesetzten Gase können mit dem Zirkonmantel reagieren, der den Kernbrennstoff enthält.

Davon ausgehend ist es erwünscht, den Angriff von Wasser, Wasserdampf und anderen Gasen, insbesondere Wasserstoff, die mit dem Mantel vom Inneren des Brennstoffelements her reagieren, am Mantel während der gesamten Zeit zu vermindern, die das Brennstoffelement beim Betrieb der Kernkräftanlagen verwendet wird. Ein derartiger Versuch besteht darin, Materialien zu finden, die chemisch rasch mit dem Wasser, dem Wasserdampf und anderen Gasen reagieren, um diese aus dem Inneren des Mantels zu entfernen; derartige Materialien werden als Fangstoffe (getters) bezeichnet.

Ein anderer Versuch besteht darin, das Kernbrennstoffmaterial mit einem keramischen Material zu überziehen, um zu verhindern, daß Feuchtigkeit mit dem Kernbrennstoffmaterial in Berührung kommt, wie es in der US-PS 3 108 369 beschrieben ist. In der US-PS 3 085 059 wird ein Brennstoffelement mit einem Metallgehäuse, das ein oder mehrere Pellets eines spaltbaren keramischen Materials enthält, und einer Schicht aus glasartigem Material vorgeschlagen, das an die keramischen Pellets derart gebunden ist, daß die Schicht zwischen dem Gehäuse und dem Kernbrennstoff liegt, um eine gleichmäßig gute Wärmeleitung von den Pellets zum Gehäuse zu gewährleisten. In der US-PS 2 873 238 werden mit einem Mantel versehene spaltbare Klumpen aus Uran in einem Metallgehäuse vorgeschlagen, wobei die Schutzmantel bzw. -überzüge für die Klumpen Zink-Aluminium-Verbundschichten sind. In der US-PS 2 849 387 wird ein mit einem Mantel versehener spaltbarer Körper mit einer Vielzahl von offen endenden, ummantelten Körperabschnitten eines Kernbrennstoffs beschrieben, die in ein geschmolzenes Bad eines Bindematerials getaucht wurden, was eine wirksame thermisch

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leitende Verbindung zwischen den Urankörperabschnitten und dem Behälter (bzw. Mantel) ergab. Für den Überzug wird irgendeine Metallegierung mit einer guten Wärmeleitfähigkeit mit Beispielen vorgeschlagen, die Aluminium-Silicium- und Zink-Aluminium-Legierungen einschließen. Die JA-AS 4-6559/47 (vom 24. November 1972) beschreibt die Verbindung von diskreten Kernbrennstoff teilchen zu einem zusammengesetzten, kohlenstoffhaltigen Matrix-Brennstoff, wobei man die Brennstoffteilchen mit einem hochdichten, glatten, kohlenstoffhaltigen Überzug rund um die Pellets versieht. Ein weiterer anderer Überzug ist in der JA-AS 14200/47 beschrieben, wobei der Überzug von einer von zwei Gruppen von Pellets aus einer Schicht aus Siliciumcarbid besteht und eine andere Gruppe mit einer Schicht aus Kohlenstoff (pyrocarbon) oder Metallcarbid überzogen ist.

Das Überziehen von Kernbrennstoffmaterialien bringt Betriebssicherheitsprobleme mit sich, da gleichmäßige Überzüge ohne Fehler kaum erhalten werden. Ferner kann die Zerstörung der Überzüge zu Problemen bei der langen Verwendung von Kernbrennstoff material! en führen.

In der US-Patentanmeldung Serial Number 330 152 vom 6. Febr. 1973 wird ein Verfahren zum Verhindern der Korrosion von Kernbrennstoff mänteln offenbart, das darin besteht, daß man ein Metall, wie Niob, zum Brennstoff zugibt. Der Zusatz kann in Form von Pulver vorliegen, vorausgesetzt, daß die folgende Brennstoffverarbeitung das Metall nicht oxydiert, oder in das Brennstoffelement in Form von Drähten, Folien oder in anderer Form in, um oder zwischen den Brennstoffpellets angeordnet werden.

In der Druckschrift GEAP-4555 vom Februar 1964 wird ein zusammengesetzter Mantel aus einer Zirkonlegierung mit einer inneren Auskleidung aus rostfreiem Stahl beschrieben, der metallurgisch mit der Zirkonlegierung verbunden ist; der zusammengesetzte Mantel wird durch Extrudieren eines hohlen Barrens der Zirkonlegierung mit einer Innenauskleidung aus rostfreiem Stahl

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hergestellt. Dieser Mantel weist den Nachteil auf, daß im rostfreien Stahl spröde Phasen auftreten und daß die rostfreie Stahlschicht eine Neutronenabsorption (neutron absorption penalty) des 10- bis 15-fachen Werts der Neutronenabsorption von Zirkonlegierungsschichten der gleichen Stärke mit sich bringt.

Die US-PS 3 502 5^9 beschreibt ein Verfahren zum Schützen von Zirkon und seinen Legierungen durch elektrolytische Abscheidung von Chrom, um ein zusammengesetztes Material vorzusehen, das für Kernreaktoren brauchbar ist. Ein Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung von Kupfer auf Zircaloy-2-Oberflachen mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung zur Erzielung einer Oberflächendiffusion des elektrolytisch abgeschiedenen Metalls wird in Energia Nucleare, Band 11, Nr. 9 (September 1964), auf den Seiten 505 bis 508, vorgeschlagen. In Stability and Compatibility of Hydrogen Barriers Applied to Zirconium Alloys von F. Brossa et al. (European Atomic Energy Community, Joint Nuclear Research Center, EUE 4-098e 1969) werden Methoden zur Abscheidung verschiedener Überzüge und ihre Wirkungsgrade als Wasserstoffdiffusionsschutz zusammen mit einem Al-Si-Überzug als vielversprechendstem Schutz gegen Wasserstoffdiffusion beschrieben. Methoden zum Elektroplattieren von Nickel auf Zirkon und Zirkon-Zinn-Legierungen und die Wärmebehandlung dieser Legierungen zur Erzielung von Legierungsdiffusionsbindungen werden in Electroplating on Zirconium and Zirconium-Tin'Von W. C. Schickner et al. (BM1-757» Technical Information Service, 1952) beschrieben. In der US-PS 3 625 821 wird ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit einem Brennstoffmantelrohr vorgeschlagen, wobei die Innenfläche des Rohrs mit einem schützenden Metall (retaining metal) mit einem kleinen Neutroneneinfangquerschnitt, wie Nickel, überzogen ist, in dem fein dispergierte Teilchen

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eines brennbaren Gifts enthalten sind. Im Reactor Development Program Progress Report vom August 1973 (ANL-RDP-19) wird eine chemische Fängstoffanordnung einer sich aufbrauchenden Schicht (sacrificial layer) aus Chrom auf der Innenfläche eines rostfreien Stahlmantels vorgeschlagen.

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Ein anderer Versuch besteht darin, einen Schutz zwischen dem Kernbrennstoffmaterial und dem Mantel einzuführen, der das Kernbrennstoffmaterial hält, wie in der US-PS 3 230 150 (Kupferfolie), der DT-AS 1 238 115 (Titanschicht), der US-PS 3 212 988 (Hülle aus Zirkon, Aluminium oder Beryllium), der US-PS 3 018 238 (Schutz aus kristallinem Kohlenstoff zwischen dem UO₂ und dem Zirkonüberzug) und der US-PS 3 088 893 (Folie aus rostfreiem Stahl) beschrieben ist. Während das Konzept eine Sperre vielversprechend zu sein scheint, beschreiben einige der -vorstehenden Druckschriften Materialien, die entweder mit dem Kernbrennstoff (z.B. kann sich Kohlenstoff mit Sauerstoff aus dem Kernbrennstoff vereinigen) oder dem Mantel (z.B. können Kupfer und andere Metalle mit dem Mantel reagieren, wobei die Eigenschaften des Mantels verändert werden) oder hinsichtlich der Kernspaltreaktion unverträglich bzw. ungeeignet sind (indem sie beispielsweise als Neutronenabsorber wirken). Keine der vorstehend zusammengestellten Druckschriften bietet Lösungen für das jüngst aufgetretene Problem lokalisierter chemisch-mechanischer Einwirkungen zwischen dem Kernbrennstoff und dem Mantel.

Weitere Versuche auf Basis des Sperr-Konzepts sind in der deutschen Patentanmeldung P 25 01 309.6 (feuerfeste Metalle, wie Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob und deren Legierungen in Form von Rohren oder Folien aus einer oder mehreren Schichten oder einem überzug auf der Innenfläche des Mantels) und der deutschen Patentanmeldung P 25 01 505.8 beschrieben (Auskleidung aus Zirkon, Niob oder deren Legierungen zwischen dem Kernbrennstoff und dem Mantel mit einem überzug eines Materials hoher Schmierfähigkeit zwischen der Auskleidung und dem Mantel).

Dementsprechend 1st es erwünscht, Kernbrennstoffelement zu entwickeln bzw. vorzugsehen, mit denen die vorstehend geschilderten Probleme überwunden werden.

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Ein besonders wirksames Kernbrennstoffelement zur Verwendung im Kern eines Kernreaktors weist einen zusammengesetzten Mantel mit einem Substrat und einem Metallschutz auf, der metallurgisch an die Innenfläche des Substrats gebunden ist, so daß der Metallschutz das Substrat von dem Kernbrennstoffmaterial im Mantel abschirmt. Der Metallschutz macht etwa 1 bis etwa 30 % der Stärke des Mantels aus und besteht aus einem Metall mit geringer Neutronenabsorption aus im wesentlichen reinem Zirkon. Der Metallschutz dient als bevorzugter Ort für eine Reaktion mit flüchtigen Verunreinigungen oder Spaltprodukten, die im Innern des Kernbrennstoffelements vorliegen; er dient in dieser Weise dazu, das Substrat vor den flüchtigen Verunreinigungen oder Spaltprodukten und ihrem Angriff zu schützen. Der Substratbereich des Mantels ist hinsichtlich Ausbildung und Funktion gegenüber der üblichen Praxis für Kernreaktoren nicht abgewandelt und besteht aus üblichen Mantelmaterialien, wie Zirkonlegierungen. Methoden zur Herstellung des zusammengesetzten Mantels werden gleichfalls vorgeschlagen, wozu gehört, daß man (1) ein hohles Rohr des Metallschutzes in einen hohlen Barren des Substrats einpaßt, das Rohr mit dem Barren durch eine Explosion verbindet (explosively bonding) und das zusammengesetzte Element extrudiert, wonach man das Rohr verkleinert, (2) ein hdilßs Bohr des Metallschutzes in einen hohlen Barren des Substrats einpaßt, das Rohr und den Barren unter Druck erhitzt und eine Diffusionsbindung zwischen dem Rohr und dem Barren erzeugt und das zusammengesetzte Element extrudiert, wonach man das Rohr verkleinert, oder (3) ein Fbhr des Metallschutzes in einen hohlen Barren des Substrats einpaßt und das zusammengesetzte Element extrudiert, wonach man das Rohr verkleinert. Die Erfindung bringt den wesentlichen Vorteil mit sich, daß das Substrat des Mantels vor einer Berührung mit beispielsweise den Spaltprodukten und korrosiven Gasen durch den metallurgisch verbundenen Metallschutz geschützt ist und daß der Metallschutz keine nennenswerten Nachteile hinsichtlich Neutroneneinfang, Wärmeübertragung oder Materialunverträglichkeiten mit sich bringt. Der Metallschutz schützt auch das Substrat vor örtlichen Beanspruchungen, die an der Brennstoff-Metallschutz-

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Grenzfläche auftreten.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben.

Figur 1 stellt eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffeinheit dar, die Kernbrennstoffelemente enthält, die erfindungsgemäß ausgebildet sind.

Figur 2 stellt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kernbrennstoffelements der Fig. 1 dar, mit dem die Erfindung erläutert wird.

In Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffeinheit 10 dargestellt. Diese Brennstoffeinheit besteht aus einem rohrförmigen Durchlaufkanal 11 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, der an seinem oberen Ende mit einem Hebebügel 12 und an seinem unteren Ende mit einem Nasenstück versehen ist (das nicht dargestellt ist, da der untere Abschnitt der Einheit 10 weggelassen wurde). Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen und das untere Ende des Nasenstücks ist mit Kühlmitteldurchlauföffnungen versehen. Eine Reihe von Brennstoffelementen bzw. -stäben I¹J ist im Kanal 11 angeordnet und wird durch eine Platte 15 am oberen Ende und eine Platte am unteren Ende getragen (die nicht dargestellt ist, da der untere Abschnitt weggelassen wurde). Das flüssige Kühlmittel tritt im allgemeinen durch die öffnungen im unteren Ende des Nasenstücks ein, fließt rund um die Brennstoffelemente I^ nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 in zum Teil verdampftem Zustand bei Siedereaktoren (boiling reactors) oder in unverdampftem Zustand bei unter Druck arbeitenden Reaktoren bei erhöhter Temperatur aus.

Die Kernbrennstoffelemente bzw. -stäbe 14 sind an ihren Enden mit Endpfropfen 18 verschlossen, die an den Mantel 17 angeschweißt sind, die Bolzen 19 umfassen können, um die Befestigung

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der Brennstoffstäbe in der Einheit zu erleichtern. Ein leerer Raum bzw. eine Höhlung 20 ist an einem Ende des Elements vorgesehen, um Längsausdehnungen des Brennstoffmaterials und eine Anreicherung von Gasen zu ermöglichen, die vom Brennstoffmaterial abgegeben werden. Ein Mittel 2*1, das als spiralförmiges Element ausgebildet ist, zum Zurückhalten des Kernbrennstoffmaterials ist im Raum 20 angeordnet, um eine ,Einschränkung der Längsbewegung der Pelletsäule insbesondere beim Handhaben und beim Transport des Brennstoffelements vorzusehen.

Das Brennstoffelement ist derart ausgebildet, daß ein ausgezeichneter Wärmekontakt zwischen dem Mantel und dem Brennstoffmaterial, ein Minimum an nächteiliger Neutronenabsorption und Beständigkeit gegen Verbiegen und Vibration vorgesehen werden, die gelegentlich beim Durchfluß des Kühlmittels mit hoher Geschwindigkeit auftreten können.

Ein Kernbrennstoffelement bzw. -stab I¹J ist im Teilschnitt in Fig. 1 dargestellt und erfindungsgemäß ausgebildet. Zu dem Brennstoffelement gehören ein Kern bzw. ein zentraler, zylindrischer Abschnitt aus Kernbrennstoffmaterial 16, der hier in Form mehrerer Brennstoffpellets aus spaltbarem und/oder Brut-Material dargestellt ist, das in einem Mantel bzw. Behälter 17 als Bauelement angeordnet ist. In einigen Fällen können, die Brennstoffpellets verschiedene Formen besitzen, wie z.B. zylindrische Pellets oder Kugeln, und in anderen Fällen können verschiedene Brennstofformen verwendet werden, z.B. feinteiliger Brennstoff. Die physikalische Form des Brennstoffs ist für die Erfindung nicht kritisch. Es können verschiedene Kernbrennstoffmaterialien unter Einschluß von Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und ihren Gemischen verwendet werden. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxid oder ein Gemisch mit Urandioxid und Plutoniumdioxid.

Nach Fig. 2 ist das Kernbrennstoffmaterial 16, das den zentralen Kern des Brennstoffelements I¹I darstellt, von einem Mantel 17

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umgeben, der nachstehend auch als zusammengesetzter Mantel bezeichnet wird. Der zusammengesetzte Mantel besitzt ein Substrat 21 aus üblichen Mantelmaterialien, wie rostfreiem Stahl und Zirkonlegierungen, und bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Substrat um eine Zirkonlegierung, wie Zircaloy-2, Das Substrat weist einen an seine Innenfläche metallurgisch gebundenen Metallschutz 22 auf, so daß der Metallschutz ein Schild zwischen dem Substrat und dem Kernbrennstoffmaterial im Mantel bildet. Der Metallschutz macht etwa 1 bis etwa 30 % der Stärke des Mantels aus und besteht aus einem Metall geringer Neutronenabsorption aus im wesentlichen .einem Zirkon. Der Metallschutz 22 dient als bevorzugter Reaktionsort für gasförmige Verunreinigungen und Spaltprodukte und schützt den Substratbereich des Mantels vor einer Berührung und Reaktion mit derartigen Verunreinigungen und Spaltprodukten.

Die Reinheit des Metalls des Metallschutzes ist ein wesentliches Merkmal und dient dazu, dem Metallschutz spezielle Eigenschaften zu verleihen. Im allgemeinen liegen weniger als etwa 1000Teile je Million Verunreinigungen im Metall des Metallschutzes und vorzugsweise weniger als etwa 500 Teile je Million vor. Dabei wird Sauerstoff bei einem Wert von weniger als etwa 200 Teilen je Million gehalten.

Bei dem zusammengesetzten Mantel des Kernbrennstoffelements gemäß der Erfindung ist der Metallschutz metallurgisch an das Substrat fest gebunden. Metallographische Untersuchungen zeigen, daß eine ausreichende vernetzende Diffusion des Substrats und des Metallschutzes zur Bildung einer Bindung, jedoch keine ausreichende vernetzende Diffusion vorliegt, um den Schutz selbst in irgendeinem Ausmaß außerhalb des Bindungsbereichs zu kontaminieren.

Es wurde festgestellt, daß im wesentlichen reines Zirkonmetall, das den Metallschutz des zusammengesetzten Mantels bildet, gegenüber einer Strahlungshärtung hoch beständig ist; dies

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macht es möglich, daß der Metallschutz nach langer Bestrahlung seine Struktureigenschaften, wie Streckgrenze und Härte, im gleichen Maß beibehält, wie übliche Zirkonlegierungen vor der Bestrahlung, Tatsächlich besitzt der Metallschutz eine sehr kleine Strahlungshärtung; diese Eigenschaft zusammen mit der niedrigen Ausgangsstreckgrenze ermöglicht es, daßder Metallschutz plastisch deformiert werden kann und durch Pellets hervorgerufene Beanspruchungen im Brennstoffelement bei vorübergehenden/ herabsetzt. Durch Pellets hervorgerufene Beanspruchungen im Brennstoffelement können z.B. durch Anschwellen der Pellets des Kernbrennstoffs bei den Reaktorbetriebstemperaturen (300 bis 350 ⁰C) auftreten, so daß die Pellets mit dem Mantel in Berührung kommen.

Es wurde ferner festgestellt, daß ein Metallschutz aus Zirkon mit einer Stärke in der Größenordnung von vorzugsweise etwa 5 bis 15 % des Mantels und einer besonders bevorzugten Stärke von 10 % des Mantels, der metallurgisch an das Substrat aus Zirkonlegierung gebunden ist, eine Verminderung der Beanspruchungen und eine Schutzwirkung vorsieht, die ausreichen, um einen Bruch des Substrats des Mantels zu verhindern.

Der zusammengesetzte Mantel,der für Kernbrennstoffelemente gemäß der Erfindung verwendet wird, kann nach irgendeiner der folgenden Methoden hergestellt werden.

Bei einer Methode wird ein hohles Rohr des Metalls, das für den Metallschutz ausgewählt wurde, in einen hohlen Barren der Legierung, die für das Substrat ausgewählt wurde, eingesetzt; danach wird die Einheit einer Explosion zum Verbinden der Hülse mit dem Barren ausgesetzt. Das zusammengesetzte Element wird bei einer erhöhten Temperatur von etwa 538 bis etwa 750 ⁰C (1000 bis 1*100 ⁰F) unter Anwendung üblicher Rohrmantelextrusionstechniken extrudiert. Das extrudierte zusammengesetzte Element wird danach einem Verfahren mit üblicher Rohrverkleinerung unterworfen, bis die gewünschte Größe des Mantels erreicht ist.

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Bei einer anderen Methode wird ein hohles Rohr aus einem Metall, das für den Metallschutz gewählt wurde, in einen hohlen Barren einer Legierung eingesetzt, die für das Substrat gewählt wurde, und danach wird die Einheit einer Heizstufe (z.B. 750 ⁰C (1*100 ⁰P)₇ etwa 8 Stunden lang) unterworfen, um eine Diffusionsbindung zwischen dem Rohr und dem Barren zu erzielen. Das zusammengesetzte Element wird danach unter Anwendung üblicher Rohrmantelextrusionstechniken extrudiert und das extrudierte zusammengesetzte Element wird einem Verfahren mit üblicher Rohrverkleinerung unterworfen, bis die gewünschte Größe des Mantels erzielt ist.

Bei einem weiteren, anderen Verfahren wird ein hohles Rohr aus einem Metall, das für den Metallschutz gewählt wurde, in einen hohlen Barren aus einer Legierung eingesetzt, die für das Substrat gewählt wurde, und die Einheit wird unter Anwendung üblicher Rohrmantelextrusionstechniken extrudiert. Danach wird das extrudierte zusammengesetzte Element einem Verfahren mit üblicher Rohrverkleinerung unterworfen, bis die gewünschte Größe des Mantels erzielt ist.

Die vorstehend angeführten Verfahren zur Herstellung des zusammengesetzten Mantels gemäß der Erfindung bieten wirtschaftliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren, die zur Herstellung von Mänteln angewendet werden, wie z.B. Elektroplattieren oder Dampfabscheidung.

Die Dimensionen der Ausgangsmaterialien werden durch die Verhältnisse der Querschnittsflächen des Metallschutz- und des Substratbereichs des zusammengesetzten Mantels bestimmt. Z.B. wird die Gesamtquerschnittsfläche des fertigen Mantels durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

A_Tp = τ /4 (0D_TF ² - ID_Tp ²)
wobei A_Tp die Fläche des Endprodukts, 0D_Tp den Außendurchmesser

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des Endprodukts und ID_T„ den Innendurchmesser des Endprodukts bedeuten. Die Querschnittsfläche des gewünschten Schutzes wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

A_BF = T /„ (0D_BF ² - ID_Bp ²)

wobei Agp die Querschnittsfläche des Metallschutzes, ^0Dgp den Außendurchmesser des Metallschutzes und ID_ßp den Innendurchmesser des Metallschutzes bedeuten. Der Gesamtquerschnitt des Ausgangsbarrens des Substrats wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben ί

A_TI = V/n (0D_TI ² - ID_TI ²)

wobei Am₁ die Gesamtquerschnittsfläche des Ausgangsbarrens einschließlich des Metallschutzes, OD_TI den Außendurchmesser des Ausgangsbarrens und ΙΟ,ργ den Innendurchmesser des Ausgangsbarrens bedeuten. Die erforderliche Querschnittsfläche des Ausgangsschutzes wird durch die folgende Gleichung bestimmt:

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelements, bei dem man einen behälterartigen zusammengesetzten Mantel mit einem Substrat und einem Metallschutz herstellt, wobei der Metallschutz metallurgisch an die Innenfläche des Substrats gebunden ist und der Behälter an einem Ende offen ist, den behälterartigen zusammengesetzten Mantel mit dem Kernbrennstoffmaterial füllt, wobei man einen Raum bzw. eine Höhlung am offenen Ende frei läßt, ein Element zum Zurückhalten des Kernbrennstoffmaterials in die Höhlung einsetzt, einen Verschluß am offenen Ende des Behälters anbringt, wobei man die Höhlung mit dem Kernbrennstoff in Verbindung läßt, und danach das Ende des mantelartigen Behälters mit dem Verschluß verbindet und eine dichte Dichtung zwischen ihnen ausbildet.

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Die vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile, wobei sie eine lange Betriebsdauer des Kernbrennstoffelements fördert einschließlich einer Verminderung chemischer Angriffe am Mantelsubstrat, einer Herabsetzung örtlicher Beanspruchungen des Mantelsubstrats, eine Herabsetzung der Beanspruchung- und Spannungskorrosion des Mantelsubstrats und eine Verminderung der Gefahr der Rißbildung, die im Mantelsubstrat eintreten kann. Erfindungsgemäfö wird ferner eine Ausdehnung (bzw. ein Schwellen) des Kernbrennstoffs in unmittelbarer Berührung mit dem Mantelsubstrat vermieden; dadurch werden örtliche Beanspruchungen des Mantelsubstrats, ein Beginn oder eine Beschleunigung der Beanspruchungskorrosion des Mantelsubstrats und ein Verbinden des Kernbrennstoffs mit dem Mantelsubstrat verhindert.

Ein wesentlicher Vorteil des zusammengesetzten Mantels gemäß der Erfindung besteht darin, daß die vorstehenden Verbesserungen mit einem vernachlässigbaren zusätzlichen Neutronenverlust erzielt werden können. Ein derartiger Mantel ist für Kernreaktoren leicht verwendbar, da der Mantel kein Eutektikum beim Ausfall von Kühlmittel (loss of cooling accident) oder bei einem Unfall mit Herunterfallen eines Kernkontrollstabs bilden würde. Ferner ist der Wärmeübertragungsverlust (heat transfer penalty) beim zusammengesetzten Mantel sehr klein, da keine thermische Schranke für die übertragung von Wärme vorliegt, wie sie dann resultiert, wenn eine separate Folie oder eine separate Auskleidung in ein Brennstoffelement eingesetzt wird. Auch kann der zusammengesetzte Mantel gemäß der Erfindung mit üblichen Testmethoden ohne Zerlegung bei verschiedenen Herstellungsstufen untersucht werden.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beispiele näher erläutert.

Beispiele 1 und 2

Es wurden Barren und einzusetzende Rohre maschinell hergestellt, gereinigt und nach üblichen Extrusionsarbeitswelsen zusammengesetzt; alle Maße wurden so gewählt, daß die zusammengesetzten

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Barren in einer heißen Extrusionspresse extrudlert werden konnten. Die Barren bestanden aus üblichem Zircaloy-2 entsprechend ASTM B353 (Qualität RA-I) und die Einsätze wurden aus Zirkon hoher Reinheit (Kristallstäbe, Crystal Bar) hergestellt. Alle Barrenbohrungen und -einsätze wiesen eine Verjüngung von 0,02 cm (8 mil) je 2,5¹J auf; sie wurden zusammengepreßt, um einen guten Kontakt zwischen den einander berührenden Flächen zu gewährleisten. Die Maße der maschinell hergestellten Teile waren folgende:

Barren Metallschutz

Länge χ Außendurch- χ Innen- Außendurch- χ Innendurch-

messerr- -, durch- messer r- _. messer [ZollJ messer [Zolll

Beispiel	1	9	,0	X	5	,7H	X	2 kH	2 HH	X	1	,66
Beispiel	2	9	,0	X	5	,7H	X	2 HH	2 HH	X	1	,66

Vor dem Zusammensetzen der Parren und der Einsätze wurden die einander berührenden Flächen zum Entfernen von Spuren von

.leicht
Verunreinigungen V geätzt. Bei dem Ätzmittel für Zircaloy-2 und die Zirkon-Kristallstangen handelte es sich um eine Lösungaus 70 ml H₂O, 30 ml HNO, und 5 ml Hj?.

Um die Aussichten für eine befriedigende Bindung zwischen den Einsätzen und den Barren beim Extrudieren zu verbessern, entschloß man sich dazu, die Einheiten zuvor miteinander zu verbinden. Dies wurde dadurch erzielt, daß man die sich verjüngenden Einsätze in die sich verjüngenden Zylinder der Barren unter Vakuum (^20 jum) preßte, wobei man die Barrentemperatur bei 750 ⁰C (IHOO ⁰F) 8 Stunden lang hielt. Die Kräfte, die an die Einsätze zu Beginn des Pressens angelegt wurden, reichten von 13608 bis 2OH12 kg (30000 bis H5000 lbs).

Nach der Wärmebehandlung wurden zwei Barren durch Ultraschall hinsichtlich der Bindung getestet. Die Ergebnisse zeigten, daß der Grad der Bindung zwischen dem eingesetzten Rohr und dem Barren in der Größenordnung von 20 bis 25 % der Grenzfläche lag.

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Um den Verlust von Enden beim Extrudieren herabzusetzen, wurde ein Zircaloy-2-Barren (5 cm, 2") an jedes Ende der zusammengesetzten Barren geschweißt und bis zum Fluchten bearbeitet.

Das Extrudieren der Barren zu Rohrmänteln wurde mit folgenden Parametern durchgeführt: Extrusionsrate 15 cm (6 in)/min, Verkleinerungsverhältnis 6:1, Temperatur 593 °C (1100 ⁰F) und Extrusionskraft 3500 t.

Alle Barrenflächen außer der inneren Rohrwandung und dem fliegenden Dorn wurden mit einem wasserlöslichen Gleitmittel gleitend gemacht, das bei 704 ⁰C (1300 ⁰F) eine Stunde lang aufgebrannt wurde. Beide Enden des Rohrmantels wurden glattgeschnitten und die Innenfläche (Inner Diameter) wurde zum Entfernen möglicher Oberflächenfehler und zum Verbessern des Endzustandesjgesehliffen. Die Endmaße der Rohrmäntel waren folgende: Außendurchmesser 6,35 cm (2,500 inch), Innendurchmesser 4,17 cm (1,640 inch) und Länge 1,52 m (5 feet).

Für die Endverkleinerung der Rohrmäntel zu Brennstoffrohren folgte man der Standard^cbeitsweise, die vier Verkleinerungen mit Reinigungen und Glühen zwischen jeder Stufe umfaßt. Die Parameter dieses Verfahrens sind in der Tabelle 1 zusammengestellt.

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Tabelle 1

Parameter der Verkleinerung des koextrudierten Rohres

Stufe Außen- Stärke des Innendurch- Verklei- Qe⁺

durch- zusammenge- messer, nerung

messer setzten eingesetztes {%)

Elements Rohr

(x 2,54 ^cm bzw. inch)

Beginn mit
dem Rohrmaterial 2,500 0,430 l

Saubern zum Glühen (Entfetten - kaustische Seifengrundlage (soap base caustic))

Glühen - 676 ⁰C (1250 ⁰P) - 1 h

1. Durchgang 1,687 0,270 1,147 57 1,2

Säubern zum Glühen

Glühen - 619 ⁰C (II50 ⁰P) - 1 h

2. Durchgang 1,125 0,160 0,805 60 1,4

Saubern zum Glühen

Glühen - 619 ⁰C (1150 ⁰F) - 1 h

3. Durchgang 0,750 0,085 0,580 64 1,7

Saubernzum Glühen

Glühen - 619 ⁰C (II50 ⁰P) - 1 h

4. Durchgang 0,495 0,028 0,439 70 2,3

Säubern zum Glühen

Glühen - 576 ⁰C (1070 ⁰P) - 2 1/2 bis 4 h Ätzen bis
0,494 0,028 0,438

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⁺ Qe wird als das Verhältnis der prozentualen Veränderung der Wandstärke zur prozentualen Veränderung des mittleren Durchmessers definiert.

Die Maße der Endprodukte sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Innendurch- Außendurch- Maße des Innenfutters messer messer (Inner Diameter Liner)

(x 0,0025 cm bzw. mil)

Beispiel	1	O	,438	₀	,494	3	,4 ^±	O	,3
Beispiel	2	O	,438	O	,494	3	.3±	O	,3

Jeder Rohrmantel lieferte mehr als 107 m (350 feet) Rohr hoher Qualität, wobei alle Grenzflächen gut verbunden waren.

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Claims

Patentanspräche

Iy Kernbrennstoffelement, gekennzeichnet durch (a) einen zentralen Kern eines Körpers aus Kernbrennstoffmaterial und (b) einen behälterartigen, länglichen, zusammengesetzten Mantel mit einem Substrat und einem Zirkonmetallschutz, der metallurgisch an die Innenfläche des Substrats gebunden ist.
2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet ferner durch einen Hohlraum im Innern des Brennstoffelementes und ein Element zum Zurückhalten des Kernbrennstoffmaterials mit einem spiralförmigen Teil, das in dem Hohlraum angeordnet ist.
3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkonmetallschutz im wesentlichen rein ist.
4. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen oder deren Gemische als Kernbrennstoffmaterial.
5. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis Ί, gekennzeichnet durch Urandioxid als Kernbrennstoffmaterial.
6. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Mischung mit Urandioxid und Plutoniumdioxid als Kernbrennstoffmaterial.
7. Kernbrennstoffelement insbesondere nach einem der vor- · hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen behälterartigen, länglichen, zusammengesetzten Mantel mit einem Substrat und einem Zirkonmetallschutz, der metallurgisch an die Innenfläche des Substrats gebunden ist, einem zentralen Kern eines Körpers aus Kernbrennstoffmaterial, der in dsm Behälter angeordnet ist, und

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diesen zum Teil füllt und im Inneren des Behälters einen Hohlraum frei läßt, einen Verschluß, der an jedem Ende des Behälters befestigt und verschlossen ist, und ein Mittel zum Zurückhalten von Kernbrennstoffmaterial, wobei das Mittel in dem Hohlraum angeordnet ist.
8. Behälterförmiger, zusammengesetzter Mantel für Kernbrennstoffelemente gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche für Kernreaktoren, gekennzeichnet durch ein Substrat aus einer Zirkonlegierung und einen Metallschutz, der metallurgisch an die Innenfläche des Substrats gebunden ist.
9. Behälterförmiger, zusammengesetzter Mantel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallschutz aus Zirkonium besteht.

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