DE2550029B2

DE2550029B2 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2550029B2
Application number: DE2550029A
Authority: DE
Inventors: Joseph Sam Saratoga Calif. Armijo; Louis Fussell Schenectady N.Y. Coffin Jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-11-11
Filing date: 1975-11-07
Publication date: 1981-02-12
Also published as: DE2550029A1; BE835481A; DE2550029C3; SE7511581L; BR7507461A; SE9100149L; ES442003A1; JPS5169795A; JPS5533037B2; IT1048624B; GB1525717A; SE419485B; MX3667E; FR2290738A1; FR2290738B1; SE9100149D0; JPS606893A; JPH0213280B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Kernbrennstoffelement der vorgenannten Art ist in der DE-AS 16 39 249 beschrieben. Bei diesem bekannten Element besteht die Schutzschicht aus einem Wasserstoff bindenden Stoff aus Yttrium, Cer oder einem anderen seltenen Erdmetall oder aus einer Legierung auf der Basis dieser Stoffe.

Diese Stoffe reagieren jedoch entweder mit dem Hüllenmetall und verändern dadurch dessen Eigenschaften oder sie wirken als Neutronenabsorber oder sie sind nicht ausreichend plastisch deformierbar.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das Kernbrennstoffelement der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß Reaktionen des Materials der Schutzschicht mit dem Hüllenmaterial vermieden werden, die Neutronenabsorption durch das Material der Schutzschicht vermindert und eine ausreichende plastische Deformierbarkeit des Materials der Schutzschicht gegeben ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß diese Schutzschicht aus Zirkon besteht.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffelement wird der Angriff von Wasser, Wasserdampf und anderen Gasen, insbesondere Wasserstoff, die mit der Hülle vom Inneren des Brennstoffelementes her reagieren, auf die Hülle während der gesamten Zeit vermindert, während der das Brennstoffelement beim Betrieb der Kernkraftanlagen verwendet wird. Und dies deshalb, weil das Zirkon der Schutzschicht chemisch rasch mit dem Wasser, dem Wasserdampf und anderen Gasen reagiert und diese dadurch aus dem Inneren der Hülle entfernt. Dadurch werden Beschädigungen der Hülle aufgrund der Reaktion der genannten Stoffe mit der Hülle, wie Rißbildung infolge Reaktionsversprödung vermieden. Dies wird zusätzlich dadurch unterstützt, daß der Behälter vorzugsweise nur teilweise mit dem Kernbrennstoff gefüllt ist, was die lokalisierte mechanische Beanspruchung der Hülle durch den Kernbrennstoff vermindert bzw. beseitigt

Die Schutzschicht macht etwa 1 bis etwa 30% der Stärke der Hülle aus und besteht gemäß, einer vorteilhaften Ausführungsform aus reinem Zirkon. So erhält das Zirkon der Schutzschicht vorzugsweiseweniger als 1000 ppm und besonders bevorzugt weniger als 500 ppm an Verunreinigungen.
Die Erfindung bringt den wesentlichen Vorteil mit

to sich, daß das Hüllenmaterial vor einer Berührung mit beispielsweise den Spaltprodukten und korrosiven Gasen durch die metallurgisch damit verbundene Schutzschicht geschützt ist und daß diese Schutzschicht aus Zirkon keine nennenswerten Nachteile hinsichtlich Neutroneneinfang, Wärmeübertragung oder Materialunverträglichkeiten mit sich bringt Die Schutzschicht schützt auch die Hülle vor örtlichen Beanspruchungen, die an der Grenzoberfläche zwischen Brennstoff und Schutzschicht auftreten.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigt F i g. 1 eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffkassette, die erfindungsgemäß ausgebildete Kernbrennstoffelemente enthält und

F i g. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kernbrennstoffelements der F i g. 1.

In F i g. 1 ist eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffkassette. 10 dargestellt. Diese Brennstoffkassette 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 nicht dargestellten Nasenstück versehen ist. Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen und das untere Ende des Nasenstücks ist mit Kühlmitteldurchlauföffnungen versehen. Eine Reihe von Brennstoffelementen 14 ist im Kanal 11 angeordnet und wird durch eine Platte 15 am oberen Ende und eine nicht dargestellte Platte am unteren Ende getragen. Das flüssige Kühlmittel tritt im allgemeinen durch die

öffnungen im unteren Ende des Nasenstücks ein, fließt rund um die Brennstoffelemente 14 nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 in zum Teil verdampften Zustand bei Siedereaktoren oder in unverdampftem Zustand mit erhöhter Temperatur bei Druckreaktoren aus.

Die Kernbrennstoffelemente 14 sind an ihren Enden mit Endpfropfen 18 verschlossen, die an der Verbundhülle 17 angeschweißt sind, und die Bolzen 19 umfassen können, um die Befestigung der Brennstoffelemente in der Kassette zu erleichtern. Ein leerer Raum bzw. eine

5» 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 Teil 24 zum Zurückhalten des Kernbrennstoffmaterials, das als

r> spiralförmiges Element ausgebildet ist, ist im Raum 20 angeordnet, um eine Einschränkung der Längsbewegung der Pelletsäule insbesondere beim Handhaben und beim Transport des Brennstoffelements zu bewirken.
Das Brennstoffelement ist derart ausgebildet, daß ein

w) ausgezeichneter Wärmekontakt zwischen dem Mantel und dem Brennstoffmaterial, ein Minimum an nachteiliger Neutronenabsorption und Beständigkeit gegen Verbiegen und Vibration vorgesehen werden, die gelegentlich beim Durchfluß des Kühlmittels mit hoher

b^r> Geschwindigkeit auftreten können.

Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kernbrennstoffelement 14 ist im Teilschnitt in Fig. 1 dargestellt. Zu dem Brennstoffelement 14 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 einer Verbundhülle 17 als Behälter 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 Kerabrennsioffmaterialien unter Einschluß von Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und ihren Gemischen verwendet werden. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxid oder ein Gemisch mit Urandioxid und Plutoniumdioxid.

Nach F i g. 2 ist das Kernbrennstoffmaterial 16, das den zentralen Kern des Brennstoffelements 14 darstellt, von. einer Verbundhülle 17 umgeben. Die Verbundhülle 17 besteht aus einer Hülle 21 aus den üblichen Materialien, wie rostfreiem Stahl und Zirkonlegierungen, und bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Hüllenmaterial um eine Zinnlegierung, wie Zircaloy-2. Die Hülle 21 weist eine an ihrer Innenfläche metallurgisch gebundene Schutzschicht 22 aus Zirkon auf, die ein Schild zwischen der Hülle 21 und dem Kernbrennstoffmaterial im Mantel bildet

Die Reinheit des Zirkons der Schutzschicht ist ein wesentliches Merkmal und sie dient dazu, der Schutzschicht spezielle Eigenschaften zu verleihen. Im allgemeinen liegen weniger als etwa 1000 Teile je Million Verunreinigungen im Zirkon der Schutzschicht 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 der Verbundhülle des Kernbrennstoffelementes gemäß der Erfindung ist die Schutzschicht metallurgisch fest an die Hülle gebunden. Metallografische Untersuchungen zeigen, daß eine ausreichende vernetzende Diffusion der Hülle und der Schutzschicht zur Bildung einer Bindung, jedoch keine ausreichende vernetzende Diffusion vorliegt, um die Schutzschicht selbst in irgendeinem Ausmaß außerhalb des Bindungsbereiches zu kontaminieren.

Es wurde festgestellt, daß reines Zirkonmetall, das die Schutzschicht der Verbundhülle bildet, gegenüber einer Strahlungshärtung hoch beständig ist; dies macht es möglich, daß die Schutzschicht nach langer Bestrahlung ihre Struktureigenschaften, wie Streckgrenze und Härte, im gleichen Maße beibehält, wie übliche Zirkonlegierungen vor der Bestrahlung. Tatsächlich erfährt die Schutzschicht eine sehr geringe Strahlungshärtung; diese Eigenschaft zusammen mit der niedrigen Ausgangsstreckgrenze ermöglicht es, daß die Schutzschicht plastisch deformiert werden kann und durch Pellets hervorgerufene Beanspruchungen im Brennstoffelement bei vorübergehenden Krafteinwirkungen herabsetzt. Durch Pellets hervorgerufene Beanspruchungen im Brennstoffelement können z. B. durch Anschwellen der Pellets des Kernbrennstoffs bei den Reaktorbetriebstemperaturen (300 bis 350⁰C) auftreten, so daß die Pellets mit der Verbundhülle in Berührung kommen.

Es wurde festgestellt, daß eine Schutzschicht aus Zirkon mil einer Stärke in der Größenordnung von vorzugsweise etwn 5 bis 15% der Hülle und einer besonders bevorzugten Stärke von 10% der Hülle, die metallurgisch an ^ine Hülle aus Zirkoniumlegierung gebunden ist, eine Verminderung der Beanspruchungen und eine Schutzwirkung bedingt, die ausreichen, um einen Bruch der Hülle zu verhindern.

Die Verbundhülle für die Kernbrennstoffelemente gemäß der Erfindung kann nach einem der folgenden Verfahren hergestellt werden:

1) Es wird ein hohles Rohr aus Zirkonmetall für die Schutzschicht in einen hohlen Knüppel der Legierung für die Hülle eingesetzt; danach wird die Einheit einer Explosion zum Verbinden des Rohres mit dem Knüppel ausgesetzt Das zusammengesetzte Element wird bei einer erhöhten Temperatur von etwa 538 bis etwa 750° C unter Verwendung üblicher Rohrmantelextrusionstechniken extrudiert Das extrudierte zusammengesetzte Element wird danach einem Verfahren mit üblicher Rohrverkleinerung unterworfen, bis die gewünschte Größe der Verbundhülle erreicht ist

2) Es wird ein hohles Rohr aus Zirkonmetall für die Schutzschicht in einen hohlen Knüppel aus einer Legierung eingesetzt, die für die Hülle gewählt wurde, und danach wird die Einheit einer Heizstufe (z. B. 750⁰C etwa 8 Stunden lang) unterworfen, um eine Diffusionsbindung zwischen dem Rohr und dem Knüppel zu erzielen. Das zusammengesetzte Element wird danach unter Anwendung üblicher Rohrmantelextfusionstechniken extrudiert und das extrudierte zusammengesetzte Element wird einem Verfahren mit üblicher Rohrverkleinerung unterworfen, bis die gewünschte Größe der Verbundhülle erzielt ist

3) Es wird ein hohles Rohr aus Zirkonmetall für die Schutzschicht in einen hohlen Knüppel aus einer Legierung eingesetzt, die für die Hülle 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 der Verbundhülle erzielt ist.

Die vorstehend angeführten Verfahren zur Herstellung der Verbundhülle für das Kernbrennstoffelement gemäß der Erfindung bieten wirtschaftliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren, die zur Herstellung von solchen Verbundhüllen angewendet werden, wie z. B.

Elektroplattieren oder Dampfabscheidung.

Die vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile, wobei sie eine lange Betriebsdauer des Kernbrennstoffelementes fördert einschließlich einer Verminderung chemischer Angriffe auf die Hülle, einer Herabsetzung örtlicher Beanspruchungen der Hülle, einer Herabsetzung der Spannungskorrosion der Hülle und einer

so Verminderung der Gefahr der Rißbildung, die in der Hülle eintreten kann. Erfindungsgemäß wird ferner eine Ausdehnung (bzw. ein Schwellen) des Kernbrennstoffs in unmittelbare Berührung mit der Hülle vermieden; dadurch werden örtliche Beanspruchungen der Hülle, ein Beginn oder eine Beschleunigung der Spannungen der Hülle und ein Verbinden des Kernbrennstoffs mit der Hülle verhindert.

Ein wesentlicher Vorteil der Verbundhülle des Kernbrennstoffelements gemäß der Erfindung besteht

bo darin, daß die vorstehenden Verbesserungen mit einem vernachlässigbaren zusätzlichen Neutronenverlust erzielt werden können. Eine derartige Verbundhülle ist für Kernreaktoren gut verwendbar, da sie beim Ausfall von Kühlmittel kein Eutektikum oder bei einem Unfall mit

fa5 Herunterfallen eines Steuerstabes kein Eutektikum bilden würde. Ferner ist der Wärmeübertragungsverlust bei dieser Verbundhülle sehr gering, 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.

Nachstehend wird die Erfindung durch Beispiele näher erläutert.

Beispiele 1 und 2

Es wurden Knüppel und einzusetzende Rohre maschinell hergestellt, gereinigt und nach üblichen Extrusionsarbeitsweisen zusammengesetzt; alle Maße wurden so gewählt, daß die Verbundknüppel in einer heißen Extrusionspresse extrudiert werden konnten. Die Knüppel bestanden aus üblicher Zircaloy-2 entsprechend ASTM B353 (Qualität RA-I) und die Rohreinsätze wurden aus Zirkon hoher Reinheit hergestellt. Alle Knüppelbohrungen und Rohreinsätze wiesen eine Verjüngung von 0,02 cm/2,54 cm auf; sie wurden zusammengepreßt, um einen guten Kontakt zwischen den einander berührenden Flächen zu

ίο gewährleisten. Die Maße der maschinell hergestellten Teile waren folgende:

	Knüppel	X	Außen-	X	Innen	Rohreinsatz	X	Innendurch
	Länge		durc-hmesser		durchmesser	Außen-		messer
						üurchmesser
	[cm]	X	14,6	X	6,2	[cm]	X	4,2
Beispiel 1	22,9	X	14,6	X	6,2	6,2	X	4,2
Beispiel 2	22,9				6,2

Vor dem Zusammensetzen der Knüppel und der Einsätze wurden die einander berührenden Flächen zum Entfernen von Spuren von Verunreinigungen mit einer Lösung aus 70 ml H₂0,30 ml HNO₃ und 5 ml HF leicht geätzt.

Um die Bindung zwischen den Einsätzen und den Knüppeln beim Extrudieren zu verbessern, wurden die Einheiten zuvor miteinander verbunden. Dies wurde dadurch erzielt, daß man die sich verjüngenden Einsätze unter Vakuum (<20μπι) in die sich verjüngenden Zylinder der Knüppel preßte, wobei man die Knüppeltemperatur 8 Stunden lang bei 750⁰C hielt Die Kräfte, die zu Beginn des Pressens an die Einsätze angelegt wurden, reichten von 13 608 bis 20 412 kg.

Nach der Wärmebehandlung wurden zwei Knüppel durch Ultraschall hinsichtlich der Bindung getestet Die Ergebnisse zeigten, daß der Grad der Bindung zwischen dem eingesetzten Rohr und dem Knüppel in der Größenordnung von 20 bis 25% der Grenzfläche lag. Um den Verlust von Enden beim Extrudieren herabzusetzen, wurde ein 5 cm langer Zircaloy-2-Knüppel an jedes Ende der Verbundknüppel geschweißt und

Tabelle I

Parameter der Verkleinerung des koextrudierten Rohres maschinell geglättet.

Das Extrudieren der Knüppel zu Rohrmänteln wurde mit folgenden Parametern durchgeführt: Extrusionsrate 15 cm/min, Verkleinerungsverhältnis 6:1, Temperatur 593°C und Extrusionskraft 35001

Alle Knüppelflächen außer der inneren Rohrwandung und dem fliegenden Dorn wurden mit einem wasserlöslichen Gleitmittel gleitend gemacht, das bei 704⁰C eine Stunde lang aufgebrannt wurde. Beide Enden des Rohrmantels wurden glattgeschnitten und die Innenfläche wurde zum Entfernen möglicher Oberflächenfehler und zum Verbessern des Endzustandes geschliffen. Die Endmaße der Rohrmäntel waren folgende: Außendurchmesser 635 cm, Innendurchmesser 4,17 cm und Länge 1,52 m.

Für die Endverkleinerung der Rohrmäntel zu Brennstoffelementrohren folgte man der Standardarbeitsweise, die vier Verkleinerungen mit Reinigungen und Glühen zwischen jeder Stufe umfaßt Die Parameter dieses Verfahrens sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt

Außendurchmesser

(cm)

Stärke des
zusammengesetzten Elementes

(cm)

Innendurchmesser, eingesetztes Rohr

(cm)

Verkleinerung

Qe⁺)

Beginn mit
dem Rohmaterial

1. Durchgang

2. Durchgang

6,35

1,08

4,19

Säubern zum Glühen (Entfetten — basischer Seifengrundlage) Glühen - 676°C -lh

4,28 0,68

Säubern zum Glühen
Glühen - 619°C - 1 h

2,86 0,41

Säubern zum Glühen
Glühen - 619°C - 1 h

2,92

2,04

1,2

1,4

Fortsetzung

Außendurchmesser

(cm)

Stärke des zusammengesetzten Elementes

(cm)

Innendurchmesser, eingesetztes Rohr

(cm) Verkleinerung

Qc⁺)

3. Durchgang 1,91 0,22

Säubern zum Glühen
Glühen -619C-Ih

4. Durchgang 1,258 0,075

Säubern zum Glühen
Glühen - 576 C- 2'Λ bis 4 h Ätzen bis
1,255 0,075

1,47

1,108

1,105

1,7

2,3

⁺ ) Qe ist 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

Innen- Außen- Maße des Innen-

durch- durch- futters

messer messer

(mm)

(cm)

Beispiel 1 1,105 1,255 0,0850 + 0,0075

Beispiel 2 1,105 1,255 0,0825 ± 0,0075

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement, bestehend aus einem zentralen Körper aus einem Brennstoffmaterial in einer mit Endstopfen verschlossenen, länglichen Hülle aus Metall wie rostfreiem Stahl oder Zirkonlegierungen, die auf ihrer dem Kernbrennstoff zugewandten Wandseite eine Schutzschicht aus Metall aufweist, die metallurgisch mit der Hüllenwand verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schutzschicht (22) aus Zirkon besteht

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (22) aus reinem Zirkon besteht

3. Kernbrennstoffelement nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zirkon der Schutzschicht weniger als 1000 ppm an Verunreinigungen enthält

4. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß das Zirkon der Schutzschicht weniger als 500 ppm an Verunreinigungen enthält