DE2624326C2 - Mit einer Hülle versehener Kernbrennstab - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen mit einer Hülle versehenen Kernbrennstab der im Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art.

Es ist an sich bekannt, daß bei Druckwasserreaktoren ein erhöhter Füllgasdruck verwendet wird mit dem Ziel, die durch den hohen Kühlmitteldruck hervorgerufene mechanische Belastung des Zirkaloy-Hüllrohres zu mindern.

Auch ist es aus physikalischen Gründen zu vermuten, daß das Bestrahlungsverhalten von z. B. Karbid-Brennstäben mit Helium-Bindung durch Schwelleigenschaften und Spaltgasfreisetzung in starkem Maße bestimmt wird. Beide Phänomene sind temperaturabhängig und beeinflussen die Wärmeableitung aus dem Brennstab durch Veränderung sov/ohl der Geometrie des Spaltes zwischen Brennstofftablette und Hüllrohr als auch der Zusammensetzung des in diesem Spalt befindlichen Gases. Schwellen und Spaltgasfreisetzung wirken dadurch auf das Temperaturniveau der Brennstofftablette zurück. Der Einfluß des aus dem Brennstoff freigesetzten Gases ist dabei von seinem Mengen-Verhältnis zu dem bereits vorhandenen Füllgas abhängig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, diesen Einfluß, der in einer Verschlechterung der Wärmeableitung besteht, zu vermindern.

Erfindüngsgemäß wird diese Aufgäbe mit dem im Kennzeichen des Anspruches 1 genannten Merkmal gelöst

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieberi,

Dieser erfindungsgemäße Kernbrennstab kann ver^ wirklicht werden, wenn die Erhöhung des Einfülldruckes zusammen mit der Druckzunahme in Folge der Spaltgasfreisetzung zu keiner signifikanten HüIIrohrbelastung während des Betriebes führt Da z. B. bei karbidischem Brennstoff mit einer geringeren Spaltgasfreisetzung im Vergleich zu oxidischem Brennstoff gerechnet werden kann, ist es möglich, bei gleicher Auslegungsgrenze der Hüllrohrbelastung einen entsprechend erhöhten Einfülldruck zuzulassen.

ίο Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, daß der Effekt der Verbesserung des Wärmetransports durch den Spalt bzw. die Kontaktzone zwischen Brennstoff und Hüllrohr durch Erhöhung des Einfülldrucks bzw. der Füllgasmenge für

<5 alle Füllgase bzw. Füllgasgemische gültig ist, deren Wärmeleitungseigenschaften besser als die der freigesetzten Spaltprodukte (im wesentlichen die Spaltgase Xenon und Krypton) sind. Der Effekt ist prinzipiell von der Art und den Dimensionen des Brennstoffs und des Hüllrohrs unabhängig.

Zum technischen Verständnis der erfindungsgemäßen Maßnahmen werden im folgenden einige physikalischtechnische Zusammenhänge aufgezeigt

Für den Wärmeübergang vom Brennstoff zur Hülle kommen im wesentlichen die folgenden Mechanismen in Betracht

a) Wärmestrahlung (hr)

b) Wärmeleitung im Bonding (hg)

c) Wärmeleitungder sich berührenden
Festkörper (h_s)

Der Betrag der Wärmestrahlung zum Gesamtwärmeübergang beträgt im Extremfall (Brennstoffrandtemperatur ca. 2000° K) höchstens 10% des Beitrags von der Wärmeleitung im Bonding, kann also vernachlässigt werden.

Die Wärmeübergangszahl hg berechnet sich nach Gleichung (1)

hg-

Σ lex,+ Σ Ra,

/1.2 ;-IJ

Dabei ist ö die radikale Spaltbreite,

; I 2

die Summe der Extrapolationslängen von Brennstoff und Hülle,

Σ R".

I 1.2

die Summe ihrer arithmetisch gemittelten Rauhigkeiten und λ_κ die Wärmeleitfähigkeit der Gasmischung. Für ein Gasgemisch von «-Komponenten ist X₁ nach Gleichung 2 gegeben durch:

= Σ-

I*J

J I+Ξ:

und mit

^cp-

Xj

Hierbei sind:

(3)

(4)

Cp₁

■ Spall

V_n +V₁

V₁ V_n+ V₁

(7)

Durch eine Variation des Einfülldrucks läßt sich also das Verhältnis CFai/Cspait steuern. Da nun Aj. und damit auch hg von den Konzentrationen der einzelnen Gaskomponenten abhängt, kann auf diese Weise der Wärmeübergang zwischen Brennstoff und Hülle beeinflußt werden.

Die Erfindung wird nunmehr im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Karbid-Brennstoff mittels der Figuren 1 bis 8 sowie den Tabellen I Und II näher erläutert.

Die Untersuchung wurde an einem Referenzstab mit den charakterisierenden Daten Und Betriebsbedingungen,, wie sie in der folgenden Tabelle I zusammengefaßt sind, durchgeführt und !Abgelegt. Zu Vergleichszwecken wurden vier verschiedene Spaltbreiten bei unveränderter Schmierdichte betrachtet.

Tabelle I:
^J Brennstoff:

Material

U-235-Anreicherung
Pu-Anteil

theoretische Dichte
Tablettendichte
Außendurchmesser

M₁ = Molekulargewicht des Gases /

S, = Sutherland-Konstante des Gases i

Cv₁, Cp, = spezifische Wärmen des Gases i λ, = Wärmeleitfähigkeit des Gases

C₁ = Konzentration des Gases

Die Extrapolationslängen lex sind dem Gasdruck ρ nach Gleichung 5 proportional.

(5)

Eine Erhöhung des Gasdrucks führt als;o zu einer Verkleinerung der Extrapolationslängen. Dies ist sehr wichtig für kleine Spalte bzw. für geschlossenen Spalt, da in diesem Bereich die Extrapolationslänge [siehe (I)] nicht gegen ö zu vernachlässigen ist.

Bei vorgegebenem Volumen des Spaltgasplenums und vorgegebener Temperatur ist die Menge des eingefüllte·. Gases eine Funktion des Drucks allein (pV = nRT).Sei V₀ die Anzahl der eingefüllten Gasmole und werden bis zu einem Abbrand A Vr Mole Spaltgas freigesetzt, dann sind die Konzentrationen am Füll- und Spaltgas gegeben durch die Gleichungen 6 und 7.

(6)

Hüllrohr:

Materia!

Innendurchmesser

Außendurchmesser

Brennstab:

Schmierdich'e
Spaltbreite, rad'a!

Füllgas

Fülldmck(bei20°C)
Plenumvolumen

Betriebsbedingungen·

so Stableistung

Hülloberflächentemperatur
Plenumtemperatur

UC₂-PuC₂

93%

15%

13,63 g/cm³

83% th. D.

6,74 mm

(zu Oa= 180μπι)

Werkstoff-Nr. 1.4988
7,10 mm
8,00 mm

75"'. th. D.
225 ',80 125
und 75 μπι
90% He + 10%
Ar-Äquivalent
1., 3, 6. und 9. at
9 cm'

800 V7cm

340⁰C

100⁰C

Die den Experimenten vorausgegangenen theoretisehen Berechnungen wurden mit der Version Ik des Rechenprogrammsystems SATURN 1 durchgeführt. Diese Version enthält ein Unterprogramm zur Bestimmung der Wärmedurchgangszahl durch den Spalt, das deren Abhängigkeit von Stableistung, SpaltbrVite und Zusammensetzung, Druck und Temperatur des wärmeleitenden Gases berücksichtigt. Das Schwellverhalten d- 5 Brennstoffs wurde nach den mit in Tabelle II angegebenen Schwellraten beschrieben.

Tabelle II	B/cmVW	h
jr\	0.45	10«
20	0.45	10«
900	0.49	10«
1000	0.58	10-»
1100	0.79	10«
;20i<	1.06	10«
1300	2.10	10«
2000	4.20	10«
2700

Es ist angenommen, daß die durch Schwellen hervorgerufene Volumenvergrößerung der Brennstofftablette erst ab einem Abbrand von rd< l°/o FIMA wirksam wird.

Eine Temperaturabhängigkeit der Freisetzungsraten wurde durch Verftendufig eines integralen Wertes vernachlässigt In F i g, 1 (aufgetragen ist relativer Druckzuwachs und Helium-Konzentration in Abhän*

gigkeit von der Bestrahlungszeit, radiale Spaltbreite 180 μηι, Parameter: Einfülldruck, Zeit t in Stunden) ist die aus diesen Raten bestimmte Änderung des Gasdruckes und der Konzentration des Füllgases für zwei verschiedene Einfülldrucke 1 at und 9 at dargestellt.

Es hat sich nunmehr herausgestellt, daß mit zunehmendem Gasdruck p_g der Wärmeübergang von der Brennstofflablette zum Füllgas und vom Füllgas zum Hüllrohr besser wird. Die Temperatur der Brennstofftablette nimmt ab. Fn der Fig.2 ist dieser Effekt für verschiedene Ausgangsspaltbreiten (in μηι) anhand der Brennstoff-Zentraltemperatur T, in 'C" als Funktion des Gasdruckes im Heißzustand bei konzentrischer Lage der Brennstofftablette dargestellt. Parameter ist die Fertigungsspallbreite. radial. Dabei liegt die Tablette konzentrisch im Hüllrohr. Die durch die Erhöhung des Druckes (p_e in at) bewirkte Temperatursenkung beträgt in dem gewählten Beispiel etwa 60 bis 80° C. Dabei ist /u bedenken, daß bei höherem Einfülldruck der Brennstoff kälter ist und sich dadurch weniger stark ausdehnt. Der Spalt ist somit größer. Der Verbesserung der Wärmeableitung in Folge der Druckerhöhung steht eine, allerdings weniger effektive Verschlechterung durch die Vergrößerung der Spaltbreite gegenüber (eine Druckabhängigkeit der Wärmeleitung durch das Füllgas selbst ist im übrigen bei den Rechnungen nicht berücksichitgt; sie würde zu einer weiteren Absenkung des Temperaturniveaus in der Brennstoff tablette führen).

Um das Verhalten während der Bestrahlung zu untersuchen, wurde von beiden Effekten nur der erste berücksichtigt. Zu diesem Zweck ist das Verhallen eines Brennstabes mit einer radialen Spaltbreite von 180 um bis zum Schließen des Spaltes bei zwei verschiedenen Füllgasdrucken (1 und 9 at bei 20⁰C: siehe Fig. 1) verfolgt.

Den Verlauf der Zentraltemperatir T, zeigt die F i g. 3 (aufgetragen ist die Brennstoff ■Zentraltemperatur T, in Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit t in Stunden, radiale Spaltbreite 180 μπι. Parameter: Einfülldruck). Beim höheren Einfülldruck macht sich die Spaltgasfreisetzung (vgl. Fig. 1) erst zu einem späteren Zeitpunkt bemerkbar, ausgedrückt in einer Erhöhung der Temperatur. Die F i g. 4 zeigt den Effekt bei der Brennstoffrandtemperatur Tb₃. wobei diese in Abhängigkeit von der Bestrahlungszei! t und einer radialen Spaltbreite von ISO μπι sowie dem Parameter: Einfülldruck aufgetragen ist.

Die durch die Spaltgasfreisetzung hervorgerufene

Temperaturerhöhung führt durch zusätzliche thermische Ausdehnung und Verstärkung des Schwelleffekles zu einem beschleunigten Schließen des Spaltes und ist in der Fig.5 [radiale Spaltbreite ö (μπι) gegen / (h)] aufgetragen. Hier wird weiter der zeitliche Verlauf der Spaltbreite <5 für die beiden Einfülldrücke I al und 9 al verglichen. Das bei dem hohen Einfülldruck günstigere Verhalten ist darauf zurückzuführen, daß beim niederen Einfülldruck zum einen die Spaltbreite schon vor dem Einwirken der Spallgasfreisetzung deutlich kleiner ist und zum anderen das beschleunigte Schließen des Spalts früher und massiver einsetzt.

Die durch Erhöhung des Einfülldrucks mögliche Verlängerung der Zeitdauer bis zum Schließen des Spalts ist in der F i g. 6 [Bestrahlungszeit t konstant über p_e (at)] für den zugrunde gelegten Referenzstab mit einer radialen Spaltbreite von 180 pm dargestellt. In diesem Fall ist eine Verlängerung von rund 4750 h bis auf rund 6500 h zu erwarten. Bei hohen Drücken tritt >o eine Sättigung ein, da das temperaturunabhangige Fesikörperschwellen in jedem Fall zu einem Schließen des Spalts führen wird.

Die Fig. 7 gibt den für die gewählte lineare Stableistung von 800 W/cm gültigen Zusammenhang zwischen Abbrand A (% FIMA) und Bestrahlungszeit / (h) wieder.

Die Wärmedurchgangszahl h durch den gasgefüllten

Spalt ist in F i g. 8 als Funktion der Spaltbreite ό (pm) für reines rielium und für ein Gasgemisch aus 50% Helium

jo und 50% Argon, Gasdruck I kp/cm², Hülleninneniemperatur 400° C dargestellt.

Die Erhöhung des Einfülldruckes beeinflußt das Bestrahlungsverhalten einer Brennstofftablette in zweierlei Weise. Zum einen werden, zusammenfassend gesehen, die Brennstofftemperaturen abgesenkt und zum anderen die effektive Spaltbreite δ vergrößert. Aufgrund einer größeren Wärmedurchgangszahl h bei höherem Einfülldruck kommt es infolge der niedrigeren Brennstofftemperatur T₁ zu einer geringeren thermi- AO sehen Ausdehnung des Brennstoffes als bei niederem Einfülldruck, so daß eine größere Spaltbreite resultiert. Durch die größere Menge an gut wärmeleitendem Füllgas wird daher die Verschlechterung des Wärmedurchgangs durch den Spalt infolge der Freisetzung des Ai Spaltgases weniger stark bemerkbar. Daneben ist die Volumenvergrößerung des Brennstoffes durch das bei niederen Temperaturen geringere Schwellen des Brennstoffs vermindert Auch kann durch die Heraufsetzung des Einfülldruckes die Standzeit t von heliumge-■50 bundenen Karbid-Brennstäben verlängert werden.

Hier/u 4 Blatt Zeichnuneen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Mit einer Hülle versehener Kernbrennstab mil einer Kembrennstoffüllung und einem Plenum bzw. Spaltvolumen zwischen Kernbrennstoff und Brennstabhülle für ein Füllgas und zur Aufnahme von Spaltgasen sowie der Aufnahme einer Volumenvergrößerung der Kembrennstoffüllung, dadurch gekennzeichnet, daß in das Plenum bzw. des Spaltvolumer.s zum Füllgas ein Zusatzgas- oder Gasgemisch von höherem Druck p_g und höherer Wärmeleitfähigkeit als dem Druck und der Wärmeleitfähigkeit des Füllgases eingefüllt ist

2. Kernbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kembrennstoffüllung aus einem Karbid-Brennstoff mit Helium-Bindung, Brennstoffoxiden- und Nitriden oder vibrierten oder Kernel-Brennstoffen besteht

3. Kernbrennstab nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusatzgas- oder Gasgemisch aus Helium, Neon, Argon, Stickstoff oder anderen geeigneten Gasen bzw. Gasgemischen besteht.

4. Kernbrennstab nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Karbid-Brennstoffüllun£[ mit Helium-Bindung aus UC2-PUC2 mit einer U-235-Anreicherung von 93% und einem Pu-Anteil von 15% besteht

5. Kernbrennstab nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdr. :K p_g im Plenum bzw. Spaltvolumen auf 1 bis über 12 at einstellbar ist.