DE29813359U1

DE29813359U1 - Fuel element for a boiling water reactor

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Publication number: DE29813359U1
Application number: DE29813359U
Authority: DE
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 1999-09-02
Anticipated expiration: 2008-07-28
Also published as: DE19844926A1

Description

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BeschreibungDescription

Brennelement für einen SiedewasserreaktorFuel element for a boiling water reactor

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Siedewasserreaktor, welches eine Anzahl von Brennstäben aufweist.The invention relates to a fuel element for a boiling water reactor, which has a number of fuel rods.

Brennelemente für Siedewasserreaktoren weisen in der Regel ein ganzes Bündel von im wesentlichen parallel zueinander verlaufenden Brennstäben auf, die in einem Brennelementkasten angeordnet sind. Die Brennstäbe, werden über Halteelemente, wie z.B. Gitterplatten, Noppen oder Federn, gehalten. Ein solcher Brennstab weist ein Hüllrohr auf, in das der Brennstoff in Form von gepreßten Pellets eingefüllt und gasdicht verschlossen wird. Aus der EP-A-O 498 259 Bl ist eine Zirkoniumlegierung für einfach Hüllrohre bekannt, die für Druckwasser-Anwendungen bestimmbar ist.Fuel elements for boiling water reactors generally have a whole bundle of fuel rods that run essentially parallel to one another and are arranged in a fuel element box. The fuel rods are held in place by means of holding elements such as grid plates, studs or springs. Such a fuel rod has a cladding tube into which the fuel is filled in the form of pressed pellets and sealed gas-tight. EP-A-0 498 259 Bl discloses a zirconium alloy for simple cladding tubes that can be used for pressurized water applications.

Beim Betrieb eines Siedewasserreaktors werden die Brennele-0 mente im Reaktorkern zur Kühlung und zur Moderation von Kühlwasser durchströmt. Zwischen den einzelnen Brennelementen ist ein Freiraum, in den Steuerstäbe zur Leistungsregulierung des Reaktors eingefahren werden können. Solche Steuerstäbe sind beispielsweise kreuzförmig ausgestaltet und können in einen von vier Brennelementen gebildeten kreuzförmigen Zwischenraum eingeführt werden.When a boiling water reactor is operating, cooling water flows through the fuel elements in the reactor core for cooling and moderation. There is a free space between the individual fuel elements into which control rods can be inserted to regulate the reactor's power. Such control rods are, for example, cross-shaped and can be inserted into a cross-shaped space formed by four fuel elements.

Bei Lastwechsel des Reaktors, beispielsweise bedingt durch das Ein- oder Ausfahren der Steuerstäbe, treten im Bereich der Brennelemente lokal mitunter starke Temperaturschwankungen auf. Dies kann dazu führen, daß sich der Brennstoff erwärmt und ausdehnt und dabei gegen das Hüllrohr (sogenanntes Cladding) drückt. Aufgrund der dabei entstehenden mechanischen Belastung des Brennstoffs kann es zu einer unerwünschten Spannungsriß-Korrosion und zu Rissen kommen. Diese Risse werden auch als PCI-Defekt bezeichnet (Pellet-Cladding-Interaction). When the reactor load changes, for example when the control rods are inserted or removed, strong local temperature fluctuations sometimes occur in the area of the fuel elements. This can lead to the fuel heating up and expanding, thereby pressing against the cladding tube (so-called cladding). The resulting mechanical stress on the fuel can lead to undesirable stress corrosion cracking and cracks. These cracks are also known as PCI defects (pellet-cladding interaction).

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Zur Eindämmung oder Verhinderung der PCI-Defekte sind beispielsweise aus der EP 0 194 797 Al sogenannte Liner-Hüllrohre bekannt. Diese besitzen in ihrem Inneren zu dem Brennstoff hin eine spezielle dünne Schutzschicht (&ldquor;Liner"). 5To contain or prevent PCI defects, so-called liner cladding tubes are known, for example from EP 0 194 797 Al. These have a special thin protective layer ("liner") inside them facing the fuel. 5

Die Liner-Hüllrohre weisen jedoch bei mechanischer Beanspruchung gegenüber herkömmlichen Hüllrohren ohne Liner Nachteile auf. Sie sind teuer, und es werden vom Liner ausgehende Korrosionsschäden befürchtet, falls durch Fretting-Defekte Wasser eintritt. Als Fretting wird das Reiben der Hüllrohre an den Halteelementen des Brennelements bzw. an Fremdkörpern bezeichnet, das in den Hüllrohren zu Löchern führen kann.However, the liner cladding tubes have disadvantages when subjected to mechanical stress compared to conventional cladding tubes without liners. They are expensive and there are fears of corrosion damage from the liner if water enters through fretting defects. Fretting is the term used to describe the cladding tubes rubbing against the holding elements of the fuel element or against foreign bodies, which can lead to holes in the cladding tubes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennelement anzugeben, das im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Brennelementen ein verbessertes Verhalten im Hinblick auf PCI-Defekte und Fretting aufweist.The object of the present invention is to provide a fuel element which, compared to the fuel elements known from the prior art, has improved behavior with regard to PCI defects and fretting.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Iediglich ein Teil der Brennstäbe des Brennelements Liner-Hüllrohre aufweist.The object is achieved according to the invention in that only a portion of the fuel rods of the fuel element have liner cladding tubes.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß die Brennstäbe je nach ihrer räumlichen Anordnung unterschiedlich anfällig für den PCI-Defekt sind. Die Liner-Hüllrohre werden daher bevorzugt nur in den Bereichen eingesetzt, in denen die Brennstäbe einer höheren PCI-Gefahr ausgesetzt sind. Dies betrifft insbesondere die Regionen, in denen starke Temperaturschwankungen auftreten können. An Orte mit geringerer PCI-Gefährdung werden einfache Hüllrohre ohne Liner eingesetzt.The invention is based on the idea that the fuel rods are susceptible to PCI defects to varying degrees depending on their spatial arrangement. The liner cladding tubes are therefore preferably used only in areas where the fuel rods are exposed to a higher risk of PCI. This particularly applies to regions where strong temperature fluctuations can occur. In places where the risk of PCI is lower, simple cladding tubes without liners are used.

Durch die Verwendung lediglich einer begrenzten Anzahl von Liner-Hüllrohren wird im Vergleich zu einem Brennelement mit ausschließlich einfachen Hüllrohren die Gefahr eines PCI-Defekts deutlich vermindert. Gleichzeitig wird im Vergleich zu einem Brennelement, dessen Brennstäbe ausschließlich mitBy using only a limited number of liner cladding tubes, the risk of a PCI defect is significantly reduced compared to a fuel assembly with only single cladding tubes. At the same time, compared to a fuel assembly whose fuel rods are only lined with

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Liner-Hüllrohren versehen sind, die Gefahr des Frettings deutlich verringert.Liner sheaths significantly reduce the risk of fretting.

Untersuchungen haben gezeigt, daß die Gefahr der PCI-Defekte hauptsächlich bei Brennstäben im steuerstabnahen Bereich besteht. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind daher insbesondere die Brennstäbe, die im Brennelement für den steuerstabnahen Bereich vorgesehen sind, mit Liner-Hüllrohren ausgestattet.Investigations have shown that the risk of PCI defects exists mainly in fuel rods in the area close to the control rod. In a particularly preferred embodiment, the fuel rods in the fuel element that are intended for the area close to the control rod are therefore equipped with liner cladding tubes.

Besonders wirksam läßt sich der PCI-Defekt mit Liner-Hüllrohren vermeiden, bei denen der Innenschild eine schwachlegierte Eisen-Zirkonium-Eisen-Legierung ist. Der Eisen-Anteil liegt dabei vorzugsweise unter 1 Gew.-%, insbesondere bei 0,5 Gew.-The PCI defect can be avoided particularly effectively with liner cladding tubes in which the inner shield is a weakly alloyed iron-zirconium-iron alloy. The iron content is preferably less than 1 wt.%, in particular 0.5 wt.

Für den anderen Teil werden bevorzugt Hüllrohre aus einer einheitlich zusammengesetzten Zirkonium-Zinn-Eisen-Legierung (z.B. Zircaloy-2 oder Zircaloy-4, eventuell mit einem normwidrigen Gehalt von 0,8 bis 1,2% Zinn und 0,2 bis 0,5% Eisen, eventuell auch etwa 0,01% Silizium) in einem höchstens 20% teilrekristallisierten Zustand eingesetzt (vergl. EP-O 498 259 Bl). Solche Rohre sind besonders resistent gegen Fretting. For the other part, cladding tubes made of a uniformly composed zirconium-tin-iron alloy (e.g. Zircaloy-2 or Zircaloy-4, possibly with a non-standard content of 0.8 to 1.2% tin and 0.2 to 0.5% iron, possibly also about 0.01% silicon) in a maximum 20% partially recrystallized state are preferably used (cf. EP-O 498 259 Bl). Such tubes are particularly resistant to fretting.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer einzigen Figur erläutert. Diese zeigt in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch vier Brennelemente, die um einen kreuzförmigen Steuerstab gruppiert sind.An embodiment of the invention is explained using a single figure. This shows a schematic representation of a cross section through four fuel elements that are grouped around a cross-shaped control rod.

Gemäß der Figur sind vier quadratische Brennelemente 2A, 2B, 2C, 2D unter Bildung eines Vierecks angeordnet. Jedes Brennelement 2A bis 2D weist eine Anzahl von Brennstäben 3 auf, die lediglich für das Brennelement 2B grob vereinfacht skizziert sind. Zwischen den Brennelementen 2A bis 2D ist ein kreuzförmiger Zwischenraum gebildet, in dem sich ein kreuzförmiger Steuerstab 4 befindet. Der Steuerstab 4 wird beimAccording to the figure, four square fuel elements 2A, 2B, 2C, 2D are arranged to form a square. Each fuel element 2A to 2D has a number of fuel rods 3, which are only sketched in a roughly simplified manner for the fuel element 2B. A cross-shaped intermediate space is formed between the fuel elements 2A to 2D, in which a cross-shaped control rod 4 is located. The control rod 4 is

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Betrieb eines Siedewasserreaktors zur Leistungsregulierung in den Zwischenraum ein- bzw. ausgefahren. Bei solchen Leistungsänderungen werden die Brennstäbe 3 starken thermischen Belastungen ausgesetzt, die zu den PCI-Defekten führen können. Operation of a boiling water reactor is carried out in or out of the space to regulate the power. During such power changes, the fuel rods 3 are exposed to strong thermal stresses, which can lead to PCI defects.

Die Brennelemente 2A bis 2D sind daher jeweils in einen schraffiert dargestellten steuerstabnahen Bereich 6A bis 6D und einen steuerstabfernen Bereich 8A bis 8D unterteilt. In dem steuerstabnahen Bereich 6A bis 6D sind Brennstäbe 3 mit nicht näher dargestellten Liner-Hüllrohren angeordnet, wohingegen in den Bereichen 8A bis 8D Brennelemente 3 mit ebenfalls nicht näher dargestellten einfachen Hüllrohren angeordnet sind. In den vier Brennelementen 2A bis 2D sind vier unterschiedliche Möglichkeiten für die Anordnung der Liner-Hüllrohre skizziert. Die Anordnungsmöglichkeiten von Liner-Hüllrohren sind jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.The fuel elements 2A to 2D are therefore each divided into a hatched area 6A to 6D near the control rod and an area 8A to 8D away from the control rod. In the area 6A to 6D near the control rod, fuel rods 3 are arranged with liner cladding tubes (not shown in detail), whereas in the areas 8A to 8D, fuel elements 3 are arranged with simple cladding tubes (also not shown in detail). Four different options for the arrangement of the liner cladding tubes are outlined in the four fuel elements 2A to 2D. However, the arrangement options for liner cladding tubes are not limited to these examples.

Der steuerstabnahe Bereich 6A ist aus zwei zueinander senkrechten Stabreihen gebildet, wobei der Bereich des 90°-Knicks vergrößert ist. Der steuerstabnahe Bereich 6B ist demgegenüber als einfaches L ausgebildet. Der steuerstabnahe Bereich 6C ist näherungsweise als Dreieck ausgestaltet, dessen Grundseite parallel zur Diagonale des Brennelements 2C ist. Der steuerstabnahe Bereich 6D weist nur näherungsweise eine L-Form auf.The area 6A near the control rod is made up of two rows of rods perpendicular to each other, with the area of the 90° bend being enlarged. The area 6B near the control rod, on the other hand, is designed as a simple L. The area 6C near the control rod is approximately designed as a triangle, the base of which is parallel to the diagonal of the fuel element 2C. The area 6D near the control rod is only approximately L-shaped.

Diesen Beispielen für die Anordnung von Brennelementen 3 mit Liner-Hüllrohren ist gemeinsam, daß sie jeweils in einem Bereich der Brennelemente 2A bis 2D angeordnet sind, der zum Steuerstab 4 hin orientiert ist.What these examples of the arrangement of fuel elements 3 with liner cladding tubes have in common is that they are each arranged in a region of the fuel elements 2A to 2D which is oriented towards the control rod 4.

Entscheidendes Kriterium für die Anordnung der Brennelemente 3 mit Liner-Hüllrohren ist die mögliche PCI-Gefährdung in Bereichen hoher Beanspruchung. Die Anordnung kann unter Umständen von der in der Figur dargestellten Anordnung abweichen. The decisive criterion for the arrangement of the fuel elements 3 with liner cladding tubes is the possible PCI risk in areas of high stress. The arrangement may differ from the arrangement shown in the figure under certain circumstances.

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Die statistische Häufigkeit von Hüllrohrschäden in Siedewasser-Brennelementen wird nach der Erfindung durch die Verwendung von PCI-resistenten Liner-Hüllrohren praktisch auf das Auftreten von Fretting-Defekten reduziert. In der Regel genügt es, etwa 5 bis 15% der Brennstäbe mit diesen Liner-Hüllrohren auszustatten, die dann an besonders gefährdeten Stellen angeordnet werden. Durch Verwendung von besonders Fretting-resistenten Hüllrohren an den anderen Brennstab-Positionen wird auch das Aufheben der Fretting-Schäden reduziert. Außerdem werden die erhöhten Kosten für Liner-Rohre niedriger. According to the invention, the statistical frequency of cladding tube damage in boiling water fuel elements is practically reduced to the occurrence of fretting defects by using PCI-resistant liner cladding tubes. As a rule, it is sufficient to equip about 5 to 15% of the fuel rods with these liner cladding tubes, which are then arranged at particularly vulnerable locations. By using particularly fretting-resistant cladding tubes at the other fuel rod positions, the reversal of fretting damage is also reduced. In addition, the increased costs for liner tubes are reduced.

Claims

1. Fuel element ( 2 A to 2 D) for a boiling water reactor with a number of fuel rods ( 3 ), whereby only some of the fuel rods ( 3 ) have liner cladding tubes.

2. Fuel element ( 2 A to 2 D) according to claim 1, wherein the fuel rods ( 3 ) provided in the vicinity of the control rods ( 6 A to 6 D) have liner cladding tubes.

3. Fuel element ( 2 A to 2 D) according to claim 1 or 2, in which the liner cladding tubes comprise a zirconium-tin-iron alloy, the iron content being in particular approximately 0.5% by weight.

4. Fuel element ( 2 A to 2 D) according to one of claims 1 to 3, in which the other part of the fuel rods have cladding tubes made of a zirconium-tin-iron alloy with a grain size of less than 3 µm and an average particle size of the precipitates between 0.1 and 0.3 µm in a predominantly non-recrystallized state.