DE3930511C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernbrennstab gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein solcher Kernbrennstab läßt sich der DE-OS 28 42 198 entnehmen.

Der US-PS 38 26 754 läßt sich eine Kernbrennstoffmaterial entnehmen, das 0,5 bis 4 Gew.-% eines Spaltprodukte zu mobilisierenden Zusatzes enthält, der u. a. aus verschiedenen Silikaten, wie Aluminiumsilikat ausgewählt sein kann.

Übliche Elemente mit spaltbarem Brennstoff für energieerzeugende, wassergekühlte Kernreaktoren umfassen Oxide aus angereichertem Uran in Form von Pellets, die innerhalb eines Behälters aus einer Zirkoniumlegierung, wie Zircaloy-2, eingeschlossen sind (vgl. US-PS 27 72 964). In einigen Fällen wird das Uranoxid durch Mi­ schungen aus Uranoxid und Gadoliniumoxid oder feste Lösungen da­ raus; ersetzt, und in anderen Fällen kann das Uran teilweise durch Plutonium und/oder Thorium ersetzt werden.

Die Erfahrung hat gezeigt, daß übliche, Kernbrennstäbe nach intensiver Bestrahlung mit der im Kern eines Kernreaktors vorhan­ denen Strahlung aufgrund des Brechens ihrer Behälter während ra­ scher Energieerhöhungen Fehler aufweisen. Es wurde festgestellt, daß ein Bruch des Behälters ein Ergebnis der Spannung ist, die durch den in der Hitze ausgedehnten Brennstoffgehalt auf die inne­ re Oberfläche des Metallbehälters ausgeübt wird, wobei dieser Be­ hälter durch die längere Bestrahlung spröde geworden und durch die Anwesenheit angesammelter Spaltprodukte des darin enthaltenen Brennstoffes korrodiert worden ist.

Untersuchungen der schädlichen Erscheinungen haben erkennen las­ sen, daß drei Bedingungen zu einem solchen Fehler des Brennstoff­ behälters beitragen, der üblicherweise als "Spannungsrißkorrosion" bezeichnet wird. Als erstes muß das Metall für die Spannungsriß­ korrosion in der Strahlungsumgebung anfällig sein als zweites muß ein bestimmtes Niveau physischer Spannung vorhanden sein und drittens muß das Element aggressiven korrodierenden Mitteln aus­ gesetzt sein. Das Metallversagen aufgrund der Spannungsrißkorro­ sion kann abgeschwächt oder sogar beseitigt werden, indem man eine oder mehrere dieser drei Bedingungen mildert.

Ein wirksames Mittel zum Verhindern solcher Fehler in üblichen Kern­ brennstäben mit Zirkoniumlegierungs-Behältern, wie sol­ chen aus Zircaloy-2, die Uranoxid-Brennstoff enthielten, bestand darin, eine metallurgisch gebundene Sperrauskleidung aus unle­ giertem Zirkoniummetall auf der inneren Oberfläche des Legierungs­ behältersubstrates vorzusehen. Das nicht legierte Zirkoniummetall in der Sperrauskleidung ist beständiger gegenüber Strahlungsver­ sprödung als das Legierungssubstrat, wodurch es seine relativ weichen und plastischen Eigenschaften während des Gebrauches bei­ behält, obwohl es für längere Zeit bestrahlt worden ist. Örtliche physische Spannungen, die durch den sich in der Hitze ausdehnen­ den Brennstoff während rascher Leistungssteigerungen auf einen solchen mit einer Sperre ausgekleideten Behälter ausgeübt werden, werden durch das plastische Fließen des relativ weichen, nicht legierten Zirkoniummetalles der Auskleidung gemäßigt. Darüber hinaus hat sich das nicht legierte Zirkoniummetall als weniger empfindlich gegenüber dem korrosiven Angriff durch Spaltprodukte erwiesen, als es Zirkoniumlegierungen sind. Das heißt, nicht le­ giertes Zirkonium weist eine Beständigkeit gegen Bildung von Rissen in Anwesenheit korrodierender Spaltprodukte auf.

Die Wirksamkeit der nicht legierten Zirkonium-Sperrauskleidung bei der Beständigkeit gegenüber nachteiligen Spannungskorrosions­ rissen, die aufgrund der Wechselwirkung zwischen Brennstoff-Pel­ lets und Verbundbehälter in Gegenwart einer korrodierenden Umge­ bung aus Strahlungsprodukten entstehen, erreicht man durch Min­ dern der physischen Spannung und der Empfindlichkeit gegenüber Korrosion für den Gesamtbehälter.

Wirksame nicht legierte Zirkonium-Sperrauskleidungen für Kern­ brennstoffelemente sind in den US-PSsen 42 00 492 und 43 72 817 beschrieben.

Ein anderes Herangehen an dieses Problem der Spannungskorrosions­ risse als einer Ursache des Versagens von Kernbrennstäben, wenn diese häufigen und drastischen Leistungssteigerungen ausge­ setzt werden, bestand darin, die physikalischen Eigenschaften des Uranoxid-Brennstoffes mit Zusätzen zu modifizieren. So haben sich Aluminiumsilikate und Tone, die Aluminiumsilikate umfassen, beim Dispergieren in den Uranoxiden in Mengen von nur wenigen zehntel Prozent als wirksam erwiesen, die Plastizität der Brenn­ stoff-Pellets zu erhöhen, wodurch die aufgrund der Wärmeausdehnung induzierte physische Spannung, die den Brennstoff-Pellets zuge­ schrieben werden kann, vermindert wird.

Aluminiumsilikat-Zusätze, vermischt mit Uranoxid-Brennstoff, haben sich als wirksam erwiesen, zwei der drei Bedingungen zu beseitigen oder zu mildern, die gleichzeitig vorhanden sein müssen, um ein Versagen aufgrund der Spannungskorrosion im Metall des Brennstoff­ behälters zu erzeugen. Ein Aluminiumsilikat-Zusatz erhöht be­ trächtlich die Kriechrate der Brennstoff-Pellets aus Uranoxiden und vermindert dadurch die Spannung, die aufgrund der thermischen Ausdehnung des Brennstoffmaterials auf das umhüllende Rohr ausge­ übt wird. Die verbesserte plastische Deformation und die größeren Deformationsraten, die diesem Zusatz zugeschrieben werden, ge­ statten es dem modifizierten Brennstoff, in sein eigenes Hohlraum­ volumen und/oder in jegliches verfügbare offene Rißvolumen im Inneren des Brennstoffbehälters zu fließen und dadurch die physi­ kalische Wechselwirkungskraft aufgrund der thermischen Ausdehnung über einen größeren Bereich zu verteilen. Hohe lokalisierte Span­ nungen werden daher durch die größere Verteilung ihrer Kräfte ge­ mildert.

Darüber hinaus reagiert das in den Brennstoff eingeführte Alumi­ niumsilikat mit den Spaltprodukten, die während der Bestrahlung gebildet werden und vermindert entsprechend die Konzentration der aggressiven Spaltprodukte, die, in Anwesenheit physischer Span­ nungen, eine Ursache für die Rißbildung im Metall von Brennstoff­ behältern sind.

Die Wirkungen von Zusätzen einschließlich Aluminiumsilikaten auf spaltbare Kernbrennstoffe, einschließlich ihrer relativen Mengen, sind in den US-PSsen 36 79 596, 37 15 273, 38 26 754, 38 72 022 und 40 52 330 beschrieben.

Die vorliegende Erfindung betrifft das Problem des Versagens eines Kernbrennstabes aufgrund eines Bruches des Behälters des spaltbaren Brennstoffmaterials. Der Behälter wird benutzt, um den spaltbaren Brennstoff und die gebildeten Spaltprodukte zu isolie­ ren und im Behälter abzudichten, um eine Verunreinigung des umge­ benden Kühlmittels, wie Wasser, zu vermeiden.

Der Eintritt von Kühlmittelwasser oder Dampf durch einen Bruch im Behältergehäuse, wodurch es mit dem eingeschlossenen Brennstoff in Berührung kommt, setzt diesen Brennstoff zerstörerischen Reak­ tionen aus und gestattet das Austreten kontaminierender Spalt­ produkte in das Kühlmedium des Gesamtsystems.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kernbrennstab der eingangs genannten Art zu schaffen, der häufige und rasche Leistungszunahmen im Betrieb über längere Bestrahlungsdauern bis zu einem hohen Abbrand von mehr als 35 MWd/kg erträgt, ohne daß eine Rißbildung oder andere Fehler verursachende Brüche auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.

Diese erfindungsgemäße Komination aus Struktur und Zusammensetzung wirkt nicht nur Komplimen­ tär sondern synergistisch bei der Schaffung einer hervorragenden Leistungsfähigkeit, insbesondere bei starkem Abbrand, wie mehr als etwa 35 MWd/kg. Diese synergistisch bedingte hervorragende Leistungsfähigkeit manifestiert sich in der Dauerhaftigkeit der Brennstoffelemente, plötzlichen Leistungszunahmen bis zu hohen Leistungsniveaus zu widerstehen und ein starkes zyklisches Lei­ stungsverhalten auszuhalten unter Beibehaltung der Integrität.

Spezifisch wirkt die Kombination aus Konstruktion und Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Brennstabes zusammen, um wirksam alle verursachenden Bedingungen, die die Spannungskorrosion unterstützen, nämlich physische Spannung, korrosive Umgebung und empfindliches Material, zu minimieren oder zu beseitigen.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Aufriß bzw. eine Längsansicht, teilweise im Schnitt, eines Kernbrennstabes, das einen Verbundbehälter oder ein Rohr umfaßt, das eine Säule aus Pellets des Kernbrennstoffmaterials enthält,

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Kernbrenn­ stabes nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Vergleichsergebnisse einer Analyse der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Ausführungsformen nach dem Stande der Technik.

Fig. 1 zeigt, teilweise im Schnitt, eine Seitenansicht des Kern­ brennstabes 10. Dieser Stab 10 umfaßt einen langge­ streckten Verbundbehälter 12, der üblicherweise aus einem rohr­ artigen Körper 14 besteht, der an beiden Enden mit an Ort und Stelle verschweißten oberen und unteren Endstopfen 16 und 16′ verschlossen ist, um eine abgedichtete Umhüllung zu ergeben. Ge­ mäß einem prinzipiellen Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht der Brennstoffbehälter 12 aus einem Rohr 14 einer Zirkoniumlegie­ rung, die mit einer Auskleidung 18 aus nicht legiertem Zirkonium­ metall versehen ist, das metallurgisch mit der inneren Oberfläche des Legierungsrohres 14 verbunden ist. Die Auskleidung 18 aus nicht legiertem Zirkonium, die metallurgisch an die innere Ober­ fläche des Substratrohres 14 gebunden ist, ist in einer Dicke von etwa 5% bis etwa 30% der Dicke des Verbundrohres 12 und vor­ zugsweise mit mehr als 40 µm Dicke vorhanden.

Innerhalb des abgedichteten Verbundbehälters 12 befindet sich ein Kern oder zentraler zylindrischer Abschnitt aus Kernbrenn­ stoffmaterial 20, das hier in Form einer Vielzahl von Brennstoff-Pellets aus spaltbarem und/oder Brutmaterial gezeigt ist, das in einer Säule aufgestapelt ist. Die Brennstoff-Pellets können ver­ schiedene Gestalt haben, wie die zylindrischer Pellets oder Ku­ geln, und in einigen Fällen können andere Brennstoff-Formen, wie teilchenförmiger Brennstoff, benutzt werden.

Wie Fig. 2 zeigt, sind der Kern aus Brennstoffmaterial 20 und der Behälter 12 üblicherweise so ausgeführt, daß ein als 22 be­ zeichneter Spalt oder Hohlraum zwischen der inneren Oberfläche der Umhüllung und dem Außendurchmesser des Brennstoffkernes vor­ handen ist.

Üblicherweise nimmt der Kern aus Brennstoffmaterial 20 nicht die ganze Länge des Behälters 12 ein, wie dargestellt. Die Säule aus Pellets, die den Brennstoffkern 20 bildet, ist in einer Länge vorhanden, die kürzer ist als die des Behälters 12, wodurch ein leerer Endraum oder ein Plenum 24 entstehen. Dieses Plenum 24 gestattet die Längsausdehnung der Säule aus Brennstoffmaterial und dient als Bereich zur Ansammlung der gasförmigen Produkte, die von dem der Spaltung und Bestrahlung unterliegenden Brenn­ stoff abgegeben werden. Vorzugsweise ist eine Rückhalteeinrich­ tung, wie eine Feder 26, im Raum 24 angeordnet, um einen Druck gegen die axiale Bewegung der Brennstoffsäule, insbesondere wäh­ rend der Handhabung und des Transportes des Brennstabes, auszuüben.

Zirkoniumlegierungen, die für den rohrförmigen Körper 14 oder das Substrat, das den Behälter 12 bildet, geeignet sind, schließen solche ein, wie sie im Handel als Zircaloy-2 und Zircaloy-4 be­ kannt sind. Zircaloy-2 enthält auf Gewichtsbasis etwa 1,5% Zinn, etwa 0,14% Eisen, etwa 0,1% Chrom und etwa 0,05% Nickel, der Rest ist Zirkonium. Zircaloy-4 enthält weniger Nickel aber etwas mehr Eisen als Zircaloy-2. Weitere Einzelheiten hinsichtlich die­ ser Legierungen finden sich in den US-PSsen 27 72 964 und 31 48 055.

Die Sperrauskleidung 18, die metallurgisch an die innere Ober­ fläche des Legierungsrohres 14 gebunden ist, umfaßt nicht le­ giertes Zirkoniummetall, wie es im Handel als Kristallstab-Zir­ konium und Schwammzirkonium bekannt ist. Das Zirkoniummetall sollte weniger als etwa 5000 ppm (bezogen auf das Gewicht) an Verunreinigungen oder anderen Bestandteilen als Zirkonium und vorzugsweise weniger als etwa 4200 ppm davon enthalten. Von diesen anderen Bestandteilen sollte Sauerstoff im Bereich von etwa 200 bis etwa 1200 ppm (Teile pro Million) liegen. Alle an­ deren Verunreinigungen sollten innerhalb des handelsüblichen Bereiches für Kristallstab- und Schwamm-Zirkonium liegen, näm­ lich :

Aluminium bis zu etwa 75 ppm; Bor bis zu etwa 0,4 ppm; Cadmium bis zu etwa 0,4 ppm; Kohlenstoff bis zu etwa 270 ppm Chrom bis zu etwa 200 ppm; Kobalt bis zu etwa 20 ppm; Kupfer bis zu etwa 50 ppm Hafnium bis zu etwa 100 ppm; Wasserstoff bis zu etwa 25 ppm; Eisen bis zu etwa 1500 ppm; Magnesium bis zu etwa 20 ppm; Mangan bis zu etwa 50 ppm; Molybdän bis zu etwa 50 ppm; Nickel bis zu etwa 70 ppm; Niob bis zu etwa 100 ppm; Stickstoff bis zu etwa 80 ppm; Silizium bis zu etwa 120 ppm; Zinn bis zu etwa 50 ppm; Wolfram bis zu etwa 100 ppm; Titan bis zu etwa 50 ppm und Uran bis zu etwa 3,5 ppm.

Ein anderer prinzipieller Aspekt der vorliegenden Erfindung um­ faßt die Zusammensetzung des Brennstoffmaterials, das innerhalb des spezifisch angegebenen Behälters eingesetzt wird. Spaltbare Kernbrennstoffe zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung umfassen übliche Oxide angereicherten Urans, Plutoniums und Tho­ riums sowie deren Mischungen, und dieses Brennstoffmaterial kann Gadolinium oder andere üblichen Neutronen-Absorber oder soge­ nannte "Gifte" enthalten. Urandioxid ist der bevorzugte spaltba­ re Brennstoff für die Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Zusätze zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung zur Modifi­ kation der üblichen Kernbrennstoffe schließen Aluminiumsilikat und Materialien ein, die Aluminiumsilikate, wie Tone, enthalten oder die Aluminiumsilikate bilden, wie Aluminiumoxid und Silizium­ dioxid umfassende Kombinationen. Kaolin- und Bentonit-Tone sind Beispiele. Geeignete Quellen für die Zusätze finden sich in der US-PS 38 26 754.

Zusätze aus Aluminiumsilikat können mit üblichen Brennstoffmate­ rialien in irgendeinem wirksamen Verhältnis oder in irgendeiner wirksamen Menge kombiniert werden, üblicherweise von etwa 0,05 bis weniger als 0,5 Gew.-% des insgesamt modifizierten Brennstoffes. Es ist jedoch allgemein erwünscht, den Anteil solcher Zusätze, die in den Brennstoff eingeführt werden, zu minimieren, da sie spaltbares oder Brut­ material ersetzen und dadurch die Wirksamkeit des Brennstoffma­ terials beeinträchtigen.

Die dem neuen Brennstab nach der vorliegenden Erfindung zuzuschreibenden synergistischen Wirkungen beruhen auf verschie­ denen Erscheinungen, die klassifiziert werden kön­ nen als:

• a) mechanisch oder die Verminderung der Zugspannung im Behälter,
• b) chemisch oder Verbesserung gewisser bekannter korrosiver Spaltproduktarten und
• c) mechanisch/chemisch, worin die chemische Wirkung in (b) syner­ gistisch wirkt, um die Dehnungsraten-Empfindlichkeit der Brennstoffbehälter-Struktur gegenüber den nachteiligen Wir­ kungen der Wechselwirkung zwischen Pellet und Behälter zu kompensieren.

Der mechanische Synergismus der vorliegenden Erfindung wird fol­ gendermaßen demonstriert: Bei jeder Leistungserhöhung des Kern­ reaktors übt die sich ergebende thermische Ausdehnung des Brenn­ stoffkörpers eine Spannung auf den umgebenden Behälter aus. Die relativ weiche, nicht legierte Zirkonium-Auskleidung des Behälters vermindert die lokalisierte Spannung der inneren Oberfläche des Behälters, wo bekanntermaßen Risse beginnen. Die unmittelbare Spannungs-Relaxation der inneren Oberfläche des Behälters erfolgt durch rasches primäres Kriechen des Behälters. Der modifizierte Brennstoff wirkt ebenfalls zur Aufnahme der Spannung im System durch ein rasches Heißpressen, wobei das verfügbare Volumen im System gefüllt wird. Danach werden die Systemspannungen durch einen langsameren Mechanismus ausgeglichen, dem des sekundären Kriechens. Die aufgrund der Spannung eintretende Deformation des Behälters nach außen wird durch die sekundäre Kriechrate des Zirkoniumlegierungs-Substrates der Behälterwandung begrenzt, die gering ist verglichen mit den Deformationsprozessen im durch den Zusatz modifizierten Brennstoffkörper. Die hohe sekundäre Kriech­ rate des modifizierten Brennstoffes in Verbindung mit dem raschen Relaxationsmechanismus (primäres Kriechen der nicht legierten Zirkoniumauskleidung und primäres Kriechen/Heißpressen des Brenn­ stoffes) ergeben eine Struktur, in der die inneren Spannungen vermindert werden, um sowohl die anfängliche rasche Brennstoff­ ausdehnung als auch die langsamere Ausdehnung aufzunehmen, die nur in Brenn­ stoff mit hohem Abbrand teilweise aufgrund der Ausscheidung von Spaltgasblasen innerhalb des Brennstoffes auftritt.

Obwohl die Brennstoffumhüllung mit der Zirkoniumsperre beständig ist, gegenüber einem Versagen aufgrund der Wechselwirkung zwischen Pellet und Umhüllung, erzeugen starke Leistungserhöhungen Mikro­ risse an der inneren Oberfläche der Umhüllung (an der Grenzfläche zwischen Pellet, und Umhüllung). Wegen der Weichheit der Zirkonium­ auskleidung wachsen diese Mikrorisse nicht so rasch, wie sie dies in härteren Zirkoniumlegierungs-Materialien tun würden. Solche Mikrorisse neigen jedoch zum Wachsen unter zyklischen Belastungs­ situationen. Bei Verwendung zusammen mit modifizierten Brennstoff-Pellets verhindert die Nachgiebigkeit der modifizierten Pellets die Spannungsansammlung beim Leistungszyklus, die sonst zu einem Wachsen der Mikrorisse in der Zirkoniumauskleidung führen könnte. Beständigkeit gegenüber Leistungszyklen ist somit ein anderer Aspekt des mechanischen Synergismus.

Der chemische Synergismus der vorliegenden Erfindung wird folgen­ dermaßen demonstriert: Untersuchungen haben gezeigt, daß gewisse Spaltprodukte, die Jod und Cadmium umfassen, dazu neigen, Risse in der Wandung von Brennstoffbehältern zu erzeugen. Die nicht le­ gierte Zirkoniumauskleidung von Verbundbehältern weist einen hohen Grad von Beständigkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion aufgrund von Jodverbindungen auf. Es wurde jedoch festgestellt, daß Cadmium die aggressivste Umgebung bildet, die bekannt ist und daß die nachteilige Wirkung durch die Anwesenheit von Cäsium noch ver­ schlimmert wird. Die Aluminiumsilikat-Zusätze halten das Cäsium innerhalb des Brennstoffkörpers fest und hindern es so, den Be­ hälter zu erreichen.

In dem Maße, in dem der ursprünglich eingesetzte Kernbrennstoff verbraucht wird und mehr Spaltungen in den durch Bestrahlung entstandenen schweren Transuran-Nukliden, wie Plutonium, Neptu­ nium usw. stattfinden, nimmt der Anteil des durch Spaltung er­ zeugten Cadmiums und Jods zu. Der Kernbrennstab der vorliegenden Erfindung sorgt daher für einen Lang­ zeitschutz gegen Versagen über einen ausgedehnten Bestrahlungs­ bereich.

Der mechanisch/chemische Synergismus der vorliegenden Erfindung wird folgendermaßen demonstriert: Jod verursacht Risse am stärk­ sten bei relativ geringen Dehnungsraten, während Cadmium eine große Dehnungsrate benötigt, damit Risse sich durch die Behälter­ wand hindurch ausbreiten. Struktur und Zusammensetzung der vor­ liegenden Erfindung gewährleisten eine Beständigkeit gegenüber Rißbildung sowohl bei hohen als auch geringen Dehnungsraten.

Ein anderer Aspekt des mechanisch/chemischen Synergismus besteht darin, daß eine Bindung des Brennstoffes an das Umhüllungs­ rohr durch die Konstruktion und die chemische Zusammensetzung des erfindungsgemäßen Brennstabes minimiert wird. Das Verbinden von keramischem Brennstoffmaterial mit der Behälter­ wand ist sowohl eine Quelle für mechanische Spannung als auch eine Leitung für den Transport von Sauerstoff und potentiell schädlichen Spaltprodukten vom Brennstoff in die Umhüllung.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Ausführung und die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung.

Eine Wechselwirkung, soweit vorhanden, und deren Ausmaß hinsicht­ lich des Zirkoniummetalles und des Kernbrennstoffes, der aus üb­ lichem Urandioxid und einem mit Kaolinitton als Zusatz modifi­ zierten Urandioxid bestand, wurde folgendermaßen ermittelt:

Eine Scheibe aus Kristallstab-Zirkoniummetall wurde mit Oberflächenkontakt unter Druck zwischen zwei Brennstoffpellets aus Urandioxid angeordnet, wobei das eine Pellet nur aus Urandioxid und das andere Pellet aus Urandioxid mit einem Gewichtsprozent darin dis­ pergiertem Kaolinitton als Zusatz bestand. Der überein­ ander angeordnete Verbundstoff aus Urandioxid/Zirkoniummetall/Uran­ dioxid mit dem Zusatz Kaolinit bildete einen Testkörper, der mit einer Rate von etwa 3,81°C/s unter einem Kontaktdruck von etwa 1,23 MPa in einer Atmosphäre aus etwa 99,99% Argongas auf 1400 ± 25°C erhitzt wurde. Der Verbund-Testkörper wurde für etwa 30 1/2 Minuten bei der Temperatur von etwa 1400°C gehalten und dann mit einer Rate von etwa 1,3°C/s auf eine Temperatur von 600°C abgekühlt, woraufhin man den Testkörper mit einer natürlichen langsamen Rate auf Raumtemperatur abkühlen ließ.

Der Testkörper mit den fest miteinander verbundenen drei Kompo­ nenten wurde entlang seiner Längsachse in zwei Abschnitte zer­ schnitten und somit quer durch jede der drei Komponenten, um die beiden Grenzflächen mittels optischer Metallographie und elektro­ nischer Abtast-Mikroskopie zu untersuchen.

Sowohl die optische Metallographie als auch die Elektronenabtast-Mi­ kroskopie zeigten einen merklich kleineren Reaktionsbereich an der Grenzfläche zwischen dem mit Kaolinit modifizierten Uran­ dioxid und dem Zirkoniummetall als an der anderen Grenzfläche des Testkörpers zwischen dem nicht modifizierten Urandioxid und dem Zirkoniummetall. Darüber hinaus zeigen die Phasen, die im Wech­ selwirkungsbereich an der Grenzfläche zwischen mit Kaolonit modi­ fiziertem Uranoxid und Zirkoniummetall beobachtet wurden, eine verminderte Diffusion von Sauerstoff vom Urandioxid in das Zir­ koniummetall an, verglichen mit der anderen Grenzfläche zum nicht modifizierten Urandioxid.

Diese vergleichende Auswertung der Erfindung zeigt den Nutzen eines mit Aluminiumsilikat modifizierten Urandioxid-Brennstoffes beim gemeinsamen Einsatz mit Zirkoniummetall in einem Brennstoff­ element, wobei dieser Nutzen eine verminderte chemische Wechsel­ wirkung unter schweren und aggressiven Bedingungen umfaßt, die einer unbeabsichtigt exzessiven raschen Leistungszunahme ent­ sprechen. Diese vergleichende Untersuchung veranschaulicht in einem beschleunigten, außerhalb des Reaktors ausgeführten Test bei hoher Temperatur auch, was unter normalen Betriebsbedingungen innerhalb eines Brennstabes während einer längeren Zeitdauer passiert, d. h. während eines langdauernden Einsatzes unter den Reaktor-Betriebsbedingungen.

Eine vergleichende Analyse der Brennstab-Konzepte des Standes der Technik mit dem des Brennstabes der vorlie­ genden Erfindung wurde ausgeführt, um ihre relativen Leistungs­ fähigkeiten zu bewerten:

Die Ausführungsformen nach dem Stande der Technik umfaßten einen üblichen Brennstab mit nicht modifiziertem Uranoxid-Brennstoff in einem einfachen Zircaloy-2-Behälter; einen Brenn­ stab aus nicht modifiziertem Uranoxid-Brennstoff in einem Zircaloy-2-Behälter mit einer aus nicht legiertem Zirko­ nium bestehenden Auskleidung, die metallurgisch mit der inneren Ober­ fläche des Behälters verbunden war; einen Brennstab der einen durch Zusatz von Aluminiumsilikat modifizierten Uranoxid-Brenn­ stoff in einem einfachen Zircaloy-2-Behälter enthielt und den Brennstab der vorliegenden Erfindung mit einem durch Zusatz von Aluminiumsilikat modifizierten Uranoxid-Brennstoff in einem Zircaloy-2-Behälter, mit dessen innerer Oberfläche eine Auskleidung aus nicht legiertem Zirkonium metallurgisch verbunden war. Menge und Quelle des Aluminiumsilikat-Zusatzes zum Brennstoff sowie Abmessungen und Eigenschaften der aus nicht le­ giertem Zirkonium bestehenden Sperrauskleidung waren, soweit be­ nutzt, in jedem Falle gleich, nämlich 0,25 Gew.-% Kaolinitton und eine Zirkoniummetall-Auskleidung mit einer Dicke von 0,075 mm.

Die Auswirkungen des Zusatzes zum Brennstoff, wenn dieser in Kom­ bination mit der Sperrauskleidung benutzt wurde, auf die Zuver­ lässigkeit eines Brennstabes, sind in Fig. 3 gezeigt. Diese Fi­ gur veranschaulicht die Ergebnisse der analytischen und experi­ mentellen Untersuchungen der gemeinsamen und getrennten Auswir­ kungen der Zusatz enthaltenden Pellets und der Sperrauskleidung. Fig. 3 gibt die Leistung wider, bei der ein Versagen aufgrund einer Wechselwirkung zwischen Pellet und Behälter beginnt, und zwar mit Bezug auf die beobachtete Leistung beim Versagen als Funktion der Bestrahlung. Bereiche unterhalb jeder der vier Kur­ ven der Fig. 3 repräsentieren Kombinationen aus Leistung und Bestrahlung, bei denen ein Brennstab betrieben werden kann, ohne daß ein Versagen auftritt. Bereiche auf und oberhalb der jewei­ ligen Kurve zeigen Bedingungen, bei denen das Auftreten der Span­ nungsrißkorrosion erwartet wird.

Fig. 3 beruht auf experimentellen Daten unter Verwendung eines analytischen Modells, das die thermischen und mechanischen Bedin­ gungen eines im Betrieb befindlichen Brennstabes errechnet. Die experimentellen Daten von Bestrahlungstests wurden zuerst ausge­ wertet, um die Spannung auf den Behälter zu ermitteln, bei der das Versagen in Stäben beginnt, die übliche Pellets ohne Zusatz in üblichen Zircaloy-2-Behältern und in Behältern mit Zirkonium-Sperr­ auskleidung enthalten. Das dabei ermittelte Spannungsniveau wurde dann mit dem gleichen analytischen Modell benutzt, um das erwartete Verhalten der Pellets mit Zusatz in Behältern mit Sperrauskleidung zu bestimmen. Die Untersuchung benutzte Stäbe mit Merkmalen, die repräsentativ sind für Brennstoff in üblichen kommerziellen mit thermischen Neutronen arbeitenden Reaktoren. Bei der Analyse unterlagen Stäbe, die bei einer relativ geringen Leistung, 7 kW/30 cm bis zu variierenden Bestrahlungen betrieben wurden, einer plötzlichen Zunahme der Leistung auf ein neues, höheres Leistungsniveau. Die Leistungen beim Versagen wurden auf der Grundlage der Behälterspannung relativ zum Niveau bestimmt, das mit experimentell beobachtetem Versagen in Beziehung gesetzt wurde.

Es ist zu bemerken, daß die in Fig. 3 gezeigten Ergebnisse die Auswirkungen der Zusatzphase auf zerstörerische Spaltprodukte nicht berücksichtigen. Der chemische Zustand und die Menge der Spaltprodukte, die zum Versagen beitragen, wurden als ausreichend angenommen, um ein Versagen zu verursachen, nachdem die kritische Behälterspannung einmal erreicht war. Diese Behandlung berücksich­ tigt nicht die mäßigenden Auswirkungen der Zusatzphase auf die Spaltprodukte. Die Analysen stellen daher eine untere Einschät­ zung für die erwartete Verbesserung der Zuverlässigkeit der Brenn­ stäbe dar.

Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, daß der Einsatz von entweder mit Zusatz versehenen Pellets oder des Behälters mit Sperrauskleidung die Leistungsniveaus erhöhen, bei denen ein Brennstab ohne Versagen betrieben werden kann. Die Ergebnisse zei­ gen auch, daß der Einsatz von Pellets mit Zusatz in Kombination mit einem Behälter mit Sperrauskleidung das Leistungsniveau für einen zuverlässigen Betrieb über das Niveau hinaus erhöht, das für entweder Pellets mit Zusatz oder Behälter mit Auskleidung allein erwartet wird und das erwartet wird durch einfaches Addie­ ren des Nutzens der einen Verbesserung zum Nutzen der anderen Verbesserung. Die Grenze der Verbesserung aufgrund der Kombina­ tion aus Zusatz und Sperrauskleidung ändert sich mit der Bestrah­ lung. Sie bleibt jedoch über den größten Teil des Einsatzzeit­ raumes eines Brennstabes in einem üblichen thermischen Reaktor merklich und stellt somit die Gelegenheit für bisher unerwartete Verbesserungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit und Zuverläs­ sigkeit dar.

Die Berechnungen können nur den mechanischen Synergismus veran­ schaulichen, der hauptsächlich in den frühen Stadien der Bestrah­ lung deutlich wird. Das analytische Modell ist nicht in der Lage, den chemischen Synergismus vorherzusagen, dessen Existenz sich aus experimentellen Daten ergibt. Der Nutzen jenseits von 35 MWd/kg U ist daher in diesem Beispiel nicht ersichtlich, doch wurde er durch Bestrahlungstests verifiziert. Um den erwarteten Nutzen der Brennstäbe nach der vorliegenden Erfindung mit 0, 25% Betonit und Zirkonium-Sperrauskleidung zu verifizieren, wurden die Brenn­ stäbe im Duane Arnold-Reaktor zur Bestrahlung angeordnet, wo sie erfolgreich arbeiteten.

Claims (7)

1. Kernbrennstab mit einem langgestreckten ausgekleideten Verbundbehälter aus einem Zirkoniumlegierungs-Rohr, das außer Zirkonium mehr als 5000 ppm anderer Bestandteile enthält, und einer Sperrauskleidung aus nichtlegiertem Zirkoniummetall in einer Dicke von etwa 1 bis etwa 30% der Dicke des Legierungsrohres, wobei die Auskleidung metallurgisch mit der inneren Oberfläche des Legierungsrohres verbunden ist und einem zentralen Kern aus Kernbrennstoffmaterial, der innerhalb des ausgekleideten rohrförmigen Behälters angeordnet ist und diesen teilweise füllt, so daß ein Spalt zwischen dem Behälter und dem Brennstoffmaterial verbleibt, das den Kern bildet, wobei das Kernbrennstoffmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Verbindungen von Uran, Plutonium, Thorium und deren Mischungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbrennstoffmaterial dispergiert einen Zusatz aus Aluminiumsilikat in einer wirksamen Menge von weniger als 0,5 Gew.-% vom Brennstoffmaterial enthält.

2. Kernbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumsilikat-Zusatz Ton ist.

3. Kernbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumsilikat-Zusatz in einer Menge von etwa 0,05 bis weniger als 0,5 Gew.-% das Brennstoffmaterials im Kernbrennstoffmaterial dispergiert ist.

4. Kernbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrauskleidung aus nicht­ legiertem Zirkoniummetall Zirkoniumschwamm umfaßt.

5. Kernbrennstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkoniumschwamm der Sperrauskleidung außer Zirkonium Bestandteile in Mengen von etwa 1000 bis etwa 5000 ppm enthält.

6. Kernbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aluminiumsilikat-Zusatz Kaolin ist.

7. Kernbrennstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrauskleidung eine Dicke von etwa 5 bis etwa 30% der Dicke des Zirkoniumlegierungs-Rohres aufweist und das Kernbrennstoffmaterial Urandioxid umfaßt, das dispergiert den Zusatz aus Aluminiumsilikat in einer Menge von etwa 0,1 bis weniger als 0,5 Gew.-% des Brennstoffmaterials enthält.