DE60031804T2

DE60031804T2 - Umhüllung zum Einsatz in Kernreaktoren mit erhöhter Riss- und Korrosionsbeständigkeit

Info

Publication number: DE60031804T2
Application number: DE60031804T
Authority: DE
Inventors: Ronald Bert Fremont Admson; Daniel Reese San Jose Lutz; Mickey Orville Wilmington Marlowe; John Frederick Wilmington Schardt; Cedric David Williams
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2020-05-13
Also published as: US6542566B2; JP2001066390A; US20010007584A1; DE60031804D1; ES2275473T3; US6243433B1; EP1052650B1; EP1052650A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Verbesserungen in Kernbrennstoffelementen zur Verwendung im Kern von Kernspaltungsreaktoren und spezifisch auf verbesserte Kernbrennstoffelemente mit verbesserter Spannungsrisskorrosions-Beständigkeit und verbesserter Korrosionsbeständigkeit der inneren Oberfläche zur Verwendung in Siedewasserreaktoren.
Standardteile von Kernreaktoren sind die Brennstoffelemente, die den Kern des Reaktors bilden, der den Kernbrennstoff enthält. Obwohl Brennstoffelemente irgendeinen einer Anzahl geometrischer Querschnitte einnehmen können, sind die Elemente aus Kernbrennstoff zusammengesetzt, der durch eine Umhüllung eingeschlossen ist. Die Umhüllung ist idealerweise korrosionsbeständig, nicht reaktiv und wärmeleitend. Kühlmittel, typischerweise entmineralisiertes Wasser, strömt in den Strömungskanälen, die zwischen den Brennstoffelementen gebildet sind, um vom Kern Wärme abzuführen. Einer der Zwecke der Umhüllung ist es, das nukleare Material des Brennstoffes vom Kühlmittel zu trennen. Ein anderer Zweck der Umhüllung ist es, den Kontakt radioaktiver Spaltprodukte mit dem Kühlmittel und die daraus folgende Ausbreitung durch das primäre Kühlsystem zu minimieren oder zu verhindern. Im Laufe der Zeit haben jedoch verschiedene Umhüllungsdesigns aufgrund einer Anzahl von Versagensmechanismen versagt.
Um diese und andere Zwecke zu Stande zu bringen wurden verschiedene Materialien und Kombinationen von Materialien in der Umhüllung eingesetzt. Die üblichsten Umhüllungsmaterialien schließen Zirkonium und Legierungen von Zirkonium, kor rosionsbeständigen Stahl, Aluminium und seine Legierungen, Niob und andere Materialien ein. Von diesen haben sich Zirkonium und seine Legierungen als ausgezeichnete Materialien für solche Zwecke in Wasserreaktoren erwiesen, weil die Materialeigenschaften, einschließlich guter Wärmeleitfähigkeit, guter Festigkeit und Duktilität, geringer Neutronenabsorption und guter Beständigkeit gegen Korrosion, für Umhüllungen geeignet sind. Ein Verbundsystem benutzt eine innere Auskleidung aus korrosionsbeständigem Stahl, die metallurgisch an Zirkoniumlegierung gebunden ist. Der Nachteil dieses Systems ist es, dass der korrosionsbeständige Stahl spröde Phasen entwickelt, die schließlich reißen, was den Kontakt der Spaltnebenprodukte mit der Zirkoniumlegierung-Umhüllung gestattet und die Verschlechterung der äußeren Umhüllung aus Zirkoniumlegierung einleitet. Darüber hinaus hat die Schicht aus korrosionsbeständigem Stahl eine Neutronenabsorption vom Zehn- bis Fünfzehnfachen der Absorption einer Zirkoniumlegierung der gleichen Dicke.
Eine Lösung des Problems des Umhüllungs-Versagens findet sich in der US-PS 3,969,186, die ein Verbundmaterial vorschlägt, bestehend aus hitzebeständigen Metallen, wie Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob und Legierungen dieser Materialien in Form eines Rohres oder einer Folie aus einzelnen oder mehrfachen Schichten oder eines Überzuges auf der inneren Oberfläche der Umhüllung.
Noch eine andere Lösung des Problems ist in der US-PS 4,045,288 vorgeschlagen, die die Verwendung einer Verbundumhüllung aus Zirkoniumlegierungs-Substrat mit einer Auskleidung aus Schwammzirkonium lehrt. Das Konzept ist, dass die kommerziell reine, weiche, duktile Zirkoniumauskleidung die lokalisierte Dehnung bzw. Spannung minimiert, der die äußere Umhüllung ausgesetzt ist. Sollte jedoch ein Bruch in der äußeren Umhüllung auftreten, der den Eintritt von Wasser und/oder Dampf in den Brennstoffstab gestattet, dann neigt die Zirkoniumauskleidung zur raschen Oxidation.
Noch ein anderes Herangehen an das Problem des Umhüllungs-Versagens ist in der US-Anmeldung Nr. 06/374,052, eingereicht am 3. Mai 1982, übertragen auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung, die der GB A-2 119 559 entspricht, vorgeschlagen und sie lehrt die Verwendung einer Verbundumhüllung, bestehend aus einer inneren Auskleidung aus verdünnter Zirkoniumlegierung, die metallurgisch an konventionelle Umhüllungsmaterialien, wie Umhüllungen aus Zirkoniumlegierung, gebunden ist. Die innere Auskleidung aus verdünnter Zirkoniumlegierung schließt mindestens ein mit dem Zirkonium legiertes Metall ein, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Eisen, Chrom, Eisen plus Chrom und Kupfer. Die Menge des mit dem Zirkonium legierten Eisens beträgt von etwa 0,2 bis etwa 0,3 Gew.-%; die Menge des Chroms beträgt von etwa 0,05 bis etwa 0,3 Gew.-%, die Gesamtmenge von Eisen plus Chrom beträgt von etwa 0,15 bis etwa 0,3 Gew.-%, wobei das Verhältnis der Gewichte von Eisen zu Chrom im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 4:1 liegt und wobei die Menge des Kupfers von etwa 0,02 bis etwa 0,2 Gew.-% beträgt.
Während Fortschritte auf dem Gebiet der Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Umhüllungen gemacht wurden, sind Korrosion, sprödes Abspalten der Umhüllung aufgrund von Wechselwirkungen der Umhüllung, des Kernbrennstoffes, der Spaltprodukte und des Kühlmittels, selbst mit den verbesserten Systemen, noch immer ein Problem.
Ein besonders wirksames Kernbrennstoffelement ist aus einem zentralen Kern aus Kernbrennstoffmaterial zusammengesetzt. Das Nuklearmaterial kann irgendein radioaktives Material sein, wie die gut bekannten radioaktiven Materialien des Urans, Plutoniums, Thoriums und deren Mischungen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der zentrale Kern aus Kernbrennstoffmaterial von einer lang gestreckten Verbundumhüllung umgeben, die aus einer inneren metallischen Sperre und einem äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt zusammengesetzt ist. Der äußere Abschnitt der Umhüllung ist gegenüber den früheren Praktiken, die auf dem Gebiet der Nuklearreaktoren benutzt werden, in Design und Funktion unverändert. Der äußere metallische rohrförmige Abschnitt bleiben die standardgemäßen, gut bekannten Materialien, die konventioneller Weise in der Umhüllung und insbesondere als äußere Abschnitte von Verbundumhüllungen eingesetzt werden. Der äußere metallische Abschnitt ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkonium und seinen Legierungen, korrosionsbeständigem Stahl, Aluminium und seinen Legierungen, Niob und Magnesiumlegierungen.
Die innere metallische Sperre ist Zirkonium, bei dem die Menge von Fe eine kontrollierte Eisenmenge von etwa 850 bis 2500 Teilen pro Million (ppm), bezogen auf das Gewicht, mit dem Zirkonium mikrolegiert ist. Die innere metallische Sperre ist metallurgisch mit dem äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt verbunden, doch anders als der äußere metallische Abschnitt, wenn er aus Zirkonium oder seinen Legierungen zusammengesetzt ist, ist sie nur mit sorgfältig kontrollierten Mengen von Eisen legiert. Spurenelemente in einer Menge, die den Charakter und die Natur der inneren metallischen Sperre nicht beeinflussen, können vorhanden sein.
Überraschenderweise wurde festgestellt, dass durch sorgfältiges Kontrollieren der in Zirkonium vorhandenen Eisenmenge die innere metallische Sperre nicht nur eine stark verbesserte Korrosionsbeständigkeit gegenüber früheren Umhüllungen und Sperren aufweist, sondern auch eine verbesserte Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion, während die anderen wichtigen Charakteristika der inneren metallischen Zirkonium sperre unbeeinflusst sind. Die Sperre ist duktil, verträglich mit dem äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt, hat jedoch eine geringe Neutronenabsorption, ist stark beständig gegen Strahlungshärtung, während gute Wärmeübertragungs-Charakteristika beibehalten werden. Es wird angenommen, dass die vorliegende Erfindung die Fähigkeit des Brennstoffelementes verbessert, im fehlerhaften Zustand normal zu arbeiten, d.h., mit dem Versagen der äußeren Umhüllung aufgrund von primären Defekten, die als Resultat der Spannungskorrosion oder der Reibung entstanden sind, aber ohne Entwickeln sekundärer langer axialer Risse entlang der inneren Sperre. Die innere metallische Sperre hat genügend Korrosionsbeständigkeit der Art, dass sie weiter eine wirksame Sperre darstellt, , wenn sie dem Kernbrennstoff oder den Nebenprodukten der nuklearen Spaltung ebenso wie dem Kühlmittel ausgesetzt ist, das entmineralisiertes Wasser, Dampf und/oder Moderatoren einschließen kann. Die Lebenserwartung des Brennstoffelementes ist erhöht, selbst nach einem Versagen der äußeren Umhüllung, aufgrund der Fähigkeit der inneren metallischen Sperre, die Bildung von Korrosionsprodukten (Hydriden) bei Kontakt mit dem Kühlmittel zu verlangsamen.
Die Erfindung wird nun detallierter beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der:
1 ein Teilquerschnitt eines nuklearen Brennelementes ist, das Kernbrennstoffelemente enthält, die gemäß der Lehre der Erfindung konstruiert sind,
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Kernbrennstoffelementes nach 1 ist, die die Lehre der Erfindung veranschaulicht,
3 eine graphische Darstellung der Korrosion von Zirkonium ist, das variierende Mengen von Eisen enthält, in Abhängigkeit von einer Expositionszeit in Tagen,
4 eine graphische Darstellung der Korrosionsrate von Zirkonium in Abhängigkeit von mikrolegierten Eisenmengen ist,
5 eine graphische Darstellung ist, die die Resultate des Testens der Beständigkeit gegen Pellet/Umhüllungs-Wechselwirkung (PCI) von Zirkonium zeigt, das mit variierenden Mengen von Eisen mikrolegiert ist, und
6 eine graphische Darstellung ist, die die kombinierten Resultate des Testens der Korrosionsrate und der Beständigkeit gegen Pellet/Umhüllungs-Wechselwirkung (PCI) als eine Funktion der mikrolegierten Konzentration des Eisens in Zirkonium zeigt.
Unter besonderer Bezugnahme auf 1 ist dort eine Teilschnittansicht eines Kernbrennelementes 10 gezeigt. Dieses Brennelement 10 besteht aus einem rohrförmigen Strömungskanal 11 eines allgemein quadratischen Querschnittes, der an seinem oberen Ende mit einem Hebebügel 12 und an seinem unteren Ende mit einem Nasenstück versehen ist (das nicht gezeigt ist, da der untere Abschnitt des Brennelementes 10 weggelassen ist). Das obere Ende des Kanales 11 ist beim Auslass 13 offen und das untere Ende des Nasenstückes ist mit Kühlströmungs-Öffnungen versehen. Eine Anordnung von Brennstoffelementen oder -stäben 14 ist in dem Kanal 11 eingeschlossen und darin mittels einer oberen Endplatte 15 und einer unteren Endplatte (die nicht gezeigt ist, da der untere Abschnitt weggelassen ist) abgestützt. Das flüssige Kühlmittel tritt gewöhnlich durch die Öffnungen im unteren Ende des Nasenstückes ein, strömt um die Brennstoffelemente 14 nach oben und tritt durch den oberen Auslass 13 bei einer erhöhten Temperatur in einem teilverdampften Zustand bei Siedewasserreaktoren oder in einem unverdampften Zustand bei Druckwasserreaktoren aus.
Die Kernbrennstoffelemente oder -stäbe 14 sind an ihren Enden mittels Endstopfen 18 abgedichtet, die an die Verbundumhüllung 17 geschweißt sind, und sie können Bolzen 19 einschließen, um das Montieren des Brennstabes im Brennelement zu erleichtern. Ein Leerraum oder Plenum 20 ist an einem Ende des Elementes vorgesehen, um die Längsausdehnung des Brennstoffmaterials und die Ansammlung von aus dem Brennstoffmaterial freigesetzten Gasen zu gestatten. Eine Rückhalteeinrichtung 24 für das Kernbrennstoffmaterial in Form eines Spiralteiles ist innerhalb des Raumes 20 angeordnet, um der axialen Bewegung der Pelletsäule, insbesondere während der Handhabung und des Transportes des Brennstoffelementes, entgegen zu wirken.
Das Brennstoffelement ist entworfen, um einen ausgezeichneten thermischen Kontakt zwischen der Umhüllung und dem Brennstoffmaterial, eine minimale Menge parasitärer Neutronenabsorption und Beständigkeit gegen Verbiegen und Vibration bereit zu stellen, die gelegentlich durch das mit hoher Geschwindigkeit strömende Kühlmittel verursacht werden.
Ein Kernbrennstoffelement oder -stab 14, der gemäß den Lehren dieser Erfindung konstruiert ist, ist in einem Teilschnitt in 1 gezeigt. Das Brennstoffelement schießt einen Kern oder zentralen zylindrischen Abschnitt aus Kernbrennstoffmaterial 16 ein, der hier als eine Vielzahl von Brennstoffpellets oder spaltbaren und/oder Brut-Materialien gezeigt ist, die in einer strukturellen Verbundumhüllung des Behälters 17 angeordnet sind. In einigen Fällen können die Brennstoffpellets von verschiedenen Gestalten sein, wie zy lindrischen Pellets oder Kugeln. In anderen Fällen können verschiedene Brennstoffformen, wie teilchenförmiger Brennstoff, benutzt werden. Die physikalische Form des Brennstoffes ist für diese Erfindung nicht von Bedeutung. Verschiedene Kernbrennstoffmaterialien können benutzt werden, die Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und deren Mischungen einschließen. Der bevorzugte Brennstoff ist Urandioxid oder eine Mischung, umfassend Urandioxid und Plutoniumdioxid. Nun auf 2 bezugnehmend, ist das Kernbrennstoffmaterial 16, das den zentralen Kern des Brennstoffelementes 14 bildet, von einer Verbundumhüllung 17 umgeben, die in dieser Erfindung auch als Verbundumhüllungs-Behälter bezeichnet wird. Der Verbundumhüllungs-Behälter, der allgemein von lang gestreckter Gestalt ist, schließt den spaltbaren Kern ein. Ein Spalt 23 ist gegebenenfalls zwischen dem Kern und der Verbundumhüllung 17 vorhanden und er kann, braucht aber nicht vorhanden zu sein. Der Verbundumhüllungs-Behälter hat ein äußeres Substrat oder einen äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt 21, ausgewählt aus konventionellen Umhüllungsmaterialien, wie korrosionsbeständigem Stahl und Zirkoniumlegierungen. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist der äußere metallische rohrförmige Abschnitt 21 eine Zirkoniumlegierung, wie Zircaloy-2, die derzeit die bevorzugte Legierung im äußeren Abschnitt ist, Zircaloy-4 und andere Zirkoniumlegierungs-Verbesserungen. Metallurgisch gebunden an den äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt des Behälters ist eine innere metallische Sperre. Diese innere metallische Sperre ist angeordnet, um Kontakt zwischen dem Kernbrennstoff und dem äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt zu verhindern. Die innere metallische Sperre ist aus kommerziell reinem Zirkonium zusammengesetzt, das mit Eisen (Fe) mikrolegiert ist. Die Menge des Fe ist sorgfältig kontrolliert, um nicht unter einem unteren Wert von 850 Teilen pro Million (ppm) zu liegen und einen oberen Wert von 2500 ppm nicht zu übersteigen. Wie in der US-PS 4,200,492 ausgeführt, ist die Herstellung von kommerziell reinem Zirkonium mit Spurenverunreinigungen bekannt. Der normale Bereich dieser Verunreinigungen schließt Aluminium (Al) in der Menge von 75 ppm oder weniger, Bor (B) in der Menge von 0,4 ppm oder weniger, Cadmium (Cd) in der Menge von 0,4 ppm oder weniger, Kohlenstoff (C) in der Menge von 270 ppm oder weniger, Chrom (Cr) in der Menge von 200 ppm oder weniger, Kobalt (Co) in der Menge von 20 ppm oder weniger, Kupfer (Cu) in der Menge von 50 ppm oder weniger, Hafnium (Hf) in der Menge von 100 ppm oder weniger, Wasserstoff (H) in der Menge von 25 ppm oder weniger, Magnesium (Mg) in der Menge von 20 ppm oder weniger, Mangan (Mn) in der Menge von 50 ppm oder weniger, Molybdän (Mo) in der Menge von 50 ppm oder weniger, Nickel (Ni) in der Menge von 70 ppm oder weniger, Niob (Nb) in der Menge von 100 ppm oder weniger, Stickstoff (N) in der Menge von 80 ppm oder weniger, Wolfram (W) in der Menge von 100 ppm oder weniger, Silicium (Si) in der Menge von 120 ppm oder weniger, Zinn (Sn) in der Menge von 50 ppm oder weniger, Titan (Ti) in der Menge von 50 ppm oder weniger und Uran in der Menge von 3,5 ppm oder weniger ein. Die Praxis nach dem Stande der Technik hat Fe als ein Spurenelement behandelt, das in der Menge von 1500 ppm oder weniger vorhanden sein kann.
Die Feststellung dieser Erfindung war, dass durch Kontrollieren der Menge von Fe als einem mikrolegierten Zusatz zu dem kommerziell reinen Zirkonium eine innere metallische Sperre hergestellt werden kann, die einen nützlichen Ausgleich. zwischen Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion und Beständigkeit gegen Korrosion hat, der zur Herstellung einer verbesserten Legierung führt. Eisen war in der Vergangenheit als ein Spuren- oder Begleitelement vorhanden, wobei die Eisenmenge nur als eine maximal zulässige Menge kontrolliert wurde, sodass erratische Resultate in der Leistungsfähigkeit auftraten, weil es keine Erkenntnis der Kontrolle der Menge des Eisens innerhalb der durch die vorliegende Erfindung festgelegten Grenzen gab, um den verbesserten nützlichen Ausgleich zwischen der Beständigkeit zwischen Spannungsrisskorrosion und Korrosion zu erzielen.
Es wurde festgestellt, dass die Korrosionsbeständigkeit und die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion von kommerziell reinem Zirkonium durch Mikrolegieren mit Fe in den Mengen von etwa 850 ppm bis etwa 2500 ppm ausgeglichen werden kann. Die üblichen Verunreinigungen, wie sie oben genannt sind, können in den früher festgelegten Mengen verbleiben, ohne die nützlichen Aspekte der vorliegenden Erfindung zu beeinträchtigen.
Nun auf die 3 und 4 bezugnehmend, wird die Korrosionsbeständigkeit von Zr in Beziehung gesetzt zu dem im Zr vorhandenen Fe-Gehalt. 3 ist eine graphische Darstellung der Korrosionsbeständigkeit von Zirkonium, das verschiedene Mengen des Fe-Gehaltes aufweist, gemessen durch Gewichtszunahme über eine Zeitdauer in 400°C (750°F)-Dampf, wie durch einen modifizierten Test festgelegt, der auf dem ASTM G2-Dampftest beruht. Die Modifikation besteht in der Ausdehnung der Zeit des ASTM G2-Dampftests. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkung der Erhöhung des Eisengehaltes auf die Korrosionsrate von Zr in 400°C-Dampf zeigt. Es gibt eine Beziehung zwischen Fe-Gehalt und der Korrosion von Zr in 400°C-Dampf. Zwischen etwa 100 und 400 ppm Fe fällt die Korrosionsrate des Zr von etwa 35 mg/dm²/Tag auf etwa 15 mg/dm²/Tag. Bei etwa 800 ppm bis etwa 850 ppm Fe ist die Korrosionsrate signifikant verringert, sie zeigt einen Abfall, der sich asymptotisch 0 nähert. Wie durch 3 gezeigt, verringern kleine Zunahmen an Eisen von etwa 360 ppm bis 940 ppm die Korrosion des Zr signifikant. Oberhalb etwa 940 ppm, obwohl die Zunahme des Fe-Gehaltes die Korrosionsbeständigkeit des Zr leicht verbessert, ist die Verbesserung eine ver mindernde Funktion des erhöhten Fe. Es scheint, dass die Sättigung der Korrosionsraten-Verbesserung bei etwa 1500 ppm auftritt. Es ist daher wichtig, die Fe-Mengen im Zr oberhalb der Minimalmengen von etwa 850 ppm und vorzugsweise oberhalb etwa 1000 ppm und am bevorzugtesten oberhalb etwa 1500 ppm zu halten, um den Vorteil der Korrosionsbeständigkeit des mikrolegierten Fe zu erhalten. Wenn die Menge des mikrolegierten Fe in Zr unter etwa 850 ppm fällt, dann beginnt sich die Korrosionsbeständigkeit der inneren Sperre dramatisch zu verschlechtern. Es ist somit ersichtlich, dass die Lebensdauer einer inneren Sperre, die weniger als die kritische Menge von Fe enthält, verkürzt sein wird, was zu einem Versagen führt.
Bezugnehmend auf 5 steht die Beständigkeit von Zr gegen Spannungsrisskorrosion ebenfalls in Beziehung zum Fe-Gehalt des Zr. Die Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrisse wird gemessen durch einen Test, der einen sich expandierenden Dorn in einer Jodumgebung benutzt. Der Test simuliert die Fähigkeit eines Brennstoffstabes, dem Versagens-Mechanismus innerhalb des Reaktors zu widerstehen, der Pellet/Umhüllungs-Wechselwirkung (PCI) genannt und als PCI-Beständigkeitstest bezeichnet wird. Der Test wird ausgeführt unter Benutzung eines expandierenden Rampen- und Haltedornes bei einer 4%-igen Dehnungsrate bei 315°C (662°F). Es gibt keinen Standard-Industrietest, obwohl verschiedene Tests in der Industrie benutzt werden. Die Inhaberin der vorliegenden Erfindung hat festgestellt, dass der expandierende Dorn-Test, wie er oben genannt wurde, zwischen variierender Empfindlichkeit von Legierungen für Spannungsrisskorrosion unterscheiden kann. Wenn die Spannungs-Dehnungs-Bedingungen, die durch verschiedene Industrietest-Techniken erzeugt werden, tatsächliche Brennstoffstab-Bedingungen reflektieren, dann sollte eine ähnliche Unterscheidung aus solchen Tests resultieren. 5 und die Daten von Tabelle 1 zeigen, dass bei und unterhalb etwa 1000 ppm Fe die PCI-Beständigkeit perfekt ist, was be deutet, dass keine Tests ein Versagen erzeugten. Hei etwa 1500 ppm Fe gibt es einen Übergang zu einer abnehmenden PCI-Beständigkeit. Bei etwa 3000 ppm Fe erzeugten 60% der Tests ein Versagen, was ein unbefriedigendes Resultat ist.
Tabelle 1
Aus diesen beiden Tests ist ersichtlich, dass selbst bei ausgezeichneter Rissbeständigkeit unterhalb etwa 850 ppm Fe die Korrosionsbeständigkeit bei diesem Fe-Niveau unakzeptabel ist. Bei 850 ppm Fe oder darüber ist das Korrosionniveau akzeptabel. Bei etwa 1500 ppm Fe beginnt sich die Rissbeständigkeit zu verschlechtern und neigt zu unakzeptablen Niveaus, obwohl die Korrosionsbeständigkeit ausgezeichnet ist. Obwohl eine geringe Menge des Reißens bei etwa 2000 ppm Fe stattfinden kann, ist dieses tolerierbar, da es nicht von Korrosion begleitet wird, was einen kombinierten Versagensmechanismus ergeben würde, der das Versagen des Sperrenschutzes verschlimmern würde. Die Rissbeständigkeit nimmt weiter ab und, wie aus den graphischen Darstellungen der 5 und 6 ersichtlich, wird sie unakzeptabel im Fe-Bereich zwischen etwa 2500 und 3000 ppm.
6 ist eine graphische Darstellung, die sowohl die Korrosionsrate als auch die PCI-Beständigkeit als eine Funk tion des Fe-Gehaltes der Sperre abbildet. Aus dieser graphischen Darstellung ist ersichtlich, dass Fe in einem Bereich von etwa 1000 bis etwa 2000 ppm sowohl akzeptable Korrosionsraten als auch tolerierbare PCI-Beständigkeit erzeugt. Bezugnehmend auf Tabelle 1 und 3–6 schließt, da eine geringe Zunahme im PCI-Reißen toleriert werden kann, eine andere Ausführungsform der Erfindung Fe im Bereich von etwa 850–2000 ppm, mikrolegiert mit kommerziell reinem Zr, ein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist Fe im Bereich von etwa 1000–2000 ppm eingeschlossen. Die bevorzugteste Ausführungsform schließt 1000 ± 150 ppm Fe mikrolegiert mit Zr ein. Das mit Fe mikrolegierte Zr behält die Duktilität, die für eine innere metallische Sperre erwünscht ist. Da das Fe in mikrolegierten Mengen kontrolliert ist, behält es die geringe Neutronenabsorptions- und guten Wärmeübertragungs-Eigenschaften und ist hoch beständig gegen Strahlungshärtung. Idealerweise ist das mit Fe mikrolegierte Zirkonium metallurgisch an den äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt 21, vorzugsweise Zircaloy-2, gebunden, doch ist es rekristallisiert mit einer Korngröße im Bereich von ASTM 9 bis ASTM 12. Die innere metallische Sperre 22 umfasst typischerweise und bevorzugt zwischen etwa 10% bis etwa 20% der Gesamtdicke der Verbundumhüllung 17. Die Dicke der inneren metallischen Sperre 22 kann jedoch außerhalb dieses vorgeschriebenen Dickenbereiches variiert werden, solange weder die Integrität des äußeren metallischen rohrförmigen Abschnittes 21 noch die Fähigkeit des inneren metallischen Abschnittes 22, wie eine Sperre zu wirken, beeinträchtigt wird. Die Verbundumhüllung 17 kann nach irgendeinem der bekannten Verfahren des Standes der Technik zum Verbinden einer inneren Sperre aus Schwammzirkonium mit einer äußeren Sperre aus, z.B., korrosionsbeständigem Stahl oder Zircaloy, hergestellt werden.

Claims

Kernbrennstoffelement (10), umfassend: einen zentralen Kern aus einem Körper aus Kernbrennstoffmaterial (16), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Verbindungen von Uran, Plutonium, Thorium und deren Mischungen, sowie einem langgestreckten Behälter (17), der eine hohle zentrale Bohrung aufweist, wobei der Behälter (17) aus einem äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt (21) und einer inneren metallischen Sperre (22) zusammengesetzt ist, die metallurgisch an den äußeren metallischen rohrförmigen Abschnitt (21) gebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die innere metallische Sperre (22) eine rissbeständige Materialkombination aufweist, bestehend im wesentlichen aus kommerziell reinem Zirkonium, das mit Eisen im Bereich von 850–1500 ppm mikrolegiert ist, Rest Zirkonium und übliche Verunreinigungen.
Kernbrennstoffelement (10) nach Anspruch 1, worin die innere metallische Sperre (22) Eisen im Bereich von 1000–1500 ppm beinhaltet, das mit Zirkonium mikrolegiert ist.
Kernbrennstoffelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin die innere metallische Sperre (22) umkristallisiert ist und eine Korngröße im Bereich von ASTM 9 bis ASTM 11 aufweist.
Kernbrennstoffelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, worin die innere metallische Sperre (22) umkristallisiert ist und eine Korngröße im Bereich von ASTM 9 bis ASTM 12 aufweist.
Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, worin das mit Eisen mikrolegierte Zirkonium Zircaloy-2 ist.
Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1 oder 5, worin die innere metallische Sperre (22) 10 bis 20% der Gesamtdicke des Verbundbehälters (17) einnimmt.
Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, worin die mit Eisen mikrolegierte Zirkoniumlegierung eine Pellet/Umhüllungs-Wechselwirkungsbeständigkeit beim Testen bei 315°C mit einer maximalen Versagensrate von etwa 10% und eine maximale Korrosionsrate in 400°C-Dampf, gemessen mit dem modifizierten ASTM G2-Dampftest, von etwa 2 mg/dm²/Tag aufweist und übliche Verunreinigungen von Al in der Menge von 5 ppm oder weniger, B in der Menge von 0,4 ppm oder weniger, Cd in der Menge von 0,4 ppm oder weniger, C in der Menge von 270 ppm oder weniger, Cr in der Menge von 200 ppm oder weniger, Co in der Menge von 20 ppm oder weniger, Cu in der Menge von 50 ppm oder weniger, Hf in der Menge von 100 ppm oder weniger, H in der Menge von 25 ppm oder weniger, Mg in der Menge von 20 ppm oder weniger, Mn in der Menge von 50 ppm oder weniger, Mo in der Menge von 50 ppm oder weniger, Ni in der Menge von 70 ppm oder weniger, Nb in der Menge von 100 ppm oder weniger, N in der Menge von 80 ppm oder weniger, W in der Menge von 100 ppm oder weniger, Si in der Menge von 120 ppm oder weniger, Sn in der Menge von 50 ppm oder weniger, Ti in der Menge von 50 ppm oder weniger und U in der Menge von 3,5 ppm oder weniger beinhaltet.