NO144088B - Kjernebrenselelement. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører brenselelementer oppbygget av keramiske pellets, av den type som i dag er i vanlig bruk i kraftproduserende kjernereaktorer. Et typisk brenselelement

av denne type består av flere korte, sylindriske pellets av sintret keramisk brenselmateriale, vanligvis oksyder av de spaltbare metaller. Disse brenselpallets er stablet på hver-andre for dannelse av en lang, kontinuerlig søyle. Pellets-søylen er kapslet inn i et tettsittende rør av et egnet metall eller en metallegering. Begge ender av *øret er sammensveiset med endeplugger. Vanligvis befinner det seg også en gass, hovedsaklig helium, i brenselelementet til varmeoverførings-formål.

Oppfinnelsen vedrører spesielt brenselelementer

for lettvannsreaktorer. De to varianter, den kokende reaktor og trykkvannreaktoren dominerer som energiproduserende syst-emer blant de i dag vanlige kjernereaktorer.

Selv .om driftserfaringene med f.eks. brenselelementer i lettvannsreaktorer er gode, så står man allikevel frem-deles overfor enkelte alvorlige problemer i forbindelse med sikkerheten og påliteligheten, særlig under visse driftsfor-hold og under visse forutsatte uhell-betingelser.

De forekommende defekter har en slik utstrekning og er av en slik art at en fortsatt drift ofte vil være vanskelig eller umulig, særlig ved store brenselvarmeyteIser, store brensel-oppbrenningsnivåer og sterk øking av brenselvarme-ytelsen. I den senere tid har man derfor senket den maksimale varmeytelse til reaktorene og innført visse restriksjoner i driften.

Økede sikkerhetskrav krever også lavere brenselvarme-ytelser,men krever samtidig den best mulige varmeoverføring mellom pellet og dekklag for derved å minimalisere mengden av lagret energi i brenselelementet.

Foråt de skal ha noen praktisk betydning må for-bedringer med hensyn til brenselelementets driftspålitelighet samtidig tilfredsstille de økede sikkerhetskrav. Foreliggende oppfinnelse tar utgangspunkt i denne forutsetning.

Oppfinnelsen tar hensyn til de mer alvorlige brensel-elementdefekter som kan skje under normal drift og foreslår et modifisert brenselelement hvorved man effektivt kan redusere utviklingen av slike effekter. Samtidig tilfredsstiller det modifiserte brenselelement de økede sikkerhetskrav. Man tar også sikte på å øke visse sikkerhetsforanstaltninger ved brenselelementet.

En aktuell defekt er utviklingen av små sprekker som forplanter seg gjennom dekklaget. Disse små sprekker skyldes mekanisk innbyrdes påvirkning mellom brenselpellet og dekklag. En annen aktuell defekt er den som gjør seg bemerkbar som en lokal aksial deling av søylen eller pelletsstabelen i to deler, hvorved det dannes en åpning som kan ha en størrelse på flere centimeter. Oppfinnelsen er også utviklet under hensyntagen til andre fenomen som påvirker påliteligheten, slik det vil gå frem av det etterfølgende.

Sprekkdannelse resulterer i frigjøring av radioaktive spaltningsprodukter til kjølevannssystemet. Kjølevannssystemet blir derved smittet og det foreligger en mulighet for radioaktiv lekkasje til omgivelsene. Forekomsten av skillesprekker kan bety at reaktordriften ikke kan fortsette med de ønskelige sikkerhetsmarginer. Slike defekter kan derfor medføre meget store ulemper og kreve dyre tiltak for feilrettinger. Dette gjelder både for reaktoreierne og for brenselfabrikantene.

Grunnen til at slike defekter oppstår er'vel kjent

og er beskrevet i litteraturen. Den relevante skademekanisme er derfor nedenfor bare omtalt i den grad som det er nødvendig for å forstå oppfinnelsen.

Mekanisk interaksjon mellom pellets og dekklag skjer under drift over et visst energinivå for brenselelementet og kan resultere i høye spenninger og plastisk deformering av dekklaget, dvs. røret. Disse spenninger vil være særlig far-lige når elementets varmeytelse plutselig økes betydelig over et tidligere konstant energinivå. Sprekkene i dekklaget be-gynner i fra rørets indre flate og går ut i fra de områder som utsettes for de høyeste spennings<p>åkjenninger og de største deformasjoner når pelletsene ekspanderer termisk under energi-økingen. Særlig utsatte områder er vulstene (omløpende rygger) som er utformet på dekklagrøret i skjøtene mellom pelletsene på grunn av den timeglassform som pelletsene har en tendens til å innta. Sprekkdahnelsémekanismen krever høy friksjon mellom pellet og dekklag for å vanskeliggjøre gliding i kontaktsonen. Det resulterer i høye lokale spenninger, særlig de i meget begrensede områder av det indre av dekklagrøret som ligger tett inntil og overfor en utvidende sprekk i pelleten. Dekklagmaterialets evne til å motstå slik ekstreme lokale deformasjoner er begrenset og er dessuten meget redusert, særlig når det gjelder sirkoniumlegeringer, som følge av sprøhetsdann-elsen i materialet som et resultat av reaktorstrålingen. Tilstedeværelsen av kjemisk aktive spaltningsprodukter, såsom jod, og urenheter, såsom fluor, kan lette begynnelsen av sprekker i dekklaget ved såkalt spenningskorrosjon.

Spenningsmønsteret ved dannelsen av slike dekklagbrudd er ofte av den biaksiale type, med den omkretsorienterte spenningskom-ponent som den fremherskende. Sprekkene forplanter seg derfor vanligvis i rørets lengderetning.

Denne type av mekanisk interaksjon blir særlig ut-preget ved relativt store utbrenningsnivåer, f.eks. rundt 10.000 MWD/tu (megawatt dager pr. tonn uranium). For å minimalisere størrelsen av defektdannelser tar man derfor visse forsiktighetstiltak under driften. Størrelsen og området til energiøkninger begrenses til et minimum og energivariasjoner unngås som hovedregel. Slike restriksjoner er naturligvis uønskede utifrå et driftssynspunkt.

Den foran nevnte skilledefekt i pelletssøylen kan skyldes en fortetning eller sintring av pelletsene i reaktoren. Den skadelige virkningen til denne defekt skyldes hovedsaklig at man får lokale energitopper ved pelletsåpningen som kan forstyrre den etablerte sikkerhetsmargin. Under påvirk-ningen av det høye kjølemiddeltrykk kan røret også presses inn i eller bryte sammen i pelletssøylens aksiale åpning.

Dette resulterer i en utilsiktet lokal energiøking. Som følge av den lokale deformering kan dekklagmaterialet brytes i stykker i området som følge av sammenklappingen.

Slike defekter kan også skyldes andre fenomen enn fortetning, f.eks. "strekking" og "tilvekst", hvilke fenomen begge primært opptrer som en lengdeøking av dekklaget ved lengre tids reaktordrift. Denne lengdeøking kan til slutt nå uakseptable størrelser. Under den fortsatte lengdeøking vil en del av den innelukkede rbelletssøyle kunne tas med, hvorved det dannes en aksial, lokal åpning i søylen.

Ved opptredelsen av en slik adskillelse kan det også forekomme en liten, men gjentatt bevegelse eller nedfalling av pellets inne i dekklagrøret i den del av pelletssøylen som ligger under åpningen, slik at denne del progressivt pakkes og åpningen blir større.

Skilledefekter som skyldes fortetning finner sted allerede ved moderate utbrenningsnivåer og påvirker sikkerhets-statusen på en meget ufordelaktig måte. Det kan derfor ikke aksepteres dersom de relevante sikkerhetsmarginer allerede er fullt utnyttet ved spesifiserte driftsenerginivåer.

Oppfinnelsen tar sikte på å påvirke de nevnte skade-mekanismer i en slik grad at de elimineres eller ialt vesentlig hindres i å oppstå.

Ifølge oppfinnelsen utformes kapslingsrøret med en sylinderfbrmet innerflate med minst 8 aksialt forløpende, innbyrdes parallelle og over omkretsen avstandsplasserte ribber som rager radielt innover, idet den radielle dimensjon av ribbene innover fra den sylinderformede innerflate i kapslingsrøret maksimalt er ca. 0,1 mm og ribbene har en innbyrdes avstand tilstrekkelig til å unngå at sprekker i kjernebrenselet oppstår på de steder kjernebbenselet står i intim kontakt med kapslingsrørets innerflate, og idet den ytre sylindriske flate av de nevnte legemer sammen med innerflaten i kapslingsrøret danner et ringrom hvis bredde ligger i området fra omtren lig ribbenes radielle dimensjon og til ca. 0,15 mm, for derved å minimalisere dannelsen av spennings-konsentrasjoner i kapslingsrørets vegg.

Fra fransk patentskrift nr. 2 039 394 er det kjent en spesiell kjerne som er omgitt av et fisilt materiale i pulverform. Rundt det hele er det en tradisjonell kapsling i form av et metallrør. Ved denne kjente type brenselelement oppstår overhode ikke de problemer som ligger til grunn for foreliggende oppfinnelse. Disse problemer er intimt forbundet med kjernebrenselelementer for kraftreaktorer, hvor keramiske, sylindriske kjernebrensellegemer av den sintrede type tettsluttende omgis av sylindriske kapslingsrør av metall eller metall-legering. Det er ved slike typer kjerne-brenselelemenber de problemer oppstår under drift, som foreliggende oppfinnelse har til formål å løse. Problemene består i interaksjon mellom kjernebrensel og kapsling, hvilket er betinget av det keramiske kjernebrensels oppførsel under drift. De keramiske kjernebrensellegemer er således ikke di-mensjonsbestandige i forbindelse med bestrålingen, og endring-ene i kjernebrensellegemenes ytterdimensjoner gjenspeiler seg i negativ påvirkning på den omgivende kapsling. I kjernebrenselet ifølge fransk patentskrift nr. 2 039 394 foreligger det ingen skadelig interaksjon mellom kjernebrenselkjernen og omgivende kapsel. Det skyldes at det mellom disse to kompo-nenter foreligger en ringformet spalte som fylles av et spaltbart kjernebrenselpulver. De distanseelementer som forekommer mellom kjernebrenselskjernen og kapslingen i den kjente ut-førelse har således utelukkende til funksjon å definere den ringformede spalte hvori fisilt spaltbart pulver forefinnes. Disetanseelementene har derimot ikke som funksjon å løse mekaniske interaksjonsproblemer av den type som foreligger i kjernebrenselelementer av den type som foreliggende oppfinnelse vedrører.

Oppfinnelses skal beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor

fig. 1 viser et typisk brenselelement for en lettvannsreaktor, i lengdesnitt,

fig. 2 viser et forstørret tverrsnitt gjennom brenselelementet i fig. 1,

fig. 3-5 viser detaljer av forskjellige utførelser av røret, og

fig. 6 og 7 viser i forstørrede utsnitt forholdene rundt overgangsområdene mellom to kjernebrenselpellets i forbindelse med en utførelsesform av brenselelementet.

Uttrykket "tverrsnitt" slik det er brukt her, betyr et snitt gjennom elementet eller røret i et plant, perpendiku-lært på brenselementets senterlinje.

Brenselelementet i fig. 1 svarer i alle detaljer, med unntagelse av avstandselementene på innsiden av røret til et standard brenselelement for en lettvannsreaktor. De sintrede pellets 3 i den innkapslede søyle er således senter-løst slipt til en meget nøyaktig diameter, vanligvis innenfor et toleranseområde på 0,010 mm, og pelletsdiameteren ligger innenfor 8-12 mm, avhengig av den aktuelle konstruksjon. Pellet-høyden kan variere fra 8-20 mm og erideflåtene på pelletsene er ofte utført konkave eller tallerkenformet for å minimalisere den aksiale ekspansjon i pelletssøylen. Den totale søylehøyde er meget betydelig, vanligvis rundt ca. 4 m. Dekklagrøret 1

er fremstilt av en sirkoniumlegering, og det samme er de to endepluggene 4 og 8. Endepluggene har aksiale fremspring i form av tapper 6 og 10. Tappene 6 og 10 har til o<p>pgave å holde brenselelementet i en fiksert stilling i rekatoren på konvensjonell måte. Røret 1 passer rundt pelletshøyden med en viss radiell klaring i kold tilstand. Denne klaring ligger innenfor ca. 0,07 til 0,15 mm.

I det etterfølgende refereres !det alltid til den nominelle kolde klaring mellom den sirkulære, nominelle inner-omkrets til røret, uten hensyn til avstandselementene, og den ytre sylindriske flaten til brenselpelletsene. Disse nøy-aktige, små klaringer er ønskelige for å minimalisere temperaturfallet under drift og samtidig unngå en mer alvorlig mekanisk interaksjon, som representerer en potensiell kilde for driftsproblemer i et konvensjonelt lettvannsreaktor-brenselelement. Under drift vil den nevnte klaring lukke seg mer eller mindre, avhengig av den aktuelle varmeytelse og utbrenningsgrad. Ofte danner det seg omløpende rygger på dekk-lagsflaten på de stedene hvor pelletsskjøtene er, som følge av mekanisk interaksjon og deformering av de enkelte pellets (timeglass-dannelse). I alvorlige tilfeller får man ved disse rygger brudd i dekklaget i de konvensjonelle brenselelementer. For å bedre varmeoverføringen fylles ofte heliumgass i det volum som klaringen gir i brenselelementet. Ved brenselelementer for kokvannsreaktorer settes heliumgassen under trykk for å hindre en tidlig nedkryping av røret på pell-etssøylen under drift.

I fig. 1 er det sørget for et rom 14 som kan oppta frigjort spaltningsgass og overskudd av heliumgass. I dette rommet er det også anordnet en fjær 12 som virker på pellets-søylen. Fjæren 12 har til formål å holde brenselpelletsene på plass under transport og håndtering av brenselelementet, men den kan ikke hindre en aksial pelletsskilling under drift.

De utragende deler av avstandselementene på inner-siden av røret, hvilke elementer fordelaktig er utført i ett med røret, er hensiktsmessig utformet som aksialt forløpende, innbyrdes parallelle ribber 5, f.eks. som vist i fig. 2. Disse avstan selementene strekker seg i form av aksiale eller i rørets lengderetning forløpende ribber over hele lengden av røret, ihvertfall over den delen av rørlengden som opptas av pelletssøylen. Innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse kan man naturligvis benytte andre utførelser av avstandselementene, f.eks. flere hensiktsmessige anordnede fremspringende vorter. Den mer detaljerte utførelse av rørets innvendige profil kan

i hvert enkelt tilfelle tilpasses flere mulige utførelser under fremstillingen.

Med unntagelse av disse avstandselementer 5 som befinner seg på innsiden av røret 1, er brenselelementet utført lik de tidligere kjente brenselelementer. Av geometriske grunner må derfor den radielle høyden til avstandselementene maksimalt være lik den normale, kolde klaring, f.eks. ca. 0,1 mm og fortrinnsvis ikke mer enn ca. 0,05 mm, for at man skal oppnå et akseptabelt temperaturfall over denne resterende klaring under full drift. En praktisk nedre grense for den radielle høyde for avstandselementene er ca. 0,005 mm. Parad-oksalt vil tilstedeværelsen av avstandselementene tillate en vesentlig reduksjon av den normale, kolde klaring ned til omtrent halvparten eller sogar mindre. Gjør man det, kan man oppnå en vesentlig forbedring i varmeoverføringen. Også formen til iavstandselementene blir viktig for varmeoverføringen og fordelingen av interaksjonskreftene. Formen må også tilpasses den valgte fremstillingsteknikk, fortrinnsvis til den rørtverrsnittreduseringsteknikk som benyttes, med valsing av en dor. Tverrsnittsprofilen til et enkelt avstandselement kan ha forskjellige former, slik det går frem av fig. 2-5. Fig. 2 viser således avstandse^menter 5 som i tverrsnitt har trapesform. Fig. 3 viser avstandselementene i fig. 2 i større målestokk, og man ser at hvert avstandselement 5 er avrundet ved trapesets grunnlinje og har en innoverrettet plan topp-flate.

Fig. 4 viser i større målestokk en detalj av et rør

1 ifølge oppfinnelsen. I dette utførelseseksempelet er de langsgående avstandselementer 5 i tverrsnitt gitt en form som svarer til et sirkelsegment dannet mellom den sirkulære inner-omkretsen til røret 1 og en kårde trukket gjennom sirkelen.

En slik utførelse er av spesiell interesse på grunn av det faktum at den muliggjør små toleranser med hensyn til ribbenes radielle høyde som følge av høydens geometriske avhengighet av ribbenes omkretsbredde som er vesentlig større og derfor kan utføres med større nøyaktighet under fremstillingen av røret. Det betyr at det tverrsnitt som er vist i fig. 4 er særlig anvendbart innenfor det lavere område for avstandselementenes eller ribbenes radielle høyde, dvs. under ca. 0,02 mm.

Fig. 5 viser en utførelse hvor avstandselementene

5a, 5b har ulike tverrsnittsprofiler i ett og samme rør. Hvert tredje avstandselement 5a i fig. 5 har en relativ smal og høy profil, slik at det har liten motstand mot deformasjon og derfor har maksimal aksial fiksering mot pelleten. De mellomliggende avstandselementer 5b har en relativ bred og lav profil som gir bedre motstand mot deformasjon og forbedrer varemeover-føringen fra kjernebrenselet og til røret.

Sett i tverrsnitt kan avstandselementene ved basisen eller grunnlinjen ha f.eks. en utstrekning som svarer til omtrent halvparten av veggtykkelsen til røret, men også andre dimensjoner kan benyttes. Kontaktlinjen mellom tverrsnittsprofilen og de hosliggende brenselpellets kan ha en bredde som er avhengig av profilformen og deformasjonsgraden til tverrsnittsprofilen under drift. Antall avstandselementer på innsiden av røret kan variere innenfor relativt vide grenser.

Når det gjelder aksialt forløpende ribber av den type som f.eks. er vist i fig. 2-6, vil en praktisk nedre grense være tre ribber, fordi dette er det minste antall ribber som vil gi en sentrering av kjernebrenselpelletsene i røret. Dette minimumsantall krever naturligvis en jevn fordeling av ribbene langs omkretsen. Det kan benyttes et varierende antall ribber avhengig av fremstillingsteknikken, ribbenes radielle høyde, ribbenes tverrsnittsform etc. Et praktisk område for de fleste formål, under hensyntagen til også fordeling av inter-aksjonskrefter og varmeoverføring, er 8 til 64 ribber. Et fore-trukket område er 12 til 36, og et særlig anvendbart område er 16 til 32.

For å optimalisere varmeoverføringen mellom brensel-et og røret er det ønskelig ikke å bare arbeide med så lite gap eller klaring som mulig, men også ha ha et visst kontakt-område mellom ribbene og pelletsene. I denne forbindelse har man funnet at omkretsbredden til kontaktflaten mellom hver ribbe og pellet bør ha en minimumsverdi på ca. 0,1 mm. Dette er den ønskede minimale verdi når den bare tar hensyn til kontaktflaten mellom ribben og pelleten og under drift kan denne verdi være vesentlig høyere.

Avstandselementer utført og anordnet i samsvar med oppfinnelsen påvirker betingelsene for det mekaniske samvirke under drift mellom pellet og rør på en måte som hindrer skader i flere henseender. Særlig gjelder at aksialt forløparide avstandselementer (ribber) som er orientert parallelt med hver-andre, gir utpregede fordeler og derfor utgjør foretrukne ut-førelser. I det følgende utdypes oppfinnelsen nærmere med henvisning til slike utførelser.

Avstandselementenes påvirkning på brenseloppfør-selen skal først betraktes i forbindelse med den begynnende kontakt mellom pellet og rør når brenselelementets varmeytelse heves. Sammenlignet med et rør uten innvendig avstandselementer og med samme klaring vil den mekaniske kontakt begynne på et lavere energinivå. Jo større høyden på avstandselementene er, desto lavere blir energikontakten. Det aktuelle høydemål innstilles hensiktsmessig slik at mekanisk kontakt med en viss plastisk deformering av avstandselementene oppnås ved normal driftenergi. Man må her ha for øye at ved konvensjonelle brenselelementer for lettvannsreaktorer tar man bare sikte på å oppnå en minimal mekanisk interaksjon mellom pellet og rør. Et tverrsnitt og et lengdesnitt av avstandselementer som er deformert på denne måte er vist skjematisk i fig. 6 og 7. Av tverrsnittet i fig. 1 går det klart frem at profilen til avstandselementet 5 underkastes en viss begrenset plastisk deformasjon, inntyrkking, som følge av at kontakt-trykket til å begynne med er høyere enn kompressjonsstyrken til materialet i avstandselementet. Med økende avflating vil kompressjonsmotstanden hurtig øke på grunn av profilformen,

og fortsatt avflating hindres derfor progressivt. Lengde-snittet i fig. 7 viser røret 1 ved to pelletskjøter og man ser at hver brenselpellet deformerer avstandselementet 5 slik at det blir en markert diskontinuitet 9 i rommet 7 mellom pelletsene 3. Fordelaktig er pelletsene på forhånd forsynt med skrå kanter 11 for å lette en egnet tilforming av denne diskontinuitet 9 som har til hensikt å hindre en aksial relativ bevegelse mellom pellet og rør. Inntrykkingen i den langsgående profil til avstandselementet 5 har klar sammen-, heng med den timeglassform som pelleten inntar. Avstandselementene hindrer lokal direkte kontakt mellom det indre av røret og de skarpe pelletkantene ved pelletsenes endeflater.

I det etterfølgende skal det sees nærmere på den innvirkning som avstandselementene har på den situasjon som vanligvis fører til brudd i røret når en sprekk i det stive keramiske pelletlegeme åpner seg, f.eks. under en plutselig energiøking.

Under drift vil pelletsene 3 underkastes en viss sprekkedannelse som følge av temperaturfallet over pelleten. Et typisk sprekkmønster kan ha flere radielt forløpne sprekker i et tverrsnitt gjennom pelleten 3, som vist i fig. 2. I lengdesnitt gjennom samme pellet kan man også se et antall tverrgående sprekker, men i et mindre antall. Under drift vil alle disse sprekkbaner vide seg ut noe mot omkretsen.

Ved en energiøking vil disse eksisterende pellets-sprekker åpne seg mer, samtidig som nye sprekker kan danne seg. Under slike forhold og når man ikke har avstandselementer,

vil det kunne skje at et brudd i rørmaterialet i de lokalt spenningspåkjente områder like utenfor pelletssprekkåpningen i kontaktsonen. Når man har avstandselementer på innsiden av røret, vil disse imidlertid påvirke sprekkmekanismen på en slik måte at man får en avgjørende forbedring.

Man vil observere at størstedelen av sprekkene i pelleten åpner seg i områdene mellom avstandselementene 5, hvor det ikke forefinnes noen eller bare en ubetydelig kontakt mellom pellet og rør. Se i denne forbindelse fig. 2. En ut-videlse av sprekken kan derfor ikke resultere i lokale spenn-) i ingstopper og deformasjon i det motliggende område av rørets innside. Bevegelsen vil bare ved hjelp av friksjonskrefter overføres til avstandselementene 5 i form av en generell strekking av hele rørseksjonen mellom avstandselementene. En slik absolutt strekking av denne type kan naturligvis absor-beres bedre av rørmaterialet jo lengre avstanden for strekkingen er i forhold til bredden til sprekkåpningen, dvs. jo større avstanden mellom avstandselementene 5 er.

Dessuten gjelder at sprekkåpningene som befinner seg mellom avstandselementene aktiveres til åpning meget lettere enn de få sprekker som befinner seg i kontaktsonen med avstandselementene. De sistnevnte sprekkene må nemlig, i tillegg til rørets deformasjonsmotstand, også overvinne friksjonsmot-standen. Ser man på det tverrgående sprekkmønster i det keramiske brensellegeme så vet man av erfaring at disse sprekker når man ikke har avstandselementer vanligvis ikke gir brudd i rørmaterialet ved energiøking. Årsaken til dette er sann-synligvis at utvidelsen av sprekkene motvirkes av den samtidig forekommende timeglass-dannelse av pelleten.

De destruktive krefter som vanligvis overføres til begrensede områder av røret som et resultat av slike lokale relative bevegelser som følger av den mekaniske interaksjon, motvirkes derfor kraftig og man får derfor små eller ingen skader ved bruk av oppfinnelsen. Dette betyr at også andre fenomen av lignende natur som er forbundet med denne type mekanisk interaksjon, såsom utmatting og spenhingskorrosjon, motvirkes.

Når det gjelder de andre defekter som kan utvikle seg ved gjentatte relative aksiale bevegelser mellom pelletser og rør under drift, eksempelvis pelletsskilling og ab-norm lengdeøking som følge av strekking, vil avstandselementet ha en positiv og enkel forklarbar funksjon. Allerede ved den første energiøking opp til et energinivå hvor mekanisk kontakt oppnås mellom pelletser og avstandselementer vil tverrsnittsprofilen til avstandselementene bli trykket inn i en viss grad, særlig ved pelletsenes skjøter, som tidligere nevnt. Samtidig vil gjennomsnittsvolumet til avstandselementet ved pelletskjøtene forbli det samme eller man får til og med en viss oppskyving i høyden. Mellom endeflatene til pelletsene dannes det derfor skarpe diskontinuiteter (jfr. 9 i fig. 7) eller utragende små plattformer i avstandselementene. Hver enkelt pellet forblir derfor fiksert i aksial stilling og hindres i å bevege seg aksialt i forhold til røret. Antallet av langsgående avstandselementer som er nødvendig for å gi en slik aksial fiksering er meget begrenset, men det bør forefinnes minst tre avstandselementer som er jevnt fordelt over tverrsnittet.

Pelletsene kan nå ikke lenger medvirke i dannelsen av aksiale skilledefekter av den type som er nevnt foran og som skyldes fortetning eller tilvekst. Dessuten hindres også strekking. Når pelletsene er låst aksialt på denne måten vil en ekstra energiøking resultere i aksial strekking av røret under påvirkning av de enkelte pelleter mellom de nevnte plattformer, og strekkingen vil således bli jevnt fordelt langs hele lengden til røret. Når man ikke har avstandselementer foreligger det fare for at den samme strekking vil kunne lok-aliseres til en enkelt del av røret, hvor brudd da kan skje.

Innvendige avstandselementer ifølge oppfinnélsen fører også med seg flere andre viktige fordeler sett ut i fra hensynet til at brenselelementet skal arbeide skikkelig. Således hindres bl.a. en sammenhenging mellom pellet og rør som skyldes en sementeringsvirkning av visse spaltningsprodukter som i vesentlig grad øker friksjonskoeffisienten. Palletfrag-menter hindres dessuten i radiell og utoverrettet forskyvning til direkte intim kontakt med innsiden av røret som et resultat av f.eks. vibrasjoner eller håndtering av brenselelementet når reaktoren stenges. Det har vist seg at slike radielle for-skyvninger av pelletsfragmenter kan føre til ekstra diametral ekspansjon av røret når energien økes. I hovedsaken får man den samme positive effekt med hensyn til radiell svelling av pelletsene som kan skje ved høye utbrenningsnivåer.

De nettopp nevnte fordeler oppnår man allerede ved avstandselementer som bare rager relativt lite ut, dvs. ved høyder på fra 0,001 mm og oppover. Fordelingen av avstandselementene bør være relativt jevn over et gitt tverrsnitt, samtidig som antallet bør være relativt stort, dvs. ca. det samme som det som er optimalt når man dimensjonerer mot de innledningsvis nevnte defekttyper.

Nok en fordel med oppfinnelsen oppnås med hensyn til de små restgapseksjoner mellom pellet og rør og bygger på det faktum atkjemisk aggressive substanser, f.eks. spaltnings-gasser og hydrogenholdige gasser som kan reagere med rør-materialet og har en ødeleggende innflytelse på dette ved spenningskorrosjon eller hydriddannelse, vil oppløses i gapet av den fyllgass som er tilstede, f.eks. helium eller en annen inertgass, hvorved deres kjemiske aktivitet reduseres.

De radielle gapseksjoner som danner langsgående kanaler over hele lengden til brenselelementet, resulterer i en kontinuerlig kommunikasjon for fyllgassen med det såkalte plenumvolum over pelletsstabelen i røret. Ved termisk konvek-sjon etc. i gassgapene, vil denne kommunikasjon bevirke at fraksjoner av fyllgass kontinuerlig strømmer opp og ned i gapet og blander seg med fyllgassen i plenumrommet. Den smittede fyllgass i fra gapene fortynnes derfor og byttes ut med ren fyllgass. På i og for seg ktjent måte kan fyllgassen befris fra smitten, f.eks. fra hydrogengass ved hjelp av en ut-trekkingssubstans i plenumrommet. På samme måten kan fyllgassen bringes til kontakt med andre substanser som tilføres brenselelementet, f.eks. aktivkull, for derved kjemisk å påvirke sammensetningen av fyllgassen. En meget vesentlig fordel av sikkerhetsmessig karakter skyldes disse langsgående kanaler mellom pelletssøylen og røret. Ved en forutsatt LOCA (Loss og coolant accident - en av kjølemediumtap betinget ulykke) sprøytes kjølevann inn i reaktorkjernen for derved å kjøle brenselelementene og hindre en nedsmelting. Den temp-eratur ved hvilken destruksjon eller svelling av brenselelementet finner sted, bestemmer kravene til sikkerhetssystemet. Gasskommunikasjonen langs brenselelementet, som avstandselementene letter, vil på en effektiv måte redusere tendensen til slik ødeleggelse da den kjølte gassforbindelse med plenum-volumet vil hindre en vesentlig trykkoppbygging lokalt langs brenselelementene.

Andre fordeler som oppnås har sammenheng med den radielle sentrering og innretting av senteraksen til pelletsene i forhold til rørets senterlinje, og som muliggjøres av avstandselementene under oppbyggingen av brenselelementet. Dette medfører blant annet en redusering av antall innvendige oppskrapninger og andre skader på rørets innside ved f.eks. fremstilling og øking av energien. Oksydfilmen eller et med hensikt påført overflatebelegg har som oppgave å beskytte materialet i røret mot kjemiske angrep fra spaltningsgassene eller lignende i fyllgassen og denne film eller dette belegg vil forbli intakt i rommet mellom avstandselementene.

Avstandselementenes evne til å beskytte rørets innside mot mekanisk skade som skyldes mindre geometriske unøyaktigheter i pelletsene, tillater større variasjoner i pelletdiameteren, i pelletoverflatenaturen og i pelletformen. Således kan man f.eks. benytte uslepne pellets. Det kan dessuten aksepteres mindre nominelle gap mellom pellet og rør som følge av at man kan tolerere større strekkinger. Dette fører igjen, ganske uventet, til forbedret varmeoverføring, sammenlignet med konvensjonelle brenselelementer, og fører derfor til en senket sentertemperatur for brenselpelletsene. Dette er en fordel ut i fra et sikkerhetssynspunkt.

Avstandselementene vil også begrense den ovale utflating av røret som skjer særlig ved høye driftstrykk. Den ovale utflating kan føre til høyere lokale deformasjoner i de omløpende ryggformas joner ved pelletsskjøtene. Dette kan resultere i strekkingsfenomen og utmattingss<p>enninger. Pga. den kontrollerte mekaniske interaksjon mellom brenselpelletser og rør som avstandselementene gir, vil det også kunne være mulig å gi avkall på den trykksetting som trykkvannsreaktor-brenselelementer krever.

Oppfinnelsen er, selvom den foran stort sett er beskrevet i forbindelse med de problemer man møter ved vann-kjølte brenselelementer, i prinsippet også anvendbar for andre typer brenselelementer, f.eks. brenselelementer som er kledd med rustfritt stål og er beregnet for gasskjølte eller natrium-

kjølte reaktorer.

Avstandselementene utføres hensiktsmessig i ett med røret og kan derfor tilveiebringes under den vanlige rørfrem-stillingen, f.eks. under valsingen eller trekkingen. Den dor som anvendes under disse operasjoner kan f.eks. forsynes med langsgående spor som svarer til tverrsnittet for avstandselementene .

De resultater man hittil har høstet ved fremstilling av rør ifølge oppfinnelsen, bekrefter at konvensjonelle rør-fremstillings- og reduseringsmetoder er velegnet for dette formål. Ved bruk av vanlig ultralydutstyr ved leting av defekter, så som sprekker og oppskrapinger dersom deres høyde og profilskarphet overstiger visse verdier. De dimensjoner og profiler som er foreslått her har man funnet er helt ut aksep-table med hensyn til dette. En sirkelsegmentprofil fore-trekkes (fig. 4).

Oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert ved hjelp av spesielle utførelseseksempler.

Eksempel 1

Et typisk kokvannsreaktor-brensélelement av den type som er vist i fig. 1 og 2 fremstilles ved bruk av vanlige frem-stillingsmetoder. Uraniumoksydpelletser som er anriket til omtrent 2,5% sintres til omtrentlig 95% av den teoretiske tett-het under utnyttelse av en sintringsatmosfære bestående av hydrogen ved ca. 1700^C. Pelletsene blir så slipt senterløst til bestemte dimensjoner og tørket i vakuum før de føres inn i røret.

Rør fremstilt av en zirkoniumlegering - Zircaloy-2 - med en innvendig diameter på 10,70 mm og en veggtykkelse på 0,8 mm fremstilles ved trinnvalsing i et rørreduseringsanlegg. I det siste stikket benyttes en spesiell dor som har 24 små parallelle, langsløpende spor som er maskinert ut i dorover-flaten. De enkelte spor, som er jevnt fordelt over dorens periferi, har alle samme tverrsnitt og har en klokkeformet profil med en dybde på 0,050 mm, en bunnbredde på ca. 0,10 mm og en toppbredde på ca. 0,40 mm. I det siste stikket, hvor man benytter denne spesielle doren, vil røret på sin innerflate forsynes med motsvarende langsgående ribber hvis bredde ved basisen eller grunnlinjen er ca. 0,40 mm og hvis bredde ved toppen er ca. 0,10 mm, med en radiell høyde på 0,050 mm. Boringen i røret sandblåses og avbrennes og inspiseres for mulige defekter såsom sprekker, folder etc. For slike benyttes vanlig ultralydutstyr. Signalmønsteret som skyldes ribbene resulterer i visse bakgrunnsforstyrrelser, men disse er ikke så store at de hindrer en skikkelig detektering av mulige defekter på vanlig måte. Den geometriske utførelse av brenselelementets indre er av vanlig type, dvs. at ringgapet mellom pellet/rør er lik 0,17 mm (uten hensyn til avstandselementenes radielle høyde) og toleransen for gapet er ca. <+> 0,05 mm. Pellethøyden i forhold til pelletdiameteren er lik 1,5.

Etter at pelleten er ført inn i røret sveises røret ved hjelp av endeplugger, også disse fremstilt av Zircaloy-2. For sveisingen benyttes det elektronstrålesveising i vakuum. Gjennom et lite hull i en av endepluggene (ikke vist i fig. 1) innføres heliumgass i brenselelementet og hullet tettes så igjen ved hjelp av argonbuesveising. Ved fremstillingen av et slikt rør støter man ikke på noen problemer med hensyn til at det forefantes utragende ribber inn i røret, hverken under innføringen av pelletsene, eller under sveisingen av endepluggene til røret.

Et antall brenselelementer av denne type ble innført for korttidsstråling i en trykkvannsløyfe i en prøvereaktor og kjørt under trykk- og temperaturbetingelser som ver rep-resentative for en vanlig kokvannsreaktor, idet energinivået hadde et maksimum på 650 W/cm. For kontrollformål ble noen brenselelementer av konvensjonell type, dvs. uten ribber på innsiden av røret, bestrålet samtidig.

Den ikke-destruktive inspeksjon etter bestrålingen ga ingen vesentlige forskjeller med hensyn til de ytre dimensjoner. Ved de med ribber forsynte rør kunne man fastslå mindre forvridninger i de omløpende rygger, og dette skulle indikere mindre rørpåkjenninger. En nøytron-radiografisk undersøkelse viste imidlertid flere utstrakte fragmenter-inger av brenselpelletsene, hvilken indikerer at ribbene har en vesentlig oppsplittingseffekt på pelletsene. Denne effekt er ønskelig fordi den vil redusere spenningstopper på røret som følge av mekanisk pellet-rørmateriale-interaksjon.

For å undersøke ribbenes effektivitet med hensyn til låsing av pelletsene i aksial stilling ble brénseléthementene .. snudd opp-ned og nøytron-radiografisk undersøkt en gang til. Resultetet viser klart at ribbene faktisk låser pelletsene på plass, meins referanserørene, dvs. de som ikke hadde ribber, ikke bevirket en slik fastlåsing, dvs. at pelletsene falt ned i en viss grad i det tomme rom i røret i referanseelementet.

Den destruktive undersøkelse etter strålingen be-kreftet at ribbene var blitt plastisk deformert med en viss utflating av de avrundede toppene på ribbeprofilene. Ut-flatingen i omkretsretningen var i størrelsesorden 0,1 mm.

Den tidligere nevnte dannelse av sprekker i pelletsene ble også observert ved disse kontaktsteder.

Meget vesentlig var at man ved den metallografiske undersøkelse fant at de sentrale temperaturer i pelletsene-som indikert for den diametrale utstrekning av korntilvekst-sonen i pelletmaterialet forble nesten de samme når man sammenlignet med ribbeforsynte brenselelement med referanse- eller kontrollelementet. Omtrent havparten av diameteren opptas

av kontrollvekstsoner i begge tilfeller ved en varmeytelse

på ca. 650 W/cm.

E ksempel 2- 4

Som i eksempel 1 ble det fremstilt brenselelementer forsynt med langsgående forløpende ribber, med tverrsnitt ut-ført som i fig. 3, 4 og 5. De samme fordeler ble oppnådd for disse elementer, selvom varmeoverføringen var forbedret som følge av den bredere kontaktflate mellom pellet og ribbe.

For en utførelse lik den som er vist i fig. 4, hvor det benyttes ribber som representerer sirkelsegmenter dannet 'mellom rørboringens sirkelperiferi og en korde, ble det oppnådd flere fordeler. For det første, som antydet ovenfor, var det mulig med en høy nøyaktighetsgrad og oppnå meget små radielle høyder (mindre enn 0,020 mm) for ribbene pga. det fordelaktige forhold mellom omkretsbredden og ribbens radielle høyde. Dette i sin tur tillater bruk av mindre kolde gap. Denne utførelsen letter dessuten i vesentlig grad fremstillingen av røret, fordi fremstillingen av doren er lettere.

En dor med den ønskede form kan lages helt enkelt ved å slipe plane områder med regulære intervaller rund periferien på et sirkulært legeme. Maksimalt, og med en gitt radiell høyde på ribbene 5, kan doren slipes slik at den danner en regulær poly-gon. Det betyr at etter valsingen vil der på innsiden av røret ikke forefinnes noen sylindriske områder. For å øke kontaktarealet mellom pellet og rør er det mulig å foreta et avsluttende stikk med en sylindrisk dor hvis ytterdiameter er litt større enn innerdiameteren til det rør som svarer til den maksimale ribbehøyde, hvilket vil resultere i sylindriske, konkave utsparinger i ribbenes innoverrettede toppflater. En slik sluttkalibrering av ribbene er mulig også for utførelses-formen i fig. 2. Resultatet av en slik avsluttende tilforming av de innoverrettede flater på ribbene er at man får en forbedring av varmeoverføringen mellom pellet og rør.

Claims (2)

1. Kjernebrenselelement for kraftreaktorer, innbefatt-ende et sylindrisk kapslingsrør for metall eller metall-legering og i dette innesluttet kjernebrensel i form av keramiske, sylindriske legemer av den sintrede type som under drift kan sprekke opp i et antall fragmenter adskilt av sprekkdannelser som typisk strekker seg radielt og forblir åpne i legemenes periferielle område, karakterisert ved at kapslingsrøret har en sylinderformet innerflate med minst 8 aksialt forløpende, innbyrdes parallelle og over omkretsen avstandsplasserte ribber som rager radielt innover, idet den radielle dimensjon av ribbene innover fra den sylinderformede innerflate i kapslingsrøret maksimalt er ca. 0,1 mm og ribbene har en innbyrdes avstand tilstrekkelig til å unngå at sprekker i kjernebrenselet oppstår på de steder kjernebrenselet står i intim kontakt med kapslingsrørets innerflate, og i det den ytre sylindriske flate av de nevnte legemer sammen med innerflaten i kap-slingsrøret dannet et ringrom hvis bredde ligger i området fra omtrentlig ribbens radielle dimensjon og til ca. 0,15 mm, for derved å minimalisere dannelsen av spenningskonsentra-sjoner i kapslingsrørets vegg.

2. Kjernebrenselélement ifølge krav 1, karakterisert ved at avstanden mellom ribbene er avpasset slik at mellomliggende rørparti ved forekommene plastisk deformasjon av kjernebrenselet under drift ikke berører eller bare tangerer den inntil liggende kjernebrenselflate.