SE458810B - Kaernbraenslekropp, kaernbraenslepatron innehaallande en saadan kropp och saett att tillverka en dylik kaernbraenslekropp - Google Patents

Description

458 8.10 placerade diskret som separata element i reaktorn så anordnade att de brännas ut eller utarmas med omkring samma hastighet som bränslet.

Nettoreaktiviteten hos härden upprâtthålles sålunda relativt konstant under härdens skriva livslängd. ' Den amerikanska patentslciften 3 427 222 beskriver en bränsle- kuts av urandioxid belagd med en blandning av urandioxid och ett brännbart gift av zirkonium diborid pafört genom en plasmasprutningsteknik (se spalt 4, exempel I). Denna patentskrift beskriver även en bränslekuts av urandioxid belagd med det brännbara borgiftet påfört genom kemisk ångpåföring. Det anmärkes här att påföringshastigheten var långsam vid låga temperaturer, medan beläggningen icke var lika vidhäftande vid höga temperaturer (se spalt 5, exempel III).

Det är känt att kärnbränsle förvarat i en aluminiumbehållare kan beläggas med ett skikt av niob för att förhindra att bränslet reagerar med behållaren (brittiska patentskriften 859 206, sida l, raderna 12-30). Det är även känt att små kärnbränslepartiklar såsom urandioxidpartiklar kan beläggas med ett enkelt skikt eller flera skikt av samma eller olika icke absorberande material inkluderande niob i ändamål att skydda bränslet från korrosion och bidraga till att kvarhålla klyvningsprodukterna. Beläggningarna kan anbringas genom olika tekniker såsom utfällning från en ånga av beläggningsmaterialet, utfällning genom sönderdelning av ånga sam elektrolys (engelska patentskriften 933 500). I "Dispersion Fuel Elements", eh monografi av A. N. Holden publicerad 1967 nämnes 'beläggning av bränslepartiklar i dispersionsbränslen för att förhindra växelverkan mellan partiklarna och matrisen och att kvarhålla klyvningsprodukterna (sida 30).

Urandioxid belagd med niob genom ångreduktion beskrivas (sida 48). Likaså beskrivas urandioxid belagd med krom genom ångreduktion med användning av kromdiklorid, som utfälldes på ett underlag av niob (sida 48).

Uppfinnarna är medvetna om tidigare dokumenterat arbete nämli- gen en amerikansk patentansökning med titeln "Coating a Uranium Dioxide Nuclear Fuel with a Zirconium Diboride Burnable Poison" av Walston Chubb enligt vilken ytsplittringsproblem med kemisk ångutfällning av zirkoniumdi- borid på urandioxid bemästrades genom att man först utfällde (genom stänkning, kemisk ångutfällning etc.) ett tunt underlagsskikt av niob (omkring 3 mikron och omkring 6 mikron tjockt) på urandioxiden och sedan kemiskt ångutfällde zirkoniumdiboriden på niobskiktet. 458 810 Bränslekutsar belagda med en bor innehållande innehållande brännbar absorbator såsom elementärt bor, isotopen bor 10 (den isotop av bor som har egenskapen att vara brännbar absorbator), zirkoniumdiborid, borkar- bid, bornitrid och dylikt är utsatta för olika grader av fuktighetsadsorption.

Bränslekutsar av urandioxid belagda med zirkoniumdiborid maste t.ex. efter tillverkningen torkas i en tidsödande operation och sedan införas i bränsle- stavarna i en handskbox med lag fuktighetsmiljö. Detta är nödvändigt, eftersom zirkoniumdiboriden som är hygroskopisk upptager ett tunt skikt av fuktighet från själva luften. Den tillkommande långvariga torkningen (typiskt omkring l till 3 timmar vid temperaturer av 20U-60U° i ett vakuum mindre än eller lika med l torr) och fuktighetskontrollerad miljö för kutsinföringen bidrager till att öka tiden, komplexiteten och kostnaderna för kärnbränslebe- handlingen. Fuktighet måste undvikas i kärnbränsle, eftersom ett överskott av väte i bränslekutsen uppträdande oftast som fuktighet orsakar hydridise- ring av zirkaloykapseln för bränslestaven, vilket kan medföra ett brott i bränslestavens kapsling.

Huvudändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstad- komma bränsleelement med bränslekutsar belagda med ett neutronabsorbe- rande material, vilka icke utsättas för fuktighetsabsorption, så att de kan lagras och införas i bränsleelementen utan långvariga och dyrbara förberedel- ser.

C Uppfinningen avser sålunda en kärnbränslekropp belagd med en neutronabsorbator och innefattande ett kärnbränslesubstrat innehållande ett klyvbart material och ett skikt innehållande en brännbar absorbator, som täcker åtminstone en del av nämnda substrat. Denna bränslekropp känneteck- nas enligt uppfinningen av att den är försedd med ett överdragsskikt innehållande ett med en reaktor förenligt hydrofobt material, som täcker och häftar direkt vid nämnda brännbara neutronabsorberande skikt.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas med hänvis- ning till bifogade ritningar, som visar en lämplig utföringsform av uppfin- ningen. -- Figur 1 visar en längdsektion av en bränslestav innehållande bränslekutsar belagda med brännbar absorbator och försedd med det icke hygroskopiska överdragvsskiktet enligt uppfinningen.

Figur 2 är en tvärsektion längs linjen II-Il i figur 1.

Figur 3 visar tillsatsen av ett underlagsskikt på bränslekutsarna i bränslestaven enligt figur l. " 458 810 4 Figur 4 är en tvärsektion längs linjen lV-IV i figur 3.

Kärnbränsle innefattar uran i form av kutsar av urandioxid (eller toriumdioxid, plutoniumdioxid eller blandningar därav), varvid varje kuts har en i huvudsak cylindrisk form med en diameter av ungefär 8 mm och längd av omkring 12 mm. önskvärda tjocklekar hos beläggningen av den brännbara absorbatorn av zirkoniumdiborid på bränslekutsarna är en tjocklek av mellan omkring 8 och 16 mikron (och lämpligen mellan omkring 9 och 10 mikron, vilket motsvarar en tillsats av bor 10 som stralmål av i huvudsak D, 6 mg per cm)._* Graden av fuktighetsabsorption beror pa den teknik, som användes för att paföra skiktet av zirkoniumdiborid. Det har visat sig att stänkning alstrar en nagot porös beläggning, vilket bidrager till fuktighetsabsorption, medan kemisk angutfällning synes ha mindre problem med fuktighetsabsorp- tion.

Sasom visas i figurerna l och 2 innefattar en bränslestav 10 i en bränslepatron för kärnreaktor ett rör 12 med en övre ändpropp 14 och en nedre ändpropp 16, som begränsar en kammare 18, i vilken ett flertal av klyvbara bränslekutsar 20 är placerade ände mot ände och tryckes mot den nedre ändproppen 16 genom verkan av en fjäder 22. Kutsens 20 diameter är nagot mindre än diametern hos röret 12 sa att det bildas en spalt 24. Både fjädern 22 och spalten 24 upptager eventuell termisk utvidgning av kutsarna 20 under drift.

Den klyvbara delen eller substratet 26 av bränslekutsen 20 består lämpligen i huvudsak av urandioxíd, fastän andra former av uran liksom även plutonium eller torium kan användas. Det brännbara absorbatorskiktet 3D, som täcker åtminstone en del av substratet 26, består även lämpligen i huvudsak av elementärt bor eller zirkoniumdiborid, fastän andra former av bor liksom även gadolinium, samarium, europium och dylikt kan användas.

För att den med brännbar absorbator belagda kärnbränslekutsen skall göras icke hygroskopisk (hydrofob), är det brännbara absorbatorskiktet 30 täckt av ett överdragsskikt 32, som direkt häftar vid detsamma. Över:- dragsskiktet 32 innehåller ett med reaktorn förenligt hydrofobt material.

Lämpligen har överdragsskiktet 32 en tjocklek av mellan omkring 2 mikron och omkring 6 mikron. Üverdragsskiktet 32 bör anbringas innan det brännbara absorbatorskiktet 3D har utsatts för luft för att undvika infångning av eventuell fuktighet (absorberad av den brånnbara absorbatorn) i bränslekutsen 2D. Faktorer, som avgör förenlighet med reaktorn, innefattar kostnad, _ 458 810 n absorptionstvärsnitt för neturoner, förenlighet med brännbara absorbatorer, förenlighet med röret (kapseln) 12 samt smältpunkt. Ett med reaktorn förenligt, hydrofobt material anses därför vara nagot material bland följande: niob, zirkonium, magnesium, aluminium, kisel, kol, titan, krom, järn, nickel, koppar, yttrium, molybden, barium och cerium.

Vid en första lämplig utföringsform användes grundämnet bor för det brännbara absorbatorskiktet 30 och häftar direkt vid substratet 26, som är urandioxid, medan överdragsskíktet 32 i huvudsak består av niob. I ett exempel belades bränslekutsar av urandioxid genom konventionell kemisk angutfällning först med grundämnet bor och sedan med niob med användning av ett vertikalt rör omgivande vertikalt staplade bränslekutsar. Borbelägg- ningen 30 bereddes genom pyrolys av B2H5, och niobeläggningen 32 bereddes genom vätereduktion av niobpentaklorld (NbCl5). Dessa gaser för ángutfâll- ning infördes i nedre delen av röret och biprodukterna tömdes fràn den övre delen av röret. Substraten 26 hade rensats genom lätt sandblästring, upprepad ultraljudsrensning i destillerat vatten och vakuumtorkning. Termokors monte- rades på rörets väggar. Substratet 26 uppvärmdes till en av termokorsen uppmätt förutbestämd väggtemperatur medelst en övre ugn, medan nämnda gaser uppvärmdes till en av termokorsen uppmätt vald väggtemperatur medelst en nedre ugn. Tillfredsställande beläggningar erhölls under olika förhållanden såsom visas i tabell 1. man bmw :m n: mo-s- :no-o w:m.mm llu c-osp ola 53.00 n_0.0 0-0 bmw mn = ._ 6 Snap »aøå Qom-ma ll.- nnw àno mm a: so: un: møm.uø n-O-Q A20 enn se : n :cw- M0- .ß nom-mm Ill omm One cN a: D-aßw om: mnm.mm ü-0.0 nïv Onw ew a N O-mww NøO-O 0nm.m0 oc! finw Qmø www a: c-cs- alu mom-ma a-nfio :Du Oaw m: c _ 5:5 Eu umwusx mfflšämo _55 fiflxw .nu mwum m5 ...BoM- ...linan_..Hø.....mu.nu=m_.....ø|h||||| WÉ.. 458 8.10 m<§<fifivuwEmmoHz>öm >< ozHznmmmm nä. šêáššnm ._ f ämå. _ 458 810 Vid en andra lämplig utföringsform, som visas i figurerna 3 och 4, användes zirkoniumdiborid för det brännbara absorbatorskiktet 28 av niob, varvid underlagsskiktet 28 medelst angutfällning bringas att häfta vid substratet 26, som är urandioxid. Underlagsskiktet 32 består i huvudsak av genom angutfällning paförd niob. Behovet av ett underlagsskikt av niob (eller dylikt) när zirkoniumdiborid utfålles genom angutfällníng pa urandioxid har tidigare beskrivits. Underlagsskiktet 28 har lämpligen en tjocklek av mellan omkring 3 mikron och omkring 6 mikron. Den använda tekniken är liknande den! som beskrivits i samband' med den första lämpliga utföringsformen. Ångutfällningsgasen för zirkoniumdiboriden var zirkoniumtetraklorid och bor- triklorid. Gasformig zirkoniumklorid bereddes genom att saltsyra och zirko- nium bringades att reagera och att reaktionsprodukterna fördes i en väte- ström. Tillfredsställande beläggningar erhölls under olika förhållanden såsom visas i tabell 2. 458 810 __ . . .in .in wm n: mmm amm.. Mmmm Mmmm .__..m_. än.. mm mm n än _.. mä å ä.. _m_ mm _ _ __ . . .in u: n» az Mmmm Nmm.. Mmm” wmmumm å.. åh.. mm m. .äw _ - . III |ll . _ mmm mmm Mmmm .__..w_. .wc mmm m. “www _ _ __ _ _ __ _ šww _._ __ .š _. š M§.___._-,U_____É»WW :vw .___ å Hmdßw I. _.uww00um_uz~ ufluzßnum ä.. Lffïvsâå 3.9 ÉUZHZOOÉm D2\NmHN\DZ >< ëzüümmm QH> vfimnnšßm N QHNÉB

Claims (12)

1. - 458 810 PATENTKRAV l. Kärnbränslekropp (20) belagd med neutronabsorbator och innefat- tande ett kärnbränslesubstrat (26) innehållande ett klyvbart material och ett skikt (30) innehållande en brännbar absorbator, som täcker åtminstone en del av nämnda substrat (26), k ä n n e t e c k n a d av ett överdragsskikt (32) bestaende av ett med en reaktor förenligt hydrofobt niob- eller zirkonium- skikt, som täcker och häftar direkt vid nämnda brännbara neutronabsorberan- Je skikt (30).

2. Kärnbränslekropp enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda substrat (26) bestar i huvudsak av urandioxid och att nämnda brännbara absorbatorskikt (30) innefattar ett bor innehållande material.

3. l-(ärnbränslekropp enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda brännbara absorbatorskikt (30) består i huvudsak av bor och häftar direkt vid nämnda substrat (26). ll.

4. Kärnbränslekropp enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d av ett underlagsskikt (28) innehållande niob anordnat mellan och direkt häftande vid nämnda substrat (26) och nämnda brännbara neutronabsorberande skikt (30), och ätt nämnda brännbara neutronabsorberande skikt (30) i huvudsak bestar av zírkoniumdiborid.

5. , Kärnbränslekropp enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d av_ att nämnda underlagsskikt (28) i huvudsak består av niob.

6. Kärnbränslekropp' enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda underlagsskikt (28) har en tjocklek av mellan 3 mikron och 6 mikron.

7. Kärnbränslekropp enligt nagot av kraven l till 6, k 'a' n n e t e c k - n a d av att nämnda överdragsskikt (32) i huvudsak bestar av niob. B.

8. Kärnbränslekropp enligt nagot av kraven 1 till 7, k ä n n e t e c k - n a d av att nämnda substrat (28) har i huvudsak cylindrisk form med en diameter av omkring 8 mm och en längd av omkring 12 mm, och nämnda brännbara absorbatorskikt (30) har en tjocklek av 8 mikron till 16 mikron; och att nämnda överdragsskikt (32) har en tjocklek av 2 mikron till 6 rnikron.

9. Kärnbrärylepatron innefattande bränslestavar innehållande med brännbar neutronabsorbator belagda kärnbränslekroppar enligt nagot av kraven 1 till 8.

10. Sätt att tillverka en kärnbränslekropp innehållande urandioxid enligt nagot av de föregående kraven och överdraga densamma med ett brännbart gift innehållande zirkoniumdiborid, k ä n n e t e c k n a t av att ett 458 -810 ll] skikt innehållande niob först vidhäftande utfälles pa åtminstone en del av kärnbränslekroppen, och ett skikt av nämnda brännbara gift sedan vidhäftan- de utfälies genom kemisk angutfållning pà åtminstone en del av nämnda skikt innehållande niob.

11. ll. Sätt enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda niob innehållande skikt består i huvudsak av niob, som är utfâllt genom kemisk ángutfällning.

12. Sätt enligt krav 10 eller 11, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda skikt ay brännbart gift bestar i huvudsak av zirkoniumdiborid. I