SE467462B - Kompositkapslingsbehaallare foer kaernbraensleelement - Google Patents

Description

467 462 2 kylmedel och moderator förefinnes. Vanliga kapslingsmaterial är rostfritt stål, aluminium och aluminiumlegeringar, zirko- nium och zirkoniumlegeringar, niob, vissa magnesiumlegeringar samt andra material. Förstöring av kapslingen, dvs. förlust av läcktäthet, kan förorena kylmedlet eller moderatorn och därmed förenade system med radioaktiva långlivade produkter i sådan grad, att anläggningens drift störes.

Problem har uppkommit vid framställning och drift av kärn- bränsleelement, som utnyttjar vissa metaller och legeringar såsom kapslingsmaterial på grund av mekaniska eller kemiska reaktioner som äger rum med dessa kapslingsmaterial under vissa betingelser. Zirkonium och zirkoniumlegeringar är under normala betingelser mycket goda kärnbränslekapslingar, efter- som de har låg neutronabsorptionstvärsektion och vid tempe- raturer under ca 39800 är starka, duktila, ytterst stabila och icke-reaktiva i närvaro av demineraliserat vatten eller vattenånga, som allmänt användes såsom kylmedel och moderator i reaktorer.

Användning av bränsleelement har emellertid visat problem med sprödbrott av kapslingen på grund av kombinerad inverkan mellan kärnbränslet, kapslingen och klyvningsprodukter som bildas under kärnklyvningsreaktionerna. Det har visat sig att detta icke önskade beteende beror på lokaliserade mekaniska spänningar på bränslekapslingen beroende på olika stor yt- vidgning och friktion mellan bränslet och kapslingen. Klyv- ningsprodukter bildas i kärnbränslet genom klyvningskedje- reaktionen under drift av kärnreaktorn och dessa klyvnings- produkter friges från kärnbränslet och förefinnes vid kaps- lingens yta. Dessa lokaliserade spänningar och töjningar i närvaro av vissa klyvningsprodukter, exempelvis jod och kadmium, kan ge förstöring av kapslingen genom spänningskorro- sionssprickning eller försprödning med smält metall.

I hålrummen i ett tillslutet bränsleelement kan vätgas gene- reras genom långsam reaktion mellan kapslingen och kvarvarande vatten inuti kapslingen och denna vätgas kan uppbyggas till 4s7 4e2d 3 en halt, som under vissa betingelser kan medföra lokaliserad hydridering av kapslingen med därav följande lokaliserad för- störing av de mekaniska egenskaperna hos kapslingen. Kaps- lingen kan även påverkas ofördelaktigt av sådana gaser som syre, kväve, kolmonoxid och koldioxid inom ett vidsträckt temperaturintervall.

Zirkoniumkapslingen för ett kärnbränsleelement utsättes för en eller fler av de gaser som angivits i det föregående och klyvningsprodukterna under bestrålningen i kärnreaktorn och detta äger rum trots att dessa gaser eventuellt icke före- finnes i reaktorns kylmedel eller moderator och dessutom kan ha uteslutits i möjligaste mån från den omgivande atmosfären under framställningen av kapslingen och bränsleelementet.

Sintrade eldfasta och keramiska kompositioner, såsom uran- dioxid och andra kompositioner som användes såsom kärnbränsle, avger mätbara mängder av de i det föregående angivna gaserna vid upphettning, exempelvis under bränsleelementets tillverk- ning och avger vidare klyvningsprodukter under kärnklyvnings- kedjereaktioner. Partikelformiga eldfasta och keramiska kom- positioner, såsom urandioxidpulver och andra pulver som an- vändes såsom kärnbränsle, har visat sig frige ännu större mängder av de i det föregående angivna gaserna under bestrâl- ning. Dessa frigivna gaser kan reagera med zirkoniumkaps- lingen, som innesluter kärnbränslet.

Med hänsyn till det ovan angivna har det visat sig önskvärt att minimera angreppet på kapslingen av vatten, vattenånga och gaser, i synnerhet väte, som är reaktiva i förhållande till kapslingen, från insidan av bränsleelementet under hela den tidrymd bränsleelementet användes i drift av kärnkraftsan- läggningar. Man har exempelvis försökt finna material som reagerar kemiskt hastigt med vatten, vattenånga och andra gaser och eliminerar dessa från det inre av kapslingen och sådana material benämnes "gettermaterial".

Ett annat försök har varit att belägga kärnbränslematerialet med olika slags material. Kärnbränslet belägges med ett kera- 467 462 4 miskt material för att förhindra att fukt kommer i kontakt med kärnbränslematerialet, såsom anges i den amerikanska patent- skriften 3.108.396. Den amerikanska patentskriften 3.085.059 beskriver ett kärnbränsleelement innefattande ett metallhölje innehållande en eller fler pelletar eller kutsar av klyvbart keramiskt material och ett skikt av eldfast eller glasformigt material bundet till den keramiska kutsen, så att skiktet förefinnes mellan höljet och kärnbränslet för att säkerställa likformig god värmeledning från kutsarna till höljet. I den amerikanska patentskriften 2.873.238 beskrives mantlade klyv- bara kutsar av uran inneslutna eller kapslade i ett metall- hölje, i vilket skyddsmantlarna innefattar ett zink-aluminium- bindeskikt. Den amerikanska patentskriften 2.849.387 beskri- ver en kapslad klyvbar kropp innefattande ett flertal med öppna ändar försedda mantlade kroppssektioner av kärnbränsle, som doppats i en smälta av ett bindemedel, så att man erhåller effektiv värmeledningsbindning mellan urankroppssektionerna och behållaren (eller kapslingen). Beläggningen anges såsom bestående av godtycklig metallegering med god värmelednings- förmåga, med exempel innefattande aluminium-kisel- och zink- -aluminiumlegeringar. Den japanska patentpublikationen nr SHO 47-46559 beskriver konsolidering av separata kärn- bränslepartiklar i en kolhaltig grundmassebränslekomposit- produkt genom beläggning av bränslepartiklarna med en högtät, jämn, kolhaltig beläggning runt kutsarna. Ytterligare en annan beläggning anges i den japanska patentpublikationen nr SHO 47-l4200, i vilken en av två grupper av pelletar be- lägges med ett skikt av kiselkarbid och den andra gruppen belägges med ett skikt av pyrokol och metallkarbid.

Beläggningen av kärnbränslematerial medför tillförlitlighets- problem genom att det är svårt att åstadkomma likformiga be- läggningar som är fria från felställen. Vidare kan för- störing av beläggningen införa problem med långtidsegenska- perna hos kärnbränslematerialet.

I den amerikanska patentansökan 330.152, 6 februari l973, anges ett förfarande för att förhindra korrosion av kärn- 467 462 bränslekapslingar bestående av tillsats av en sådan metall som niob till bränslet. Tillsatsen kan föreligga i form av pul- ver, förutsatt att efterföljande behandling av bränslet icke medför oxidering av metallen, eller också kan tillsatsen in- förlivas i bränsleelementet såsom tråd, plåt eller i annan form, eller kan anbringas runt eller mellan bränslekutsarna.

I publikationen GEAP-4555, februari 1974, beskrives en kompo- sitkapsling av zirkoniumlegering med en innerbeklädnad av rostfritt stål, som är metallurgiskt bunden till zirkonium- legeringen, och kompositkapslingen tillverkas med användning av strängpressning av ett ihåligt ämne av zirkoniumlegering med en innerbeklädnad av rostfritt stål. Denna kapsling har den olägenheten att det rostfria stålet utvecklar spröda faser och skiktet av rostfritt stål medför neutronabsorptionsför- luster av lO - 15 gånger förlusterna för ett zirkoniumlege- ringsskikt med samma tjocklek.

I den amerikanska patentskriften 3.502.549 anges ett för- farande för att skydda zirkonium och zirkoniumlegeringar genom elektrolytisk pâföring av krom, så att man erhåller ett kom- positmaterial som är lämpat för kärnreaktorer. Ett förfarande för elektrolytisk pâföring av koppar på ytor av "Zircaloy-2" och efterföljande värmebehandling för åstadkommande av diffu- sion av den elektrolytiskt påförda metallen anges i Energia Nucleare, volym ll, nr 9 (september 1964) på sidorna 505 - 508. I "Stability and Compatibility of Hydrogen Barriers Applied to Zirconium Alloys“ av F. Brossa et al (European Atomic Energy Community, Joint Nuclear Research Center, EUR 4098e, 1969) beskrives metoder för pâföring av olika slags beläggningar och dessas verksamhet såsom vätediffusionsspärr- skikt tillsammans med en Al-Si-beläggning såsom det mest lovande spärrskiktet mot vätediffusion. Metoder för elektro- plätering av nickel på zirkonium och zirkonium-tennlegeringar samt värmebehandling av dessa föremål, så att man erhåller legeringsdiffusionsbindningar, anges i "Electroplating on Zirconium and Zirconium-Tin" av W.C. Schickner et al (BMl-757, Technical Information Service, 1952). I den amerikanska 467 462 6 patentskriften 3.625.821 beskrives ett bränsleelement för kärnreaktorer med bränslekapslingsrör med innerytan av röret belagt med en metall med lågt neutroninfångningstvärsnitt, exempelvis nickel, och med finfördelade partiklar av ett brännbart gift anordnat däri. "Reactor Development Program Progress Report", augusti 1973 (ANL-RDP-19) anger ett arrange- mang med kemiskt gettermaterial med ett offerskikt av krom på innerytan av en kapsling av rostfritt stål.

Det finns andra patentskrifter som beskriver beläggningar på innerytan av kapslingen till ett kärnbränsleelement. I den amerikanska patentskriften 3.l45.l5O anges ett bränsleelement innefattande en ihålig, tillsluten tryckbehållare innehållande en metallhydrid, som löst håller en kärna av klyvbart material samt en tunn, korrosionsbeständig mantel, som innesluter I tryckbehållaren. I den amerikanska patentskriften 3.053.743 anges ett bränsleelement med ett metallkapslingsrör belagt på innerväggen med metalliskt nickel eller en nickel-krom-järn- legering och detta rör omger en kärna av kärnbränslekutsar med tillfälligt fördelade mellanlägg mellan kutsarna. I den brittiska patentskriften 933.500 beskrives ett kärnbränsle- element med deformerad tvärsektion, i vilket enskilda par- tiklar av bränsle är belagda på ytan med ett eller fler mate- rial och inneslutna i ett kapslingsorgan samt underkastas en deformationsprocess för att minska tvärsektionen hos elementet.

En annan metod har varit att anordna ett fristående spärr- skikt mellan kärnbränslematerialet och kapslingen som inne- håller kärnbränslematerialet, såsom anges i den amerikanska patentskriften 3.230.150 (kopparfolie), den tyska DAS 1.238.115 (titanspärrskikt), den amerikanska patentskriften 3.212.988 (mantel av zirkonium, aluminium eller beryllium), den amerikanska patentskriften 3.018.238 (spärrskikt av kris- tallint kol mellan U02 och zirkoniumkapsling) samt den ameri- kanska patentskriften 3.088.893 (folie av rostfritt stål).

Användningen av spärrskikt har gett lovande resultat men vissa av de i det föregående angivna publikationerna innefattar användning av med varandra icke kombinerbara material, an- 4s7 462' 7 tingen med kärnbränslet (exempelvis kol som kan förenas med syre från kärnbränslet) eller kapslingen (exempelvis vissa metaller som kan reagera med kapslingen och förändra egen- skaperna hos kapslingen) eller med kärnklyvningsreaktionen (exempelvis genom att verka såsom neutronabsorberande mate- rial).

Ytterligare försök att utnyttja spärrskikt anges i den ameri- kanska patentskriften 3.969.186 (eldfast metall, exempelvis molybden, volfram, rhenium, niob och legeringar av dessa i form av ett rör eller folie såsom enkla eller flerfaldiga skikt mellan kapslingen och bränslet) samt den amerikanska patentskriften 3.925.151 (folie av zirkonium, niob eller legeringar av dessa ämnen mellan bränslet och kapslingen med en beläggning av ett högsmörjande material på antingen in- fodringen eller kapslingen).

Föreliggande uppfinning avser ett särskilt effektivt kärn- bränsleelement för användning i härden i en kärnreaktor samt innefattar en kompositkapsling av ett metallspärrskikt av zirkonium av måttlig renhetsgrad (exempelvis zirkoniumsvamp), som är metallurgiskt bundet till innerytan av ett zirkonium- legeringsrör. Kompositkapslingen innesluter kärnbränslemate- rialet och kvarlämnar ett mellanrum eller gap mellan bränslet och kapslingen. Metallspärrskiktet avskärmar legeringsröret från kärnbränslematerialet som hålles i kapslingen samt av- skärmar legeringsröret från klyvningsprodukter och gaser.

Metallspärrskiktet utgör ca l - 30 % av kapslingens tjocklek.

Ett metallspärrskikt som bildar mindre än ca l % av kaps- lingens tjocklek skulle vara svårt att åstadkomma kommersiellt och ett metallspärrskikt som utgör mer än 30 % av kapslingens tjocklek ger icke någon ytterligare fördel med ökad tjocklek.

På grund av renhetsgraden förblir kapslingen mjuk under bestrålningen och minimerar lokaliserad töjning inuti kärn- bränsleelementet samt skyddar härigenom legeringsröret mot spänningskorrosionssprickning eller försprödning med flytande metall. Legeringsrördelen av kapslingen blir fullständigt oförändrad ifråga om konstruktion och funktion jämfört med vad 8 som tidigare utnyttjats för en kärnreaktor och kan utgöras av konventionella kapslingsmaterial, exempelvis zirkoniumlege- ringar.

Förfaranden för framställning av kompositkapslingen anges även, däribland: (l) anbringande av en ihålig hylsa av metallspärrskiktet inuti ett ihåligt ämne av zirkoniumlege- ring, explosionsbindning av hylsan till ämnet och sträng- pressning av kompositprodukten följt av rörreduktion, (2) an- bringande av en ihålig hylsa av metallspärrskiktet inuti ett ihåligt ämne av zirkoniumlegering, upphettning av hylsan och ämnet under kompressionsbelastning så att diffusionsbindning av röret till ämnet erhålles samt strängpressning av komposit- produkten följt av rörreduktion och (3) anbringande av en hylsa av metallspärrskiktet inuti ett ihåligt ämne av zirko- niumlegering och strängpressning av kompositprodukten följt av rörreduktion.

Metallspärrskiktet inför icke några väsentliga neutroninfång- ningsförluster, värmeöverföringsförluster eller problem med icke kombinerbara material för bränsleelement enligt uppfin- ningen.

Det är ett ändamål med uppfinningen att åstadkomma ett kärn- bränsleelement som kan arbeta i kärnreaktorer under lång tid- rymd utan uppträdande av splittring eller sprickbildning i kapslingen, korrosion av kapslingen eller andra problem med förstöring av bränslet.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett kärn- bränsleelement med en kompositkapsling innefattande ett metall- spärrskikt bundet till innerytan av ett zirkoniumlegerings- rör, så att bindningen ger en långlivad anslutning mellan röret och metallspärrskiktet.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma ett kärnbränsleelement med en kompositkapsling innefattande ett metallspärrskikt bundet till innerytan av ett zirkoniumlege- 467 462 9 ringsrör, varvid metallspärrskiktet utgöres av zirkoniumsvamp.

De i det föregående angivna och andra ändamål med uppfinningen är uppenbara för en fackman med ledning av uppgifterna i beskrivningen under hänvisning till bifogade ritningsfigurer.

Figur l är en delsektion genom en kärnbränsleenhet innehål- lande kärnbränsleelement utförda enligt uppfinningen.

Figur 2 är en tvärsektion i större skala genom kärnbränsle- elementet enligt figur l och visar för uppfinningen känne- tecknande särdrag.

På figur l visas en delsektion genom en kärnbränslepatron lO.

Denna bränslepatron utgöres av en rörformig strömningskanal ll med i huvudsak kvadratisk tvärsektion, som vid den övre änden är försedd med en lyftögla 12 och vid den nedre änden med en nosdel (icke visad på grund av att den nedre delen av enheten lO är utelämnad). Den övre änden av kanalen ll är öppen vid 13 och den nedre änden av nosdelen är försedd med kylmedelöppningar. En rad av bränsleelement eller stänger l4 är inneslutna i kanalen ll och stödes i denna med hjälp av en övre ändplât 15 och en nedre ändplât (icke visad eftersom den nedre delen av anordningen är utelämnad). Det flytande kyl- medlet inströmmar ordinärt genom öppningarna i den nedre änden av nosdelen, passerar uppåt runt bränsleelementen 14 och bort- går vid det övre utloppet 13 i delvis förångat tillstånd för kokarreaktorer och i icke förångat tillstånd för tryckreak- torer vid hög temperatur.

Kärnbränsleelementen eller stängerna 14 är tillslutna vid ändarna med hjälp av ändpluggar 18 svetsade till kapslingen l7 och kan innefatta bultar 19 för att underlätta monteringen av bränslestângen i enheten. Ett tomt rum eller plenum 20 är anordnat vid en ände av elementet för att tillåta expansion i längdriktningen av bränslematerialet och ansamling av gaser som frigöres från bränslematerialet. Ett kvarhållningsorgan 24 för kärnbränslematerialet i form av ett skruvlinjeformat 4-67 4> Cm ha organ är anordnat i utrymmet 20 och ger en kvarhållande kraft mot axiell förflyttning av bränslekutspelaren, i synnerhet under hanteringen och transporten av bränsleelementet.

Bränsleelementet är utformat och konstruerat för att ge mycket god termisk kontakt mellan kapslingen och bränslematerialet, ett minimum av parasitisk neutronabsorption, samt beständighet mot böjning och vibration som i vissa fall kan orsakas av strömning av kylmedlet med hög hastighet.

Ett kärnbränsleelement eller en stång l4 visas delvis i sek- tion på figur l och är konstruerat enligt uppfinningen.

Bränsleelementet innefattar en kärna eller central cylindrisk del av kärnbränslematerial 16, som i detta fall visas såsom ett flertal bränslekutsar av klyvbart och/eller fertilt mate- rial, som är anordnade i en strukturell eller bärande kapsling eller behållare 17. I vissa fall kan bränslekutsarna ha olika former, exempelvis cylindriska kutsar eller sfärer, och i andra fall kan olika bränsleformer, såsom partikelformigt bränsle användas. Den fysikaliska formen hos bränslet är oväsentlig för uppfinningen. Olika slags kärnbränslematerial kan användas, däribland uranföreningar, plutoniumföreningar, toriumföreningar och blandningar av sådana. Ett föredraget » bränsle är urandioxid eller en blandning innefattande uran- dioxid och plutoniumdioxid.

På figur 2 visas ett kärnbränslematerial 16, som bildar den centrala kärnan i ett bränsleelement 14 och omges med en kapsling 17, vilken i det följande även benämnes komposit- kapsling. Kompositkapslingsbehållaren innesluter kärnan så att ett mellanrum 23 kvarlämnas mellan kärnan och kapslings- behållaren vid användning i en kärnreaktor. Kompositkaps- lingen innefattar ett zirkoniumlegeringsrör 21, som enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är utförd av 'I Zircaloy-2. Legeringsröret har till innerytan bundet ett metallspärrskikt 22 så att metallspärrskiktet bildar en av- skärmning eller mantel mellan legeringsröret 21 och kärn- bränslematerialet som hålles i kapslingen. Metallspärrskiktet 467 462 ll utgör ca 1 - 30 % av kapslingens tjocklek och utgöres av ett material med låg neutronabsorption, nämligen zirkonium av moderat renhetsgrad (exempelvis zirkoniumsvamp). Metallspärr- skiktet 22 skyddar legeringsrördelen av kapslingen mot kontakt och reaktion med gaser och klyvningsprodukter och förhindrar uppträdandet av lokaliserade spänningar och töjningar.

Sammansättningen av metallspärrskiktet av zirkonium av moderat renhetsgrad är betydelsefull och ger metallspärrskiktet spe- ciella egenskaper. I allmänhet förefinnes minst ca 1000 ppm (milliondelar) av vikten och företrädesvis mindre än ca 5000 ppm föroreningar i materialet i metallspärrskiktet och före- trädesvis mindre än ca 4200 ppm. Av dessa hålles syre inom området ca 200 till ca 1200 ppm. Andra föroreningar ligger » inom de normala gränserna för kommersiell zirkoniumsvamp av reaktorkvalitet och anges i det följande: Aluminium 75 ppm eller mindre, bor 0,4 ppm eller mindre, kadmium 0,4 ppm eller mindre, kol 270 ppm eller mindre, krom 200 ppm eller mindre, kobolt 20 ppm eller mindre, koppar 50 ppm eller mindre, hafnium 100 ppm eller mindre, väte 25 ppm eller mindre, järn 1500 ppm eller mindre, magnesium 20 ppm eller mindre, mangan 50 ppm eller mindre, molybden 50 ppm eller mindre, nickel 70 ppm eller mindre, niob 100 ppm eller mindre, kväve 80 ppm eller mindre, kisel 120 ppm eller mindre, tenn 50 ppm eller mindre, volfram 100 ppm eller mindre, titan 50 ppm eller mindre samt uran 3,5 ppm eller mindre.

Kompositkapslingen i kärnbränsleelement enligt uppfinningen innefattar metallspärrskiktet bundet till substratet med en mycket stark bindning. Metallografisk undersökning visar att tvärdiffusionen mellan materialen i substratet och metall- spärrskiktet är tillräckliga för att bilda en bindning, men ingen tvärdiffusion i avsevärd utsträckning från bindnings- området förefinnes.

Det har visat sig att zirkoniumsvampmetall som bildar metall- spärrskiktet i kompositkapslingen är i hög grad beständigt mot strålningshärdning och detta möjliggör att metallspärr- åh ~<1 4:- o\ ro l2 skiktet efter långvarig bestrålning bibehåller önskade håll- fasthetsegenskaper, såsom sträckgräns och hårdhet vid nivåer som är väsentligt lägre än hos konventionella zirkoniumlege- ringar. Metallspärrskiktet hårdnar icke lika mycket som kon- ventionella zirkoniumlegeringar vid inverkan av bestrålning, och detta i kombination med den ursprungligen låga sträck- gränsen möjliggör att metallspärrskiktet deformeras plastiskt och utjämnar eller upptager av bränslestyckena inducerade spänningar i bränsleelementet under effektförändringar. Av bränslestyckena inducerade spänningar i bränsleelementet kan orsakas exempelvis genom svällning av bränslestyckena av kärnbränslet vid reaktorns arbetstemperaturer (300 - 350oC), så att bränslet kommer i kontakt med kapslingen.

Det har vidare visat sig att ett metallspärrskikt av zirko- niumsvamp med en tjocklek av ca 5 - 15 % av kapslingens tjock- lek och i synnerhet en föredragen tjocklek av lO % av kaps- lingens tjocklek bundet till ett legeringsrör av zirkonium- legering ger en spänningsreduktion och spärrskikteffekt, som är tillräckliga för att förhindra förstöring av komposit- kapslingen.

Bland zirkoniumlegeringar som är lämpliga för legeringsrör kan nämnas Zircaloy-2 och Zircaloy-4 tenn, 0,12 % krom och nickel samt användes i stor utsträckning i vatten- Zircaloy-2 innehåller, räknat på vikten, ca 1,5 % 0,005 % % järn, 0,09 kylda reaktorer. Zircaloy-4 innehåller mindre nickel än Zircaloy-2 men innehåller något mer järn än Zircaloy-2.

Kompositkapslingen som användes i kärnbränsleelement enligt uppfinningen kan framställas med någon av följande metoder.

Enligt en metod införes en ihålig hylsa av den zirkoniumsvamp, som skall användas såsom metallspärrskikt, i ett ihåligt ämne av den zirkoniumlegering som skall användas till legerings- röret, varefter enheten underkastas explosionsbindning av hylsan till ämnet. Kompositprodukten strängsprutas vid en hög temperatur av ca 538 - 750°C med användning av konven- 4e7 4e2å 13 tionella strängsprutningsmetoder för rörmantlar. Den sträng- sprutade kompositprodukten underkastas därefter en process innefattande konventionell rörreduktion tills den önskade storleken hos kapslingen uppnåtts.

Enligt en annan metod införes en ihålig hylsa av den zirko- niumsvamp, som skall användas såsom metallspärrskikt, i ett ihâligt ämne av den för legeringsröret valda zirkoniumlege- ringen, varefter enheten underkastas ett upphettningssteg (exempelvis 750°C under ca 8 timmars tid) för åstadkommande av diffusionsbindning mellan manteln och ämnet. Kompositproduk- ten strängpressas därefter med användning av konventionella strängpressningsmetoder för rörmantel och den strängpressade kompositprodukten underkastas en process innefattande konven- » tionell rörreduktion tills den önskade storleken hos kaps- lingen uppnåtts.

Enligt ytterligare en metod införes en ihålig mantel av den zirkoniumsvamp, som valts såsom metallspärrskikt, i ett ihâligt ämne av zirkoniumlegeringen, som valts till legerings- röret och enheten strängpressas med användning av konventio- nell strängpressningsteknik för rörmantlar. Därefter under- kastas den strängpressade kompositprodukten en process inne- fattande konventionell rörreduktion tills den önskade stor- leken hos kapslingen uppnåtts.

De i det föregående angivna processerna för framställning av kompositkapslingen enligt uppfinningen ger ekonomiska för- delar jämfört med andra processer som användes vid tillverk- ning av kapsling, exempelvis elektroplätering eller ångavsätt- ning.

Uppfinningen innefattar ett förfarande för framställning av ett kärnbränsleelement innefattande tillverkning av en kompo- sitkapslingsbehållare innefattande ett metallspärrskikt av zirkoniumsvamp bundet till innerytan av ett zirkoniumlege- ringsrör, varvid behållaren är öppen vid ena änden, samt fyll- ning av kompositkapslingsbehållaren med en kärna av kärn- 467 4-62 14 bränslematerial kvarlämnande ett gap mellan kärnan och behål- laren och med kvarlämnande av ett hålrum vid den öppna änden, införande av organ för kvarhållande av kärnbränslematerialet i hålrummet, anbringande av ett tillslutningsorgan vid den öppna änden av behållaren med kvarlämnande av hâlrummet i förbindelse med kärnbränslet och därefter bindning av änden av kompositbehållaren till tillslutningsorganet så att en tät tillslutning mellan dessa delar erhålles.

Uppfinningen erbjuder ett flertal fördelar som gynnar lång användningslivslängd för ett kärnbränsleelement innefattande minskning av kemisk reaktion eller inbördes inverkan av kaps- lingen, minimering av lokaliserade spänningar på zirkonium- legeringsrördelen av kapslingen, minimering av spännings- korrosion och töjningskorrosion av zirkoniumlegeringsrördelen av kapslingen och minskning av sannolikheten för en sprickning av zirkoniumlegeringsröret. Uppfinningen förhindrar vidare expansion (eller svällning) av kärnbränslet till direkt kon- takt med zirkoniumlegeringsröret och detta förhindrar upp- komsten av lokaliserade spänningar på zirkoniumlegerings- röret, initiering eller påskyndande av spänningskorrosion av legeringsröret och bindning av kärnbränslet till legerings- röret.

En betydelsefull egenskap hos kompositkapslingen enligt upp- finningen är att de i det föregående angivna förbättringarna uppnås utan väsentlig ökning av neutronförlusterna. En sådan kapsling accepteras väl i kärnreaktorer, eftersom kapslingen icke uppvisar bildning av eutektikum vid bortfall av kylning eller olyckshändelse innefattande att en kärnregleringsstav tappas. Vidare har kompositkapslingen mycket ringa värmeöver- föringsförlust, eftersom det inte finns något termiskt spärr- skikt för värmeöverföring av det slag som erhålles om en separat folie eller beklädnad insättes i ett bränsleelement.

Kompositkapslingen enligt uppfinningen kan även inspekteras med konventionell icke-förstörande provning vid olika stadier av tillverkning och användning. 467 462' Såsom är uppenbart för fackmannen kan den beskrivna uppfin- ningen varieras på en mångfald sätt.

Claims (4)

467 462 16 PATENTKRAV

1. Kompositkapslingsbehållare för kärnbränsleelement, k ä n n e t e c k n a d därav, att behållaren innefattar ett zirkoniumlegeringsrör innehållande andra beståndsdelar än I) zirkonium i en mängd av mer än ca 5000 milliondelar samt ett metallspärrskikt av zirkonium med en föroreningshalt av från ca 1000 till mindre än ca 5000 milliondelar metallurgiskt bundet till innerytan av legeringsröret, varvid spärrskiktet av zirkoniummetall har en tjocklek av ca 5-30 % av komposit- kapslingsbehållarens tjocklek.

2. Kompositkapslingsbehållare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att metallspärrskiktet utgöres av zirkoniumsvamp.

3. Kompositkapslingsbehållare enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att syrehalten i metall- spärrskiktet ligger inom området ca 200 till ca 1200 million- delar.

4. Kompositkapslingsbehållare enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d därav, att spärrskiktets tjocklek är ca 5-15 % av kapslingens tjocklek.