WO2000016339A1 - Brennelement mit qualifizierter verteilung von spaltbarem material im brennstab - Google Patents

Brennelement mit qualifizierter verteilung von spaltbarem material im brennstab Download PDF

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WO2000016339A1
WO2000016339A1 PCT/EP1999/006901 EP9906901W WO0016339A1 WO 2000016339 A1 WO2000016339 A1 WO 2000016339A1 EP 9906901 W EP9906901 W EP 9906901W WO 0016339 A1 WO0016339 A1 WO 0016339A1
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nuclear fuel
spacer
fissile
tablets
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PCT/EP1999/006901
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Hans-Peter Fuchs
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • G21C3/32—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements
    • G21C3/326—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements comprising fuel elements of different composition; comprising, in addition to the fuel elements, other pin-, rod-, or tube-shaped elements, e.g. control rods, grid support rods, fertile rods, poison rods or dummy rods
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00—Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
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    • G21C3/28—Fuel elements with fissile or breeder material in solid form within a non-active casing
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Definitions

  • the invention relates to a fuel assembly for a nuclear reactor, in particular a pressurized water reactor. However, it can also be used for boiling water reactors or other types of reactors.
  • the reactor core of such reactors has a plurality of fuel elements oriented vertically in the longitudinal direction. These fuel elements essentially consist of a fuel element foot and a fuel element head, between which a plurality of fuel rods are arranged.
  • the fuel rods contain nuclear fuel, e.g. uranium dioxide enriched with fissile nuclear fuel material or a mixture of uranium dioxide and plutonium oxide enriched with fissile nuclear fuel material, in cladding tubes mostly made of zirconium or one of its alloys.
  • This plurality of fuel rods of a fuel assembly is combined into a bundle by spacers, which are distributed at intervals of approximately 0.5 to 1 m over the entire length of the approximately 4.5 m long fuel rods.
  • the heat generated in a nuclear reaction by splitting the fissile nuclear fuel material is released via the cladding tubes to a coolant flowing through the fuel elements from bottom to top.
  • this coolant is water, which also serves as a moderator.
  • the thickness of the oxide layer in the area of the spacers is in each case less than m adjacent areas.
  • This smaller oxide layer thickness in the area of influence of the spacers indicates cold spots, that is to say those spots at which the temperature of the tubular tube assumes a local minimum during reactor operation.
  • the cause of these cold spots is, in part, an increased heat outflow due to the contact of the hollow tubes with the spacers.
  • the spacers cause a greater swirling of the coolant, which otherwise flows largely laminar, and the resultant improved heat transfer between the hollow tube and the moderator.
  • the object of the invention is to provide a fuel assembly for nuclear reactors with a bundle of fuel rods grouped together by spacers, in which the fuel rods and the associated long use time of the fuel rod in the reactor core cause the diffusion of hydrogen from the hollow tube material to the hydrogen dissolved by even when the nuclear fuel burns up a lot Spacers adjacent areas of the fuel tube cladding tubes are avoided in order to thereby prevent the formation of zirconium hydride and / or a local change in the material properties of the tube tubes due to the enrichment with hydrogen in this area.
  • the concentration of this fissile nuclear fuel material in the area of the spacers is higher than in the area between the spacers .
  • Nuclear fuel material extended in the direction of adjacent spacers above and below the spacer by approximately its axial dimension. In other words, the area of higher concentration with fissile nuclear fuel material extends a relatively short distance beyond the top and bottom of the spacer.
  • An increase in the concentration of the fissile nuclear fuel material based on a volume element can advantageously be achieved in several ways.
  • One possibility is to enrich the nuclear fuel with nuclear fuel material to a higher degree.
  • the nuclear fuel can be more highly compressed than the other areas where it should have an increased concentration of fissile nuclear fuel material, based on a volume element. This can take place, for example, in that the higher concentrated fuel tablets have a lower porosity due to the appropriate coordination of sintering aids or different stereochemical conditions.
  • the fuel rod Since the nuclear fuel is mostly in the form of fuel tablets, it is advantageous for the fuel rod to have fuel tablets in the region with an increased concentration of fissile nuclear fuel material which contain more fissile nuclear fuel material than fuel tablets in Areas with the lower concentration of fissile nuclear fuel material. It is considered to be particularly advantageous if up to four fuel tablets above and below the top edge and bottom edge of the spacer each have such a higher concentration of fissile nuclear fuel material. It is particularly advantageous if one or two fuel tablets above the upper edge of the spacer and two or three fuel tablets below the lower edge of the spacer have a higher concentration of fissile material.
  • exploded view 2 shows a curve profile of the oxide layer thickness on the outer and outer wall of a cladding tube with the burning rate of the fuel element which has been customary to date
  • FIG 3 shows a fuel rod section in the area of a spacer with fuel tablets.
  • a fuel assembly 1 which is constructed from fuel rods 2 in a square grid arrangement.
  • a predetermined number of fuel elements which are identical to one another are provided, which are arranged in a reactor pressure vessel and through which a coolant flows from bottom to top in the direction of the arrow K.
  • the fuel rods 2 of the fuel assembly are held in a support structure, which consists of a fuel assembly head 3 and a fuel assembly foot 4 and intermediate guide tubes 5 for control rods, not shown.
  • Spacers 6 are fastened to the guide tubes 5 in a manner not shown, which combine the fuel rods 2 into a bundle and hold them in such a way that the fuel rods 2 can expand freely and have the same cooling cross sections for them.
  • the laterally open construction of the fuel elements 1 enables cross-mixing of the coolant and its heating is evened out.
  • the fuel rods 2 consist of cladding tubes filled with nuclear fuel, preferably of a zirconium alloy, here: Zircaloy-4.
  • FIG. 2 shows the course of the curve of the oxide layer thickness on the outer wall of a cladding tube of a fuel rod 2 at a burn rate that has been customary to date.
  • the vertical height of the fuel rod 2 is plotted on the abscissa and the associated oxide layer thickness is plotted on the ordinate.
  • the curve was recorded from the fuel element foot 4 to the fuel element head 3.
  • the areas of the spacers 6 are identified in the measurement curve by dashed lines and the reference number 6.
  • the oxide layer shows a fundamentally continuous increase in layer thickness in the direction of the fuel element Head 3 up to a maximum at approximately 3500 mm core height.
  • the oxide layer thickness decreases again in the region of the hollow tube lying above it.
  • the course of the curve has significant local Mmima of the oxide layer thickness, which indicate cold spots on the hollow tube. These cold spots are caused by the reasons already mentioned above, namely an increased heat transfer due to the swirling of the plastic agent caused by the spacers and direct heat coupling, the spacer 6.
  • this temperature difference creates a diffusion potential, through which hydrogen dissolved in the hollow tube material diffuses to the cold spots and accumulates there. If you want to achieve higher burn-off rates than previously customary, there is a risk that the hydrogen diffused to the cold spots assumes such a high concentration that the solubility of hydrogen in zirconium is exceeded and zirconium hydride forms.
  • This zirconium hydride has a significantly higher oxidation rate than zirconium itself. The consequence of this is a strong increase in the oxide layer thickness at the cold spots, that is in the areas of the spacers 6.
  • hydrogen in zirconium leads to brittleness, even without zirconium hydroxide being formed. As a result of this expansion, the ductility of the hollow tube material is reduced, so that the expansion of the hollow tube caused by the internal pressure prevailing in the hollow tube compared to the warmer hollow tube regions is reduced at these points, and constrictions occur.
  • FIG. 3 shows a fuel rod 2 in the area of a spacer 6.
  • the spacer 6 contacts the hollow tube 7 at several points with springs 8 and knobs 9. This results in direct heat transfer between the hollow tube 7 and the spacer 6.
  • the fuel tablets 10 and 11 located in the tubular tube 7 have a concentration of fissile nuclear fuel material which is different in terms of volume element.
  • the fuel tablets 11, which are directly adjacent to the spacer 6, and those in the immediate vicinity of the spacer show a higher concentration of fissile nuclear fuel material than the fuel tablets 10, which are further away from the spacer 6.
  • the area of the high concentrated nuclear fuel tablets 11 extends around a nuclear fuel tablet 11 over the upper edge 6.1 of the spacer 6 and around two nuclear fuel tablets 11 over the lower edge 6.2 of the spacer 6. Due to the fact that higher concentrated fuel tablets 11 protrude beyond the direct area of the spacer 6, it is possible to keep the concentration of the nuclear fuel tablets 11 of fissile nuclear fuel material somewhat lower than is necessary for an effective temperature compensation on the hollow tube 7 would be if the fuel tablets 11 were only provided for the direct area of the spacer 6. It is hereby achieved that the amount of heat generated in the nuclear reaction ensures a temperature leveling in the hollow tube 7 in the region of the spacer 6 and yet there is a less steep heat transfer between the higher concentrated fuel tablets 11 and the lower concentrated fuel tablets 10.
  • nuclear fuel tablets 11 which consist essentially of uranium dioxide, are more strongly enriched with fissile uranium.
  • the nuclear fuel tablets 11 have an enrichment level of 3.2% (or 2.5% or 1.9%), whereas the lower concentration nuclear fuel tablets have 10 enrichment levels of, for example, 2.5% (or 1.9% or 1.4%).
  • the higher concentration of fissile nuclear fuel material in the nuclear fuel tablets 11 can also be caused by the fact that the nuclear fuel tablets 11 have a higher compression.
  • This higher compression of the nuclear fuel tablets 11 present as a sintered body can be achieved in that they have a different doping with sintering aids, e.g. the pore formers have titanium or aluminum. It is also possible to achieve a higher sintered density by compressing the tablet green compacts more.

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Abstract

Ein Brennelement (1) weist von Abstandhaltern (6) zusammengefaßte Brennstäbe (2) auf, die Kernbrennstoff enthalten in der Weise, daß im Bereich der Abstandhalter (6) eine auf ein Volumenelement bezogene höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material in den Brennstäben vorliegt, um dadurch in diesem Bereich eine höhere Wärmeleistung des Kernbrennstoffs zu erzielen und auf diese Weise durch die Abstandhalter (6) verursachte Kaltstellen an den Hüllrohren (7) in diesen Bereichen zu vermeiden.

Description

Beschreibung
Brennelement mit qualifizierter Verteilung von spaltbarem Material im Brennstab
Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Kernreaktor insbesondere Druckwasser-Reaktor. Sie kann aber auch für Siedewasser-Reaktoren oder andere Reaktortypen Verwendung finden.
Der Reaktorkern von derartigen Reaktoren weist eine Mehrzahl von in Längsrichtung geodätisch vertikal orientierten Brennelementen auf. Im wesentlichen bestehen diese Brennelemente aus einem Brennelement-Fuß und einem Brennelement-Kopf, zwi- sehen denen eine Mehrzahl von Brennstäben angeordnet ist. Die Brennstäbe enthalten Kernbrennstoff, wie z.B. mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material angereichertes Urandioxid oder eine Mischung aus mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material angereichertem Urandioxid und Plutoniumoxid, in zumeist aus Zirko- nium oder einer seiner Legierungen bestehenden Hüllrohren. Diese Mehrzahl von Brennstäben eines Brennelementes wird zu einem Bündel zusammengefaßt durch Abstandhalter, die in Abständen von ca. 0,5 bis 1 m über die gesamte Länge der ca. 4,5 m langen Brennstäbe verteilt sind.
Die bei einer Kernreaktion durch Spaltung des spaltbaren Kernbrennstoff-Materials entstehende Wärme wird über die Hüllrohre an ein die Brennelemente von unten nach oben durchströmendes Kühlmittel abgegeben. Bei Druckwasser- und Siede- wasser-Reaktoren ist dieses Kühlmittel Wasser, das zugleich als Moderator dient.
Während der Betriebszeit der Brennelemente im Reaktor erfolgt eine Oxidation der Außenflächen der Hüllrohre. Zwar ist diese Oxidation nicht so stark, daß sie bei üblichen Abbrennraten des Brennstoffs die Einsatzzeit eines Brennstabes im Reaktorkern bestimmt, jedoch wird in der Kernkraftwerkstechnik ange- strebt, möglichst hohe Abbrennraten des Kernbrennstoffs zu realisieren, um dadurch Entsorgungs- und Wiederaufarbeitungs- kosten zu minimieren. Infolge dessen ist dem Korrosionsver- halten von Hullrohren erhöhte Aufmerksamkeit zu zollen.
Messungen der Oxidschicht an Hullrohroberflachen in ganz oder teilweise abgebrannten Brennelementen haben ergeben, daß die Dicke der Oxidschicht im Bereich der Abstandhalter jeweils geringer ist als m benachbarten Bereichen. Diese geringere Oxidschichtdicke im Einflußbereich der Abstandhalter weist auf Kaltstellen hin, also auf solche Stellen, an denen die Temperatur des Hullrohrs wahrend des Reaktorbetriebs ein lokales Minimum annimmt. Ursache für diese Kaltstellen ist zum Teil ein erhöhter Warmeabfluß durch den Kontakt der Hullrohre mit den Abstandhaltern . Außerdem bewirken die Abstandhalter eine stärkere Verwirbelung des sonst weitgehend laminar stromenden Kuhlmittels und einen sich daraus ergebenden verbesserten Wärmeübergang zwischen Hullrohr und Moderator.
Bei der Korrosion von Zirkonium-Legierungen entsteht durch die Reduktion von geringen Mengen des Kuhlmittels Wasser an der Oberflache des Hullrohres Wasserstoff, der zu einem gewissen Teil von dem Hullrohrwerkstoff aufgenommen wird und sich m der Hullrohrwand ansammelt. Infolge des Temperatur- gradienten zwischen den Kaltstellen des Hullrohrs im Bereich der Abstandhalter und den übrigen Bereichen des Hullrohres entsteht ein Diffusionspotential, welches dazu fuhrt, daß der aufgenommene Wasserstoff zu den kuhleren Bereichen hm diffundiert. Eine erhöhte Konzentration von Wasserstoff m Zir- konium und seinen Legierungen bewirkt eine Versprodung des
Materials, die zu einer verminderten Dukt litat des Hullrohres im Bereich der Abstandhalter fuhrt. Bei Überschreitung des Loslichkeitsbereichs von Wasserstoff in Zirkon entsteht Zirkoniumhydrid, welches im Verhältnis zu Zirkonium eine deutlich höhere Oxidationsgeschwmdigkeit aufweist. Als Folge können bei längeren Einsatzzeiten des Brennstabes lokale Oxidschichtdicken auftreten, die zu einer nicht mehr hinnehmbaren Beeinträchtigung des Hullrohres fuhren können.
Zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit wurde m WO 90/03035 vorgeschlagen, Brennstabe zu verwenden, bei denen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abstandhaltern m den Brennstaben mindestens zwei axiale Bereiche mit unterschiedlicher Brennstoffanreicherung der Weise vorgesehen sind, daß m Stro- mungsπchtung des Kuhlmittels gesehen der Bereich mit der höchsten Brennstoffanreicherung jeweils der Hohe eines Abstandhalters beginnt und sich über einen erheblichen Teil, beispielsweise ein Drittel der Distanz bis zum nächsten Abstandhalter erstreckt. Dabei wirα betont, daß der Bereich mit der höheren Anreicherung an spaltbarem Kernbrennstoff-Mate- πal Stromungsrichtung des Kuhlmittels gesehen einer durch die Vorderkante gegebenen Hohe des Abstandhalters beginnt, weil im Bereich des Abstandhalters meist eine niedrige Oxidschichtdicke auftritt. Dabei wird freilich übersehen, daß bei langen Verweilzelten des Brennstabes im Reaktorkern und bei entsprechend hohem Abbrand des Brennstoffs die Diffusion von Wasserstoff zu den von Abstandhaltern benachbarten Bereichen der Hullrohre zu einer Bildung von Zirkoniumhydroxid fuhren kann, welches eine deutlich höhere Oxidationsgeschwmdigkeit aufweist als Zirkonium.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennelement für Kernreaktoren mit einem Bündel von durch Abstandhalter zusammengefaßten Brennstaben anzugeben, bei welchen selbst bei hohem Abbrand des Kernbrennstoffs den Brennstaben und einer damit verbundenen langen Emsatzzeit der Brennstabe im Reaktorkern die Diffusion von m Hullrohrwerkstoff gelöstem Wasserstoff zu den von Abstandhaltern benachbarten Bereichen der Hullrohre der Brennstabe vermieden wird, um dadurch die Bildung von Zirkoniumhydrid und/oder eine durch die Anreicherung mit Wasserstoff bedingte lokale Veränderung der Werkstoffeigen- schaften der Hullrohre m diesem Bereich zu verhindern. Hierfür ist erfmdungsgemaß bei einem Brennelement für einen Kernreaktor mit einem Bündel von durch Abstandhalter zusammengefaßten Brennstaben, die Kernbrennstoff mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material enthalten, die auf ein Volumenelement bezogene Konzentration dieses spaltbaren Kernbrennstoff-Materials im Bereich der Abstandhalter hoher, als im Bereich zwischen den Abstandhaltern.
Auf diese Weise wird erreicht, daß im Bereich der Abstand- halter eine höhere Wärmeleistung vorhanden ist und auf diese Weise die durch die Abstandhalter bedingte verstärkte Kühlung des Hullrohres kompensiert ist.
In vorteilhafter Weise sind die Bereiche mit auf ein Volu- menelement bezogener höherer Konzentration des spaltbaren
Kernbrennstoff-Materials m Richtung auf benachbarte Abstandhalter oberhalb und unterhalb des Abstandhalters etwa um dessen axiale Abmessung erweitert. Mit anderen Worten: Der Bereich der höheren Konzentration mit spaltbarem Kernbrenn- stoff-Material erstreckt sich eine relativ kurze Strecke über die Oberkante und Unterkante des Abstandhalters hinaus.
Eine Erhöhung der auf ein Volumenelement bezogenen Konzentration des spaltbaren Kernbrennstoff-Materials kann vorteilhaf- terweise auf mehrere Arten erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht darin, den Kernbrennstoff mit Kernbrennstoff-Material hoher anzureichern. Alternativ dazu kann der Kernbrennstoff dort, wo er eine erhöhte Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material, bezogen auf ein Volumenelement, aufwei- sen soll, gegenüber den übrigen Bereichen hoher verdichtet werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die hoher konzentrierten Brennstoff-Tabletten durch entsprechende Abstimmung von Sinterhilfsstoffen oder unterschiedliche S - terbedmgungen eine geringere Porosität aufweisen. Es ist ebenso vorteilhaft, eine Kombination zwischen einer höheren Anreicherung des Kernbrennstoffs mit spaltbarem Kernbrenn- stoff-Mateπal und einer erhöhten Dichte des Kernbrennstoffs zu wählen.
Da der Kernbrennstoff zumeist m Form von Brennstoff-Tablet- ten vorliegt, ist es vorteilhaft, daß die Brennstabe m dem Bereich mit erhöhter Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material Brennstoff-Tabletten aufweisen, die mehr spaltbares Kernbrennstoff-Material enthalten, als Brennstoff- Tabletten in Bereichen mit der niedrigeren Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material. Dabei wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn jeweils bis zu vier Brennstoff-Tabletten oberhalb und unterhalb der Abstandhalter- Oberkante bzw. -Unterkante eine solch höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material aufweisen. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn oberhalb der Abstandhalter-Oberkante ein oder zwei Brennstoff-Tabletten und unterhalb der Abstandhalter-Unterkante zwei oder drei Brennstoff-Tabletten eine höhere Konzentration an spaltbarem Material aufweisen.
Dadurch, daß eine höhere Wärmeleistung durch den Kernbrennstoff einem nahen Bereich unterhalb und oberhalb der Abstandhalter erreicht wird, ist zum Ausgleich der durch die Abstandhalter verursachten stärkeren Kühlung des Hullrohres möglicherweise eine schwächere Konzentration von spaltbarem Kernbrennstoff-Material im Bereich der Abstandhalter selbst erforderlich, so daß der Warmeleistungsgradient zwischen hoher und niedriger konzentriertem Kernbrennstoff flacher ausfallen und durch diesen Gradienten hervorgerufene Spannungen im Hullrohr an den Übergangsstellen der unterschiedlich kon- zentrierten Bereiche verringert werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren naher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 eine Schragansicht eines Brennelements für einen Druckwasser-Reaktor m Explosionsdarstellung FIG 2 einen Kurvenverlauf der Oxidschichtdicke an der Au-, ßenwand eines Hüllrohrs bei bislang üblicher Abbrennrate des Brennelements
FIG 3 einen Brennstabausschnitt im Bereich eines Abstandhalters mit Brennstoff-Tabletten.
In Figur 1 ist ein Brennelement 1 dargestellt, das aus Brennstäben 2 in einer quadratischen Gitteranordnung aufgebaut ist. In einem Kernreaktor wird eine vorgegebene Anzahl von untereinander gleichen Brennelementen vorgesehen, die in einem Reaktordruckbehälter angeordnet und in Richtung des Pfeiles K von unten nach oben von einem Kühlmittel durchströmt werden. Die Brennstäbe 2 des Brennelementes werden in einer Tragstruktur gehalten, die aus einem Brennelement-Kopf 3 und einem Brennelement-Fuß 4 und dazwischenliegenden Führungsrohren 5 für nicht dargestellte Steuerstäbe besteht. An den Führungsrohren 5 sind in nicht näher dargestellter Art und Weise Abstandhalter 6 befestigt, welche die Brennstäbe 2 zu einem Bündel zusammenfassen und derart halten, daß die Brennstäbe 2 sich frei ausdehnen können und gleiche Kühlquerschnitte für sie vorliegen. Durch die seitlich offene Konstruktion der Brennelemente 1 wird eine Quervermischung des Kühlmittels ermöglicht und dessen Erwärmung vergleichmäßigt. Die Brennstäbe 2 bestehen aus mit Kernbrennstoff gefüllten Hüllrohren, vorzugsweise aus einer Zirkonium-Legierung, hier: Zircaloy-4.
Figur 2 zeigt den Kurvenverlauf der Oxidschichtdicke an der Außenwand eines Hüllrohrs eines Brennstabes 2 bei bislang üb- licher Abbrennrate. Dabei ist auf der Abszisse die vertikale Höhe des Brennstabes 2 und auf der Ordinate zugehörige Oxidschichtdicke aufgetragen. Die Kurve wurde vom Brennelement- Fuß 4 zum Brennelement-Kopf 3 aufgenommen. Die Bereiche der Abstandhalter 6 sind in der Meßkurve mit gestrichelten Linien und den Bezugszeichen 6 gekennzeichnet. Die Oxidschicht zeigt vom Brennelement-Fuß 4 ausgehend eine grundsätzlich kontinuierliche Schichtdickenzunahme in Richtung zum Brennelement- Kopf 3 bis zu einem Maximum bei ca. 3500 mm Kernhohe. In -dem daruberliegenden Bereich des Hullrohres nimmt die Oxid- schichtdicke wieder ab. An den Stellen, an denen sich die Abstandhalter 6 befinden weist der Kurvenverlauf signifikante lokale Mmima der Oxidschichtdicke auf, die auf Kaltstellen am Hullrohr hindeuten. Diese Kaltstellen werden aus den oben bereits erwähnten Gründen, nämlich einem erhöhten Wärmeübergang infolge der durch die Abstandhalter hervorgerufenen Ver- wirbelung des Kunlmittels und direkter Warmee kopplung den Abstandhalter 6 hervorgerufen.
Wie ebenfalls bereits erwähnt, entsteht durch diese Temperaturdifferenz em Diffusionspotential, durch welches im Hull- rohrwerkstoff gelöster Wasserstoff zu den Kaltstellen diffun- diert und sich dort anreichert. Will man höhere Abbrennraten realisieren als bisher üblich, so besteht die Gefahr, daß der zu den Kaltstellen diffundierte Wasserstoff eine derart hohe Konzentration annimmt, daß die Loslichkeit von Wasserstoff m Zirkonium überschritten wird und sich Zirkoniumhydrid bildet. Dieses Zirkoniumhydrid weist eine deutlich höhere Oxidationsgeschwmdigkeit auf als Zirkonium selbst. Die Folge davon ist eine starke Zunahme der Oxidschichtdicke an den Kaltstellen, also in den Bereichen der Abstandhalter 6. Darüber hinaus fuhrt Wasserstoff m Zirkonium zu einer Versprodung, auch ohne daß Zirkoniumhydroxid entsteht. Aufgrund dieser Ver- sproαung wird die Duktilitat des Hullrohrwerkstoffes herabgesetzt, so daß an diesen Stellen, die durch den im Hullrohr herrschenden Innendruck hervorgerufene Ausdehnung des Hullrohres gegenüber den wärmeren Hullrohrbereichen vermindert ist und sich so Einschnürungen einstellen.
Figur 3 zeigt einen Brennstab 2 im Bereich eines Abstandhalters 6. Dabei kontaktiert der Abstandhalter 6 das Hullrohr 7 an mehreren Stellen mit Federn 8 und Noppen 9. Hierdurch wird em direkter Wärmeübergang zwischen dem Hullrohr 7 und dem Abstandhalter 6 bewirkt. Um die Temperatur am Hullrohr 7 im Bereich der Abstandhalter 6 an die Temperatur m den übrigen Hullrohrbereichen anzugleichen, weisen die im Hullrohr 7 befindlichen Brennstoff- Tabletten 10 und 11 eine unterschiedlich hohe, auf em Volu- menelement bezogene Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material auf. Die Brennstoff-Tabletten 11, die dem Abstandhalter 6 direkt benachbart sind, sowie diejenigen m unmittelbarer Nahe zu dem Abstandhalter zeigen eine höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material als die Brennstoff-Tabletten 10, die vom Abstandhalter 6 weiter entfernt sind. Der Bereich der hoher konzentrierten Kernbrennstoff-Tabletten 11 erstreckt sich um eine Kernbrennstoff-Tablette 11 über die Oberkante 6.1 des Abstandhalters 6 und um zwei Kernbrennstoff-Tabletten 11 über die Unterkante 6.2 des Abstandhalters 6 hinaus. Dadurch, daß hoher konzentrierte Brennstoff-Tabletten 11 über den direkten Bereich des Abstandhalters 6 hinaus ragen, ist es möglich, die Konzentration der Kernbrennstoff-Tabletten 11 an spaltbarem Kernbrennstoff-Material etwas niedriger zu halten, als dies für einen wirksamen Temperaturausgleich am Hullrohr 7 erforderlich wäre, wenn die Brennstoff-Tabletten 11 nur für den direkten Bereich des Abstandhalters 6 vorgesehen waren. Es wird hierdurch erreicht, daß die bei der Kernreaktion entstehende Wärmemenge eine Temperaturnivellierung im Hullrohr 7 im Bereich des Abstandhalters 6 gewahrleistet und dennoch zwischen den hoher konzentrierten Brennstoff-Tabletten 11 und den niedriger konzentrierten Brennstoff-Tabletten 10 em weniger steiler Warmeleistungsubergang vorliegt.
Die auf das Volumen bezogene höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material m den Kernbrennstoff-Tabletten 11 wird dadurch bewirkt, daß diese Kernbrennstoff-Tabletten 11, die im wesentlichen aus Urandioxid bestehen, starker mit spaltbarem Uran angereichert sind. So weisen die Kernbrenn- stoff-Tabletten 11 z.B. einen Anreicherungsgrad von 3,2 % (oder 2,5 % bzw. 1,9 %) auf, wahrend die niedriger konzen- trierten Kernbrennstoff-Tabletten 10 Anreicherungsgrade von beispielsweise 2,5 % (oder 1,9 % bzw. 1,4 %) aufweisen.
Alternativ zu einer höheren Anreicherung mit spaltbarem Kern- brennstoff-Material kann die höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material in den Kernbrennstoff-Tabletten 11 auch dadurch hervorgerufen werden, daß die Kernbrennstoff- Tabletten 11 eine höhere Verdichtung aufweisen. Diese höhere Verdichtung der als Sinterkörper vorliegenden Kernbrennstoff- Tabletten 11 kann dadurch erzielt werden, daß sie gegenüber den niedriger konzentrierten Kernbrennstoff-Tabletten 10 eine andere Dotierung mit Sinterhilfsmitteln, wie z.B. den Porenbildnern Titan oder Aluminium aufweisen. Es ist auch möglich, eine höhere Sinterdichte durch ein stärkeres Komprimieren der Tablettengrünlinge zu erreichen.
Darüber hinaus ist auch eine Kombination zwischen höherer Anreicherung und größerer Verdichtung der Kernbrennstoff-Tabletten 11 möglich.

Claims

Patentansprüche " -
1. Brennelement für einen Kernreaktor mit einem Bündel von vertikal und nebeneinander angeordneten Brennstäben (2), die Kernbrennstoff mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material enthalten und mehrere horizontal und übereinander angeordnete Abstandhalter durchsetzen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß auf der Höhe eines Abstandhalters (6), der zwischen einer Abstandhal- ter-Oberkante (6.1) und einer Abstandhalter-Unterkante (6.2) eine axiale Abmessung A besitzt, die auf ein Volumenelement bezogene Konzentration dieses spaltbaren Kernbrennstoff-Materials in einem Bereich mit einer axialen Ausdehnung zwischen A und 3A höher ist als in einem nach unten anschließenden un- teren Zwischenbereich und einem nach oben anschließenden oberen Zwischenbereich.
2. Brennelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der obere Zwischenbereich und der untere Zwischenbereich einen Abstand < A von der Abstandhalter-Oberkante (6.1) bzw. der Abstandhalter-Unterkante (6.2) hat.
3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die auf ein Volumenelement bezogene höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material auf einer erhöhten Anreicherung des Kernbrennstoffs mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material beruht.
4. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die auf ein Volumenelement bezogene höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material auf einer erhöhten Dichte des Kernbrennstoffs beruht.
5. Brennelement nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die auf ein Volumenelement bezogene höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material auf einer Kombination zwischen höherer Anreicherung des Kernbrennstoffs mit spaltbarem Kernbrennstoff-Material und erhöhter Dichte des Kernbrennstoffs beruht .
6. Brennelement nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Brennstäbe (6) in den Bereichen mit erhöhter Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material Brennstoff-Tabletten (11) aufweisen, die mehr spaltbares Kernbrennstoff-Material enthalten als Brennstoff-Tabletten (10) in Bereichen mit der niedrigeren Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material .
7. Brennelement nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß jeweils bis zu vier Brennstoff-Tabletten (11) oberhalb und unterhalb der Abstandhalter-Oberkante (6.1) bzw. -unterkante (6.2) eine höhere Konzentration an spaltbarem Kernbrennstoff-Material aufweisen.
8. Brennelement nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß oberhalb der Abstandhalter-Oberkante (6.1) ein oder zwei Brennstoff- Tabletten (11) und unterhalb der Abstandhalter-Unterkante (6.2) zwei oder drei Brennstoff-Tabletten (11) eine höhere Konzentration an spaltbarem Material aufweisen.
PCT/EP1999/006901 1998-09-16 1999-09-15 Brennelement mit qualifizierter verteilung von spaltbarem material im brennstab WO2000016339A1 (de)

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