CH680025A5 - - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein verbessertes nukleares Brennelement mit einem langgestreckten Behälter, wie einer rohrförmigen Einheit, mit einem darin eingeschlossenen brennbaren, nuklearen Brennstoff zur Verwendung in wassergekühlten nuklearen Reaktoren zur Erzeugung von elektrischer Energie. Das in solchem Betrieb verwendete brennbare Material ist innerhalb des beschichteten Behälters abgedichtet, damit es von einer Berührung mit dem Kühlmittel isoliert ist, so dass irgendwelche Reaktionen und somit eine Verunreinigung des Kühlmittels mit radioaktivem Material des Brennstoffs von den Brennstoffprodukten ausgeschlossen ist.

Herkömmliche Brennelemente zur Erzeugung elektrischer Energie mittels wassergekühlter Nuklearreaktoren umfassen Oxyde aus angereichertem Uran in der Form von Kugeln, die in einem Behälter aus einer Zirkonlegierung enthalten sind, wie beispielsweise diejenige mit der Bezeichnung Zirkalloy-2 gemäss der US-PS 2 772 964. In einigen Fällen kann das Uranoxyd durch eine Uran-Gadoli-nia-Mischung oder feste Lösungen oder in anderen Fällen das Uran teilweise durch Pluton und/oder Thorium ersetzt werden.

Die Erfahrung hat bewiesen, dass typische Brennelemente nach einer ausgedehnten Bestrahlung im Kern eines nuklearen Reaktors zu Ausfällen infolge von Brüchen ihrer Behälter während schneller Leistungszunahmen neigen. Brüche im Behälter haben sich als Resultate von Spannungen erwiesen, die von durch Hitze verursachten Erweiterungen des Brennstoffinhaltes gegen die Innenfläche des Metallbehälters korrodiert sind, der durch eine länger andauernde Bestrahlung brüchig geworden ist und durch aufgespeicherte Spaltprodukte von darin enthaltenen Brennstoffen korrodiert ist.

Studien des schädlichen Phänomens haben ergeben, dass drei Bedingungen dazu beitragen, einen solchen Zusammenbruch des Brennstoffbehälters herbeizuführen, der normalerweise als Spannungs-korrosionsbruch bezeichnet wird. Erstens muss das Metall zu Spannungskorrosionsbrüchen in einer Strahiungsumgebung neigen, zweitens muss ein physischer Spannungspegel vorhanden sein und drittens muss eine Einwirkung von agressiven, korrosiven Mitteln stattfinden. Ein Metallzusammenbruch wegen Spannungskorrosionsbrüchen kann dadurch gemildert oder sogar eliminiert werden, dass eine oder mehrere dieser drei Bedingungen gelindert werden.

Ein wirksames Mittel zur Verhinderung derartiger Zusammenbrüche in herkömmlichen Brennelementen, einschliesslich Zirkonlegierungen, wie Zirkalloy-2, die Uranoxyd-Brennstoffe enthalten, besteht darin, metallurgisch verbundene Auskleidungen der Sperren aus nichtlegiertem Zirkonmetall auf der Innenfläche der Legierung des Behältersubstrates anzubringen. Das nichtlegierte Zirkonmetall der Sperrauskleidung hat einen grösseren Widerstand gegen Strahlungsabbröcklung als ein Legierungssubstrat, wobei es seine relativ weichen und plastischen Eigenschaften über die gesamte Lebensdauer, trotz der längeren Dauer der Bestrahlung beibehält. Lokale, physische Spannungen, die auf einen solchen, ausgekleideten Sperrbehälter von durch schnelle Leistungssteigerungen verursachter Wärme werden vom plastischen Fluss des relativ weichen, nichtlegierten Zirkonmetalls der Auskleidung gemässigt. Ferner wurde festgestellt,

dass das Zirkonmetall weniger als andere Legierungen dazu neigt, den korrosiven Wirkungen der v Spaltprodukte zu unterliegen. Dies bedeutet, dass das nichtlegierte Zirkon einen Widerstand gegen die Bildung von Brüchen in der Gegenwart von Korrosionsspaltprodukten aufweist.

Die Wirksamkeit von nichtlegierten Zirkonsperr-auskleidungen als Widerstand gegen schädliche Spannungskorrosionsbrüche infolge der Zusammenwirkung zwischen den Brennstoffkugeln und der Auskleidung des Behälters in der Gegenwart einer korrosiven Umgebung aus Strahlungsprodukten wird durch Milderung der physikalischen Spannung und die Korrosionsneigung des ganzen Behälters erreicht.

Wirksame, nichtlegierte Auskleidungen aus Zirkon für nukleare Brennelemente sind in den US-PSen 4 200 492 und 4 372 817 offenbart.

Ein weiterer Versuch, dieses Spannungskorro-sionsbruchproblem als einen Grund für einen Zusammenbruch der Brennelemente anzugehen, wenn es häufig kräftige Leistungszunahmen unterworfen wird, besteht darin, die physikalischen Eigenschaften von Uranoxydbrennstoff mit Zusätzen zu ändern. So hat es sich beispielsweise erwiesen, dass Aluminiumsilikate und Tonerde mit Aluminiumsilikaten, wenn diese in Uranoxyde in Mengen von bis zu Zehntelprozenten hinunter verteilt werden, wirksam zur Erhöhung der Plastizität von daraus bestehenden Brennstoffkugeln verwendet werden können,

wobei die dabei induzierte Hitzeerweiterung die physikalische Spannung reduziert, welche auf die Brennstoffkugeln zurückzuführen ist.

Mit Uranoxyd vermischte Aluminiumsilikatzusätze haben sich zur Milderung von zwei der drei Bedingungen als wirksam erwiesen, die gleichzeitig zur Erzeugung von Spannungskorrosionsbrüchen im Metall eines Brennstoffbehälters vorhanden sein müssen. Ein Aluminiumsilikatzusatz erhöht die Kriechgeschwindigkeit von Brennstoffkugeln, einschliesslich Uranoxyde, und reduziert dadurch die infolge der thermischen Expansion des Brennstoffmaterials auf das Auskleidungsrohr ausgeübte Spannung. Die erhöhte, plastische Verformung und die auf diesen Zusatz zurückzuführende Verformungsgeschwindigkeit ermöglicht dem geänderten Brennstoff den Fluss in den eigenen Leerraum und/oder in einen beliebigen zur Verfügung stehenden, offenen Bruchraum innerhalb des Inneren des Brennstoffauskteidungsbehälters, so dass die physikalische Zusammenwirkungskraft infolge der ther- ■ mischen Expansion über einen grösseren Bereich verteilt wird. Dadurch werden hohe lokale Spannun- v gen durch eine erhöhte Verteilung deren Kräfte ge- -mildert.

Die in den Brennstoff eingeführten Aluminiumsilikate reagieren mit durch Strahlung erzeugten Spaltprodukten und reduzieren demzufolge die Konzentration von agressiven Spaltprodukten, welche in

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Anwesenheit von physischen Spannungen einen Grund für die Risse im Metall der Brennstoffauskleidungsbehälter bilden.

Die Wirkungen von Zusätzen umfassen Aluminiumsilikate bei spaltbaren nuklearen Brennstoffen einschliesslich ihrer relativen Mengen, die in den US-PSen 3 679 596, 3 715 273,3 826 754, 3 872 022 und 4 052 330 offenbart sind.

Der offenbarte Inhalt der vorgenannten US-PSen 4 200 492, 4 372 817, 3 697 596, 3 715 273, 3 826 754, 3 872 022 und 4 052 330, welche den Stand der Technik beschreiben, bildet die Grundlage für das vorliegende Gesuch.

Das vorliegende Gesuch bezieht sich auf das Problem der Zusammenbrüche von nuklearen Brennelementen infolge von Brüchen des Auskleidungsbehälters, der spaltbares Brennstoffmaterial enthält. Der Behälter wird zur physikalischen Isolierung und Abdichtung des darin vorhandenen spaltbaren Materials sowie der Spaltprodukte benutzt, die von einer Aussetzung und/oder Kontamination des umgebenden Kühlmittels, wie Wasser, herrühren.

Das Eindringen von Kühlwasser oder Dampf durch einen Riss im Behältergehäuse, wobei es zu einer Berührung mit dem eingeschlossenen Brennstoff kommt, führt zu zerstörenden Reaktionen desselben, wobei ferner Spaltprodukte in das Kühlmedium des Gesamtsystems einfliessen.

Die nachfolgend beschriebene Erfindung bezieht sich auf ein nukleares Brennelement mit einer Spe-zialkonstruktion und Zusammensetzung, die zusammen sämtliche Faktoren, welche zum Zusammenbruch der Brennstoffauskleidungsbehälter infolge von Spannungskorrosionsbrüchen führen, überwinden. Insbesondere die Kombination aus der Konstruktion und der Zusammensetzung der nuklearen Brennelemente trägt dazu bei, alle ursächlichen Bedingungen, welche die Spannungskorrosion begünstigen, wie physische Spannung, korrosive Umgebung und empfindliches Material, zu reduzieren oder eliminieren.

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines nuklearen Brennelementes, das einem agressiven Betrieb widersteht.

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein nukleares Brennelement zu schaffen, das in bezug auf Zusammenbrüche der Behälterwandung infolge von Behältewandrissen widerstandsfähiger ist.

Zudem besteht eine weitere Aufgabe der Erfindung darin, ein nukleares Brennelement zu schaffen, das häufige und schnelle Leistungszunahmen im Betrieb während längerer Perioden mit starker Spaltungsverbrennung aushalten und dabei Rissen oder anderen Zusammenbrüchen widerstehen kann.

Ausserdem besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein nukleares Brennelement zu schaffen, das gegen Spannungskorrosion einer dadurch verursachten Rissbildung widerstandsfähig ist.

Schliesslich besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein nukleares Brennelement einer einzigartigen Kombination aus Konstruktion und Zusammensetzung zu schaffen, das die Folgen von Spannungskorrosion, einschliesslich der physischen

Spannungen, der korrrosiven Elemente und des verdächtigen Materials mildert oder eliminiert.

Diese Aufgaben sind erfindungsgemäss durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil der Patentansprüche 1, 5 und 10 definiert.

Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsansicht eines nuklearen Brennelementes, teilweise im Schnitt, mit dem zusammengesetzten Auskleidungsbehälter oder Rohr, in dem eine Kolonne aus Kugeln des nuklearen Brennstoffmaterials untergebracht ist,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das nukleare Brennelement nach Fig. 1, in grösserem Massstab und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Vergleichsresultate einer Analyse der Erfindung in bezug auf den Stand der Technik.

Die Erfindung betrifft ein nukleares Brennelement mit einem zusammengesetzten, ausgekleideten Behälter mit einer inneren Sperre aus einer weichen, metallischen Auskleidung, beispielsweise aus nichtlegiertem Zirkonmetall, das mit ihm fest verbunden ist und spaltbaren Brennstoff und ein Oxyd aus Uran enthält, das mit einem Zusatz aus einem Aluminiumsilikat modifiziert ist. Die charakteristischen Eigenschaften und Wirkungen dieser Kombination aus Aufbau und Zusammensetzung sind nicht nur komplementär, sondern synergetisch, wenn es darum geht, eine überragende Leistung, insbesondere bei hoher Verbrennung, auch über etwa 35 MWd/kg hinaus zu erbringen. Diese synergeti-sche, überlegene Leistung ist in der Dauer der Brennelemente im Widerstand gegen plötzliche Leistungszunahmen zu Hochleistungspegeln und zur Stütze von ernsten Leistungszyklen manifestiert, während deren Einstückigkeit aufrechterhalten wird.

In der Zeichnung, insbesondere in Fig. 1, ist ein nukleares Brennelement 16 mit einem Ausschnitt gezeigt. Das Brennstoffelement 10 umfasst einen länglichen, zusammengesetzten, ausgekleideten Brennstoffbehälter 12, der typischerweise aus einem rohrartigen Körper 14 besteht, der an den beiden Enden durch eingeschweisste obere und untere Pfropfen 16 und 16' abgeschlossen ist, damit ein abgedichteter Behälter entsteht. Gemäss einem Hauptaspekt der Erfindung besteht der Auskleidungsbehälter 12 für den Brennstoff aus einem Rohr 14 aus einer Zirkonlegierung, die mit einer Auskleidung 18 aus nichtlegiertem Zirkon versehen ist, das metallurgisch über die Innenfläche des Substrats des Legierungsrohres 14 fest verbunden ist. Die Auskleidung 18 aus nichtlegiertem Zirkon, das metallurgisch über die Innenfläche des Substrats des Rohres 14 fest verbunden ist, ist in einer Dicke von etwa 5 bis 30% der Dicke des zusammengesetzten Auskleidungsrohrs 12, und vorzugsweise in einer Dicke von mehr als 40 |xm vorhanden.

Innerhalb des abgedichteten, zusammengesetz-

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ten Auskleidungsbehälters 12 befindet sich ein Kern oder Tiil ius ittliiiim Brtnn«

Stoffmaterial 20, das hier als eine Vielzahl von Brennstoffkugeln oder spaltbarem und/oder fruchtbarem Material dargestellt ist, das in einer Kolonne aufgestapelt ist. Brennstoffkugeln müssen nicht unbedingt kugelförmig sein, sondern können auch andere Formen haben und beispielsweise zylinderförmig sein, wobei verschiedene Brennstofformen, wie teilchenförmiger Brennstoff, verwendet werden.

Der Kern oder das Brennstoffmaterial 20 sowie der Auskleidungsbehälter 12 nach Fig. 2 sind typischerweise derart ausgeführt, dass ein Spalt oder Leerraum 22 zwischen der Innenfläche der Auskleidung und dem Aussendurchmesser des Brennstoffkernes vorhanden ist.

Bisher belegte der Kern aus Brennstoffmaterial 20 nicht die gesamte Länge des gezeigten Auskleidungsbehälters. Die Kolonne aus Kugeln oder Körpern, welche den Brennstoffkern 20 bilden, sind in einer Länge vorhanden, welche kürzer ist als der Auskleidungsbehälter 12, wobei am Ende ein offener oder ausgefüllter Raum 24 vorgesehen ist. Der ausgefüllte Raum 24 ermöglicht eine Erweiterung der Brennmaterialkoionne in der Längsrichtung und dient als Bereich für die Ansammlung von gasförmigen Produkten, die vom Brennstoff herrühren, das einer Spaltung und einer Bestrahlung unterworfen wird. Vorzugsweise werden Haltemittel, wie eine Feder 26 verwendet, die innerhalb des ausgefüllten Raumes 24 angeordnet ist, um der axialen Bewegung der Brennstoffkolonne, insbesondere während der Handhabung und des Transportes des Brennstoffelementes, zu widerstehen.

Zirkonlegierungen, welche für den rohrförmigen Körper 14 geeignet sind, oder Substrate, die den Auskleidungsbehälter 12 bilden, schliessen diejenigen ein, welche die Handelsnamen Zircaloy-2 und Zircaloy-4 tragen. Zircaloy-2 hat ein Gewicht auf einer Basis von 1.5% Zinn, etwa 0.14% Eisen, etwa 0.1% Chrom und etwa 0.05% Nickel, wobei der Rest aus Zirkon besteht. Zircaloy-4 hat weniger Nickel aber etwas mehr Eisen als Zirkaloy-2. Weitere Details betreffend diese Legierungen sind in den US-PSen 2 772 969 und 3 148 055 enthalten.

Die Sperrauskleidung 18, welche metallurgisch über die Innenfläche des Legierungsrohres 14 befestigt ist, enthält Zirkonmetallgrade, die im Handel als Zirkonstangen oder Zirkonschwamm bezeichnet sind. Insbesondere Zirkonmetall sollte weniger als etwa 5000 ppm, vorzugsweise weniger als etwa 4200 ppm, der Unreinheiten oder Nicht-Zirkon-Be-standteile enthalten. Von diesen sollte der Sauerstoff in einem Bereich von etwa 200 bis etwa 1200 ppm vorhanden sein. Alle weiteren Unreinheiten sollten innerhalb des handelsüblichen Bereiches für Kristallstab- und Schwammzirkonqualität liegen, und zwar: Aluminium hinauf bis zu etwa 75 ppm; Bor - bis zu etwa 0.4 ppm; Cadmium - bis zu etwa 0.4 ppm; Kohlenstoff - bis zu etwa 270 ppm; Chrom - bis zu etwa 200 ppm; Kobalt - bis zu etwa 20 ppm; Kupfer - bis zu etwa 50 ppm; Hafnium - bis zu etwa 100 ppm; Wasserstoff - bis zu etwa 25 ppm; Eisen - bis zu etwa 1500 ppm Magnesium - bis zu etwa 20 ppm; Mangan - bis zu etwa 50 ppm; Molyb-

den - bis zu etwa 50 ppm; Nickel - bis zu etwa

70 ppm; NioD - Pis m cm wo ppm; smsm - dìo zu etwa 80 ppm; Silizium - bis zu etwa 120 ppm; Zinn -bis zu etwa 50 ppm; Wolfram - bis zu etwa 100 ppm; Titan - bis zu etwa 50 ppm; und Uran - bis zu etwa 3.5 ppm.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Zusammensetzung des Brennstoffmaterials, das innerhalb des spezifizierten Auskleidungsbehälters verwendet wurde. Spaltbare, nukleare Brennstoffe zur Verwendung in dieser Erfindung umfassen herkömmliche Oxyde aus angereichertem Uran, Pluton und Thorium sowie Mischungen derselben und können Gadolin oder andere übliche Neutronenabsorber oder sogenannte «Gifte» einschliessen. Urandioxyd ist ein bevorzugter, spaltbarer Brennstoff für die Praxis gemäss der vorliegenden Erfindung.

Zusätze zur Verwendung in dieser Erfindung zur Änderung der herkömmlichen, nuklearen Brennstoffe umfassen u.a. Aluminiumsilikate und Materiale, die Aluminiumsilikate, wie Tonerde, enthalten, oder Aluminiumsilikate bilden, wie Kombinationen mit Alu-minia und Silika. Kaolin- und Bentonitton sind solche Beispiele. Passende Zusatzquellen sind in der US-PS Nr. 3 826 754 offenbart.

Zusätze aus Aluminiumsilikaten können mit herkömmlichen Brennstoffmaterialien in beliebigen wirksamen Verhältnissen oder Mengen, typischeweise von etwa 0.05 bis zu etwa 5.0 Gew.-% des gesamten modifizierten Brennstoffes, und vorzugsweise von etwa 0.1% bis zu etwa 1.0% kombiniert werden. Es ist aber normalerweise wünschenswert, den Anteil solcher Zusätze zu reduzieren, die deshalb in den Brennstoff eingeführt wurden, weil sie das spaltbare oder fruchtbare Material ersetzen und dadurch die Wirksamkeit des Brennstoffmaterials schmälern.

Die synergischen Wirkungen, die auf das nukleare Brennelement gemäss der vorliegenden Erfindung zurückzuführen sind, basieren auf verschiedenen mechanischen Phänomenen, die wie folgt zu klassifizieren sind:

(a) mechanische oder die Herabsetzung der Zugfestigkeit in der Auskleidungskammer,

(b) chemische oder die Verbesserung von bestimmten bekannten korrosiven Spaltprodukten und

(c) mechanische/chemische, wobei die chemische Wirkung unter (b) synenergetisch wirkt, um die Spannungsratenempfindlichkeit der Brennstoffauskleidungsstruktur auf die schädlichen Wirkungen der «gegenseitigen Kugelauskleidung» auszugleichen.

Der mechanische Synergismus gemäss der Erfindung wird in der folgenden Weise demonstriert. Bei jeder Leistungszunahme des nuklearen Reaktors übt die thermische Erweiterung eine Spannung auf den eingeschlossenen Auskleidungsbehälter aus. Die relativ weiche, nichtlegierte Zirkonauskleidung des Auskleidungsbehälters verbessert die lokale Spannung auf die Innenfläche des Auskleidungsbehälters, an welcher die Risse erfahrungsgemäss ausgelöst werden. Das sofortige Nachlassen der

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Spannung der Innenfläche des Auskleidungsbehälters findet bei schnellem, erstem Kriechen des Aus-kieidungsbehäiters statt. Der modifizierte Brennstoff wirkt ferner zur Aufnahme der Spannung im System dieser Erfindung durch ein schnelles Warmpressen, wobei das darin vorhandene Volumen gefüllt wird. Danach werden die Systemspannungen mittels eines langsameren Mechanismus eines zweiten Kriechens herabgesetzt. Die nach aussen gerichtete Deformation des Auskleidungsbehälters infolge der Spannung wird von der zweiten Kriechrate des Substrats der Zirkonlegierung der Auskleidungsbehälterwand begrenzt, die verglichen mit dem Verformungsvorgang im zusatzmodifizierten Brennstoffkörper langsam ist. Die hohe, sekundäre Kriechgeschwindigkeit des modifizierten Brennstoffes in Verbindung mit dem schnellen Entspannungsmechanismus (primäres Kriechen der nichtlegierten Zirkonauskleidung und primäres Kriechen/Warmpressen des Brennstoffes) ergibt eine Struktur, in welcher interne Spannungen reduziert werden, um sowohl die ursprüngliche, schnelle Brennstofferweiterung als auch die langsamere Erweiterung aufzunehmen, die nur während eines starken Verbrennungsvorganges des Brennstoffes, teilweise wegen Spaltgasblasenaustritts innerhalb des Brennstoffes, stattfindet.

Obschon die Zr-Sperrschicht-Brennstoffaus-kleidung wirksam einen Widerstand gegen einen Zusammenbruch infolge einer Kugelauskleidung-Ein-wirkung leistet, sind grosse Leistungszunahmen dafür bekannt, dass sie Mikrobrüche an der Innenfläche der Auskleidung (an der Trennfläche zwischen den Kugeln und der Auskleidung) erzeugen. Infolge der Weichheit der Zirkonauskleidung wachsen diese nicht schneller, als sie dies in härteren Zirkonlegierungsmaterialien tun würden. Jedoch neigen solche Mikrobrüche zum Wachsen unter zyklischen Lastbedingungen. In Verbindung mit modifizierten Brennstoffkugeln verhindert die Federung dieser Kugeln die Spannungsanhäufung (Sperrung) am Leistungszyklus, die sonst ein Anwachsen der Mikrorisse in der Zirkonauskleidung verursachen würde. Der Widerstand gegen Leistungszyklen ist ein weiterer Aspekt des mechanischen Synergismus.

Der chemische Synergismus dieser Erfindung wird nachfolgend erläutert. Studien haben gezeigt, dass bestimmte Spaltprodukte, die Jod und Kadmium enthalten, dazu neigen, Risse in der Wand des Brennstoffauskleidungsbehälters zu erzeugen. Die nichtlegierte Zirkonauskleidung des Auskleidungsbehälters wurde dazu bestimmt, einen hohen Widerstand gegen Spannungskorrosionsbrüche infolge von Jodmischungen zu leisten. Es wurde bereits festgestellt, dass Kadmium das agressivste, bekannte Umgebungselement ist und dass die nachteilige Wirkung von Kadmium bei der Anwesenheit von Cäsium verschlimmert wird. Aluminosilikative Zusätze verursachen ein Anhalten des Cäsiums innerhalb des Brennstoffkörpers und verhindern somit, dass der Auskleidungsbehälter erreicht wird.

Wenn der nukleare Brennstoff verwendet wird und weitere Spaltungen in den strahlungsinduzier-ten, schweren, transuranischen nuklearen Materialien, wie Plutonium, Neptunium, usw. auftreten, nimmt der Anteil der durch Spalten erzeugten Kadmium und Jod zu. Somit leistet das verbesserte, nukleare Brennelement gemäss der Erfindung einen andauernden Schutz gegen den Zusammenbruch über einen erweiterten Strahlenbereich.

Der mechanische/chemische Synergismus gemäss der Erfindung wird nachfolgend näher erläutert. Jod verursacht Risse im Auskleidungsbehälter, und zwar ernster bei relativ niederen Spannungsraten, wogegen Kadmium eine schnelle Spannungsrate verlangt, damit sich Risse durch die Auskleidungs-Behälterwand ausbreiten. Die Struktur und die Zusammensetzung dieser Erfindung liefert einen Widerstand gegen Rissbildung sowohl bei hohen als auch bei niederen Spannungsänderungen.

Ein weiterer Aspekt des mechanisch/chemischen Synergismus besteht darin, dass die Brennstoffverbindung zum Auskleidungsrohr von der Konstruktion und der hier beschriebenen chemischen Zusammensetzung reduziert wird. Das Verbinden des chemischen Brennstoffmaterials mit der Auskleidungswand ist sowohl eine Quelle mechanischer Spannungen als auch ein Rohr für den Transport von Sauerstoff und potentiell schädlichen Spaltprodukten des Brennstoffes in die Auskleidung.

Die folgenden Beispiele zeigen die Praxis und die charakteristischen Eigenschaften der vorliegenden Erfindung. Die Zusammenwirkung, sofern vorhanden, und deren Umfang in bezug auf Zirkonmetall und nuklearen Brennstoff besteht aus herkömmlichem Urandioxyd und einem modifizierten Urandioxyd mit Kaolittonzusatz und wurde wie folgt evaluiert:

Eine Platte aus einem Kristallstab aus Zirkonmetall wurde in Oberflächenberührung und unter Druck zwischen zwei Brennstoffkugeln aus Urandioxyd zusammengebracht, von welchen die eine nur aus Urandioxyd und die andere aus Urandioxyd mit einem Gew.-% Kaoiinittonzusatz darin verteilt bestand. Die überlagerte Mischung aus Urandi-oxyd/Zirkonmetall/Urandioxyd mit Kaolinitzusätzen, die ein Probemuster bildet, wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 3.8°C pro Sekunde bis zu 1400 +/- 25°C unter einem Kontaktdruck von etwa 12.3 kp/cm2 (175 psi) in einer Atmosphäre von etwa 99.99% Argon erhitzt. Dieses zusammengesetzte Probemuster der drei Komponenten wurde während einer Dauer von etwa 30.5 min bei einer Temperatur von etwa 1400°C gehalten und dann mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.3°C pro sec auf eine Temperatur von 600°C abgekühlt, wonach es dem Probemuster erlaubt wurde, mit einer natürlichen Geschwindigkeit auf Raumtemperatur abzukühlen.

Das fest zusammengebundene Probemuster aus drei Komponenten wurde entlang der Längsachse und somit quer durch jede der drei Komponenten in zwei Sektionen zur Prüfung ihrer zwei gemeinsamen Flächen mittels optischer Metallographie und elektronischer, mikroskopischer Abtastung geschnitten.

Die optische Metallographie und die elektronischen, mikroskopischen Prüfungen zeigten einen bedeutend geringeren Reaktionsbereich an der gemeinsamen Fläche zwischen dem Kaolinit-modifizier-

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ten Urandioxyd und dem Zirkonmetall als derjenige an anderen gemeinsamen Flächen des Probemusters zwischen dem nicht modifizierten Urandioxyd und dem Zirkonmetall. Ferner deuten die Phasen der Zusammenwirkungsbereiche in den gemeinsamen Flächen von Kaolinit-modifiziertem Uran-oxyd/Zirkonmetall auf eine reduzierte Sauerstoffdiffusion vom Urandioxyd in das Zirkonmetall in be-zug auf die andere Musterfläche, einschliesslich des nicht modifizierten Urandioxyds, hin.

Diese vergleichende Evaluation der Erfindung zeigt die Vorteile eines Aluminiumsilikat-modifizier-ten Uraniumdioxyd-Brennstoffs mit Zirkonmetall in einem Brennelement, das eine reduzierte chemische Zusammenwirkung unter schwerwiegenden und agressiven Bedingungen einschliesst, die nicht beabsichtigten, übermässig schnellen Leistungszunahmen entsprechen. Ferner zeigt es in einer beschleunigten Aus-dem-Reaktor-Prüfung bei hohen Temperaturen das, was unter normalen Betriebsbedingungen innerhalb eines normalen Stabes auf die Dauer erwartet wird, was der lang andauernden Beanspruchung im Reaktordienst entspricht.

Eine vergleichbare Analyse von mehreren herkömmlichen Brennstoffelement-Auslegungen mit denjenigen des erfindungsgemässen Brennelementes wurde mit dem Zweck ausgeführt, ihre jeweilige Leistungsfähigkeit wie folgt zu evaluieren:

Dabei wurde ein herkömmliches Brennelement mit einem normierten Brennelement, bestehend aus nicht modifiziertem Uraniumoxyd-Brennstoff in einem einfachen Zircaloy-2-Behälter, und ein Brennelement aus nicht modifiziertem Uranoxyd-Brenn-stoff in einem Zircaloy-2-Behälter mit einer nichtlegierten Zirkonauskleidung angeordnet, die metallurgisch mit der Innenfläche verbunden ist; wobei ein mit einem Zusatz aus Aluminiumsilikat modifiziertes Brennelement Im Uranoxyd-Brennstoff in einem einfachen Zircaloy-2-Behäiter untergebracht ist, und die Mischung aus der Konstruktion und dem Material dieser Erfindung, die aus einem Brennstoff besteht, der aus einem Zusatz aus Aluminiumsilikat im Uranoxyd-Brennstoff in einem Zircaloy-2-Behälter mit einer nichtlegierten Zirkonauskleidung eingesetzt wird, die metallurgisch über die gesamte Innenfläche verbunden ist. Die Menge und die Quelle des Aluminiumsilikat-Zusatzes zum Brennstoff und die Abmessungen und die Eigenschaften der nichtlegierten Zirkon-Sperrschicht im Betrieb waren die gleichen in jedem Beispiel, nämlich 0.25 Gew.-% Kaolinit-Tonerde und eine Zirkonmetallauskleidung in einer Dicke von 0.076 mm (0.003 Zoll).

Die Wirkungen von Zusatz-Brennstoff, wenn dieser in Kombination mit einer Sperrschicht-Aus-kleidung an der Zuverlässigkeit von einem Brennstoffstab benutzt wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Diese Figur zeigt das Resultat von analytischen und experimentellen Nachforschungen der Verbindung sowie separate Wirkungen von Zusatzkugeln und Sperrauskleidungen. Es zeigt die Leistung bei einem Angriff von einem PCI-Zusammenbruch in bezug auf die festgestellte Zusammenbruchsleistung als Funktion der Beanspruchung. Zonen unterhalb von jeder der vier Kurven in Fig. 3 zeigen Kombinationen von Leistung und Beanspruchung, bei welchen ein Brennstoffstab betätigt werden kann, ohne dass Zusammenbrüche auftreten. Zonen an und oberhalb der Kurve zeigen Bedingungen, bei welchen ein Zusammenbruch infolge des hier beschriebenen Spannungskorrosionsbruch-Mechanismus erwartet werden kann.

Fig. 3 wurde auf Grund von experimentellen Daten konstruiert, indem ein analytisches Modell benutzt wurde, das die thermischen und mechanischen Bedingungen innerhalb des Brennstoffstabes im Betrieb berechnet. Experimentelle Daten von Strahlungsprüfungen wurden zuerst evaluiert, um die Auskleidungsspannungen für den Zusammenbruchsangriff in Stäben mit herkömmlichen Zircaloy-2-Auskleidungen und in den mit Zirkon ausgekleideten Sperr-Auskleidungen festzustellen. Der Spannungspegel wurde dann mit dem gleichen analytischen Modell verwendet, um das erwartete Benehmen der Zusatzkugeln mit der Sperr-Auskleidung zu ermitteln. Beim Studium wurden Stäbe mit Konstruktionsdetails benutzt, die Eigenschaften zeigen, welche für handelsübliche, thermische Neutronen-Reaktoren charakteristisch sind. In der Analyse wurden die Stäbe mit einer relativ niederen Leistung von 23 kW/m (7 kW/Fuss) mit variierender Beanspruchung betrieben, wonach eine plötzliche Zunahme in der Leistung auf einen neuen, höheren Leistungspegel stattfand. Leistungen, bei welchen ein Zusammenbruch stattfand, wurden auf der Basis von Auskleidungsspannungen in bezug auf den Pegel ermittelt, der mit experimentell beobachteten Zusammenbrüchen zusammenhängt.

Es wird darauf hingewiesen, dass die obigen Resultate gemäss Fig. 3 die Wirkungen der Zusatzphasen zur Beschädigung von Spaltprodukten nicht berücksichtigen. Der chemische Zustand und die Menge der Spaltprodukte, die zum Zusammenbruch beitragen, wurden für den Zusammenbruch als ausreichend angenommen, nachdem die kritische Auskleidungsspannung erreicht wurde. Diese Behandlung bezieht sich nicht auf die Verbesserungswirkungen der Zusatzphase auf die Spaltprodukte. Deshalb zeigt die Analyse eine niedrigere Schätzung der erwarteten Verbesserung in der Brennstab-Zuverlässigkeit.

Resultate dieser parametrischen Nachforschung deuten an, dass die Verwendung entweder von Zusatzkugeln oder Auskleidungssperren die Leistungspegel erhöhen, bei welchen ein Brennstoffstab ohne Zusammenbruch arbeiten kann. Dabei ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass die Resultate ferner die Verwendung von Zusatzkugeln in Verbindung mit Sperrauskleidungen zeigen, wobei der Leistungspegel für einen zuverlässigen Betrieb über den erwarteten Pegel für Zusatzkugeln oder Sperrauskleidungen erhöht wird, wenn sie allein verwendet werden, oder was durch eine einfache Addition des Vorteils des einen gegenüber dem anderen erwartet werden kann. Der Verbesserungs-margin infolge der Zusatz-Sperrkombination ändert sich mit der Beanspruchung. Es bleibt aber wichtig, dass in einem typischen Thermalspektrum-Reaktor über den grössten Teil der Lebensdauer bisher unerwartete Verbesserungen in der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit bestehen.

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Diese Berechnungen können nur die mechanische Synergie zeigen, welche hauptsächlich in den frühen Stufen oder der Strahlung vorhanden ist. Das analytische Model ist nicht in der Lage, die chemische Synergie vorauszusagen, die uns aus experimentellen Daten bekannt ist. Deshalb sind die Vorteile von Belastungen über 35 MWd/kg U nicht in diesem Beispiel ersichtlich, jedoch können sie durch Strahlungsprüfungen verifiziert werden. Zur Verifizierung von erwarteten Vorteilen der Erfindung wurden Brennstäbe mit 0.25% Betonit- und Zirkon-sperren-Auskleidung in einem Duane-Arnold-Reak-tor für Bestrahlung eingesetzt, und sie haben sich als erfolgreich erwiesen.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Nukleares Brennelement, dadurch gekennzeichnet, dass es einen langgestreckten, mit metallischem Überzug versehenen Behälter (12) aus einem Rohr (14) aus einer Zirkonlegierung mit zirkonfreien Bestandteilen in Mengen über 5000 Gew.-ppm enthält und mit einer Sperrauskleidung (18) aus Zirkon in einer Dicke von 5 bis 30% der Rohrdicke versehen ist, wobei diese Auskleidung metallurgisch mit der Innenfläche des Legierungsrohres (14) verbunden ist und ein mittiger Kern aus nuklearem Brennstoff innerhalb des rohrförmigen Behälters (12) angeordnet ist und ihn teilweise ausfüllt, so dass ein Spalt zwischen dem Behälter (12) und dem als Kern dienenden Brennstoff vorhanden ist und dass der nukleare Brennstoff aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Mischungen aus Uran, Plutonium und Thorium aufweist und die einen Zusatz aus Aluminiumsilikat in einer effektiven Menge von 0.01 bis zu 5 Gew.-% des Brennstoffes enthält.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilikatzusatz Tonerde ist.

3. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilikatzusatz in einer Menge von 0.05 bis 1.0 Gew.-% des Brennstoffes im nuklearen Material verteilt ist.

4. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrauskleidung aus Zirkon Schwammzirkon enthält.

5. Nukleares Brennelement, dadurch gekennzeichnet, dass es einen langgestreckten, mit metallischem Überzug versehenen Behälter (12) aus einem Rohr (14) aus einer Zirkonlegierung mit zirkonfreien Bestandteilen in Mengen über 5000 Gew.-ppm aufweist, das mit einer Sperrauskleidung (18) aus Schwammzirkon in einer Dicke von 1 bis 30% der Rohrdicke versehen ist, wobei diese Auskleidung metallurgisch mit der Innenfläche des Rohres (14) verbunden ist, dass ein mittiger Kern aus nuklearem Brennstoff innerhalb des rohrförmigen Behälters (12) angeordnet ist und ihn teilweise ausfüllt, so dass ein Spalt zwischen dem Behälter (12) und dem als Kern dienenden Brennstoff vorhanden ist und dass der nukleare Brennstoff ein Uranoxyd mit einem darin verteilten Zusatz aus Aluminiumsilikat in einer Menge von 0.01 bis zu 5 Gew.-% des Brennstoffes enthält.

6. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwammzirkon der Sperrauskleidung zirkonfreie Bestandteile in Mengen von 1000 bis zu 5000 Gew.-ppm enthält.

7. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilikatzusatz in Mengen von 0.1 bis 1.0 Gew.-% des Brennstoffes in diesem verteilt ist.

8. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilikatzusatz Tonerde ist.

9. Brennelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumsilikatzusatz Kaolin ist.

10. Nukleares Brennelement, dadurch gekennzeichnet, dass es einen langgestreckten, mit metallischem Überzug versehenen Behälter (12) aus einem Rohr (14) aus zirkonfreien Bestandteilen in Mengen über 5000 Gew.-ppm enthält und mit einer Sperrauskleidung (18) aus Schwammzirkon in einer Dicke von 1 bis 30% derjenigen der Rohrdicke versehen ist, wobei diese Auskleidung metallurgisch mit der Innenfläche des Rohres verbunden ist, und ein mittiger Kern aus nuklearem Brennstoff innerhalb des rohrförmigen Behälters (12) angeordnet ist und ihn teilweise ausfüllt, so dass ein Spalt zwischen dem Behälter (12) und dem als Kern dienenden Brennstoff vorhanden ist und dass der nukleare Brennstoff ein Urandioxyd mit einem darin verteilten Zusatz aus Aluminiumsilikat in einer Menge von 0.01 bis zu 5 Gew.-% des Brennstoffes enthält.

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