DE1589458B2 - Kernbrennstoffelement - Google Patents
KernbrennstoffelementInfo
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Description
metalls liegenden Hohlraum und hat eine Bedeutung in Verbindung mit der Legierung des Kernmetalls,
die aus 75% Uran, 15% Plutonium und 10% Molybdän bestehen soll. Von der Kerntechnik her ist
es jedoch bekannt, daß bei Verwendung von unterschiedlichen Kernbrennelementen die Konstruktionseinzelheiten regelmäßig und wesentlich voneinander
abweichen können. Hierbei sind Volumen und Ort des Hohlraumes im Kernmetall von verschiedenen
Veränderungen abhängig: Einmal muß die Größe des Hohlraumes der Bedingung genügen, daß sowohl
feste als auch gasförmige Spaltprodukte aufgenommen werden, ferner muß eine Volumenvergrößerung
durch andere Strahlungsprodukte in Kauf genommen werden. Diese Bedingungen sind ersichtlich von
Kernmetall zu Kernmetall unterschiedlich, so daß eine in einem Fall (Uran-Plutonium) mögliche Lösung
im anderen Fall (U3Si) nicht anwendbar ist.
Ebenfalls ist es noch bekannt, bei Kernbrennstoffelementen
den Hohlraum in das Kernmetall selbst hineinzuverlegen, entweder in Form von Schlitzen
eines länglichen Zylinders oder in Form von Poren. Hierbei kann der Hohl- bzw. Leerraum 10 bis 30%
des Kernmetalls betragen (französische Patentschrift 1 265 099). Dieser Bereich ist aber recht groß, bzw.
es ist kein Optimum angegeben. Jedenfalls soll aber die nach unten angegebene Grenze bei 10% liegen;
Unterschreitungen werden nicht offenbart bzw. werden von einem Fachmann als nachteilig angesehen.
Das Wesentliche hier ist aber, daß das verwendete Kernmetall eine Uran-Plutonium-Legierung betrifft
und nicht das Ausgangsproblem, das die Verwendung von Uran-Silizium-Legierung in Deltaphase
zum Gegenstand hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die optimalen Maßnahmen anzugeben, um eine Uran-Silizium-Legierung
gemäß Deltaphase U3Si als Kernbrennstoffelement in der Praxis einzuführen, wobei
mit hinreichender Sicherheit die unerwünschte Volumenvergrößerung dieses Werkstoffes beherrscht
wird, aber bei hinreichender Festigkeitsforderung an den Mantel des Brennelementes eine verbesserte
Wirtschaftlichkeit, d. h. auch eine erhöhte Ausbeute an Neutronen bzw. langsamen Neutronen, erreicht
wird.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kernbrennstoffelement erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß eine Uran-Silizium-Legierung in der Deltaphase U3Si, deren Uranmetall mit etwa 2 bis 7,3 Gewichtsprozent
Silizium legiert ist, sowie eine Zirkonlegierung für den widerstandsfähigen Mantel verwendet
sind, daß innerhalb des Mantels ein Leerraumvolumen von 7% des Volumens der Uran-Silizium-Legierung
vorgesehen ist und die Dicke des Mantels etwa 0,06 cm bei einem Gesamtdurchmesser
des Brennelementes von etwa 1,5 cm beträgt.
Somit wird die gestellte Aufgabe nicht nur durch Angabe eines bestimmten Prozentwertes von Silizium
gelöst, das dem Uran zulegiert wird, sondern es bedurfte noch der Angaben für den zugehörigen Mantel
und seiner entsprechenden Relation zum Durchmesser des Brennelementes, und zwar alles für
die spezielle Uran-Silizium-Legierung der Deltaphase U3Si.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Länge des Brennelementkernes 13 cm
beträgt. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist die Uran-Silizium-Legierung bis zu
einer Gesamtmenge von 2000 Teilen pro Million Aluminium, Kohlenstoff, Eisen oder Chrom auf.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines solchen Brennelementes sieht vor, daß eine
Uran-Silizium-Legierung bei etwa 800° C während einer Zeit von 1 bis 3 Tagen wärmebehandelt wird,
um die Legierung peritektoidisch in die Deltaphase zu transformieren, daß dann die Legierung zu dem
Kernteil des Brennstoffelementes geformt und daß
ίο dieser Kern mit Gleitsitz in einen Mantel aus einer
Zirkonlegierung eingeführt wird.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung eines
Brennelementes sieht vor, daß ein barrenförmiger
. Uran-Silizium-Kem bei etwa 800° C 1 bis 3 Tage
wärmebehandelt wird, um den Barren od. dgl. peritektoidisch in die Deltaphase zu überführen, und
der Barren anschließend mit einem aus Zirkonlegierung bestehenden Mantel bei einer Temperatur,
weniger als 930° C extrudiert bzw. koextrudiert wird.
Die kleinen Zusätze anderer Metalle, wie Aluminium, Kohlenstoff, Eisen oder Chrom, dienen
dazu, das auf das Durchstrahlen zurückgehende Aufblähen (Volumenvergrößerung) zu verringern.
Es wird ein leerer Raum in der Mitte des Kernes gebildet. Er bezweckt, jegliches Aufblähen der Uranlegierung
als auch alle Spaltprodukte aufzunehmen. Die endgültige Gestalt des Kernbrennstoffes ergibt
sich durch einen Mantel, der den zentralen Kern umgibt. Der Mantel dient dazu, einen zusätzlichen
Korrosionsschutz als auch einen Spannungswiderstand zu geben, so daß das Aufblähen des Kernbrennstoffes
einwärts, in den Leerraum hinein, gerichtet ist. Für den Mantel wird ein Werkstoff aus
korrosionsfester Zirkonlegierung, wie Zirkaloy-2, Zirkaloy-4
oder Zirkon-2, 5 Gewichtsprozent Nb, verwendet. Gemäß Abwandlungen der Erfindung kann
man statt dessen auch rostfreien Stahl oder eine Aluminiumlegierung als Mantel verwenden.
Die bevorzugte Beispiele darstellenden nachfolgenden beiden Verfahren dienen zur Herstellung des
Kernbrennstoffelementes gemäß der Erfindung.
1. Einzelherstellung der Elemente und Verbindungen
mittels Gleitsitz
45
45
Der Uran-Silizium-Kern kann durch Gießen oder Extrusion hergestellt werden. Vor dem Plattieren
und Durchstrahlen wird das in der Deltaverbindung vorliegende Material auf etwa 800° C für eine Zeit
von 1 bis 3 Tagen wärmebehandelt, um die Legierung peritektoidisch wie folgt zu transformieren:
3 U + U3Si2 (epsilon) ^z 2 U3Si (delta)
2. Die Koextrusion von Uran-Silizium
und dem Mantel
und dem Mantel
In diesem Falle sollte die Legierung vor der Extrusion, wie in der vorstehenden Gleichung angegeben,
transformiert werden, und die Extrusion sollte bei einer unterhalb der peritektoidischen Temperatur
liegenden Temperatur, d. h. unterhalb von 930° C, ausgeführt werden.
In den nachfolgenden Beispielen werden die Eigenschaften des Kernbrennstoffelementes gemäß der
Erfindung erläutert.
Bei Verwendung des Verfahrens 1 und Anwendung des Gießens werden mehrere Brennstoffelement-
proben unter Ausnutzung der Deltaphase U3Si hergestellt.
Die Abmessungen des zentralen Kernes betragen 13 cm in der Länge und 1,4 cm im Durchmesser,
mit einem Leerraum von 7%. Der Mantel wird aus Zirkaloy-2 gebildet mit einer Dicke von
0,063 cm, der Gesamtdurchmesser des Elementes beträgt deshalb annähernd 1,5 cm.
Diese Proben werden durchstrahlt, und es wurde festgestellt, daß es möglich ist, eine Gesamtausgangsleistung
mehr als 4300 MWd/teU (Megawattage pro Tonne Uran) zubekommen, ohne daß die äußere
Volumenvergrößerung l°/o überschritten hätte. Deshalb kann man das erfindungsgemäße Kernbrennstoffelement
im Hochleistungsbetrieb ohne Verzerrung benutzen.
Kernbrennstoffelemente, die denjenigen im Beispiel 1 entsprechen, wurden mit in ihrem Mantel angebrachten
Fehlern versehen und einer Korrosionsprüfung in auf 300° C erhitztem Wasser unterworfen.
Der Durchmesser des Kernbrennstoffelementes vergrößerte sich mit einer Geschwindigkeit
von 0,0002 cm/Stunde während einer Zeit bis auf etwa 140 Stunden, danach trat eine Verringerung
auf 0,00007 cm/Stunde ein. Deshalb ist der Widerstand gegen wäßrige Korrosion des zusammengesetzten
Kernbrennstoffelementes hinreichend groß, um
ίο es in Kernreaktoren mit hocherhitztem Wasser als
Kühlmittel zu verwenden.
Im übrigen kann ein Fachmann, je nach Einzelfall, außer den angegebenen beiden Verfahren ein
abweichendes Verfahren zum Herstellen des Kernbrennstoffelementes benutzen.
Der Leerraum kann z. B. durch einen rotierenden, zentralen, herausziehbaren Dorn eingeschnürt, gesenkgeschmiedet
oder auch eingebohrt werden, nachdem das Brennstoffelement gesintert ist.
Claims (5)
1. Kernbrennstoffelement mit einem wärme- als Kühlmittel vertragen. Legierungen mit einer Zubehandelten
Brennelementkern aus einer Uran- 5 sammensetzung, die sich der Deltaphase nähert
Silizium-Legierung, wobei der Brennelementkern (U3Si), wären deshalb besonders brauchbar, weil die
von einem widerstandsfähigen Mantel umfaßt Deltaphase unter derartigen intermetallischen Verist,
dadurch gekennzeichnet, daß eine bindungen die höchste Urandichte aufweist. Die Uran-Silizium-Legierung in der Deltaphase U3Si, Korrosionsgeschwindigkeit der Uran-Silizium-Legiederen
Uranmetall mit etwa 2 bis 7,3 Gewichts- io rung in der Deltaphase U3Si im Wasser von 295° C
prozent Silizium legiert ist sowie eine Zirkon- beträgt etwa 2 mg/cm2 pro Stunde, was hinreichend
legierung für den widerstandsfähigen Mantel ver- niedrig ist.
wendet sind, daß innerhalb des Mantels ein Leer- Dementsprechend sind Überlegungen bekannt, mit
raum-Volumen von 7% des Volumens der Uran- Silizium legiertes Uranmetall in der Deltaphase als
Silizium-Legierung vorgesehen ist und die Dicke 15 Kernbrennstoffelement zu verwenden (G urin sky,
des Mantels etwa 0,06 cm bei einem Gesamt- D. H., und Dien es, G. J. »Nuclear Fuels«, London,
durchmesser des Brennelementes von etwa 1,5 cm 1956, S. 107,108).
beträgt. Hierbei soll 3,6 Gewichtsprozent Silizium verwen-
2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, det werden, andererseits soll 30 Gewichtsprozent Sidadurch
gekennzeichnet, daß die Länge des 20 lizium nicht überschritten werden. Ferner wird mit
Brennelementkernes 13 cm beträgt. Siliziumgehalten von 20, 25 und 28% gearbeitet.
3. Kernbrennstoffelement nach ■ Anspruch 1 Ferner ist aus der Literatur bekannt und beschrie-
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Uran- ben, daß Uran und Silizium eine große Anzahl von ( (.;
Silizium-Legierung bis zu einer Gesamtmenge Verbindungen miteinander eingehen, einschließlich
von 2000 Teilen pro Million Aluminium, Kohlen- 25 der Form U3Si, auch als Epsilonphase bezeichnet,
stoff, Eisen oder Chrom aufweist. Hierbei ist es'bekannt, U3Si mit 3,7 bis 4,0 Gewichts-
4. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrenn- prozent Silizium zu legieren (Kaufmann, A. R.,
Stoffelementes nach einem der vorstehenden An- »Nuclear Reactor Fuel Elements«, New York — Lonsprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Uran- don, 1962, S. 72 bis 74 und 83). Allerdings bezeich-Silizium-Legierung
bei etwa 800° C während 30 net die bekannte Literaturstelle es als schwierig, für
. einer Zeit von 1 bis 3 Tagen wärmebehandelt diese Phase die richtige Siliziummenge zuzusetzen,
wird, um die Legierung peritektoidisch in "die Dies stünde einer wirksamen "Verwendung dieser
Deltaphase zu transformieren, daß dann die Le- Phase entgegen (S. 83 dieser Literature teile),
gierung zu dem Kernteil des Brennstoffelementes Wenn es auch bekannt ist, daß Uran-Silizium in
geformt und daß dieser Kern mit Gleitsitz in 35 Deltaphase die höchste Urandichte aufweist, so war
einen Mantel aus einer Zirkonlegierung ein- es ebenfalls bekannt, daß diese Uran-Silizium-
geführt wird. Legierung eine schlechte, unerwünschte Volumen-
5. Verfahren zur Herstellung eines Kern- Instabilität hat, wenn die U3-Si-Legierung einer Bebrennstoffelementes
nach einem der Ansprüche 1 strahlung ausgesetzt wird, was der Fall wäre, wenn bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein barren- 40 diese Legierung als Kernbrennstoffelement verwenförmiger
Uran-Silizium-Kern bei etwa 800° C det würde (vgl. H. H. Hausner und J. F. Schu-1
bis 3 Tage wärmebehandelt wird, um den Bar- mar, »Nuclear Fuel Elements«, New York—London,
ren od. dgl. peritektoidisch in die Deltaphase zu 1959, S. 197).
überführen und der Barren anschließend mit , Diese Volumenvergrößerung, die von der Größen- ■:' \
einem aus Zirkonlegierung bestehenden Mantel 45 Ordnung von 4% ist, ergibt sich offensichtlich durch v>
bei einer Temperatur weniger als 930° C extru- eine Unordnung in der gesetzmäßigen Deltaphase
diert bzw. koextrudiert wird. und/oder durch Ausbrechen gasförmiger Spaltprodukte
unterhalb der unter Spannung befindlichen
, ,.,v - ·- ■ . ·. Oberfläche. Allerdings zeigen diese Entgegenhaltun-
50 gen keinen Weg auf, wie für die Praxis dieser Nachteil mit hinreichender Sicherheit zu beheben ist, daß
Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement man fertige Brennelemente aus dieser Legierung
mit einem wärmebehandelten Brennelementkern aus auch tatsächlich einsetzen kann,
einer Uran-Silizium-Legierung, wobei der Brenn- Andererseits ist es zwar bekannt, einen Hohlraum elementkern von einem widerstandsfähigen Mantel 55 innerhalb des Kernes vorzusehen, der allerdings im umfaßt ist. wesentlichen aus Plutonium besteht, welcher von Bei derartigen uranlegierten Kernbrennstoffelemen- einem ersten Mantel umfaßt ist. Der Hohlraum ist ten ergeben sich Schwierigkeiten, weil die mit Uran im Brennstoffelement in Form einer an den PIuhochlegierten, dem hocherhitzten Wasser als Kühl- toniumstab anstoßenden Kammer vorgesehen. Diese mittel ausgesetzten Legierungen nur einen niedrigen 60 Kammer ist durch einen Stopfen 5 verschließbar Korrosionswiderstand haben. Im Hinblick auf diesen (französische Patentschrift 1 359 742). Somit beniedrigen Korrosionswiderstand im wäßrigen Medium findet sich der Hohlraum nicht innerhalb der eigentbedingt jeder Fehler in dem die Uranlegierung um- liehen Legierung selbst, und es wird eine andere gebenden Schutzmantel schwere und unerwünschte Legierung verwendet, bei der die besonderen, der Störungen. 65 U3Si-Legierung eigentümlichen Probleme nicht auf-Unter den homogenen Uranmetallegierungen wer- treten. Der Vorschlag, den Leerraum in der Größe den gewisse Uran-Silizium-Legierungen bevorzugt, 8 bis 15 Volumprozent des Brennstoffelementes zu welche eine niedrige Korrosionsgeschwindigkeit im verwenden, betrifft jedoch den außerhalb des Kern-
einer Uran-Silizium-Legierung, wobei der Brenn- Andererseits ist es zwar bekannt, einen Hohlraum elementkern von einem widerstandsfähigen Mantel 55 innerhalb des Kernes vorzusehen, der allerdings im umfaßt ist. wesentlichen aus Plutonium besteht, welcher von Bei derartigen uranlegierten Kernbrennstoffelemen- einem ersten Mantel umfaßt ist. Der Hohlraum ist ten ergeben sich Schwierigkeiten, weil die mit Uran im Brennstoffelement in Form einer an den PIuhochlegierten, dem hocherhitzten Wasser als Kühl- toniumstab anstoßenden Kammer vorgesehen. Diese mittel ausgesetzten Legierungen nur einen niedrigen 60 Kammer ist durch einen Stopfen 5 verschließbar Korrosionswiderstand haben. Im Hinblick auf diesen (französische Patentschrift 1 359 742). Somit beniedrigen Korrosionswiderstand im wäßrigen Medium findet sich der Hohlraum nicht innerhalb der eigentbedingt jeder Fehler in dem die Uranlegierung um- liehen Legierung selbst, und es wird eine andere gebenden Schutzmantel schwere und unerwünschte Legierung verwendet, bei der die besonderen, der Störungen. 65 U3Si-Legierung eigentümlichen Probleme nicht auf-Unter den homogenen Uranmetallegierungen wer- treten. Der Vorschlag, den Leerraum in der Größe den gewisse Uran-Silizium-Legierungen bevorzugt, 8 bis 15 Volumprozent des Brennstoffelementes zu welche eine niedrige Korrosionsgeschwindigkeit im verwenden, betrifft jedoch den außerhalb des Kern-
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CA965708 | 1966-07-18 |
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---|---|
DE1589458A1 DE1589458A1 (de) | 1970-04-09 |
DE1589458B2 true DE1589458B2 (de) | 1973-11-08 |
DE1589458C3 DE1589458C3 (de) | 1974-05-30 |
Family
ID=4142593
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1589458A Expired DE1589458C3 (de) | 1966-07-18 | 1967-07-07 | Kernbrennstoffelement |
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DE (1) | DE1589458C3 (de) |
GB (1) | GB1118850A (de) |
SE (1) | SE319245B (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3931253A1 (de) * | 1989-09-15 | 1991-04-04 | Korea Advanced Energy Research | Verfahren zur herstellung von dispergierten kernbrennstoffen aus rasch abgeschrecktem uransilizidpulver |
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-
1967
- 1967-06-22 GB GB28966/67A patent/GB1118850A/en not_active Expired
- 1967-06-26 SE SE9122/67*A patent/SE319245B/xx unknown
- 1967-07-07 DE DE1589458A patent/DE1589458C3/de not_active Expired
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---|---|---|---|---|
DE3931253A1 (de) * | 1989-09-15 | 1991-04-04 | Korea Advanced Energy Research | Verfahren zur herstellung von dispergierten kernbrennstoffen aus rasch abgeschrecktem uransilizidpulver |
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Publication number | Publication date |
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DE1589458C3 (de) | 1974-05-30 |
DE1589458A1 (de) | 1970-04-09 |
SE319245B (de) | 1970-01-12 |
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Legal Events
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---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |