DE1903009C3 - Component for nuclear reactors made of zirconium or a zirconium alloy - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement für Kernreaktoren aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung, das einem wasserstoffhaltigcn oder wasserstoffabgebenden Medium ausgesetzt ist.The invention relates to a component for nuclear reactors made of zirconium or a zirconium alloy, the one hydrogen-containing or hydrogen-releasing medium is exposed.

Bekanntlich wird Zirkon, insbesondere in Form von Zirkonlegierungcn, wegen seines geringen Einfangqucrschnitts für thermische Neutronen bevorzugt als Reaktorwerkstoff eingesetzt. Jedoch haben solche Zirkonlegierungen den Nachteil, daß sie unter dem Einfluß bzw. durch die Aufnahme von Wasserstoff sehr schnell und sehr stark verspröden. Für die Lebensdauer von Bauelementen aus Zirkonlegierungen in wasser- oder organisch gekühlten Reaktoren ist neben dem Materialverlust durch den Korrosionsangriff des Kühlmittels vor aliem die Versprödung maßgebend. Die Gefahr eines Aufreißens oder Undichtwerdens solcher Bauelemente wächst beträchtlich, wenn es zur Ausscheidung von Hydriden in dem Material kommt. Die bisherigen Methoden zur Begrenzung dieser Wasserstoffversprodung sind folgende:It is known that zirconium, especially in the form of zirconium alloys, is used because of its small capture cross-section for thermal neutrons preferably used as reactor material. However, have such Zirconium alloys have the disadvantage that they are very much under the influence or absorption of hydrogen embrittle quickly and very severely. For the service life of components made of zirconium alloys in water- or organically cooled reactors is in addition to the loss of material due to the corrosive attack of the coolant above all embrittlement is decisive. The risk of tearing open or leaking Components grows considerably when hydrides precipitate in the material. the Previous methods for limiting this hydrogen embrittlement are as follows:

1. Begrenzung der schädlichen Verunreinigungen im Kühlmittel und1. Limitation of harmful impurities in the coolant and

2. Veränderung der Zusammensetzung und des Zustandes des Bauelement-Materials. 2. Change in the composition and condition of the component material.

Diese Methoden sind nur begrenzt wirksam und werden unzureichend, wenn zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Reaktors eine hohe Kühlmitteltemperatur angestrebt wird. Bei den bisher gebauten und geplanten Landreaktoren, bei denen eine Zirkonlegierung, wie Zircaloy, zur Umhüllung des Kernbrennstoffes vorhanden ist, muß man die Kernladung in Abständen von 2 bis 4 Jahren wechseln, wenn man die Wasserstofl'versprödung mit den genannten Methoden beherrschen will. Bei Schiffsrcaktoren ist jedoch aus wirtschaftlichen Gründen eine wesentlich längere Standzeit der mit solchen Brennsiäbcn zusammengesetzten Brennelemente notwendig, und auch bei Landreaktoren besteht die Tendenz zu längeren Brennelement-Standzeiten und höheren Kühlmitteltemperaturen. Die Wasserstoffversprödung ist dabei mit den bisherigen Methoden nicht mehr zu beherrschen. Auch in Kernreaktoren vom Druckrohrtyp, bei denen der Moderator-Behälter von den Druckrohren durchzogen ist, in denen sich die Brennstoffelemente und dasThese methods have limited effectiveness and become inadequate when improving the Efficiency of the reactor a high coolant temperature is sought. With the ones built so far and planned land reactors in which a zirconium alloy such as Zircaloy is used to clad the nuclear fuel is present, you have to change the nuclear charge at intervals of 2 to 4 years if you have the Wants to control hydrogen embrittlement with the methods mentioned. In the case of ship actuators, however, is off For economic reasons, a significantly longer service life of the composite with such burners Fuel assemblies are necessary, and land reactors also tend to be longer Fuel element service life and higher coolant temperatures. The hydrogen embrittlement is with it the previous methods can no longer be mastered. Also in pressure tube type nuclear reactors where the moderator container is traversed by the pressure pipes in which the fuel elements and the

Kühlmittel befinden, sollen die Druckrohre möglichst über die gesamte Stand/eil des Reaktors dnsiit/.bereii bleiben.If possible, the pressure pipes should be located in the coolant over the entire stand / eil of the reactor dnsiit / .bereii remain.

Es ist bereits die Methode bekannt, die Wasserstoffvcrsprödung in Druckrohren aus Zirkonlegierungen in wasser- oder organisch gekühlten Reaktoren >'om Druckrohrtyp dadurch zu beeinflussen, daß auf der Außenseite der Druckrohre Rippen aus dem gleichen Material wie dem der Druckrohrc angeschweißt sind. Da die Rippen sich bei Reaktorbetrieb auf tieferer Temperatur als die Druckrohrc befinden, wandert der von den Druckrohren aufgenommene Wasserstoff überwiegend in die Rippen ab und scheidet sich dort als Hydrid aus. Diese Methode, die auf Druckrohre beschränkt und nicht auf Brennstabiimhüllungen übertragbar ist, da sich im letzteren Fall der notwendige Temperaturunterschied nicht herstellen Hißt, hat den Nachteil großen Platz- und Materialbedarfs.The method known as hydrogen embrittlement is already known in pressure pipes made of zirconium alloys in water or organically cooled reactors> 'om To influence the pressure pipe type, that on the outside of the pressure pipe ribs from the same Material like that of the pressure pipe are welded on. Since the ribs are deeper when the reactor is in operation Temperature than the pressure tubes are, the hydrogen absorbed by the pressure tubes migrates predominantly in the ribs and precipitates there as hydride. This method based on pressure pipes limited and not transferable to fuel rod cladding is, since in the latter case the necessary temperature difference cannot be established Disadvantage of large space and material requirements.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung in Vorschlag zu bringen, das längere Standzeiten aufweist und höhere Kühlmiiteltemperaturen aushäli, da die Ausscheidung von Zirkonhydridcn aus diesen Zirkonlegierungen über lange Standzeiten verhindert und somit die bisherigen Nachteile vermieden werden.The present invention is therefore based on the object of a component made of zirconium or a To bring zirconium alloy into proposal, which has a longer service life and higher coolant temperatures tolerable, since the precipitation of zirconium hydrides from these zirconium alloys over a long service life prevented and thus the previous disadvantages are avoided.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Bauelement dadurch gelöst, daß es crfindungsgcmäß metallisch verbunden ist mit einem Metall oder eine Metall-Legierung, das bzw. die eine höhere Wasserstoffaffinität als das Zirkon oder die Zirkonlegierung aufweist und als Wasserstoffaufnehmer dient.This object is achieved in the case of the component mentioned at the beginning in that it is metallically bonded to a metal or a metal alloy that has a higher affinity for hydrogen than the zirconium or the zirconium alloy and serves as a hydrogen absorbent.

Als ein solches wasserstoffaufnehmendes Material kann man vorteilhaft Yttrium oder eine Yttrium-Legierung vorsehen, oder auch ein seltenes Erdmctall, oder eine ein seltenes Erdmctall enthaltende Legierung einsetzen.As such a hydrogen-absorbing material, one can advantageously use yttrium or an yttrium alloy provide, or a rare earth metal, or an alloy containing a rare earth metal deploy.

Wenn das Bauelement gemäß der Erfindung ein solches ist, das einen Brennstab für ein Brennelement zum Aufbau von Reaktorkernen darstellt, dessen Kernbrennstoff von einem Außenmantel aus einer Zirkonlegierung umgeben ist, dann wird das wasserstoffaufnehmende Material auf der Muntelinncnseitc mit der Zirkoniegierung verbunden und kann dabei vorteilhaft an dem den Außenmantel abschließenden Endstopfen abgebracht oder über die Länge des Brennstabes verteilt und zwischen Brennstoff-Pellets angeordnet oder auch als zylindrische Hülle zwischen Außcnmantel und Pelletsäule vorgesehen sci.i.When the component according to the invention is a fuel rod for a fuel assembly represents for the construction of reactor cores, the nuclear fuel of an outer jacket from a Zirconium alloy is surrounded, then the hydrogen-absorbing material on the Muntelinncnseitc connected to the zirconium alloy and can advantageously close to the outer jacket End plugs attached or distributed along the length of the fuel rod and between fuel pellets arranged or provided as a cylindrical shell between the outer jacket and the pellet column sci.i.

Wenn es sich bei dem Bauelement gemäß der Erfindung um eine Brennstoffplatte für ein Brennelement zum Aufbau von Reaktorkernen handelt, deren Kernbrennstoff von einem Außenmar.tel aus einer Zirkonlegierung umgeben ist, dann kann das wasserstoffaufnehmende Material zweckmäßig entweder an den Schmalseiten der Brennstoffplatte oder an der Breitseite des Plattenelementes fest zwischen Außenmantel und Brennstoff angebracht und mit der Zirkonlegierung verbunden sein.If the component according to the invention is a fuel plate for a fuel assembly for the construction of reactor cores, the nuclear fuel of which is from a Außenmar.tel from a Zirconium alloy is surrounded, then the hydrogen-absorbing material can expediently either the narrow sides of the fuel plate or on the broad side of the plate element firmly between the outer jacket and fuel attached and bonded to the zirconium alloy.

Sofern es sich bei dem Bauelement gemäß der Erfindung um ein Druckrohr für Kernreaktoren vom Druckrohrtyp handelt, das aus einer Zirkonlegierung gebildet ist, sieht man gemäß der Erfindung das wasserstoffaufnehmende Material entweder im Druckrohrmaterial eingebettet oder außen am Druckrohr angebracht vor. Das wasserstofiaufnehmende Material kann im Druckrohrmatcrial in Form einer Schicht eingebettet oder als Wicklung auf dem Druckrohr vorgesehen sein. Das auf das Druckrohr aufgebrachte wasserstoffaufnehmende Material kann auch in Form eines aus einer Zirkonlegierung bestehenden Schutzröhrchens vorgesehen sein, welches mit dem Druckrohr verbunden ist.If the component according to the invention is a pressure pipe for nuclear reactors from Pressure tube type is, which is formed from a zirconium alloy, one sees according to the invention that hydrogen-absorbing material either embedded in the pressure pipe material or on the outside of the pressure pipe attached before. The hydrogen-absorbing material can be in the form of a layer in the pressure pipe material embedded or provided as a winding on the pressure pipe. The one applied to the pressure pipe hydrogen-absorbing material can also be in the form of a protective tube made of a zirconium alloy be provided, which is connected to the pressure pipe.

In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung werden anhand der Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen gemäß der Erfindung beispielsweise erläutert.In the following detailed description, preferred embodiments are described with reference to the drawings explained according to the invention for example.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Druckröhrenreaktor 1 mit Zirkon-Druckrohren 2, Kühlmittelzu- und -abflüssen 3;j, 3b und Moderator-Zu- und -Abflüssen 4a, 4b. 1 shows schematically a section through a pressure tube reactor 1 with zirconium pressure tubes 2, coolant inflow and outflow 3; j, 3b and moderator inflow and outflow 4a, 4b.

F i g. 2 ist ein vergrößerter Teilschnitt 11-11 der F i g. 1 durch eines der Zirkon-Druckrohre. Das wasserstoffaufnehmende Material 5 ist als beidseitig vom Druckrohrmaterial 6 bedeckte Zwischenschicht untergebracht. Innerhalb des Druckrohrcs sind die Brennstäbe 7 angeordnet.F i g. 2 is an enlarged fragmentary section 11-11 of FIG. 1 through one of the zirconium pressure pipes. The hydrogen-absorbing material 5 is on both sides of the pressure pipe material 6 covered intermediate layer housed. The fuel rods 7 are inside the pressure tube arranged.

F i g. 3 zeigt, ebenfalls als Schnitt durch ein Zirkon-Druckrohr, eine ähnliche Einbauweise für das wasserstoffaufnehmende Material wie in F i g. 2, jedoch ist der Wasserstoffaufnehmer 15 dabei in Form von Wicklungen im Druckrohrmaterial 16 untergebracht.F i g. 3 shows, also as a section through a zirconium pressure tube, a similar installation method for the hydrogen-absorbing one Material as in Fig. 2, however, the hydrogen pick-up 15 is in the form of windings housed in the pressure pipe material 16.

In Fig.4, in der wiederum ein Querschnitt durch ein Zirkon-Druckrohr veranschaulicht ist. befindet s^;ch der Wasserstoffaufnehmer 25 als äußere Beschichtung auf dem Druckrohrmatenal 26.In Fig. 4, which in turn shows a cross section through a zirconium pressure tube. located s ^; ch the hydrogen pick-up 25 as an outer coating on the pressure tube material 26.

In Fig. 5 ist eine Seitenansicht auf einen Zirkon-Druckrohrabschnitt gemäß der Erfindung veranschaulicht, bei dem das wasserstoffaufnehmende Material 35 bandförmig auf die Außenwand des Druckrohrcs 36 aufgewickelt ist.In Fig. 5 is a side view of a zirconium pressure pipe section illustrated according to the invention, wherein the hydrogen scavenging material 35 is wound in the form of a band onto the outer wall of the pressure pipe 36.

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch ein Zirkon-Druckrohr gemäß der Erfindung, auf dem der mit einem Schutzrohr 48 aus Zirkonlegierung umhüllte Wasserstoffaufnehmer 45 auf der Außenseite des Druckrohrmalerials 46 als Wicklung aufgebracht ist.Fig. 6 shows a longitudinal section through a zirconium pressure tube according to the invention, on which the hydrogen sensor encased in a protective tube 48 made of zirconium alloy 45 is applied as a winding on the outside of the pressure tube painting 46.

In F i g. 7 ist schematisch im Querschnitt ein Zirkon-Bauelement in Form eines zylindrischen Brennstabes 7 gemäß der Erfindung gezeigt, bei dem das wasserstoffaufnehmende Material 55 auf die Innenseite des Hüllenrohres 56 galvanisch oder chemisch aufgetragen oder aufgespritzt ist. Die Brennstoff-Pellets sind mit 59 bezeichnet.In Fig. 7 is a schematic cross-section of a zirconium component in the form of a cylindrical fuel rod 7 according to the invention shown, in which the hydrogen-absorbing material 55 on the inside of the cladding tube 56 is electroplated or chemically applied or sprayed on. The fuel pellets are with 59 designated.

In F i g. 8 ist ein anderes Einbauprinzip für das wasserstoffaufnehmende Material 65 in einem zylindrischen Brennstab 7. und zwar an dessen Stabende vor dem das Zirkon-Hiillrohr 66 verschließenden Endstopfen 69 veranschaulicht.In Fig. 8 is another principle of installing the hydrogen scavenging material 65 in a cylindrical one Fuel rod 7, namely at its rod end in front of the end plug which closes the zirconium sheath 66 69 illustrates.

Das Einbauprinzip des Wasserstoffaufnehmers 75 und 85 bei Bauelementen in Form von Zirkon-Brennstoffplatten gemäß der Erfindung zeigen die Fig. Q und 10. Hierbei ist der Wasserstoffaufnehmer 75 bzw. 85 in verschiedenen geometrischen Richtungen zwischen (nicht gezeigtem) Brennstoff und Mantel 76, 86 angeordnet.The installation principle of the hydrogen sensors 75 and 85 for components in the form of zirconium fuel plates FIGS. Q and 10 show according to the invention. Here, the hydrogen sensor 75 or 85 is between in different geometric directions (not shown) fuel and jacket 76, 86 arranged.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (18)

Patentansprüche;Claims; 1. Bauelement für Kernreaktoren aus Zirkon oder einer Zirkonlegicung, das einem wasserstoffhalti- S gen oder wasserstoffabgebenden Medium ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es metallisch verbunden ist mit einem Metall oder einer Metall-Legierung, das bzw. die eine höhere Wasserstoffaffinität als das Zirkon oder die Zinnlegierung aufweist und als Wasserstoffaufnehmer dient.1. Component for nuclear reactors made of zirconium or a zirconium alloy that contains a hydrogen-containing S gene or hydrogen-releasing medium is exposed, characterized in that it is metallically bonded to a metal or a metal alloy that has a higher affinity for hydrogen than the zirconium or the tin alloy and serves as a hydrogen scavenger. 2. Bauelement nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß als wa^serstoffaufnehmendes Material Yttrium oder eine Yttrium-Legierur.g vorhanden ist.2. Component according to claim I, characterized in that the hydrogen-absorbing material is used Yttrium or a yttrium alloy is present. 3. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wasserstoffaufnehmendcs Material ein seltenes Erdmetall oder eine ein seltenes Erdmetall enthaltende Legierung vorhanden ist.3. Component according to Claim 1, characterized in that the material used is hydrogen-absorbing a rare earth metal or an alloy containing a rare earth metal is present. 4. Bauelement nach Anspruch I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß es einen Brennstab für ein Brennelement zum Aufbau von Reaktorkernen darstellt, dessen Kernbrennstoff von einem Aussenmantel aus einer Zirkonlegieriing umgeben ist. die auf der Mantelinnenseite mit dem wasserstoffaufnehmenden Material verbunden ist.4. The component according to claim I to 3, characterized in that there is a fuel rod for a Represents fuel element for the construction of reactor cores, the nuclear fuel of which is covered by an outer jacket is surrounded by a zirconium alloy. the on the inside of the jacket with the hydrogen-absorbing Material is connected. 5. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material an dem den Außenmantel abschliesscnden Endstopfen angebracht ist.5. The component according to claim 4, characterized in that the hydrogen-absorbing material is attached to the end plug closing off the outer jacket. b. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wasse.stoffaufnehmende Material über die Länge des Brennstabes verteilt und zwischen Brennstolipellets angeordnet ist.b. Component according to Claim 4, characterized in that that the wasse.stoffaufnahmende material distributed over the length of the fuel rod and is arranged between fuel stolipellets. 7. Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wassersioffaufnehmende Material als zylindrische Hülse zwischen Außenmantel und Pelletsäule angeordnet ist.7. Component according to claim 4, characterized in that that the wassersioffaufnahmende material as a cylindrical sleeve between the outer shell and Pellet column is arranged. 8. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Brcnnstoffplatte für ein Brennelement zum Aufbau vun Reaktoren darstellt, denen Kernbrennstoff von einem Außenmantel aus einer Zirkonlegierung umgeben ist, und bei der das wasserstoflaufnehmende Material an den Schmalseiten der Brennstoffplatte fest zwischen Außenmantel und Brennstoff angebracht und mit der Zirkonlegierung verbunden ist.8. The component according to claim 1 to 3, characterized in that it is a fuel plate for a Represents fuel assembly for the construction of reactors, which contain nuclear fuel from an outer jacket a zirconium alloy is surrounded, and in which the hydrogen-absorbing material on the narrow sides the fuel plate firmly attached between the outer jacket and fuel and with the zirconium alloy connected is. 9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material an der Breitseite des Plattcnelementes fest zwischen Außenmantel und Brennstoff angebracht und mit der Zirkonlegierung verbunden ist.9. The component according to claim 8, characterized in that the hydrogen-absorbing material firmly attached to the broad side of the plate element between the outer jacket and the fuel and with the zirconium alloy is connected. 10. Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Druckrohr für Kernreaktoren vom Druckrohrtyp darstellt, das aus einer Zirkonlegierung gebildet ist. die mit dem wasserstoffaufnehmenden Material verbunden ist.10. The component according to claim 1 to 3, characterized in that it is a pressure pipe for nuclear reactors represents a pressure tube type formed from a zirconium alloy. those with the hydrogen-absorbing Material is connected. U. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material im Druckrohrrnantel eingebettet ist.U. Component according to claim 10, characterized in that the hydrogen-absorbing Material is embedded in the pressure pipe jacket. 12. Bauelement nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material als Schicht im Druckrohrmaterial eingebettet ist.12. The component according to claim 10 and 11, characterized in that the hydrogen-absorbing Material is embedded as a layer in the pressure pipe material. 13. Bauelement nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasserstoffaufnehmende Material als Wicklung im Druckrohrmaterial eingebettet ist.13. The component according to claim 10 and 11, characterized characterized in that the hydrogen absorbing material is embedded as a winding in the pressure tube material is. 14. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das was'-erstoffaufnehmende Material außen am Druckrohr angebracht ist,14. The component according to claim 10, characterized in that the was'-erstoffaufnahmende Material is attached to the outside of the pressure pipe, 15. Bauelement nach Anspruch 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehnicnde Material in Form einer Schicht vorhanden ist.15. The component according to claim 10 and 14, characterized in that the wasserstoffaufnehnicnde Material is present in the form of a layer. 16. Bauelement nach Anspruch 10. 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmcnde Material zusätzlich mit einer Schutzschicht gegen Korrosionsangriff versehen ist.16. Component according to claim 10, 14 and 15, characterized in that the hydrogen-absorbing Material is additionally provided with a protective layer against corrosion attack. 17. Bauelement nach Anspruch 10 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffaufnehmende Material auf dem Druckrohr als Wicklung aufgebracht ist.17. The component according to claim 10 and 14, characterized in that the hydrogen-absorbing Material is applied to the pressure pipe as a winding. 18. Bauelement nach Anspruch 10, 14 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß das auf das Druckrohr aufgebrachte wasserstoffaufnehmende Material sich in einem aus einer Zirkonlegierung bestehenden Schutzröhrchen befinde!, welches mil dem Druckrohr verbunden ist.18. Component according to claim 10, 14 and 17, characterized in that the hydrogen-absorbing material applied to the pressure tube is in a protective tube made of a zirconium alloy, which is used with the pressure tube connected is.