DE1918251A1

DE1918251A1 - Huelle fuer Brennstoffelement eines Kernreaktors und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1918251A1
Application number: DE19691918251
Authority: DE
Inventors: Sauar Dipl-Ing Tor Ole
Original assignee: Institutt for Atomenergi
Current assignee: Institutt for Atomenergi
Priority date: 1968-04-06
Filing date: 1969-04-03
Publication date: 1970-01-22
Also published as: NO117432B; SE345336B; US3663366A

Description

INSTITUTT FOR ATOMENERGI Box 40, 2007 Kjeller - Norwegen

Hülle für Brennstoffelement eines Kernreaktors und Verfahren zu ihrer Herstellung

Für diese Anmeldung wird die Priorität der entsprechenden norwegischen Patentanmeldung 1351/68 vom 6. April 1968 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hülle aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung für ein Brennstoffelement eines Kernreaktors sowie auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Hülle. Bei Kernreaktoren, für die sowohl als Moderator (Verlangsamer) als auch als Kühlmittel Wasser verwendet wird, sind Brennstoffelemente in Form von Bündeln weit verbreitet. Diese Bündel sind von einer mit ihnen verbundenen Hülle umgeben, die an ihrer Ober- und an ihrer Unterseite mit Öffnungen für die sich im Reaktorbehälter befindende Flüssigkeit versehen ist. Beim Betrieb des Reaktors strömt das Kühlmittel über die untere Öffnung ein, streicht zwischen den Brennstoffstäben des Bündels hindurch, während es dabei

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erhitzt wird, und verläßt die Hülle über die obere Öffnung.

Ein Brennstoffelement dieser Art ist in dem in April 1961 durch die OEEC veröffentlichten "Second Annual Report of the OEEC Halden Boiling Heavy Water .Reactor Project" (Seite 88 bis 92) näher beschrieben.

Die Hülle braucht mit dem Brennstoffelement nicht unbedingt mechanisch verbunden zu sein. In der vorliegenden Patentanmeldung soll mit dem Wort Hülle ein ein Brennstoffelement umgebendes und die äußere Begrenzung für . das an dem Brennstoffelement entlangfließende Kühlmittel bildendes Rohr definiert werden.

Die Brennstoffelement-hülle gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein brennbares Reaktor-

10 gift, vorzugsweise mit dem Isotop B angereichertes Bor, enthält. Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, das brennbare Reaktorgift in H/lechen aus rostfreiem Stahl zu verteilen, die eine Innenschicht einer Verbindplatte aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung bilden. Die Hülle wird dann aus einer oder mehreren Verbundplatten hergestellt.

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Der Gehalt an brennbarem Reaktorgift in den verschiedenen Teilen der Verbundplatten kann möglichst ungleichmäßig, gemacht werden, indem für die Verbundplatten rostfreie Stahlbleche unterschiedlicher Dicke und rostfreie Stahlbleche verwendet werden, die in mindestens einer Richtung eine begirenztere Ausdehnung haben als die Außenschichten. .

Ein Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffelementhüllse nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß einer Menge rostfreien.Stahles ein mit B angereichertes Material zugesetzt u.id sie dann zu Blechen gewalzt wird. Eines oder mehrere dieser Bleche werden dann zwischen Platten aus Zirkon oder einer Zirkonlegie- \ rung angeordnet und zur Bildung einer Verbundplatte zu- * sammengefügt. Die Verbundplatten lassen sich formen, wo- : bei die Brennstoffelemerithulle aus einer oder mehreren ■ dieser Platten hergestellt wird.

. Die Verwendung eines brennbaren Giftes in einem Kernreaktor war bisher bereits bekannt. Gewöhnlich wurden zu diesem Zweck seltene Erdmetalle wie Gadolinium (Gd),

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; Dysprosium (Dy,Ds) und Erbium (Er), verwendet. Diese

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Elemente enthalten mindestens ein Isotop mit-für thermische Neutronen sehr großem Einfangquerschnitt. Durch Neutroneneinfang wird das betreffende Isotop in ein anderes Isotop umgewandelt, wäLches einen kleinen Einfangquerschnitt haben muß.

Die Anwendung eines brennbaren Giftes in einem Kernreaktor hat den Vorteil, daß die anfängliche Brennstoffanreiche- rung im Vergleich zu Kernreaktoren, für die kein brennbare Reaktorgift verwendet wird, hoch sein kann. Diese Tatsache bedeutet längere Zeiträume zwischen zwei Neubeschickungen, da die für den Betrieb des Reaktors notwendige Reaktiv!- tat über eine längere Zeitspanne erhalten bleibt. Ferner läßt sich durch Veränderung der Reaktorgiftverteilung .in. dem Kern eine bessere Energieverteilung erzielen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines brennbaren Reaktorgiftes ergibt sich daraus, daß die Regelstäbe weniger verwendet werden. Bisher wurde das brennbare Reaktorgift gewöhnlich dem Brennstoffmaterial zugesetzt, jedoch ist auch bekannt, das Reaktorgift dem Umhüllungsmaterial zuzusetzen,

Ein Nachteil dieser beiden Methoden besteht jedoch darin* daß sie eine ungleiche örtliche Flußverteilung und einen ungleichen Abbrand in den verschiedenen Brennstoffstäben

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ergeben. Ferner wurde auf Grund der Gefahr einer verkürzten Lebensdauer der Brennstoffelemente keine dieser Methoden bisher für industrielle ICraftrqaktoren als brauchbar angenommen. Aus diesem Grunde werden noch ausgedehnte Versuche und Langzeitbestrahlungen in Kernreaktoren notwendig sein.

Durch Verwendung von Brennstoffelementhüllen gemäß der Erfindung wird dieser Mangel behoben, wobei insbesondere eine Verringerung der Plußzuspitzung (flux peaking) im Raum zwischen den Brennstoffelementen möglich ist. Ein weiterer, sich aus der Anordnung des brennbaren Reaktorgiftes in der Hülle ergebender Vorteil ist die vereinfachte Aufarbeitung des Brennstoffmaterials. Üblicherweise werden die bestrahlten Brennstoffelemente vor ihrer Wiederaufbereitung auseinandergenommen. Der Außenaufbau

und die Brennstoffelementhülle werden einer gesonderten Behandlung unterworfer) während die Brennstoffstäbe mit Hilfe chemischer oder mechanischer Mittel enthülst und danach in Stickstoffsäure gelöst werden. Sofern das brennbare Reaktorgift von dem Brennstoffmaterial getrennt gehalten wird, stört es den Reinigungsprozeß nicht·

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Brennstoffelementhüllen gemäß der Erfindung lassen sich vorteilhaft in älen Kernreaktorarten verwenden, bei welchen als Kühlmittel und als Moderator ein und dieselbe Flüssigkeit verwendet wird, wie beispielsweise bei Leichtwasser-Reaktpren, Schwerwasser-Reaktoren und organisch moderierten (gebremsten) und gekühlten Reaktoren. Bei Reaktoren dieser Art ist die Hülle vorzugsweise mit dem Brennstoffelement mechanisch verbunden und die Hülle und das Brennstoffelement werden als Einheit in den Reaktor eingeführt und aus ihm entfernt.

Bei Kernreaktoren mit einem von dem Kühlmittel getrennten Moderator v/erden üblicherweise ohne Rücksicht darauf, ob der Moderator und das Kühlmittel dieselbe Zusammensetzung haben oder nicht, Trennwände in Form von Druckleitungen verwendet. In diesem Falle kann die Hülle ge- ' maß der Erfindung aus dem Druckrohr bestehen. Dies erfordert jedoch die gleichzeitige Entfernung von Druckrohr und Brennstoffelement, sofern die günstige Wirkung des brennbaren Reaktorgiftes während der Betriebsdauer des Reaktors erhalten bleiben soll. Andererseits kann die Hülle als eine lose Auskleidung im Inneren des Druckrohres ausgebildet bzw. hergestellt werden.

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BAO ORiGINAL

Erfindungsgemäß wird als brennbares Reaktorgift Bor (B) verwendet. Die Abbrand-Kennlinie von Bor ist in Verbindung mit der sich aus der Verwendung von Bor in dünnen Platten oder Blechen ergebenden geringen Selbst ab Schirmwirkung angemessen. Andererseits hat die Verwendung von Bor einen Nachteil, da es in Beimischung zu Zirkon und Zxrkonlegierungen ein sprödes Material von geringer Verarbeitbarkeit bzw· Formbarkeit ergibt. Bei modernen Kernreaktoren werden Zirkaloy-2, das 1,20 - 1,70 % Sn, 0,07 - 0,2.0 % Pe, 0,05 - 0,15 % Cr₅, 0,03 - 0,08 % Ni, insgesamt 0,18 - 0,38 % Pe + Cr + Ni₅ 0,09 - 0,16 % O und für den Rest Zr enthält, und Zirkaloy-4_? das 1,20 1,70 % Sn, 0,18 —0,24 % Fe, 0,07 - 0,13 % Cr, insgesamt 0,28 - 0,37 % Fe + Cr, 0,09 - 0,16 % O und für den Rest Zr enthält, als Hüllenmaterial und im größtmöglichen Ausmaß als Baumaterial für den Reaktorkern verwendet.

Erfindungsgemäß kann Bor als brennbares Reaktormaterial in Platten aus Zirkon oder einer Zirkonlegierung verwendet werden durch Beimischung von Bor zu rostfreiem Stahl mit anschließendem Auswalzvorgang zur Bildung dünner Bleche. Der Wärmedehnungskoeffizient des Zirkon- und des Stahlmaterials müssen in der gleichen Größenordnung liegen. ■ ·

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Damit die Menge rostfreien Stahls in dem Kern verringert wird und sich die Stahlbleche in der Hüllenwand anbringen lassen, müssen die Bleche sehr dünn sein. Die tatsächliche Dicke der rostfreien Stahlbleche und ihre Anordnung in den Platten einer Brennstoffelementhülle werden bestimmt durch den verlangten Einfluß auf die Reaktivität, d.h. durch die gewünschte Flußverteilung im Reaktor.

Die Brennstoffelementhüllen werden hergestellt, indem man die Bleche zwischen zwei Platten aus Zirkon oder Zirkonlegierung anordnet und ihre Kanten miteinander verschweißt. Um ein Verziehen der Bleche und Platten au verhindern, sollte die Elektronenstrahlschweißung angewendet werden. Sofern die Ble'ühe eine erheblich geringere Ausdehnung haben als die Platten, so müssen diese durch Punktschweißen der Platten um die Bleche herum in ihrer richtigen Lage befestigt werden, Sofern die Platten in üblicher We,ise miteinander verschweißt werden, könnte es notwendig sein, die Platten nach dem Schweißen mittels eines Walzvorgangs abzurichten.

pie Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels {beschrieben:

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Es wird brennbares Reaktorgift in Form von zu 92 % mit

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dem Isotop B angereichertem Bor verwendet. Rostfreiem Stahl vom Typ AISI 304 wird Bor in einer Menge zugesetzt, daß die endgültige Legierung 1,5 Gew.-& (1.5 ^W/o) Bor enthält. Der rostfreie Stahl AISI 304 enthält 18 - 20% Cr 8 - 12 % Ni und eine Höchstmenge von 2,0 % Mn, 1 % Si, 0,08 % C, 0,045% P und 0,030 % S. Der Borstahl wird ausgewalzt zur Herstellung von Blechen in Dicken von 0,12 und 1,31 mm. Die Bleche werden zwischen Zirkaloy-4-Platten mit einer Dicke von 0,35 mm angeordnet. Die richtige Lage der Bleche wird durch Punktschweißen der Platten um die Bleche herum festgelegt, worauf die Platten mittels Elektronenstrahls miteinander verschweißt werden. Die so entstehenden Verbundplatten werden zu einer Hülle mit Vierkantquerschnitt geformt, die ein 8x8 Brennstoffstäbe enthaltendes Bündel umgibt. Dies erfolgt durch Herstellung von Winkelplatten, die zu einem Kasten mit Vierkantquerschnitt zusammengeschweißt werden. Dabei bildet jede der Verbundplatten ein Viertel des fertigen Kastens.

Für einen Siedewasserreaktor wurden ausgedehnte Kalkulationen mit Brennstoffelementhüllen nach der Erfindung durchgeführt. Der Kern besteht aus 61 Brennstoffelementen

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mit je 8 χ 8 Brennstoffstäben. Die aktive Länge der Stäbe beträgt 160 cm. Die Elemente werden nacheinander angebracht, wobei eine Hülle an jedem anderen Element ein System aus Kanälen für das Kühlmittel innerhalb eines den gesamten Kern umgebenden Mantels bildet. Die Brennstoffelementhüllen sind aus drei Plattenarten mit der nachstehend aufgeführten Borstahlverteilung hergestellt:

Typ

Abstand von der Oberseite I II III des aktiven Brennstoffs Borstahldicke in mm

cm ,

0 - 12,5 -

12,5 - 39,5 0,12 0,12

39,5 τ· 147,5 0,31 0,12

147. 5 - 160,0 _- - -_

Diese Platten ülden in dem Kern Bereiche mit unterschiedlichen Mengen brennbaren Reaktorgiftes. In dem 32 Brennstoffelemente enthaltenden Innenbereich werden 64 Platten vom Typ I verwendet. Im Außenbereich sind die Brennstoff— elementhüllen aus 32 Platten vom Typ II aufgebaut, während die sich dem Reflektor am nächsten befindenden übrigen Platten vom Typ III sind.

Die Kalkulationen zeigen, daß das Bor mit dem Brennstoff zusammen abbrennt, so daß die Reaktivität des Systems

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über eine Dreiviertel der Kernbetriebsdauer betragende Zeitspanne konstant gehalten werden kann. Dieses System führt im Kern außerdem zu der gewünschten Gesamtkraftverteilung, die in dem Brennstoffelement einen inneren Formfaktor ergibt, der für Brennstoffelementhüllen, die Stahlbleche mit einer Dicke von 0,12 mm und 0,31 mm enthalten, in der Größenordnung von 1,1 bzw. 1,27 liegt. Diese Formfaktoren sind gültig für eine Anreicherung von annähernd 3 %. Bei einem Abbrand von 19,200 MWd/tU ist die durch den Borstahl verbrauchte Reaktivität von 20 % bis unter 1,5 % abgesunken. Die durch den Stahl verbrauchte Reaktivität beträgt dann nur 0,4 %« Die vorstehend beschriebene Einrichtung zum Vergleichmäßigen der Reaktivität eines Kernreaktors hat sich somit als sehr wirksam erwiesen. .

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Claims

Ansprüche '

1. Hülle für ein Brennstoffelement eines Kernreaktors, die

aus einem Material der aus Zirkon und Zirkonlegierungen bestehenden Grußße besteht und mindestens einen Brennstoff körper umgibt sowie in ihrem unteren· und ihrem oberen Teil Öffnungen aufweist, so daß durch den von der Hülle umgrenzten Raum^entlang des Brennstoffkörpers ein' Kühlmittel fließen und dabei durch Kernspaltung in dem Brennstoffkörper erzeugte Wärme abführen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle ein brennbares (burnable) Reaktorgift enthält.

2. Hülle nach Anspruch 1, -dadurch gekennzeichnet, daß das. Reaktorgift aus mit Bor—10 angereichertem Bor besteht.

3. Hülle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktorgift in mindestens einem rostfreien Stahlblech verteilt ist, das eine Innenschicht einer Verbundplatte bildet, die Außenschichten aufweist, die aus einem Werkstoff aus der aus Zirkon und Zirkonlegierungen bestehenden Gruppe hergestellt sind, und die Hülle aus mindestens einer solchen Verbundplatte hergestellt ist.

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4. Hülle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Reaktorgift in den verschiedenen Teilen der Hülle dadurch ungleichmäßig gemacht ist, daß in der Verbundplatte rostfreie Stahlbleche unterschiedlicher Dicke verwendet sind, und die rostfreien Stahlbleche in mindestens einer Richtung eine begrenztere Ausdehnung haben äLs die Außenschichten.

5, Verfahren zur Herstellung einer Brennstoffelementhülle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer Menge rostfreien Stahls ein mit Bor-10 angereichertes Material zugesetzt, das Gemisch zu Blechen ausgewalzt wird, eines oder mehrere der Bleche zwischen Platten angebracht werden, die aus einem Material der aus Zirkon oder Zirkonlegierungen bestehenden Gruppe hergestellt sind, und die Platten und Bleche zur Bildung einer Verbundplatte zusammengefügt werden, worauf die Brennstoffelementhülle aus mindestens einer Verbundplatte hergestellt wird.

Patentanwälte

Seiler u. Pfenning

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