DE2207655A1 - Improving nuclear fuel/sheath compatibility - by addn of materials with higher oxygen affinity into the fuel - Google Patents

Abstract

The compatibility of nuclear fuels with the material forming the sheath of the combustion element, esp. of uranium, plutonium and/or thorium oxides in steel or vanadium alloy sheaths, is increased by adding finely divided substances of higher oxygen affinity to the fuel. Pref. they are metals or lower oxides of Ti, Zr, Th, V or Nb. In an alternative process an interm. layer is inserted between the fuel and the sheath, esp. liquid Li (at the operating reactor temp.) or Ti, Zr, Th, V or Nb. The treatment leads to redn. of embrittlement, crack-formation and disintegration of the sheath with a resulting increase in service-life, economy and safety.

Description

Verfahren zur Verbesserung der Verträglichkeit oridischer Kernbrennstoffe mit den Materialien der sie umgebenden Brennelement-Hüllen.Process for improving the compatibility of oridic nuclear fuels with the materials of the surrounding fuel assembly cladding.

Die Erfindung betrifft ein Verfahrlen zur Verbesserung der Verträglickeit oxidischer kernbrennstoffe mit den Materialien der sie direkt oder unter Einbezichung einer Zwischenschicht umgebenden Brennelement-Hullcn.The invention relates to a method for improving compatibility oxidic nuclear fuel with the materials of them directly or under enclosure an intermediate layer surrounding the fuel element casing.

Von den als oxidische Kernbrennstoffe verwendbaren oxiden des Urans, Plutoniums und Thoriu:ts elcgncri sich für schnellr Brutreaktoren B be sonders Uran-Plutonium-Mischoxide. Für diese Brennstoffe sind hochwarmfeste Stähle und Vanadiumlegierungen als H2llmaterialien vorgeschlayen worden. Während des Abbrandes im Reaktor entsteht eine größere Menge Spaltprodukte, die den bei der Spaltung freigesetzten Sauerstoff nur teilweise binden.Of the oxides of uranium that can be used as oxidic nuclear fuels, Plutonium and Thoriu: ts elcgncri for fast breeder reactors B especially uranium-plutonium mixed oxides. High-temperature steels and vanadium alloys are used as H2ll materials for these fuels been pre-sliced. During the burn-up in the reactor, a larger amount is produced Fission products that only partially bind the oxygen released during the fission.

Der während des Abbrandes laufend freiwerdende Sauerstoff, ebenso wie entstehende Spaltnuklidoxide werden durch Thermodiffusion mehr und meh in Richtung Brennelementhülle transportiert. Es wurde berechnet, daß die Sauerstoffkonzentration in der Hülle nach 11 % Abbrand bei stöchiometrischem Ausgangsmaterial (Uran-15 Mol°WO Plutonium-Mischoxid) ca. 11 Atom-Prozent beträgt, bei stark unterstö chiometrischem ca. 6 Atom-Prozent. Sie ist eine lineare Funktion des Abbrandes. Bei Betriebsbedingungen solcher Reaktoren entstehen an der Innenseite der Hülle hohe Temperaturen, so daß bei Vorhandensein von Sauerstoff das Hüllmaterial mit diesem reagiert und dadurch eine starke Änderung der mechanischen Eigenschaften der Hülle auftritt. Es entsteht eine Versprödung des Hüllmaterials, das zu Rißbildung etc. führen kann, wodurch eine Kontamination der Umgebung des geschädigten Brennelements, oder, bei hohem Abbrand, sogar ein Zerbrechen des Brennelements beim Brennelementwechsel nicht ausgeschlossen werden kann.The same goes for the oxygen that is constantly being released during the burnout how fission nuclide oxides that arise are more and more in the direction of thermal diffusion Transported fuel element cladding. It was calculated that the oxygen concentration in the shell after 11% burn-off with stoichiometric starting material (uranium-15 mol ° WO Plutonium mixed oxide) amounts to approx. 11 atomic percent, with strongly under chiometric about 6 atomic percent. It is a linear function of the burn-up. Under operating conditions Such reactors arise on the inside of the shell, so that high temperatures in the presence of oxygen, the shell material reacts with this and thereby there is a strong change in the mechanical properties of the casing. It arises embrittlement of the shell material, which can lead to cracking, etc., whereby a contamination of the surroundings of the damaged fuel assembly, or, in the case of high Burn-up, even breakage of the fuel assembly when changing fuel assemblies, cannot be ruled out can be.

Zudem wird die Verträglichkeit verschlechtert durch die Stöchiometrieverschiebung während des Abbrandes und durch bei Anwesenheit einiger ppm Kohlenstoff und Wasserstoff im Brennstoff entstehende Gase wie co2/c() und Wasserdampf, die als Transportmittel wirken.In addition, the compatibility is worsened by the stoichiometric shift during the burn-up and through the presence of a few ppm of carbon and hydrogen Gases created in the fuel such as co2 / c () and water vapor, which are used as a means of transport works.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrundedie Verträglichkeit oxidischer Kernbrennstoffe mit den I-Iüllinaterialien so zu verEessern, daß für die Drennelernente, gleich welcher Art, eine hohe Standzeit im Reaktor bei hohem Abbrand und eine gefahrlose Handhabung beim Brennelementwechsel sichergstellt ist.The invention is now based on the object of the compatibility of oxidic To improve nuclear fuels with the Iullinaterialien so that for the Drennelernente, regardless of the type, a long service life in the reactor with high burn-up and a safe one Handling when changing fuel assemblies is ensured.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Kernbrennstoff und/oder der Zwischenschicht Stoffe mit höherer Sauerstoff-Affinität als das Hüllmaterial in feiner Verteilung zugemischt werden. In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Kernbrennstõff mit Pulver mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Thorium, Vanadium und Niob gut durchmischt. Eine günstige Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß der Kernbrennstoff mit Pulver mindestens eines Oxids niederer Oxidationsstufe der Metalle aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Thorium, Vanadium und Niob gut durchmischt wird.The object is achieved according to the invention in that the nuclear fuel and / or the intermediate layer has substances with a higher oxygen affinity than the shell material be mixed in finely. In a further development of the invention the nuclear fuel with powder at least one of the metals from the titanium group, Zirconium, thorium, vanadium and niobium mixed well. A cheap execution the inventive method provides that the nuclear fuel with powder at least an oxide of a lower oxidation state of the metals from the group titanium, zirconium, Thorium, vanadium and niobium are mixed well.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Kernbrennstoff mit- Pulver mindestens eines der Metalle und mindestens eines der niederen Oxide der Metalle aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Thorium, Vanadium und Niob gut durchmischt wird.It is especially beneficial when using nuclear fuel with powder at least one of the metals and at least one of the lower oxides of the metals from the group consisting of titanium, zirconium, thorium, vanadium and niobium is thoroughly mixed.

In einer weiteren, gleichfalls vor-Leilhaften Ausbildung der Erfindung wird dem als Zwischenschicht dic-'nenden, bei Betriebstemperaturen in ISernreaktor flüssigen Metall (Flüssigmetall-Bonding) Litium zugesetzt.In a further, likewise pre-advantageous embodiment of the invention is dic-'nende as an intermediate layer, at operating temperatures in the core reactor liquid metal (liquid metal bonding) lithium added.

Schließlich kann es von großem Vorteil sein, auf den zu Pellets gepreßten Kernbrennstoff und/oder auf die Innenseite der Brennelementhülle einen Überzug aus mindestens eilen der Metalle aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Thorium, Vanadium und Niob auf zubringen.Finally, it can be of great advantage to press the pellets on them Nuclear fuel and / or a coating on the inside of the fuel element cladding at least one of the metals from the group consisting of titanium, zirconium, thorium and vanadium and bring on niobium.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden die Transport-, bzw.With the method according to the invention, the transport or

Diffusionsvorgänge auch im hocherhitzten Brennstoff weitgehendst eingeschränkt, bzw. vermieden, so daß eine Versprödung des hüllmaterials durch Sauerstoff oder spaltnuklidoxide etc. praktisch ausgeschlossen wird.Diffusion processes are largely restricted, even in the highly heated fuel, or avoided, so that embrittlement of the shell material by oxygen or Fission nuclide oxides etc. is practically excluded.

Die Teilchengröße der zum Brennstoff zuzumischenden Metall- und Oxid-Pulver wird der Teilchengröße des Brennstoffs angepaßt. Das Sintern der Mischung wird vorteilhafterweise in reduzierender Atmosphäre durchgeführt.The particle size of the metal and oxide powders to be mixed with the fuel is adapted to the particle size of the fuel. Sintering the mixture is advantageous carried out in a reducing atmosphere.

Die Menge der zuzusetzenden Pulver laßt sich mittels thermodynamischer Berechnungen unter Berücksichtigung möglicher Transportvorgänze ermitteln. Unter Berücksichtigung der Sauerstoffkonzentrationsverschiebung erhält man für das erforderliche Verhältnis von Meta].laLomen des Zusatzmaterials zu Metallatomen des Brennstoffs Hierbei bedeuten: ZG Anzahl der Metallatome des Zusatzmaterials pro cm Brennstablänge ZB Anzahl der Metallatome des Brennstoffs pro cm Brennstablänge n etall-zu-Saucrstoff-Verhältnis im Zusatzoxid a Abbrand b Konversionsfaktor Pu Molenbruch von Plutoniumoxid Pu Verhältnis von Pu-Spaltungen zur Gesamtzahl der Spaltungen Yo Stöchiometriebabweichung des oxidischen Brennstoffs vor Bestrahlungsbeiginn (=O/M - 2) > SKYK = 1,29 für alle Spaltprodukte mit größerer Affinität zum Sauerstoff, als das Hüllmaterial Grenzwert der mittleren Stöchiometrieabweichung des Brennstoffs, von dem ab die Hülle nicht mehr oxidiert wird.The amount of powder to be added can be determined by means of thermodynamic calculations, taking into account possible transport processes. Taking into account the shift in oxygen concentration, the required ratio of meta] .laLomen of the additional material to metal atoms of the fuel is obtained Here mean: ZG number of metal atoms of the additional material per cm of fuel rod length ZB number of metal atoms of fuel per cm of fuel rod length n metal-to-oxygen ratio in the additional oxide a burnup b conversion factor Pu molar fraction of plutonium oxide Pu ratio of Pu cleavages to the total number of cleavages Yo Stoichiometric deviation of the oxidic fuel before the start of irradiation (= O / M - 2)> SKYK = 1.29 for all fission products with a greater affinity for oxygen than the shell material limit value of the mean stoichiometric deviation of the fuel from which the shell is no longer oxidized.

So errechnet sich für den Fall, bei dem das Sauerstoff-zu-Metall-Verhältnis (oAi) eines vibrationsverdichteten Brennstoffs 1,94 beträgt (yO = - 0,06, yG = - 0,067), mit einer Hülle aus Vanadium und einer Brennstoffrandtemperautr von 12000K und einer Zentraltemperatur von 2500°K mit beispielsweise Zirkonium als Zusatz und einem Abbrand von 11 % G z = 0,021, d.h. 2,1 Atom-PrQzent an Zirkonium.So is calculated for the case where the oxygen-to-metal ratio (oAi) of a vibration-compressed fuel is 1.94 (yO = - 0.06, yG = - 0.067), with a shell made of vanadium and a fuel edge temperature of 12000K and a central temperature of 2500 ° K with, for example, zirconium as an additive and a burn-off of 11% G z = 0.021, i.e. 2.1 atomic percent of zirconium.

B Geht man vom stöchiometrischen Ausgangsbrennstoff aus, unter sonst gleichen Bedingunglen, erhält man ZG/Z@ = 0,051, d.s. 5,1 Atom-Prozent an Zirkonium. B Assuming the stoichiometric starting fuel, under otherwise with the same conditions, one obtains ZG / Z @ = 0.051, i.e. 5.1 atomic percent of zirconium.

Es ist unerheblich, ob der Schmelzpunkt des Zusatzmaterials niedriger ist als die Zentraltemperatur des Brennstoffs während des Betriebs, er muß jedoch höher liegen als die Randtemperatur in der Nahe der Brennelementhülle.It does not matter whether the melting point of the additional material is lower is than the central temperature of the fuel during operation, but it must are higher than the edge temperature in the vicinity of the fuel element cladding.

Bei der Herstellung eines Brennelementes mittels Brennstoff-Pellets kann es zweckmäßig sein, das Zusatzmaterial in Form dünner Scheibchen zwischen die einzelnen Pellets einzusetzen.When manufacturing a fuel assembly using fuel pellets it may be useful to place the additional material in the form of thin slices between the to use individual pellets.

Claims (6)

Patentansprüche: Patent claims: Verfahren zur Verbesserung der Verträglichkeit oxidischer Kernbrennstoffe mit den Materialien der sie direkt oder unter Einbeziehung einer Zwischenschicht umgebenden Brennelement-Hüllen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kernbrennstoff und/oder der Zwischenschicht Stoffe mit höherer Sauerstoff-Affinit.-it als das Hülirnaterial in feiner Verteilung zugemischt werden.Process for improving the compatibility of oxidic nuclear fuels with the materials of them directly or with the inclusion of an intermediate layer surrounding fuel element casings, characterized in that the nuclear fuel and / or the intermediate layer substances with a higher oxygen affinity than the shell material be mixed in finely. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff mit Pulver mindestens eines der Metalle aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Thorium, Vanadium und Niob gut durchmischt wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the nuclear fuel with powder at least one of the metals from the group titanium, zirconium, thorium, Vanadium and niobium are mixed well. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff mit Pulver mindestens eines Oxids niederer Oxidationsstufe der Metalle aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Thorium, Vanadium und Niob gut durchmischt wird. 3. The method according to claim 1, characterized in that the nuclear fuel with powder of at least one oxide of the lower oxidation state of the metals from the group Titanium, zirconium, thorium, vanadium and niobium are mixed well. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbrennstoff mit Pulvern mindestens eines der Metalle und mindestens eines der niederen Oxide der Metalle aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Thorium, Vanadium und Niob gut durehmischt wird. 4. The method according to claim 1, characterized in that the nuclear fuel with powders at least one of the metals and at least one of the lower oxides the metals from the group of titanium, zirconium, thorium, vanadium and niobium are well mixed will. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Zwischenschicht dienenden, bei Betriebstemperaturen im Kernreaktor flüssigen Metall Lithium zugesetzt wird. 5. The method according to claim 1, characterized in that the as Metal that is liquid at operating temperatures in the nuclear reactor and is used as an intermediate layer Lithium is added. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den zu Pellets gepreßten Kernbrennstoff und/oder auf die Innenseite der .Brennelementhülle ein Überzug aus mindestens einem der Metalle aus der Gruppe Titan, Zirkonium, Thorium, Vanadium und Niob aufgebracht wird. 6. The method according to claim 1, characterized in that on the nuclear fuel pressed into pellets and / or on the inside of the fuel element casing a coating of at least one of the metals from the group consisting of titanium, zirconium, thorium, Vanadium and niobium is applied.