DE2332598A1

DE2332598A1 - Verfahren zum betrieb eines wassergekuehlten kernreaktors

Info

Publication number: DE2332598A1
Application number: DE2332598A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Lysell
Original assignee: Studsvik Energiteknik AB
Current assignee: Studsvik Energiteknik AB
Priority date: 1972-06-29
Filing date: 1973-06-27
Publication date: 1974-01-10
Also published as: JPS5641078B2; SE360491B; US3926721A; JPS4967091A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines wassergekühlten Kernreaktors mit Brennstoffstäben, bei dem ein oxidischer Kernbrennstoff von einer Abdeckung aus einer Zirkonlegierung umgeben ist. Unter einem wassergekühlten Kernreaktor ist ein Kernreaktor zu verstehen, worin die Brennstoffstäbe durch schweres oder leichtes Wasser gekühlt sind. Er kann mit siedendem Wasser oder mit Druckwasser arbeiten. Der oxidische Kernbrennstoff besteht im allgemeinen aus UO₂ in Form gesinterter Pellets. Diese sind in einem Rohrmantel aus einer Zirkonlegierung angeordnet, die normalerweise als Zircaloy bekannt ist,

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Während des Eetriebes eines Kernreaktors dieser Art hat sich gezeigt, daß die Deckschicht die Neigung hat, kurz nachdem die Leistung in dem Brennstoffstab gesteigert worden ist, zu reissen. Es kann sich um einen Leistungsanstieg in allen Brennstoffstäben des Reaktors oder in einer Gruppe von Brennstoffstäben handeln. Der Leistungsanstieg kann in einer Steigerung von einer Leistung auf eine höhere Leistung oder nach Abschaltung des Reaktors von einer Leistung Hull auf die gewünschte Leistung bestehen.

Diese Gefahr eines Risses in der Deckschicht ist besonders beachtlich bei Brennstoffstäben, die teilweise ausgebrannt sind, beispielsweise bei Brennstoffstäben, aus denen mehr als 2000 I IWd je Tonne Brennstoff abgezogen worden sind. Dies zeigt an, daß derEiss in der Abdeckung durch Spannungskorrosion infolge erzeugter Spaltprodukte,wie Jod,verursacht worden ist, welches die Deckschicht durch Risse in den gesinterten Brennstoffpellets erreichen kann. Kennzeichnend für diese Art von Spannungskorrosion ist, daß sie auftritt, wenn ein gewisser Spannungsgrad in dem Deckschichtmaterial überschritenvorden ist. Dieser Wert beträgt annähernd 30 kg/mm bei der betreffenden Legierung, siehe Garlick und Wolfenden, Fracture of Zirconium Alloys in Iodine Vapour, Journal of Nuclear Materials 41 (1971), Seite 285.

Gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß es möglich ist,die Gefahr eines derartigen Bruches der Deckschldt herabzusetzen, indem man die Leistung kurzzeitig um so viel über die gewünschte Leistung steigert, daß die durch die erhöhte Temperatur in dem Kernbrennstoff hervorgerufene,» thßmi&che Ausdehnung einen Mate-

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rialfluss in der Deckschicht hervorruft, worauf die Leistung wieder auf den gewünschten Wert herabgesetzt wird. Die thermische Expansion erzeugt einen derartigen Druck in der Deckschicht von der Innenseite her, daß die P.ließgrenze des Materials in der Deckschicht überschritten wird. Fenn die Ausgansleistung dann aufden normalen Wert herabgesetzt wird, sind nicht nur die Belastungsspitzen ausgeebnet, sondern alle durch die Temperatur hervorgerufenen Belastungen sind unter den kritischen Wert herabgesetzt. Es ist also sichergestellt, daß es keine Belastungsspitzen gibt und die Belastung überall genügend niedrig ist, um Spannungskorrosion auszuschalten. Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Leistungsanstieg eines Kernreaktors rasch vor sich gehen kann. Die zeitweilige Leistungsüberschreitung soll vorzugsweise eintreten, wenn sich die Ausgangsleistung des Reaktors von einem niedrigeren konstanten Wert auf einen höheren konstanten Wert verändert. Es kann jedoch zweckmäßig sein, eine zeitweilige übermäßige Leistung auch einzusetzen, wenn der Reaktor sich in Dauerbetrieb auf einem konstanten Leistungwert befindet.

Es ist zweckmäßig, die Leistung kurzzeitig auf eine. Leistung zu steigern, die 20 bis 200, vorzugsweise 75 bis 100 W/cm Stablänge oberhalb der gewünschten Leistung liegt. Es ist auch zweckmäßig, die gesteigerte Leistung so lange aufrecht zu erhalten, daß die Temperatur des Mittelpunktes des Kernbrennstoffes 10 bis 100⁰C unterhalb der Gleichgewichtstemperatur bei dieser gesteigerten Leistung, vorzugsweise 35 bis 45°C unterhalb der Gleichgewichtstemperatur liegt. Die Leistungsteigerung soll rasch vor

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sich gehen, und zwar nicht langsamer als 0,2 i?/cm Stablänge je Sekunde. Die Methoden zur Kontrolle der Ausgangsleistung einas Kernreaktors sind allgemein bekannt. Die übliche Methode besteht in der Benutzung von Kontrollstäben, die ein neutronen absorbierendes Element, wie Bor, enthalten. Die Kontrollstäbe können in dem Reaktorkern auf jede gewünschte Tiefe eingeführt v/erden. Andere Methoden zur Kontrolle der Ausgangsleistung sind in Kombination mit der Erfindung ebenfalls brauchbar.

Nachstehe-nd wird die Erfindung in bevorzugter Ausführungsform anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 und 2 zeigen Schnitte durch einen Erennstoffstab, der in einem gemäß der Erfindung zu betreibenden Reaktor benutzt werden kann.

Fig. 3 erläutert die Erfindung anhand eines Diagramms.

Der Brennstoffstab nach Fig. 1 und 2 besteht aus einem Rohrmantel 1 aus Zirkonlegierung, Endstopfen 2, 3 und zylindrischen Kernbrennstoffpellets 4. Aus Gründen der Klarheit zeigen Fig. 1 und 2 einen übertriebenen Zwischenraum zvrischen den Brennstoffpellets 4 und dem Rohr I. Tatsächlich werden das Rohr und die Pellets vorzugsweise mit einem Zwischenraum von nur 0,2 bis 0,4 mm, vorzugsweise 0,3 mm, zwischen dem Rohr und den Pellets gefertigt. Dieses Spiel gestattet die Pellets leicht in das Rohr einzuführen, und die ^T.\ärmeübertragung von den Pellets auf das Rohr ist befriedigend. Nach kurzer Betriebsdauer haben,die

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Pallets sich so ausgedehnt, daß sie in engem Kontakt mit dem Rohr stehen. Mehrere solcher Brennstoffstäbe sind unter Eildung einer Brennstoffpatrone zusammengefaßt, und mehrere solche Patronen bilden den Feuerraum eines Kernreaktors. Die Brennstoffpatrone und der Kernreaktor sind nicht Gegenstand der Erfindung und werden hier deshalb nicht näher beschrieben. Wenn die Kernbrennstoffpellets 4 sich während des Betriebes des Reaktors nach der Erfindung erhitzen, dehnen sie sich so aus, daß das Rohr 1 einem Druck von der Innenseite her ausgesetzt wird. Die zeitweilig gesteigerte Leistung erzeugt einen so hohen Druck innerhalb des Rohres 1, daß die Fließgrenze der Zirkonlegierung überschritten wird, so daß sich ein Legierungsfluß ergibt und damit die Gefahr für Spannungskorrosion herabgesetzt wird.

In dem Diagramm der Fig. 3 sind auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die Ausgangsleistung definiert ab Watt je cm Brennstoffstablänge aufgetragen. Das Diagramm bezieht sich auf einen Leichtwasserreaktor, der mit angereichertem Uranoxid, UO-, beheizt wird. Die Brennstoffstäbe haben einen Außendurchmesser von 13,5 mrn^und die Zircaloy-Schicht hat eine Wanddicke von 0,70 mm.

Die ununterbrochene Linie des Diagramms erläutert, daß der Reaktor zunächst mit einer Leistung von 300 W/cm Stablänge (Linie 5 ) und einer Wassertefieratur von 258°C betrieben wird, bis die Zeit t. im Diagramm verstrichen ist. Die Aufbrennung beträgt dann 19.000 MWd je Tonne Brennstoff. Es ist nun erwünscht, die Ausgangsleistung des Reaktors mittels der Kontroll-

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stäbe entsprechend einer Ausgangsleistung von 550 W/cm Brennstoff länge zu steigern. Dies geschieht durch Erhöhung der Leistung auf 650 W/cm während eines Zeitraumes von 90 Sekunden (siehe Linie 6), 15 Sekunden lange Aufrechterhaltung dieser Leistung (siehe Linie 7), rasche Leistungssenkung auf 550 W/cm (siehe Linie 8) und Portsetzung des Reaktorbetriebes bei die ser Leistung (siahe Linie 9). Während der kurzen Periode der Leis-tungsüberschreitung hat die Temperatur in der lütte der Brennstoffpellets Zeit, um praktisch Gleichgewichtstemperatur zu erreichen. Während Dauerbetriebes des Reaktors wurde festgestellt, daß die Gefahr von Spannungskorrosion gegenüber derselben Leistungssteigerung jedoch ohne kurze Leistungsüberschreitung beträchtlich vermindert ist.

Das Diagramm der Fig. 3 erläutert auch in der gestrich-elten Linie, daß die Erfindung auch angewandt werden Isnn, wenn ein bleibender Leistungsanstieg erwünscht ist. Der Kernreaktor wird bei einer BrennstoffStabausgangsleistung von 550 W/cm betriebenr Zum Mtpunkt t„ vird die Leistung rasch auf 65O W/cm gesteigert (siehe Linie 11). Die Leistung wird 15 Sekundailang beibehalten (siehe Linie 12). Dann wird die Leistung rasch auf den IJormalwert von 550 W/cm herabgesetzt (siehs Linie 13) ,und der Reaktorbetrieb wird jetzt auf diesem normalen Wert fortgesetzt (slEhe Leitung 14) .

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Claims

Patentansprüche

1J Verfahren zum Betrieb eines wassergekühlten Kernreaktors mit Brennstoffstäben, die einen oxidischen Kernbrennstoff, umgeben von einer Deckschicht aus Zirkonlegierung, enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vermeidung von Spannungskorrosion in der Deckschicht die Leistung zeitweilig so hoch über die gewünschte Leistung angehoben wird, daß die durch die erhöhte Temperatur verursachte thermische Dehnung des Kernbrennstoffes einen Materialfluss in der Deckschicht hervorruft,
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ausgangsleistung des Reaktors von einem ersten konstanten niedrigeren Leistungswert auf einen zweiten konstanten höheren Leistungswert angehoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsüberschreitung beim übergang von der niedrigeren Leistung auf die höhere Leistung erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung kurz auf einen Wert angehoben wird, der 20 bis 200, vorzugsweise 75 bis 100 W/cm Stablänge oberhalb der gewünschten Leistung liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis , 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteigerte Leistung so lange aufrecht er-

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halten wird, daß die Temperatur des Zentrums des Kernbrennstoffes 10 bis 100°C unterhalb der Gleichgewichtstemperatur bei dieser·erhöhten Leistung, vorzugsweise 35 bis 45 C unterhalb- der Gleichgewichtstemperatur liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennr zeichnet, daß die Leistung mit einer Rate von mindestens 0,2 W/cm Stablänge und Sekunde gesteigert wird.

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