DE2515709C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbehandeln von
Brennstäben in einem Reaktorkern, wobei die Brennstäbe in langgestreckten Hüllrohren aus einer Zirkoniumlegierung zylinderförmige
Tabletten aus oxidischem Kernbrennstoff
enthalten, bei dem die von dem
Brennstoff erzeugte Leistung bis zu einem gewählten maximalen Leistungsniveau
gesteigert wird, damit die sich ausdehnenden Tabletten
Kräfte auf die Rohrinnenwand ausüben.
In der DE-OS 23 32 598 ist ein Verfahren zum Betrieb eines
wassergefüllten Kernreaktors beschrieben, bei dem zur Vermeidung von
Spannungskorrosion in der Deckschicht die Leistung kurzfristig und schnell 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.
Das Hüllrohr des rohrförmigen Brennstabes kann eine Dicke in
der Größenordnung von etwa 0,75 mm aufweisen und unterliegt bei Reaktorbetriebsbedingungen starken Belastungen.
Es sind auch
einige Defekte an Brennstäben aufgetreten.
Der Ausdruck "Defekt" soll hier anzeigen, daß in dem Hüllrohr
des Brennstabes eine oder mehrere Öffnungen, Risse oder Löcher entstanden
sind, welche das Austreten von Spaltprodukten aus dem Brennstab
in das umgebende Kühlmittel gestatten.
Eine Art des Defektes ist gekennzeichnet
durch in Längsrichtung verlaufende spröde Risse oder Spalten in
dem Hüllrohr, die im allgemeinen benachbart zu den Grenzflächen von
Brennstofftabletten oder benachbart zu Rissen in den Tabletten auftreten.
Es wird gegenwärtig angenommen, daß solche Defekte vorwiegend
durch eine mechanische Wechselwirkung zwischen den Brennstofftabletten
und dem Hüllrohr während bestimmter Verhältnisse beim Betrieb
des Brennstoffmaterials auftreten. Daher wird diese Art des
Defekts als "Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungsdefekt" bezeichnet.
Insbesondere treten nach dem gegenwärtigen Verständnis solche Tabletten-
Hüllrohr-Wechselwirkungsdefekte wahrscheinlich unter den folgenden
Umständen auf: während des Abbrennens in dem Kernreaktor dehnen
sich die Brennstofftabletten aus und schwellen an. Die Tabletten
werden auch noch in ihrer Gestalt verändert. Insbesondere neigen die
Tabletten dazu, eine "Sanduhrform" im Gegensatz zu ihrer ursprünglichen
zylindrischen Form anzunehmen. In anderen Worten die Tabletten
dehnen sich an ihren Enden stärker aus
als in ihren Mittelbereichen. Weiterhin wölben sich die Endoberflächen
der Tabletten in Längsrichtung aus, mit der Folge, daß
sich die Kanten benachbarter Tabletten voneinander entfernen. Die
Bestrahlung verringert auch noch die Duktilität des Hüllrohres.
Daher kann eine plötzliche starke Änderung in dem Leistungsniveau
des bestrahlten Brennstoffes ein relativ schnelles Anschwellen
der Brennstofftabletten gegen das Hüllrohr bewirken. Wenn die sich
ausdehnenden und sich voneinander trennenden Kanten benachbarter Tabletten
(oder benachbarter Seiten eines Tablettenrisses) an dem
Hüllrohr anstoßen, dann kann die hieraus resultierende örtlich begrenzte
Belastung die Höchstbelastung des versprödeten Hüllrohres
übersteigen, und es entsteht ein Riß als der Tabletten-Hüllrohr-
Wechselwirkungsdefekt.
Es ist in höchstem Maße erwünscht, das Auftreten solcher Tabletten-
Hüllrohr-Wechselwirkungsdefekte zu beseitigen oder mindestens
auf ein Mindestmaß zu verringern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
eines Verfahrens zum Vorbehandeln von Brennstäben in einem Reaktorkern,
der für ein vorgegebenes maximales Niveau der Betriebsleistung ausgelegt ist,
so daß nachfolgende relativ schnelle Änderungen des Leistungsniveaus,
unterhalb oder bis
zu dem maximalen Leistungsniveau bei einem Mindestmaß des Risikos
von Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungsdefekten an den Brennstäben
vorgenommen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
Steigerung der erzeugten Leistung mit einer Geschwindigkeit erfolgt,
die zur Vermeidung von Schäden an den Brennstabrohren unterhalb einer
kritischen Geschwindigkeit
C k = C × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm)
liegt, wobei C = 0,41 KW/m/h, D = Durchmesser der Tabletten in Zentimetern,
T = Dicke des Hüllrohres in Zentimetern bedeuten.
Unter der kritischen Geschwindigkeit der Leistungssteigerung
ist die Geschwindigkeit der Leistungssteigerung gemeint,
bei der als Ergebnis der Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung die ersten Hüllrohrschäden auftreten.
Die erfindungsgemäße Erhöhung der Leistung unterhalb der gefundenen
kritischen Geschwindigkeit ergibt im Gegensatz zu dem aus der DE-OS 23 32 548 bekannten Verfahren eine allmähliche Langzeitanpassung
zwischen dem Hüllrohr und den Brennstofftabletten
ohne daß hier durch die von den sich ausdehnenden Brennstofftabletten erzeugten
Belastungen zu einem Defekt an dem Hüllrohr führen. Unter
"Langzeit" ist hier zu verstehen, daß die Anpassung in Abhängigkeit
von den Betriebsbedingungen während einer beträchtlichen
Zeitdauer erfolgt.
Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Siedewasser-Kernreaktors,
Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines
Brennstabes,
Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils eines
Brennstabes zur Veranschaulichung der Wechselwirkung
zwischen den Brennstofftabletten und dem Hüllrohr und
Fig. 4 bis 10 Kurven der zeitlichen Leistungssteigerungen bei Versuchen
zur Bestimmung
der Steigerungsgeschwindigkeit für die Vorbehandlung und die Wirksamkeit des
erfindungsgemäßen Vorbehandlungsverfahrens.
Die Erfindung wird nachstehend in ihrer Anwendung auf einen
Siedewasser-Kernreaktor beschrieben. Sie ist jedoch nicht auf diesen
Anwendungsfall beschränkt. In Fig. 1 ist eine Anlage
mit einem Siedewasser-Reaktor schematisch dargestellt.
Ein Druckgefäß 100 enthält einen Brennstoffkern
101 und einen Dampfabscheider 102.
Eine Vielzahl von Steuerstäben
103 kann durch Antriebseinrichtungen 104 in den Kern 101 eingeführt
und aus ihm herausgezogen werden, um dessen Reaktivität zu steuern.
Ein System 105 zur Auswahl und Steuerung der Steuerstäbe steuert die
Arbeitsweise der Antriebseinrichtung 104 für die Steuerstäbe.
Das Gefäß 100 ist mit einem Kühlmittel (beispielsweise
Leichtwasser) mit einem Pegelstand etwas oberhalb des Kerns 101 gefüllt.
Das Kühlmittel wird durch den Kern 101 durch eine Umwälzpumpe
106 im Kreislauf geführt, welche das Kühlmittel aus einem nach unten
führenden Ringkanal 107 aufnimmt und in einen Sammelraum 108 fördert,
aus dem das Kühlmittel durch die Brennstoffbündel des Reaktorkerns nach
oben strömt. Hierdurch wird die von den Brennelementen erzeugte Wärme
unmittelbar auf das Wasser übertragen und
teilweise im Kern verdampft. Der Dampf wird einer Turbine
109 zugeführt, die einen elektrischen Generator 110 antreibt. Die
Turbine gibt den Abdampf an einen Kondensator 111 ab und das erhaltene
Kondensat wird durch eine Speisewasserpumpe 112 als Speisewasser
zum Gefäß 100 zurückgeführt.
Eine Antriebseinrichtung 113, die aus einem Motor mit variabler
Drehzahl oder einer anderen Einrichtung bestehen kann, ist zum
Antrieb der Umwälzpumpe 106 vorgesehen. Hierdurch erhält man zusätzlich
zu den Steuerstäben 103 eine Möglichkeit zur Veränderung der
Reaktivität des Kerns 101 über einen begrenzten Bereich. Insbesondere
bewirkt eine Verringerung der Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels
eine Vergrößerung des Dampfblasenanteils und eine Verminderung der
Dichte des Moderator-Kühlmittels mit entsprechender Verringerung der
Moderatorwirkung auf die Neutronen und damit eine Verringerung der
Reaktivität des Kerns. Umgekehrt führt eine Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit
des Kühlmittels zu einer Erhöhung der Moderatordichte
und damit der Reaktivität des Kerns.
In Siedewasser-Reaktoren sind die Brennelemente
zweckmäßigerweise in Form von langen Stäben ausgebildet, die
aus einem korrosionsbeständigen, nichtreaktiven Material bestehen
und einen geeigneten Brennstoff enthalten. Die Brennstäbe sind in
festen Abständen voneinander in einem Strömungskanal für das Kühlmittel
als Brennstoffbündel in Gruppen zusammengefaßt. Eine ausreichende
Anzahl der Brennstoffbündel sind im Abstand voneinander in
einer räumlichen Anordnung zur Bildung eines Kerns des Kernreaktors
angeordnet, der zu einer sich selbst aufrechterhaltenden Kettenreaktion
fähig ist.
Ein typisches Brennstoffbündel wird aus einer
Anordnung von 7 × 7 beabstandeten Brennstäben gebildet, die jeweils
eine Länge von einigen Metern, einen Durchmesser in der
Größenordnung von 1,5 cm und einen Abstand untereinander
von einigen Millimetern aufweisen. Die Brennstäbe sind in
dem rohrförmigen Strömungskanal mit offenen Enden zwischen geeigneten
Gitterplatten enthalten.
Fig. 2 zeigt einen Brennstab 115. Er enthält ein
längliches Hüllrohr 116, in dem eine Säule aus Brennstofftabletten
117 und ein Sammelraum 118 zur Sammlung der bei der Spaltung entstehenden
Gase enthalten sind. Das Hüllrohr 116 ist mit einem oberen
Endstopfen 119 und einem unteren Endstopfen 121 verschlossen, und die
Säule aus Brennstofftabletten wird in ihrer Lage durch eine Feder
122 gehalten, die sich vom oberen Teil der Säule von Brennstofftabletten
117 bis zum oberen Endstopfen 119 durch den Sammelraum 118
erstreckt.
Das Hüllrohr 116 und die Endstopfen 119 und 121 bestehen aus
einer Zirkoniumlegierung. Die Tabletten 117 bestehen vorzugsweise
aus einem Oxid eines geeigneten Brennstoffes, beispielsweise Uran
oder Plutonium, und der Durchmesser der Tabletten 117 ist etwas geringer
als der Innendurchmesser des Hüllrohr 116, um einen anfänglichen
Spielraum 123 zu erhalten.
Für den hier erläuterten Siedewasser-Reaktortyp haben die Brennstofftabletten
117 typischerweise eine Länge von etwa 1,3 bis 2 cm und einen
Durchmesser von etwa 1,3 cm. Das Hüllrohr 116 hat typischerweise
einen Außendurchmesser von etwa 14,33 mm und eine Wandstärke von
etwa 0,813 mm. Hierdurch erhält man einen zunächst vorhandenen radialen
Spielraum 123 von etwa 0,127 mm (einen freien Raum auf dem
Durchmesser von etwa 0,254 mm).
Fig. 3 zeigt einen Teil des Brennstabes 115, teilweise im
Schnitt, zur Veranschaulichung der Wechselwirkung zwischen Tablette
und Hüllrohr. Mit der Erzeugung einer wachsenden Leistung (Wärme)
in den Brennstofftabletten 117 dehnen sich die Brennstofftabletten
in einer solchen Weise aus, daß sie eine sanduhrförmige Gestalt
annehmen, wobei die Enden 126 und 127 gemäß der Abbildung in Fig.
3 gebogen sind. Der anfänglich vorhandene Spielraum 123 wird
schließlich eingenommen, die Kanten 128 und 129 der Tabletten sind
dann im Kontakt mit der inneren Oberfläche des Hüllrohres 116, und
es erfolgt die Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr. Eine
weitere Ausdehnung der Brennstofftablette bewirkt eine Belastung am
Umfang des Hüllrohres 116 an den Punkten der Wechselwirkung zwischen
Tablette und Hüllrohr. Außerdem haben die Enden 128 und 129 der Tablette
eine Neigung zum Festhaften an dem Hüllrohr. Daher bewirkt
ein weiteres Ausbiegen der Enden 126 und 127, daß sich die Tabletten
128 und 129 in Längsrichtung auseinanderbewegen und dabei eine
Belastung auf das Hüllrohr in Längsrichtung erzeugt wird. Weiterhin
entstehen in den Tabletten 117 Längsrisse 131. Die scharfen Kanten
dieser Risse können Punkte mit hoher örtlicher Belastung an dem
Hüllrohr ergeben.
Für den hier erörterten Typ von Brennstäben liegt die maximale
Spitzenleistung im Betrieb
in der Größenordnung von etwa 53 bis 60 kW/m, und es wurde
gefunden, daß die Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr in
dem Leistungsbereich von etwa 18 bis 33 kW/m einsetzt und darüber sich verstärkt. Es
wurde gefunden, daß sich bei der Ausführung von schnellen Änderungen
des Leistungsniveaus in diesem Bereich für die Wechselwirkung
zwischen Tablette und Hüllrohr schnelle, örtlich begrenzte Erhöhungen
der Belastung und der Spannung in dem Hüllrohr oberhalb der
Streckgrenze des Materials ergeben und ein Defekt an dem Hüllrohr
durch die Entstehung von Rissen erfolgen kann; ein charakteristischer
Riß ist bei 132 abgebildet. Die Wahrscheinlichkeit eines Tabletten-
Hüllrohr-Wechselwirkungsdefektes wird mit der Lebensdauer
des Brennstoffes in einem Reaktor infolge der Verringerung der Duktilität
des Hüllrohres durch die Bestrahlung erhöht.
In Fig. 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung
des Brennstoffes anhand eines Leistungs/Zeit-Diagramms veranschaulicht.
Zunächst wird die Brennstoffleistung in dem Bereich für die
Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr auf das erwünschte maximale
Leistungsniveau mit einer Geschwindigkeit erhöht, die unter
einer kritischen Geschwindigkeit liegt, die eine Beschädigung des
Hüllrohres verursachen würde. Die maximale Geschwindigkeit dieses
anfänglichen Leistungsanstieges wurde mit etwa 0,33 kW/m/h Spitzenleistung
für den Brennstab gefunden.
Gemäß dem derzeitigen Verständnis wird angenommen, daß der
Widerstand des bestrahlten Hüllrohres gegenüber der Rißbildung bei
Zugbelastung sehr stark von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit
der das Hüllrohr gedehnt wird. Daher gestattet die beschriebene anfängliche,
relativ langsam erfolgende Steigerung der Leistung eine
plastische Verformung des Hüllrohres gemäß den von den sich ausdehnenden
Brennstofftabletten erzeugten Spannungen. Es wird auch noch
angenommen, daß die Spannungsbelastung des Hüllrohres durch eine
langsame plastische Verformung oder einen Kriechvorgang an den
Brennstofftabletten gemildert wird, der durch die von dem belasteten
Hüllrohr erzeugten rückwirkenden Kräfte entsteht. Dies ist besonders
der Fall bei hohen Leistungswerten, bei denen die Brennstofftabletten
stärker dehnbar werden. In jedem Falle wurde gefunden, daß der
Brennstoff, der mit der gefundenen Vorbehandlungsgeschwindigkeit auf
Leistung gebracht wird, keine Ausfallerscheinungen zeigt, und auch
später schnelle Änderungen
des Leistungsniveaus (beispielsweise 15%
der Nennleistung pro Minute) mit einem Mindestrisiko für einen Defekt durch Wechselwirkung
zwischen der Brennstofftablette und dem Hüllrohr
vorgenommen werden können (beispielsweise
zur Nachführung bei einer steigenden Belastung erforderlich),
wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt eine kontinuierliche anfängliche Steigerungsgeschwindigkeit
für die Leistung. Es wurde jedoch gefunden,
daß es zweckmäßiger ist, die Leistung in einer Folge von
Schritten zu steigern, wie es in den Fig. 5 bis 7 dargestellt ist. Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße
Vorbehandlungsverfahren für den Brennstoff schrittweise ausgeführt
werden kann, wenn die einzelnen Schritte oder Leistungsstufen klein
genug sind. Beispielsweise wurden Leistungsstufen von etwa 0,33 kW/m
Spitzenleistung als praktisch ausführbar gefunden. Der maximal zulässige
Wert scheint bei etwa 1,6 kW/m Spitzenleistung zu liegen.
Das hier beschriebene Verfahren zur Vorbehandlung des Brennstoffes
gestattet spätere schnelle Leistungsänderungen. Es wurde jedoch
weiterhin gefunden, daß die Wirkung der Vorbehandlung verlorengehen
kann, wenn der Brennstoff später während eines ausgedehnten
Zeitraumes bei Leistungswerten unterhalb oder in der Nähe der unteren
Grenze für die Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr betrieben
wird. Es wird angenommen, daß sich dieser Verlust der Wirkung
der Vorbehandlung durch Betrieb des Brennstoffes mit niedrigen
Leistungswerten aus einer Relaxation des Brennstoffes, einem Ausheilen
der Risse in der Brennstofftablette und einer Relaxation und einer
Kriecherscheinung in dem Hüllrohr ergibt. Daher wurde es als
notwendig gefunden, nach einem ausgedehnten Zeitraum des Betriebes
des Brennstoffes mit niedriger Leistung den Brennstoff erneut zum
Betrieb mit höheren Leistungswerten vorzubehandeln, wenn man den Defekt
durch Wechselwirkung zwischen Brennstofftablette und Hüllrohr
vermeiden will.
Die Zeitdauer und die Bedingungen für den Verlust der Auswirkungen
der Vorbehandlung wurden noch nicht vollständig ermittelt und
sind anscheinend von einer Anzahl von Faktoren abhängig, einschließlich
der Vorgeschichte des Betriebes mit hoher Leistung. In
jedem Falle wurde gemäß der nachstehenden Erläuterung gefunden,
daß eine Vorbehandlung gemäß der Erfindung während einer ausreichenden
Zeitdauer wirksam ist, um den praktischen Betrieb von einem
Tag zum anderen und die Ausgleichung der Belastungsänderung an Wochenenden
zu gestatten.
Es folgen nachstehend einige Vergleichsbeispiele und Beispiele
zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung.
Es wurde ein Brennstab geprüft, welcher zuvor einem Reaktor
mit einem Abbrand von etwa 9000 bis 12000 Megawatt-Tagen pro Tonne entnommen
war. Während der letzten Monate dieser Bestrahlung lag die Spitzenleistung
in diesem Brennstoffstab bei weniger als etwa 33 kW/m. Dieser
Brennstab wurde in einen Versuchsreaktor eingesetzt und dessen
Leistung wurde schnell von etwa 33 kW/m auf etwa 46 kW/m gesteigert.
An dem Brennstab ergab sich ein Defekt durch Wechselwirkung zwischen
Tablette und Hüllrohr.
Es wurden fünf Brennstäbe mit einer ähnlichen Vorgeschichte
des Betriebs wie der Brennstab nach Vergleichsbeispiel a gemäß der
Darstellung in Fig. 5 geprüft, indem die Leistung in den Brennstäben
von etwa 33 kW/m in einer Folge von Schritten mit etwa 6,6 kW/m
mit Halteperioden von 10 Stunden zwischen den einzelnen Schritten
gesteigert wurde. Alle Brennstäbe fielen vor dem Erreichen einer
Leistung von etwa 53 kW/m aus.
Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebes ähnlich
dem Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurde gemäß der Abbildung
in Fig. 6 geprüft, wobei die Leistung in dem Stab von etwa 33 kW/m
in einer Folge von Schritten von jeweils 3,3 kW/m mit Halteperioden
von 5 Stunden zwischen den einzelnen Schritten gesteigert wurde.
Dieser Brennstab fiel vor dem Erreichen einer Leistung von etwa 53
kW/m aus.
Zwei Brennstäbe mit ähnlicher Vorgeschichte des Betriebes wie
der Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurden gemäß der Darstellung
in Fig. 7 dadurch geprüft, daß die Leistung in den Brennstäben
von etwa 19,6 kW/m in einer Reihe von Schritten von jeweils 0,41
kW/m mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten gesteigert
wurde. Auch diese Brennstäbe wurden defekt.
Fünf Brennstäbe mit einer ähnlichen Vorgeschichte des Betriebes
wie der Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurden gemäß der
Darstellung in Fig. 8 wie folgt geprüft:
In einem Brennstab F-1 wurde die Leistung mit einer Geschwindigkeit
von etwa 53 kW/m/h auf ein Leistungsniveau von etwa 26 kW/m
gesteigert. Die Leistung in dem Brennstab wurde dann weiter in einer
Folge von Schritten von 0,26 kW/m mit Halteperioden von einer Stunde
zwischen den Schritten auf ein Leistungsniveau von etwa 51 kW/m gesteigert.
In Brennstäben F-2, F-3 und F-4 wurde die Leistung mit einer
Geschwindigkeit von etwa 53 kW/m/h auf ein Leistungsniveau von etwa
23 kW/m gesteigert. Die Leistung in dem Brennstab wurde dann in einer
Folge von Schritten von etwa 0,26 kW/m mit Halteperioden von einer
Stunde zwischen den Schritten auf ein Leistungsniveau von etwa
53,1 kW/m für den Stab F-2, etwa 51 kW/m für den Stab F-3 und etwa
44,3 kW/m für den Stab F-4 gesteigert.
In einem Brennstab F-5 wurde die Leistung auf etwa 19,6 kW/m
mit einer Geschwindigkeit von etwa 53 kW/m/h gesteigert. Die Leistung
wurde dann mit der Geschwindigkeit von etwa 0,26 kW/m/h in
Schritten von einer Stunde auf ein Leistungsniveau von etwa 31,7
kW/m gesteigert.
Nach den vorstehenden Versuchen wurden diese fünf Brennstäbe
F-1 bis F-5 gründlich untersucht. An keinem der Brennstäbe war ein
Ausfalleffekt aufgetreten, und sie zeigten auch keine Anzeichen für
einen bevorstehenden Defekt.
Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebs ähnlich
dem Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurde im Leistungsbereich
zwischen etwa 22,9 kW/m bis etwa 53 kW/m dadurch geprüft, daß die
Leistung in einer Folge von Schritten von jeweils etwa 0,3 kW/m mit
Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten erhöht wurde.
Bei einer anschließenden Untersuchung zeigte der Bennstab keine
Anzeichen für einen Defekt.
Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebes ähnlich
dem Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurde gemäß der Darstellung
in Fig. 9 in seiner Leistung von etwa 23 kW/m auf etwa 53 kW/m in
einer Reihe von Schritten von jeweils etwa 0,3 kW/m mit Halteperioden
von einer Stunde zwischen den Schritten gesteigert. Die Leistung
in diesem Brennstab wurde dann mit relativ großer Geschwindigkeit
und mit Halteperioden zyklisch verringert und gesteigert, wie dies
im wesentlichen in der Fig. 9 dargestellt ist. Die anschließende
Untersuchung dieses Brennstabes ergab keine Anzeichen für einen Defekt.
Durch diese Untersuchung wurde die Fähigkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens erwiesen, den Brennstoff für anschließende starke
und schnelle Leistungsänderungen vorzubehandeln, wie sie beispielsweise
für eine Anpassung an Laständerungen erforderlich sein kann.
Mehrere Brennstäbe mit ähnlichen Vorgeschichten des Betriebes
wie der Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurden gemäß der Abbildung
in Fig. 10 untersucht. Hierzu wurden die Stäbe zunächst nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbehandelt und danach die Leistung
in den Brennstäben mit relativ großer Geschwindigkeit zyklisch
verringert und gesteigert, wobei verschiedene Haltezeiten an
den einzelnen Leistungswerten verwendet wurden, einschließlich Haltezeiten
von bis zu 480 Stunden. An keinem dieser Stäbe trat ein Defekt
auf. Diese Untersuchung zeigte, daß die Vorbehandlung des
Brennstoffes mindestens während einer Dauer von 480 Stunden bei Betrieb
mit niedriger Leistung anhält und diese Zeitdauer ist mehr als
ausreichend, um beispielsweise der Nachführung gemäß der Belastung
während eines langen Wochenendes mit Feiertagen oder ähnlichen Betriebszuständen
gerecht zu werden.
Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Verfahren in seiner Anwendung
auf Brennstäbe mit einem Durchmesser der Brennstofftabletten
in der Größenordnung von etwa 1,25 cm beschrieben. Die Erfindung
ist jedoch in gleicher Weise anwendbar auf Brennstäbe mit anderem
Durchmesser. Da bei einer vorgegebenen Brennstableistung)
und einem vorgegebenen Belastungszustand des Brennstoffes
die Kriechgeschwindigkeit des Brennstoffes im wesentlichen
umgekehrt proportional zum Quadrat des Durchmessers der Brennstofftabletten
ist, ist die Vorbehandlungsgeschwindigkeit (ausgedrückt in
der Steigerungsgeschwindigkeit der Brennstoffleistung
ebenfalls umgekehrt proportional dem Quadrat des Durchmessers
der Brennstofftabletten. Ebenso ist die Vorbehandlungsgeschwindigkeit
direkt proportional dem Belastungsniveau und damit dem Verhältnis
der Dicke des Hüllrohres zu seinem Durchmesser. Daher kann
die Vorbehandlungsgeschwindigkeit wie folgt verallgemeinert angegeben
werden:
Hierin bedeuten:
C r die Vorbehandlungsgeschwindigkeit für einen Brennstab mit
dem Durchmesser der Brennstofftabletten D und der Hüllrohrwanddicke T,C₁die bekannte Vorbehandlungsgeschwindigkeit für einen bekannten
Brennstab, der Brennstofftabletten mit bekanntem Durchmesser
D₁ enthält,
D₁der Durchmesser der Brennstofftabletten des bekannten Brennstabes,
Dder Durchmesser der Brennstofftabletten des zu berechnenden
Brennstabes,
T₁die Dicke des Hüllrohres des bekannten Brennstabes,
Tdie Dicke des Hüllrohres des zu berechnenden Brennstabes.
Wie vorstehend gezeigt, beträgt die maximale Vorbehandlungsgeschwindigkeit
für einen Brennstab mit einer Dicke des Hüllrohres von
T₁ = 0,81 mm und mit Brennstofftabletten mit einem Durchmesser von
D₁ = 12,5 mm etwa 0,31 kW/m/h und die kritische Geschwindigkeit
(welche wahrscheinlich einen Defekt des Hüllrohres bewirken wird)
ist etwa 0,41 kW/m/h. Daher beträgt die maximale oder zulässige Vorbehandlungsgeschwindigkeit
C -k für einen Brennstab mit einer Hüllrohrdicke
T und mit Brennstofftabletten des Durchmessers D:
Wenn beispielsweise der Durchmesser der Tablette halbiert wird
und das Hüllrohr die gleiche Dicke behält, dann wird die zulässige
Vorbehandlungsgeschwindigkeit auf das Achtfache vergrößert. Wenn
die Hüllrohrdicke ebenfalls halbiert wird, dann wird die zulässige
Vorbehandlungsgeschwindigkeit nur um das Vierfache vergrößert.
Es ist zu beachten, daß der Beginn der Wechselwirkung zwischen
Tablette und Hüllrohr (welcher wie vorstehend erwähnt für
Brennstofftabletten mit einem Durchmesser von etwa 1,25 cm und einer
Dicke des Hüllrohres von etwa 0,081 cm in dem Leistungsbereich zwischen
etwa 20 und 33 kW/m auftritt), im wesentlichen unabhängig von
dem Durchmesser der Brennstofftablette und der Dicke des Hüllrohres
ist.
Claims (5)
1. Verfahren zum Vorbehandeln von Brennstäben in einem Reaktorkern,
wobei die Brennstäbe in langgestreckten Hüllrohren aus einer Zirkoniumlegierung zylinderförmige Tabletten aus oxidischem
Kernbrennstoff
enthalten, bei dem die von dem Brennstoff erzeugte Leistung
bis zu einem gewählten maximalen Leistungsniveau gesteigert
wird, damit die sich ausdehnenden Tabletten Kräfte auf die Rohrinnenwand
ausüben, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steigerung der erzeugten Leistung mit einer Geschwindigkeit erfolgt,
die zur Vermeidung von Schäden an den Brennstabrohren unterhalb
einer kritischen Geschwindigkeit
C k = Cx (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm)liegt, wobeiC= 0,41 k/W/m/h,D= Durchmesser der Tabletten in Zentimetern,T= Dicke des Hüllrohres in Zentimetern bedeuten.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Steigerung der Leistung bis zu dem gewählten maximalen Leistungsniveau mit
einer Geschwindigkeit erfolgt, die nicht größer ist als etwa
0,33 kW/m/h × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm)worin D und T die in
Anspruch 1 genannten Bedeutungen haben.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistungssteigerung bis zu dem gewählten maximalen Leistungsniveau
mit einer Geschwindigkeit
C × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm),erfolgt, wobei D und T die in Anspruch 1 genannten Bedeutungen haben
und C im Bereich von 0,26 bis 0,33 kW/mh liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistungssteigerung bis zu dem gewählten maximalen Leistungsniveau
als eine Reihe stufenförmiger Leistungssteigerungen, deren
mittlere Steigerungsgeschwindigkeit unterhalb der kritischen Geschwindigkeit
bleibt, ausgeführt werden, wobei jede Stufe nicht
größer ist als
1,6 kW/m × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm),wobei D und T die in Anspruch 1 genannten Bedeutungen haben.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Leistungssteigerung bis zu dem gewählten maximalen Leistungsniveau
als eine Reihe stufenförmiger Leistungserhöhungen ausgeführt
werden, wobei jede Stufe nicht größer ist als
0,33 kW/m × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm),und zwischen den einzelnen stufenweisen Erhöhungen ein Zeitraum von
nicht weniger als 1 Stunde liegt, wobei D und T die in Anspruch 1
genannten Bedeutungen haben.
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
US46029874A | 1974-04-12 | 1974-04-12 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
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