PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69403725T2 30.04.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0621605
Titel Kernbrennstab mit Mitteln zur Versagenseinschränkung
Anmelder Studsvik Nuclear AB, Nyköping, SE
Erfinder Mogard, Hilding, S-181 65 Lidingö, SE
Vertreter Dr. Weber, Dipl.-Phys. Seiffert, Dr. Lieke, 65189 Wiesbaden
DE-Aktenzeichen 69403725
Vertragsstaaten DE, FR, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 22.04.1994
EP-Aktenzeichen 948500624
EP-Offenlegungsdatum 26.10.1994
EP date of grant 11.06.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.04.1998
IPC-Hauptklasse G21C 3/18
IPC-Nebenklasse G21C 9/02   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Kernbrennelemente mit Hüllrohren von Zirkoniumlegierungen für die Verwendung in energieerzeugenden wassergekühlten Kernreaktoren. Die Erfindung erstreckt sich auch auf Kernreaktoren, die solche Kernbrennelemente enthalten.

Gelegentliches Auftreten eines Brennhüllendefektes, wie Reibverschleißfehler, traten in Leichtwasserreaktoren auf. Solchen Primärfehlern folgen manchmal Sekundärfehler, die häufig wesentlich größere Aktivitätsfreisetzung verursachen.

Die Gründe der Brennmaterialfehler in Leichtwasserreaktoren variieren, doch sind Fehler vom Reibverschleißtyp vorherrschend, insbesondere jene, die durch verschiedene Typen lockerer Gegenstände, Bruchstücke, die unabsichtlich in dem Primärkühlmittelsystem auftreten, verursacht werden. Ungeachtet der Gründe der Primärfehler folgen diesen manchmal Sekundärfehler, die erheblich größere Aktivitätsfreisetzung verursachen können als der ursprüngliche Primärfehler. In solchen Fällen scheint die anschließende Zerstörung der defekten Brennelemente durch die Bildung spröder Hydridblasen in dem Hüllenmaterial ein üblicher Zerstörungsmechanismus zu sein. Die Bildung solcher Hydride führt zu einem üblichen Typ von Sekundärfehlern, welcher typischerweise zum Auftreten ständig zunehmender Freisetzung von Radioaktivität in dem Kühlmittel führt. Bei längerem Arbeiten defekter Brennelemente neigt das eingeschlossene Wasser oder der eingeschlossene Wasserdampf dazu, das Hüllenmaterial kontinuierlich gleichmäßig sowie an örtlichen Flecken zu hydrieren, während gleichzeitig die Brennpellets oxidiert werden und quellen. Als ein Ergebnis hiervon bauen sich in der Hüllenwand Zugkräfte auf, die in seltenen Fällen so wirken, daß sie lange sich axial erstreckende Risse in der Hülle einleiten und nach und nach fortschreiten lassen. Eine solche spröde Rißbildung, die als "verzögertes Wasserstoffreißen" bekannt ist, kann untolerierbares Freisetzen von Radioaktivität aus dem defekten Brennelement ergeben. Gelegentlich werden Brennpellets erodiert und können sich in dem primären Wasserkühlmittelsystem ausbreitende Brennstoffteilchen jahrelang als radioaktive Quellen bestehen bleiben.

Die vorliegende Erfindung hat zur Hauptaufgabe, Sekundärfehler infolge Hydridblasenbildung oder Hüllenlängsrissen aufgrund des Auftretens eines Brennstoffhüllendefektes einzuschränken oder wenigstens wesentlich zu vermindern.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Kernbrennelement zu bekommen, bei dem Freisetzung von Radioaktivität bei einem Brennstoffhüllendefekt wesentlich vermindert wird.

Noch ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Kernbrennelement zu erhalten, das ein thermische Neutronen absorbierendes Material enthält, welches beim Eintritt von Wasser durch einen Brennstoffhüllendefekt eine Verminderung von Spaltenergieerzeugung bewirkt, wodurch längerer Betrieb des Brennelementes erfolgen kann.

Für diese und andere Zwecke, die aus der folgenden Beschreibung klar werden, besteht die Erfindung aus einem Kernbrennelement für die Verwendung in energieerzeugen den, wassergekühlten Reaktoren mit einem runden Metallhüllrohr, das zylindrische Brennstoffpellets enthält, die einen energieerzeugenden oder Brennstoffabschnitt des Elementes begrenzen, wobei dieses Element einen thermischen Neutronen absorbierenden Körper in einem festen Zustand enthält, der in dem Element und außerhalb des energleerzeugenden Abschnittes positioniert ist. Dieser Neutronen absorbierende Körper ist zugänglich für Wasser, das in das Innere des Hüllrohres durch einen Hüllendefekt eintritt, und ist in der Lage, sich bei Berührung mit dem Wasser aufzulösen, zu verdampfen oder zu zersetzen und dabei zu dem Brennstoffabschnitt des Elementes zu wandern, was zu einer reduzierten Energieerzeugung in dem Element führt.

Der Neutronen absorbierende Körper in einem festen Zustand soll, um seine erwünschte Neutronen absorbierende Funktion auszuüben, ein Neutronen absorbierendes Element oder eine Verbindung eines solchen Elementes enthalten. Unter geeigneten Elementen können Bor, Cadmium, Gadolinium und Hafnium erwähnt werden. Es ist besonders bevorzugt, Oxide solcher Elemente zu verwenden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Neutronen absorbierende Körper aus Boroxid, B&sub2;O&sub3;, oder enthält dieses. Ein solches Material erwies sich für den beabsichtigten Zweck infolge seines hygroskopischen Charakters als besonders geeignet, wodurch es leicht mit Wasser unter Bildung von Borsäure reagiert.

Die Struktur des Neutronen absorbierenden Kärpers in einem festen Zustand kann von einem homogenen festen Körper, der von dem Neutronen absorbierenden Material gebildet wird, abweichen, kann aber auch eine Struktur untereinander verbundener oder offener Porosität, wie eine schaumartige oder schwammartige Struktur haben, die das Auflösen, Verdampfen oder Zersetzen erleichtert, wenn sie mit Wasser in Berührung kommt, das in das Innere des Brennelementes eindringt. So kann der Körper entweder einstückig oder aus unregelmäßigen kleineren Körpern aufgebaut sein.

Der Platz oder die Position des Neutronen absorbierenden Körpers in dem Hüllrohr ist insoweit kritisch, als er bzw. sie an der Grenze oder Außenseite des energieerzeugenden Abschnittes des Brennelemente liegen muß, um nicht den normalen Betrieb des Kemreaktor infolge seiner Neutronen absorbierenden Kapazität nachteilig zu stören. Der Neutronen absorbierende Körper kann an einem Ende des Brennelementes angeordnet sein, wie innerhalb eines Plenumraumes, doch kann er auch in zwei getrennte Teile unterteilt sein, ein Teil an jedem Ende des Brennelementes.

Es ist besonders bevorzugt, das Prinzip der vorliegenden Erfindung auf Metallhüllrohre anzuwenden, die im Inneren mit einer im wesentlichen zylindrischen Innenoberfläche mit mehreren Längsrippen, die sich axial erstreckende Kanäle bilden, ausgebildet ist. Besonders bevorzugt sind Brennelemente des in der GB-A-1 454 618 und der EP-0 261 092 beschriebe nen Typs. Für Einzelheiten, die solche Hüllrohre mit Innenrippen betreffen, wird auf den Inhalt dieser Beschreibungen Bezug genommen. Das Vorhandensein von Längsrippen auf der Innenseite des Hüllrohres erleichtert stark die Verteilung des Neutronen absorbierenden Materials, das in Wasser enthalten ist, welches durch einen Brennstoffhüllendefekt in das Hüllrohr eingedrungen ist.

Diese Rippen sind zweckmäßig gleichmäßig über die Innenseite des Hüllrohres verteilt. Das Füllstoffgas umfaßt vorzugsweise Helium.

Die Erfindung deckt auch energieerzeugende, wassergekühlte Kernreaktoren ab, die Kernbrennelemente enthalten, wie sie oben beschrieben sind.

Die Erfindung wird nun weiter durch ein nichtbeschränkendes Beispiel unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, worin

Fig. 1 schematisch ein Leichtwasserreaktor-Brennelement nach der Erfindung in einem axialen Querschnitt zeigt und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Schnittes entlang der Linie A-A in Fig. 1 ist.

Das Brennelement, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, stimmt mit Ausnahme der Rippen auf der Innenoberfläche des Hüllrohres mit einem herkömmlichen Leichtwasserreaktor-Brennelement überein. Das in der Zeichnung gezeigte Brennelement hat ein Hüllrohr 1 von kreiszylindrischer Gestaltung und ist mit Endstopfen 4, 8 versehen. Diese Endstopfen sind mit axial vorspringenden Stiften 6 bzw. 10 versehen, die den Zweck haben, das Brennelement in einer fixierten Position in dem Reaktor zu halten, welche in herkömmlicher Weise geeignet ist. Das Hüllrohr 1 besteht in üblicher Weise aus einer Zirkoniumlegierung, allgemein Zirkalloy, wie auch die beiden Endstopfen 4 und 8. Das Hüllrohr kann bevorzugt auch mit einer Innen- oder Außenschicht anderer Typen von Zirkoniumlegierungen als Zirkalloy versehen sein.

Das Hüllrohr 1 enthält gesinterte Pellets 3, die auf genaue Durchmesserdimensionen rundgeschliffen werden, wobei der Pelletdurchmesser je nach der tatsächlichen Gestalt in der Größenordnung von 8 bis 12 mm liegt. Die Brennstoffpellet-Säulenhöhe ist recht beachtlich, gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 4 m.

Das Rohr 1 paßt um die Pellets 3 mit einem gewissen Ringspaltspiel bei kalter Anordnung, welches für einen sicheren Betrieb des Elementes erforderlich ist.

Gemäß Fig. 1 ist ein Plenumraum 14 für die Aufnahme freigesetzter Spaltgase und den Zugang von Inertgas angeordnet. Außerdem ist eine auf die Pelletsäule einwirkende Spiralfeder 12 in diesem Plenumraum 14 angeordnet. Die Spiralfeder 12 dient hauptsächlich dazu, die Brennstoffpellets 3 während des Transportes und der Handhabung des Brennelementes an ihrer Stelle zu halten. Plenumräume können auch an beiden Enden des Brennelementes angeordnet sein. Als ein Inertgas kann ein Edelgas, wie Hehum oder Argon, oder ein Gemisch hiervon verwendet werden.

Der in Fig. 2 gezeigte Querschnitt erläutert die Längsrippen 9, die sich entlang der Innenseite des Hüllrohres 1 erstrecken.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist ein Neutronen absorbierender Körper 16 im Inneren des Plenumraumes 14, d.h. außerhalb des energieerzeugenden Abschnittes des Brennelementes, angeordnet. Der Grund für die Plazierung des Neutronen absorbierenden Körpers 16 außerhalb der Brennstoffpelletsäule ist natürlich der, unerwünschte Störung des normalen Betriebes des Elementes zu vermeiden, wenn dieses in einem Kemreaktor angeordnet ist. Bei der nun beschriebenen Ausführungsform besteht der Neutronen absorbierende Körper 16 aus Boroxid, B&sub2;O&sub3;. Obwohl nicht in der Zeichnung gezeigt, ist es bevorzugt, daß der Körper 16 eine Struktur von untereinander verbundener Porosität, d.h. ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wie eine schwammartige oder schaumartige Struktur hat, um die Eindringung von Wasser zu erleichtern, das durch Brennstoffhüllendefekt eindringt.

Wie bereits angegeben, ist Bor ein bevorzugtes Neutronen absorbierendes Element, das besonders in der Form eines Oxids, wie B&sub2;O&sub3;, vorliegt. Es wird allgemein angenommen, daß viele nichtflüchtige Oxide in Gegenwart von Wasserdampf mehr oder weniger flüchtig werden und im allgemeinen die Flüchtigkeit bei steigender Temperatur und steigendem Dampfdruck zunimmt. Oftmals werden Hydroxylgruppen enthaltende Moleküle gebildet, und es ist seit langem bekannt, daß B&sub2;O&sub3; zusammen mit Wasserdampf verdampft. Dies schließt die Bildung hauptsächlich von BO(OH) nach der Gleichung ein: B&sub2;O&sub3; (fest) + H&sub2;O (gasförmig) T2BO (OH) (gasförmig), doch auch B(OH)&sub3; (gasförmig). Wenn das borhaltige Gas schließlich die sehr heißen (etwa 1000 ºC) Oberflächen des Inneren der Pelletsäule erreicht, wird er sich zersetzen und kontinuierlich als B&sub2;O&sub3; (fest) ausfallen.

Vor diesem Hintergrund ist Boroxid als ein Neutronen absorbierendes Material in den Kernbrennelementen nach der vorliegenden Erfindung bevorzugt.

Die unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschriebene Ausführungsform arbeitet im Betrieb kurz folgendermaßen.

Es wird unterstellt, daß das in der Zeichnung gezeigte Brennelement einen Brennstoffhüllendefekt erhält, der zu einer Durchdringung des Hüllrohres 1 führt. Durch einen solchen Defekt tritt Wasser in das Innere des Brennelementes 1 ein und erreicht schließlich das obere Ende des Elementes, wo es in Berührung mit dem Neutronen absorbierenden Körper 16 gelangt. Infolge der chemischen Reaktivität und Hygroskopizität des in dem Körper 16 enthaltenen Boroxids lösen sich oder verdampfen die Bor enthaltenden Reaktionsprodukte oder machen beides und sind in dem Wasser in dem Inneren des Hüllrohres 1 enthalten und wandern allmählich durch das Element bzw. die sich axial erstreckenden Kanäle 9 zu allen Stellen in dem Element. Im Hinblick auf diese Wanderung borhaltiger Substanzen wird die Kernspaltung vermindert, was zu verminderter Energieerzeugung führt. Dies bedeutet, daß die mögliche Bildung von Hydridblasen und langen Axialrissen in der Hülle vermindert wird, so daß die radioaktive Kontaminierung des Reaktorsystems tolerierbar bleibt und nicht ein Zurückfahren der Reaktorstärke verlangt werden muß. Längere Betriebszyklen mit defektem Brennstoff sind daher durchführbar, als dies sonst ohne Neutronen absorbierenden Körper in dem Brennelement der Fall wäre.

Die inneren Längsrippen auf der Innenseite des Hüllrohres 1 erleichtern die Wanderung der Borreaktionsprodukte wesentlich und sind daher bevorzugt.

Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform derselben beschrieben wurde, liegt es für den Fachmann auf der Hand, daß Abwandlungen der gezeigten Ausführungsform vorgenommen werden können. So können die sich längs erstreckenden Rippen auf der Innenseite des Hüllrohres 1, obwohl sie bevorzugt sind, unnötig sein, und die Brennelementgestaltung kann auch in anderer Hinsicht modifiziert werden. Alle solche innerhalb des Erfindungsgedankens der beigefügten Ansprüche eingeschlossenen Modifikationen sollen durch die vorliegende Erfindung abgedeckt sein.


Anspruch[de]

1. Kernbrennelement für die Verwendung in energieerzeugenden, wassergekühlten Kernreaktoren mit einem runden Hüllrohr auf Zirkoniumbasis, das einen energieerzeugenden oder Brennstoffabschnitt des Elementes begrenzende zylindrische Brennstoffpellets und ein inertes Füllstoffgas enthält, gekennzeichnet durch einen thermische Neutronen absorbierenden Körper in einem festen Zustand, der in dem Hüllrohr und außerhalb des Brennstoffabschnittes angeordnet ist, aber für Wasser, das in das Innere des Hüllrohres durch einen Hüllendefekt eindringt, zugänglich ist und sich bei Berührung mit diesem Wasser auflösen, verdampfen oder zersetzen kann und dabei zu anderen Teilen einschließlich des Brennstoffabschnittes des Inneren des Elementes wandert.

2. Kernbrennelement nach Anspruch 1, bei dem der Neutronen absorbierende Körper ein Material umfaßt, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Oxiden von Bor, Cadmium, Gadolinium und Hafnium besteht.

3. Kernbrennelement nach Anspruch 2, bei dem der Neutronen absorbierende Körper B&sub2;O&sub3; umfaßt.

4. Kernbrennelement nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der Neutronen absorbierende Körper ein großes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, wie eine schwammartige oder schaumartige Struktur hat, um eine Verdampfung, ein Auflösen oder eine Zersetzung desselben zu erleichtern.

5. Kernbrennelement nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem der Neutronen absorbierende Körper an einem Ende oder an beiden Enden in dem Element angeordnet ist.

6. Kernbrennelement nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Metallhüllrohr im Inneren mit einer im wesentlichen zylindrischen Innenoberfläche ausgebildet ist, die mehrere sich längs erstreckende Rippen hat, die sich axial erstreckende Kanäle bilden.

7. Kernbrennelement nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem ein Plenumraum an wenigstens einem Ende des Elementes angeordnet ist, um den Neutronen absorbierenden Körper und freigesetzte Spaltungsgase aufzunehmen.

8. Kernbrennelement nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Rippen gleichmäßig über die Innenseite des Hüllrohres verteilt sind.

9. Kernbrennelement nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem das Füllstoffgas Helium umfaßt.

10. Energleerzeugonder, wassergekühlter Kernreaktor, der Kernbrennelemente nach einem der vorausgehenden Ansprüche enthält.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com