DE2259569A1

DE2259569A1 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2259569A1
Application number: DE2259569A
Authority: DE
Inventors: Leonard Nathan Grossman; Harry Albert Levin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-12-08
Filing date: 1972-12-06
Publication date: 1973-06-14
Also published as: SE403207B; IT971611B; CA973644A; ES409209A1; NL7216756A; BE792373A; CH551678A; JPS4880992A; JPS5516280B2; DE2259569B2; US3899392A; FR2162408B1; DE2259569C3; GB1370707A; FR2162408A1

Description

6 Frankfurt/MaInI
Ntddastr. 52

5. Dezember 1972 Dr.HS./es.

2261-24-NF-03724

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Kernbrennstoffelement

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Verbesserung an Kernbrennstoffelementen für die Verwendung im Core von Kernspaltungsreaktoren, und sie bezieht sich im besonderen auf verbesserte Kernbrennstoffelemente, die eine Legierung besitzen, deren wesentliche Komponenten aus Nickel, Titan und Zirkon bestehen, und die in dem Füllraum des Brennstoffelementes angeordnet ist und mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen reagieren kann.

Zur Zeit werden Kernreaktoren geplant, gebaut und betrieben, in denen der Kernbrennstoff in Brennstoffelementen enthalten ist, die verschiedene geometrische Formen, wie z.B. Platten, Röhren oder Stäbe besitzen können. Das Brennstoffmaterial ist gewöhnlich

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in einem korrosionsfesten, nicht reaktionsfähigen, wärmeleitenden Behälter oder Umhüllung eingeschlossen. Die Elemente sind zusammen in einem Gitter mit festen Abständen voneinander in einem Kühlmitteldurchflußkanal oder -bereich angeordnet und bilden eine Brennstoffanordnung, und hinreichend viele Brennstoffanordnungen sind kombiniert, um die Gesamtanordnung für die Kernspaltungskettenreaktion oder das Reaktorcore zu bilden, das einer selbsterhalt enden Kettenspaltungsreaktion fähig ist. Das Core wiederum ist in einem Reaktorgefäß eingeschlossen, durch das ein Kühlmittel geleitet wird.

Die Umhüllung dient zwei primären Zwecken: erstens soll sie Kontakt und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff einerseits und entweder dem Kühlmittel oder dem Moderator, wenn ein solcher anwesend ist, oder beiden andererseits verhindern;und zweitens soll sie verhindern, daß die radioaktiven Spaltprodukte, von denen einige Gase sind, von dem Brennstoff in das Kühlmittel oder den Moderator oder in beide freigesetzt werden. Gebräuchliche Umhüllungsmaterialien sind rostfreier Stahl, Aluminium und seine Legierungen, Zirkon und seine Legierungen, Niob (Columbium), gewisse Magnesiumlegierungen und andere. Die Beschädigung der Umhüllung aufgrund des Aufbauens eines Gasdruckes oder aus anderen Gründen kann das Kühlmittel oder den Moderator und die damit verbundenen Systeme mit radioaktiven langlebigen Produkten bis zu einem Grad kontaminieren, der den Betrieb der Anlage beeinträchtigt.

Bei der Herstellung und im Betrieb von Kernbrennstoffelementen, in denen gewisse Metalle und Legierungen als Umhüllungsmaterial verwendet worden sind, sind aufgrund der Reaktionsfähigkeit dieser Materialien unter gewissen Umständen Probleme aufgetreten. Zirkon und seine Legierungen sind unter normalen Umständen hervorragende Materialien für eine Kernbrennstoffumhüllung, da sie geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen und bei Tempe-

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raturen unterhalb etwa 316°C (600°F) extrem stabil sind und nicht reaktionsfähig in Anwesenheit von demineralisiertem Wasser oder Dampf sind, die gewöhnlich als Reaktorkühlmittel und Moderatoren verwendet werden. Innerhalb der Begrenzungen eines abgedichteten Brennstoffstabes kann sich das Wasserstoffgas, das durch die langsame Reaktion zwischen der Umhüllung und dem Restwasser erzeugt wird, jedoch bis zu Niveaus aufbauen, die unter gewissen Bedingungen zu einer lokalisierten Hydrierung der Legierung mit gleichzeitiger Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Umhüllung führen. Umgekehrt wird auch die Umhüllung von derartigen Gasen, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffmonoxyd und Kohlendioxyd, bei allen Temperaturen angegriffen.

Die Zirkonumhüllung eines Kernbrennstoffelementes ist dem Einfluß eines oder mehrerer der oben genannten Gase während der Bestrahlung in einem Kernreaktor trotz der Tatsache ausgesetzt, daß diese Gase in dem Reaktorkühlmittel oder dem Moderator eventuell nicht aiwesend sind und weiterhin so weit wie möglich von der Umgebungsatmosphäre während der Herstellung der Umhüllung und des Brennstoffelementes ausgeschlossen sein können. Gesinterte hochschmelzende und keramische Zusammensetzungen, wie z.B. Urandioxyd und andere als Kernbrennstoff verwendete Zusammensetzungen, setzen meßbare Mengen der oben erwähnten Gase bei Erhitzung frei, wie z.B. während der Brennstoffelementherstellung und insbesondere während der Bestrahlung. Besondere hochschmelzende und keramische Zusammensetzungen, wie z.B. Urandioxydpulver und andere als Kernbrennstoff verwendete Pulver, sind bekannt dafür, daß sie sogar größere Mengen der oben angegebenen Gase während der Bestrahlung freisetzen. Diese Gase reagieren mit der Zirkonumhüllung, die den Kernbrennstoff enthält. Diese Reaktion kann zu deV Versprödung der Umhüllung führen, was die Gesamtheit des Brennstoffelementes gefährdet. Obgleich Wasser und Wasserdampf nicht direkt reagieren können, um dieses Ergebnis zu liefern, reagiert Wasserdampf bei hohen Temperaturen mit Zirkon und Zirkonlegierungen, um Wasserstoff zu erzeugen, und dieses Gas reagiert weiter lokal mit

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dem Zirkon und den Zirkonlegierungen, um· Versprödung zu erzeugen. Diese unerwünschten Ergebnisse werden durch das Freisetzen dieser Restgase in dem abgedichteten metallumhüllten Brennstoffelement verstärkt, da es den Innendruck in dem Element erhöht und auf diese Weise Spannungen in Gegenwart von korrosiven Bedingungen einführt, die bei der ursprünglichen Planung des Umhüllungsrohres nicht vorgesehen waren.

Unter dem Gesichtspunkt des vorstehend Gesagten wurde es als wünschenswert gefunden, Wasser, Wasserdampf und andere Gase zu minimalisieren, die reaktionsfähig auf die Umhüllung innerhalb des Inneren der Umhüllung während der Zeit wirken, die der Kernbrennstoff im Betrieb von Kernkraftanlagen verwendet wird. Ein derartiger Versuch war, Materialien zu finden, die schnell mit dem Wasser, dem Wasserdampf und anderen Gasen chemisch reagieren, um diese Gase aus dem Inneren der Umhüllung zu eliminieren, und diese Materialien werden Getter genannt, obgleich verschiedene Getter für Wasser und Wasserdampf gefunden worden sind, wie z.B. das Zirkon-Titan-Getter, das in dem US-Patent Nr. 2 926 981 beschrieben worden ist, ist es wünschenswert geblieben, ein Getter zu entwickeln, das gleiche oder sogar höhere Reaktionsgeschwindigkeit mit feuchten Dämpfen und Gasen besitzt und die Eigenschaft aufweist, vernachlässigbar wenig Wasserstoffgas während der Reaktion mit Wasserdampf bzw. feuchten Dämpfen zu erzeugen.

Ein Getter in Form einer Legierung, die schnell stöchiometrisch mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen reagiert, ist entwickelt worden und wird in der deutschen Patentanmeldung P 21 44 192.9 beschrieben. Diese Patentanmeldung wurde von der gleichen Anmelderin wie die vorliegende Patentanmeldung eingereicht, und wird durch diese Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen. Die in der vorstehenden Patentanmeldung offenbarte Erfindung erstreckt sich auf Legierungen, die mit Wasser, Wasser-

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dampf und reaktionsfähigen Gasen bei Temperaturen im Bereich von etwa 200 bis etwa 650 C reagieren. Die Legierungen besitzen die wesentlichen Komponenten Zirkon, Nickel und Titan und sind ins-! besondere solche Legierungen, die von etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel und von etwa 3 bis etwa 30 Gew.-% Titan enthalten, wobei Zirkon den Rest bildet.

In der gleichzeitig eingereichten Patentanmeldung "Verfahren zur Herstellung einer ternären Legierung in Teilchenform" der gleichen Anmelderin, wird ein Verfahren zur Herstellung einer Teilchenform (wie z.B. Stückchen) der ternären Legierung nach der deutschen Patentanmeldung P 21 44 192.9 beschrieben. Das Verfah- ^ ren umfaßt das Herstellen der ternären Legierung in Form eines Gußblockes durch Zusammenschmelzen der Bestandteile oder durch Anwendung von pulvermetallurgischen Verfahren. Der Gußblock wird dann in eine Teilchenform übergeführt, wie z.B„ durch maschinelle Bearbeitung, wobei die spröde Natur der Legierung ausgenutzt wird und die für die Reaktion verfügbare Oberflächengröße maximalisiert wird.

Es ist erstaunlicherweise gefunden worden, daß eine Teilchenforra einer ternären Legierung, die als wesentliche Komponenten Zirkoa, Nickel und Titan besitzt, wirksam Wasser, Wasserdampf und Gase, die in bezug auf die Umhüllung eines Kernbrennstoffeiemeates reaktionsfähig sind, bei Reaktorumgebungsteutperaturen wirksam gettern, wenn das Getter in einem gasdurchlässigen Behälter in dem Füll» raum des Kernbrennstoffelementes angeordnet ist.Diese Anordnung eines Kernbrennstoffelementes benützt die Gettereigenschaften der ternären Legierung in der Weise, daß die Lage und die gegenständliche Form der Legierung in dem Füllraum erlauben, Wasser, Wasserdampf und Gase, die bezüglich der Umhüllung reaktionsfähig sii&d, von dem Brennstoffelement zu der Legierung abzuziehen, -j@do.eh die. Legierung und die Reaktionsprodukte der'-Legierung ei freier •Bewegung innerhalb des Brennstoff elementeg körperlich -^hindern.. -Auf· ;

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diese Weise ist die Legierung an einer der kältesten Stellen in dem Brennstoffelement während des Betriebes angeordnet, und diese Stellung schließt im wesentlichen jegliche Umkehrung der Getterreaktion der Legierung mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen aus.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Kernbrennstoffelement zu liefern, das ein Getter besitzt, welches eine ternäre Legierung aus Zirkon, Nickel und Titan enthält und in einem Bereich niedriger Temperatur eines Kernbrennstoffelementes angeordnet ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine wirksame gegenständliche Ausführungsform eines Getters, das eine ternäre Legierung

ein aus Zirkon, Nickel und Titan enthält, tür/ Kernbrennstoffelement in einer Form, die für eine schnelle Reaktion mit Wasser, Wasserdampf und reaktionsfähigen Gasen geeignet ist, zu liefern.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von metallisch umhüllten Kernbrennstoffelementen zu schaffen, die ein Getter aus einer ternären Legierung enthalten, das in dem Brennstoffelement zum wirksamen Schutz des Brennstoffelementes angeordnet ist.

Es ist ferner Gegenstand der Erfindung, ein Kernbrennstoffelement mit einem Getter aus einer ternären Legierung zu liefern, in der feuchte Dämpfe bzw. Wasserdampf und reaktionsfähige Gase in Kontakt mit dem Getter gezogen werden, um die Reaktion mit dem Getter voranzutreiben, was zur Bildung fester unschädlicher Reaktionsprodukte führt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kernbrennstoffelement zu liefern, das ein Getter aus einer ternären Legierung in einer teilchenartigen Form in einer Anordnung eingelagert hat,

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die das Getter und die Reaktionsprodukte, des Getters an der freien Bewegung innerhalb des Brennstoffelementes hindert.

Noch ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist es, eine Kernbrennstoff elementanordnung zu schaffen, die ein Getter aus einer ternären Legierung enthält, welche in einem Bereich niedriger Temperatur eines Brennstoffelementes angeordnet ist.

Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Kernbrennstoffelement zu schaffen, das ein Getter aus einer ternären Legierung in teilchenartiger Form in einem gasdurchlässigen Behälter in dem Ftillraum des Brennstoffelementes besitzt, wobei der Behälter vorzugsweise innerhalb eines helikalen oder schraubenförmigen Gliedes in dem Füllraum angeordnet ist.

Die vorstehenden und andere Ziele und Gegenstände der Erfindung werden dem Fachmann durch das Lesen der folgenden Beschreibung und der angefügten Patentansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offenbar.

Fig. 1 zeigt eine teilweise Schnittansicht einer Kernbrennstoffanordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute Kernbrennstoffelemente enthält, wobei ein Element in teilweiser Schnittansicht dargestellt, ist.

Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht des Füllraumabschnittes des Kernbrennstoffelementes und stellt die Lage des Getters in einem gasdurchlässigen Behälter dar, der innerhalb eines helikalen oder schraubenförmigen Gliedes in dem Füllraum angeordnet ist.

Fig. 3 zeigt den gasdurchlässigen Behälter, der das Getjber aus einer ternären Legierung in einer teilchenartigen Form enthält, teilchweise im Schnitt.

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In Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Teilansicht einer Kernbrennstoff anordnung 10 dargestellt. Diese Brennstoffenordnung besteht aus einem röhrenförmigen Durchflußkanal 11 mit quadratischem Querschnitt, der an seinem oberen Ende mit der Hebevorrichtung 12 und an seinem unteren mit einem Ansatzstück (welches nicht dargestellt ist, da der untere Abschnitt der Anordnung 10 fortgelassen ist) versehen ist. Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Ansatzstückes ist mit Kühlmitteldurchflußöffnungen versehen. Eine Anordnung von Brennstoffelementen 14 ist im Kanal 11 eingeschlossen und wird darin mittels einer oberen Endplatte 15 und einer unteren Endplatte (die nicht dargestellt ist, weil der untere Abschnitt fortgelassen ist) gehalten. Das flüssige Kühlmittel tritt gewöhnlich durch die Öffnungen in dem unteren Ende des Ansatzstückes ein, strömt um die Brennstoffelemente 14 nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 in teilweise verdampftem Zustand im Falle von Siedereaktoren oder in einem unverdampften Zustand im Falle von Druckreaktoren bei erhöhten Temperaturen aus.

In Fig. 2 ist zusätzlich zu Fig. 1 ein Kernbrennstoffelement oder -stab 14* in teilweiser Schnittansicht dargestellt, das gemäß der technischen Lehre der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Das Brennstoffelement enthält Brennstoffmaterial 16, welches hier als eine Vielzahl von Brennstofftabletten oder -teilchen aus spaltbarem und/oder brütbarem Material dargestellt ist, die in einer Stützumhüllung oder einem Behälter 17 angeordnet sind. In einigen Fällen können die Brennstofftabletten von verschiedenartigen Gestalten sein; in anderen Fällen können verschiedene Brennstoff ormen, wie z.B. teilchenförmiger Brennstoff, verwendet werden. Die gegenständliche Form des Brennstoffes, ist für diese Erfindung unwesentlich. Verschiedene Kernbrennstoffmaterialien, einschließlich Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Mischungen derselben, können verwendet werden. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxyd oder eine Mischung, die

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Urandioxyd und Plutoniumdioxyd enthält. Der Behälter ist an seinen Enden durch Endstopfen 18 dicht verschlossen, die Stutzen 19 besitzen können, um die Halterung der Brennstoffstäbe in der Anordnung zu erleichtern. Ein leerer Raum oder Füllraum 20 ist an einem Ende des Brennstoffelementes vorgesehen, um longitudinale Ausdehnung des Brennstoffmaterials und Ansammlung von Gasen, die aus dem Brennstoffmaterial freigesetzt werden, zu erlauben. Ein helikales oder schraubenförmiges Glied 21 ist in dem Raum 20 angeordnet, um eine innere Stütze für den Teil der Umhüllung 17 zu liefern, der den Raum 20 umgibt und der nicht auf andere Art gegen den äußeren Druck von den Moderator-Kühlraittel-Fluiden gestützt ist. Das schraubenförmige Glied dient ebenfalls zum Aufrechthalten der Lage des Brennstoffes während der Handhabung und des Transportes der Brennstoffelemente. Die Umhüllung 17 ist an den Endstopfen 18 durch umlaufende Schweißung/22 befestigt.

Das Brennstoffelement ist ausgelegt, um hervorragenden thermischen Kontakt zwischen der Brennstoffumhüllung und dem Brennstoffmaterial, ein Minimum an parasitärer Neutronenabsorption und Widerstand gegen Biegen und Schwingen, was gelegentlich durch den Fluß des Kühlmittels bei hohen Geschwindigkeiten hervorgerufen wird, zu liefern.

Aus den Figuren 2 und 3 ist ersichtlich, daß innerhalb des spiralförmigen Gliedes 21 in dem Füllraum 20 ein hohler, gasdurchlässiger Behälter 23 angeordnet ist, vorzugsweise ein metallischer Behälter, wie z.B. ein Behälter aus rostfreiem Stahl, der eine Vielzahl von Öffnungen besitzt, die den in den Füllraum eintretenden Gasen und Flüssigkeiten den Eintritt in den Behälter gestatten. Im Behälter 23 ist ein Getter aus einer ternären Legierung angeordnet, die vorzugsweise in Teilchenform vorliegt, um di© Oberflächengröße pro Gewichtseinheit des Getters, die für die Reaktion mit den in den Behälter 23 eintretenden Gasen und Flüssigkeiten zur Verfügung steht, zu maximalisierea.

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Der Behälter 23 liegt vorzugsweise in der Form eines rechtwinkeligen kreisrunden Zylinders vor, obgleich eine beliebige andere Konfiguration für den Behälter ebenfalls geeignet ist. Der Behälter ist vorzugsweise aus einem Drahtgittermaterial mit etwa 400 bis etwa 32 Maschen (mesh) hergestellt und der Behälter wird durch Schweißen, Löten oder eine andere Art des Verbindens von Streifen aus dem Drahtgittermaterial zu der gewünschten Konfiguration zusammengebaut. Eine wirksame Menge des Getters wird in den Behälter gegeben, wobei ein Ende offen ist und ein Ende verschlossen ist. Vorzugsweise werden etwa 4 Hh 1 g Getter in einem Brennstoffstab verwendet, der etwa 5 kg gesintertes Kernbrennstoffmaterial enthält. Größere Gettermengen werden bei pulverförmigen Brennstoffstäben und bei Brennstoffstäben, von denen angenommen wird, daß sie große Mengen zu entfernender Gase enthalten, verwendet.

Das in dem Kernbrennstoffelement gemäß der Erfindung verwendete Getter und seine Eigenschaften werden nun im Detail beschrieben.

Es ist gefunden worden, daß ein geeignetes Material zur Regelung der Feuchtigkeit und anderer reaktionsfähiger Gase durch chemisches Binden mit derartigen gasförmigen Materialien, welches hier ein "Getter" genannt wird, eine Kombination von Eigenschaften besitzen sollte. Eine wünschenswerte Eigenschaft ist die Minimalisierung von jeglichem freien Wasserstoff nach der chemischen Reaktion des Getters mit Wasser, um durch Hydrierung entstandene Schäden an der mit dem Getter verbundenen Umhüllung zu verhindern. Daher sollte das Getter angenähert stöchiometrisch mit dem Wasser und Wasserdampf (beides wird hier Wasser genannt) reagieren, und zwar in einer derartigen Weise, daß sich eine vom Nettoergebnis her betrachtet, vernachlässigbare Quelle an Wasserstoff aus der Reaktion ergibt. Das Getter sollte ebenfalls schnell mit dem Wasser bei der Temperatur reagieren, die in dem System, in dem das Getter verwendet wird, vorherrscht und die in dem Bereich, von etwa 200 bis etwa 650°C für eine bevorzugte Anwendung des Getters

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liegen würde. Das Getter sollte ebenfalls einen geringen Neutronenabsorptionsquerschnitt besitzen und billig herzustellen sein. Vorzugsweise sollte das Getter ebenfalls die Eigenschaft besitzen, mit Wasserstoff und anderen reaktionsfähigen Gasen, wie z.B. Kohlenstoff monoxyd, Kohlenstoffdioxyd, Sauerstoff und Stickstoff, und wasserstoffhaltigen Verbindungen, wie z.B. Kohlenwasserstoffen zu reagieren.

Die im vorstehenden aufgezählten Eigenschaften finden sich in einer Klasse von Legierungen, die als wesentliche Komponenten Zirkon, Nickel und Titan besitzen, insbesondere in den Legierungen, die von etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel, von etwa 3 bis etwa 30 Gew.-% Titan enthalten, wobei Zirkon den Rest bildet. Die Legierungen können als Legierungen auf Zirkonbasis eingeordnet werden, und die oben angegebenen Zusammensetzungsbereiche liefern Legierungen mit wenigstens etwa 0,5 Vol.-% einer intermetallischen nickelhaltigen Phase. Repräsentativ für die intermetallischen nickelhaltigen Phasen in der Legierung sind typischerweise NiZr- und Ni(O,9Zr, O,lTi)„. Die Legierungen besitzen ein metallisches Aussehen, und metallographische Prüfung zeigt, daß die Legierungen mittelfeinkörnig sind und eine mittlere Korngröße von etwa 10 Mikron besitzen.

Besonders bevorzugte Zusammensetzungen der ternären Legierungen gemäß dieser Erfindung sind die folgenden:

(a) 10 Gew.-% Titan, 5 Gew.-% Nickel und als Rest Zirkon,

(b) 11 Gew.-% Titan, 4 Gew.-% Nickel und als Rest Zirkon und

(c) 11 Gew.-% Titan, 12 Gew.-% Nickel und als Rest Zirkon.

Der Verunreinigungsgehalt der Legierungen ist nicht kritisch für die Entwicklung der vorstehend genannten Gettereigenschaften, und wesentliche Mengen an Verunreinigungen können in den hergestellten

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Legierungen solange eingeschlossen sein, wie die Oberfläche der Legierungen die ternäre Zirkon-Nickel-Titan-Beschaffenheit aufweist, die der Reaktion wirksam ausgesetzt ist. In der Praxis wurde gefunden, daß Sauerstoffgehalte bis herauf zu einigen tausend Teilen pro Million in den Legierungen tolerierbar sind. Stickstoffgehalte von bis zu etwa 750 Teilen pro Million sind tolerierbar und sogar wünschenswert bei der Verwendung der Legierungen als Feuchtigkeitsgetter. Die anderen in den ternären Legierungen dieser Erfindung gefundenen Verunreinigungen, die die Anwendung der Legierungen als Getter nicht beeinträchtigen, schließen Wasserstoff und Kohlenstoff ein. In der Legierung gefundene metallische Verunreinigungen, die die Verwendung der Legierungen als Getter nicht behindern, sind Hafnium in Mengen bis zu etwa 10 000 Teilen pro Million, Eisen in Mengen von bis zu etwa 1100 Teilen pro Hillion, e e0 und Chrom in Mengen bis zu etwa 1000 Teilen pro Million. Die Tatsache, daß der Verunreinigungsgehalt der Legierungen für die Verwendung der Legierungen als Feuchtigkeitsgetter nicht kritisch ist, ermöglicht die Herstellung der Legierung aus niedriggradigen Komponenten von Nickel, Titan und Zirkon mit Verunreinigungsgehalten. Ein Beispiel wäre die Verwendung von unreinem Zirkon, das aus einer Zirkonherstellungseinrichtung erhältlich ist, mit dem Kostenvorteil gegenüber hoch gereinigtem Zirkon. Die Verwendung der Legierungen dieser Erfindung bei nuklearen Anwendungen kann die Kontrolle auf Verunreinigungen mit hohem Neutronenabsorptionsquerschnitt in den Legierungen notwendig machen.

Die oben angeführten Legierungen besitzen die Eigenschaft, für lange Zeitdauern mit Wasser bei einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit über einen Temperaturbereich von etwa 200.bis etwa 65O°C zu reagieren, ohne passiv zu werden. Eine gemessene Reaktionsgeschwindigkeit mit Wasserdampf bei etwa 15 Torr betrug etwa 1 bis etwa 2 Mikrogramm pro cm Oberflächengröße p.ro Minute bei etwa 300°C. Die Langzeitreaktionsdaten mit Wasser wurden durch Erhitzen der

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in Kontakt mit Wasserdampf stehenden Legierungsproben erhalten, und die Legierung zeigte keine Passivität-während Zeitdauern, die größer als 30 Stunden waren. Während der Reaktion mit Wasser erlauben die Legierungen im wesentlichen kein Freiwerden von Wasserstoff für Gewichtszunahmen bis zu etwa 6 % des anfänglichen Gettergewichtes, so daß eine Umhüllung, die in Verbindung mit den oben angegebenen Gettern verwendet wird, im wesentlichen keinem Wasserstoff ausgesetzt sein würde, wodurch Bildung metallischer Hydride, die im Ende zu Beschädigung der metallischen Materialien führen,, ausgeschlossen wird. Dieses minimale Freisetzen von Wasserstoff während der Reaktion der Legierungen mit Wasser zeigt eine im wesentlichen stöchiometrische Reaktion der Legierungen mit Wasser an. Forschungen zeigen, daß die in dieser Erfindung verwendeten Legierungen leicht mit Wasserstoff über einen Temperaturbereich von etwa 200 bis etwa 650°C reagieren, so daß die in dieser Erfindung verwendeten Legierungen wirksame Wasserstoffgetter sind. Die Legierungen reagieren ebenfalls mit wasserstoffhaltigen Verbindungen, wie z.B. einigen Kohlenwasserstoffen„ und mit anderen Gasen, wie z.B. Stickstoff, Kohlenstoffdioxyd, Kohlenstoffmonoxyd und Sauerstoff. Da die Legierungen Legierungen auf Zirkonbasis sind, besitzen sie einen niedrigen Neutronenquerschnitt, der für die Verwendung in nuklearen Anwendungen erforderlich ist, wenn die Verunreinigungen mit hohem Neutronenquerschnitt minimalisiert worden sind. Die Legierungen können leicht in Formen mit hoher Oberflächengröße hergestellt werden.

Für den Fachmann versteht es sich, daß verschiedene Modifikationen und Abwandlungen in der oben beschriebenen Erfindung gemacht werden können. Es ist dementsprechend beabsichtigt, daß die Erfindung in der breitesten Art ausgelegt wird, die in dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der angefügten Patentansprüche ausgedrückt ist.

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Claims

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Patentansprüche

Kernbrennstoffelement, gekennzeichnet durch

einen länglichen Behälter (17),

einen Körper aus Kernbrennstoffmaterial (16), der innerhalb des Behälters (17) angeordnet ist und diesen teilweise füllt und einen inneren Raum (20) freiläßt,

einen Endverschluß (18), der vollständig an dem Behälter (17). befestigt ist und jeweils das Ende des Behälters (17) abdichtet ,

ein helikales oder schraubenförmiges Glied (21), das in dem Raum (20) angeordnet ist,

einen hohlen, gasdurchlässigen Behälter (23), der innerhalb des Raumes (20) angeordnet ist, und

eine Vielzahl von Teilchen einer ternären Legierung, die als wesentliche Komponenten Zirkon, Nickel und Titan enthält und in dem gasdurchlässigen Behälter (23) angeordnet ist.
2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hnet, daß der hohle, gasdurchlässige Behälter (23) innerhalb des schraubenförmigen Gliedes (21) in dem Raum (20) angeordnet ist.
3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß die ternäre Legierung etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa 3 bis etwa 30 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.

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Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die teraäre Legierung etwa
4 Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält .
5. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ternär© Legierung etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa il Gew_o-% Titan und als Rest Zirkon enthält.
6. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ternäre Legierung etwa 5 Gew.-% Nickel, etwa IO Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.
7. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der metallische Behälter (23) und das schraubenförmige Glied (21) aus rostfreiem Stahl bestehen.
8. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der längliche Behälter (17) aus einem Metall, ausgewählt aus der Klasse aus Zirkon, Zirkon· legierungen, rostfreiem Stahl, Aluminium, AluminiumlegieruKigen, Niob, Nioblegierungen und Magnesiumlegierungen, besteht.
9. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Kernbrennstoffmaterial (16) aus der Gruppe aus Uranverbindungen, Plutoniumverbindwa·

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ungen
gen, Thoriumverbind/ und Mischungen derselben ausgewählt

ist.
10. Kernbrennstoffelement nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet , daß das Kernbrennstoffmaterial (16) aus Urandioxyd besteht.
11. Kernbrennstoffelement nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet , daß das Kernbrennstoffmaterial (16) eine Mischung ist, die Urandioxyd und Plutoniumdioxyd enthält.
12. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelementes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umhüllungsbehälter teilweise mit Kernbrennstoffmaterial gefüllt wird und an einem Ende,das offen ist, ein Raum freigelassen wird, daß ein helikales oder schraubenförmiges Glied in diesen Raum eingesetzt wird, daß ferner eine Vielzahl von Teilchen einer ternären Legierung, deren wesentliche Komponenten Zirkon, Titan und Nickel sind, in einen hohlen, gasdurchlässigen Behälter gebracht werden, daß dieser hohle, gasdurchlässige Behälter in den freien Raum eingesetzt wird, daß ein Endverschluß an dem Ende des Umhüllungsbehälters angebracht wird, der den freien Raum mit dem Kernbrennstoff in Verbindung beläßt, und daß dann das Ende des Umhüllungsbehälters mit dem Endverschluß verbunden wird, um eine feste Abdichtung zwischen beicL-en herzustellen, wobei die ternäre Legierung den reaktionsfähigen Gasen, die innerhalb des Umhü1lungsbehälters freigesetzt werden, ausgesetzt ist.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der hohle, gasdurchlässige Behälter in das schraubenförmige Glied eingesetzt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ternäre Legierung etwa 3 bis etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa 3 bis etwa 30 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält. ■
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet , daß die ternäre Legierung etwa 4 Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die ternäre Legierung etwa 12 Gew.-% Nickel, etwa 11 Gew.-% Titan und als Rest Zirkon enthält.
17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die ternäre Legierung etwa 10 Gew.-% Titan, 5 Gew.-% Nickel und als Rest Zirkon enthält.
18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus Metall besteht und in das schraubenförmige Glied eingesetzt wirö_o

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