DE2549970C2

DE2549970C2 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE2549970C2
Application number: DE2549970A
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Fremont Calif. Cowan II; John Harris San Jose Calif. Davies; Gerald Myron Gordon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-11-11
Filing date: 1975-11-07
Publication date: 1984-04-19
Also published as: SE419484B; IT1048658B; BE835480A; ES440476A1; GB1525608A; MX3682E; FR2290735B1; JPS5169792A; BR7507464A; JPS5625995B2; SE7511580L; FR2290735A1; DE2549970A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement, im wesentlichen bestehend aus einem zentralen Kern eines Körpers aus Kernbrennstoffmaterial aus Verbindungen des Urans, Plutoniums, Thoriums oder deren Gemischen und einem länglichen, behälterartigen, zusammengesetzten Mantel aus Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen, auf dessen innerer Oberfläche eine Kupferschicht aufgebracht ist. Ein derartiges Kernurennstoffelement ist aus der FR-PS 15 11 075 bekannt.

Der Mantel des Kernbrennstoffelementes dient vorzugsweise folgenden Zwecken: Erstens sollen Berührungen und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff und dem diesen umgebenden Kühlmittel und/oder Moderator verhindert werden; zweitens soll verhindert werden, daß radioaktive Spaltprodukte, von denen einige Gase sind, aus dem Brennstoff in das Kühlmittel und/oder den Moderator freigesetzt werden. Denn Fehler des Mantels, d. h. ein Undichtwerden, können das Kühlmittel oder den Moderator und die angeschlossenen Systeme mit radioaktiven langlebigen Produkten in einem Ausmaß kontaminieren, das den Betrieb der Anlage stört.

Zirkonium und seine Legierungen stellen unter normalen Bedingungen ein ausgezeichnetes Material für Kernbrennstoffmäntel dar, da sie geringe Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen und bei Temperaturen unterhalb etwa 400°C in Gegenwart von entmineralisiertem Wasser oder Dampf, die üblicherweise als Reaktorkühlmittel und -moderatoren verwendet werden, fest, zäh, extern stabil und nicht-reaktiv sind.

Beim Betrieb der Kernbrennstoffelemente kann nun eine Rißbildung des Mantels infolge seiner Versprödung durch die kombinierten Einwirkungen des Kernbrennstoffs, des Mantels und der Spaltprodukte aufeinander aufgetreten. Es wurde festgestellt, daß sich diese Risse durch lokalisierte mechanische Beanspruchungen infolge unterschiedlicher Expansion des Brennstoffmantels verstärken (Beanspruchungen des Mantels beschränken sich örtlich auf Risse im Kernbrennstoff). Zudem werden beim Betrieb des Kernreaktors korrosive Spaltprodukte gebildet und aus dem Kernbrennstoff freigesetzt, die am Schnittpunkt der Brennstoffrisse mit der Mantelfläche vorliegen. Die lokalisierten Beanspruchungen werden durch die hohe Reibung zwischen dem Brennstoff und dem Mantel verstärkt

Außerdem kann innerhalb eines verschlossenen Kernbrennstoffelements gasförmiger Wasserstoff durch langsame Umsetzung zwischen dem Man*.el und restlichem Wasser im Mantel gebildet werden und sich in einem, Maß anreichern, das unter bestimmten Umständen zu einer örtlichen Hydrierung des Mantels mit ίο gleichzeitiger lokaler Zerstörung der mechanischen Eigenschaften des Mantels führen kann. Der Mantel wird ferner durch Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, in einem weiten Temperaturbereich nachteilig beeinflußt.

Der Zirkoniummantel eines Kernbrennstoffelementes ist während des Einsatzes in einem Kernreaktor einem oder mehreren der vorstehend angeführten Gase und Spaltprodukte auch dann ausgesetzt, wenn diese Gase und Spaltprodukte ursprünglich nicht im Reaktorkühlmittel oder -moderator vorliegen und ferner bei der Herstellung des Mantels und des Kernbrennstoffelementes soweit als möglich aus der umgebenden Atmosphäre ausgeschlossen wurden. Denn gesinterte hochschmelzende und keramische Massen, wie Urandioxid und andere Zusammensetzungen, die als Kernbrennstoff verwendet werden, setzen beim Betrieb meßbare Mengen der vorstehend angeführten Gase und Spaltprodul.te frei. Diese freigesetzten Gase können mit dem Zirkoniummantel reagieren, der den Kernbrennstoff enthält.

Davon ausgehend ist es erwünscht, den Angriff von Wasser, Wasserdampf und anderen Gasen, insbesondere Wasserstoff, die mit dem Mantel vom Inneren des Kernbrennstoffelements her reagieren auf den Mantel während der gesamten Zeit zu vermindern, die das Kernbrennstoffelement beim Betrieb der Kernkraftanlagen verwendet wird.

Bei dem aus der FR-PS 15 11 075 bekannten Kernbrennstoffelement befinden sich jedoch zwischen dem zentralen Kern eines Körpers aus Kernbrennstoffmaterial und der äußeren Mantelschicht aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung zwei Schichten, und zwar eine aus Kupfer und eine aus Graphit. Diese beiden Schichten können nach der Lehre der FR-PS sowohl auf die innere Oberfläche des Mantels als auch auf den Kernbrennstoff aufgebracht werden.

Über die Reinheit der Materialien der beiden Zwischenschichten ist der FR-PS nichts zu entnehmen.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Kernbrennstoffelement der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß nur eine Schutzschicht erforderlich ist und diese Schutzschicht darüber hinaus so ausgebildet ist, daß sie während des Betriebes des Elementes in einem Kernreaktor keine nachteiligen Wirkungen erfährt oder verursacht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich zwischen der Kupferschicht und dem Kernbrennstoffmaterial keine weitere Schicht befindet und daß die Kupferschicht weniger als 1 Gew.-% an Verunreinigungen enthält.

Nur dadurch, daß sich zwischen der Kupferschutzschicht und dem Kernbrennstoffmaterial nicht noch eine Graphitschicht befindet, kann die Kupferschutzschicht als bevorzugter Reaktionsort für Umsetzungen

b5 mit flüchtigen Verunreinigungen oder Spaltprodukten im Inneren des Kernbrennstoffelementes dienen. Auf diese Weise werden diese flüchtigen Verunreinigungen beseitigt und können nicht zur Ausbildung eines zu ho-

hen Druckes innerhalb des Elementes führen.

Hinzu kommt, daß das Kupfer für die Schutzschicht, das weniger als 1 Gew.-°/o an Verunreinigungen enthält, nicht den nachteiligen Wirkungen einer Strahlungshärtung ausgesetzt ist, so daß die Schutzschicht duktil bleibt und daher Spannungen in dein Element nicht in dem Maße auftreten können, wie es bei einer Schutzschicht aus Kupfer der Fall ist, das einen weniger ausgeprägten Reinheitsgrad aufweist

Und schließlich sorgt der geringe Anteil an Verunreinigungen üafür, daß der Neutronenhaushalt des Kernbrennstoffelementes nicht nachteilig beeinflußt wird.

Der zusammengesetzte Mantel für die Kernbrennstoffelemente gemäß der Erfindung kann nach einem der folgenden Verfahren hergestellt werden:

Nach einem Verfahren wird Kupfer auf ein Substrat aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung derart elektroplattiert, daß die Kupferschicht gleichmäßig auf dem Substrat aufliegt Ein typisches Elektroplattierungsverfahren wird folgendermaßen durchgeführt:

Die das Substrat bildende Zirkoniumlegierung wird zuerst dadurch aktiviert, daß man sie einer Lösung der folgenden Zusammensetzung aussetzt; NH₄F · HF (15 g/l), H₂SO₄ (0,95 g/l), Rest Wasser in einer für einen Liter ausreichenden Menge. In die vorstehend beschriebene Lösung wird ein Stück Zirkonium oder Zirkoniumlegierung mit einer Oberfläche von 129 cm² 10 Minuten lang eingetaucht. Danach wird Kupfer elektroplattiert, indem man übliche Säureplattierungstechniken anwendet. Der zusammengesetzte Mantel wird danach im Vakuum bei etwa 150 bis 200⁰C 3 bis 4 Stunden lang zur Entfernung von Wasserstoff entgast, der während des Plattierungsverfahrens eingeschlossen wurde. Physikalische Tests, wie ein plastisches Verbiegen des zusammengesetzten Mantels um einen bestimmten Radius, zeigen, daß die plattierte Kupferschicht fest an das Substrat gebunden ist.

Bei einem anderen Verfahren folgt auf die vorstehend beschriebene Elektroplattierung eine Diffusionsverbindung, um die Kupferschicht an das Zirkoniumlegierungssubstrat metallurgisch zu binden, indem man eine Diffusionsschicht erzeugt. Metallographische Analysen zeigen, daß diese Diffusionsschich·. bei der empfohlenen Diffusionsverbindungsbehandlung etwa 1 bis 5 μιη stark ist. Empfohlene Diffusionsverbindungsbehandlungen sind: die Kupferschicht wird etwa 2 bis 3 Stunden lang bei etwa 600⁰C gehalten.

Bei einem anderen Verfahren wird die Kupferschicht durch Elektroplattieren auf das Substrat aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung aufgetragen, wobei eine gleichmäßige Kupferschicht auf dem Substrat erhalten wird; danach wird der zusammengesetzte Mantel einem Verfahren mit üblicher Kaltbearbeitung des Rohrs unterworfen, um es zur gewünschten Größe zu verkleinern. Es zeigte sich, daß dieses Verfahren eine starke metallurgische Bindung ergibt.

Bei einem weiteren Verfahren, wird ein Einsatzrohr aus Kupfer in einen hohlen Extrusionsbarren aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung eingesetzt und durch Diffusion mit dem Extrusionsbarren verbunden. Der zusammengesetzte Barren wird danach zu einem Rohrrohling extrudiert. Dieser Rohling besteht aus einem äußeren konzentrischen Zylinder aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung mit einer inneren konzentrischen Auskleidung aus Kupfer, das metallurgisch mit dem Zirkonium h/w. der Zirkoniumlegierung verbunden wurde; der Rohling wird einer üblichen Rohrverkleinerung unterworfen und es wird ein zusammengesetzter Mantel mit der gewünschten Geometrie und den gewünschten Dimensionen hergestellt

Bei einem weiteren Verfahren wird ein hohles Rohr aus Kupfer in einen extrudierten Rohrrohling aus Zirkoniumlegierung eingesetzt Dieser hohle Rohr soll eine gleichmäßige Wandstärke besitzen; die Einheit aus Rohrrohling und hohlem Rohr wird danach zur Herstellung des zusammengesetzten Mantels verkleinert Bei dem resultierenden zusammengesetzten Mantel ist die

to Kupferschicht metallurgisch mit dem Zirkonium- bzw. Zirkoniumlegierungssubstrat verbunden. Das Rohrverkleinerungsverfahren kann Glühbehandlungen bei verschiedenen Stufen des Verfahrens vorsehen.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffeinheit, die erfindungsgemäß ausgebildete Kernbrennstoffelemente enthält und

Fig.2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Kernbrennstoffelementesgemäß Fig. 1.

In Fi g. I ist eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffeinheit 10 dargestellt. Diese Kernbrennstoffeinheit 10 besteht aus einem rohrförmigen Durchlaufkanal 11 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, wobei der Kanal an seinem oberen Ende mit einem Hebebügel 12 und an seinem unteren Ende mit einem nicht-dargestellten Nasenstück versehen ist. Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen, und das untere Ende des Nasenstücks ist mit Öffnungen für den Kühlmitteldurchlauf versehen. Eine Reihe von Kernbrennstoff elementen

14 ist im Kanal 11 eingeschlossen und durch eine Platte

15 am oberen Ende und eine nicht-dargestellte Platte am unteren Ende getragen. Das flüssige Kühlmittel tritt üblicherweise durch die Öffnungen am unteren Ende des Nasenstücks ein, fließt rings um die Kernbrennstoffelemente 14 nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 bei Siedereaktoren in zum Teil verdampftem Zustand und bei Druckreaktoren in unverdampftem Zustand mit erhöhter Temperatur aus.

Die Kernbrennstoffelemente 14 sind an ihren Enden mit Stopfen 18 verschlossen, die an den Mantel 17 angeschweißt sind und Bolzen 19 umfassen können, um das Befestigen der Kernbrennstoffelemente in der Einheit zu erleichtern. Es ist ein leerer Raum 20 am einen Ende des Elementes 14 vorgesehen, damit eine Längsausdehnung des Kernbrennsloffmaterials und eine Ansammlung von Gasen möglich ist, die aus dem Kernbrennstoffmaterial freigesetzt werden. Es ist ein Kernbrennstoffmaterial-Rückhalteelement 24 im Raum 20 angeordnet, um die axiale Bewegung der Pelletsäule, insbesondere beim Handhaben und Transportieren des Brennstoffelements, einzuschränken.

Das Kernbrennstoffelement ist so ausgebildet, daß ein ausgezeichneter thermischer Kontakt zwischen dem Mantel und dem Kernbrennstoffmaterial, ein Minimum an schädlicher Neutronenabsorption und Beständigkeit gegen Verbiegen und Vibration erzielt werden, die gelegentlich durch die Strömung des Kühlmittels bei hoher Geschwindigkeit verursacht werden.

Ein Kernbrennstoffelement 14 ist in Fig. 1 in Teilschnittansicht dargestellt. Das Kernbrennstoffelement 14 umfaßt einen zentralen Kern aus Kernbrennstoffmaterial 16. das hier durch mehrere Kernbrennstoffpellets eines spaltbaren und/oder Brutmaterial dargestellt ist,

to die in dem Mantel 17 angeordnet sind. In einigen Fällen können die Brennstoffpellets verschiedene Formen besitzen, wie zylindrische Pellets oder Kugeln, und in anderen Fällen können verschiedene Brennstofformen,

wie feinteiliger Brennstoff, verwendet werden. Die physikalische Form des Brennstoffs ist für die Erfindung nicht wesentlich. Als Kernbrennstoffmaterialien dienen Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und deren Gemische. Einen bevorzugten Brennstoff stellen Urandioxid oder Gemische dar, die Urandioxid und Plutoniumdioxid enthalten.

Nach F i g. 2 ist das Kernbrennstoffmaterial 16, das den zentralen Kern des Kernbrennstoffelementes 14 bildet, von einem zusammengesetzten Mantel 17 umgeben. Der zusammengesetzte Mantel 17 weist ein Substrat 21 auf, das aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung besteht. Mit der inneren Oberfläche des Substrats 21 ist eine Kupferschicht 22 verbunden, so daß die Kupferschicht 22 einen Schulz zwischen dem Substrat OI linA Xam ^arfikrannrtnfUnlarinl 1£ k^M^t Ant- In

~a UI(U UbIIl llblllUlblllidLVIIIllUlVIIUI · \J k/.IV4\.l, UU^ III dem zusammengesetzten Mantel 17 gehalten wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kupferschicht 22 eine Stärke von etwa 0,0025 bis etwa 0,05 mm. Die Kupferschicht dient als bevorzugter Reaktionsort für gasförmige Verunreinigungen und Spaltprodukte und wirkt als Schutz, um den Mantel vor einer Berührung und einer Reaktion mit derartigen Verunreinigungen und Spaltprodukten zu schützen.

Die Reinheit des Kupfers der Kupferschicht ist ein wesentliches Merkmal und verleiht der Kupferschicht spezielle Eigenschaften. Im allgemeinen enthält die Kupferschicht weniger als 1 Gew.-% Verunreinigungen und vorzugsweise weniger als 1000 ppm. Dabei wird das Boräquivalent vom nuklearen Standpunkt aus auf einem Wert von weniger als 40 ppm gehalten.

Bei dem zusammengesetzten Mantel des Kernbrennstoffelements ist die Kupferschicht fest an das Substrat gebunden. Wenn der zusammengesetzte Mantel allein durch Elektroplattieren hergestellt wird, erhält man eine starke physikalische Bindung. Bei Tests zur Abtrennung der Kupferschicht vom Substrat waren hohe Scherkräfte bzw. beträchtliche plastische Deformationen des Substrats erforderlich. Zum Beispiel kann der elektroplattierte Überzug mit einem Radius verbogen werden, daß eine 15- bis 20%ige permanente Dehnung im Substrat auftritt, ohne daß die elektropiattierte Kupferschicht reißt. Wenn der zusammengesetzte Mantel durch Diffusionsverbinden nach dem Elektroplattieren, durch Rohrverkleinerung nach dem Elektroplattieren, durch Koextrusion mit anschließender Rohrverkleinerung oder durch Rohrverkleinerung allein hergestellt wird, erhält man eine starke metallurgische Bindung.

Es ist bekannt, daß reines Kupfer gegen die nachteiligen Wirkungen einer Strahlungshärtung und Zerstörung unter den Bedingungen, die in Kernspaltreaktoren angetroffen werden, z. B. bei Temperaturen von etwa 260 bis etwa 400⁰C, widerstandsfähiger als Zirkonium und Zirkoniumlegierungen ist. So ist reines Kupfer un ter den genannten Bedingungen besser geeignet, einer plastischen Deformation ohne mechanische Zerstörung zu widerstehen als Zirkonium und Zirkoniumlegierungen. Reines Kupfer kann sich plastisch bei vorübergehenden durch Pellets hervorgerufenen Beanspruchungen deformieren und die durch Pellets hervorgerufenen Beanspruchungen herabsetzen. Ferner bricht reines Kupfer nicht mechanisch und schützt außerdem auf diese Weise das Zirkoniumlegierungssubstrat vor der nachteiligen Einwirkung der Spaltprodukte. Durch Pellets hervorgerufene Beanspruchungen und Belastungen des Kernbrennstoffelements können z. B. durch Anschwellen der Pellets des Kernbrennstoffs bei Reaktorbetriebsbedingungen hervorgerufen werden, so daß die Pellets mit dem Mantel in Berührung kommen.

Es wurde ferner festgestellt, daß eine Kupferschicht einer Stärke von etwa 0,0025 bis etwa 0,05 mm Beanspruchungen herabsetzt und eine chemische Beständigkeit mit sich bringt, die Fehler im Substratbereich des Mantels verhindert Der Bereich der Kupferschicht schafft eine bemerkenswerte chemische Beständigkeit gegenüber Spaltprodukten und Gasen, die im Kernbrennstoffelement vorhanden sein können, und hindert diese Spaltprodukte und Gase daran, mit dem Substratbereich des zusammengesetzten Mantels in Berührung zu kommen, der durch die Kupferschicht geschützt ist.

Es wurde ferner festgestellt, daß der zusammengesetzte Mantel die Lokalisierung von Beanspruchungen und Belastungen im Mantel vermindert. Ohne einen zusammengesetzten Mantel reagiert die Zirkoniumlegierung mit dem UO2-Brennstoff unter Bildung von Zirkoniumdioxid auf der inneren Mantelfläche. Bei den üblichen Mantelinnentemperaturen und in Gegenwart von Strahlung kann dieses Zirkoniumdioxid in den UO2-Brennstoff sintern, wodurch der Brennstoff an den Mantel gebunden wird. Bei Leistungsveränderungen des Kernbrennstoffelementes kann diese Bindung zu starken lokalisierten Beanspruchungen und Spannungen im Mantel an Bruchstellen des UO₂ führen. Wenn der zusammengesetzte Mantel mit der Kupferschicht versehen ist, liegt ein derartiges Sauerstoffpotential im Innern des Kernbrennstoffelements vor, daß sich kein Oxid auf dem Kupfer bilden kann, so daß es zu keinem Verbinden kommt. So setzt Kupfer, das erfindungsgemäß für die Metallschicht verwendet wird, örtliche Beanspruchungen und Spannungen im Mantel herab, indem es die Bindung des Mantels an den Kernbrennstoff vermirdert.

Es wurde ferner festgestellt, daß — da die Kupferschicht nicht oxidieren bzw. weitgehend die Oxidation der Innenflächen des Mantels gegenüber der von Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen herabsetzt — die Stöchiometrie des Kernbrennstoffmaterials stabilisiert wird. Ohne Kupferschicht würde ein Zirkonium- oder Zirkoniumlegierungsmantel mit UO₂ unter Bildung von ZrO₂ reagieren, wodurch die UO₂Stöchiometrie geändert würde. Der chemische Zustand verschiedener Spaltprodukte hängt sehr stark von der UO₂-Stöchiometrie ab. Zum Beispiel bildet bei höheren Verhältnissen von Sauerstoff zu Uran Cäsium eine Verbindung mit UO₂-Brennstoffen. Bei niedrigeren Verhältnissen von Sauerstoff zum Metall ist diese Cäsiumverbindung nicht stabil und kann zu den Bereichen der Kernbrennstoffelemente mit geringerer Temperatur wandern, nämlich den Mantelinnenflächen. Das Cäsium kann dann an die-

c#r ^tslle entweder allein oder in Kombination rnit

anderen Spaltprodukten — die Korrosion des Zirkoniums bzw. Zirkoniumlegierungsmantels fördern. Bei einem Kernbrennstoffelement mit einem unbeschichteten Zirkonium- oder Zirkoniumlegierungsmantel (selbst wenn das UO₂ ein hohes Ausgangsverhältnis von Sauerstoff zu Uran besitzt) setzt der Sauerstoff, der durch die Oxidation der Zirkoniumlegierung verbraucht wird, dieses Verhältnis herab, und das Cäsium kann an die Manteloberfläche abgegeben werden. Bei einem zusammengesetzten Mantel mit einer Kupferschicht gemäß der Erfindung bleibt das Sauerstoff/Uran-Verhältnis nahezu konstant bzw. verändert sich in geringem Ausmaß. So kann ein UO₂ irgendeiner gewünschten Zusammensetzung in dem zusammengesetzten Mantel mit der Erwartung verwendet werden, daß diese Zusammensetzung konstant bleibt oder sich im Verlauf der Zeit mit einer

vie! geringeren Geschwindigkeit als bei unbeschichtetem Zirkonium bzw. unbeschichteter Zirkoniumlegierung ändert.

Das erfindungsgemäße Kernbrennstoffelemeni stellt man her. indem man den wie oben erhaltenen zusammengesetzten Mantel, der an einem Ende offen ist, mit einem Kernbrennstoffmateriai füllt, wobei man einen Raum am offenen Ende freiläßt, ein Halteelement für das Kernbrennstoffmaterial in diesen Raum einsetzt, einen Verschluß am offenen Ende des Behälters anbringt, wobei man den freien Raum mit dem Kernbrennstoff in Verbindung läßt, und danach das Ende des behälterartigen Mantels mit dem Verschluß verbindet und zwischen ihnen eine Dichtung ausbildet.

Der zusammengesetzte Mantel des erfindungsgemäßen Kernbrennsioffeieineriteä weist eine vernachlässigbare zusätzliche Neutronenabsorption auf, so daß er sich leicht in Kernreaktoren einsetzen läßt. Zwar beste!. ' Möglichkeit, daß ein zusammengesetztes Element mit Kupfer niedrigschmelzende eutektische Phasen mit Zirkonium- oder Zirkoniumlegierungen bildet, wenn die Temperatur des zusammengesetzten Mantels auf oberhalb etwa 965⁰C erhöht wird, da bei einem angenommenen Verlust von Kühlmittel bei einem Unfall in einem mit Wasser gekühlten und moderierten Kernspaltungsreaktor die Temperatur des Brennstoffmantels 12 Minuten lang auf etwa 1205°C ansteigen kann, bevor auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Tests mit einer Kupferschicht auf einem Zirkoniumlegierungssubstrat als zusammengesetztem Mantel, bei dem der zusammengesetzte Mantel dem vorstehend beschriebenen Wärmezyklus unterworfen wurde, zeigen, daß dabei eine eutektische Reaktion eintritt. Metallographische Analysen dieser Proben nach dem Testen zeigen jedoch, daß maxima! 0,05 mm der Dicke der Zirkoniumlegierung durch die eutektische Reaktion verloren gehen.

Ein anderer Test mit dem vorstehend angesprochenen thermischen Zyklus, bei dem gleichzeitig ein Gasdruck an die Innenseite des zusammengesetzten Mantels angelegt wurde, um Spannungen im Mantel hervorzurufen, zeigte, daß ein der Verlust an Stärke des Mantels infolge der eutektischen Reaktion die Festigkeit des Mantels bei einem angenommenen Unfallzyklus mit Verlust des Kühlmittels nicht ernstlich beeinträchtigt.

Ferner hat der zusammengesetzte Mantel einen sehr kleinen Wärmeübertragungsverlust insofern, als keine thermische Schranke gegen eine Übertragung von Wärme vorliegt, wie sie resultiert, wenn separate Folien oder Auskleidungen in ein Kernbrennstoffelement eingesetzt werden. Der zusammengesetzte Mantel ist ο durch übliche, nicht zerlegende Testmethoden in verschiedenen Herstellungsstufen prüfbar.

Nachstehend wird die Erfindung durch ein Beispiel näher erläutert.

Beispiel

Es wurden zusammengesetzte Rohre hergestellt, indem man Kupfer in einer gleichmäßigen Stärke von etwa 0,01 mm auf die Innenfläche eines Zircaloy-2-Rohres mit einer Länge von etwa 50 cm elektroplattierte. Das Plattieren wurde unter Verwendung einer Aktivierungslösung mit NH₄F ■ HF : 15 g/l,

H₂SO₄ :36 η = 0,95 g/l, Rest Wasser für 1 1 vorgenommen, wonach man mit einem sauren Kupferbad aus CuSO₄ · 5 H₂O : 250 g/l, H₂SO₄ : 36 η = 70 g/l und C₂H₅OH : 10 g/l elektroplattierte. Das Rohr wurde danach bei etwa 150 bis 200⁰C 4 Stunden lang im Vakuum entgast.
Drei derartige Rohre wurden zu Kernbrennstoffelementen verarbeitet, die mit einer kleinen Menge von Palladiumjodid in Hohlräumen des UO₂-Kernstoffes versetzt wurden.

Dann setzte man die Elemente in einen Testreaktor ein; diese Elemente wurden zusammen mit Vergleichselementen bei steigender Leistung bewertet, wobei alle drei Vergleichselemente ausfielen, die sich von den erfindungsgemäßen Elementen nur dadurch unterschieden, daß sie jeweils einen Mantel aus unbeschichteten Zircaloy-2-Rohren aufwiesen. Alle drei Elemente mit zusammengesetzten Kupfer-Zircaloy-2-Mänteln überstanden die steigende Leistung.

Eine nach dem Test vorgenommene Untersuchung aller sechs Stäbe zeigte, daß die drei Vergleichselemente durch Korrosionsrisse infolge Beanspruchung ausfielen und daß die drei Elemente mit zusammengesetzten Mänteln in jeder Hinsicht einwandfrei waren.

Dieser Test zeigte, daß man mit dem zusammengesetzten Kupfer-Zircaloy-2-Mantel wirksam die Beanspruchungskorrosion bei Beanspruchungen und Spannungen verhindern kann, die bei einem eingesetzten Kernbrennstoffelement auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche.

1. Kernbrennstoff element, im wesentlichen bestehend aus einem zentralen Kern eines Körpers aus Kernbrennstoffmaterial aus Verbindungen des Urans, Plutoniums, Thoriums oder deren Gemischen und einem länglichen, behälterartigen, zusammengesetzten Mantel aus Zirkonium oder Zirkoniumlegierungen, auf dessen innerer Oberfläche eine Kupferschicht aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Kupferschicht (22) unci dem Kernbrennstoffmaterial (16) keine weitere Schicht befindet und daß die Kupferschicht (22) weniger als 1 Gew.-% an Verunreinigungen enthält

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferschiiht (22) w.iniger als 1000 ppm an Verunreinigungen enthält

3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Kernbrennstoffmaterial (16) und dem Mantel (17) ein Spalt befindet