DE2842198A1

DE2842198A1 - NUCLEAR FUEL ELEMENT

Info

Publication number: DE2842198A1
Application number: DE19782842198
Authority: DE
Inventors: Joseph Sam Armijo; Jun Louis Fussell Coffin
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1978-09-28
Publication date: 1979-04-05
Also published as: SE440962B; SE8501226D0; SE8501226L; BE870342R; ES473648A2; JPS6026992B2; DE2842198B2; JPS59187288A; IT1109520B; SE7810262L; SE9200755L; GB1569078A; IT7827891A0; JPS6362716B2; JPS5459600A; SE467462B; SE9200755D0

Description

— ρ —- ρ -

KernbrennstoffelementNuclear fuel element

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement mit (a) einem zentralen Kern eines Körpers aus Kernbrennstoffmaterialien aus Verbindungen des Urans, Plutoniums, Thoriums und deren Mischungen/ (b) einem behälterartigen, länglichen, zusammengesetzten Mantel mit einem Rohr aus einer Zirkoniumlegierung, wobei die Bestandteile außer Zirkonium in einer Menge von mehr als 5000 ppm vorliegen, und einer Sperre aus Zirkonium, die mit der Innenfläche des Substrates verbunden ist, wobei der Mantel den Kern so umschließt, daß ein Spalt zwischen beiden vorhanden ist nach Patentanmeldung p 25 50 029.2.The invention relates to a nuclear fuel element comprising (a) a central core of a body made of nuclear fuel materials from compounds of uranium, plutonium, thorium and their mixtures / (b) a container-like, elongated, composite jacket with a tube made of a zirconium alloy, wherein the components other than zirconium in an amount greater than 5000 ppm; and a barrier of zirconium attached to the inner surface of the substrate is connected, the jacket enclosing the core so that a gap is present between the two according to patent application p 25 50 029.2.

Es werden gegenwärtig Kernreaktoren entworfen, konstruiert und betrieben, bei denen der Kernbrennstoff in Brennstoffelementen enthalten ist, die verschiedene geometrische Formen besitzen können, z. B. die von Platten, Rohren oder Stäben. Das Brennstoffmaterial ist im allgemeinen von einem korrosionsbeständigen, nicht-reaktiven und wärmeleitenden Behälter oder Mantel eingeschlossen. Die Elemente sind zu einem Gitter mit festen Abständen voneinander in einem Kühlmitteldurchlaufkanal bzw. in einem Kühlmitteldurchlaufbereich vereinigt, wobei sie eine Brennstoffeinheit bilden; eine ausreichende Anzahl von Brennstoffeinheiten wird zu einer Kernspaltungskette-Reaktionseinheit bzw. einem Reaktorkern vereinigt, der von sich aus eine Spaltreaktion unterhalten kann. Der Kern ist wiederum in einem Reaktionsgefäß eingeschlossen, durch das ein Kühlmittel geleitet wird. Nuclear reactors are currently being designed, constructed and operated that utilize nuclear fuel in fuel elements is included, which can have various geometric shapes, e.g. B. that of plates, tubes or rods. The fuel material is generally enclosed in a corrosion-resistant, non-reactive, and thermally conductive container or jacket. The elements form a grid with fixed distances from one another in a coolant flow channel or in a Coolant passage areas combined to form a fuel unit; a sufficient number of fuel units is combined into a nuclear fission chain reaction unit or a reactor core, which by itself initiates a fission reaction Can entertain. The core is in turn enclosed in a reaction vessel through which a coolant is passed.

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Der Mantel dient verschiedenen Zwecken, wobei es sich bei zwei Hauptzwecken um folgendes handelt: Erstens sollen Berührungen und chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff und dem Kühlmittel oder dem Moderator (wenn ein Moderator zugegen ist) oder beiden (wenn sowohl das Kühlmittel als auch der Moderator zugegen sind) verhindert werden; zweitens soll verhindert werden, daß radioaktive Spaltprodukte, von denen einige Gase sind, aus dem Brennstoff in das Kühlmittel bzw. den Moderator bzw. in beide freigesetzt werden, wenn sowohl das Kühlmittel als auch der Moderator zugegen sind. Bei üblichen Materialien für Mantel handelt es sich beispielsweise um rostfreien Stahl, Aluminium und seine Legierungen, Zirkonium/ seine Legierungen, Niob und bestimmte Magnesiumlegierungen. 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.The coat serves several purposes, with two main purposes being as follows: First, to touch and chemical reactions between the nuclear fuel and the coolant or the moderator (if a moderator is present is) or both (if both the coolant and the moderator are present) are prevented; secondly, should be prevented that radioactive fission products, some of which are gases, from the fuel in the coolant or the Moderator or both when both the coolant and the moderator are present. With usual Materials for the jacket are, for example, stainless steel, aluminum and its alloys, zirconium / its Alloys, niobium and certain magnesium alloys. Faults in the jacket, i.e. a leak, can affect the coolant or contaminate the moderator and the connected systems with radioactive long-lived products to an extent that disrupts the operation of the system.

Es sind Probleme bei der Herstellung und beim Einsatz von Kernbrennstoffelementen, die bestimmte Metalle und Legierungen als Mantelmaterialien verwenden, infolge mechanischer oder chemischer Reaktionen dieser Mantelmaterialien unter bestimmten Umständen aufgetreten. Zirkonium/ seine Legierungen stellen unter normalen Bedingungen ausgezeichnete Kernbrennstoffmantel dar, da sie kleine Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen und bei Temperaturen unterhalb etwa ¹JOO ⁰C in Gegenwart von entmineralisiertem Wasser oder Dampf, die üblicherweise als Reaktorkühlmittel und -moderatoren verwendet werden, fest, zäh, extrem stabil und nicht-reaktiv sind.Problems have arisen in the manufacture and use of nuclear fuel elements that use certain metals and alloys as cladding materials as a result of mechanical or chemical reactions of these cladding materials under certain circumstances. Zirconium / its alloys are excellent nuclear fuel jackets under normal conditions because they have small neutron absorption cross-sections and ^{are solid, tough, extremely stable at temperatures below about 1} JOO ⁰ C in the presence of demineralized water or steam, which are commonly used as reactor coolants and moderators and are non-reactive.

Jedoch ist beim Brennstoffelementbetrieb ein Problem hinsichtlich der Rißbildung des Mantels infolge Sprödigkeit durch die kombinierten Einwirkungen des Kernbrennstoffs, des Mantels und der Spaltprodukte aufeinander aufgetreten, die während der Kernspaltreaktionen gebildet werden. Es wurde festgestellt,However, there is a problem with fuel element operation the cracking of the shell due to brittleness due to the combined effects of the nuclear fuel, the shell and the fission products formed during nuclear fission reactions. It was determined,

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daß diese Fehler von örtlichen mechanischen Beanspruchungen infolge unterschiedlicher Expansion und Reibung zwischen Brennstoff und Mantel herrühren. Es werden aufgrund der Kettenreaktion Spaltprodukte aus dem Kernbrennstoff freigesetzt und diese Spaltprodukte sind an der Mantelfläche vorhanden. Die örtlichen Beanspruchungen können in Gegenwart der spezifischen Spaltprodukte, wie Jod oder Kadmium, aufgrund solcher Erscheinungen, wie Spannungskorrosions-Rißbildung und Flüssigkeits-Metallversprödung zu Fehlern im Mantel führen.that these errors stem from local mechanical stresses as a result of different expansion and friction between the fuel and the jacket. As a result of the chain reaction, fission products are released from the nuclear fuel and these fission products are present on the jacket surface. In the presence of specific fission products such as iodine or cadmium, the local stresses can lead to defects in the jacket due to phenomena such as stress corrosion cracking and liquid-metal embrittlement.

Innerhalb der Grenzen eines verschlossenen Brennstoffelements kann gasförmiger Wasserstoff durch langsame Umsetzung zwischen dem Mantel und restlichem Wasser im Mantel gebildet werden und dieser gasförmige Wasserstoff kann sich in einem Maß anreichern, das unter bestimmten Umständen zu einer örtlichen Hydrierung des Mantels mit gleichzeitiger lokaler Zerstörung der mechanischen Eigenschaften des Mantels führen kann. Der Mantel kann ferner durch Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, in einem weiten Temperaturbereich nachteilig beeinflußt werden. Within the confines of a closed fuel element, gaseous hydrogen can be formed by slow reaction between the jacket and residual water in the jacket and this gaseous hydrogen can accumulate to an extent that, under certain circumstances, leads to local hydrogenation of the jacket with simultaneous local destruction of the mechanical properties of the coat can lead. The jacket can also be adversely affected by gases such as oxygen, nitrogen, carbon monoxide and carbon dioxide over a wide temperature range .

Der Zirkoniummantel eines Kernbrennstoffelementes ist einem oder mehreren der vorstehend angeführten Gase und Spaltprodukte während der Bestrahlung in einem Kernreaktor ausgesetzt; dies tritt trotz der Tatsache ein, daß diese Gase nicht im Reaktorkühlmittel oder -moderator vorliegen und ferner soweit wie möglich aus der umgebenden Atmosphäre bei der Herstellung des Mantels und des Brennstoffelements ausgeschlossen wurden. Gesinterte feuerfeste und keramische Massen, wie Urandioxid und andere Zusammensetzungen, die als Kernbrennstoff verwendet werden, setzen meßbare Mengen der vorstehend angeführten Gase beim Erhitzen frei, z.B. bei der Brennstoffelementherstellung; sie setzen ferner Spaltprodukte beim Bestrahlen frei. Es sind feinteilige feuerfeste und keramische Massen bekannt geworden, The zirconium cladding of a nuclear fuel element is exposed to one or more of the gases and fission products listed above during irradiation in a nuclear reactor; this occurs despite the fact that these gases are not present in the reactor coolant or moderator and, furthermore, were excluded as far as possible from the surrounding atmosphere in the manufacture of the shell and fuel element. Sintered refractory and ceramic masses, such as uranium dioxide and other compositions used as nuclear fuel, release measurable amounts of the above gases when heated, for example in fuel element manufacture; they also release fission products on irradiation. Finely divided refractory and ceramic masses have become known,

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wie Urandioxid- und andere Pulver, die als Kernbrennstoffe verwendet werden, die noch größere Mengen der vorstehend angeführten Gase beim Bestrahlen freisetzen. Diese freigesetzten Gase können mit dem Zirkoniummantel reagieren, der den Kernbrennstoff enthält. like uranium dioxide and other powders used as nuclear fuel that release even larger amounts of the gases listed above when irradiated. These released gases can react with the zirconium shell that contains the nuclear fuel.

Davon ausgehend ist es erwünscht, den Angriff von Wasser, Wasser· dampf und anderen Gasen, insbesondere Wasserstoff, die mit dem Mantel vom Inneren des Brennstoffelements her reagieren, am Mantel während der gesamten Zeit zu vermindern, die das Brennstoffelement beim Betrieb der Kernkraftanlagen verwendet wird. Ein derartiger Versuch besteht darin, Materialien zu finden, die chemisch rasch mit dem Wasser, dem Wasserdampf und anderen Gasen reagieren, um diese aus dem Inneren des Mantels zu entfernen; derartige Materialien werden als Fangstoffe (getters) "bezeichnet.Proceeding from this, it is desirable to prevent the attack of water, water vapor and other gases, in particular hydrogen, which react with the React jacket from the inside of the fuel element, am Sheath diminish during the entire time that the fuel element is used in the operation of the nuclear power plants. One such attempt is to find materials which chemically react rapidly with water, steam and other gases to remove them from inside the jacket; such materials are referred to as "getters".

Ein anderes Herangehen, wie es in der US-PS 3 108 396 beschrieben ist, bestand darin, das Kernbrennstoffmaterial mit einem keramischen Material zu überziehen, um zu verhindern, daß Feuchtigkeit mit dem Kernbrennstoffmaterial in Berührung kommt. In der US-PS 3 085 059 wird ein Brennstoffelement mit einem Metallgehäuse, das ein oder mehrere Pellets eines spaltbaren keramischen Materials enthält, und einer Schicht aus glasartigem Material vorgeschlagen, das an die keramischen Pellets derart gebunden ist, daß die Schicht zwischen dem Gehäuse und dem Kernbrennstoff liegt, um eine gleichmäßig gute Wärmeleitung von den Pellets zum Gehäuse zu gewährleisten. In der US-PS 2 873 238 werden mit einem Mantel versehene spaltbare Klumpen aus Uran in einem Metallgehäuse vorgeschlagen, wobei die Schutzmantel bzw. -überzüge für die Klumpen Zink-Aluminium-Verbundschichten sind. In der US-PS 2 849 387 wird ein mit einem Mantel versehener spaltbarer Körper mit einer Vielzahl von offen endenden, ummantelten Körperabschnitten eines Kernbrennstoffs beschrieben, die in ein geschmolzenes Bad eines Bindematerials getaucht wurden, was eine wirksame thermischAnother approach, as described in U.S. Patent No. 3,110,396 has consisted of coating the nuclear fuel material with a ceramic material to prevent moisture from getting comes into contact with the nuclear fuel material. In US-PS 3,085,059 a fuel element with a metal housing, containing one or more pellets of fissile ceramic material and a layer of vitreous Proposed material that is bonded to the ceramic pellets such that the layer between the housing and the Nuclear fuel lies in order to ensure uniformly good heat conduction from the pellets to the housing. In the US PS 2,873,238 become jacketed fissile lumps Proposed from uranium in a metal housing, the protective jacket or coatings for the lumps of zinc-aluminum composite layers are. In U.S. Patent No. 2,849,387, a clad splittable body having a plurality of open ended, jacketed body portions of a nuclear fuel which are in a molten bath of a Binding material was immersed, which is an effective thermal

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leitende Verbindung zwischen den Urankörperabschnitten und dem Behälter (bzw. Mantel) ergab. Pur den überzug wird irgendeine Metallegierung mit einer guten Wärmeleitfähigkeit mit Beispielen vorgeschlagen, die Aluminium-SiIieium- und Zink-AluminiumLegierungen einschließen. Die JA-AS 47-46559 (vom 24. November 1972) beschreibt die Verbindung von diskreten Kernbrennstoffteilchen zu einem zusammengesetzten, kohlenstoffhaltigen Matrix-Brennstoff, wobei man die Brennstoffteilchen mit einem hochdichten glatten, kohlenstoffhaltigen Überzug rund um die Pellets versieht, Ein weiterer anderer Überzug ist in der JA-AS 47-14200 beschrieben, wobei der Überzug von einer von zwei Gruppen von Pellets aus einer Schicht aus Siliciumcarbid besteht und eine andere Gruppe mit einer Schicht aus Pyrokohlenstoff oder Metallcarbid überzogen ist.Conductive connection between the uranium body sections and the container (or jacket) resulted. Pur the coating will be any Metal alloy with good thermal conductivity suggested with examples, the aluminum-silicon and zinc-aluminum alloys lock in. The JA-AS 47-46559 (from November 24th 1972) describes the connection of discrete particles of nuclear fuel to a composite, carbonaceous matrix fuel, whereby the fuel particles with a high density provides a smooth, carbon-containing coating around the pellets, Another different coating is described in JA-AS 47-14200, wherein the coating of one of two groups of pellets consists of a layer of silicon carbide and another group is covered with a layer of pyrocarbon or metal carbide.

Das Überziehen von Kernbrennstoffmaterialien bringt Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit mit sich, da gleichmäßige Überzüge ohne Fehler kaum erhalten werden. Ferner kann die Zerstörun-g der Überzüge zu Problemen bei der längen Verwendung von Kernbrennst off materialien führen.The coating of nuclear fuel materials poses problems reliability, since uniform coatings without defects can hardly be obtained. Furthermore, the destruction of the Coating to problems with prolonged use of nuclear fuel lead off materials.

In der Druckschrift GEAP-4-555 ^vom Februar 1964 wird ein zusammengesetzter Mantel aus einer Zirkonlegierung mit einer inneren Auskleidung aus rostfreiem Stahl beschrieben, der metallurgisch mit der Zirkonlegierung verbunden ist; der zusammengesetzte Mantel wird durch Extrudieren eines hohlen Barrens der Zirkonlegierung mit einer Innenauskleidung aus rostfreiem StahlDocument GEAP-4-555 ^of February 1964 describes a composite jacket made of a zirconium alloy with an inner lining made of stainless steel which is metallurgically bonded to the zirconium alloy; the composite shell is made by extruding a hollow billet of the zirconium alloy with a stainless steel inner liner

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hergestellt. Dieser Mantel weist den Nachteil auf, daß im rostfreien Stahl spröde Phasen auftreten und daß die rostfreie Stahlschicht eine Neutronenabsorption (neutron absorption penalty) des 10- bis 15-fachen Werts der Neutronenabsorption von Zirkonlegierungsschichten der gleichen Stärke mit sich bringt.manufactured. This coat has the disadvantage that in the stainless steel brittle phases occur and that the stainless steel layer a neutron absorption (neutron absorption penalty) 10 to 15 times the value of the neutron absorption of zirconium alloy layers of the same thickness.

Die US-PS 3 502 5^9 beschreibt ein Verfahren zum Schützen von Zirkon und seinen Legierungen durch elektrolytische Abscheidung von Chrom, um ein zusammengesetztes Material vorzusehen, das für Kernreaktoren brauchbar ist. Ein Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung von Kupfer auf Zircaloy-2-Oberflachen mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung zur Erzielung einer Oberflächendiffusion des elektrolytisch abgeschiedenen Metalls wird in Energia Nucleare, Band 11, Nr. 9 (September 1964), auf den Seiten 505 bis 508, vorgeschlagen. In Stability and Compatibility of Hydrogen Barriers Applied to Zirconium Alloys von F. Brossa et al. (European Atomic Energy Community, Joint Nuclear Research Center, EUR 4098e 1969) werden Methoden zur Abscheidung verschiedener Überzüge und ihre Wirkungsgrade als Wasserstoffdiffusionsschutz zusammen mit einem Al-Si-Überzug als vielversprechendstem Schutz gegen Wasserstoffdiffusion beschrieben. Methoden zum Elektroplattieren von Nickel auf Zirkon und Zirkon-Zinn-Legierungen und die Wärmebehandlung dieser Legierungen zurU.S. Patent 3,502,519 describes a method for protecting Zirconia and its alloys by electrodeposition of chromium to provide a composite material that is useful for nuclear reactors. A process for the electrodeposition of copper on Zircaloy-2 surfaces using a subsequent heat treatment to achieve surface diffusion of the electrodeposited metal in Energia Nucleare, Volume 11, No. 9 (September 1964) to the Pages 505 to 508 are suggested. In Stability and Compatibility of Hydrogen Barriers Applied to Zirconium Alloys by F. Brossa et al. (European Atomic Energy Community, Joint Nuclear Research Center, EUR 4098e 1969) are methods of deposition different coatings and their efficiencies as hydrogen diffusion protection together with an Al-Si coating as the most promising Protection against hydrogen diffusion described. Methods of electroplating nickel on zircon and zircon-tin alloys and the heat treatment of these alloys for

tete

Erzielung von Legierungsdiffusionsbindungen werden in Electroplating on Zirconium and Zirponium-Tin von W. G. Schickner et al. (BM1-757» Technical Information Service, 1952) beschrieben. In der US-PS 3 625 821 wird ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit einem Brennstoffmantelrohr vorgeschlagen, wobei die Innenfläche des Rohrs mit einem schützenden Metall (retaining metal) mit einem kleinen Neutroneneinfangquerschnitt, wie Nickel, überzogen ist, in dem fein dispergierte Teilchen eines brennbaren Gifts enthalten sind. Im Reactor Development Program Progress Report vom August 1973 (ANL-RDP-19) wird eine chemische Fangstoffanordnung einer sich aufbrauchenden Schicht (sacrificial layer) aus Chrom auf der Innenfläche eines rostfreien Stahlmantels vorgeschlagen.Achieving alloy diffusion bonds are in electroplating on Zirconium and Zirponium-Tin by W. G. Schickner et al. (BM1-757 »Technical Information Service, 1952). US Pat. No. 3,625,821 proposes a fuel element for a nuclear reactor with a fuel jacket tube, wherein the inner surface of the tube with a retaining metal with a small neutron capture cross-section, such as nickel, in which finely dispersed particles of a combustible poison are contained. In reactor development August 1973 Program Progress Report (ANL-RDP-19) uses a depleted layer chemical capture (sacrificial layer) made of chrome on the inner surface of a stainless steel jacket.

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Weitere Brennstoffelemente, die Überzüge auf der inneren Oberfläche des Mantels tragen, sind z. B. in der US-PS 3 145 150 beschrieben, in der ein Brennstoffelement beansprucht ist, das einen hohlen, abgedichteten Druckbehälter aus einem Metallhydrid, das lose einen Kern aus spaltbarem Material hält und eine dünne korrosionsbeständige Umhüllung, die den Druckbehälter einschließt, umfaßt. Die US-PS 3 o53 7^3 offenbart ein Brennstoffelement mit einem Metallrohr, das auf seiner Innenwand mit metallischem Nickel oder einer Nickel/Eisen/Chrom-Legierung überzogen ist, wobei das Rohr einen Kern aus Kernbrennstoff-Pellets umgibt, zwischen denen sich gelegentlich Abstandshalter befinden. In der GB-PS 933 500 ist ein Kernbrennstoffelement deformierten Querschnittes beschrieben, bei dem die einzelnen Brennstoffteilchen auf ihrer Oberfläche mit einem oder mehreren Materialien überzogen und dann in einem Behälterteil eingeschlossen sind, das einer Deformation unterworfen wurde, um den Querschnitt des Elementes zu vermindern.More fuel elements that have coatings on the inner surface wear the coat are z. B. described in US-PS 3,145,150, in which a fuel element is claimed which has a hollow, sealed pressure vessel made of a metal hydride, which loosely holds a core of fissile material and a thin corrosion-resistant envelope that encloses the pressure vessel, includes. The US-PS 3,053 7 ^ 3 discloses a fuel element with a metal tube which is coated on its inner wall with metallic nickel or a nickel / iron / chromium alloy, the Tube surrounds a core of nuclear fuel pellets, between which occasionally there are spacers. In GB-PS 933 500 a nuclear fuel element of deformed cross section is described, in which the individual fuel particles are coated on their surface with one or more materials and then in one Container part are included, which has been subjected to deformation in order to reduce the cross-section of the element.

Ein anderer Versuch besteht darin, eine freistehende Sperre" zwischen dem Kernbrennstoffmaterial und dem Mantel einzuführen, der das Kernbrennstoffmaterial hält, wie in der US-PS 3 230 150 (Kupferfolie), der DT-AS 1 238 115 (Titanschicht), der US-PS 3 212 (Hülle aus Zirkonium, Aluminium oder Beryllium), der US-PS 3 018 238 (Sperre aus kristallinem Kohlenstoff zwischen dem U0_? und dem Zirkoniumüberzug und der US-PS 3 088 893 (Folie aus rostfreiem Stahl) beschrieben ist. Während das Konzept einer Sperre sich als vielversprechend erwiesen hat, beschreiben einige der vorstehenden Druckschriften Materialien, die entweder mit dem Kernbrennstoff (z. B. kann sich Kohlenstoff mit Sauerstoff aus dem Kernbrennstoff vereinigen) oder dem Mantel (z. B. können einige Metalle mit dem Mantel reagieren, wobei die Eigenschaften des Mantels verändert werden) oder hinsichtlich der Kernspaltreaktion unverträglich bzw. ungeeignet sind (indem sie beispielsweise als Neutronenabsorber wirken).Another attempt is to introduce a free-standing barrier "between the nuclear fuel material and the jacket that holds the nuclear fuel material, as in US Pat. No. 3,230,150 (copper foil), DT-AS 1 238 115 (titanium layer), US Pat. PS 3,212 (zirconium, aluminum or beryllium shell), US Patent 3,018,238 (barrier of crystalline carbon between the U0 _? And the zirconium coating, and US Patent 3,088,893 (stainless steel foil) The concept of a barrier has shown promise, some of the above references describe materials that can either be bonded with the nuclear fuel (e.g. carbon can combine with oxygen from the nuclear fuel) or the cladding (e.g. some metals can combine with the Cladding react, whereby the properties of the cladding are changed) or are incompatible or unsuitable with regard to the nuclear fission reaction (for example by acting as a neutron absorber).

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Weitere Versuche auf Basis der Sperr-Konzepts sind in der deutschen Patentanmeldung P 25 01 309.6 (feuerfeste Metalle, wie Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob und deren Legierungen in Form von Rohren oder Folien aus einer oder mehreren Schichten oder einem Überzug auf der Innenfläche des Mantels) und der deutschen Patentanmeldung P 25 01 505.8 beschrieben (Auskleidung aus Zirkon, Niob oder deren Legierungen zwischen dem Kernbrennstoff und dem Mantel mit einem Überzug eines Materials hoher Schmierfähigkeit zwischen der Auskleidung und dem Mantel).Further attempts based on the locking concept are in the German Patent application P 25 01 309.6 (refractory metals such as molybdenum, tungsten, rhenium, niobium and their alloys in the form of pipes or foils from one or more layers or a coating on the inner surface of the jacket) and the German Patent application P 25 01 505.8 described (lining made of zirconium, niobium or their alloys between the nuclear fuel and the Jacket with a coating of high lubricity material between the liner and jacket).

Ein besonders wirksames Kernbrennstoffelement zur Verwendung im Kern eines Kernreaktors weist einen Verbundmantel auf, der aus einer Metallsperre aus mäßig reinem Zirkonium, wie Zirkoniumschwamm, das metallurgisch mit der Innenseite eines Rohres aus einer Zirkoniumlegierung verbunden ist, besteht. Der Verbundmantel schließt das Kernbrennstoffmaterial so ein, daß ein Spalt zwischen dem Brennstoff und dem Mantel bleibt. Die Metallsperre schirmt das Legierungsrohiwon dem darin enthaltenden Kernbr-ennstoffmaterial als auch den Spaltprodukten und Gasen ab. Die Metallsperre macht 1 - 30 % der Dicke des Mantels aus. Eine Metallsperre von weniger als etwa 1 % der Dicke des Mantels ist bei der Herstellung im kommerziellen Maßstabe schwer zu erhalten und eine Metallsperre mit mehr als 30 % der Dicke des Mantels ergibt hinsichtlieh der über 30 % hinaus gehenden Dicke keinen weiteren Nutzen. Wegen seiner Reinheit bleibt die Auskleidung während der Bestrahlung weich und minimalisiert örtliche Spannungen innerhalb des Kernbrennstoffelementes und schützt so das Legierungsrohr vor Spannungskorrosionsrißen oder Flüssigkeits-Metallversprödung. Der Metallrohrteil des Mantels ist gegenüber den üblichen Metallrohren für diesen Zweck unverändert und wird aus den üblichen Mantelmaterialien, wie Zirkoniumlegierungen, ausgewählt.A particularly effective nuclear fuel element for use in the core of a nuclear reactor has a composite shell consisting of a metal barrier of moderately pure zirconium, such as zirconium sponge, metallurgically bonded to the inside of a zirconium alloy tube. The composite shell encloses the nuclear fuel material so that a gap remains between the fuel and the shell. The metal barrier shields the alloy raw material from the nuclear fuel material contained therein as well as the fission products and gases. The metal barrier makes up 1 - 30 % of the thickness of the jacket. A metal barrier less than about 1 % the thickness of the shell is difficult to obtain in commercial scale manufacture, and a metal barrier greater than 30 % the thickness of the shell provides no further benefit in terms of thickness beyond 30%. Because of its purity, the lining remains soft during irradiation and minimizes local stresses within the nuclear fuel element, thus protecting the alloy tube from stress corrosion cracking or liquid-metal embrittlement. The metal pipe part of the jacket is unchanged from the usual metal pipes for this purpose and is selected from the usual jacket materials, such as zirconium alloys.

Verfahren zum Herstellen des Verbundmantels schließen die folgenden ein:
1. Anpassen eines Hohlkragens aus der Metallsperre innerhalb Hohlbarrens aus Zirkoniumlegierung und das Verbinden des KragensMethods of making the composite jacket include the following:
1. Adjusting a hollow collar from the metal barrier within hollow bars made of zirconium alloy and connecting the collar

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mit dem Barren unter Ausnutzung einer Explosion und das Strang pressen des Verbundstoffes gefolgt von einer Rohrverengung,with the ingot taking advantage of an explosion and the strand pressing of the composite followed by a pipe constriction,

2. das Einpassen eines Hohlkragens aus der Metallsperre innerhalb eines Hohlbarrens aus Zirkoniumlegierung, das Erhitzen von Kragen und Barren unter Druck zur Herstellung einer Diffusionsverbindung des Kragens mit dem Barren und das Strangpressen des Verbundkörpers gefolgt von einer Rohrverengung,2. The fitting of a hollow collar from the metal barrier within a hollow ingot made of zirconium alloy, the heating of collar and billet under pressure to diffuse the collar with the billet and extrusion the composite body followed by a pipe constriction,

3. das Einpassen eines Kragens aus der Metallsperre innerhalb eines hohlen Barrens aus Zirkoniumlegierung und das Strangpressen des Verbundstoffes gefolgt von einer Rohrverengung.3. fitting a collar made from the metal barrier within a hollow zirconium alloy ingot and extruding it of the composite followed by a constriction of the pipe.

Die Metallsperre bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffelement ergibt keine merklichen Probleme hinsichtlich des Neutroneneinfangs , der Wärmeübertragung oder der Materialunvertäglichkext.The metal barrier in the fuel element according to the invention does not give any noticeable problems with neutron capture, heat transfer or material incompatibility text.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist die Schaffung eines Kernbrennstoffelementes, das in Kernreaktoren für eine längere Zeitdauer eingesetzt werden kann, ohne daß ein Abspalten oder Korrodieren des Mantels auftritt oder daß andere Probleme des Brennstoffversagens auftreten. Hierzu soll ein Verbundmantel für das Brennstoffelement aus einer Metallsperre, verbunden mit der inneren Oberfläche eines Rohres aus einer Zirkoniumlegierung geschaffen werden, wobei die Verbindung zwischen Rohr und Metallsperre langlebig ist.The object of the invention is to provide a nuclear fuel element that is used in nuclear reactors for a can be used for a longer period of time without splitting or corrosion of the jacket or other problems of fuel failure occur. For this purpose, a composite jacket for the fuel element made of a metal barrier, connected to the inner surface of a tube made of a zirconium alloy, the connection between Tube and metal barrier is durable.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:In the following the invention with reference to the drawing explained in more detail. Show in detail:

Figur 1 eine teilweise weggeschnittene Schnittansicht einer Kernbrennstoff-Baueinheit mit Kernbrennstoffelementen, die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert sind,Figure 1 is a partially cut away sectional view of a nuclear fuel assembly with nuclear fuel elements constructed in accordance with the present invention,

Figur 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Kernbrennstoffelementes nach Figur 1, die die erfindungsgemäße Lehre verans chaulicht.Figure 2 is an enlarged sectional view of the nuclear fuel element according to Figure 1, which teaches the invention demonstrates.

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In Figur 1 ist die Kernbrennstoff-Baueinheit 10 gezeigt, die einen rohrförmigen Strömungskanal allgemein quadratischen Querschnitts aufweist und an ihrem oberen Ende mit einem Hebe^-bügel 12 und an ihrem unteren Ende mit einem nicht-dargestellten Nasenstück versehen ist. Das obere Ende des Kanales 11 ist bei 13 offen und das untere Ende des Nasenstückes ist mit Kühlmittel-Strömungsöffnungen versehen. Eine Reihe von Brennstoffelementen oder -stäben 14 ist innerhalb des Kanales 11 eingeschlossen und dort mittels einer oberen und einer unteren (nicht-dargestellten) Halteplatte 15 versehen. Das flüssige Kühlmittel tritt üblicherweise durch die Öffnungen in das untere Ende des Nasenstückes ein, gelangt an den Brennstoffelementen 14 entlangfließend nach oben und verläßt die Baueinheit durch den oberen Auslaß 13 in teilweise verdampftem Zustand für Siedereaktoren oder in unverdampften Zustand für Druckreaktoren bei erhöhter Temperatur.In Figure 1, the nuclear fuel assembly 10 is shown, the one tubular flow channel has generally square cross-section and at its upper end with a lifting bracket 12 and is provided at its lower end with a nosepiece, not shown. The upper end of the channel 11 is open at 13 and the lower end of the nosepiece is provided with coolant flow openings. A number of fuel elements or -stäben 14 is enclosed within the channel 11 and there by means of an upper and a lower (not shown) Retaining plate 15 provided. The liquid coolant usually passes through the openings in the lower end of the nosepiece flows up along the fuel elements 14 and leaves the assembly through the upper outlet 13 in partially evaporated state for boiling reactors or in non-evaporated Condition for pressure reactors at elevated temperature.

Die Kernbrennstoffelemente 14 sind an ihren Enden mittels Endverschlüssen 18 abgedichtet, die durch Schweißen mit dem Mäntel 17 verbunden sind und diese Endverschlüsse können Bolzen 19 sein, um die Montage der Brennstoffstäbe in der Baueinheit zu erleichtern. An einem Ende des Brennstoffelementes ist ein Leerraum 20 vorgesehen, um die Längsausdehnung des Brennstoffmaterials und die Ansammlung vom Brennstoffmaterial abgegebener Gase zu gestatten. In diesem Hohlraum 20 ist eine Einrichtung in Form einer Feder 24 angeordnet, um die axiale Verschiebung der Brennstoffkolonne, insbesondere während der Handhabung und des Transportes des Brennstoffelementes möglichst zu verhindern.The nuclear fuel elements 14 are at their ends by means of end closures 18, which are connected by welding to the jacket 17 and these end closures can be bolts 19, to facilitate the assembly of the fuel rods in the assembly. At one end of the fuel element there is a void 20 provided to the longitudinal extent of the fuel material and allow the accumulation of gases given off by the fuel material. In this cavity 20 is a device in the form of a Spring 24 arranged to the axial displacement of the fuel column, especially during handling and transport to prevent the fuel element as possible.

Das Brennstoffelement ist so gebaut, daß ein ausgezeichneter thermischer Kontakt zwischen dem Mantel und dem Brennstoffmaterial besteht, ein Minimum an parasitärer Neutronenabsorption stattfindet und das Element beständig ist gegen Durchbiegen und Vibration, die gelegentlich durch die Kühlmittelströmung bei hoher Geschwindigkeit verursacht werden.The fuel element is built to be an excellent thermal contact between the jacket and the fuel material exists, a minimum of parasitic neutron absorption takes place and the element is resistant to bending and Vibration occasionally caused by the coolant flow high speed.

Eines der Kernbrennstoffelemente 14 ist teilweise aufgeschnitten in Figur 1 gezeigt. Dieses Kernbrennstoffelement schließt einenOne of the nuclear fuel elements 14 is shown partially cut away in FIG. This nuclear fuel element includes one

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Kern oder zentralen zylindrischen Teil aus Kernbrennstoffmaterial l6 ein, das im vorliegenden Falle aus mehreren Brennstoffpellets aus spaltbarem und/oder Brutmaterial besteht, das innerhalb eines Mantels oder Behälters IJ angeordnet ist. In einigen Fällen können die Brennstoffpellets verschiedene Gestalten haben, wie dieyfeines Zylinders oder einer Kugel und in anderen Fällen können auch verschiedene Brennstoffformen benutzt werden, wie teilchenförmiger Brennstoff. Die physische Form des Brennstoffes ist für die vorliegende Erfindung unwesentlich. Es können verschiedene Kernbrennstoffmaterialien benutzt werden, einschließlich Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und deren Mischungen. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxid oder eine Mischung aus Urandioxid und Plutoniumdioxid.Core or central cylindrical part made of nuclear fuel material 16, which in the present case consists of a plurality of fuel pellets made of fissile and / or breeding material, which is arranged within a jacket or container IJ . In some cases, the fuel pellets can be of various shapes, such as a fine cylinder or sphere, and in other cases, various shapes of fuel can be used, such as particulate fuel. The physical form of the fuel is immaterial to the present invention. Various nuclear fuel materials can be used including uranium compounds, plutonium compounds, thorium compounds, and mixtures thereof. A preferred fuel is uranium dioxide or a mixture of uranium dioxide and plutonium dioxide.

Das den zentralen Kern des Brennstoffelementes Ik bildende Kernbrennstoffmaterial 16 ist, wie in Figur 2 ersichtlich, von einem Mantel 17 umgeben. Dieser Mantel ist ein Verbundmantelbehälter, der den Kern so einschließt, das ein Spalt 23 zwischen dem'Kern und dem Behälter während der Verwendung in einem Kernreaktor vorhanden ist. Der Verbundmantel besteht aus einem Rohr 21 aus einer Zirkoniumlegierung, die in einer bevorzugten Ausführungsform Zircaloy-2 ist. Mit der inneren Oberfläche des Legierungsrohres ist eine Metallsperre 22 verbunden, die eine Abschirmung zwischen dem Legierungsrohr 21 und dem darin enthaltenden Kernbrennstoffmaterial l6 bildet. Die Metallsperre macht 1 - 30 % der Dicke des Mantels aus und besteht aus einem Material mit einer geringen Neutronenabsorption, nämlich mäßig reinem Zirkonium, wie Zirkoniumschwamm. Die Metallsperre 22 schützt das Legierungsrohr des Mantels vor der Berührung und der Umsetzung mit Gasen und Spaltprodukten und verhindert das Auftreten örtlicher Belastungen.The nuclear fuel material 16 forming the central core of the fuel element Ik is surrounded by a jacket 17, as can be seen in FIG. This jacket is a composite jacket container which encloses the core in such a way that a gap 23 is present between the core and the container during use in a nuclear reactor. The composite jacket consists of a tube 21 made of a zirconium alloy, which in a preferred embodiment is Zircaloy-2. A metal barrier 22 is bonded to the inner surface of the alloy tube and forms a screen between the alloy tube 21 and the nuclear fuel material 16 contained therein. The metal barrier makes up 1 - 30 % of the thickness of the jacket and consists of a material with a low neutron absorption, namely moderately pure zirconium, such as zirconium sponge. The metal barrier 22 protects the alloy tube of the jacket from contact and the reaction with gases and fission products and prevents the occurrence of local loads.

Der Gehalt der Metallsperre aus mäßig reinem Zirkonium ist wichtig und dient dazu-, der Metallsperre besondere Eigenschaften zu verleihen. Das mäßig reine Zirkonium enthält allgemein gesagt mindestens 1000 ppm (bezogen auf das Gewicht) und weniger als 5OOO ppm an Verunreinigungen und vorzugsweise weniger als etwaThe content of the metal barrier of moderately pure zirconium is important and serves to give the metal barrier special properties. Generally speaking, the moderately pure zirconium contains at least 1,000 ppm (by weight) and less than 5,000 ppm of impurities, and preferably less than about

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etwa 4200 ppm. Von diesen Verunreinigungen ist Sauerstoff in dem Bereich von etwa 200 bis etwa 1200 ppm gehalten. Alle anderen Verunreinigungen befinden sich innerhalb des normalen Bereiches für kommerzielles Schwammzirkonium für Kernreaktoren und haben die folgenden aufgeführten Werte:about 4200 ppm. Of these impurities, oxygen is kept in the range of about 200 to about 1200 ppm. All other Impurities are within the normal range for commercial sponge zirconium for nuclear reactors and have the following listed values:

Aluminium 75 ppm oder weniger. Bor 0,4 ppm oder weniger, Kai mium 0,4 ppm oder weniger, Kohlenstoff 270 ppm oder'weniger, Chrom 200 ppm oder weniger, Kobalt 20 ppm oder weniger, Kupfer 50 ppm oder weniger, Hafnium 100 ppm oder weniger. Wasserstoff 25 ppm oder weniger, Eisen 1500 oder weniger, Magnesium 20 ppm oder weniger, Mangan 50 ppm oder weniger, Molybdän 50 ppm oder weniger, Nickel 70 ppm oder weniger, Niob 100 ppm oder weniger, Stickstoff 80 ppm oder weniger, Silizium 120 ppm oder weniger, Zinn 50 ppm oder weniger, Wolfram 100 ppm oder weniger, Titan 50 ppm oder weniger und Uran 3₃5 ppm oder weniger.Aluminum 75 ppm or less. Boron 0.4 ppm or less, potassium 0.4 ppm or less, carbon 270 ppm or less, chromium 200 ppm or less, cobalt 20 ppm or less, copper 50 ppm or less, hafnium 100 ppm or less. Hydrogen 25 ppm or less, iron 1500 or less, magnesium 20 ppm or less, manganese 50 ppm or less, molybdenum 50 ppm or less, nickel 70 ppm or less, niobium 100 ppm or less, nitrogen 80 ppm or less, silicon 120 ppm or less, tin 50 ppm or less, tungsten 100 ppm or less, titanium 50 ppm or less, and uranium 3 ₃ 5 ppm or less.

Bei dem VerbundmanteL des Kernbrennstoffelementes der vorliegenden Erfindung ist die Metallsperre mit dem Substrat in einer festen Bindung verbunden. Die metallografische Untersuchung zeigt, daß es ausreichend Diffusion zwischen den Materialien des Substrates und dem Metall Sperre gibt, um eine Bindung zu bilden, aber keine Diffusion weg von dem Bereich der Bindung.In the composite shell of the nuclear fuel element of the present invention In accordance with the invention, the metal barrier is connected to the substrate in a firm bond. The metallographic examination shows that there is sufficient diffusion between the materials of the substrate and the metal barrier to form a bond, but none Diffusion away from the area of the bond.

Es wurde festgestellt, daß Zirkoniummetallschwamm eine Metallsperre in dem Verbundmantel bildet, die in hohem Maße beständig ist gegenüber Strahlungshärtung und dies gestattet es der Metallsperre auch nach längerer Bestrahlung die erwünschten Eigenschaften aufrechtzuerhalten, wie Streckgrenze und Härte, die beträchtlich geringer sind als in üblichen Zirkoniumlegierungen. Die Metallsperre härtet nicht so viel wie übliche Zirkoniumlegierungen, wenn sie Bestrahlung ausgesetzt sind und dies zusammen mit ihrer anfänglich geringen Streckgrenze gestattet es der Metallsperre sich plastisch zu deformieren und durch Pellets induzierte Spannungen im Brennstoffelement während vorübergehender Spitzenbelastungen aufzunehmen und abzubauen. Die durch Pellets induzierten Belastungen im Brennstoffelement können z. B. durch Quellen der Pellets aus Kernbrennstoff bei den Reaktorbetriebs-It has been found that zirconium metal sponge is a metal barrier forms in the composite shell which is highly resistant to radiation curing and this allows the metal barrier to maintain the desired properties, such as yield strength and hardness, even after prolonged exposure are considerably lower than in conventional zirconium alloys. The metal barrier does not harden as much as common zirconium alloys, when exposed to radiation and this, along with their initially low yield strength, allows the metal barrier plastically deform and pellet-induced stresses in the fuel element during transient Absorb and reduce peak loads. The loads induced by pellets in the fuel element can, for. B. by Sources of pellets from nuclear fuel in the reactor operating

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temperaturen von 300 - 350 C zustande kommen, wodurch das Pellet mit dem Mantel in Berührung kommt.Temperatures of 300 - 350 C come about, causing the pellet comes into contact with the coat.

Es ist weiter festgestellt worden, daß eine Metallsperre aus Zirkoniumschwamm mit einer vorzugsweisen Dicke von etwa 5 - 15% der Dicke des Mantels und einer besonders bevorzugten Dicke von 10 % des Mantels bei Bindung an das Rohr aus einer Zirkoniumlegierung eine Spannungsverminderung und eine Sperrwirkung bewirkt, die ausreichen, Fehler oder Versagen in dem Verbundmantel zu verhindern.It has further been found that a metal barrier made of zirconium sponge with a preferred thickness of about 5-15% of the thickness of the jacket and a particularly preferred thickness of 10 % of the jacket when bonded to the tube made of a zirconium alloy brings about a stress reduction and a locking effect, sufficient to prevent defects or failures in the composite jacket.

Zu den als brauchbare Legierungen für das Rohr dienende Zirkoniumlegierungen gehören Zircaloy-2 und Zircaloy-*}. Zircaloy-2 enthält auf Gewichtsbasis etwa 1,5 % Zinn, 0,12 % Eisen, 0,09 % Chrom und 0,005% Nickel und wird in Wasser-gekühlten Reaktoren in großem Umfange eingesetzt. Zircaloy-4 enthält weniger Nickel als Zircaloy-2, dafür aber mehr Eisen als dieses.Zirconium alloys that can be used as alloys for the tube include Zircaloy-2 and Zircaloy- *}. Zircaloy-2 contains approximately 1.5 % tin, 0.12 % iron, 0.09 % chromium and 0.005% nickel on a weight basis and is widely used in water-cooled reactors. Zircaloy-4 contains less nickel than Zircaloy-2, but more iron than this.

Der für die erfindungsgemäßen Kernbrennstoffelemente eingesetzte Verbundmantel kann nach irgendeinem der folgenden Verfahren hergestellt sein.The composite jacket used for the nuclear fuel elements of the present invention can be made by any of the following methods be.

Nach einem Verfahren wird ein Hohlkragen aus Zirkoniumschwamm in einen Hohlbarren aus einer Zirkonlegierung eingeführt und das Ganze explosionsverbunden. Der Verbundstoff wird dann bei einer erhöhten Temperatur von etwa 5^0 bis etwa 750 C stranggepreßt und dabei die üblichen Rohrstrangpresstechniken benutzt. Der stranggepreßte Verbundstoff wird dann einem Verfahren einschließlich üblichem Rohrverengen ausgesetzt, bis die erwünschte Größe des Mantels erreicht ist.According to one procedure, a hollow collar is made from zirconium sponge inserted into a hollow bar made of a zirconium alloy and the whole thing explosion-bonded. The composite is then at at an elevated temperature of about 5 ^ 0 to about 750 C. using the usual pipe extrusion techniques. The extruded composite is then subjected to a process including exposed to conventional pipe narrowing until the desired size of the jacket is achieved.

Bei einem anderen Verfahren wird der Zirkonschwamm in einen Hohlbarren der Zirkoniumlegierung eingesetzt und das Ganze für z. B. 8 Stunden auf z. B.' 75O°C erhitzt, um eine Diffusionsverbindung zwischen dem Kragen und dem Barren zu erhalten. Der Verbundstoff wird dann in üblicher Weise stranggepreßt und der stranggepreßte Verbundstoff einem Verfahren einschließlich der üblichen Rohrver-Another method is to put the zirconium sponge into a hollow bar the zirconium alloy used and the whole thing for z. B. 8 hours on z. B. ' 75O ° C heated to create a diffusion bond to get between the collar and the ingot. The composite is then extruded and the extruded one in a conventional manner Composite material a process including the usual pipe connections

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engung unterworfen, bis die erwünschte Größe des Mantels erhalten ist.subjected to narrowing until the desired size of the jacket is obtained.

Bei einem weiteren Verfahren wird ein Hohlkragen aus dem Zirkoniumschwamm, der als Metallsperre ausgewählt ist, in einen Hohlbarren aus der Zirkoniumlegierung, der als Legierungsrohr ausgewählt ist, eingeführt und das Ganze wird nach üblichen Rohrstrangpreßtechniken extrudiert. Danach unterwirft man den extrudierten Verbundstoff einem Verfahren, das die übliche Rohrverengung einschließt, bis die erwünschte Größe des Mantels erhalten ist.In another process, a hollow collar is made from the zirconium sponge, selected as the metal barrier, into a hollow billet made from the zirconium alloy selected as the alloy tube is introduced and the whole is extruded by conventional pipe extrusion techniques. The extruded composite is then subjected a process which includes conventional tube constriction until the desired size of the jacket is obtained.

Die vorgenannten Verfahren für die Herstellung des Verbundmantels, für das erfindungsgemäße Kernbrennstoffelement ergeben wirtschaftliche Vorteile gegenüber anderen Verfahren zur Herstellung solcher Mäntel, wie das Elektroplattieren oder das Vakuumbedampfen.The aforementioned processes for the production of the composite jacket, for the nuclear fuel element according to the invention result in economic Advantages over other methods of manufacturing such jackets, such as electroplating or vacuum evaporation.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kernbrennstoffelementes wird erst ein Verbundmantelbehälter aus einer Metallsperre aus Zirkoniumschwamm, die mit der inneren Oberfläche eines Rohres aus Zirkoniumlegierung verbunden ist, hergestellt, wobei der Behälter an einem Ende offen ist. Danach füllt man den Behälter mit einem Kern aus Kernbrennstoffmaterial, wobei ein Spalt zwischen dem Kern und der Behälterinnenwand und ein Hohlraum am offenen Ende gelassen werden. In den Hohlraum führt man eine Einrichtung zum Festhalten des Kernbrennstoffmaterials ein, verschließt das offene Ende des Behälters, wobei man den Hohlraum in Verbindung mit dem Kernbrennstoff stehen läßt und verbindet dann den Verschluß mit dem Behälterende, um einen gasdichten Verschluß dazwischen herzustellen.To produce the nuclear fuel element according to the invention, a composite jacket container made of a metal barrier is first made Zirconium sponge bonded to the inner surface of a tube made of zirconium alloy, the container is open at one end. The container is then filled with a core of nuclear fuel material, leaving a gap between the core and the inner wall of the container and a cavity at the open end. A device is inserted into the cavity to hold the nuclear fuel material in place, the open end of the container closes, thereby communicating the cavity with the nuclear fuel and then connects the closure to the end of the container to form a gas-tight closure therebetween to manufacture.

Das erfindungsgemäße Kernbrennstoffelement hat verschiedene Vorteile für eine lange Gebrauchsdauer, einschließlich der Verminderung der chemischen Wechselwirkung mit dem Mantel, der Minimalisierung örtlicher Belastung auf den Zirkoniumlegierungs-Rohrteil des Mantels, der Minimalisierung der Spannungskorrosion und Dehnungskorrosion des Zirkoniumlegierungs-Rohrteiles des Mantels und der Verringerung der Wahrscheinlichkeit des Versagens desThe nuclear fuel element of the invention has several advantages for a long service life, including the reduction of the chemical interaction with the jacket, the minimization local stress on the zirconium alloy tubular part of the jacket, minimizing stress corrosion and Expansion corrosion of the zirconium alloy tubular portion of the shell and reducing the likelihood of failure of the

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Zirkoniumlegierungsrohres durch Absplittern. Die Erfindung verhindert weiter, daß sich Ausdehnen des Kernbrennstoffes bis zu einer direkten Berührung mit dem Zirkoniumlegierungsrohr, was neben der Vermeidung des Auftretens örtlicher Spannung in dem Rohr das Einleiten oder Beschleunigen der Spannungskorrosion des Legierungsrohres und das Verbinden des Kernbrennstoffes mit dem Legierungsrohr verhindert.Zirconium alloy pipe by chipping. The invention prevents further that expanding the nuclear fuel to direct contact with the zirconium alloy tube, what besides avoiding the occurrence of local stress in the pipe initiating or accelerating stress corrosion of the alloy tube and bonding the nuclear fuel to the alloy tube prevented.

Ein wesentlicher Punkt bei dem Verbundmantel des erfindungsgemäßen Kernbrennstoffelementes ist, daß die vorgenannten Verbesserungen erreicht werden, ohne daß ein beträchtlicher Nachteil hinsichtlich der Neutronenabsorption in Kauf zunehmen ist. Ein solcher Mantel wird für Kernreaktoren leicht akzeptiert, da der Mantel während eines Ausfalles von Kühlmittel oder eines Unfalles, bei dem der Kontrollstab herabfällt, kein Eutektikum bilden würde. Außerdem weist der Verbundmantel nur eine geringfügig schlechtere Wärmeleitung auf, verglichen mit einem Element, in dem eine separate Folie oder Auskleidung benutzt wird. Der erfindungsgemäß benutzte Verbundmantel kann während der verschiedenen Stadien der Herstellung und des Betriebes mittels zerstörungsfreier Methoden untersucht werden.An essential point in the composite jacket of the invention What is important about the nuclear fuel element is that the aforesaid improvements are achieved without any significant disadvantage in terms of neutron absorption is to be accepted. Such a jacket is easily accepted for nuclear reactors because of the The jacket would not form a eutectic during a coolant failure or an accident in which the control rod falls. In addition, the composite jacket has only a slightly poorer thermal conductivity compared to an element in which a separate Foil or lining is used. The composite jacket used according to the invention can be used during the various stages the manufacture and operation are examined using non-destructive methods.

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Claims

1 River Road
Schenectady, NY / USA

Expectations

A nuclear fuel element comprising (a) a central core of a body from nuclear fuel materials from compounds of uranium, plutonium, thorium and their mixtures and (b) a container-like, elongated, composite jacket with a tube made of a zirconium alloy, the components other than zirconium in an amount greater than 5000 ppm; and a barrier of zirconium attached to the inner surface of the substrate is connected, the jacket enclosing the core so that a gap is present between the two, according to Patent application P 25 50 029.2, characterized in that the zirconium of the barrier impurities contains in an amount from at least 1000 ppm to less than 5000 ppm.

2. Nuclear fuel element according to claim 1, characterized that the zirconium of the barrier is spongy.

3. Nuclear fuel element according to claim 1 or 2, characterized in that the oxygen content of the Zirconium of the barrier is in the range of about 200 to about 1200 ppm.

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