DE60319583T2

DE60319583T2 - Kernbrennstoffstab

Info

Publication number: DE60319583T2
Application number: DE60319583T
Authority: DE
Inventors: Gunnar Hultquist; Magnus LIMBÄCK; Per TÄGTSTRÖM; Erik HÖRNLUND
Original assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2023-12-06
Also published as: AU2003284822A1; EP1573748B1; ES2301848T3; WO2004057624A1; DE60319583D1; SE524428C2; SE0203815D0; SE524428C3; JP4708032B2; US20060050836A1; JP2006510900A; ATE388472T1; US7570728B2; EP1573748A1; SE0203815L

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernbrennstab für einen Kernreaktor des Siedewasser- oder Druckwassertyps, umfassend ein Hüllrohr, das einen geschlossenen Innenraum abgrenzt und das aus mindestens einem der Materialien aus der Zirkonium-Gruppe und einer Legierung auf der Basis von Zirkonium hergestellt ist, eine Säule aus Kernbrennstoff-Pellets, die in dem Innenraum des Hüllrohrs so angeordnet sind, dass die Kernbrennstoff-Pellets einen Teil des Innenraums ausfüllen, und ein Füllgas, das in den geschlossenen Innenraum eingebracht ist, um den Rest des Innenraums auszufüllen, wobei das Füllgas einen Anteil Helium und einen Anteil Kohlenmonoxid enthält. Die Erfindung betrifft auch ein Kernbrennelement, das einen solchen Kernbrennstab umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstabs für einen Kernreaktor des Siedewasser- oder des Druckwassertyps. Ein solcher Kernbrennstab ist aus der US 4 609 524 bekannt.
Ein Kernkraftwerk umfasst einen Reaktorkern, der aus mehreren Brennelementen besteht. Jedes Brennelement umfasst eine Vielzahl von langgestreckten parallelen Kernbrennstäben und eine Vielzahl von Abstandhaltern, die axial entlang der Kernbrennstäbe angeordnet sind und mit diesen verbunden sind. Jeder Kernbrennstab umfasst ein Hüllrohr und den Kernbrennstoff, der in dem Hüllrohr eingeschlossen ist. Der Kernbrennstoff umfasst üblicherweise Uran, das zu Brennstoff-Pellets komprimiert wird, die als Säule übereinander in dem Hüllrohr angeordnet sind. Wenn das Kernkraftwerk in Betrieb ist, wird der Reaktorkern durch ein Kühlmittel gekühlt, das durch den Reaktorkern nach oben gepumpt wird.
Die Bauteile in Kernkraftwerken sind oft Angriffen durch Hydrierung und Oxidation ausgesetzt. Es ist bekannt, solche exponierten Bauteile mit einer Oberflächenbeschichtung zu versehen, um die Bauteile zu schützen. Die Hüllrohre der Kernbrennstäbe sind ein Beispiel für solche Bauteile. Der Angriff auf ein Hüllrohr bedeutet, dass im schlimmsten Fall ein Defekt auftritt, der sich durch die gesamte Dicke des Hüllrohrs erstreckt, wodurch der radioaktive Kernbrennstoff und seine Spaltprodukte, die sich innerhalb des Hüllrohrs befinden, in das Kühlwasser des Reaktors austreten können. Bei Defekten an den Hüllrohren wird zwischen Primär- und Sekundärdefekten unterschieden.
Ein Primärdefekt tritt durch einen Angriff auf die Außenfläche des Hüllrohrs auf und wird insbesondere durch Abrieb durch Fremdkörper verursacht. Ein kleinerer Abriebsdefekt verursacht normalerweise keine offensichtliche Zerstörung und kein offensichtliches Auswaschen der Uranpellets des Kernbrennstabs. Ein Primärdefekt kann sich jedoch durch die gesamte Dicke des Hüllrohrs erstrecken. Ein solcher Primärdefekt bedeutet, dass Wasser, Dampf oder eine Kombination daraus in das Hüllrohr in einen Raum zwischen dem Kernbrennstoff und der Innenfläche des Hüllrohrs strömt.
Wenn sich ein Primärdefekt entwickelt hat, besteht ein Kommunikationsweg zwischen dem Innenraum des Hüllrohrs und dem Kühlwasser des Reaktors. Wasser und Dampf erzwingen deshalb ihren Weg in den Kernbrennstab, bis der Innendruck P_i des Kernbrennstabs gleich dem Systemdruck P_sys des Reaktors ist. Während dieses Laufs der Ereignisse oxidieren die Innenseite des Hüllrohrs und die Uran-Pellets, während Wasserstoff aus den Wassermolekülen freigesetzt wird. Dies wiederum führt dazu, dass eine Umgebung mit sehr hohem Wasserstoff Partialdruck, ppH₂, ein so genannter „Sauerstoffmangel" oder „Dampfmangel", in einem Abstand von dem Primärdefekt entstehen kann. In einer solchen Umgebung neigt die Innenseite der Umhüllung dazu, Wasserstoff sehr schnell zu absorbieren, die so genannte Hydrierung. Die Hydrierung kann lokal zu einer sehr hohen Wasserstoffkonzentration in der Umhüllung führen, was als Sekundärdegradation bezeichnet wird und wiederum die mechanischen Eigenschaften der Umhüllung stark verschlechtert. Die Umhüllung wird sehr spröde, und dies kann zu Rissen, Rissvergrößerung und der Entwicklung eines sekundären Brennstoffdefekts aufgrund selbstinduzierter Belastungen oder aufgrund einer Ladung von außen führen. Ein Sekundärdefekt nimmt oft die Form langer Risse oder eines Querbruchs an, was eine schwere Form des Defekts darstellt.
Wenn bei einem Defekt Wasser in den Kernbrennstab strömt, verdampft das Wasser, und Wassermoleküle werden abgetrennt, wodurch die Innenfläche des Hüllrohrs oxidiert und freier Wasserstoff in dem Innenraum gebildet wird. Der freie Wasserstoff wird von dem Hüllrohr auf der Basis von Zirkonium absorbiert, wodurch die oben er wähnte Versprödung auftritt. Die Absorption geschieht insbesondere an den Oberflächen, wo sich noch keine Oxidschicht gebildet hat. Dieser Prozess ist relativ schnell. Der Oxidationsprozess beginnt unmittelbar nachdem ein Primärdefekt aufgetreten ist. Dies führt schnell zum Auftreten einer Umgebung mit sehr hohem Wasserstoff-Partialdruck in einem Abstand von dem Primärdefekt, was dazu führt, dass die Stunden und Tage nach dem Auftreten eines Primärdefekts von hoher Wichtigkeit für die Möglichkeiten der Beeinflussung der sekundären Hydrierung und dadurch der Gefahr des Auftretens eines Sekundärdefekts sind. Ein Problem in diesem Zusammenhang ist, dass Wasserstoffgas in dem Heliumgas, das üblicherweise in dem Innenraum vorhanden ist, schneller als Wassermoleküle diffundiert. Das Wasserstoffgas erreicht die freien Oberflächen deshalb schneller als die Wassermoleküle, die andernfalls während der Bildung einer Oxid-Schutzschicht auf der Zirkoniumoberfäche mit der Oberfläche reagieren könnten.
Die US-4 609 524 offenbart ein geschlossenes Rohr für einen Kernreaktor. Das Rohr ist dafür vorgesehen, Kernbrennstoff und/oder einen Neutronenabsorber zu enthalten. Der Brennstoff und/oder der Absorber sind in dem Rohr zusammen mit einem Füllgas eingeschlossen, das aus He und einem zusätzlichen Gas, das eines der Gase O₂, CO und CO₂ enthält, besteht. Zweck des zusätzlichen Gases ist es, eine dünne Oxidschicht an der Innenfläche des Hüllrohrs zu bilden. Es wird angenommen, dass die Oxidschicht im normalen Betrieb die Durchlässigkeit des Rohrs gegenüber Triterium (einem Wasserstoffisotop) reduziert. Gemäß der Aussage dieses Dokuments wird Triterium während der Bestrahlung in dem Kernreaktor freigesetzt. Das Dokument diskutiert nicht die Probleme, die im Zusammenhang mit einem Defekt an den Brennstäben auftreten. Zweck des zusätzlichen Gases ist daher nicht die Verhinderung von Hydrierung und Sekundärdegradation. Die Menge des zusätzlichen Gases in dem Füllgas beträgt 2–3 Volumenprozent der Menge an Helium. Die Menge des zusätzlichen Gases im Verhältnis zu der Menge an Füllgas beträgt daher weniger als 3 Volumenprozent.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, die Widerstandsfähigkeit eines Kernbrennstabs gegenüber Sekundärdegradation zu verbessern. Insbesondere betrifft die Erfindung die Ver hinderung von Sekundärhydrierung und eines Sekundärdefekts, nachdem ein typischer Primärdefekt an einem Kernbrennstab aufgetreten ist. Obgleich das Auftreten eines Primärdefekts ungewöhnlich ist, werden wesentliche Vorteile erzielt, wenn die Gefahr, dass ein Primärdefekt zu Sekundärhydrierung, Sekundärdegradation und dem Auftreten eines Sekundärdefekts führt, reduziert werden kann.
Dieses Ziel wird mit dem Kernbrennstab für einen Kernreaktor des Siedewassertyps erreicht, der in der Einführung offenbart wurde und sich dadurch auszeichnet, dass der Innendruck des Füllgases in dem Kernbrennstab mindestens 2 bar (abs) beträgt und der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 3 Volumenprozent des Füllgases beträgt. Erfindungsgemäß besteht ein bestimmter Teil des Füllgases, das im Zusammenhang mit der Herstellung des Brennstabes zugefügt wird, aus Kohlenmonoxid. Das Füllgas kann daher aus einer Mischung aus Helium und Kohlenmonoxid bestehen. Da das Kohlenmonoxid nicht durch Absorption durch den Brennstoff oder das Hüllrohr aufgebraucht wird, ist gewährleistet, dass das Füllgas sogar dann Kohlenmonoxid enthält, nachdem der Kernbrennstab für einen wesentlichen Teil seiner Gesamtlebensdauer lang in Betrieb war. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Modifizierung des normalerweise verwendeten Füllgases die Fähigkeit der Umhüllung zur Wasserstoffabsorption reduziert. Untersuchungen haben gezeigt, dass CO eine Wirkung hat, die nicht an sich zu einer Oxidation von Zr führt, sondern die Blockierung der Adsorptionsstellen für Wasserstoff blockiert, d. h. CO wird an den Stellen an der Zirkoniumoberfläche adsorbiert, wo sonst Wasserstoff adsorbiert würde, um später von dem Zirkoniummaterial absorbiert zu werden. Die Untergrenze für den CO-Partialdruck im Verhältnis zu dem He-Partialdruck, ppCO/ppHe, wird durch die Menge an Kohlenmonoxid definiert, die verbraucht wird, um nach einem hypothetischen Primärdefekt eine wesentliche Reduzierung der Wasserstoff-Absorptionsgeschwindigkeit zu erreichen, während eine Obergrenze für ppCO/ppHe von der Wärmeleitfähigkeit der Gasmischung begrenzt wird. Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Füllgases drastisch reduziert wird, verglichen mit dem Fall, bei dem das Füllgas im Wesentlichen nur aus Helium besteht, verschlechtert sich die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Brennstoff-Pellets und der Umhüllung, was zu einer erhöhten Pellet-Temperatur und einer erhöhten Spaltgasemission führt. Eine bestimmte Verschlechterung der Wärmeleitfähigkeit der Gasmischung ist akzeptabel, aber die Obergrenze für ppCO/ppHe muss so gewählt werden, dass die Spaltgasemission nicht zu einer unerwünschten Burnout-Begrenzung führt. Deshalb ist die Obergrenze für ppCO/ppHe abhängig von dem Burnout-Niveau, dem der konkrete Kernbrennstab ausgesetzt werden soll.
Wenn man die Oberfläche einer Komponente betrachtet, die aus Zirkonium oder einer Legierung auf der Basis von Zirkonium hergestellt ist, kann man sogar beobachten, dass Gase eine unterschiedliche Neigung zur Adsorption an der eigentlichen Oberfläche haben. CO hat eine relativ hohe Adsorptionsneigung, die schematisch wie folgt dargestellt werden kann: H₂O > CO > H₂ > N₂ > He. Laboruntersuchungen haben gezeigt, dass sogar ein kleinerer Anteil von CO in dem Füllgas in der in Anspruch 1 genannten Größenordnung die Wasserstoff-Absorptionsgeschwindigkeit des Materials auf der Basis von Zirkonium Zr stark reduziert. Das bedeutet, dass die Wasserstoff-Absorptionsgeschwindigkeit während des wesentlichen Laufs der Ereignisse direkt nach dem Auftreten eines Primärdefekts reduziert werden kann. Wenn man auf diese Art eine Wasserstoffabsorption vermeiden kann, die einen lokal sehr hohen Wasserstoffgehalt hervorruft, kann die Gefahr des Auftretens eines Sekundärdefekts sogar stark reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 4 Volumenprozent des Füllgases. Die Anmelderin hat gezeigt, dass die angestrebte Wirkung, eine Wasserstoff-Absorption zu verhindern, verbessert wird, wenn ein steigender Anteil Kohlendioxid in dem Füllgas verwendet wird. Der Anteil Kohlendioxid kann deshalb vorteilhafterweise mindestens 5 Volumenprozent des Füllgases und stärker vorteilhafterweise mindestens 6 Volumenprozent des Füllgases betragen.
Die Aufgabe wird auch durch den in der Einführung offenbarten Kernbrennstab für einen Kernreaktor des Druckwassertyps gelöst, der sich dadurch auszeichnet, dass der Innendruck des Füllgases in dem Kernbrennstab wenigstens 10 bar (abs) beträgt und dass der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 2 Volumenprozent des Füllgases beträgt. Vorteile, die den oben genannten für einen Kernreaktor des Siedewassertyps entsprechen, werden durch die Verwendung eines solchen Kernbrennstabs in einem Kernreaktor des Druckwassertyps erzielt.
Gemäß weiterer Ausführungsformen des Kernbrennstabs für einen Kernreaktor des Druckwassertyps beträgt der Anteil des Kohlenmonoxids mindestens 3 Volumenpro zent des Füllgases, mindestens 4 Volumenprozent des Füllgases und insbesondere mindestens 5 Volumenprozent des Füllgases.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat das Hüllrohr eine Innenfläche, die dem Innenraum zugewandt ist, wobei das Material in dem Hüllrohr, das der Innenfläche am nächsten liegt, voroxidiert ist und daher Zirkoniumoxid enthält. Es ist bekannt, die Innenfläche des Hüllrohrs mit einer dünnen Zirkoniumoxidschicht zu versehen. Eine solche Oxidschicht hat eine Schutzwirkung gegen die Absorption von Wasserstoff in dem Zirkoniummaterial. Zusammen mit der erfindungsgemäßen Zugabe von Kohlenmonoxid kann die Reduzierung der Wasserstoffabsorption in dem Zirkoniummaterial damit deutlich verbessert werden.
Die Aufgabe wird auch durch das Verfahren gelöst, das in der Einführung zur Herstellung eines Kernbrennstabs für einen Kernreaktor des Siedewassertyps genannt wurde, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Hüllrohrs, das einen Innenraum definiert und das aus mindestens einem der Materialien der Zirkonium-Gruppe und einer Legierung auf Zirkonium-Basis hergestellt ist,
– Einführen einer Säule von Kernbrennstoff-Pellets, die im Innenraum des Hüllrohrs so angeordnet sind, dass die Kernbrennstoff-Pellets einen Teil des Innenraums ausfüllen, und
– Auffüllen des Innenraums mit einem Füllgas, das einen Anteil Inertgas und einen Anteil Kohlenmonoxid enthält, um den Rest des Innenraums zu füllen, und Verschließen des Innenraums, sobald im Innenraum ein Innendruck vorliegt, der mindestens 2 bar (abs) beträgt,

Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren gelöst, das in der Einführung zur Herstellung eines Kernbrennstabs für einen Kernreaktor des Druckwassertyps genannt wurde, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Hüllrohrs, das einen Innenraum definiert und das aus mindestens einem der Materialien der Zirkonium-Gruppe und einer Legierung auf der Basis von Zirkonium hergestellt ist,
– Einführen einer Säule von Kernbrennstoff-Pellets, die im Innenraum des Hüllrohrs so angeordnet sind, dass die Kernbrennstoff-Pellets einen Teil des Innenraums ausfüllen, und
– Auffüllen des Innenraums mit einem Füllgas, das einen Anteil Inertgas und einen Anteil Kohlenmonoxid enthält, um den Rest des Innenraums zu füllen, und Verschließen des Innenraums, sobald im Innenraum ein Innendruck vorliegt, der mindestens 10 bar (abs) beträgt,

Gemäß einer Ausführungsform des Kernbrennstabs umfasst das Hüllrohr eine Innenfläche, die dem Innenraum zugewandt ist, wobei das Verfahren den Schritt umfassen kann, die Innenfläche mit einer Außenschicht zu versehen, die Zirkoniumoxid enthält, bevor die Kernbrennstoff-Pellets und das Füllgas in das Hüllrohr eingeführt werden. Zusammen mit dem zugefügten Kohlenmonoxidgas führt eine solche Oxidschicht zu einer weiteren Reduzierung der Wasserstoffabsorption in dem Zirkoniummaterial.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nun detaillierter durch eine Beschreibung der unterschiedlichen Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
1 zeigt schematisch einen Querschnitt in Längsrichtung eines erfindungsgemäßen Kernbrennstabs.
2 zeigt schematisch eine geschnittene Teil-Seitenansicht eines Kernbrennelements für einen Siedewasserreaktor mit mehreren erfindungsgemäßen Kernbrennstäben.
3 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Kernbrennelements für einen Druckwasserreaktor mit mehreren erfindungsgemäßen Kernbrennstäben.
4 zeigt einen Graph der Wasserstoffabsorptionsgeschwindigkeit der Materialien auf Zirkoniumbasis für unterschiedliche CO/H₂-Verhältnisse.
5 zeigt einen Graph, der darstellt, wie sich der H₂-Partialdruck in einem geschlossenen Raum als Funktion der Zeit ändert, wenn ein Material auf Zirkoniumbasis H₂ in einer Atmosphäre mit unterschiedlichen CO-Partialdrücken ausgesetzt ist.
6 zeigt einen weiteren Graph, der darstellt, wie der H₂-Partialdruck sich in einem geschlossenen Raum als Funktion der Zeit ändert, wenn ein Material auf Zirkoniumbasis H₂ in einer Atmosphäre ausgesetzt ist, wo sich der CO-Partialdruck während der Exposition ändert.
7 zeigt einen Graph des CO-Partialdrucks in einem geschlossenen Raum mit Zr als Funktion der Zeit.
8 zeigt einen Graph des CO-Partialdrucks in einem geschlossenen Raum mit fünf Kern-Pellets als Funktion der Zeit.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG UNTERSCHIEDLICHER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt schematisch einen Kernbrennstab 1 für einen Kernreaktor des Leichtwassertyps. Der Kernreaktor kann ein Siedewasserreaktor (SWR) oder ein Druckwasserreaktor (DWR) sein. Die Kernbrennstäbe umfassen ein Hüllrohr 2, das einen geschlossenen Innenraum 3 abgrenzt. Das Hüllrohr 2 hat ein erstes oberes Ende, das mit einem oberen Verschluss 4 verschlossen ist, und ein zweites unteres Ende, das mit einem unteren Verschluss 5 verschlossen ist.
Das Hüllrohr 2 ist aus mindestens einem der Materialien aus der Zirkonium-Gruppe und einer Legierung auf der Basis von Zirkonium hergestellt. Eine solche Legierung auf der Basis von Zirkonium kann ZIRCALOY-2 oder ZIRCALOY-4 sein. Bei der gezeigten Ausführungsform umfasst das Hüllrohr 2 auch ein äußeres Rohr 6 und ein inneres Rohr 7, wobei das innere Rohr 7 eine so genannte Auskleidung bildet, die so hergestellt ist, dass sie eine Metallbindung an das äußere Rohr 6 hat. Das äußere Rohr 6 kann aus einer beliebigen der oben genannten Legierungen auf der Basis von Zirkonium hergestellt sein, während das innere Rohr 7 aus reinem Zirkoniummetall herge stellt sein kann. Es ist hervorzuheben, dass das Hüllrohr 2 nur ein Rohr ohne Auskleidung umfassen kann.
Die Kernbrennstäbe 1 umfassen auch eine Säule aus Brennstoff-Pellets 9, die in dem Innenraum 3 in dem Hüllrohr 2 angeordnet sind. Die Brennstoff-Pellets 9 vom herkömmlichen Typ umfassen komprimiertes Uranoxid. Die Säule von Brennstoff-Pellets 9 füllt einen Teil des Innenraums 3, wobei ein schmaler Spalt 10 zwischen den Brennstoff-Pellets 9 und der Innenfläche des inneren Rohrs 7 vorhanden ist. Weiterhin ist in dem Innenraum 3 ein Plenum 11 vorhanden, beispielsweise über den Brennstoff-Pellets 9, wobei die Säule aus Brennstoff-Pellets 9 mit Hilfe eines elastischen Mittels 12 gegen den unteren Verschluss 5 gedrückt wird.
Die Kernbrennstäbe 1 enthalten auch ein Füllgas, das in dem Innenraum 3 angeordnet ist und den Rest des Innenraums 3 ausfüllt, d. h. im Wesentlichen den Spalt 10, das Plenum 11 und eventuell Spalte zwischen den Brennstoff-Pellets 9. Das Füllgas enthält einen Anteil an Inertgas und einen Anteil an Kohlenmonoxid. Bei der gezeigten Ausführungsform besteht das Füllgas im Wesentlichen aus dem Anteil an Inertgas und dem Anteil an Kohlenmonoxid. Das Inertgas besteht im Wesentlichen aus Helium, aber sogar andere Inertgase sind möglich.
2 zeigt schematisch ein Beispiel für ein Kernbrennelement 15, das für einen Siedewasserreaktor vorgesehen ist und mehrere erfindungsgemäße Kernbrennstäbe 1 umfasst. Die Brennstäbe 1 sind miteinander verbunden und werden mittels mehrerer Abstandhalter 16 im richtigen Abstand voneinander gehalten. Die Kernbrennstäbe 1 können weiterhin in einem Kasten 17 eingeschlossen sein, der ein teilweise gezeigtes Gehäuse um die Stäbe 1 bildet und sich von einer unteren Platte 18 am unteren Ende des Brennstabs 1 zu einer oberen Platte 19 am oberen Ende des Brennstabs 1 erstreckt.
3 zeigt schematisch in entsprechender Weise ein Beispiel eines Kernbrennelements 25 für einen Druckwasserreaktor. Das Kernbrennelement 25 umfasst auch erfindungsgemäße Kernbrennstäbe 1 und mehrere Abstandhalter 26 entlang der Länge des Kernelements 25. Die Abstandhalter haben in diesem Fall auch die Aufgabe, die Führungen 27 zu greifen, die sich durch das Bündel von Brennstäben 1 erstrecken und die an ihren unteren Enden mit einem unteren Glied 28 und an ihren oberen Enden mit einem oberen Glied 29 verbunden sind.
Das Hüllrohr 2 der Brennstäbe kann an seiner Innenfläche, d. h. an der Innenfläche des inneren Rohrs 7 oder an der Innenfläche des äußeren Rohrs 6, wenn keine Auskleidung vorhanden ist, voroxidiert sein. Das bedeutet, dass eine dünne Oxidschicht an der Innenfläche erzeugt wurde, bevor die Kernbrennstäbe 1 angebracht werden, d. h. bevor die Brennstoff-Pellets 9 in das Hüllrohr 2 eingeführt werden, wird das Füllgas zugefügt und das Hüllrohr 2 wird verschlossen. Die Innenfläche wird daher aus einer Oberflächenschicht gebildet, die Zirkoniumoxid umfasst oder im Wesentlichen aus Zirkoniumoxid besteht. Eine solche Zirkoniumoxidschicht oder eine solche Zirkoniumoxidbeschichtung kann sehr dünn sein, bei einer Dicke, die weniger als 2 μm und bevorzugt weniger als 1 μm beträgt. Die Oxidschicht wird bevorzugt durch Autoklavieren, Anodisieren oder Trockensauerstoffgasaussetzung hergestellt, wobei eine hochdichte Oxidschicht erzielt werden kann.
Die Anmelderin hat Laboruntersuchungen durchgeführt, die zeigen, dass ein geringerer CO-Zusatz in Wasserstoff die Geschwindigkeit reduziert, mit der ein Material auf Zirkoniumbasis, gleichgültig, ob es voroxidiert ist oder nicht, Wasserstoff absorbiert. Das Ergebnis dieser Untersuchungen ist in 4 bis 8 dargestellt.
4 zeigt einen Graph der Wasserstoff-Absorptionsgeschwindigkeit bei 400°C bei unterschiedlichen CO/H₂-Verhältnissen für voroxidiertes Zirkoniummaterial (voroxidiertes Zircaloy-2, Zr2ox) und nicht voroxidiertes Zirkoniummaterial (reines Zirkonium, Zr). Es ist ersichtlich, dass für reines Zirkonium die Wasserstoffabsorption bei ppCO/ppH₂ ungefähr gleich 0,2 um einen Faktor 10 reduziert wird, im Vergleich dazu, wenn kein CO zugefügt wurde. Für eine voroxidierte Legierung auf Zirkoniumbasis wird eine entsprechende Faktor-10-Reduzierung bereits bei ppCO/ppH₂ ungefähr gleich 0,04 erreicht.
5 zeigt einen Graph der Wasserstoffabsorption bei 400°C in einer voroxidierten Zirkoniumlegierung (Zircaloy-2), wo ersichtlich wird, dass ppH₂ in einem geschlossenen Raum, der eine voroxidierte Zirkoniumlegierung enthält, im Wesentlichen im Verlauf der Zeit konstant bei ppCO = 2 mbar und ppCO/ppH₂ = 0,14 liegt.
6 zeigt einen weiteren Graph der Wasserstoffabsorption bei 400°C in voroxidiertem Zircaloy-2, wobei CO nach ungefähr 400 min. zugefügt wird, so dass ppH₂ bei 2,5 mbar liegt und ppCO/ppH₂ = 0,04 ist. Eine deutliche Reduzierung der Wasserstoffabsorption kann dann beobachtet werden.
7 zeigt einen Graph des CO-Partialdrucks in einem geschlossenen Raum mit Zr als Funktion der Zeit. Aus dem Graph ist ersichtlich, dass das CO-Gas nicht von dem Zr absorbiert wird, sogar wenn CO-Moleküle an der Zirkoniumoberfläche adsorbiert werden.
8 zeigt einen Graph des CO-Partialdrucks in einem geschlossenen Raum mit fünf Brennstoff-Pellets als Funktion der Zeit. Aus dem Graph ist ersichtlich, dass CO von den Brennstoff-Pellets weder bei 400°C noch bei 600°C absorbiert wird.
Wenn Legierungen auf Zirkoniumbasis wie Zircaloy-2 oder Zircaloy-4 einer Wasserstoffgasatmosphäre mit variierenden Kohlenmonoxid-Partialdrücken, ppCO, ausgesetzt werden, zeigen die durchgeführten Untersuchungen, dass ein relativ niedriger Kohlenmonoxid-Partialdruck (ppCO/ppH₂ ungefähr gleich 0,2, s. 4) eine drastische Auswirkung auf die Geschwindigkeit hat, mit der das Metall Wasserstoff absorbiert. Die Absorptionsgeschwindigkeit sinkt ungefähr um einen Faktor 10 im Vergleich zu dem Fall, wenn das Metall reinem Wasserstoffgas ausgesetzt wird. Die Wirkung wird akzentuiert, wenn das Material auf Zirkoniumbasis voroxidiert wird. In diesem Fall wurde bereits dann eine drastisch reduzierte Absorptionsgeschwindigkeit beobachtet, wenn ppCO/ppH₂ ungefähr gleich 0,04 ist. Die Untersuchungen zeigten auch, dass die Voroxidation an sich die Wasserstoff-Absorptionsgeschwindigkeit stark reduziert, dass aber eine Voroxidation in Kombination mit der Zugabe von Kohlenmonoxid die Absorptionsgeschwindigkeit drastisch weiter reduziert, s. 4. In diesem Fall ist die Absorptionsgeschwindigkeit bei ppCO/ppH₂ = 0,04 ungefähr um einen Faktor 100 niedriger, als wenn nicht voroxidiertes Material auf Zirkoniumbasis Wasserstoffgas ausgesetzt wird, und die Absorptionsgeschwindigkeit kann weiter reduziert werden, wenn der Kohlenmonoxid-Partialdruck erhöht wird.
Angenommen, dass eine Mischung des anfänglichen Füllgases, in diesem Fall He und CO, und Wasserstoffgas in einem Abstand von einem Primärdefekt unmittelbar nach Auftreten des Defekts vorhanden ist, und dass der Wert ppCO/ppH₂ einen bestimmten kritischen Wert F_krit überschreitet, kann der niedrigste ppCO, den das Füllgas aufweisen sollte, geschätzt werden. Da in diesem Fall der absolute Wert von ppCO von Interesse ist, ist die Konsequenz, dass ppCO/ppHe sinken kann, wenn ppCO + ppHe steigt, angenommen, dass der Systemdruck des Reaktors konstant ist. Letzteres ist eine vernünftige Annahme, bedeutet aber, dass die Auswahl von ppCO zwischen Brennstäben, die für Siedewasserreaktoren (SWR) hergestellt sind, wo der Systemdruck P_sys typischerweise ungefähr 70 bar beträgt, und solchen für Druckwasserreaktoren (DWR), wo der Systemdruck P_sys normalerweise ungefähr 150 bar beträgt, variieren kann.
Wenn der Fülldruck eines Brennstabs bei Raumtemperatur, T_R, P_fill ist, und der Druck in einem Brennstab sich um einen Faktor A erhöht (typischerweise 2–3), wenn die Temperatur des Brennstabs von der Raumtemperatur T_R auf Betriebstemperatur steigt, hat der Brennstab anfangs im Betrieb einen Innendruck P_i, der P_i = P_fill·A beträgt. Wenn P_sys der Systemdruck ist und wenn das Druckgleichgewicht zwischen dem Innendruck des Stabs und dem Systemdruck nach einem Primärdefekt auftritt, bedeutet dies, dass angenommen werden kann, dass der Durchschnittswert von ppH₂O + ppH₂, berechnet über die gesamte Länge des Brennstabs nach einem Primärdefekt, ppH₂O + ppH₂ = P_sys – P_i ist. In einem Abstand von dem Primärdefekt ist ppH₂O während der Zeit unmittelbar nach Auftreten eines Primärdefekts vernachlässigbar, während ppH₂ relativ sehr hoch ist, abhängig von der raschen Reaktion der Wassermoleküle mit dem Inneren der Umhüllung während der Bildung von Zirkoniumoxid und der Freisetzung von Wasserstoff in Kombination mit der höheren Diffusionsgeschwindigkeit des Wasserstoffgases wie oben offenbart. In einem Abstand von dem Primärdefekt während der tatsächlichen Zeitspanne kann angenommen werden, dass das Gas lokal aus einer Mischung von Füllgas (He + CO) und H₂ besteht, und dass ppH₂ lokal das Verhältnis erfüllt: Psys – Pi < ppH2 < Psys.
Da die Fraktion ppCO/ppH₂ oberhalb eines bestimmten kritischen Werts F_krit liegen sollte und ppCO bei Betriebstemperatur ppCO(T_R)·A ist, sollte ppCO(T_R) sein: PPCO(TR) = Fkrit·ppH2/A = Fkrit·(Psys – Pi)/A = Fkrit·(Psys – Pfill·A)/A.

Die folgende Tabelle zeigt verschiedene Beispiele der Menge an CO, ausgedrückt als Partialdruck und Volumenprozent bei einem SWR und einem DWR für verschiedene Werte von P_fill, F_krit und A. Zusätzliche Werte der CO-Menge können einfach unter Verwendung der Formel berechnet werden, die für andere Werte von P_fill, P_sys, F_krit und A angegeben sind. F_krit 0,02 und 0,03 sind in der Tabelle beispielartig angeführt. Bereits bei diesen beiden relativ niedrigen CO-Gehalten im Verhältnis zur Menge des Wasserstoffgases wird eine beträchtliche Reduzierung der Wasserstoffabsorption erzielt, wie aus 4 ersichtlich ist, insbesondere wenn die Zirkoniumoberfläche voroxidiert ist. Innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung können eine geringere Reduzierung der Wasserstoffabsorption und daher eine niedrigere Menge Kohlenmonoxid in dem Fallgas gewählt werden als die, die in der folgenden Tabelle für spezifische Innendrücke P_fill angegeben sind. Wenn die Zirkoniumoberfläche nicht oxidiert ist, sollte F_krit etwas höher liegen, als aus 4 zu ersehen ist, was zu einem anfänglich höheren Volumenprozent an CO führt.

P_fill bar (abs)	P_sys bar (abs)	F_krit	A	ppCO bar (abs)	Vol.-% CO
2	70	0,02	2	0,66	33,0
3	70	0,02	2	0,64	21,3
4	70	0,02	2	0,62	15,5
4	70	0,02	2,5	0,48	12,0
4	70	0,02	3	0,39	9,75
4	70	0,03	2	0,93	23,3
4	70	0,03	2,5	0,72	18,0
4	70	0,03	3	0,68	17,0
5	70	0,02	2	0,60	12,0
5	70	0,02	2,5	0,46	9,20
5	70	0,02	3	0,43	8,60
5	70	0,03	2	0,90	18,0
5	70	0,03	2,5	0,81	16,2
5	70	0,03	3	0,65	13,0
6	70	0,02	2	0,58	9,6
6	70	0,02	2,5	0,44	7,3
6	70	0,02	3	0,34	5,7
7	70	0,02	2	0,56	8,0
7	70	0,02	2,5	0,42	6,0
7	70	0,02	3	0,33	4,6
10	150	0,02	2	1,3	13,0
15	150	0,02	2	1,2	8,00
20	150	0,02	2	1,1	5,50
20	150	0,02	2,5	0,8	4,00
20	150	0,02	3	0,6	3,00
20	150	0,03	2	1,65	8,25
20	150	0,03	2,5	1,2	6,00
20	150	0,03	3	0,9	4,50
25	150	0,02	2	1,0	4,00
25	150	0,02	2,5	0,75	3,00
25	150	0,02	3	0,5	2,00
25	150	0,03	2	1,5	6,00
25	150	0,03	2,5	1,05	4,20
25	150	0,03	3	0,75	3,00

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern kann innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche variiert und abgewandelt werden.

Claims

Kernbrennstab für einen Kernreaktor des Siedewassertyps, umfassend – ein Hüllrohr (2), das einen geschlossenen Innenraum (3) abgrenzt und das aus mindestens einem der Materialien aus der Zirkonium-Gruppe und einer Legierung auf der Basis von Zirkonium hergestellt ist, – eine Säule aus Kernbrennstoff-Pellets (9), die in dem Innenraum des Hüllrohrs so angeordnet sind, dass die Kernbrennstoff-Pellets einen Teil des Innenraums (3) ausfüllen, und – ein Füllgas, das in den geschlossenen Innenraum (3) eingebracht ist, um den Rest des Innenraums auszufüllen, wobei das Füllgas einen Anteil Inertgas und einen Anteil Kohlenmonoxid enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendruck (P_fill) des Füllgases in dem Kernbrennstab mindestens 2 bar (abs) bei Raumtemperatur (T_R) und der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 3 Volumenprozent des Füllgases beträgt.
Kernbrennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 4 Volumenprozent des Füllgases beträgt.
Kernbrennstab nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 5 Volumenprozent des Füllgases beträgt.
Kernbrennstab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 6 Volumenprozent des Füllgases beträgt.
Kernbrennstab für einen Kernreaktor des Druckwassertyps, umfassend – ein Hüllrohr (2), das einen geschlossenen Innenraum (3) definiert und das aus mindestens einem der Materialien der Zirkonium-Gruppe und einer Legierung auf Zirkoniumbasis hergestellt ist, – eine Säule aus Kernbrennstoff-Pellets (9), die im Innenraum des Hüllrohrs so angeordnet ist, dass die Kernbrennstoff-Pellets einen Teil des Innenraums ausfüllen, und – ein Füllgas, das in den geschlossenen Innenraum (3) eingebracht ist, um den Rest des Innenraums auszufüllen, wobei das Füllgas einen Anteil Inertgas und einen Anteil Kohlenmonoxid enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendruck (P_fill) des Füllgases im Kernbrennstab mindestens 10 bar (abs) bei Raumtemperatur (T_R) und dass der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 2 Volumenprozent des Füllgases beträgt.
Kernbrennstab nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 3 Volumenprozent des Füllgases beträgt.
Kernbrennstab nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 4 Volumenprozent des Füllgases beträgt.
Kernbrennstab nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenmonoxid-Anteil mindestens 5 Volumenprozent des Füllgases beträgt.
Kernbrennstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (2) eine Innenfläche hat, die dem Innenraum (3) zugewandt ist, und dass das Material im Hüllrohr, das der Innenfläche am nächsten liegt, voroxidiert ist und daher mit einer Oberflächenschicht versehen ist, die Zirkoniumoxid enthält.
Kernbrennstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Inertgas im wesentlichen aus Helium besteht.
Brennelement, das eine Anzahl Kernbrennstäbe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstabs für einen Kernreaktor des Siedewassertyps, das die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Hüllrohrs, das einen Innenraum definiert und das aus mindestens einem der Materialien der Zirkonium-Gruppe und einer Legierung auf Zirkonium-Basis hergestellt ist, – Einführen einer Säule von Kernbrennstoff-Pellets, die im Innenraum des Hüllrohrs so angeordnet sind, dass die Kernbrennstoff-Pellets einen Teil des Innenraums ausfüllen, und – Auffüllen des Innenraums mit einem Füllgas, das einen Anteil Inertgas und einen Anteil Kohlenmonoxid enthält, um den Rest des Innenraums zu füllen, und Verschließen des Innenraums, sobald im Innenraum ein Innendruck vorliegt, der mindestens 2 bar (abs) bei Raumtemperatur (T_R) beträgt, wobei der Kohlenmonoxid-Anteil höher ist als 3 Volumenprozent des Füllgases.
Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstabes für einen Kernreaktor des Druckwassertyps, das die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Hüllrohrs, das einen Innenraum definiert und das aus mindestens einem der Materialien der Zirkonium-Gruppe und einer Legierung auf der Basis von Zirkonium hergestellt ist, – Einführen einer Säule von Kernbrennstoff-Pellets, die im Innenraum des Hüllrohrs so angeordnet sind, dass die Kernbrennstoff-Pellets einen Teil des Innenraums ausfüllen, und – Auffüllen des Innenraums mit einem Füllgas, das einen Anteil Inertgas und einen Anteil Kohlenmonoxid enthält, um den Rest des Innenraums zu füllen, und Verschließen des Innenraums, sobald im Innenraum ein Innendruck vorliegt, der mindestens 10 bar (abs) bei Raumtemperatur (T_R) beträgt, wobei der Kohlenmonoxid-Anteil höher als 2 Volumenprozent des Füllgases ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 und 13, wobei das Hüllrohr eine Innenfläche aufweist, die dem Innenraum zugewandt ist, und wobei die Innenfläche mit einer Oberflächenschicht versehen wird, die Zirkoniumoxid enthält, bevor die Kernbrennstoff-Pellets in das Hüllrohr eingeführt werden.