PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE2515709C2 16.07.1987
Titel Verfahren zum Vorbehandeln von Brennstäben in einem Reaktorkern
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Thomson, John Robert;
Rowland, Trevor Cartwright;
Proebstle, Richard Alan, San Jose, Calif., US;
Rosicky, Edward, Fremont, Calif., US;
Hoffsnyder, Thoma Mees Vant, Los Altos, Calif., US
Vertreter Schüler, H., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 6000 Frankfurt
DE-Anmeldedatum 10.04.1975
DE-Aktenzeichen 2515709
Offenlegungstag 23.10.1975
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.07.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.07.1987
IPC-Hauptklasse G21C 21/02
IPC-Nebenklasse G21C 3/16   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbehandeln von Brennstäben in einem Reaktorkern, wobei die Brennstäbe in langgestreckten Hüllrohren aus einer Zirkoniumlegierung zylinderförmige Tabletten aus oxidischem Kernbrennstoff enthalten, bei dem die von dem Brennstoff erzeugte Leistung bis zu einem gewählten maximalen Leistungsniveau gesteigert wird, damit die sich ausdehnenden Tabletten Kräfte auf die Rohrinnenwand ausüben.

In der DE-OS 23 32 598 ist ein Verfahren zum Betrieb eines wassergefüllten Kernreaktors beschrieben, bei dem zur Vermeidung von Spannungskorrosion in der Deckschicht die Leistung kurzfristig und schnell so hoch über die gewünschte Leistung angehoben wird, daß die durch die erhöhte Temperatur verursachte thermische Dehnung des Kernbrennstoffes einen Materialfluß in der Deckschicht hervorruft.

Das Hüllrohr des rohrförmigen Brennstabes kann eine Dicke in der Größenordnung von etwa 0,75 mm aufweisen und unterliegt bei Reaktorbetriebsbedingungen starken Belastungen. Es sind auch einige Defekte an Brennstäben aufgetreten.

Der Ausdruck "Defekt" soll hier anzeigen, daß in dem Hüllrohr des Brennstabes eine oder mehrere Öffnungen, Risse oder Löcher entstanden sind, welche das Austreten von Spaltprodukten aus dem Brennstab in das umgebende Kühlmittel gestatten.

Eine Art des Defektes ist gekennzeichnet durch in Längsrichtung verlaufende spröde Risse oder Spalten in dem Hüllrohr, die im allgemeinen benachbart zu den Grenzflächen von Brennstofftabletten oder benachbart zu Rissen in den Tabletten auftreten. Es wird gegenwärtig angenommen, daß solche Defekte vorwiegend durch eine mechanische Wechselwirkung zwischen den Brennstofftabletten und dem Hüllrohr während bestimmter Verhältnisse beim Betrieb des Brennstoffmaterials auftreten. Daher wird diese Art des Defekts als "Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungsdefekt" bezeichnet. Insbesondere treten nach dem gegenwärtigen Verständnis solche Tabletten- Hüllrohr-Wechselwirkungsdefekte wahrscheinlich unter den folgenden Umständen auf: während des Abbrennens in dem Kernreaktor dehnen sich die Brennstofftabletten aus und schwellen an. Die Tabletten werden auch noch in ihrer Gestalt verändert. Insbesondere neigen die Tabletten dazu, eine "Sanduhrform" im Gegensatz zu ihrer ursprünglichen zylindrischen Form anzunehmen. In anderen Worten die Tabletten dehnen sich an ihren Enden stärker aus als in ihren Mittelbereichen. Weiterhin wölben sich die Endoberflächen der Tabletten in Längsrichtung aus, mit der Folge, daß sich die Kanten benachbarter Tabletten voneinander entfernen. Die Bestrahlung verringert auch noch die Duktilität des Hüllrohres.

Daher kann eine plötzliche starke Änderung in dem Leistungsniveau des bestrahlten Brennstoffes ein relativ schnelles Anschwellen der Brennstofftabletten gegen das Hüllrohr bewirken. Wenn die sich ausdehnenden und sich voneinander trennenden Kanten benachbarter Tabletten (oder benachbarter Seiten eines Tablettenrisses) an dem Hüllrohr anstoßen, dann kann die hieraus resultierende örtlich begrenzte Belastung die Höchstbelastung des versprödeten Hüllrohres übersteigen, und es entsteht ein Riß als der Tabletten-Hüllrohr- Wechselwirkungsdefekt.

Es ist in höchstem Maße erwünscht, das Auftreten solcher Tabletten- Hüllrohr-Wechselwirkungsdefekte zu beseitigen oder mindestens auf ein Mindestmaß zu verringern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Vorbehandeln von Brennstäben in einem Reaktorkern, der für ein vorgegebenes maximales Niveau der Betriebsleistung ausgelegt ist, so daß nachfolgende relativ schnelle Änderungen des Leistungsniveaus, unterhalb oder bis zu dem maximalen Leistungsniveau bei einem Mindestmaß des Risikos von Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkungsdefekten an den Brennstäben vorgenommen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steigerung der erzeugten Leistung mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die zur Vermeidung von Schäden an den Brennstabrohren unterhalb einer kritischen Geschwindigkeit

Ck = C × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm)

liegt, wobei C = 0,41 KW/m/h, D = Durchmesser der Tabletten in Zentimetern, T = Dicke des Hüllrohres in Zentimetern bedeuten.

Unter der kritischen Geschwindigkeit der Leistungssteigerung ist die Geschwindigkeit der Leistungssteigerung gemeint, bei der als Ergebnis der Tabletten-Hüllrohr-Wechselwirkung die ersten Hüllrohrschäden auftreten.

Die erfindungsgemäße Erhöhung der Leistung unterhalb der gefundenen kritischen Geschwindigkeit ergibt im Gegensatz zu dem aus der DE-OS 23 32 548 bekannten Verfahren eine allmähliche Langzeitanpassung zwischen dem Hüllrohr und den Brennstofftabletten ohne daß hier durch die von den sich ausdehnenden Brennstofftabletten erzeugten Belastungen zu einem Defekt an dem Hüllrohr führen. Unter "Langzeit" ist hier zu verstehen, daß die Anpassung in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen während einer beträchtlichen Zeitdauer erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Siedewasser-Kernreaktors,

Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Brennstabes,

Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines Teils eines Brennstabes zur Veranschaulichung der Wechselwirkung zwischen den Brennstofftabletten und dem Hüllrohr und

Fig. 4 bis 10 Kurven der zeitlichen Leistungssteigerungen bei Versuchen zur Bestimmung der Steigerungsgeschwindigkeit für die Vorbehandlung und die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Vorbehandlungsverfahrens.

Die Erfindung wird nachstehend in ihrer Anwendung auf einen Siedewasser-Kernreaktor beschrieben. Sie ist jedoch nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. In Fig. 1 ist eine Anlage mit einem Siedewasser-Reaktor schematisch dargestellt. Ein Druckgefäß 100 enthält einen Brennstoffkern 101 und einen Dampfabscheider 102. Eine Vielzahl von Steuerstäben 103 kann durch Antriebseinrichtungen 104 in den Kern 101 eingeführt und aus ihm herausgezogen werden, um dessen Reaktivität zu steuern. Ein System 105 zur Auswahl und Steuerung der Steuerstäbe steuert die Arbeitsweise der Antriebseinrichtung 104 für die Steuerstäbe.

Das Gefäß 100 ist mit einem Kühlmittel (beispielsweise Leichtwasser) mit einem Pegelstand etwas oberhalb des Kerns 101 gefüllt. Das Kühlmittel wird durch den Kern 101 durch eine Umwälzpumpe 106 im Kreislauf geführt, welche das Kühlmittel aus einem nach unten führenden Ringkanal 107 aufnimmt und in einen Sammelraum 108 fördert, aus dem das Kühlmittel durch die Brennstoffbündel des Reaktorkerns nach oben strömt. Hierdurch wird die von den Brennelementen erzeugte Wärme unmittelbar auf das Wasser übertragen und teilweise im Kern verdampft. Der Dampf wird einer Turbine 109 zugeführt, die einen elektrischen Generator 110 antreibt. Die Turbine gibt den Abdampf an einen Kondensator 111 ab und das erhaltene Kondensat wird durch eine Speisewasserpumpe 112 als Speisewasser zum Gefäß 100 zurückgeführt.

Eine Antriebseinrichtung 113, die aus einem Motor mit variabler Drehzahl oder einer anderen Einrichtung bestehen kann, ist zum Antrieb der Umwälzpumpe 106 vorgesehen. Hierdurch erhält man zusätzlich zu den Steuerstäben 103 eine Möglichkeit zur Veränderung der Reaktivität des Kerns 101 über einen begrenzten Bereich. Insbesondere bewirkt eine Verringerung der Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels eine Vergrößerung des Dampfblasenanteils und eine Verminderung der Dichte des Moderator-Kühlmittels mit entsprechender Verringerung der Moderatorwirkung auf die Neutronen und damit eine Verringerung der Reaktivität des Kerns. Umgekehrt führt eine Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit des Kühlmittels zu einer Erhöhung der Moderatordichte und damit der Reaktivität des Kerns.

In Siedewasser-Reaktoren sind die Brennelemente zweckmäßigerweise in Form von langen Stäben ausgebildet, die aus einem korrosionsbeständigen, nichtreaktiven Material bestehen und einen geeigneten Brennstoff enthalten. Die Brennstäbe sind in festen Abständen voneinander in einem Strömungskanal für das Kühlmittel als Brennstoffbündel in Gruppen zusammengefaßt. Eine ausreichende Anzahl der Brennstoffbündel sind im Abstand voneinander in einer räumlichen Anordnung zur Bildung eines Kerns des Kernreaktors angeordnet, der zu einer sich selbst aufrechterhaltenden Kettenreaktion fähig ist.

Ein typisches Brennstoffbündel wird aus einer Anordnung von 7 × 7 beabstandeten Brennstäben gebildet, die jeweils eine Länge von einigen Metern, einen Durchmesser in der Größenordnung von 1,5 cm und einen Abstand untereinander von einigen Millimetern aufweisen. Die Brennstäbe sind in dem rohrförmigen Strömungskanal mit offenen Enden zwischen geeigneten Gitterplatten enthalten.

Fig. 2 zeigt einen Brennstab 115. Er enthält ein längliches Hüllrohr 116, in dem eine Säule aus Brennstofftabletten 117 und ein Sammelraum 118 zur Sammlung der bei der Spaltung entstehenden Gase enthalten sind. Das Hüllrohr 116 ist mit einem oberen Endstopfen 119 und einem unteren Endstopfen 121 verschlossen, und die Säule aus Brennstofftabletten wird in ihrer Lage durch eine Feder 122 gehalten, die sich vom oberen Teil der Säule von Brennstofftabletten 117 bis zum oberen Endstopfen 119 durch den Sammelraum 118 erstreckt.

Das Hüllrohr 116 und die Endstopfen 119 und 121 bestehen aus einer Zirkoniumlegierung. Die Tabletten 117 bestehen vorzugsweise aus einem Oxid eines geeigneten Brennstoffes, beispielsweise Uran oder Plutonium, und der Durchmesser der Tabletten 117 ist etwas geringer als der Innendurchmesser des Hüllrohr 116, um einen anfänglichen Spielraum 123 zu erhalten.

Für den hier erläuterten Siedewasser-Reaktortyp haben die Brennstofftabletten 117 typischerweise eine Länge von etwa 1,3 bis 2 cm und einen Durchmesser von etwa 1,3 cm. Das Hüllrohr 116 hat typischerweise einen Außendurchmesser von etwa 14,33 mm und eine Wandstärke von etwa 0,813 mm. Hierdurch erhält man einen zunächst vorhandenen radialen Spielraum 123 von etwa 0,127 mm (einen freien Raum auf dem Durchmesser von etwa 0,254 mm).

Fig. 3 zeigt einen Teil des Brennstabes 115, teilweise im Schnitt, zur Veranschaulichung der Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr. Mit der Erzeugung einer wachsenden Leistung (Wärme) in den Brennstofftabletten 117 dehnen sich die Brennstofftabletten in einer solchen Weise aus, daß sie eine sanduhrförmige Gestalt annehmen, wobei die Enden 126 und 127 gemäß der Abbildung in Fig. 3 gebogen sind. Der anfänglich vorhandene Spielraum 123 wird schließlich eingenommen, die Kanten 128 und 129 der Tabletten sind dann im Kontakt mit der inneren Oberfläche des Hüllrohres 116, und es erfolgt die Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr. Eine weitere Ausdehnung der Brennstofftablette bewirkt eine Belastung am Umfang des Hüllrohres 116 an den Punkten der Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr. Außerdem haben die Enden 128 und 129 der Tablette eine Neigung zum Festhaften an dem Hüllrohr. Daher bewirkt ein weiteres Ausbiegen der Enden 126 und 127, daß sich die Tabletten 128 und 129 in Längsrichtung auseinanderbewegen und dabei eine Belastung auf das Hüllrohr in Längsrichtung erzeugt wird. Weiterhin entstehen in den Tabletten 117 Längsrisse 131. Die scharfen Kanten dieser Risse können Punkte mit hoher örtlicher Belastung an dem Hüllrohr ergeben.

Für den hier erörterten Typ von Brennstäben liegt die maximale Spitzenleistung im Betrieb in der Größenordnung von etwa 53 bis 60 kW/m, und es wurde gefunden, daß die Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr in dem Leistungsbereich von etwa 18 bis 33 kW/m einsetzt und darüber sich verstärkt. Es wurde gefunden, daß sich bei der Ausführung von schnellen Änderungen des Leistungsniveaus in diesem Bereich für die Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr schnelle, örtlich begrenzte Erhöhungen der Belastung und der Spannung in dem Hüllrohr oberhalb der Streckgrenze des Materials ergeben und ein Defekt an dem Hüllrohr durch die Entstehung von Rissen erfolgen kann; ein charakteristischer Riß ist bei 132 abgebildet. Die Wahrscheinlichkeit eines Tabletten- Hüllrohr-Wechselwirkungsdefektes wird mit der Lebensdauer des Brennstoffes in einem Reaktor infolge der Verringerung der Duktilität des Hüllrohres durch die Bestrahlung erhöht.

In Fig. 4 wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung des Brennstoffes anhand eines Leistungs/Zeit-Diagramms veranschaulicht. Zunächst wird die Brennstoffleistung in dem Bereich für die Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr auf das erwünschte maximale Leistungsniveau mit einer Geschwindigkeit erhöht, die unter einer kritischen Geschwindigkeit liegt, die eine Beschädigung des Hüllrohres verursachen würde. Die maximale Geschwindigkeit dieses anfänglichen Leistungsanstieges wurde mit etwa 0,33 kW/m/h Spitzenleistung für den Brennstab gefunden.

Gemäß dem derzeitigen Verständnis wird angenommen, daß der Widerstand des bestrahlten Hüllrohres gegenüber der Rißbildung bei Zugbelastung sehr stark von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit der das Hüllrohr gedehnt wird. Daher gestattet die beschriebene anfängliche, relativ langsam erfolgende Steigerung der Leistung eine plastische Verformung des Hüllrohres gemäß den von den sich ausdehnenden Brennstofftabletten erzeugten Spannungen. Es wird auch noch angenommen, daß die Spannungsbelastung des Hüllrohres durch eine langsame plastische Verformung oder einen Kriechvorgang an den Brennstofftabletten gemildert wird, der durch die von dem belasteten Hüllrohr erzeugten rückwirkenden Kräfte entsteht. Dies ist besonders der Fall bei hohen Leistungswerten, bei denen die Brennstofftabletten stärker dehnbar werden. In jedem Falle wurde gefunden, daß der Brennstoff, der mit der gefundenen Vorbehandlungsgeschwindigkeit auf Leistung gebracht wird, keine Ausfallerscheinungen zeigt, und auch später schnelle Änderungen des Leistungsniveaus (beispielsweise 15% der Nennleistung pro Minute) mit einem Mindestrisiko für einen Defekt durch Wechselwirkung zwischen der Brennstofftablette und dem Hüllrohr vorgenommen werden können (beispielsweise zur Nachführung bei einer steigenden Belastung erforderlich), wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Fig. 4 zeigt eine kontinuierliche anfängliche Steigerungsgeschwindigkeit für die Leistung. Es wurde jedoch gefunden, daß es zweckmäßiger ist, die Leistung in einer Folge von Schritten zu steigern, wie es in den Fig. 5 bis 7 dargestellt ist. Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Vorbehandlungsverfahren für den Brennstoff schrittweise ausgeführt werden kann, wenn die einzelnen Schritte oder Leistungsstufen klein genug sind. Beispielsweise wurden Leistungsstufen von etwa 0,33 kW/m Spitzenleistung als praktisch ausführbar gefunden. Der maximal zulässige Wert scheint bei etwa 1,6 kW/m Spitzenleistung zu liegen.

Das hier beschriebene Verfahren zur Vorbehandlung des Brennstoffes gestattet spätere schnelle Leistungsänderungen. Es wurde jedoch weiterhin gefunden, daß die Wirkung der Vorbehandlung verlorengehen kann, wenn der Brennstoff später während eines ausgedehnten Zeitraumes bei Leistungswerten unterhalb oder in der Nähe der unteren Grenze für die Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr betrieben wird. Es wird angenommen, daß sich dieser Verlust der Wirkung der Vorbehandlung durch Betrieb des Brennstoffes mit niedrigen Leistungswerten aus einer Relaxation des Brennstoffes, einem Ausheilen der Risse in der Brennstofftablette und einer Relaxation und einer Kriecherscheinung in dem Hüllrohr ergibt. Daher wurde es als notwendig gefunden, nach einem ausgedehnten Zeitraum des Betriebes des Brennstoffes mit niedriger Leistung den Brennstoff erneut zum Betrieb mit höheren Leistungswerten vorzubehandeln, wenn man den Defekt durch Wechselwirkung zwischen Brennstofftablette und Hüllrohr vermeiden will.

Die Zeitdauer und die Bedingungen für den Verlust der Auswirkungen der Vorbehandlung wurden noch nicht vollständig ermittelt und sind anscheinend von einer Anzahl von Faktoren abhängig, einschließlich der Vorgeschichte des Betriebes mit hoher Leistung. In jedem Falle wurde gemäß der nachstehenden Erläuterung gefunden, daß eine Vorbehandlung gemäß der Erfindung während einer ausreichenden Zeitdauer wirksam ist, um den praktischen Betrieb von einem Tag zum anderen und die Ausgleichung der Belastungsänderung an Wochenenden zu gestatten.

Es folgen nachstehend einige Vergleichsbeispiele und Beispiele zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung.

Vergleichsbeispiel a

Es wurde ein Brennstab geprüft, welcher zuvor einem Reaktor mit einem Abbrand von etwa 9000 bis 12000 Megawatt-Tagen pro Tonne entnommen war. Während der letzten Monate dieser Bestrahlung lag die Spitzenleistung in diesem Brennstoffstab bei weniger als etwa 33 kW/m. Dieser Brennstab wurde in einen Versuchsreaktor eingesetzt und dessen Leistung wurde schnell von etwa 33 kW/m auf etwa 46 kW/m gesteigert. An dem Brennstab ergab sich ein Defekt durch Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr.

Vergleichsbeispiel b

Es wurden fünf Brennstäbe mit einer ähnlichen Vorgeschichte des Betriebs wie der Brennstab nach Vergleichsbeispiel a gemäß der Darstellung in Fig. 5 geprüft, indem die Leistung in den Brennstäben von etwa 33 kW/m in einer Folge von Schritten mit etwa 6,6 kW/m mit Halteperioden von 10 Stunden zwischen den einzelnen Schritten gesteigert wurde. Alle Brennstäbe fielen vor dem Erreichen einer Leistung von etwa 53 kW/m aus.

Vergleichsbeispiel c

Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebes ähnlich dem Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurde gemäß der Abbildung in Fig. 6 geprüft, wobei die Leistung in dem Stab von etwa 33 kW/m in einer Folge von Schritten von jeweils 3,3 kW/m mit Halteperioden von 5 Stunden zwischen den einzelnen Schritten gesteigert wurde. Dieser Brennstab fiel vor dem Erreichen einer Leistung von etwa 53 kW/m aus.

Vergleichsbeispiel d

Zwei Brennstäbe mit ähnlicher Vorgeschichte des Betriebes wie der Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurden gemäß der Darstellung in Fig. 7 dadurch geprüft, daß die Leistung in den Brennstäben von etwa 19,6 kW/m in einer Reihe von Schritten von jeweils 0,41 kW/m mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten gesteigert wurde. Auch diese Brennstäbe wurden defekt.

Beispiel 1

Fünf Brennstäbe mit einer ähnlichen Vorgeschichte des Betriebes wie der Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurden gemäß der Darstellung in Fig. 8 wie folgt geprüft:

In einem Brennstab F-1 wurde die Leistung mit einer Geschwindigkeit von etwa 53 kW/m/h auf ein Leistungsniveau von etwa 26 kW/m gesteigert. Die Leistung in dem Brennstab wurde dann weiter in einer Folge von Schritten von 0,26 kW/m mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten auf ein Leistungsniveau von etwa 51 kW/m gesteigert.

In Brennstäben F-2, F-3 und F-4 wurde die Leistung mit einer Geschwindigkeit von etwa 53 kW/m/h auf ein Leistungsniveau von etwa 23 kW/m gesteigert. Die Leistung in dem Brennstab wurde dann in einer Folge von Schritten von etwa 0,26 kW/m mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten auf ein Leistungsniveau von etwa 53,1 kW/m für den Stab F-2, etwa 51 kW/m für den Stab F-3 und etwa 44,3 kW/m für den Stab F-4 gesteigert.

In einem Brennstab F-5 wurde die Leistung auf etwa 19,6 kW/m mit einer Geschwindigkeit von etwa 53 kW/m/h gesteigert. Die Leistung wurde dann mit der Geschwindigkeit von etwa 0,26 kW/m/h in Schritten von einer Stunde auf ein Leistungsniveau von etwa 31,7 kW/m gesteigert.

Nach den vorstehenden Versuchen wurden diese fünf Brennstäbe F-1 bis F-5 gründlich untersucht. An keinem der Brennstäbe war ein Ausfalleffekt aufgetreten, und sie zeigten auch keine Anzeichen für einen bevorstehenden Defekt.

Beispiel 2

Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebs ähnlich dem Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurde im Leistungsbereich zwischen etwa 22,9 kW/m bis etwa 53 kW/m dadurch geprüft, daß die Leistung in einer Folge von Schritten von jeweils etwa 0,3 kW/m mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten erhöht wurde. Bei einer anschließenden Untersuchung zeigte der Bennstab keine Anzeichen für einen Defekt.

Beispiel 3

Ein Brennstab mit einer Vorgeschichte des Betriebes ähnlich dem Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurde gemäß der Darstellung in Fig. 9 in seiner Leistung von etwa 23 kW/m auf etwa 53 kW/m in einer Reihe von Schritten von jeweils etwa 0,3 kW/m mit Halteperioden von einer Stunde zwischen den Schritten gesteigert. Die Leistung in diesem Brennstab wurde dann mit relativ großer Geschwindigkeit und mit Halteperioden zyklisch verringert und gesteigert, wie dies im wesentlichen in der Fig. 9 dargestellt ist. Die anschließende Untersuchung dieses Brennstabes ergab keine Anzeichen für einen Defekt. Durch diese Untersuchung wurde die Fähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen, den Brennstoff für anschließende starke und schnelle Leistungsänderungen vorzubehandeln, wie sie beispielsweise für eine Anpassung an Laständerungen erforderlich sein kann.

Beispiel 4

Mehrere Brennstäbe mit ähnlichen Vorgeschichten des Betriebes wie der Brennstab nach Vergleichsbeispiel a wurden gemäß der Abbildung in Fig. 10 untersucht. Hierzu wurden die Stäbe zunächst nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbehandelt und danach die Leistung in den Brennstäben mit relativ großer Geschwindigkeit zyklisch verringert und gesteigert, wobei verschiedene Haltezeiten an den einzelnen Leistungswerten verwendet wurden, einschließlich Haltezeiten von bis zu 480 Stunden. An keinem dieser Stäbe trat ein Defekt auf. Diese Untersuchung zeigte, daß die Vorbehandlung des Brennstoffes mindestens während einer Dauer von 480 Stunden bei Betrieb mit niedriger Leistung anhält und diese Zeitdauer ist mehr als ausreichend, um beispielsweise der Nachführung gemäß der Belastung während eines langen Wochenendes mit Feiertagen oder ähnlichen Betriebszuständen gerecht zu werden.

Vorstehend wurde das erfindungsgemäße Verfahren in seiner Anwendung auf Brennstäbe mit einem Durchmesser der Brennstofftabletten in der Größenordnung von etwa 1,25 cm beschrieben. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise anwendbar auf Brennstäbe mit anderem Durchmesser. Da bei einer vorgegebenen Brennstableistung) und einem vorgegebenen Belastungszustand des Brennstoffes die Kriechgeschwindigkeit des Brennstoffes im wesentlichen umgekehrt proportional zum Quadrat des Durchmessers der Brennstofftabletten ist, ist die Vorbehandlungsgeschwindigkeit (ausgedrückt in der Steigerungsgeschwindigkeit der Brennstoffleistung ebenfalls umgekehrt proportional dem Quadrat des Durchmessers der Brennstofftabletten. Ebenso ist die Vorbehandlungsgeschwindigkeit direkt proportional dem Belastungsniveau und damit dem Verhältnis der Dicke des Hüllrohres zu seinem Durchmesser. Daher kann die Vorbehandlungsgeschwindigkeit wie folgt verallgemeinert angegeben werden:

Hierin bedeuten:

Cr die Vorbehandlungsgeschwindigkeit für einen Brennstab mit dem Durchmesser der Brennstofftabletten D und der Hüllrohrwanddicke T,

C&sub1; die bekannte Vorbehandlungsgeschwindigkeit für einen bekannten Brennstab, der Brennstofftabletten mit bekanntem Durchmesser D&sub1; enthält,

D&sub1; der Durchmesser der Brennstofftabletten des bekannten Brennstabes,

D der Durchmesser der Brennstofftabletten des zu berechnenden Brennstabes,

T&sub1; die Dicke des Hüllrohres des bekannten Brennstabes,

T die Dicke des Hüllrohres des zu berechnenden Brennstabes.



Wie vorstehend gezeigt, beträgt die maximale Vorbehandlungsgeschwindigkeit für einen Brennstab mit einer Dicke des Hüllrohres von T&sub1; = 0,81 mm und mit Brennstofftabletten mit einem Durchmesser von D&sub1; = 12,5 mm etwa 0,31 kW/m/h und die kritische Geschwindigkeit (welche wahrscheinlich einen Defekt des Hüllrohres bewirken wird) ist etwa 0,41 kW/m/h. Daher beträgt die maximale oder zulässige Vorbehandlungsgeschwindigkeit C-k für einen Brennstab mit einer Hüllrohrdicke T und mit Brennstofftabletten des Durchmessers D:

Wenn beispielsweise der Durchmesser der Tablette halbiert wird und das Hüllrohr die gleiche Dicke behält, dann wird die zulässige Vorbehandlungsgeschwindigkeit auf das Achtfache vergrößert. Wenn die Hüllrohrdicke ebenfalls halbiert wird, dann wird die zulässige Vorbehandlungsgeschwindigkeit nur um das Vierfache vergrößert.

Es ist zu beachten, daß der Beginn der Wechselwirkung zwischen Tablette und Hüllrohr (welcher wie vorstehend erwähnt für Brennstofftabletten mit einem Durchmesser von etwa 1,25 cm und einer Dicke des Hüllrohres von etwa 0,081 cm in dem Leistungsbereich zwischen etwa 20 und 33 kW/m auftritt), im wesentlichen unabhängig von dem Durchmesser der Brennstofftablette und der Dicke des Hüllrohres ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Vorbehandeln von Brennstäben in einem Reaktorkern, wobei die Brennstäbe in langgestreckten Hüllrohren aus einer Zirkoniumlegierung zylinderförmige Tabletten aus oxidischem Kernbrennstoff enthalten, bei dem die von dem Brennstoff erzeugte Leistung bis zu einem gewählten maximalen Leistungsniveau gesteigert wird, damit die sich ausdehnenden Tabletten Kräfte auf die Rohrinnenwand ausüben, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigerung der erzeugten Leistung mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die zur Vermeidung von Schäden an den Brennstabrohren unterhalb einer kritischen Geschwindigkeit

    Ck = Cx (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm)

    liegt, wobei

    C = 0,41 k/W/m/h,

    D = Durchmesser der Tabletten in Zentimetern,

    T = Dicke des Hüllrohres in Zentimetern bedeuten.



  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigerung der Leistung bis zu dem gewählten maximalen Leistungsniveau mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die nicht größer ist als etwa

    0,33 kW/m/h × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm)

    worin D und T die in Anspruch 1 genannten Bedeutungen haben.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteigerung bis zu dem gewählten maximalen Leistungsniveau mit einer Geschwindigkeit

    C × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm),

    erfolgt, wobei D und T die in Anspruch 1 genannten Bedeutungen haben und C im Bereich von 0,26 bis 0,33 kW/mh liegt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteigerung bis zu dem gewählten maximalen Leistungsniveau als eine Reihe stufenförmiger Leistungssteigerungen, deren mittlere Steigerungsgeschwindigkeit unterhalb der kritischen Geschwindigkeit bleibt, ausgeführt werden, wobei jede Stufe nicht größer ist als

    1,6 kW/m × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm),

    wobei D und T die in Anspruch 1 genannten Bedeutungen haben.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungssteigerung bis zu dem gewählten maximalen Leistungsniveau als eine Reihe stufenförmiger Leistungserhöhungen ausgeführt werden, wobei jede Stufe nicht größer ist als

    0,33 kW/m × (1,25 cm/D)³ × (T/0,081 cm),

    und zwischen den einzelnen stufenweisen Erhöhungen ein Zeitraum von nicht weniger als 1 Stunde liegt, wobei D und T die in Anspruch 1 genannten Bedeutungen haben.






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

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

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