DE19913856C1 - Druckwasser-Brennelement mit einem Abstandhalter aus Stegen und Federn unterschiedlichen Materials - Google Patents

Abstract

Um in einem Brennelement eines Druckwasser-Reaktors bei einem Abstandhalter (1), dessen Maschen von Stegen (7, 8) aus Zirkaloy gebildet sind und federnde Abstandhalter (1) aus einer Nickel-Basislegierung tragen, eine Beschädigung der Federn nach längeren Standzeiten eine Materialermüdung durch Korrosion zu vermeiden, sind die federnden Distanzelemente (10) mit einem Metall überzogen, das resistent gegen Spannungsrißkorrosion ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennelement für einen Druckwas­ ser-Reaktor mit Brennstäben, die jeweils durch federnde Di­ stanzelemente in Maschen eines gitterförmigen Abstandhalters gehalten sind. Der Abstandhalter enthält die Maschen bildende Stege aus einer Zirkoniumlegierung (insbesondere Zirkaloy), während die federnden Distanzelemente aus einer Nickel-Basis­ legierung (insbesondere Inconel) gefertigt sind.

Eine Nickel-Basislegierung, wie sie z. B. als "Inconel" be­ kannt ist, gestattet Blechteile zu fertigen, die bei geringer Wandstärke gute Federeigenschaften haben und diese Federei­ genschaften auch unter der Strahlung eines Kernreaktors weit­ gehend beibehalten. Beispiele dafür finden sich in DE-AS 21 02 952, DE 17 64 185 B2, DE 37 35 424 A1 und DE-OS 15 64 430. Daher ist es möglich, aus einander kreu­ zenden, langgestreckten Stegen oder aus ringförmigen, anein­ ander befestigten Hülsen Abstandhalter zu fertigen, wobei die Distanzelemente (im allgemeinen eine Kombination von Federn und Noppen) aus dem langen Steg oder aus der Hülse ausgeprägt sein können. Es ist also nicht erforderlich, federnde Di­ stanzelemente aus einem anderen elastischen Material in die langgestreckten oder hülsenartigen Stege in aufwendiger Mon­ tagearbeit einzuhängen oder anderweitig zu befestigen. Außer­ dem bieten solche Abstandhalter der das Brennelement durch­ setzenden Kühlmittelströmung nur einen geringen Widerstand, da ihre Wandstärke gering gewählt werden kann.

Um die die Distanzelemente tragenden Stege des Abstandhalters metallurgisch aneinander zu befestigen, ist es vorteilhaft, diese Stege mit einem lötbaren Material, z. B. Nickel, zu überziehen. Der Abstandhalter kann dann mit einem mäßigen Ar­ beitsaufwand zusammengelötet werden.

Die Absorption thermischer Neutronen ist in Nickel-Ba­ sislegierungen jedoch wesentlich höher als in Zirkonium-Basis-Legie­ rungen. Daher werden seit langem häufig Abstandhalter verwen­ det, deren Stege aus einer Zirkonium-Basislegierung gebildet sind, wobei insbesondere für Siedewasser-Brennelemente Zirka­ loy-2 (etwa 1,5 Gew.-% Zirkonium, 0,2 Gew.-% Eisen, 0,1 Gew.- % Chrom, etwa 0,07 Gew.-% Nickel, Rest: reaktorreines Zirko­ nium mit einem relativ hohen Gehalt an Sauerstoff-Verunreini­ gungen) verwendet wird. Die etwas unterschiedliche Chemie im Kühlwasser von Druckwasser-Reaktoren hat zu Zirkaloy-4 ge­ führt, bei dem das Nickel durch einen höheren Eisengehalt er­ setzt ist. Diese Legierungen erreichen aber nicht die guten mechanischen Eigenschaften von Nickel-Basislegierungen, viel­ mehr müssen die Stege eine höhere Wandstärke aufweisen, füh­ ren also zu einem höheren Strömungswiderstand. Ferner sind die elastischen Eigenschaften ungünstiger und außerdem ermü­ det das Material unter der Neutronenstrahlung des Reaktors schneller.

Für die federnden Distanzelemente wird jedoch aus den genann­ ten Gründen manchmal eine Nickel-Basislegierung (insbesondere Inconel) als Werkstoff beibehalten. Die federnden Di­ stanzelemente werden dann bevorzugt in entsprechende Fenster oder ähnliche Ausnehmungen der Stege eingehängt, wobei die Geometrie der federnden Distanzelemente entsprechend den je­ weils bevorzugten Feder-Charakteristiken ausgebildet wird. Beispiele für solche eingehängten, federnden Distanzelemente sind z. B. in DE 33 34 974 A1, US 5 035 853, EP 527 244 A1, US 5 539 792 und DE 195 36 471 A1 gezeigt, wobei aber auch an­ dere Federformen möglich sind. Ein Überzug, z. B. der hierfür verwendete Nickel-Überzug der Inconel-Stege, ist dabei nicht nötig, da eine metallurgische Verbindung zwischen federnden Distanzelementen und Abstandhalter-Stegen nicht erforderlich ist. In Zirkoniumlegierungen erhöht Nickel die Wasserstoff- Aufnahme aus dem Kühlwasser stark - insbesondere in Druckwas­ ser-Reaktoren. Eine erhöhte Wasserstoff-Aufnahme führt zur Bildung von Zirkonium-Hydriden, die das Material verspröden und aus diesem Grund wurde bereits das der Chemie des Druckwassers angepaßte, nickelfreie Zirkaloy entwickelt. Falls dies auch in Nickel-Basislegierungen auf­ tritt, müßte ein solcher Nickel-Überzug sogar als nachteilig anzusehen sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für ein Druckwas­ ser-Brennelement einen Abstandhalter anzugeben, der auch un­ ter den Bedingungen moderner Reaktoren (erhöhte Betriebstem­ peratur, längere Standzeit der Brennelemente) den Anforderun­ gen des Einsatzes besonders angepaßt ist.

Die Erfindung geht dabei von der Beobachtung aus, daß nach längerer Standzeit Distanzelemente aus Zirkaloy besonders im untersten Abstandhalter, der dem Fuß des Brennelements be­ nachbart ist und sich häufig noch außerhalb der aktiven Zone befindet (also unterhalb des Bereichs, in dem sich in den Brennstäben Tabletten aus spaltbarem Material befinden) häu­ fig nicht mehr die Kraft aufbringen, die zum Halten der Brennstäbe erforderlich ist. Sogar an federnden Distanzele­ menten aus Inconel sind schon Brüche beobachtet worden, die zuerst in diesen untersten Abstandhaltern auftraten, die be­ sonders durch die Vibration der Brennstab-Enden belastet sind.

Hierfür kann die Korrosionsanfälligkeit von Inconel gegenüber Wasser eine Ursache sein, wobei der bei der Korrosion frei werdende Wasserstoff von dem metallischen Material aufgenom­ men wird. Solcher Wasserstoff kann sich bevorzugt in solchen Bereichen anlagern, die durch innere Spannungen belastet sind und in denen dann Spannungsrißkorrosion auftreten kann, die durch die von der Wasserstoff-Anreicherung verursachte Volu­ menänderung verstärkt wird. Die Folge sind dann Spannungs­ risse, die sich von der Oberfläche ausgehend quer durch die Wandstärke des Materials ausbreiten können.

Zur Lösung der Aufgabe wird daher von einem Abstandhalter mit Stegen aus einer Zirkoniumlegierung ausgegangen, an denen die federnden Distanzelemente gehalten sind, wobei erfindungsge­ mäß die federnden Distanzelemente, die aus einer Nickel-Basisle­ gierung gefertigt sind, mit einem, gegen Korrosion unempfindli­ chen Material, insbesondere einem Metall, überzogen sind. Be­ vorzugt wird ein gegen Spannungsrißkorrosion unempfindliches Metall gewählt.

Bevorzugt wird dabei die Grenzfläche zwischen der Nickel-Basislegierung und dem Überzug (Metall) durch Diffusion verbreitert, die durch Wärmebehandlung im Vakuum oder in einem Inertgas (z. B. N₂) erzeugt wird. Dadurch wird vermieden, daß sich Verunreinigungen bzw. Wasserstoff an der Grenzfläche anreichern, und gleichzeitig werden innere Span­ nungen ausgeheilt, die beim Biegen der federnden Distanzele­ mente entstanden sein könnten.

Der Überzug kann aus Reinzirkonium (z. B. sogenanntem Zirkoni­ um-Schwamm) gefertigt sein, das zwar etwas korrosionsanfälli­ ger ist als Zirkaloy, jedoch verhältnismäßig weich bzw. duk­ til ist und deshalb den Aufbau von ausgeprägten Spannungsli­ nien, die zur Spannungsrißkorrosion führen könnten, verhin­ dert. Geeignet erscheint auch Chrom, das korrosionsbeständi­ ger ist und den bei der Korrosion entstehenden Wasserstoff nur zu einem geringen Grad aufnimmt. Ferner ist auch Nickel geeignet. Die verhältnismäßig geringe Korrosionsanfälligkeit dieser Metalle führt von vornherein zu einer geringen Bil­ dung von Wasserstoff durch die Korrosion, so daß auch eine erhöhte Aufnahme des Korrosions-Wasserstoffs unschädlich wä­ re. Ein derartiges vernickeltes Distanzelement aus der Nic­ kel-Basislegierung kann abschließend auf etwa 980 bis 1095°C in einem inerten oder reduzierenden Schutzgas erwärmt und für 20 bis 60 Minuten auf dieser Temperatur gehalten werden.

Der unterste Abstandhalter liegt allerdings in einem Bereich niedrigerer Temperatur und daher läuft die stark temperatur­ abhängige Korrosion dort langsamer ab. Jedoch ist gerade die mechanische Belastung dieses Abstandhalters besonders groß und könnte eine Spannungsrißkorrosion beschleunigen anderer­ seits liegt dieser unterste Abstandhalter außerhalb des hohen Neutronenflusses, der möglicherweise schon bald die Feder­ kraft des Inconel der höher liegenden Abstandhalter auf einen niedrigeren Wert bringt, während die praktisch unveränderte Federkraft des untersten Abstandhalters überdimensioniert sein könnte. Dies kann den beobachteten Effekt erklären. Selbst bei Nickel kann nämlich eine mit der Korrosion verbun­ dene Wasserstoffaufnahme im Inconel der darüberliegenden Di­ stanzelemente nach den bisherigen Erfahrungen erst zu eine viel späteren Zeitpunkt zu Schäden führen und daher erscheint der Aufwand für die Fertigung von überzogenen Distanzelemen­ ten bei den darüberliegenden Abstandhaltern nicht zwingend erforderlich oder könnte sogar nachteilig sein.

Vorteilhaft sind die Federn formschlüssig und ohne metallur­ gische Verbindung an den Stegen gehalten, so daß keine Schwierigkeiten wegen ungünstigen Materialpaarungen zu be­ fürchten sind.

Anhand einer Zeichnung mit 7 Figuren werden zwei Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ansicht von oben auf etwa einen Quadranten eines Abstandhalters für ein quadratisches Brennelement mit sich kreuzenden Stegen und diagonal eingesetzten elastischen Distanzele­ menten,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Außensteges beim Ab­ standhalter nach Fig. 1,

Fig. 3 einen senkrecht zu den Brennstäben verlaufenden Schnitt durch ein diagonal einzusetzendes Di­ stanzelement beim Abstandhalter nach Fig. 1,

Fig. 4 eine Seitenansicht des Distanzelements nach Fig. 3,

Fig. 5 bis 7 eine Seitenansicht sowie die dazu senkrechten Schnitte durch ein anderes Distanzelement.

Der Abstandhalter nach den Fig. 1 und 2 hat - entsprechend dem quadratischen Querschnitt des Brennelements - vier Außen­ stege 2, die über Eckteile 3 an entsprechenden Schweißnähten 5 miteinander verschweißt sind. Innenstege 6 und 7 verlaufen parallel zu den Außenstegen 2 und sind mittels Steckschlitzen so ineinander gesteckt, daß ein Gitter mit quadratischen Ma­ schen entsteht. Dabei tragen die seitlichen Enden der Innen­ stege 6 und 7 seitliche Laschen, mit denen sie in entspre­ chende Montageschlitze 8 der Außenstege eingreifen und dort verschweißt sind. In die entsprechenden Maschen ragen jeweils von zwei einander kreuzenden Innenstegen starre Distanzele­ mente 10, die noppenförmig ausgebildet sein können und aus den Innenstegen ausgeprägt sind. Gegen diese starren Distanz­ elemente 10 einer Masche wird jeweils ein (nicht dargestell­ ter) Brennstab über ein diagonal in die Masche ragendes fe­ derndes Distanzelement 11 gedrückt. Dabei ragen jedoch in ei­ nige Maschen 12 keine Distanzelemente, da diese Maschen nicht zur Aufnahme eines Brennstabs bestimmt sind, sondern jeweils ein Steuerstab-Führungsrohr umgeben. Diese (nicht dargestell­ ten) Steuerstab-Führungsrohre bilden das Skelett des Brenn­ elements, an dem auch die Abstandhalter befestigt sind.

Ist ein derartiger Abstandhalter in einem oberen, heißeren Teil des Brennelements angeordnet, in dem zur besseren Küh­ lung der Brennstäbe eine turbulente Strömung des Druckwassers erwünscht ist, so sind an den oberen Längskanten der Innen­ stege 6, 7 noch Strömungsleitflächen angeordnet. Beim darge­ stellten Abstandhalter 1 handelt es sich jedoch um den unter­ sten Abstandhalter im Brennelement, der nahe des Fußes in ei­ nem kälteren Bereich des Brennelements angeordnet ist, in dem auch eine niedrige Neutronenstrahlung stattfindet. Die Brenn­ stäbe werden hier praktisch nur durch Absorption der Strah­ lung erwärmt und brauchen nicht besonders gekühlt zu werden. Der Abstandhalter 1 trägt daher keine schräg in die Strömung ragenden Leitflächen an den Innenstegen. Die in Fig. 2 an den oberen und unteren Längskanten der Außenstege erkennbaren Laschen 14 dienen in diesem Fall nur als Gleitflächen, an de­ nen der Abstandhalter eines benachbarten Brennelements ent­ langgleitet, wenn ein Brennelement beim Brennelementwechsel aus dem Kernverbund herausgezogen wird und daher die Gefahr besteht, daß sich die Abstandhalter einander benachbarter Brennelemente miteinander verhaken.

Ein diagonal eingesetztes Distanzelement 11 ist in Fig. 3 gezeigt, wobei mit unterbrochenen Linien die beiden Innen­ stege 6 und 7 angedeutet sind, die die entsprechende Ecke zur Aufnahme des diagonalen Distanzelements bilden.

Dieses federnde Distanzelement ist nach einer der bereits eingangs genannten Druckschriften ausgebildet und weist in diesem Fall ein C-förmiges, federndes Mittelteil 16 auf, das im Abstandhalter vertikal (d. h. parallel zu den Brennstäben) ausgerichtet ist und nach oben und unten entsprechend Fig. 4 in zwei aufeinander zulaufende Enden 18 und 19 übergeht. Je­ des dieser Enden trägt eine in Fig. 4 gezeigte seitliche La­ sche 20, von der in Fig. 4 eine weitere seitliche Lasche 22 verdeckt wird, die jedoch in Fig. 3 erkennbar ist. Die seit­ lichen Laschen 20, 22 tragen jeweils Nuten 21 und greifen derart in entsprechende Fenster der Innenstege 6 und 7 ein, daß dadurch die Laschen 20, 22 formschlüssig in den Fenstern der Stege 6, 7 gehalten werden und das federnde Mittelteil 16 an den beiden Innenstegen abstützen.

Das Eckteil 3 ist mit zwei federnden Distanzelementen 33 aus­ gestattet (Fig. 1), die nicht diagonal von einer Ecke, son­ dern senkrecht von der Mitte zweier Maschenseiten aus in die Eckmasche ragen und ein Mittelteil 26 tragen, das in den Fig. 5 bis 7 gezeigt ist, wobei - abweichend von den aufein­ ander zulaufenden Enden 18 und 19 in den Fig. 3 und 4 - nunmehr die Enden 28 und 29 voneinander weg weisen, aber ebenfalls zum Abstützen des Mittelteils 26 an einem Steg dienen. Ein solches federndes Distanzelement ist auch ein Beispiel für andere Abstandhalter, deren federnde Distanzele­ mente nicht in einer Ecke, sondern in der Mitte zwischen zwei Ecken einer Masche und gegenüber einem Distanzelement ange­ ordnet sind, das entsprechend Fig. 1 als starre Noppe 10 oder ebenfalls als federndes Distanzelement ausgebildet sein kann.

Dabei tragen die Enden 28 und 29 ebenfalls seitliche Laschen 30 mit Nuten 31, um in entsprechende Fenster 42 (siehe Fig. 2) eines Innen­ stegs eingesetzt zu werden und die Ränder des Innenstegs formschlüssig zu umgreifen.

Die Stege mit den ausgeprägten starren Distanzelementen sind bei diesem Ausführungsbeispiel aus Zirkaloy gefertigt und über entsprechende Schweißnähte oder Lötpunkte 40 (Fig. 1) miteinander metallurgisch verbunden. Die federnden Distanz­ elemente jedoch sind aus Inconel, wobei ihre Oberfläche 41 mit einem anderen Metall überzogen ist, z. B. mit Zirkonium, einem Edelmetall, Chrom oder einer Legierung solcher Metalle. Dabei kommt auch ein Überzug 23 bzw. 43 aus Nickel in Frage, also eine Nickel-Basislegierung mit einer vernickelten Ober­ fläche.

Die entsprechende Oberflächenschicht erstreckt sich minde­ stens über die Bereiche, die bei eingesetztem Brennstab auf Biegung und Vibration beansprucht werden. Dagegen brauchen die an einem Seitensteg 7 anliegenden seitlichen Laschen 22 und 30 nicht unbedingt eine Oberflächenschicht aus einem ge­ gen Spannungsrißkorrosion resistenten Material zu tragen. Da jedoch z. B. zwischen der vernickelten Oberfläche von Distanz­ elementen aus Nickel und Stegen aus Inconel keine ungünstige Materialpaarung vorliegt, können auch alle Teile der federn­ den Distanzelemente den genannten Überzug tragen.

Über dem Abstandhalter 1, der als unterster Abstandhalter im Bereich des Fußes angeordnet ist, enthält das Brennelement in mehreren Ebenen weitere Abstandhalter, die z. B. aus Zirkaloy gefertigt sein können und Distanzelemente ohne besonderen Überzug, z. B. aus dem Zirkaloy der Stege ausgeprägte federnde Bereiche, tragen können. Eine Ermüdung dieses Materials ist wegen der geringeren mechanischen Belastung dieser weiteren Abstandhalter von geringerer Bedeutung, es können aber auch hier Abstandhalter aus Zirkaloy-Stegen mit eingesetzten fe­ dernden Distanzelementen aus Inconel verwendet werden, wobei aber für diese Inconel-Distanzelemente kein besonderer Über­ zug vorgesehen sein muß.

Claims (6)

1. Brennelement für einen Druckwasser-Reaktor mit Brennstä­ ben, die jeweils durch federnde, aus einer Nickel-Basisle­ gierung gefertigte Distanzelemente (11) in einer Masche eines gitterförmigen Abstandhalters (1) gehalten sind, dessen Ma­ schen aus die federnden Distanzelemente (11) tragenden Stegen (7, 8) aus einer Zirkoniumlegierung gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die fe­ dernden Distanzelemente (11) mit einem gegen Korrosion im Druckwasser unempfindlichen Material überzogen sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Metall als Ma­ terial des Überzugs.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Überzug aus einem gegen Span­ nungsrißkorrosion unempfindlichen Material besteht.

4. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Über­ zug in einer durch Wärmebehandlung erzeugten Diffusionszone in die Nickel-Basislegierung übergeht.

5. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fe­ dernden Distanzelemente formschlüssig und ohne metallurgische Verbindung an den Stegen gehalten sind.

6. Brennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ab­ standhalter mit den überzogenen Distanzelementen als unter­ ster Abstandhalter im Bereich des Brennelement-Fußes angeord­ net ist.