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Brennstoffelement für Kernreaktoren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Brennstoffelemente für Kernreaktoren mit einem K,) rper aus festem Brennstoff in einem um den Brennstoffkörper enganliegenden geschlossenen Behälter.
Eine bekannte Ausführungsform solcher Brennstoffelemente für Kernreaktoren enthält einen festen
Brennstoffkörper aus spaltbarem Material oder aus einer Mischung aus spaltbarem md fruchtbarem Mate- rial mit oder ohne andere Stoffe, wie beispielsweise Moderatorstoffe. Der Brennstoffkörper ist in einem eng anliegenden Metallbehälter eingeschlossen, der derart ausgebildet ist, dass eine gute Wärmeleitfähigkeit gegeben ist und das Entweichen von Spaltprodukten verzögert wird. Bei Verwendung solcher Brennstoffelemen- te in Kernreaktoren traten jedoch unter extremen Bedingungen gelegentlich Schwierigkeiten auf.
So wurde bei- spielsweise festgestellt, dass, wenn ein Kernreaktor wiederholt hochgefahren wird, d. h., einer plötzlichen gro- ssen Belastung ausgesetzt wird, wie es beispielsweise der Fall ist, wenn alle oder ein Teil der Regelstäbe aus dem Reaktorkern entfernt werden, messbareÄnderungen der Abmessungen der Brennstoffelemente eintreten können. Im einzelnen wird dabei im wesentlichen eine bleibende Verlängerung des Behälters des Brennstoff- elementes beobachtet. Es ist anzunehmen, dass die beobachtete Verlängerung des Behälters des Brennstoffele- mentes zumindest zum Teil auf den Unterschied inder Wärmeausdehnung von Brennstoffkörper und Metallbe- hälter, während des raschen Aufheizens des Brennstoffkörpers während des Hochfahrens des Reaktors zurückzu- führen ist.
Vor allem wird meist der eng an den Brennstoffkörper anliegende Behalter durch den sich bei
Erwärmung stärker ausdehnenden Brennstoffkörper mitgenommen und gedehnt. Diesen Nachteil besitzt 1m besonderen Masse jenes bekannte Brennstoffelement, bei welchem der Brennstoffkörper durch Übereinan- derstapeln von Brennstoffzylindern verschiedenen Durchmessers erhalten wird und ein Behälter mit dem Aussendurchmesser der grösseren Brennstoffzylinder entsprechenden Innendurchmessers an den so erhaltenen
Brennstoffkörper hydraulisch angepresst wird, welcher Brennstoffkörper noch den Nachteil besitzt, dass bei Temperaturwechselbeanspruchungen des Behälters des Brennstoffkörpers, welche während des Reaktorbetriebes unvermeidlich sind,
wegen der dauernden Beanspruchung der Übergangsstellen des Behälters von grösseren auf kleinere Durchmesser, und umgekehrt, auf Biegung und Dehnung, durch Dauerbrüche störende Undichtheiten im Behälter des Brennstoffelementes leicht entstehen können.
Die beschriebenen Nachteile von Brennstoffelementen für Kernreaktoren mit einem Körper aus festem Brennstoff in einem um den Brennstoffkörper enganliegenden geschlossenen Behälter werden nun erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass der Brennstoffkörper nur gegen seine Enden zu einen im Vergleich zum Querschnitt des Behälters verringerten Querschnitt aufweist. Bei einer solchen Ausbildung des Brennstoffelementes kann, da der grösste Teil des Brennstoffkörpers an der Behälterwand anliegt, eine gute Wärmeableitung aus dem Brennstoffkörper erzielt werden, wobei jedoch in Anbetracht des gegenüber dem Querschnitt des Behälters verkleinerten Querschnittes des Brennstoffkörpers an seinen Enden der Vorteil erzielt wird, dass sich der Brennstoffkörper bei steigender Temperatur, ohne den Behälter des Brennstoffelementes selbst zu strecken, ausdehnen kann.
Bleibende Längenänderungen des Behälters des Brennstoffele- mentes sind damit praktisch vermieden. Die Sicherheit, mit welcher bleibenden Längenänderungen des Behälters des Brennstoffelementes entgegengewirkt werden kann. kann gemäss der Erfindung noch dadurch erhöht werden, dass der Brennstoffkörper an den den Enden de Brennstoffelementes zugekehrten Bereichen im wesentlichen konisch verläuft.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines gegenüber bleibenden Längenänderungen des Behälters des Brennstoffelementes gesicherten Brennstoffelementes ergibt sich dann, wenn die Oberfläche des Brennstoffkörpers soweit poliert ist, dass bei Verlängerung des Brennstoffkörpers der Brennstoffkörper, ohne die Behälterwand zu erfassen, relativ zur Behälterwand gleitet.
Vorzugsweise wird hiebei das Polieren so weit getrieben, dass die polierte Oberfläche des Brennstoffkörpers eine Oberflächenrauhigkeit von etwa 0,254 bis etwa 0,508y aufweist, womit zusammen mit den übrigen Massnahmen an erfindungsgemässen Brennstoffelementen ein wesentlich besseres Gleiten des Brennstoffkörpers an der Behälterinnenwand erzielt wird als es erzielbar ist, wenn gemäss einem bekannten Vorschlag der Brennstoffkörper auf enge Passung im Brennstoffbehälter zugeschliffen wird.
Das Gleiten des Brennstoffkörpers an der Behälterinnenwand kann noch dadurch verbessert werden, dass zwischen dem Brennstoffkörper und dem Behälter ein gegen die Arbeitstemperaturen des Kernreaktors stabiles Schmiermittel vorgesehen wird, wofür vorzugsweise ein kolloidalen Graphit enthaltendes Schmiermittel verwendet wird. In einem solchen Falle ist es zweckmässig, den Behälter des Brennstoffelementes in an sich bekannter Weise derart um den Brennstoffkörper herum anzuordnen, dass für die Ausdehnung des Brennstoffkörpers innerhalb des Behälters ein Spalt verbleibt.
Wenn in einem erfindungsgemässen Brennstoffelement innerhalb des Behälters zu beiden Seiten des Brennstoffkörpers zylinderförmige Moderatorkörper angeordnet sind, sind zweckmässig die zylinderförmigen Moderatorkörper und der Behälter so bemessen, dass der Behälter vom äusseren Ende und von der Seitenwand mindestens eines der zylinderförmigen Moderatorkörper einen Abstand aufweist, welcher den für die Ausdehnung des Brennstoffkörpers benötigten Spalt bildet.
Weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt Fig. l einen schematischen Seitenriss einer Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffelementes für Kernreaktoren, wobei einzelne Teile abgehoben sind, um den inneren Aufbau des Brennstoffelementes ersichtlich zu machen und Fig. 2 die Ansicht eines Teiles der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform. Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein verbessertes Brennstoffelement für Kernreaktoren. Ein solches Brennstoffelement weist insbesondere einen festen Brennstoffkörper und einen um diesen festen Brennstoffkörper herum mit enger Passung angeordneten Behälter auf. Dieses erfindungsgemässe Brennstoffelement lässt neue Einzelheiten erkennen, welche die Neigung des Behälters zu irreversiblen Ve ; längerungen verringern.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Brennstoffelementes für Kernreaktoren mit verschiedenen erfindungsgemässen Einzelheiten. Gemäss Fig. 1 besteht das Brennstoffelements aus einem hohlen, geschlossenen und im allgemeinen zylindrischen Metallbehälter 7, der Seitenwände 9 aufweist und dessen oberes und unteres Ende an oberen Endbefestigungen 11 und unteren Endbefestigungen 13, beispielsweise durch Schweissen od. dgl., befestigt sind.
Die obere Endbefestigung 11 kann eine ringförmige Nut 15 aufweisen, in welche eine nicht gezeigte Hebevorrichtung eingreifen kann, um das Brennstoffelement in den Reaktor einzusetzen bzw. aus dem Reaktor herauszunehmen. (Der Reaktor ist nicht dargestellt.)
Ein Abstandhalteglied 17 umschliesst die obere Endbefestigung und dient zur seitlichen Halterung des Brennstoffelementes. Die untere Endbefestigung 13 kann einen zentralen Fortsatz 19 aufweisen, welcher eine nach innen zulaufende Schulter 21 besitzt, die dazu dient, auf eine unterhalb befindliche, jedoch jicht dargestellte Gitterplatte aufgesetzt zu werden.
Die Seitenwand 9 des Behälters 7 ist eng um den Brennstoffkörper 23 herum angeordnet. Es können auch zu beiden Seiten des Brennstoffkörpers dünne Scheiben 25 aus brennbarem Gift und zylinderförmige \ < [oderatormaterialien 27 zwischen den flachen Scheiben und den zugehörigen Endbefestigungen, wie in ig. 1 gezeigt ist, vorgesehen werden.
Der Brennstoffkörper kann festes spaltbares Material mit oder ohne brütbares Material und auch mit ) der ohne festen Moderator enthalten. Diese Stoffe können miteinander gemischt, beispielsweise in Form iner homogenen Mischung vorliegen. So kann beispielsweise eine Mischung von Uran 238 Uran 235 und on Zirkoniumhydrid als Moderator verwendet werden. Für die Moderatorzylinder können Beryllium, 3erylliumoxyd, Graphit oder andere ModeratormateriaIien verwendet werden.
Das Brennstoffelement ist mit gewissen neuen Eigenschaften ausgestattet, die im wesentlichen die Neigung des Behälters vermindern, sich während des Hochfahrens des Reaktors oder aus andern Gründen erfolgenden Aufheizens des Reaktors auf hohe Temperaturen irreversibel zu verformen.
Im Zusammenhang mit der in Fig. 2'gezeigten Darstellung eines Brennstoffelementes muss festgetellt werden, dass die Aussenfläche 29 des Brennstoffkörpers im Bereiche der Innenfläche 31 des Behälters iusserst glatt ist. Die Oberflächenunregelmässigkeiten des Brennstoffkörpers wurden wesentlich verringert, o dass der Brennstoffkörper 23 nur mehr Rauhigkeiten von 0, 254je bis 0, 508 li aufweist. Auch die Innen-
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fläche 31 des Behälters 7, u. zw. insbesondere der an den Brennstoffkörper anliegende Teil, ist glatt, so dass bei Berührung von Brennstoffkörper und Behälter nur geringe Reibung auftritt, wenn das Brennstoffele- ment bzw. der Reaktor hochgefahren wird und dies, trotzdem der Behälter eng am Brennstoffkörper anliegt.
Darüber hinaus ist auch ein Spalt geeigneter Grösse, beispielsweise ein Spalt 34 von etwa 3, 2 mm, vor- zugsweise zwischen dem Behälter und einem oder mehreren Teilen innerhalb des Behälters vorgesehen.
So kann beispielsweise die obere Endbefestigung und daran anschliessend der Moderatorzylinder 27 durch einen Spalt getrennt sein, der sich auch zwischen die Seitenwand des Zylinders und den Behälter er- streckt, und welcher die Ausdehnung des Brennstoffkörpers und der innerhalb des Behälters befindlichen
Teile zulässt, ohne dass der Behälter verformt wird.
Wie in Fig. l gezeigt ist, ist die Form des Brennstoffkörpers im allgemeinen zylindrisch. Der Be- reich der Oberflächenberührung, d. i. der Bereich, in welchem sich der Brennstoffkörper und der Behälter berühren, ist verkleinert. Zu diesem Zweck ist der Durchmesser des Brennstoffkörpers an seinen Enden verringert. Vorzugsweise sind die Enden des Brennstoffkörpers nach innenzu geneigt, wie in der Fig. 2 dargestellt ist.
Das Ausmass der Neigung an den Enden des Brennstoffkörpers kann wesentlich schwanken, jedoch genügt beispielsweise, wie gefunden wurde, in einem Brennstoffelement, das einen Brennstoffkör- per von einer Länge von etwa 35, 6 cm enthält, eine geringe Neigung von etwa 0, 635 mm über eine Län- ge von etwa 5, 08 cm an jedem Ende des Brennstoffkörpers, um bei Wärmedehnung desselben ein Erfassen der Behälterwand durch die Enden des Brennstoffkörpers zu verhindern und damit die Neigung des Behäl- ters zu irreversiblen Verlängerungen zu vermindern.
Das Brennstoffelement enthält vorzugsweise ein hochtemperaturbeständiges Schmiermittel 33, wel- ches zwischen Brennstoffkörper und Behälter 7, insbesondere zwischen der Seitenwand 9 und der angren- zenden Fläche 29 des Brennstoffkörpers vorgesehen ist. Zu diesem Zweck kann beispielsweise kolloidaler
Graphit, welcher Reaktortemperaturen bis zu 20000 C oder mehr standhält und dann noch immer als
Schmiermittel wirkt, verwendet werden. Andere Schmiermittel mit geeigneter Hitzebeständigkeit,
Strahlungsfestigkeit und Schmiereigenschaften können an Stelle von oder zusätzlich zum kolloidalen Gra- phit verwendet werden. Als solches Schmiermittel ist beispielsweise Molybdandisulfid zu nennen.
Weiters ist der Behälter des Brennstoffelementes vorzugsweise aus ausgeglühtem Aluminium herge- stellt. So können beispielsweise geglühte Aluminiumrohre verwendet werden, welche durch 5-60 min 'langes Erhitzen auf 3700 C, und anschliessendes Luftkühlen während beispielsweise 30 min auf Raumtemperatur ausgeglüht wurden. Weniger vorteilhaft ist es, das Glühen nach dem Zusammenbau des Brennstoff- elementes vorzunehmen. Ausgeglühtes Aluminium ist wesentlich widerstandsfähiger gegen Rissbildung als ungeglühtes Aluminium.
Während der Herstellung des Brennstoffelementes können in einer geeigneten Herstellungsstufe die
Enden des Brennstoffkörpers im gewünschten Ausmass durch übliche Metallverformung und/oder Metallbearbeitungsmethoden, wie beispielsweise Spritzen, Pressen, Schleifen u. dgl. abgeschrägt werden.
Zusatzlich dazu oder auch statt dessen, kann das Glätten der Oberfläche des Brennstoffkörpers, insbesondere jener Oberfläche, welche im zusammengebauten Brennstoffelement an die Seitenwand des Behälters angrenzt unter Verwendung üblicher Glättungsmethoden, wie beispielsweise Polieren, Schwabbeln (Glänzen mit Tuchscheiben) u. dgl. vorgenommen werden, bis eine Glänzung im gewünschten Ausmass, beispielsweise bis zur Erzielung von Oberflächenrauhigkeiten von etwa 0, 254 bis etwa 0, 508 li, erhal- ten wurde. Gewünschtenfalls kann auch die Innenseite der Seitenwand des Behälters auf ein hohes Mass von Oberflächenglätte gebracht werden.
Statt dessen oder zusätzlich kann eine Schmierung der Oberfläche des Brennstoffkörpers und/oder der Innenfläche des Behälters dadurch bewirkt werden, dass auf diese Oberflächen ein vorzugsweise dünner, beispielsweise weniger als 0, 127 mm starker Überzug aus einem geeigneten, gegen hohe Temperaturen beständigen Schmiermittel, wie beispielsweise Molybdändisulfid aufgebracht wird.. Der Brennstoffkörper und der Behälter sind im allgemeinen so bemessen, dass zwischen beiden eine relativ enge Passung besteht. Aus diesem Grunde erleichtert das Schmiermittel die Einführung des Brennstoffkörpers in den Behälter vor dem Anbringen der Endbefestigungen.
Nach dem Einsetzen des Brennstoffkörpers in den Behälter werden die übrigen Teile, das sind die Scheiben aus brennbaren Giften und die zylinderförmigen Moderatormaterialien, in den Behälter eingebracht und der Behälter an beiden Enden durch Anbringung der oberen und unteren Endbefestigungen, beispielsweise durch Schweissen u. dgl. verschlossen, womit das Brennstoffelement fertiggestellt ist. Die obere Endbefestigung, der obere Zylinder aus Moderatormaterial und der Behälter sind relativ zueinander , o bemessen, dass der oben beschriebene und innere Ausdehnungen zulassende Spalt zur Verfügung steht.
Es ist selbstverständlich, dass während der Fertigstellung und des Zusammenbaues des Brennstoffelementes verschiedene ergänzende Massnahmen getroffen werden können.
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