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Brennstoffelement für Kernreaktoren mit einem Kühlkreislauf
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für Kernreaktoren mit einem Kühlkreislauf, bei dem der Brennstoff durch eine Graphithülle vom Kühlmittel getrennt ist.
Es ist bekannt, dem Graphit Wärmeverteilungsmaterialien wie SiO oder BeO zuzusetzen,-um die vom spaltbaren Material erzeugte Wärme abzuleiten.
Bei Hochtemperaturreaktoren können die Kernbrennstoffkörper in einem Graphitbehälter eingeschlossen sein, dessen Aufgabe es ist, die Diffusion der Spaltprodukte des Brennstoffes nach aussen zu verzögern.
Ein anderer Weg ist die Herstellung von Kernbrennstoffteilchen, die mit einer Schicht, die die Spaltprodukte zurückhält, überzogen sind. Eine Anzahl solcher überzogene Teilchen bilden einen Brennstoffkörper. Im letzteren Falle dient die Schicht dazu, die Spaltprodukte innerhalb des Teilchens zurückzuhalten.
Bei beiden Fällen besteht jedoch stets die Möglichkeit, dass gewisse Spaltprodukte in den Graphit eindringen. Im ersten Fall durch normale Diffusion und im zweiten Fall unter anderem auch durch Beschädigungen des Überzuges.
Verunreinigungen, z. B. CO und Wasserdampf im Kühlgas, selbst in so geringen Konzentrationen wie 1 Vol.-Teil pro Million, können zu schweren Schäden der Graphitkernkomponenten führen, die hohen Temperaturen, z. B. 12000C ausgesetzt sind. Es wurde festgestellt, dass gewisse Spaltprodukte, besonders Barium und Strontium, bewirken, dass die chemische Reaktionsfähigkeit des Graphits im Hinblick auf die vorerwähnten Verunreinigungen stark ansteigt. Zum Beispiel vergrössert die Anwesenheit von 0, 05 Gew, -Ufo einer Bariumverbindung im Graphitdas chemische Reaktionsverhältnis um einen Faktor von ungefähr 1000.
Da es ziemlich unausführbar oder zumindest äusserst schwierig ist, im inerten KUhlgas eine Verunreinigungskonzentration aufrechtzuerhalten, die klein genug ist, eine grössere Zerstörung zu vermeiden, so tritt bei Anwesenheit der Verunreinigungen eine grosse Betriebsunsicherheit auf.
Erfindungsgemäss wird nun vorgeschlagen, dass zur Vermeidung von Korrosionen der Hülle durch Verunreinigungendes Kühlmittels unter der katalytischen Wirkung von Spaltstotfen in den Graphit ein Oxyd des Zirkoniums oder des Aluminiums eingebracht ist, wobei eine Schwächung bzw. Verhinderung der Korrosionen erreicht wird.
Eine Anwendung der Erfindung ist bei einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor, der einen HauptkUhlgaskreis besitzt, der Helium oder ein anderes inertes Gas enthält. Zum besseren Verständnis der Erfindung wird eine Ausführungsform eines Reaktorsystems beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben. Die Zeichnung zeigt schematisch einen Kernreaktor, der mit inertem Gas gekühlt ist und Graphit als Moderator besitzt.
Der Reaktor besitzt einen inneren Kern 1, der in einem Druckgefäss 2 aus Stahl oder vorgespanntem Beton eingeschlossen ist. Der Kern 1 ist hier nur schematisch dargestellt und hat eine heterogene oder homogene Struktur, die die Brennstoffkomponenten umschliesst. Diese können Teilchen aus Kernbrennstoffmetallkarbiden umfassen, die mit Spaltprodukt zurückhaltenden Schichten (z. B. aus Kohlenstoff) überzogen sind. Derartige Brennstoffteilchen sind in zylindrischen Kohlenstoffträgern verteilt. Durch den Kern 1 erstrecken sich Kühlkanäle 3, in denen Helium zirkuliert. Das Gas strömt durch eine Öffnung in der Wand des Druckgefässes 2 oberhalb des Kernes in das Druckgefäss ein und verlässt
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das Gefäss durch eine Öffnung 4 im Boden.
Das Gas wird in einem äusseren Strang 5 mittels eines Zirkulators 7 durch einen Hauptwärmetauscher 6, der eine Wärmeverwertungsanlage darstellt, gepumpt und in das Innere des Druckgefässes 2 zurückgeführt. Wenn das heisse Gas Verunreinigungen enthält, so kann der die Struktur des Kernes bildende Graphit und vielleicht auch der die Karbide der Kernbrennstoffmetalle enthaltende Graphit, wie oben beschrieben, zerstört werden. Um diese Gefahr zu vermindern, kann ein Teil des aus dem Wärmetauscher ausströmenden Gases über ein Ventil 9 durch eine Reinigungsanlage 8 geführt und dann mit Hilfe der Pumpe 10 in das Druckgefäss zurückgeführt werden.
Welche Vorkehrungen jedoch immer getroffen werden, um die Reinheit des Kühlgases zu erhalten, ist es doch sehr unwahrscheinlich, dass die Verunreinigung des Kühlmittels durch CO. und Wasserdampf auf einem genügend niederen Punkt, z. B. 1 Vol. -Teil pro Million, gehalten werden kann. Es wurde gefunden, dass gewisse Spaltprodukte, die während der Behandlung der Kernbrennstoffe gebildet werden, als Katalysatoren wirken, indem sie die Zerstörung des Graphits, insbesondere in Anwesenheit von unreinem Helium, fördern.
Eine geringe Verunreinigung durch CO oder Wasserdampf im Kühlgas kann daher mit dem Graphitmaterial in der Hochtemperaturzone des Kernes reagieren, und dieses Reaktionsverhältnis wird um einen Faktor 1000 erhöht, wenn Katalysatoren, z. B. Barium und Strontium, als Spaltprodukte gebildet werden.
Um dieser Tendenz entgegenzuwirken, werden kleine Mengen von Oxyden eines Mittels zur Verhütung der Zerstörung, wie Zirkonium oder Aluminium in die Zone der graphitischen Komponenten eingeführt. Diese Zone ist in der Zeichnung schraffiert und durch den Buchstaben Z gekennzeichnet. Es konnte auch gefunden werden, dass Siliziumoxyd und Berylloxyd (Beryllerde) sowie reines Silizium und andere Siliziumverbindungen, die bereits für andere Zwecke dem Graphit zugesetzt werden, die Zerstörung ebenfalls vermindern.
Im Hinblick auf die besondere Form des Kernes 1 im obigen Beispiel ist es vorteilhaft, wenn dieser in Form einer Reihe von Säulen aus graphitischem Material ausgebildet ist, die die Graphitkomponen- ten darstellen, wobei die Teilchen der Kernbrennstoffkarbide darin verteilt sind. Die Teilchen sind einzeln mit einer Spaltprodukt zurückhaltenden Schicht, wie pyrolitischem Kohlenstoff, überzogen. Eine Anzahl solcher Säulen, nebeneinander mit parallelen Achsen angeordnet und jede mit einem Kanal für das Kühlmittel versehen, bildet dann den Kern.
Dem innerhalb der Zone Z liegenden Graphit werden die oben genannten Substanzen zur Verhütung der Zerstörung zugesetzt, um die aggressive Wirkung auf den Graphit zu verhindern, der durch die Anwesenheit (durch Diffusion aus dem Brennstoff) der Edelmetalle Barium und Strontium hoch reaktionsfähig geworden ist und der durch ein Kühlgas mit geringer Verunrei- nigungskonzentration leicht zerstört werden kann. Die genannten Substanzen können aber auch dem gesamten Graphitmaterial im Kern zugesetzt werden.
Ein weiteres Beispiel eines Reaktorkernes, bei welchem die Erfindung angewandt werden kann, ist im ersten und zweiten Jahresbericht der O. E. C. D. High Temperatur Gas Cooled Reactor Project (Dragon) dargestellt.