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ÖSTERREICHISCHES PATENTAMT ! nt. CL : G 21 c NUKEM NUKLEAR-CHEMIE U.-METALLURGIE G. M. B. H.
IN WOLFGANG (DEUTSCHLAND)
Brennelement, insbesondere für wasser- oder metallgekühlte Kernreaktoren Angemeldet am 12. 0ktober 1965 (A 9231/65) ; beanspruchte Priorität : Patentansprüche 1, 2 und 4 vom 22. 0ktober 1964, Patentanspruch 3 vom 23. Feber 1965 (Anmeldungen in Deutschland).
Beginn der Patentdauer : 15. Juli 1968.
Die Erfindung betrifft ein Brennelement, insbesondere für wasser- oder metallgekühlte
Kernreaktoren.
Es ist bereits bekannt, in Kernreaktoren Brennelemente zu verwenden, bei denen in ein dünnwandiges zylindrisches Hüllrohr ein Kernbrennstoff, beispielsweise Urankarbid oder Uranoxyd,
5 eingefüllt wird. Als Hüllrohre werden dabei im allgemeinen Zirkoniumlegierungen, insbesondere Zircaloy oder korrosionsbeständiger Edelstahl, verwendet. Die Hüllrohre dienen dazu, den Brennstoff aufzunehmen und eine Trennschicht zwischen Brennstoff und Kühlmittel zu bilden. Diese bisher bekannten Brennelemente haben jedoch den Nachteil, dass die Aufbereitung umständlich und somit kostspielig ist ; ausserdem tritt bei diesen Brennelementen die unerwünschte Erscheinung ein, dass der 10 Brennstoff entgegen der Richtung des Temperaturgradienten wandert.
Nachteilig ist ferner, dass die durch die Elemente der vorgenannten Art erzielte Zahl der Spaltungen je ursprünglich eingesetzten
Atoms, verhältnismässig niedrig war.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Brennelement zu schaffen, dass einfach in seiner Herstellung ist, bei dem auch die Brennstoffaufbereitung in einfacher Weise
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jeweils gewûnschtenSchüttung aus in an sich bekannter Weise mit Kohlenstoff, Karbiden, Berylliumoxyd od. dgl. beschichteten Brennstoffpartikeln enthält.
Es ist zwar bekannt, kohlenstoffbeschichtete Brennstoffpartikel als Brennelemente für Reaktoren zu verwenden. Diese beschichteten Partikel werden durch Sintern oder Schmelzen von Urankarbid oder 25 auch einer Mischung von Uran- und Thoriumkarbid hergestellt und mit einer Schicht von pyrolytisch abgeschiedenem Kohlenstoff umhüllt. Nachdem diese Brennstoffpartikel in den Innenraum einer aus
Graphit gebildeten Kugel gebracht sind, wird die Kugel mittels eines Gewindestopfens verschlpssen. Zur
Verkokung der bei der Herstellung dieses bekannten Brennelementes verwendeten Bindestoffe wird das
Brennelement auf 1000 bis 1700 erhitzt. Brennelemente der bezeichneten Art wurden bisher 30 ausschliesslich für gasgefüllte Hochtemperaturreaktoren verwendet.
Durch die Beschichtung der
Brennstoffpartikel mit Kohlenstoff soll erreicht werden, dass die beim Abbrand entstehenden
Spaltprodukte, die wegen der Porosität von Graphit durch die Graphitkugelschalen dringen könnten, zurückgehalten werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik wurde erfindungsgemäss das oben genannte neue
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Brennelement geschaffen, das mit Vorteil für wasser- und metallgekühlte Kernreaktoren verwendbar ist.
Durch die erfindungsgemässen Brennelemente wird eine hohe Betriebssicherheit des Reaktors erreicht.
Darüber hinaus werden durch die Ausnutzung der besonders günstigen Konversionsmöglichkeiten sehr hohe Spaltungszahlen erlangt, insbesondere, wenn eine Metallhülle verwendet wird, deren Wandstärke
5 nicht grösser als 0, 6 mm ist.
Als Brennstoff für die Partikel des erfindungsgemässen Brennelements werden zweckmässig
Karbide, Oxyde oder Nitride an sich bekannter spaltbarer Stoffe verwendet. Den Brennstoffpartikeln werden dabei an sich bekannte pulverförmige oder geperlte Füllstoffe guter Wärmeleitfähigkeit beigemischt. Sehr vorteilhaft ist die Verwendung von Kohlenstoff, Berylliumoxyd od. dgl.
10 Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Brennelements werden die
Brennstoffpartikel und ein Füllstoff in dem Ringspalt einer an sich bekannten hohlzylinderförmig ausgebildeten Brennstoffhülle angeordnet. Dadurch wird ermöglicht, dass der Kühlmittelstrom mit der
Aussenwandung und mit der dem inneren Hohlraum zugekehrten Wandung des Brennelements in
Berührung gebracht werden kann. Aussenwandung und Innenwandung werden nach dieser 15 zweckmässigen Weiterbildung des erfindungsgemässen Brennelements dadurch auf unterschiedliche
Temperaturen gehalten, dass die Brennstoffpartikel unter Beimischung von gepulvertem oder geperltem
Füllstoff auch unter Berücksichtigung des Abbrandes über den Querschnitt des Brennelements inhomogen verteilt sind.
Dadurch wird ermöglicht, die Temperatur des Kühlmittels in zwei Stufen zu erhöhen und das neue Brennelement im Bedarfsfalle für wassermoderierte überhitzerreaktoren zu 20 verwenden.
Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemässen Brennelements besteht somit darin, dass die
Neutronenflussdichte den jeweiligen für einen Reaktor gewünschten Erfordernissen angepasst werden kann. So ist es ohne weiteres möglich, die aus den Brennstoffpartikeln und dem Füllstoff gebildete
Mischung über die Länge des Brennelements hinweg so zu verändern, dass sich eine besonders 25 zweckmässige Verteilung der Neutronenflussdichte ergibt. Beispielsweise kann durch eine Änderung des
Mischungsverhältnisses die bei den bisher bekannten stabförmigen Brennelementen einer Cosinuslinie entsprechende Neutronenflussdichte in eine lineare Neutronenflussdichte umgewandelt werden. Dieses
Mischungsverhältnis ist mittels einer entsprechend gesteuerten, an sich bekannten Füllvorrichtung ohne weiteres herstellbar.
Die inhomogene Verteilung über den Querschnitt ist beispielsweise erreichbar durch 30 den Einsatz von sehr dünnen Zwischenwandungen oder auch durch Ausnutzung der bekannten
Erscheinung, dass beim Herabgleiten auf einer schiefen Ebene eine Entmischung nach Massgabe der unterschiedlichen Masse der Partikel einer Mischung eintritt.
In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Brennelements schematisch dargestellt. Es zeigen Fig. l und la ein Brennelement mit hohlzylinderförmiger Umhüllung, 35 wogegen Fig. 2 und Fig. 2a ein Brennelement mit hohlzylinderförmiger Umhüllung veranschaulichen.
In Fig. 1 sind die Brennstoffpartikel -1-- und der Füllstoff --2-- homogen innerhalb der Umhüllung --3-- verteilt. Dagegen ist in Fig. 2 ein Brennelement dargestellt, bei dem in der hohlzylinderförmigen Huile--3-Brennstoffpartikel-1-und Fullstoff-2-inhomogen uber den Querschnitt verteilt sind, um zu erreichen, dass die Wandungen-4 und 5-des 40 Brennstoffelements unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Selbstverständlich können statt der zylindrischen Form auch andere geeignete geometrische Abmessungen, beispielsweise flache Formen, gewählt werden. Bei hohlzylinderförmigen Brennelementen kann ferner, was in den Zeichnungen nicht dargestellt ist, die Anbringung einer dünnen Isolationsschicht an der Innenseite der Aussenwandung zweckmässig sein.
45 Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Brennelemente besteht darin, dass die Brennstoffpartikel und der gegebenenfalls beigemischte Füllstoff mittels einer an sich bekannten
Vorrichtung in die Brennstoffhülle einvibriert werden. Nach einer besonders vorteilhaften
Herstellungsweise wird gemäss der Erfindung, um die Brennstoff-Füllung und die gegebenenfalls beigemischte Füllstoff-Füllung zu verdichten, nach dem Einfüllen des Brennstoffes in die Brennstoffhülle 50 und nach dem Verschweissen der Hülle das Brennelement mit einem solchen Druck verformt, dass die
Brennstoffpartikel nicht beschädigt werden.
Der Vorzug des neuen Brennelements besteht insbesondere darin, dass es weitgehend den jeweils gewünschten Reaktorbedingungen angepasst werden kann und dass die unerwünschte Wanderung des
Spaltstoffes entgegen der Richtung des Temperaturgradienten ausgeschlossen ist.
55 Die beschriebene Ausführung kann insofern verbessert werden, als der Zwischenraum zwischen den festen Bestandteilen durch Helium oder ein sonstiges geeignetes, inertes Gas ausgefüllt ist, das unter einem Druck steht, der etwa dem Druck entspricht, unter dem das die Brennelemente umströmende
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Kühlmittel im Reaktorbetrieb steht.
Es ist zwar bekannt, Helium zum Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Brennstoffpartikeln zu verwenden. Dabei steht das Helium jedoch unter Normaldruck, so dass zwischen Aussen- und
Innenwand des Brennelements ein erheblicher Druckunterschied besteht, wenn das Kühlmittel, wie z. B.
5 in Druckwasser- oder Siedewasserreaktoren, einen wesentlich grösseren Druck aufweist. Dies führt zu
Spannungen in der Ummantelung des Brennelements. Insbesondere sind diese Spannungen bei Stahl unerwünscht, weil sie zur Spannungsrisskorrosion führen können, die häufig die Ursache für
Brennelementschäden ist. Darüber hinaus wird infolge der Druckdifferenz auf die Brennstoffpartikel in der Umhüllung ein Druck ausgeübt. Dies führt zu Beschädigungen der Brennstoffpartikel, so dass auch 10 dadurch die Lebensdauer der Brennelemente herabgesetzt wird.
Diese Nachteile sind bei dem erfindungsgemässen Brennelement vermieden. Das neue
Brennelement besitzt daher eine hohe Lebensdauer.
Ein zweckmässiges Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemässen Brennelements besteht darin, dass die Ummantelung in einem Behälter, der das zur Füllung des Brennelementes vorgesehene Gas, also 15 beispielsweise Helium, enthält, vakuumdicht verschlossen wird. Dabei wird das Gas in an sich bekannter
Weise unter einem Druck gehalten, den das die Brennelemente umströmende Kühlmittel bei
Betriebstemperatur im Reaktor hat.
Das Verschliessen der Ummantelung kann in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch
Aufschweissen einer der beiden Endkappen der Ummantelung, mittels Lichtbogenschweissung 20 vorgenommen werden. Doch ist selbstverständlich auch jede andere Massnahme zum vakuumdichten
Verschluss der Ummantelung anwendbar, die unter dem jeweils verwendeten Gas durchführbar ist.
PATENTANSPRÜCHE : 25
1. Brennelement, insbesondere für wasser- oder metallgekühlte Kernreaktoren mit einer
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