DE1014240B - Brennstoffelement - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Brennstoffelemente für Reaktoren, die mit angereichertem Kernbrennstoff betrieben werden.

Bei Reaktoren ist, insbesondere mit Rücksicht auf die für diese erforderlichen hohen Investitionskosten, eine hohe Leistungsabgabe erwünscht. Dies hat zur Folge, daß man dem Abtransport der bei der Kernspaltung frei werdenden Wärme besondere Beachtung schenkt und bestrebt ist, diesen möglichst günstig zu gestalten.

Es ist bekannt, Brennstoffelemente mit angereichertem Kernbrennstoff zu verwenden und diese zwecks eines besseren Wärmeabtransportes zu lamellieren. Mit Rücksicht auf die Neutronenökonomie ist jedoch eine Lamellierung im allgemeinen erst bei einer bestimmten Anreicherung ausführbar.

Nach der Erfindung läßt sich bei einem Brennstoffelement, bei dem angereicherter Kernbrennstoff verwendet wird, der Wärmeabtransport bereits bei kleinen Anreicherungen erheblich verbessern, wenn erfindungsgemäß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff, nicht homogen im Brennstoffelement verteilt, sondern inhomogen, beispielsweise zweckmäßig in der Nähe der Oberfläche des Brennstoffelementes, angeordnet ist. Die Anordnung erfolgt vorteilhafterweise derart, daß sich der zusätzlich beigegebene Kernbrennstoff in der Nähe der Teile der Oberfläche des Brennstoffelementes, die dem Kühlmittel benachbart sind, befindet. Auf diese Weise wird der Wärmeleitwiderstand beträchtlich herabgesetzt und eine sehr günstige Wärmeabfuhr ermöglicht.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden, ohne daß sie jedoch damit auf die Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll.

Tn Fig. 1 ist ein als Vollzylinder ausgebildetes Brennstoffelement dargestellt. Es besteht in seinem Kern 10 beispielsweise aus Natururan. Der Kern 10 ist von dem zusätzlich beigegebenen Kernspaltstoff 11, beispielsweise Uran 233, 235 oder Plutonium, umgeben, der in der Nähe der Mantelfläche des zylindrischen Brennstoffelementes angeordnet ist. Der Kernspaltstoff 11 ist nochvomCanningmaterial,gegebenenfalls unter Zwischenschaltung einer weiteren, nicht dargestellten Zwischenschicht umhüllt. Die Ausbildung der zuletzt genannten Schicht wird dabei zweckmäßig nach wärmetechnischen und/oder legierungstechnischen Gesichtspunkten vorgenommen.

In Fig. 2 ist ein lamellenförmiges Brennstoffelement dargestellt, bei dem der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff 11 in der Nähe der dem Kühlmittel 13 zugewandten Oberfläche angeordnet ist. Der Teil des Brennstoffelementes, der dem Moderator 14 zugewandt ist, besteht aus natürlichem Kernbrennstoff 10, bei-Brennstoffelement

Anmelder:

Dr. phil. Heinz Maier-Leibnitz,
München, Pienzenauerstr. 110

Dr. phil. Heinz Maier-Leibnit?;, München,
ist als Erfinder genannt worden

spielsweise natürlichem Uran. Der natürliche Kernbrennstoff 10 sowie der Kernspaltstoff 11 wird ebenfalls wieder von Canningmaterial, gegebenenfalls unter Anordnung einer nicht dargestellten Zwischenschicht, umgeben.

In Fig. 3 ist ein Brennstoffelement, das die Gestalt eines Hohlzylinders hat, dargestellt, bei dem zusätzlich beigegebener Kernspaltstoff 11 in der Nähe der inneren, durch ein Kühlmittel 13 gekühlten Mantelfläche des Hohlzylinders angeordnet ist. Der natürliche Kernbrennstoff 10 ist wiederum auf dem dem Moderator zugewandten Teil der Oberfläche des Brennstoffelementes angeordnet. Ebenfalls ist auch hier das Brennstoffelement vom Canningmaterial 12, gegebenenfalls unter Anordnung einer nicht dargestellten Zwischenschicht, umgeben.

Ein besonderer Vorteil neben der verbesserten Wärmeabfuhr ist bei den in Fig. 2 und 3 dargestellten Brennstoffelementen, daß durch die Anordnung des natürlichen Kernbrennstoffes in bezug auf den Moderator erreicht wird, daß vorzugsweise das Uran 235 im natürlichen oder gegebenenfalls wenig angereicherten Uran gespalten wird, während das kostbare zusätzlich beigegebene spaltbare Material im geringeren Neutronenfluß liegt und damit geschont wird.

Als zusätzlich beigegebener Kernbrennstoff läßt sich Uran 233 oder Plutonium verwenden, und zwar insbesondere Plutonium, dessen Isotopenverhältnisse sich in bezug auf die Kernreaktionen im Neutronenfluß eines Reaktors im Gleichgewicht befinden.

Die Erfindung ist nicht nur bei Brennstoffelementen anwendbar, die im wesentlichen aus natürlichem Uran bestehen und denen zusätzlich Kernspaltstoff beigegeben wird, sondern sie ist auch bei Brennstoffelementen vorteilhaft anwendbar, die im wesentlichen aus schwach angereichertem oder angereichertem Kernbrennstoff bestehen und denen weiterer angereicherter Kernspaltstoff beigegeben ist.

709 658/313

Es ist günstig, für den zusätzlich beigegebenen Kernspaltstoff eine derartige Formgebung und/oder derartige chemische Verbindung in bezug auf den sonstigen Kernbrennstoff und/oder eine derartige Anbringung des zusätzlich beigegebenen Kernspaltstoffes zu wählen, daß sich dieser leicht vom sonstigen Kernbrennstoff abtrennen läßt. In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird, wie in Fig. 4 beispielsweise dargestellt, der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff in Form eines Hohlzylinders 15, der mit Canning- ίο material 12 umgeben ist, angeordnet. Der sonstige Kernbrennstoff 10 hat, wie ersichtlich, die Form eines Vollzylinders und befindet sich innerhalb des vorstehend genannten Hohlzylinders. Die Kühlung erfolgt beispielsweise durch das zwischen dem Vollzylinder und dem Hohlzylinder befindliche Kühlmittel. Es kann jedoch zweckmäßig sein, auch außerhalb des Hohlzylinders 15 einen Kühlmittelstrom vorzusehen. Der Übersichtlichkeit wegen sind zwischen dem genannten Vollzylinder und dem genannten Hohlzylinder vorzusehende Abstandhalter nicht dargestellt. Ein besonderer Vorteil eines " Brennstoffelementes gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist, daß die Einfangwahrscheinlichkeit im Resonanzgebiet des Urans 233 praktisch nicht beeinflußt wird.

Die Brennstoffelemente nach der Erfindung werden zweckmäßig derart ausgeführt, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff — beispielsweise durch eine Zwischenschicht — vom sonstigen Kernbrennstoff so getrennt ist, daß durch mechanische und/oder chemische Verfahren der Spaltstoff ohne Beschädigung und/oder chemische Änderung des sonstigen Kernbrennstoffes von diesem getrennt werden kann. Günstigerweise wählt man für den zusätzlich beigegebenen Kernspaltstoff eine chemische Verbindung, zweckmäßig ein Oxyd, wenn der sonstige Kernbrennstoff als Metall vorliegt. In diesem Fall läßt sich beispielsweise bei der Erneuerung des zusätzlich beigegebenen Kernspaltstoffes das Brennstoffelement ohne großen Aufwand mit neuem Kernspaltstoff versehen, so daß keine neue Uranaufarbeitung erforderlich wird.

Claims (17)

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement mit angereichertem Kernbrennstoff, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff inhomogen im Brennstoffelement verteilt ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff in der Nähe der Oberfläche des Brennstoffelementes angeordnet ist.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernbrennstoff in der Nähe der Teile der Oberfläche des Brennstoffelementes, die dem Kühlmittel benachbart sind, angeordnet ist.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 3, das als Vollzylinder ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff in der Nähe der Mantelfläche des Zylinders angeordnet ist.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 3, das lamelliert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff in der Nähe des dem Kühlmittel zugewandten Teiles der Oberfläche angeordnet ist.

6. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 3, das die Gestalt eines Hohlzylinders hat, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff in der Nähe der inneren Mantelfläche des Hohlzylinders angeordnet ist.

7. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des Teiles der Oberfläche, der dem Moderator zugewandt ist, natürlicher Kernbrennstoff vorgesehen ist. * f¹":"

8. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von Uran 233 als zusätzlich beigegebenem Kernspaltstoff.

9. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung von Plutonium als zusätzlich beigegebenem Kernspaltstoff.

10. Brennstoffelement nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung von Plutonium, dessen Isotopenverhältnisse sich annähernd im Gleichgewicht befinden.

11. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine derartige Formgebung des zusätzlich beigegebenen Kernspaltstoffes, daß sich dieser leicht vom sonstigen Kernbrennstoff abtrennen läßt.

12. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine derartige chemische Verbindung des zusätzlich beigegebenen Kernspaltstoffes in bezug auf den sonstigen Kernbrennstoff, daß sich der Kernspaltstoff leicht vom sonstigen Kernbrennstoff abtrennen läßt.

13. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine derartige Anbringung des zusätzlich beigegebenen Kernspaltstoffes, daß sich dieser leicht vom sonstigen Kernbrennstoff abtrennen läßt.

14. Brennstoffelement nach Anspruch 11 bis 13, insbesondere nach Anspruch 11 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff in Form eines Hohlzylinders angeordnet ist und daß sich der sonstige Kernbrennstoff in Form eines Vollzylinders innerhalb des genannten Hohlzylinders befindet.

15. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 11, insbesondere nach Anspruch Ϊ3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff durch eine Zwischenschicht vom sonstigen Kernbrennstoff derart getrennt ist, daß durch mechanische und/oder chemische Verfahren der Kernspaltstoff ohne Beschädigung und/oder chemische Umwandlung des sonstigen Kernbrennstoffes von diesem abgetrennt werden kann.

16. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 15, insbesondere nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernspaltstoff als chemische Verbindung und der sonstige Kernbrennstoff als Metall vorliegt.

17. Brennstoffelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzlich beigegebene Kernspaltstoff als Oxyd vorliegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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