DE1029949B - Kernbrennstoffelement - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, bei Kernreaktoren das spaltbare Material mit einer als »canning« bezeichneten metallischen Schutzhülle zu umgeben und in Gestalt von Platten oder Stäben zum Aufbau der kritischen Masse zu benutzen. Man hat auch schon vorgeschlagen, den Kernbrennstoff in nichtmetallischen Hülsen, z. B. Graphithülsen, einzubetten. Bei Verwendung von reinen metallischen spaltbaren Materialien ist die kritische Masse am kleinsten.

Kernbrennstoffelemente aus reinem, beispielsweise aus metallischem Uran können jedoch nur unterhalb der Temperatur der a--/?-Phasen-umwandlung in Kernreaktoren benutzt werden, da mit dieser Umwandlung eine starke Formänderung verbunden ist. Aber auch eine mögliche chemische Reaktion zwischen dem Hüllenmaterial und dem Uranmetall begrenzt die Betriebstemperatur nach oben hin. So reagiert Aluminium als Hüllenmaterial bereits bei 250° C mit Uran. Derartige Reaktionen hat man unter anderem mit Hilfe anodi scher Überzüge auf der Innenwand der Aluminiumhülle verhindert. Statt dessen hat man zu demselben Zweck andere Diffusionssperrschichten, z.B. U(AlSi)₃, im Schmelztauchverfahren auf die nackten Uranelemente aufgebracht.

Ferner erleidet metallisches Uran in fester Phase in hohem Maße Strukturschäden durch die hochenergetischen Spaltprodukte. Die entstehenden Spaltprodukte reichern sich allmählich im Uranmetall an Kernbrennstoffelement

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Phys. Heinz Stehle

und Dipl.-Chem. Wolfgang Jahns, Erlangen,

sind als Erfinder genannt worden

können selbst noch spaltbares oder konvertierbares Material enthalten, z. B. UO₂.

Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des neuen Kernbrennstoffelementes, es zeigt

Fig. 1 ein Kernbrennstoffelement in Zylinderform und

Fig. 2 das Kernbrennstoffelement im Schnitt.
Die Hülle 1 des Kernbrennstoffelementes nach den Fig. 1 und 2 ist mit einem Mantel 2 aus Keramik oder und »vergiften« dieses, indem sie dem Reaktionsprozeß 30 Cermet ausgefüttert. Dieser umhüllt das metallische zusätzlich Neutronen entziehen. Den größten Einfluß spaltbare Material3 unter Belassungeines Gassammel-

übt das gasförmige Xenon aus.

Man hat versucht, einige dieser Schwierigkeiten durch Verwendung keramischer Kernbrennstoffe zu umgehen. Da in diesen aber das Uran weniger dicht gepackt ist, muß man entweder höher an U²³⁵ angereichertes Uran verwenden oder aber den kritischen Radius des Reaktors vergrößern. Ähnliches gilt auch bei Verwendung von Plutonium und Legierungen mit Uran und Plutonium.

Demgegenüber werden bei den Kernbrennstoffraumes 4. Als Kernbrennstoffe 3 können Plutonium oder Uran, vorzugsweise angereichertes Uran oder ferner auch Legierungen dieser Metalle benutzt werden. Die bei der Kettenreaktion entstehenden Spaltprodukte sammeln sich, soweit sie nicht in Lösung gehen, in der oberen Zone der Kernbrennstoffelemente, also in einem Bereich, in dem die Neutronenfiußdichte geringer als in der Mitte ist. Bekanntlich verteilt sich der Neutronenfluß über die Längsrichtung des Reaktors von der Mitte aus etwa cosinusförmig nach oben

elementen gemäß der Erfindung die genannten Schwie- und unten, so daß die Spaltprodukte im oberen Teil

rigkeiten von vornherein vermieden, indem die das der Kernbrennstoffelemente den Neutronenhaushalt

metallische spaltbare Material umschließende Hülle nur wenig beeinträchtigen. Die gasförmigen Spalt-

mit einem inneren Keramik- oder Cermetmantel aus- 45 produkte sammeln sich im Gassammeiraum 4 und

gefüttert ist. werden von dort abgeführt, z. B. von Zeit zu Zeit ab-

AIs Keramik sind hier Sinterprodukte aus Oxyden, gepumpt.

Karbiden, Suiziden, Sulfiden und ähnliche Verbin- Die Verwendung der neuen Kernbrennstoffelemente

düngen zu verstehen; Cermete sind Sinterprodükte der bietet den Vorteil, die Betriebstemperatur des Reak-

genannten Stoffe mit Metallpulvern. Die Verwendung 50 tors höher zu legen, als dies bisher möglich war. Da

keramischer oder metallkeramischer Materialien in der Keramik- oder Cermetmantel eine Reaktion des

Form von Überzugsschichten beim Bau von Kernreak- heißen spaltbaren Materials mit der Hülle verhindert,

toren für hohe Temperaturen ist bekannt. Die im vor- kann selbst ein Schmelzen des Urans oder Plutoniums

liegenden Fall verwendeten Keramiken oder Cermete unbedenklich in Kauf genommen werden. Hinzu

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Claims (4)

1. kommt, daß das geschmolzene Metall keine Schädigungen mehr durch Strahlungs- und Wärmeeinflüsse erleidet.

   Pate N ta ν s ρ ρ, ϋ c η ε-1. Kernbrennstoffelement mit einer das metallische spaltbare Material umschließenden metallischen oder nichtmetallischen Hülle, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle innen mit einem Keramik- oder Cermetmantel ausgefüttert ist.
2. 2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Keramik- oder Cermetmantel spaltbares und/oder konvertierbares Material enthält.
3. 3. Kernbrennstoffelement nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als spaltbares metallisches Material Plutonium oder Uran, vorzugsweise angereichertes Uran, oder ferner Legierungen dieser Metalle benutzt sind.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Französische Patentschrift Nr. 1 105 732;
   ίο Glasstone, Principles of Nuclear Reaktor Engineering, 1956, S. 513 bis 515;

   Reference Material on Atomic Energy«, 1955, S. 452; Reference Material ou Atomic Energy«, 1955, S. 452; »Nucleonics«, Bd. 7, 1950, H.
4. 4, S. 16.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen