DE1041180B

DE1041180B - Brennelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1041180B
Application number: DEU4704A
Authority: DE
Inventors: William Edward Abbott; Ralph Balent
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1956-08-06
Filing date: 1957-08-05
Publication date: 1958-10-16
Also published as: NL113539C; GB807817A; BE559844A; US2852460A; FR1186273A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für Kernreaktoren, insbesondere Brutreaktoren.

Soweit nichts anderes angegeben, wird nachfolgend die übliche und anerkannte Terminologie der Kernphysik verwendet. So bezieht sich z. B. der Ausdruck »Spaltstoff« auf mit thermischen Neutronen spaltbares Plutonium, ²³⁵U und ²³³U, und unter »Brutstoff« sind Thorium und ²³⁸U zu verstehen, die durch Einfangen von Neutronen und ^-Zerfall in Spaltstoffe umgewandelt werden können. Wenn von Uran, Thorium oder Plutonium gesprochen wird, so sind damit sowohl das Metall als auch die feuerfesten Oxyde, wie ThO₂ und UO₂, gemeint.

Bei der Entwicklung wirtschaftlich konkurrenzfähiger Kernenergie richtet sich die Aufmerksamkeit besonders auf die Ausrüstung von neuem Spaltstoff. Da der Uranvorrat beschränkt ist, ist man bestrebt, das in verhältnismäßig großem Umfang zur Verfügung stehende Thorium in ²³³U und ²³⁸U in Plutonium umzuwandeln. Das entstehende ²³³U und Plutonium kann dann zur weiteren Umwandlung von Brutstoff verwendet werden; auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Menge an Spaltstoff zu vergrößern und gleichzeitig Energie zu gewinnen. Ferner werden durch ein zweckentsprechendes Brutprogramm die Kosten der Kernenergieerzeugung erheblich gesenkt, weil ein hochwertiges Nebenprodukt anfällt.

Brutstoffe werden im allgemeinen in den als Brutreaktoren bekannten Reaktortypen verwendet, wobei die Ausbrütung zusammen mit dem Verbrauch an Spaltstoff erfolgt. Die Art und die räumliche Form, in welcher der Brutstoff eingesetzt wird, sind von beträchtlicher Bedeutung, da für einen wirtschaftlichen Betrieb solcher Reaktoren niedrige Herstellungs- und Aufbereitungskosten wichtig sind. Brutstoffe sind bisher in verschiedener Weise verwendet worden. Zum Beispiel wurde Plutonium aus ²38U J_n großen, graphitmoderierten, luft- oder wassergekühlten, mit natürlichem Uran betriebenen Reaktoren ausgebrütet. Thorium kann in Uran-Thorium-Legierungen und als Abdeckung in Zwei - Zonen - Reaktoren verwendet werden. In diesen Zwei-Zonen-Reaktoren ist das Thorium in verschiedener Form verwendet worden, z. B. in Form fester Stäbe, in Form von Thoriumoxydsuspensionen und Thoriumnitratlösungen. Wenn die Spalt- und Brutstoffe vermischt wurden, mußten sie bei der Aufbereitung wieder getrennt werden, was eine Kostenerhöhung bedeutet. Die Kosten des Zusammenbaues sind in vielen Fällen auf Grund der Verwendung von Umkleidungsstoffen ebenfalls hoch gewesen; eine geringe oder gar keine Umkleidung wäre ideal. Hinzu kommt noch das Problem der Wärmeübertragung. Die Möglichkeit der Wärmeabfuhr bestimmt gewöhnlich die Energiehöhe, und in heterogenen Reaktoren wurde

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission, Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Gaußstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. August 1956

William Edward Abbott, Pittsburgh, Pa.,

und Ralph Balent, Tarzana, Calif. (V. St. Α.)

sind als Erfinder genannt worden

sie von der Urantemperatur im Zentrum des Stabes bestimmt. Um diese Erscheinung zu vermeiden und doch einen hohen Wärmefluß zu erhalten, sind Brennelemente vorgeschlagen worden, die aus einem Bündel von Uranstäben von verhältnismäßig geringem Durch messer bestehen. Durch diese Maßnahme werden jedoch nur die Herstellungskosten und die Kosten für die Beseitigung von Verunreinigungen erhöht.

Die Erfindung bezweckt die Entwicklung eines verbesserten Brennelementes für Brutreaktoren. Sie zielt weiter auf die Entwicklung eines Brennelementes für Brutreaktoren ab, in welchem die Brut- und Spaltstoffe getrennt sind und welches nur eine minimale Umkleidung erfordert. Ein weiteres Erfindungsziel ist die Entwicklung eines solchen Brennelementes, das in wirtschaftlicher Weise hergestellt und gereinigt werden kann. Ein anderes Erfindungsziel ist die Schaffung eines Brennelementes dieser Art, in dem als Äquivalent für ein Bündel von Stäben geringeren Durchmessers ein einzelnes Brennelement von verhältnismäßig großem Durchmesser verwendet wird. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines derartigen Brennelementes mit besseren Wärmeübertragungseigenschaften, wodurch höhere Wärmeflußwerte sicher erzielt werden können. Ein anderes Ziel ist die Entwicklung eines Brennelementes dieser Art mit besseren Wärmeübertragungseigenschaften, in dem die Leistung nicht durch die Temperatur im Zentrum des Brennelementes begrenzt ist.

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Das Reaktorbrennelement mit Hülse und mit einem Fig. 2 zeigt im Längsschnitt das erfindungsgemäße

Zentralkern aus Brutstoff ist gemäß der Erfindung da- Brennelement, das in einem Brennkanal des SRE andurch gekennzeichnet, daß dieser von einem ersten geordnet ist. Der Hängestab 10 trägt eine Säule von Verbindungsmaterial umgeben ist, das seinerseits un- getrennten Brennstäben von 15,2 cm Länge. Der mittelbar von einer Spaltstoffschicht umgeben ist, um 5 Hängestab 10 ist vom Brutstoff 1 umgeben. LTm diesen die herum ein zweites Verbindungsmaterial angeord- herum ist das Verbindungsmaterial 2 angeordnet, das net ist, das den Behälter berührt. die Verbindung und einen thermischen Kontakt von

Das Brennelement gemäß der Erfindung besitzt Brutstoffl und Spaltstoff 3 herstellt. Das Verbindungsbemerkenswerte Eigenschaften. Es ist durch die material 4 ist nicht auf einen einzelnen Brennstab beTrennung von Spalt- und Brutstoff und die minimale 10 grenzt, sondern erstreckt sich über die gesamte Länge L^Tmkleidung einfach herzustellen und zu reinigen. Zu des Brennelementes und stellt den thermischen Konder Einfachheit der Herstellung und Reinigung trägt takt zwischen dem Spaltstoff 3 und der Zirkonhülse 5 auch die Verwendung eines einzelnen Stabes von ver- her, welche die 1,83 m hohe Säule der 15,2 cm langen hältnismäßig großem Durchmesser an Stelle eines Brennstäbe enthält. Im Kühlmittelkanal 6 strömt geBündels von Stäben geringeren Durchmessers bei. 15 schmolzenes Natrium. Die Zirkonschicht 7 kleidet den Durch xAnordnung des Spaltstoffes an der Außenseite Graphitmoderator 8 aus und schützt ihn vor dem gedes Stabes ist die Leistung nicht durch die Tempera- schmolzenen Kühlmittel.

tür im Zentrum begrenzt. Die Konzentration des Die nachfolgende Tabelle gibt die konstruktiven

Spaltstoffes in größerer Nähe des Kühlmittels ergibt Einzelheiten der Brennstabanordnung gemäß Fig. 2 im eine wirksamere Wärmeübertragung, und das gleiche 20 SRE an:
Kühlmittel wird für den Brut- wie den Spaltstoff verwendet. Der Umwandlungsfaktor ist überraschender- ^A- Werkstoffe

weise recht hoch; im Gegensatz zu den Erwartungen Kühlmittelkanal Zr

wirkt der den Brutstoff umgebende Spaltstoff nicht als Kühlmittel Na

Filter oder Neutronenfänger. Da die Umwandlung 25 Brennelementhülse Zr

unmittelbar in dem Brennelement erfolgt, wird neuer Verbindungsmaterial NaK

Spaltstoff erzeugt, der wiederum zur Aufrecht- Spaltstoff 235TJ

erhaltung der Kettenreaktion verwendet werden kann. Anreicherung (Uran) 93,5%

Auf Grund dieser Vorteile stellt das erfindungsgemäße Gesamte Brennstoffmenge .... 60 kg (Spaltstoff)

Brennelement einen großen Fortschritt in der Ent- 30 Brutstoff Th

wicklung wirtschaftlicher Kernenergie dar. Hängestab rostfreier Stahl

In der Zeichnung zeigt der Type 304 L

Fig. 1 einen Querschnitt durch das erfindungsgemäße _ß Abmessungen
Brennelement und ' ^ö

Fig. 2 im Längsschnitt eine Ausführungsform des 35 Kühlmittelkanal

Brennelementes für einen bestimmten, bekannten Re- Außendurchmesser 74,03 mm

aktor. Wandstärke 0,89 mm

Wie Fig. 1 zeigt, bildet der Brutstoff 1, Thorium Brennelementhülse

oder 238Tj₁ ,Jg_n Zentralkern des Elementes. Dieser Außendurchmesser 54,99 mm

Kern 1 ist von dem Verbindungsmaterial 2 umgeben, 40 Wandstärke 0,89 mm

das ihn berührt und aus einem geeigneten geschmolze- Verbindungsmaterial,

nen anorganischen Medium, wie Natrium, Natrium— radiale Stärke 0,51 mm

Kalium, Wismut, Wismut —Zinn und geschmolzenen Spaltstoff, radiale Stärke 0,25 mm

Fluoridsalzen, z. B. Alkalifuioriden, bestehen kann. Verbindungsmaterial,

Das Verbindungsmaterial 2 ist von einem dünnen 45 radiale Stärke 0,13 mm

Zylinder umgeben, der Spaltstoff 3 (wie Uran oder Brutstoff

Plutonium) enthält. L'ran soll vorzugsweise an einem Außendurchmesser 51,44 mm

spaltbaren Isotop, wie ²³³L^ oder ²³⁵U, stark (z. B. zu Innendurchmesser 12,70 mm

mindestens 90°/») angereichert sein. Der Spaltstoff ist Hängestab, Außendurchmesser .. 12,57 mm

von einem zweiten Verbindungsmaterial 4 umgeben, 50 Länge der Spaltstoffstäbe 15,2 cm

dessen Zusammensetzung derjenigen des Verbindungs- Länge des Brennelementes 1,83 m

materials 2 ähnlich ist. Das Verbindungsmaterial 4 Zahl der Stäbe in einem Brennberührt den Spaltstoff und die Innenfläche von Be- element 12

halter 5. Der Behälter kann aus einem beliebigen _, . ,

Metall mit geeigneten kerntechnologischen und 55 ^C Betriebsbedingungen

metallurgischen Eigenschaften, z. B. Zirkon oder rost- Höchsttemperatur des Spaltstoffes .. 649° C

freiem Stahl, bestehen. Die Verbindungsstoffe ergeben Höchsttemperatur des

einen thermischen Kontakt für einen wirksamen Brutstoffes (Th) 982° C

Wärmeübergang und ermöglichen ferner kleine Di- Zahl der Stäbe 31

mensionsänderungen der Feststoffe, die durch die 60 Leistung 20 Mw

Wirkung der Strahlung und thermische Schwankungen

erfolgen, ohne daß das Brennelement zerbirst. Das obige Beispiel erläutert zwar die besondere

Nachfolgend sei die Anpassungsfähigkeit des er- Eignung und Anpassungsfähigkeit des erfindungsfi η dungsgemäß en Brennelementes an einen bestimmten gemäßen Brennelementes für den SRE, dient jedoch Reaktor beschrieben, nämlich den Sodium Reactor 65 nur der Erläuterung der Erfindung, ohne sie zu beExperiment (SRE), einen graphitmoderierten, natrium- grenzen. Unter Anwendung der prinzipiellen Merkgekühlten Reaktor, der im einzelnen in einer Ver- male des erfindungsgemäßen Brennelementaufbaues öffentlichung von W. E. Parkins, »The Sodium Re- können entsprechende Abänderungen erfolgen, um das actor Experiment«, auf der Genfer Konferenz für die Brennelement in Reaktoren anderer Bauart zu verfriedliche Ausnutzung der Atomenergie beschrieben ist. 70 wenden.

Claims

Patentansprüche:

1. Reaktorbrennelement mit Hülse und mit einem Zentralkern aus Brutstoff, dadurch gekennzeichnet, daß dieser von einem ersten Verbindungsmaterial umgeben und dieses seinerseits unmittel- bar von einer Spaltstoffschicht umgeben ist, um die herum ein zweites Verbindungsmaterial angeordnet ist, das den Behälter berührt.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Verbindungsmaterial ein geschmolzenes anorganisches Medium sind.

3. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Verbindungsmaterial der Gruppe geschmolzene Fluoridsalze, Natrium, Natrium—-Kalium, Wismut und Wismut —Zinn angehören.

4. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Verbindungsmaterial Natrium —Kalium ist.

5. Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff Uran und der Brutstoff Thorium ist.

6. Reaktorbrennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen im Zentralkern angeordneten Mittelstab.

7. Reaktorbrennelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Mittelstab in axialer Richtung eine Mehrzahl gesonderter Brennstäbe angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 754 183.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen