DE1099656B - Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen

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DE1099656B
DE1099656B DED31982A DED0031982A DE1099656B DE 1099656 B DE1099656 B DE 1099656B DE D31982 A DED31982 A DE D31982A DE D0031982 A DED0031982 A DE D0031982A DE 1099656 B DE1099656 B DE 1099656B
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DED31982A
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Arno Mueller
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Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
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Deutsche Babcock and Wilcox Dampfkesselwerke AG
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C21/00Apparatus or processes specially adapted to the manufacture of reactors or parts thereof
    • G21C21/02Manufacture of fuel elements or breeder elements contained in non-active casings
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/04Constructional details
    • G21C3/16Details of the construction within the casing
    • G21C3/18Internal spacers or other non-active material within the casing, e.g. compensating for expansion of fuel rods or for compensating excess reactivity
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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Description

  • Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen ovalen, eckigen oder runden Ouerschnittes mit einem äußeren metallischen Hüllrohr. Die Erfindung besteht darin, daß zunächst in das äußere Hüllrohr ein oder mehrere mit Füllstoffen gefüllte, dünnwandige Führungsröhrchen eingebracht werden und sodann der Kernlarennstoff in den Ringspalt zwischen Führungsröhrchen und äußerem Hüllrohr eingefüllt und anschließend auf bekannte Weise, gegebenenfalls durch Drehsta.uchung oder andere bekannte Methoden, bei Raum-oder auch bei höheren Temperaturen, verdichtet wird. Nach einer weiteren Maßnahme der Erfindung wird für das Material des Führungsröhrchens ein solcher Stoff gewählt, der während der ersten vollen Inbetriebnahme des Brennstoffelementes im Reaktor oder während eines dem Herstellungsprozeß nachgeschalteten Bearbeitungs- oder Inbetriebsetzungsvorganges, wie es beispielsweise ein Glühen oder chemisches Bearbeiten darstellt, verändert und mit Stoffen seiner Umgebung neue Verbindungen bildet. Dabei können dem Kernbrennstoff oder dem Füllstoff zusätzliche Stoffe beigegeben werden, die es ermöglichen; da.ß sich das Material des Führungsröhrchens bei Erwärmung chemisch mit diesen Stoffen verbindet. Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Erwärmung des Führungsröhrchens bei dem der Herstellung nachgeschalteten Glühvorgang durch Induktion oder Hochfrequenz vorgenommen und, falls es erforderlich ist, während des Glühvorganges das äußere Hüllrohr gekühlt. Es hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, dem Füllstoff verbrennbare Neutronengifte zum Ausgleich der Reaktivität beizumischen. Diese können auch dem Material des Führungsröhrchens beigefügt werden. Es ist beispielsweise auch möglich, das Führungsröhrchen aus einem Kunststoff zu machen, der sich während des Betriebes des Reaktors auflöst oder eine Verbindung mit dem Füllstoff eingeht, ein Gel bildet oder in anderer Weise in den Prozeß eingefügt wird.
  • Für Kernreaktoren ist eine Vielzahl stab- und röhrenförmiger Brenns,toffelemnente bekannt. So ist beispielsweise bei einem röhrenförmigen Brennstoffelement der Kernbrennstoff zwischen zwei konzentrisch angeordneten Rohren eingebracht, und der Werkstoff der beiden Rohre ist so gewählt, daß beim Überschreiten einer bestimmten Grenztemperatur das innere Rohr schmilzt und ein Teil des Brennstoffes durch die Schwerkraft aus dem äußeren Rohr ausfließt. Bei einem anderen bekannten rohrförmigen Brennstoffelement wird der Brennstoff ebenfalls zwischen zwei konzentrisch angeordnete Rohre eingefüllt, wobei jedoch die Rohre mit radialen Bohrungen versehen sind, durch welche das Kühlmittel hindurchgeleitet wird.
  • Für stabförmige Brennstoffelemente hat sich die Verwendung des Kernbrennstoffes in keramischer Form, beispielsweise als Oxyd, bewährt, da ein derartiger Brennstoff hohen Temperaturen gewachsen ist, keine Gefügeumwandlung, wie beispielsweise das metallische Uran bei bestimmten Temperaturen, erfährt und auch weniger stark mit dem Kühlmittel reagiert als ein Metall. Der keramische Brennstoff wird dabei meist in Form von einzelnen gepreßten und gesinterten Tabletten in Rohre aus 18/8-Stahl, Zircalloy oder Beryllium eingesetzt.
  • Nach einem anderen Verfahren wird der Brennstoff gegebenenfalls pulverförmig in eine äußere metallische Hülle eingefüllt und diese Hülle durch ein Spezialverfahren, das sogenannte »Swaging«, im Durchmesser verringert. Die Dichte des Brennstoffes steigt dabei auf 85 bis 90% des theoretisch erreichbaren Wertes.. Um die mit dem Brennstoffpulver in die Hülle gelangten Gasreste, hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff abzubinden, wird bei diesem Verfahren dem keramischen Brennstoffpulver häufig noch etwa 1% metallisches Uranpulver zugesetzt.
  • Der Durchmesser der Brennstoffelemente richtet sich nach physikalischen und wärmetechnischen Gesichtspunkten und soll mit Rücksicht auf die Herstellungskosten möglichst groß sein, zumindest aber einen bestimmten Wert nicht unterschreiten.
  • Bei wassergekühlten Reaktoren werden bereits mit Brennstoffelementen von verhältnismäßig großem Durchmesser befriedigende Werte erzielt, da auch diese Elemente schon eine ausreichende Kühlfläche bieten. Ungünstiger liegen die Verhältnisse jedoch bei Gaskühlung. Hier ist eine wesentlich größere Heizfläche erforderlich, die bei gleichbleibender Gesamtbrennstoffmenge nur mit einer sehr viel größeren Anzahl von Einzelstäben und einem entsprechend kleineren Durchmesser erzielt werden kann. Der Durchmesser ist dabei meist so niedrig, daß die Stäbe nicht mehr wirtschaftlich hergestellt werden können.
  • Um diese Schwierigkeit zu überwinden, hat man vorgeschlagen, die keramischen Brennstofftabletten mit einer zentralen Bohrung auszuführen, so daß ein Hohlelement entsteht. Andere Vorschläge sehen vor, den Kernbrennstoff durch andere keramische Stoffe mit geringer Neutronenabsorption zu verdünnen. Beiden Verfahren haften jedoch gewisse Nachteile an. Bei dem Hohlelement besteht die Gefahr, daß während des Betriebes die ringförmigen Tabletten zerspringen, Teile davon in die Mittelbohrung fallen und die restlichen Bruchstücke dann nicht mehr gleichmäßig an dem äußeren Hüllrohr anliegen. Bei der homogenen Verdünnung wird der gesamte Herstellungsprozeß verteuert, und es werden alle sonstigen Eigenschaften des Kernbrennstoffes in einer schwer zu übersehenden Weise verändert.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile auszuschalten und durch ein neues Verfahren keramische Brennstoffelemente mit einem günstigen Verhältnis der Kühlfläche zum Brennstoffeinsatz herzustellen und dabei einen für die Herstellung wirtschaftlichen Durchmesser zu ermöglichen. Das Verfahren ist nur für Elemente geeignet, bei denen der Kernbrennstoff in Pulverform in das äußere Hüllrohr eingebracht wird, und dann durch äußere, auf das äußere Hüllrohr wirkende Kräfte bei Raum- oder auch bei höheren Temperaturen verdichtet wird. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, den Kernbrennstoff durch Füllstoffe zu verdünnen, die während der Herstellung durch ein diese Füllstoffe umschließendes Führungsröhrchen zusammengehalten werden. Das Führungsröhrchen wird dann während eines anschließenden Glühprozesses oder während der ersten Inbetriebnahme des Brennstoffelementes umgeformt und geht dabei mit den ihm benachbarten Stoffen eine chemische Verbindung ein. Als Füllstoffe werden zweckmäßigerweise Stoffe mit hohem Schmelzpunkt und mit geringer Neutronenabsorption verwendet, wie z. B. Aluminium-, Magnesium- oder Berylliumoxy d. Das diese Stoffe umschließende Führungsröhrchen kann aus den gleichen oder auch anderen Metallen bestehen, kann aber auch aus Kunststoffen bestehen.
  • " Die Herstellung der Brennstoffelemente nach der Erfindung erfolgt in der Weise, daß der gewählte Füllstoff, beispielsweise Magnesiumoxyd, in das Führungsröhrchen, beispielsweise aus Aluminium, eingerüttelt und gegebenenfalls darin zusätzlich verdichtet wird. Sodann wird dieses gefüllte Röhrchen in das äußere Hüllrohr des Brennstoffelementes gespannt und der zwischen diesem Führungsröhrchen und dem äußeren Hüllrohr verbleibende ringförmige Spalt mit Kernbrennstoff aufgefüllt und der Kernbrennstoff in bekannter Weise durch äußere Kräfte, bei Raum- oder auch bei höheren Temperaturen, verdichtet. Nachdem das Element mit Endkappen ausgerüstet ist und eine entsprechende Nachbehandlung und Prüfung durchgemacht hat, kann es in den Reaktor eingebracht werden. Das dünnwandige Führungsröhrchen, dessen Wandstärke sich während der Verdichtung des Kernbrennstoffes eventuell noch weiter vermindert hat, ist üblicherweise den während des Reaktorbetriebes im Inneren des Kernbrennstoffes auftretenden Temperaturen nicht gewachsen und wird bei der ersten vollen Inbetriebnahme schmelzen. Nach einer gewissen Zeit wird es mit den umgebenden Stoffen chemische Verbindungen eingehen. Die Eigenschaften des Gesamtelementes werden wegen der geringen Materialmenge des Führungsröhrchens dadurch kaum beeinflußt werden. Gegebenenfalls können neben oder in dem Führungsröhrchen zusätzlich solche Stoffe eingebracht werden, mit denen das Material des Führungsröhrchens ebenfalls hochschmelzende Stoffe bildet.
  • Die Umformung des Führungsröhrchens braucht selbstverständlich nicht erst während des Reaktorbetriebes zu erfolgen, sondern kann auch vorher während eines besonderen Glühvorganges vorgenommen werden. Um das äußere Hüllrohr dabei nicht zu überhitzen,- kann dieses gekühlt und .die Wärme im Inneren des Brennstoffelementes durch Induktion oder Hochfrequenz erzeugt werden.
  • In das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Brennstoffelemente lassen sich auch die zum Ausgleich der Reaktivität häufig verwendeten verbrennbaren Gifte leicht einbringen. Sie können beispielsweise_ dem Füllstoff im Inneren des Führungsröhrchens zugesetzt werden, so daß die metallurgisch häufig ungünstige Beimengung zum Brennstoff entfällt und dieser in seinen bekannten Eigenschaften nicht verändert wird. Die Gifte öder auch der verwendete Kunststoff können zur Druckänderung innerhalb des Führungsröhrchens herangezogen werden.
  • Ein nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestelltes Brennstoffelement ist in einem Ausführungsbeispiel in der Zeichnung dargestellt.
  • In das äußere Hüllrohr 1 ist das mit Füllstoffen 2 angefüllte Führungsröhrchen 3 zentrisch oder bei unterschiedlicher Wärmeabgabe azentrisch eingeführt. Nachdem es in seiner Lage gegenüber dem äußeren Hüllrohr 1 festgelegt ist, wird der Brennstoff 4 in den Ringspalt zwischen dem Führungsröhrchen 3 und dem äußeren Hüllrohr 1 eingefüllt und in bekannter Weise verdichtet. Die weitere Bearbeitung wird in der beschriebenen Weise vorgenommen.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennstoffelementen ovalen, eckigen oder runden Querschnittes mit einem äußeren metallischen Hüllrohr, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst in das äußere Hüllrohr ein oder mehrere mit Füllstoffen gefüllte dünnwandige Führungsröhrchen eingebracht werden, sodann der Kernbrennstoff in den Ringspalt zwischen Führungsröhrchen und äußerem Hüllrohr eingefüllt und anschließend, gegebenenfalls durch Drehstauchung bei Raum-oder auch bei höheren Temperaturen, verdichtet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Material des Führungsröhrchens während der ersten vollen Inbetriebnahme des Brennstoffelementes oder während eines dem Herstellungsprozeß nachgeschalteten Bearbeitungs- oder Inbetriebsetzungsvorganges verändert und mit Stoffen seiner Umgebung neue Verbindungen bildet.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kernbrennstoff und/oder dem Füllstoff zusätzliche Stoffe zugesetzt sind, mit denen sich das Material des Führungsröhrchens bei Erwärmung chemisch verbindet.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Erwärmung aus dem Material des Führungsröhrchens und den Stoffen seiner Umgebung gebildeten neuen Verbindungen einen hohen Schmelzpunkt haben.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Führungsröhrchens bei dem der Herstellung nachgeschalteten Glühvorgang durch Induktion oder Hochfrequenz erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Glühvorganges das äußere Hüllrohr gekühlt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoffe an sich bekannte Stoffe mit hohem Schmelzpunkt und geringer Neutronenabsorption, wie z. B. Oxyde, Karbide und Silikate des Aluminiums, Magnesiums, Berylliums und Zirkons, verwendet werden. B. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoff für das Führungsröhrchen Metalle mit geringer Neutronenabsorption, wie z. B. Aluminium, Magnesium, Beryllium, Zirkon, oder nichtmetallische Stoffe mit geringer Neutronenabsorption, wie z. B. Kunststoffe, verwendet werden. 9. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Füllstoff verbrennbare Neutronengifte zum Ausgleich der Reaktivität beigemischt sind. 10. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Material des Führungsröhrchens verbrennbare Neutronengifte zum Ausgleich der Reaktivität beigemischt sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1030 475, 1041 177, 1055 143.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1030475B (de) * 1955-04-30 1958-05-22 Atomic Energy Authority Uk Brennstoff-Element mit roehrenfoermigem Brennkoerper und metallischem Aussenmantel fuer Kernreaktoren
DE1041177B (de) * 1957-05-31 1958-10-16 Escher Wyss Ag Brennstoffelement fuer einen Kernreaktor
DE1055143B (de) * 1957-11-13 1959-04-16 Atomic Energy Commission Verfahren zur Herstellung von keramischen Brennelementen fuer Kernreaktoren

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