DE1171993B - Kernreaktor-Brennelement ohne Schutzhuelle - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Deutsche KI.: 21g-21/20

Nummer: 1 171 993

Aktenzeichen: D 34457 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 7. Oktober 1960

Auslegetag: 11. Juni 1964

Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennelement ohne Schutzhülle mit einer Trägermatrix aus Graphit und darin dispergiert angeordnetem Spaltstoff.

Bei der Kernspaltung entstehen eine Anzahl gasförmiger Spaltprodukte, die auf Grund ihrer hohen Aktivität vom Kühlmittel ferngehalten werden müssen. Aus neutronenökonomischen und wärmetechnischen Gründen ist es im allgemeinen schwierig, geeignete Schutzhüllen für Kernbrennstoffe zu finden, die sowohl gasundurchlässig sind als auch die in der modernen Reaktorentwicklung angestrebten hohen Temperaturen vertragen. Darüber hinaus besteht die Schwierigkeit des allseitig guten Wärmeleitkontaktes zwischen Brennstoff und diesen Schutzhüllen.

Um diese bisher auftretenden Schwierigkeiten zu vermeiden, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement zu schaffen, das ohne Schutzhülle ausgeführt werden kann, ohne daß dabei aber gasförmige Spaltprodukte in den Kühlmittelstrom übertreten und von diesem mitgeführt werden und hierdurch eine Verseuchung des ganzen Kühlkreislaufes eintritt.

Es sind bereits Brennelemente bekanntgeworden, die den Brennstoff in Form von kleinen Kügelchen dispergiert enthalten, welche mit einer Schutzhülle aus einem feuerfesten Material, z. B. Aluminiumoxyd, umgeben sind. Es ist jedoch bis jetzt nicht gelungen, diese Brennelemente impermeabel für gasförmige Spaltprodukte zu gestalten, weil offenbar diese Hüllen den thermischen Spannungen nicht standhalten und aufreißen, so daß die gasförmigen Spaltprodukte durch den porösen Graphit, in den diese Brennstoffpartikeln eingelagert sind, in das Kühlmittel entweichen.

Ebenfalls sind Brennelemente bekannt, die Brennoder Brutstoff in einer glasartigen Komponente enthalten, welche in ein tonhaltiges Keramikmaterial eingesintert ist. Solche Elemente weisen zwar eine hohe Undurchlässigkeit für gasförmige Spaltprodukte bei hohen Temperaturen auf, sind aber wegen ihrer hohen Sprödigkeit und geringen Wärmeleitfähigkeit im Reaktorbetrieb nur beschränkt anwendbar. Es können nur kleine Körper, z. B. in Form von Tabletten, als Brennelemente hergestellt werden, die im Reaktor keiner mechanischen Beanspruchung unterliegen. Wegen ihrer begrenzten Wärmeleitfähigkeit darf die Oberflächenwärmebelastung dieser Elemente bescheidene Werte nicht überschreiten, weil die auftretenden Temperaturgradienten sonst unzulässige thermische Spannung erzeugen, die zum Bruch der Elemente führen. Niedrige Obernächenwärme-

Kernreaktor-Brennelement ohne Schutzhülle

Anmelder:

Deutsche Babcock & Wilcox-Dampfkessel-Werke Aktien-Gesellschaft,

Oberhausen (RhId.)

Als Erfinder benannt:

Dr. Christoph Steinert, Oberhausen (RhId.)

belastung bedeuten aber auch niedrige Leistungsdichte im nuklearen Teil der Kernkraftanlage und damit hohe spezifische Anlagekosten, die die Stromerzeugung verteuern.

ao Das tonhaltige keramische Material, welches bei solchen Elementen die Trägermatrix bildet, stellt außerdem einen parasitären Neutronenabsorber dar, der nicht zur Neutronenmoderation beiträgt. Die parasitäre Neutronenabsorption muß durch höheren Brennstoffeinsatz kompensiert werden.

Gemäß der Erfindung wird somit die Aufgabe, ein Brennelement mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Neutronenökonomie zu schaffen, das für Spaltprodukte impermeabel ist, dadurch gelöst, daß die Absorbermatrix für Spaltprodukte aus Partikeln oder Fasern von Brenn- oder Brutstoff enthaltendem Glas oder Quarz besteht, welche mit Graphitpulver durch Sintern zu dem Brennelement vereinigt sind, wobei die flüssige Glasphase im Herstellungsprozeß des Brennelementes den von Natur aus porösen Graphit imprägniert und impermeabel macht. Darüber hinaus kann Graphit bei hohen Sintertemperaturen mit dem Silizium der Glasphase zu Siliziumkarbid reagieren und die Impermeabilität des Graphits weiter erhöhen.

Glas besitzt auch die Eigenschaft, feste Spaltprodukte durch elektrostatische Kräfte zu adsorbieren. Die den Spaltstoff enthaltende Glasphase stellt die Absorbermatrix für Spaltprodukte im Brennelement dar, während der relativ elastische und gut wärmeleitende Graphit die Trägermatrix bildet.

Das Brennelement nach der Erfindung unterscheidet sich also gegenüber bekannten Brennelementen dadurch, daß nicht der reine Brenn- oder Brutstoff als Metall oder Metallkarbid in Graphit dispergiert ist, auch nicht in Form von umhüllten Partikeln, sondern der Brennstoff in einem Absorber

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enthalten ist, dessen flüssige Phase im Herstellungsprozeß des Brennelementes den von Natur aus porösen und gasdurchlässigen Graphit imprägniert und impermeabel macht und darüber hinaus mit dem Graphit zu Siliziumkarbid reagiert, wodurch die Impermeabilität weiter erhöht wird. Die hohe Auflösung des Spaltstoffes im Brennelement, die durch die zweifache Dispersion, im Absorber und im Graphit, erzielt wird, gewährleistet hohe Abbrandwerte und vermeidet eine Akkumulation von gasförmigen Spaltprodukten, die Anlaß zu einer Druckdiffusion sein kann.

Es ist bereits bekannt, ein faseriges Material, das als wesentlichen Bestandteil ein für die Umwandlung in ein spaltbares Material geeignetes Isotop oder ein Oxyd davon enthält, als Spaltproduktenquelle zu verwenden. Bei diesem Vorschlag ist man bestrebt, eine Spaltproduktenquelle zu schaffen, um dadurch die Rückstoßenergie der Spaltprodukte auszunutzen. Die Spaltprodukte entweichen aus den dünnen Fasern, und gemäß diesem Vorschlag wird erhofft, daß der durch die Fasern geleitete Gasstrom reich an Spaltprodukten ist. Demgegenüber liegt der Erfindung die anders geartete Aufgabe zugrunde, nämlich durch die hohe Auflösung eines für Spaltprodukte geeigneten Absorbers, z. B. Glas oder Quarz, eine große Oberfläche zur Absorption zu erzeugen. Die Korngröße bzw. Faserdicke soll deshalb 50 Mikron nicht überschreiten.

Würde das spaltbare Material mit dem Wärmeträger in größeren Partikeln zusammengesintert, so entstände ein Druckgradient zwischen den gasförmigen Spaltprodukten im Innern und der äußeren Oberfläche der Partikeln. Die dicht gesinterten Spaltstoffpartikeln bekämen dann durch den inneren Druck der gasförmigen Spaltprodukte und durch die Rückstoßenergie Risse, aus denen die gasförmigen Spaltprodukte entweichen könnten.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennelement ohne Schutzhülle mit einer Trägermatrix aus Graphit und darin dispergiert angeordnetem Spaltstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorbermatrix für Spaltprodukte aus Partikeln oder Fasern von Brenn- oder Brutstoff enthaltendem Glas und Quarz besteht, welche mit Graphitpulver durch Sintern zu dem Brennelement vereinigt sind.

2. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberkorn oder die Absorberfasern größer als 10 Mikron, aber kleiner als 50 Mikron sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1186 541,
1214754, 1225 443;
britische Patentschrift Nr. 850 016;
»Nucleonics«, August 1957, S. 94 bis 98.

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