DE1172781B - Verfahren zum Betrieb von Atomreaktor-Brennelementen und zu deren Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: G 21

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag;

Deutsche Kl.: 21g-21/20

Sch 27744 VIII c/21,

14. April 1960

25.Juni 1964

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Atomreaktor-Brennelementen und zur Herstellung solcher Elemente,

Die Brennelemente für heterogene Atomreaktoren bestehen aus in Hüllen eingebrachtem spaltbarem Material, wobei die Hüllen Metallrohre sein können und der Spaltstoff aus Uran, Plutonium Uranlegierungen, Plutoniumlegierungen, Uranverbindungen oder Plutoniumverbindungen bestehen kann.

Zwecks Erzielung eines günstigen thermischen Wirkungsgrades ist es wünschenswert, die Brennelemente eines Reaktors mit möglichst hoher Temperatur zu betreiben. Das Arbeiten bei hohen Brennelementtemperaturen wird aber dadurch begrenzt, daß infolge verschiedener Ausdehnung von Hülle und Spaltstoff — insbesondere wenn Phasenumwandlungen des Spaltstoffes vorliegen — es eventuell zu einer sehr großen mechanischen Beanspruchung der Hülle kommt. Diese mechanische Beanspruchung kann eine Zerstörung der Hülle und damit einen Austritt radioaktiver Spaltprodukte zur Folge haben. Die Gefahr der Zerstörung der Hülle ist besonders gegeben, wenn beim Anlassen des Reaktors die Brennelemente von Raumtemperatur auf die hohe Betriebstemperatur gebracht werden bzw. beim Abschalten von der Betriebstemperatur auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Aus diesen Gründen hat man es bisher konsequent vermieden, einen mit Uranspaltstoff arbeitenden Reaktor bei Temperaturen zu betreiben, welche oberhalb des Umwandlungspunktes der j/-Phase des Uranmetalls (oberhalb 772° C) liegen, weil sich beim Übergang von der ßzur y-Phase eine sprungweise Volumenzunahme ergibt. An sich wäre aus Gründen des Wirkungsgrades ein Arbeiten bei derartig hohen Betriebstemperaturen erwünscht.

Bei mit flüssigem Natrium als Kühlmittel arbeitenden Reaktoren ist es bereits bekannt, bei stillstehendem Atomreaktor durch äußere Wärmequellen das Natrium-Kühlmittel in flüssigem Zustand zu halten, damit, wenn der Reaktor wieder zur Einschaltung gelangt, ein ordnungsgemäß zirkulierendes Kühlsystem zur Verfügung steht.

Die Erfindung verwendet auch die Anwendung äußerer Energiequellen zur Wärmelieferung an den Reaktor, wenn ein Absinken oder Abschalten der Reaktorleistung erfolgen soll. Jedoch wird diese Maßnahme in anderer Weise und zu anderen Zwekken verwendet, nämlich um die Anwendung von Reaktorbetriebstemperaturen zu ermöglichen, welche sich sonst infolge der zu erwartenden Kontraktions-

Verfahren zum Betrieb von Atomreaktor-Brennelementen und zu deren Herstellung

Anmelder;

Dr. Harry N. Schludi,

München 2, Blutenburgstr. 26

Als Erfinder benannt:

Dr. Harry N. Schludi, München

unterschiede zwischen Spaltmaterial und Hülle verbieten würden.

Ein Verfahren zum Betrieb von Atomreaktor-Brennelementen, bestehend aus in Hüllen eingebrachtem spaltbarem Material, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß beim Absinken oder Abschalten der Reaktorleistung den Brennelementen von äußeren Energiequellen Wärme zugeführt wird, um unmäßige Unterschiede der Kontraktion von Spaltstoff und Hülle zu vermeiden. Vorzugsweise wird der Spaltstoff dabei oberhalb seiner Grundphase, z. B. im Falle von Uranmetall in der y-Phase, im Reaktor betrieben und die Wärmezufuhr so gewählt, daß ein Verlassen dieser Phase verhindert wird. Es kann auch der Spaltstoff im flüssigen Zustand betrieben werden und die Wärmezufuhr so gewählt werden, daß ein Verlassen der flüssigen Phase verhindert wird.

Entsprechend wird gemäß der Erfindung bei der Herstellung der Atomreaktor-Brennelemente verfahren, um unmäßige Ausdehnungsunterschiede von Brennstoff und Hülle zu vermeiden. Ein Verfahren zur Herstellung von Atomreaktor-Brennelementen ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß dem Spaltstoff beim Einfüllen in die Hüllen und bis zur Inbetriebnahme des Reaktors von äußeren Energiequellen Wärme zugeführt wird, um unmäßige Unterschiede der Ausdehnung von Brennstoff und Hülle zu vermeiden. Vorzugsweise wird also der Spaltstoff bei einer oberhalb seiner Grundphase liegenden Temperatur, z. B. im Falle von Uranmetall, bei einer der y-Phase entsprechenden Temperatur in die Hüllen eingegeben und auf dieser Temperatur gehalten. Ein weiterer Lösungsvorschlag besteht nach der Erfindung darin, daß der Spaltstoff in flüs-

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sigem Zustand in die Hüllen eingegeben und auf dieser Temperatur gehalten wird.

Die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung kann beispielsweise wie folgt sein:

Der Kernbrennstoff besteht aus metallischem Uran (angereichert oder Natururan) und das Hüllenmaterial aus einem geeigneten Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt; die Betriebstemperatur liegt über dem Umwandlungspunkt der /-Phase des Urans. Das Uranmetall wird bei einer Temperatur von über 772° C in die Hüllen gegeben und mittels geeigneter Maßnahmen auf einer Temperatur gehalten, die über dem Umwandlungspunkt der /-Phase, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes von Uran liegt. Die künstliche Erwärmung ist so lange fortzuführen, bis das Brennelement in den Reaktor kommt, wobei die Reaktorleistung und das Ausmaß der künstlichen Erwärmung so aufeinander abgestimmt sind, daß das für das Brennelement vorgesehene, oberhalb des /-Umwandlungspunktes liegende Temperaturniveau erhalten bleibt.

Nach Abschalten oder einer zu großen Leistungsreduktion des Reaktors hat die künstliche Erwärmung wieder einzusetzen, um eine Zerstörung der Brennelemente durch Erkalten und Rückumwandlung in die ß- oder α-Phase zu vermeiden. Es könnte auch in Hüllen aus einem Material von genügend hohem Schmelzpunkt flüssiges Uranmetall oder Plutoniummetall eingegeben werden. Das Metall wird dann so lange flüssig erhalten, bis es zum Einsatz im Reaktor gelangt. Der Reaktor, der mit diesen Brennelementen betrieben wird, muß bezüglich seiner Leistung mit dem Kernbrennstoff so gekoppelt sein, daß während des Betriebes das Uranbzw. Plutoniummetall im flüssigen Zustand bleibt. Es darf natürlich eine vom Hüllenwerkstoff abhängige, maximal zulässige Temperatur nicht überschritten werden.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß die bisher auftretende, durch die thermische Beanspruchung des Hüllenwerkstoffes gegebene Temperaturbegrenzung nach höheren Temperaturwerten hin verschoben wird. Dadurch kann ein höheres Temperaturniveau des Kühlmediums und damit eine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades erreicht werden.

Die Brennelemente können auch während des Reaktoreinsatzes durch Wärmeenergie, herrührend von Kernspaltung, oder aber durch Wärmezufuhr nahmen auf dem
gehalten werden.

gewünschten Temperaturniveau

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb von Atomreaktor-Brennelementen, bestehend aus in Hüllen eingebrachtem spaltbarem Material, dadurch gekennzeichnet, daß beim Absinken oder Abschalten der Reaktorleistung den Brennelementen von äußeren Energiequellen Wärme zugeführt wird, um unmäßige Unterschiede der Kontraktion von Spaltstoff und Hülle zu vermeiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff oberhalb seiner Grundphase, z. B. im Falle von Uranmetall in der 7-Phase, im Reaktor betrieben wird, und die Wärmezufuhr so gewählt wird, daß ein Verlassen dieser Phase verhindert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff im flüssigen Zustand betrieben wird und die Wärmezufuhr so gewählt wird, daß ein Verlassen der flüssigen Phase verhindert wird.

4. Verfahren zur Herstellung von Atomreaktor-Brennelementen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Spaltstoff beim Einfüllen in die Hüllen und bis zur Inbetriebnahme des Reaktors von äußeren Energiequellen Wärme zugeführt wird, um unmäßige Unterschiede der Ausdehnung von Brennstoff und Hülle zu vermeiden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff bei einer oberhalb seiner Grundphase liegenden Temperatur, z. B. im Falle von Uranmetall bei einer der !'-Phase entsprechenden Temperatur, in die Hüllen eingegeben und auf dieser Temperatur gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff im flüssigen Zustand in die Hüllen eingegeben und auf dieser Temperatur gehalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1029 949, 710, 1062 835, 1075 755;

»Atomkernenergie«, Bd. 4, 1959, H. 6, S. 232/233;

»The Journal of the British Nuclear Energy Convon außen oder in Verbindung von beiden Maß- 50 ference«, Januar 1958, S. 15 bis 40.

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