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Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen flächenhaften Brennstoffelements
für Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines
im wesentlichen flächenhaften Kernreaktor-Brennstoffelementes, bei dem mehrere aus
einem Spaltstoffoxyd bestehende Brennstoffteile in regelmäßig über die Fläche des
Brennstoffelements verteilten, durch vorgeformte Ausstülpungen in zumindest einem
von zwei dichtend aneinanderliegenden dünnen Metallblechen gebildeten Hohlräumen
angeordnet sind und in wärmeleitender Verbindung mit diesen Blechen stehen.
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Flächenhafte Brennstoffelemente für Kernreaktoren, die den Brennstoff
als Oxyd oder Carbid enthalten, müssen zur Vermeidung zu starker Temperaturgefälle
und unzulässig hoher Temperaturunterschiede innerhalb des Brennstoffes selbst derart
gestaltet sein, daß die Brennstoffkörper in zumindest zwei Dimensionen kleine Abmessungen
haben, damit die aus dem Brennstoff abzuführende Wärme auf kurzen Wegen innerhalb
des Brennstoffes an die abdeckenden Metallbleche gelangt und von der Außenseite
dieser Bleche an das Kühlmedium abgegeben werden kann.
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Es sind bereits flächenhafte Kernreaktor-Brennstoffelemente bekannt,
bei denen die aus einem Oxyd des Spalt- oder Brennstoffes bestehenden Brennstoffkörper
die Form von Zylinderstücken mit kleinem äußerem Durchmesser haben und in zueinander
parallelen rohrförmigen Längshohlräumen von Metallplatten axial aneinanderstoßend
angeordnet und zur Verbesserung der Wärmeübertragung mit $lei vergossen sind. Dabei
bestehen die Metallplatten, die in einem Strangpreß-Profilierverfahren hergestellt
werden sollen, gewissermaßen aus mit geringem Abstand parallel zueinander angeordneten
Rohren, die durch in der Plattenmittenebene liegende Stege einstückig verbunden
sind und deren Rohrwände auf beiden Flachseiten der Platten etwa halbzylindrische
Ausstülpungen bilden.
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Die Durchmesser der rohrförmigen Hohlräume sind wesentlich kleiner
als 1 cm, sie haben jedoch eine verhältnismäßig große axiale Länge.
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Die Herstellung dieser bekannten Brennstoffelemente kann auch in der
Weise erfolgen, daß man zwei Bleche zunächst in einem Preßvorgang mit zur Bildung
der Rohrhohlräume dienenden Ausstülpungen vorsieht, dann in die Rohrhohlräume der
Bleche die zylindrischen Brennstoffkörper einlegt und anschließend die Platten fest
und dicht miteinander verbindet, nachdem der verbleibende freie Raum in dem Hohlraum
mit Blei ausgefüllt wurde.
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Durch diese Ausbildung eines plattenförmigen Brennstoffelementes erhält
man zwar eine bessere Wärmeableitung aus dem Brennstoff selbst, als bei üblichen
einzelnen Rohr-Brennstoffelementen, die wegen der notwendigen mechanischen Festigkeit
stärker sein müssen; die Wärmeabfuhr erfolgt aber nur in zwei senkrecht zur Achse
der Rohrhohlräume liegenden Richtungen, während eine Wärmeabgabe in Richtung der
Achse der Brennstoff-Stabkörper nur an den Enden der Stabkörperreihen und auch dort
nur unvollkommen möglich ist.
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Ein weiterer Nachteil bei diesem bekannten Brennstoffelement besteht
darin, daß die Brennstoffkörper selbst nichts zu seiner mechanischen Festigkeit
betragen können; diese muß allein durch die Blechumhüllung gewährleistet sein. Durch
die Bleifüllung in dem Zwischenraum zwischen den Brennstoffkörpern und der Umhüllung
wird außerdem die Neutronenabsorption in unerwünschter Weise erhöht.
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Schließlich ist bei diesem bekannten Brennstoffelement die Wärmeabfuhr
an der Oberfläche der
Umhüllung nur relativ gering, da das die Wärme
aufnehmende Kühlmedium in Längsrichtung zu den Ausstülpungen der Umhüllung strömt
und dabei bekannte Grenzschichtphänomene auftreten, die den Wärmeübergang begrenzen.
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Es sind auch flächenförmige Kernreaktor-Brennstoffelemente bekannt,
bei denen metallischer Kernbrennstoff vorgesehen ist; die Hülle des Brennstoffes
besteht in diesem Falle aus einem Rahmen, innerhalb dessen ein plattenförmiger Metall-Brennstoffkörper
zwischen zwei Abdeckplatten angeordnet wird, die mit dem Rahmen dichtend verschweißt
werden. Anschließend erfolgt ein Heißwalzen des Elements, bei dem die Dicke der
gesamten aus dem Rahmen, den beiden Abdeckplatten und dem zwischen diesen Platten
liegenden Metallbrennstoff ganz wesentlich verringert wird. Das Endprodukt ist ein
glattes, dünnes »Verbundblech«, das in seinem mittleren Bereich eine sehr dünne
Schicht des Kernbrennstoffes enthält. Auch bei diesen plattenförmigen Brennstoffelementen
sind die Oberflächen glatt, so daß die Wärmeübertragung zwischen der Blechoberfläche
und dem Kühlmedium nur relativ gering ist.
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Anderseits ist es bei stabförmigen Kernreaktor-Brennstoffelementen
mit einer äußeren Metallhülle bekannt, diese Hülle an ihrer Oberfläche mit Vorsprüngen
oder Vertiefungen zu versehen, um den Wärmeübergang zwischen den Brennstoffelementen
und einem Kühlmedium zu verbessern. Derartige stabförmige Brennstoffelemente lassen
sich nur sehr schwer mit genügend kleinen Durchmessern ausbilden, wie sie bei Brennstoffen
mit geringer eigener Wärmeleitfähigkeit, wie Oxyden oder Carbiden der Spaltstoffe,
erforderlich sind. Außerdem müssen die Hüllen derartiger Brennstoffelemente eine
relativ hohe Wandstärke aufweisen, damit die notwendige mechanische Festigkeit der
Elemente gewährleistet ist; starkwandige Hüllen ergeben aber eine unerwünschte zusätzliche
Absorption von Neutronen und verschlechtern wegen der Wanddicke auch den Wärmeübergang
nach außen.
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Um einen guten wärmeleitenden Kontakt zwischen dem Spalt- oder Brennstoff
und den Hüllen zu erzielen, hat man auch bereits geformte Hüllen durch äußeren hydrostatischen
Druck auf die Brennstoffkörper aufgepreßt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmeableitung von den
Spaltstoff als Oxyd enthaltenden Brennstoffelementen zu verbessern und die vorhergehend
aufgezeigten Nachteile zu vermeiden.
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Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung werden die Brennstoffteile
in der aus F i g. 1 oder 3 ersichtlichen Weise zwischen den gegebenenfalls entsprechend
vorgeformten Blechen angeordnet, die Bleche durch hydrostatischen Druck unter plastischer
Verformung auf die Brennstoffteile aufgepreßt und in den brennstofffreien Zwischenräumen
sowie an ihren Rändern dicht miteinander verbunden.
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Die plastische Verformung der dünnen Metallschichten oder Bleche kann
beispielsweise durch hydrostatischen Druck in warmem oder kaltem Zustand durchgeführt
werden, wobei man die charakteristischen mechanischen Eigenschaften des Hüllenmaterials
bei verschiedenen Temperaturen berücksichtigt oder ausnutzt. Es ist für die Durchführung
dieser Maßnahme meist zweckmäßig, den Brennstoff an den gewünschten Stellen festzuhalten;
man kann beispielsweise das Hüllenblech auf dem Brennstoff bzw. den Brennstoff auf
dem Blech anheften. Wenn der Brennstoff selbst keine ausreichende mechanische Festigkeit
hat, um seinerseits als Formkern zu dienen, erweist es sich als zweckmäßig, die
Metallschichten oder Bleche entsprechend vorzuformen.
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In diesem Falle macht es eine derartige Verformung möglich, einerseits
den Brennstoff an den gewünschten Stellen festzulegen, ohne zusätzliche Hilfsmittel
zu benutzen, und andererseits ein Zerdrücken des Brennstoffes zu vermeiden, wenn
man die endgültige Form der Metallschichten oder Bleche durch plastische Deformation
über dem Brennstoff selbst erzeugt.
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Wenn der Brennstoff selbst als Formungskern benutzbar ist, genügt
die plastische Aufdrückverformung der nicht vorgeformten Metallschichten über dem
Brennstoff, um die endgültige waffelartige Formung der Metallhülle zu erhalten,
ohne die Formen der Brennstoffstücke wesentlich zu verändern.
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Durch den Druck, mit dem die Metallschichten oder Bleche auf den Brennstoff
gepreßt werden, werden gleichzeitig auch die beiden Metallschichten oder Bleche
in denjenigen mehr oder weniger ausgedehnten Flächenzonen, die den von Brennstoff
freien Zwischenbereichen zwischen den Metallschichten oder Blechen entsprechen,
eng aneinandergedrückt. Diese Flächenzonen hängen ihrerseits sehr eng zusammen,
wenn der Brennstoff in einzelnen besonderen Brennstoff-»Inseln« verteilt wird; sie
hängen in den anderen Fällen, in denen Brennstoffteile zu einem lockeren Muster
aneinandergefügt sind, mehr oder weniger zusammen.
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Die Metallschichten oder Bleche werden zweckmäßigerweise in ihren
Berührungszonen durch Punktschweißung aneinander festgelegt.
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Die freien Ränder der Metallschichten oder Bleche werden am gesamten
Umfang des Brennstoffelementes dicht miteinander verbunden, beispielsweise durch
Bördelung und/oder Nahtschweißung.
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Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich Brennstoffelemente
in sehr einfacher Weise herstellen, und man kann - ausgehend von ursprünglich glattem
Blech - sehr unterschiedliche Endformen des Brennstoffelementes erzeugen, die dem
Element bei gleicher Stärke der Metallhülle eine höhere mechanische Festigkeit geben,
als sie das Element haben würde, wenn es eben oder glatt wäre.
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Man kann infolgedessen auch die Dicke oder Stärke der Hülle ohne Beeinträchtigung
der mechanischen Festigkeit des Ganzen gegenüber einer glatten Umhüllung verringern;
die Absorption der Neutronen in dem Hüllenmaterial wird herabgesetzt und die Wärmeübertragung
verbessert.
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Einige Wellungen oder Faltungen, die bei der plastischen Verformung
der Metallschichten entstehen, vergrößern die Oberfläche der Hülle und verbessern
damit den Wärmeübertragungskontakt mit dem Kühlmedium.
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Gegenüber den Brennstoffelementen mit glatten Hüllen wird grundsätzlich
stets der Wärmeübergang wesentlich verbessert, und zwar an den folgenden drei Übergangsstellen:
1. Beim Übergang von dem Brennstoff zur Hülle, weil der Brennstoff und das Metall
der Hülle einander sehr innig unter Druck berühren, was sich als Folge der plastischen
Deformation
durch den auf die Außenseite der Hülle ausgeübten Druck
ergibt, und weil das Verhältnis der Größe der gesamten Berührungsfläche zwischen
Brennstoff und dem Hüllenmetall zu dem Gewicht des Brennstoffes gesteigert ist;
2. quer durch die Hülle hindurch, deren Stärke (bei Verwendung dünner Metallschichten
oder Bleche) nur gering ist; 3. im übergang von der Hülle an das Kühlmedium, weil
die profilierte oder waffelförmig gepreßte Außenform der Hülle Wirbelungen im Kühlmedium
erzeugt, wodurch eine wesentlich häufigere Erneuerung des mit der Hülle in Berührung
stehenden Grenzschichtfilmes bedingt ist, und weil auch das Verhältnis zwischen
der wärmeabgebenden Außenfläche der Hülle zu dem Gewicht des Brennstoffes erhöht
ist.
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Wenn die Verteilung des Brennstoffes innerhalb einer ebenen Fläche
erfolgt, verwendet man dünne, ebene Metallbleche, und das Brennstoffelement hat
schließlich die äußere Form einer Platte. Wenn man den Brennstoff nicht innerhalb
einer ebenen Fläche anordnen will, kann man - beispielsweise durch ein- oder mehrfache
Knickung, Faltung oder Biegung der zuvor erwähnten Platten längs ihrer jeweils keinen
Brennstoff enthaltenden Zonen-Brennstoffelemente irgendeiner anderen äußeren Form
erhalten.
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Die Fläche, innerhalb derer der Brennstoff verteilt ist, kann auch
eine Zylinderfläche sein; bei dieser sehr zweckmäßigen Ausbildung der Brennstoffelemente
verwendet man dünnwandige Metallrohre, zwischen denen der Brennstoff angeordnet
wird, und erhält dann Brennstoffelemente, deren Form ein Hohlzylinder ist.
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Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Brennstoffelemente
sind leicht zu handhaben und zeigen eine größere Stabilität als eine Gruppe von
mechanisch zusammengefaßten, einzeln umhüllten Brennstoffteilen.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden einige Ausführungsbeispiele
für Brennstoffelemente der neuen Art unter Hinweis auf die Zeichnung beschrieben.
Die lediglich als Beispiel anzusehenden Ausführungsformen können selbstverständlich
weitgehend abgewandelt werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Es
zeigt F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten
Brennstoffelementes, F i g. 2 einen vergrößert dargestellten, senkrecht zur Elementebene
längs der Linie A-A geführten Schnitt der F i g. 1, F i g. 3 eine weitere, ebenfalls
in Perspektive dargestellte Ausführungsform eines Brennstoffelementes, F i g. 4
einen Schnitt längs der Mittellinie des Elementes gemäß F i g. 3, F i g. 5 eine
perspektivische Ansicht eines als Hohlzylinder ausgeführten Brennstoffelementes,
F i g. 6 einen Schnitt längs der Schnittlinie B-B der F i g. 5.
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In der Zeichnung sind nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen
Teile dargestellt; einander widersprechende Teile der jeweiligen Figuren sind mit
gleichen Bezugszeichen bezeichnet worden.
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Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte Brennstoffelement hat die äußere
Form einer Platte. Die mit 1 bezeichneten erhabenen Zonen der Hülle 2 treten aus
der Plattenfläche einzeln reliefartig hervor und entsprechen der Aufteilung des
Brennstoffes in voneinander völlig getrennten Brennstoff-»Inseln« 3, die in regelmäßiger
Anordnung innerhalb der Plattenfläche zwischen den beiden dünnen Blechen 4 und 5
angeordnet sind, welche ihrerseits die metallische Hülle des Brennstoffes bilden.
Die Ränder dieser beiden Bleche 4 und 5 sind vollkommen dicht zusammengeschweißt;
in den »leeren« Zwischenbereichen der Platte sind die beiden Bleche untereinander
durch mehrere Punktschweißungen 6 verbunden.
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In den F i g. 3 und 4 ist ein Brennstoffelement in Plattenform dargestellt,
bei dem der Brennstoff nach einem mäanderförmigen Ornament angeordnet ist. Dieses
Ornament erscheint an der Oberfläche der Hülle 13 in Form eines abgewinkelten Bandes
14, das der Anordnung des Brennstoffes enspricht. Die beiden Bleche 15 und
16, die zusammen die Hülle 13 bilden, sind in der gleichen Weise wie die
Bleche der Elemente in den F i g. 1 und 2 verbunden.
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Die F i g. 5 und 6 zeigen mehrere inselartig angeordnete Brennstoffteile
17, denen an der Oberfläche der Hülle 18 reliefartig heraustretende Zonen 19 entsprechen,
die jeweils über einem Brennstoffteil 17 liegen. Die Hülle 18 besteht aus zwei Metallschichten
20 und 21, die sehr dünn sind und sich den Umrissen der einzelnen Brennstoffteile
eng anpassen. Die äußere Form des gesamten Brennstoffelementes ist ein dünnwandiger
Hohlzylinder. Die Metallschichten 20 und 21, die in den flachen Zonen 22 sehr eng
aneinanderliegen, sind an ihren Rändern 23 und 24 durch Schweißung fest miteinander
verbunden.