DE1202910B - Kugelfoermiges Brennstoffelement fuer Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

Deutsche KL: 21g-21/20

Nummer: 1202910

Aktenzeichen: N 23119 VIII c/21 g

Anmeldetag: 7. Mai 1963

Auslegetag: 14. Oktober 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein kugelförmiges Brennstoffelement für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren aus Spaltstoff und Moderator oder Spaltstoff, Brutstoff und Moderator, bei dem der Spaltstoff in einer Ausnehmung eines kugelförmigen, aus Graphit bestehenden Gerüstkörpers angeordnet ist.

Für Hochtemperatur-Leistungsreaktoren sind kugelförmige Brennelemente auf der Basis von Graphit bekannt, die den nuklearen Brennstoff bzw. auch den Brutstoff als Carbid enthalten. Bei einem Typ eines solchen Brennelementes wird der nukleare Brennstoff in Gestalt sogenannter beschichteter Partikeln, d.h. kleiner Brennstoffteilchen mit einer dünnen, praktisch gasdichten Umhüllung, verwendet. Zur Herstellung eines kugelförmigen Brennelements ist vorgeschlagen worden, solche beschichteten Partikeln mit einer im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehenden und ein geeignetes Bindemittel enthaltenden Masse zu mischen und diese Masse zu einer Kugel zu verpressen. Durch anschließendes Erhitzen einer solchen gepreßten Kugel soll das Bindemittel verkokt und die Kugel damit für eine Leistungsabgabe im Reaktor bei höheren Temperaturen geeignet gemacht werden. Ein Nachteil dieser Ausführung besteht darin, daß durch den Preß-Vorgang die empfindliche Schicht auf den Brennstoffpartikeln zerstört werden kann, wodurch die wertvollen Eigenschaften der beschichteten Partikeln verlorengehen. Werden dagegen beim Pressen der Brennelementkugeln nur geringe Drücke angewendet, um die Schicht auf den Partikeln zu schonen, so werden nur Kugeln niedriger Dichte mit geringer Festigkeit und schlechter thermischer Leitfähigkeit gewonnen.

Bei einer anderen Ausführung verwendet man Kugeln aus kompaktem Elektrographit, in die man eine zylindrische Bohrung einarbeitet. In diese Bohrung wird dann der Brennstoff, z. B. ein Gemisch aus Urancarbid mit überschüssigem Graphit, in Form einer zylindrischen Patrone eingebracht. Den Vorteilen eines solchen Konzeptes, nämlich der guten thermischen Leitfähigkeit und der befriedigenden mechanischen Festigkeit, stehen die entscheidenden Nachteile gegenüber, daß bei einer Brennstoffpatrone dieser Art in dem Brennstoff selbst sehr hohe lokale Temperaturen auftreten und im Reaktor in großem Umfang flüchtige Spaltprodukte abgegeben werden, die durch die poröse Graphitschicht leicht hindurchdiffundieren können. Um dies zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, durch besondere Imprägnierungsverfahren den hier verwandten Elektrographit für Gase schwer durchlässig zu machen. Es hat sich erwiesen, daß dieser Prozeß nicht nur technisch schwie-Kugelförmiges Brennstoffelement

für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren

Anmelder:

NUKEM Nuklear-Chemie und -Metallurgie

Gesellschaft m. b. H.,

Wolfgang bei Hanau

Als Erfinder benannt:
Lothar Rachor, Klein-Auheim

rig ist, sondern auch einen außerordentlichen wirtschaftlichen Aufwand erfordert.

Weiterhin sind kugelförmige Brennelemente bekannt, bei denen ein Preßling aus Uran oder einem Gemisch aus Uran und Graphit mit einer dünnwandigen Umhüllung aus Metall versehen ist, wobei im Inneren gegebenenfalls ein Hohlraum zur Aufnahme von Graphit oder einem anderen Werkstoff vorgesehen ist, der Neutronen reflektiert, Derartige Brennelemente mit Metallhülle sind für Hochtemperaturreaktoren nicht geeignet, da bei Temperaturen von über 1000° C eine Umhüllung aus Metall im Dauerbetrieb praktisch nicht mehr beständig ist.

Diese Nachteile der bekannten Ausführungen werden dadurch behoben, daß bei dem Brennstoffelement gemäß der Erfindung der Brennstoff bzw. Brutstoff auf der Wand des Hohlraumes der Kugel aufgebracht ist und der restliche Hohlraum mit einer neutronenphysikalisch günstigen, hochtemperaturbeständigen Masse, vorzugsweise Graphit, ausgefüllt ist.

Der Vorteil der Konzentration des Brennstoffes auf eine dünne Schicht liegt in der besseren Wärmeabfuhr infolge des kurzen Weges von der Wärmequelle zur Oberfläche der Brennelementkugel, wobei keine lokale Konzentration der Temperatur — wie beispielsweise im Zentrum eines Zylinderkörpers — eintritt.

Die Einhaltung einer niedrigen Betriebstemperatur ist auch deshalb vorteilhaft, weil die Spaltproduktdiffusion sehr stark temperaturabhängig ist.

Das kugelförmige Brennelement der Erfindung besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden und mechanisch festen Elektrographit mit z. B. eingeschraubten Verschlußstopfen. In die Kugel wird eine Höhlung eingearbeitet, die vorzugsweise von kugeliger oder annähernd kugeliger Gestalt ist. Der nukleare Brennstoff bzw. das Brennstoff-Brutstoff-

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Gemisch wird in die Höhlung, und zwar in relativ dünner Schicht auf deren Wandung eingebracht.

Das Verhältnis von Innen- und Außendurchmesser der Hohlkugel liegt vorteilhaft zwischen 0,4:1 und 0,8 : 1. Es wird einmal bestimmt durch das Bestreben, die Oberfläche der Höhlung für die Aufnahme des Brennstoffs zur besseren Wärmeabfuhr möglichst groß zu machen, andererseits muß die Schale aus kompaktem Graphit dick genug sein, um eine ausreichende Festigkeit zu behalten und einen einwandfreien Verschluß mit einem Graphitstopfen zu gewährleisten. Je nach den Anforderungen, die vom Reaktorkonzept her an Wärmeleitung und Festigkeit gestellt werden, ist eine mehr oder weniger dickwandige Schale erforderlich.

Erfindungsgemäß wird der Brennstoff auf die Innenwand der Höhlung in nicht zu großer Schichtstärke aufgetragen, wobei sich der Brennstoff in feiner bis grobdisperser Verteilung befindet, vorzugsweise in Gestalt von beschichteten Partikeln, gegebenenfalls gemischt mit Graphitpulver. Der Brennstoff 3 (s. Abbildung) wird in konzentrierter Form mit einem geeigneten Bindemittel, beispielsweise im Schlickergußverfahren, auf die Innenwand einer Hohlkugel 1 aufgetragen. Als Bindemittel wird beispielsweise ein gelöstes Kunstharz, z. B. Phenolharz, verwendet, das beim anschließenden Erhitzen nach Abdampfen des Lösungsmittels polymerisiert und dann durch Vercracken in Koks übergeht. Außer gelösten Bindemitteln können auch flüssige Bindemittel verwendet werden, beispielsweise Furfuralkohol, die direkt polymerisiert und vercrackt werden. Da das verkokte Bindemittel ein relativ schlechter Wärmeleiter ist, wird vorzugsweise ein Graphitpulver als Füllstoff beigemischt, so daß die partikelhaltige Schicht im fertigen Brennelement aus Partikeln, Graphitkörnern und Binderkoks besteht, wobei die Partikeln 5 bis 50 °/o des Schichtvolumens darstellen.

Der restliche Hohlraum 4 wird anschließend mit einer neutronenphysikalisch günstigen, hochtemperaturbeständigen Masse, vorzugsweise Graphitpulver, ausgefüllt. Anschließend wird ein Stopfen 2 eingeschraubt, wobei er zweckmäßig eingekittet wird, und durch Glühen der Kugeln auf 1000 bis 2000° C wird das in den Innenschleifen enthaltene Bindemittel sowie der Kitt auf dem Stopfen verkokt.

Der Vorteil der Konzentration des Brennstoffs auf eine dünne Schicht liegt in der besseren Wärmeabfuhr infolge des kurzen Weges von den Wärmequellen zur Oberfläche der Brennelementkugel. Die Berechnung des Wärmetransports für verschiedene Schichtdicken (bei gleichem Brennstoffgehalt) ergibt, daß der Temperaturanstieg in der Schicht — von der Hohlkugelwand zur Innenseite der Schicht — proportional zur Schichtdicke ist. Bei Konzentration der Partikeln auf eine sehr dünne Schicht tritt daher nur eine sehr geringe Temperaturerhöhung ein. Die Einhaltung einer niedrigen Betriebstemperatur ist vorteilhaft, da die Spaltproduktdiffusion durch die Hüllschichten sehr stark temperaturabhängig ist.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffelements gegenüber den erwähnten bekannten Brennstoffelementen mit beschichteten Partikeln besteht darin, daß die Partikeln bei der Bildung der Schicht völlig schonend eingebracht werden und daß auch die Hinterfüllung des Hohlraumes mit Graphitmasse ohne Anwendung von nennenswerten Preßdrücken geschieht, so daß die Partikeln bei der Brennelementherstellung nicht geschädigt werden können.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kugelförmiges Brennstoffelement für Hochtemperatur-Leistungskernreaktoren aus Spaltstoff und Moderator oder Spaltstoff, Brutstoff und Moderator, bei dem der Spaltstoff in einer Ausnehmung eines kugelförmigen, aus Graphit bestehenden Gerüstkörpers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff bzw. Brutstoff auf der Wand des Hohlraumes der Kugel aufgebracht ist und der restliche Hohlraum mit einer neutronenphysikalisch günstigen, hochtemperaturbeständigen Masse, vorzugsweise Graphit, ausgefüllt ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung in der Graphitkugel kugelförmige oder annähernd kugelförmige Gestalt hat.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Innen- und Außendurchmesser der Hohlkugel zwischen 0,4 : 1 und 0,8 : 1 liegt.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn- bzw. Brutstoff in Form von Partikeln, die mit einer gasundurchlässigen Hülle versehen sind, auf die Wand des Hohlraumes der Kugel aufgebracht ist.

5. Brennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenn- bzw. Brutstoffpartikeln, vorzugsweise im Gemisch mit Grphitpulver, mit Hilfe eines flüssigen Bindemittels auf die Wand des Hohlraumes aufgetragen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 037 036,
121 238;

USA.-PatentschriftNr. 2 863 814;
»Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. Ί, 1958, S. 748 bis 750.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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