DE1204344B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents
Kernreaktor-BrennstoffelementInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
G21c
Deutsche KL: 21g-21/20
Nummer: 1204 344
Aktenzeichen: U 7025 VIII c/21 g
Anmeldetag: 31. März 1960
Auslegetag: 4. November 1965
Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einer mit Endkappen versehenen
Schutzhülle besteht, in der ein durch Metallscheiben unterteilter Stapel von scheibenförmigen
Brennstoffkörpern untergebracht ist. S
Beim Aufbau von wärmeerzeugenden festen Körpern im allgemeinen ist man bestrebt, ein geringes
Temperaturgefälle zwischen jeder Stelle im Körper und der Körperoberfläche, von der die Wärme weggekühlt
wird, vorzusehen. Dabei stößt man jedoch dort auf Schwierigkeiten, wo das Material des wärmeerzeugenden
Körpers ein schlechter Wärmeleiter ist. Die Schwierigkeit kann teilweise durch Verwendung
von Körperformen überwunden werden, die eine große Oberfläche pro Volumeneinheit des Körpers
bieten, was jedoch ein Abweichen vom einfachen kreisförmigen Teilkörper und seinen mannigfaltigen
technischen Vorteilen mit sich bringt.
Zur Lösung des Problems, das beim Leiten von Wärme aus dem Inneren einer Brennstoffmasse in
einem Kernreaktor-Brennstoffelement auftritt, ist bereits vorgeschlagen worden, flüssiges Natrium in
einem Brennstoffelement vorzusehen, das als wärmeleitendes Medium wirkt. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, Brennstoffelementen die Form von Rohren zu geben. Bei einer anderen bekannten Ausführung
sind ringförmige Bauteile aus Beryllium vorgesehen, die ringförmige waffelartige Bauteile aus
Uran 25 voneinander trennen. Auch ist ein Brennstoffelement mit einer Uranfolie bekannt, die in Blei
als Auskleidung für die Innenfläche eines Aluminiumrohrs aufgehängt ist. Es ist auch das Unterbringen
von mehreren Kernbrennstoffkörpern in einem rohrförmigen Körper bekannt, wobei Abstandshalter aus
einem anderen Material an den Enden der Baugruppe an zwei Punkten entlang des rohrförmigen
Körpers eingefügt sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Mitteln zur Verkleinerung des Temperaturgefälles zwischen
dem Inneren und der Oberfläche von Kernreaktor-Brennstoffelementen.
Das Kernreaktor-Brennstoffelement gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben
ein kugelförmig gekrümmtes Profil besitzen und daß ein relativ zur Endkappe der Schutzhülle
zusammendrückbarer Bauteil vorgesehen ist, der den Stapel axial zusammenpreßt und somit die
Metallscheiben an die Schutzhülle drückt.
Vorzugsweise besitzen auch die Brennstoffkörper im Stapel ein kugelförmig gekrümmtes Profil.
Darin, daß die Schutzhülle mit Platten von kleinerem Außendurchmesser als die Bohrung der Hülle
Kernreaktor-Brennstoffelement
Anmelder:
United Kingdom Atomic Energy Authority,
London
London
Vertreter:
Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Eiserner Str. 227
Als Erfinder benannt:
George Clifford,
James Dalton, Coogee, New South Wales
(Australien);
George Edward Lockett, London
gefüllt wird, wodurch das Füllen der Hülle erleichtert wird, besteht ein Vortei lgegenüber der Verwendung
von satt anliegenden Platten. Außerdem werden die gekrümmten Platten in einem Zustand der elastischen
Beanspruchung gehalten, und die Wirkberührung bleibt bei Temperaturänderungen bestehen.
Außerdem bietet die Verwendung eines zusammendrückbaren Bauteils, um die Gruppe aus Brennstoff-
und Metallplatten axial zusammenzudrücken, insofern Vorteile, als das durch die Strahlung bedingte
axiale Wachstum der Gruppe den Bauteil relativ zum Endstopfen der Schutzhülle zusammendrückt,
wenn die durch das Anwachsen ausgeübte Kraft ausreicht, um den Reibungswiderstand zwischen
dem Bauteil und dem Stopfen zu überwinden.
Für einen mit schnellen Neutronen arbeitenden Reaktor, also einen Reaktor mit einem Kern, der aus
einem Material von vernachlässigbar kleiner Bremswirkung besteht und dessen spaltbarer Gehalt ausreicht,
um eine Kettenreaktion in einem selbstentwickelten Fluß schneller Neutronen aufrechtzuerhalten,
stehen für das wärmeerzeugende Element verschiedene Kombinationen von Metallen zur Verfügung,
die miteinander verträglich sind und die erforderlichen Wärmeeigenschaften haben. Mögliche
wärmeerzeugende Stoffe sind die spaltbaren Isotope U 235, U 233 und Pu 239, entweder allein oder vermischt
oder legiert mit einem Trägermetall oder verdünnt, wie das natürliche Uran, Thorium, oder ein
übliches spaltbares Metall.
Als mögliche Wärmeleiter kommen z. B. Silber und Kupfer in Betracht; aber auch Metalle wie Eisen,
509 720/343
Stahl und Nickel sind als Ummantelungsmaterialien brauchbar. Als brauchbare Metalle mit niedrigem
Schmelzpunkt zwecks Wärmeübertragung in dem Element und als äußeres Kühlmittel sind Quecksilber,
Bleilegierungen, Wismutlegierungen, Natrium und Natrium-Kalium-Lelgierungen zu erwähnen.
Für andere Reaktortypen wird die Auswahl der Metalle durch die Forderung der geringeren Neutronenabsorption
begrenzt.
Ausführungsformen der Erfindung sollen nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung näher erläutert werden, und zwar zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß
ausgebildetes Kernbrennstoffelement,
F i g. 2 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch eine plattierte Scheibe aus spaltbarem Material,
wie sie beim Element gemäß der F i g. 1 verwendet wird,
Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch eine Scheibe anderer Ausführungsform, während
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein weiteres Brennstoffelement wiedergibt.
Nach der Fig. 1 weist ein aus nichtrostendem Stahl bestehendes Rohr 1 mit einer Länge von etwa
15,24 cm, einer Bohrung von 0,714 cm und einem Außendurchmesser von 0,785 cm ein mit ihm verschweistes
unteres Endstück 2 auf. Das Rohr wird dann nahezu mit Scheiben 3 gefüllt, die, wie in der
Fig. 2 dargestellt, ausgebildet sind und einen Innenkörper 4 aus Plutonium mit einer Dicke oder
Schichtstärke von 0,119 cm und einem Durchmesser von 0,633 cm, einen oberen kupferplattierten Schichtkörper
5, eine untere kupferplattierte Schichte und drei gleiche Abstände voneinander aufweisende
Stanzbärte 7 aufweisen, die vor- oder überstehen und die Scheiben mittig im Rohr 1 halten. Die
Kupferschichten 5 und 6 sind 0,006 cm dick und wirken als Wärmeleiter. Gemäß der F i g. 1 wird das
obere Ende des Rohres 1 mit einem Pfropfen 8 versehen, der eine Aussparung 9, einen Durchlaß 10
und einen Expansionshohlraum 11 aufweist. In der Aussparung 9 befindet sich im Preßsitz ein Rohr 12
mit unteren Perforierungen 13. Wenn der Pfropfen 8 in die Betriebslage auf die Bauteilgruppe aufgepreßt
wird, wird das Rohr 12 bis zur Berührung mit der obersten Scheibe 3 heruntergedrückt. Der Scheibenstapel
wird dadurch räumlich festgelegt, während jede spätere Ausdehnung oder Längenzunahme des
wärmeerzeugenden Materials durch weiteres Eindrücken des Rohres 12 ermöglicht wird. Das Rohr 1
wird mit einem Edelgas überflutet bzw. ausgespült und bis zum oberen Rand des Durchganges 10 mit
flüssigem Natrium gefüllt. Der Füllvorgang wird in der Weise ausgeführt, daß die Bauteilgruppe bis über
den Schmelzpunkt von Natrium in einem Edelgas erhitzt, das Endstück 2 in flüssiges Natrium eingetaucht
und die Bauteilgruppe vom oberen Ende aus evakuiert wird, wobei die Lösung durch das Gießloch
15 in das Endstück 2 durch den Hohlraum zwischen den Wänden der Scheiben 3 und des Rohres 1
bis zum oberen Ende des Durchganges 10 hochgezogen wird. Ein Gasausdehnungsaufsatzstück 16
wird aufgeschraubt und dann mit dem Pfropfen 8 verschweißt, um das obere Ende zu verschließen.
Zum Verschließen des unteren Endes des Brennelements wird ein Pfropfen 17 im Gießloch 15 eingeschweißt.
Bei einer abgeänderten Ausführungsform wird ein aus nichtrostendem Stahl bestehendes Rohr ähnlich
dem Rohr 1 in der F i g. 1, jedoch mit einer Bohrung von 0,635 cm und einer inneren Silberplattierung von
0,005 cm Dicke an seiner Innenwandung, am unteren Ende durch einen festen Pfropfen verschlossen. Gekrümmte
oder bogenförmige Scheiben (wie in der Fig. 3 dargestellt) mit einem Innenkörper 18 aus
spaltbarem Material und mit entsprechenden oberen
ίο und unteren silberplattierten Schichten 19 und 20
werden im Rohr, entweder einzeln oder in kleinen Gruppen, untergebracht und flach gedrückt. Die
Krümmung der Scheiben ist solcherart, daß der Ausgangs- oder Grunddurchmesser von 0,622 cm bei
gekrümmten Scheiben durch das Flachdrücken auf 0,635 cm vergrößert wird. Die Scheiben werden dadurch
im Rohr fest verankert, so daß ein guter thermischer Kontakt entsteht. Scheiben und Rohr werden
dadurch in einem Zustand elastischer Spannung gehalten, und die Kontaktberührung wird auch bei
Temperaturschwankungen aufrecht- oder beibehalten. Wenn das Rohr völlig mit Scheiben gefüllt und diese
dann zusammengedrückt sind, wird ein einfacher Verschlußpfropfen auf das obere Ende des Rohres
aufgeschweißt.
F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Brennelementes, bei der eine aufeinandergestapelte
Anordnung oder Bauteilgruppe von Tabletten- bzw. Plattenkörpern 21 aus oxydischem Brennstoff in einer
Metallhülse 23 enthalten ist. Die einzelnen Tabletten 21 sind voneinander durch dünne Scheiben 22 aus
einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer oder Silber, getrennt. Die gekrümmten Scheiben
22 sind so bemessen, daß sie einen guten thermisehen Kontakt mit der Innenseite der Hülse 23 gewährleisten.
Eine brauchbare Methode zur Elementherstellung besteht darin, daß die Innenoberfläche
der Hülse mit einem geeigneten Lötmittel leicht überzogen wird, dann abwechselnd Brennstofftabletten 21
und Scheiben 22 eingefüllt und zusammengedrückt werden, um den Tabletten- und Scheibenstapel zu
festigen, und daß dann die Gesamtbauteilgruppe auf eine Temperatur erhitzt wird, die dem Schmelzpunkt
des Lötmittels entspricht. Das Lötmittel sammelt sich durch Kapillarwirkung an den Verbindungsstellen
zwischen den Scheiben 22 und der Wand der Hülse 23 an, wodurch ein ununterbrochener Wärmeleitweg
hergestellt wird. Durch das Anschweißen von End- bzw. Verschlußkappen wird der Herstellungsvorgang
vervollständigt bzw. abgeschlossen.
Claims (2)
1. Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einer mit Endkappen versehenen Schutzhülle,
in der ein durch Metallscheiben unterteilter Stapel von scheibenförmigen Brennstoffkörpern
untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallscheiben (5, 6) ein kugelförmig
gekrümmtes Profil besitzen und daß ein relativ zur Endkappe (2) der Schutzhülle (1) zusammendrückbarer
Bauteil (8) vorgesehen ist, der den Stapel (3) axial zusammenpreßt und somit die Metallscheiben an die Schutzhülle drückt.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Brennstoffkörper
(18) im Stapel (3) ein kugelförmig gekrümmtes Profil besitzen.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DEU7025A DE1204344B (de) | 1949-09-12 | 1960-03-31 | Kernreaktor-Brennstoffelement |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB23532/49A GB860561A (en) | 1949-09-12 | 1949-09-12 | Heat transfer systems |
DEU7025A DE1204344B (de) | 1949-09-12 | 1960-03-31 | Kernreaktor-Brennstoffelement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1204344B true DE1204344B (de) | 1965-11-04 |
Family
ID=26000836
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DEU7025A Pending DE1204344B (de) | 1949-09-12 | 1960-03-31 | Kernreaktor-Brennstoffelement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE1204344B (de) |
Citations (9)
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1960
- 1960-03-31 DE DEU7025A patent/DE1204344B/de active Pending
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