DE1217514B

DE1217514B - Brennstoffelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1217514B
Application number: DEN19821A
Authority: DE
Inventors: Georges Le Gargasson; Jean Perilhou
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1959-06-03
Filing date: 1961-03-30
Publication date: 1966-05-26
Also published as: FR76850E; BE591447A; FR77736E; GB940856A; GB953873A; US3179572A; FR1238281A; NL262797A; NL252138A; FR77484E; US3252868A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES S/aftTWl· PATENTAMT Int. Cl.:

G21c

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKL: 21g-21/20

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

N19821 VIII c/21g
30. März 1961
26. Mai 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement für Wärmeabgabe durch Strahlung, das einen Mantel besitzt, innerhalb dessen der spaltbare Brennstoff in fester Form, ohne den Mantel zu berühren, angeordnet ist.

Es ist bekannt, für den Mantel von Brennstoffelementen Materialien zu verwenden, die gleichzeitig einen schwachen wirksamen Querschnitt zum Einfangen von sich in Richtung auf den Brennstoff bewegenden Neutronen haben, eine maximale Übertragung der Wärme, welche durch die Spaltung aus dem Brennstoff ausgelöst wird, nach der Außenseite der Hülle bewerkstelligen können und außerdem physikalisch nicht von Neutronen angegriffen werden. Der Mantel trennt das Kühlmittel von dem Brennstoff sowohl in Hinsicht auf Verseuchung als auch auf chemische Reaktivität.

Es ist bekannt, die Wärme von einem solchen Brennstoffelement durch thermische Leitung abzuführen. Für eine 'gute Wärmeabführung ist es dabei wichtig, einen optimalen metallischen Kontakt zwischen Brennstoff und dem Mantel vorzusehen. Dabei kommt es aber häufig vor, daß während der Spaltung des Brennstoffes der metallische Kontakt sich infolge der Formveränderung des Mantels und des Brenn-Stoffs ändert, wodurch die Abführung der Spaltungswärme nach dem Kühlmittel beeinträchtigt wird.

Um dies zu verhindern, kann es sich empfehlen, das Brennstoffelement derart aufzubauen, daß der Brennstoff nicht mit dem Mantel in Berührung gelangt. Die Wärmeübertragung erfolgt dann durch Strahlung, zu welchem Zweck eine besondere Ausführungsform des Mantels gewünscht ist.

Das spaltbare Material kann in verschiedenen Formen im Mantel vorhanden sein. Spaltbares Material in Form kompakter Körper hat den Vorteil, daß die Körper auf einfache Weise durch Pressen und gegebenenfalls Sintern erhalten werden können, wobei für spaltbares Material in Form von Körnern oder Pulver erforderliche Tiegel weggelassen werden können. Diese Tiegel bilden Zwischenwände, die unter anderem die Wärmeübertragung beeinflussen. Solche Tiegel müssen mit Rücksicht auf das in ihnen befindliche spaltbare Material aus Graphit hergestellt werden.

Bei Verwendung von kompakten Körpern treten jedoch auch bestimmte Schwierigkeiten auf. Infolge des Neutronenflusses und der Reihenfolge thermischer Zyklen sind die kompakten Körper leicht zerbrechlich, so daß ihr mechanisches Gleichgewicht und somit die Wirkung des Reaktors gefährdet wird.

Brennstoffelement für Kernreaktoren

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven
(Niederlande)

Vertreter:

Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,

Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Jean Perilhou; Bourg-la-Reine, Seine;

Georges Ie Gargasson, Paris (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 4. April 1960 (823 313)

Die Brennstoffelemente nach der Erfindung verringern diese Nachteile. Gemäß der Erfindung ist bei einem Kernbrennstoffelement der eingangs genannten Art der aus kompakten Körpern bestehende Brennstoff mit einer durchlochten oder einer metallartigen gitterförmigen Bekleidung aus einem hitzebeständigen, chemisch nicht mit dem Brennstoff reagierenden Material umgeben. Auf diese Weise wird die sich zwischen dem Brennstoff und dem Mantel befindende Bekleidung auf eine Oberfläche beschränkt, die im Vergleich zu der des Brennstoffes klein ist, wodurch es möglich ist, die thermische Ausbeute des Reaktors zu vergrößern.

Bei einer besonderen Ausführungsform haben die kompakten Körper die Form von Ringen. In diesem Falle werden die Brennstoffringe auf einer zentralen Stütze aufgestapelt. Obgleich diese zentrale Stütze an erster Stelle zur Aufstapelung der Brennstoffringe dient, kann sie auch derart ausgebildet sein, daß sie auch die die Brennstoffringe umgebende Bekleidung an ihrer Stelle hält. Die zentrale Stütze und die Bekleidung sind dabei starr miteinander verbunden.

Die zentrale Stütze kann in Form eines Stapels verschiedener Dorne ausgebildet sein, die durch Stellringe getrennt werden. Jeder Dorn besteht aus einem Zylinder, auf dessen Enden zwei Haltemuttern aufgeschraubt werden, deren Außendurchmesser größer ist als der der metallartigen, hitzebeständigen Bekleidung, die in diesem Falle zwischen den erwähnten Muttern gehalten wird.

609 570/435

Es können auch Dornmaterialien gewählt werden, die chemisch mit dem Brennstoff reagieren können oder mit der metallartigen, hitzebeständigen Bekleidung. Um eine Reaktion zu verhüten, werden die Dorne dann mit einem Film eines geeigneten, hitzebeständigen Materials überzogen.

Die Wärmeübertragung wird, wie erwähnt, von dem Brennstoff nach dem Mantel durch Strahlung übertragen. Diese Weise der Wärmeübertragung hat den Vorteil, daß nicht, wie bei einer Wärmeübertragung durch Leitung, auf der Außenfläche des Mantels Gasblasen entstehen können, die auch die Abführung der Spaltungswärme nach außen beeinträchtigen. Es ist vorteilhaft, wenn der Mantel aus einem an sich bekannten, für Infrarotstrahlung durchlässigen Material besteht. Zu diesem Zweck eignen sich insbesondere Quarz und andere Siliciumverbindungen. Diese Materialien haben auch einen schwachen, wirksamen Querschnitt für den Einfang von Neutronen und werden physikalisch nicht von Neutronen angegriffen. Für Quarz z. B. ist der wirksame Neutronen-Einfangquerschnitt kleiner als 0,10 Barn.

Bei dem geschilderten Zusammenbau der Brennstoffelemente ist eine höhere Temperatur beim Aufspalten des Brennstoffes zulässig.

Dies hat den Vorteil, daß die Temperatur des Kühlmittels erhöht wird, wodurch eine Erhöhung der thermischen Ausbeute erzielt wird. Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung derart ausgebildet, daß zwischen der Innenfläche des Mantels und der entsprechenden Außenfläche der Bekleidung des Brennstoffes Mittel vorgesehen sind, welche die erwähnte Außenfläche in einem !gewissen Abstand von der erwähnten Innenfläche halten und mit jeder der Flächen nur über einen Teil in Berührung sind. Diese Mittel können Stellringe z. B. aus Aluminiumoxyd sein. Die Stellringe verhüten die Erweichung und sogar die Verschmelzung des Mantels, indem sie einen Temperaturgradienten zwischen den Dornen und dem betreffenden Mantel hervorrufen. Sie werden mit einem gewissen Spiel innerhalb des Mantels angeordnet, um die Ausdehnung zu berücksichtigen. Da der Spielraum jedenfalls gering ist, ist es notwendig, Vorkehrungen zu treffen, um die Stöße aufzufangen, die zwischen den Stellringen und dem Mantel auftreten können. Die Außenfläche der Stellringe gegenüber dem Mantel ist zu diesem Zweck derart profiliert, daß Spulen aus Quarzfasern darauf gewickelt werden können. Werden die Spulen unregelmäßig und lose gewickelt, so weisen sie eine hinreichende Nachgiebigkeit auf, um etwaige Stöße zwischen den Stellringen und dem Mantel aufzufangen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, die einen Querschnitt durch ein Brennstoffelement zeigt.

Das Brennstoffelement besteht aus einer Hülle 1, die aus einem Material, wie z. B. Quarz, zusammengesetzt ist, um eine angemessene Übertragung der Infrarotstrahlungen zu ermöglichen, die infolge der von der Spaltung freigemachten Wärme ausgesandt werden.

Die Brennstoffringe 2 sind auf Dorne 3 aufgestapelt, die z.B. aus Graphit bestehen und an ihren Enden mit Schraubengewinde versehen sind. Darauf werden die zwei Haltemuttern 4 geschraubt, die auch aus Graphit bestehen können. Bevor die zweite Haltemutter, die mit einem Dorn verbunden ist, festgeschraubt wird und nachdem alle Brennstoffringe, die von den Dornen abgestützt werden sollen, an ihrer Stelle angebracht worden sind, wird auf das Ganze eine Bekleidung 5 aus hitzebeständigem Material geschoben, deren Durchmesser etwas kleiner ist als der Außendurchmesser der Haltemuttern.

Die Dorne werden darauf aufeinander gestapelt und zwischen ihnen werden Stellringe 6 angebracht. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die Haltemuttern auf der Außenseite eine solche Schulter besitzen, daß ein Stellring zwischen zwei benachbarten Dornen zwischen den entsprechenden Haltemuttern gehaltert wird. Das Profil der Stellringe ist derart, daß die Breite in der Mitte der Höhlung entspricht, die durch die nebeneinander angeordneten Muttern zweier benachbarter Dorne gebildet wird, und derart, daß sie am Umfang einen Kragen bilden, der zur hinreichenden Vergrößerung ihrer Oberfläche in der Höhenrichtung dient, um stoßdämpfende Spulen 7 aus Quarzfasern aufzunehmen. Diese Spulen sind unregelmäßig und lose aufgewickelt, so daß sie eine gewisse Nachgiebigkeit aufweisen, wodurch sie imstande sind, die Funktion eines Stoßdämpfers gegenüber dem Quarzmantel zu erfüllen.

Das Material der Bekleidung 5 muß dem verwendeten Brennstoffmaterial angepaßt werden. Wie gesagt, ist es notwendig, eine chemische Reaktion dieser Materialien untereinander zu verhüten.

Es kann der Fall auftreten, daß die Bekleidung 5 aus Graphit wegen des verwendeten Brennstoffes bestehen muß. Es ist dabei möglich, durchlochten Graphit anzuwenden, in der Weise, daß die undurchsichtige Oberfläche bedeutend kleiner ist als die durch die Durchlochungen gebildete Fläche.

Es ist jedoch vorteilhaft, diese Bekleidung in den meisten Fällen in Form eines Gitters aus einem metallartigen, hitzebeständigen Material z.B. Wolfram herzustellen, welches Material auf Grund seiner mechanischen und physikalischen Eigenschaften gewählt wird. Die Maschen des Gitters können auf beliebige Weise gestaltet werden, unter der Bedingung, daß ihre Oberfläche größer ist als die von den Wolframdrähten beanspruchte Oberfläche. Diese Wolframbekleidung eignet sich vorzüglich dazu, die Brennstoffringe zu haltern, die z. B. aus Uran- oder Plutoniumcarbiden zusammengesetzt sind.

Wie gesagt, werden die Dorne aus Graphit hergestellt. Wenn der verwendete Brennstoff und das Wolfram der Bekleidung 5 chemisch mit dem Graphit reagieren können, wird eine Schutzhaut aus hitzebeständigem Material, z.B. Thoriumoxyd, auf dem Dorn angebracht.

Claims

Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement für Wärmeabgabe durch Strahlung, das einen Mantel besitzt, innerhalb dessen der spaltbare Brennstoff in fester Form, ohne den Mantel zu berühren, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der aus kompakten Körpern bestehende Brennstoff mit einer durchlochten oder einer metallartigen gitterförmigen Bekleidung aus einem hitzebeständigen, chemisch nicht mit dem Brennstoff reagierenden Material umgeben ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel aus einem für Infrarotstrahlung durchlässigen Material besteht.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 und/ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkörper die Form von Ringen haben.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkörper auf eine zentrale Stütze aufgestapelt sind.

5. Brennstoffelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Stütze und die Bekleidung starr miteinander verbunden sind.

6. Brennstoffelement nach einem der Anspräche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Innenfläche des Mantels und der entsprechenden Außenfläche der Bekleidung des Brennstoffes Abstandshalter angeordnet sind, die nur mit einem Teil dieser Flächen in Berührung stehen.

7. Brennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter mindestens über einen Teil ihres Umf anges mit Spulen aus Quarzfasern versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1004 744;
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1010 660,
1011594, 1041177, 1068 821;
USA.-Patentschrift Nr. 2 798 848.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen