DE1228727B

DE1228727B - Thermionischer Konverter mit im Inneren der Emitterelektrode angeordnetem Kernbrennstoff

Info

Publication number: DE1228727B
Application number: DES95944A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Martin Peehs; Dr Rer Nat Heinz Stehle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-03-13
Filing date: 1965-03-13
Publication date: 1966-11-17

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21d

G21h
Deutsche KL: 21g-21/30

Nummer: 1228 727

Aktenzeichen: S 95944 VIII c/21 g

Anmeldetag: 13. März 1965

Auslegetag: 17. November 1966

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermionischen Konverter zur direkten Umwandlung der durch Kernspaltung frei werdenden Wärmeenergie in elektrische Energie, bestehend aus thermionischen Dioden und im Innern der Emitterelektroden der-· selben angeordnetem Kernbrennstoff, der aus einer Dispersion von Spaltstoffteilchen in einer Matrixsubstanz besteht. Derartige thermionische Konverter sind bekannt. Sie bestehen normalerweise aus einer Reihenschaltung einzelner thermionischer Dioden, deren Emitterelektroden oder -kathoden über direkte Wärmeleitung vom Kernbrennstoff beheizt werden. Der Kernbrennstoff kann dabei ähnlich wie in normalen Brennelementen aufgebaut sein, also z.B. auch aus einem Spaltstoff-Cermet bestehen. In diesem Zusammenhang ist es auch schon bekanntgeworden, die Spaltstoffteilchen zur Verhinderung des Austritts gasförmiger Spaltprodukte zu ummanteln. Mit zunehmendem Abbrand des Kernbrennstoffs treten jedoch Dehnungs- und Wachstumserscheinungen auf, die einen Verzug der Emitteroberflächen und damit eine Veränderung des Spaltes zwischen Emitter und Kollektor der thermionischen Dioden bewirken. Diese Gefahr ist besonders groß bei thermionischen Brennelementen mit Spalten in der Größenordnung von 0,1 mm. Diese geringen Abstände müssen jedoch zur Erzielung einer großen Leistungsdichte und eines möglichst hohen Wirkungsgrades angestrebt werden.

Erfindungsgemäß sind die Spaltstoffteilchen mit einer die Diffusion von Uran und Uranverbindungen hemmenden Schicht überzogen und in ihrem Inneren mit Hohlräumen versehen. Vorzugsweise besteht der granulierte Kernbrennstoff aus hohlen und kugeligen Urandioxydteilchen. Diese sind mit einer Wolframschicht umhüllt, um eine Diffusion des Urans bis zur Oberfläche der Emitterelektrode zu verhindern. Bei den Betriebstemperaturen derartiger Brennelemente in der Größenordnung von 1700° C und höher ist die Beweglichkeit des Urans im Emittermaterial, das z. B. aus Molybdän besteht, bereits so hoch, daß schon nach kurzer Zeit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades zu erwarten wäre. Ähnliches gilt für die freigesetzten Spaltprodukte.

Durch diese geschilderte Anordnung des Kernbrennstoffes mit den feinverteilten »Ausdehnungsräumen« wird eine Deformation der Emitteroberfläche vermieden, der Spaltstoff wird sich in Richtung auf seine im Inneren befindlichen Hohlräume ausdehnen und nach außen hin keine wesentlichen Spannungen hervorrufen, zumal er bei den hohen Betriebstemperaturen eine gute Plastizität besitzt. Diese Hohlräume nehmen aber nicht nur das expan-Thermionischer Konverter mit im Inneren der
Emitterelektrode angeordnetem Kernbrennstoff

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Martin Peehs,

Dr. rer. nat. Heinz Stehle, Erlangen

dierende Material selbst auf, sondern können auch die austretenden Spaltgase beherbergen. Die Kernbrennstoffteilchen werden z. B. durch längeres Rütteln von zerkleinerten Preßlingen, die aus sinterfähigem Pulver mit Bindemittelzusatz verpreßt wurden, und nachfolgendem Sintern hergestellt. Das als Diffusionssperre für Uran bekannte Wolfram kann relativ leicht durch thermische Zersetzung des gasförmigen Hexacarbonyls [W (CO)₆] auf den Oberflächen der Kernteilchen abgeschieden werden. Weitere technische Verfahren, um Spaltstoffpartikeln mit Überzügen zu versehen, sind in anderem Zusammenhang bekannt und können auf die Wolframbeschichtung übertragen werden. Bei genügender Dicke der Wolframschichten können diese auch von Spaltprodukten nicht mehr durchschlagen werden, so daß auch die Ausdiffusion dieser Atome wesentlich reduziert wird.

Eine weitere Maßnahme zur Verminderung des Schwelleffektes des Spaltstoffkörpers in einem thermionischen Brennelement ist die Verwendung von Molybdän-Titan- bzw. Molybdän-Titan-Zirkon-Legierungen als Matrixmetall in Kombination mit den beschriebenen Kernbrennstoffpartikeln. Die Einbettung der Kernbrennstoffpartikeln in die Matrix-Metall-Legierung kann z. B. durch pulverförmiges Zugeben dieser Matrixmetalle zu den Preßlingen aus Kernbrennstoff und nachträgliches Zusammensintern vorgenommen werden. Auch ist es möglich, die fertigen Kernbrennstoffpartikeln mit pulverförmigem Matrixmaterial zusammenzusintern. Hierdurch wird die Hochtemperaturfestigkeit der Matrix erhöht, so daß ein höherer Druck in den Spaltstoffpartikeln aufgenommen werden kann. Es ist dabei zweckmäßig, auch

€09 727/352

den ganzen Kernbrennstoffkörper mit einem derartigen Material zu umhüllen. Sicherheitshalber wird dabei der Spaltstoffkörper vorher nochmals mit einer Wolframdiffusionssperre beschichtet. Die Hülle wird auf diesen Wolframüberzug durch Anwendung von 5, Druck und Temperatur aufgepreßt. Zur metallurgischen Bindung besteht dabei die Möglichkeit, auf die Wolframschicht oder auf das Hülleninnere eine Schicht eines zweiten Metalls, z. B. Titan oder Niob, aufzubringen, das als Lot wirkt. Dabei braucht die Temperatur nicht unbedingt bis zur eutektischen Temperatur gesteigert zu werden, da unter Umständen zuvor bereits eine Bindung durch Diffusion erzielt werden kann.

Selbstverständlich werden auch die Stirnseiten des Spaltstoffkörpers mit einem derartigen dichten Überzug versehen,. . - ■ _ ■- -

Aus den F Ϊ g.. 1 und 2 ist der .Aufbau eines derartigen Kernbrennstoffkörpers für thermionische Konverter näher dargestellt. Die Spaltstoffpartikeln sind mit 1 bezeichnet, sie bestehen aus dem eigentlichen Kernbrennstoff3, der in seinem Inneren mit Hohlräumen 2 versehen ist. Diese Teilchen haben einen Wolframüberzug 4 in einer Stärke von etwa 10 μ und sind insgesamt in dem Matrixmaterial5, z.B. Molybdän oder Molybdänlegierung, eingebettet. In Fig. 2 ist die Umhüllung des Kernbrennstoffkörpers 50 mit der Diffusionssperre 40 und der Hülle 60 aus Molybdän oder einer Mqlybdän-Titan-Zirkon-Legierung dargestellt. Der in diesem Fall zylindrische Körper ist an seinen Stirnseiten mit ähnlichen Materialien abgeschlossen und an den Stellen 70 dicht verschweißt. Je nach Aufbau des thermionischen Konverters kann dieser Körper selbstverständlich auch eine.andere Geometrie, wie z.B. eine hohlzylinderförmige, aufweisen. Wesentlich ist in allen Fällen, daß das Wachstum des Kernbrennstoffes und die ausdiffundierenden Spaltgase durch in seinem Inneren befindliche Hohlräume aufgenommen werden, so daß der verbliebene Druck durch das Matrixmaterial.bzw. das Material des Emitterkörpers ohne Deformation des letzteren aufgefangen werden kann. Die Aufnahmefähigkeit für das Kornwachstum sowie die Spaltgase läßt sich selbstverständlich zusätzlich noch durch eine poröse Gestaltung der Matrix verstärken. Damit ist sichergestellt, daß die Lebensdauer der in dem Kernbrennelement enthaltenen thermionischen Dioden nicht durch die Abbranderscheinungen des Kernbrennstoffs begrenzt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Thermionischer Konverter zur direkten Umwandlung der durch Kernspaltung frei werdenden Wärmeenergie in elektrische Energie, bestehend aus thermionischen Dioden und im Inneren der Emitterelektroden derselben angeordnetem Kernbrennstoff, der aus einer Dispersion von Spalttoffteilchen in einer Matrixsubstanz besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffteilchen mit einer die Diffusion von Uran und Uranverbindungen hemmenden Schicht überzogen und in ihrem Inneren mit Hohlräumen versehen sind.

2. Thermionischer Konverter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der granulierte Kernbrennstoff aus hohlen und vorzugsweise kugeligen UO₂-Teilchen besteht.

3. Thermionischer Konverter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoffteilchen mit einer Wolframschicht als Diffusionssperre ummantelt sind.

4. Thermionischer Konverter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in einer Matrix-Metall-Legierung, wie z. B. Molybdän-Titan oder Molybdän-Titan-Zirkon, eingebettet sind.

5. Verfahren zur Herstellung des Konverters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ummantelten Kernbrennstoffteilchen mit pulverförmigem Matrixmaterial zusammengesintert werden.

6. Thermionischer Konverter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kernbrennstoffteilchen mit einer zusätzlichen Molybdänschicht versehen und durch Pressen und/oder Sintern verdichtet sind.

7. Thermionischer Konverter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallumhüllung eine Dicke von 10 μ hat und der Verband der Kernbrennstoff- und Matrixteilchen porös ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1171993, 1181830; französische Patentschrift Nr. 1317 583;
britische Patentschrift Nr. 941825;
USA.-Patentschrift Nr. 3121048;
IEEE Transactions on Aerospace, Vol. 2, 1964, Nr. 2, S. 685.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen