DE1234868B - Kernreaktor-Brennstoffelement - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTWWF PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-21/20

Nummer: 1234 868

Aktenzeichen: A 45598 VIII c/21 g

J 234 868 Anmeldetag: 25.März 1964

Auslegetag: 23. Februar 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kernreaktor-Brennstoffelement, das aus einer Graphitkugel mit innerem Hohlraum und darin untergebrachten, mit einer Umhüllungsmasse versehenen Spaltstoffteilchen besteht. Als Spaltstoffe dienen insbesondere Verbindungen aus Uranpartikeln, die mit einer Umhüllungsmasse aus z.B. pyrolytischen Graphit umgeben sind. Zweck ihrer Umhüllung ist es, die Uranteilchen so einzukapseln, daß die bei der Kernspaltung entstehenden Spaltprodukte, die stark radioaktiv sind, nicht durch den durchlässigen Graphit der Kugeln in den Kühlgasstrom, der z.B. aus Helium besteht, gelangen können. Dadurch unterscheiden sich diese umhüllten Spaltstoffteilchen grundlegend von nicht umhülltem Spaltstoffpulver, bei dem die bei der Kernspaltung entstehenden Spaltprodukte nicht innerhalb des Spaltstoffes zurückgehalten werden. Um so wichtiger ist es dafür aber bei mit umhüllten Spaltstoffteilchen gefüllten Brennstoff- bzw. Graphitkugeln, daß sie so in das Reaktorgefäß eingefüllt werden, daß Beschädigungen der Kugeln und damit auch der Überzugsmasse ihrer Spaltstofiteilchen vermieden werden. Die Kugeln müssen, da sie beim Einfüllen in das Reaktorgefäß Beanspruchungen durch den freien Fall ausgesetzt sind, diesen unzerstört überstehen.

Bei den bekannten Brennstoffkugeln obiger Art sind die umhüllten Spaltstoffteilchen in hauptsächlich in der Mitte der Kugeln gelegenen Hohlräumen untergebracht, also im Kern der Kugeln angeordnet. Das hat aber erhebliche Nachteile. Die in der Kugelmitte eingebetteten umhüllten Spaltstoffteilchen nehmen hier nämlich bei voller Reaktorleistung, ursächlich bewirkt durch die Kernspaltung, so hohe Temperaturen an, daß dadurch ihre Umhüllungsmasse beschädigt wird, so daß die Spaltprodukte in den Kühlgaskreislauf gelangen, was unbedingt vermieden werden muß. Außerdem ist der Einsatz bei Bestrahlungen Volumenänderungen unterworfen, die durch Spaltbildung zwischen Einsatz und Graphitkugel 'die Temperatur im Innern weiter erhöhen können.

Bei anderen mit umhüllten Spaltstoffteilchen gefüllten Brennstoffkugeln hat man einen zylindrischen Spalt derart angeordnet, daß zur Oberfläche der Graphitkugel hin der obere Teil des Ringspaltes bündig mit diesem durch einen Stopfen verschlossen ist. In diesen Spalt werden die umhüllten Uranteilchen lose eingefüllt. Hierbei muß sichergestellt sein, daß keine umhüllten Spaltstoffteilchen außerhalb des Zylinderraumes sind, da diese beim Zusammenbau zerstört werden können. Um bei dieser Kernreaktor-Brennstoffelement

Anmelder:

Arbeitsgemeinschaft Versuchs-Reaktor (AVR)
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
Düsseldorf, Luisenstr. 105

ίο Als Erfinder benannt:
Wilhelm Engel,
Werner Cautius, Düsseldorf

Konstruktion die notwendige mechanische Festigkeit zu gewährleisten und die maximale Temperatur vernünftig zu begrenzen, ist der Durchmesser des Zylinderspaltes vergleichsweise klein. Es lassen sich in diesem Spalt nur verhältnismäßig kleine umhüllte Uranmengen unterbringen. Auch reicht der zur Verfügung stehende Raum nicht zur gemeinsamen Unterbringung von Brennstoff und Brutstoff aus, wenn also z. B. außer Uran 235 noch Uran 238 und Thorium als Brutstoffe in der Kugel enthalten sein müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kernreaktor-Brennstoffelement in Gestalt einer mit umhüllten Spaltstoffteilchen gefüllten Graphitkugel zu schaffen, welche die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist, bei der also das Zerbrechen der Umhüllungsmasse infolge zu hoher Temperaturen, der Mangel an genügendem Füllraum für die umhüllten Spaltstoffteilchen und die Unsicherheit ihres Einfüllens auf einfache Weise vermieden werden. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der die umhüllten Spaltstoffteilchen aufnehmende Hohlraum als um den Mittelpunkt der Graphitkugel rotationssymmetrisch verlaufender Ringraum ausgebildet ist, der in der Nähe des Umfanges der in ihrem zentralen Bereich von Spaltstoffen freien Graphitkugel angeordnet ist. Dadurch wird nicht nur der verfügbare Raum für die Unterbringung der umhüllten Spaltstoffteilchen, sondern vor allem der Wärmewiderstand des Brennstoffelementes bzw. der Graphitkugel so verkleinert, daß sich bei der Kernspaltung entsprechend niedrige Temperaturen in der Umhüllungsmasse der Spaltstoffteilchen ergeben, was zur Folge hat, daß die Umhüllungsmasse nicht zerstört wird. Durch Vermeidung eines bündigen Abschlusses Stopfen—Zylinderraum wird zugleich die mechanische Festigkeit der Kugel erhöht und deren sichere

709 510/431

Claims (5)

Befüllung mit den umhüllten Spaltstoffteilchen gewährleistet. Im einzelnen kann die erfindungsgemäße Anordnung des oder der die umhüllten Spaltstoffteilchen aufnehmenden Hohlräume in der Graphitkugel auf verschiedene Weise getroffen bzw. erreicht werden. Dafür sind drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß ausgebildeter Brennstoffelemente in der Zeichnung im Schnitt dargestellt. Die Brennstoffkugel nach der Fig. 1 besteht aus den beiden Graphithalbkugeln 1,2, die über den gleichfalls aus Graphit bestehenden Schraubzapfen 3 mit gegenläufigem Schraubgewinde miteinander verbunden sind. In den Halbkugeln sind zwei deckungsgleich liegende ringförmige Aussparungenl', 2' vorgesehen, die zusammen einen ringzylindrischen Hohlraum bilden, der mit den umhüllten Uranpartikeln 4 gefüllt ist. Diese sind gegen die Stoßfuge 5 der Halbkugeln durch den ringförmigen Graphitverschluß 6 abgeschirmt. ao Die in der F i g. 2 abgebildete Brennstoff kugel unterscheidet sich von derjenigen nach der Fig. Inur dadurch, daß der die beiden Halbkugeln 1, 2 verbindende Schraubzapfen 3' hier unmittelbar an der einen Halbkugell vorgesehen bzw. aus letzterer ausgearbeitet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der F i g. 3 ist in die Graphitkugel 7, die mit einer entsprechend großen Sackbohrung 8 versehen ist, eine mit Außengewinde versehene Graphitpatrone 9 eingeschraubt. 3» Diese enthält den ringzylindrischen Hohlraum 10, der mit den umhüllten Spaltstoffteilchen 4 gefüllt ist. Darin ist abschließend auch noch der ringförmige Graphitverschluß 6 vorhanden. 35 Patentansprüche:

1. Kernreaktor-Brennstoffelement, bestehend aus einer Graphitkugel mit innerem Hohlraum und darin untergebrachten, mit einer Umhüllungsmasse versehenen Spaltstoffteilchen, dadurch

gekennzeichnet, daß der die umhüllten Spaltstoffteilchen (4) aufnehmende Hohlraum als um den Mittelpunkt der Graphitkugel (7) rotationssymmetrisch verlaufender Ringraum ausgebildet ist, der in der Nähe des Umfanges der in ihrem zentralen Bereich von Spaltstoffen freien Graphitkugel angeordnet ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die umhüllten Spaltstoffteilchen aufnehmende Hohlraum (1', 2' bzw. 10) ringzylindrisch ausgebildet ist.

3. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitkugel aus zwei miteinander verschraubten Halbkugeln (1, 2) besteht, in denen zwei deckungsgleich zueinander liegende ringzylindrische Aussparungen (1', 2') vorgesehen sind, die mit den umhüllten Spaltstoffteilchen (4) ausgefüllt und gegen die Stoßfuge (5) der Halbkugeln durch einen ringförmigen Graphitverschluß (6) abgeschirmt sind (F i g. 1 und 2).

4. Brennstoffelemente nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbkugeln (1, 2) über einen aus Graphit bestehenden Schraubzapfen (3) mit gegenläufigem Gewinde verbunden sind (F i g. 1).

5. Brennstoffelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Graphitkugel (7) eine mit Außengewinde versehene Graphitpatrone (9) eingeschraubt ist, die den ringzylindrischen Hohlraum(IO) mit den darin untergebrachten umhüllten Spaltstoffteilchen(4) sowie einen Graphitverschluß (6) für den Hohlraum (10) enthält (F i g. 3).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1 041177,
504;

französische Patentschriften Nr. 1 320 338,
330 985;
britische Patentschrift Nr. 943 719.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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