DE1234869B

DE1234869B - Verfahren zur Verdichtung der Huellen von Kernreaktor-Brennstoffelementen

Info

Publication number: DE1234869B
Application number: DEB80557A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Oskar Machnig; Dipl-Ing Hans Oettl
Original assignee: Brown Boveri Krupp Reaktorbau GmbH
Current assignee: Brown Boveri Krupp Reaktorbau GmbH
Priority date: 1965-02-17
Filing date: 1965-02-17
Publication date: 1967-02-23

Description

Verfahren zur Verdichtung der Hüllen von Kernreaktor-Brennstoffelementen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verdichtung der Hüllen von Kernreaktor-Brennstoffelementen. An Brennstofrelemente für Kernreaktoren wird ganz allgemein die Forderung gestellt, daß ihre Hüllen sehr dicht sein müssen, damit die im Inneren entstehenden gasförmigen Spaltprodukte möglichst lange in den Brennstoffelementen zurückgehalten werden und während dieser Zeit ein großer Teil der Radioaktivität abklingen kann. Es sind bereits Verfahren bekannt, die durch Tränkung der Hüllen der Brennstoffelemente mit Kohlenwasserstof"ten und nachfolgender Crackung zu erreichen versuchen, daß die Hüllen dicht werden. Die so behandelten Brennstoffelemente haben sich jedoch in der Praxis als noch nicht genügend dicht erwiesen, und nach wie vor besteht in der Reaktortechnik ein Bedarf nach Brennstoffelementen mit extrem dichter Hülle.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Lücke zu schließen und ein Verfahren anzugeben, das Brennstoffelemente mit sehr dichter Hülle liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die aus Graphitpulver vorgepreßten und mit einem Kern aus Urankarbid und Graphit versehenen Brennstoffelemente in eine hoch beanspruchbare Form eingebracht und dann derart hohen Temperaturen ausgesetzt werden, daß der Graphit-Uran-Einsatz verdampft und ein sehr hoher Druck entsteht, durch den ein Teil des verdampften Graphits in die Poren der Hüllen der Brennstoffelemente gepreßt wird und die Hüllen verdichtet werden, während sich im Inneren der Brennstoffelemente ein Hohlraum bildet.
Die vorgepreßte Brennstoffkugel hat vorzugsweise einen Außendurchmesser von 6 cm, und ihr Kern besteht aus etwa 3 em3 Graphit und Urankarbid, das ungefähr 0,7 g Uran 235 enthält. Die Formen, in denen die Brennstoffelemente der hohen Temperatur ausgesetzt werden, müssen sehr großen Beanspruchungen standhalten; vorteilhaft werden die zum Pressen der Brennstoffkugeln verwendeten Formen auch beim Erhitzungsprozeß herangezogen. Der bei der Verdampfung des Graphit-Uran-Kernes entstehende Druck liegt in der Größenordnung von 105 atü, und dieser hohe Druck bewirkt, daß die Hülle der Brennstoffelemente verdichtet wird. Der in die Poren der Hüllen gepreßte Kohlenstoff sublimiert dort sofort, da die Schalentemperatur stets 2000 bis 3000° C unter dem Siedepunkt des Kohlenstoffs bleibt. Nach Ausgleich der Temperatur hat sich das gesamte Brennstoffelement auf etwa l000° C erwärmt. Der sich im Inneren der Brennstoffelemente bildende Hohlraum hat schätzungsweise eine Größe von 10 bis 15 cm3. Das verdampfte Uran setzt sich an den Wänden dieses Hohlraumes ab, wobei es in gutem Kontakt mit der Hülle der Brennstoffelemente steht. Die Größe des Hohlraums ist ausreichend, um die beim späteren Betrieb des Reaktors entsprechenden gasförmigen Spaltprodukte zu speichern, so daß ein Bersten des Brennstoffelementes durch überdruck nicht zu befürchten ist. Erfindungsgemäß werden die Brennstoffelemente zur Erreichung der erforderlichen hohen Temperaturen in einem Impulsreaktor dessen Neutronenffuß ausgesetzt. Dabei werden sie in ihrem Inneren bei einer Flußspitze von einigen 1017 nv und einer Dosis von einigen 101s nvt in einem sehr kleinen Zeitraum auf über 104 °K erhitzt. Der verdampfende Graphit-Uran-Einsatz wirkt wie ein Sprengsatz, wobei jedoch die Brisanz dieses »Sprengsatzes« wesentlich geringer ist als bei herkömmlichen Sprengstoffen. Das fällt aber nicht ins Gewicht, da die »Sprengkammer«, d. h. das Innere der Brennstoffelemente, dicht bleibt. Die Wärmeabgabe an die Hülle spielt ebenfalls keine Rolle, denn sie beträgt während der »Explosion« nur etwa 1 %.
Die hohe Temperatur, die zur Verdampfung des Graphit-Uran-Einsatzes erforderlich ist, läßt sich erfindungsgemäß auch dadurch erreichen, daß die Brennstoffelemente gebündelten Elektronenstrahlen ausgesetzt werden.
Den aus Graphit und Urankarbid bestehenden Kernen der Brennstoffelemente können mit besonderem Vorteil auch Zusätze von anderen Stoffen beigegeben werden, um bestimmte Effekte zu erzielen, z. B. einen anderen Druckaufbau zu bewirken. So kann beispielsweise durch die Zugabe von Silizium eine bessere Verdichtung der Hüllen erreicht werden. Die Beimischung geringer Mengen herkömmlichen Sprengstoffes bewirkt ebenfalls eine gute Verdichtung der Brennstoffelementhüllen und bringt noch den Vorteil mit sich, daß das ganze Verfahren in kürzerer Zeit vor sich geht, da der Sprengstoff schneller auf die Erhitzung anspricht.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Verdichtung der Hüllen von Kemreaktor-Brennstoffelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Graphitpulver vorgepreßten und mit einem Kern aus Urankarbid und Graphit versehenen Brennstoffelemente in eine hoch beanspruchbare Form eingebracht und dann derart hohen Temperaturen ausgesetzt werden, daß der Graphit-Uran-Einsatz verdampft und ein sehr hoher Druck entsteht, durch den ein Teil des verdampften Graphits in die Poren der Hüllen der Brennstoffelemente gepreßt wird und die Hüllen verdichtet werden, während sich im Inneren der Brennstoffelemente ein Hohlraum bildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente zur Verdampfung des Graphit-Uran-Einsatzes in einem Impulsreaktor dessen Neutronenfluß ausgesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffelemente zur Verdampfung des Graphit-Uran-Einsatzes gebündelten Elektronenstrahlen ausgesetzt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Kernen der Brennstoffelemente Zusätze von anderen Stoffen, z. B. von herkömmlichen Sprengstoffen, beigegeben werden.