DE1236091B - Kernreaktorbrennstab - Google Patents

Description

DEUTSCHES M# PATENTAMT DeutscheKl.: 21g-21/20

AUSLEGESCHRIFT

Nummer: 1236 091

Aktenzeichen: J17572 VIII c/21 \

J 236 091 Anmeldetag: 21.Januar 1960

Auslegetag: 9. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf Kernreaktorbrennstäbe, die aus mehreren in einem Hüllrohr aufeinandergestapelten Spaltstofftabletten bestehen. Als Hüllrohrmaterial wird bisher im allgemeinen nichtoxydierender Stahl, eine Zirkoniumlegierung oder eine Berylliumlegierung verwendet, während als Spaltstoff zur Zeit am häufigsten Uraniumoxyd verwendet wird.

Obwohl dieses Spaltmaterial auf Grund seiner sehr hohen mechanischen und chemischen Temperaturbeständigkeit, seines verhältnismäßig geringen Sauerstoffgehaltes und seiner geringen Aufnahmeneigung für letzteren ein ausgezeichnetes brennbares Kernmaterial bildet, weist dieses Oxyd eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, die sich auch noch mit steigender Temperatur wesentlich verringert. Hieraus ergibt sich, daß trotz hoher Schmelztemperaturen (2700° C) die spezifische thermische Belastung dieses Oxyds, d. h. die Anzahl Watt pro Kubikzentimeter, aus dessen Spaltungen durch das Schmelzen im Zentrum der Tabletten dieses Oxyds schnell ihren Grenzwert erreicht.

Wenn man davon ausgeht, daß das Schmelzen im Zentrum der Tabletten oder in einem bestimmten gegebenen Bereich derselben als beschränkter Nachteil anzusehen ist, dann könnte man die spezifische thermische Belastung nur durch eine Verringerung des Durchmessers der Tabletten steigern. Nun bedeutet aber offensichtlich eine entsprechende Ausbildung des Oxyds in Form sehr dünner Stäbe einen erheblichen Verlust an Reaktionsfähigkeit insofern, als es schwierig ist, den Durchmesser des metallischen Hüllrohres unter ein bestimmtes Maß zu verringern. Der hohe Herstellungspreis eines solchen Hüllrohres stellt einen weiteren Begrenzungsfaktor dar.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit von Brennstäben der vorliegenden Art durch Zufügung eines guten Wärmeleitermaterials zu dem Spaltmaterial zu erreichen.

In dieser Hinsicht wurden bereits die unterschiedlichsten Versuche unternommen, ohne daß jedoch bisher wirtschaftlich und technisch brauchbare Ergebnisse erzielt werden konnten.

Einer der bekannten Vorschläge richtet sich darauf, homogene Mischungen aus wärmeleitenden Stoffen und Spaltstoffen auszubilden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der hinsichtlich des Wärmewirkungsgrades erzielbare Gewinn dadurch wieder aufgehoben wird, daß die Wirksamkeit des Brennmaterials, vom nuklearen Gesichtspunkt aus gesehen, geringer wird.

Kernreaktorbrennstab

Anmelder:

Indatom S. A. R. L., Paris
Vertreter:

Dr.-Ing. Η. Fincke, Dipl.-Ing. H. Bohr
und Dipl.-Ing. S. Staeger, Patentanwälte,
München 5, Müllerstr. 31

Als Erfinder benannt:

Rene Lemaitre,

Colombes, Seine (Frankreich)

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 27. Januar 1959 (785 054)

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Andererseits wurde, wenn auch für einen abweichenden Zweck, in Aussicht genommen, Tabletten aus Uran zu verwenden, die einen Überzug aus Zirkonium enthalten. Dieser Überzug hatte lediglich den Zweck, den Urankern gegen eine direkte Berührung durch ein metallisches Kühlmittel (Natrium) zu schützen.

Schließlich wurde versucht, mit pulverförmigem Uraniumoxyd Fäden oder Drähte aus Molybdän zu mischen und diese Mischung in einer Hülse zu komprimieren. Die hierbei erzielten Ergebnisse haben jedoch keinerlei ins Gewicht fallenden technischen Effekt gezeitigt.

Demgegenüber geht die Erfindung aus von einem Kernreaktorbrennstab, der aus mehreren in einem Hüllrohr aufeinandergestapelten Spaltstofftabletten besteht, die zumindest an ihren Stirnflächen mit einer wärmeleitfähigen Deckschicht versehen sind, wobei die Stärke dieser Tabletten geringer als deren Durchmesser ist; bei diesem Brennstab stehen gemäß der Erfindung die wärmeleitfähigen Deckschichten der Spaltstofftabletten an ihrem Umfang unmittelbar mit dem Hüllrohr in wärmeleitendem Kontakt.

Theorie und Praxis dieses Lösungsvorschlages der Erfindung haben ergeben, daß sich mit einer derartigen Brennstabausbildung eine überraschende Verbesserung des Wärmeüberganges vom Inneren der Masse schlechter Wärmeleitfähigkeit (die aufeinandergestapelten Tabletten aus Spaltstoff) mit Bezug auf das Kühlmittel erzielen läßt, welches das Hüllrohr außen umgibt. Die Wärmeleitfähigkeit der Stab-

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einheit ändert sich im wesentlichen linear mit dem Volumenanteil an gut leitendem Material.

Vorzugsweise bestehen nach einem besonderen Erfindungsmerkmal die wärmeleitenden Deckschichten aus dünnen Tabletten, deren Herstellung so erfolgen kann, wie sie normalerweise bei Spaltstofftabletten üblich ist.

Eine besonders einfache Herstellungsweise ergibt sich erfindungsgemäß dann, wenn jede Spaltstofftablette wenigstens eine im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse derselben verlaufende wärmeleitende Deckschicht aufweist. Bei dieser Ausbildungsart liegt ein Brennstab mit abwechselnd geschichteten wärmeleitenden Deckschichten mit Spaltstofftabletten vor, wobei der Wärmefluß in radialer Richtung geleitet wird.

Erfindungsgemäß können die Spaltstofftabletten wahlweise aus Uraniumoxyd, Plutoniumoxyd oder einer Mischung dieser beiden Mischungen bestehen, je nach dem besonderen Anwendungsgebiet für den Brennstab.

Wenn nach einem weiteren Erfindungsmerkmal eine Anzahl unterschiedlicher Spaltstoffe, z. B. Uraniumoxyd, Plutoniumoxyd und/oder Thoriumoxyd, für jede Spaltstofftablette in ein und demselben Brennstoff verwendet wird, so daß jede dieser Tabletten jeweils nur aus einem der genannten Spaltstoffe besteht, dann ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Brennstabes hinsichtlich einer Unterteilung des Stabes durch die wärmeleitenden Deckschichten, um die Spaltstofftabletten in Richtung der Stablänge verteilen zu können.

Ein besonderes Erfindungsmerkmal ergibt sich hinsichtlich der Ausbildung der Deckschichten aus Oxyden von Aluminium, Magnesium oder Beryllium. Hierbei handelt es sich um Materialien, die normalerweise einen hohen Schmelzpunkt aufweisen und bei den sehr hohen Temperaturen, die innerhalb des Brennstabes auftreten können, eine Wärmeleitfähigkeit ergeben, die wesentlich höher liegt als diejenige von Uraniumoxyd oder anderen Brennstoffoxyden.

Wenn normalerweise die Spaltstofftabletten wie auch die Deckschichttabletten in üblicher Weise durch Verpressen von Pulvern einzeln hergestellt werden können, so ist es nach einem weiteren Erfindungsmerkmal auch möglich, die gepreßten Spaltstofftabletten mit ihren gepreßten Deckschichttabletten miteinander zu einer Einheitstablette zu verpressen, so daß derart zusammengepreßte Tabletten anschließend in üblicher Weise wie Spaltstofftabletten aufeinandergestapelt werden können.

Wenn somit die Tabletten des Brennstabes gemäß der Erfindung eine verhältnismäßig geringe Stärke aufweisen, dann hat der Wärmefluß das Bestreben, axial in Richtung der Deckschichten aus dem wärmeleitenden Material zu verlaufen, um dann durch diese Deckschichten in radialer Richtung weitergeleitet zu werden. Die gesamte Wärmeleitfähigkeit ändert sich dabei im wesentlichen linear, je nach dem Gehalt an Volumen der verwendeten Oxyde, wobei die Leitfähigkeit der wärmeleitenden Oxyde zehnmal größer ist als diejenige der brennbaren Oxyde.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer schematischen Zeichnung erläutert, die einen Teil einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäß aufgebauten Brennstabes darstellt.

Der dargestellte Brennstab wird durch Aufeinanderschichten von z. B. zylindrischen Tabletten 2 aus Uraniumoxyd im Inneren eines Hüllrohres 1 aus

nichtoxydierendem Stahl gebildet; diese Tabletten weisen z. B. einen Durchmesser D von ungefähr 14 mm und eine Stärke S von 5 mm auf. Auf jeder dieser Tabletten 2 ist an jeder ihrer beiden ebenen Flächen eine wärmeleitende Deckschicht in Form einer dünnen Tablette 3 aus Berylliumoxyd aufgebracht, die eine Stärke T von etwa 0,25 mm aufweist.

Zur Herstellung eines derartigen Brennstabes werden in je einem ersten Preßvorgang die Tabletten 2

ίο aus pulverisiertem Uraniumoxyd und die dünnen Deckschichten 3 aus pulverisiertem Berylliumoxyd erzeugt. Anschließend erfolgt in einem zweiten, abschließenden Preßvorgang die innige Vereinigung je einer Tablette 2 mit zwei dünnen Tabletten 3. Die derart zusammengesetzten Tabletten 2, 3 werden dann in dem Hüllrohr 1 in beliebig geeigneter Art aufeinandergeschichtet.

Es ist bekannt, daß sich die Wärmeleitfähigkeit der Uraniumoxyde (UO₂) und der Berylliumoxyde

ao (BeO) verringert, wenn die Temperatur bis auf 1700° C ansteigt, diese Wärmeleitfähigkeiten gegeneinander jedoch ein im wesentlichen konstantes Verhältnis beibehalten, wobei die Wärmeleitfähigkeit des Berylliumoxyds höher bleibt als diejenige des Uraniumoxyds, und zwar im Verhältnis einer Größenordnung von 10. Man kann unter diesen Bedingungen annehmen, daß dann, wenn unter dem Einfluß eines Neutronenflusses eine gewisse Wärmemenge je Volumeneinheit des Spaltmaterials der Tabletten 2 frei wird, während durch einen mit den Pfeilen R schematisch dargestellten äußeren Kühlmittelfluß das metallische Hüllrohr 1 auf einer gegebenen konstanten Temperatur gehalten wird, die wärmeerzeugende Strömung innerhalb des Spaltmaterials jeder Tablette 2, 3 des Stabes sich in der Weise einstellt, wie sie in der Zeichnung für die eine (rechte) Hälfte der einen Tablette 2, 3 schematisch angegeben ist. Dabei stellen die gestrichelten Linien den Verlauf der Linien gleicher Temperatur dar, während die Pfeile F die Vektoren der wärmeerzeugenden Strömung darstellen. Im einzelnen ist das Vorhandensein einer KomponenteF₂ des axialen Strömungsflusses besonders wichtig, die sich, von der Mittelzone jedes Tablettenteiles 2 aus Spaltstoff ausgehend, in Richtung auf die beiden angrenzenden, wärmeleitenden Tablettenteile 3 hin erstreckt; dieser axiale Strömungsfluß überwiegt den rein radialen, durch den PfeilF_r gekennzeichneten Fluß.

Die praktische Folge davon ist eine beträchtliche

so Erhöhung der spezifischen thermischen Belastung und somit die Erzielung einer entsprechend erhöhten Gesamtleistung eines Reaktors bei einem gegebenen Volumen an Spaltmaterial und einem durch die zulässige Temperatur im Zentrum jeder Tablette festgelegten Grenzwert. So kann im Fall des vorliegenden Ausführungsbeispiels der erzielte Leistungsgewinn mit etwa 43% veranschlagt werden. Es ist an dieser Stelle festzustellen, daß gegenüber diesem Leistungsgewinn eine gewisse Minderung der tatsächlich nutzbaren Energie durch eine bestimmte gegebene Menge an ungenutztem Spaltmaterial eintritt, und zwar infolge der Absorption von Neutronen in den durch die wärmeleitenden Tablettenteile 3 gebildeten Trennschichten. Trotzdem ergibt sich ein wesentlicher Vorteil hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit und des finanziellen Ertrages von Einrichtungen und Anlagen, die mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Kernstäben arbeiten.

Claims (10)

Im Rahmen der Erfindung liegen ohne weiteres auch noch folgende Abwandlungen gegenüber dem beschriebenen Beispiel: Das verwendete Spaltmaterial kann nämlich auch aus Plutoniumoxyd oder aus Plutonium- und Uraniumoxyd oder sonst geeigneten Oxyden und Oxydmischungen bestehen, so daß alle Tabletten des Spaltmaterials nur eines dieser Oxyde oder Oxydmischungen aufweist. Wenn das wirksame Spaltmaterial mehrere spaltbare Oxyde oder Oxydmischungen umfassen soll, wie z. B. die Oxyde des Urans, des Plutoniums und des Thoriums oder nur zwei dieser drei Oxyde, dann werden die Spaltstofftabletten vorteilhafterweise so ausgebildet, daß jede dieser Tabletten nur eines dieser Oxyde oder der Oxydmischungen enthält. Auch können die Deckschichttabletten die inneren Ringflachen der zugeordneten Spaltstofftabletten umschließen. Ein solcher innerer Schichtaufbau ermöglicht es, aus den Unterschieden der Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Oxyde den größten Vorteil zu ziehen. Andererseits können die wärmeleitenden Materialschichten in das Innere jeder Tablette aus Spaltmaterial auch in irgendwie geeigneter Profilform eingefügt sein und/ oder eine veränderliche Stärke aufweisen. Patentansprüche:

1. Kernreaktorbrennstab, der aus mehreren in einem Hüllrohr aufeinandergestapelten Spaltstofftabletten besteht, die zumindest an ihren Stirnflächen mit einer wärmeleitfähigen Deckschicht versehen sind, wobei die Stärke dieser Tabletten geringer als deren Durchmesser ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichtenan ihrem Umfang unmittelbar mit dem Hüllrohr in wärmeleitendem Kontakt stehen.

2. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitfähigen Deckschichten aus dünnen Tabletten bestehen.

3. Brennstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spaltstofftablette wenigstens eine im wesentlichen senkrecht zur Mittel-

achse derselben verlaufende wärmeleitende Deckschicht aufweist.

4. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstofftabletten aus Uraniumoxyd bestehen.

5. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstofftabletten aus Plutoniumoxyd bestehen.

6. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstofftabletten aus einer Mischung aus Uraniumoxyd und Plutoniumoxyd bestehen.

7. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer Anzahl unterschiedlicher Spaltstoffe (Uraniumoxyd, Plutoniumoxyd und/oder Thoriumoxyd) in ein und demselben Brennstab jede Spaltstofftablette jeweils nur aus einem dieser Spaltstoffe besteht.

8. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten aus Oxyden von Aluminium, Magnesium oder Beryllium bestehen.

9. Brennstab nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Spaltstofftabletten als auch die Deckschichttabletten aus gepreßtem pulverförmigem Material bestehen.

10. Brennstab nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gepreßten Spaltstofftabletten mit ihren gepreßten Deckschichttabletten zur Einheitstablette miteinander verpreßt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1029 495,
810, 1 040 712, 1 041180, 1 042 773,
049 013;
britische Patentschrift Nr. 754183;
USA.-Patentschriften Nr. 2 798 848, 2 864 758;
»Proceedings of the Second United Nations International Conference on the Peaceful Uses of Atomic Energy«, Vol. 6, 1958, S. 630 bis 634.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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