DE1241541B

DE1241541B - Brenn- und/oder Brutelement fuer Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1241541B
Application number: DEK54321A
Authority: DE
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1964-10-22
Filing date: 1964-10-22
Publication date: 1967-06-01
Also published as: FR1452344A; US3472734A; GB1070677A; US3413195A; DE1298208B; DE1514092A1; SE328061B; GB1121892A; CH434498A; NL6609021A; BE683269A; BE671067A; DE1514092B2; CH465076A; NL6513491A

Description

Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren Die Erfindung bezieht sich auf ein Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren, bei dem der Brenn-und/oder Brutstoff in Form von Karbiden oder Oxyden in einer vakuumdicht verschlossenen metallischen Hülse enthalten ist.
Es ist bekannt, in Kernreaktoren, insbesondere in wasser- oder metallgekühlten Kernreaktoren, Brennelemente zu verwenden, bei denen der Kernbrennstoff, beispielsweise Urankarbid oder Uranoxyd, in einer metallischen Hülse enthalten ist. Dabei werden als Werkstoffe für die Hülsen im allgemeinen Zirkoniumlegierungen, insbesondere Zirkoniüm-Zinn-Legierung, oder auch korrosionsbeständiger Edelstahl verwendet. Bei diesen bekannten Brennelementen wird der Brennstoff in Form von Oxyden oder Karbiden entweder in Gestalt gesinterter Formkörper oder in Gestalt von Pulvern, die durch Vibrationsverfähren oder auch mechanische- Pressung nachverdichtet werden, oder schließlich eingebettet in ein Matrix-Material eingeführt. Ein wesentlicher Nachteil der beiden erstgenannten Formen ist die Begrenzung der erreichbaren Ausbrände durch die oberhalb 30 000 MWd pro Tonne stark in Erscheinung tretende Volumenzunahme des Brennstoffes. Sie führt sowohl bei dem als gesinterte Formkörper eingebrachten Brennstoff als auch bei den vibrationsverdichteten Pulvern, die im Laufe des Reaktorbetriebs schnell zusammensintern, zu einer starken mechanischen Beanspruchung des Hüllmaterials, die zu dessen Beschädigung führen kann. Ein weiterer Nachteil dieser Form des Brennstoffes ist das Auftreten hoher Zentraltemperaturen im Brennelement auf Grund der-mit steigender Temperatur abnehmenden Wärmeleitfähigkeit der Brennstoffe: Um ein Schmelzen des Brennstoffes im Zentralbereich zu vermeiden, muß daher die Wärmeproduktion im Brennstoff begrenzt bzw. der Durchmesser solcher Elemente entsprechend klein gemacht werden. Bei der Verwendung eines Matrix-Materials ergeben sich andere Nachteile, insbesondere eine Erschwerung der Herstellung, gegebenenfalls Erhöhung der parasitären Neutronenabsorption oder Erschwerung der Wiederaufarbeitung der Elemente.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Brenn-und/oder Brutelement zu schaffen, das einerseits durch Vermeiden störender Volumenzunahmen das Erreichen höherer Ausbrände ermöglicht, das andererseits überhöhte Zentraltemperaturen vermeidet und schließlich auch eine einfache Herstellung und Wiederaufarbeitung möglich macht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Brenn- und/oder Brutstoff der eingangs erwähnten Gattung die beschichtetem Teilchen in loser Schüttung in der metallischen Hülse eingeschlossen sind= Solche beschichteten Teilchen sind für die Verwendung in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren entwickelt worden und aus deren Technik bekannt. Sie werden dort in Graphitformkörpern in verschiedener Form eingebracht, vorzugs= weise in einer Matrix von Kohlenstoff, in besonderen Ausführungsformen auch in einer nicht gebundenen Schüttung.
Die Beschichtung der Brenn- oder Brutstoffteilchen bei der bisherigen Verwendung dieser Technik hatte ausschließlich den Zweck, die im Reaktorbetrieb entstehenden Spaltprodukte - insbesondere gasförmiger Art - zurückzuhalten, da in solchen Reaktoren die Verwendung metallischer Hülsen nicht möglich ist, der Graphit, in dem diese Teilchen eingebettet werden, nicht gasdicht ist und daher anderenfalls eine Kontamination des primären Kühlmediums erfolgen würde.
Es ist auch schon früher der Vorschlag gemacht worden. die Dichtigkeit solcher Beschichtungen dadurch auch für metallumhüllte Elemente zu nutzen, daß solche beschichteten Teilchen in diese eingebracht werden, wobei sie entweder in ein Matrix-Material eingebettet werden oder durch mechanische Verformung verdichtet - werden sollten. Auf diese Weise glaubte man, die notwendige Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Dieser Weg ist jedoch unrealistisch, insbesondere auch die Verformung solcher Teilchen, da dabei die Beschichtung mechanisch zerstört wird.
Die Einbringung solcher beschichteten Teilchen in die Brennstoffhülse in loser Schüttung, die höchstens zur Erzielung einer dichten Packung leicht zusammengerüttelt wird, ist ein großer Vorteil. Dies hat sich als sinnvoll erwiesen, nachdem überraschenderweise festgestellt wurde, daß die Wärmeleitfähigkeit solcher losen Schüttungen, deren Zwischenräume mit einem Gas ausgefüllt sind, sehr hoch ist und insbesondere mit wachsender Temperatur schnell ansteigt. Selbst bei hoher thermischer Belastung werden dadurch überhöhte Zentraltemperaturen vermieden; da die beschichteten Teilchen an sich außerordentlich hohe Abbrände aushalten und da die einzelnen Teilchen bei Einbringung in Gestalt einer losen Schüttung auch beim Reaktorbetrieb als solche lose erhalten bleiben, können bei den neuen Brennelementen wesentlich höhere Ausbrände als bei Brennelementen der bisher bekannten Art erzielt werden. Dies wirkt sich unmittelbar aus auf die Kosten des Brennstoffzyklus und ist besonders vorteilhaft für die Erzielung hoher Konversionsraten in Reaktoren mit günstiger Neutronenbilanz.
Eine vorteilhafte Ausführungsform eines Brenn-und/oder Brutelements nach der Erfindung besteht darin, daß im Gemenge mit den beschichteten Teilchen pulverförmige oder in an sich bekannter Weise geperlte Füllstoffe von guter Wärmeleitfähigkeit - beispielsweise Kohlenstoff oder Berylliumoxyd -zugesetzt sind.
= Nach einer bevorzugten Ausführungsform eines Brenn- und/oder Brutelements nach der Erfindung sind die beschichteten Teilchen und gegebenenfalls der Füllstoff in dem Ringspalt einer hohlzylinderförmiC ausgebildeten Hülse angeordnet. Durch diese Ausbildungsform wird es ermöglicht, daß der Kühlmittelstrom mit der Außenwandung und mit der dem inneren Hohlraum zugekehrten Wandung des Brenn-und/oder Brutelements in Berührung gebracht werden kann. Dabei besteht eine Weiterbildung dieser Ausbildungsform darin, daß das Mischungsverhältnis von beschichteten Teilchen und Füllstoff über den Querschnitt des Elements unterschiedlich ist. Innenwandung und Außenwandung des hohlzylinderförmigen Elements können dadurch auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Das neue Element ist daher im Bedarfsfall auch für wassermoderierte überhitzerreaktoren verwendbar.
Eine weitere zweckmäßige Ausbildungsform eines Brenn- und/oder Brutelements nach der Erfindung besteht auch darin, daß das Mischungsverhältnis von beschichteten Teilchen und Füllstoff über die Länge des Elements unterschiedlich ist.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele für erfindunsggemäß ausgebildete Brenn- und/oder Brutelemente schematisch dargestellt. Es zeigt F i g. 1 ein Brenn- und/oder Brutelement mit zylinderförmiger Hülse, F i g. 2 ein Brenn und/oder Brutelement mit hohlzylinderförmiger Hülse.
In der F i g. 1 sind die Brennstoffpartikeln 1 und der Füllstoff 2 innerhalb der Hülse 3 in homogener Verteilung enthalten. Dagegen ist in der F i g. 2 ein Brennelement dargestellt, bei dem in der hohlzylinderförmig ausgebildeten Hülse 3 Brennstoffpartikeln 1 und Füllstoff 2 ungleichmäßig über den Querschnitt verteilt sind, um zu erreichen, daß die Wandungen 4 und 5 des Brennelements unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Selbstverständlich können statt der in der Zeichnung wiedergegebenen zylindrischen Form auch andere geeignete geometrische Abmessungen - beispielsweise flache Formen - gewählt werden.

Claims

Patentansprüche: 1. Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren, bei dem mit Kohlenstoff, Karbiden oder Oxyden beschichtete Brenn- und/oder Brutstoffteilchen in einer vakuumdicht verschlossenen metallischen Hülse enthalten sind, dadurch gekennzeichnet ; - daß - die beschichteten Teilchen in loser Schüttung in der metallischen - Hülse eingeschlossen sind. z. Brenn- und/oder - Brutelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gemenge mit den beschichteten Teilchen pulverförmiger oder in an sich bekannter Weise geperlter Füllstoff guter Wärmeleitfähigkeit (Kohlenstoff, Berylliumoxyd) zugesetzt ist. 3. Brenn- und/oder Brutelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Teilchen und gegebenenfalls der Füllstoff in dem Ringspalt einer hohlzylinde,rförmig ausgebildeten, innen und außen mit dem Kühlmittel in Berührung stehenden Hülse angeordnet sind. 4. Brenn- und/oder Brutelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis von beschichteten Teilchen und Füllstoff über die Länge des Elements unterschiedlich ist. 5. Brenn- und/oder Brutelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischungsverhältnis von beschichteten Teilchen und Füllstoff über den Querschnitt des Elements unterschiedlich ist. 6. Brenn- und/oder Brutelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichteten Teilchen und gegebenenfalls der Füllstoff in bekannter Weise einvibriert sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften: Nr. 1014 240, 1082 991; französische Patentschriften Nr. 1211585, 1303 678, 1359 963; britische Patentschriften Nr. 915 438, 941825; USA.-Patentschriften Nr. 2 983 660, 3 088 892.