DE1246895B - Brennstoffelement fuer einen mit fluessigem Metall gekuehlten Kernreaktor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

G21c

DeutscheKl.: 21g-21/20

Nummer: 1 246 895

Aktenzeichen: U 11501 VIII c/21 g

Anmeldetag: 5. März 1965

Auslegetag: 10. August 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffelement für einen mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor mit einem Metallgehäuse, das an seinem oberen Ende eine kleine Öffnung aufweist, mit in diesem Gehäuse eingeschlossenem spaltbarem Material in Form eines Stapels dünner Scheiben und mit flüssigem Metall im Gehäuse zum Herstellen eines Wärmekontakts zwischen dem Brennstoff und dem Metallgehäuse.

Wenn Uran oder eine Uran-Plutonium-Legierung to in einem Kernreaktor bestrahlt wird, so führt die Bildung von gasförmigen Spaltprodukten zu einem »Anschwellen« des Materials. Mit steigender Temperatur erfolgt dieses Anschwellen zunächst ganz allmählich, bis schließlich die kritische Schwelltemperatur des Materials erreicht wird, bei welcher das Schwellen so stark wird, daß die Umhüllung des Materials dem Druck nicht mehr länger standhält und zerreißt. Dadurch wird dann das Fließen des Kühlmittels durch das Brennstoffelement behindert und zugleich kann auch eine Verseuchung des Kühlmittels durch Spaltprodukte eintreten.

Man war daher zu der Uberzeugung gekommen, daß metallisches Uran und Legierungen von Uran und Plutonium für Kraftreaktoren, die mit flüssigem Metall als Wärmeüberträger arbeiten, nicht verwendet werden können, da solche Reaktoren zur Erzielung eines ausreichenden Wirkungsgrades bei einer Temperatur betrieben werden müssen, die über der kritischen Schwelltemperatur von Uran und Uran-Plutonium-Legierungen liegt. Dementsprechend galt auch die Ansicht, daß das Brennstoffmetall mit größeren Legierungszusätzen versehen werden müsse, um ein Material zu erhalten, das kein so starkes Schwellen mehr zeigt, oder daß Verbindungen von Uran und Plutonium — wie etwa Urandioxyd und Plutoniumdioxyd —■ angev/andt werden müßten.

Größere Legierungszusätze zu dem Brennstoffmetall sind deswegen unerwünscht, da der Zusatz eines absorbierenden Materials in Form des Legierungszusatzes eine Steigerung der Menge an spaltbaren Isotopen im Reaktor verlangt. Die Menge und die Art solcher Zusätze, die hierfür in Frage kommen, sind sehr stark durch die Erfordernisse eingeschränkt, die für die Wirtschaftlichkeit des Kraftwerks, das mit Anlagen in Konkurrenz steht, die mit herkömmlichen Brennstoffen arbeiten, wesentlich sind. Die Verwendung von Verbindungen wie Urandioxyd und Plutoniumdioxyd ist wegen der geringen Dichte der spaltbaren Isotopen in einem derartigen Brennstoff und der dadurch bedingten größeren Brennstoffmenge ebenfalls mit Nachteilen verbunden.

Brennstoffelement für einen mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. Ε. Maier, Patentanwalt,
Stuttgart 1, Werastr. 24

Als Erfinder benannt:

LeRoy R. Kelman, Naperville, Jll.;

Owen L. Kruger, Westmont, Jll. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 9. März 1964 (350 623)

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor mit einem flüssigen Metall als Wärmeüberträger zu entwickeln, das metallisches Uran enthält und bei Temperaturen verwendet werden kann, die erheblich über 400° C liegen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der vorliegenden Erfindung darin, daß die Dicke der Scheiben 0, 15 mm nicht übersteigt. Es steht zu erwarten, daß die vollen Vorteile der vorliegenden Erfindung mit Scheiben erreicht werden können, die 0,025 bis 0,075 mm dick sind.

Die Erfindung soll nun in Verbindung mit dei Zeichnung beschrieben werden; diese ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß aufgebauten Brennstoffelements.

Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält das Brennstoffelement einen Stapel von sehr dünnenScheiben 10 aus einem Material, das durch thermische Neutronen gespalten wird, wie etwa Uran 238, angereichert mit Uran 235 oder Plutonium 239, in einem Metallgehäuse 12 aus einem kerntechnisch und thermisch geeigneten Material, wie etwa Edelstahl, Zirkonium, Niob, Vanadium und Legierungen aus diesen Elementen. Auf der Oberseite ist das Gehäuse 12 mit einer kleinen Öffnung 14 versehen, durch welche die gasförmigen Spaltprodukte entweichen können; im Gehäuse befindet sich außerdem metallisches Natrium 16, das den WMrmekontakt zwischen dem Brennstoff und dem Metallgehäuse herstellt.

709 620/41S

Claims (1)

Die Scheiben 10 haben einen Durchmesser von ungefähr 3,66 mm und sind ungefähr 0,025 mm dick; sie bestehen vollständig aus Uran 238, angereichert mit 20% Uran 235. Das Gehäuse 12 ist ungefähr 362 mm lang, hat einen Durchmesser von ungefähr 4,42 mm, eine Wandstärke von ungefähr 0,228 mm und besteht aus einer Vanadium-Titan-Legierung 80 : 20. Während die übrigen Dimensionen des Brennstoffelements weitgehend freibleibend sind, ist die Dicke der Scheiben kritisch; sie kann 0,15 mm nicht übersteigen und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,025 bis 0,075 mm. Das folgende Experiment zeigt die Vorzüge eines Brennstoffelements, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Aus Blechtafeln aus Uran 238 mit 20 % Uran 235 von ungefähr 0,025 mm und ungefähr 0,150 mm Dicke wurden Scheibchen ausgestanzt. Diese Scheibchen wurden jeweils zu einem Probestück von ungefähr 25 mm Länge gestapelt und in ein Rohr aus Niob mit einem Zusatz von 1% ao Zirkonium eingeschlossen, dessen Durchmesser ungefähr 4,45 mm und dessen Wandstärke ungefähr 0,23 mm war. Der Durchmesser der Scheibchen war ungefähr 3,86 mm; in der Mitte waren sie mit einem Loch von ungefähr 1,42 mm Durchmesser versehen, so daß der ganze Stapel der Länge nach von einer entsprechenden axialen Bohrung durchzogen war. Zum Vergleich wurden kompakte Stücke des Brennstoffs mit gleichartigen axialen Bohrungen in gleichartige Röhren eingeschlossen. Jeweils eine der drei verschiedenen Probescheibchen mit 0,025 mm Dicke, Scheibchen mit 0,150 mm Dicke und kompakte Stücke — wurden mit Natrium ausgegossen; außerdem wurde in das Rohr im Bereich des freien Raums oberhalb der Füllung ein Loch von ungefähr 1,0 mm Dicke gebohrt, damit die gasförmigen Spaltprodukte entweichen konnten. Bei anderen drei verschiedenen Proben wurde das Rohr teilweise weggeschnitten, so daß sich ein offener Käfig für den Brennstoff ergab. Diese Proben wurden in einer Standardkapsel mit zwei Reihen mit jeweils drei Proben in einer Reihe im CP-5-Reaktor am Argonne National Laboratory bestrahlt. Die Kapsel war aus einem Rohr aus Edelstahl vom Typ 304 mit einem äußeren Durchmesser von ungefähr 38,1 mm und einer Länge von ungefähr 289 mm hergestellt und war mit 135 Gramm der eutektischen Kalium-Natrium-Legierung gefüllt. Ein Tantalrohr von ungefähr 0,25 mm Dicke umhüllte die Probenreihen und diente zugleich als Behälter für abfallende Brennstoffteilchen. Thermoelemente, welche die Temperatur registrierten, zeigten den Umsatz des Brennstoffs nach 210 Mwd an. Die Bestrahlung wurde fortgesetzt, bis 240 Mwd erreicht waren, was einem rechnerischen Abbrand von 0,7 a/o entsprach. Die maximale Temperatur, die der Brennstoff bei der Bestrahlung erreichte, war 590° C. Diese Temperatur ist höher als die kritische Schwelltemperatur des Urans, doch hielt das Gehäuse dem erfolgten Anschwellen stand. Die Proben wurden aus dem Reaktor genommen, bevor das Gehäuse gerissen ist, damit eine metallographische Untersuchung der Proben möglich war. Bei den Proben mit den offenen Käfigen waren die kompakten Stücke und die Proben mit den 0,15-mm-Scheibchen stark angeschwollen, während die Proben mit den 0,025-mm-Scheibchen nur eine geringe Schwellung zeigten. Die geringere Schwellung wurde bei dem oben beschriebenen Test zwar nur bei den Proben in den offenen Käfigen beobachtet, doch können die günstigen Ergebnisse auch auf eingeschlossene Brennstoffelemente übertragen werden, wie sie in einem Kernreaktor angewandt werden. Es konnte also gezeigt werden, daß das Ausmaß der Schwellung eines Brennstoffelements aus Uran sehr wirksam dadurch vermindert werden kann, daß man dieses aus sehr dünnen Scheibchen zusammmensetzt. Es ist daher möglich, aus sehr dünnen Scheibchen ein Brennstoffelement aufzubauen, das günstigere Eigenschaften aufweist als ein kompaktes Brennstoffelement, da es bei höheren Temperaturen betrieben werden kann. Der bequemeren Handhabung wegen wurde der oben beschriebene Versuch zwar mit einem Brennstoffelement durchgeführt, das mit Uran 235 angereichert war; die Ergebnisse lassen sich aber ohne weiteres auch auf ein mit Plutonium 239 angereichertes Brennstoffelement übertragen. Es ist zu erwarten, daß die Erfindung gerade bei diesen Brennstoffelementen die breiteste Anwendung finden wird, da die kritische Schwelltemperatur bei Uran-Plutonium-Brennstoffen niedriger liegt als bei Uran-Brennstoffen und da es gerade die Uran-Plutonium-Brennstoffe sind, die auf dem Gebiet der schnellen Reaktoren ein besonderes Interesse finden. Aus den oben beschriebenen Versuchen geht eindeutig hervor, daß mit den 0,025-mm-Scheibchen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden konnten, mit den 0,15-mm-Scheibchen dagegen nicht. Es ist zu erwarten, daß die Trennlinie zwischen geeigneten und ungeeigneten Scheibchen etwa bei einer Dicke zwischen 0,025 und 0,075 mm liegt; das einzige Kriterium besteht darin, daß die Scheibchen dünn genug sind, um eine Diffusion der gasförmigen Spaltprodukte zu freien Oberflächen innerhalb des Brennstoffelements zuzulassen. Im allgemeinen sollen die Scheibchen so dünn wie möglich sein; daher werden 0,025-mm-Scheibchen bevorzugt, da dies die geringste Scheibchendicke ist, die praktisch noch in Frage kommt, d. h. die eine Herstellung der Scheibchen in großen Mengen und zu vernünftigen Preisen erlaubt. Die günstigen Ergebnisse werden dadurch erzielt, daß die Brennstoffelemente aus einer großen Zahl von sehr dünnen Scheibchen zusammengesetzt werden, so daß die gasförmigen Spaltprodukte aus dem Brennstoff entweichen können. Wegen der Forderung nach einem guten Wärmetransport in radialer Richtung vom Brenstoff zum Kühlmittel ist es wesentlich, daß der Brennstoff in Form von Scheibchen angewandt wird, die diese letztere Bedingung besser erfüllen als etwa ein Brennstoffelement, das aus feinen Brennstoffteilchen besteht (bei dem aber zu erwarten wäre, daß die gasförmigen Spaltprodukte noch besser entweichen können). Der in der Mitte der Proben vorgesehene axiale Hohlraum soll zur Abführung der in die Mitte des Brennstoffelements eingedrungenen gasförmigen Spaltprodukte dienen. Obwohl dieser Hohlraum sicherlich auch etwas zur Verminderung der Schwellung beiträgt, ist doch anzunehmen, daß dieser Einfluß nur sehr unwesentlich ist. Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für einen mit flüssigem Metall gekühlten Kernreaktor mit einem Metallgehäuse, das an seinem oberen Ende eine kleine öffnung aufweist, mit in diesem Gehäuse einge-