DE1414956A1

DE1414956A1 - Kernbrennstoffelement

Info

Publication number: DE1414956A1
Application number: DE19611414956
Authority: DE
Inventors: Shapiro Zalmann M
Original assignee: Nuclear Materials and Equipment Corp
Current assignee: Nuclear Materials and Equipment Corp
Priority date: 1960-08-23
Filing date: 1961-08-14
Publication date: 1968-10-10
Also published as: GB933500A

Description

DlpWng.G-Weinhausen MOnchan, den ' ^Ht *W> 1961

Mötcken 22 _ _m

Wkfanmayerstr. 46 ι Dr* Hk-Ni TeL 295128

nuclear Materials 3»d Equipment Cox^poration in Apollo , USA

Kernbrennstoffelement

Bin Kornbr&ünstoffelement besteht aus I;.ar spaltbaren Kinhelt» die «in Sl^i&ent oder »ins Verbindung enthält, .«»!ehe is öir»en ilar.tel ein-rescMossan ist· Tae -üpvlfbare IJaterial kann aus reisen Ifran U of ear üranle^ierun^jen, üranoxyd HO₂, ÜO, oder ^ütj 8 » Urauc^rbid, UC^ öler UC, üranaltrid, üH_t reinen Plutonium, Pu oder PltttoniualeKierun^en» Plutoolur-oxyd, PuO₀, ^i>u3^JQ oder i'lutoniuacnrbid ?uC oder uC-, oder 'Phox'lumoxyd TIiO₉ oder Koabinationen dieser Materialien, oder anderer aie enthaltender Verbindungen bestehen. Dar? epnltbure Wat^ri.·*.! ks?m auch die obigen ütoffe und nicht spaltbare «erMniluBf-'r'¹«, stalle odar

umfassen· Sind derartige bekrs^nta spaltburc inheit 1st ^

** B. in der ÜOA-Patentöchrift 2 93* *β.° b«»':chrlel:en.

i ayaltbir-:j r-;i_nhnit aoll hoho Uv:« ?l«iirr"hi ;fce"it auf ?eieen uad ge^i» η Korraeiou iurcn d;i» .αΐ·5ΐ';ί u chrittol £egehütet sein· Dieses kann x. B. aus Vasuer von etvra 315° ^c'< und 140 "k^/esr Druck bestehen« da.-* 3tark korrodierend v/irkt· Aimer aollen Vor— kohrun^;on getroffen aain, u» die ^piltproaukte 25urückauhulten

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und dl« Stabilität der spaltbare» ünaeit gegen Veränderung durch Strahlupgnschaden verbessert weste»· Ziel der JSrfinduns let deegemäß die Schaffte eine» atoffelemonts »it hoher Wärmeleitfähigkeit · bei Ami da» spaltbare Material gegen Korrosion geeehütet let *4*t Τ»*· kehruiigen getroffen sind« u» die Zurückhalte»* de» Spal ■ dttkte m unterstützen und die Stabilität gegen ütraml*»«*· scbäden zu verbessern«

^ Das erfindungagemäße Brennstoffeleeent besteht ans eine* konpriBierten Maas· von Pillen des spaltbare* Materials« wobei jede i'ille einen Übersag aufweist» der aus eine* oder Mehreren S hiohten eines Uaterials besteht« das bei» Spalt· prosesβ mitwirken kann und während des ^ttsaaMenpreeeeas Terforat,aber nicht s rbrochen wird» so daß ein Gitter sas den verformten, aber uabeachädi^ten überxüissn ents-sht« wniei das spaltbare Material sich in den Hohlrüeeem des Gitters be— findet. Diese BrennetoJTfeinheit ist erfindtwgagesii dad»reh gekonnzcichmet, daß das Sitter uuaschliefllich aas de» Material des Übersttga besteht»

Die Pillen oder Teilchen aus spaltbare» Material kSnaem durch ein Sieb von 100 - 153 Maschen sehen« künrne» aber scmH größer oder kleiner sein. Auch kann ihre QrBAe Terstaieie»s Abstufung;· haben« us die Packungsdichte a« verbeeaem· Die Pillen bestehe» aa» den oben erwäbste» Steffen, d· k· ans reine» Uran« Pletoedee oder Theri»» «at ihren 7er»l»-> düngen oder Mischungen eder Lösuage» dieser Materialien ineinander» liner der Steife kaa» auch In eine» anderen

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sein, ail» Pille su bilden. Sie üösreüge b#- ttstallen, Terbindungen und Legierungen, von denen •inelge elsplele gegelisn werden.

Metalle ι Alwdnliss, Kxufer, liickel, 31san, Silicium,

HiOb₉ Vanadium, Wolfram, Molybdän, "Irconlun, Titan , Tttrlsa, Magnesit»» erylliusi, Kohle.

Tam*dlu»-Hle , Molybdän-7oIfr^re, Berylllu«, Ei*e&-Chrom₉ rostfreie BtShIe.

Tttrlueoxyd ( Y₂O₅ ) yd ( ZrO₂ ) ·

üeerug kann aus einer oder »ehreren Schichten rer-^uhledener bestehen ·

Pillen «ma ep al tb ire» Material können dadurch übci-zo^cn wor_t Ami aan sie in eines Pulver oder einer Flüsai keit aus ejsm OWrsssMUtterial «filst« daß ■·» das übersttgsaaterial au» dee »becheidet, oder auch durch Elektroplattieren, durch

e« durch Abscheiden suio einest «icli zorneteonden •dor durch Reduktion· Bo kesn Kohlenstoff pyrolytisch elaea sieb sersntsenden Uethanda»pf oder anderen iseei₍jneten «bgeechieden werden· Legierungen körnen unmittelbar aufgobr icht werden« daß nan die Lerlexun^seleneste Schichten omf Ale Pillen aiifbritigt und anschließend eine Diffusion dsxohf'lhrt* oder auch die !»egierungeeleaente seltlc ssftoimgt·

S 0 S 8 C 2 / ΰ 1 3 Λ

XU« Auswahl dos übereugsaaterialü ha&gt von deessn ahoeiscbsei Verholten and denjenigen der Pillen, oowie τοη dor »«traff do» Kernreaktion ab· Sine Reaktion des übersäe?) Kit dom spaltbaren Material »oll ia all^erseloen vermiede* werdon, obwohl sie in gewissen !!Ilen -iimetig 1st ©do* Jedenfalls unschädlich. Zireeniue darf mt UrenTerbindeua-en, alt es regiert* nioiit niedergeschlagen werden, aber IhHL xvlntm Uran Terwesdet werdeaji» ebwohl β« eich etvss daait li^isxt. Kine überzogene Pille dieser Ar» kanu eine: ^runssehielr· «η

aufweisen, die nicht schädlich ist·

Falle «ines thermische» Keaktore ait langa<msa

Reaktors alt Neutronen »ittlerer Jte ^b«rs«gsatoff· eirinn geringen

sefcaitt auf eisen* Z. B. können Zirconlua mit «inea τοη 0,18 , Hiob nit einem Qaerachnltt von etwa 2» Sieen Kit eines u^tfichnitt von etwa 2,5 oder rostfreier Stahl alt •Ines ,u-rscmitt von etwa 2,8 in di«e#m Falle find·»· weitere Beispiele für solche ütoffe sind Ber/lliuM, Yttriua, Sllifdua, MoItMIb, iiaeneeium, tiob od*r Legieniagen von Alaainiun und ^lt··» bsw, Hi^b and Vinadiwu Stoff« wie ;oirraa (onerschnitt >tef» ·0)_§ tt+m (Qoerselmltt etwa 5 )t ^j iekel (Verschnitt etwa 4_t5 ) bI&A »ehr st» Cbersag von Pillen tür Reaktoren alt schnellen Keutron«n £<»sl net.

Das ^leiimaenpreafcien wird vorstt^svdise dadurch bewirkt« daß B*n ein., dichte I'ibbo der uber&o^enen "111 on in einea gestreckten Rohr si anpreßt, wobei die 'fände dos Ttohres

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«im goolgaot·« Plattierunjseaterial tür Bre«i»t«fMe«este bestehen, s· ·· «ts Zirconlegiexuftg oder rostfreie« Stahl· la· saeaonprtsee« karat auch durch Strangpressen is «elflen oder Zastsa* bewlrfc* werden· für heiß·· Stregpreeeen wird «in· Mut« d«P tb«rM9tD#n fiUoii «of ttw* 800 - B50* C trhlt»* «ad dann durch «is· entepr^cheBd· IHi«e getrieben« Bas Tnamrenpr·»»·«

dl· 7IrIaMg₉ d«8 dl· Di«ht· d*r ipaltbar«n Siuh«it erhöht wird, dal al· eich de« theoretieehe« ^rt der kompaktes Dichte über 90 % Bihert_t und daß die Pillen eder Elemente miteinander und mit dem Uastelnateri.·! meehaniaeh oder netallnjfieoh verbanden werden*

Yersvgsweise werden die Ul»ersogen«n Pillen in eine* ^chutsnantel aas eolchen Steffen wie Metallen und Legieiiu^eB von Zireeninei, Biob und reetfreiea ötahl gesogen· Anf diese felse erhält «an •in vollständig tmnanteltee 3renn»toJtfelenent in eine« Arbeitei;anff_t bei de« nur noch die Radkappen angebracht werden «üsses«

Das 2u3 jmaenpresson hit allge ein dia Urkunu.» daß die flbe'o ι sanen Pi11on rorformt werden vu*\ sich in einer Richtung aenet *ur nichtttag der ^reflkraXt verlängern» Hierbei echlieSen die Dber»üge de« spaltbaren Material ein und erfüllen die taifgss·* die spaltbaren Stoffe vor &o*roaioa «i ßchOtsen und die Spaltprodukt* xnrüekauhalten» w?ihreßd gleiohseitiß eine xusätsliohe ■eehanir-che 7eatigk«lt eraielt wird« welche die ßtabilitlt gogoB i:trahlungeee»Id*n verbeaaert. 01· Obersfige hängen erfinde«gsce«ft§ in der gams·« MiSSn «ag swssnwe« und verbessern so die wirae-

BAD ORiCi:-U

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• ■. -i.' Ι.' ν 'i,<M:

Hb -"itsf ühroagsbeiapi·! dt* Brfindung wird Äachateheed tm Baad

der ZeiehnuBg beechrieben. Hierin sind

?ig. 1 ·1η stark TergrdSerter satorschnitt «Ic·· Idealisiert·« überzogene« Teilchen· (Pill·), das al· Aussangseat«rial für die Krfindaag diet j

Hg· 2 UBd 5 scbseatisch· Ansichten sur ^rlattteretÄg ds« Beginne oad der iertigatellung von Brennstoffelementen gemäß der £rflndUBg u&d

Hg« 4 ein stark vergrößerte* ^ercchnltt durch einea Teil der spaltbaren Einheit nach der Fertl^stellOBg gemSA der SrfindtiBf*

Die in SIg* 1 geseigte Pille besteht aus eine« Sera 11 «us spaltbarem Material und «inen überzug 13 aus eine» der oben erwäfemten schützenden,die "paltprodukte zurückhaltenden uad wärmeleitenden stoffe. Anstatt einer tiberzugaschicht 15 ki>nuHi ■ehrere » hichten aufgebracht sein*

Sin Brennstoffelement gemäß der Erfindung kann dadurch hergestellt werden, daß man eine dichte Mass· 15 der in Hg· 1 geseigten Pillen in ein langgestreektes ^ohr einfüllt« ds3s«B Jsaaa 17 aus für ^rexmstafjfeleiaeBte geeignete« Haatelaaterlal wie roatüieit ^tahl besteht «ad herausnehmbare Stopfen 19 aus Guarni oder dergleichen aufweist. D s Rohr 1? wird durch eine Ziehbank geführt, wo es wiederholt durch Φιβ oder aehrere Düsen 21 gelangt» die ins die Pora 23 geaäB 71g· 3 aufswingen. Dieses Bleateat 23 enthält die stark rerdichtete spaltbare Bin» halt 25 · Die Stopfern 19 werden entfernt und nicht dargestellt·

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BAD Γ.-~-?.;ϊ4ΑΪ.

■etallstopJTen elngeeetst «ad angeschweißt. In der fertigen Sink·!* 25 «lad die Kerne S? «ad dl· ^bersuge 29 4er ei r BeI-m«n FlXIeB verformt, aber die Oberzüge !nachließen trotsdea Ale Kara« -vollständig, so daß diese vor Korrosion geschütit «erden, ferner wird hierdurch da* spaltbare Materiel besser SMtrOekgehaltea mti. die eech-nieche !festigkeit verbessert, so dal aaeh water Bestrahlung die räumliche Stabilität erhalten bleibt· Sie übersüge liegen dicht aneinander, so daß die Slnkelt verbecaorte WHmeleitfahi^kelt aufv;«int·

!•lsi Strengpreseen eines ürennetoffelemente werden die über» en Veilchen ic ein R >hr ©iü^rfüllt, dessen eines Ende £e&tre:rschlossen 1st· Dam Hohr jrird dann &&£ die 1m* erhitst und durch eine Düse stranggepreßt· aobel das sehlO8s»fie Ende nach vorae woist«

Wenn das Brennstoffelement i» Betrieb ist, schallst das W&rae- «ttstauscbmaterlal «ad dient als Flüaeigkeit, um die la Brenn-» steffeleaeat ersengte värae der ^ergieiawasdlttagseinrlchtaag sasartCbren· Ka 1st in diesen Falle wesentlich« daß die nnweeenhelt rftdioaktlwr Produkte la der wgraestteteueehflüssieleeit •ößUAst gering bleibt· Die Überaus© unterstützen die ^ asltta« der *Λοaktiv!tit·

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Claims

141495R Patentanspruch·

1. üernbrennatoffelement, bestehend aus einer «uaaamengepre: sten Pas β von Pillen ami spaltbarem Material, die Je Eile «ine« ubersug überao^on üind, der aus einer oder mehreren -ciiichtan eines Materials besteht* das bei d#r

Kernreaktion ntitwirkt, und yt-.'Javoxtä de«

y
" re fönst.» al>^jr nicht aerß^ört 7/ird_t so d;iß dl· Hase«

ein Gitter ler verforaten, aber u&serstSrten Üb*raüg· ent» tv^'st, wr.hrand sich das spaltbare Material in des Hohlräumen dot: -ittars t53fird€t, dadurch £ekexraseich&et, daß da· Gitter aueachließliik aas dem ^beT-augsmaterial besteht«

:3rcnnf?toffelement aach Ansprach 1, dadurch daß d.'.c tiun:u2Bicnpreoseii durch Einschließen der Übereog«Q*n Pillen in einen iiantol, dessen Wände aus geeignete* Ma-* terial bestehen, und Ziehpressen des gefüllten Mantel· wirrt.

Brenne:, torf element nach -ns ruch 1_t dadurch gekennseiehnet, d iß da;; Zusamaenpressen durch SinschlieSen der ubersogenen Pillen in einen Mantel» dessen vVaade aue geeignetem Material bestehen* unt¹ heiße β oder kaltes ^trangpbsseon des gefüllten fipntelß vorijeno-joeii wurde·

Tironnstoffelomont nach clnea der vorhergehenden Anspruch« , dadurch j !»kennzeichnet * daß die t'bnrz:^r3e aus wärmeleitendem Material bestehen» so da3 das Gitter wärmeleitend ist»

5· Breaaeteffeleisent η ich eisern der vorhergehenden Ansprüche* dsäurch gekennzeichnet, dsß ds Gitter 2ie Korrosion verhindert.

6· Brennstoff element nach eine» der vorhergehenden Ansprüche« gekennzeichnet* ά -S di« Cberaube aus eii.om Material

das die ΰρ dt produkt β der rillen weitgehend zurückhält.
7· ärennstofiela.nent nach ö-eöä -Ie;? vQ2fcei^euendeii "ndpr^chc,

akean«eic"nnö c, daß mindeateus eine üohicht der Über» I

süge au« oinaa *titall besteht« dau 'iia einem oder mehreren der Metall· Aluainiu», Kttpfar I.ickol, Jioen, Silizium« Chrom, liiob, VinaJiuB, olfrfia _f Holybd η _t I'irconiuajitan, i'ttriu«, ^agnftiium» 3er<jrliiai_t Kohl·« Vanadiuw-Iiob, Ilolybdän- /olf raa_t ^tou_;jnü3iu»-Berxyliua, :isorv-Clirom und rostfreiem ^tahl beateht·

8· ürennetoffelsaent nach einem der vorhergehenden dadurch ^tjkeiineeichnet, daß mixideatenä eine -^Jchicht des ^ubersogs aus einer ode? mehreren der Verbindungen AIgQx» Y₂G,, 2rO₂, SiC und BeO beeteht.

i· J3epeEnstoffelement nnch elrem der vorhergehenden Ansprüche _y dadurch ^ökennaeichnötf, daß für einon therjii—;.on üe iktor rait langsaiDön Lsutroiien öuöj.¹ ainen j-eaktor xait mittleren I.öutrcmeng ch Indi.keit daa Lberau.-^mat rial einen geringen i ron*m·-·!"kun.;fujuorachnitt auf.? ist.

S 0 9 S C 2 / 0 1 9 !.,

10· Brennstoffelement nach «ine* der **feeprueb* 2-9₁ dadercfc. gekennzeichnet, daß der Hantel, in dm mich die Über«· zogenta Pillen befinden» aus Zirconium, Niob oder rostfreiem >>tahl beateht.

11· Brennstoffe lenient nach eine« der vorhergehenden An» Sprüche« dadurch gekennzeichnet, daß die Ufeerstige derart gewählt sind, daß das Gitter die räamliche -t ibilität des Brennstoffelements gegenüber achäden aufrechterhält.

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