DE1439765B2 - Brennelement fuer einen schnellen kernreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement für einen schnellen Kernreaktor, bei dem der in eine metallische Schutzhülle von Zylinderform eingebrachte Kernbrennstoff einen Teil des Innenraumes frei läßt zwecks Aufnahme von Spaltprodukten und Berücksichtigung der Brennstoffausdehnung.

Eine wirtschaftliche Energieerzeugung von einem schnellen Reaktor hängt ab von der Herstellung eines Brennstoffelementes von hohem Abbrandvermögen bzw. hoher Spaltstoffausnutzung, wobei die Spalt-Stoffausnutzung als die Anzahl der gespaltenen Atome, dividiert durch die Gesamtzahl der ursprünglich vorhandenen spaltbaren und brütbaren Atome, definiert wird. So wird zur wettbewerbsfähigen Energieerzeugung bei derzeitigen Konstruktionen von thermischen Reaktoren eine Spaltstoffausnutzung von etwa 1 °/o als erforderlich angesehen. Dies kann durch Verwendung von metallischen Brennstoffen mit hohen Legierungszusätzen erreicht werden: 10 Gewichtsprozent Molybdän in Uran oder Uran-Plutonium oder ternäre Legierungen. Dieser Weg des Legierungszusatzes hat Nachteile, z. B.:

I. Hohe Spaltstoffausnutzung kann nur mit einer niedrigen Zentrums-Temperatur von etwa 650° C maximal erzielt werden;
II. die Legierungszusätze vermindern die Wärmeleitfähigkeit, und dies, zusammen mit der niedrigen Zentrumstemperatur, macht die Brennstoffelemente klein und kostspielig bei den Hochleistungsauslegungen, die für eine geringe Brennstoffinvestierung notwendig sind;

III. durch das Vorhandensein des Legierungszusatzes wird die nukleare Leistung verringert, wodurch insbesondere das innere (Kern-) Brutverhältnis reduziert wird;

IV. es ist kostspielig, verglichen mit unlegiertem Uran, den Brennstoff wiederaufzubereiten und wiederherzustellen.

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Diese Nachteile haben zu gesteigertem Interesse an Keramik-Metall-Brennstoffen (Cermet), welche auf UO., und PuO₂ in einer Stahlmatrix oder in einer U₂₃₈- oder Ü₂₃₈-Molybdän-Matrix basieren, sowie außerdem an Karbid-Brennstoffen geführt. Obwohl diese Cermet-Brennstoffe eine Spaltstoffausnutzung von mehr als l°/o haben können, sind auch hier wieder Nachteile vorhanden, und zwar insbesondere die folgenden:

a) Erheblich niedrigeres Gesamtbrutverhältnis und ein sehr viel niedrigeres Innen-Brutverhältnis und somit viel größere Reaktivitätsänderungen bei der Spaltstoff ausnutzung;

b) eine kostspielige Pulver-Metallurgieverfahrensstufe bei der Wiederaufbereitung;

c) Schwierigkeiten in Verbindung mit der Reaktorsicherheit.

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Urandioxid hat eine Wärmeleitfähigkeit von etwa einem Zehntel derjenigen des Uranmetalls, wobei die Wärmeleitfähigkeit ferner durch feine Rißbildung vermindert wird, welche unter Bestrahlung vorkommen kann. Diese schwache Wärmeleitfähigkeit vermindert den besonderen Vorteil stark, der dadurch zu erzielen ist, daß UO₂ bei 1700 bis 2000° C verwendet werden kann.

Wenn auch eine hohe Spaltstoffausnutzung wünschenswert ist, so sollte sie doch mit niedrigeren Reaktorkosten verbunden sein. Somit ist es möglich, daß l°/o Spaltstoffausnutzung mit 10 Gewichtsprozent Molybdän in Uran wirtschaftlicher sein kann als 0,3 ⁰Zo Spaltstoffausnutzung mit reinem Uran oder ! Uran mit einem geringeren Legierungszusatz von nicht spaltbarem Metall, und zwar sowohl infolge ; größeren Aufwandes bei der Brennstoffaufbereitung als auch infolge reduzierter nuklearer Leistung.

Es sind Brennelemente der eingangs genannten Gattung bekannt, bei denen die Hülle aus Metall besteht und die Elemente zylinderförmig oder kugelförmig sind (deutsche Auslegeschrift 1037 605; französische Patentschrift 1184 573). Es ist ferner bekannt, Brennstoffelemente mit einem Sammelraum für gasförmige Spaltprodukte zu versehen. Das Vorsehen eines solchen Raumes allein reicht jedoch nicht aus, um ein im ganzen wirtschaftliches Brennelement zu schaffen; es müssen auch Vorkehrungen getroffen werden, daß die Gase aus dem Brennstoff entweichen können. Man hatte bereits erkannt, daß der Druck, der durch entweichende Spaltprodukte entsteht, die Tendenz hat, den Brennstoff von der Hülle zu trennen, so daß die Kühlung des Brennstoffs verschlechtert wird (britische Patentschrift 800 397). Um dies zu vermeiden, hat man zwischen Brennstoff und Hülle eine Zwischenschicht aus flüssigem Metall vorgesehen. Dies ist jedoch insbesondere dann keine zufriedenstellende Lösung, wenn ein freier Raum im Element vorgesehen ist, denn Ausdehnungen und Schrumpfungen des flüssigen Metalls als Ergebnis von Temperaturänderungen führen schließlich zu leeren Räumen in der Zwischenschicht und somit zu örtlichen Überhitzungen an den leeren Stellen (französische Patentschrift 1148 573).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennelement zu schaffen, das wirtschaftlich ist und eine gute Spaltstoffausnutzung gewährleistet.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die zylindrische Schutzhülle aus einem Metall von hoher Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen, wie z. B. aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder aus Molybdän, besteht und ihre Wandstärke mindestens ein Zehntel ihres Außendurchmessers beträgt.

Der metallische Brennstoff kann mit nicht spaltbarem Material umlegiert sein und liegt weder in Oxyd- noch in Karbidform vor. Er steht zweckmäßig über seinen gesamten Umfang hinweg mit der inneren Oberfläche der Hülle in enger Berührung und ist dabei hohl, beispielsweise ringförmig. Wenn der Brennstoff über seinen gesamten Umfang hinweg mit der inneren Oberfläche der Hülle in enger Berührung steht und die Form von aufeinandergeschichteten Pellets hat, dann wird zwischen den Pellets ein freier Raum vorgesehen. Dabei kann wenigstens eine der sich gegenüberliegenden Flächen jedes Paares von benachbarten Pellets ausgespart werden.

Das Brennelement kann auch Schlitze aufweisen, welche sich vom Außenumfang des Brennstoffes strahlenförmig nach innen erstrecken. Schließlich kann das Brennelement eine Brennstoffmasse von dispergierter Struktur aufweisen, welche den verfügbaren Raum nur teilweise ausfüllt.

Verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennelementes werden nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt bzw. zeigen

F i g. 1 bis 5 teilweise Schnittdarstellungen,

Fig. 6 eine Draufsicht im Schnitt,

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Fig. 7 die Schnittdarstellung einer Brennstoff- Gemäß Fig. 9 besteht ein Kernreaktor-Brennelementkapsel, Stoffelement aus rohrförmigem Brennstoff 30, der in

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht einer Kapsel- einer Schutzhülle 31 enthalten ist, wobei das Brenngruppe, Stoffelement einen axialen Hohlraum 32 und Hohl-I F i g. 9 eine Schnittdarstellung eines kompletten 5 räume 33 oberhalb und unterhalb des Brennstoffs 30 Brennstoffelementes, während aufweist. Das Brennstoffelement hat konische End-

F i g. 10 die Schnittdarstellung eines weiteren ring- stücke 35, wobei jedes eine einstückige Buchse 34

förmigen Brennstoffelementes wiedergibt. aufweist, welche die axiale Lage des Brennstoffes 30

Gemäß F i g. 1 besteht ein Kernreaktor-Brennstoff- bestimmt, und die Endstücke 35 sind mit der Hülle element aus Kernbrennstoff 1, der in einer zylindri- io 31 bis 36 verschweißt.

sehen Schutzhülle 2 enthalten ist, wobei der Brenn- Ein Ausführungsbeispiel eines gemäß F i g. 1 aufstoff einen axial verlaufenden Hohlraum 3 aufweist gebauten Brennstoffelementes wird in seiner Gesamt-

und über seinen gesamten Umfang hinweg zwecks heit in F i g. 10 dargestellt, wobei für die entsprechen-

Herstellung der erforderlichen thermischen Bindung den Einzelteile die gleichen Bezugszeichen verwendet

mit der Innenfläche der Hülle in enger Berührung 15 werden. Der rohrförmige Brennstoff 1 ist in vier

steht. Pellets unterteilt, die innerhalb des durch die zylin-

Gemäß F i g. 2 besteht ein Kernreaktor-Brennstoff- drische Hülle 2 zwischen Endpfropfen 37 und 38 einelement aus einer Reihe von auf einandergeschichteten geschlossenen Raumes übereinandergestapelt sind. Kernbrennstoffscheiben 4, welche in einer zylindri- Die Pfropfen haben abgerundete Kanten, und das sehen Schutzhülle 5 enthalten sind, wobei die Schei- 20 Material der zylindrischen Hülle 2, welche ursprüngben 4 durch zwischengesetzte Stifte 4 α (drei im glei- Hch eine glatte Rohrform aufwies, ist zum Zwecke chen Abstand pro Scheibe) in Abstand voneinander des Ausgleichs von Materialbeanspruchungen, die an gehalten werden, um Hohlräume 6 zu bilden. den Verbindungsstellen auftreten und durch Punkt-Gemäß Fig. 3 vereinigt ein Kemreaktor-Brenn- schweißung zwischen den Pfropfen und der Hülle Stoffelement die Merkmale der F i g. 1 und 2 und 25 bewirkt werden, über diese abgerundeten Kanten besteht aus ringförmigen Kernbrennstoffpellets 7, die umgebördelt ausgebildet. Helium- oder Argongas in einer zylindrischen Schutzhülle 8 enthalten sind, füllt den freien Raum innerhalb des Elementes aus. wobei das Brennstoffelement axial verlaufende Hohl- Ein typisches Element hat einen Außendurchmesser räume 9 aufweist und die Pellets 7 durch zwischen- von 3,2 mm und eine Länge von etwa 41,3 mm. Es gesetzte Stifte la (drei im gleichen Abstand pro 30 ist selbstverständlich, daß Konstruktionen gemäß den Pellet) in Abstand voneinander gehalten werden, um Fig. 2 bis 6 in Elemente, wie sie in Fig. 10 dar-Hohlräume 10 zu bilden. gestellt sind, eingesetzt werden können.

Gemäß F i g. 4 besteht ein Kernreaktor-Brennstoff- Bei den oben an Hand der Zeichnung beschriebe-

element aus runden Kernbrennstoffpellets 11, die in nen Brennstoffelementen ist der Kernbrennstoff

einer zylindrischen Schutzhülle 12 enthalten sind, 35 Uran- oder Plutoniummetall, d. h. ohne Legierungs-

wobei die Pellets 11 an den sich gegenüberliegenden zusätze von nichtspaltbarem Material und hat nicht

Flächen konkav ausgespart oder gewölbt sind, um Oxyd- oder Karbidform. Das SchutzhüHenmaterial

Hohlräume 13 zu bilden. und die eventuell vorhandenen Endpfropfen können

Gemäß F i g. 5 besteht ein Kernreaktor-Brenn- aus bekannten, in hohem Maße zerreißfesten und

Stoffelement aus porösem Kernbrennstoff 14, welcher 40 gegen Dauerbeanspruchung höchst widerstands-

wegen der Porosität von dispergierter Struktur ist und fähigen Ni-Cr- und Ni-Cr-Co- oder Ni-Cr-Fe-Legie-

sich innerhalb einer zylindrischen Schutzhülle 15 rungen bestehen (z. B. mit im wesentlichen 62% Ni,

befindet, wobei der Brennstoff 14 verteilt liegende 20% Cr, 18% Co). Diese Legierungen eignen sich

Hohlräume 16 vorsieht und das Brennstoffelement für die Verwendung in flüssigem Natrium bei 400

nur teilweise gefüllt ist, um dadurch einen Hohl- 45 bis 600° C und können in Verbindung mit einer

raum 17 oberhalb des Brennstoffes 14 frei zu lassen. schwer schmelzbaren bzw. feuerfesten Zwischenlage

Gemäß F i g. 6 besteht ein Kernreaktor-Brennstoff- aus Niob, Vanadium, Molybdän oder Tantal zwi-

element aus rohrförmigem Kernbrennstoff 18, welcher sehen der Hülle und dem Kernbrennstoff verwendet

in einer zylindrischen Schutzhülle 19 enthalten ist, werden, wobei die Zwischenlage als ein Überzug auf

wobei der Brennstoff 18 an seinem Außenumfang 50 der Innenseite der Hülle und/oder der Außenseite des

sich in Längsrichtung erstreckende radiale Schlitze Kernbrennstoffs vorgesehen ist. Die Hülle kann alter-

20 von geringer Breite, welche Hohlräume 21 bilden, nativ auch aus Molybdän bestehen, wobei dann keine

sowie einen axialen Hohlraum 22 aufweist; die Zwischenlage erforderlich ist. Die zylindrischen Hül-

Schlitze vermindern wegen ihrer geringen Breite nur len haben vorzugsweise einen Außendurchmesser von

wenig die Gesamtgröße der Wärmeübergangsfläche 55 2,5 oder 10,2 mm bei einem Wandstärke-Außen-

zwischen Brennstoff und Hülle. durchmesser-Verhältnis von 0,1, d. h. einen entspre-

Gemäß F i g. 7 besteht eine Kernreaktor-Brenn- chenden Wandstärkebereich von 0,25 bis 1 mm. Die

Stoffelementkapsel 28 aus zwei rohrförmigen Kern- Hohlräume schaffen einen Expansionsraum, in wel-

brennstoffkörpern 23, welche in einer zylindrischen chen der Brennstoff infolge einer Bestrahlungszu-

Schutzhülle 24 enthalten sind, wobei die Hülle 24 60 nähme ausweichen kann, und außerdem einen Raum

aus zwei Hälften gebildet wird, die bei 23 mitein- für Spaltproduktgase und feste Spaltbruchstücke, die

ander verschweißt sind. Der Brennstoff weist axiale als Ergebnis der Spaltung des Brennstoffes anfallen.

Hohlräume 26 auf, und die Brennstoffkörper 23 wer- In jedem der Brennstoffelemente nimmt der Brenn-

den durch Stifte 23 a in Abstand voneinander gehal- stoff 70 bis 90% des durch die Hülle vorgesehenen

ten, um einen Zwischenhohlraum 27 zu schaffen. In 65 verfügbaren Brennstoffvolumens in Anspruch, wobei

Fig. 8 ist eine Gruppe solcher Brennstoffelemente die Hohlräume einen entsprechenden Volumen-

28 in einer flachen Dose 29 bei geöffnetem Ende bereich von 30 bis 10% haben,

dargestellt. £>j_e Verwendung der erfindungsgemäßen Brenn-

Stoffelemente mit hoher Spaltstoffausnutzung in einem schnellen Reaktor ist dadurch besonders vorteilhaft, daß ein wirtschaftlicher Reaktorbetrieb ermöglicht wird, und zwar durch niedrigere Spaltstoffkreislaufkosten, niedrigere Brennstoffanlage- bzw. -investierungskosten, höhere Plutoniumeinsparung bei Verwendung metallischer Brennstoffe sowie niedrigere Betriebskosten infolge geringenen Eingriffs in den Reaktorbetrieb zum Zwecke der Brennstofferzeugung.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Brennelement für einen schnellen Kernreaktor, bei dem der in eine metallische Schutzhülle von Zylinderform eingebrachte Kernbrennstoff einen Teil des Innenraumes frei läßt zwecks Aufnahme von Spaltprodukten und Berücksichtigung der Brennstoffausdehnung, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Schutzhülle aus einem Metall von hoher Knechfestigkeit bei hohen Temperaturen, wie z. B. aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder aus Molybdän, besteht und ihre Wandstärke mindestens ein Zehntel ihres Außendurchmessers beträgt.

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Brennstoff mit nicht spaltbarem Material umlegiert ist ur weder in Oxyd- noch in Karbidform vorliegt.

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, b welchem der Brennstoff über seinen gesamte Umfang hinweg mit der inneren Oberfläche d< Hülle in enger Berührung steht, dadurch gekeni zeichnet, daß der Brennstoff hohl, beispielswei: ringförmig ist (Fig. 1).

4. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, b welchem der Brennstoff über seinen gesamte Umfang hinweg mit der inneren Oberfläche di Hülle in enger Berührung steht und die For: von aufeinandergeschichteten Pellets hat, dadurc gekennzeichnet, daß zwischen den Pellets e: freier Raum vorgesehen ist (F i g. 2 und 3).

5. Brennelement nach Anspruch 4, dadurc gekennzeichnet, daß wenigstens eine der sie gegenüberliegenden Flächen jedes Paares ve benachbarten Pellets ausgespart ist (F i g. 4).

6. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, g< kennzeichnet durch Schlitze (20), welche sie vom Außenumfang des Brennstoffes strahlei förmig nach innen erstrecken (Fig. 6).

7. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, gt kennzeichnet durch eine Brennstoffmasse (14) ve dispergierter Struktur, welche den verfügbare Raum nur teilweise ausfüllt (F i g. 5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen