DE1439765C - Brennelement fur 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 Spaltstoifausnutzung als die Anzahl der gespaltenen Atome, dividiert durch die Gesamtzahl der Ursprunglieh vorhandenen spaltbaren und brütbaren Atome, definiert wird. So wird zur wettbewerbsfähigen· Energieerzeugung bei derzeitigen Konstruktionen von thermischen Reaktoren eine Spaltstoffausnutzung von etwa 1¹Vo 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.:

1. Hohe Spaltstoffausnutzung kann nur mit einer niedrigen Zentrums-Temperatur von etwa 650° C maximal erzielt weiden;
II. die Legierungszusätze vermindern die Wärmeleitfähigkeit, und dies, zusammen mit der niedrigen Zentrumstemperatur, macht die Brennstoffelemente klein und kostspielig bei den Hochlei.stungsauslegungen, 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.

Diese Nachieile haben zu gesteigertem Interesse an Keramik-Metall-Brennstoffen (Cermet), welche auf UO., und PuO., in einer Stahlmatrix oder in einer U.,.,_s- oder Ü.,._w-Molybdän-Matrix basieren. sowie außerdem an Karbid-Brennstoffen geführt. Obwohl diese Cermet-Brennstoffe eine Spaltstoffausnutzung von mehr als 1 "/0 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 Spaltstoffausnutzung;

b) eine kostspielige Pulver-Metallurgieverfahrensstufe bei der Wiederaufbereitung;

c) Schwierigkeiten in Verbindung mit der Reaktorsicherheit

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 UO., bei 1700 bis 2000^c C verwendet werden kann.

Wenn auch eine hohe Spaltstoffausnutzung wiinsehenswert ist, so sollte sie doch mit niedrigeren Reaktorkosten verbunden sein. Somit ist es möglich, daß 1 % Spalt&toffausnutzung mit 10 Gewichtsprozent Molybdän in Uran wirtschaftlicher sein kann als 0,3% 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

ίο Gattung bekannt, bei denen die Hülle aus Metal! besteht und die Elemente zylinderförmig oder kugelförmig sind (deutsche Auslegeschrift 1037 605; französische Patentschrift 1 184 573). 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 Palentschrift 1 148 573).

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

Dies wird erfindimgsgemäß dadurch erreicht, daß die zylindrische Schutzhülle aus einem Metall von hoher Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen, wie

z. B. aus einer Nickcl-Chrom-Legierung oder aus Molybdän, besteht und ihre Wandstärke mindestens ein Zehntel ihres Außendurchmessers beträgt.

Der metallische Brennstoff ist nicht mit nichtspaltbarem Material legiert und liegt weder in Oxydnoch 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 dispergiertcr 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
Fig. 1 bis 5 teilweise Schnittdarstellungen,
Fig. 6 eine Draufsicht im Schnitt,

ι F i g. 7 die Schnittdarstellung einer Brennstpffelementkapsel,

F i g. 8 eine perspektivische Ansicht einer Kapselgruppe,

Fig. 9 eine Schnittdarstellung eines kompletten Brennstoffelementes, während

Fig. 10 die Schnittdarstellung eines weiteren ringförmigen Brennstoffelementes wiedergibt.

Gemäß Fig. 1 besteht ein Kernreaktor*-Brennstoffelement aus Kernbrennstoff 1, der in einer zylindrischen Schutzhülle 2 enthalten ist, wobei der Brennstoff einen axial verlaufenden Hohlraum 3 aufweist und über seinen gesamten Umfang hinweg zwecks Herstellung der erforderlichen thermischen Bindung mit der Innenfläche der Hülle in enger Berührung steht.

Gemäß Fig. 2 besteht ein Kernreaktor-Brennstoffelement aus einer Reihe von aufeinandergeschichteten Kernbrennstoffscheiben 4, welche in einer zylindrischen Schutzhülle 5 enthalten sind, wobei die Scheiben 4 durch zwischengesetzte Stifte 4« (drei im gleichen Abstand pro Scheibe) in Abstand voneinander gehalten werden, um Hohlräume 6 zu bilden.

Gemäß F i g. 3 vereinigt ein Kernreaktor-Brennstoffelement die Merkmale der Fig. 1 und 2 und besteht aus ringförmigen Kernbrennstoffpellets 7, die in einer zylindrischen Schutzhülle 8 enthalten sind, wobei das Brennstoffelement axial verlaufende Hohlräume 9 aufweist und die Pellets 7 durch zwischengesetzte Stifte Ta (drei im gleichen Abstand pro Pellet) in Abstand voneinander gehalten werden, um Hohlräume 10 zu bilden.

Gemäß F i g. 4 besteht ein Kernreaktor-Brennstoffelement aus runden Kernbrennstoffpellets 11, die in einer zylindrischen Schutzhülle 12 enthalten sind, wobei die Pellets 11 an den sich gegenüberliegenden Flächen konkav ausgespart oder gewölbt sind, um Hohlräume 13 zu bilden.

Gemäß F i g. 5 besteht ein Kernreaktor-Brennstoffelement aus porösem Kernbrennstoff 14, welcher wegen der Porosität von dispergierter Struktur ist und sich innerhalb einer zylindrischen Schutzhülle 15 befindet, wobei der Brennstoff 14 verteilt liegende Hohlräume 16 vorsieht und das Brennstoffelement nur teilweise gefüllt ist, um dadurch einen Hohlraum 17 oberhalb des Brennstoffes 14 frei zu lassen.

Gemäß F i g. 6 besteht ein Kernreaktor-Brennstoffelement aus rohrförmigem Kernbrennstoff 18, welcher in einer zylindrischen Schutzhülle 19 enthalten ist, wobei der Brennstoff 18 an seinem Außenumfang sich in Längsrichtung erstreckende radiale Schlitze 20 von geringer Breite, welche Hohlräume 21 bilden, sowie einen axialen Hohlraum 22 aufweist; die Schlitze vermindern wegen ihrer geringen Breite nur wenig die Gesamtgröße der Wärmeübergangsfläche zwischen Brennstoff und Hülle.

Gemäß F i g. 7 besteht eine Kernreaktor-Brennstoffelementkapsel 28 aus zwei rohrförmigen Kernbrennstoffkörpern 23, welche in einer zylindrischen Schutzhülle 24 enthalten sind, wobei die Hülle 24 aus zwei Hälften gebildet wird, die bei 23 miteinander verschweißt sind. Der Brennstoff weist axiale Hohlräume 26 auf, und die Brennstoffkörper 23 werden durch Stifte 23a in Abstand voneinander gehalten, um einen Zwischenhohlraum 27 zu schaffen. In Fig. 8 ist eine Gruppe solcher Brennstoffelemente 28 in einer flachen Dose 29 bei geöffnetem Ende dargestellt.

Gemäß Fig. 9 besteht ein Kernreaktor-Brennstoffelement aus rohrförmigem Brennstoff 30, der in einer Schutzhülle 31 enthalten ist, wobei das Brennstoffelement einen axialen Hohlraum 32 und Hohlräume 33 oberhalb und unterhalb des Brennstoffs 30 aufweist. Das Brennstoffelement hat konische Endstücke 35, wobei jedes eine einstückige Buchse 34 aufweist, welche die axiale Lage des Brennstoffes 30 bestimmt, und die Endstücke 35 sind mit der Hülle

ίο 31 bis 36 verschweißt.

Ein Ausführungsbeispiel eines gemäß F i g. 1 aufgebauten Brennstoffelementes wird iri seiner Gesamtheit in Fig. 10 dargestellt, wobei für die entsprechenden Einzelteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Der rohrförmige Brennstoff 1 ist in vier Pellets unterteilt, die innerhalb des durch die zylindrische Hülle 2 zwischen Endpfropfen 37 und 38 eingeschlossenen Raumes übereinandergestapelt sind. Die Pfropfen haben abgerundete Kanten, und das Material der zylindrischen Hülle 2, welche ursprünglich eine glatte Rohrform aufwies, ist zum Zwecke des Ausgleichs von Materialbeanspruchungen, die an den Verbindungsstellen auftreten und durch Punktschweißung zwischen den Pfropfen und der Hülle bewirkt werden, über diese abgerundeten Kanten umgebördelt ausgebildet. Helium- oder Argongas füllt den freien Raum innerhalb des Elementes aus." Ein typisches Element hat einen Außendurchmesser von 3,2 mm und eine Länge von etwa 41,3 mm. Es ist selbstverständlich, daß Konstruktionen gemäß den Fig. 2 bis 6 in Elemente, wie sie in Fig. 10 dargestellt sind, eingesetzt werden können.

Bei den oben an Hand der Zeichnung beschriebenen Brennstoffelementen ist der Kernbrennstoff Uran- oder Plutoniummetall, d. h. ohne Legierungszusätze von nichtspaltbarem Material und hat nicht Oxyd- oder Karbidform. Das Schutzhüllenmaterial und die eventuell vorhandenen Endpfropfen können aus bekannten, in hohem Maße zerreißfesten und gegen Dauerbeanspruchung höchst widerstandsfähigen Ni-Cr- und Ni-Cr-Co- oder Ni-Cr-Fe-Legierungen bestehen (z. B. mit im wesentlichen 62 %> Ni, 20¹Vo Cr, 18"/(i Co). Diese Legierungen eignen sich für die Verwendung in flüssigem Natrium bei 400 bis 600° C und können in Verbindung mit einer schwer schmelzbaren bzw. feuerfesten Zwischenlage aus Niob, Vanadium, Molybdän oder Tantal zwischen der Hülle und dem Kernbrennstoff verwendet werden, wobei die Zwischenlage als ein Überzug aul der Innenseite der Hülle und/oder der Außenseite des Kernbrennstoffs vorgesehen ist. Die Hülle kann alternativ auch aus Molybdän bestehen, wobei dann keine Zwischenlage erforderlich ist. Die zylindrischen Hül-

■ len haben vorzugsweise einen Außendurchmesser von 2,5 oder 10,2 mm bei einem Wandstärke-Außendurchmesser-Verhältnis von 0,1, d.h. einen entsprechenden Wandstärkebereich von 0,25 bis 1 mm. Die Hohlräume schaffen einen Expansionsraum, in welchen der Brennstoff infolge einer Bestrahlungszunähme ausweichen kann, und außerdem einen Raum für Spaltproduktgase und feste Spaltbruchstücke, die als Ergebnis der Spaltung des Brennstoffes anfallen. In jedem der Brennstoffelemente nimmt der Brennstoff 70 bis 90⁰Ai des durch die Hülle vorgesehenen verfügbaren Brennstoffvolumens in Anspruch, wobei die Hohlräume einen entsprechenden Volumenbereich von 30 bis 10"·Ό haben.

Die 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 geringeren 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 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.

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

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Brennstoff über seinen gesamten Umfang hinweg mit der inneren Oberfläche der Hülle in enger Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff hohl, beispielsweise ringförmig ist (Fig. 1).

4. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Brennstoff über seinen gesamten Umfang hinweg mit der inneren Oberfläche der Hülle in enger Berührung steht und die Form von aufeinandergeschichteten Pellets hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Pellets ein freier Raum vorgesehen ist (F i g. 2 und 3).

5. Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der. sich gegenüberliegenden Flächen jedes Paares von benachbarten Pellets ausgespart ist (Fig. 4).

6.. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Schlitze (20), welche sich vom Außenumfang des Brennstoffes strahlenförmig nach innen erstrecken (F i g. 6).

7. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Brennstoffmasse (14) von dispergierter Struktur, welche den verfügbaren Raum nur teilweise ausfüllt (Fig. 5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen