DE1439774B2

DE1439774B2 - Brennelement fuer einen schnellen kernreaktor

Info

Publication number: DE1439774B2
Application number: DE19611439774
Authority: DE
Inventors: Leslie Reginald London Blake
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1959-08-17
Filing date: 1961-10-03
Publication date: 1972-01-20
Also published as: DE1439774A1; US3184392A; DE1439765B2; US3197381A; DE1439774C3; GB923343A; DE1439765A1

Description

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daß die durch die abgeflachte Querschnittsform der relativen Trägheit des Oxydbrennstoffs die; Möglichäußeren Hülle sich ergebenden Zwischenräume zwi- keit bietet, daß die vorher im Zusammenhang _;mit sehen den beiden Hüllen mit einem gut wärmeleiten- der äußeren Hülle genannten Metalle auch ebensogut den Material ausgefüllt sind. für die innere Hülle verwendet werden können.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, 5 Dieser Aufbau des Brennstoffabschnittes unterstützt daß mehrere nur mit der inneren Hülle ummantelte die kontinuierliche Freigabe von gasförmigen Spalt-Brennstoff-Abschnitte mit ihren Enden aneinander produkten während der Bestrahlung des Brennstoffs, in der Außenhülle angeordnet werden, wobei der und zwar in der Weise, daß diese Produkte über den Brennstoff von jedem Brennstoffabschnitt nur zwi- porösen Stopfen 21 in den Gas-Sammelraum 23 aussehen 50 und 90 % des Brennstoffvolumens ausfüllt, io weichen können. Es ist anzunehmen, daß die hohe welches durch die zugehörige innere Hülle gebildet Betriebstemperatur dazu beiträgt, daß mehr Gas im wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Oxydbrennstoff freigegeben wird als bei Tempera-Brennstoffmenge, die im Falle eines Versagens der türen, die bei thermischen Reaktoren üblich sind, inneren Hülle losgelöst werden kann, auf den Inhalt und die Gewährung von Raum für die Gasansammeines Brennstoffabschnittes begrenzt ist, und die 15 lung ist daher auf die volle Freigabe des Gases erweiterte Unterteilung in separate Abschnitte ver- abgestellt,
mindert diese Menge. Bei den Brennstoff abschnitten im Element nach

Im abgeflachten Teil der äußeren Hülle können F i g. 2 ist der innere Hohlraum nicht von der Brenneinstückig mit ihr ausgebildete Längsrippen vorge- stoffmasse getrennt, sondern über die Masse verteilt, sehen werden, die sich über die gesamte Länge der 20 Der verfügbare Raum zwischen den Verschluß-Abflachungen an der äußeren Hülle erstrecken und stopfen 20 α und 20 b ist daher fast vollständig mit als Abstandshalter dienen. dem Cermet-Brennstoff 24 gefüllt, der ein Gemisch

Die Erfindung wird an Hand der sie beispielsweise aus Uran- und Plutoniumoxiden ist, die in einem

wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrie- Uranmetall-Verdünnungsmittel bzw. -Füllstoff fein-

ben. Es zeigt 25 verteilt sind. Dieser metallische Füllstoff hat eine

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Brennelement mit solche innere Porosität, daß sich ein Gesamthohlkeramischem Brennstoff, raum von etwa 25 % des verfügbaren Brennstoff-

F i g. 2 eine ähnliche Ansicht eines Elements mit volumens ergibt. Dadurch, daß die Porosität auf den

Cermet-Brennstoff, während Bereich unterhalb der Oberfläche beschränkt ist,

F i g. 3 eine schaubildliche Draufsicht auf einen 30 kann vermieden werden, daß Reaktorkühlmittel aus

Teil einer Brennstoffgruppe, die sich aus Elementen flüssigem Metall, wie beispielsweise Natrium, wenn

der F i g. 1 oder 2 zusammensetzt, wiedergibt. es über eine defekte Hülle Zugang zum Brennstoff

Die Grundanordnung der Elemente nach den erlangt, durch Kochen bei der hohen Brennstoff-Fig. 1 und 2 ist die gleiche, nämlich insoweit, als temperatur zusätzliche Innendrücke hervorruft. Es ein Strang von zylindrischen eingehüllten Brennstoff- 35 ist zu erwarten, daß das feinverteilte Keramikmaterial abschnitten 11,12,13 mit ihren Enden aneinander in gasförmige Spaltprodukte bis zu einem gewissen einer gemeinsamen äußeren Hülle 14 eingeschlossen Ausmaß zurückhält, und um dieses Zurückhalten zu ist, die im Querschnitt (s. Fig. 3) eine überdimen- unterstützen, sollten die Keramik-Körperchen einen sionierte, allgemein runde Form hat, welche in jedem Durchmesser von 0,5 bis 0,05 mm haben.
Quadranten abgeflacht ist, wodurch sich an den 40 Beide dargestellten Elemente haben eine Füllung Abflachungen eine unmittelbare Berührung mit den aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit, eingehüllten Brennstoffabschnitten ergibt. Diese Form welches zwischen der Außenhülle 14 und den Innender äußeren Hülle ist so gewählt, daß diese bei hüllen 19 der Brennstoffabschnitte eingesetzt ist. Formänderung nachgiebig ist, um ein Anschwellen Diese Füllung dient als Wärmeverbindung zwischen der Brennstoffabschnitte aufzunehmen. Sich radial 45 Außen- und Innenhüllen, wo ein Zwischenraum zwierstreckende Längsrippen 15,16,17 und 18 sind mit sehen diesen vorhanden ist. Es wurde bereits erwähnt, der äußeren Hülle einstückig ausgebildet und er- daß das Element der F i g. 2 gegen eine mögliche strecken sich in der Mitte der Abflachungen ununter- Gefahr geschützt ist, die bei der Verwendung von brachen vom einen Ende der äußeren Hülle zum Natrium entsteht, und daher wird Natrium, welches anderen. Geeignete Metalle für die äußere Hülle sind 50 bei 25 angedeutet ist, in diesem Falle als Wärme-Edelstahl, Eisen-, Chrom- und Nickellegierungen Verbindungsstoff verwendet. Beim Element gemäß oder Nickel-Chrom-Legierungen. der Fig. 1 ist ein solcher Wärme-Verbindungsstoff

Bei den Brennstoffabschnitten im Element der 26 gewählt, der bei Betriebstemperatur fest bleibt

F i g. 1 ist die Hülle 19 über abgerundete Enden von und schwache mechanische Eigenschaften hat; Bei-

Verschlußstopfen 20 α und 20 b im Gesenk geschmie- 55 spiele sind Kupfer oder Hartlötmetalle einschließ-

det bzw. getrieben, und zwischen den Enden ist die lieh Palladiumbronzen.

Hülle mit einem Halsstück versehen, wo sie über Obwohl es im einzelnen in den Zeichnungen nicht

einen Stopfen 21 aus porösem Edelstahl im Gesenk zu ersehen ist, so ist es doch selbstverständlich, daß

geschmiedet ist, der den Brennstoffraum 22 von die äußere Hülle an ihren Enden auf solche Weise

einem Gas-Sammelraum 23 trennt. Letzterer bildet 60 mit Verschlußkappen versehen ist, daß in Verbin-

etwa 30 % des Gesamtvolumens der beiden Räume. dung mit der Innenhülle die erforderliche Fähigkeit,

Der keramische Brennstoff, der den Brennstoffraum den Innendrücken von mindestens 703 kg/cm² bei

fast vollständig ausfüllt, ist ein Gemisch aus Uran- einer Temperatur von 600° C zu widerstehen, ge-

und Plutoniumoxiden, welche auf 80 bis 95 % der geben ist. Vorzugsweise sind jedoch die Abmessun-

theoretischen Dichte zusammengepreßt sind. Wenn 65 gen so gewählt, daß die äußere Hülle weniger be-

auch eine hohe Betriebstemperatur in einem solchen anspracht wird als die inneren Hüllen. Wo die

Brennstoff zu erwarten ist, so liegt doch die Tempe- Wärmeverbindung zwischen den Innen- und Außen-

ratur der Hüllen niedriger, was zusammen mit der hüllen durch das gleiche Material wie das Reaktor-

kühlmittel aufgebaut ist, wie es nach F i g. 2 der Fall sein würde, wenn es in Verbindung mit dem Natrium-Kühimittel verwendet wird, dann können die Verschlußkappen der Außenhülle porös sein, um ein Vermischen des Verbindungsstoffes mit dem Kühlmittel zu gestatten.

F i g. 3 zeigt eine Brennstoffgruppe aus Brennelementen der beanspruchten Art, die ein quadratisches Gitterwerk bilden und in einem rechteckigen, an den Enden offenen rohrförmigen Gehäuse 27 gehalten sind. Die Brennelemente sind so orientiert, daß eine Wirkverbindung der Längsrippen 15 bis 18 untereinander hergestellt wird, wodurch der Raum zwischen den Elementen in separate Kanäle unterteilt wird. Die außenliegenden Längsrippen der äußeren Brennelemente stützen sich gegen eine Metallblech-Auskleidung 28, die zwischen dem Gehäuse und ihnen angeordnet ist und sich mit einstückigen Rippen 29 gegen das Gehäuse abstützt.

Für beide Arten von Brennstoffelementen, die mit Bezug auf die F i g. 1 und 2 beschrieben wurden, hat der Brennstoff selbst eine vernachlässigbar geringe Festigkeit im Vergleich zur Hülle und kann bei der Berechnung der entsprechenden Abmessungen für die Hülle völlig vernachlässigt werden. Die Umhüllung

ίο kann dann als ein Druckbehälter behandelt werden, von dem verlangt wird, daß er dem Druck von Spaltproduktgas, welches sich im Hohlraum ansammelt, und (unter der Voraussetzung, daß das Brennstoffmaterial in Wirklichkeit nicht zusammendrückbar

is ist) auch jeglicher Schwellung des Brennstoff materials infolge fester Spaltfragmente widersteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

ι 2 Neutronen-Einfangquerschnitte der Materialien rela- Patentansprüche: tiv gering sind. Die Hauptanmeldung betrifft in eine metallische

1. Brennelement für einen schnellen Kern- Hülle von Zylinderform eingehüllte Brennelemente, reaktor, bei dem der in eine metallische Schutz- 5 welche die Kombination von drei Merkmalen aufhülle von Zylinderform eingebrachte Kern- weisen, nämlich eine starke Hülle aus einem Metall brennstoff einen Teil des Innenraumes frei läßt, von hoher Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen zwecks Aufnahme von Spaltprodukten und Be- und mit einer Wandstärke von mindestens V₁₀ ihres rücksichtigung der Brennstoffausdehnung, wobei Außendurchmessers sowie einen Brennstoff, der die zylindrische Schutzhülle aus einem Metall io einen Ausdehnungsraum von 10 bis 30 % innerhalb von hoher Kriechfestigkeit bei hohen Tempe- der Hülle frei läßt. Dieser Ausdehnungsraum nimmt raturen wie z. B. aus einer Nickel-Chrom-Legie- den Bestrahlungszuwachs des Brennstoffes auf und rung oder aus Molybdän besteht und ihre Wand- außerdem freigesetzte gasförmige Spaltprodukte, so stärke mindestens V₁₀ ihres Außendurchmessers daß die Beanspruchung der Hülle bei voranschreibeträgt (Patentanmeldung P 14 39 765.0-33), 15 tendem Abbrand des Brennstoffes vermindert wird dadurch gekennzeichnet, daß die zylin- und ein höherer Grad von Spaltstoff ausnutzung drische Schutzhülle aus einer inneren und einer innerhalb der Grenzen der zulässigen Beanspruchunäußeren Hülle zusammengesetzt ist, von denen gen der Hülle ermöglicht wird.

die innere den freien Innenraum vorsieht bzw. Wenn auch das Versagen einer Brennelementhülle bestimmt und zylindrisch ist, derart, daß sie die 20 durch Überbeanspruchungen im allgemeinen un-Umfangsfläche des Brennstoffs eng umschließt, wahrscheinlich ist, so ist es trotzdem wünschenswert, während die äußere Hülle mit einem Querschnitt dafür zu sorgen, daß bei einem Hüllenbruch, wenn versehen ist, der Abflachungen aufweist, und mit Brennstoff aus einer gebrochenen Hülle austritt, die diesen Abflachungen in unmittelbarem Kontakt Kühlmittelströmung über das Brennelement nicht mit der inneren Hülle steht, so daß die äußere 25 derart behindert wird, daß beim Fehlen einer aus-Hülle in elastischer Weise zur Festigkeit der reichenden Kühlung das Brennelement schmilzt und inneren Hülle beiträgt, und daß die durch die möglicherweise eine unerwünschte Ausbreitung des abgeflachte Querschnittsform der äußeren Hülle Brennstoffs verursacht. Dies könnte dadurch versieh ergebenden Zwischenräume zwischen den mieden werden, daß der Reaktor genügend unterhalb beiden Hüllen mit einem gut wärmeleitenden 3° der theoretischen Nennleistung gefahren wird, so daß Material ausgefüllt sind. der Brennstoff eines ungekühlten Elementes nicht

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch ge- schmelzen würde, jedoch ist eine »Unterleistung« kennzeichnet, daß mehrere nur mit der inneren des Reaktors auf diese Art in ökonomischer Hin-Hülle ummantelte Brennstoff-Abschnitte mit sieht nicht erwünscht.

ihren Enden aneinander in der Außenhülle ange- 35 Es gibt Veröffentlichungen (französische Patentordnet sind, wobei der Brennstoff von jedem schrift 1 201 636), in denen von dicken Umhüllungen Abschnitt nur zwischen 50 und 90 % des durch des Brennstoffs abgeraten wird und statt dessen eine die zugehörige innere Hülle gebildeten Brenn- gefaltete Konstruktion vorgeschlagen wird, die sicher Stoffvolumens ausfüllt. dem Wachstum Platz machen soll und daher als

3. Brennelement nach Anspruch 1 oder 2, da- 4° frei nachgiebig beschrieben werden könnte. In einer durch gekennzeichnet, daß im abgeflachten Teil weiteren Veröffentlichung (französische Patentschrift der äußeren Hülle einstückig mit ihr ausgebildete 1 184 573) wird vorgeschlagen, die einwandige Hülle Längsrippen vorgesehen sind, die sich über die beträchtlich größer zu machen als den Brennstoff, gesamte Länge der Abflachungen an der äußeren um einen Raum frei zu lassen, in welchen hinein der Hülle erstrecken und als Abstandshalter dienen. 45 Brennstoff wachsen kann, wobei dieser Raum mit

. einem Flüssigmetall gefüllt wird. Andere Vorschläge laufen darauf hinaus, die Festigkeit in den Brennstoff

selbst zu verlegen, z. B. durch Zugabe von Molybdän

(USA.-Patentschrift 2 863 816). Bei Betrieb mit

50 hohen Temperaturen erfordert aber dann der Brenn-

Die Erfindung bezieht sich auf Brennelemente für stoff eine Zwischenschicht, die ihn von der Hülle

einen schnellen Kernreaktor, bei denen der in eine trennt, um eine chemische Reaktion zu verhindern,

metallische Schutzhülle von Zylinderform ein- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei

gebrachte Kernbrennstoff einen Teil des Innen- Brennelementen nach der Hauptanmeldung sowohl

raumes frei läßt zwecks Aufnahme von Spaltproduk- 55 die Hüllen als auch die Brennstoffkonstruktion so

ten und Berücksichtigung der Brennstoffausdehnung, zu gestalten, daß die Integrität der Hülle gewahrt

wobei die zylindrische Schutzhülle aus einem Metall wird.

von hoher Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß wie z. B. aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder die zylindrische Schutzhülle aus einer inneren und aus Molybdän besteht und ihre Wandstärke min- 60 einer äußeren Hülle zusammengesetzt ist, von denen destens V₁₀ ihres Außendurchmessers beträgt, nach die innere den freien Innenraum vorsieht bzw. bePatentanmeldung P 14 39 765.0-33. Es ist bei Brenn- stimmt und zylindrisch ist, derart, daß sie die Umelementen üblich, eine Hülle vorzusehen, die den fangsfläche des Brennstoffs eng umschließt, während Brennstoff schützt. Im Falle schneller Reaktoren ist die äußere Hülle mit einem Querschnitt versehen der Bau und die Auswahl des Materials für die Hülle 65 ist, der Abflachungen aufweist, und mit diesen Abeinfacher als bei thermischen bzw. Brutreaktoren, flachungen in unmittelbarem Kontakt mit der inneren bei denen langsamere Neutronen verwendet werden, Hülle steht, so daß die äußere Hülle in elastischer weil bei einem Fluß von schnellen Neutronen die Weise zur Festigkeit der inneren Hülle beiträgt, und