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"Brennelement für Kernreaktoren" Die Erfindung betrifft ein Kernreaktor-Brennelement
mit einer den Spaltstoff gemeinsam mit einem im Betriebszustand vorzugsweise flüssigen,
gut wärmeleitenden Füllstoff umschließenden Brennelement-Hülle, die auch Hohlräume
zum Aufnehmen der Brennstoffschwellung durch Bildung von Spaltgasen aufweist.
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Man ist in der Kerntechnik immer mehr bestrebt, einen hohen Brennstoffabbrand
in den Brennelementen zu erreichen, damit die Reaktoren mit einer Brennstoffüllung
möglichst lange
arbeiten können und damit auch die Brennelemente
möglichst selten aufgearbeitet werden müssen. Je höher jedoch der Abbrand in einem
Brennelement fortschreitet, desto größer ist die freigesetzte Spaltgasmenge, die
metallischen Brennstoff durch Gasblasenbildung aufschwellen und bei oxydischem Brennstoff
den Gasdruck@der Brennelementhülle beträchtlich ansteigen läßt.
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Insbesondere für metallischen Brennstoff sind deshalb eine Reihe von
Brennelement-Konstruktionen bekannt geworden, bei denen im Brennstoff Hohlräume
vorgesehen sind, in die hinein sich der Brennstoff ausdehnen kann.
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So ist beispielsweise ein stabförmiges Brennelement bekannt, bei dem
der Brennstoff zu einem von einer Hülle eng umschlossenen Hohlzylinder geformt ist,
so daß der sich zur Brennelement-Achse hin ausdehnen kann.
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Auch Brennelemente, bei denen die Hohlräume bläschenartig gleichrgäßig
im Brennstoff verteilt sind, sind bekannt. Alle aber haben den Nachteil, daß beträchtliche
Druckkräfte auf die Brennelementhülle wirken, wenn sich der Brennstoff unter Einwirkung
des Spaltgasdruckes auszudehnen beginnt. Außerdem sind solche Brennelemente schwer
herzustellen, insbesondere die gleichmäßige Verteilung der Glasbläschen bereitet
Schwierigkeiten. Durch die Hohlräume im Brennstoff besitzen die Brennelemente schließlich
auch eine relativ schlechte Wärmeleitfähigkeit.
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Es sind aber auch Brennelemente bekannt, deren Hüllen den Brennstoff
mit Abstand umschließen, so daß er sich ungehindert nach außen ausdehnen kann. Damit
die im Brennstoff entstehende
Wärme gut an die Brennelement-Hülle
abgeführt werden kann, ist der Zwischenraum zwischen Brennstoffstab und Brennelement-Hülle
mit einer gut wärmeleitenden Flüssigkeit, Paste od. dergl.
gefüllt. Dabei müßte aber der Brennstoff mit besonderen Halte-
vorrichtungen
zentral in der Brennelement-Hülle festgehalten
werden, damit
keine unerwünschten Reaktivitätsänderungen im
Reaktor auftreten
können. Trotzdem aber müßten Reaktoren mit
derartigen Brennelementen
eine beträchtliche Überschußreaktivität aufweisen, da der Brennstoff sich
nicht nur radial,sondern gleicher-
maßen auch in Achsrichtung ausdehnt,
wodurch die Brennstoffdichte in der Spaltzone verkleinert wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, ein Brennelement
zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Brennelemente nicht aufweist,
das trotzdem aber einen außerordnetlich einfachen Aufbau besitzt.
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Auch bei dem Brennelement nach der Erfindung ist der Brennstoff
zusammen
mit einem im Betriebszustand vorzugsweise flüssigen, gut wärmeleitenden Füllstoff
in einer Brenneletnent-Hülle angeordnet, die auch Hohlräume zum Aufnehmen der Brennstoffschwellung.
durch Bildung von Spaltgasen aufweist. Dabei ist der Brennstoff aber erfindungsgemäß
in körniger Form in der Brennelement-Hülle angeordnet, wobei die Zwischenräume zwischen
den Brennstoffteilchen mit dem Füllstoff ausgefüllt sind. Dadurch können sich die
Brennstoffteilchen beim Schwellen praktisch ungehindert in die Zwischenräume hinein
verformen, wobei die Reaktivitätsverteilung in der Spaltzone nicht beeinflußt wird,
da das Spaltzonenvolumen sich nicht wesentlich ändert. Lediglich der Füllstoff wird
dabei aus dem Brennstoffbereich herausgetrieben. Ein großer Teil des
Spaltgasdruckes
wird hierbei schon von den Brennstoffteilchen aufgenommen, da das Spaltgas in den
Teilchen eingeschlossen bleibt. Die Wärme wird über dem Füllstoff unterstützt durch
Konvektion im flüssigen Füllstoff außerordentlich gut an die Brennelement-Hülle
abgeführt. Deshalb wird die Temperatur im Brennelementkern selbst bei Leistungsexkursionen
relativ rriedrig bleiben, so daß nur relativ geringe Spaltgasmengen freigesetzt
werden. Sollte aber trotzdem der Kern der Spaltzone Überhitzt werden, so entstehen
aus dem flüssigen Füllstoff in der Mitte der Brennelemente Dampfblasen, welche die
obere Hälfte der Brennstoff-Füllstoff-Mischung nach oben gegen das Gaspolster im
oberen Teil der Brennelement-Hülle schiebt. Dabei wird die Brennstoffdichte im Zentrum
der Spaltzone plötzlich wesentlich kleiner, wodurch die beginnende Exkursion rasch
abgebremst wird. Einzelheiten der Erfindung werden anhand einer Zeichnung erläutert:
Die Figur zeigt ein einzelnes stabförmiges Brennelement, das wie üblich drei Brennstoffzonen
aufweist. Im unteren Teil 2 und und im oberen Teil 4 der Brennelement-Hülle 1 befindet
sich Brutstoff, im mittleren Teil 3, d.h. in der eigentlichen Spaltzone ist der
Brennstoff angeordnet. Brennstoff und Brutstoff sind kleinkörnig . Die Körnchen
besitzen vorzugsweise Kugelform. Beispielsweise bestehen die Brennstoffkugeln aus
Pu02. das von einer Kugelhülle aus U238 umschlossen ist. Es ist günstig, wenn der
Durchmesser der Kugeln relativ klein # ist, beispielsweise 0,2 - 0,6 mm beträgt,
damit die selbstatabiiisierende Wirkung des Doppler-Koeffizienten noch zum Tragen
kimm*:. Die Spaltstoffkugeln können aber auch aus Mischungen von Spaltstoffoxyd
mit Spaltstoffmetall (Cermet) bestehen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn
die Kugeln aus einer Mischung Plutonium-Oxyd mit U238 Metall als Brutstoff bestehen.
Der
Zwischenraum zwischen den Spaltstoffkugeln - etwa 400/a des Gesamtvolumens -- ist
günstig mit Natrium gefüllt, da dieses als Metall eine große Wärmeleitfähigkeit
besitzt. Über dem Natriumspiegel 5 befindet sich schließlich noch ein Gasraum 6,
in den hinein das Natrium entweichen kann, wenn die Brennstoffkügelchen in die Kugelzwischenräume
hineinwachsen. Die Ausführungsmöglichkeiten der Brennelemente nach der Erfindung
sind jedoch nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Inbesondere
müssen die oxydischen Brennstoffkugeln nicht von einer Uranhülle umschlossen sein.
Sie können beispielsweise auch allein aus Spaltstoffoxyd oder aus metallischem Spaltstoff,
bzw. aus Mischungen von beiden, bestehen. Jedoch ist es meist günstig, wenn Brutstoff
und Brennstoff aus gleichartigen Kugeln bestehen, weil dadurch das Aufbereiten des
Spaltstoffes erleichtert wird.