DE1464985A1 - Brennelement fuer Kernreaktoren - Google Patents

Brennelement fuer Kernreaktoren

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DE1464985A1
DE1464985A1 DE19641464985 DE1464985A DE1464985A1 DE 1464985 A1 DE1464985 A1 DE 1464985A1 DE 19641464985 DE19641464985 DE 19641464985 DE 1464985 A DE1464985 A DE 1464985A DE 1464985 A1 DE1464985 A1 DE 1464985A1
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fuel
fissile
fuel element
nuclear reactor
fission
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Schmidt Dipl-Ing Gerhard
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Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
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Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
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    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21CNUCLEAR REACTORS
    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/28Fuel elements with fissile or breeder material in solid form within a non-active casing
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • G21C3/00Reactor fuel elements and their assemblies; Selection of substances for use as reactor fuel elements
    • G21C3/02Fuel elements
    • G21C3/26Fuel elements with fissile or breeder material in powder form within a non-active casing
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Description

  • "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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: ei 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, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltstoff in körniger Form in der Brennelement-Hülle (1) angeordnet ist, wobei die Zwischenräume zwischen den Spaltstoffteilchen mit dem Füllstoff ausgefüllt sind.
  2. 2. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffkörnchen die Form von Kugeln mit vorzugsweise 0,2 - 0,6 mm Durchmesser aufweisen.
  3. 3. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltstoffkugeln aus einem Pu02-Kern bestehen, der von einer Ti 238-Metall-iiülle umschlossen ist.
  4. 4. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1 - 2, dadurch Bekennzeichnet, daß die Spaltstoffkugeln aus an sich bekannten Mischungen von Spaltstoffoxyd mit Spaltstoffmetall bestehen.
  5. 5. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den Spaltstoffkugeln in der Brennelement-Hülle (1) mit Natrium gefüllt ist.
DE19641464985 1964-12-30 1964-12-30 Brennelement fuer Kernreaktoren Pending DE1464985A1 (de)

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DE (1) DE1464985A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2205711A1 (en) * 1972-11-08 1974-05-31 Commissariat Energie Atomique Gas cooled breeder reactor fuel assemblies - using balls of uranium or plutonium oxide or carbide in a metal or ceramic matrix
FR2423032A1 (fr) * 1978-04-14 1979-11-09 Atomic Energy Authority Uk Aiguille de combustible nucleaire

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2205711A1 (en) * 1972-11-08 1974-05-31 Commissariat Energie Atomique Gas cooled breeder reactor fuel assemblies - using balls of uranium or plutonium oxide or carbide in a metal or ceramic matrix
FR2423032A1 (fr) * 1978-04-14 1979-11-09 Atomic Energy Authority Uk Aiguille de combustible nucleaire

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