DE1489195A1 - Kernreaktorbrennstoff - Google Patents

Description

österreichische Studiengesellschaft für Atomenergie Ges. m. b. H. in Wien

K ernreaktorbrenn st off

Bei Kernprozessen und Kernspaltungen entstehen Produkte von hoher spezifischer Radioaktivität, Um eine verseuchung auch des Primärsystems von Kernreaktoren und Kernkraftwerken möglichst hintanzuhalten, werden jeweils Maßnahmen getroffen, die den Austritt und Übertritt der radioaktiven substanz aus dem engen Bereich des Reaktorkernes verhindern sollen. Es sind Verfahren bekannt geworden, wonach die Kernbrennstoff substanz mit Metallen legiert oder aber auch von Substanzen, wie Beryllium, Zirkon, Aluminium, Stahl etc. eingeschlossen wird, um ein Austreten der Spaltprodukte aus dem Bereich der Brennelemente zu verhindern. Es sind auch für diesen Zweck keramische Materialien herangezogen worden und mit besonders imprägnierten Graphitbehältern sind gute Spaltproduktrückhalte-Eigsnschaften erzielt worden. In solchen Fällen werden beispielsweise Kernbrennstoffüllungen in Graphitelementen geeigneter Abmessungen eingebracht und die Öffnungen der EIe-

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mente durch besondere Maßnahmen abgedichtet. Eine entsprechende Anzahl derartiger Graphitelemente bildet den Reaktorkern. Auf ähnlicher Grundlage basiert auch der Gedanke, kleine pulverförmige Teilchen von Kernbrennstoffen mit Schichten zu überziehen, die die entstehenden Spaltprodukte gut zurückhalten. Pyrolytische Kohlenstoffschichten, Borid-, Nitrid-, Selenid- und Sulfidschichten sind mit Erfolg zur Diffusionshinderung der Spaltprodukte herangezogen worden. Alle keramischen Systeme zeichnen sich dadurch aus, daß der Kernbrennstoff und die Brennelemente auf Temperaturen bis weit über 1000° C gebracht werden können, ohne daß Schmelzen und Spaltproduktfreisetzung eintritt. Wegen des guten thermodynamischen Wirkungsgrades sind solche Anlagen für ökonomische Kernenergieerzeugung von besonderer Bedeutung. Da es aber immer wieder vorkommt, sei es auf Grund von Material- oder Produktionsfehlern, oder aber durch äußere mechanische Einwirkungen, daß die Schutzschichten brechen, müssen aus Gründen der Sicherheit kostspielige Einrichtungen vorgesehen werden, die die Reinigung des Kreislaufes bei Versagen der Umhüllung gewährleisten.

Um diesem Ubelstand abzuhelfen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, Sinterwerkstoffe für die Brennstoff* elementmatrix heranzuziehen, die sich durch gute chemische, physikalisch-chemische und physikalische Bindungseigenschaften für Spaltprodukte auszeichnen. Solche Eigenschaften erreicht man auch bei hohen und höchsten Temperaturen mit Sinterwerkstoffen etwa der Art von Silber-, Beryllium-, Tantal-, Molybdän-,

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3ilizium-, Selen-, Zirkonverbindungen und deren Karbide usw. Solche Materialien in geeigneten, dem Reaktorsystera angepaßten Abmessungen zusammen mit beispielsweise Brennstoffpulverpartikeln oder Kügelchen, die mit Spaltprodukt rückhaltsfähigen Schichten überzogen sind, gewährleisten auch unter den extrenatenBetriebsbedingungen ein Verbleiben der Spaltprodukte im Bereiche des Keaktor-C.ores. Die erfindungsgemäße Kombination von spaltproduktrückhaltefähigen Materialien, die die Brennstoffpartikel unmittelbar überziehen, und die großflächige umgebende bzw. einbettende Sintersubstanz erleichtern wesentlich den Reaktorbetrieb, erlauben beträchtliche Einsparungen der Anlagekosten, vereinfachen den Lade·· und Entlademechanismus und erhöhen darüber hinaus die Sicherheit des Reaktors. Bei Anwendung des Erfindungsgedankens werden .Material- und Produktionsfehler bei den beschichteten Kernbrennstoffteilchen belanglos, aber auch ein Zerbrechen der Brennstoffelementmatrix oder des gesamten Brennstoffelementes würde keine katastrophalen Folgen haben, da ja erfindungsgemäß die dabei austretenden Spaltprodukte auch bei hohen und höchsten Temperaturen vom Sinterkörper aufgenommen werden·

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung in einigen Ausführungsformen beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 zeigt schaubildlich Einzelteile eines Brennstoffelementes.

Die Fig. 2 und 3 lassen Sinterkörper mit eingelagerten kornförmigen Brennstoffteilchen erkennen.

Fig. 4 veranschaulicht ebenfalls schaubildlich

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eine andere Ausführungsforra.

Aus den Fig. 5 und 6 sind weitere abgeänderte Ausführungsformen des Gegenstandes der Erfindung zu erkennen.

Fig. 7 zeigt ein Brennstoffteilchen.

Die Brennstoffelemente der Ausfuhrungsbeispiele eignen sich besonders für gasgekühlte oder natriumgekühlte Hochtemperaturreaktorsysteme. Grundsätzlich lassen sich jedoch auch alle anderen bekannten Kühlmittel verwenden. Praktische Experimente haben gezeigt, daß es möglich ist, alle metallischen Spaltprodukte und Halogene im Sinterkörper aufzunehmen» Auch viele der gasförmigen Produkte, mit Ausnahme der Edelgase, werden gebunden oder verzögert. Oa die Edelgase aber keine Reaktionen mit organischen oder anorganischen Substanzen eingehen, sind die erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen wesentlich geringer·

In der Fig. 1 ist ein Brennstoffelement in Form einer Vierkanthülse 6 dargestellt. In dieser Hülse sind die Sinterkörper 1 angeordnet, wobei zwischen den einzelnen Sinterkörpern 1 Kanäle 8 für ein Kühlmedium, z. B. Luft, vorgesehen sind. Die Sinterkörper 1 sind hier plattenförmig ausgebildet. Aus den Fig. 2 und 3 ersieht man, daß in diesen 3interkörpern 1 die Brennstoffteilchen 2 eingelagert sind·

Wie die Fig. 2 erkennen läßt, sind im Sinterkörper 1 Brennstoffteilchen 2 annähernd gleichmäßig verteilt angeordnet. An der äußeren Begrenzung des Sinterkörpers 1 werden dann gegebenenfalls Brennstoffteilchen sichtbar sein. Solche Platten können daher wohl im Inneren eines Brennstoffelementes, aber nicht außen Verwendung finden. Bei der Ausführung nach Fig. 3

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sind die Brennstoffteilehen innen in Schichten vorgesehen, derart, daß außen eine deckende Sinterschicht des Körpers 1 jedenfalls vorhanden 13t. Hier kann ein Entweichen von Spaltprodukten nach außen nicht erfolgen, so daß solche Platten auch als Außenplatten innerhalb von Brennstoffelementen Verwendung finden können. Bei der Ausführung gemäß der Fig. 4 sind kompakte Brennstoffkörper 3 axial in Abständen in einem stabförmigen Sinterkörper 1 vorgesehen. Diese Brennstoffkörper eind somit zur Gänze von Sintermaterial umgeben, so daß ein Entweichen von Spaltprodukten nach außen ebenfalls nicht eintreten kann.

Die Fig. 5 zeigt beschichtete Kernbrennstoffteilchen, die zusammen mit einer Kohlenwasserstoffbeimengung zu einem Preßkörper 4 geformt sind. Dieser Preßkörper liegt innerhalb des kugel- oder eiförmigen Sinterkörpers 1. Im Gegen« satz dazu sind bei der Ausführung nach Fig. 6 die beschichteten Brennstoffkörper 2 im gesamten Sinterkörper 1 annähernd gleichmäßig verteilt. Fig. 7 zeigt ein Partikelchen 2, das mit einer die Spaltprodukte zurückhaltenden Schichte 7 umgeben ist.

Die Erfindung ist auf die dargestellten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Die plattenförmig oder stabförmig dargestellten Sinterkörper können jede geeignete Form aufweisen, insbesondere auch kugelförmig, eiförmig oder quaderförmig ausgebildet sein. Es ist nicht immer erforderlich, "· daß alle Brennstoff teilch en mit einer Hülle umgeben sind, die die Spaltprodukte zurückhält.

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Claims (6)

U89195 Patentansprüche :

1.) Brennstoffelement für niedere und höhere

Betriebstemperaturen in Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoffsubstanz in ein Material mit guten chemischen, physikalisch-chemischen und physikalischen Bindungseigenschaften für Spaltprodukte eingebettet ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbettungsmaterial Sinterwerkstoffe umfaßt, z.B. Silber-, Tantal-, Molybdän-, Beryllium-, Silizium-, Selen- und Zirkonverbindungen bzw. deren Karbide oder einer Kombination zweier oder mehrerer geeigneter Verbindungen.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen der Kernbrennstoffsubstanz in Form von pulverförmigen Partikeln oder Kugeln, die einzelnen Teilchen mit die Spaltprodukte zurückhaltenden Schichten überzogen sind.

4. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper kugel- oder eiförmig ist.

5. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinterkörper plattenförmig ausgebildet sind.

6. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper zylindrisch ist.

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7· Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Sinterkörper kompakte Brennstoffkörper angeordnet sind (Fig* 4)·

β» Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoffsubstanz mit Bettungsstoffen zu einem Preßkörper verbunden ist, der seinerseits im Sinterkörper angeordnet ist (Fig· 5)· '

9· Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoff substanz etwa homogen im Sinterkörper verteilt ist (Fig. 6)·

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