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Brennstoffstab mit verbesserter Wärmeleitender Verbindung für Kernreaktoren
Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennstoffstab mit wärzeleitender Verbindung
für Kernreaktoren, insbesondere für Leistungsreaktoren, die mittels eines unter
DruckAtehenden Wärmeträgers gekühlt werden und aus einer im wesentlichen zylindrischen
Hülle, die mit radialem Spiel einen Stab oder Tabletten , aus spaltbarem Material
umschließt, einem diesen Spielraum ausfüllenden Material mit guter Wärmeleitfähigkeit
und geringer Neutronenabsorption, das bei Arbeitstemperatur des Stabes in dem Reaktor
flüssig ist, und aus zwei Verschlußstopfen für die Enden der Hülle besteht.
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Bekanntlich dient bei den Brennstoffstäben dieser Art das Zwi-. ,
schenschalten
eines flüssigen Bades, beispielsweise aus Natrium oder dem Eutektikum N atrium-xalium
oder aus der Legierung Blei-Wismut, zwischen Hülle und Brennstoff zum Bewirken bzw.
Gewährleisten eines guten Wärmeleitkontaktes zwischen diesen beiden Elementen zwecks
Steigerung des Wärmeflusses und Begrenzung der Temperatur des Brennstoffs, sofern
diese bei bestimmten Brennstoffen, beispielsweise bei Urancarbid, Werte erreichen
kann, die erhebliche Maßveränderungen des eigentlichen Brennstoffs herbeiführen
können. Diese bekannten Ausführungen der Brennstoffstäbe mit flüssiger, wärmeleitender
Verbindung zwischen Hülle und Brennstoff machen zwischen diesen beiden Elementen
einen erheblichen Spielraum sowie die Anordnung einer Dehnungskammer im oberen Abschnitt
des Brennstoffstabes erforderlich, die beim Übergang des die wärmeleitende Verbindung
bildenden Materials aus seinem Festzustand in seinen flüssigen Zustand die Beibehaltung
eines guten Wärmeleitkontaktes gewährleistet. Es ist allgemein bekannt, daß bei
den bisher bekannten Ausführungen bei der Herstellung des Brennstoffstabes Schwierigkeiten
auftreten, da, indem das die wärmeleitende Verbindung bildende Material in geschmolzenem
Zustand eingefüllt wird, Vor=
kehrengen zum Vermeiden einer Oxydation
des Brennstoffs, wie beispielsweise die Durchführung des Füllvorgangs bei gesteuerter
Atmosphäre und bei sehr sauberen Oberflächen, getroffen werden müssen, und daß andererseits
diese Ausführungen den Nachteil haben, daß eine gleichmäßige Verteilung der geschmolzenen
Schicht wegen der Gefahr der Entstehung von Unterbrechungen bei ihrem Übergang aus
einem Aggregatzustand in den anderen nicht immer gewährleistet ist. Gegenstand der
Erfindung ist ein Brennstoffstab, der um den Brennstoff herum einen Raum für das
die flüssige wärmeleitende Verbindung bildende Material aufweist, und zwar so, daß
das Material ohne die Gefahr der Bildung von Unterbrechungen in dem wärmeleitenden
Kontakt zwischen Brennstoff und Hülle aus seinem Festzustand in seinen flüssigen
Zustand übergehen kann, und der infolge seiner Bauweise einfacher herzustellen ist
als die bisher bekannten Ausführungen. Das Hauptziel der Erfindung ist die Herstellung
eines Brennstoffstabes der vorerwähnten Bauart, jer die örtliche Festlegung des
die in wärmen Zustand flüssige wärmeleitende Verbindung bildenden Materials sowohl
im Festzustand als auch in flüssigem Zustand um den ganzen Brennstoff herum in seiner
richtigen Lage ermöglicht..
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist,
ein neuartiges Verfahren zur Bildung einer wärmeleitenden Verbindung in einem Brennstoffstab,
das die Herstellung der wärmeleitenden Verbindung mit Hilfe von ausschließlich mechanischen
Vorgängen unter Vermeidung des Füllvorgangs durch Schmelzen, d. h. bei geschmolzenem
Zustand des die wärmeleitende Verbindung bildenden Materials ermöglicht. Der Brennstoffstab
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er um den Brennstoff herum ein
zumindest zwischen dem Brennstoff und der Hülle angeordnetes Metallgitter enthält,
in dessen Maschen das die wärmeleitende Verbindung bildende Füllmaterial verteilt
angeordnet ist. Nach einem weiteren Merkmale der Erfindung hat das Gitter zwischen
der Hülle und dem Brennstoff eine solche Dicke, daß es den Spielraum zwischen der
Hülle und dem Brennstoff unter Berührung ihrer Flächen ausfüllt bzw. einnimmt. Das
Verfahren zur Herstellung der wärmeleitenden Verbindung in einem solchen Brennstoffstab
ist dadurch gekennzeichnet, daß, vorzugsweise nachdem mit Hilfe eines bekannten
Verfahrens die Befestigung des Verschlußstopfens an einem der Enden der Hülle
erfolgt
ist, in die Hülle eine Folie aus einem Material eingesetzt wird, das die wärmeleitende
Verbindung bilden soll und das vorher auf die Dicke des Spielraums zwischen Hülle
und Brennstoff ausgewalzt und, in das das Gitter eingebaut worden ist, woraufman
in die so ausgekleidete Hülle den Brennstoffstab oder die Brennstofftabletten einführt
und schließlich den Verschluflstopfen an dem zweiten Ende befestigt oder die Befestigung
der beiden Stopfen an den beiden Enden vornimmt.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung, deren einzige
Figur eine Seitenansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Brennstoffstabes im
Teilschnitt veranschaulicht, näher erläutert.
| Diese Figur zeigt die Hülle 1, beispielsweise aus dem unter
der |
| _gesintertem |
| Bezeichnung S.A.P. (Sin tered Aluminium Powder) bekannte- |
nium, die mit rühlrippen 2 versehen ist und in der die Brennstofftabletten 3, beispielsweise
aus Urandioxid oder -carbid, aufgestapelt sind. Die Verschlußstopfen sind mit 4
und das den Spielraum zwischen der Hülle 1 und den Brennstofftabletten 3 einnehmende
bzw. ausfüllende Material, das die Aufgabe einer wärmeleitenden Verbindung erfüllende
flüssige Bad bildet, mit 5 bezeichnet.
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Erfindungsgemäß ist zum Erzielen einer gleichmäßig und homogen
verteilten
flüssigen Schicht um den Brennstoff 3 herum in dem Spielraum zwischen Brennstoff
und Hülle ein Metallgitter 6 eingesetzt, dessen aus den Drähten 7 gebildete Maschen
je eine Teilmenge des Materials 5 umschließen. Das Gitter 6 weist Maschen von vorzugsweise
1 x 1 oder 1 x 2 mm auf, die aus einem Draht gebildet sind, dessen Durchmesser in
der Größenordnung von einigen Zehntelmillimetern liegt, der sich dem Spielraum von
zwischen 0,5 und 1 mm schwankender gleicher Größenordnung anpaßt. Wesentlich ist,
daß der Werkstoff, aus dem das Gitter 6 besteht, weder mit dem Brenreoff noch mit
dem Material 5 noch mit den Werkstoffen für die Hülle und die Verschlußstopfen eine
(chemische) Reaktion eingeht und daß sein Schmelzpunkt zumindest höher ist als der
des Materials 5. Als Beispiel wurde für eine Hülle aus S. A: P. (gesintertem
Aluminium)und für den vorstehend angegebenen Brennstoff eine wärmeleitende Verbindung
aus Blei mit einem Gitter aus Aluminium hergestellt. Zur Bildung dieser wärmeleitenden
Verbindung wurde zunächst die Auskleidung der Innenwand der Hülle mit einer auf
die für den Spielraum erforderliche Dicke ausgewalzten Bleifolie, in die
vorher
das Gitter 6 eingebaut worden war, vorgenommen, worauf in die so ausgekleidete Hülle
die Brennstofftabletten eingeführt wurden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist
die so zwischen Brennstoff und Hülle hergestellte wärmeleitende Verbindung mit Hilfe
von aus der das. Gitter enthaltenden Bleifolie hergestellten Scheiben 8, von denen
eine vor dem Auskleiden der Hülle mit der vorerwähnten Bleifolie auf den zuerst
mit einem der Enden der Hülle verschweißten Stopfen gelegt wird, außerdem auf die
Enden der Hülle zwischen ihren Verschlußstopfen und den Brennstofftabletten erweitert.
Die Stopfen 4 sind vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Hülle,und ihr
Verschweißen mit der Hülle erfolgt mit Hilfe eines bekannten Verfahrens, z. B. mittels
Hartlötung oder Lichtbogenschweißung. Es sei bemerkt, daß das zwischen der Hülle
und dem Brennstoff zur Stützung des Materials für die wärmeleitende Verbindung eingesetzte
Gitter außerdem zu einer einwandfreien und konstanten Zentrierung des Brennstoffs
gegenüber der Hülle dient, so daß bei Brennstoff in Tablettenform jedes gegenseitige
Verrutschen
der Tabletten verhindert wird.
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Außerdem sei bemerkt, daß sich die wärmeleitende Verbindung gemäß
dem vorstehend beschriebenen Verfahren auch noch axs anderen Werkstoffen herstellen
läßt, und zwar aus solchen, die gute Wärmeleiteigenschaf ten sowie eine gute Neutronendurchlässigkeit
und eine gute Verträglichkeit mit den sie umgebenden Werkstoffen aufweisen. Die
Hauptbedingung, der sie entsprechen müssen, ist die, daß sie sich auf geringe Dicken
in der Größenordnung des allgemein zwischen 0,5 und 1 mm liegenden Spielraums auswalzen
und kaltbehandeln lassen, damit der Einbau des Gitters möglich ist. Diese Werkstoffe
können sowohl eine Paste, ein verdichtetes Pulver oder eine Legierung sein. Zur
Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und bzw. oder
in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was abweichend von den
konkreten Ausführungsbeispielen für den Fachmann naheliegt. .