DE1514092B2

DE1514092B2 - Brenn und oder brutelement fuer kernreaktoren

Info

Publication number: DE1514092B2
Application number: DE19651514092
Authority: DE
Inventors: Alfred Prof Dr 5100 Aachen Boettcher
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1964-10-22
Filing date: 1965-06-29
Publication date: 1971-04-08
Also published as: BE671067A; DE1514092A1; FR1452344A; SE328061B; GB1070677A; NL6609021A; BE683269A; US3413195A; DE1241541B; CH434498A; GB1121892A; NL6513491A; DE1298208B; US3472734A; CH465076A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren, bei dem mit Kohlenstoff, Karbiden oder Oxyden beschichtete Brenn- und/ oder Brutstoffteilchen in loser Schüttung in einer vakuumdicht verschlossenen metallischen Hülse enthalten sind, nach Patent 1 241 541. Die Hülse weist dabei vorzugsweise einen zylindrischen oder ringförmigen Querschnitt auf. Der Durchmesser der Brenn- und/oder Brutstoffpartikel beträgt einige 100 μ.

Bei diesen Brenn- und/oder Brutelementen bestehen die beschichteten Partikeln aus einem inneren kugelförmigen Brennstoff- oder Brutstoffkern, beispielsweise bekannten Uran- oder Thoriumverbindungen, wobei vorzugsweise Oxyde oder Karbide Verwendung finden, Diese Kerne sind mit einer etwa 30 bis 150 μ dicken Schicht aus pyrolytischem Graphit und/oder geeigneten bekannten Oxyden oder Karbiden umhüllt. Durch diese Beschichtung soll das schnelle Herausdiffundieren insbesondere gasförmiger Spaltprodukte aus den Kernen der Partikeln in die Umgebung verhindert werden. Solche Beschichtungen der Brenn- und/oder Brutstoffkerne können bei sehr genauer Kontrolle ihre Dicke in Gestalt von geometrisch praktisch sauberen Kugelschalen auf Kerne aufgebracht werden. Es ist ferner bekannt, daß bei bestimmter Lenkung des Verfahrens die Beschichtung der kugelförmigen Kerne auf so aufgebracht werden kann, daß die Umrißform eines beliebigen Querschnitts polygonförmig ist. Dabei wird die

Polygonalität als das Verhältnis von

Ad

definiert,

wobei Δ d die jeweils auftretende Dickendifferenz zwischen dickster und dünnster Beschichtungsstelle und d die mittlere Dicke der Beschichtung ist. Derartig ausgebildete Beschichtungen wurden jedoch bisher für unzweckmäßig gehalten, da sie zwangläufig zu unterschiedlichen Dicken der Beschichtung führen, woraus insbesondere die folgenden Nachteile entstehen :

Es ist wesentlich schwieriger, bei solcherart beschichteten Partikeln den Anteil an Brennstoff im fertigen Produkt zu messen. Ferner muß die dünnste Stelle der Beschichtung zur Erzielung der Diffusionshemmung eine gewisse Mindestdicke haben, was zwangläufig dazu führt, daß an den dicksten Stellen der Beschichtung mehr Beschichtungsmaterial aufgebracht werden muß, als dies aus Gründen der Diffusionshemmung notwendig ist. Da außerdem die Feststellung der geringsten Dicke sehr schwierig ist, wird dadurch die Gefahr des Austritts von Spaltgasen erhöht. Daher wurde bisher die Verwendung von in der erwähnten Art polygonal beschichteten Partikeln nicht für ratsam gehalten.

Beschichtete Partikeln werden nicht nur in Brenn- und/oder Brutelementen für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren verwendet, in denen sie mit massivem Graphit oder Karbiden umgeben sind. Im Hauptpatent ist bereits vorgeschlagen worden, beschichtete Partikeln in solchen Reaktoren zu verwenden, in denen der Brenn- und/oder Bruststoff in einer vakuumdichten metallischen Umhüllung enthalten ist. Bei Elementen der letztgenannten Art hängt die erzielbare maximale Overflächenbelastung von der Wärmeleitfähigkeit der in der metallischen Umhüllung enthaltenen losen Schüttung beschichteter Partikeln ab. Dabei kommt es darauf an, die Wärmeleitfähigkeit solcher losen Schüttungen zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der überraschenden Erkenntnis aus, daß die Wärmeleitfähigkeit loser Schüttungen beschichteter Partikeln dann erheblich höher ist, wenn bei sonst gleichen Parametern an Stelle kugelschalenförmiger Beschichtungen solche Beschichtungen auf die kugelförmigen Kerne aufgebracht werden, bei denen die Umrißform eines beliebigen Querschnitts polygonförmig ist. Beispielsweise wurde bei Partikeln mit einem UC₂-Kern mit einem Durchmesser von 315 bis 340 μ und einer

ίο kugelschalenförmigen Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff mit einer durchschnittlichen Dicke von 115 ± 3 μ eine Wärmeleitfähigkeit von
0,0016 ± 0,0003 cal/cm°C see festgestellt. Dagegen betrug unter sonst gleichen Bedingungen bei einer Beschichtung, bei der die Umrißform eines beliebigen Querschnitts eines Partikels polygonförmig war, die Wärmeleitfähigkeit 0,0038 ± 0,0003 cal/cm°C see. Das bedeutet, daß bei Verwendung von beschichteten Partikeln polyederartiger Form, bei denen diese in einer metallischen Umhüllung enthalten sind, eine wesentlichhöhere spezifische Oberflächenbelastung von Brenn- und/oder Brutelementen möglich ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird daher — ausgehend von dieser Erkenntnis — bei einem Brenn- und/oder Brutelement der obengenannten Art dadurch gelöst, daß die Beschichtung des kugelförmigen Brenn- und/oder Brutstoffkernes der Partikeln derart ausgebildet ist, daß die Umrißform eines beliebigen Querschnitts polygonförmig ist.

Eine weitere Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit ist nach einem nicht zum Stande der Technik gehörenden Vorschlag auch bei dem Brenn- und/oder Brutelement gemäß der Erfindung dadurch erzielbar, daß die in der losen Schüttung gebildeten Zwischenräume mit Heliumgas ausgefüllt sind, das unterAtmosphärendruck oder höherem Druck steht.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines Brennelements gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 die vergrößerte Wiedergabe einer beschichteten Partikel,

F i g. 2 ein ringförmiges Brennelement mit beschichteten Brennstoffpartikeln mit polygonförmigen Umriß.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist bei den in dem Brenn- und/oder Brutelement gemäß der Erfindung enthaltenen Partikeln der sphärische oder nahezu sphärische Kern 1 der Partikel von einer Beschichtung 2 umhüllt, die diesen Kern so umgibt, daß die Umrißform eines beliebigen Querschnitts polygonförmig ist, die Beschichtung insgesamt also einen unregelmäßigen Vielflächner bildet. Diese Partikeln sind, wie aus dem in F i g. 2 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel eines ringförmigen Brennelements hervorgeht, als lose Schüttung 3 in der Umhüllung 4 enthalten.

Die Vorzüge des Brenn- und/oder Brutelements gemäß der Erfindung, die sich aus der hohen Wärmeleitfähigkeit ergeben, sind so groß, daß dadurch die Nachteile, die einer Verwendung von Partikeln mit einer derartigen Beschichtung, bei der die Umrißform eines beliebigen Querschnitts polygonförmig ist, in Brennelementen für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren bisher entgegenstanden, bei weitem überkompensiert werden. Dadurch, daß die beschichteten Brennstoffpartikeln in einer metallischen Umhüllung enthalten sind, stellen an einzelnen etwa vorhandenen zu dünnen Stellen solcher Beschichtungen gegebenenfalls auftretende geringfügige Mengen gasförmiger

Spaltprodukte keine Gefahr dar, weil die beschichteten Partikeln in der metallischen Hülse eingeschlossen sind.

Claims

Patentanspruch:

Brenn- und/oder Brutelement für Kernreaktoren, bei dem mit Kohlenstoff, Karbiden oder Oxyden beschichtete Brenn- und/oder Brutstoffteilchen in loser Schüttung in einer vakuumdicht verschlossenen metallischen Hülse enthalten sind, nach Patent 1 241 541, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung des kugelförmigen Brenn- und/oder Brutstoffkernes der Partikeln derart ausgebildet ist, daß die Umrißform eines beliebigen Querschnitts polygonförmig ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen