DE1514124A1 - Hohlzylindrisches Kernreaktor-Brennelement - Google Patents

Description

• "Hohlzylindrisches Nerureaktor-Brennelement" Die Erfindung bezieht sich auf ein hohlzyl.ndriechee Kernreaktorbrenne.ement, m:t unterschiedlidheie spezifischen' W'armetluas durch eine @ äussere und innere Umhüllung, das in_ radialer Richtung verschiedene Brennstoffzonen aufweist und bei dem Nittel zur Beeinflujsung den Wärmeüberganges an der hnnenumhüllung vorgesehen sind.
• Bei Kernreaktoren. ist man, üm einen möjlichst großen h'irkimgegrad zu erreichen; bestrebt e das Ktüil.nedi;.m auf eine T®mperatur von etwa 50o0 G 'bis 6ooo C zu erbi#zen, Hei Xlües9.gkeite:-gekMten Kernreaktoren ist dies auf.' einfache Weise durch die Verwendung eines hohlzyUndriechen Brennelementes zu girrei.# chen, und zwar stehen d.i.e Brennelemente in dem Khimedium, den meistens gleichzeitig als Moderator dient. Bei einem Druck von etwa'. 7o ata siedet ' ttieses Milmedium bei etwa 235°' C an der Arssenoeite der Bre=elemente" Der so erzeugte Ssttdeaipf wird dann durch die hohlzylindrisrhen-.Bren:nelemente hindurchgeleitet und dort überhitzte Wählt man diese Art der Über. hitzung, so ist es wichtig, eine richten Aufte Linng der von. dem. Brennelement erzeugten Wärmemenge zur Siadeeite und zur überhil.-zerseite zu erreichen, damit beispielsweise nicht zu yiei wärke zur Siedeseite, abgeht. und- so der: ilberbitste Iba nicht die erwünechte:..Eadten<peratur erhält.. --Die I4eung dieoer Mutgabe besteht dein, daß die - . -leit:rähiäkait _mindestene einer k@enntotezone dairah:-$eimerigungen beeintluaat, uhd dad der WhrmeiiberßsttM>swiäsreteM. xwimohen der" 'innerem. Uxhüllung uüd' d®x 8@ematott 4uroh gut ,, wä=2leitende Piborn .hArubgänetzt isst:: - -'its»'-lö@ajhögliahkeit besteht-, ägrin, .f^ der det .7ttn und: .eoi .: Uihüllung wäg- - , -

  @-ldgen Brennstoff verscbie,den angereichert ist. . -

  In den ureu sind schematisch zwei Ausführungsbeispiele nach

  dir Erti#duug wiedergsgebet. Dabei ist angenom.-en, daß der Wär-

  meebtlu8- Bur Überhiteereeite vergrößert bzw. zur Siedeseite ver-

  "engem werden soll.

  feg. 1 seit einen Querschnitt durch ein hohlzylindrigahes

  ßernraafet"e@rbx@ax@aelement,

  'P14. 2 eixW andere -Aueührungsförm desselben :BrenneleMentee.

  r Brenne'tof i (Fig. 1) ist von einer "äußeren Umhüllung 2 gegen

  Bls Bied oeite 3 und von einer inneren Umhüllung 4 gegen die

  Überhitewreeite 5. abgesohloaeen.

  Üm den ewderstand zwischen der inneren Umhüllung 4 und dem

  Erennetoft 1 zu-verrngern, bieten sich mehrere"MSglichkeiten an:

  Einmal- kann man diese Aufgabe dadurch lösen, daß man die Innenbülle,.die beispielsweise au® einer Nickel-Chromlegierung beeteht, mit einer sehr engen"-Toleranz an den Brennstoff anpaßt. Dien kenh dadurch geschehen, daß man die innere Umhüllung durch hohen Druak oder durch Ziehen auf die Brennetoffpellets auf- drückt Und somit den Spalt zwischen beiden Materialien verringert. Verwendet man den Brennstoff in Gestalt von Pulver, so kann man durch Einvibrieren dieses Pulvere den inneren Spalt 6 ebenfalls sehr klein machen.
• Eine andere Lösungsmöglichkeit besteht darin, die Wärmeleitfähigkeit des Brennstoffes in der Nähe des inneren Spaltes 6 örtlich zu verbessern. Dies kann durch Einsintern von metallischen Fibern, die beisplelaweiwe aus Mos.ybdän bestehen, erreicht wer- den. Es ist auch möglich, diesen Effekt durch Beimengungen von Materialien mit besseren Wärmeleitfähigkeitseigenachaften, bei- speleweise von Ba:fs in der dem inneren Spalt nahegelegenen Zone des Brennstoffee z u erreichen Stellt man ewei `konzentrieuhe - Ritpollete her, von denen daß fiere -durch dit öben erwähnten Beimengungen in seiner WJeleitiähigkeit verbessert wurdet so kann äioeblbe=Wirkung erzielet ween9 indem die beiden Ringe ineinandergesteokt und evtl. anschließend geschliffen werden: Pig. i, geigt die äm- , eutepreehend@ vorgenommene Aufteilung den Brennstattee 1 in _ einen inneren: Ring 7 und in :einen gußeren itg.
• Will man den Wswiderstand zur Siedeehe 2 vergrößern, eo -stehen obentelle.mehrere Möglichkeiten offen Hier. bttet .eich an:, den äußeren Spalt 9 zwischen Brennstoff und,,Serb@nht@l.:ung .2 zu vergxsex.. Es ist denkbar, daß eine Spaltweite von 0@-l 5 bin 025 mm, gefüllt mit Helium, . eine hinreichende. Vorgrößenrig des Wärmewidaretandee ergeben wird. um ein e®.x.enerasee Anliegen der Pelletsägle an dodr@ äußeren Ümhüllung zu @Vermeidenmü.esen .die Pellete - in der Hülle ientriert sein. Dies kann durch Abstandshalter zwischen peilete und Ümhüllung geeoheheub Hierfür bieten sich zwei Xögltchkeiten ans Entweder erhalteh, die Pollete selbst durch- entepre¢hende Pertigung -diese Zentrierungevortiehtungen oder diene .werden en der g=eriebirflgobe 'der- äußeren ümhüüllme 2 arigebr' aaät. in Fig. 2 end.-die Abetdshelter 10-;im Böhnitt gezeigt.. Außerdem kann-die lnnenobertläohe Ader äußeren Umhüllung 2 durch eifit; geeigneten Vrfahren nntgeraght werden,, so daß die Umhtill.ixng nuir -relativ wenigen funkten die Pellete berührt.
• ester ist be mögliöh, die Pellete als Vielool4 beispielsweise tie geaa4- bdet ,Aobteok, atiazubilden.Dies kann bereits beim Preßvorgang geaoben .oder durch- meahariisoheg Bearbeiten nach dem Sintbrri, - t diese Weine irtblgt die Auflage der pellete an der umhüllung nur an der definiertet Igokante. Ebenfalls ist es. mt g .i n,. die Innenfläche der 'äußeren Umhüllung durch einen enteprettäendb;tZiehvorgang mit, Rippen, beispielsweise Ung$rippen,. zu. Versehen, die .dann als Auflage für 'die Pellettäale dienen. Der Widerstand des äußeren Spaltes, 9 kann auch dadurch vergrßeworden, daeihe Isoliereehicht zwischen dem - Brennstoff i und die äußere t.üllung 2 gebracht wird. Diese Isolieraohioht kann entweder auf die innere Oberfläche der äußeren Umhüllung 2 oder auf die Pelletoberflä.che, beispielsweise -äuroh Plammenaprühen aufgebracht werden. Dä die thermische Leitfähigkeit-von Isoliermaterialien, wie Aluminium oder Zrkonoyd, praktisch in derselben Größenordnung -wie die .von UO2 liegt, ist ®a von Vorteil, wenn die Ksramikechieht -sehr porös aufgebracht wird. Wird eine deraxtige poröse Keramikschicht auf der Innenoberfläche der äußeren Umhüllung aufgetragen, so kann -man ebenfal-ls vibriertes f02 Pulver mit Vorteil verwenden, sich die geringen oleranzheigatellenfaktoren dieses Brennstof:-fes zu: Nutze zu machen.
• fahrend eine Isolierschicht, die auf' die 2elletsäule bzw. die a Innenseite der Umhüllung aufgesprüht .wird, recht dünn Bein kann (Wanddicke etwa 0,5 mm), maß ein stranggepredtes Keramikröhrchen aus Herstellungsgründen etwa 1 mm bis 1,5 mm Wandstärke besitzen. Die Isolierwirkung der Keramik selbst braucht jedoo'h nicht so hoch zu sein, da der zweifache Spalt zwischen Pelletberfläohe und Umhüllung den Wärmewiderstand verstärkt. Ebenfalls ist es zur Lösung der oben angeführten Aufgabe mglicbt ein zweites Metallröhrchen, das aas neutronenökonomischen beispielswiise aus Zrcalpy-2 mit- etwa 0$2 mm Wandstärke besteht, @ über die Pelletsäule zu ziehen. Dieses zweite Röhrchen steht über Rippen oder spiralförmig angeordnete.dünne Drähte mit der Innenseite der Umhüllung in Berührung. Wirksam sind bei dieser Variante die zwei Gasspalte, von denen der äußere exakt definiert ist.
• Bei der Verwendung diüees zweiten Röhrchens ist es möglich, als: Brennstoff ein°Fibriertea ü02-Pulver zu verwenden. :,-a -diesem Pell bildet sich nur ein Gasspalt zwischen dem-Metallröhrchen. ,i-nd s@ ar Umhüllung als wirksamer Wärmewiderstand aus. Das Röhrchen. mo.ß gegen die Außenhülle- ebenfalls durch Dräht'@ ° 6-äj]#-flippen j entriert sein. in beiden fällen ist es von Vorteil, die Ümhiällang 2 eelbstträgend gegenüber dem auszulegen. Zur ,;ersohleehterung der Wärmeleitfähigkeit kam man auch über töehiometrischen Brennetof@f (ü02) verwenden . In.diesem fall werden die gesinterten Pellete von außen kontrolliert aufoxydiert bis etwa t3420. e ' .pur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe ist ea- ferner möglich, eine unterschiedliche Wärmeabfuhr auf '.er Siede-,und Überhitzerse:#te daduroh.z#L erreichen, daß im inneren Bereich des Brenne.`',nentes verschieden viel Energie erzeugt wird. Dies ist durch eine verschiedene ,reioherung des an dies fiere Umhüllung an-grenzenden Brennstoffes 1 zu erreichen. Hierbei ist es von Vorteil,, den Brennstotf aus zwei Ringpellete, wie-in Pig. 2 ange-

  stet, aufzubauen. Dabei ist die innere Ringsäule 7 höher an-

  gereichert als die äußere. In erster Annäherung kann man anneh-

  daß bei einem auf diese Weise hergestellten Brennelement

  Ale 44121 äußere-, Ring erzeugte Energie nach außen und-alle im

  >;..creRing erseWgte Energie nach innen. abfließt, wobei der

  _1,4.jcten den

  vorhandene Spalt noch eine zusätzliche

  ;rr$barr:ere darstellt. Um ein derartiges Brennelement herzu-

  kann es von Vorteil sein, die beiden verschieden ange--

  ,, rten Bingpellets getrennt herzustellen und vor/oder nach

  ,@m Sintern inenanderzüstecken. Ebenfä,s Ist es möglich, das

  .;@ ne l:er beiden Ringpellets, 'etwa das äußere $, aus niedrig an-

  gereichertem U42 so. fertigen und nach der Montage. dieser PeZlet-

  uMle den inneren Ring 7 mittels höher angereichertem U02@.t11,.lger

  s: nzuvbrieren.

  So ist abenfalle von Vorteil, mehrere der geschilderten Maßnahmeee.

  4I,leic%seitig zu verwenden, um dadurch den Effekt einer gesteu-

  s:~n Wärmeableituzu erhöhen.

Claims (1)

1. p a t s n t a n a p r U a g e @1. . Hohlzalindri®chan Keaaresirtorbelement, mit unterschiedlichem spezifischen vüimeflu®s durch eine äusse und inmeae Umhüllung,: du in radialer Richtung versahie-Jene Breanstotfsonea aufweist und bei dem Mittei zur `,eeeiuflussung. des W'araeilberganges an Tier irnenumhüll vorgeaehen sind t d a d u r e h - g e k e n n Z e z da& dis WämeZAitfähfg%eit mindestens einer @reiznsof:cn:e äh Beimengungen: beenfluset, und daß der Wämeübergangsder®taswiachen der inneren Umhüllung und den Brennstoff durch gut weleitende Fibern herabgsseist... '. Hohisylindrschea Kernreaktatrbrennelement nach Anapzu1 9 a d u r c h g e k e n n z e i a h n. e t, daß die Fibe u den Brennstoff in der Nähe der inneren iülung -eingebettet sind. 3. NO hlzylinäriecheo Kernreaktoxbrannelement `nach Anspruch 2, d a d .u r c h g Q k e n n z e i c h n e t i dnß diese gut wärmeleitenden Fibern aus holytdän bestehen. 4. Hohlzylindrisches Kernreektorbrennelement nach- Anspruch '! bis 39 d a -d u r c h g e & e n n z e i c h n e t, daß der Brennstoff aus zwei zylindrischen Urperu pietertigt ist, von denen der innere Ring durch Beimengung eine grUere Wärmleitiähigkeit besitzt. 5. Hohlzylindrisches Kernreaktorbrsnnelement nach Lnapxuch 4, - d a d u, r c h g e k e n n z e i o h n e t, deß diese teämengung aua. Be0 besteht. 6. Bohlsyindrisohes gernreaktorbreänelement °naah Anspruch 1, d: a d u r c h . g e k e n a z e i. o h n . e t, da der Brennstoff als Pulver einvibriert ist,.' ltohlzylindrsches Kernceak6orl'renn.alement neeh Anspruch 1 und folgenden, d a d u r c -)i g e k e n n * s e i c h n e t; daß eine Brennsto=tsone als Pellet liergesteltt tvid montiert ist und das die zweite Orennstoffzone als k'ülver nach den Montieren einvibriert worden ist, E3. HohlzylinArischeß Xemreaktorbrennslemena nach-Anspruch 'i .bis ?r mit Mitteln zur Beeiafliseeung deo Wämeilbergangswider standen an der Aussenumhüllung, d a d u r c h ; e k e r. n# e- i c h x e tg daß der Breuwtoi`f mindestens in der Ne einer Umhüllung aus. über/oder unterstöchiometi.eahem Urandioxyd, besteht:: Rohlaylindrisce Iternreaktorbre=elemeat nach praoh 8ß dadurch Sekeatn.ohnet, daßderBrenuatorf .in der Ehe der inno»n ulung aus uU2.x und/oder in der Nähe der äueeeren umhulung aus 'O2+X besteht