DE1514366B1

DE1514366B1 - Brennstoffelement fuer einen Kernreaktor

Info

Publication number: DE1514366B1
Application number: DE19651514366
Authority: DE
Inventors: Albertus Johannes Gerardus Engel; Geert Versteeg
Original assignee: Reactor Centrum Nederland
Current assignee: Reactor Centrum Nederland
Priority date: 1964-08-28
Filing date: 1965-08-27
Publication date: 1970-04-23
Also published as: GB1053598A; NL125487C; BE668901A; NL6409978A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffelement für über 1500⁰C eingesetzt werden kann, ohne daß Vereinen Kernreaktor in Form einer Oxydmatrize aus luste an Bor auftreten.

einem Brennstoffoxyd und mit Bor als abbrennbarem Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

Neutronengift sowie ein Verfahren zur Herstellung des löst, daß das Bor in Form von kleinen Teilchen aus Brennstoffelements. 5 einer bei hohen Temperaturen stabilen Borverbindung

Früher benutzte man als brennbares Neutronengift von Uran und/oder Thorium in das Brennstoffoxyd häufig B₄C. Dieses Material hat jedoch den Nachteil, eingebettet ist.

daß es bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise Die Borverbindungen liegen dabei bevorzugt in

1500⁰C, nicht mehr brauchbar ist, da es sich mit UO₂ Form von Tetraboriden vor.

verbindet und sich bildende flüchtige Bestandteile in io Durch das Vermischen dieser Boride in Form von das umgebende Material des Brennstoffelements diffun- Körnern mit dem entsprechenden Brennstoffmaterial dieren. Durch die Diffusion von beispielsweise ent- ergibt sich der Vorteil, daß das Bor ohne Einbeziehung stehendem Boroxyd werden die in dem Brennstoff- von Elementen, wie Kohlenstoff, Zirkon usw., zugematerial eingebetteten Giftteilchen locker. Weiterhin setzt werden kann, so daß die Möglichkeit des Einwerden die auf der lokalen Zuordnung des abbrenn- 15 tretens von Nebenreaktionen nahezu ausgeschlossen baren Neutronengiftes aufgebauten Berechnungen wird.

wegen der Ausbreitung des Boroxyds ungenau. Normalerweise verwendet man UB₄ und ThB₄,

Auch bei einer Temperatur unter 1000⁰C, wo eine welche beide sehr stabil sind und beispielsweise nicht Reaktion von UO₂ und Borcarbid noch nicht eintritt, mit UO₂ reagieren. Da die Mischboride von Uran und bilden sich flüchtige Verbindungen, da das Borcarbid so Thorium noch stabiler sind, ist es zweckmäßig, wenn mit nicht stöchiometrischem UO₂ während des Sinter- sie in kristalliner Form in der Oxydmatrize enthalten Prozesses, der bei etwa 1500⁰C stattfindet, und mit sind.

dem während der Reduktion nach dem Sinterprozeß Das einen Teil des Borids bildende Uran kann versieh bildenden Wasserstoff und Wasser reagiert, so daß armtes Uran sein. Dies hat den Vorteil, daß bei Ein-Bor verlorengeht. Die Reduktion nach der Sinterung 25 fangung der Neutronen das Uran selber nicht umgeist erforderlich, um das UO₂₊X in stöchiometrisches setzt wird, so daß das Kristallgitter in dieser Hinsicht UO₂ umzusetzen. nahezu keine Änderung erfährt. Diese Beständigkeit

Man hat gefunden, daß bei einem Brennstoffelement des Gitters trägt dazu bei, daß in der Spaltstoffmatrize auf Oxydbasis, in das B₄C als abbrennbares Neutronen- eingebettete Giftkörner nur wenig Änderung aufweisen gift gegebenenfalls bei Anwesenheit von C eingebracht 30 und ihre Form sehr lange behalten, ist, folgende Reaktionen stattfinden: Die Boride sind vorteilhafterweise in Form von

nahezu kugelförmigen Körnern mit einem Durch-

2UO₂ + 3B₄C -+ 2UB₄ + 2B₂O₂(g) + 3C (1) messer von 100 von 500 μ gleichmäßig über der Oxyd

matrize verteilt.

2B₂O₂-> ⁴Z₃B₂O₃(S) + ⁴/₃B(f) (2) 35 Die Herstellung der erfindungsgemäßen BrennstofF-

(ü — f t Ph elemente erfolgt zweckmäßigerweise so, daß nahezu

(fl) = flüssige Phase, kugelförmige Körner mit einem Durchmesser von 100

(g) = gasförmige Phase. bis 500 μ, die aus den bei hoher Temperatur stabilen

Borverbindungen von Uran und Thorium oder einer

Durch die Umsetzung nach (2) verläuft die Reaktion 40 Kombination derselben bestehen, im erforderlichen nach Gleichung (1) nach rechts, wodurch sich große Gewichtsverhältnis mit Pulver der Brennstoffoxyd-Mengen UB₄ bilden, wenn der Reaktor bei einer Tem- matrize vermischt werden, daß danach die erhaltene peratur über 1000° C arbeitet. Mischung in Form von Stäben oder Tabletten kompri-

Dieser Nachteil tritt auch bei einem bekannten miert und so lange gesintert wird, bis die Oxydmatrize Material für Brennstoffplatten auf (nuclear fuel 45 die erforderliche hohe Dichte erreicht hat. Beispielselements, 1959, S. 144 bis 150), bei dem als abbrenn- weise kann man die Mischung in eine Röhre füllen und bares Neutronengift elementares Bor verwendet wird. durch Schwingungen oder durch Hämmern der Röhre Wird bei einem derartigen Brennstoffelement eine auf die erforderliche Dichte bringen. Temperatur von etwa 900⁰C erreicht, so beginnt sich An Hand des folgenden Beispiels wird die vor-

das elementare Bor mit dem Uranoxyd unter Bildung 50 liegende Erfindung näher veranschaulicht, von Uranborid und Boroxyd (1) umzusetzen. Da außerdem bei diesem bekannten Brennstoffelement größere Beispiel Mengen rostfreien Stahls vorhanden sind, ist das Verhalten von Bor oder Urantetraborid anders als gegen- Aus einer pulverförmigen Mischung von UO₂ + 6B über Uranoxyd allein. Durch die Verwendung von 55 wird eine Tablette von 25 mm Länge und 10 mm rostfreiem Stahl in diesem Zusammenhang wird in Durchmesser gepreßt. Diese Tablette wird an einem vielen Fällen die Verwendung von angereichertem Tantalfaden aufgehängt, der mit einem Ende in einem Brennstoffoxyd erforderlich, was sehr kostspielig ist. ringförmigen »Susceptor« aus Graphit befestigt ist. Weiterhin ist bekannt, bei der Herstellung von Die Erhitzung erfolgt innerhalb einer Argonatmo-Brennstoffelementen die Brennstoffmischungen zu 60 Sphäre. Die Temperatur des Susceptors wird mit komprimieren und zu sintern, wobei die Mischung einem optischen Pyrometer gemessen. Bei der bei etwa beispielsweise in einer Röhre durch Schwingungen 2400⁰C eintretenden Reaktion bildet sich UB₄ in oder durch Hämmern verdichtet werden kann. flüssiger Form, aus dem Tropfen herabfallen und am Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht kalten Ende des vertikalen Reaktionsrohres, in dem darin, ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor 65 der Versuch stattfindet, erstarren. Die erstarrten in Form einer Oxydmatrize aus einem Brennstoffoxyd Tropfen werden in einem Quarztiegel gesammelt. Bei und mit Bor als abbrennbarem Neutronengift zu dieser Herstellungsweise wird vermieden, daß bei den schaffen, das in Reaktoren mit Betriebstemperaturen hohen Temperaturen andere Stoffe einwirken können.

Die erwähnte Reaktion läuft nach folgender Gleichung ab:

UO₂ + 6 B = UB₄ + B₂O₂

(3)

Die Anwesenheit von UB₄ wird durch die Röntgenanalyse nachgewiesen. Außerdem sind an der Wand des Quarztiegels, in dem das Produkt aufgefangen wird, neben den schwarzen Niederschlägen, die dem entstandenen Bor zuzuschreiben sind, weiße Ablagerungen festzustellen, die auf entstandenes B₂O₃ hinweisen. Die bei 2400⁰C eintretende Reaktion ist ziemlich heftig.

Aus diesem Versuch ist zu ersehen, daß, da sich bei 2400⁰C UB₄ gebildet hatte, dieses beständiger ist als die bisher verwendete Verbindung B₄C, die sich in meist flüchtige Bestandteile umsetzt. Der Versuch zeigt, daß sich Urantetraborid oder Thoriumtetraborid, die gerade chemisch mit UO₂ verträglich sind, zur Verwendung als Neutronengift bei hohen Temperaturen sehr gut eignet.

Claims

Patentansprüche:

1. Brennstoffelement für einen Kernreaktor in Form einer Oxydmatrize aus einem Brennstoffoxyd und mit Bor als abbrennbarem Neutronengift, dadurch gekennzeichnet, daß das Bor in Form von kleinen Teilchen aus einer bei hohen Temperaturen stabilen Borverbindung von Uran und/oder Thorium in das Brennstoffoxyd eingebettet ist.

2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Borverbindungen als Tetraboride vorliegen.

3. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Urantetraborid in einer Uranoxydmatrize enthalten ist.

4. Brennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein kristallines Mischborid, bestehend aus Thorium, Uran und Bor, in der Oxydmatrize enthalten ist.

5. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das einen Teil des Borids bildende Uran verarmtes Uran ist.

6. Brennstoffelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Boride in Form von nahezu kugelförmigen Körnern mit einem Durchmesser von 100 bis 500 μ gleichmäßig über die Oxydmatrize verteilt sind.

7. Verfahren zum Herstellen von Brennstoffelementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nahezu kugelförmige Körner mit einem Durchmesser von 100 bis 500 μ, die aus den bei hoher Temperatur stabilen Borverbindungen von Uran und Thorium oder einer Kombination derselben bestehen, im erforderlichen Gewichtsverhältnis mit Pulver der Brennstoffoxydmatrize gemischt werden, daß danach die erhaltene Mischung in Form von Stäben oder Tabletten komprimiert und so lange gesintert wird, bis die Oxydmatrize die erforderliche hohe Dichte erreicht hat.

8. Verfahren zum Herstellen eines Spaltstoffstabes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltene Mischung in eine Röhre gefüllt wird und danach durch Schwingungen auf die erforderliche Dichte verdichtet wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Spaltstoffstabes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltene Mischung in eine Röhre gefüllt wird und danach durch Hämmern der Röhre auf die erforderliche Dichte verdichtet wird.