DE1564034B2

DE1564034B2 - Brennstoffelement fur Kernreaktoren

Info

Publication number: DE1564034B2
Application number: DE19661564034
Authority: DE
Inventors: Wilfred Thomas Venier Dominic Ambrose San Jose Calif Ross (V St A)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-10-19
Filing date: 1966-09-23
Publication date: 1971-01-14
Also published as: ES331951A1; DE1564034A1; GB1152823A; US3378458A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einfach herzu- über ihre eutektische Temperatur aufgeheizt werden

stellende Brennstoffelemente für Kernreaktoren. bzw. bei dessen Durchführung selbst dann eine

Bei den bekannten Kernreaktoren ist das spaltbare einwandfreie Schweißnaht erzielbar ist, wenn die Material oder der Kernbrennstoff meist in Brenn- eutektische Temperatur überschritten wird. Um diese stoff elementen enthalten, die platten-, röhren- oder 5 Schwierigkeiten zu umgehen, wurden probeweise die stabförmig ausgebildet sind oder auch andere Gestalt verschiedensten Formen für die Endpfropfen und haben. Diese Brennstoffelemente sind üblicherweise Brennstoffhülsen mit den verschiedensten Wandmit einer Brennstoffhülse aus einem Material ver- stärken verwendet. Aber alle diese Versuche waren sehen, das korrosionsbeständig und inaktiv ist und bisher ohne wesentlichen Erfolg. Die Erfindung gibt keine spaltbaren Isotope enthält. Die Brennstoff- io nun eine Lösung für dieses Problem,
elemente werden gruppenweise in einem bestimmten Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems bei Abstand voneinander angeordnet und als Bündel in dem Brennstoffelement der genannten Art besteht einen Kühlmittelkanal eingesetzt. Um nun den Kern nun darin, der in den Sammelraum des Brennstoffeines Reaktors aufzubauen, in dem eine sich selbst elementes eingesetzten Feder eine solche Form zu unterhaltende Kettenreaktion ablaufen kann, werden 15 geben, daß sie die flache innere Oberfläche des Vermehrere solcher Bündel von Brennstoffelementen schlußpfropfens nur in der Mitte berührt. Die Mitte zum eigentlichen Reaktorkern miteinander kombi- des Verschlußpfropfens ist nämlich gerade die Stelle, niert. Dieser Reaktorkern ist innerhalb eines Reaktor- die einmal beim Verschweißen am wenigstens stark kesseis angeordnet. aufgeheizt wird und zum anderen den größten Ab-

Das Brennstoffelement, mit dem sich die Erfindung 20 stand von der Schweißnaht aufweist. Dadurch ist die befaßt, weist innerhalb der Hülse einen Sammelraum Wahrscheinlichkeit bereits wesentlich geringer, daß auf, in dem sich die gasförmigen Spaltprodukte sam- die Feder während des Verschweißens schmilzt. Aber mein können, die während des Betriebes aus dem selbst dann, wenn beim Verschweißen die eutektische Kernbrennstoff austreten. In diesem Sammelraum ist Temperatur von Feder und Verschlußpfropfen übereine Feder eingesetzt, die sich gegen die flache innere 25 schritten wird, ist die dann entstehende Schmelze Oberfläche des Verschlußpfropfens des Brennstoff- auf Grund der erfindungsgemäßen Formgebung der elementes abstützt und auf den Kernbrennstoff inner- Feder ausreichend weit von der eigentlichen Schweißhalb der Brennstoffhülse einen gewissen Druck aus- naht entfernt, so daß eine Beeinträchtigung der übt, so daß der Kernbrennstoff beim Versand des Schweißnaht weitestgehend ausgeschaltet ist. Nach Brennstoffelementes nicht verrutschen kann. Der- 30 einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung artige Brennstoffelemente sind bekannt (französische werden diese beiden technischen Vorteile dadurch Patentschrift 1383 261). erreicht, daß man die letzte Windung der Feder um

Eine der Schwierigkeiten, die mit dem Betrieb von einen Winkel von 90° abbiegt, so daß das oberste Kernreaktoren verknüpft ist, betrifft den mecha- Ende dieser Federwindung nur noch mit der Mitte nischen Bruch oder mechanische Fehler von Brenn- 35 des Verschlußpfropfens in Berührung kommt. Zusätzstoffelementen. Ein solcher mechanischer Fehler lieh ist die letzte Federwindung mit einem Material kann durch einen Riß in einer Schweißnaht ver- ' wie Chrom oder etwas ähnlichem überzogen, das ursacht sein, die nicht fachgerecht hergestellt wurde. zusammen mit dem Material des Verschlußpfropfens Bei der Herstellung von Brennstoffelementen ist es eine höhere eutektische Temperatur besitzt, die also im allgemeinen notwendig, die Endpfropfen der 4° über der eutektischen Temperatur liegt, die für das Brennstoffhülse mit der Brennstoffhülse selber durch Federmaterial allein zusammen mit dem Material des eine erhebliche Wärmeeinwirkung zu verbinden. Bei Verschlußpfropfens gilt. Überzieht man also die der Fertigung von Brennstoffelementen trat dann eine letzte Federwindung auf die eben beschriebene besondere Schwierigkeit auf, wenn die Temperatur Weise, so wird die eutektische Temperatur so weit beim Schweißen die eutektische Temperatur der 45 heraufgesetzt, daß es außerordentlich unwahrschein-Materialien überstieg, aus denen die Endpfropfen lieh wird, daß die letzte Federwindung während des und die Feder hergestellt sind, da in diesem Falle Verschweißens schmilzt. Ein weiterer Vorteil der diese Materialien schmelzen und sich mit dem ge- Erfindung besteht darin, daß sich die Feder beim schmolzenen, zum Schweißen verwendeten Material Einsetzen in den Sammelraum innerhalb der Brennvermischen können. Wenn sich jedoch diese ge- 50 stoffhülse von selbst zentriert. Daher liegt die letzte schmolzene, eutektische Legierung mit dem ge- Federwindung immer etwa in der Mitte des Verschmolzenen, zum Schweißen benutzten Material schlußpfropfens an. Das ist.wichtig, da diese Feder mischt, wird die Schweißnaht brüchig und außerdem während der Herstellung eines Brennstoffelementes korrosionsanfällig. Wenn man ein solches Brennstoff- sehr häufig gebogen wird.

element dem Strahlungsfeld und der Temperatur 55 Im folgenden soll die Erfindung an Hand einiger

innerhalb eines Reaktors aussetzt, können in der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeich-

Schweißnaht Risse oder Poren entstehen, so daß der nungen im einzelnen beschrieben werden.

Kernbrennstoff und die gasförmigen Spaltprodukte Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch ein Brennstoff-

innerhalb der Brennstoffhülse direkt mit dem Kühl- element nach der Erfindung;

mittel des Reaktors in Berührung kommen. Wenn 60 F i g. 2 ist ein Schnitt durch das obere Ende eines dieses auftritt, muß nicht nur das Brennstoffelement ähnlich aufgebauten Brennstoffelementes in verersetzt werden. Zusätzlich wird auch radioaktives größertem Maßstab und zeigt die bisherige AusMaterial vom Kühlmittel weiterbefördert, das dann bildung der Feder innerhalb der Brennstoffhülse;
die verschiedenen Teile des Reaktors und des Kühl- F i g. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht im Schnitt kreislauf es kontaminieren kann. 65 _und zeigt den von der Linie 4-4 umrandeten Teil aus

Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, ein Fig. 2;

Fertigungsverfahren zu entwickeln, bei dessen Durch- F i g. 4 ist ein Schnitt durch das obere Ende des

führung die Feder und der Endpfropfen nicht bis Brennstoffelementes nach Fig. 1 in vergrößertem

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Maßstab und zeigt die erfindungsgemäße Ausbildung auf denjenigen Teil der Hülse ausgeübt wird, der den

der Feder innerhalb der Brennstoffhülse nebst Brenn- Sammelraum umschließt. Zwischen das eine Ende 56

stoffhülse und Verschlußpfropfen; der Feder und die letzte Pille 50' ist eine kleine

Fig. 5 ist ein vergrößerter Schnitt längs der " Scheibe58 gesetzt, die verhindert, daß Brennstoff-Linie 6-6 aus Fig. 4; , 5 teilchen in den Sammelraum gelangen können.

Fig. 6 ist ein vergrößerter Schnitt längs der Die Erfindung hat nun zum Inhalt, wie der VerLinie 7-7 aus Fig. 4; schlußpfropfen 46, das zugehörige Ende der Hülse

F i g. 7 ist ein Seitenschnitt und zeigt eine ge- 44 und die Federwindung 60 der Feder 56 angeordbogene Feder, die gerade in eine Brennstoffhülse net bzw. einander zugeordnet sind. Der Verschlußeingesetzt wird; ίο pfropfen 46 ist aus einem Stück hergestellt. Er weist

F i g. 8 ist ein Seitenschnitt und zeigt die ge- einen zylindrischen Schaft 62 auf, der an einem Ende

bogene Feder aus F i g. 7, die nun vollständig in die 64 konisch abgeschrägt ist, um das Einsetzen in eine

Brennstoffhülse eingesetzt ist. Montageplatte zu erleichtern. Der Verschlußpfropfen

Die F i g. 8 dient zur Erläuterung der selbstzentrie- 46 weist weiterhin eine zylindrische Schulter 66 auf,

renden Eigenschaften der Feder. 15 deren Durchmesser etwa dem Durchmesser der Hülse

Fig. 9 ist ein Querschnitt längs der Linie 10-10 44 gleicht. Daran schließt sich ein Endteil 68 an. Der

aus Fig. 8 und zeigt ebenfalls die selbstzentrierenden Endteil 68 ist massiv und ist als Kegelstumpf ausge-

Eigenschaften der Feder; bildet. Er weist eine ebene innere Oberfläche 69 auf,

Fig. 10 ist eine andere Ausführungsform der gegen die sich die Feder mit ihrem oberen Ende ab-

erfindungsgemäßen Feder. 20 stützt. Wie in den F i g. 2 bis 6 zu sehen ist, befindet

Die F i g. 1 zeigt ein Brennstoffelement 14 nach sich zwischen der äußeren Oberfläche des Endteiles der Erfindung. Das Brennstoffelement besteht aus 68 und der inneren Oberfläche der Hülse 44 ein einem langen Rohr 44, das zylindrisch ausgebildet ist Ringraum 70 mit keilförmigem Querschnitt, und üblicherweise als Brennstoffhülse bezeichnet In den Fig. 2 und 3 ist die bisher übliche Auswird. Zur Herstellung der Brennstoffhülse 44 sind 25 bildung einer Feder 56' dargestellt, die dem Ververschiedene Materialien gut geeignet. Als besonders schlußpfropfen 46 und der Hülse 44 während des günstig hat sich eine Zirkonlegierung herausgestellt, Verschweißens zugeordnet ist. Wie man sieht, liegt da dieses Material einen niedrigen Neutronen-, die letzte Windung der Feder 56' voll am Umfang einfangquerschnitt hat. Das obere und das untere der flachen Stirnfläche 69 des Endteiles 68 an. Die Ende des Brennstoffelementes sind durch Verschluß- 30 Vorgänge, die sich abspielen, wenn die Schweißnaht pfropfen 46 bzw. 48 verschlossen, die ebenfalls aus zwischen dem zylindrischen Flansch 66 und dem einer Zirkonlegierung hergestellt sind. Diese beiden Ende der Hülse 44 hergestellt wird, sind in der Verschlußpropfen sind mit den beiden Enden der Fig. 3 erläutert. Dem ganzen Umfang dieser Brennstoffhülse 44 verschweißt, so daß das Kühl- Schweißnaht wird Wärme zugeführt, was in der mittel mit dem Kernbrennstoff nicht in Berührung 35 Fig. 3 durch das Symbol H angedeutet ist. Der kommen kann und keine gasförmigen Spaltprodukte Flansch und das Material der Hülse schmelzen nun, entweichen können. Innerhalb der Hülse 44 ist spalt- und die Temperatur der Schmelzzone beträgt t_v Aus bares Material wie Uran angeordnet. In dem Brenn- diesem Gebiet fließt nun über Wärmeleitung Wärme stoff element nach Fig. 1 liegt der Brennstoff in in die Oberflächengebiete des Endteiles 68 ab. Das Form von Pillen 50 vor, die mit ihren Stirnseiten 40 ist durch die gestrichelten Linien dargestellt. Die aneinanderstoßend in die Brennstoffhülse eingesetzt Temperatur i₂ der inneren Oberfläche 69, gegen die sind. Das spaltbare Material kann aber auch in Form sich die Windung der Feder 56' abstützt, kann nun von Pulver oder kleinen Partikeln in die Brennstoff- während der üblichen Herstellung die Temperatur hülse eingefüllt werden. des Eutektikums aus den Materialien übersteigen,

Das Brennstoffelement 14 ist mit einem Sammel- 45 aus denen die Federwindung 72 und der Verschluß-• raum 54 versehen, in dem sich gasförmige Spalt- pfropfen 46 hergestellt sind. Die obere Oberfläche produkte sammeln können, die beim Betrieb des der Federwindung 72 und die danebenliegenden Kernreaktors entstehen. Die Größe dieses Sammel- Teile der inneren Oberfläche 69 schmelzen daher, raumes ist durch die Menge der gasförmigen Spalt- und diese Schmelze fließt nach oben in den keilprodukte bestimmt, die vom Kernbrennstoff während 50 förmigen Ringraum 70 hinein, wo sie sich mit der der voraussichtlichen Lebensdauer des Brennstoff- Schmelze mischt, die nach dem Erstarren die elementes im Kernreaktor abgegeben wird. In den Schweißnaht bildet. Die Schmelze wird in den keil-Sammelraum 54 ist eine Feder 56 eingesetzt, die die förmigen Ringraum vermutlich durch eine Kapillar-Pillen 50 zusammenhalt. Die Kraft, die die Feder wirkung eingesogen, da das Eindringen der Schmelze zwischen dem Verschlußpfropfen und den Pillen 50 55 in den keilförmigen Ringraum unabhängig von der ausübt, liegt bei etwa 2 kg. Es ist zweckmäßig, wenn Schwerkraft oder der Lage des Brennstoffelementes die Feder 54 aus einer Nickel-Chrom-Eisen-Legie- während des Schweißens erfolgt. Wenn sich jedoch rung der Zusammensetzung 7O°/o Ni, 14 bis 16°/» Cr, das geschmolzene Eisen (sofern die Feder aus Stahl 5 bis 9^fl/o Fe, 2,5 bis 2,75°/o Ti, 0,7 bis 1,2% Nb, hergestellt ist) oder das geschmolzene Nickel (sofern* 0,4 bis 1,0 °/o Al und 0,3 bis l°/o Mn, aus Stahl oder 60 die Feder aus der erwähnten Nickel-Chrom-Eisenaus einem anderen Material mit günstigen Feder- Legierung hergestellt ist) mit der geschmolzenen eigenschaften hergestellt ist. Die Feder ist als Zirkonlegierung für die Schweißnaht mischt (da ja Schraubenfeder ausgebildet, deren Außendurch- der Verschußpfropfen und die Hülse aus einer messer etwas kleiner als der Innendurchmesser der solchen Zirkonlegierung hergestellt sind), so führt Brennstoffhülse ist. Ist das Spiel zwischen der Feder 65 dies beim Erstarren zu einer Schweißnaht, die spröde und der Hülse nur gering, so kann die Feder die und korrosionsanfällig ist, so daß die Wahrscheinlich-Hülse gegen den hohen Druck verstärken, der im keit eines Ausfalls des Brennstoffelementes während Reaktor von außen auf die Hülse Und im besonderen des Reaktorbetriebes erhöht wird.

Claims

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Nun hat man gefunden, daß diese ungünstigen renden Eigenschaften der letzten Federwindung 60 Verhältnisse vermieden werden können, wenn man dargestellt, die vor allem dann einen besonderen die letzte Federwindung um 90° abbiegt. Die Gründe Vorteil der Erfindung darstellen, wenn größere hierfür lassen sich am besten an Hand der F i g. 4, 5 Stückzahlen von Brennstoffelementen hergestellt wer- und 6 erläutern. Wie man sieht, berührt jetzt der 5 den. In der F i g. 7 ist eine abgebogene Feder 56 daroberste Teil der letzten Federwindung 60 der Feder gestellt, die von rechts nach links in den Sammel-56 etwa die Mitte der flachen inneren Oberfläche 69 raum 54 der Brennstoffhülse 44 eingesetzt wird. Das des Endteiles 68. Während der Herstellung der ist durch die Richtung des Pfeiles angedeutet. Wie Schweißnaht zwischen dem Flansch 66 und der man sieht, ist die letzte Federwindung 60 nach unten Hülse 44 ist die Temperatur t_z in der Mitte der io abgebogen, was beim Umgang mit der Feder häufig inneren Oberfläche 69 niedriger als die Temperatur U auftreten kann. Wie man nun den F i g. 8 und 9 entam Rande dieser Oberfläche, da der Wärmetransport nehmen kann, wird die letzte Federwindung 60 beim über eine größere Strecke erfolgen muß, da weiterhin Einsetzen der Feder 56 in den Sammelraum 54 wiedie zu erwärmende Masse größer ist, und da außer- der senkrecht abgebogen und zentriert sich selbst, dem für die Wärmeabstrahlung. eine größere Fläche 15 Das liegt daran, daß die letzte Federwindung 60 zur Verfügung steht. Darüber hinaus ist die Tempe- zuerst an der inneren kreisförmigen Kante 74 am raturig in der Mitte der inneren Oberfläche 69 die Ende der Brennstoffhülse 44 und anschließend die niedrigste Temperatur, die beim Schweißen an der innere Oberfläche der Brennstoffhülse 44 entlang Oberfläche 69 auftritt. Daher ist die Wahrscheinlich- gleitet. Die Strecke »£>« zeigt die für die letzte Federkeit, daß die letzte Federwindung beim Verschweißen 20 windung maximal mögliche Verschiebung. Diese schmilzt, bei der erfindungsgemäßen Federwindung Verschiebung ist nur begrenzt möglich, da die letzte 60 geringer als bei der üblich gestalteten Feder- Federwindung mit der inneren Oberfläche der Brenn- rh windung 72. "stoffhülse in Berührung kommt. Die Größe dieser ^- !

Ein anderes wesentliches Merkmal der Erfindung Verschiebung hängt von dem Spiel zwischen dem liegt in folgendem: .25 Außendurchmesser der Feder 56 und dem Innen-

Der Endteil 68 und die letzte Federwindung 60 durchmesser der Brennstoffhülse 44 ab. Dieses Spiel sind so angeordnet, daß selbst dann, wenn die letzte wird so gewählt, daß die Selbstzentrierung der Feder Federwindung 60 schmilzt, sich die Schmelze in der in der Hülse möglich wird und daß gleichzeitig die Mitte der inneren Oberfläche 69 ansammelt, wie es Brennstoffhülse ausreichend versteift bzw. verstärkt bei »73« gezeigt ist. Das geschmolzene Material füllt 30 wird.

daher nicht den keilförmigen Ringraum 70 aus, so Es können auch anderweitig geformte Federn ver-

daß die Schweißnaht nicht beeinträchtigt werden wendet werden, sofern sie nur die bereits beschriebekann. Wenn somit die erfindungsgemäß ausgebildete nen Wirkungen erzielen. So kann beispielsweise die - letzte Federwindung schmilzt, ist die Wahrscheinlich- letzte Federwindung 60 aus einer oder auch aus keit, daß die Schweißnaht schlechter wird, wesentlich 35 mehreren Federwindungen bestehen oder auch aus geringer als bei Brennstoffelementen nach dem Bruchteilen einer ganzen Windung. Es ist ebenfalls bisherigen Stand der Technik. möglich, nur eine halbe Federwindung am Ende

• Um nun die Wahrscheinlichkeit weiter zu ver- abzubiegen. In diesem Falle würde das Ende der ringern, daß die Güte der Schweißnaht beeinträchtigt halben Federwindung die Mitte der inneren Oberwird, ist die letzte Federwindung 60 mit einem Ma- 40 fläche 69 des Endteiles 68 berühren. In diesem Falle terial wie Chrom überzogen, das zusammen mit dem gehen jedoch die selbstzentrierenden Eigenschaften Material des Endteiles eine Legierung bildet, deren verloren, so daß bei der Fertigung der Brennstoff eutektische Temperatur höher als die eutektische elemente eine erhöhte Sorgfalt aufgewendet werden Temperatur der Legierung aus dem Material des muß. In praktischen Ausführungsformen werden Endteiles und dem Material der nicht überzogenen 45 etwa I³A Windungen abgebogen und die Stirnflächen Feder liegt. Wenn man somit die letzte Federwindung 76 der letzten ³/4-Windung wird weggeschliffen, so mit Chrom überzieht, wird die eutektische Tempera- daß sich eine kompaktere Schleife ergibt. Zusätzlich tür so weit erhöht, daß ein Schmelzen der letzten ist es auch möglich, eine Feder zu verwenden, deren Federwindung während der Herstellung der Schweiß- letzte Windungen schraubenförmig mit jeweils abnäht noch unwahrscheinlicher wird. Das wird beson- 50 nehmenden Durchmessern gewickelt sind. Das ist in ders aus der Tatsache deutlich, daß der Schmelzpunkt der F i g. 10 dargestellt. Aber auch bei einer solchen des eutektischen Gemisches aus Eisen (dem Feder- Feder gehen die selbstzentrierenden Eigenschaften material) und der verwendeten Zirkonlegierung bei verloren.

etwa 900° C liegt, während die eutektische Tempe- '

ratur für eine Legierung aus der verwendeten Zirkon- 55 Patentansprüche:

legierung und dem Chrom (als Überzugsmaterial für

die Feder) bei etwa 1500° C liegt. Dadurch, daß die 1. Brennstoffelement für Kernreaktoren mit

letzte Federwindung mit Chrom überzogen ist, ist einer Hülse, die teilweise mit spaltbarem Material

somit die eutektische Temperatur um etwa 600° C angefüllt ist und an ihrem einen Ende einen

gesteigert worden. Da die verwendete Zirkonlegierung 60 Sammelraum enthält, in dem eine Feder eingeeinen Schmelzpunkt von etwa 1800° C aufweist, der setzt ist und der an dem Ende der Hülse mit

Schmelzpunkt von Eisen bei etwa 1500° C liegt, einem Verschlußpfropfen verschlossen ist, der

kann man durch Überziehen der letzten Feder- eine flache innere Oberfläche aufweist, die das

windung mit Chrom die eutektische Temperatur von eine Ende des Sammelraumes darstellt, d a -

Chrom und der Zirkonlegierung auf einen Wert an- 65 durch gekennzeichnet, daß die in den heben, der mit der Schmelztemperatur der Grund- Sammelraum (54) eingesetzte Feder (56) die

materialien vergleichbar ist. flache innere Oberfläche (69) des Verschluß-

In den F i g. 7, 8 und 9 sind nun die selbstzentrie- pfropfens (62) nur in der Mitte berührt.
2. Brennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (56) als Schraubenfeder mit mehreren Windungen ausgebildet ist, und daß die letzte Windung (60) der Schraubenfeder (56) gegenüber der danebenliegenden Windung um 90° abgebogen ist, so daß die letzte Federwindung (60) nur die Mitte des Verschlußpfropfens berührt.
3. Brennstoffelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Federwindung (60) mit einem Material überzogen ist,

das zusammen mit dem Material, aus dem der Verschlußpfropfen hergestellt ist, eine Legierung bildet, deren eutektische Temperatur höher als die eutektische Temperatur aus dem Material des Verschlußpfropfens mit dem Grundmaterial der Feder ist.
4. Brennstoffelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Federwindung mit Chrom überzogen und der Verschlußpfropfen aus einer Zirkonlegierung hergestellt ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen ■Ό09 583/177