DE1614932C3 - Brennelement für schnelle Kernreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennelemente für schnelle Kernreaktoren, bestehend aus einer langgestreckten Masse aus keramischem Kernbrennstoff mit mindestens einem Kühlmittelströmungskanal, der sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckt, wobei der Brennstoff zwischen einer Hülle mit einer äußeren Längswand und einer inneren rohrförmigen Wand enthalten ist, welche den Kühlmittelströmungskanal bildet, wobei die innere rohrförmige Wand in enger Berührung mit dem Brennstoff steht und wobei ein Spalt zwischen dem Brennstoff und der Innenseite der äußeren Längswand der Hülle vorgesehen ist.

Ein keramischer Brennstoff ist eine schwerschmelzbare chemische Verbindung aus Uran oder Plutonium oder aus beiden, und zwar ohne oder mit zusätzlichen nichtspaltbaren Verbindungen. Derzeitige Untersuchungen an keramischen Brennstoffen, wie beispielsweise gemischtes Uran/Plutoniumoxid und -monokarbid zeigen, daß ein Brennstoff-Anschwellen in schnellen Atomkernreaktoren ein Hauptgrund für Brennelement-Hüllsenbrüche sein kann und dadurch eine Begrenzung des erzielbaren Abbrandes von schweren Atomen hervorrufen kann. Es sind starke wirtschaftliche Bestrebungen im Gange, bei schnellen Reaktoren einen so hohen Anteil von schwerem Abbrand wie eben möglich zu erreichen.

Beispiele für Kernreaktor-Brennelemente, die keramischen Brennstoff enthalten und innere und äußere Hüllenoberflächen aufweisen, sind in der US-PS 30 72 555 und in der DT-AS 10 80 236 beschrieben. Bei jedem dieser Beispiele ist ein ringförmiger Hohlraum zwischen dem Brennstoff und der äußeren Hülle vorgesehen, um die Wärmeübertragung zu vermindern. Das Versehen eines Hohlraumes zwischen der äußeren Oberfläche des Brennstoffs und der äußeren Hülse genügt jedoch nicht, um eine Beanspruchung der inneren Hülle zu verhindern, weil die Temperatur in der Brennstoffmasse allmählich zur Innenhülle hin abnimmt, um dadurch die Kriech- bzw. Dauerfestigkeit des Brennstoffs zu erhalten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Auswirkungen des durch Strahlung hervorgerufenen Schwellens im Brennstoff zu mildern und die Abbrandgrenze zu erhöhen.

Dies wird dadurch erreicht, daß die Dichte des Brennstoffs geringer ist als 85 % der maximalen theoretischen Dichte, so daß verteilte Hohlräume eingeschlossen sind.

Dadurch wird eine Erhöhung desjenigen Brennstoffanteils im Element erzielt, welcher infolge des thermisch verringerten Kriechwiderstandes in einen Zustand gebracht wird, der eine innere Absorption des Brennstoff-Anschwellens zuläßt. Die Umhüllung kann daher von den Kräften befreit werden, die für ihr Versagen verantwortlich sind.

Zur Zeit erscheint eine äußere Brennstoff-Oberflächentemperatur von nicht unter 1000° C geeignet, ein entsprechendes Maß an Plastizität bei einem Brennstoff, wie einem spaltbaren Dioxid, zu gewährleisten. Bei einem länglichen Element ist es im allgemeinen nicht durchführbar oder auch gar nicht erforderlich, eine solch hohe Oberflächentemperatür nach den Enden des Elements hin anzustreben. Tpyischerweise besteht ein Temperaturgefälle nach unten in Richtung auf die Enden, was auf ein Verringern der Neutronenflußdichte und somit der Spaltungsrate im Brennstoff zurückzuführen ist. Die niedrigere Spaltungsrate bringt weniger Schwellungstendenz und somit weniger Notwendigkeiten für Maßnahmen zum Verhindern des Schwellens mit sich. Das Hauptziel sollte daher sein, die Mindesttemperatur von 1000° C zumindest im Höchstabbrandbereich des Elements zu erreichen; eine solcher Bereich liegt normalerweise im Mittelteil des mit Brennstoff versehenen Abschnitts eines länglichen Elementes. Bei einer Ummanteltung aus Metall, wie beispielsweise aus Edelstahl oder einer Nickellegierung, muß der Spalt an der äußeren Oberfläche in der Lage sein, einen hohen Temperaturabfall quer durch den Brennstoff von der äußeren nach der inneren Oberfläche zu bewirken. Die Wärmeisolierung des Spalts kann durch Reflexionsmaterial erhöht werden, welches in dem das Wachstum aufnehmenden Spalt so angeordnet wird, daß es nur in entsprechenden Abständen am Brennstoff und der äußere Hülle anliegt und auf diese Weise Gasspalte oder -taschen entstehen läßt; ein solches Material besteht vorzugsweise aus einem schwerschmelzbaren Metall in

Form von, beispielsweise, entweder einer Folie, typischerweise Molybdän, welche gekräuselt oder gewellt ist, oder aus einer gerippten Platte oder Drahtgewebe. Ein solches Material kann auch da?u

dienen, eine beträchtliche Umverteilung des Brennstoffs innerhalb des Elementes zu vermeiden, und zwar dadurch, daß es ein gewisses Ausmaß an Platz für den Brennstoff vorsieht, der sich in den das Wachstum aufnehmenden Spalt hinein ausdehnt.

Brennelemente gemäß der Erfindung können in Rohrform hergestellt werden, d. h. mit koaxialen inneren und äußeren Hüllen und Brennstoff im Raum zwischen diesen, aber vorzugsweise werden sie in einer Form hergestellt, die eher einem Calandria (Röhrenheizkörper) entspricht, und zwar insofern, als ein Brennstoffbehälter oder eine Brennstoffhülle von einer Mehrzahl von Kühlmittelströmungsröhren durchsetzt ist, welche die innere Oberfläche bilden. Die letztere Bauform wird im allgemeinen ein »tube-in-shell«- Brennelement genannt, und sie weist gegenüber der rohrartigen Form den Vorteil auf, daß der Volumenanteil von Umhüllungsmaterial geringer sein kann.

Durch die Erfindung wird ein Hohlraum von mindestens 15 % eingeschlossen, der auf die gesamte Brennstoffmasse verteilt ist, wodurch ein freier Raum für die Aufnahme des Anschwellens aufgrund der Bestrahlung in kühleren Bereichen der Masse dort geschaffen wird, wo ein hoher Kriechwiderstand bzw. eine hohe Dauerfestigkeit vorhanden ist. Das Schwellen in die verteilten Hohlräume hinein wird durch die relativ hohe Temperatur der Brennstoffmasse begünstigt, welche die Hohlräume bindet, wobei der Rand- oder Begrenzungsbrennstoff einen reduzierten Kriechwiderstand bietet.

Die Erfindung wird nunmehr anhand des besonderen Ausführungsbeispiels, welches in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt während

Fig. 2 einen ausschnittsweisen Querschnitt nach der 35· Linie H-II der Fig. 1 in einem vergrößerten Maßstab wiedergibt.

Das dargestellte Brennstoffelement wurde für einen schnellen Reaktor konstruiert, der durch ein Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, im vorliegenden Fall Natrium, gekühlt wird. Die Umhüllung bzw. Ummantelung des Elementes besteht aus einer äußeren sechseckigen Hülle 60, in welcher ein Behältnis gebildet wird zwischen oberen und unteren Trennwänden 61 und 62, die nach Art von Rohrboden ausgebildet sind. Auf der Hülle 60 sitzt ein oberes Fitting 64, und am gegenüberliegenden Ende befindet sich ein unteres Fitting 65, welches im Abstand voneinander angeordnete zylindrische Lagerflächen 66 und 67 zum Einpassen in eine Steckbuchse eines Reaktorkern-Halteaufbaus aufweist. Zwischen den Lagerflächen 66 und 67 befindet sich ein Edelstahl-Maschenfilter 70, welches ermöglicht, daß Kühlmittel von einem Einlaßsammeiraum, der sich im Reaktorkern-Stützaufbau befindet, in den unteren Teil der Hülle 60 einströmt und gezwungen wird, zur inneren Kühlung darin nach oben zu strömen. Zur äußeren Kühlung läßt man eine Strömung von Kühlmittel zwischen der zylindrischen Lagerfläche 66 und der komplementär wirkenden Oberfläche der Steckbuchse, in welchem das Brennelement sitzt, hindurchströmen; entsprechende Toleranzen an diesen Oberflächen können den notwendigen äußeren Kühlstrom bewirken; es wird jedoch, wie dargestellt, bevorzugt, vorgeformte Kanäle zu verwenden, wie beispielsweise die Nut 71. Nur schmale Spalte sind zwischen benachbarten Elementen im Kern vorhanden, wobei diese Spalte durch die Aufteilung der Steckbuchsen im Reaktorkern-Halteaufbau und durch Eckanschläge, wie beispielsweise 72 (F i g. 2), vorbestimmt sind, die von der Hülle 60 an einer oder mehreren Stellen auf der Länge des Elementes vorragen. Außer den Eckanschlägen sind diese Spalte frei von Behinderungen, und daher bewegt sich die äußere Kühlmittel-Kühlströmung durch diese Spalte hindurch als eine relativ dünne strömende Schicht, deren Strömungsgeschwindigkeit vorbestimmt ist, wie durch die Nuten 71, so daß eine Auslaßtemperatur erreicht wird, die dicht an derjenigen der inneren Kühlströmung liegt.

Zwischen den Trennwänden 61 und 62 erstrecken steh an den Enden offene Kühlrohre, wie beispielsweise 73, die parallel zueinander im Dreieckmuster angeordnet sind. Diese Rohre sind an ihren Enden gegen die vorgenannten Trennwände 61, 62 abgedichtet, so daß die innere Kühlmittelströmung sich die Kühlmittelrohre aufwärts bewegt und vom Raum zwischen den Rohren ausgeschlossen ist. In diesem Raum befindet sich Brennstoff und Brutmaterial in Form von ringförmigen Pellets 74, die auf die Kühlmittelrohre aufgefädelt sind, so daß sie in nebeneinanderliegenden Säulen gestapelt sind. Damit das Element obere und untere Brüterabschnitte 75 und 76 aufweisen kann, bestehen die Pellets in diesen Abschnitten aus Brutmaterial, Zwischen diesen Brüterabschnitten bestehen die Pellets aus Brennstoff, so daß ein Brennstoffabschnitt 17 gebildet wird. Der Brennstoffabschnitt ist länger als die unteren und oberen Brüterabschnitte. Damit die Hülle keinen inneren Drücken ausgesetzt werden muß, die durch Gase entstehen, welche vom Brennstoff während des Betriebs freigesetzt werden, ist der Raum zwischen den Rohren zum Abführen dieser Gase vorgesehen, und zwar vorzugsweise nach dem Kühlmittel hin.

In der Nähe sowohl des oberen als auch des unteren Fittings 64 bzw. 65 ist die Hülle doppelwandig ausgebildet, so daß eine Riesel- oder Waschkammer 79 und eine Dichtungskammer 80 entstehen. Das Lüftungsrohr 81 mit kleiner Bohrung, das an der Innenfläche der Hülle 60 anliegt, mündet mit dem unteren Ende 82 in die Waschkammer unterhalb einer freien Oberfläche 83 einer in dieser Kammer enthaltenen Waschflüssigkeit. Diese Flüssigkeit ist zweckmäßigerweise Natrium für das Zurückhalten von Cäsium-Spaltprodukten; es können jedoch auch andere Flüssigkeiten entsprechend den Produkten, die zurückgehalten werden sollen, verwendet werden. Entfernt vom unteren Ende 82 mündet das Lüftungsrohr 81 in den Brennstoff-Abschnitt 77. Der Lüftungsweg wird vervollständigt durch ein zweites Lüftungsrohr 84, welches mit seinen Enden jeweils in die oberen Bereiche der Wasch- bzw. Dichtungskammer mündet, sowie durch verschiedene öffnungen, wie beispielsweise die bei 85 angedeuteten, durch welche ein unterer Bereich der Dichtungskammer in Verbindung mit der Außenseite der Hülle und daher mit der Kühlmittelströmung gebracht wird.

Das Volumen der Dichrungskammer muß so bemessen sein, daß Kühlmittel, welches durch die öffnungen 85 unter Vollastdruck eintritt, den oberen Teil des zweiten Lüftungsrohrs 84 durch Komprimieren von Gas im Lüftungsweg nicht erreichen kann, selbst wenn dieses Gas kalt ist. Folglich wirkt die Kombination vom zweitem Lüftungsrohr und Dichtungskammer nach Art einer Taucherglocke, so daß gewährleistet ist, daß Kühlmittel über den Lüftungsweg nicht weiter als bis zur Dichtungskammer zurückströmen kann. Allerdings können die Gase, die vom Brennstoff freigesetzt werden, durch die Waschflüssigkeit hindurch vom unteren Teil 82 des Lüftungsrohres 81 aufsteigen und

durch Herunterdrücken des Kühlmittelpegels in der Dichtungskammer auf das Niveau der öffnungen 85 schließlich in das strömende Kühlmittel außerhalb des Elementes entweichen.

Wenn man sich den Brennstoff-Querschnitt genauer ansieht, ergibt sich aus F i g. 2, daß die Pellets 74 nicht an der Wand der Hülle anliegen, sonden praktisch im Abstand von dieser Wand angeordnet sind, so daß ein Spalt 86 freibleibt, welcher etwa ein Zehntel eines Zolls breit sein kann, selbst dort, wo die Spaltbreite ein Minimum ist. In diesem Spalt 86 befinden sich zwei Folien 87 und 88, wobei es sich um umgewellte oder gekräuselte Folien aus Molybdän, vorzugsweise nur etwa 0,05 mm dick, handelt. In Verbindung mit dieser Maßnahme zum Erhöhen der Brennstofftemperaturen müssen Hohlräume im Brennstoff selbst vorhanden sein. Basierend auf der Bildung von zwischen 1 % und 2 % Hohlraum pro konzipiertem Prozentsatz an Maximalabbrand von schweren Atomen, wird ein Gesamthohlraum von wenigstens 15 % des Brennstoff-Volumens als angemessen angesehen. Diese Hohlräume können als Mikroporosität im Brennstoff eingeschlossen sein, und zwar ist dies dadurch erreichbar, daß der Brennstoff auf weniger als die theoretische Dichte gesintert wird und/oder daß die Packungsdichte des Brennstoffs in Form von Pulver oder Körnchen entsprechend geregelt wird. Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Zeichnung, bei welchem Brennstoff in Pelletform verwendet wird, stellen die Räume oder Lücken, die zwischen den Pellets verbleiben, einen nützlichen Hohlraum dar, weil der Brennstoff, der diese Räume begrenzt, unter hoher Temperatur steht und daher heiß genug ist, um im sogenannten »weichen« Zustand zu sein, der ein Quetschen oder Fließen in die Räume hinein zuläßt. Dadurch, daß miteinander in Berührung stehende ringförmige Pellets in einem Dreiecks-Gittermuster, wie in Fig.2, verwendet werden, stellen die Räume zwischen den Pellets einen Hohlraum von etwa 10% dar. Extra-Hohlraum wird erreicht durch weniger als die theoretische Dichte bei den Pellets selbst. Somit würden 90 °/o dichte Pellets einen Gesamthohlraum von etwa 20 % erreichen, d. h. eine Gesamtbrennstoffdichte von etwa 80 % der maximalen theoretischen Dichte.

Für die Zwecke des vorliegenden Beispiels wird als Brennstoff (UPu)O2 angenommen, möglicherweise bis zu einer leicht nicht-stöchiometrischen Zusammensetzung, und die Ummantelung, welche durch die Hülle, die Trennwände und die Kühlmittelrohre gebildet wird, besteht aus Edelstahl. Beispiele sonstiger keramischer Brennstoffe sind die Karbide, Nitride und Suizide. Wenn auch der Spalt, der zwischen dem Brennstoff und der äußeren Hülle dem Brennstoff einigen Spielraum für ein Wachsen nach außen läßt, besteht doch zumindest im Bereich von maximalem Abbrand entlang dem Brennelement ein Zustand, der effektiv so ist, daß der gesamte

ίο Brennstoff, mit Ausnahme von die Kühlrohre umgebenden Rändern, unter konzipierter Wärmeausgangsleistung so heiß ist, daß die Druck-Dauerfestigkeit beträchtlich reduziert wird und dadurch genügend Plastizität hervorgerufen wird, so daß ein Schwellen in praktisch jeder Richtung, wo Hohlraum vorhanden ist, aufgenommen werden kann. Während eine gewisse Ausdehnung des Brennstoffs in den Spalt hinein zu erwarten ist und auch entsprechend berücksichtigt ist, sollte die Ausdehnung doch geringer sein als dann, wenn das Temperaturgefälle zur äußeren Hülle hin mehr bzw. eher wie das Gefälle zur inneren Hülle hin wäre. An den Rändern um die innere Hülle, wo niedrigere Temperatur und somit höherer Kriechwiderstand herrschen, ist der Umstand, daß eine Ausdehnung auftreten kann, für die Hülle nicht schädlich, da die Ausdehnung dazu neigt, eher nach außen als nach innert vor sich zu gehen. Eine Andeutung über das Ausmaß, in welchem die Druck-Kriechfestigkeit keramischer Brennstoffe mit ansteigender Temperatur verringert wird, kann der Abhandlung von Armstrong et al, S. 133 bis 141, Journal of Nuclear Materials, 7 No. 2 (1962), entnommen werden.

Die Isolierwirkung des Spaltes hat zur Folge, daß der größte Teil der Wärmeabgabe des Brennstoffs mehr an der durch die Rohre gebildeten inneren Hülle als an der äußeren Hülle abgeführt wird. Möglicherweise werden nicht mehr als 2 % an der äußeren Hülle abgeführt, wenn man das Brennelement als ganzes oder zumindest den Höchstabbrand-Bereich in Betracht zieht. Eine solche Zahl läßt auf einen hohen Grad an Isolierung durch den Spalt sowie auf eine Tendenz zu sehr hohen Brennstofftemperaturen schließen. Demgegenüber würde die allgemeine Konstruktionsbedingung befolgt werden, daß die Schmelztemperatur nicht wesentlich überschritten wird, wenn mit konzipierter Wärmeausgangs-Nennleistung gearbeitet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Brennelement für schnelle Kernreaktoren, bestehend aus einer langgestreckten Masse aus keramischem Kernbrennstoff mit mindestens einem Kühlmittelströmungskanal, der sich in Längsrichtung durch diesen hindurch erstreckt, wobei der Brennstoff zwischen einer Hülle mit einer äußeren Längswand und einer inneren rohrförmigen Wand in enger Berührung mit dem Brennstoff steht und wobei ein Spalt zwischen dem Brennstoff und der Innenseite der äußeren Längswand der Hülle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des Brennstoffs (74) geringer ist als 85 % der maximalen theoretischen Dichte, so daß verteilte Hohlräume eingeschlossen sind.

2. Brennelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Reflexionsmaterial (87,88), welches in dem Spalt (86) so angeordnet ist, daß es nur an einzelnen Stellen am Brennstoff (74) und an der Innenseite der äußeren Wand der Hülle (60) anliegt.

3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektormaterial (87, 88) in Form einer gewellten bzw. gekräuselten Folie aus einem schwerschmelzbaren Metall vorgesehen ist.

4. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Hülle (60) sowie die inneren Kühlkanalrohre (73) aus Metall bestehen, wobei der keramische Brennstoff (74) die Form von mit Aussparungen versehenen Pellets aufweist, die in Säulen auf die Kühlmittelrohre (73) aufgefädelt und verschiedenartig ausgebildet sind, um einen Eingriff bzw. eine Wirkverbindung zwischen den Säulen nur über einen Teil der Säulenumfänge vorzusehen, derart, daß zwischen den Säulen Räume verbleiben, die zu der geringeren als maximalen theoretischen Dichte des Brennstoffs beitragen.

5. Brennelement nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Reflexionsmaterial in Form einer schwerschmelzbaren Metallfolie (87, 88), die im Umfangsspalt (86) zwischen den äußersten Säulen der mit Aussparungen versehenen Pellets (74) und der äußeren Hülle (60) angeordnet ist.