DE1614944A1 - Reaktorbrennelemente in Form von Tabletten u.dgl. - Google Patents

Description

ALEXANDER R. HERZPELD ₆ Frankfurt α. μ. wi3

RECHTSANWALT SOPHIENSTRASSE 52

BE! DEM LANDGERICHT FRANKFURT A.M.

Anmelderini United States Atomic Energy Commission Reaktorbrennelemente in Form von Tabletten und dergl.

Sie Erfindung betrifft keramische Brennelemente in Form von Tabletten und dergleichen, die mit einer Umhüllung zum Ein·» satz als Brennstäbe in Kernreaktoren bestimmt sind·

In Kernreaktoren verschiedenster Bauart, z.B. Druckwasser-, Siedewasser- oder gasgekühlten Reaktoren werden Brennelemente vorzugsweise in Form von Brennstäben verwendet, die aus mit einer röhrenförmigen Umhüllung versehenen Brennelementen in Form von Tabletten und dergl. aufgebaut sind· Die als Umhüllung dienende, an beiden Enden leckdioht verschlossene, Rohrhülse vermeidet den Verlust von Brennmaterial, den Austritt desselben in das Kühlmittel, schützt die Brennelemente vor Korrosion durch das Kühlmittel und muß gleichzeitig die erforderliohe mechanische Festigkeit und Stabilität besitzen· Die einzelnen Brennstäbe sind zu Bündeln zusammengefaßt, die zusammen wiederum den Gore bilden und die Aufrechterhaltung einer selbständigen Kettenreaktion gewährleisten·

Hierbei treten jedoch infolge der beim Reaktorbetrieb un« umgänglichen hofe@n Temperaturen und Strahlungewerte Schwierigkeiten insbesondere hinsichtlich der mechanischen Festig-

GIROKONTO 4SO/6S63 DEUTSCHE IANK A.C. FRANKFURT A₁M. · DRESDNER BANK MANNHEIM 856! POSt(CHtCK FRANKFURT A. M. 04805

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keit der Brennstoffhüllen auf. Infolge unterschiedlicher Ausdehnung durch allmähliches Wachstum der zum Beispiel aus UO₂ bestehenden keramischen Brennelemente einerseits und der Brennstoffhüllen andererseits treten nämlich bei stärkerer Zunamme des Umfangs der Brennstofftabletten in diesen Ringdruckspannungen auf, die ihrerseits entsprechende Ringzugspannungen in den die weitere Umfangszunähme der keramischen !Tabletten begrenzenden Hülsen erzeugen, die schließlich diese zerstören oder so stark beschädigen können, daß Brennstoff und Spaltstoffe in das Kühlmittel eintreten. Hierdurch werden umfangreiche Schutzmaßnahmen erforderlich. Der Vorschlag, die Stärke der Hülsen zu vergrößern ist unbefriedigend, da der Wärmeaustausch zwischen Brennelement und Kühlmittel leidet und gleichzeitig der parasitäre Neutroneneinfang zunimmt. Die weitere Möglichkeit, die Ringspannungen durch Vergrößerung des Abstandes zwischen Brennstoff und Umhüllung zu beseitigen, ist praktisch nicht durchführbar, da auch hier das Temperaturgefälle vom Brennstoff über den Zwischenraum und die Umhüllung derart groß wird, daß ein befriedigender Wärmeaustausch nicht mehr gewährleistet ist· Es ist vielmehr erforderlich, die unmittelbare Berührung von Brennstofftablettön und Umhüllung beizubehalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die unerwünschten Ringspannungen su beseitigen oder wenigstens ganz wesentlich

ohne daS fereh die vorgeschlagene Maßnahme

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unerwünschte Nebenwirkungen, wie Beeinträchtigung des Wärmeaustausches oder parasitärer Neutroneneinfang entstehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,- daß in den zylindrischen Seitenflächen der Brennstofftabletten mehrere Längsrillen von größerer Tiefe als Y/eite zur Aufnahme der durch Ausdehnung bzw. Wachstum der Tabletten in der Umhüllung erzeugten Hingspannung vorgesehen sind.

An Hand der Zeichnungen sei die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Die Figur 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines bekannten Brennstabs j

die Figur 2 die perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß mit längsrillen versehenen Brennstofftablette ;

die Figur 3 die perspektivische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, in der eine mit einer Mittelbohrung versehene Tablette sowohl in der zylindrischen Innenfläche wie auch der Außenfläche mit Längsrillen versehen ist.

In der bekannten Anordnung gemäß Figur 1 sind Brennstofftabletten, die z.B. mit einer Mittelbohrung versehen sind

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und gemäß eine ringförmige Ausgestaltung aufweisen, mit 1 bezeichnet und durch die röhrenförmige Hülse 2 gegen Korrosion und Erosion durch das Kühlmittel geschützt und abgestützt» Die Hülle ist an beiden Enden durch Stöpsel 3

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und 4, die mit Montagestutzen 5 und 6 versehen sein können, beispielsweise über die Schweißstellen 7 an den oberen Kontaktflächen verschlossen. Diese Anordnung weist die oben näher erläuterten Nachteile auf, die durch die erfindungsgemäßen Brennstäbe, z.B. gemäß Figur 2, beseitigt werden.

Die in dieser Figur gezeigte ringförmige Brennstofftablette 8 ist mit den in gleichmäßigem Abstand in der zylindrischen äußeren Seitenfläche angeordneten Längsrillen versehen. Obwohl infolge der noch besseren Herabsetzung der Ringspannung ringförmige Tabletten günstiger sind, kommt die Erfindung auch mit Vorteil bei durchgängigen Tabletten ohne Mittelborhung zum Einsatz. Da jedoch die günstige Wirkung der Mittelbohrung zusätzlich zur Verringerung der Ringspannung durch die Längsrillen erfolgt, ist diese Ausgestaltung besonders vorteilhaft. Nach der weiteren günstigen Ausgestaltung der Erfindung gemäß Figur 3 ist die ringförmige Tablette 10 sowohl in der zylindrischen äußeren Seitenfläche wie auch der Innenfläche mit den Längsrillen 12 bzw. 11 vereehen, die ebenfalls in gleichmäßigem gegenseitigen Abstand angeordnet sind. Die Innenrillen können gegenüber den Außenrillen vereetzt und in einer mit diesen einen Winkel bildenden Ebene angeordnet sein. Hierdurch wird bei maximaler Herabsetzung der Ringspannungen die größtmögliche mechanische Festigkeit der Tablette erreicht. Außerdem kann bei dieser Anordnung die Zahl der Außenrillen ver-

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hältnismäßig klein gehalten werden, wodurch eine wesentliche Verkleinerung der Kontaktfläche der Tablette mit der Hülse und damit eine Verschlechterung dea Wärmeaustausches vermieden wird. Dies wiederum gestattet die Wahl von Tabletten mit größerem Durchmesser, wodurch eine !»easere Raumausnützung bei gegebenem Wärmehaushalt erzielt wird.

Zahl und Weite der Schlitze werden so gewählt, daß bei geringstem Volumenverlust während der lebensdauer der Tabletten eine größtmögliche Herabsetzung der Ringspannungen erreicht wird. Die Berücksichtigung der Lebensdauer des Brennstoff* ist deshalb wichtig, weil der voll· Schutz gegen Ringspannungen durch die Rillen dann nicht mehr gewährleistet ist, wenn infolge der im Lauf· der Zeit eintretenden Auedehnung bzw. Anwaohsung de· Brenn- , stoffs die Rillen allmählich zuwachsen und sodann die Ringspannungen wieder auftreten. Der aus dem Produkt von Rillenzahl und -weite errechnete Ausdehnungsimum muß daher In der Regel dta Brennstoffwaohstum während seiner Lebensdauer entsprechen.

lach der in der figur 2 gezeigten Aueführungsform hören die Rillen im oberen Teil der Tablette auf. Dieser Teil liegt In einem höheren Temperaturbereich und ist in stärkerem Maße plastisch verformbar als der untere, mit Hillen versehene Tablettenteil. Da die gesamte Hingapannung Ύύη dem Teil ohne Rillen aufgenommen wird, dieser

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aber plastisch verformbar ist, wird bei entsprechend hohen Betriebstemperaturen praktisch die Ausschaltung der Ringspannungen erreicht. Nach günstigen Ausgestaltung der Figur 3 sind die Rillen durchgehend, so daß die Hingspannungen auch bei niedrigen Betriebstemperaturen ausgeglichen werden.

unter Umständen kann der volle Ausgleich der Hingspannungen während der gesamten Brennstofflebensdauer unnötig odeSr sogar unerwünscht sein. Das kann insbesondere dann der Fall sein, wenn auf größtmögliche Volumenausnutzung Wert fee legt wird und tine gewisse Hingspannung gegen Ende der Brennst off lebensdauer in Kauf genommen werden kann. Anzahl und Weite der Rillen werden dann so gewählt, daß diese gegen Ende der Lebensdauer des Brennstoffs zuwachsen. Me hiernach entstehenden Ringspannungen sind aber immer noch kleiner als zum entsprechenden Zeitpunkt in bekannten Brennelementen, da die Rillen bis dahin das Auftreten jeder Ringspannung verhinderten und erst jetzt eine durch Anwachsen eintretende, Hingspannungen erzeugende Umfangevergrößerung der Tabletten erfolgt.

lach weiterer günstiger Ausgestaltung der Erfindung sind die Rillensohlen abgerundet, insbesondere bei Verwendung ringförmiger Tabletten mit Mittelbohrung. Hierdurch werden die durch spitz nach innen zulaufende Rillen möglicherweise begünstigten Rissebildungen vermieden. Bei Verwendung von Tabletten ohne Mittelbohrung ist eine Abrundung der Rillensohlen im allgemeinen nicht erforderlich, da

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eventuell auftretende Hissebildungen nicht zu Brennstoffverlagerungen führen«, ^

Die Wahl der Rillentiefe erfolgt in der Regel als Kompromiß der sich aus praktischer Herstellung, mechanischer Festigkeit, Völumenverringerung des Brennstoffs und Herabsetzung der Ringspannung ergebenden Anforderungen und ist daher von lall zu Fall verschieden. Im allgemeinen ist eine der halben Stärke der Tablette entsprechenden Rillentiefe am günstigsten; geringere Tiefen sind möglich, wenn größere meehanische Festigkeit wichtiger ist als eine noch stärkere Herabsetzung der Ringspannungen. Eine noch größere Tiefe ist im allgemeinen ungünstig, da die mechanische Festigkeit leidet und das Brennstoffvolumen abnimmt c ■ ; , "

In Tabletten ohne Mittelbohrung oder Ringtabletten mit Rillen in nur einer Seitenfläche, z_eB. gemäß der Figur 2, sind wenigstens sechs längsrillen erwünscht. Koch günstiger sind acht bis zwölf Rillen, da sodann die Reibung zwischen Tablette und Hülle in den zwischen den Rillen liegenden Teilen geringer wird. Vier bis sechs Rillen sind ausreichend, wenn sowohl die Innen- wie auch.die,-Außenfläche der Tabletten mit Rillen versehen sindc

Bei der Auslegung der Tabletten und der vorgesehenen Rillen muß die Wachstumskennlinie des zu Tabletten komprimierten Brennstoffs berücksichtigt werden. i)as gleiche gilt für das Wachstum der Hülsen, da sich aus der Wachs-

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tumsdifferenz von Brennstoff und Umhüllung die Ringepannung ergibt₀ Auch aus diesem G-runde sind Anzahl und Abmessungen der Rillen von Fall zu Fall verschieden und nicht durch die angegebenen an sich günstigen Werte beschränkt, zumal es, wie erwähnt, im Einzelfall auch wünschenswert sein kann, zu Gunsten anderer Vorteile ein gewisses Maß an auftretender Ringspannung in Kauf zu nehmenο

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Claims (3)

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Patentansprüche

1« Keramische Brennelemente in Form von Tabletten und dergleichen mit zylindrischer Seitenfläche, zur Verwendung mit einer röhrenförmigen Umhüllung als Brennstäbe in Kernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß in der Seitenfläche der Tabletten mehrere längsrillen von größerer Tiefe als Weite zur Aufnahme der duroh Ausdehnung bzw. Wachstum der Tabletten in der Umhüllung erzeugten Eingspannung vorgesehen sind.

2. Brennelemente gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tabletten eine Mittelbohrung aufweisen und die Rillensohle abgerundet ist.

3. Brennelemente gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen in gleichem gegenseitigen Abstand angeordnet sind,

4·· Brennelemente gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch in der Innenfläche der Tabletten entsprechende Rillen angeordnet sind.

5· Brennelemente gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenrillen gegenüber den Außenrillen versetzt angeordnet sind und ihre diesbezüglichen Ebenen einen Winkel bilden.

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