DE1639070C - Spaltstoffelement für Druck-Kernreaktoren und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

hüllungsdicke und gleichzeitig eine große äußere 16 des Spaltstoffelements und dem Körper 24 befindet

Druckbelastbarkeit der Umhüllung zu erzielen. sieb eine Schraubenfeder 30, welche diesen Körper

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch und die darunter befindliche Säule der Spaltstoffgelöst, daß der genannte Stoff eine in der Wärme zer- körper 12 nach unten in Richtung auf den unteren fallende und dabei Gas bildende Substanz ist, deren 5 Endverschluß 16 preßt.

Menge so bemessen ist, daß sie im Spaltstoffelement Der Zweck der in der Wärme verfallenden Substanz

bei Betriebstemperatur einen Innendruck von ist es, ein Gas zu erzeugen, welches innerhalb des

21,1 kp/ra² bis 246,1 kp/cm^s aufbaut. Spaltstoffelementes 10 nach dessen Montage einen

In vorteilhafter Weise gehört die in der Wärme zer- Innendruck aufbaut. Der Körper 24 kann entweder

fallende Substanz der Gruppe der Oxalate, Karbonyle io aus einem Oxalat oder aus einem Karbonyl oder aus

oder festen Kohlendioxyde an. . einem Gemisch zweier oder mehrerer solcher Substan-

Die in der Wärme zerfallende Substanz ist dabei zen bestehen, welche sich innerhalb eines Temperaturvorzugsweise MnC₈O₄. bereiches zwischen 93 und 316° C thermisch zersetzen.

Vorteilhaft besteht die Umhüllung aus einer Das erfindungsgemäße Spaltstoffelement 10 kann also

Legierung auf Zirkoniumbasis oder aus austenitischem 15 ordnungsgemäß zusammengebaut und anschließend

rostfreiem Stahl. erhitzt werden, wobei sich die darin befindliche, in

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung der Wärme zerfallende Substanz, beispielsweise also

besteht darin, daß in der Umhüllung eine Gasexpan- ein Oxalat, in Kohlendioxyd oder ein Gemisch aus

sionskammer gebildet ist. Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd zerlegt. Obwohl

Die Erfindung beinhaltet außerdem ein Verfahren 20 Oxalate oder Karbonyle, die bei Normaltemperatur

zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Spaltstoff- einen festen Aggregatszustand haben, vorzugsweise

elementes, welches durch die folgenden Verfahrens- zu verwenden sind, können auch Flüssigkeiten An-

schritte gekennzeichnet ist: Wendung finden, die in einem Trägerkörper absorbiert

, _. , . . . „ , „, . sind, beispielsweise in einem Molekularsieb oder in

a) Einbringen einer Anzahl von Spaltstoffkorpem ,,. _{ejner metallorganischen} Verbindung. Ein Beispiel für in eine röhrenförmige Umhüllung ,n an sich be- _dn geeignetes Oxalat ist Eisenoxalat (FeC₂O₄)- welkannter Weise, _{ches sjch} ^ _{ejner Temperatur von et}wa 160⁰C nach

b) Einbringen der gasbildenden, in der Wärme zer- _ej_{ner oc}j_er beiden der nachstehenden Formeln zersetzt: fallenden Substanz in die Umhüllung,

c) dichtes Verschließen der Umhüllung und 30 FeC₂O₄-> Fe + 2 CO₂

d) Erhitzen des so gebildeten Spaltstoffelementes auf IeC₂O₄ ^- FeO + CO t CO₂
eine Temperatur, bei welcher die in der Wärme

zerfallende Substanz zerfällt. Karbonyle, welche sich in einem Temperaturbereich

zwischen 93°C und 316°C thermisch zersetzen, ent-

Das erfindungsgemäße Spaltstoffelement kann unter 35 halten unter anderem auch Ni(CO)₄ und Fe(CO)₅.

normalem Druck in normaler Atmosphäre druckdicht Solche Karbonyle zerfallen nach folgender Formel

verschweißt werden, da ein Gasdruck im Spaltstoff- in CO:

element erst nach dem Verschweißen dadurch erzeugt Ni(CO) -> Ni 4- 4CO
wird, daß dieses Element entweder besonders erwärmt

oder erstmalig in Betrieb genommen wird. Hierdurch 40 Andere Oxalate, welche sich innerhalb der vorge-

wird die Herstellung eines solchen, während des Be- nannten Temperaturgrenzen thermisch zersetzen, ent-

triebs unter einem inneren Gasdruck stehenden EIe- halten NiC₂O₄, A1₂(C₂O₄)₃ und MnC₂O₄.

mentes wesentlich vereinfacht und damit verbilligt. Sowohl Kohlenmonoxyd als auch Kohlendioxyd

An Hand der Zeichnung soll ein Ausführungsbei- vertragen sich mit den Materialien, aus welchen die

spiel der Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt 45 Spaltstoffkörper 12 und die Umhüllung 14 bestehen.

Fig. leinen schematischen Vertikalschnitt durch Die Spaltstoff körper 12 bestehen aus Urandioxyd (UO₂)

ein Spaltstoffelement und mit einer Anreicherung an U-235. Die Umhüllung 14

F i g. 2 einen Schnitt gemäß der Linie 11-11 der besteht aus einem im wesentlichen mit Bezug auf die

Fig. 1. umgebenden Reaktorteile inerten Material, wobei diese

Im Inneren des Spaltstoffelements 10 befindet sich 50 Inertität auch bezüglich des die Spaltstoffelemente

eine Anzahl zylindrischer Kernspaltstoffkörper 12, umgebenden Kühlmittels, des innerhalb der Spalt-

die mit ihren Stirnseiten aneinanderliegend innerhalb Stoffelemente entwickelten Kohlenmonoxydes und

einer röhrenförmigen Umhüllung 14 angeordnet sind. Kohlendioxydes und auch bezüglich anderer korro-

Die beiden stirnseitigen Enden der Umhüllung 14 dierender Faktoren, wie beispielsweise des Einflusses

sind durch Endverschlüsse 16 verschlossen, welche 55 der Strahlung der Spaltstoffkörper 12, gegeben sein

mittels Ring-Schweißnähten 20 mit der Umhüllung 14 muß. Die Umhüllung 14 kann aus einer Legierung

verschweißt sind und auf diese Weise das Spaltstoff- auf Zirkoniumbasis oder einem austenitischen rost-

element 10 dicht abschließen. Am oberen Ende des freien Stahl bestehen. Legierungen auf Zirkoniumbasis

Spaltstoffelementes 10 ist eine Gasexpansionskammer haben einen kleineren Neutronenabsorptionsfaktor als

22 angeordnet, in welcher die Spaltgase Aufnahme 60 rostfreier Stahl, doch hat rostfreier Stahl eine gerin-

finden. gere Kriechneigung als Legierungen auf Zirkonium-

Innerhalb der Gasexpansionskammer 22 befindet basis. Das erfindungsgemäße Spaltstoffelement 10 sich ein Körper 24 aus einer in der Wärme zerfallen- kann beispielsweise einen Außendurchmesser von den und dabei Gas bildenden Substanz, welcher oben 11,2 mm und eine in weiten Grenzen veränderbare auf der Säule der Spaltstoffkörper 12 aufliegt. Der 65 Länge haben, welche von den Abmessungen der Kern-Körper 24 aus einer in der Wärme zerfallenden reaktionskammer abhängt, in welcher derartige EIe-Substanz ist zwischen Aluminiumoxydscheiben 26 und mente Anwendung finden sollen. Gewöhnlich wird der 28 untergebracht. Zwischen dem oberen Endverschiuß Durchmesser des Spaltstoffelementes kleiner als

12,7 mm sein. Bei einer bestimmten Reaktorgröße diejenige der Außenfläche des Umhüllungsmaterial!

haben die Spaltstoff körper 12 vorzugsweise einen ungefähr 348° C. Die Spitzentemperatur des Kühl-

Durchmesser von etwa 10,2 mm. Der freie Raum 32 wassers liegt bei 344°C.

zwischen den Spaltstoffkörpern 12 und der Innenfläche Bei diesen Temperaturen und den sich daraus erder Umhüllung 14 beträgt ungefähr 0,07 mm. Der 5 gebenden Drücken befindet sich die Umhüllung 14 in freie Raum 32 dient dazu, die Änderungen der Ab- Berührung mit den thermisch gedehnten Spaltstoffmessungen der Spaltstoffkörper 12 bei sich ändernden körpern 12, so daß unter Normalbedingungen keine Temperaturen aufzunehmen. Je nach Betriebstempera- Gefahr besteht, daß die Umhüllung 14 übergroßen tür können sich die Spaltstoff körper 12 so stark aus- Ermüdungsbeanspruchungen ausgesetzt wird, die ihre dehnen, daß der freie Raum 32 vollständig von ihnen iq Ursache in dem außerordentlich hohen Druck des umausgefüllt wird, so daß die Oberflächen der einzelnen gebenden Wassers von 158,2 kp/cm² haben könnten. Spaltstoffkörper 12 innig und fest an den Innenwan- Die Gefahr einer Ermüdung der Umhüllung 14 wird düngen der Umhüllung 14 anliegen. Da gemäß der hauptsächlich durch die wiederholte thermische ZuErfindung das Spaltstoffelement 10 unter Innendruck sammenziehung und Wiederausdehnung der Spaltsteht, ist die Umhüllung 14 geringeren Krafteinwir- 15 Stoffkörper 12 infolge wiederholten Abschaltens und kungen von außen ausgesetzt, so daß die Dicke des Wiederinbetriebsetzens des Reaktors heraufbeschwo-UmhüHungsmaterials nicht größer als etwa 0,44 mm -JL ren. Wird der Reaktor stiiigesetzt, so ziehen sich die 0,02 mm zu sein braucht. Solche erfindungsgemäßen Spaltstoffkörper 12 infolge ihrer Abkühlung zusam-Spaltstoffelemente haben einen besseren Wirkungsgrad men und entfernen sich von der Innenfläche der Um- und arbeiten zufriedenstellender als die bisher üb- 20 hüllung 14. Die Umhüllung 14 selbst folgt jedoch liehen, nicht unter Innendruck stehenden Spaltstoff- diesen Bewegungen der Spaltstoffkörper 12 nicht, elemente mit einer Umhüllungswandstärke von sondern behält wegen des innerhalb der Umhüllung 0,61 mm. Wird rostfreier Stahl als Umhüllungsmate- aufrechterhaltenen Gasdruckes ihre Form bei. Beträgt rial verwendet, bei welchem bisher normalerweise eine beispielsweise der Druck des umgebenden Wassers Umhüllungswandstärke von 0,38 mm angewendet wur- 35 158,2 kp/cm², so wird innerhalb des dicht abgede, so kann diese Wandstärke bis auf etwa 0,19 mm ver- schlossenen Spaltstoffelementes nach der Erfindung ringert werden, wenn Spaltstoffelemente zur Anwen- ein Innen-Gasdruck von 70,3 kp/cm² aufrechterhalten, dung kommen, die unter einem Innendruck von etwa so daß in Wirklichkeit nur ein äußerer Druck von 70,3 kp/cm² bis 140,6 kp/cm² stehen. 87,9 kp/cm² wirksam ist, der jedoch nicht ausreicht, Das oben beschriebene erfindungsgemäße Spaltstoff- 30 um ein Kriechen oder »Absacken« der dünnen Umelement eignet sich zum Betrieb in Druckwasserreak- hüllung 14 herbeizuführen.

toren, deren Wasser unter einem Druck von etwa Eine weitere Methode zur erfindungsgemäßen Er-140,6 kp/cm² bis 158,2 kp/cm² ,steht. Bei optimalen zielung des inneren Gasdruckes besteht darin, festes Betriebsbedingungen beträgt die Temperatur jeweils in Kohlendioxyd in den Spaltstoffstab einzubringen, der Mitte der einzelnen Spaltstoffkörper 12 etwa 35 so daß nach dichtem Abschließen des Stabes das 2325°C, während deren Oberflächentemperatur unge- Kohlendioxyd verdampft und innerhalb des Spaltfähr 564°C beträgt. Die Temperatur der Innenfläche Stoffstabes Kohlendioxydgas von gewünschtem Druck des Umhüllungsmaterials 14 beträgt etwa 416° C und entwickelt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

jedoch dazu führen, daß das Umhüllungsmaterial der Patentansprüche: Spaltstoffelemente bis auf die Oberfläche der darin befindlichen Spaltstoffkörper zusammengepreßt wird

1. Spaltstoffelement für Druck-Kernreaktoren, und es dadurch schneller zu Störungen kommt, weil dessen an beiden Enden geschlossene Umhüllung 5 dann das Umhüllungsmaterial den Bewegungen der sowohl mit Abstand eine Anzahl von Kernspalt- Spaltstoffkörper folgt, welche sich in dem Maße, in Stoffkörpern umschließt, so daß Wärmedehnungs- welchem sie mehr oder weniger Hitze erzeugen, entunterschiede zwischen dem Umhüllungsmaterial sprechend ausdehnen oder zusammenziehen. Obwohl und den Spaltstoffkörpern aufgenommen werden, das Ausmaß dieser Bewegungen des Umhüllungsais auch einen Stoff beinhaltet, welcher auf diese io materials nur gering ist, kann das Umhüllungsmaterial Umhüllung zwecks Ausgleich eines auf sie einwir- nur einer begrenzten Zahl von Lastwechseln standkenden Außendruckes einen bestimmten Innen- halten, bevor es zum Dauerbruch kommt Umhüldruck ausübt, dadurch gekennzeichnet, lungsmaterialien, die aus bekannten Legierungen auf daß der genannte Stoff eine in der Wärme zer- Zirkoniumbasis bestehen;, können in Fällen extremer fallende und dabei Gas bildende Substanz (24) ist, 15 Dehnungen über die Elastizitätsgrenze hinaus häufig deren Menge so bemessen ist, daß sie im Spalt- nur etwa hundert bis tausend Lastwechseln standhalstoffelement bei Betriebstemperatur einen Innen- ten, bevor es zum Dauerbruch kommt. Auch Umdruck von 21,1 kp/cm² bis 246,1 kp/cm² aufbaut, hüliungsmaterialien aus rostfreiem Stahl neigen in

2. Spaltstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gleicher Weise zu Dauerbrüchen,
gekennzeichnet, daß die in der Wärme zerfallende ao Wenn ein Kernreaktor in Betrieb ist, werden außer-Substanz (24) der Gruppe der Oxalate, Karbonyle dem die Umhüllungsmaterialien der Spaltstoffelemente oder festen Kohlendioxyde angehört. infolge der Bestrahlung im Laufe der Zeit immer

3. Spaltstoffelement nach Anspruch 2, dadurch spröder, und dieselben können nach einer gewissen gekennzeichnet, daß die in der Wärme zerfallende Betriebszeit nicht mehr als im Bereiche von etwa einem Substanz (24) MnC₂O₄ ist. 35 Prozent der ursprünglichen Belastung beansprucht

4. Spaltstoffelement nach einem der Ansprüche 1 werden. Kommt es aber infolge Ermüdung des Umbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung hüllungsmaterials der Spaltstoff elemente zum Bruch (14) aus einer Legierung auf Zirkoniumbasis oder einer Umhüllung oder bilden sich Nadellöcher in den aus austenitischem rostfreiem Stahl besteht. Umhüllungen, so können radioaktive Gase und

5. Spaltstoffelement nach einem der Ansprüche 1 30 radioaktive Spaltstoffe aus den Spaltstoffelementen bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Umhül- austreten, wobei das Reaktorkühlmittel stark radio-Iung (14) eine Gasexpansionskammer (22) gebildet aktiv verseucht wird. Der Reaktor muß also regelist, mäßig stillgesetzt werden, damit an der Grenze der

6. Verfahren zur Herstellung von unter Innen- Schadhaftigkeit befindliche Spaltstoffelemente oder druck stehenden Spaltstoffelementen nach einem 35 Spaltstoffelemente mit bereits eingetretenen Umder Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch hüllungsschäden ausgewechselt werden können,
folgende Verfahrensschritte: Es wäre an sich naheliegend, Brüche des Umhül-

a) Einbringen einer Anzahl von Spaltstoff kör- lungsmatermls der Spaltstoffelemente von Druckpern in eine röhrenförmige Umhüllung in an Kernreaktoren dadurch zu vermeiden, daß die Umsich bekannter Weise, *° ^hullun8 ™^{ι einer} größeren Wandstarke ausgeführt

..„.,. . .... , . , ..,_ wird. Solche Umhüllungen wirken sich aber nachteilig

b) Einbringen der gasbildenden in der Warme _{auf dje NeutrO}nenwirtschaft aus und haben infolgezerfallenden Substanz in die Umhüllung, _{dessen ejne Erhöhung der} R_eaktorbetriebskosten zur

c) dichtes Verschließen der Umhüllung und Folge.

d) Erhitzen des so gebildeten Spaltstoffelementes 45 Aus der französischen Patentschrift 1 367 328 ist auf eine Temperatur, bei welcher die in der ein Spaltstoffelement bekanntgeworden, bei welchem Wärme zerfallende Substanz zerfällt. die genannten Schwierigkeiten vermieden werden. Das

Spaltstoffelement weist eine Umhüllung auf, die sowohl mit Abstand eine Anzahl von Kernspaltstoffkörpern

50 umschließt als auch ein Druckgas beinhaltet, welch

letzteres zwecks Ausgleich eines .auf die Umhüllung des Spaltstoffes wirkenden Außendruckes einen be-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spaltstoffelemcnt stimmten Innendruck ausübt. Die Herstellung dieses für Druck-Kernreaktoren, dessen an beiden Enden bekannten Spaltstoffelementes erfolgt dadurch, daß geschlossene Umhüllung sowohl mit Abstand eine 55 die zunächst noch offene, die Kernspaltstoffkörper [Anzahl von Kernspaltstoffkörpern umschließt, so daß enthaltende Umhüllung in eine das betreffende Druck-Wärmedehnungsunterschiede zwischen dem Um- gas, z. B. Helium und/oder Argon, enthaltende Kamhüllungsmaterial und den Spaltstoffkörpern aufge- mer eingebracht und die Umhüllung des Spaltstoffnommen werden, als auch einen Stoff beinhaltet, elementes in dieser Kammer zugeschweißt wird, so daß welcher auf diese Umhüllung zwecks Ausgleich eines 60 nach dem Zuschweißen in der Umhüllung ein Teil des auf sie einwirkenden Außendruckes einen bestimmten in der Kammer enthaltenen Druckgases verbleibt. Innendruck ausübt; außerdem bezieht sich die Erfin- Das Zuschweißen der Umhüllung muß also innerhalb dung auf die Herstellung solcher Spaltstoffelemente. der geschlossenen Kammer in einer Druckgasatmo-

Druckwasserreaktoren haben bekanntlich einen Sphäre vorgenommen werden, was außerordentliche besseren Wirkungsgrad, wenn sie bei höheren Tempe- 65 Schwierigkeiten mit sich bringt,
raturen und höheren Drücken betrieben werden. Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, bei Spalt-

Die Erhöhung der Betriebstemperatur und des Stoffelementen der eingangs genannten Art auf einBetriebsdruckes wassergekühlter Kernreaktoren kann fächere und billigere Weise eine nur geringe Um-