DE1764753A1 - Kernreaktorbrennelement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennelement von stabförmiger Gestalt für Kernreaktoren, das innerhalb eines metallischen Hüllrohres Kernbrennstoff und Moderatormaterial ent-

hält. Es ist bekannt, bei solchen Brennelementen den Moderator und den Kernbrennstoff homogen zu mischen, was zu einer günstigeren Neutronenbilanz eines mit derartigen Brennelementen ausgerüsteten Kernreaktors führt, weil im Brennstoff die gleiche Neutronendichte, wie im Moderator herrscht. Sehr nachteilig ist jedoch die relativ hohe Moderatortemperatur eines derartigen Brennelementes bei hoher Leistungsdichte, da die Wärme

- 1 109842/0464

Mü/Kr

BAD ORIGINAL

PLA 68/1480

aus den Zentralzonen desselben erst durch Wärmeleitung auf einem Weg mit hohem Wärmewiderstand bis zur gekühlten Oberfläche desselben gelangen muß. Bei Elementen mit Metallhydridmoderatoren führt dies infolge des starken Anstieges des Wasserstoff partialdruckes mit der Temperatur zu einer Beschränkung der zulässigen Leistungsdichte auf relativ kleine Werte.

Nachteilig ist auch die erforderliche Verträglichkeit zwischen Brennstoff und Moderator. Dadurch können z.B. Brennetoff-Moderator-Kombinationen wie UO₀-ZrH. _n oder UO₀-YH_{1 Q}- nicht verwendet werden, wenn die Brennstoffpartikel nicht mit einem Schutzüberzug versehen werden. Letzteres erschwert jedoch die Herstellung erheblich. Außerdem können im Falle ohne Schutzüberzug die in den Moderator eindringenden Spaitprodukte sum Schwellen desselben führen.

Es stellte sich daher die Aufgabe ein Brennelement zu konzipieren, das hinsichtlich seiner neutronenphysikalischen Wirkung mit dem beschriebenen vergleichbar, jedoch mit den genannten Nachteilen nicht behaftet ist. Erfindungsgemäß sind Kernbrennstoff und Moderatormaterial unvermischt derart angeordnet, daß ersterer eine innere Auskleidung des Hüllrohres bildet. Diese Auskleidung ist gegenüber dem inneren Moderatoreinsatz mit einer metallischen Abdeckung sowie mit einer Wasserstoff-Diffusionssperrschicht versehen. Da die Wärme lediglich in der Kern-

109842fl)%.64 ^Mü/Kr

BADORlQiNAL

PLA 68/1480 '"4753

brennstoffschicht entsteht, ist ein großes Temperaturgefälle nicht zu befürchten. Die entstehende Wärme wird ohne Moderator, Spalt und Diffusionssperre passieren zu müssen, durch die Wand direkt zum Kühlmittel, das die Brennelemente umströmt wie z.B. flüssiges Natrium abgeführt, so daß Moderatortemperatur und die Kernbrennstofftemperatur im Vergleich zum vorgenannten Brennelement sehr niedrig sind. Dementsprechend ist auch der Wasserstoff partikeldruck bei Verwendung von Metallhydridmoderatoreri wesentlich niedriger. Außerdem kann Urandioxyd als Brennstoff verwendet werden, das unterhalb von 1200 ⁰C die Eigenschaften einer hohen Spaltgasrückhaltung besitzt. Dies erlaubt hohe Abbrände bei nur geringem Schwellen. Zur Vermeidung einer direkten Berührung zwischen kernbrennstoff und Moderatornaterial, die unter Umständen mit chemischen Eeaktionen verbunden sein könnte, ist die Kernbrennstoffschicht auf ihrer Innenseite nochmals mit einest Metallüberzug versehen, der ebenso wie das äußere Hüllrohr aus rostfreiem Stahl bestehen kann. Zur Vermeidung von Wasserstoffverlusten aus dem Koderatormaterial ist dabei noch eine Wa'sserstof fdi f fusionssperrschicht auf der Innenseite dieser inneren Stahlauskleidung vorgesehen, die z.B. aus einem Email bestehen kann, das an den Auskleidungswerkstoff hinsichtlich seines Ausdehnungskoeffizienten sowie der Erweichungetemperatür angepaßt ist und keine starken Neutronengifte enthält. Eine solche Emailschicht hat den Vorteil, daß sie eich leicht mit einer auf den Endkappen der Brennelemente aufgebrachten inneren Emailschicht im geschlossenen Zustand des Brennelementes verschmelzen läßt, so

109842/0*64 ^Mü/K

BAD ORIGINAL

PLA 68/1480

daß damit ein geschlossener, die Wasserstoffdiffusion hemmender innerer Überzug herstellbar ist.

Als Brennstoff kann z.B. wie bereits erwähnt, UO_? Verwendung finden oder auch ein Cermet aus UOp und Stahl. Es sind jedoch auch die anderen an sich bekannten Reaktorbrennntoffo, iic Uran, Plutonium bzw. Thorium enthalten, möglich. Der Brennstoff kann aber auch ein Bestandteil der Diffusionssperre sein und z.B. in Form von coated Particles in diese eingebettet sein.

In allen Fällen ist der Brennstoff in Gestalt einer relativ dünnen Schicht angeordnet. Tm nachstehenden Beispiel eines Brennstabes mit Zirkonhydridmoderator beträgt die Schichtdicke 0,5 mm bei Höchstanreicherung des Brennstoffes, einem Cermet mit 50 Vol-# UO₂ und einem Stabdurchmesse von 1,4 cm. Bs tritt daher bei einem aus solchen Brennelementen zusammengesetzten Reaktorkern an diesen Stellen nur eine sehr geringe Flußdepression auf. Ähnlich wie bei Brennelementen mit einer homogenen Moderatorbrennstoffmischung ermöglicht diese Konstruktion eine Verminderung der Leckverluste eines damit aufgebauten Reaktorkernes im Vergleich zu einer Anordnung mit massiven Brennstoffβtäben in einem normalen heterogenen Reaktor. Solche Brennelemente eignen sich besonders für die Verwendung in räumlichen kleinen Leistungsreaktoren, so insbesondere auch bei Kernreaktoren zur Energieversorgung von Raumfahrzeugen, bei denen ein Teil der Brennelemente aus sogenannten Theraionlk-

- 4 - MU/Kr

109842/0464

BAO ORIGINAL

Γ/64753

PLA 68/1480

brennelementen besteht, die eine direkte Umwandlung der im Kernbrennstoff gebildeten Wärme in elektrische Energie gestatten. Die hier dargestellten Brennelemente bilden in einem derartigen Kernreaktor die sogenannten Treiberelemente. Sie ergänzen die für die Energieerzeugung benötigten Thermionikbrennelemente, wenn diese allein nicht ausreichen, den Eeaktor kritisch zu machen.

Zur näheren Erläuterung dieser Erfindung sei auf die Figuren 1 und 2 verwiesen. Fig. 1 zeigt in einem Ausschnitt die Schichtenfolge des Brennelementes, Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch das gesamte Element. Dabei ist die Spaltstoffschicht mit 1 bezeichnet,'das äußere Hüllrohr des Brennelementes mit 2 und die innere Stahlabdeckung mit 3. Auf dieser ist die Diffusionssperrschicht 4 aufgebracht und innerhalb dieser, sozusagen ein Verbundrohr darstellenden, Anordnung mit einem Abstand 5 der festen Moderator 6 z.B. Yttriumhydrid (YH_{1 85}) angeordnet.

Aus der Fig. 2 ist zu ersehen, daß das stabförmige Brennelement an beiden Seiten mit Endkappen 8 verschlossen ist, die ebenfalls mit einer Diffusionasperrschicht versehen und die mit jener des zylindrischen Teiles verschmolzen sind. Nach beiden Seiten schließt sich an den Moderatorteil des Brennelementes ein Reflektorteil 7 z.B. aus Beryllium an. Eine Tellerfeder 9

- 5 - Mü/Kr

109842/0464 BAD ORIGINAL

oder auch eine andere Pederkonstruktion sorgt dafür, daß sich der Kern des Brennelementes aus Reflektor und Moderatqrmaterial bei möglichen Erschütterungen nicht verschieben kann, so daß Beschädigungen des Brennelementes vermieden werden.

Aus dieser Darstellung des geometrischen Aufbaues ergibt sich, daß die Herstellung eines derartigen Brennelementes verhältnismäßig einfach ist, das Verbundrohr kann dabei z.B. mit Hilfe an sich bekannter Ziehverfahren hergestellt werden. Die Diffusionssperrschicht wird mit Hilfe der normalen Emailliertechnik auf den zylindrischen Teil des Brennelementes aufgebracht. Das feste Moderatormaterial und die Heflektörteile werden einfach eingeschoben, wobei das Einfüllspiel 5 auch ein späteres geringes Anschwellen desselben erlaubt, ohne eine Deformation des gesamten Brennelementes befürchten zu müssen.

- 6 - Mü/Kr

109842/0464 bad original

Claims (6)

PLA 68/1480 — - ^t1 a, I Patentansprüche

1. Brennelement von stabförmiger Gestalt für Kernreaktoren, das innerhalb seines metallischen Hüllrohres Kernbrennstoff und Moderatormaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß Kernbrennstoff und Moderatormaterial unvenuischt derart angeordnet sind, daß .ersterer eine innere Auskleidung des Hüllrohres bildet *

2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernbrennstoffschicht gegenüber dem Moderator mit einer metallischen Abdeckung sowie einer Wasserstoff-Diffusionsaperrschicht versehen ist.

3. Brennelement nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Hüllrohr und Abdeckschicht aus rostfreiem Stahl, die Kernbrennstoffechicht aus einem UOp-Stahlcermet und die Diffusionssperrschicht aus einen Email bestehen.

4. Brennelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Moderatormaterial Yttriumhydrid oder Zirkonhydrid vorgesehen ist.

- 7 - Mü/Kr

BAD

PLA 68/1480

5. Brennelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Moderatormaterial in Gestalt fester Formkörper im Brennelement angeordnet ist und durch Federn zur Vermeidung von Zerstörungen bei möglichen Erschütterungen niedergehalten wird.

6. Verwendung der Brennelemente nach den Ansprüchen 1 bis 5 als Treiberelemente in Energieversorgungsreaktoren für Raumfahrzeuge, die zum Teil mit Thermionik-Brennelementen ausgerüstet sind, sowie für räumlich kleine Leistungsreaktoren.

- 8 - Mu/Kr

109842/0464 BAD ORIGINAL