DE1878465U - Brennstoffelement fuer kernreaktoren. - Google Patents

Description

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■410-85036 "J—-^JL · J-J^^pi· 8.4.1963

COMMISSARIAT A 1'ENERGIE ATOMIQUE, Paris 7äme (Frankreich)

'; Brennstoffelement für Kernreaktoren

Die Feuerung betrifft ein Brennstoffelement für einen Kernreaktor und insbesondere ein Element, das aus einem Stab eines Spalt- oder Brutstoffes besteht, der in einer Hülle sitzt, welche zumindest an einem Ende durch einen Stopfen verschlossen ist. '■'

Brennstoffelemente werden in den vertikalen Reaktorkanälen häufig übereinandergesetzto Der Endstopfen jedes Ele'mentes überträgt entweder das Gewicht dieses Elementes auf eine Halterung (wenn jedes Element eine besondere Halterung aufweist, die sich auf - die Halterung des ,darunterliegenden Elementes abstützt) öder er wird sogar mit dem Gewicht sämtlicher über ihm liegender Elemente belastet. Die Kühlung der Stopfen durch das die Reaktorkanäle'durchströmende Kühlmittel ist weniger wirksam als die Kühlung der Elementhüllen, die unmittelbar von der Strömung des Kühlmediums umspült werden und im allgemeinen noch mit_v Kühlrippen versehen sind;„

Überdies ist der Stopfen meist von dem spaltbaren oder dem 410-B. 637-3-IR (7) ■, :

'Brutmate-rial des Elementes durch, eine isolierende Tablette getrennt, die im allgemeinen aus hochtemperaturfestem Material, wie Aluminiumoxyd oderHagnesia, "besteht und ^:;&ie Aufgabe hat, die Temperatur des Stopfens zu verringern und sein Erweichen zu verhindern. ; '^ :"- .

Eine solche isölerende;Tablette hindert/zwar den

übergang!der Wärme aus dem-Spalt- oder Brutmaterial auf den

i . ς ψ..

Stopf enj.. sie behindert aber'gleichzeitig das Abfließen der Wärme aus dem Endteil des" Spalt- oder Brutmaterialstabes in

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die Hülle, über welche die Wärme abgeführt wird. Da anderseits der Neutronenfluß in der.Bähe der Enden des Elementes wegen der "Unterbrechung", welche die kein spaltbares Material enthaltende Zone zwischen zwei Brennstoffstäben bildet, wesentlich größer ist als im mittleren Teil des Elementes, besteht die Gefahr, daß -.im-, Stirnf lächenbereich der-Elemente Wärmespitzen mit allen dadurch bedingten HTachteilen auftreten.

DeriNeuerung liegt die^Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffelement so auszubilden, daß-der Übergang der Wärme aus dem Spalt- oder Brutmaterial in den Stopfen weitgehend gehindert wird, der Übergang dieser,Wärme an die Hülle■jedoch möglichst unbeeinträchtigt bleibt.

Ein. die Lösung dieser Aufgabe bringendes Brennstoffelement für einen Kernreaktor, das aus einem Stab von Spalt- oder Brutmaterial.; besteht, der in einer Hülle sitzt, welche an zumindest einem EnIe durch einen Stopfen abgeschlossen wird, ist im

wesentli-chen dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Spalt- oder Brutmaterial und dem Stopfen zumindest ein scheibenförmiger Körper aus. einem Material eingefügt ist, das in der Achsenrichtung des Elementes eine kleinere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in radialer Richtung«

Der

scheibenartige Körper zwischen dem Spalt- oder

Brutmaterial und dem 'Stopfen kann beispielsweise aus einer Tablette^ eines anisotropen, keramischen Materials bestehen, das gegebenenfalls fest oder einteilig mit dem Stopfen verbunden ist;' der Körper kann, aber auch aus abwechselnd aufeinander gebrachten lägeiL zweier Stoffe bestehen, die senkrecht zur Längsachse des Elementes liegen; schließlich kann der Körper eine Tablette aus kristallisiertem Material sein,' das eine.; besonders hohe .Anisotropie aufweist, wie beispielsweise der. Pyrοgraphit. . . '■_■_--''

Die;Neuerung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in der einige Ausführungsbeispiele neuerungsgemäßer Brennstoffelemente veranschaulicht sind; es zeigen: -:':. ?^;;

Pig. 1 den Endteil eines Brennstoffelementes gemäß - einer Ausführungsform der Feuerung im axialen Längsschnitt; ν.,_:ΐ *;'·

ig. 2 und 3 entsprechende Schnittdarstellungen anderer neuerungsgemäßer Ausführungsformen.

Dasi in der Pig. 1 nur mit seinem Endteil dargestellte Brennstoffelement enthält· id^;en Stab 2 aus spaltbarem Material,

wie Uran*, der in eine mit:äußeren Kühlrippen 6 versehene Meta 11-hiille 4 eingeschlossen ist}, die Halle 4 ist durch einen Stopfen 8 abgeschlossen,· der durch die mit. 10 "bezeichnete Ringschweißnaht mit der Hülle, 4;.,verschweißt ist« Der Stopfen und die Hülle sind vorzugsweise "beide aus einer Magnesium-Zirkon-Legierung mit sehr kleinem-'2irkongehalt hergestellt« Ein kleiner Anteil Mangan kann dem Material des Stopfens zugegeben sein, um die mechanische Stabilität zu verbessern^-Vor dem Pestlegen des Stopfens 8 an der Hülle-wird dieser an seiner inneren Stirnfläche 12 mit einer Schicht 14 aus keramischem Material abgedeckt (beispielsweise Aluminium oder Magnesiumoxyd), die man durch Aufspritzen mit einem Gasschweiß- oder Plasmabrenner aufbringt. Die Struktur der auf diese Weise aufgebrachten. Schicht ist in der. Pig* 1 lediglich schematisch durch flache Rundkörper veranschaulicht, um anzudeuten, daß das Schichtmaterial eine solche Anisotropie aufweist, daß der WärmeleiLt'koeffizient der Schicht in radialer Richtung:ganz wesentlich großer ist als in axialer Richtung. Infolge dieser Eigenschaft der aufgebrachten Schicht wird die Wärme wesentlich besser in 'radialer Richtung;- zu der Hülle 4 hingeleitet (entsprechend den, Pfeilen P1) als in axialer Richtung (im Sinne des Pfeiles P2) in Richtung auf den Stopfen 8„ Das Temperaturgefälle zwischen der Stirnfläche des Stabes 2 und dem Stopfen 8 bleibt infolgedessen trotz der geringen Wärmeabfuhr aus dem Stopfen durch dessen Konvektionskühlung ausreichend groß} der Stopfen wird nicht unerwünscht heiß.

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Die. Pig* 2 zeigt eine Wandere Ausführungsform der Neuerung, bei der der anisotrope CharKlater der Zwischenschicht zwischen dem Stopfen und dem spaltbaren Material noch erhöht ist. Die Einzelteile der Pig*'. _2£ die in Pig. 1 bereits erwähnt wurden, tragen das gleiche;Bezugszeichen wie in der Fig. 1»

sind aber mit einem Strichindex versehen.

!Zwischenschicht 14' zwischen dem Stopfen 8' und dem Kernbrennstoff 2' besteht aus mehreren abwechselnd übereinanderliegenden Lagen eines- Metalles und eines hochtemperaturfesten Oxyds; diese Zwischenschicht wird (der Einfachheit wegen) in der Folge "Sandwich" genannt. Die Anzahl der abwechselnd aufeinanderliegenden Lagen ist in Abhängigkeit von dem gewünschten thermischen Verhalten unterschiedlich wählbar.; ■■

Der Sandwich kann atf dem Stopfen festgelegt sein, mit dem er dann einen einteiligen Körper bildet; er kann aber auch getrennt hergestellt und einfach zwischen den Stab 2 und den Stopfen 8 eingefügt sein.

Der.Sandwich besteht.zweckmäßigerweise aus Lagen 16 eines Metalles mit kleinem Einfangquerschnitt (beispielsweise Magnesium, Aluminium, Molybdän), zwischen denen Oxydlagen 18 liegen, beispielsweise aus dem Oxyd des ;]eweils gewählten Metalles..Das Metall muß natürlich einen Schmelzpunkt aufweisen, der über der Betriebstemperatur liegt, welche das Metall aushalten solle '":■'„

DierLagen des Sandwich werden nach einer der bekannten

Verfahren für das Aufbringen von Überzügen hergestellt,

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beispielsweise durch Aufspritzen mit einem Hochtemperaturbrenner. '!Diejenige lage des,'Sandwich, die mit dem spaltbaren Material in Berührung;steht, ist vorzugsweise ein Überzug aus hochtemperaturfestern Oxyd. Die an dem Stopfen anliegende lage ist entweder eine Oxyd- oder eine Metalllage. Im. letzteren PaIIe-. ist es häufig vorzuziehen, mit dem Aufspritzen einer Molybdänlage auf den Stopfen zu beginnen^ um eine gute Haftung des Niederschlages zu erreichen. I "'■:■

Die Oxyd- und Metalllagen in dem Sandwich haben zweckmäßigerweise Dicken in der Größenordnung von 0,4 mm bzw. 0,2-.mm. Diese Angaben stellen jedoch keine einschränkenden Begrenzungen dar* . ■'- ' - .

Wenn der Sandwich einen besonderen Körper bildet, der weder mit dem Brennstoffstab noch mit dem Stopfen 8 zusammenhängt, kann er auf einer ebenen Matrize aus Steinsalz oder irgendeinem anderen löslichen Produkt hergestellt und dann von seinem Träger durch Auflösen des letzteren getrennt, dann bearbeitet und schließlich zwischen den Stopfen und das spaltbare Material eingelegt werden.

Die·Verwendung eines Sandwich anstelle eines einfachen Überzuges aus einem hochtemperaturfesten Isoliermaterial ist praktisch stets dann notwendig, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem-Stöpfen und dem spaltbaren Material sehr groß ist (mehrere 1Ö0?C). '■ .

Die. Fig„ 3 zeigt eine dritteAusführungsweise eines neue rung s gemäß en Brenn- oder Spaltstoff elementes, "bei dem der zwischen-dem Stopfen und dem Spalt- oder Bietstoffmaterial eingefügte Körper aus einem Stoff "besteht, der eine besonders hohe Anisotropie aufweist ;.^:i Me in Pig. 3 dargestellten Teile, welche anderen, bereits in .der Fig» 2 dargestellten Teilen entsprechen, tragen das gleiche Bezugszeichen wie dort, aber mit einem Doppelstrich-lndex.

Der Stoff, der z.Z«" als der günstigste für die Herstellung des Zwischenkörpers 14" angesehen werden kann, ist der Pyrographit, dessen thermisches Leitvermögen'in der Richtung parallel zu seinen Kristalliten sehr weit von dem Leitvermögen in einer Richtung senkrecht hierzu abweicht,-so daß er nicht unmittelbar auf den Stopfen.niedergeschlagen werden kann« Der Zwischenkörper wird infolgedessen.für sich allein in Tablettenform hergestellt und dann vor den Stopfen eingesetzt. Das Ausschneiden dieser Tablette aus einem Syrographitkörper muß.natürlich in der. Weise erfolgen, daß die Kristallite derart zur Stirnfläche 12"· des Stopfens 8" liegen, daß die Achsen der .das Schichtgitter des Graphits bilden· den Sechsecke aus Kohlenstoffatomen (O-Achse) senkrecht zu dieser Fläche liegen. ^: ■:

Es erweist sich als zweckmäßig, das spaltbare Material an seinem Ende mit einer Schicht aus hochtemperaturfestern Oxyd zu überziehen, deren Einfügen zwischen der Tablette 1.4"

aus Pyrographit und dem spaltbaren Material eine Aufkohlung dieses Materials vermeidet* ■::

Die;; Wirksamkeit des' Pyrographit als anisotroper Körper ergibt sich deutlich, wenn man die thermischen Leitfähigkeiten in Sichtung der Sechseckachsen (C-Achse des G-rapbit-Zristallgitters)-: und in einer senkrecht dazu liegenden Achse beriicksichtigt. In; der ersten Richtung hat die Wärmeleitfähigkeit die Größenordnung von 0,005 cal/cm*sec»⁰C, d.h. daß sich der Körper in dieser Sichtung wie ein ,Isoliermaterial verhält. In der senkrecht hierzu liegenden·Richtung nähert sich jedoch der Wert der. leitfähigkeit dem Betrag von 0,5 cal/cm^sec^C. Auf Kosten einer geringeren Wirksamkeit kann: man auch einen nur teilweise graphitierten· Pyrokohlenstoff verwenden«

Claims (3)

HA.'238 459*-8.4 6': Schutzansprüche

1. Brennstoffelement für Kernreaktoren, das aus einem Stab aus Spalt- oder Brutmaterial besteht, der in einer. Metallhülle sitzt, welche zumindest an einem Ende durch einen Stopfen verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet daß zwischen'dem Spalt- oder Brutmaterial und dem Stopien/ein Körper in Scheibenform eingefügt ist, der aus einem Material besteht,;, welches in Achs'enrichtung des Elementes eine kleinere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in radialer Richtung.

2. Element nach Ansprach 1,· dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus einer Tablette eines anisotropen, hochtemperatur fest en, keramischen Materials besteht, .die fe-st mit dem Stopfen verbunden sein kann und durch Aufspritzen in geschmolzenem Zustand erzeugt ist. -

3. Element nach Anspruch 1_? dadurch gekennzeichnet,.daß der Körper aus abwechselnd übereinanderliegenden, parallel zur inneren Stirnfläche des Stopfens angeordneten Lagen oder Schichten eines Isolierstoffes und eines leitenden Stoffes besteht»

4β Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden und die isolierenden Stoffe ein Metal 1 und sein Oxyd sind. '/

5· Element nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper eine Tablette aus einem kristallisierten Stoff hoher Anisotropie ist, beispielsweise aus Pyrographit.