DE1905129U

DE1905129U - Kernreaktor-brennelement.

Info

Publication number: DE1905129U
Application number: DEU3653U
Authority: DE
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1961-08-01
Filing date: 1962-08-01
Publication date: 1964-11-26
Also published as: GB958697A; ES279686A1; BE620961A

Description

Die !Teuerung "besieht sich auf Kernreaktor-Brennelemente mit einer Metallhülle, Vielehe Gruppen von spaltbaren keramischen und nicht spaltbaren keramischen Pellets enthält, und bezweckt, derartige Brennelemente mit größerer Itinre als "bislang zu schaffen, ohne da'^ dabei schwer- oder unlösbare Probleme in Bezug auf ihre Stabilität bei der Verwendung in einem Kernreaktor auftreten.

In wirtschaftlicher Hinsicht ist es stark erwünscht, die
länge der Brennelemente zu vergrößern, da dadurch die Kosten für die Endhalterungen verringert werden und eine kleinere Menge
von neutronenabsorbierendem Material im Heaktoraufbau benötigt
wird, während bei Reaktoren, in welchen die Brennelemente an
- ihren Enden übereinandergestapelt sind, eins größere Brennstoff-Füllung ermöglicht wird, da dann weniger Zwischenräume zwischen
benachbarten Enden der aufeinanxlergestapelten Brennelemente
vorhanden sind.

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Es liat sich herausgestellt, daß ein Jaktor, welcher eine Instabilität der Brennelemente zur !Folge haben kann, der Verlust oder die Minderung an Starrheit als !Folge der Bewegung der Hülle des Elementes relativ zum Brennstoff innerhalb der Hülle ist. Es ist bekannt, eine derartige Belegung dadurch zu -verhindern, daß Brennelement und Hülle durch Einkerben des Brennstoffs und Eindrücken der Hülle in die Einkerbungen verkeilt werden. Wenn jedoch der Brennstoff ein keramischer ist, hat er die Eigentümlichkeit, nach der Herstellung nicht allzu fest zu sein (z.B. können Haarrisse beobachtet v/erden) , und er hat die weitere Eigentümlichkeit, beim Gebrauch infolge der Bestrahlungsauswirkungen in zunehmendem Maße geschwächt zu werden. Somit trägt eine Verkeilungs-Einkerbung nicht nur zur Schwächung des Pellets bei, sondern sie verliert auch während des Gebrauchs rasch ihr Verkeil- bzw. Festhaltevermögen.

Gemäß der !Teuerung sind bei einem Kernreaktor-Brennelement der vorgenannten Gattung'die nicht spaltbaren keramischen Pellets zumindest teilweise von kleinerem Querschnitt als die spaltbaren Pellets. Die Pellets stehen miteinander in Berührung, und die Hülle sitzt eng auf den Pellets und steht mit Eindrückungen in enger Berührung mit den nicht spaltbaren Pellets an den Stellen, wo diese einen schmaleren Querschnitt haben. Die nicht spaltbaren und die spaltbaren Pellets sind mit Bndlokalisierungsmitteln zum Lokalisieren der nicht spaltbaren Pellets auf der Längsachse des

Pelletstapels versehen, wobei die EndlokaJ-isierungsmittel einen Vorsprung am einen Ende bz?/. an den Snden von mindestens einem Pellet und eine entsprechende Aussparung bzw. Aussparungen am einen Ende bzw. an den Enden des bzw. der angrenzenden Pellets aufweisen.

Die !Teuerung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung näher erläutert, und z^r"^rar zeigt bzw. zeigen;:
Fig. 1 eine teilweise Seitenansicht einer liernreaktor-Brenn-

stoffgruppe,
Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt eines Brennstoffelementes der Gruppe, die

?igii.3 und 4 vergrößerte Einzelteile von 5¹Ig₀ 2, während J'ig. 5 eine Abänderungsform ist.

GeiaäiS den Fign. 1 bis 4 weist eine ICernreaktor-Brennelementgruppe 1 derjenigen Bauart, wie sie in der britischen Patentschrift 889 536 offenbart ist, zwei an ihren Buden übereinandergestapelte, mit engem Abstand voneinander angeordnete Gruppen von einundzwanzig parallel angeordneten, umhüllten Brennelementen 2 (20,4" oder 60,8 cm Länge) auf. die in einem rohrförmigen Gehäuse 3 aus Graphit untergebracht sind, wobei die Brennelemente 2 in Gitteraufbauten 4, die sich in dem Gehäuse 3 befinden, endfixiert sind. Ein Verbiegen der Brennelemente 2 an bzw. in der

Mitte ihrer Länge wird, durch einen -beicht-G-itteraufbau 15 "begrenzt. Jedes Brennelement 2 weist einen Stapel von gesinterten UOp-Brennstoffpellets 9 auf, die in einer dichtsitzenden, rohrförmigen Hülle 10 aus rostfreiem Stahl mit glatter Bohrung von 0,016ⁿ (0,397 mm) Dicke und 0,4" (10,1 mm) Innendurchmesser eingeschlossen sind und in zwei gleiche, an ihren Enden im Abstand gehaltene Abschnitte durch harte, nichtspaltbare Pellets 33 (0,7" oder 17₅5 mm länge) aus gesintertem Aluminiumoxid (inert gegenüber rostfreiem Stahl und UOp) unterteilt, welche mit dem G-itteraufbau 15 fluchten. Die Aluminiumoxid-Pellets 33 behalten ihre Stärke bzw· Festigkeit unter der Bestrahlung bei und haben Umfangsnuten 50 (Fig. 4), und die Hülle 10 ist auf eine im Nachfolgenden beschriebene ¥eise mit den Pellets 33 verkeilt. Die Tiefe einer Hut 50 beträgt 0,025ⁿ (o,635 mm), und die Breite ist 0,145" (3,6 mm) und verjüngt sich zu 0,135" (3,3 mm).

Jeder G-itteraufbau 4 ist aus miteinander verbundenen dünnen Streifen 5 aus rostfreiem Stahl hergestellt, welche eine Anzahl von im Abstand angeordneten Öffnungen 8 bilden. Die Enden der Brennelemente 2 sitzen mit Stecksitz in den mit Abstand voneinander angeordneten Offnungen 8, so daß durch den Laihlmittelstrom hervorgerufene Schwingungen in den Brennelementen verringert werden, aber eine Värmeausdehnung der Brennstoffstäbe durch Nachgeben der Streifen 5 von ihren Punkten der Verbindung miteinander aus ermöglicht wird.

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Die Streifen 5 werden durch einen dünnwandigen ringf-öonigen Halterungsbauteil 26 von U-förmigem Querschnitt aus rostfreiem Stahl, welcher zwischen G-raphithülsen oder -muffen 27, 28 untergebracht ist, die das Gehäuse 3 auskleiden, gehalten. Eine Relativbewegung zwischen der Halterung 26 und den Hülsen 27, 28 wird durch Stopfen 29, 30 vermieden, die auf der Halterung sitzen und in Schlitzen 31, 32 untergebracht sind, welche in den Muffen 27, 28 vorgesehen sind.

Jede Brennelementhülle 10 wird durch Bndkappen 11 aus rostfreiem Stahl abgeschlossen, die durch liichtbogen-Kantenschweißstellen 52 (Fig. 3) mit der Hülle abgedichtet sind, welche Schweißstellen durch Umfang-I/iderstandsschweißungen 53 unterstützt sind. Die Brennstoffpellets 9 sind von den Endkappen 11 durch Aluminiumoxid-Pellets 12 (0,55" oder 13,9 mm länge) thermisch isoliert. Die Enden der Brennstoffpellets'9 haben Vertiefungen 51 (Fig. 3) in ihrer Mitte. Die Vertiefungen 51 stellen sicher, daß Beanspruchungen, welche bei Temperaturänderungen in den Hüllen 10 entstehen, durch die Temperatur des Brennstoffs am Umfang der Vertiefungen gesteuert werden, wo die Pellets 9 einander berühren. Die Vertiefungen 51 lassen ein solches Maß an -axialausdehnung der Stapel der Brennstofipellets 9 an den Pellet-Mittelpunkten (wo die Temperatur eines Brennstoffpellets bis zu 1500 G ansteigen kann) zu, daß der Mittelpunkt von einem Brennstoffpellet 9 den Mittelpunkt eines benachbarten Brennstoffpellets

nicht berühren kann. Die Enden der Hüllen 10 sind so ausgebildet, daß sie Manschetten 13 bilden, und die Hülle hat eine Seihe von Umfangsrippen 14 entlang ihrer Länge, um der Hülle eine zusätzliche festigkeit zu geben und urn eine ¥ärmeübertragung vom Brennstoffs tab nach dem Kühlmittel zu verstärken. Das Gewicht von jedem Brennstoffelement 2 wird durch ?eine untere Manschette 13 aufgenommen, welche auf den oberen Kanten der Streifen 5 ruht.

Der leichte G-itteraufbau 15 bedeutet nur v;enig zusätzliches Material im reaktorkern und wird von einer Mehrzahl von dünnwandigen rohrförmigen Körpern 16 aus rostfreiem Stahl gebildet, die der Brennstoffstab 2 mit Spielraum umgeben. Die Bauteile 16 sind durch dünne Verstrebungen 17 aus rostfreiem Stahl miteinander verbunden, die hochkant zum Kühlmittelstrom durch das G-ehäuse 3 hindurch angeordnet sind. Mit Plansch versehene Stege 18 verbinden die Bauteile 16 mit einer Halterung 19? die der Halterung 26 des G-itteraufbaus 4 ähnlich ist. Die Halterung 19 ist zwischen der Graphithülse 28 und einer ähnlichen Hülse 20 angeordnet und mit Stopfen 21, 22 versehen, die auf der Halterung 19 sitzen und in Schlitzen 23, 24 untergebracht sind, welche in den Bilden der Hülsen 28, 20 gebildet sind, x^ine "Verbindung stange 57 verbindet das Gehäuse 3_S die Hülsen 27, 28, 20 und die Gitteraufbauten 4, 15 miteinander, um zusammen mit den Brennelementen 2 die vollständige Brennelei'ientgruppe 1 su bilden, welche durch die "Verbindungsstange 57 aus vertikal ausgerichteten Kühlmittelka-

nälen eines graphitmoderierten Reaktorkerns herausgehoben und in diesen hineingelassen werden kann.

Das Verbiegen der Brennelemente 2 ist so lange unbehindert, bis die Brennstoffstäbe die "Wände der Bauteile 16 berühren» Obwohl der Kühlmittelstrom am Punkte der Berührung begrenzt wird, erfolgt keine örtliche Überhitzung, da. die AluminiumoxicfcBllets 33 keine Wärme erzeugen und, da sie wärmeisolierend sind, keine "irirme leiten, die in benachbarten Brennstoffpellets 9 erzeugt wird.

Die G-raphithülsen 27, 28, 20 haben aufgeschnittene Abschnitte 34-, 35, 36 entlang dem größten Teil ihrer länge, um ringförmige, wärmeisolierende Zwischenräume 37, 38, 39 zu bilden, welche Y/ärmeverluste vom Reaktorkühlmittel verringern, welches entlang den Brennstoffelementen 2 nach der Außenseite des Gehäuses 3 strömt. Die Zwischenräume 37, 38, 39 sind 0,050" (1,191 mm) breit. Das Gewicht des UOp-Brennstoffs in der Gruppe 1 beträgt 36,5 Ib (16,5 kg). Das Gesamtgewicht der Brennstoffgruppe 1 beträgt 59,5 Ib (27 kg). Der Innendurchmesser der Hülsen 27, 28, ist 4" (101,6 mm), und der Außendurchmesser des Gehäuses 3 beträgt 5" (227 mm).

Die Brennstoffpellets 9 bestehen aus UCU-lPulver, welches gemahlen und mit einem Bindemittel gemischt wird, unter darauf-

folgendem Granulieren, Mischen zu einer 2,5-Go U235-Anreicherung, Sieben und dann Pressen zu "rohen'¹' /green/ Pellets, welche zur Beseitigung von Lösungsmittel getrocknet und bei einer hohen Temperatur (165O⁰G) für drei Stunden gesintert werden. Die Pellets 9 werden an ihren Bndflächen abgeschliffen, um eine Länge von 0,4" (ca. 10,1 mm) mit - 0005'" (0,001 mm) Toleranz zu ergeben. Die Mindestdichte beträgt 10,4 g/cm . Der Durchmesser der Pellets 9 von 0,4" (10,1 mm) hat eine Toleranz von +0,001" (+_ O₃ 025 mm). Die Vertiefungen 51 werden beim Pressen gebildet und haben eine (schließliche) Länge von 0,0015" (0,038 mm).

Die Aluminiumpellets 12, 33 werden durch Sintern (bei ungefähr 1800⁰G) der folgenden Mischung gebildet: Tabelle a)

Aluminiumoxid nicht weniger als 95$

Siliciumoxid nicht mehr als 3,5?°

Calciumoxid nicht mehr als 2,5$

Magnesiumoxid nicht mehr als 1,5$

Titaniumoxid nicht mehr 8,1s 0,1/6

Eisenoxid nicht mehr als 0,5$

natriumoxid nicht mehr als 0,5$

K₂ 0 Kaliumoxid nicht mehr als 0,5$

•z

Die Dichte beträgt 3,84 g/cm^. Die Kompressivstärke "bzw. -festigkeit beträgt über 240 000 p.s.i. (ca. 17 000 kg/cm²).

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Der Absorptionsquerschnitt liegt unterhalb von 0,317 mm"/g.

Die Nuten. 50 der Pellets 33 werden im Pr e .3 vor gang gebildet. Die Endflächen der Pellets 12, 33 werden auf dieselbe Toleranz wie die Brennstoffpellets 9 geschliffen.

Jedes Brennelement 2 wird auf folgende ^eise hergestellt; Zunächst wird eine Endkappe 11 in das eine Ende einer Hülle 10 eingepaßt und durch Schweißstellen oder -nähte 52, 53 an dieser befestigt. Die Hülle 10 wird daraufhin evakuiert und ein Aluminiumoxid-Pellet 12 in die Hülle 10 eingeführt, v/o rauf dreiundzwanzig weitere Brennstoffpellets 9, ein Aluminiumpellet 33, weitere drei undzwanzig Brennstoffpellets 9 und schließlich ein weiteres Aluminiumoxid-Pellet 12 eingeführt werden; alle diese Einführvorgänge erfolgen in einer Heliumatr::.osphäre. Die Heliumatmosphäre wird aufrechterhalten, bis eine weitere Endkappe 11 in das offene Ende der Hülle 10 eingepaßt und durch weitere Schweißnähte 52, 53 daran befestigt ist.

Die Brennelementhülle 10 wird dann durch Einkerben der Fände der Hülle 10 in die Hüten 50 durch örtliches Unterdrucksetzen mit dem Aluminiumoxid 33 verkeilt. Das Unterdrucksetzen erfolgt durch Anpassen einer Hülse von geringer Lange über denjenigen Abschnitt des Brennelementes, welcher das Aluminiumoxid-Pellet 53 einschließt, Abdichten der Hülse durch geeignete Abdichtungen

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und darauffolgendes Unterdrucksetzen des Hülseninneren mit einem hydraulischen Strömungsmittel bei etwa 10 ooo p.s.i.g. (700 kg/cm ), so daß die 'Sand der Hülle so deformiert bzw. verformt wird, daß ein nach innen gerichteter Vorsprung entsteht, der mit der IJut 50 des Pellets 33 in Eingriff kommt.

Schließlich wird das Brennelement 2, um es auf Gesamt-Leckdichte zu prüfen, erhitzt, so daß Helium, v.^relches in der Hülle 10 verblieben ist, sich ausdehnt, und die Hülle 10, die Endkappen 11 und Kantenschweißstellen '52 werden daraufhin durch äuiBerliches Überwachen geprüft, um etwa ausströmendes Helium zu ermitteln. Das in der Hülle 10 enthaltene Helium verbessert die Innen-Värmeübertragungseigenschaften des Brennelementes 2 =

Da. die Koeffizienten der V7ärme aus dehnung von rostfreiem Stahl und UO₂ 19 χ 10~⁶"/ζο1ΐ/°0 bzw. 10,5 x 10~⁶Vzoll/°C betragen, wenn die Brennelemente 2 hohen Temperaturen in einem Kernreaktor unterworfen werden, besteht eine unterschiedliche 7/ärmeausdehnung zwischen einer Hülle 10 und den Brennstoff pellets 9s die sie umgibt. Unter Tiarmekreislaufbedingungen im Seaktor ist die äußere Unterdrucksetzung durch das Sesktorkühlmittel mit der unterschiedlichen Ausdehnung kombiniert, und eine Hülle wird einer progressiven bzw. fortschreitenden Verformung /"ratchetting"/ (iesthalteverforinung) ausgesetzt. Durch Unterteilen des Stapels von Brennstoffpellets in Abschnitte und darauffolgendes

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Verkeilen der umschließenden Hülle mit einer stabil-en Komponente (Pellet 33) am Unterteilungspunkt kann das Brennelement 2 so betra.chtet werden, als ob es tatsächlich aus zwei Brennelementen von geringerer lange bestehen würde, und somit entsteht, wenn die unterschiedliche Ausdehnung in den Abschnitten sich als ungleichmäßige Verkeilung zwischen Hülle und Brennstoff herausstellt, eine geringere Gefahr, daß Spalten oder Zwischenräume zwischen den Brennstoffpellets einer solchen Größe entstehen, daß durch sie eine ]?esthalteverformung begünstigt wird.

Fig. 5 zeigt eine Abänderungsform, bei welcher die Brennstoffpellets 9 durch ein nichtgenutetes Aluminiumoxid-Pellet von geringerem Durchmesser als die Pellets 9 unterteilt sind und die Hülle 10 in den Ringraum hineinverformt wird, welcher von dem Pellet 55 und der Hülle 10 gebildet wird. Während der Unterdrucksetzung wird das Pellet 55 in der Bohrung der Hülle 10 durch Vorsprünge 56 mittig gehalten, welche durch die Vertiefungen in den Enden der benachbarten Pellets 9 fixiert sind.

Anstelle von Aluminiumoxid-Pellets können auch Pellets verwendet weiden, die aus anderen hochreinen Keramikstoffen, wie z.B. Berylliumoxid /beryllia/ oder Magnesiumoxid /magnesia/, bestehen. Ein geeignetes Berylliumoxid hat die folgende Zusammensetzung ϊ

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Tabelle b)	Berylliumoxid	e twa	■ 01*
Be₂O₃	natriumoxid	etwa	.01τέ
Ha₂O	Eisenoxid	etwa	.03*
Fe₂O₃	!lithiumoxid	etwa	.01/o
Li₂O	Calciumoxid	etwa	.01*
OaO	Magnesiumoxid	et v/a	.06*
MgO	Fluor	etwa -
¥

Die Sintertemperatur liegt bei ungefähr 1500 C,

Bin geeignetes Magnesiumoxid hat die folgende Zusammensetzung :
Tabelle 0)

MgO	Magnes i umoxi d	etwa	95*	als
SiO₂	Siliciumoxid	etwa	2-35^	als
CaO	Calciumoxid	etwa	1-1,5*
SeO	Seliumoxid	nicht	weniger
Al₂O₃ _	Aluminiumoxid	nicht	weniger

Die Sintertemperatur beträgt ungefähr 1400 C,

Schutzansprüche

Claims

1. Kernrealetor-Brennelement mit einer Ivietallhülle, die Gruppen von spaltbaren keramischen Pellets und dazwischen angeordnete nicht spaltbare keramische Pellets enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht spaltbaren keramischen Pellets zumindest teilweise einen kleineren Querschnitt haben als die spaltbaren Pellets und daß alle Pellets miteinander in Berührung stehen und die Hülle eng auf den Pellets sitzt und auch mit üiindrückungen in enger Berührung mit den nicht spaltbaren Pellets steht, wo diese einen schmaleren Querschnitt aufweisen.

2. Kernreaktor-Brennelement nach Anspruch 2,- dadurch gekennzeichnet, daß die nicht spaltbaren keramischen Pellets von kleinerem Querschnitt sind a.ls die spaltbaren Pellets und die nicht spaltbaren und die spaltbaren Pellets Sndlokalisierungsmittel zum ausrichten der nicht spaltbaren Pellets zur Längsachse des Pelletstapels aufweisen.

5. Kernreaktor-Brenneierient ηε,οΐι --uie oru.cn I, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlokalisierunrsmittel einen Vorsprung an einem oder den Enden von mindestens einem Pellet und. eine entsprechende Aussparung "bz^T,"/. Aussparungen an ainem oder den Enden des oder der angrenzenden Pellets aufweisen.