DE1930182C3 - Blockförmiges Brennelement für Hochtemperaturreaktoren - Google Patents

Description

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Brennelemente (stab- oder blockförmige) für Hochtemperaturreaktoren bestehen im Prinzip aus einem hochbeständigen Strukturmaterial mit einer BrennstuffUllung. Üblicherweise wird als Strukturmaterial Graphit eingesetzt, es sind aber auch Brennelemente vorgeschlagen worden, bei denen das Strukturmaterial Siliziumkarbid ist. Der Brennstoff — beschichtete Teilchen — befindet sich vorzugsweise in einem Graphitmatrixkörper, der in das Strukturmaterial so eingesetzt wird.

Es sind Vorschläge für Elemente mit Außen- bzw. Außen- und Innenkühlung bekanntgeworden, bei denen die brennstoffhaltigen Graphitmatrixkörper als Hohl- oder Vollzylinder bzw. zylindrische Stäbe vorgefertigt und dann in Graphitrohre oder zylindrische Graphitbehälter bzw. in Bohrungen von Graphitblöcken unterschiedlicher Geometrie, d. h. tetragonal, penta- oder hexagonal, eingesetzt werden (französische Patentschrift 1269 842). Die erwähnten Graphitrohre bzw. Brennstoffbehälter können auch Doppelrohre bzw. Ringspaltbehälter sein, bei denen der an beiden Enden verschlossene Zwischenraum zwischen den beiden Rohren bzw. der Ringspalte mit den hohlzylinderförmigen Brenristoffkörpern gefüllt ist. Die brennstöffgefüHten Röhre (Brennstäbe) bzw. Graphitbehäiter können ihrerseits in die Bohrungen des Graphitblocks eingesetzt sein (Atompraxis 15

(1969) Nr. 2, S. 96 bis 100; Nucleonics 14 (1956), Nr. 3, S. 34 bis 41). . . .

Allen diesen Konzepten ist gemeinsam, daß die brennstoffhaltigen Matrixkörper nicht direkt dem Kühlgas ausgesetzt sind, sondern daß sie die beim Reaktoreinsatz auftretende nukleare Spaltwärme über «inen fabrikatorisch erforderlichen Spalt an das umgebende Strukturmaterial (Block oder Rohr) abgeben und daß die Wärme von der vom Kühlgas umströmten Oberfläche des Strukturmaterials abgeführt wird. Der Spalt zwischen Brennstoffkörper und Hülle bzw. Block ergibt bei dem Reaktorbetrieb bei hohtr Wärmedichte einen erheblichen Wärmestau und dadurch eine hohe Brennstofftemperatur, die ihrerseits die begrenzende Größe für die gesamte thennodynamische Reaktorauslegung darstellt

Bei einigen bekannten Ausführungen stabförmiger Graphitbrennelemente wird ein kleiner Teil des Kühl-"gases abgezweigt und direkt über die in dem Hüllrohr befindlichen Brennstoffeinsätze geleitet, um dann in einem angeschlossenen Reinigungssystem von gasförmigen Spaltgasen gereinigt zu werden; dieser als Reinigungsgas abgezweigte Anteil des Kühlgases trägt aber nicht zum Wärmetransport bei, der auch hier über das umgebende Graphithüllrohr erfolgt und daher gleichfalls durch den Spalt beeintiächiigt wird.

Bei einem weiteren Verfahren wird der Brennstoff in vorgefertigte Brennstoffbehälter aus Graphit gemeinsam mit einer binderhaltigen Graphitmatrix eingefüllt. Durch Verkoken des Binders verfestigt sich die Matrix, wodurch ein mehr oder weniger fester Verbund der Einzelpartikeln untereinander wie mit dem Behälter erreicht wird, wobei der Verbundkörper selbst eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt.

Alle diese Konzepte haben folgende prinzipielle Nachteile:

1. Das Strukturmaterial besteht praktisch immer aus gut graphitiertem Elektrographit, während die Kohlenstoffmatrix des brennstoffhaltigen Körpers auf Grund des Herstellungsprozesses stets beträchtliche Anteile an nicht graphitiertem Kohlenstoff enthält, weil der brennstoffhaltige Körper nicht auf Graphitierungstemperatur gebracht werden kann, da sonst die Brennstoffteilchen zerstört werden. Dieses führt zu unterschiedlichen physikalischen, besonders auch kernphysikalischen Eigenschaften zwischen Strukturgraphit und Brennstoffkörper.

2. Es ist bekannt, daß Kohlenstoff bei der erforderlichen Brennstoffelementstandzeit zunächst eine negative und danach eine positive Dimensionsänderung erfährt, die je nach Temperatur und schneller Neutronendosis für einzelne Kohlenstoffstrukturen sehr unterschiedlich ist. Demgemäß können sich die fabrikatorisch bedingten Spalte zwischen Strukturmaterial und Brennstoffkörper während des Betriebes vergrößern, was zu schlechterem Wärmeübergang und ünerwünscht hohen Brehnstoffterhperatüren führt, andererseits können sich die Spalte unter Umständen aber so weit verengen, daß das Strukturmaterial gesprengt wird. Eine Abstimmung zwischen Strukturmaterial und Brennstoffkörper ist nicht möglich, da innerhalb des Reaktors sehr unterschiedliche Temperaturen und Flußverhältnisse herrschen.

I Für den Einsatz der Brennstoffbehälter bzw. betteten, mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichteten Brennstäbe in die vom Kühlgas durchströmten Boh- Brennstoffpartikel; außerdem ist die mit SiC als rungen des Graphitblocks sind Abstandshalter be- Strukturmaterial erreichbare Brennelementkonstrukkannt Diese Abstandshalter sind entweder als be- tion nicht optimal für solche Hochtemperatur-Brennfsjondere Konstruktionsteile aus Graphit oder anderen 5 elemente, von denen hohe Wärmeleistungen bei jieramischen Stoffen hergestellt und auf die Brenn- kompakter Bauweise gefordert werden. Itoffbehälter aufgesetzt oder sind als Rippen oder AUe diese Nachteile können durch die vorfegende

Stege auf der Graphithülle der Brennstähe ange- Erfindung vollständig beseitigt werden. Beim Erbracht, d.h., Hülle und Stege sind aus einem Graphit- ment der vorliegenden Erfindung sind keine wärniefteil gearbeitet. Die Konstruktionen dieser Abstands- io hemmenden Spalte vorhanden, die die Wärmeabfühfialter haben Vorbilder in den metallischen Abstands- rung benachteiligen. Außerdem sind Dimensionsiialtern, wie sie für metallische Brennstoffbehälter änderungen des Strukturgraphits und des Brennstoffbekannt sind. In aUen Fällen sollen die Abstands- körpers möglich und zulässig, ohne daß sich dabei ^halter die gleichmäßige Umströmung hochbelasteter die thermischen Verhältnisse ändern und die mecha-Breiinstäbe mit dem Kühlgas gewährleisten. 15, nischen Festigkeiten in irgendeiner Weise beein-

Für die Herstellung von zylindrischen Brennstoff- trächtigt werden.

körpern ist ein Verfahren 'bekannt, nach dem die Gegenstand der Erfindung ist ein blockförmiges

mit einer für Spaltgase undurchlässigen Schicht ver- Brennelement für Hochtemperaturreaktoren mit hosehcnen Brennstoffpartikel mit dem Matrixmaterial her Leistungsdichte, bei dem in zylindrische Bohin einer Dragierlrommel umhüllt werden und diese 20 rungen des Graphitblocks zylinderförmige Brennumhülüen Teilchen zum zylindrischen Formkörper Stoffkörper mit durchgehendem zentralem Hohlraum, mit sehr gleichmäßiger Brennstoffverteilung gepreßt die innen und außen vom Kühlgas umspült werden werden. Gegenüber dem sonst üblichen Verfahren, sollen, eingesetzt sind, und bei dem gemäß der Erzum Pressen ein Gemenge von beschichteten Brenn- findung die Brennstoffkörper im Inneren aus einer Stoffpartikeln und pulverförmigem Matrixmaterial zu »5 Graphitmatrix mit darin homogen verteilten beverwenden, hat dieses Verfahren den Vorteil, daß schichteten Brennstoffteilchen aufgebaut sind und an eine Beschädigung der Brennstoffpartikel beim Pres- ihrer Oberfläche innen und außen allseits von einer sen nahezu vollständig ausgeschlossen werden kann, sich übergangslos anschließenden brennstofffreien so daß die Kontamination des Formkörpers durch Zone aus der gleichen Graphitmatrix umschlossen freies Uran auch bei relativ hohen Brennstoffgehal- 30 sind, und bei dem die Brennstoffkörper an ihrer ten auf sehr geringe Werte vermindert wird. Die Oberfläche Abstandshalterstege aufweisen, beschriebenen Formkörper sind aber ebenfalls zum Für die Anwendung als Brennelement für Lei-

Einsetzen in außengekühlte Graphithüllrohre be- stungsreaktoren ergibt die neue Konstruktion der stimmt, d.h., die mit ihnen hergestellten Brennele- Brennstoffkörper als wesentlichen Fortschritt eine mente haben gleichfalls die erwähnten Nachteile für 35 erhebliche Verbesserung der Wärmebilanz entweder den Wärmeübergang zum Kühlgas. durch Steigerung der Leistung oder durch Senkung

Außerdem sind auch gepreßte, kapseiförmige der Brennstofftemperatur. Dies wird erzielt durch Brennelemente, vorzugsweise in Kugelform, bekannt, die Kopplung der beiden wichtigsten Konstruktionsdie den Brennstoff, beispielsweise in Form von be- prinzipien:

schichteten Partikeln, eingebettet in einer Graphit- 40 1. Direkter Wärmeübergang vom Brennstoff zur matrix enthalten, wobei die brennstoffhaltige Matrix gekühlten Oberfläche des Brennstoffkorpers

den Kern des Elements bildet, auf den eine brenn- (ohne Zwischenspalte).

stofffreie Graphitschale aufgepreßt ist (französische 2. Große Kühlfläche (durch Innen- und Außen-Patentschrift 1330985). Die beschriebenen Elemente kühlung).

können zwar direkt dem Kühlgasstrom ausgesetzt 45 Als zusätzliches Konstruktionsprinzip kommt werden, sind jedoch für die Herstellung hochbean- hinzu:

spruchter blockförmiger Brennelemente für Hoch- 3. Pressen in einem Stück mit aufgepreßten Abtemperatur-Leistungsreaktoren in ihrer Formgebung Standshaltern, dadurch geringe Herstellkosten,

nicht optimal, da auf die Ausgestaltung einer mög- Die Verbesserung der Wärmebilanz ergibt sich

liehst großen Kühlfläche nicht Rücksicht genommen 50 aus thermodynamischen Rechnungen, nach denen wird (keine Innenkühlung vorgesehen). Außerdem durch den Wegiall des Spalts eine erhebliche sind keine Abstandshalter für den Einsatz in das Leistungserhöhung von beispielsweise 1 kW aut Strukturmaterial vorgesehen. 2 kW pro cm Kühlkanallänge möglich ist. fails die

Es ist ein weiterer Typ von Brennstoffkörpern für übrigen Bedingungen, insbesondere die Brennstottden Einsatz in prismatische Hochtemperatur-Brenn- 55 temperaturen, konstant gehalten werden. Bei konelemente bekannt, bei dem beschichtete Brennstoff- stant gehaltener Leistung kann die Brennstoritempepartikel in einer Matrix aus Siliziumkarbid (SiC) ein- ratur gesenkt werden, was eine Erhöhung der Lebensgebettet sind. Die brennstoffhaltige Matrix bildet den dauer und eine Verbilligung des Brennstoffkreislaufs Kern des zylindrischen oder hohlzylindrischen Kör- bewirken kann.

Spers der Kern ist allseits von einer SiC-Schicht um- 60 Die neue Konstruktion vermeidet durch die

geben, und die Brennstoffkörper sind gebündelt in Verwendung einer einheitlichen Graphitmatrix tür

feinem großen SiC-Rohr an SiC-Halteplatten be- Innen- und Außenzone die Schwierigkeiten, die bei

-festigt (deutsche Auslegeschrift 1227 572). Gegen- unterschiedlichen Stoffen bei der Neutronenbestrah-

iiber Graphit ergeben sich für die Verwendung von lung im Reaktoreinsatz dadurch entstehen, daJJ die

SiC als Matrix- und Strukturmaterial neutronen- 65 unterschiedlichen Dimensionsänderungen entweder

physikalische Nachteile und verschiedene technisch durch Spalterweiterung oder zusätzliche Spaltbildüng

und physikalisch bedingte Schwierigkeiten, insbeson- eine Erhöhung der Brennstofftemperatur oder aber

dere für die Strahlenbeständigkeit der in SiC einge- mechanische Spannungen verursachen.

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Die Herstellung der Brennelemente kann in der größtmöglichen Dimensionsänderungen aufgefangen Weise erfolgen, daß isotrope Brennstoffkörper (Hohl- werden können. Bei dieser Ausführung ist eine Drezylinder) aus einer Mischung von Naturgraphit und/ hung der Brennstoffeinsätze möglich. Die Abstandsoder Elektrographit und Binder sowie beschichteten halter haben bei dieser Ausführung die Aufgabe, an Brennstoffteilchen gemeinsam mit einer allseits um- 5 allen Stellen der Brennstoffkörpermantelfläche eine schließenden brennstofffreien Schale der gleichen gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten und die aus-Matrixzusammensetzung isostatisch oder quasi isosta- legungsgemäße Aufteilung des Kühlgasstromes auf tisch gepreßt werden. den Kühlspalt 6 und den inneren Kühlkanal 7

Die Brennstoffkörper werden im Brennelement sicherzustellen.

durch, die auf dem Brennstoff körper angebrachten io Nach der Ausführung entsprechend Fig. 2 wird

Abstandshalterstege fixiert. Zwischen den Stegen und eine Drehung des Brennstoffkörpers durch einen

der gegenüberliegenden Wand der Graphitblockboh- Abstandshaltersteg 8 verhindert, der gegenüber den

rung wird so viel Spiel vorgesehen, daß mögliche übrigen Stegen 4 radial verlängert ist und in eine

Dimensionsänderungen aufgefangen werden. Nut 9 in der Blockbohrungswand eingreift.

Zweckmäßig ist es, daß die Brennstoffkörper min- 15 Nach F i g. 3 kann durch radiale Verlängerung

destens drei Stege aufweisen, von denen einer in aller drei Stege 8, die in Nuten 9 eingreifen, der

eine entsprechende Nut des Gegenstücks eingreift, Brennstoffkörper exakt in seiner Position gehalten

um eine Verdrehung des Brennstoffkörpers zu ver- werden, wobei Dimensionsänderungen keinen Ein-

hindern. fluß haben.

In den Abbildungen sind beispielsweise Ausfüh- 20 Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit mehreren in rungen der erfindungsgemäßen Brennelemente dar- einer Bohrung hintereinander angeordneten Brenngestellt, stoffkörpem im Längsschnitt längs der Linie A-A in

In der Ausführung nach Fig. 1 befinden sich die Fig. 1 mit dem Kühlspalt6 zwischen dem Brenn-

Brennstoffkörper mit auf der Oberfläche angebrach- Stoffeinsatz und dem Graphitblock 5 und dem

ten Abstandshalterstegen in der glatten Bohrung des as inneren Kühlkanal 7.

Blocks. Der Brennstoffkörper ist aufgebaut aus der Die beschriebenen Brennstoffkörper haben zylinbrennstoffhaltigen Innenzone 1, der brennstofffreien drische Geometrie. Der erfindungsgemäße Vorteil Außenmantelzone 2, der brennstofffreien Innen- bleibt aber auch dann erhalten, wenn andere Quermantelzone 3 und den Abstandshalterstegen 4. Zwi- schnitte, z. B. quadratische oder sechseckige mit Sehen den Abstandshalterstegen 4 und der Bohrungs- 30 scharfen oder abgerundeten Kanten, Verwendung wand 5 ist so v»e.- Spiel vorgesehen, daß die finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ■ 1. Blockförmiges Brennelement für Hochtemperaturreaktoren mit hoher Leistungsdichte, bei dem in zylindrische Bohrungen des Graphitblocks zylinderförmige Brennstoftkörper rait , -durchgehendem zentralem Hohlraum, die innen ,und außen vom Kühlgas umspült werden sollen, eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkörper im Inneren aus einer Graphitmatrix mit homogen verteilten beschichteten Kernbrennstoffteilchen (1) aufgebaut sind : und an ihrer Oberfläche innen und außen allseits von einer sich übergangslo? anschließenden brennstofffreien Zone (2; 3) aus der gleichen Graphitmatrix umschlossen sind, und daß die Brennstoffkörper an ihrer Oberfläche Abstandshalterstege (4) aufweisen.
2. 2. Brennelement nach Anspruch 1, dadurch ge- ao kennzeichnet, daß zwischen den auf den Brennstoffkörpern befindlichen Abstandshalterstegen und der gegenüberliegenden Wand der Blockbohrung so viel Spiel vorgesehen ist, daß mögliche Dimensioiasänderungen aufgefangen werden.
3. 3. Brennelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffkörper mindestens drei Stege aufweisen, von denen einer (8) in eine entsprechende Nut (9) in der Blockbohrungswand eingreift, um eine Verdrehung des Brennstoffeinsatzes zu verhindern.
4. 4. Brennelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Stege (8) in Nuten (9) in der Blockbohrungswand eingreifen.

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