DE2034549C3 - Brennelement für Kernreaktoren - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennelement mit plattenförmiger oder stabförmiger Ausbildung für Kernreaktoren insbesondere für Leistungsreaktoren, bei dem der Brennstoff in einer Umhüllung aus metallischem Werkstoff enthalten ist.

Brennelemente für Kernreaktoren insbesondere für Leistungsreaktoren müssen, um wirtschaftlich zu sein, einen möglichst hohen Anteil des in ihnen enthaltenen Spaltstoffes während des Einsatzes im Reaktor verbrauchen, d. h., sie müssen zu hohen Abbränden führen. Voraussetzung hierfür ist, daß das Hüllmaterial beispielsweise Stähle, Vanadium oder Nioblegierungen, Zirkonlegierungen od. dgl. während des Einsatzes im Reaktor unbeschädigt bleibt. Bei sogenannten fortgeschrittenen Leistungsreaktoren, insbesondere Schnellbrütern, sind grundsätzlich Abbrände von 50 bis 100 000 MWd/t möglich. Die Grenzen werden im allgemeinen durch den Einfluß des innerhalb solcher Elemente enthaltenen Spaltgasdruckes gesetzt, der zu einer mechanischen Deformation der Hülle führen kann, und schließlich durch das Einwandern der im Brennstoff entstehenden Spaltprodukte in das Hüllmaterial, das zu Korngrenzenausscheidungen und damit zu einer Verringerung der Festigkeit führt. Hinzu kommt, daß die Mehrzahl der Hüllmaterialien unter Bestrahlung ihre mechanischen Eigenschaften nachteilig verändern, insbesondere, daß ihre Duktilität abnimmt.

Die genannten Nachteile treten besonders stark bei der Verwendung nichtmetallischer Brennstoffe auf, die bei der Mehrzahl der heutigen Leistungsreaktoren und auch bei den fortgeschrittenen Reaktoren verwendet werden, und zwar insbesondere von Oxiden. Karbiden und Nitriden der Spaltstoffe. Gründe hierfür sind, daß bei diesen Materialien die Spaltgasfreisetzung hoch und die Wärmeleitfähigkeit niedrig sind, wodurch hohe zentrale Temperaturen entstehen und damit sich sehr starke Wärmegradienten innerhalb des Brennstoffes bilden, die wiederum eine Beschleunigung von Ma.erialtransporten durch Thermodiffusion verursachen. Man könnte daran denken, an Stelle von solchen Brennstoffen Metalle zu verwenden; doch eignen sich Uran und Plutonium hierfür nicht, da das Bestrahlungsverhalten beider Metalle im unlegierten Zustand ungünstig ist. Die Verwendung von Pu ist außerdem wegen der zahlreichen bei niedrigen Temperaturen auftretenden Transformationspunkte ausgeschlossen. Günstiger wäre die Situation unter Verwendung von Th-Metall als Matrix, in dem die Spaltstoffe Pu oder U einlegiert sind. Wie Versuche gezeigt haben, werden bei diesem Brennstoff die Spaltprodukte weitgehend in der Th-Malrix zurückgehalten, so daß sich kein nennenswerter freier Spaltgasdruck aufbaut und auch keine schädliche Diffusion der Spaltprodukte in das Hüilmüterial erfolgen kann. Dies gilt insbesondere im Bereich der Temperaturen bis etwa 650°C. der auch dadurch ausgezeichnet ist. daß die Volumenzunahme dieses Brennstoffes durch Bestrahlung verhältnismäßig gering ist. und /war etwa 1,5 bis 2% pro 10 000 MWd/t.

Auch diese geringe Volumen/unahme. die dem theoretischen Minimum entspricht, ist jedoch für ein solches Brennelement von wesentlicher Bedeutung, da stets hohe Abbrände angestrebt werden, im Idealfall 100 000 MWd/t. Es sind damit nennenswerte Änderungen der linearen Abmessungen verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es. Änderungen der Abmessungen von spaltförmigen oder rohrförmigen Brennelementen infolge Abbränden so unter Kontrolle zu halten, daß sich keine störende Änderung des Kühlmitteldurchflusses durch das Brennelement ergibt. Darüber hinaus sollen Beschädigungen des Hüllmaterials, die zu einem größeren Übertritt von Spaltprodukten in das Kühlmedium führen könnten, verhindert werden.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei einem Brennelement der eingangs bezeichneten Art, bei dem der Spaltstoff in eine Matrix aus Thorium einlegieri ist, diese Schwierigkeiten dadurch gelöst werden, daß erfindungsgemäß die Umhüllung mit dem Brennstoffkörper in an sich bekannter Weise fest verbunden ist, daß zur festen Verbindung in an sich bekannter Weise zur Aufnahme des mit der Umhüllung fest verbundenen Brennstoffkörpers dienenden Kastens mit der Umhüllung ein metallisches Verbindungsstück vorgesehen ist, das ein oder mehrere, an sich bekannte, parallel zu den Richtungen der während des Einsatzes im Reaktor auftretenden Dimensionsänderungen der mit der Umhüllung fest verbundenen Brennstoffkörpei plastisch verformbare Zwischenstücke aufweist. Die feste Verbindung des Hüllmaterials mit dem Brennstoff wird entweder erreicht durch eine Diffusionsschicht, wie sie bei höheren Temperaturen entsteht, wenn das Hüllmaterial mit dem Brennstoff in engem Kontakt steht, durch Verwendung einer metallischen Lötschicht zwischen Hüllmaterial und Brennstoff oder schließlich durch sogenanntes Kaltschweißen von Hülle und Brennstoff infolge gemeinsamer mechanischer Verformung. Durch die zweite Maßnahme, die darin besteht, daß die Brennstoffplatten oder -stäbe mit dem Brennelementkasten an mindestens zwei Stellen mechanisch verbunden werden, wobei zumindest eine dieser Verbindungsstellen so

ausgebildet ist, daß bei Zunahme der linearen Abmessungen infolge des auf Grund des Abbrandes hervorgerufenen Volumenwachstums die Befestigung durch plastische Verformung des hierfür speziell ausgebildeten metallischen Zwischenstücks sich dieser Ausdehnung anpassen kann, wird eine starre Verbindung mit dem Kasten, wie sie sonst bei keramischen Brennstoffen angewendet wird, vermieden, da sie zu einer Verbiegung der Brennstoffplatten oder -stäbe führen kann.

Zwar ist aus den Proceedings of the Int. Conf. on the Peaceful! Uses of Atomic Energy, 1955, Bd. 3. S. 158 linke Spalte, Abs. 3 und 4 mit S. 159. Fig. 1 Sect. D-D. ein Brennelement bekanntgeworden, bei dem Brennstoffplatten zueinander in einem Rohrstück angeordnet sind, wobei die für die Brennstoffplatten vorgesehenen Abstandhalter mittels metallischer, halbkreisförmiger Federn und klammern mit der Rohrwandung in Verbindung stehen. Nachteilig ist bei diesem bekannten Brennelement jedoch, daß infolge der elastischen Verbindung, die Brennstoffplatten unter dem Einfluß des schnell strömenden Kühlmittels in Schwingungen versetzt werden. Das führt zu unerwünschten mechanischen Beanspruchungen der Brennstoffplatten. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß metallische Federn oder Klammern — insbesondere dann, wenn sie halbkreisförmig ausgebildet sind — bei dem Brennelement gemäß der Erfindung sehr schlechte Wärmeleiter sind. Erstrebt wird jedoch gerade ein besonders guter Wärmeübergang zwischen den Brennstoffplatten oder -stäben. Gegenüber den vorerwähnten Schwingrngsprozessen, wirkt ein Befestigungselement, das sich nur plastisch verformen läßt, dagegen wie eine starre Fixierung, so daß solche Schwingungen unterdrückt werden, ohne daß durch Schwingungen hervorgerufene Wechselbcanspruchungen zu einem Bruch des Befestigungsmittels führen können. Zweckmäßig sind die Zwischenstücke nach Art von Dehnungsfalten aufweisenden Dehnungsstücken ausgebildet Es ist ferner vorteilhaft, wenn die Dicke der Dehnungsfalten so groß ist, daß infolge der Strömungsgeschwindigkeiten des das Brennelement in an sich bekannter Weise umströmenden Kühlmittels auftretenden Resonanzschwingungen unterdrückt werden.

Die Erfindung ist in den in der Zeichnung wiedergegebenen Teilausschnitten an Hand von Ausführungsbcispielen des Brennelements erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Ausschnitt der Draufsicht auf ein Brennelement mit der Möglichkeit der horizontalen Ausdehnung,

Fig.2 einen Ausschnitt der Vorderansicht auf ein Brennelement mit der Möglichkeit der vertikaien Ausdehnung

Fig.3 die Seitenansicht dei Verbindungsstücks gemäß F i g. 2.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist der mit der Umhüllung 2 fest verbundene Brenntoffkörper 2 Brennelements zur Verbindung mit der Wand 3 des Kastens zur Aufnahme des mit der Umhüllung 1 fest verbundenen Brennstoffkörpers 2 mit dem Verbindungsstück 4 mittels mindestens einer Lötnaht 5 fest verbunden. Doch kann statt einer Lötnaht selbstverständlich jede andere geeignete Verbindung benutzt werden. Das Brennelement besteht dabei — wie aus der Zeichnung nicht hervorgeht — aus in metallisches Thorium einlegiertem Spaltstoff. In dem in F i g. I dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungsstück 4 an zwei Stellen mit der Wand 3 des Brennelementkastens verbunden. Doch ist es selbstverständlich auch möglich, mehrere Verbindungssteilen vorzusehen. In dem Verbindungsstück 4 sind plastisch verformbare in F i g. 3 für sich allein dargestellte Zwischenstücke 6 vorgesehen, die in den. in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen nach Art von Dehnungsfalten aufweisenden Dehnungsstücken ausgebildet sind, was sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Die Dicke der Dehnungsfalten ist dabei so groß, daß die Gefahr des Auftretens von Resonanzschwingungen infolge der Strömungsgeschwindigkeit des das Brennelement umströmenden Kühlmittels vermieden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Brennelement mit plattenförmiger oder stabförmiger Ausbildung für Kernreaktoren insbesondere für Leistungsreaktoren, bei dem der in eine Matrix aus metallischem Thorium einlegierte Spaltstoff in einer Umhüllung aus metallischem Werkstoff enthalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (1) mit dem Brennstoffkörper (2) in an sich bekannter Weise fest verbunden ist. daß zur festen Verbindung des in an sich bekannter Weise zur Aufnahme des mit der Umhüllung (1) fest verbundenen Brennstoffkörpers (2) dienenden Kastens (3) mit der Umhüllung (i) ein metallisches Verbindungsstück (4) vorgesehen ist, das ein oder mehrere, an sich bekannte, parallel zu den Richtungen der während des Einsatzes im Reaktor auftretenden Dimensionsänderungen der mit der Umhüllung (1) fest verbundenen Brennstoffkörper (2) plastisch verformbare Zwischenstücke (6) aufweist.

2. Brennelement nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstücke (6) nach Art von Dehnungsfalten aufweisenden Dehnungsstükken ausgebildet sind.

3. Brennelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Dehnungsfalten so groß ist. daß infolge der Strömungsgeschwindigkeit des das Brennelement in an sich bekannter Weise umströmenden Kühlmittels auftretende Resonanzschwingungen unterdrückt werden.