DE2146346A1 - Wasserstoffdiffusionssperre fuer kernreaktorbrennstaebe - Google Patents

Description

Die verfliegende Erfindung betrifft eine Y/asfJorstofEdiffusiom;-sperre für Kernreakborbrenns bähe, die- ein Gemisch aus Kern-.rcjfiirfccji-bfonriGboCf sowie einem Met;allh^"dri.d-iMod'er'ifcoi^r innerhalb ei nc: ti Hü! L rohre a nun rootCreiem S cahl' enthalten und Vfjrau/iiJWiJLse λοϊι einem Plüssigme ball gekühlt v/erden. "Dera;'ti{,-;. KuL'ni'Ciil: l.orb fenncs Labe werden beLüpielawe Lse für Kernre?ik huren vyr^cüohon, eile sur Ene.fgievernor'gurii; von Rauin-Cahr^eugen entv/iokelü werden und die in ihrem Zentralfce.il üogr.-Uc.'iuito uhurmionlijohe Br-enn;; bäbs enthalten, nib deren HiLi¹O ei i c ür'i'."u;;tü \7ät'i!iec;ndergic! direkt i:\ ο Loktr i.;jc:lie Ener/,\i>:; lungewandelt wird. Die um jene ZenLralzone herum angoordnebeii Brf:tm.stäbe werden l're Lberbr-jnnr. cäbe genannt und r. Lud beiiipislfjwt! i.iJü enbf>precjhend dlcf-er Erfindung aiugs-bcUit. Selb:! Lverstand.L Loh sind auch noch andere Anwendungsf alle noleher ßrennsitäbe donlcbar.

Inne*rha].b dieötü-· Brenm; toCCs täbe befiniet sich abweichend vorr üblichen Kcjtu; brukb i finen nitiht reiner Kornbrenm; tof f, " fsourlern ein Kernbr-ennbLoL'f-I.Ioderatorgeminch, wobei unter KnrnbrennüLfiT niolit nu/ tj^al t.j toL'Ce sondern auch Bru to toL'f e verstanden worden« Ais Moderatorstoff findet dabei vorzugsweise ein Llcbaliiiydr td wie n.B. Z LrkonhydrLd oder Yttriumh.ydrid 7 ο '-v/endung, Bei den hohen Betriebstemperaturen solcher Brennstübe von ca. 600⁰O dissoziiert das Hydrid merkiich, ti .Ji. es wird Wassers boCf frei. Ein Verlust d^s Wasserstoffes ist aber- unerwünscht; denn dadurch würde eine Verringerung der I.Ioderationseigenschaften eintreten. Der Verlust des Y/aaserstoffs ist dadurch möglich, daß dieser allmählich durch die; Drenns tabhül Lrohre aus rostfreiem Jtahl hindurch diffundiert, was weiterhin eine unzulässige Erhöhung des

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Wasser stoff partialclruck.s im Kühlmittel, also z_tB_e Natrium, zur Folge hat.

Es ist bereits der Vorschlag gemacht ?/orden_s eine Wasser« stoffdiffusionsöperre in Gestalt einer Emaiileschieht im Inneren des Brennstabhüllrohres vorzusehen und dadurch die V/asserstoffverluste zu verhindei^n. Diese Lösung könnte je= doch in der Praxis mit einigen Nachteilen verbunden sein₅ wie z.B. einer mangelhaften Vibrationsfestigkeii im EaItzustand, also z.B. beim Starb eines Raumfahrzeuges, da zu diesem Zeibpu:akb der Kernreaktor noch nicht im Betrieb xo'u. Auch die Verschlußbechnik solcher innen emaillierter Kern-reakborbrennstäbe ist problematisch und verhältnismäßig kompliziert.

Es stellte sich daher die Aufgabe), eine andere technische Lösung für dieutus Problem der Verhinderung der Wasserstoffdiffunion durch das Brennsbabhüllrohr hindurch zu finden, das von Anfang an, also auch Lm kalben Zustand nicht zu Rissen neigt und das auch keine erhöhten Schwierigkeiten für den Verschluß dor Brennt;täbe mit sich bringt. Weiterhin soll eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Brennstabkern und dem Hüllrohr aufrechterhalten bzw. hergestellt werden, damit die Innentemperaturen des Brennstabes möglichst niedrig bleiben und nicht nur eine geringe Oissozi-ationsrate des Metallhydride mögiich wird.

Diesen Ziel v/ird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zwischen dem Karnbrennstoff-Moderatorgemisch und dem Hüllrohr eine an beiden anliegende üchicht aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlügierung vorgesehen ist. Solche Schichten sind auch im kalten Zustand voll elastisch, so daß eine Beschädigung derselben durch unsanfte Behandlung oder Vibrationserscheinungen mit Sicherheit verraioden wird. Da nun Aluminium ein verhältnismüßig niedrigschmelzendea Metall ist, ergeben sich für diese Zwischenschicht in Anbetracht der Kernbrennstofftemperatur zwei Möglichkeiten. Die eine ist die, daß ein Schmelzen dieser Zwischenschicht zugelassen wird,

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was weder für Hüllrohrwerkstoffe noch für Kernbrennstoffe schädlich ist. Es müssen jedoch dann Mittel vorgesehen werden, die einen gleichmäßigen Abstand des Kernbrennstoffes vom Hüllrohr und damit eine einigermaßen gleichmäßige Dicke der Wasserstoffdiffusionssperrschicht gewährleisten.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Aluminiumlegierung zu verwenden, deren Schmelzpunkt wesentlich höher, als die Kernbrennstoffbetriebstemperatur liegt. In diesen Fällen kann auf besondere Mittel zur Aufrechterhaltung des Abstandes zwischen der Kernbrennstoffüllung und dem Hüllrohr verzichtet werden.

Eine derartige. Legierung, die erst über 660⁰C schmilzt, kann beispielsweise 2 Atoraprozent Chrom, 1 bis 2 Atomprozent Zirkon oder 2 Atomprozent Mangan enthalten. Demgegenüber enthält eine Aluminiumlegierung mit einem Schmelzpunkt unterhalb von 600⁰C beispielsweise 25 Atomprozent Zinn oder Zink.

Die Herstellung derartiger Brennstäbe ist verhältnismäßig einfach. In ein Rohr aus Aluminium bzw.. einer derartigen Aluminiumlegierung werden zunächst nie Kernbrennstofftabletten eingefüllt, die bereits üea ■ '.-y\- ■ ;'Llijari-'-Moäerator, der ebenfalls keramischen Charakter hat, enthalten. Durch an sich bekannte Verfahren wird alsdann das Aluminiumrohr in innigen Kontakt mit dieser Kernbrennstoffüllung gebracht, so z.B. nach dem sogenannten Ringabdruckverfahren (OS 1614 657) An beiden Enden dieses "Aluminiumstabes" wird sodann dieses Rohr zugeschweißt. Als letzter Arbeitsgang wird dieses gefüllte Rohr in das eigentliche Brennstabhüllrohr, z.B. aus rostfreiem Stahl, eingeschoben, dieüeo wiederum auf das eingeschobene Rohr aufgepreßt und in üblicher Weise mit Endkappen vergehen. Dabei ist es zweckmäßig, vor dem Aufsetzen der Endkappe» noch ein Isolierstück, z.B. aiis hochtemperaturboßtändigGi* Keramik, wie AIpC,, einzusetzen.

In den beiden ΡΙ&νννη 1 und 2 ir;t ein derartiger Brennutab c'ai.'i-ijclinit tf'V/f.'ine ti;·- c(^r,ou teil t» Fig. 1 f.ai^f. einen Längo-

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schnitt durch den Endabschnitt eines derartigen Brennstabes, Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch denselben, wobei hier ein niedrig-schmelzender Aluminiummantel Verwendung gefunden hat.

Die Brennstabfüllung - also der Brennstablcern - besteht aus den Kernbrennstoff-Tabletten 1, die auch gleichzeitig den Metallhydrid-Moderator enthalten. Dieser Kern ist umgeben vom Aluminiumrohr 5, das wie beschrieben, auf diesem Kern aufgepreßt worden ist. Die äußerste Hülle stellt das eigentliche Hüllrohr 2 dar, das durch die genannten Aufpreßverfahren somit im innigen .Wärmekontakt mit der inneren Kernfüllung 1 steht. Der Brennstab ist abgeschlossen durch eine Endkappe oder eine Endscheibe 3 unter Zwischenlage eines Distanzplättchens bzw. einer Isolierscheibe 4. Um eine Vorstellung von der Größenordnung der hier vorgesehenen Teile zu geben, sei erwähnt, daß der Brennstab einen Durchmesser von 10 bis 15 mm haben kann, bei einer Hüllrohrwandstärke von 250/u und einer Aluminiumschichtdicke von ca. 200/u.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Konstruktion wurde eine hochschmelzende Aluminiumlegierung verwendet, die also während des Reaktorbetriebes ihre Eigenfestigkeit nicht verliert. Dagegen stellt Fig. 2 eine lösung dar, bei der die Aluminiumschicht 5 aus einer verhältnismäßig rd pdrigschmelzenden Legierung besteht, die also während des Reaktorbetriebes in den flüssigen Zustand übergeht. Damit der Abstand zwischen dem Stabkern 1 und dem Hüllrohr 2 erhalten bleibt, sind hier Abstandshalter 6 vorgesehen, die in gleichmäßigen Abständen im Aluminiumrohr 5 verteilt angeordnet sind. Ihre Anbringung erfolgt z.B. so, daß zunächst dei' bereits mit dem Kernbrennstoff gefüllte Aluminiumctab an den betreffenden Stellen mit Bohrungen von etwa einer Tiefe der Wandstärke derAluminiumschacht versehen wird und diese sodann mit einem keramischen Material aufgefüllt werden-r Wesentlich ist, daß dJosen Material] bund j g mit der Oberfläche dos Aluminaumrohres vorläuft, damit beim Aufpreisen des IUiIl-rohres 2 Gin Aufboulon dcaselbon an dior -vn !Hellen vorh i ndori wird.

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Durch diese hier dargestellte lösung wird erreicht, daß bei nahezu absoluter mechanischer Stabilität insbesondere auch im kalten Zustand eine zufriedenstellende Wasserstoffdiffusionssperre für die gesamte Lebensdauer der Brennstäbe erzielt wird. Diese Sperrschicht ist auch absolut temperaturwechselbeständig, das heißt, unterschiedliche Betriebstemperaturen und auch gelegentlich Abschaltungen beeinträchtigen deren Punktionstüchtigkeit nicht. Auch eine Beschädigung dieses Y/erkstoff es durch, die Kernreaktorstrahlung ist nicht zu erwarten. Die stets vorhandene gute Wärmeableitung zwischen dem Brennstoffkern und dem Hüllrohr ist nicht nur für die Spaltgasfreisetzung und die Wasserstoffdissoziation von Vorteil, sie verringert vielmehr auch die thermischen Spannungen innerhalb des Kernbrennstoffes und erhöht damit seine Formbeständigkeit während des Reaktorbetriebes. Besondere Her-■ Stellungsprobleme treten nicht auf. Die Isoliertabletten an den Enden der Brennstäbe sichern zudem nicht nur die Brennstabendkappen vor den hohen Kernbrennstabinnentemperaturen, sie ermöglichen vielmehr auch ein problemloses Verschweißen des Hüllrohres mit den Sndkappen, ohne eine thermische Beeinflussung der Aluminiumschicht befürchten zu müssen.

5 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (5)

1. Patentansprüche ι

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   71.JWasserstoffdiffusionssperre für Kernreaktorbrennstabe die ein Gemisch aua Kernreaktorbrennstoff sowie einem Metallhydrid-Moderator innerhalb eines Hüllrohres aus rostfreiem Stahl enthalten und vorzugsweise von einem Flüssigmetall gekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kernbrennstoff und Hüllrohr eine an beiden anliegende Schicht aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung vorgesehen ist.
2. 2. Wasserstoffdiffusionssperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einer erst über 660⁰C schmelzenden Aluminiumlegierung besteht, die beispielsweise zwei Atomprozent Chrom, 1 bis 2 Atomprozent Zirkon oder 2 Atomprozent Mangan enthält.
3. 3. Wasserstoffdiffusionssperre nach Anspruch T, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus einer unterhalb

   ■ 600⁰C schmelzenden Aluminiumlegierung besteht, die beispielsweise 25 Atomprozent Zinn oder Zink enthält.
4. 4. Verfahren zur Herstellung eines Brennstabes nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das vorzugsweise in Tablettenform vorliegende Kernbrennstoff-Moderatorgemisch - der Brennstabkern - in ein Aluminiumrohr eingefüllt wird, das anschließend auf diesen aufgepreßt wird und dieser Stab dann in das

   -eigentliche Hüllrohr eingeschoben wird, das ebenfalls durch einen Preß- oder Schrumpfνorgang mit diesem in innigen, wärmeleitenden Kontakt gebracht wird.
5. 5. Verfahren zur Herstellung eines Brennstabes nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstabkern in ein Aluminiumrohr eingefüllt wird, das anschließend, auf diesen aufgepreßt wird und daß in diese Aluminiumhüllθ Ausnehmungen herausgearbeitet sowie mit vorzugsweise keramischen, über die Hülle nicht vorstehenden Werkstoffen

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   gefüllt werden und daß dann der gefüllte Stab in das eigentliche Hüllrohr eingeschoben wird, das mit diesem anschließend durch einen Preß- oder SchrumpfVorgang in eiuen innigen wärmeleitenden Kontakt gebracht wird.

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