DE2432407A1

DE2432407A1 - Plattenfoermiges kernbrennstoffelement und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE2432407A1
Application number: DE2432407A
Authority: DE
Inventors: Rene Bergougnoux; Jacques Delafosse
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-07-06
Filing date: 1974-07-05
Publication date: 1975-01-30
Also published as: ES428051A1; SE7408480L; JPS5037998A; GB1445269A; IT1014475B; CH590541A5; NL7408987A; JPS5744958B2

Description

DR. HANS ULRICH MAY

D 8 MÜNCHEN 2, OTTOSTRASSE 1a

TELEGRAMME: MAYPATENT MÖNCHEN

TELEFON C081-Q 593682

CP 490/1298 München, den 5. Juli 1974

B 4972/5210.3 AM Dr.M./cs

Commissariat ä 1« Energie Atomique in Paris/Frankreich

Plattenförmiges Kernbrennstoffelement und Verfahren zur

Herstellung desselben.

Die Erfindung betrifft ein plattenförmiges keramisches Kernbrennstoff element und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

In der Kerntechnik und besonders für Kernreaktoren vom Typ Leichtvasserreaktor ist es bekannt, einen Kernbrennstoff in Form einer eingehüllten Platte herzustellen, in der das keramische Brennmaterial unterteilt und in durch metallische Trennwände voneinander isolierten Kammern untergebracht ist. Diese Trennwände gewährleisten eine gewisse Abdichtung der Brennstoffkammern gegeneinander.

Die Verwendung einer solchen Kernbrennelementstruktur in Kernenergieanlagen, besonders solchen, die mit gewöhnlichem Wasser arbeiten, verbessert erheblich die Haltbarkeit des Brennstoffs in den Leistungszyklen, sein Verhalten beim Kühlungsausfall, die Betriebssicherheit der Hüllen und die Sicherheitsqualitäten der Kernenergieanlage.

Tatsächlich verbessert diese unterteilte Struktur die Wärmeübertragung zwischen Brennstoffkern und Hülle aufgrund der Kammertrennwände, welche Wärmefließwege von jeder Brennstoffkammer zur Hülle hin

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darstellen. Bei gleicher Austrittstemperatur des Kühlmittels ist daher die Kerntemperatur des Elements niedriger gehalten als die von nicht durch Ausbildung als dünne Plättchen und gleichzeitige Unterteilung unterteilten Brennstoffen. Bei Brennstoffen auf Uranoxidbasis mit Zirkoniumhülle verbessert die Aufrechterhaltung einer kühleren Temperatur das Verhalten des Brennstoffs unter Bestrahlung, Wenn die Ausdehnungsdifferenzen zwischen Brennstoff und Hülle geringer sind, entwickeln sich mögliche Fehler langsamer. Ebenso ist bei einem Ausfall des Kühlkreislaufs die Wiederbenetzung durch als Notmaßnahme eingespritztes Wasser leichter und das Risiko der Reaktion Zirkonium-Wasser geringer, wenn die Gleichgewichtstempera tür Hülle-Uranoxid erheblich niedriger ist.

Andererseits ist bei einem Bruch einer Brennelementhülle die Menge der in das Kühlmittel abgegebenen Spaltprodukte viel kleiner, da sie sich auf den Inhalt einer einzigen Brennstoffkammer beschränkt.

Leider konnten die obengenannten und normalerweise von einer solchen Technik erwarteten Vorteile aus verschiedenen Gründen, die vor allem auf die Unzulänglichkeiten der bisher verwendeten Technologie zurückzuführen sind, nicht voll zur Geltung gebracht werden.

Einerseits wiesen die bis jetzt in Form von Platten hergestellten Brennstoffelemente im Betrieb keine perfekte Abdichtung der Trennwände der verschiedenen Brennstoffkammern auf und verringerten so erheblich die Vorteile dieser Struktur im Falle eines Hüllenbruchs. Andererseits ist das Herstellungsverfahren solcher plattenförmiger Elemente verhältnismäßig schwierig. Eine bekannte Methode zur Herstellung dieser eingehüllten und unterteilten Brennstoffplatten besteht darin, daß zwischen zwei metallischen Hüllplatten eine gelochte Metallplatte eingefügt wird, deren Löcher mit pulverförmigem

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Kernbrennstoff gefüllt sind. Die Herstellung des eigentlichen Brennstoff kerns erfordert also die Bearbeitung einer Metallplatte, um die Löcher zu erhalten, und die Füllung der Löcher durch einen Kernbrennstoff. Die Zusammenfügung des Brennstoffkerns und der Htillplatten erfolgt sodann durch Schweißen, Walzen oder Heißpressen.

Die Erfindung betrifft nun ein neues keramisches plattenförmiges Kernbrennstoffelement, welches hinsichtlich seiner Haltbarkeit in der Reaktoranordnung eine viel größere Sicherheit als die bisherigen Strukturen aufweist, und dessen Herstellungsverfahren viel einfacher ist, da keine kostspieligen Zwischenbearbeitungen erforderlich sind. Ausgehend von einem aus vorher bearbeiteten Elementen zusammengesetzten Brennstoffkern bewirkt dieses Verfahren durch eine einzige Wärmebehandlung unter Druck das Einhüllen des Kernbrennstoffs und gleichzeitig die Herstellung einer perfekten metallurgischen Verbindung zwischen den Trennwänden einer jeden Brennstoffkammer.

Zu diesem Zweck weist das erfindungsgemäße plattenförmige Kernbrennstoffelement einen Brennstoffkern auf der Grundlage von zwischen zwei Hüllplatten aus Metall eingeschlossenem keramischen Kernbrennstoff material auf und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkern von einer Mehrzahl nebeneinander angeordneter Plättchen aus keramischem Kernbrennstoffmaterial besteht, von denen mindestens einige einen Einzelschutz aus Metall besitzen, der an der Hülle der Plättchen und an der Unterteilung des Elements teilhat.

Durch dieses wesentliche Merkmal der Erfindung bilden also die einzelnen metallischen Schutzhüllen jedes Brennstoff plättchens die Unterteilung des erwähnten Brennstoffelements und bewirken dessen günstige Eigenschaften im Betrieb. Um dieses Ergebnis zu erhalten,

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ist es im übrigen nicht erforderlich, daß alle Brennstoffplättchen einen eigenen Schutz haben, sondern es genügt, daß ein nicht geschütztes Plättchen im plattenförmigen Element von vier, mit einem solchen Schutz versehenen Plättchen umgeben ist.

Der metallische Einzelschutz der Brennstoffplättchen kann auf mehrere verschiedene Arten erhalten werden.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Brennstoffplättchen völlig mit einer dünnen Metallfolie, besonders aus Zirkonium oder Zirkoniumlegierung, umkleidet, welche als Hülle dient. In bestimmten Fällen werden die keramischen Kernbrennstoffplättchen vorteilhafterweise mit einer Graphitschicht überzogen, bevor sie in die dünne Metallfolie eingehüllt werden.

Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform sind zvischen die umkleideten Kernbrennstoffplättchen Metallstäbe eingeschaltet, so daß zwei benachbarte Kernbrennstoffplättchen durch einen ganzen Metallstab oder Teil davon getrennt sind.

Bei einer zweiten Ausführungsform erhält man den individuellen metallischen Schutz jedes keramischen Brennstoffmaterialplättchens seitlich durch ein das Plättchen rings umgebendes dünnes Metallband. Einer der Vorteile dieser zweiten Ausführungsform besteht darin, daß kein System von Stäbchen zum Anordnen der Brennstoffplättchen zwischen den beiden Hüllplatten vor der Diffusionsverschweißung vorgesehen werden muß, da der seitliche metallische Schutz dieser Plättchen ihnen eine genügende Festigkeit und Selb·-ständigkeit verleiht, so daß man sie einfach ausgerichtet nebeneinander stellen kann. Diese Ausführungsform der Erfindung wird vorzugsweise so durchgeführt, daß die Brennstoffplatten aus einer einzigen Reihe von Elementarplättchen aufgebaut werden* wodurch man schmale Brenn-

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stofflamellen von großer Länge herstellen kann, die durch ein System von Gittern im Gehäuse des Brennstoffelements gehalten werden, welche ihren Abstand voneinander bestimmen. Bin so aufgebautes Kernbrennstoffelement ist besonders günstig für Leichtwasser-Kernreaktoren.

Ein solches Brennstoffelement, das aus Brennstoffelementarplättchen besteht, die einzeln rings von einem dünnen Metallband umgeben sind, kann erfindungsgemäß auf zwei verschiedene Weisen hergestellt werden.

In bestimmten Fällen besteht das dünne Metallband aus zwei U-förmig gefalteten und auf den Seiten des Plättchens ineinandergeschobenen und durch Schweißpunkte, beispielsweise durch elektrische Punktschweißung aneinander befestigten Bändern.

In anderen Fällen besteht das dünne Metallband aus einem mindestens einmal um den seitlichen Umfang des Plättchens gewickelten dünnen Band von beispielsweise 0,05 bis 0,2 mm Dicke.

Wie in der ersten Ausführungsform ist der metallische Schutz jedes Brennstoffmaterialplättchens vorzugsweise aus einem der Metalle hergestellt, die gewöhnlich für die Umhüllung von Kernbrennstoffelementen von Wasserkernreaktoren gewählt werden, d.h. beispielsweise Zirkonium und seine Legierungen. Das so zum seitlichen Umwickeln der keramischen Brennstoffplättchen verwendete Metallband hat einen veränderlichen, jedoch verhältnismäßig geringen Durchmesser zwischen beispielsweise 0,1 und 0,5 mm. Wenn das dünne Metallband aus zwei U~förmigen Bändern besteht, können diese auf zwei verschiedene Weisen ineinander geschoben sein, nämlich indem die Schenkel des einen äußeren die Schenkel des anderen inneren vollständig abdecken oder im Gegenteil jedes der Bänder einen innenliegenden und einen außen-

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liegenden Schenkel hat.

Vorzugsweise ist das Kernbrennstoffmaterial Urandioxid und das Hüllmaterial aus der Gruppe Zirkonium und Zirkoniumlegierungen gewählt, während die Metallstäbchen ebenfalls aus einem gleichen Material bestehen.

Weiterhin ist vorzugsweise das keramische Kernbrennstoffmaterial mit einem· verbrauchbaren Neutronengift beladen, um den Reaktivität sabf all im Verlauf der Lebensdauer des Reaktors zu kompensieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Kernbrennstoffplatte gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß keramische Kernbrennstoffplättchen, die einzeln durch eine autonome Hülle geschützt sind, hergestellt werden, zwischen zwei Hüllplatten aus Metall im Inneren eines Metallrahmens eine Schicht der Kernbrennstoff plättchen angeordnet und die so erhaltene Anordnung dann durch Diffusion unter Druck und bei hoher Temperatur verschweißt wird.

Gemäß einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden beim Zusammensetzen der Plättchen zwischen diesen dünne Metallstäbe angeordnet, welche die trennung zwischen zwei benachbarten Plättchen gewährleisten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Diffusionsschweißen durchgeführt, indem man die erhaltene Anordnung etwa vier Stunden lang unter einem Druck von etwa 1000 bar bei einer Temperatur von etwa 83O°C hält. Bei diesem Arbeitsgang verschmelzen der Metallrahmen, die einzelnen autonomen Schutzhüllen und die beiden Metallplatten zur oberen und unteren Umhüllung zu einem einzigen Stück und schließen so die Elementarplättchen in unabhängige und voneinander vollkommen isolierte ZeI-

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len ein.

Die Hüllplatten aus Metall können eben oder an ihren Seitenkanten langebogen sein und sind stets so geschweißt, daß sie die Anordnung von Platten vor dem erwähnten Arbeitsgang der Diffusionsschveißung dicht einschließen.

Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten und Vorteilen erläutert durch die folgende Beschreibung, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Hierin zeigen:

- Pig, 1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Kernbrennstoffplatte;

- Fig. 2 eine mit Stäbchen ausgerüstete Abwandlung dieser Kern-

brennstoffplatte;

- Pig, 3 ein Brennstoffplättchenelement;

- Fig. 4 eine zweite Abwandlung der erfindungsgemäßen Kernbrennstoff platte;

- Fig. 5 ein Plättchen von Brennstoffmaterial und die beiden U-

förmig gebogenen und zu seiner seitlichen Umhüllung bestimmten Bänder, von denen die Figuren 5a und 5b zwei Abwandlungen zeigen;

- Fig. 6 ein dünnes, in sich gebogenes Blechband, das zur seitlichen Verkleidung eines Brennstoffplättchens bestimmt ist;

- Fig. 7 schematisch im Schnitt einen Teil eines Brennstoffelements

in Form einer schmalen Lamelle von großer Länge, die aus einer einzigen Reihe von Plättchen besteht, vor dem Umhüllen;

- Fig. 8 einen Ausschnitt einer geraden Lamelle entsprechend Fig.

7 nach dem Umhüllen.

Das in Fig. 1 gezeigte plattenförmige Brennstoffelement weist zwei

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äußere Hüllplatten 1 und eine Mittelschicht 2 auf,, die aus mehreren Brennstoffplättchen 3 besteht, die in mehreren Reihen angeordnet sind und die Oberfläche des plattenförmigen Brennelements bedecken, vobei sie jedoch seitliche Randstreifen freilassen. Diese seitlichen Randstreifen werden eingenommen von einem Metallrahmen 4, der die Gesamtheit der Brennstoffplättchen 3 umgibt. Die Brennstoffplättchen 3 sind voneinander durch Metallfolien 5 getrennt, welche jedes Brennstoffplättchen 3 umhüllen und die die Brennelementkammern voneinander isolierenden Trennvände bilden.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung eines erfindungsgemäßen plattenförmigen Brennelements, velches wiederum die äußeren Hüllplatten 1 und die aus in mehreren Reihen angeordneten Brennstoffplättchen 3 bestehende Mittelschicht 2 aufweist. In diesem Beispiel sind Metallstab 6 (Regletten) zwischen benachbarte Brennstoffplatten eingesetzt und verstärken die Trennwände der Brennstoffplättchen 3·

Im Fall der Fig. 2 sind die Metallstabe 6 in einem Gitter in zwei zueinander senkrechten Richtungen angeordnet. Dagegen sind bei der in Fig« 4 gezeigten Ausführungsform alle Metallstäbe 6 parallel zueinander und erstrecken sich über die ganze Länge der Brennelementplatte.

Es sei nun das Verfahren zur Herstellung einer in Fig. 1 gezeigten Brennstoffplatte beschrieben, wobei als Beispiel der Fall einer Platte aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy - e.Wz.) gewählt ist, die einen Brennstoff auf der Grundlage von angereichertem Uranoxid enthält. Man geht aus von Plättchen mit quadratischem Querschnitt und einer Dicke von 9 bis 4 mm, die aus gesintertem Uranoxid mit einer Dichte von etwa 10,3 bestehen. Am Ausgang des Sinterofens werden diese Plättchen zunächst mit einer Graphitschicht überzogen, wel-

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che eine Diffusionshemmschicht bildet» um die Reaktion Zirkoniumlegierung-üOg au verhindern. Die Abscheidung dieser Graphitschicht erfolgt nach einem beliebigen bekannten Verfahren, wie die Abscheidung von pyrolytischem Graphit aus einer Gasphase, die Verfahren "Aquadag" usw.

Diese Plättchen werden anschließend wie ein "Bonbon" in eine Folie aus duktilem Zirkonium von etwa 0,05 bis 0,1 mm Dicke eingewickelt.

Pig. 3 zeigt das Plättchen 3 auf die Zirkoniumfolie 5 gesetzt. Durch Umlegen der Ecken dieser Folie 5 erhält man ein nach Art eines "Bonbon" eingewickeltes Plättchen. Fig. 3 zeigt ein Beispiel dafür, nämlich das auf die Zirkoniumfolie 5 gesetzte Plättchen 3ι über das die Ecken dieser Folie 5 umgeschlagen sind, so daß es wie ein Bonbon umhüllt ist. Diese eingewickelten Plättchen werden dann auf einer Trägerplatte aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy - β.Wz.) von 0,40 mm Dicke angeordnet, welche eine der Hüllplatten 1 des Brennelements bildet. Die Plättchen 3 werden eines neben das andere gesetzt, so daß Reihen gebildet und die Oberfläche der Hüllplatte mit Ausnahme der freigelassenen Ränder bedeckt werden, auf denen die länglichen Elemente 4 aus Zirkoniumlegierung (zircaloy - e.Wz·) von 4 mm Dicke angeordnet sind, welche einen die Brennstoffplättchen umgebenden Rahmen bilden sollen. Die so erhaltene Anordnung wird durch eine Platte aus Zirkoniumlegierung von 0,40 mm Dicke, welche die andere Hülle des Brennelements bildet, bedeckt, und die Hüllen und der den Brennstoffkern umgebende Rahmen werden unter Vakuum verschweißt, um das Element abzuschließen und die Plättchen im Inneren der Umhüllung zu halten.

In der letzten Stufe des Verfahrens wird die Gesamtanordnung in sich verfestigt, um die metallurgischen Verbindungen zwischen den

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Hüllen 1 des Elements, dem in jeder Kammer enthaltenen Brennstoff und den diese Kammer begrenzenden Metallfolien 5 herzustellen. Dieser Arbeitsgang erfolgt durch Diffusionsschweißen, indem man die Anordnung vier stunden lang bei einer Temperatur von 83O°C in einer Gasatmosphäre von beispielsweise Helium unter einem Druck von 1000 bar hält.

Die in Fig. 2 gezeigte Brennstoffplatte wird in ganz ähnlicher Weise hergestellt. Man geht aus von beschichteten und dann in eine Folie von duktilem Zirkonium bonbonartig eingewickelten Brennstoffplättchen und ordnet diese anschließend auf einer der Stützplatten ι aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy - e.wz.) an, welche die Hüllen des Brennelements bilden, wobei zwischen die Brennstoffplättchen Zwischenstäbe 6 aus Metall von gleicher Dicke wie die Plättchen eingeschaltet werden, um die Trennwände der Brennstoff kammern zu verstärken. Die metallischen Zwischenstäbchen sind von zweierlei Art. Sie haben alle die gleiche Breite und Dicke, unterscheiden sich jedoch in ihrer Länge. Der erste Typ ist ebenso lang wie die Seite eines Brennstoffplättchens im Fall von Brennstoffplättchen mit quadratischem Querschnitt. Der zweite Typ hat eine Länge gleich der Gesamtlänge der Brennelementplatte. Man stellt die erste Reihe der Brennstoffplättchen auf der Stützplatte aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy - e.Wz.) auf, indem man abwechselnd ein Brennstoffplättchen 3 und dann einen Zwischenstab 6 des ersten Typs aus Zirkoniumlegierung anordnet. Wenn diese Reihe fertig ist, wird an ihr längs entlang ein Zwischenstab 6 vom zweiten Typ aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy - e.WZi) angeordnet, worauf die zweite Reihe in gleicher Weise wie die erste Reihe aufgebaut und weiter so verfahren wird, bis die Oberfläche der Hüllplatte bedeckt ist. Die Gesamtanordnung wird mit der zweiten Hüllplatte abgedeckt, worauf das Verschließen

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der Brennelementplatte und die Verfestigimg der Gesamtanordnung wie oben erfolgen.

Selbstverständlich ist dieses Beispiel des Zusammenbaus von Brennstoffplättchen und Zwischenstäben aus Metall keineswegs einschränkend zu verstehen und andere Arten von Zusammensetzungen können im Rahmen der Erfindung benutzt werden. Besonders können die Brennstoff plättchen eine beliebige geometrische Form haben, vorausgesetzt daß sie nebeneinander gelegt eine Brennelementoberfläche ohne Zwischenräume ergeben.

In Fig. 5 ist ein Plättchen 3 aus keramischem Brennstoff material gezeigt, das gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zum Schutz mit einem dünnen Metallband 7 versehen ist, das an einer bestimmten Anzahl Punkten 8 verschweißt ist. Im Fall der Fig. 5 besteht das dünne Metallband aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy - e.Wz.), und zwar aus zwei Bändern 9 und 10 von 0,30 mm Dicke, die U-förmig gebogen und in der Figur schematisch strichpunktiert vor ihrem Umlegen um das Plättchen 3 gezeigt sind. Fig. 5 zeigt ebenfalls ganz schematisch die Schweißstromkreise 11 und 12 und den zur Herstellung der Schweißpunkte 8 des Metallbands 7 des Plättchens 3 benutzten elektrischen Generator 15. Erfindungsgemäß sind zwei verschiedene Möglichkeiten des Ineinandersetzens der U-förmigen Bänder anwendbar und in den Figuren 5a und 5b gezeigt, worin zur Vereinfachung der Zeichnung die Plättchen weggelassen sind. Bei der ersten Ausführungsform (Fig. 5a) ist das eine der beiden Bänder, nämlich das innere Band 9 vollkommen vom anderen Band 10 abgedeckt, während bei der zweiten Ausführungsform (Fig. 5b) das Band 9 und das Band 10 je einen Außenschenkel 9a und 10a und einen Innenschenkel 9b und 10b aufweisen.

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Bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens sind die Elektroden 13 und 14 in Richtung der Pfeile F1 und F2 ausgerichtet, so daß sie eine Druckkraft auf die Seitenwände 7 des Plättchens 3 ausüben. Im beschriebenen Beispiel beträgt diese Andruckkraft, die erforderlich ist zur Verringerung des Kontaktwiderstandes zwischen den beiden Bändern 9 und 10 und der Joule'sehen Erwärmung im Außenband 10 (Pig. 1a), welches die beiden Elektroden 13 und 14 kurzschließt, etwa 14 kg. Diese Art der praktischen Durchführung liefert die besten Ergebnisse, benötigt jedoch eine ziemlich hohe Energie, da ein erheblicher Teil der Energie unvermeidlich im Kurzschluß in einem der U-förmig gebogenen Bänder verbraucht wird. Dagegen erhält man auf diese Weise zwei gleichzeitige Schweißungen an den gegenüberliegenden Seiten der beiden Schenkel jedes U-förmigen Bandes, was einen Vorteil bedeutet.

Bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens benutzt man einen in Fig« 5 gestrichelt gezeichneten elektrischen Kreis und den Generator 15a. Die Elektroden 13 und 14 werden wiederum gegen die einander gegenüberliegenden Seitenwände des Plättchens 3 mit dem notwendigen Druck angedrückt, jedoch sind die beiden Elektroden 13 und 14 an das gleiche Potential gelegt, und die Stromzuführung erfolgt durch einen elektrisch mit den Seitenschenkeln des innenliegenden tKförmigen Bandes verbundenen Stromkreis 12, wobei die elektrische Verbindung beispielsweise mittels eines Kupferblatts erfolgen kann.

Der Vorteil dieser abgewandelten Ausführungsform liegt darin, daß man ein dem obenerwähnten Verfahren entsprechendes Ergebnis mit geringerem Aufwand an elektrischer Energie und geringerer Druckkraft erhält, da infolge der Anordnung der Bänder, wie in 5b gezeigt, keine Kurzschlußschwierigkeiten mehr auftreten; jedoch ist die techni-

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sehe Anwendung dieser Abwandlung für große Serien offensichtlich schwieriger.

In Fig. 6 ist wiederum das Plättchen aus keramischem Brennstoffmaterial nicht gezeigt,, um die Zeichnung nicht zu überladen, und man sieht nur die gebogene und in sich zusammengewickelte Folie 16 aus Zirkoniumlegierung (Zircaloy). Nachdem sie einmal um das Brennstoffplättchen herumgewickelt ist, wird diese Folie ihrerseits an einer* bestimmten Zahl von Punkten, im gezeigten Beispiel 8 Punkten, verschweißt. Im Beispiel der Fig. 6 hat das dünne Metallband, welches die seitliche Umhüllung des Plättchens bildet, eine Dicke von etwa 0,2 mm.

Fig. 7 zeigt im Schnitt einen Teil eines streifenförmigen Kernbrennstoffelements 17, das durch Zusammensetzen einer einzigen Reihe von Plättchen 3 von keramischem Kernbrennstoff hergestellt ist, die mit ihren unabhängigen Bändern 9 und 10 versehen und zur Einhüllung zwischen zwei Platten, einer oberen Platte 18 und einer unteren Platte 19 aus Zirkoniumlegierung (zircaloy - e.Wz.) bestimmt ist. Zu diesem Zweck sind die Platten 18 und 19 an ihren Enden aufeinander zu umgebogen und umschließen zwei Drähte 20 und 21 aus Zirkoniumlegierung, die sich über die ganze Länge des Bandes erstrecken. Nachdem sie so zusammengebaut sind, werden die Platten 18 und 19 über ihre gesamte Verbindungslinie längs zweier Nähte 22 und 23 verschweißt, beispielsweise durch Elektronenschweißen. Schließlich erfolgt eine dichte Verbindung der verschiedenen Elemente der Hülle untereinander durch Diffusionsschweißen bei hoher Temperatur und unter Druck. Das in Fig« 8 gezeigte Endprodukt ist ein bandförmiges Kernbrennstoffelement 17» das in die Zirkoniumlegierung vollständig eingewickelt ist,wobei jedes Plättchen von keramischem Kernbrennstoff in einer Kammereinheit eingehüllt ist. Solche bandförmigen Kernbrenn-

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- ,4 stoffelemente können sehr vorteilhaft in Kernbrennstoffanordnungen benutzt werden, die jede aus einer großen Zahl von solchen schmalen

oder Lamellen

Bändern/besteht, die durch Gitter eines Gehäuses mit Kernbrennstoffelementen gehalten sind, wobei solche Anordnungen besonders als Brennelemente in wassergekühlten Kernreaktoren verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

1 Jpiattenförmiges Kernbrennstoffelement mit einem Kern auf der Grundlage von keramischem Brennstoffmaterial, der zwischen zwei Hüllplatten aus Metall eingeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffkern (2) aus einer Mehrzahl nebeneinandergesetzter Plättchen (3) aus keramischem Brennstoffmaterial besteht, von denen mindestens einige mit ihrem Einzelschutz aus Metall an der Umhüllung (5) der Plättchen (3) und an der Unterteilung des Elements teilhaben.
2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Schutz jedes Plättchens (3) aus keramischem Brennstoffmaterial aus einera seitlich an diesem angeordneten dünnen Metallband (7) besteht,
3. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Metallband (7) eine Dicke zwischen 0,1 und 0,5 mm hat.
4. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Metallband (7) aus zwei U-förmig gebogenen Bändern (9,10) besteht, die auf den Seiten des Plättchens (3) ineinander eingeschoben und durch Schweißpunkte (8) aneinander befestigt sind,
5. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Metallband {7) aus einer den seitlichen Umfang jedes Plättchens (3) mit mindestens einer Wicklung umgebenden dünnen Band (16) mit einer Dicke zwischen 0,05 und 0,2 mm besteht.
6. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet„ daß der metallische Einzelschutz jedes Plättchens

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- 16 aus einer es völlig umhüllenden dünnen Metallfolie (5) besteht.
7« Kernbrennstoffelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzeln geschützten Plättchen (3) Metallstäbchen (6) so eingesetzt sind, daß zwei benachbarte Brennstoffplättchen (3) durch ein ganzes Metallstäbchen (6) oder einen Teil eines solchen getrennt sind. \,
8. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei beliebige benachbarte Reihen von geschützten Brennstoffplättchen (3) durch ein über die ganze Länge des Elements reichendes Metallstäbchen (6) getrennt sind.
9. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umrahmten Brennstoffmaterialplättchen (3) in einer einzigen Reihe angeordnet sind und ein schmales Band von großer Länge bilden, das in eine aus einer oberen und unteren Metallplatte (18, 19) bestehende Umhüllung eingeschlossen ist.
10. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das den Einzelschutz jedes Plättchens (3) bildende Material aus der Gruppe Zirkonium und Zirkoniumlegierungen gewählt ist.
11. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Brennstoffmaterial Urandioxid ist.
12. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Brennstoff material mit einem verbrauchbaren Neutronengift beladen ist.
13. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllmaterial aus der Gruppe Zirkonium und Zirkoniumle-

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gierungen gewählt ist.
14. Element nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallstäbchen (6) aus dem gleichen Material wie die Hülle des Elements hergestellt sind.
15. Verfahren zur Herstellung eines Kernbrennstoffelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14» dadurch gekennzeichnet, daß Plättchen (3) aus keramischem Kernbrennstoff mit Einzelschutz aus Metall hergestellt und als eine Schicht im Inneren eines Metallrahmens (4) zwischen zwei Hüllplatten (1) aus Metall angeordnet werden und die so erhaltene Anordnung dann unter Druck und bei hoher Temperatur einer Diffusionsschweißung unterworfen wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, vrobei die Plättchen seitlich einen aus zwei U-förmig gebogenen Bändern (9,10) mit jeweils einem innenliegenden und einem außenliegenden Schenkel bestehenden Schutz aufweiset^ dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Bänder durch elektrische Funktschweißung aneinander befestigt werden, wobei die Stromzuführung durch zwei Elektroden (13,14) erfolgt, die an den gegenüberliegenden Seiten des Plättchens (3) angeordnet sind, welche den Seitenwänden der beiden ü-förmigen Bänder entsprechen, und wobei jede der Elektroden mit einem Pol des elektrischen Generators (15) verbunden ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (13*14) an das erste, mit beiden Schenkeln außenliegende U-förmige Band (10) parallel und am gleichen Potential liegend gehalten sind und der elektrische Kreis durch eine dritte Elektrode (12) geschlossen wird, die elektrisch mit den beiden seitlichen Schenkeln des innenliegenden zweiten ü-förmigen Bandes (9) verbunden ist.

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18. Verfahren nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß beim Zusammensetzen zwischen den Brennstoffplättchen (3) dünne Metallstäbchen (6) angeordnet werden, welche zwei benachbarte Plättchen (3) jeweils voneinander trennen.
19» Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Diffusionsschweißen durchgeführt wird, indem man die erhaltene Anordnung etwa vier Stunden lang bei einei* Temperatur von etwa 83O°C unter einem Druck von 1000 bar hält.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Brennstoffplättchen mit einer Graphitschicht überzogen werden, bevor sie mit der dünnen Metallfolie (5) umhüllt werden.

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