DE2501309A1

DE2501309A1 - Kernbrennelement

Info

Publication number: DE2501309A1
Application number: DE19752501309
Authority: DE
Inventors: Trevor Cartwright Rowland; John Robert Thompson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-02-11
Filing date: 1975-01-15
Publication date: 1975-08-14
Also published as: AU7419874A; DE2501309C2; FR2260849B1; ES430999A1; DK596374A; IL45793A; NO750406L; IL45793A0; US3969186A; GB1491341A; NL7414265A; FR2260849A1; SE412969B; BE825363A; CH585454A5; IT1031360B; JPS50109397A; SE7413487L

Description

Ke rnb rennelernent

Die Erfindung betrifft allgemein eine Verbesserung an Kernbrennst off eleaent en für die Verwendung im Kern von Kernspaltungsreaktoren und Insbesondere verbesserte Kernbrennelemente mit einer Auskleidung aus einem feuerfesten Metall, welche in dem Brennelement zwischen der Verkleidung und dem Kernbrennstoff eingefügt ist.

Es werden zur Zeit Kernreaktoren konstruiert, gebaut und betrieben, in denen der Kernbrennstoff in Brennelementen enthalten ist, welche die verschiedensten geometrischen Formen besitzen können,

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beispielsweise Platten, Rohre oder Stäbe. Das Brennmaterial ist gewöhnlich in einem korrosionsbeständigen nicht-reagierenden wärmeleitenden Behälter (oder Verkleidung) eingeschlossen. Die Elemente werden mit festen Abständen voneinander in einer Gitteranordnung in einem Kühlmittelkanal oder - bereich zusammengefügt und bilden dann ein Brennstoffbündel. Eine ausreichende Zahl von Brennstoffbündeln, werden zur Bildung des Reaktorkerns oder der Anordnung für die Kernspaltungs-Kettenreaktion kombiniert, die zu einer sich selbst unterhaltenden Spaltungsreaktion geeignet ist. Der Kern ist seinerseits im Innern eines Reaktorgefäßes eingeschlossen, durch das ein Kühlmittel geleitet wird.

Die Verkleidung erfüllt zwei Hauptaufgaben: (1) verhindert sie den Kontakt und .chemische Reaktionen zwischen dem Kernbrennstoff und dem Kühlmittel oder dem Moderator, wenn ein solcher vorhanden ist, oder mit beiden Mitteln, wenn ein Kühlmittel und ein Moderator vorhanden sind; (2) zweitens verhindert sie, daß die radioaktiven Spaltungsprodukte, von denen einige Gase sind, aus dem Brennstoff heraus in das Kühlmittel oder den Moderator oder beide abgegeben werden, übliche Materialien für die Verkleidung sind rostfreier Stahl, Aluminium und seine Legierungen, Zirkon und seine Legierungen, Niob (Kolumbium), bestimmte Magnesiumlegierungen und andere Materialien. Ein Defekt der Verkleidung, d. h. ein Verlust der Abdichtung gegen Materialdurchtritt, kann zu einer Verunreinigung des Kühlmittels oder des Moderators und der zugeordneten Systeme mit langlebigen radioaktiven Produkten zu einem Ausmaße führen, welches den Betrieb der Anlage beeinträchtigt.

6e± der Herstellung und dem Betrieb von Kernbrennelementen, die bestimmte Metalle und Legierungen als Verkleidungsmaterial verwenden, sind Probleme aufgetreten infolge mechanischer oder chemischer Reaktionen dieser Verkleidungsmaterialien unter bestimmten Umständen. Zirkon und seine Legierungen sind unter normalen Umständen ausgezeichnete Materialien für die Verkleidung

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von Kernbrennstoff, da sie niedrige Neutronenabsorptionsquerschnitte besitzen und bei Temperaturen unterhalb etwa 315°C (6OO°P) sehr feat, duktil, äußerst stabil und nicht-reagierend bei Anwesenheit von entmineralisiertem Wasser oder Dampf sind, die gewöhnlich als Reaktorkühlmittel und Moderatoren verwendet werden.. Innerhalb des begrenzten Raumes eines verschlossenen B renne !ententes kann sich jedoch Wasserst off gas, das durch die allmähliche Reaktion zwischen der Verkleidung und dem Restwasser innerhalb der Verkleidung erzeugt wird, in solchem Maße ansammeln, daß unter bestimmten Verhältnissen eine Örtliche Hydrierung der Legierung mit einer einhergehenden örtlichen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften der Verkleidung erfolgt. Die Verkleidung wird auch noch in einem weiten Temperaturbereich nachStickstoff teilig beeinflußt durch solche Gase wie Sauerstoff,/Kohlenmonoxyö und Kohlendioxyd. Weiterhin hat das Verhalten von Brennelementen im praktischen Betrieb ein Problem hinsichtlich eines Aufreißens oder Aufspaltens der Verkleidung infolge von Wechselwirkungen zwischen dem Kernbrennstoff, der Verkleidung und den Spaltprodukten aufgezeigt, die während der Kernspaltungsreaktion erzeugt werden.

Die Zirkonverfcleidung eines Kernbrennelementes ist einem oder mehrere der oben aufgeführten Gase und Spaltprodukte während der Bestrahlung in einem Kernreaktor ausgesetzt und dies trotz der Tatsache, daß diese Gase im Kühlmittel oder Moderator des Reaktors nicht vorhanden sein können und weiterhin weitmöglichst aus der Uragebungsatmosphäre während der Herstellung der Verkleidung und des Brennelementes ferngehalten wurden. Gesinterte, feuerfeste und keramische Zusammensetzungen, beispielsweise Urandioxyd und andere Zusammensetzungen, die als Kernbrennstoff verwendet werde!», geben meßbare Mengen der vorgenannten Gase vor der Erhitzung frei, beispielsweise während der Herstellung eines Brennelementes und insbesondere während der Bestrahlung. Teilchenförmige Feuerfestmaterialien und keramische Materialien, wie beispielsweise Urandioxyd-Pulver und andere als Kernbrennstoff verwendete Pulver, geben bekanntlich noch größere Mengen der vor-

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genannten Gase während der Bestrahlung frei. Diese freigesetzten Gase sind in der Lage, mit der Zirkonverkleidung zu reagieren, welche den Kernbrennstoff aufnimmt. Diese Reaktion kann zu einer Versprödung der Verkleidung führen, welche die Integrität des Brennelementes gefährdet. Obwohl Wasser und Wasserdampf nicht unmittelbar zur Erzeugung dieser Versprödung reagieren können, reagiert bei hohen Temperaturen Wasserdampf mit Zirkon und mit Zirkonlegierungen zur Erzeugung von Wasserstoff, und dieses Gas reagiert dann anschließend örtlich mit dem Zirkon und Zirkonlegierungen und bewirkt eine Versprödung. Die Freisetzung dieser Restgase im Innern des dicht verschlossenen, mit Metall umkleideten Brennelementes erhöht auch noch den Innendruck innerhalb des Elementes und führt daher zu zusätzlichen mechanischen Belastungen bei Vorhandensein korrosiver Verhältnisse. Erst kürzlich wurde gefunden, daß diese unerwünschten Ergebnisse durch die lokalisierten, mechanischen Belastungen infolge der verschiedenartigen Ausdehnung des Brennstoffes und der Verkleidung bedeutend gesteigert werden (eine lokalisierte Belastung an Rissen in dem UO₂). Korrosive Gase werden aus Rissen (Ritzen) in dem Brennstoff gerade an dem Punkt der lokalisierten Belastung an der Schnittstelle der Brennstoffrisse mit der Oberfläche der Verkleidung freigesetzt. Diese örtliche Belastung wird noch gesteigert durch eine hohe Reibung zwischen dem Brennstoff und der Verkleidung.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen wurde es als wünschenswert gefunden, den Angriff durch Wasser, Wasserdampf und andere Gase, insbesondere Wasserstoff, auf die Verkleidung auf ein Minimum zu bringen, wobei diese Stoffe mit der Verkleidung innerhalb des Brennelementes während der Zeitdauer reagieren, in der das Brennelement beim Betrieb von Kernkraftanlagen verwendet wird. Ein entsprechender Lösungsweg bestand darin, Materialien zu finden, welche chemisch schnell mit dem Wasser, dem Wasserdampf und anderen Gasen reagieren, um diese aus dem Inneren der Verkleidung zu beseitigen, und solche Materialien werden auch Getter genannt.

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Ein weiterer Ldsungsweg bestand darin, das Kernbrennmaterial mit einem Keramikmaterial zu überziehen um zu verhindern, daß Feuchtigkeit in Kontakt mit dem Kernbrennstoff-Material gelangt, wie die» in der OS-Patentschrift Nr. 3 108 936 offenbart ist. In der US-Patentschrift Nr. 3 O85 059 wird ein Brennelement mit einest Metallgehäuse beschrieben, das eine oder mehrere Pillen eines spaltbaren keramischen Materials und eine Schicht von glasartigem Material zwischen dem keramischen Material und dem Gehäuse enthält, wobei das glasartige Material fest mit den Keramikpillen verbunden ist. Dies gewährleistet eine gleichförmig gute Wärmeleitung von den Pillen zum Gehäuse. Die US-Patentschrift Nr. 2 873 238 beschreibt umhüllte Pillen aus spaltbarem uran, welch» in einem Metallgehäuse eingeschlossen sind, wobei die Schutzhüllen für die Pillen aus einer verbindenden Schicht von Zink-Alwainiura bestehen. Die US-Patentschrift Nr. 2 849 387 offenbart einen umhüllten spaltbaren Körper, der eine Vielzahl von umhüllten Körperabschnitten mit offenen Enden aus einem Kernbrennstoff umfaßt, die in ein geschmolzenes Bad eines bindenden Materials eingetaucht wurden, das eine wirksame, thermisch leitende feste Verbindung zwischen den Urankörperabschnitten und dem Behälter (oder der Verkleidung) ergibt. Der überzug ist dabei irgendeine Metallegierung, die gute thermische Leitungseigenechaften besitzt, wobei als Beispiele Aluminium-Silizium und Zink-Aluminium-Legierungen genannt sind. Die japanische Patent-Veröffentlichung Nr. SHO 47-46559 offenbart die Vereinigung diskreter Kernbrennstoffteilchen zu einem Brennstoff in einem Verbundkörper mit einer kohlenstoffhaltigen Matrix durch überziehen der Brennstoffteilchen mit einem glatten kohlenstoffhaltigen Überzug hoher Dichte um die einzelnen Pillen herum. Eine weitere Beschreibung eines Überzuges wird in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. SHO 47-14200 gegeben, wobei eine von zwei Gruppen von Pillen mit einer Schicht aus Silizium-Karbid und die andere Gruppe mit einer Schicht aus Pyrokohlenstoff oder Metallkarbid überzogen 1st.

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Das überziehen von Kernbrennstoff-Material ergibt Probleme hinsichtlich der Zuverlässigkeit, da es sehr schwierig ist, gleichförmige Überzüge ohne Fehler zu erzielen. Weiterhin kann eine Verschlechterung des Überzuges Probleme bezüglich der Langzeit Lebensdauer des Kernbrennstoff-Materials ergeben.

Ein weiterer Lösungsweg bestand darin, eine Schutzschicht oder Metallverkleidung zwischen dem Kernbrennstoff-Material und der Verkleidung zur Aufnahme des Kernbrennstoff-Materials einzufügen, wie dies in der US-Patentschrift Nr. 3 230 150 (Kupferfolie), der deutschen Auslegeschrift DAS 1 238 115 (Titanschicht), der US-Patentschrift Nr. 3 212 988 (Schutzschicht aus Zirkon, Aluminium oder Beryllium), der US-Patentschrift Nr. 3 018 238 (Schutzschicht aus kristallinem Kohlenstoff zwischen dem UOp und der Zirkonverkleidung) und der US-Patentschrift Nr. 3 088 (Folie aus rostfreiem Stahl) beschrieben ist. Das Konzept einer Schutzschicht erweist sich als erfolgversprechend. In mehreren der vorstehend genannten Anordnungen sind jedoch Materialien enthalten, die entweder mit dem Kernbrennstoff oder der Verkleidung unverträglich sind (beispielsweise kann sich Kohlenstoff mit dem Sauerstoff aus dem Kernbrennstoff kombinieren), (oder beispielsweise können Kupfer und andere Metalle oder Kohlenstoff in die Verkleidung hinein diffundieren und die Eigenschaften der Verkleidung verändern), oder sie sind unverträglich mit der Kernspaltungsreaktion (indem sie beispielsweise als Neutronenabsorber wirken).

Die vorstehende Erörterung des Standes der Technik zeigt, daß eine Notwendigkeit für ein Brennelement mit einem Zwischenraum zwischen dem Kernbrennstoff und der Verkleidung besteht, der folgende Schutzwirkungen enthält: (1) eine Hemmung der mechanischen Wechselwirkung zwischen der Verkleidung und dem Kernbrennstoff infolge eines Anschwellens oder Ausdehnens des Brennstoffes während des Betriebes, (2) eine Isolation der im Brennstoff erzeugten Spaltprodukte von der Verkleidung und (3) eine Verbesse-

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rung der axialen thermischen Gradienten über die Länge des Brennstoffstabes.

Ea erwies sich daher weiterhin als erwünscht, Kernbrennstoffelemente zu entwickeln, welche die vorstehend erörterten Probleme auf ein Minimum reduzieren.

Es wurde nunmehr überraschend gefunden, daß eine Auskleidung aus einem Feuerfestraetall (refractory metal) in einem Kernbrennstoffelement in dem Spalt zwischen den Kernbrennstoff und der Verkleidung eingearbeitet werden kann und das unerwartete Ergebnis eines wirksamen Schutzes des Brennelementes gegen mechanische Wechselwirkung zwischen dem Kernbrennstoff und der Verkleidung ergibt» die durch den Kernbrennstoff erzeugten Spaltprodukte vom Kontakt mit der Verkleidung isoliert und die axialen thermischen Gradienten/aes Erfnnstoffelementes verbessert. Die Auskleidung aus Feuerfestmetall kann in dem Brennstoffelement in den verschiedensten Ausführung»formen enthalten sein, beispielsweise in Form eines durch Aufdampfen aufgebrachten Films auf der inneren Oberfläche der Verkleidung, in Form eines hohlzylindrischen Rohrs, das den Kernbrennstoff umgibt und im Innern der Verkleidung enthalten ist, und als eine einfache oder doppelte Umwicklung mit einer Folie um den Kernbrennstoff. Die gemäß der Erfindung verwendeten Feuerfestmetalle schließen ein Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob und Legierungen der vorstehenden Metalle ein.

Weitere Vorteile der Erfindung sind für den Fachmann aus der nachstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Abbildungen ersichtlich.

Die Figur 1 zeigt eine Teilschnittansicht einer Kernbrennstoffanordnung, die Kernbrennelemente als Ausführungsform der Erfindung enthält.

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Figur 2 zeigt eine Längstei!schnittansicht eines Kernbrennstabes wobei ein Teil des Stabes mit dem Kernbrennstoff weggeschnitten ist, um die Auskleidung aus feuerfestem Metall deutlicher darzustellen.

Figur 3 zeigt eine vergrößerte querliegende Schnittansicht eines Kernbrennelementes mit einer Auskleidung aus feuerfestem Metall in Form eines hohlen zylindrischen Rohrs, das in dem Zwischenraum zwischen dem Kernbrennstoff und der Verkleidung angeordnet ist.

Figur 4 zeigt eine vergrößerte querliegende Schnittansicht eines Kernbrennelementes, das eine Auskleidung aua Feuerfestmetall in Form einer einzigen Wicklung einer Folie um den Kernbrennstoff mit Überlappung an der Verbindungsstelle der Enden der Folie besitzt.

Figur 5 zeigt einen Teil einer vergrößerten querliegenden Schnitt· ansicht eines Kernbrennelementes, das eine Auskleidung aus Feuerfestmetall in Form einer doppellagigen Folie um den Kernbrennstoff besitzt, wobei eine Überlappung an der Verbindungsstelle der Enden der Folie vorhanden ist.

Figur 6 zeigt eine vergrößerte querverlaufende Schnittansicht des Kernbrennelementes nach Figur k, das eine geschweißte Auskleidung aus Feuerfestmetall in Form einer einzigen Lage einer Folie um den Kernbrennstoff besitzt, wobei die Enden der Folie durch eine Schweißnaht verbunden sind.

Figur 7 zeigt einen Teil einer vergrößerten querverlaufenden Schnittansicht eines Kernbrennelementes mit einer Auskleidung mit Feuerfestmetall in Form einer das Kernbrennelement umschließenden doppellagigen Folie, wobei das Ende der Folie mit der Folie durch eine Schweißnaht verbunden ist.

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Figur-8 zeigt eine vergrößerte querliegende Schnittansicht eines Kernbrennelementes, das eine Schutzschicht aus Feuerfest metall in Form eines Überzuges auf der inneren Oberfläche der Verkleidung besitzt, welche als Begrenzungsschicht zur Verbinderung.eines Kontaktes der Spaltprodukte vom Kernbrennelement mit der Verkleidung dient.

Eb wird nunmehr insbesondere auf die Figur 1 Bezug genommen. Diese zeigt eine Teilsehnittansicht eines Kernbrennstoffbündels 10. Dieses Brennetoffbündel besteht aus einem rohrförmigen Strömungskanal 11 »1t allgemein quadratischem Querschnitt, der an seinem oberen Ende eine öse 12 zum Anheben und an seinem unteren Ende ein Nasenteil besitzt (das letztere ist nicht gezeigt, da der untere Teil des Bündels 10 weggelassen ist). Das obere Ende des Kanals 11 ist bei 13 offen und das untere Ende des Nasenteils mit Öffnungen für den Kühlungsmittelstrom ausgestattet. Eine Anordnung von Brennelementen 14 ist im Kanal 11 eingeschlossen und in demselben mit Hilfe einer oberen Endplatte 15 und einer unteren Endplatte gehal&ert (die letztere ist nicht gezeigt, da der untere Teil weggelassen 1st). Das flüssige Kühlmittel tritt normalerweise durtih die öffnungen in dem unteren Ende des Nasenteils ein, strömt um die Brennelemente 14 herum nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 bei Siedewasserreaktoren in teilweise verdampftem Zustand oder bei Druckwasserreaktoren in einem unverdampften Zustand aus.

Es wird nachstehend neben der Figur 1 auf die Figur 2 Bezug genommen. Diese zeigt ein Kernbrennelement oder einen Kernbrennstab Ik in einem Längsteilschnitt. Das Brennelement enthält Brennmaterial 15_S das hier in Form einer Vielzahl von Brennstoffpillen aus spaltbarem und/oder brütbarem Material gezeigt ist, das im Innern einer Verkleidung oder eines Behälters 17 angeordnet ist. In einigen Fällen können die Brennstoffpillen verschiedenartige Formen besitzen, beispielsweise die Form von zylindrischen Pillen oder von Kugeln, und in anderen Fällen können verschiedene Brennstofformen verwendet werden, beispielsweise teilchenförmiger

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Brennstoff. Die räumliche Form des Brennstoffes ist für die Erfindung nicht wesentlich. Verschiedenartige Kernbrennstoffmaterialien können verwendet werden, einschließlich Uranverbindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Gemische derselben. Ein bevorzugter Brennstoff ist Urandioxyd oder ein Gemisch, das Urandioxyd und Plutoniumdioxyd enthält. Der Behälter ist an seinen Enden mit Hilfe von Endstopfen 18 verschlossen, die Ansätze 19 zur Erleichterung der Befestigung des Brennstabes in dem Bündel enthalten können. Ein leerer Raum oder Sammelraum 20 ist an einem Ende des Brennelementes vorgesehen, um eine Längsausdehnung des Brennmaterials und die Ansammlung der aus dem Brennstoffmaterial freigesetzten Gase zu gestatten. Ein spiralförmiges Teil 21 ruht auf einer oberen Platte 9 und ist innerhalb des Raumes 20 angeordnet. Es ist in der Lage, die Lage des Brennstoffes während der Handhabung und des Transportes der Brennelemente aufrechtzuerhalten. Die Verkleidung 17 ist mit den Endstopfen 18 mit Hilfe von umschließenden Schweißverbindungen fest verbunden.

Das Brennelement ist so ausgelegt, daß es einen ausgezeichneten thermischen Kontakt zwischen der Brennstoffverkleidung und dem Brennmaterial, ein Mindestmaß an parasitärer Neutronenabsorption und eine Beständigkeit gegenüber Durchbiegen .und Vibration ergibt, welche gelsgentlicbjdurch die Strömung des Kühlmittels mit hoher Geschwindigkeit erzeugt wird.

Die Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Auskleidung aus Feuerfestmetall oder Schutzschicht 21 soangeordnet ist, daß sie das Kernbrennmaterial 16 umschließt, wobei sich die Auskleidung 23 über die Länge der Säule des Kern- . brennstoffmaterials 16 von der oberen Platte 9 zum unteren Endstopfen erstreckt.

Die Figur 3 zeigt eine vergrößerte querverlaufende Schnittansicht eines Kernbrennelementes, das eine Auskleidung 23 aus Feuerfestmetall in Form eines hohlen zylindrischen Rohrs besitzt,

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das in dem Spalt zwischen dem Kernbrennstoffmaterial 2k und der Verkleidung 25 angeordnet ist. Das Kernbrennstoffmaterial 2k besteht typischerweise aus einer Vielzahl von zylindrischen Pillen, die mit ihren Enden zur Bildung einer Säule aneinandergefügt sind. Die Verkleidung 25 besteht typischerweise aus einer Zirkonlegie- . rung und ist an ihren Enden mit Hilfe von Endstopfen verschlossen, welche die schon zuvor erwähnten Ansätze 19 enthalten können. Di'e Auskleidung 23 besteht aus einem Feuerfestmetall, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob und Legierungen derselben. Die Auskleidung 23 ist undurchlässig für Spaltprodukte und Gase, welche von dem Brennstoffmaterial 2k abgegeben werden. Obwohl die Enden der Auskleidung durch einen Deckel verschlossen werden können, werden die Enden bevorzugterweise offen belassen, da nur ein sehr geringer Teil der Spaltprodukte und der reaktiven Gase aus dem Brennmaterial um die Enden der Auskleidung herum zum Kontakt mit der Verkleidung strömen werde» und es viel wahrscheinlicher ist, daß die gasförmigen Materialien einschließlich der gasförmigen Spaltprodukte zu dem Samine 1 raum im Brennstoffelement gehen. Die Dicke der Auskleidung ist ausreichend, um den Kräften zu widerstehen, die einerseits beim Zussraraenbau des Brennstoffes und andererseits durch die Gasdrücke beim Betrieb des Kernreaktors auftreten. Eine bevorzugte Dicke für die Auskleidung liegt im Bereich von etwa 0,012 bis 0,3"na (1/2 bis etwa 12 Tausendstel Zoll). Das Brennelement wird dadurch zusammengebaut, daß zunächst die Auskleidung in die Verkleidung eingesetzt wird, wobei ein Endstopfen der Verkleidung beispielsweise durch Verschweißen bereits an seinem Platz befestigt 1st und das andere Ende der Verkleidung offen ist. Das Brennmaterial liegt vorzugsweise in Form zylindrischer Pillen vor und diese werden in die Auskleidung eingesetzt. Dann wird ein spiralförmiges Teil in die Verkleidung eingesetzt, beispielsweise auf einer oberen Platte, die auf der obersten Pille aufliegt, und der Endverschluß wird mit einem Endstopfen 18 hergestellt. In einem bevorzugten Verfahren für den Zusammenbau wird die' Atmosphärenluft aus der Verkleidung evakuiert und diese wird mit einer Inertgasatmosphäre gefüllt, beispielsweise Helium.

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Im zusammengebauten Zustand sind enge Spielräume zwischen dem Brennmaterial 2H₃ der Auskleidung 23 und der Verkleidung 25 vorhanden.

Die Figur 4 zeigt eine vergrößerte, querliegende Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Kernbrennelementes, das eine Auskleidung 27 aus Peuerfestmetall in Form einer einlagig gewickelten Folie mit einer überlappungsverbindung 29 besitzt, welche in den Zwischenraum zwischen das Kernbrennstoffmaterial 2ό und die Verkleidung 28 eingefügt ist. Das Kernbrennstoffmaterial 26 besteht typischerweise aus einer Vielzahl von zylindrischen Pillen, die Ende an Ende aufeinandergesetzt werden zur Bildung einer Säule. Die Auskleidung besteht typischerweise aus einer Zirkonlegierung, die an ihren Enden mit Hilfe von Endstopfen verschlossen ist, welche die bereits zuvor erörterten Ansätze enthalten können. Die Auskleidung 27 besteht aus einem Feuerfestmetall gemäß der Erläuterung der Figur 3 und ist undurchlässig für die Spaltprodukte und Gase, welche von dem Brennmaterial 26 abgegeben werden. Der Zusammenbau des Brennelementes erfolgt in ähnlicher Weise wie bei Figur 3 beschrieben, und die Dicke der Folie liegt typischerweise im Bereich von etwa 0,012 bis 0,075 mm (1/2 bis etwa 3 Tausendstel Zoll).

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform und einen Teil einer vergrößerten querliegenden Schnittansicht des Kernbrennelementes, das eine Auskleidung 31 aus Feuerfestmetall in Form einer doppellagig gewickelten Folie mit einer überlappungsverbindung 33 besitzt, welche in den Zwischenraum zwischen dem Kernbrennmaterial und der Verkleidung 32 eingefügt ist. Das Kernbrennmaterial besteht typischerweise aus einer Vielzahl von zylindrischen Pillen, die zur Bildung einer Säule mit ihren Enden aufeinandergefügt sind. Die Verkleidung, die Auskleidung und der Kernbrennstoff besitzen die gleiche Zusammensetzung, wie dies bereits für die Figuren 1 bis 4 erläutert wurde. Der Zusammenbau des Brennelementes erfolgt ähnlich wie in der vorstehenden Beschreibung und die Auskleidung ist undurchlässig für Spaltprodukte und reaktive Gase

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von dem Kernbrennstoffmaterial.

Die Figur 6 geigt das Kernbrennelernent der Figur 4, wobei in Figur 6 für die Bauteile gemäß Figur H die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Dabei wurde hier eine Schweißverbindung 34 zur Festlegung der Enden der Auskleidung 27 aus feuerfestem Metall vorgenoflaneri. Dies ergibt eine undurchlässige Abdichtung über die gesamte Länge der hohlen Säule der Auskleidung aus Feuerfestmetall»

Figur 7 zeigt eine ähnliche Schweißverbindung für das Kernbrenneleiaent gemSÄ Figur 5, wobei auch in Figur 7 für die Bauteile nach Figur 5"' die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Die Schweißverbindung 35 wird zur Befestigung des Endes der Auskleidung 31 aus" feuerfestem Metall mit sich selbst benutzt. Dies ergibt eine undurchlässige Abdichtung über die gesamte Länge der hohlen Säule der Auskleidung aus feuerfestem Metall.

Eine weitere Ausführungsform ist in Figur 8 gezeigt, in der eine Auskleidung oder Schutzschicht in Form eines Überzuges aus einem Feuerfestaaetall an der inneren Oberfläche der Verkleidung 38 haftet and diese bedeckt und eine Schutzschicht gegenüber dem Kontakt von Spaltprodukten aus dem Kernbrennmaterial 36 mit der Verkleidung 38 bildet. Der überzug 37 wird an der Verkleidung 38 rechtzeitig vor dem Zusammenbau des Brennstoffstabes aufgebracht; so daß sicji die Verkleidung auf Zimmertemperatur befindet. Dann wird die Verkleidung mit dem Brennmaterial, typischerweise in Form von Pillen, beschickt und anschließend wird das spiralförmig© Teil eingesetzt, das Rohr mit Inertgas gefüllt und der Endstopfen an g©r Verkleidung festgeschweißt. Die Zusammensetzung des Überzuges aus Feuerfestmetall entspricht der bereits vorstehend beschriebenen, und die Dicke des Überzuges liegt im Bereich von etwa 0,012 bis 0,037 mm (1/2 bis etwa 1 1/2 Tausendstel Zoll). Dies bildet einen undurchlässigen Überzug bezüglich des Durchgangs von reaktiven Gasen und Spaltprodukteh.

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Die Anbringung oder Aufbringung der Auskleidung aus Feuerfest metall wird nachstehend erläutert. Wenn die Auskleidung aus Feuerfestmetall in Form eines hohlen zylindrischen Rohrs wie in Figur 3 verwendet wird, dann ist das Rohr typischerweise durch Extrudieren hergestellt. Das Rohr kann auch aus Blechmaterial durch Verschweißen unter Verwendung von Schweißverfahren -mit Laserstrahl oder Ultraschallschweißung gebildet werden. Wenn als Auskleidung eine einlagig oder doppellagig gewickelte Folie verwendet wird, dann wird die Auskleidung aus Feuerfestmetall durch Wickeln um einen Dorn, beispielsweise einen Metalldorn, zusammengefügt und dann wird der Dorn herausgezogen. Die Enden werden in ihrer Lage verklammert oder durch Druckfaltung in ihrer Lage festgelegt. Der Dorn wird so gewählt, daß ein Zwischenraum um das Kernbrennstoffmaterial freibleibt zur leichteren Beschickung mit dem Kernbrennstoffmaterial nach der Einfügung der Auskleidung in die Verkleidung. Hierdurch wird gewährleistet, daß die einlagig oder doppellagig gewickelte Folie innerhalb der Verkleidung gerade liegt und eine gleichförmige Weite zur Aufnahme des Kernbrennstoffmaterials besitzt. Die Auskleidung aus Feuerfestmetall in Form eines Überzuges wird an der Innenseite der Verkleidung durch Aufdampfen aufgebracht, bis ein typischer Überzug mit einer Dicke im Bereich von etwa 0,012 bis 0,03ö mm (1/2 bis 1 1/2 Tausendstel Zoll) erzielt worden ist. Bei einem-Verfahren wird diese Aufdampfung dadurch erreicht, daß das feuerfeste Metall in Form einer gasförmigen Verbindung (beispielsweise WS^, MoF^) in die Verkleidung eingebracht wird und eine die Verkleidung umschließende Induktions-Heizeinrlchtung benutzt wird, um dieselbe zur Abscheidung eines Überzuges des Feuerfestmetalls auf der inneren Oberfläche der Verkleidung ausreichend aufzuheizen.

Das Kernbrennstoffmaterial in Form von Pillen oder kleinen geraden Zylindern wird unter Verwendung eines Tabletts mit einer Nut eingesetzt, wobei die Zylinder des Brennmaterials in die Nut eingelegt werden. Die Nut wird mit der Öffnung in der Verkleidung ausgerichtet, welche eine Schutzschicht, Auskleidung oder einen Überzug aus Feuerfestmetall besitzt und dann werden die Pillen in die Verkleidung eingeführt.

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Gemäß der Konstruktion dieser Brennelemente ist ein Zwischenraum zwischen dem Kernbrennstoffmaterial und der Auskleidung aus Feuerfesfcaaetall vorgesehen. Weiterhin ist mit Ausnahme des Überzuges nach Figur 8 ein Zwischenraum zwischen der Verkleidung und der Auskleidung aus Feuerfestmetall vorhanden.

Die Auskleidungen oder Schutzschichten aus Peuerfestmetall gemäß der Erfindung verhindern eine mechanische Wechselwirkung zwischen dem Kernbrennstoff mate.rial und der Verkleidung. Weiterhin bringen sie die auf die Grenzschicht ausgeübte Belastung auf ein Minimum infolge des Zwischenraums, der ursprünglich zwischen dem Brennmaterial und der Auskleidung vorhanden ist. Die Auskleidung bringt weiterhin den Kontakt von reaktiven Gasen und Spaltprodukten aus dem Kernbrennstoffmaterial mit der Verkleidung auf ein Minimum und verbessert den axialen thermischen Gradienten über die Länge des Brennstabes. Da die thermische Leitfähigkeit der für die Erfindung verwendeten Feuer festiget al Ie größer ist als die Leitfähigkeit der Verkleidung, die beispielsweise aus Zirkon, Zirkonlegiemingen oder rostfreiem Stahl bestehen kann, wird jede Ausbildung von thermischen Spitzen als Folge von Spitzen im Neutronenflttß verringert. In der Endauswirkung bringt die Auskleidung aus Feuerfestmetall jegliche Konzentration von Wärme in dem Kerfibrennelement infolge der ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit der Auskleidung auf ein Minimum.

Bevorzugte Feuerfestmetalle für die Erfindung sind Molybdän und Molybdänlegierungen infolge ihrer hohen Schmelzpunkte (beispielsweise '"2615⁰C für Molybdän), welche in unmittelbarer Beziehung stehen zur Beständigkeit der Auskleidung gegen eine Diffusion In die Verkleidung. Weiterhin liegt der Ausdehnungskoeffizient von Molybdän und, seinen Legierungen in der Nähe des Ausdehnungskoeffizienten d@a bevorzugten Verkleidungsmaterials, nämlich der ZIrkaloi-Legierungsreihe. Weiterhin zeigen Molybdän und seine Legierungen eine Beständigkeit gegenüber Spaltprodukten wie Cäsium. Weiterhin besitzen Molybdän und seine Legierungen, wie bereits

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vorstehend ausgeführt, eine hohe thermische Leitfähigkeit und bewirken daher keine merkliche Wärmebarriere in dem Kernbrennstoffelement .

Beispiel

Ls wurden mehrere zylindrische Kernbrennelemente mit Molybdän-Auskleidungen zum Betrieb in einem Versuchsreaktor konstruiert. Die Molybdän-Auskleidungen besitzen dabei die Form von einzelnen Lagen von Molybdän-Folie mit einer Überlappung von etwa 3 bis b mm (1/8 bis etwa 1/4 Zoll). Die Länge der Brennelemente beträgt etwa 1 m (etwa 41 Zoll) und die Länge der zylindrischen Säulen aus Kernbrennstoff in den Brennelementen beträgt etwa 90 cm (3ü Zoll), wobei etwa 75 cm (etwa 30 Zoll) der Kernbrennstoffsäule aus angereichertem Kernbrennstoff besteht. Mit Ausnahme der Überlappungsstelle ist die Dicke der Molybdänauskleidung etwa 0,012 mm (1/2 Tausendstel Zoll). Der Außendurchmesser der Zirkonverkleidung der Brennelemente beträgt etwa 14 mm (0,562 Zoll) und die Dicke der Verkleidung ist etwa 0,8 mm (32 Tausendstel Zoll). Der Innendurchmesser der Molybdän-Verkleidung beträgt etwa 12,48 mm (0,499 Zoll) und der Durchmesser der zylindrischen Kernbrennstoffpillen beträgt etwa 12,23 mm (0,489 Zoll). Die zusammengebauten Brennelemente wurden in einen im Betrieb befindlichen Versuchs-Kernreaktor eingesetzt und die überprüfung der Brennelemente verlief erfolgreich.

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Claims

Patentansprüche

Γ 1.jKernbrennelement mit einem länglichen verkleideten Behälter, einem Körper aus Kernbrennstoffmaterial, welcher in dem Behälter eingesetzt ist, diesen teilweise ausfüllt und einen inneren Hohlraum an einem Ende des Behälters und einen inneren Zwischenraum zwischen dem Brennstoffmaterial und der Verkleidung bildet, gekennzeichnet durch eine Auskleidung (23, 27, 3D aus Feuerfestmetall, welche in dem inneren Zwischenraum zwischen dem Körper aus Kernbrennstoffmaterial (24, 26, 30) und dem Behälter oder Verkleidung (25, 28, 32, 38) angebracht ist und teilweise den inneren Zwischenraum ausfüllt, wobei noch ein Verschluß (18) integral befestigt und abgedichtet an jedem Ende des Behälters vorhanden ist und in dem inneren Hohlraum (20) ein wendeiförmiges Teil (21) angeordnet 1st.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Auskleidung (23, 27, 31, 37) aus Feuerfestmetall aus einem der Feuerfestmetalle Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob oder Legierungen derselben besteht..

3. Kernbrennelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Auskleidung aus Feuerfestmetall aus Molybdän oder Molybdän-Legierung besteht.

4. Kernbrennelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Verkleidung (25, 28, 32, 38) aus Zirkon, Zirkon-Legierungen, rostfreiem Stahl, Aluminium oder Aluminium-Legierungen besteht.

5. Kernbrennelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzei chnet, daß das Kernbrennmaterial

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Uran-Verbindungen, Plutonium-Verbindungen, Thorium-Verbindungen oder Gemische derselben enthält.

υ. Kernbrennelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Kernbrennmaterial aus Uran-Dioxyd besteht.

7. Kernbrennelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Kernbrennmaterial ein Gemisch bestehend aus Uran-Dioxyd und Plutonium-Dioxyd ist.

8. Kernbrennelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Auskleidung aus Feuerfestmetall aus einem überzug (37) besteht, welcher auf der
inneren Oberfläche der Verkleidung (38) aufgebracht ist.

9. Kernbrennelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7*
dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung aus Peuerfestmetall aus einem hohlen zylindrischen
Rohr (23) besteht, welches in dem inneren Zwischenraum zwischen dem Körper aus Kernbrennstoffmaterial (24) und der Verkleidung (25) angeordnet ist.

10. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auskleidung (27) aus Peuerfestmetall aus einer Folie besteht,
welche zur Bildung eines hohlen zylindrischen Rohrs gewickelt ist.

11. Kernbrennelement nach· Anspruch 10, dadurch ge-'
kennzeichnet , daß die Auskleidung (3D aus Peuerfestmetall eine gewickelte Folie mit zwei Lagen ist.

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12. Kernbrennelement nach den Ansprücnen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ge-. wickelte Folie (27, 3D verschweißt ist.

13. Verfahren zur Erzeugung eines Kernbrennelementes, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

a) es wird eine Auskleidung aus Feuerfestmetall in den an einem Ende offenen Behälter eingesetzt,

b) das Kernbrennstoffmaterial wird in dem Behälter so eingesetzt, daß das Kernbrennstoffmaterial von dem Behälter durch die Auskleidung aus Feuerfestmetall getrennt 1st,

c) in den Hohlraum wird ein spiralförmiges Teil eingesetzt,

d) ein Endverschluß wird am Ende des Behälters angebracht und

e) das Ende des Behälters wird mit dem Endverschluß zur Bildung eines dichten Verschlusses zwischen diesen Teilen verbunden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Auskleidung aus Feuerfestmetall eines der feuerfesten Metalle Molybdän, Wolfram, Rhenium, Niob oder Legierungen derselben umfaßt.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 13 oder IiI, dadurch gekennzeichnet , daß die Auskleidung aus Feuerfestmetall aus Molybdän oder Molybdänlegierung besteht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Auskleidung aus Feuerfestmetall in den Behälter in verdampfter Form eingebracht wird, so daß sich derselbe auf der inneren Oberfläche des Behälters niederschlägt und auf demselben ein Überzug aus dem Feuerfestmetall ausgebildet wird.

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17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, d a d u r c Ii gekennzeichnet , daß die Auskleidung aus Peuerfestmetall in Form eines hohlen zylindrischen Rohrs eingesetzt wird.

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