DE2501309C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoff-Element gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Ein Kernbrennstoff-Element der vorgenannten Art ist in der DE-OS 21 27 240 beschrieben.

Die FR-PS 14 46 889 betrifft ein Kernbrennstoff-Element, das als Kernbrennstoffmaterial Urankarbid und als Behältermaterial Edelstahl aufweist, wobei die Diffusion des Urankarbids in das Behältermaterial zu vermeiden ist.

Die DE-OS 21 49 078 betrifft ein Kernbrennstoff-Element, bestehend aus einer allseitigen Hülle und einer wenigstens teilweisen Füllung aus oxidischem - Spalt- und/oder Brut­ stoffe enthaltendem - Kernbrennstoff. Bei einem solchen Kernbrennstoff-Element soll der beim Abbrand des Kernbrenn­ stoffes entstehende Sauerstoff unschädlich gemacht werden. Dazu wird innerhalb der Hülle wenigstens ein Getterkörper vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kern­ brennstoff-Element der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine Auskleidung aufweist, die nicht nur das Behälter­ material vor einem Kontakt mit Spaltprodukten, wie Cäsium, schützt, sondern auch wenig oder gar nicht in das Be­ hältermaterial diffundiert, einen Ausdehnungskoeffizienten in der Nähe des Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Behälters aufweist und die eine hohe thermische Leitfähig­ keit hat, so daß sie keine merkliche Wärmebarriere in dem Kernbrennstoff-Element bildet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Auskleidung aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung be­ steht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Kernbrennstoffbündels, das Kernbrennstoff-Elemente als Ausführungsform der Erfindung enthält;

Fig. 2 eine Längsteilschnittansicht eines Kernbrennstoff- Elements, wobei ein Teil des Elements mit dem Kern­ brennstoff weggeschnitten ist, um die erfindungs­ gemäße Auskleidung deutlicher darzustellen;

Fig. 3 eine vergrößerte querliegende Schnittansicht eines Kernbrennstoff-Elementes mit einer erfindungsge­ mäßen Auskleidung in Form eines hohlen zylindrischen Rohrs, das in dem Zwischenraum zwischen dem Kern­ brennstoff und dem Behälter angeordnet ist;

Fig. 4 eine vergrößerte querliegende Schnittansicht eines Kernbrennstoff-Elementes, das eine erfindungsge­ mäße Auskleidung in Form einer einzigen Wicklung einer Folie um den Kernbrennstoff mit Überlappung an der Verbindungsstelle der Enden der Folie besitzt;

Fig. 5 einen Teil einer vergrößerten querliegenden Schnitt­ ansicht eines Kernbrennstoff-Elementes, das eine er­ findungsgemäße Auskleidung in Form einer doppel­ lagigen Folie um den Kernbrennstoff besitzt, wobei eine Überlappung an der Verbindungsstelle der Enden der Folie vorhanden ist;

Fig. 6 eine vergrößerte querverlaufende Schnittansicht des Kernbrennstoff-Elementes nach Fig. 4, das eine ge­ schweißte Auskleidung in Form einer einzigen Lage einer Folie um den Kernbrennstoff besitzt, wobei die Enden der Folie durch eine Schweißnaht verbunden sind;

Fig. 7 einen Teil einer vergrößerten querverlaufenden Schnittansicht eines Kernbrennstoff-Elementes mit einer erfindungsgemäßen Auskleidung in Form einer das Kernbrennelement umschließenden doppellagi­ gen Folie, wobei das Ende der Folie mit der Folie durch eine Schweißnaht verbunden ist und

Fig. 8 eine vergrößerte querliegende Schnittansicht eines Kernbrennstoff-Elementes, das eine Schutzschicht aus Feuer­ festmetall in Form eines Überzuges auf der inneren Oberfläche der Verkleidung besitzt, welche als Be­ grenzungsschicht zur Verhinderung eines Kontaktes der Spaltprodukte vom Kernbrennstoff-Element mit der Ver­ kleidung dient.

Es wird nunmehr insbesondere auf die Fig. 1 Bezug genommen. Diese zeigt eine Teilschnittansicht eines Kernbrennstoffbün­ dels 10. Dieses Brennstoffbündel besteht aus einem rohrförmi­ gen Strömungskanal 11 mit 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 Kühlungsmittel­ strom ausgestattet. Eine Anordnung von Kernbrennstoff-Elementen 14 ist im Kanal 11 eingeschlossen und in demselben mit Hilfe einer oberen Endplatte 15 und einer unteren Endplatte gehaltert (die letztere ist nicht gezeigt, da der untere Teil wegge­ lassen ist). Das flüssige Kühlmittel tritt normalerweise durch die Öffnungen in dem unteren Ende des Nasenteils ein, strömt um die Elemente 14 herum nach oben und tritt am oberen Auslaß 13 bei Siedewasserreaktoren in teilweise verdampften Zustand oder bei Druckwasserreaktoren in einem unverdampften Zustand aus.

Es wird nachstehend neben der Fig. 1 auf die Fig. 2 Bezug genommen. Diese zeigt ein Kernbrennstoff-Element 14 in einem Längsteilschnitt. Das Element 14 enthält Kernbrennstoffmaterial 16, das hier in Form einer Vielzahl von Pillen aus spaltbarem und/oder brütbarem Material gezeigt ist, das im Innern eines Behälters 17 angeordnet ist.

In einigen Fällen können die Pillen verschiedenartige Formen besitzen, beispielsweise die von zylindrischen Pillen oder von Kugeln, und in anderen Fällen können verschiedene Brenn­ stofformen verwendet werden, beispielsweise teilchenförmiger Brennstoff. Die räumliche Form des Brennstoffes ist für die Erfindung nicht wesentlich. Verschiedenartige Kernbrennstoff­ materialien können verwendet werden, einschließlich Uranver­ bindungen, Plutoniumverbindungen, Thoriumverbindungen und Gemische derselben. Ein bevorzugter Brennstoff ist Uran­ dioxid oder ein Gemisch, das Urandioxid und Plutoniumdioxid enthält. Der Behälter ist an seinen Enden mit Hilfe von End­ stopfen 18 verschlossen, die Ansätze 19 zur Erleichterung der Befestigung des Elementes in dem Bündel enthalten können. Ein leerer Raum oder Sammelraum 20 ist an einem Ende des Brenn­ elementes 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 Hand­ habung und des Transportes der Brennelemente aufrechtzuerhalten. Der Behälter 17 ist mit den Endstopfen 18 mit Hilfe von umschlies­ senden Schweißverbindungen 22 fest verbunden.

Das Brennelement ist so ausgelegt, daß es einen ausgezeichneten thermischen Kontakt zwischen dem Behälter und dem Brennmaterial, ein Mindestmaß an parasitärer Neutronenabsorption und eine Be­ ständigkeit gegenüber Durchbiegen und Vibration ergibt, welche gelegentlich durch die Strömung des Kühlmittels mit hoher Ge­ schwindigkeit erzeugt wird.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Auskleidung 21 aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung so angeordnet ist, daß sie das Kernbrennstoffmaterial 16 um­ schließt, wobei sich die Auskleidung 23 über die Länge der Säule des Kernbrennstoffmaterials 16 von der oberen Platte 9 zum un­ teren Endstopfen erstreckt.

Die Fig. 3 zeigt eine vergrößerte querverlaufende Schnittan­ sicht eines Kernbrennstoff-Elementes, das eine Auskleidung 23 auf Feuerfestmetall in Form eines hohlen zylindrischen Rohrs besitzt, das in dem Spalt zwischen dem Kernbrennstoffmaterial 24 und dem Behälter 25 angeordnet ist. Das Kernbrennstoff­ material 24 besteht typischerweise aus einer Vielzahl von zy­ lindrischen Pillen, die mit ihren Enden zur Bildung einer Säu­ le aneinandergefügt sind. Der Behälter 25 besteht typischer­ weise aus einer Zirkoniumlegierung und ist an seinen Enden mit Hilfe von Endstopfen verschlossen, welche die schon zuvor er­ wähnten Ansätze 19 enthalten können. Die Auskleidung 23 be­ steht aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung. Die Ausklei­ dung 23 ist undurchlässig für Spaltprodukte und Gase, welche von dem Brennstoffmaterial 24 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 Kernbrennstoffmaterial um die Enden der Ausklei­ dung herum zum Kontakt mit dem Behälter strömen werden und es viel wahrscheinlicher ist, daß die gasförmigen Materialien ein­ schließlich der gasförmigen Spaltprodukte zu dem Sammelraum im Brennstoffelement gehen. Die Dicke der Auskleidung ist aus­ reichend, um den Kräften zu widerstehen, die einerseits beim Zusammenbau des Brennstoffes und andererseits durch die Gas­ drücke beim Betrieb des Kernreaktors auftreten. Eine bevor­ zugte Dicke für die Auskleidung liegt im Bereich von etwa 0,012 bis 0,3 mm. Das Kernbrennstoffelement wird dadurch zusammen­ gebaut, daß zunächst die Auskleidung in den Behälter eingesetzt wird, wobei ein Endstopfen des Behälters beispielsweise durch Verschweißen bereits an seinem Platz befestigt ist und das an­ dere Ende des Behälters offen ist. Das Brennstoffmaterial liegt vorzugsweise in Form zylindrischer Pillen vor und diese werden in die Auskleidung eingesetzt. Dann wird ein spiral­ förmiges Teil in den Behälter 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 dem Behälter evakuiert und dieser wird mit einer Inertgasatmosphäre gefüllt, beispielsweise Helium. Im zusammengebauten Zustand sind enge Spielräume zwischen dem Kernbrennstoffmaterial 24, der Auskleidung 23 und dem Be­ hälter 25 vorhanden.

Die Fig. 4 zeigt eine vergrößerte, querliegende Schnittan­ sicht einer weiteren Ausführungsform des Kernbrennstoff-Ele­ mentes, das eine Auskleidung 27 aus Feuerfestmetall in Form einer einlagig gewickelten Folie mit einer Überlappungsver­ bindung 29 besitzt, welche in den Zwischenraum zwischen dem Kernbrennstoffmaterial 26 und dem Behälter 28 eingefügt ist. Das Kernbrennstoffmaterial 26 besteht typischerweise aus ei­ ner Vielzahl von zylindrischen Pillen, die Ende an Ende auf­ einandergesetzt werden zur Bildung einer Säule. Die Ausklei­ dung besteht typischerweise aus einer Zirkoniumlegierung, die an ihren Enden mit Hilfe von Endstopfen verschlossen ist, wel­ che die bereits zuvor erörterten Ansätze enthalten können. Die Auskleidung 27 besteht aus einem Feuerfestmetall gemäß der Er­ läuterung der Fig. 3 und ist undurchlässig für die Spaltpro­ dukte und Gase, welche von dem Brennmaterial 26 abgegeben wer­ den. Der Zusammenbau des Brennelementes erfolgt in ähnlicher Weise wie bei Fig. 3 beschrieben, und die Dicke der Folie liegt typischerweise im Bereich von etwa 0,012 bis 0,075 mm.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform und einen Teil einer vergrößerten querliegenden Schnittansicht des Kernbrennstoff- Elementes, das eine Auskleidung 31 aus Feuerfestmetall in Form einer doppellagig gewickelten Folie mit einer Überlappungsver­ bindung 33 besitzt, welche in den Zwischenraum zwischen dem Kernbrennmaterial 30 und dem Behälter 32 eingefügt ist. Das Kernbrennstoffmaterial besteht typischerweise aus einer Vielzahl von zylindrischen Pillen, die zur Bildung einer Säule mit ihren Enden aufeinandergefügt sind.

Der Behälter, die Auskleidung und der Kernbrennstoff besitzen die gleiche Zusammensetzung, wie dies bereits für die Fig. 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 von dem Kernbrennstoffmaterial.

Die Fig. 6 zeigt das Kernbrennstoff-Element der Fig. 4, wo­ bei in Fig. 6 für die Bauteile gemäß Fig. 4 die gleichen Be­ zugsziffern verwendet werden. Dabei wurde hier eine Schweiß­ verbindung 34 zur Festlegung der Enden der Auskleidung 27 aus feuerfestem Metall vorgenommen. Dies ergibt eine undurchläs­ sige Abdichtung über die gesamte Länge der hohlen Säule der Auskleidung aus Feuerfestmetall.

Fig. 7 zeigt eine ähnliche Schweißverbindung für das Kern­ brennstoff-Element gemäß Fig. 5, wobei auch in Fig. 7 für die Bauteile nach Fig. 5 die gleichen Bezugsziffern verwendet werden. Die Schweißverbindung 35 wird zur Befestigung des En­ des 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 Fig. 8 gezeigt, in der eine Auskleidung in Form eines Überzuges aus einem Feuerfest­ metall an der inneren Oberfläche des Behälters 38 haftet und diese bedeckt und eine Schutzschicht gegenüber dem Kontakt von Spaltprodukten aus dem Kernbrennmaterial 36 mit dem Behälter 38 bildet. Der Überzug 37 wird an dem Behälter 38 rechtzeitig vor dem Zusammenbau des Brennstoff-Elementes aufgebracht, so daß sich der Behälter auf Zimmertemperatur befindet. Dann wird der Behälter mit dem Brennmaterial, typischerweise in Form von Pillen, beschickt und anschließend wird das spiralförmige Teil eingesetzt, das Rohr mit Inertgas gefüllt und der Endstopfen an dem Behälter festgeschweißt. Die Zusammensetzung des Über­ zuges aus Feuerfestmetall entspricht der bereits vorstehend be­ schriebenen, und die Dicke des Überzuges liegt im Bereich von etwa 0,012 bis 0,037 mm. Dies bildet einen undurchlässigen Überzug be­ züglich des Durchgangs von reaktiven Gasen und Spaltprodukten.

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 Fig. 3 verwendet wird, dann ist das Rohr typischerweise durch Extrudieren hergestellt. Das Rohr kann auch aus Blech­ material durch Verschweißen unter Verwendung von Schweißver­ fahren mit Laserstrahl oder Ultraschallschweißung gebildet wer­ den. Wenn als Auskleidung eine einlagig oder doppellagig ge­ wickelte Folie verwendet wird, dann wird die Auskleidung aus Feuerfestmetall durch Wickeln um einen Dorn, beispielsweise einen Metalldorn, zusammengefügt, und dann wird der Dorn her­ ausgezogen. 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 frei­ bleibt zur leichteren Beschickung mit dem Kernbrennstoffmaterial nach der Einfügung der Auskleidung in den Behälter. Hierdurch wird gewährleistet, daß die einlagig oder doppellagig gewickelte Folie innerhalb des Behälters gerade liegt und eine gleichför­ mige 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 0,036 mm erzielt worden ist. Bei einem Verfahren wird diese Aufdampfung dadurch erreicht, daß das feuerfeste Metall in Form einer gasförmigen Verbindung (beispielsweise MoF₆) in den Be­ hälter eingebracht wird und eine den Behälter umschließende In­ duktions-Heizeinrichtung benutzt wird, um dieselbe zur Abschei­ dung eines Überzuges des Feuerfestmetalls auf der inneren Ober­ fläche des Behälters ausreichend aufzuheizen.

Das Kernbrennstoffmaterial in Form von Pillen oder kleinen ge­ raden 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 dem Behälter ausgerichtet, welcher eine Schutzschicht, Ausklei­ dung oder einen Überzug aus Feuerfestmetall besitzt, und dann werden die Pillen in den Behälter eingeführt.

Gemäß der Konstruktion dieser Kernbrennstoff-Elemente ist ein Zwischenraum zwischen dem Kernbrennstoffmaterial und der Aus­ kleidung aus Feuerfestmetall vorgesehen. Weiterhin ist mit Ausnahme des Überzuges nach Fig. 8 ein Zwischenraum zwischen dem Behälter und der Auskleidung aus Feuerfestmetall vorhanden.

Die Auskleidungen oder Schutzschichten aus Feuerfestmetall ge­ mäß der Erfindung verhindern eine mechanische Wechselwirkung zwischen dem Kernbrennstoffmaterial und dem Behälter. Weiter­ hin 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 dem Behälter auf ein Minimum und verbessert den axialen ther­ mischen Gradienten über die Länge des Kernbrennstoff-Elements. Da die thermische Leitfähigkeit der für die Erfindung verwen­ deten Feuerfestmetalle größer ist als die Leitfähigkeit des Be­ hälters, die beispielsweise aus Zirkonium oder einer Zirkonium­ legierung bestehen kann, wird jede Ausbildung von thermischen Spitzen als Folge von Spitzen im Neutronenfluß verringert. In der Endauswirkung bringt die Auskleidung aus Feuerfestmetall jegliche Konzentration von Wärme in dem Kernbrennelement in­ folge der ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit der Aus­ kleidung auf ein Minimum.

Feuerfestmetalle für die Erfindung sind Molybdän und Molyb­ dänlegierungen infolge ihrer hohen Schmelzpunkte (beispiels­ weise 2615°C für Molybdän), welche in unmittelbarer Beziehung stehen zur Beständigkeit der Auskleidung gegen eine Diffusion in dem Behälter. Weiterhin liegt der Ausdehungskoeffizient von Molybdän und seinen Legierungen in der Nähe des Ausdehnungs­ koeffizienten des bevorzugten Behältermaterials, nämlich der Zircaloy-Legierungsreihe. Weiterhin zeigen Molybdän und sei­ ne Legierungen eine Beständigkeit gegenüber Spaltprodukten, wie Cäsium. Weiterhin besitzen Molybdän und seine Legierungen, wie bereits vorstehend ausgeführt, eine hohe thermische Leitfähig­ keit und bewirken daher keine merkliche Wärmebarriere in dem Kernbrennstoffelement.

Beispiel

Es wurden mehrere zylindrische Kernbrennstoff-Elemente mit Molybdän-Auskleidungen zum Betrieb in einem Versuchsreaktor konstruiert. Die Molybdän-Auskleidungen haben dabei die Form von einzelnen Lagen von Molybdän-Folie mit einer Überlappung von etwa 3 bis 6 mm. Die Länge der Brennelemente betrug etwa 1 m und die Länge der zylindrischen Säulen aus Kernbrennstoff in den Brennelementen betrug etwa 90 cm, wobei etwa 75 cm der Kernbrennstoffsäule aus angereichertem Kernbrennstoff bestand. Mit Ausnahme der Überlappungsstelle war die Dicke der Molyb­ dänauskleidung etwa 0,012 mm. Der Außendurchmesser der Zir­ koniumverkleidung der Brennelemente betug etwa 14 mm und die Dicke des Behälters etwa 0,8 mm. Der Innendurchmesser der Molyb­ dän-Auskleidung betrug etwa 12,48 mm, und der Durchmesser der zylindrischen Kernbrennstoffpillen betrug etwa 12,23 mm. Die zusammengebauten Brennelemente wurden in einen im Betrieb befind­ lichen Versuchs-Kernreaktor eingesetzt und die Überprüfung der Brennelemente verlief erfolgreich.

Claims (1)

1. Kernbrennstoff-Element mit einem länglichen zylinderförmigen Behälter aus Zirkonium oder einer Zirkoniumlegierung, einem Körper aus oxidischem Kernbrennstoffmaterial in dem Behälter, einer Auskleidung aus Metall, die zwischen dem Körper aus Kern­ brennstoffmaterial und dem Behälter angeordnet ist und je einem Verschluß zum Abdichten der Enden des Behälters, wobei zwischen dem Behälter und dem Körper aus Kernbrenn­ stoffmaterial ein Zwischenraum vorhanden ist, der von der Auskleidung nur teilweise ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ kleidung aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung besteht.