DE2522503B2 - Kernbrennstoffelement, bestehend aus einer mit brennstofftabletten gefuellten huelse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernbrennstoffelement, bestehend aus einer mit Brennstofftabletten gefüllten, •n beiden Enden verschlossenen H'llse, welche in ihrem Inneren zusätzlich ein zu (^-Reaktionen befähigtes Material, bestehend aus Bor oder einer Borverbindung, enthält welches mit einer aus mindestens einem Seltenerdmetall und/oder mindestens einer Verbindung eines Seltenerdmetalls versetzt ist

Ein Brennelement der genannten Art ist aus der PT-AS 13 00177 bekannt Die Brennstoff tabletten sind mit dem zur (/7A>-Reaktion befähigten Material (im folgenden kurz »Neutronengift») vollständig ummantelt Als Brennstoff findet gesintertes UCj, als Neutronengift Bor oder eine Borverbindung Verwendung. Die Brennstofftabletten sind mit geringem axialem und radialem Spiel in der stirnseitig verschlossener· Hü!gc des Brcnni!sm2"tsi sip^/*?Echk>??*ⁿ rias Spiel trägt der Ausdehnung des Brennstoffs während des Betriebes Rechnung. Die Hülse ist mit Helium von etwa 1 bar gefüllt

Insbesondere beim Einsatz in Siedewasserreaktoren tritt nach einiger Betriebszeit jedoch eine spürbare Schrumpfung der Brennstofftabietten ein, so daß der Spalt zwischen dem Außenmantel der Brennstofftablette und der Innenwand der Hülse des Brennelementes merklich vergrößert wird. Gleichzeitig treten in den Gasraum zum Helium auch gasförmige Spaltprodukte, vor allem Krypton und Xenon, die eine wesentlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit a!& Helium aufweisen. Bei 45O⁰C ist die Wärmeleitfähigkeit des Kryptons nur 63% und die des Xenons nur 4,1 % der Wärmeleitfähigkeit des Heliums bei gleicher Temperatur Außerdem werden noch von den Brennstofftabietten Reste adsorbierter Gase in den Gasraum des verschlossenen Brennelementes abgegeben, die bei der Fertigung der

iu Brennstofftabietten nicht vollständig desorbiert werden konnten.

Das Zusammenwirken der genannten Faktoren führt zu einer erheblichen und zunehmenden Verschlechterung des Wärmeüberganges (»Spaltleitung«) zwischen

der Brennstofftablettensäule und der Brennelementhülse. Dies bewirkt eine Leistungsminderung des Brennelementes und eine Erhöhung der Unfallgefahr durch ungenügend gekühlte Brennstofftabietten. Während die aus der DT-AS 1300177 bekannten Brennstofftabietten mit dem Neutronengift ummantelt sind, ist das Neutronengift bei den aus der DT-AS 12 66 410 bekannten Brennstofftabietten in diese dhpergiert eingearbeitet Die aus der DT-AS 12 79 230 bekannten Brennstofftabietten /reisen je ein Loch auf.

Die Löcher, mittels deren die Tabletten auf eine sie vollständig ausfüllende Seele aus Neutronengift gefädelt sind, liegen koaxial zueinander. Bei gestapelter Brennstofftablettensäule bildet dieses Seelenmaterial bei der zuletzt genannten Ausbildung der Brennstofftabietten

eine durch die janze Säule verlaufende Giftseele. Auch diese Ausbildungen der Brennstofftablette bzw. der

Brenr .tofftablettensäule vermögen die beschriebenen

ungelösten Probleme nicht zu lösen.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der

Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kernbrennstoffelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine wirksamere Kühlung der Brennstoffbeschickung ermöglicht und damit den Sicherheitsgrad des Elementes, dessen Lebensdauer und Leistung verbessert

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Kernbrennstoffelement dadurch gelöst, daß erfii-dungsgemäß das zur (πα)-Reaktion befähigte Material im unteren Bereich des Brennelementes angeordnet ist, daß die stirnsciiig in der Hülse gestapelten Brennstoff tabletten koaxiale Bohrungen aufweisen, die im Brennelement einer, gemeinsamen Zentralkanal bilden, daß dieser Zentralkanal Teil eines Zirkulßtionsweges im Brennstoffelement für die Spaltgase ist, die durch Naturumlauf in diesem Zentraikanai aufsteigen, im Späh zwischen der Hülseninnenwand und der Brennstofftablettensäule absteigen und über Durchlässe wieder in den Zentralkanal zurückkehrer

Efoe Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß zwischen dem unteren stirnseitigen Abschlußstopfen der Hülse und der untersten Tablette der Brennstofftablettensäule ein Speicherraum für gasförmige Spaltprodukte ausgebildet Ist

Die Heliumerzeugung durch (ivx)-Reakt!on in der RrennaUmpnthnlsp kann durch Einfügen eines schei benförmigen, porösen Sinterkörpers zwischen der oberen Stirnfläche der obersten Tablette der Tabiettensäule und der Innenfläche des stirnseitigen Abschlußstopfens verstärkt werden. Durch den Zwangsumlauf und die damit verbundene Sedimentation der schwereren Komponenten des Füllgases wird im Brennelement der Erfindung auch nach langer Betriebsdauer in der Atmosphäre zwischen der Tablettensäule und der Hülse (»Ringspaltatmosphä-

re«) eine gegenüber dem Fallzustand fast unverändert hohe Heliumkonzentration aufrechterhalten. Dadurch «rird eine wesentlich verbesserte Wärmeleitung im Spalt bewirkt Dies gewährleistet auch nach langer Betriebsdauer einen sehr hohen Sicherheitsfaktor. Nach einer Leistungsabgabe von etwa 30 000 MW · alt liegt die Heliumkonzentration in der Ringspaltatmosphäre im Element der Erfindung etwa um den Faktor 10 höher als in den bekannten Elementen. Die Wärmeleitung im Spalt wird dadurch gut verdoppelt, was wiederum zu wesentlich günstigeren Leistungskenndaten führt

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Brennelement im Axialschnitt und

F i g. 2 eine vergrößerte TeUdarstellung des in F i g. 1 gezeigten Elementes.

Das in Fig. 1 gezeigte Brennstoffelement 15 besteht aus einer Hülse 2 (>. Hüllrohr«), die am Kopf mit einem Abschlußstopfen 4 und «* ^cuß mit einem Abschlußstopfen i verschk>s'£n U Die Stopfen 4 und 5 sind auf die Hülse nvt esner w- rramelektrode unter Inertgas oder vorzugsws⁵', Turch Elektronenstrahlschweißen aufgeschweißt .-as innere des Brennstoffelementes ist mit stint· \üz übereinanderliegenden, zu einer Säule gestapeltem JO₂-Brennstoff tabletten 16 gefüllt Die Brennstofflabletten 16 weisen eine Zentralbohrung auf, die :n der Tablettensäule einen durchgehenden Zentralkanal 24 bilden. Die Tablettensäule ruht auf einer Auflagescheibe 17, die von einer Feder 8 nach aufwärts gedrückt wird. Zwischen der inneren Stirnfläche des oberen Abschlußstopfens 4 und der dieser ' !äche gegenüberliegenden stirnseitigen Oberfläche der obersten Brennstofftablette der Tablettensäule liegt ein poröser, scheibenförmiger Sinterkörper 20 aus Borcarbid. Zwischen der Tablettensäule mit der abschließenden Borcarbidscheibe 20 und der Flülse 2 ist ein freier Zylinderringraum 14 ausgebildet Dieser Zylinderringraum geht an seinem unteren Rand in einen zylindrischen Speicherraum 21 über. Dieser Speicherraum 2! ist im Fußbereich der Hülse 2 ausgebildet, und zwar zwischen der unteren Stirnfläche der die Tablettensäule tragenden Abschlußscheibe 17 und der oberen Stirnfläche des unteren Abschlußstopfens 5. In diesem Speicherraum 21 liegt die Feder 8, die die Auflagescheibe 17 gegen den Kopf des E ennstoffelementes drückt

An der Unterseite der Auflagescheibe i7 (Fig.2) ist ein im wesentüchen zylindrisch ausgebildeter Behälter 18 angeordnet vorzugsweise befestigt Der Behälter 18 weist im oberen Bereich seines Innenraumes eine aufwärtsgerirhtete Düse 22 auf, die in eine koaxial mit dem Zentralkanal 24 in der Tablettensäule ausgebildete öffnung 23 in der Auflagescheibe 17 eingreift Zwischen der Außenwand der Düse 22 und der innenwand der Bohrung 23 bleibt ein Ringspalt 28 frei. Zwischen der Oberkante des Behälters 18, die mit der Unterseite der Auflagescheibe 17 verbunden ist, und den: Fu3 der Düse 22, die im unteren Teil des Behälters Its einen Speicherraum abschließt bleibt ein Ringraum frei, der einerseits durch Bohrungen 25 im Mantel des Behälters 18 mit dem Speicherraum 21, andererseits über den Ringspait 26 mit dem Zentralkanal 24 verbunden ist

Am Boden des Behälters 18 ist das als Neutronengift dienende Borcarbid in Form eines Sinterkörpers 19 angeordnet Die beiden Borcarbidsinterkörper 19 und

20 wiegen ca. 1,5 g.

Bei der Herstellung wird das Brennelement mit Helium von ca. 1 bar gefüllt.

Die Betriebstemperatur im Mittelpunkt der UOrTabletten 16 beträgt ca. 2000⁰C. Die Manteltemperatur der Tubletten im Bereich der Hülse 2 beträgt ca. 500 bis 600⁰C. Diese Temperaturdifferenz führt dazu, daß das Gas durch den Zentralkanal 24 in der Brennstofftablettensäule aufsteigt, durch den porösen Borcarbidsinterkörper 20 hindurchtritt im Zylinderringraum 14 absinkt und schließlich durch die Bohrungen 25 und den Ringspait 26 wieder in den Zentralkanal 24 gelangt. Durch Neutronenabsorption im Borcarbid 19 zusätzlich gebildetes Helium sammelt sich zunächst im Behälter 18 an und tritt dann durch die Düse 22 hindurch ebenfalls mit aufwärts gerichteter Strömung in den Zentralkanal. 24 ein. Gleicherweise wird im porösen Borcarbidsinterkörper 20 gebildetes Helium mit in den Zwangsumlauf der Heliumat.nosphäre im Brennelement einbezogen. Die von den ' .^-Tabletten 16 als Spaltprodukte abgegebenen Gase r'.rypton und Xenon sammeln sich dabei allmählich und zunehmend im Gasspeicherrai m

21 am Fuß des Brennelementes an, und zwar troU und während der Zirkulation. Vielmehr wird gerade durch die Zirkulation die Trennung der Gr"e gefördert. Dies führt dazu, daß auf diese Weise auch nach langen Betriebszeiten des Elementes im Ringraum 14 die gewünschte hohe Heliumkonzentration aufrechterhalten werden kann. Dadurch wird jedoch wiederum die Kühlung der Brennstofftabletten wesentlich verbessert. Gegenüber den vergleichbaren Brennelementen nach dem Stand der Technik kann im Brennelement der Erfindung die Oberflächentemperatur der Brennstofftablette um 180⁰C und die Innentemperatur der Tablette um ca. 20O⁰C niedriger gehalten werden, und zv. ar auch noch nach langer Betriebsdauer. Dies führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Betriebssicherheit des Brennstoffelementes.

Die während des Reaktorbetriebes im Brennstoffelement erzeugte Heliummenge kann durch Zugabe geringer Mengen mindestens eines Seltenerdmetalls und/oder mindestens einer Verbindung eines Seltenerdrnetaüs genau eingestellt werden. Als solche Steuersubstanzen werden vorzugsweise Dysprosium, Gadolinium oder Europium verwendet Diese Steuersubstanzen dienen im wesentlichen der Steuerung im zeitlichen Verlauf und der Feinsteuerung der Heliumproduktion. F^;ne Grobeinstellung der Heliumproduktion wird relbstverständlich durch die Bemessung der Menge des in das Brennstoffelement gegebenen Borcarbids bestimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kernbrennstoffelement, bestehend aus eint. ...Λ Brennstofftabietten gefüllten, an beiden Enden verschlossenen Hülse, welche in ihrem Inneren zusätzlich ein zu (/v*)-Reaktionen befähigtes Material, bestehend aus Bor oder einer Borverbindung, enthält, welches mit einer aus mindestens einem Seltenerdmetall und/oder mindestens einer Verbindung eines Seltenerdmetalls versetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das zur (/?/x)-Reaktion befähigte Material (20) im unteren Bereich des Brennelementes (IS) angeordnet ist, daß die stirnseitig in der Hülse (2) gestapelten Brennstofftabletten (16) koaxiale Bohrungen aufweisen, die im Brennelement einen gemeinsamen Zentralkanal (24) bilden, daß dieser Zentralkanal (24) Teil eines Zirkulationsweges im Brennstoffelement für die Spaltgase ist, die durch Naturumlauf in diesem Zentralkanal aufsteigen, im Spalt zwischen der Hülseninnenwand und der Brennstofftablettensäule absteigen und über Durchlässe (25) wieder in den Zentralkanal (24) zurückkehren.

2. Kernbrennstoffelement nach Anspruch 1, uadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem unteren stirnseitigen Abschlußstopfen (5) der Hülse (2) und der untersten Tablette der Brennstofftablettensäule ein Speicherraum (21) für gasförmige Spaltprodukte ausgebildet ist

3. Kernbrennstoffelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der Heliumerzeugung zwischen der Innenfläche des oberen stirnseitigen Abschlußstopfens (4) und der obersten Brennstofftablette ein scheibenförmiger, poröser Sinterkörper (20) aus dem zur (/ta)-Reaktion befähigten Material eingefügt ist.